CN104901497B - 一种三相交流电机定子变极绕组的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流电机定子变极绕组的设计方法，要给定变前极极对数p₁和变后极极对数p₂，选择槽数系数k，由此确定定子槽数Z后作两种极数槽号相位图，将p₁槽号相位图按列等分为120°相带，每相再去掉位于相带边沿的槽号，使得剩下的槽号为5的倍数，然后按每相3条支路比率1:2:2分配这些槽号，对p₁相位而言，比率1槽号位置在120°相带中间，比率2槽号分为两组位于比率1槽号左右两侧，分别调整比率2两组槽号各自所代表线圈的匝数比，使3条支路各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等；对于p₂相位而言，每相120°相带内的3条支路仍然必须满足各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等的条件，所得变极方案两种极数下都不会有支路环流。得到要求的变极方案之后，也可将槽数以及极数应用叠加法进一步拓展，以获得更多可选择的变极方案。

Description

一种三相交流电机定子变极绕组的设计方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种三相交流电机定子变极绕组的设计方法。

背景技术

改变定子绕组的极对数进行调速是三相感应电机常用的调速方法之一。这种变极调速的方法只需要改变电机定子三相绕组线圈的连接次序和接线方式就可以改变电机绕组极对数，从而使电机具有两种以上的速度，与变频等其它调速方法相比，效率高且换极调速简便。

常用的变极方法有反向法和换相法两种。其中反向变极法是将每相绕组的线圈重新组合后划分为两段，三相共划分为6段，常用接线方法有2Y/Y和2Y/Δ两种，具有接线简单，出线头少的特点，但是其不足之处是在进行极数换接时需要3个接触器，这3个接触器中，有一个是2Y接法中的星点短接接触器，很容易损坏，导致可靠性降低。

换相变极法是将每相绕组的线圈划分为3段，三相共划分为9段，然后再重新组合，这看起来要比反向变极法复杂，但在满足一定条件的情况下，可以采用3路星形并联变3路星形并联的接线方法，即3Y/3Y并联接法,这种接法中每段线圈为一条支路，在两种极数下，每相均有3条并联支路，可实现采用两个接触器进行变极换接，尽管这时绕组内线圈之间接法可能比反向法复杂，但就变极换接而言，甚至比反向法还要简单，且可靠性高。

在具有两种极数的三相变极绕组中，若这两种极数之比为整数，称为倍极比绕组，例如2/4极，4/8极等。与反向变极法相比，3Y/3Y并联接法的换相变极法绕组谐波含量低，电气性能好，但是一般而言，这种接法并不适用于倍极比。原因是3Y/3Y并联接法要求两种极数下每相绕组必须含有3条并联支路，而倍极比绕组的变前极或是变后极均非3倍数，这样就很难满足这种要求两种极数下每相绕组必须含有3条并联支路的条件了。

3Y/3Y接法在倍极比绕组中应用的关键，是要在两种极数下消除3Y并联支路间的环流。因为两种极数均非3倍数，这样就必须恰当选择电机定子槽数，采用不等匝数线圈等非常规措施，并在3Y/3Y接法三相9条支路中的正确配置这些线圈，才有可能做到在两种极数下均能消除倍极比绕组3Y并联支路间的环流。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三相交流电机定子变极绕组设计方法，旨在解决现有换相变极3Y/3Y并联接法不能用于倍极比的技术问题。

本发明提供了一种三相倍极比换相变极3Y/3Y并联接法绕组的设计方法，包括以下步骤：

第一步：选定变前极极对数p₁和变后极极对数p₂，p₁和p₂为正整数，且p₂为p₁的整倍数，例如p₁:p₂＝1:2等；

第二步：确定电机定子槽数Z，Z＝3mkp₁，m为相数，m＝3，k为任意正整数；

第三步：根据给定的p₁、p₂以及Z，分别作变前极极对数p₁槽号相位图和变后极极对数p₂槽号相位图；

第四步：将变前极极对数p₁槽号相位图按列3等分，每等分为120°相带，当k>1时，去掉每等分中所含的偶数槽号(或是奇数槽号)，只保留奇数槽号(或是偶数槽号)，分别作为变前极A、B、C三相所属槽号；

第五步：上述变前极A、B、C三相槽号，每相再去掉位于相带边沿的一些槽号使得保留下来的槽号为5的倍数，然后按3Y/3Y并联接法的换相变极法原理要求，将保留的槽号按每相3条支路分配，使得这3条支路所含槽号数比率为1:2:2，其中，对p₁而言，比率1所属槽号位置应当处于相带中间，比率2所属槽号则平分为两组，其中一组只含负槽号，另一组只含正槽号，分别位于比率1槽号左右两侧；

第六步：当k>1时，按奇数槽选取线圈跨距y，然后以比率1所属槽号相位为基准，分别调整比率2所属两组槽号各自所代表线圈的匝数比，要求做到：在3条支路通过电流相等时，3条支路各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等，也即比率2与比率1所属槽号代表的线圈支路合成磁动势相等；

第七步：将上述三相共9条支路所含槽号，再按p₂相位列于p₂槽号相位图下，这时对于p₂而言，每相120°相带内的3条支路仍然必须满足各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等的条件，也即以比率1所属槽号相位为基准，比率2支路合成磁动势相位和幅值与比率1支路合成磁动势相位和幅值相等，若差异过大，则需要重新调整比率2中两组槽号各自在其支路合成磁动势中的线圈匝数比值；

第八步：作两种极数下的绕组磁动势谐波分析，若谐波含量过大，可重新选择k值或是调整线圈跨距。也可考虑以上述所获得变极方案为基础，对之进行叠加组合，来进一步获得低谐波含量的变极方案或是具有更多极数的变极方案；

第九步：根据三相共9条支路槽号在p₁槽号相位图和p₂槽号相位图分布情况，按换相变极3Y/3Y并联接法原理最后画出三相绕组线圈的接线图。

其中，在得到所述变极方案之后，可以将槽数扩大n倍，同时将所述n个变极方案叠加，组合成为变极极数相同的新变极方案；其中n为正整数。

其中，在得到所述变极方案之后，可以将槽数扩大n倍，同时将所述n个变极方案叠加，组合成为变极极数为原来n倍的新变极方案；其中n为正整数。

通过本发明所构思的以上技术方案，由于在倍极比电机中采用了换相变极3Y/3Y并联接法，与现有技术相比，能够取得电机性能改善，控制电路简化，可靠性提高的有益效果。

附图说明

图1a为Z′＝18，p′₁＝1槽号相位图；

图1b为p′₁＝1，奇数槽号A、B、C 120°相带三相槽号相位分布图；

图1c为p′₁＝1，每相3条并联支路槽号相位分布图；

图2a为Z′＝18，p′₂＝2槽号相位图；

图2b为Z′＝18，p′₁＝2，每相3条并联支路槽号相位分布图；

图3a为Z＝72，p₁＝2槽号相位图；

图3b为p₁＝2，每相3条并联支路槽号相位分布图；

图4a为Z＝72，p₂＝4槽号相位图；

图4b为p₂＝4，每相3条并联支路槽号相位分布图；

图5是定子槽数Z＝72，变极比4/8的3Y/3Y并联接法绕组接线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明目的是提供一种倍极比换相变极3Y/3Y并联接法绕组的规范设计方法，按这种方法设计的采用3Y/3Y并联接法倍极比绕组能够消除其中支路间的环流，解决现有换相变极3Y/3Y并联接法不能用于倍极比的问题，使得倍极比变极电机也可以采用两个三相接触器进行变极换接。

本发明主要用于倍极比3Y/3Y接法的换相变极绕组的方案设计，现有倍极比变极绕组因为存在相并联支路环流，而不能采用3Y/3Y接法，这种变极方案设计方法解决了这个问题，同时使得倍极比变极绕组可以做到采用两个三相接触器变极切换。具体包括：给定变前极极对数p₁和变后极极对数p₂，选择槽数系数k，由此确定定子槽数Z后作两种极数槽号相位图，将p₁槽号相位图按列等分为120°相带，每相再去掉位于相带边沿的槽号，使得剩下的槽号为5的倍数，然后按每相3条支路比率1:2:2分配这些槽号，对p₁相位而言，比率1槽号位置在120°相带中间，比率2槽号分为两组位于比率1槽号左右两侧，分别调整比率2两组槽号各自所代表线圈的匝数比，使3条支路各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等；对于p₂相位而言，每相120°相带内的3条支路仍然必须满足各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等的条件，所得变极方案两种极数下都不会有支路环流。得到要求的变极方案之后，也可将槽数以及极数应用叠加法进一步拓展，以获得更多可选择的变极方案。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的一种三相交流电机定子变极绕组的设计方法，下面以电机定子槽数Z＝72，极对数p₁＝2，p₂＝4，极数比4/8的三相变极绕组为例，详细说明如下：

第一步：为简单明确起见，先选定变前极极对数p′₁＝1和变后极极对数p′₂＝2，作为基本变极极对数，获得基本变极方案后，再应用叠加法原理拓展至所需要的槽数和极数比。

第二步：确定电机基本定子槽数Z′，Z′＝3mkp₁＝18，m＝3，取k＝2(若k＝1，定子槽数过少，槽内线圈边最多将达到4层，故不取)。

第三步：根据给定的p′₁、p′₂以及Z′，分别作p′₁槽号相位图和p′₂槽号相位图，如图1a和附图2a所示。

第四步：将p′₁槽号相位图按列3等分，每等分为120°相带，去掉每等分中所含的偶数槽号，只保留奇数槽号，分别作为对p′₁而言的A、B、C三相槽号，如图1b所示，注意附图1b槽号和附图1a中相应槽号是按列对齐的，也即具有相同的槽号相位，以下同。

第五步：上述p′₁所属A、B、C三相槽号，每相含有6个槽号，再去掉1个后每相保留有5个槽号，按比率1:2:2分配至3条支路，也即其中一条支路中含有一个槽号，另外两条支路各含两个槽号。这时对A相而言，比率1的槽号3构成支路1，比率2的槽号-11和5构成支路2，比率2的槽号-13和1构成支路3，B相和C相槽号分配因为三相对称的关系也如此类推，如图1c所示。从附图1c可以看出，对于A相，比率1的槽号3的正好处于中间位置，比率2所属槽号平分为两组，其中一组只含负槽号，另一组只含正槽号，分别位于比率1槽号左右两侧，例如A相中槽号-11、5和-13、1，至于B相和C相各自3条支路槽号分布的情况也如此类推，同样如图1c所示。

第六步：按奇数槽选取线圈跨距y＝5，从附图1c可以看出，对于A相，支路1槽号3处于相槽号的中间位置，而支路2和支路3的各自两个槽号分处两侧，于是以槽号三相位为基准，取其所代表线圈相对匝数为1，则当槽号-11和-13所代表线圈的相对匝数取0.746，槽号5和1相对匝数取0.397时，假定这3条支路电流相等，则这3条支路各自产生的合成磁动势相位和幅值近似相等，同样，B相和C相情况也可如此类推。

第七步：将上述三相共9条支路的槽号，再按p′₂相位重新列于p′₂槽号相位图下，这时按换相变极法原理，对p′₂而言，在120°相带内，重新组合成a、b、c三相，每相仍含3条并联支路，如图2b所示。根据附图2b中每相3条支路槽号的相位分布情况不难计算出，这3条支路各自产生的合成磁动势相位和幅值仍然近似相等。

第八步：原要求定子槽数Z＝72，极对数p₁＝2，p₂＝4，极比4/8极，要做到这一点，只需要在上述已作出Z′＝18的变极方案基础上，连续叠加2次即可实现，这两次叠加，一次为槽数叠加，另一次为极对数叠加，最终形成槽数Z′变为Z＝4Z′＝72，极对数p′₁和p′₂变为p₁＝2p′₁＝2和p₂＝2p′₂＝4的变极方案，分别如图3和附图4所示。

第九步：根据变极方案中三相共9条支路槽号在p₁槽号相位图和p₂槽号相位图分布情况(见附图3和附图4)，按换相变极3Y/3Y并联接法原理画出绕组接线图，如图5所示。附图5中点划线框中槽号线圈相对匝数0.746，虚线框中槽号线圈相对匝数0.397，其余槽号线圈相对匝数为1。

Claims (5)

1.一种三相倍极比换相变极3Y/3Y并联接法绕组的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选定变前极极对数p₁和变后极极对数p₂；

其中，p₂为p₁的整倍数，p₁和p₂均为正整数；

S2：根据所述变前极极对数p₁确定电机定子槽数Z；

其中，电机定子槽数Z＝3mkp₁，m为相数，m＝3，槽数系数k为任意正整数；

S3：根据给定的变前极极对数p₁、变后极极对数p₂以及电机定子槽数Z，分别作变前极极对数p₁槽号相位图和变后极极对数p₂槽号相位图；

S4：将变前极极对数p₁槽号相位图按列3等分，每等分为120°相带，当槽数系数k＞1时，去掉每等分中所含的偶数槽号只保留奇数槽号或去掉每等分中所含的奇数槽号只保留偶数槽号；并分别作为变前极A、B、C三相所属槽号；

S5：上述变前极A、B、C三相槽号，每相去掉位于120°相带边沿的一些槽号使得剩下的槽号为5的倍数，然后按3Y/3Y并联接法的换相变极法原理要求，将这些5倍数的槽号，按每相3条支路分配，使得这3条支路所含槽号数比率为1:2:2，其中，对p₁而言，比率1所属槽号位置应当处于120°相带中间，比率2所属槽号则平分为两组，分别位于比率1槽号左右两侧；

S6：当槽数系数k＞1时，按奇数槽选取线圈跨距y，然后以比率1所属槽号相位为基准，分别调整比率2所属两组槽号各自所代表线圈的匝数比；

S7：将上述三相共9条支路所含槽号，再按p₂相位列于p₂槽号相位图下，这时对于p₂而言，每相120°相带内的3条支路仍然必须满足各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等的条件；

S8：作两种极数下的绕组磁动势谐波分析，若谐波含量过大，可重新选择k值或是调整线圈跨距；

S9：根据三相共9条支路槽号在p₁槽号相位图和p₂槽号相位图分布情况，按换相变极3Y/3Y并联接法原理最后画出三相绕组线圈的接线图。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，得到所述变极方案之后，将槽数扩大n倍，同时将n个变极方案叠加，组合成为变极极数相同的新变极方案；其中n为正整数。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，得到所述变极方案之后，将槽数扩大n倍，同时将n个变极方案叠加，组合成为变极极数为原来n倍的新变极方案；其中n为正整数。

4.如权利要求1-3任一项所述的设计方法，其特征在于，在步骤S6中，调整匝数比应该满足如下原则：在3条支路通过电流相等时，3条支路各自产生的支路合成磁动势相位和幅值相等，即比率2与比率1所属槽号代表的线圈支路合成磁动势相等。

5.如权利要求1-3任一项所述的设计方法，其特征在于，在步骤S7中，以比率1所属槽号相位为基准，比率2支路合成磁动势相位和幅值与比率1支路合成磁动势相位和幅值相等，若差异过大，则需要重新调整比率2中两组槽号各自在其支路合成磁动势中的线圈匝数比值。