CN101510702A - 一种绕线转子无刷双馈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绕线转子无刷双馈电机，本发明属于电机技术领域，本发明的交流无刷双馈电机，定子上采用了两套极对数分别为p₁和p₂的三相绕组；转子则采用多相绕线型绕组，相数m满足关系式：m＝(p₁+p₂)/m_k其式中，m_k＝1，当p₁+p₂为奇数时；m_k＝2，当p₁+p₂为偶数时，转子槽沿气隙圆周均匀分布，转子槽数Z′满足关系式：Z′＝n(p₁+p₂)其式中，n为正整数，转子绕组线圈为多匝结构，每相绕组线圈数为nm_k，各个线圈跨距相等，但是线圈之间的匝数比值不同，相绕组线圈数≤nm_k时，相绕组中所有线圈串联后自短路联结。本发明的好处是不但绕组线圈跨距可以灵活改变，每个线圈的匝数也可以不同，以达到最大程度削弱高次谐波的目的。

Description

一种绕线转子无刷双馈电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种利用了转子绕组齿谐波磁动势设计的交流无刷双馈电机。

背景技术

本技术领域的技术人员十分清楚，交流无刷双馈电机适用于变频调速系统，其特点是运行可靠和所需变频器容量小等。这种电机定子上设有两套绕组，一套极对数为p₁，另一套极对数为p₂。当定子绕组p₁接通电网电源，产生磁极对数为p₁的旋转磁场，转子中感应电流除产生p₁对极磁场外，还产生p₂对极磁场，这两种极对数磁场相对转子而言，旋转方向相反，如这时在定子p₂绕组接变频电源，改变变频电源的频率，就可以改变电机转速。

“无刷双馈变频调速电动机的原理及在发电厂辅机拖动中的应用前景”(电工技术杂志，2002年第1期，pp.7-10)一文中介绍了无刷双馈变频调速电动机的工作原理及现有无刷双馈调速系统存在的一些问题。

无刷双馈变频调速电动机要想有较好的性能，关键在于转子。近年来研究的转子结构主要有两种，一种为磁阻转子，另一种为笼型短路绕组转子。由于磁阻转子其铁芯必须制成类似凸极的结构，笼型短路绕组转子其绕组必须制成同心式分布短路绕组，在这些条件的限制下，使得这两种转子只能适用于特定的极数，且性能指标与常规交流电机转子相比有相当差距，体积也较大等。

交流无刷双馈电机也能作为发电机运行，用于风力或水力发电等需要做到变速恒频输出电能的场合。

发明内容

本发明目的在于能克服现有技术的缺陷，提供一种电机转子绕组依据绕组磁动势中“齿谐波”与“基波”相伴出现，且旋转方向相反原理设计的交流无刷双馈电机。

为实现上述发明目的，本发明的交流无刷双馈电机，定子上采用了两套极对数分别为p₁和p₂的三相绕组；转子则采用多相绕线型绕组，相数m满足关系式：m＝(p₁+p₂)/m_k其式中，m_k＝1，当p₁+p₂为奇数时；m_k＝2，当p₁+p₂为偶数时，转子槽沿气隙圆周均匀分布，转子槽数Z′满足关系式：Z′＝n(p₁+p₂)其式中，n为正整数，转子绕组线圈为多匝结构，每相绕组线圈数为nm_k，各个线圈跨距相等，但是线圈之间的匝数比值不同，相绕组线圈数≤nm_k时，相绕组中所有线圈串联后自短路联结。

本发明所述的电机转子相绕组中所有线圈匝数相等，各个线圈跨距相等，当相绕组线圈数少于nm_k时，相绕组中所有线圈串联后自短路联结。

本发明所述的电机转子相绕组中含有反接的线圈且线圈数少于nm_k，各个线圈跨距相等，相绕组中所有槽号相邻的线圈顺序串联后自短路联结。

电机转子槽截面积按其中导体槽满率相等原则设计，当采用不等匝线圈或采用等匝线圈而线圈数少于nm_k时，转子为槽截面积大小不等的非均匀槽形。

本发明的依据是交流电机中关于绕组“齿谐波”磁动势方面的理论。应该指出的是，这里所说的“齿谐波”是指转子绕组流过电流时产生的齿谐波磁动势，这一点与磁阻式无刷双馈电机转子利用沿转子铁心圆周磁阻变化，来影响气隙磁通密度分布而形成谐波的原理有所不同。下面具体叙述本发明的原理。

对于实际的交流电机，绕组线圈一般嵌放于铁心表面槽内，这样，绕组线圈导体就并非沿铁心表面圆周按理想正弦规律连续分布。根据交流电机绕组理论，对于按极对数p₁设计布置的m相对称绕组线圈，除产生极对数为p₁的基波磁动势外，还将同时产生次数为v＝Z/p₁±1，也即极对数为p₂＝Z±p₁的齿谐波磁动势。

这种齿谐波磁动势有以下两个主要特点：

1)谐波磁动势绕组系数与基波磁动势绕组系数相等

这一点很容易证明。以整数槽绕组为例，对于v次谐波，正常绕组系数一般表达式为k_dyv＝k_dv k_yv，其中

$k_{\mathrm{dv}}=\frac{\sin v\frac{\mathrm{q\α}}{2}}{q\sin \frac{\mathrm{v\α}}{2}}$

$k_{\mathrm{yv}}=\sin v\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}}$

以上两式中，α＝2p₁π/Z，τ＝Z/(2p₁)，q＝Z/2mp₁，y为用槽数表示的线圈节距。将齿谐波次数v＝2mq±1代入以上两式得

$k_{\mathrm{dv}}=\frac{\sin v\frac{\mathrm{q\α}}{2}}{q\sin \frac{\mathrm{v\α}}{2}}=\frac{\sin (2\mathrm{mq}\±1)\frac{\mathrm{q\α}}{2}}{q\sin \frac{(2\mathrm{mq}\±1)\mathrm{\α}}{2}}=\frac{\sin (\mathrm{q\π}\±\frac{\mathrm{q\α}}{2})}{q\sin (\mathrm{\π}\±\frac{\mathrm{\α}}{2})}=\±k_{d1}$

$k_{\mathrm{yv}}=\sin v\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}}=\sin (2\mathrm{mq}\±1)\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}}=\sin (\mathrm{y\π}\±\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}})=\±k_{y1}$

即有k_dyv＝k_d1k_y1＝k_dy1，k_dy1为对应基波的绕组系数，此式表明齿谐波磁动势绕组系数与基波磁动势绕组系数相等。

2)低次齿谐波磁动势与基波磁动势旋转方向相反

齿谐波一般成对出现，例如一阶齿谐波v＝2mq±1，由于其中对应次数v＝2mq-1的齿谐波极对数p₂＝Z-p₁，与对应次数v＝2mq+1的极对数p₂＝Z+p₁相比较少，因而称为低次齿谐波。下面以三相对称整数槽绕组为例分析其磁动势的旋转方向。

对于三相对称绕组的谐波磁动势，每相绕组磁动势分别为

f_Av＝F_φvcosvθcosωt

$f_{\mathrm{Bv}}=F_{\mathrm{\φv}}\cos v(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$f_{\mathrm{Cv}}=F_{\mathrm{\φv}}\cos v(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})$

以上三式中，令v＝1，可推导得出三相基波合成磁动势为 $f_1(t,\mathrm{\θ})=\frac{3}{2}{F}_{\mathrm{\φ}1}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ});$ 令v＝2mq-1，同样可推导得出三相齿谐波合成磁动势为 $f_v(t,\mathrm{\θ})=\frac{3}{2}{F}_{\mathrm{\φv}}\cos (\mathrm{\ωt}+(2\mathrm{mq}-1)\mathrm{\θ}),$ 比较上述两式可知，对应v＝2mq-1，极对数为p₂＝Z-p₁的齿谐波磁动势旋转方向与极对数为p₁的基波旋转磁动势旋转方向相反，同样也可以证明极对数为p₂＝Z+p₁的齿谐波磁动势旋转方向与极对数为p₁的基波旋转磁动势旋转方向相同。

上述关于齿谐波理论的两个特点提供了本发明转子绕组结构设计依据。

按无刷双馈电机原理，要求转子绕组能同时产生p₁和p₂两种极对数旋转磁动势，且这两种极对数磁动势的旋转旋转方向相反。根据这样的要求，首先确定所需要功率绕组的极对数p₁，然后根据选择控制绕组的极对数p₂，并按前述反转齿谐波表达式p₂＝Z-p₁，及在满足转子绕组对称性条件的前提下，选取转子槽数Z满足关系式p₂＝Z-p₁。这样就可能使所获得转子绕组同时满足对于极对数p₁和p₂的对称性条件，并同时产生这两种极对数旋转磁动势，且可保证其旋转方向相反，这时转子绕组相数m＝Z/m_k＝(p₁+p₂)/m_k(m_k＝1，当Z为奇数时；m_k＝2，当Z为偶数时)，每相绕组线圈数则为m_k。

显然，根据上述关系式p₁＝Z-p₂，不难得知现在的极对数p₁和p₂互为齿谐波；又根据齿谐波绕组系数与基波绕组系数相等的原理，对于用于无刷双馈电机转子绕组，只要针对极对数p₁设计成高绕组系数，那么对于另一个极对数p₂，也就自动具有高绕组系数。

按照以上所述的确可以得到所需要的齿谐波转子绕组。不过，这样的转子绕组所产生磁动势中，除了有用的极对数p₁和p₂齿谐波外，还存在着次数为v＝2mkq±1(k＝1，2，3，…正整数)等更高阶次的齿谐波，这些齿谐波，尤其是其中阶次较低的，相对于极对数p₁和p₂齿谐波磁势的幅值将会很大，严重影响无刷双馈电机的性能，必须尽可能设法削弱，以减小其影响。

根据电机学原理，增加转子槽数，从而使得转子绕组分布效应增大是削弱高次齿谐波一种有效办法。为保证有用的极对数p₁和p₂磁势对称性，转子槽数应按Z＝p₁+p₂的整倍数增加，也即新的转子槽数Z′应满足关系式Z′＝nZ＝n(p₁+p₂)(n＝1，2，3，…正整数)，这时转子绕组相数仍为m＝Z/m_k，但每相线圈数则为nm_k，其具体连接方式，由以上分析不难得知，应将相绕组中所有槽号相邻的线圈顺序串联后再作自短路联结。

但是，另一方面，这样的分布效应也不可避免地会削弱有用的一阶齿谐波。为保证这时的无刷双馈电机有着良好的性能，必须设法使得其转子绕组所能产生的一阶齿谐波磁势幅值尽可能大，而除此之外的其它高次谐波磁势幅值尽可能小。

值得注意的是，若增加槽数后的全部转子槽仍沿转子圆周均匀分布，且采用等跨距线圈的情况下，这时转子每相绕组中总会有一些线圈产生的感应电势是相互抵消的，为保证转子绕组能够产生较强的一阶齿谐波磁势就必须去掉一部分线圈，至于哪些线圈应当去掉，如上所述，需要遵循极对数p₁和p₂磁势幅值最大同时其它高次谐波含量最小的原则，依据绕组磁势谐波分析结果来判定。

采用多匝线圈构成的绕线型转子绕组是本发明的重要特点，这样做的好处是不但绕组线圈跨距可以灵活改变，每个线圈的匝数也可以不同，以达到最大程度削弱高次谐波的目的。

附图说明

图1本发明当a)Z＝6，p₁＝4槽号相位图；b)p₁＝4三相槽号相位分布图；

图2本发明当a)Z＝6，p₂＝2槽号相位图；b)p₂＝2三相槽号相位分布图；

图3本发明当Z＝6，p₁/p₂＝4/2，三相绕线转子绕组接线图；

图4本发明当Z＝54，p₂＝2三相槽号相位分布图；

图5本发明当Z＝54，p₁＝4槽号相位图与三相槽号相位分布图；

图6本发明当Z＝54，p₁/p₂＝4/2去掉一些线圈的绕线转子绕组接线图；

图7本发明当Z＝54，p₁/p₂＝4/2，y＝7不等匝线圈绕线转子绕组接线图；

图8本发明当Z＝54，p₁/p₂＝4/2，y＝7具有反接线圈的绕线转子绕组接线图；

具体实施方式

下面用实例说明本发明的实施。

有一台齿谐波无刷双馈电机转子，其功率绕组极对数为p₁＝4，选取控制绕组极对数为p₂＝2，根据关系式Z＝p₁+p₂选取转子槽数为Z＝p₁+p₂＝6，又根据关系式m＝Z/m_k＝(p₁+p₂)/m_k(m_k＝1，当Z为奇数时；m_k＝2，当Z为偶数时)，可知转子绕组相数m＝Z/m_k＝6/2＝3。

对于Z＝6，p₁＝4，p₂＝2，m＝3的转子绕组，若要求得到具体的接线方式，可先画出槽号相位图，如图1a)所示，以此可确定各相槽号分布如图1b)所示，可以看出，这时对于p₁＝4为三相绕组，若取线圈跨距y＝1，这时相绕组分布系数为1；而对于p₂＝2，参见图2，图2a)为p₂＝2槽号相位图，图2b)为p₂＝4时确定的三相槽号再按p₂＝2相位重新分布图，可以看出，这时对于p₂＝2也同样为三相绕组，相绕组分布系数也为1。这一点符合前述关于“齿谐波”的理论叙述。

对比图1b)和图2b)可以看出，p₁＝4时的A、B、C三相槽号分布相序与p₂＝2时的A、B、C三相槽号分布相序正好相反，这一点也符合前述关于无刷双馈电机转子工作原理的要求。

图3所示为Z＝6，p₁＝4，p₂＝2三相绕组具体接线方式。

不过，正如前所述，直接按所谓“齿谐波”原理得到的转子绕组，因为转子槽数过少，会含有较多的高次谐波导致电机过大的振动与噪音，这样在实际中就会难以得到应用，为解决这个问题，考虑采用更多的转子槽数。根据前述关系式Z′＝nZ＝n(p₁+p₂)，取n＝9，则新的转子槽数Z′＝nZ＝54，转子绕组相数仍为m＝Z/m_k＝3，但这时每相线圈数则为nm_k＝9×2。

增加转子槽数可显著削弱转子绕组磁势高次谐波，但同时所需要的基波也会不可避免受到削弱。图4和图5所示为转子槽数为Z＝54，当极对数p₂＝2和p₁＝4时的三相线圈槽号相位分布，可以看出，这时的转子绕组相带宽对于p₂＝2为120°电角度；对于p₁＝4则为240°电角度，绕组分布系数和槽数增加前的Z＝6相比大大降低了。为改善这一点，可以考虑去掉相带边缘的一些槽号，例如，在图4或是5中去掉如图中虚线框中的槽号，这样处理之后，对于p₂＝2，相带宽变为67°电角度；对于p₁＝4则变为133°电角度，绕组分布系数显著提高，选取适当线圈跨距，其中高次谐波也可显著降低。去槽以后新的绕组线圈具体接线方式为每相绕组中所有槽号相邻的线圈顺序串联后再作自短路联结，如图6所示。

图6所示转子绕组有较高的绕阻系数较低的高次谐波含量，但由于去掉了较多的槽号，导体利用率较低。为提高导体利用率，并进一步降低绕组磁势谐波含量，因为本发明绕组线圈为多匝结构，因此，如前所述，可考虑采用不等匝线圈。图7为采用不等匝线圈方案转子绕组的一种接线方式，图中槽号上标数字表示相对匝数比值。

丢掉一部分线圈或采用不等匝线圈往往会造成转子槽满率不相等，为解决这一问题，可以将转子槽形按槽满率相等的原则设计成槽截面大小不同的槽形。

本发明采用的是绕线型转子绕组，这种类型绕组另一个特点是，线圈之间的连接可以根据实际情况要求灵活采用多种方式。图8所示为Z＝54，p₁/p₂＝4/2，y＝7的一种具有反接线圈连接的转子绕组接线法，这种接线的特点是，除了谐波含量较低外，p₁＝4绕组系数也较高，为0.9092，至于p₂＝2的绕组系数则为0.4546。

Claims (4)

1.一种绕线转子无刷双馈电机，其特征在于：定子上布置有两套绕组极对数分别为p₁和p₂的三相绕组；其转子上布置有多相绕线型绕组，相数m满足关系式：m＝(p₁+p₂)/m_k式中，m_k＝1，当p₁+p₂为奇数时，m_k＝2，当p₁+p₂为偶数时，转子槽沿气隙圆周均匀分布，转子槽数Z′满足关系式：Z′＝n(p₁+p₂)式中，n为正整数，转子绕组线圈为多匝结构，每相绕组线圈数为nm_k，各个线圈跨距相等，但是线圈之间的匝数比值不同，相绕组线圈数≤nm_k时，相绕组中所有线圈按槽号顺序依次串联后自短路联结。

2.按权利要求1所述的一种绕线转子无刷双馈电机，其特征是：电机转子相绕组中所有线圈匝数相等，各个线圈跨距相等，当相绕组线圈数<nm_k时，相绕组中所有线圈按槽号顺序依次串联后串联后自短路联结。

3.按权利要求1或2所述的一种绕线转子无刷双馈电机，其特征是：电机转子相绕组中含有反接的线圈且线圈数<nm_k，各个线圈跨距相等，相绕组中所有线圈串联后自短路联结。

4.按权利要求1所述的一种绕线转子无刷双馈电机，其特征是：电机转子槽截面积按其中导体槽满率相等原则设计，当采用不等匝线圈或采用等匝线圈而线圈数<nm_k时，转子为槽截面积大小不等的非均匀槽形。

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