CN104704715A - 转子结构及电机 - Google Patents

Abstract

一种包括多相波绕组的绕线转子感应电机的转子，多相波绕组在每一相中包括两个或更多个绕组分支。在转子中，绕组的至少一个分支被连接成三角形连接并且绕组的至少一个分支被排除在该三角形连接之外。

Description

转子结构及电机

技术领域

本发明涉及绕线转子感应电机，并且特别涉及这样的电机的转子绕组。

背景技术

绕线转子感应电机是转子包括绕组的旋转电机。一类这样的电机是双馈感应电机，其通常被用作发电机(DFIG)。最常见类型的双馈感应电机转子具有两层、条形绕组(bar-type winding)，因为这类绕组简单并且实用。条形绕组简化了制造，由于绝缘的量的降低，允许更好地利用槽空间，并且可承受在高旋转速度下出现的离心力。

在文献中对这类绕组的基本理论进行了探讨。然而，开路电压的设计(dimensioning)无法广泛地覆盖。在文献中并未对开路电压的设计进行探讨，这是因为传统上认为只要开路电压不超过绝缘电压阈值，开路电压的值并不那么重要。

当采用控制电机的转差率(slip)的频率转换器操作双馈感应电机时，正确且精确设计的开路电压在设计完整驱动系统中起着重要的作用。

双馈感应发电机(DFIG)的转子电压遵循可被认为与转差率成比例的V型曲线。当转子与定子电压同步并且因此转差率为0时，转子电压为0。当转差率增加或降低时，转子电压线性变化。当转子不旋转或者以其额定速度的两倍旋转时(即转差率是1或-1)，开路电压对应于转子绕组中产生的电压。通常，DFIG的转差率能够从-30％到30％变化(当额定速度为1500rpm时对应于1000…2000rpm范围的旋转速度)。在兆瓦级的DFIG中的开路电压的典型值是1800V。

开路电压的设计的重要性在于：当转子的旋转速度(转差率)在容许限度内改变时，转子的电压在指定的范围中。如上文提及，当转差率从0增加或从0降低时，转子的电压增加，并且当转差率在其最高容许值时，转子的电压达到其最高容许值。由于转子电压的改变相对于转差率是线性的，所以正确设定的开路电压确保了处于最高转差率时的转子电压处于指定值。处于最高转差率的转子电压还定义了在控制转子中使用的频率转换器的尺寸。因此，必须以这样的方式设计开路电压：使得通过使用频率转换器可以操作处于最高转差率的电压。这意味着针对双馈感应电机转子的开路电压的设计，频率转换器的额定值至少设定了一些设计边界。

开路电压的典型范围是1800V至2200V，针对高功率DFIG具有相对小的公差。当涉及转子电流、电机损耗和槽组合的其他限制被考虑时，无法简单地通过使用传统设计方法来满足开路电压的需求。

通常用于设计开路电压的设计方法包括改变占用绕组的槽的数量。传统的两层绕组通常是每一个槽具有一个绕组匝(或线圈)。为了增加开路电压，增加槽的数量。这种方法非常有效但受限于许多其他因素。例如，不能使用分数绕组(fractional winding)，定子绕组和转子绕组之间的比例必须接近1.25以便避免不合需要的径向力，齿必须承受机械负荷而线圈末端长度则必须尽可能短。

用于设计开路电压的另一种方法是使用转子绕组的星形或三角形连接。通过改变连接类型，转子电压理论上按1.73倍改变。

此外，可以通过使用改变槽中的转子导条的数量的设计来设计开路电压。最常用的导条结构是两个导条在一个槽中或四个导条在一个槽中。槽中导条数量的增加增加了绕组中有效匝的数量，从而增加了开路电压。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种转子绕组结构以克服上述问题。本发明的目的通过由独立权利要求中陈述的特征限定的转子实现。从属权利要求公开了本发明的优选实施方式。

本发明以这样一种方式基于连接转子绕组的构思：将绕组的至少一个分支连接成三角形连接。在已知绕组类型中，相以三角形连接的方式连接，使得每一相的端部被连接到另一相的开始部，从而形成三角形连接。在本发明中，相绕组的端部被电连接在另一相绕组的中间，而绕组的一个或更多个分支被排除在三角形连接之外。在另一相绕组中间的三角形连接的连接点位于绕组的分支之间。波绕组的绕组包括形成整个绕组的已知部分的绕组分支，并且传统上上述分支串联连接用于形成整个绕组。

本发明的一个优点在于绕线转子感应电机的关于开路电压的设计更容易。本发明的结构在实现所需的电气特性中为电机的设计者给出了更多的选择。本发明的一些实施方式还有助于节约材料成本，因为转子导条的横截面积可以比现有技术中的转子做得更小。

附图说明

将在下文中借助优选实施方式参考附图更详细地描述本发明，其中

图1示出了一个实施方式的端部连接，

图2示出了图1的实施方式的转子槽中的导条，

图3示出了另一个实施方式的端部连接，

图4示出了图3的实施方式的转子槽中的导条，

图5示出了另一个实施方式的端部连接，

图6示出了图5的实施方式的转子槽中的导条，

图7示出了另一个实施方式的端部连接，

图8示出了图7的实施方式的转子槽中的导条，

图9示出了另一个实施方式的端部连接，

图10示出了图9的实施方式的转子槽中的导条，

图11示出了另一个实施方式的端部连接，

图12示出了图11的实施方式的转子槽中的导条。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施方式的端部连接。在这个实施方式中，三相转子的每一相绕组由两个分支组成。至相的输入被标记为M1、L1和K1，并且相M由分支A1-X1和A2-X2组成。图1还示出了相M的端部连接点E1。相L包括分支B1-Y1和B2-Y2以及端部连接点E2，而相K具有分支C1-Z1和C2-Z2以及端部连接点E3。

根据本公开，以三角形连接方式连接绕组的至少一个分支。在图1所示中，以三角形连接方式连接分支A2-X2、B2-Y2和C2-Z2。通过将每个绕组的端部连接到另一相的分支之间的点形成三角形连接。在图1的实施方式中，相M的端点E1连接在相K的分支之间，相K的端点E3连接在相L的分支之间，而相L的端点E2连接在相M的分支之间。

由于这样的连接，开路电压的变化理论上为星形连接绕组的开路电压的1.267倍小以及为三角形连接绕组的开路电压的1.365倍大。

例如，如果电机被连接成星形连接，则计算出的开路电压是2290V并且某一点处的转子电流是500A，而在从星形连接转变成图1的实施方式后，开路电压理论上将变为2290/1.267＝1807V并且电流将变为500×1.267＝633.5A。

在另一个示例中，电机被连接成三角形，计算出的开路电压是1320V并且某一点处的转子电流是500A。在从三角形转变成图1的实施方式后，开路电压理论上将变为1320×1.365＝1802V并且电流将变为500/1.365＝366A。

从以上计算可以看出，在槽中的一个导条中的电流与在槽中的另一个导条中的电流的差异为1.73倍。图2示出了图1的实施方式的槽中的导条，其中，较小电流的导条被显示为阴影部分的导条。图2还示出了指示导条属于哪个相的标记K、L、M。因为在某些导条中电流较小，这些导条的横截面积可以被做得更小。这需要给槽增加一些层叠体(laminnate)，因为导条的物理布置需要导条的最低层的高度相等。由于波绕组的导条通常由被弯曲成特定形状的铜制成，当层具有不同的高度时，实际上不可能构造绕组。使用具有不同横截面积的导条的另一种可能是构造转子中的槽以使得具有不相等的槽高度。

根据本发明的一个实施方式，每一相绕组包括四个分支，并且以三角形连接方式连接每一相的两个分支。在图3中示出了这个实施方式的端部连接。图3与图1类似，除了例如在相M中分支A1-X1由两个串联连接的分支形成。类似地，图3中作为一个分支示出的其他分支由两个串联连接的分支形成。

在图3中，采用串联连接的每一相的两个分支来形成三角形连接。也就是说，每一相的两个分支在其他两个分支的端部处连接，从而形成三角形连接。图1和图3的实施方式之间的区别在于图3的实施方式形成了四个导条在一个槽中的结构，如可以从图4中看出的那样。图4示出了一个实施方式，在该实施方式中，导条以这样一种方式布置：它们中的两两并排并且两两彼此上下，即以2×2矩阵方式布置。图4还示出了指示导条属于哪个相的标记K、L、M。进一步看出，电流密度与图1和图2的实施方式的那些电流密度类似。

在本发明的另一个实施方式中，针对每一相使用了四个分支，两个分支并联连接而另外两个串联连接。串联连接的分支进一步以三角形连接方式连接。图5中示出了这个实施方式，其示出了绕组的端部连接。如所提及，每一相绕组包括四个分支。例如，相M1具有分支A1’-X1’、A1”-X1”和A2-X2。分支A2-X2具有串联连接的两个分支。

分支A1’-X1’和A1”-X1”并联连接并且这个并联连接还与分支A2-X2串联连接。每一相采用类似的连接方式形成。此外，通过将每一相串联连接的分支以这样一种方式彼此连接来形成三角形连接：分支A2-X2的端部连接到分支B2-Y2的开始部，而分支B2-Y2的端部连接到分支C2-Z2的开始部，分支C2-Z2的端部连接到分支A2-X2的开始部，从而形成了三角形连接的系统。

作为图5的实施方式的一个示例，考虑以下内容。当电机被连接成星形连接时，计算出的开路电压是2284V并且某一点处的转子电流是500A，在从星形连接转变成图5的实施方式的连接后，开路电压理论上变为2284/1.1267＝1802V并且电流变为500×1.1267＝633.5A。在并联连接的导条中，电流密度是线路电流的50％，在串联连接的导条中，电流密度是线路电流的57.8％。因此，同一绕组的导条之间的电流密度差理论上是7.8％。

图6示出了图5的实施方式中的槽中的导条。具有阴影区域的导条是指示较低电流密度的并联连接的导条，每个槽中的另外两个导条串联连接。图6还示出了指示导条属于哪个相的标记K、L、M。因此，图5的实施方式产生了电流密度被分配得非常平均的绕组系统。

每一相中包括四个分支并且槽中的导条彼此上下布置的绕组类型给出了至少三种不同的设计开路电压的可能性。替代方案涉及形成三角形连接的点。三角形连接可以从分支的中心形成(图7)、在第一分支之后(图9)或者在最后的分支之前(图11)形成。

图7示出了在分支的中心形成三角形连接的实施方式，即两个分支在连接点的两侧。相M的分支被标记为A1-X1、A2-X2、A1’-X1’和A1”-X1”，并且相L和相K的分支也分别被标记。相的所有分支都串联连接，分支的每个串联连接的端点被连接到另一相的中心点，使得每个端点被连接到另一相。在三角形点之后，电流按1.73倍降低并且由于波绕组的物理布置，前两个分支首先位于槽中。由于后两个分支承载了较小的电流，这些导条的横截面积可以被做得更小，如图8中所示。槽中的导条的布置不需要槽中的任何附加结构或特定修改的槽，因为每层中的导条的高度是相等的。图8还示出了指示导条属于哪个相的标记K、L、M。

在图9的实施方式中，在每一相绕组的第一个分支之后形成三角形连接。图10中示出了所产生的电流密度，可以看出，在一个槽中的三个导条承载的电流比第四个小。上面两个导条的横截面可以被做得更小，具有阴影部分的最低导条示出其电流密度与上面的导条中的电流密度一样低。这个实施方式需要特别的结构用于对准导条的层。图10还示出了指示导条属于哪个相的标记K、L、M。

在图11的实施方式中，在每一相绕组的最后一个分支之前形成三角形连接。这种结构导致了槽中的一个导条的电流密度为其他导条的电流密度的1.73倍低的情况。图12中的阴影的导条示出了具有较小电流密度的导条。可以看出，较小的电流密度位于上面两个导条中。图12还示出了指示导条属于哪个相的标记K、L、M。

尽管在上面一些实施方式中可能需要特别的结构用于对准导条层，但这些实施方式仍可能在一些情况下非常有用。

在上文中，主要结合双馈感应电机的转子描述了本发明。本发明的转子结构是绕线转子结构并且这种结构并不限于特定类型的电机。

本发明还涉及一种具有本发明的转子结构的电机，诸如电动机或发电机。这样的电机通常是具有滑环的双馈感应发电机。然而，具有本公开的转子的电机同样可以是用于驱动负载的电动机。

对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术的进步，可以以各种方式实施发明构思。本发明及其实施方式并不限于上文描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (11)

1.一种包括多相波绕组的绕线转子感应电机的转子，所述多相波绕组在每一相中包括两个或更多个绕组分支，其特征在于，

所述绕组的至少一个分支被连接成三角形连接并且所述绕组的至少一个分支被排除在所述三角形连接之外。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绕组的每一相包括两个分支并且通过将每一相的一个分支连接成三角形连接来形成所述三角形连接。

3.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，所述绕组是双层波绕组。

4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绕组的每一相包括四个分支并且通过将每一相的两个串联连接的分支连接成三角形连接来形成所述三角形连接。

5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，每一相绕组的所述四个分支的两个分支串联连接。

6.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，每一相绕组的所述四个分支的两个分支并联连接。

7.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绕组的每一相包括四个分支并且通过将每一相的三个串联连接的分支连接成三角形连接来形成所述三角形连接。

8.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绕组的每一相包括四个分支并且通过将每一相的一个分支连接成三角形连接来形成所述三角形连接。

9.根据前述权利要求4至8中的任一项所述的转子，其特征在于，所述转子在每一个转子槽中包括四个导条，所述四个导条被布置成彼此上下或者两两并排并且两两彼此上下。

10.根据前述权利要求1至9中的任一项所述的转子，其特征在于，所述转子是双馈感应电机的转子。

11.一种电机，包括根据前述权利要求1至10中的任一项所述的转子结构。