CN1027563C

CN1027563C - 由多段绕组组合成的转子变极绕组

Info

Publication number: CN1027563C
Application number: CN 88106495
Authority: CN
Inventors: 许实章
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1988-09-04
Filing date: 1988-09-04
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2003-09-04
Also published as: CN1041071A

Abstract

本发明提出一种绕线型转子变极绕组的联接法，把转子绕组划分为很多段，将其组合为多个闭合回路或多个并联组而达到：对一种极数说提高其起动特性，而对另一种极数说保证具有较高的运行效率，转子上无滑环，无电刷，结构简化，维护容易，可靠性提高。本发明很适合用作变极多速电动机和谐波起动电动机的转子绕组。

Description

本发明属于交流变极电动机和谐波起动电动机的转子绕组联结形式和结构。

在传统的交流变极多速绕线型异步电动机中，由于转子上存在滑环和电刷，使其结构复杂，维护困难和降低起动和运行的可靠性。

在发明专利“谐波起动方法及按该方法起动的电动机”（美国专利号4736147;中国专利号85102382.7）提出的谐波起动绕线型异步电动机中，采用的转子绕组方案大多数是由许多包含两段绕组并联构成的小组通过串、并联构成。这种绕组方案存在下列严重缺点：（1）构成并联小组的两段绕组几乎都是空间上相差180°机械角度，因此并联时连接线很长，对大中型电机来说，由于连接线很粗大，且互相交叉，很难布置和紧固，以至在工艺上无法实现;（2）由于每小组并联支路只有二条，其合成电阻较大，随之与小组串联的起动电阻元件要求有较大的电阻值，因此须安装很长的电阻丝，使电阻丝在转子上的布置很困难。由于这些严重缺点，使利用中国专利85102382.7中所述的技术较难在中大型电机中应用。

本发明的目的在于提出一种称为“由多段绕组组合成”的转子变极绕组联结形式，以克服上述变极绕线型异步电动机和谐波起动电动机存在的缺点，使这二种电动机能在社会上得以更好地推广应用。

设谐波起动电动机的运行极对数为P，所取起动谐波的极对数为Q。对有几个转速相应地有几个极对数的多速电动机来说，设P为最主要（一般为功率最大）的极对数，而Q为要求起动特性最好（起动电流小而起动转矩大）但运行时间较短而功率较小的一个极对数。本发明所说的转子变极绕组是将绕组以分段、分组的方式联结，在转子绕组上连接有起动电阻元件，其转子绕组与起动电阻的联结原则为，当电动机在谐波极对数Q条件下运行时，转子中的电流通过起动电阻形成回路，当电动机在运行极对数P条件下运行时，转子中的电流仅通过转子绕组形成回路。其要点是：“多段组合法”，把整个转子绕组划分为Pm₂或Qm₂段（式中m₂＝3，4，5……等整数）或2Qm₂段（式中m₂＝2，3，4……等整数），每一分段绕组串联的线圈数及其空间分布情况和联结方式都相同，例如每段串联的线圈可以都是空间上依次相邻，也可以是：每段由两小段反接串联构成（这时第一小段的末端与第二小段的末端联接在一起），所说的两小段在空间上隔开一定距离，并且两小段自己则各由若干个空间上依次相邻的线圈串联而成，这Pm₂（或Qm₂，或2Qm₂）个分段绕组对称地分布于转子圆周上，段与段之间等距离。

上述的分段绕组可以联结成若干个“闭合回路”或并联为若干个“并联组”，视分段情况而定，分述如下：

若把转子绕组划分为Pm₂段，则应将这些分段绕组分别串联为m₂个“闭合回路”，每个“闭合回路”串联空间上对称分布的P段绕组，段与段之间在空间上相距360°/P机械角度，随之对P对极磁场说，各段绕组感应电动势的相位差为P×360°/P＝360°，即同相位，因此每一“闭合回路”内P段绕组的感应电动势直接相加，产生环流于回路内的电流，由于各分段绕组的结构相同，因而其漏阻抗相等，于是，不难证明，上述环流经过每段绕组引起的漏阻抗电压降的大小恰好等于每段绕组的感应电动势，两者互相抵消，因而每段绕组两端处的二个“结点”（即相邻二段联结在一起之处）之间的电压为零。

这就说明，可在“闭合回路”周围相邻两结点之间接上一个电阻值相同的电阻元件，如此构成一个有P个边的电阻多边形。显然，这时电阻多边形上没有电流，从而保证电动机在主要极对数P运行时，转子上没有额外损耗，因而有较高的效率。此外还应看出，这时转子上的m₂个“闭合回路”对P对极磁场说依次位移P×360°/Pm₂＝360°/m₂电角度，构成一个m₂相的对称电路系统，因此转子电流只产生顺序的P对极旋转磁场，而不产生反转的逆序磁场。

对定子产生的Q对极磁场说，每个“闭合回路”内的P个电动势构成一个P相的对称系统，因此其合成结果为零，不在回路内产生环流。这一点可举例说明如下：设P＝4，Q＝3或5，则每个“闭合回路”内有四个电动势，若由Q＝3对极的磁场所感应产生，则四个电动势的相位差为3×360°/4＝270°＝360°-90°，故得其合成结晶为：

同理，若Q＝5，则电动势的相位差为5×360°/4＝360°+90°，同样可得合成电动势为：

因此不产生在“闭合回路”内环流的电流。但这时构成“闭合回路”的每个分段绕组都并联着一个电阻值相同的电阻元件，因而有电流环流于每段绕组和与其并联的电阻元件构成的回路内，称为局部环流。于是，每个“闭合回路”及其联结的电阻元件中存在着P个局部环流。和前面分析电动势的情况一样，可以证明：这P个局部环流构成一个P相的对称系统，它们联合产生一个Q对极的顺序旋转磁场，而不产生反转的逆序磁场。由于上述局部环流通过电阻元件，因而改善电动机采用Q对极磁场时的起动特性，使起动电流减小而起动转矩增加。

上述与每个“闭合回路”连接的电阻多边形可以合并为一个大多边形，它由Pm₂个电阻元件构成。该多边形的Pm₂个边所连接的结点就是m₂个“闭合回路”的Pm₂个结点，其连接次序与这些结点在转子圆周上的排列次序一致。

显然，上述由电阻元件构成的每个多边形联结都可改为星形联结，这时每个电阻元件的一端联结在一起构成星形的中性点，而电阻元件的另一端接到“闭合回路”的“结点”上。

若把转子绕组划分为Qm₂段，其中m₂＝3，4，5…等整数，则应将这些分段绕组分别并联为m₂个“并联组”，每个“并联组”并联空间上对称分布的Q段绕组，段与段之间在空间上相距360°/Q机械角度，随之对Q对极磁场说，各段绕组感应电动势的相位差为Q×360°/Q＝360°，即同相位，因此每个“并联组”两头的两个结点之间存在一个大小等于每段绕组电动势的电压。现于每个“并联组”的两个结点之间连接一个电阻值相等的电阻元件，则将有电流通过所说的电阻元件。由于m₂个“并联组”在空间上依次位移360°/（Qm₂）机械角度，对Q对极磁场说则依次位移Q×360°/Qm₂＝360°/m₂电角度，因此前述通过“并联组”及与其串联的电阻元件的电流是一个m₂相的对称电流系统，它们联合产生一个Q对极的顺序旋转磁场，而不产生反转的逆顺磁场。在此情况下，由于所说的电阻元件的作用，改善了电动机用于Q对极时的起动特性。

显然，上述的转子绕组联结法也可改为：把每个“并联组”的一个结点联结在一起构成一个中性点，再将其另一个结点串联一个电阻值相等的电阻元件之后再联结在一起构成另一个中性点，这时共有m₂个电阻元件，构成一个星型联结。在这里还可进一步把由电阻元件构成的星型联结改为多边形联结，这时m₂个电阻元件分别联结于m₂个“并联组”的“结点”之间。

至于定子产生的P对极磁场所发生的情况分析如下：对P对极磁场说，每个“并联组”所并联Q段绕组的电动势构成一个Q相的对称系统。可举例说明：设P＝4，Q＝5，则五段并联绕组在空间上依次位移360°/5＝72°机械角度，对P＝4对极说为4×360°/5＝360°-72°电角度，随之五段绕组电动势的相位差为依次位移72°，因此是一个五相的对称电动势系统，它们在“并联组”内部产生五相对称电流。这时每个“并联组”两头的二个“结点”都是中性点，它们之间的电压为零，因而没有电流流出“并联组”，所说的电阻元件上没有电流，这就保证了电动机在P对极下具有高效率。此外，由于这时每个“并联组”都是对称的多相系统，流着对称的多相电流，自然，整个转子电流产生一个P对极的圆形旋转磁场。

若把转子绕组划分为2Qm₂段，其中m₂＝2，3，4…等整数，并把它们分别并联为m₂个“并联组”，则每个“并联组”由空间上对称分布的2Q段绕组并联而成，现将这2Q段绕组沿转子圆周依次编号，且并联时将奇数段绕组的首端和偶数段绕组的末端联结在一起，而另一端则与此相反，即奇数段的末端和偶数段的首端联结在一起。如此并联可称为正反交叉并联，即第1段正接，第2段反接，第3段正接，第4段反接…如此交替地并联，至于电阻元件的连接法则和前面说的一样。

上述绕组每个“并联组”并联的2Q段绕组在空间上对称分布，段与段之间依次位移360°/2Q机械角度，随之对Q对极磁场说，相邻的两段绕组感应电动势的相位差为Q×360°/2Q＝180°，即反相位。但因采用正反交叉并联的联结法，反相位与反接法结合在一起就变为同相位，因此每个“并联组”并联的2Q条支路的电动势是同相位、同大小，它们产生的电流必定通过电阻元件，因而能改善电动机的起动特性，和前面论述的情况一样。

至于P对极磁场所感应于转子中的电流情况，也和前面的一样，即每个“并联组”所并联2Q段绕组的电动势构成一个2Q相的对称系统，因而产生只在“并联组”内部流通的2Q相对称电流，所说的电阻元件上没有电流。这一点也可用前面举过的例子说明：设P＝4，Q＝5，则每个“并联组”并联2Q＝10段绕组在空间上依次位移360°/10＝36°机械角度，对P＝4对极说为4×36°＝144°＝180°-36°电角度，于是用反接法并联的相邻两段绕组的电动势相位差为180°-36°+180°＝360°-36°＝-36°，这说明并联10段绕组的电动势依次有相位差36°，是一个10相的对称电动势系统，它们产生10相的对称电流。

从上述可见采用本发明的“多段组合法”来联结转子绕组时，在电动机性能上达到采用Q对极时能显著改善电动机的起动特性，而采用P对极时能保证电动机运行时有较高的效率，在结构、工艺上与已有电动机比较具有下列的突出优点：

与传统的变极多速绕线型异步电动机比较，转子上无滑环、无电刷、无电的触点和不需要外串起动电阻器，因而简化制造工艺、降低成本、用户维护容易和提高电动机起动和运行的可靠性。

与已提出的谐波起动绕线型异步电动机的转子联结方案比较，只要选取较大的起动谐波的极对数Q，就必然能大大简化接线，取消在中大型电机中难以实现的将许多相距180°机械角度的二段绕组并联在一起的连接法，以及由于采用多并联（2Q条）支路的联结法，大大降低所需电阻元件的电阻值，从而使电阻元件的安装、固定达到安全、可靠的要求，为谐波起动方法在中大型电动机中推广、应用创立了很好条件。

事实上，已在实验室研制了多台采用本发明联结方案的中型电动机，取得很好效果。

下面利用四个附图和实施例对本发明的转子绕组的具体联结法作进一步的说明。

图1Z₂＝84，2P＝8，2Q＝6，m₂＝3，采用多“闭合回路”的转子绕组方案;

图2Z₂＝84，2P＝8，2Q＝6，m₂＝2，采用多“并联组”的转子绕组方案;

图3Z₂＝64，2P＝6，2Q＝8，m₂＝2，采用多“并联组”的转子绕组方案;

图4Z₂＝54，2P＝4，2Q＝6，m₂＝3，采用多“并联组”的转子绕组方案。

实例一、Z₂＝84，2P＝8，取2Q＝6，m₂＝3，采用双层叠式绕组，这时P＝4，把转子绕组划分为Pm₂＝4×3＝12段，每段串联84/12＝7个线圈，分为两个小段，一个小段串联相邻4个线圈，一个小段串联相邻3个线圈，两者的中心点位移10.5个槽距（84/8＝10.5为8极极距），然后反接串联构成一个分段绕组，同样结构型式的12个分段绕组对称地分布于转子圆周上，段与段之间位移84/12＝7个槽距。将如此划分的12个分段绕组联结成三个（m₂＝3）“闭合回路”，每一回路串联空间上对称分布的4个分段绕组。最后在每个“闭合回路”周围接上4个电阻元件Rst便得图1所示的转子绕组联接方案。

实例二、Z₂＝84，2P＝8，取2Q＝6，m₂＝2，采用双层叠式绕组，把转子绕组划分为2Qm₂＝6×2＝12段，每段的结构型式和上一例一样，将这12个分段绕组分别并联为m₂＝2个“并联组”，每个“并联组”由空间上对称分布的2Q＝6段绕组并联而成，但并联时第1、3和5段为正接，而第2、4和6段为反接。每个“并联组”的两个端点间连接一个电阻值相等的电阻元件Rst，为了便于接线，可把第一个“并联组”的一个端点和第二个“并联组”的一个对应端点联结在一起，如图2所示。

实例三、Z₂＝64，2P＝6，取2Q＝8，m₂＝2，采用双层叠式绕组，把转子绕组划分为2Qm₂＝8×2＝16段，每段串联空间上相邻的64/16＝4个线圈。将这16个分段绕组分别并联为m₂＝2个“并联组”，每个“并联组”由空间上对称分布的2Q＝8段绕组并联而成，但并联时第1、3、5、7四段为正接，而第2、4、6、8四段为反接，至于二个电阻元件Rst的连接法则和上例一样，整个绕组联结方案如图3所示。

实例四、Z₂＝54，2P＝4，取2Q＝6， m₂＝3，采用双层叠式绕组，把转子绕组划分为2Qm₂＝6×3＝18段，每段串联54/18＝3个线圈，将这18个分段绕组分别并联为m₂＝3个“并联组”，每个“并联组”由空间上对称分布的2Q＝6段绕组并联而成，但并联时第1、3、5段为正接，而第2、4、6段为反接，至于三个电阻元件Rst则采用星形接法，整个绕组联结方案如图4所示。

Claims

1、一种由多段绕组组合而成的转子变极绕组，该绕组为分段、分组的方式联结，在转子绕组上连接有起动电阻元件，其转子绕组与起动电阻的联结原则为，当电动机在谐波极对数Q条件下运行时，转子中的电流通过起动电阻形成回路，当电动机在运行极对数P条件下运行时，转子中的电流仅通过转子绕组形成回路，其特征在于，把转子绕组划分为Pm₂段，其中P为电动机的主要运行极对数，m₂=3，4，5……等整数，每一段绕组串联的线圈数及其空间分布情况和联结方式都相同，且所说的Pm₂段绕组对称地分布于转子圆周上，段与段之间等距离；将分段绕组分别串联为m₂个“闭合回路”，每个“闭合回路”串联空间上对称分布的P段绕组，在每相邻两段绕组的联结处形成的“结点”之间连接一个电阻元件构成一个有P边的多边形，整个转子上有m₂个由电阻元件构成的多边形。

2、一种按权利要求1所述的转子变极绕组，其特征在于，把m₂个由电阻元件构成的多边形合并为一个大多边形，它由Pm₂个电阻元件构成一个有Pm₂边的多边形，多边形的角（即两边的联结点）分别连接到“闭合回路”的“结点”。

3、一种按照权利要求1或2所述的转子变极绕组，其特征在于，把由电阻元件构成的每个多边形联结改为星形联结，这时，每个电阻元件的一端联结在一起构成星形的中性点，而电阻元件的另一端接到“闭合回路”的各个“结点”。

4、一种按照权利要求、、2或3所述的转子变极绕组，其特征在于，所说的每段绕组由空间上隔开一定距离的两小段绕组反接串联构成，并且两小段绕组各由若干个空间上依次相邻的线圈串联而成。

5、一种由多段绕组组合而成的转子变极绕组，该绕组为分段、分组的方式联结，在转子绕组上连接有起动电阻元件，其转子绕组与起动电阻的联结原则为，当电动机在谐波极对数Q条件下运行时，转子中的电流通过起动电阻形成回路，当电动机在运行极对数P条件下运行时，转子中的电流仅通过转子绕组形成回路，其特征在于，把转子绕组划分为Qm₂段，其中Q为电动机短时运行或只在起动时才采用的极对数，m₂＝3，4，5……等整数，每一段绕组串联的线圈数及其空间分布情况和联结方式都相同，且所说的Qm₂段绕组对称地分布于转子圆周上，段与段之间等距离;将分段绕组分别并联为m₂个“并联组”，每个“并联组”由空间上对称分布的Q段绕组并联而成，在每个“并联组”的两端形成的两个“结点”之间连接一个电阻元件，或者把每个“并联组”的一个“结点”联结在一起构成一个中性点，将其另一个“结点”串联一个电阻元件之后再联结在一起而构成另一中性点，在此情况下，共有m₂个电阻元件，构成一个星形联结。

6、一种按照权利要求5所述的转子变极绕组，其特征在于，把由电阻元件构成的星形联结改为多边形联结，这时，m₂个电阻元件分别连接于m₂“结点”之间。

7、一种按照权利要求5或6所述的转子变极绕组，其特征在于，所说的每段绕组由空间上隔开一定距离的两小段绕组反接串联构成，并且两小段绕组各由若干个空间上依次相邻的线圈串联而成。

8、一种由多段绕组组合而成的转子变极绕组，该绕组为分段、分组的方式联结，在转子绕组上联结有起动电阻元件，其转子绕组与起动电阻的联结原则为，当电动机在谐波极对数Q条件下运行时，转子中的电流通过起动电阻形成回路，当电动机在运行极数P条件下运行时，转子中的电流仅通过转子绕组形成回路，其特征在于，把转子绕组划分为2Qm₂段，其中m₂＝2、3、4……等整数，每一段绕组串联的线圈数及其空间分布情况和联结方式相同，且所说的2Qm₂段绕组对称地分布于转子圆周上，段与段之间等距离;将分段绕组分别并联为m₂个“并联组”，每个“并联组”由空间上对称分布的2Q段绕组并联而成，并联时采用正反交叉接法，即若将这2Q段沿转子圆周依次编号，则并联时将奇数段的首端和偶数段的末端联结在一起;而另一端为奇数段的末端和偶数段的首端联结在一起;在每个“并联组”的两端形成的两个“结点”之间连接一个电阻元件，或者把每个“并联组”的一个“结点”联结在一起构成一个中性点，将其另一个“结点”串联一个电阻元件之后再联结在一起而构成另一个中性点，在此情况下，共有m₂个电阻元件，构成一个星形联结。

9、一种按照权利要求8所述的转子变极绕组，其特征在于，把由电阻元件构成的星形联结改为多边形联结，这时，m₂个电阻元件分别连接于m₂个“结点”之间。

10、一种按照权利要求8或9所述的转子变极绕组，其特征在于，所说的每段绕组由空间上隔开一定距离的两小段绕组反接串联构成，并且两小段绕组各由若干个空间上依次相邻的线圈串联而成。