CN1038800C - 异步电动机转子绕组的叠加联结法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种交流电机转子绕组的叠加法联结，在原转子绕组上叠加一套与原来一样但匝数不同的绕组，通过并联或反接串联与原转子绕组联结在一起，这种新型转子绕组用于谐波起动电动机时，转子上不焊接起动电阻元件，因而简化结构和提高运行可靠性；用于同步电动机时，转子上不装置阻尼笼，从而实现了同步电动机的自行起动；用于同步发电机时，可调节瞬变参数，提高发电机运行的动态稳定性和动态过载能力。

Description

异步电动机转子绕组的叠加联结法

本发明属于交流异步电动机的转子绕组的结构和联结法，用以解决电动机的起动和调速问题。

1988年先后获得美国和中国发明专利权的谐波起动电动机(美国专利号№：4736147，中国专利号№：85102382.7)，于1989年上半年试制成功，投入工业应用。在试制这种新型电动机过程中，看到在转子上焊接起动电阻R₄是造中的关键工艺，稍不注意，则运行时容易脱焊而发生事故，因此能否取消起动电阻R₄而达到转子电路上无滑环、无电刷、无触点和无电阻元件，是一个很有实用意义的问题。

本发明的目的在于提出一种称为“叠加联结法”的转子绕组联结法，以达到完满地解决上面提出的问题，从而制造出转子上无电阻元件的谐波起动绕线型异步电动机。

本发明提出的“叠加联结法”的原理及原则如下：先按常规联结法把异步电动机转子绕组连接成一个对称多相绕组；把上述绕组称为“原绕组”；然后，在“原绕组”上叠加一套分布情况和联结方式与“原绕组”完全一样，但其每个线圈的匝数与“原绕组”的不同，(原则上可比“原绕组”的多或少，即相差一匝或一匝以上即可，但实用上以采用比“原绕组”匝数的较少的形式为宜)，嵌于“原绕组”所嵌槽中的“叠加绕组”。这时每个槽里都嵌有“原绕组”和“叠加绕组”的线圈边。把“叠加绕组”和“原绕组”并联连接而构成很多小闭合回路，以达到起动时在这些小闭合回路内产生环流，从而使每槽中的“原绕组”电流和“叠加绕组”电流反相位，因而它们产生的漏磁场部分地相互抵消，相应地使每相绕组的有效匝数减少，其结果使折算到定子的转子电阻显著变大，以使起动电流减小而起动转矩增大，改进起动性能。这就是本发明的一个总的发明构思。

以下就异步电动机叙述从上述总的发明构思中获得的具体的绕组联结法。

对谐波起动的绕线型异步电动机，作为“原绕组”的转子绕组，按已授权的中国发明专利“由多段绕组组合成的转子变极绕组”(专利号№：ZL88106495.5)联结，可采用下述五种不同联结法，现与叠加联结法一起论述如下：

1、多个“闭合回路”法

把转子绕组划分为Pm₂段，其中P为基波极对数，m₂为对基波说的转子相数，m₂＝3、4、5……等整数，按实际电机的具体情况选取。每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，并且所说Pm₂段绕组对称地分布于转子圆周上。把全部Pm₂段绕组分别联结为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；各“闭合回路”之间相互绝缘。上述绕组称为“原绕组”，其每段绕组称为“原绕组段”。

在上述的每个“原绕组段”上再叠加一个所占槽号和联结法与“原绕组段”的完全一样，但其每个线圈的匝数与“原绕组段”的不同，嵌于“原绕组段”所嵌槽中，且其首、末端标志和“原绕组段”的一样的“叠加绕组段”。每个“叠加绕组段”线圈的匝数可在1匝，2匝、……一直到比“原绕组段”的少1匝的范围内按获得最佳的起动性能选取。这时每一槽内都存在“原绕组段”导体和“叠加绕组段”导体。为提高起动转矩和起动过程中的最大转矩，应把“叠加绕组段”导体放于靠近槽底的地方，并且应把每一“叠加绕组段”导体与“原绕组段”导体紧紧地并排在一起，对扁铜线导体则应左、右放置，以减少每相的漏电抗，提高起动转矩。

把每一“叠加绕组段”与其被叠加的“原绕组段”并联，即二者的首端联结在一起，而末端也联结在一起。这时，对起动谐波磁场说，每个“闭合回路”内的合成电动势为零，但在每个“叠加绕组段”与被其叠加的“原绕组段”构成的小闭合回路内，由于上述两种绕组段的匝数不同，它们的感应电动势沿小闭合回路内不能相互抵消，因而产生环流，使槽内的“原绕组段”导体和“叠加绕组段”导体中流着大小相等而方向相反的电流，随之该小闭合回路的有效匝数减少，达到显著提高折算到定子的转子电阻，从而提高了电动机的起动性能。这时每个“绕组段”(包括“原绕组段”和与其并联的“叠加绕组段”)构成一相，整个转子绕组由对称分布的Pm₂相绕组构成。当电动机正常运行时，由基波磁场感应于任一“闭合回路”中每个绕组段(由“原绕组段”和“叠加绕组段”并联构成)的电动势都是同相位、同大小，因而在“闭合回路”内产生环流，使电动机正常运行。此时两种绕组段的电流分配原则是：各绕组段的电流与其电动势成正比、而与其等效漏阻抗成反比。由于电动势与匝数成正比，等效漏阻抗也可近似地看成与匝数成正比，因此“原绕组段”电流和“叠加绕组段”电流实际上相等，槽内两种导体电流实际上同大小、同方向，这说明在正常运行时，两种绕组段都发挥了正常作用，和常规电动机一样。以上从结构和原理上说明了如何应用叠加联结法来制成转子上无电阻元件的谐波起动绕线型电动机。

2、按基波排列的多支路星型联结

在上述绕组中，若把m₂个“闭合回路”都断开而成为m₂条支路，每条支路沿同一圆周方向标志其首、末端，把所有支路的首端联结在一起，剩下的末端也联结在一起，便构成有m₂条并联支路的星型联结。随而可制成转子上无电阻元件的谐波起动星型联结绕组。

3、定子用基波、转子上安装开关的联结法

在前述两种联结法中，存在一个共同点，即在起动时借助于起动谐波来达到方法1中每个“闭合回路”内合成电动势为零因而没有环流，而方法2中则使星型联结每条支路中的合成电动势为零而沿支路没有电流通过。根据这一点，可在每个“闭合回路”内或m₂条并联支路中的每条支路都装置一个离心式开关或一个双向晶闸管之类的无触点开关，在电动机起动过程中，上述开关都处于断开状况，因此电路被切断而不通；当起动完毕时，借助离心力使离心式开关闭合，或借助延时继电器或转速反馈来控制晶闸管的触发电路，使晶闸管导通，如此使电动机从起动工况进入正常运行工况。在此情况下，仅仅用基波磁场就能顺利起动。

4、由多“并联组”构成的多“闭合回路”联结法

把转子绕组中的原绕组划分为Qm₂段，其中Q为皆波起动电动机所取的起动谐波的极对数，m₂为转子上并联组的组数，m₂＝3、4、5…等整数，每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，并且所说Qm₂段绕组对称地分布于转子圆周上。把全部Qm₂段绕组分别联结为m₂个“并联组”，每个“并联组”由空间上对称分布的Q段绕组并联构成。上述绕组的每个绕组段称为“原绕组段”，而每个“并联组”则称为“原并联组”。

在上述的每个“原并联组”上再叠加一个所占槽号和联结法与“原并联组”的完全一样，但其每个线圈的匝数与“原并联组”的不同，嵌于“原并联组”所嵌槽中，且其首、末端标志和“原并联组”的一样的“叠加并联组”。把每个“叠加并联组”与被其叠加的“原并联组”并联，即把“叠加绕组段”的首端与被其叠加的“原绕组段”的首端联结在一起，而末端也联结在一起。如此构成一个包含Qm₂个“闭合回路”的转子绕组，对起动谐波磁场说是一个m₂相的对称系统。

在上述联结中，由于“原并联组”与“叠加并联组”的匝数不同，因此当用谐波起动时，在上述的闭合回路内产生环流。这时每一槽内“原并联组”的导体电流和“叠加并联组”的导体电流必定同大小而反方向，因此每相有效匝数减少和漏电抗变小，从而改进电动机的起动性能。

至于m₂个“并联组”之间的关系，原则上应互相绝缘，但实际应用时。也可以把儿个“并联组”的一个端点用一个公共短路铜环联结在一起，而另一个端点则各“并联组”各有自己的短路铜环。

5、把转子绕组划分为2Qm₂段时的联结法

在前述的方法4中，把转子绕组被划分的段数从Qm₂段改为2Qm₂段、其中m₂＝2、3、4……等整数，相应地每个“并联组”改为由空间上对称分布的2Q段绕组并联而成，但并联时采用顺接并联和反接并联交叉进行的正反交叉接法，即若将这2Q段绕组沿转子圆周依次编号并标出每段的首、末端，则并联时将奇数段的首端和偶数段的末端联结在一起，而另一端则将奇数段的末端和偶数段的首端联结在一起，其他接法同前，不赘述。

本发明提出的叠加联结法具有下列优点：

1、用叠加联结法的转子绕组用于谐波起动绕线型异步电动机时，转子上不需要焊接电阻元件，工艺简单，加工方便，运行可靠，把皆波起动电机提高到一个更高水平。这对于小型电机特别重要，因其端部空间不大，装置电阻元件有较大困难。

2、与装置电阻元件的谐波起动异步电动机比较，能获得特别大的起动转矩，因为叠加联结法的转子，在起动时除了加大转子电阻之外，还能减小转子漏电抗，众所周知，转子漏电抗的减小将使起动转矩和起动过程中的最大转矩显著提高。

以下利用附图和实施例对本发明所说转子绕组的叠加联结法作进一步的说明。

图1：转子绕组的“原绕组”，54槽，2P＝6极，按传统三相Y形联结；

图2：在“原绕组”上叠加一套“叠加绕组”后的谐波起动异步电动机的转子绕组，54槽，2P＝6极，2Q＝4极，双层绕组；

图3：一个“绕组段”(由“原绕组段”和“叠加绕组段”并联构成)在槽内的空间分布情况。

实施例：一台谐波起动绕线型异步电动机的数据为：基波2P＝6极，转子为54槽，取起动谐波极数为2Q＝4极，试用叠加联结法设计其转子绕组。

先按常规方法把转子绕组设计为Y接法的双层三相绕组，如图1所示。此时每相由六个绕组段串联，而每段串联三个槽号连续的线圈。这就是前面所说的“原绕组”，它中共包含18个“原绕组段”。现取每个“原绕组段”所串联三个线圈，每个线圈的匝数为4匝。

再用叠加法，在每个“原绕组段”上叠加一个“叠加绕组段”，它串联三个线圈，每个的匝数为2匝(2＜4)，将它和“原绕组段”并联，构成“小闭合回路”，使得整个转子绕组的联结法如图2所示。图中带撇的线圈号属于“叠加绕组段”。

在图3中画出一个“原绕组段”导体(空心小方框)及其“叠加绕组段”导体(实心小方框)在槽内的相对位置。起动时，空心小方框的电流方向和实心小方框的相反，因此靠近槽底的四根导体产生的漏磁场互相抵消，它们由4极起动谐波磁场感应的电动势也互相抵消，所以起动时每相的有效匝数只有4-2＝2匝，从而大大提高了起动转矩和降低起动电流。这时总共有18个绕组段，每个绕组段由“原绕组段”和“叠加绕组段”并联而成一相，于是形成了一个对称的18相系统。

从上述实施例和附图2可见，前述的把转子绕组划分为Pm₂段的连接法皆可改为划分为2Pm₂段，其中m₂＝2、3、4……等整数。这时m₂个“闭合回路”串联空间上对称分布的2P段绕组，但串联时对奇数段为顺接串联，对偶数段为反接串联，即按通常所用的“头接头、尾接尾”规律串联。

从电机中定、转子安匝平衡的原理可看出，用叠加联结法构成的转子绕组，由于起动时每相有效匝数显著减少，因此起动时转子电流将显著增加。为此必须核算转子起动时的温升，采取加强通风冷却或提高转子绕组绝缘等级措施来防止转子烧坏。

显然，本发明提出的转子绕组的叠加联结法也可用于变极调速电动机中。在此情况下，为了达到调速的目的，除基波2P极外，另一磁场应为极数2Q大于2P的多极数磁场，这时电动机的第二转速是在2Q极的同步转速附近。

Claims (10)

1.一种异步电动机转子绕组的叠加联结法，在转子上设置一套对称多相转子绕组，称为原绕组：其特征在于：

在原绕组上叠加一套分布情况和联结方式与原绕组一样，但其每个线圈的匝数与所说原绕组的每个线圈匝数相异的叠加绕组：每个叠加绕组段分别与被叠加的原绕组段并联联结，构成各个小闭合回路：

整个转子绕组按使其在起动时，槽内的原绕组段导体与其对应的叠加绕组段导体中的感应电流，大小相等而方向相反；在运行时，槽内的原绕组段导体与其对应的叠加绕组段导体中的感应电流，大小接近相等而方向相同的方式联结。

2.按照权利要求1所说的叠加联结法，其特征在于，转子绕组中的原绕组划分为Pm₂段，其中P为基波极对数，m₂为对基波说的转子绕组相数，m₂＝3、4、5……等整数，且所说的Pm₂段绕组对称也分布于转子圆周上：全部Pm₂段绕组分别联结为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，m₂个闭合回路之间互相绝缘；上述绕组的每段绕组段称为原绕组段；在每个原绕组段上叠加一个所嵌槽号和联结法与原绕组段相同的叠加绕组段，每一个叠加绕组段与被其叠加的原绕组段的并联，即二者首端联结在一起，末端也联结在一起，构成一个小闭合回路。

3.按照权利要求1和2所说的叠加联结法，其特征在于，转子绕组中的原绕组划分为2Pm₂段，m₂＝2、3、4……等整数；把全部2Pm₂段绕组分别连接为m₂个闭合回路，每个闭合回路串联空间上对称分布的2P段绕组，但串联时采用顺接串联和反接串联交叉进行的正反交叉接法；即若将这2P段绕组沿转子圆周依次编号，则串联时对奇数段为顺接串联，对偶数段为反接串联。

4.按照权利要求1所说的叠加联结法，其特征在于，转子绕组中的原绕组划分为Qm₂段，其中Q为谐波起动电动机所取的起动谐波的极对数，m₂为转子上并联组的组数，m₂＝3、4、5……等整数，且所说的Qm₂段绕组对称地分布于转子圆周上，全部Qm₂段绕组分别联结为m₂个并联组。每个并联组由空间上对称分布的Q段绕组并联构成，m₂个并联组之间可互相绝缘，上述绕组每个绕组段称为原绕组段：在每个原绕组段上叠加一个所嵌槽号和联结法与原绕组段相同的叠加绕组段，每一个叠加并联组与被其叠加的原绕组段并联，即首端与首端相联结，末端与末端相联结，构成一个小闭合回路。

5.按照权利要求1和4所说的叠加联结法，其特征在于，转子绕组中的原绕组划分为2Qm₂段，m₂＝2、3、4……等整数；把全部2Qm₂段绕组分别连接为m₂个并联组，每个并联组并联空间上对称分布的2Q段绕组，但并联时采用顺接并联和反接并联交叉进行的正反交叉接法，即若将这2Q段绕组沿转子圆周依次编号并标出每段的首、末端，则并联时将奇数段的首端和偶数段的末端联结在一起，而另一端则将奇数段的末端和偶数段的首端联结在一起。

6.按照权利要求1所说的叠加联结法，其特征在于，转子绕组中的原绕组划分为Pm₂段，其中P为基波极对数，m₂为对基波说的转子绕组相数，m₂＝3、4、5……等整数，且所说的Pm₂段绕组对称地分布于转子圆周上，把全部Pm₂段绕组分别联结为m₂条支路，每条支路串联空间上对称分布的P段绕组，每条支路沿圆周依次标志出所说m₂条支路的首、末端，将m₂条支路的首端联结在一起，形成一个端点，把m₂条支路的末端也联结在一起，形成另一个端点，这样构成一个对基波说为m₂相的星型联结的原绕组；上述原绕组的每个绕组段称为原绕组段；在每个原绕组段上叠加一个所嵌槽号和联结法与原绕组段相同的叠加绕组段，每一个叠加绕组段与被其叠加的原绕组段并联，即首端与首端相联结，末端与末端相联结，构成一个小闭合回路。

7.按照权利要求1所说的叠加联结法，其特征在于，转子绕组中的原绕组划分为2Pm₂段，其中P为基波极对数，m₂为基波说的转子绕组相数，m₂＝2、3、4……等整数，且所说的2Pm₂段绕组对称分布于转子圆周上；把全部2Pm₂段绕组分别连接为m₂条支路，每条支路串联空间上对称分布的2P段绕组，但串联时采用顺接串联和反接串联交叉进行的正反交叉接法：即若将这2P段绕组沿转子圆周依次编号，则串联时对奇数段为顺接串联，对偶数段为反接串联；再沿转子圆周依次标志出所说m₂条支路的首、末端，将m₂条支路的首端联结在一起，形成一个端点，把m₂条支路的末端也联结在一起，形成另一个端点，这样构成一个对基波说为m₂相的星型联结的原绕组；上述原绕组的每个绕组段称为原绕组段；在每个原绕组段上叠加一个所嵌槽号和联结法与原绕组段相同的叠加绕组段，每一个叠加绕组段与被其叠加的原绕组段并联，即首端与首端相联结，末端与末端相联结，构成一个小闭合回路。

8.按照权利要求2或4或6或7所说的叠加联结法，其特征在于，在所说的每个闭合回路内或所说的每条并联支路中都装置有：一个在电动机起动过程中处于断开状况，当起动完毕时借助离心力使之闭合的离心式开关；或一个借助延时继电器或转速反馈来控制晶闸管的触发电路，使晶闸管在起动时截止，而起动完毕时导通的双向晶闸管之类的无触点开关。

9.按照权利要求3所说的叠加联结法，其特征在于，在所说的每个闭合回路内都装置有：一个在电动机起动过程中处于断开状况，当起动完毕时借助离心力使之闭合的离心式开关；或一个借助延时继电器或转速反馈来控制晶闸管的触发电路，使晶闸管在起动时截止，而起动完毕时导通的双向晶闸管之类的无触点开关。

10.按照权利要求5所说的叠加联结法，其特征在于，在所说的每条并联支路中都装置有：一个在电动机起动过程中处于断开状况，当起动完毕时借助离心力使之闭合的离心式开关；或一个借助延时继电器或转速反馈来控制晶闸管的触发电路，使晶闸管在起动时截止，而起动完毕时导通的双向晶闸管之类的无触点开关。

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