CN1005672B - 交流三相单绕组电机的变极方法 - Google Patents

Abstract

本发明对单绕组反向法变极和换相法变极进行了改进。此方法是以“线圈边”为基本变化单元，配合极幅调制或对称分量法，先决定“线圈边”的状态，再产生线圈。该设计具有较大的灵活性，设计出来的变极绕组，绕组系数较常规法设计的要高，同时提出了反向法和换相法的必要法则和普遍设计方法。

Description

交流三相单绕组电机的变极方法

现有的单绕组变极绕组，采用反向法变极或换相法变极时，是以“线圈”为基础设计的，绕组系数等于线圈的分布系数（通常以线圈上层边形成的相带来求出）乘上线圈的短距系数（通常从线圈的跨距来求出）。由于从变前极到变后极，绕组经过反向法或换相法之后，分布系数下降较多，另一方面，同一个节距的线圈难于接近二种极距，特别是当二种极距相差较大时，出现较低的短距系数，二者相乘，使总的绕组系数较低。这使得现有的变极电机的铜线使用不经济、定子铜耗较大（定子铜耗与绕组系数的平方成正比）、电机效率下降、电机出力减少。本发明的目的是使变极绕组在变前极与变后极中都具有较高的绕组系数。

本发明打破“线圈”节距的约束，先根据极幅调制或对称分量法产生变极的需要，决定各相各组“线圈边”在电势相位图上的位置和变化状态，然后再互联成为“线圈”（节距可能会长短不同，也可能相同）。这样设计的绕组，绕组系数就等于“线圈边”的分布系数。

具体作如下考虑：

首先，本发明把以定子槽（或定子槽内圈边）为基本单元的各相相带，设计成正相带槽数（或圈边数）等于负相带槽数（或圈边数），且使所有线圈的一条边落在所属相的正相带槽（或圈边）中，另一条边落在所属相的负相带槽（或圈边）中。也就是同属相的一个正相带槽号（或圈边号）与一个负相带槽号（或圈边号）联结成一个线圈。

其次，为了保证无论是在变前极中还是在变后极中，所有线圈的二条边都能分别落在（计算分布系数时所确定了的）所属相的正相带槽号（或圈边号）和负相带槽号（或圈边号）之中。则要求所说正、负相带槽号（或圈边号）具有相同的变化规律（比如同样反向：正→负，负→正;同样换相：A→B，-A→-B），也就是把同属相的具有相同变化规律的正、负相带槽号（或圈边号）成对地联结成线圈。

如果各相相带没有重叠的部分，那么以此方法构成全部由正、负槽号结合而成的完整的单层变极绕组（见图3）。如果不同相属的相带在一部分槽内互相重叠，则可以把一个槽号定为二个圈边号，用圈边号结合代替槽号结合，这时就形成了双层变极绕组（见图11、12）。这种变极绕组，在变前极和变后极中，绕组系数仅仅等于所有“线圈边”形成的相带所确定的分布系数，而不能用以“线圈”为基本单元形成的相带的分布系数（绕组分布系数）与线圈短距系数（等于1除外）的乘积来表示。

下面介绍以“线圈边”为基本单元设计变极绕组（以下简称“线圈边”变极）的具体设计方法：

一、“线圈边”反向法变极

根据前面的考虑，变前极必须采用有负相带的，且负相带与正相带槽数相等的绕组形式。60°相带是最普遍的一种，采用分数槽绕组时当g＝N/d的分母为奇数时，因为每相在“单元电机”中所占的槽数为偶数，可以分为正、负槽数相等的相带;但当分母为偶数时，因每相在“单元电机”中的槽数为奇数，正、负相带的槽数不相等，这时如果“单元电机”是偶数极，则可以用双层绕组使正、负相带的元件圈边数相等，此时把一个槽号定为二条圈边，用圈边排列代替槽号排列（如后面所举的例：16/4极，72槽，就是采用这种方法设计变前极16极的相带的，见图11）。

根据前面的考虑，变前极每一个元件的二条边所在的正、负相带槽号应该同时反向或者同时不反向。因为一个元件由二条边所组成，所以反向部分的正、负相带槽数应该相等，不反向部分的正、负相带槽数也应该相等，这是选择三相槽号时应该考虑的一个原则，具体步骤可以是这样：

（1）选定槽数，变前极极数，变后极极数，并画出变前极与变后极的槽号相位图。

（2）找出所有在变前极相位图上同相位，而在变后极相位图上反相位的槽号对。

（3）在变前极相位图上，把上述槽号对进行三相对称排列，要求：

（a）三相槽号对称（包括三相相位图形状一致，相位图互移120°;每相所占的槽数是总槽数的三分之一;三相槽号不重复。）

（b）每相正槽号对数与负槽号对数相等。

（4）用变前极选中的槽号对（这些槽号对在变后极相位图上则必定表现出一个正槽号与一个负槽号组成一个槽号对）在变后极相位图上进行三相对称排列，排列仅要求三相对称性，因为这时一个槽号对中包括正、负二个槽号，所以每相的正槽号数与负槽号数肯定是相等的。

（5）排列完毕后，比较变前极与变后极槽号相位图，找出改变了符号（正变负或负变正）的槽号（或圈边）。这些槽号（或圈边）必定是正、负成对出现的。

（6）在变前极相位图上，或变后极相位图上，把每个槽号看成是圈边号，然后把每相的改变了符号的正、负圈边号成对地联成元件，把没有改变符号的正、负圈边号也成对地联成元件。这样形成的元件节距，可能会有长短不同，也可能长短相同，但应以端部联线最短和排线工艺方便为原则。

举例说明：

（例一）

极比：8/6

槽数：Z＝36

（1）8极槽号相位图见图1

6极槽号相位图见图2

（2）在8极相位图上同相位，在6极相位图上反相位的槽号对为：

正槽号对：

1-19，2-20，3-21，4-22，5-23，

6-24，7-25，8-26，9-27，10-28，

11-29，12-30，13-31，14-32，

15-33，16-34，17-35，18-36，

负槽号对：

-1--19，-2--20，-3--21，

-4--22，-5--23，-6--24，

-7--25，-8--26，-9--27，

-10--28，-11--29，-12--30，

-13--31，-14--32，-15--33，

-16--34，-17--35，-18--36。

（3）在8极相位图上，选择了如下槽号对（各相的正槽对数等于负槽对数）：

A相：-14--32，-15--33，-6--24，

1-19，10-28，11-29。

B相：-8--26，-9--27，-18--36，

4-22，5-23，13-31。

C相：-2--20，-3--21，-12--30，

7-25，16-34，17-35。

并且已在图1上排成了三相对称图形。

（4）在6极相位图上（见图2）也已将8极所选的槽号对排成了三相对称图形。这里各相的正槽数等于负槽数。

（5）比较8极与6极相位图可以看出：从8极到6极，A相改变了符号的槽号是：-14，-15，-24，10，11，19;B相改变了符号的槽号是：-8，-9，-18，13，22，23;C相改变了符号的槽号是：-12，-20，-21，7，16，17;把每相改变了符号的正槽号与负槽号配对，同样也把每相没有改变符号的正槽号与负槽号配对，可以得到如下各相元件节距：

A相：10←→-14，11←→-15，19←→-24，

（反向半绕组，节距为4，4，5）

-32←→28，-33←→29，-6←→1，

（正向半绕组，节距为4，4，5）

B相：13←→-9，22←→-18，23←→-8

（反向半绕组，节距为4，4，15）

-27←→31，-36←→4，-26←→5，

（正向半绕组，节距为4，4，15）

C相：16←→-20，17←→-21，7←→-12，

（反向半绕组，节距为4，4，5）

-2←→34，-3←→35，-30←→25，

（正向半绕组，节距为4，4，5）

图3画出了各相单层形式的节距，共有3种规格元件节距。

此例8极绕组系数等于分布系数，为0.945，6极绕组系数等于分布系数，为0.644。可作为恒功率变速用。与常规方法相比：常规法以6极极距为元件节距时，6极绕组系数是0.644，但8极绕组系数则下降为0.945×0.866＝0.818。若以8极与6极极距的中间值（取5槽）为绕组节距，则绕组系数分别为：K_W8＝0.945×Cos10°＝0.93

K_W6＝0.644×Cos15°＝0.622

上面所提方法，也可以采用非正规相带来设计变极绕组，但是要求每相的正槽号数（或正圈边数）等于每相的负槽号数（或负圈边数）。若采用计算机编排方案，可按上面所提步骤编制程序。

对于60度相带绕组，采用极幅调制方法实现“线圈边”变极是很方便的，但必须遵循一定法则，由于60度相带正规绕组中，三相槽号已符合要求，只需考虑如何确定反向槽号和安排元件节距。用极幅调制方法应该使各相的处在同调制性质下的正、负槽号的数目相等。

1.第一种法则：

使调制极m对极距正好等于变极前的奇数个极距，用公式写出来是：

m·Z/K＝（2n-1）Z/2P，

或：K＝2m/2n-1·P，

（m，n是任意自然数，P是变前极极对数，K是调制极极对数，Z是定子槽数。）

上式中，变前极极对数P应当能被（2n-1）除尽，才能保证调制极极对数K为整数。而且K一定是偶数。

此法则的原理是：

当m对调制极极距等于奇数个变前极极距（见图4）各相在此m对调制极范围内，被调制的状况一般不会相同，而更主要的问题是：在此m对调制极范围内，每相各自处在同极性调制极下的正、负槽数不一定相等。但因为在此m对调制极范围内，变前极极距数是奇数，使得在下一个相邻的m对调制极范围内，出现了相反的调制状况：即对应于前m对调制极区内的任何槽号，总可以在后m对调制极区内找到调制方向相反的槽号。所以，在2m对调制极范围内，各相处于同调制性质下的正、负槽数一定是相等的，又因为调制极极对数K是2m的整数倍，所以在K对调制极范围内，各相处在同调制性质下的正、负槽数也一定是相等的。

上面说明了：当调制极符合公式：K＝2m/2n-1P，

则可以获得“线圈边”变极方案。此时变前极与变后极之比为：

P/P′＝P/K±P

＝2n-1/2m±（2n-1）

（P′为变后极极对数）

上式说明：P/P′＝奇数/奇数

2.第二种法则：

使变前极m对极距等于调制极的奇数个极距，用公式写出来是：

m·Z/P＝（2n-1）Z/2K

或：K＝2n-1/2m·P

上式中，变前极极对数必须为偶数，且能被2m除尽才能使调制极极对数K为整数。

此法则的原理与前面相似。当奇数个调制极极距等于变前极的m对极距时，各相的调制状况也各不相同，因为调制极极数是奇数，所以在后m对变前极的区域中，各相对应槽号呈现相反的调制状况（见图5）。如果也能够在2m对变前极极距范围内，使各相正、负槽号在同性调制极下配对，那么因为变前极极对数是2m倍数，则各相在同性调制极下的正、负槽号全部都能配对。下面在2m对变前极极区内任意取一相（C相）来说明之（见图6）。

图10中四个C相相带被调制波调制后各分裂为正、反二部分，若C相同性调制极下的正、负槽数相等，则应当成立下面等式：

式：

正调制极下：E+y＝G+J （1）

负调制极下：F+X＝H+I （2）

已知：E+F＝G+H＝X+Y＝I+J＝S

又因为：在R区内，各相的调制状况与T区内相反，所以有：E＝X，F＝Y，

G＝I，H＝J。

（1）式左边＝E+y＝X+y＝S，

（1）式右边＝G+J＝I+J＝S，

因 左边＝右边，

故 （1）成立。

同理可证（2）式成立。

上面说明了：在2m对变前极极距范围内，各相位同性调制极下的正、负槽数相等。从而说明在P对变前极极距范围内，各相在同性调制极下的正、负槽数相等。这就符合了“线圈边”变极的基本要求。

上面说明了：当调制极极对数符合公式：K＝2n-1/2m·P则可以获得“线圈边”变极方案。此时，变前极与变后极之比为：

P/P′＝P/K±P

＝2m/2n-1±2m

上式说明：P/P′＝偶数/奇数。

上面二个法则，能实现所有60°相带绕组的“线圈边”变极，这是因为变前极极对数与变后极极对数之比的比值只可能有三种情况：

（1）奇数/奇数 （2）偶数/奇数 （3）奇数/偶数

第（1），（2）种情况已经用上述二个法则实现了“线圈边”变极而第（3）种情况，只要把变前极与变后极位置互换，就可以使用法则2来实现“线圈边”变极方案。

总结上面二个法则，并且为了使用方便，改变上述二种法则的表达形式，可以这样来描述：

1.当变前极极对数与变后极极对数之比是下面形式：

P/P′＝奇数/奇数＝2n-1/2m-1

使调制极极对数为：

K＝2（m-n）/2n-1·P

或者K＝2（m+n-1）/2n-1·P

则可以获得“线圈边”变极方案。

2.当变前极极对数与变后极极对数之比是下面形式：

P/P′＝偶数/奇数＝2m/2n-1

使调制极极对数符合下式：

K＝2（n-m）-1/2m·P

或者K＝2（n+m）-1/2m·P则可以获得“线圈边”变极方案。

当采用极幅调制方法时，往往出现不对称现象，有些场合下可以通过移动部分圈边（使这些圈边反调制）来达到对称。但根据“线圈边”变极原则，移动圈边后，各相正、负圈边数仍然应该相等，也就是说，移动部分的正、负圈边数相等。

二、“线圈边”换相法变极

对于换相法“线圈边”变极，变前极中每一个元件的二条圈边应该同样换相，或者同样不换相。这就要求每一组换相圈边的正圈边数等于负圈边数。

当变前极采用60度相带绕组时，如果符合下面一个法则：

P′/P＝2n-1/2m-1＝奇数/奇数

划分换相组时，正、负圈边能够成对地归在一组。

此法则原理是：

在变前极中，同相属的正相带与负相带对应圈边之间的距离，有可能是180°，540°……180°×奇数，总之是180°×J（J是奇数，为从1到P之间的任何奇数。）

从变前极到变后极，上述正、负对应圈边的距离由180°×J变成180°×J×2n-1/2m-1，因为P能被（2m-1）除尽，所以J总可以找到一个值被（2m-1）除尽，而且商值J/2m-1必为奇数（奇数除奇数还是奇数）。此值再乘上（2n-1）也必为奇数，即J·2n-1/2m-1为奇数，而距离等于

180°×J×2n-1/2m-1（即180°×奇数）的正、负圈边，

在变后极相位上磁势是同相位的，因此划分换相组时，该正、负圈边不会分开，从而形成每组正、负圈边数相等的情况，这就符合了换相法“线圈边”变极的要求。

1.设计换相法“线圈边”的具体步骤：

（1）在变后极槽号相位图上画出按变前极相属的三相相位图。

（2）在变后极相位图上选画三根互差120°的对称轴线，把每相槽号分成三组，并且使正、负槽号数相等。

（3）把三相九组重新组合成三相三组。

（4）把各相分组内的正、负槽号上的圈边配对成元件。

换相法“线圈边”变极举例：

极比：6/10，定子槽数：36

此例因符合P′/P＝5/3＝奇数/奇数，故在换相时，各组的正、负圈边数目是相等的。变前极6极是60度相带，图7是10极相位图。图中按6极相属的圈边号排出。可以看出：各相正、负圈边号上、下排列，处在同一相位上。用三根对称轴线分成10极的三相时，各分组内的正、负圈边数目相等。把上、下正、负圈边结成一个元件，就形成了如图8中元件节距的安排（图中只画出了B相）。

三.60°相带绕组极幅调制“线圈边”变极举例：

1.第一种法则举例：

极比：6/30

（1）因极比P/P′＝1/5＝奇数/奇数，符合第一种法则。调极极对数K＝15+3＝18，槽数取72槽。

（2）调制过程及元件节距。

从图9可见，3对调制极极距正好等于1个变前极极距，在6对调制极范围内，各相正、负带的圈边可以配对。比如A相：处在正极调制下的1号2号圈边分别能与13号14号圈边配对;处在负极调制下的3号4号圈边分别能与15号16号圈边配对。元件节距也见图9所示。

（3）槽号相位图见图10。

因6极是对称60°相带排列，就不画出来，图10画出30极圈边相位，以检验对称及求取相带分布系数。

（4）绕组系数

此例6极绕组系数为0.96，30极绕组系数为0.766。

2.第二种法则举例：

此例为船用电机实例，极比：16/4

（1）为了符合第二种法则，极比采用16/4而不是4/16，因而P/P′＝4/1＝偶数/奇数调制极极对数

K＝8-2＝6。定子槽数72槽。

（2）调制过程及元件节距。

从图11中可以看出，变前极（16极）2对极距正好等于调制极3个极距。在1-18号槽范围内，A相有3个正圈边6个负圈边处在正极调制下，另有3个正圈边处在负极调制下，在正极调制下3个正圈边与3个负圈边配对后还剩下3个负圈边未配对。在19-36号槽范围内，A相出现相反的调制状况：即A相有3个正圈边和6个负圈边处在负极调制下，3个正圈边处在正极调制下，在负极调制下3个正圈边和3个负圈边配对后还剩下3个负圈边未配对。根据前面理论分析，这二个调制区的正、负圈边一定能够配对。在这里，前者剩下的3个负圈边恰好与后者同性极调制下的3个正圈边配对;后者剩下的3个负圈边也恰好与前者同极性调制下的3个正圈边配对。B相和C相也同样如此，就不分析了。

元件节距见图12，这里选择了每相有20个长节距（13槽）和4个短节距（5槽）的联接法，当然还会有别的联法。

（3）4极圈边号相位图见图13。

此例16极绕组系数为0.945，4极绕组系数为0.647，这样的比例较适合于低速时转矩增大的要求。

3.三级变极8/6/12

（1）极比 4/3＝偶数/奇数，符合第二法则。

极比4/6＝2/3＝偶数/奇数，也符合第二法则。

（2）用调制极2极去调制8极得变后极8极：

调制过程见图14，由于出现不对称，修改原2极调制如下：A相3号，B相-34号圈边由正极调制改为负极调制;A相39号，B相-70号圈边由负极调制改为正极调制。

（3）用调制极4极去调制8极得变后极12极：

调制过程见图18，由于不对称，修改原4极调制如下：A相1号、2号、37号、38号，C相-4号，-40号圈边由正极调制改为负极调制;A相19号、20号、55号、56号及C相-22号、-58号圈边由负极调制改为正极调制。

（4）元件节距确定：

确定元件节距的原则是：同相属的正、负圈边，在2极和4极的调制方案（包括已修改的调制）中均具有相同的调制极性，才能配对成元件。比如A相的1号、2号和-28号、-29号圈边，在2极调制方案中都是正极性调制，而在4极调制方案中都是负极性调制，因此1号与-28号，2号与-29号可以联结成元件。

（5）槽号相位图：

8极是60°相带对称绕组故不画圈边相位圈，6极的圈边相位图见图15，12极的圈边相位图见图16。经过修正，它们都是对称的。

（6）绕组系数：

8极是60°相带故绕组系数最高为0.96，6极和12极均为180°相带，绕组系数都是0.64。

Claims (5)

1、交流三相单绕组多速电机的变极绕组，采用反向法变极或换相法变极，其特征是：

a.以线圈边为基本单元设计变极绕组，使绕组在变前极和变后极中的所有线圈的一条边落在（计算分布系数所确定了的）所属正相带槽（或正相带圈边）中，其另一条边落在（计算分布系数所确定了的）所属负相带槽（或负相带圈边）中，该绕组在变前极和变后极中，绕组系数仅仅等于设计相带时所确定的分布系数;

b.在反向法变极时，同一个反向支路的各线圈的二条边，分别处在本相属同样反向的正相带槽号（或正相带圈边号）和负相带槽号（或负相带圈边号）中;

c.在换相法变极时，同一个换相支路的各线圈二条边，分别处在本相属同样换相（如：A→B，-A→-B）的正相带槽号（或正相带圈边号）和负相带槽号（或负相带圈边号）中。

2、根据权利要求1所述的变极方法，其特征是：所说变极绕组可以为单层结构形式，也可以为双层结构形式。

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