CN1049939A - 高性能交流电机转子绕组的叠加法联结 - 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

本发明属于交流电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，以及提高同步发电机的动态稳定性和过载能力。

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R_st是制造中的关键工艺，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R_st。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。

长期以来，公认同步电动机自己不能起动，而不得不借助于装置阻尼笼来实现异步起动。是否能实现同步电动机也能自己起动？从而取消笨重的阻尼笼，是同步电动机发展史上的一个重大革命。对同步发电机，如何降低其瞬变电抗x^′ _d以提高其运行时的动态稳定性和过载能力？一直是一个重大课题。

本发明的目的在于提出一种称为“叠加法”的转子绕组联结法，以达到完满地解决上面提出的三个问题，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，以及无阻尼笼的凸极和稳极的能自行起动的同步电动机，和动态稳定性很高、动态过载能力很强的同步发电机。

本发明提出的“叠加法”的原理如下：对异步电动机说，先按常规联结法把转子绕组连接成一个对称多相绕组;对同步电动机说把其励磁绕组按磁极集中（凸极式电机）或分布（隐极式电机）联结;把上述所有绕组统称为“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，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”并联连接或反接串联连接，以达到起动时每槽中的“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互相抵消，相应地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，使起动电流减小而起动转矩增大，改进了起动性能。

下面就异步电动机和同步电动机分别论述具体的绕组联结法。

对谐波起动的绕线型异步电动机，作为“原绕组”的转子绕组，按已申请中国发明专利的“转子变极绕组联结的多段组合法”（申请号：88106495·5）联结，有下述六种不同联结法，现与叠加法一起论述如下：

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＝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Pm₂段绕组对称地分布于转子圆周上，把全部Pm₂段绕组分别串联为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，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”。“叠加绕组段”每个线圈的匝数可在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”导体与一“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，切忌上下重叠，以减少每相的漏电抗，提高起动转矩。

把每一“叠加绕组段”与被其叠加的“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，因而没有电流，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互相抵消，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如何应用叠加法来制成转子上无电阻元件的谐波起动绕线型异步电动机。

2.按基波排列的多支路星形联结

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，把所有去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条并联支路的星形联结，随而可制成转子上无电阻元件的谐波起动的星形联结绕组。

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中则使星形联结每条支路中的合成电动势为零因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

把转子绕组划分为Qm₂段，其中Q为起动谐波极对数，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段绕组分别并联为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。上述绕组称为“原绕组”，其每个并联组称为“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“原并绕组”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”反接串联，即把“原并联组”的末端和“叠加并联组”的末端接在一起，而“叠加并联组”的首端则直接或通过一个电阻元件之后与“原并联组”的首端接在一起，如此构成一个包含m₂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，显然，这种转子绕组可以不接起动电阻元件，但若需要也可连接电阻值很低的起动电阻元件。

在上述联结中，由于“原并联组”与“叠加并联组”是反接串联，因此当用谐波起动时，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。

5.由多“并联组”构成的多支路星形联结法

把上述的m₂个“闭合回路”都断开而得m₂条支路，则可把它们联结成m₂条支路并联的星形联结。

6.把转子绕组划分为2Qm₂段时的联结法

在前述的方法4和方法5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。

对同步电动机说，所谓转子上的“原绕组”就是通常采用的励磁绕组，称为“原励磁绕组”。下面就转子为凸极和稳极分别充分论述。

7.对凸极式同步电动机的联接法

凸极式同步电动机的励磁绕组套在每个凸极上，如所周知，同步电动机自己不能起动，因此必需装置阻尼笼，当作异步电动机起动，即所谓异步起动。现在，把阻尼笼取消，仅仅在“原励磁绕组”上再叠加一套“叠加励磁绕组”，其匝数与“原励磁绕组”的不同，同样地套在每个凸极上，每个凸板上的“叠加励磁绕组”与被叠加的“原励磁绕组”并联地联结在一起，两绕组从一个并联连接点围绕磁极铁心而至另一个并联连接点的绕行方向相同，因此当直流励磁电流通过它们时，它们产生于磁极中的磁场是同方向而相加。于是，若从二者构成的小闭合回路来观察，沿回路某一方向环行时，则将看到一个绕组是顺绕而另一个绕组是反绕。因此，当直流励磁未投入，励磁回路断开时，用基波磁场起动时，两个绕组的感应电动势沿小闭合回路看为反相位，由于两个绕组的匝数不同，上述两电动势不能互相抵消，因而在小闭合回路内产生环流。每个凸极都各产生这种环流，结果构成一个多相（其相数等于凸极个数）对称系统，其每相有效匝数很少（等于每极“原励磁绕组匝数”与“叠加励磁绕组匝数”相减），漏电抗较小（因上述二种绕组的漏磁场方向相反，部分地互相抵消），因此能产生较大的起动转矩把电动机起动，实现无阻尼笼的自行起动，打破长期以来认为同步电动机不能自行起动的旧概念。当转速上升到接近同步转速时，只要加上直流励磁电流便可牵入同步运行;这时“原励磁绕组”电流和“叠加励磁绕组”电流都以同方向围绕凸极，它们产生的磁场直接相加，和常规同步电动机一样。显然，在同步电动机的运行过程中，若发生振荡，则前述各极的小闭合回路内将出现环流，产生阻尼作用。由此可见本发明提出的同步电动机的励磁绕组兼有起动和阻尼两种作用，其电动机不装阻尼笼，但能用基波磁场顺利起动，运行时也有阻尼振荡的作用，是一种结构极为简单的新型同步电动机。

8.对隐极式同步电动机的联接法

隐极式同步电动机的特点是每极的“原励磁绕组”分散地嵌于若干个槽中，相应地“叠加励磁绕组”也分散嵌于被叠加的“原励磁绕组”所嵌的槽中，每极的这两种绕组并联地连接在一起和前面对凸极说的一样，其作用原理也和前述的一样。

上述两种联结法的同步电机也可用作发电机而成为：凸极式同步发电机和隐极式同步发电机，其特点在于，能调节“原励磁绕组”和“叠加励磁绕组”的匝数分配及二者的空间相对位置来调节同步发电机的参数，主要是瞬变电抗x^′ _d和超瞬变电抗x^″ _d，使x^′ _d降到很小，以达到提高运行的稳定性和加强阻尼振荡的作用以及提高其动态过载能力，从而改善同步发电机的运行性能。

本发明提出的叠加法联结法具有下列优点：

1.用叠加法联结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，把谐波起动电机提到一个更高水平，这对小型电机特别重要，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，因为叠加法联结的转子，在起动时除了加大转子电阻之外，还能减小转子漏电抗，如所周知，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。

3.用叠加法联结励磁绕组的凸极式和隐极式同步电动机都能够不装阻尼笼也能顺利起动，实现了同步电动机的自行起动，打破了同步电动机不能自行起动的传统说法。

4.用叠加法联结励磁绕组的凸极式和隐极式同步发电机能够调节电机的动态参数，如瞬变电抗x^′ _d和超瞬变电抗x^″ _d等，从而可大大提高发电机运行的动态稳定性和过载能力，这是常规同步发电机所不能做到的。

以下利用附图和实施例对本发明所说转子绕组的叠加法联结法作进一步的说明。

图1：转子绕组的“原绕组”，54槽，ap＝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，ap＝6极，aQ＝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ap＝6极，转子为54槽，取起动谐波极数为2Q＝4极，试用叠加法设计其转子绕组。

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”，它总共包含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取2匝（2＜4），将它和“原绕组段”并联，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，因此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”并联而构成一相，于是形成了一个对称的18相系统。

从电机中定、转子安匝平衡的原理可看出，用叠加法构成的转子绕组，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等措施来防止转子烧坏。

显然，本发明提出的转子绕组的叠加法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ap极外，另一磁场应为极数aQ大于2P的多极数磁场，这时电动机的第二个转速是在2Q极的同步转速附近。

Claims (8)

1、一种把转子绕组划分为Pm₂段，其中P为基波极对数，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Pm₂段绕组对称地分布于转子圆周上，将全部Pm₂段绕组分别串联为m₂个“闭合回路”，每个“闭合回路”串联空间上对称分布的P段绕组的绕线型异步电动机转子绕组，其特征在于，在每个“原绕组段”上再叠加一个所占槽号和联结法与“原绕组段”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”，将每一“叠加绕组段”与被其叠加的“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，如此完成一种转子上无电阻元件的谐波起动或调速的绕线型异步电动机的转子绕组。

2、一种按照权利要求1所述方法联结的转子绕组，其特征在于，把m₂个“闭合回路”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，构成有m₂条并联支路的星形联结。

3、一种按照权利要求1和2所述方法联结的转子绕组，其特征在于，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、一种把转子绕组划分为Qm₂段，其中对谐波起动电动机说Q为所取的起动谐波的极对数，对变极调速电动机说Q为需要的另一个较低转速对应的极对数，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，将全部Qm₂段绕组分别并联为m₂个“并联组”，每个“并联组”由空间上对称分布的Q段绕组并联而成的绕线型异步电动机的转子绕组，其特征在于，在每个“原并联组”上再叠加一个所占槽号和联结法与“原并联组”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”所嵌的槽中，并且其首、末端标志和“原并联组”的一样的“叠加并联组”，将每个“叠加并联组”与被其叠加的“原并联组”反接串联，即把“原并联组”的末端和“叠加并联组”的末端接在一起，而“叠加并联组”的首端则直接或通过一个电阻元件之后与“原并联组”的首端接在一起，如此构成的包含m₂个“闭合回路”的转子绕组不接电阻元件或只接电阻值很低的电阻元件。

5、一种按照权利要求4所述方法联结的转子绕组，其特征在于，把m₂个闭合回路断开，而连接成由m₂条支路并联的星形联结。

6、一种按照权利要求4和5所述方法联结的转子绕组，其特征在于，整个转子绕组的分段数由Qm₂改为2Qm₂，其中m₂＝2、3、4……等整数，相应地每个“并联组”由空间上对称分布的2Q段绕组并联而成，但并联时采用正反交叉接法，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。

7、一种不装阻尼笼的凸极式同步电动机或同步发电机的励磁绕组，其特征在于，在每极的“原励磁绕组”上再叠加一个匝数与“原励磁绕组”的不同、套在同一个磁极铁心上的“叠加励磁绕组”，每极所说两种绕组并联地联结在一起，两绕组从一个并联连接点围绕磁极铁心而至另一个并联连接点的绕行方向相同;于是，若为同步电动机，则能在投入直流励磁电流之前自行起动，这时仅凭基波磁场就能顺利起动，当转速升到同步转速时再投入直流励磁电流;若为同步发电机，则能提高发电机的动态稳定性和过载能力。

8、一种不装阻尼绕组的隐极式同步电动机或同步发电机的励磁绕组，其特征在于，在每极的“原励磁绕组”上再叠加一套匝数与“原励磁绕组”的不同、嵌于“原励磁绕组”所嵌槽中的“叠加励磁绕组”，每极所说两种绕组并联地联结在一起，两绕组从一个并联连接点围绕磁极中心而至另一个并联连接点的绕行方向相同;于是，若为同步电动机，则能在投入直流励磁电流之前利用基波磁场自行起动;若为同步发电机则能提高发电机的动态稳定性和过载能力。

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