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双转子电机

一、目前的应用

双转子电机最广泛的应用领域有两个,一是在混合动力系统中,二是在风力发电系统中。因其内、外电机可以独立运行,能实现两个机械轴能量的独立传递,因此,将双转子电机应用于混合动力汽车、混合舰船推进和矿山机械等的驱动系统中,有着良好的性能。在风力发电系统中,双转子发电机也得到越来越多的应用。随着节能和环保的不断开展与深入,用混合动力系统代替内燃机驱动系统、用风力发电代替污染较重的火力发电得到了越来越多的研究。与其他电机相比较,双转子电机在这两个领域中的应用都有着更优越的性能。

1.混合动力系统

将电动机引入汽车驱动系统,是电机界研究多年的课题。直流电动机、三相感应电动机、永磁电动机以及新型的开关磁阻电机和双凸极电机在应用中都存在一些问题。在这种情况下,双转子电机与内燃机结合的驱动系统展现了更多的优点。下面以对转双转子永磁电机为例,说明其在汽车驱动系统中的应用。

作为驱动用的双转子电机安装在汽车的驱动桥上,在电机的左右两侧分别设有用于减速和换向减速的齿轮机构。其内、外转子分别经左、右侧的齿轮机构向两侧车轮传递,从而驱动车轮转动。由于其内、外转子是对转,即两转子的转动方向相反,所以,要保持两个车轮同向旋转,除了减速装置外,还需要在内转子与右侧车轮之间安装万向节的装置。混合动力系统中的万向节一般选用等速万向节,如果能保证电动机的内、外转子的转动惯量基本相等,那么车轮输出的转矩也会基本相等。对转双转子电机稳定工作的条件是:电磁转矩对于某一转子转速的变化梯度小于作用在该转子的负载对于该转子转速的变化梯度。通过控制器的矢量控制或磁场向量控制,可以使电磁转矩满足以上条件,即可以使对转双转子永磁电机运行于稳定状态。

电机的外转子绕组通过滑环机构与控制器连接,再与车载电源连接。控制器包含DCAC转换器和电机调速装置等。在汽车行驶的过程中,车载电源向电机供电。由于这种双转子电机可以实现四象限运行,所以在汽车下坡时,电机可以运行于发电机状态,通过回收装置,将这部分电能回馈至车载电源。对转双转子电机的驱动系统集驱动、差速、制动能量再生为一体,效率高、重量轻,成本低。

2.风力发电系统

与混合动力系统一样,新能源发电也是节能、环保的一个重要手段。其中,风力发电是一个经济、环保的发电方式。直流发电机、同步和异步交流发电机都已经被应用于风力发电系统中。对转式双转子永磁电机的两个转子沿相反的方向旋转,即使在绝对转速很小的情况下,它们之间的相对转速也会较大。与其它电机相比,在相同的风力和其他外部条件下,双转子发电机的风能利用率和发电能力都提高一倍。而永磁无刷双转子电机用作风力发电机,也具有较为优良的性能。由于其不需要电刷和滑环,结构更加坚

固,适用于风力发电。而且通过励磁调节,能保证输出电能的质量。

二、应用中的难题

双转子电机在应用中还存在着诸多难题,综合起来主要有以下几点:

1.目前大多数双转子电机都需要安装电刷,定时更换电刷对于汽车来说相当困难,因为更换电刷有可能要求维修人员在汽车底盘下完成。

2.双转子电机与内燃机及负载之间,变换器与外电源之间的功率匹配与流动控制的关键技术在于保持系统运行效率最高且满足车辆运行性能的前提下,尽量减少变换器传递的功率,减少控制系统的体积和成本。目前这方面的技术还不能达到要求。

3.车轮间要安装减速器、万向节等多种装置,电机所处的空间狭小,而内转子上绕组会产生铜耗,所以散热问题突出。

4.在风力发电系统中,由于没有辅助机械调控部分,其自身可调控性较差。

基于以上分析总结出,在混合驱动系统中,无刷式双转子电机无疑是一个比较好的发展方向,因为这种结构无需电刷,大大减少了使用中的不便。双凸极电机应用于混合动力系统中也有良好的性能,如果利用双凸极电机原理对双转子电机进行改造,则有可能使电机兼具双转子电机和双凸极电机的双重优点。另外,有人还提出了一种新型的双定子/双转子永磁电机,这种电机是目前国际上混合动力汽车最前沿、最先进的电动机驱动方案之一,既可以作为双转子运行,也可以作为双定子运行。而在风力发电系统中,双转子电机的应用还需要更多、更深入的研究。

双转子电机是一种新型的特种电机,其种类颇多。由于具有结构简单、重量轻和能量利用率高等优点,其在实际中的应用将会越来越广泛。但要大规模的将双转子电机应用于实际中,还需要进一步的研究。然而双凸极结构和双定子/双转子结构将是具有较大发展潜力的新的发展方向

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