CN1054861A - 调速电机变极绕组 - Google Patents

Abstract

本发明公开的双速电机变极绕组，是用线圈数相 同而匝数分别为多、中、少匝线圈构成的3Y/3Y接 绕组或是在3Y/3Y绕组上再加一层等匝或不等匝 单层绕组构成的Y+3Y/3Y接绕组。该绕组不仅克 服了当前含3Y/3Y接绕组的环流问题及不能用于 远极比电机的弊病，且绕组利用率高，槽满率好。本 发明适用于多种远、近极比电机，特别适用于双速锥 形转子电机。

Description

本发明涉及三相交流变极调整电机的定子绕组。

交流变极调速电机广泛应用于风机、水泵的节能运行，同时也广泛应用于起重、冶金行业的变速、节能驱动。常用近极比的单绕组变极大多是△/2Y或Y/2Y接法，这些接法虽然绕组形式简单，但需要三只开关，其次，低速运行时谐波分量大，绕组利用率低。近年来，发展了一种优良的绕组接法，这就是3Y/3Y接法，如图1所示，它只需要两只开关，且分布系数较高，谐波分量较小，但它是常规的等匝双层绕组，至少在一种极下，每相三并联支路的基波电势不是同相位、等大小（以下简称不平衡），因而存在环流。这种环流会使电机损耗增加，温升升高，严重时会烧毁电机。当前，抑制或消除环流的方法有以下几种：第一种是在某一极数下丢掉部分槽数的线圈，形成4Y/3Y、3Y/3Y+Y、Y+3Y/3Y+Y等联结的方法，如法国专利NO.71.06936、德国专利NO.2506573、英国专利NO.1587-315和英国专利NO.1502-593等等。该方法的主要缺点是部分槽的绕组只在一种极下被利用，因而显著降低了绕组利用率，同时也往往使磁势谐波分量增加。第二种方法是多层绕组法，槽内嵌放三层或四层绕组，见中国的《电工技术杂志》1983，NO.5。该方法主要缺点是槽内层数太多，绝缘占用较多空间，槽满率低，其次是需要四只三相单投开关。第三种方法是采用两种不等匝线圈构成双层绕组，参见中国专利申请公开说明书CN  85103682A，该方法较成功地解决了一部分特定槽数和极比的环流问题，但它对槽数、节距的选择条件苛刻，使适用范围受到了限制。另外由于上述第二、第三种方法两种极下每相串联匝数一样，第一种方法串联匝数相差也不多，又不能任意调整，所以均很难直接应用于两种极下每相串联匝数相差很大的远极比恒力矩调速电机中，在远极比恒力矩调速中通常仍采用双绕组变极，而双绕组双速尽管只需两只开关，但其绕组利用率太低，散热条件差。

针对上述情况，本发明的目的是提出一种既使环流得到抑制，而绕组利用率又高，槽满率也好，所需开关少，同时又对槽数、节距选择限制少，适用于远、近极比的变极绕组，以期电机设计灵活，性能改善，成本降低。

本发明具体做法如下：选择并联支路平衡或基本平衡的一极作变前极，另一极则为变后极，采用“槽号相位表法”作换相变极，得到3Y/3Y接法中的D1至D9九段绕组所串槽号，如图1所示，并观察它们在变后极下的分布情况，将发现每相三段并联绕组的基波感应电势不平衡，为此，选择所有线圈数中的三分之一个线圈为多匝线圈，记为K₂匝，三分之一个线圈为少匝线圈，记为K匝，其余为中匝线圈，记为K₁匝，其中K₁＝（K₂+K）/2。将这些线圈数相同，而匝数分别为K₂，K₁，K的多、中、少匝线圈合理分配于各槽中，以使每相并联支路平衡或基本平衡，来抑制或消除环流，并选择适当节距、使槽满率尽量均匀，这样构成的3Y/3Y双层绕组，即为近极比变极绕组。对于远极比变极绕组，则是在上述九段线圈（简称共用绕组）构成的3Y/3Y双层或单层绕组上加一层Y接等匝或不等匝单层线圈（简称专用绕组）而成，为Y+3Y/3Y接绕组，其3Y/3Y部分为两种极下所共用，Y接部分为多极下所专用。该Y接单层绕组置于槽口，并按多数极的60°相带分为三段接于线路中，如图2中D₁₀至D₁₂所示。当3Y/3Y为双层绕组时，则专用绕组为等匝绕组，当每段共用绕组中可以有相同只数的同匝数顺、反接线圈时，则可将共用绕组改作单层绕组，而将专用绕组改作相应的不等匝绕组，以保持槽满率均匀，该不等匝专用绕组由匝数分别为J₂，J₁，J的多、中、少匝线圈组成，其中J₁＝（J₂+J）/2。

本发明由于采用了三种线圈数同而匝数不同的线圈使3Y/3Y接法中每相三并联支路基波电势基本平衡，所以无论在近极比，还是远极比变极中，环流均得到了抑制。在近极比中，相对于已有技术中的第一种方法，它无需丢弃任何线圈，绕组得到充分利用;相对于第二种方法，它槽内层数少，并只需两只开关;相对于第三种方法，它适用面广，槽数、节距选择灵活。在远极比中，由于加了专用绕组，使每相串联匝数调整灵活，电机磁密比合理，性能更加优良，相对于现有远极比采用的双绕组变极，绕组利用率已大大提高，又由于专用绕组在槽口部分，共用绕组贴近槽底，还有利于电机散热。

附图说明：

图1：3Y/3Y联结时九段绕组的接法;

图2：Y+3Y/3Y联结时十二段绕组的接法;

图3：实例4中共用绕组为双层、专用绕组为等匝单层绕组时线圈边在槽内的分布情况。

应用本发明可得到一系列实用的抑制环流的远、近极比变极方案。本发明可用于槽数为36及其倍数、极比为2P₁/2P₂＝12/2n的电机中（n是与6互素的正整数），也可将其视作单元电机，即，用于槽数、极数均扩大M倍的电机中（M为正整数）。

以下结合具体实例对发明加以详细说明。

为便于叙述，以下在同相位的情况下，将每相三并联支路基波电势的最小值与最大值之比值简称为平衡度ρ，例如，三电势比为0.98/1/1，则简称ρ＝0.98。另外还将多匝线圈与少匝线圈的匝数之比值记为H，即H＝K₂/K。实例中的2P₁和2P₂分别代表变前极和变后极极数，Z为电机槽数。

例1 Z＝36，2P₁/2P₂＝12/10

该例按图1作3Y/3Y联结，九段绕组所串槽号为：

D1：1，-28″，31，-34″;D2：-16″，19，-22″，25;

D3：-4″，7，-10″，13;D4：3′，-6′，9′，-12′;

D5：27′，-30′，33′，-36′;D6：15′，-18′，21′，-24′;

D7：-14，17″，-20，23″;D8：-2，5″，-8，11″;

D9：-26，29″，-32，35″。

其中负槽号代表反接线圈，其余为顺接线圈;带两撇槽号代表多匝线圈，为K₂匝，带一撇槽号代表中匝线圈，为K₁匝，其余为少匝线圈，K匝;K₁＝（K₂+K）/2。

为了使每相三并联支路电势趋于平衡，取H＝sin25°/sin5°＝4.8490007，这时变前极完全平衡，变后极支路同相位，平衡度ρ＝0.9848078，基本平衡。取节距y＝3，则变前极绕组系数为1，变后极节距系数sin75°＝0.9659258，分布系数平均为0.8451194，槽满率均匀。

该方案的变后极极对数可推广到任何与6互素的整数，参见例2。以上方案，包括其它推广得到的方案，其槽数可为36的倍数，参见例3。

例2 Z＝36，2P₁/2P₂＝12/14

该例按图1作3Y/3Y联结，九段绕组所串槽号为：

D1：1，-4″，7，-10″;D2：13，-16″，19，-22″;

D3：25，-28″，31，-34″;D4：-14′，17′，-20′，23′;

D5：-26′，29′，-32′，35′;D6：-2′，5′，-8′，11′;

D7：27″，-30，33″，-36;D8：3″，-6，9″，-12;

D9：15″，-18，21″，-24。

本例符号及效果说明与例1相同。

例3 Z＝72，2P₁/2P₂＝12/10

该方案如图1联结，其九段绕组的槽号如下：

D1：1，2″，-8，-55″，61，62″，-67″，-68;

D2：-31″，37，38″，-43″，-44，49，50″，-56;

D3：-7″，13，14″，-19″，-20，25，26″，-32;

D4：5′，-11′，-12′，17′，18′，-23′，-24′，30′;

D5：6′，53′，-59′，-60′，65′，66′，-71′，-72′;

D6：29′，-35′，-36′，41′，42′，-47′，-48′，54′;

D7：-27，33″，34，-39，-40″，45″，46，-52″;

D8：-3，9″，10，-15，-16″，21″，22，-28″;

D9：-4″，-51，57″，58，-63，-64″，69″，70。

本例节距为6。12极绕组系数为cos15°，10极分布系数平均为0.844315，符号及其余效果说明与例1相同。

例4 Z＝36，2P₁/2P₂＝12/2

这是个远极比方案，按图2作Y+3Y/3Y联结，其十二段绕组的槽号如下：

D1：1，7，-22″，-28″;D2：-4″，13，19，-34″;

D3：-10″，-16″，25，31;D4：5′，11′，-20′，-26′;

D5：-2′，17′，23′，-32′;D6：-8′，-14′，29′，35′;

D7：3″，9″，-24，-30;D8：-6，15″，21″，-36;

D9：-12，-18，27″，33″;

D10：（1，-4），（7，-10），（13，-16），（19，-22），（25，-28），（31，-34）;

D11：（5，-8），（11，-14），（17，-20），（23，-26），（29，-32），（35，-2）;

D12：（3，-6），（9，-12），（15，-18），（21，-24），（27，-30），（33，-36）。

其中D1～D9的共用绕组是双层绕组，节距为15，其符号说明同例1，K₁＝（K₂+K）/2。D₁₀～D₁₂的专用绕组是等匝单层绕组，节距为3，括号内的每对槽号组成一个线圈，这样每槽内共有三层线圈，如图3所示。

当取H＝sin25°/sin5°＝4.8490007时，12极完全平衡，而2极每相支路同相位，平衡度ρ＝0.9848078，基本平衡。12极绕组系数为1，2极节距系数为sin75°，分布系数平均为0.8451194，槽满率均匀。

本方案也可将共用绕组改为单层绕组，相应地将专用绕组改为不等匝单层绕组，这样每槽内仅两层，可提高槽利用率。若节距不变，则12极绕组系数仍为1，而2极节距系数提高到了1。按图2接线，其十二段槽号如下：

D1：（1，-22），（7，-28）″;

D2：（13，-34），（-4，19）″;

D3：（-10，25），（-16，31）″;

D4：（5，-20）′，（11，-26）′;

D5：（17，-32）′，（-2，23）′;

D6：（-8，29）′，（-14，35）′;

D7：（3，-24）″，（9，-30）;

D8：（15，-36）″，（-6，21）;

D9：（-12，27）″，（-18，33）;

D10：（1，-34）″，（7，-4），（13，-10）″，（19，-16），（25，-22）″，（31，-28）;

D11：（5，-8）′，（11，-14）′，（17，-20）′，（23，-26）′，（29，-32）′，（35，-2）′;

D12：（3，-36），（9，-6）″，（15，-12），（21，-18）″，（27，-24），（33，-30）″。

其中括号内的每对槽号组成一个线圈。对于D1～D9的共用绕组，取H＝2·cos20°，K₁＝（K₂+K）/2。对于D₁₀～D₁₂的专用绕组、由匝数分别为J₂，J₁，J的多、中、少匝线圈组成，其中J₁＝（J₂+J）/2，其具体匝数根据12极性能设计和槽满率要求决定。本例12极完全平衡，无环流，2极每相支路同相位，平衡度为ρ＝0.9848078，分布系数平均为0.8451194。

上述各例，均可视为单元电机。

本发明的变极方案抑制环流的效果是十分明显的。以实例1来说，采用常规3Y/3Y双层绕组时，10极下每相三并联支路相位差分别是10°、10°和20°，可见其不平衡相当严重，势必造成很大环流，现按本发明采用H＝4.8490007，K₁＝（K₂+K）/2的双层绕组，则相位差为0°，ρ＝0.9848078，已基本平衡，而12极下仍完全平衡，并且每相三支路平均分布系数从0.8365提高到了0.8451，提高了绕组利用率。本发明的变极方案只需两只开关，槽利用率高，并且对槽数、节距的选择比较灵活。仍以实例1为例，若利用上述已有技术的第三种方法，只能选择节距为6、18或30，此时12极节距系数为0，故得不到变极方案，也就不能选用Z＝36槽了。而应用本发明，可选择节距为3、9、15、27或33，同样能使槽满率均匀而节距系数12极时变为1，另一极为0.9659258，因而不仅可以选用Z＝36槽，而且节距选择灵活性大大增加。本发明绕组利用率较高。近极比中相对第一种方法，由于不用丢掉任何线圈而显著提高了绕组利用率。远极比中相对于双绕组变极，由于部分绕组为两种极下所共用而大大提高了绕组利用率。

试验表明，一台按实例4方案试制的12/2极0.83/5KW锥形转子电机，若保持出力和性能不变，可比双绕组双速电机节约铜线约48%，若提高出力10%，减少用铜5%，减少用硅钢片3%，则电机温升可从115℃下降到90℃，其他性能指标也有较大提高，经济效益十分可观。由此可见，本发明不仅适用于近极比，也适用于远极比，特别适用于双速锥形转子电机，用于驱动葫芦。

Claims (5)

1、一种双速变极绕组，其特征在于该绕组是由线圈数相同，而匝数分别为K₂，K₁，K的多、中、少匝线圈构成的3Y/3Y接双层或单层绕组，其中K₁=(K₂+K)/2。

2、按权利要求1所述的变极绕组，其特征是在所说的3Y/3Y接双层绕组上加一层Y接等匝单层绕组，构成Y+3Y/3Y接绕组。

3、按权利要求1所述的变极绕组，其特征是在所说的3Y/3Y接单层绕组上加一层Y接而匝数分别为J₂，J₁，J的多、中、少匝线圈组成的单层绕组，构成Y+3Y/3Y接绕组。

4、按权利要求1，2，3所述的变极绕组，其特征是用于槽数Z＝36及其倍数，极数2P₁/2P₂＝12/2n（n是与6互素的正整数）的电机中。

5、按权利要求4所述的变极绕组，其特征在于所说的电机是单元电机，即适用于槽数、极数均扩大整数倍的电机中。

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