CN105680653B - 一种交流无刷双馈电机及其齿谐波绕线转子分布绕组的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流无刷双馈电机及其绕线转子绕组的设计方法；包括：先根据定子绕组极对数p₁和p₂初步确定转子齿槽数Z_r和相数m_r，这时Z_r＝m_r，每个齿对应一个集中式线圈，由此得到齿谐波集中式绕组，然后扩大转子槽数，选择系数k_r，使新的转子槽数Z＝k_rZ_r，这时极距τ_r＝k_r。此基础上，将原来的每相一个集中式线圈分裂为n_r个等节距y_r的线圈，且n_r≤k_r及有y_r<τ_r，这n_r个线圈依次间隔α_r槽距角分布在转子槽内，再通过调整k_r和n_r，以及y_r，使得极对数p₁和p₂的绕组系数尽可能高，谐波含量小。最后将上述每相绕组线圈，采用多平面同心式绕法，改为节距不等，中心线重合的大小线圈放置在转子槽内，并串联后自短路联结，从而获得分布式齿谐波转子绕组。这种分布式齿谐波转子绕组特点是谐波含量小，导体利用率高，绕组端部排列整齐。

Description

一种交流无刷双馈电机及其齿谐波绕线转子分布绕组的设计 方法

技术领域

本发明属于交流无刷双馈电机技术领域，更具体地，涉及一种交流无刷双馈电机及其绕线转子绕组的设计方法。

背景技术

无刷双馈电机采用电网电源和变频电源分别供电，具有运行可靠，要求的变频电源容量较小，且可采用不同电压等级等特点，既能以电动机变频调速方式运行，又适合作为发电机，用于风力或是水力变速恒频发电等。

无刷双馈电机具有良好性能的关键在于转子；从工作原理上来说，转子类型可分为反应式和感应式，而近年来研究的具体转子结构主要有两种，一种是属于反应式的磁阻转子，转子铁芯制成类似凸极的结构，其上没有任何导体；另一种是属于感应式的“同心笼”转子，转子槽内按“同心嵌套”方式放置有多个各自电气独立回路环笼型绕组。这两种转子结构的提出，推动了无刷双馈电机理论及应用研究的进步，但是这两种转子结构目前还存在功率密度与常规交流电机相比较低，转子边引起的气隙磁场谐波含量大且随负荷变化，噪音或振动等性能指标未达到要求等诸多待研究的问题，因而还未能进入商业化工业实际应用。

为解决上述存在的问题，中国专利CN200910061297，CN201110345871，CN201210306373等描述了一种采用绕线转子绕组的无刷双馈电机。这种绕线转子绕组中线圈节距和匝数的可以灵活选择，高次谐波含量小，有助于得到更高的转子导体利用率，及得到更多的绕组方案以供取舍，因此，采用这种绕线转子绕组的无刷双馈电机可能会有更好性能。但是，在另一方面，这种绕线转子绕组与“同心笼”转子绕组相比较，还存在线圈匝数不同，端部容易无规律重叠，结构复杂臃肿等问题而限制了其应用。

发明内容

针对技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种交流无刷双馈电机及其绕线转子绕组的设计方法，旨在解决现有绕线转子绕组为消除谐波造成线圈匝数不等，端部无规律重叠，结构复杂等问题。

本发明提供了一种交流无刷双馈电机，所述交流无刷双馈电机中定子绕组具有p₁和p₂两种不同的极对数；转子为绕线式绕组。

更进一步地，所述绕线式绕组为齿谐波绕组，所述齿谐波绕组包括齿谐波感应线圈，所述齿谐波感应线圈是绕在转子齿上的一个闭合线圈，该线圈中的电流由气隙磁场感应产生。

本发明提供了一种基于上述的交流无刷双馈电机的齿谐波绕线转子分布绕组的设计方法，包括下述步骤：

(1)获得基本极对数p₁和p₂；

(2)根据基本极对数p₁和p₂获得转子初步齿槽数Z_r和相数m_r，每个齿对应一个集中式线圈；所述转子初步齿槽数Z_r＝m_r＝p₁+p₂；

(3)根据所述转子初步齿槽数获得拓展后新的转子槽数Z＝k_rZ_r和极距τ_r＝k_r；其中，k_r为正整数，称作裂槽系数，表示原来转子槽Z_r的细分程度；

(4)将原来的一个集中式线圈转化为n_r个分布式线圈，并将n_r个分布式线圈依次间隔槽距角在转子槽中放置并串联连接；其中，每相分布线圈数n_r≤k_r，线圈节距y_r<τ_r；

(5)通过对所述系数k_r、所述分布线圈数n_r和所述线圈节距y_r的值进行调整，使得基本极数p₁和p₂的绕组系数尽可能高，且其余高次齿谐波磁动势相对幅值尽可能小；

(6)将上述每相节距y_r的n_r个线圈调整为节距不等的n_r个线圈；并通过节距计算公式y＝y_r+n_r-(2n-1)获得各个线圈的节距，采用同心式的绕法将每相绕组线圈形成中心线重合的线圈并放置在转子槽内，将这些线圈串联后自短路联结构成所述齿谐波绕线转子；其中，n为区间[1,n_r]中的整数。

更进一步地，先根据步骤(1)—(6)得到多个不同的转子绕组方案，再将对应相绕组串联连接成闭合回路，获得叠加后新的转子绕组方案。

更进一步地，在步骤(1)中，基本极对数p₁和p₂之和p_r＝p₁+p₂为偶数。

更进一步地，在步骤(5)中，所说的齿谐波磁动势在原理上具有如下属性：相邻两个齿谐波磁动势旋转方向相反和所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。

更进一步地，在步骤(5)中，对所述线圈节距y_r的值进行调整的过程中，需满足y_r<τ_r。

更进一步地，通过调整线圈节距来削弱高次齿谐波。

本发明设计的绕线转子绕组线圈选择合适的节距后，采用同心式的绕法，使得每相绕组由节距不等，中心线重合的大小线圈串联而成，绕组线圈端部形成多个迭合的平面，结构形状整齐，同时又可以做到谐波含量小，导体利用率高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的齿谐波感应线圈的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的Z_r＝p_r＝4集中式齿谐波绕组布置示意图，其中，图2a为线圈节距y_r＝τ_r的齿谐波整距绕组，图2b为线圈节距的齿谐波短距绕组；

图3是本发明实施例提供的k_r＝4转子裂槽示意图；

图4是本发明实施例提供的80槽2/6极齿谐波绕组展开图；

图5是本发明实施例提供的84槽4/8极齿谐波绕组展开图。

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。

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种交流无刷双馈电机；该电机采用绕线型转子替换现有的笼型短路绕组转子，以期获得更好的技术性能。

本发明提供一种能克服上述缺陷的绕线转子无刷双馈电机，为此提出了一种绕线转子分布绕组设计方法，所设计的绕线转子绕组线圈选择合适的节距后，采用同心式的绕法，使得每相绕组由节距不等，中心线重合的大小线圈串联而成，绕组线圈端部形成多个迭合的平面，结构形状整齐，同时又可以做到谐波含量小，导体利用率高。

这种绕线转子绕组的设计方法具体包含如下步骤。

(1)确定基本极对数p₁和p₂；

(2)确定转子初步齿槽数Z_r和相数Z_r＝m_r＝p₁+p₂，每个齿对应一个集中式线圈；

(3)选择系数k_r，并确定拓展后新的转子槽数Z＝k_rZ_r，以及极距τ_r＝k_r；

(4)选择每相分布线圈数n_r≤k_r，以及线圈节距y_r，且y_r<τ_r，将原来的一个集中式线圈转化为n_r个分布式线圈，这n_r个分布线圈依次间隔槽距角在转子槽中放置并串联连接；

(5)进行磁动势谐波分析，调整系数k_r和分布线圈数n_r，以及线圈节距y_r，且y_r<τ_r，使得基本极数p₁和p₂的绕组系数尽可能高，且其余高次齿谐波磁动势相对幅值尽可能小；

(6)将上述每相节距y_r的n_r个线圈，改为节距不等的大小线圈。大小线圈节距y＝y_r+n_r-(2n-1)(n为区间[1,n_r]中的整数)，这样每相绕组线圈可以采用同心式的绕法，形成中心线重合的大小线圈并放置在转子槽内，然后将这些线圈串联后自短路联结形成闭合回路。

本发明所涉及的绕线转子绕组，应用了绕组齿谐波磁动势的概念和交流绕组理论中线圈“短距”和“分布”的概念，下面首先叙述其原理。

1.齿谐波绕组的构成原理与自然属性

对于本发明涉及的无刷双馈电机，转子绕组产生的齿谐波磁动势是其正常工作的基础，而这样的齿谐波转子绕组是以齿谐波感应线圈为基本单元构成的。

齿谐波感应线圈是绕在转子齿上的一个闭合线圈，如图1所示。线圈中的电流由气隙磁场感应产生。

构成齿谐波绕组所需要感应线圈的数量与无刷双馈电机定子所具有的两种极对数有关。假定无刷双馈电机定子绕组具有两种极对数分别为p₁和p₂，两者之和为转子对应的等效极对数：p_r＝p₁+p₂，于是构成齿谐波绕组所需要的转子齿槽数为：Z_r＝p_r＝p₁+p₂，因为感应线圈嵌放在每个转子齿上，因此Z_r也是感应线圈的个数。这里要注意的是，并不是所有p₁和p₂的组合都是合适的，p₁和p₂的选择必须使得Z_r＝p_r为偶数，否则这两种极数合成后的气隙磁场将会不对称。

由这种感应线圈构成的转子绕组，当无刷双馈电机定子p₁或是p₂绕组接入交流电源产生气隙旋转磁场时，所感应产生的转子磁动势中，除含有极对数p₁和p₂这两种基本谐波外，还有一系列高次谐波。可以证明，无论是基本谐波还是高次谐波，均只与转子齿数Z_r有关，这些谐波极对数满足关系式p_ν＝kZ_r±p₁(k＝0,1,2,3…)，因而被称为齿谐波。

齿谐波转子绕组中共含有Z_r个自闭合的感应线圈，于是可以认为每个线圈自成一相，也即齿谐波转子绕组的相数m_r＝Z_r＝p_r。显然，这样构成的齿谐波转子绕组磁动势谐波中不会含有任何与Z_r无关的相带谐波，所产生的全部谐波均为齿谐波。若假定p₁<p₂，则这些齿谐波中最小极对数为p₁，也即p_ν的集合中不会出现极数小于p₁的低次齿谐波。

这种齿谐波转子绕组产生的齿谐波磁动势有以下两个自然属性：

(1)相邻两个齿谐波磁动势旋转方向相反；

(2)所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。

无刷双馈电机定子绕组同时具有p₁和p₂两种极对数，也要求转子绕组能同时产生极对数p₁和p₂且旋转方向相反的磁动势波，并对于两种极对数p₁和p₂有尽可能高的绕组系数，而这些要求正好与齿谐波转子绕组的自然属性相符合，因此无刷双馈电机的转子绕组可利用上述齿谐波磁动势自然属性来进行设计。

2.集中式齿谐波绕组

上述齿谐波绕组因为每相只有1个闭合的线圈，每个转子槽内有两个线圈边，因而自然就被称作集中式双层绕组。又因转子等效极对数为p_r，对应的等效转子极距为τ_r＝Z_r/p_r，这时的线圈节距为y_r＝τ_r，而称为齿谐波整距线圈，所构成的绕组也称为齿谐波整距绕组。如果改变线圈节距，使y_r<τ_r或y_r>τ_r，则分别称为齿谐波短距线圈或齿谐波长距线圈，所构成的绕组也称为齿谐波短距绕组或齿谐波长距绕组。显然，感应线圈节距改变后，转子槽数也必须相应增加，不然节距改变后的线圈边无法安置。

当上述集中式齿谐波绕组线圈为整距时，磁动势中所有齿谐波绕组系数相等。因此，相对于极对数p₁和p₂这两种所需要的基本齿谐波外，其余高次齿谐波相对幅值也较大，这会严重影响无刷双馈电机性能。一般总是希望在保留基本齿谐波的前提下，尽可能削弱这些有害的高次齿谐波。改变线圈节距是削弱高次齿谐波一个有效的方法，在很多情况下，采用齿谐波短距绕组或长距绕组可能获得更好的性能。

图2所示为p₁＝1，p₂＝3，Z_r＝p_r＝p₁+p₂＝4，τ_r＝Z_r/p_r＝1集中式齿谐波绕组布置示意图。其中图2a为线圈节距y_r＝τ_r的齿谐波整距绕组；图2b为线圈节距的齿谐波短距绕组，由于为放置短距线圈，必须在线圈边转子相应位置上增加4个槽，从而形成8槽非均匀分布的大小齿结构，这时每个转子槽中只有一个线圈边，也即这个齿谐波短距绕组为单层绕组。

上述齿谐波整距绕组和短距绕组磁动势谐波分析结果列于表1。表1中F_ν表示磁动势相对幅值，而F_ν+表示正转波F_ν-表示反转波。

表1 p_r＝p₁+p₂＝4集中式齿谐波绕组磁动势谐波分析

从表1可以看出，适当调整线圈节距可以显著削弱高次齿谐波。当线圈为短距，相对于齿谐波短距绕组和整距绕组中极对数p_ν＝1和p_ν＝3这两个基波而言，幅值较大的极对数p_ν＝5的高次谐波相对幅值，从60.0000降为29.9320，极对数p_ν＝7相对幅值从42.8571降为21.4966。这也可以看成是由于集中短距绕组槽数比整距绕组增加一倍，而离散了高次齿谐波的结果。

3.分布式齿谐波绕组

集中式齿谐波绕组的磁动势中含有极对数p_ν＝kZ_r±p₁的各次齿谐波，但是对于无刷双馈电机正常运行而言，只需要有p₁和p₂这两种极数的基本齿谐波，其余所有高次齿谐波都必须消除，因为这些高次齿谐波都会对无刷双馈电机性能造成不利影响。

从表1谐波分析结果来看，集中式齿谐波绕组可以采用短距线圈来削弱一些高次齿谐波，但却很难做到将其相对幅值限制在对无刷双馈电机性能影响可以忽略的程度。为进一步消除这些有害的高次齿谐波，可以引入一般交流绕组中分布绕组的概念，采用分布式齿谐波绕组。

分布式齿谐波绕组是将集中式齿谐波绕组每相原有的1个线圈分裂成n_r个线圈后构成的。这n_r个线圈节距相同，匝数相等，并沿转子表面圆周依次相距机械角度α_r分布，相互间的联结关系为顺序串联后自闭合短路连接。关于为什么要采用这样的连接方式是很容易理解的，因为这n_r个线圈本来就是由1个线圈分裂而成的，这种连接保证了无论是在极对数p₁或是p₂的气隙磁场下，相绕组中每个转子线圈能通过同样的电流。当然，也可以认为分布式绕组是n_r个集中式绕组沿转子表面圆周依次位移一个角度α_r后形成的，这时也需要保持原来的相电流不变。

显而易见，为在转子上重新布置这些分布线圈，必须将原有的转子齿槽Z_r也进行分裂，也即转子上要扩充更多的槽数。为保证极对数p₁和p₂基本齿谐波特性不变，新的转子槽数Z应该是Z_r整倍数，即有：Z＝k_rZ_r；上式中k_r为正整数，称为裂槽系数，显然应该有k_r＝τ_r，而这时的槽距角为机械角度，如图3所示。进行裂槽后，新的齿谐波分布绕组相数和原来集中式齿谐波绕组相同。

工程实际中，为获取更好的绕组性能，每相的分裂线圈数往往并不和裂槽系数相等，一般n_r≤k_r，这意味着转子上有些槽为空槽。因此定义转子表面空间利用系数表示沿转子圆周表面空间的利用率。k_N越大表示空间利用率越高。

一般来说，构成新的齿谐波分布绕组中的裂槽系数k_r和每相分布线圈个数n_r，以及线圈节距y_r，需要根据绕组磁动势谐波分析结果来决定。

不过，对于线圈节距y_r，除了需要考虑绕组磁动势谐波分析的结果以外，还需要考虑线圈端部的重叠问题，为使线圈端部能平面分布，必须采用同心式的绕法，而不能采用所有线圈节距相等的绕法，一般要求y_r<τ_r。

同心式的绕法是每相绕组由节距不等，中心线重合的大小线圈组成。这些大小线圈的节距y的计算公式为y＝y_r+n_r-(2n-1)，式中n为区间[1,n_r]中的整数。这样布置的绕组，相邻的相绕组线圈端部平面上下迭合，是一种双平面绕组。

也可以采用多个不同分布，节距不同的相绕组叠加的方法来获得谐波含量更小，导体利用率更高的绕组方案，这些绕组仍采用同心式的绕法，但是这样布置的绕组是一种多平面绕组。

为了更进一步的说明本发明，下面结合具体实例详细说明本发明的实施。

实例1 设计p₁＝1和p₂＝3的齿谐波绕线转子绕组方案

这里p_r＝p₁+p₂＝4，取k_r＝τ_r＝20，则有Z＝k_rZ_r＝80，假定n_r＝11和y_r＝16<τ_r，这时绕组磁动势谐波分析的结果如表2所示。从表2可以看出，p₁＝1绕组系数为0.5698，p₂＝3绕组系数为0.7080。

表2 80槽p₁/p₂＝1/3分布式齿谐波绕组磁动势谐波分析

因为y_r＝16<τ_r，于是可以采用同心式绕法，每相绕组各个大小线圈的节距的按公式y＝y_r+n_r-(2n-1)计算，n＝1对应最大节距y＝26的线圈，n＝n_r对应最小节距y＝6的线圈，具体线圈展开布置图如图4所示。从图4可以看出，这样布置的绕组端部相邻相绕组线圈形成上下两个迭合的平面，因而是一种双平面绕组。

实例2 设计p₁＝2和p₂＝4的齿谐波绕线转子绕组方案

这里p_r＝p₁+p₂＝m_r＝6，取k_r＝14，则有Z＝k_rZ_r＝84，为使转子磁动势中谐波含量小和有高的导体利用率，采用两套绕组串联组合的方案。其中一套绕组取n_r＝8和y_r＝12，另一套绕组取n_r＝5和y_r＝9，这时绕组磁动势谐波分析结果如表3所示。从表3可以看出，p₁＝2绕组系数为0.6878，p₂＝4绕组系数为0.8106，而主要高次齿谐波相对幅值<4％。

表3 84槽p₁/p₂＝2/4分布式齿谐波绕组磁动势谐波分析

绕组线圈仍然采用同心式绕法，根据计算公式y＝y_r+n_r-(2n-1)，一套绕组n＝1对应最大节距y＝19的线圈，n＝n_r对应最小节距y＝5的线圈，为双平面绕组；另一套绕组n＝1对应最大节距y＝13的线圈，n＝n_r对应最小节距y＝5的线圈，为单平面绕组。两套绕组对应的相绕组串联连接组合为新的相绕组，整个转子绕组从端部看来为三平面的m_r＝6相绕组。图5所示为m_r＝6相中的一相绕组的展开图，其余各相绕组依次位移k_r＝14槽即可得到，为简洁起见，图5中未画出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交流无刷双馈电机的齿谐波绕线转子分布绕组的设计方法，所述交流无刷双馈电机中定子绕组具有p₁和p₂两种不同的基本极对数；转子为绕线式绕组，所述绕线式绕组为齿谐波绕组，所述齿谐波绕组包括齿谐波感应线圈，所述齿谐波感应线圈是绕在转子齿上的一个闭合线圈，该线圈中的电流由气隙磁场感应产生；其特征在于，包括下述步骤：

(1)获得基本极对数p₁和p₂；

(2)根据基本极对数p₁和p₂获得转子初步齿槽数Z_r和相数m_r，每个齿对应一个集中式线圈；所述转子初步齿槽数Z_r＝m_r＝p₁+p₂；

(3)根据所述转子初步齿槽数获得拓展后新的转子槽数Z＝k_rZ_r和极距τ_r＝k_r；其中，k_r为裂槽系数；

(4)将原来的一个集中式线圈转化为n_r个分布式线圈，并将n_r个分布式线圈依次间隔槽距角在转子槽中放置并串联连接；其中，每相分布线圈数n_r≤k_r，线圈节距y_r＜τ_r；

(5)通过对所述系数k_r、所述分布线圈数n_r和所述线圈节距y_r的值进行调整，使得基本极对数p₁和p₂的绕组系数尽可能高，且其余高次齿谐波磁动势相对幅值尽可能小；

(6)将上述每相节距y_r的n_r个线圈调整为节距不等的n_r个线圈；并采用同心式的绕法将每相绕组线圈形成中心线重合的线圈并放置在转子槽内，将这些线圈串联后自短路联结构成分布式齿谐波转子绕组。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，先根据步骤(1)—(6)得到多个不同的转子绕组方案，再将对应相绕组串联连接成闭合回路，获得叠加后新的转子绕组方案。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤(1)中，基本极对数p₁和p₂之和p_r＝p₁+p₂为偶数。

4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤(5)中，所说的齿谐波磁动势在原理上具有如下属性：相邻两个齿谐波磁动势旋转方向相反和所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。

5.如权利要求1-4任一项所述的设计方法，其特征在于，在步骤(5)中，对所述线圈节距y_r的值进行调整的过程中，需满足y_r＜τ_r。

6.如权利要求1-4任一项所述的设计方法，其特征在于，通过调整线圈节距来削弱高次齿谐波。

7.如权利要求1-4任一项所述的设计方法，其特征在于，步骤(6)中，调整后的n_r个线圈的节距y＝y_r+n_r-(2n-1)；其中，n为区间[1,n_r]中的整数。