CN102801266A

CN102801266A - 一种无刷双馈电机绕线转子绕组及制作方法

Info

Publication number: CN102801266A
Application number: CN2012103063732A
Authority: CN
Inventors: 王雪帆; 赵文成
Original assignee: WUHAN JINLUDA ELECTRICAL MACHINERY CO Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Jinluda Group Co., Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: CN102801266B

Abstract

本发明涉及一种无刷双馈电机绕线转子绕组及制作方法，本发明所的是采用由两套多相子绕组叠加复合构成的多相绕线型绕组。这两套子绕组所含线圈数量和节距均不相同，其中一套m相子绕组，每相由匝数为N₁、按顺序编号的n₁个线圈串联构成，为双层或单层，线圈节距为y₁；另一套m相子绕组为单层，每相由匝数为N₂，顺序编号的n₂个线圈串联构成，线圈节距为y₂，n₂与y₂满足关系式n₂=z/(p₁+p₂)-y₂，两套m相子绕组合成后每相全部线圈n=n₁+n₂顺序串联再自短路连接，通过调整线圈个数和节距或相对匝数，移动这两套子绕组相对位置，做到最佳匹配而产生叠加效应，达到提高绕组线圈导体基波利用率及削弱谐波的目的。

Description

一种无刷双馈电机绕线转子绕组及制作方法

技术领域

本发明涉及一种无刷双馈电机绕线转子绕组及制作方法。

背景技术

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)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，且性能指标离工业实用要求有相当差距。

无刷双馈电机转子也可以采用绕线型绕组。绕线型绕组接线方式灵活，线圈跨距可以改变，每个线圈的匝数也可以不同，可能做到显著提高转子性能，使之达到实用化的目的。

关于无刷双馈电机绕线转子绕组，中国专利ZL200710051768.1文件中公开了一种无刷双馈电机绕线转子绕组，这种绕线转子绕组所要求的两种基波极对数p₁和p₂绕组系数较高，但因为具有的转子槽数较少，转子绕组谐波含量过大而影响了绕组性能；另一个中国专利ZL200910061297.1文件中公开了另一种无刷双馈电机绕线转子绕组，其性能得到了改进，高次谐波含量可以较小，但是却存在线圈有多种匝数，工艺复杂，两种基波极对数p₁和p₂的相对绕组系数调整困难，绕组布置空间利用率较低等不足。

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

本发明目的在于提供一种一种无刷双馈电机绕线转子绕组及制作方法，根据这种方法能克服上述不足，制作出具有优良性能的无刷双馈电机绕线转子绕组。这种电机转子绕组所依据的仍然是磁动势“齿谐波”原理，但具体构成是采用由两套多相子绕组叠加复合构成的多相绕线型绕组。这两套子绕组所含线圈数量和节距均不相同，通过调整线圈个数和节距或是线圈相对匝数，及移动这两套子绕组的相对位置而产生的叠加效应，达到既提高整体绕组系数又削弱谐波的目的。

一种无刷双馈电机绕线转子绕组，由两套多相子绕组叠加复合构成的多相绕线型绕组，其特征在于：所述的两套多相子绕组所含线圈数量和节距均不相同，其中一套m相子绕组的每相由匝数为N₁、按顺序编号的n₁个线圈串联构成，且该套m相子绕组为双层或单层，线圈节距为y₁；另一套m相子绕组为单层，每相由匝数为N₂、按顺序编号的n₂个线圈串联构成，线圈节距为y₂， n₂与y₂满足关系式n₂=z/(p₁+p₂)-y₂，两套m相子绕组合成后的每相全部线圈n=n₁+n₂，分别按顺序串联再自短路连接，m等于给定的两种基本极对数p₁和p₂之和，N₂、N₁分别为正整数，按获得两种基本极数p₁和p₂下绕组系数最大，且其余谐波磁势含量尽可能小的原则，确定线圈节距y₁和实际的线圈个数n₁，y₂为根据要求给定一个与y₁不相同的整数。

一种无刷双馈电机绕线转子绕组的制作方法，具体步骤如下：

（1）根据给定的极对数p₁和p₂，得出转子基本槽数z₀=p₁+p₂；

（2）将z₀扩展为新的转子槽数z=kz₀（k为正整数）；

（3）确定转子绕组相数m=z₀=p₁+p₂和每相可能含有的最大槽数z_φ=z/m，若采用双层绕组，这里z_φ也表示每相相邻顺序串联的最大线圈个数，此基础上，再分别确定两套绕组各相绕组的串联实际线圈个数和线圈节距；

（4）各相绕组对于两种极对数p₁和p₂都必须做到对称布置，具体做法是，假定p₁＜p₂，先利用p₁槽号相位图排列m相绕组对称方案，然后再利用p₂槽号相位图校核该方案对于p₂的对称性；

（5）第一套m相子绕组的每相由匝数为N₁、按顺序编号的线圈串联构成，既可以为双层也可以为单层。具体确定方法为：在最大槽数z_φ=z/m的基础上，根据磁势分析结果，按获得两种基本极数下绕组系数最大，且其余谐波磁势含量尽可能小的原则，来初步确定线圈节距y₁和实际的线圈个数n₁，一般有n₁＜z_φ，这也就是说，若采用双层绕组，每相由n₁个相邻顺序排列的线圈串联构成，这些线圈的节距为y₁；

（6）第二套m相子绕组为单层，每相由匝数为N₂，顺序编号的线圈串联构成，其中线圈个数n₂与这时的线圈节距y₂有关。具体确定方法为：先给定线圈节距y₂，线圈个数n₂按关系式n₂=z/(p₁+p₂)-y₂计算，以保证为单层绕组，每相由n₂个相邻顺序排列的线圈串联构成；

（7）将以上所确定的两套m相子绕组合成为一套m相绕组。该合成绕组连接方式是将这两套m相子绕组全部线圈n=n₁+n₂顺序串联后自短路连接；

（8）为使得合成后转子绕组对应的两种基本极对数p₁和p₂绕组系数最大，谐波磁势含量最小，且有高的空间利用率，可以调整两套子绕组的相对位置，或是返回步骤5)或6)，调节线圈节距y₁和y₂，及线圈个数n₁及n₁，当然也可改变两套子绕组线圈的匝数N₁和N₂，再根据绕组磁势分析结果判断是否达到所要求的最佳匹配状况以确定绕组方案。

本发明的两套子绕组所含线圈数量和节距均不相同，通过调整线圈个数和节距或是线圈相对匝数，及移动这两套子绕组的相对位置而产生的叠加效应，达到既提高整体绕组系数又削弱谐波的目的。

附图说明

图1为A₁相绕组的A₁₁子相和A₂₁子相接线示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明。

一种无刷双馈电机绕线转子绕组，由两套多相子绕组叠加复合构成的多相绕线型绕组，其特征在于：所述的两套多相子绕组所含线圈数量和节距均不相同，其中一套m相子绕组的每相由匝数为N₁、按顺序编号的n₁个线圈串联构成，且该套m相子绕组为双层或单层，线圈节距为y₁；另一套m相子绕组为单层，每相由匝数为N₂、按顺序编号的n₂个线圈串联构成，线圈节距为y₂，n₂与y₂满足关系式n₂=z/(p₁+p₂)-y₂，两套m相子绕组合成后的每相全部线圈n=n₁+n₂，分别按顺序串联再自短路连接，m等于给定的两种基本极对数p₁和p₂之和，N₂、N₁分别为正整数，按获得两种基本极数p₁和p₂下绕组系数最大，且其余谐波磁势含量尽可能小的原则，确定线圈节距y₁和实际的线圈个数n₁，y₂为根据要求给定一个与y₁不相同的整数。

具体制作方法按以下实施例来制作：

实施例1：

有一台无刷双馈电机转子，其中p₁=2，p₂=4，z=54，由两套多相子绕组叠加构成的绕线转子绕组方案。

按以上所述方法，这时相数m=p₁+p₂=2+4=6，每相基本槽数z_φ=z/m=54/6=9。

首先考虑第一套子绕组。假定该子绕组为双层绕组，因为每相是由顺序编号的线圈串联构成，如果这时取线圈数n₁=z_φ=9，其所对应的相带宽，尽管对于p₁=2而言可能是合适的，但是对于p₂=4则可能过大，这会造成p₂=5绕组系数过低，因此必须去掉一些线圈，至于去掉多少，及线圈节距y₁，需进行谐波分析后才能决定。这里取n₁=6＜z_φ=9，及y₁=7。又因为相数m=6，各相绕组空间依次相差2π/m机械角度，于是可利用槽号相位图或是槽矢量星形图得到各相对应的线圈号为：A₁₁相（1，2，3，4，5，6）；A₁₂相（28，29，30，31，32，33）；B₁₁相（10，11，12，13，14，15）；B₁₂相（37，38，39，40，41，42）；C₁₁相（19，20，21，22，23，24）；C₁₂相（46，47，48，49，50，51）。槽号相位图或是槽矢量星形图都是现有标准的，本领域技术人员也都知道，因此这里也就不再给出图。

然后考虑第二套子绕组，该子绕组为单层绕组，假定其线圈节距为y₂=6，每相由n₂个相邻顺序排列的线圈串联构成，n₂=z/(p₁+p₂)-y₂=54/(2+4)-6=3，也即每相由3个相邻顺序排列的线圈串联构成。必须要说明的是，这3个线圈具体空间位置与第一套绕组对应相线圈的空间位置密切相关，必须根据谐波分析结果才能最后确定。根据对称性，利用槽号相位图得到各相线圈一种可能排列方案为：A₂₁相（3，4，5）；A₂₂相（30，31，32）；B₂₁相（12，13，14）；B₂₂相（39，40，41）；C₂₁相（21，22，23）；C₂₂相（48，49，50）。以上分别获得两套子绕组线圈槽号排列方案后，将其叠加组合在一起，即有：A₁相（A₁₁+A₂₁）；A₂相（A₁₂+A₂₂）；B₁相（B₁₁+ B₂₁）；B₂相（B₁₂+B₂₂）；C₁相（C₁₁+C₂₁）；C₂相（C₁₂+C₂₂）。其中每相两个子绕组连接方式为正向串联后自短路联接，对于A₁相，接线方法如附图1所示，其余各相绕组与之相同，可以类推，其中线圈匝比可取N₁/N₂=1/1。

实施例2：

一台无刷双馈电机转子，p₁=2，p₂=4，z=84，由两套多相子绕组叠加构成的绕线转子绕组方案。

按以上所述方法，这时相数m=p₁+p₂=2+4=6，每相基本槽数z_φ=z/m=84/6=14。

其线圈槽号排列的一种方案，对于第一套子绕组，取n₁=9，及y₁=12，这时各相线圈槽号分别为：A₁₁相（1，2，3，4，5，6，7，8，9）；A₁₂相（43，44，45，46，47，48，49，50，51）；B₁₁相（15，16，17，18，19，20，21，22，23）；B₁₂相（57，58，59，60，61，62，63，64，65）；C₁₁相（29，30，31，32，33，34，35，36，37）；C₁₂相（71，72，73，74，75，76，77，78，79）。

对于第二套子绕组，因为是单层绕组，如果取线圈节距为y₂=9，则线圈槽号数应为：n₂=z/(p₁+p₂)-y₂=84/(2+4)-9=5，各相线圈槽号可取为：A₂₁相（4，5，6，7，8）；A₂₂相（46，47，48，49，50）；B₂₁相（18，19，20，21，22）；B₂₂相（60，61，62，63，64）；C₂₁相（32，33，34，35，36）；B₂₂相（74，75，76，77，78）。

将上述两套子绕组各相对应线圈槽号叠加组合，可获得转子绕组排列的一种方案，即有：A₁相（1，2，3，4，5，6，7，8，9）+（4，5，6，7，8）；A₂相（43，44，45，46，47，48，49，50，51）+（46，47，48，49，50）；B₁相（15，16，17，18，19，20，21，22，23）+（18，19，20，21，22）；B₂相（57，58，59，60，61，62，63，64，65）+（60，61，62，63，64）；C₁相（29，30，31，32，33，34，35，36，37）+（32，33，34，35，36）；C₂相（71，72，73，74，75，76，77，78，79）+（74，75，76，77，78）。

若要获得不同的转子绕组方案，可改变第二套子绕组线圈节距，例如，取y₂=10，则这时的线圈槽号数为：n₂=z/(p₁+p₂)-y₂=84/(2+4)-10=4，各相线圈槽号可取为：A₂₁相（4，5，6，7）；A₂₂相（46，47，48，49）；B₂₁相（18，19，20，21）；B₂₂相（60，61，62，63）；C₂₁相（32，33，34，35）；C₂₂相（74，75，76，77）。

转子绕组方案必须要通过磁势谐波分析的才能最后确定，而其中两套子绕组的空间相对位置，线圈节距和相对匝数等都对谐波分析结果有影响。对于以上转子绕组方案，当y₁=12，y₂=9，两套子绕组线圈匝数相等时，即N₁/N₂=1/1的谐波分析结果列于表1，作为比较，表1也同时列出了两套子绕组线圈匝数不相等，N₁/N₂=4/3时的谐波分析结果。可以看出，当匝比N₁/N₂=1/1时，有一个相对幅值为4.0659%的极对数p=8谐波，而N₁/N₂=4/3时，这个p=8的谐波被离散了，其相对幅值下降为2.7116%，与此同时，两个极对数分别为p₁=2和p₂=4的主波绕组系数也发生了变化。上述两个不同匝比方案均为可用方案，实际应用中究竟选择哪一个方案，可根据工况或是工艺要求确定，当然也可根据本发明继续设计别的更好方案。

表1 磁势谐波分析结果(y₁=12,y₂=9,n₁=9,n₂=5)

Claims

1.一种无刷双馈电机绕线转子绕组，由两套多相子绕组叠加复合构成的多相绕线型绕组，其特征在于：所述的两套多相子绕组所含线圈数量和节距均不相同，其中一套m相子绕组的每相由匝数为N₁、按顺序编号的n₁个线圈串联构成，且该套m相子绕组为双层或单层，线圈节距为y₁；另一套m相子绕组为单层，每相由匝数为N₂、按顺序编号的n₂个线圈串联构成，线圈节距为y₂，n₂与y₂满足关系式n₂=z/(p₁+p₂)-y₂，两套m相子绕组合成后的每相全部线圈n=n₁+n₂，分别按顺序串联再自短路连接，m等于给定的两种基本极对数p₁和p₂之和，N₂、N₁分别为正整数，按获得两种基本极数p₁和p₂下绕组系数最大，且其余谐波磁势含量尽可能小的原则，确定线圈节距y₁和实际的线圈个数n₁，y₂为根据要求给定一个与y₁不相同的整数。

2.如权利要求1所述的无刷双馈电机绕线转子绕组的制作方法，这种转子绕组由两套多相子绕组复合构成，其特征在于包括以下步骤：

（2）、将基本槽数z₀扩展为新的转子槽数z=kz₀，k为正整数；

（3）确定转子绕组相数m=z₀=p₁+p₂和每相含有的最大槽数z_φ=z/m，若采用双层绕组，这里z_φ也表示每相相邻顺序串联的最大线圈个数，此基础上，再分别确定两套绕组各相绕组的串联实际线圈个数和线圈节距；

（4）各相绕组对于两种极对数p₁和p₂都必须做到对称布置，具体做法是，假定p₁＜p₂，先利用p₁槽号相位图或槽矢量星形图排列m相绕组对称方案，然后再利用p₂槽号相位图或槽矢量星形图校核该方案对于p₂的对称性；

（5）第一套m相子绕组的每相由匝数为N₁、按顺序编号的线圈串联构成，第一套m相子绕组为双层或单层；具体确定方法为：在最大槽数z_φ=z/m的基础上，根据磁势分析结果，按获得两种基本极数下绕组系数最大，且其余谐波磁势含量尽可能小的原则，来初步确定线圈节距y₁和实际的线圈个数n₁，一般有n₁＜z_φ，这也就是说，若采用双层绕组，每相由n₁个相邻顺序排列的线圈串联构成，这些线圈的节距为y₁；

（6）第二套m相子绕组为单层，每相由匝数为N₂，顺序编号的线圈串联构成，其中线圈个数n₂与这时的线圈节距y₂有关；具体确定方法为：先给定线圈节距y₂，线圈个数n₂按关系式n₂=z/(p₁+p₂)-y₂计算，以保证为单层绕组，每相由n₂个相邻顺序排列的线圈串联构成；

（7）将以上所确定的两套m相子绕组合成为一套m相绕组，该合成绕组连接方式是将这两套m相子绕组全部线圈n=n₁+n₂顺序串联后自短路连接；

（8）为使得合成后转子绕组对应的两种基本极对数p₁和p₂绕组系数最大，谐波磁势含量最小，且有高的空间利用率，可以调整两套子绕组的相对位置，或是返回步骤5)或6)，调节线圈节距y₁和y₂，及线圈个数n₁及n₂，当然也可改变两套子绕组线圈的匝数N₁和N₂，根据绕组磁势分析结果判断是否达到所要求的最佳匹配状况以确定绕组。