CN106487139A - 一种交流无刷双馈电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种交流无刷双馈电机，包括定子绕组和绕线式齿谐波转子绕组，齿谐波转子绕组由绕在转子齿上的闭合的线圈构成，定子绕组具有p1和p2两种不同的极对数，转子等效极对数为pr＝p1+p2，齿谐波转子绕组为分布式齿谐波绕组，包括nr个转子齿和nr个线圈，这nr个线圈节距相同，匝数相等，并沿转子表面圆周以依次相距槽距角分布，所有感应电动势同相的齿极线圈各自先行串联，再自闭合连接而形成回路。本发明还提供了绕线转子的接线方法。本发明交流无刷双馈电机的优点是：在很大程度上减小了由于气隙不均匀或绕组工艺导致定子绕组三相电流不平衡的现象，其谐波含量更小，导体利用率更高，提高电机运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及交流电机技术领域，具体涉及一种交流无刷双馈电机。
背景技术
交流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。
交流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。这两种转子结构中，磁阻转子因为转子上没有导体，故转子损耗小，效率较高，但不足之处是噪声和振动比较大，“同心笼”转子作为电动机起动特性较好，但其中绕组导体需用绝缘材料与铁芯隔离，制作工艺复杂，还存在功率密度较低等诸多问题。为解决这些问题，中国专利ZL200710051768.1、ZL200910061297.1和CN 102801266A提出了一种用齿谐波原理设计的绕线式转子绕组，这个绕线转子绕组原理上每个等效齿极上的线圈自成闭合回路，谐波含量小，但是在实施过程中发现容易出现转子磁动势不对称的情况，从而引起定子三相电流不平衡。
发明内容
本发明目的在于克服传统技术的缺陷，提供一种交流无刷双馈电机，这种交流无刷双馈电机可以大大减小由于气隙不均匀或绕组工艺导致定子绕组三相电流不平衡的现象，其谐波含量更小，导体利用率更高，提高电机运行的可靠性。
为达上述目的，本发明交流无刷双馈电机，包括定子绕组和绕线式齿谐波转子绕组，齿谐波转子绕组由绕在转子齿上的闭合的线圈构成，定子绕组具有p1和p2两种不同的极对数，转子等效极对数为pr＝p1+p2，齿谐波转子绕组为分布式齿谐波绕组，包括nr个转子齿和nr个线圈，转子齿的槽数为原有转子齿槽Zr的整倍数，即有Z＝krZr，式中kr为裂槽系数，是正整数，相应地，分布式齿谐波绕组绕在转子齿上的闭合线圈为nr个，这nr个线圈节距相同，匝数相等，并沿转子表面圆周以依次相距槽距角分布，所有感应电动势同相的齿极线圈各自先行串联，再自闭合连接而形成回路。
本发明交流无刷双馈电机，其中所述nr个线圈的自闭合回路数由公式确定，其中p1和p2为定子绕组具有的两种不同的极对数。
本发明交流无刷双馈电机，其中所述齿谐波转子绕组为采用闭合铜条构成的硬绕组。
为达上述目的，本发明提供了一种交流无刷双馈电机绕线转子的接线方法，该方法中定子绕组具有p1和p2两种不同的极对数，转子等效极对数为pr＝p1+p2，齿谐波转子绕组为分布式齿谐波绕组，包括nr个转子齿和nr个线圈，转子齿的槽数为原有转子齿槽Zr的整倍数，即有Z＝krZr，式中kr为裂槽系数，是正整数，相应地，分布式齿谐波绕组绕在转子齿上的闭合线圈为nr个，这nr个线圈节距相同，匝数相等，并沿转子表面圆周以依次相距槽距角分布，所有感应电动势同相的齿极线圈各自先行串联，再自闭合连接而形成回路。
本发明提供的接线方法，其中所述nr个线圈的自闭合回路数由公式确定，其中p1和p2为定子绕组具有的两种不同的极对数。
本发明交流无刷双馈电机的优点是：由于绕线式绕组不采用每个齿极对应线圈自闭合的接线方式，而是设置了两个或更多的齿极，对应的线圈采用串联后再闭合的接线方式。由于这样串联连接的齿极对应线圈中都有着相同的电流，因此可以在很大程度上减小了由于气隙不均匀或绕组工艺导致定子绕组三相电流不平衡的现象，其谐波含量更小，导体利用率更高，提高电机运行的可靠性。
附图说明
图1是齿谐波感应线圈的示意图；
图2是Zr＝pr＝4齿谐波绕组布置示意图；
图3是kr＝4转子裂槽示意图；
图4是Zr＝pr＝4齿谐波绕组新接线方式示意图；
图5-1和图5-2是pr＝4转子绕组接线方式示意图；
图6是88槽p1＝2分相槽号相位图；
图7是88槽pr＝8转子绕组接线图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明交流无刷双馈电机的实施例。
本发明交流无刷双馈电机所涉及的无刷双馈电机转子结构原理，主要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”的概念，以及凸极式转子磁阻沿气隙圆周变化可以引起气隙磁场变化的效应。
下面首先叙述绕组齿谐波磁动势有关内容。
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。
参照图1，齿谐波感应线圈是绕在转子齿1上的一个闭合线圈2。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pr＝p1+p2为转子对应的等效极对数：
pr＝p1+p2，
于是构成齿谐波绕组所需要的转子齿槽数为：
Zr＝pr＝p1+p2，
因为感应线圈嵌放在每个转子齿上，因此Zr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Zr＝pr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Zr有关，谐波极对数pν满足关系式pν＝kZr±p1，其中k＝0,1,2,3…，因而被称为齿谐波。
齿谐波转子绕组中共含有Zr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mr＝Zr＝pr。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Zr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pν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。
上述齿谐波绕组每相只有1个闭合的线圈，每个转子槽内有两个线圈边。这时对应的等效转子极距为τr＝Zr/pr，线圈节距则为yr＝τr，因而是整距绕组。齿谐波整距绕组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。改变线圈节距使yr＜τr，也即采用齿谐波短距绕组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可能获得更好的性能。但是，感应线圈节距改变后，转子槽数也必须相应增加一倍，以能安置节距改变后的线圈边，这时的转子绕组也相应变成单层绕组。
参照图2，所示为p1＝1，p2＝3，Zr＝pr＝p1+p2＝4，τr＝Zr/pr＝1齿谐波绕组布置示意图。
对于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绕组每相原有的1个线圈分裂成nr个线圈后构成的。这nr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αr分布，相互间的联结关系为顺序串联后自闭合短路连接。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Zr也进行分裂，也即转子上要扩充更多的槽数。参照图3，转子实际槽数Z可以取为Zr的整倍数，即有：Z＝krZr，式中kr为正整数，称为裂槽系数，显然应该有kr＝τr，而这时的槽距角为机械角度。进行裂槽后，新的分布绕组相数和原来集中式绕组相同。
上述分布绕组的谐波含量理论上已经可以做到很小了，但是这种绕组在实际中仍然会有谐波含量较大的情况出现，并存在磁动势不对称的现象，使得定子绕组三相电压或电流不平衡。经研究发现，这个问题一般和绕组线圈布置方案关系不大，只可能与气隙均匀度或是绕组线圈制作工艺相关。为解决这个问题，采用了如图4所示新的转子绕组接线方式。与原来的每个齿极的线圈自闭合连接方式相比，新的接线方式对于在p1和p2两种极数下所有感应电动势同相的齿极线圈各自先行串联，再自闭合连接而形成回路，以保证所有同相齿极线圈中流过的电流相等，这样就尽可能地消除了由于气隙磁场不对称，以及转子绕组制作过程中参数的差异造成的不平衡现象，从而使得转子磁动势对称，定子绕组三相电压或电流不对称现象也会自然消除了。
参照图4，新绕组接线方式对比图3的原绕组接线方式可以发现，原绕组共有Zr＝pr＝4个自闭合回路，而新绕组因为将感应电动势同相的先行串联，就只有两个自闭合回路了。
对于线圈数较多的分布式绕组，也同样采用所有感应电动势同相线圈串联连接的接线方式。这时对于同相线圈的确定，一般可以利用槽号相位图进行。转子绕组新接线方式对应的回路数的计算公式为例如，对应p1＝1，p2＝3，Zr＝pr＝p1+p2＝4，
在本发明交流无刷双馈电机的实施例中，齿谐波转子绕组可以采用闭合铜条构成的硬绕组。
综上所述，本发明交流无刷双馈电机，齿谐波转子绕组为分布式齿谐波绕组，包括nr个转子齿1和nr个线圈2，转子齿的槽数为原有转子齿槽Zr的整倍数，即有Z＝krZr，式中kr为裂槽系数，是正整数，相应地，分布式齿谐波绕组绕在转子齿上的闭合线圈为nr个，这nr个线圈节距相同，匝数相等，并沿转子表面圆周以依次相距槽距角分布，所有感应电动势同相的齿极线圈各自先行串联，再自闭合连接而形成回路。nr个线圈2的自闭合回路数由公式确定。
下面用实施例说明本发明交流无刷双馈电机。
实施例一
按新接线方式设计p1＝2和p2＝3的转子绕组接线方案。
p2＝3，Zr＝pr＝p1+p2＝4，接线方式参照图5-1和图5-2中的A1与A2及B1与B2。
实施例二
按新接线方式设计p1＝2和p2＝6的转子绕组接线方案。
这里pr＝p1+p2＝8，令kr＝11，则转子槽数Z＝krZr＝88，同相绕组支路数即共有两条独立自闭合回路，其对应p1＝2的分相槽号相位参照图6。可以看出，这是一个在p1＝2和p2＝6这两种极对数下均互差90°的两相绕组，其具体绕组接线方式参照图7。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (5)
1.一种交流无刷双馈电机，包括定子绕组和绕线式齿谐波转子绕组，齿谐波转子绕组由绕在转子齿(1)上的闭合的线圈(2)构成，定子绕组具有p1和p2两种不同的极对数，转子等效极对数为pr＝p1+p2，其特征在于：齿谐波转子绕组为分布式齿谐波绕组，包括nr个转子齿和nr个线圈，转子齿的槽数为原有转子齿槽Zr的整倍数，即有Z＝krZr，式中kr为裂槽系数，是正整数，相应地，分布式齿谐波绕组绕在转子齿上的闭合线圈为nr个，这nr个线圈节距相同，匝数相等，并沿转子表面圆周以依次相距槽距角分布，所有感应电动势同相的齿极线圈各自先行串联，再自闭合连接而形成回路。
2.根据权利要求1所述的交流无刷双馈电机，其特征在于：其中所述nr个线圈(2)的自闭合回路数由公式确定，其中p1和p2为定子绕组具有的两种不同的极对数。
3.根据权利要求1或2所述的交流无刷双馈电机，其特征在于：其中所述齿谐波转子绕组为采用闭合铜条构成的硬绕组。
4.一种交流无刷双馈电机绕线转子的接线方法，其特征在于：该方法中定子绕组具有p1和p2两种不同的极对数，转子等效极对数为pr＝p1+p2，齿谐波转子绕组为分布式齿谐波绕组，包括nr个转子齿(1)和nr个线圈(2)，转子齿的槽数为原有转子齿槽Zr的整倍数，即有Z＝krZr，式中kr为裂槽系数，是正整数，相应地，分布式齿谐波绕组绕在转子齿上的闭合线圈为nr个，这nr个线圈节距相同，匝数相等，并沿转子表面圆周以依次相距槽距角分布，所有感应电动势同相的齿极线圈各自先行串联，再自闭合连接而形成回路。
5.根据权利要求4所述的接线方法，其特征在于：其中所述nr个线圈(2)的自闭合回路数由公式确定，其中p1和p2为定子绕组具有的两种不同的极对数。
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| GR01 | Patent grant | ||
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