CN104917351B - 一种无刷双馈发电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种无刷双馈电机，关键在于最大槽号组中的线圈分布在最大槽号组两端，呈双翼型规律分布；依据齿谐波原理，将现有的居中分布的转子绕组改为转子绕组最大槽号组中的线圈按照双翼形规律对称分布在最大槽号组两端，减少了转子磁动势的介于P ₁ 和P ₂ 对极之间的（P ₂ ‑2 P ₁ ）对极齿谐波的谐波幅值以及转子磁动势的高次谐波，因此使用本发明的线圈分布方法的转子绕组可以很好的实现定子功率绕组P ₁ 和控制绕组P ₂ 与转子绕组的耦合，且气隙密谐波含量较低。

Description

一种无刷双馈发电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种无刷双馈发电机。

背景技术

无刷双馈电机要想有较好的性能，关键在于转子。近年来无刷双馈电机的转子结构主要有磁阻式转子、特殊笼型转子和绕线式转子。磁阻式转子、特殊笼型转子的工作原理是对定子绕组产生的两种极对数磁场均可在同一转子回路中同时产生感应电势。目前认为制约无刷双馈电机进入实际应用的瓶颈在于转子绕组的性能。特殊笼型转子被认为是最可能应用于大容量电机，但是现有的特殊笼型转子绕组是根据“共轭”原理设计的，也即对无刷双馈电机所要求的转子两种极数，设计时保留两种极数下感应电势均同相的笼条导体，去掉不同相的笼条导体，而这样必然会导致转子导体利用率低，谐波含量大，造成电机运行效率低下，不能很好的实现无刷双馈电机对转子的要求。对于远极比转子更是难以处理。现有的绕线式转子绕组通常采用两种绕法，一种是线圈等跨距而匝数等匝分布，一种是若干组的同心式等匝数分布，这两种绕法的跨距和匝数均没有按照谐波原理灵活改变线圈的跨距以及匝数，因此存在转子绕组与定子的功率绕组和控制绕组两级绕组的感应电势不同相的线圈较多，因此高次磁动势谐波的百分比较大，对应的转子绕组谐波漏抗也较大。上述绕线式的两种方法对于远极比的电机也是很难处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高次谐波含量小，谐波阻抗小的无刷双馈发电机。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括定子和转子，所述定子上布置有相互独立的极对数为P₁的功率绕组和极对数为P₂的控制绕组，其特征在于：所述转子为双翼型绕线结构，所述转子上布置有多相绕线式绕组，所述转子绕组的相数m满足关系式：m＝(P₂-P₁)/m_k，其中m_k为P₁和P₂的最大公约数，所述转子的总槽数为K(P₂-P₁)，其中K为正整数，每个K个相邻的转子槽构成一个最大槽号组，所述转子的每相绕组由m_k个最大槽号组构成，最大槽号组绕组中所有线圈按槽号顺序依次串联后自短路连接，所述最大槽号组中的线圈的匝数按照双翼型规律对称分布，即最大槽号组内的线圈分为两个小组，每个小组内的线圈相互临近，且两个小组之间至少有一空槽。

所述转子上每个线圈的两元边分别处于绕组节距两槽的上层和下层，且上层和下层绕组的收尾两端相连以形成电流方向相反的磁极，在每一最大槽号组中，分别处于两个小组中的任意两个线圈之间至少有一空槽。

所述转子最大槽号组内的线圈分布于最大槽号组的两端，中间的转子槽中采用空槽结构。

由上述技术方案可知，本发明依据齿谐波原理，将现有槽号相邻且等匝数的转子绕组改为转子绕组最大槽号组中的线圈的匝数按照双翼型规律对称分布。从而增加了P₁对极以及P₂对极同相的线圈，改变了原有的转子上的线圈绕法，即在每组相邻的线圈之间空出多个电机槽，从而实现了定转子绕组之间的耦合，降低了气隙密谐波含量。

附图说明

图1为本发明当Z_r＝48，P₁＝1槽号相位图与3相槽号相位分布图；

图2为本发明当Z_r＝48，P₂＝5槽号相位图与3相槽号相位分布图；

图3为本发明当Z_r＝48，P₁/P₂＝1/5，任一最大槽号组对应的转子槽中导体数及分布图；

图4为本发明当Z_r＝48，P₁/P₂＝1/5，转子绕组连接图；

图5为本发明当Z_r＝60，P₁＝2槽号相位图与3相槽号相位分布图；

图6为本发明当Z_r＝60，P₂＝8槽号相位图与3相槽号相位分布图；

图7为本发明当Z_r＝60，P₁/P₂＝2/8，任一最大槽号组对应的转子槽中导体数及分布图；

图8为本发明当Z_r＝60，P₁/P₂＝2/8，转子绕组连接图；

图9为本发明对比用当Z_r＝60，P₁/P₂＝2/8转子绕组连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本实施例中选取一台功率绕组的极对数为P₁＝1的无刷双馈电机，选取控制绕组的极对数为P₂＝5，则转子槽数的最小值为P₂-P₁＝4，取K＝12，则Z_r＝K(P₂-P₁)＝12×(5-1)＝48。也就是每12个相邻的转子槽构成一个最大槽号组。为简化开槽工艺，增加槽数后，转子槽按沿转子气隙圆周均匀分布。由于P₁/P₂＝1/5，P₁、P₂的最大公约数为1，即m_k＝1，则转子绕组相数为：m＝(P₂-P₁)/m_k＝(5-1)/1＝4。其槽号相位图与4相槽号相位分布如图1所示。

增加槽数也会带来绕组分布系数降低，由图1可以看出12个连续相邻的槽号在1对极槽号相位图下的跨距为82.5°电角度，同理，不难证明12个连续相邻的槽号在5对极槽号相位图下的跨距为412.5°电角度。显然，与转子仅选择4个槽相比，转子绕组的分布系数和绕组系数都降低了。为了改善这一点，普通的无刷双馈电机常采用丢弃部分边缘槽号的方法。对于5对极来说，其槽号若控制在180°电角度之内，则至少需要丢弃7个槽号，显然电机转子槽的利用率不足50％。即便是如此处理，5对极的依然存在分布系数过低的缺点。

这里通过观察可以发现，5对极绕组跨距为412.5°电角度，超过了360°电角度。由于电机绕组相位角每360°电角度为一个周期，不妨采用丢弃中间槽号的方法来达到提高电机绕组系数的目的。这里采用丢弃最大槽号组中槽号处于中间4个槽号。丢弃中间四个槽后1对极槽号相位图下的跨距依然为82.5°电角度，5对极槽号相位图下的跨距降低为172.5°电角度，如图2所示。通过图2可以看出，虽然绕组跨距为172.5°电角度，但每段最大槽号组中的边缘槽号多于中间位置槽号，即转子绕组比较集中，由电机学基本原理知：电机绕组的分布系数较大。进而可以使得绕组系数显著提高。

电机转子绕组取用最大槽号组中两端的线圈，丢弃中间槽号，前一个最大槽号组的线圈的下层边和后一个最大槽号组的线圈的上层边分布在同一个转子槽中，甚至于可以和间隔一个最大槽号组的线圈的上层边分布在同一个转子槽中。图3为Z_r＝48，P₁/P₂＝1/5，任一最大槽号组对应的转子槽中导体数及分布图，图4为转子绕组连接图。线圈的跨距既要考虑P₁对极的短距系数，也要考虑P₂对极的短距系数。依据无刷电机设计原理中要求P₁和P₂磁势幅值尽量大，高次谐波尽量小的设计原则，每组最大槽号组中线圈的匝数按照双翼型分布：线圈分为2组，每组内的线圈相互邻近，2组之间有空槽或分布有线圈匝数很少的线圈。可以看出，最大槽号组中线圈的匝数排布宛如双翼型，这种绕组匝数分配方式正是本发明的特点。显然，如果采用现有的线圈等跨距分布方式无法做到这种线圈匝数分布方式。

实施例2中选取一台功率绕组的极对数为P₁＝2的无刷双馈电机，选取控制绕组的极对数为P₂＝8，则转子槽数的最小值为P₂-P₁＝6，取K＝10，则Z_r＝K(P₂-P₁)＝10×(8-2)＝60。也就是每10个相邻的转子槽构成一个最大槽号组。由于P₁/P₂＝2/8，P₁、P₂的最大公约数为2，即m_k＝2，则转子绕组相数为：m＝(P₂-P₁)/m_k＝(8-2)/2＝3。其槽号相位图与3相槽号相位分布如图5、图6所示。

由图5可以看出丢弃中间4个槽号后，在2对极槽号相位图下的跨距为108°电角度，在8对极下的跨距为120°电角度。显然电机转子绕组具有较高的绕组系数。图7为任一最大槽号组对应的转子槽中导体数及分布图，图8为相应的转子绕组连接图。

下面以Z_r＝48，P₁/P₂＝2/8为例，分别采用现有的6联等匝和本发明的双翼型对称分布的转子绕组连接方式作磁动势谐波分析对比：

转子绕组采用双翼型对称分布，连接如图8所示，最大槽号组按照槽号顺序依次命名为1～6号槽号组。这里1、4，2、5，3、6槽号组分别构成转子的一相；作为对比，图9给出了转子绕组采用6联等匝，这里选择线圈的跨距为11个槽距，1、4，2、5，3、6分别构成转子的一相。表1为转子绕组分别采用6联等匝和双翼型对称分布的转子绕组连接方式磁动势谐波分析对比。

表1

由表1可以看出，采用现有技术的6联等匝的转子绕组所形成4对极的绕组系数较大，甚至于超过8对极的绕组系数，对应的转子绕组谐波漏抗也较大，由此引起的控制绕组的无功功率以及变频器的容量都比较大，此时该电机已无法正常工作。而采用本发明的双翼型对称分布转子绕组设计的无刷双馈电机同样可以非常好的实现了对功率绕组和控制绕组的耦合，且气隙磁密谐波含量较低。显然，6联等匝转子结构无法做到这一点。因此，无刷双馈电机转子采用双翼型对称分布设计是一种非常理想的转子绕组设计方法。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种无刷双馈发电机，包括定子和转子，所述定子上布置有相互独立的极对数为P₁的功率绕组和极对数为P₂的控制绕组，其特征在于：所述转子为双翼型绕线结构，所述转子上布置有多相绕线式绕组，所述转子绕组的相数m满足关系式：m＝(P₂-P₁)/m_k，其中m_k为P₁和P₂的最大公约数，所述转子的总槽数为K(P₂-P₁)，其中K为正整数，每K个相邻的转子槽构成一个最大槽号组，所述转子的每相绕组由m_k个最大槽号组构成，最大槽号组绕组中所有线圈按槽号顺序依次串联后自短路联接，所述最大槽号组内的线圈分为两个小组，每个小组内的线圈相互临近，且两个小组之间至少有一空槽。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机，其特征在于：所述转子上每个线圈的两元边分别处于绕组节距两槽的上层和下层，且上层和下层绕组的首尾两端相连以形成电流方向相反的磁极，在每一最大槽号组中，分别处于两个小组中的任意两个线圈之间至少有一空槽。

3.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机，其特征在于：所述转子最大槽号组内的线圈分布于最大槽号组的两端，中间的转子槽中采用空槽结构。