CN107394933B - 一种谐波起动型绕线式无刷双馈电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐波起动型绕线式无刷双馈电机，依据转子绕组在不同磁场中导通路径不同，其转子电阻增大而漏抗不随之增大，相当于等效接入了附加电阻，使得电机有良好的起动性能；正常运行时,通过转子或定子绕组接法的改变，“无感”消失变为“有感”代转子电阻恢复正常,相当于附加电阻切除，电机有高的运行效率，从而使绕线型感应电机能够不用附加起动电阻，不用滑环和电刷的想法得以实现并有着广阔的工业应用前景。

Description

一种谐波起动型绕线式无刷双馈电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种谐波起动型绕线式无刷双馈电机。

背景技术

无刷双馈电机要想有较好的性能，关键在于转子。无刷双馈电机是一种新型交流励磁电机,具有同步电机和异步电机的特点。它的定子两套绕组之间没有直接的电联系，而是通过电机转子的耦合作用对定子不同极数的旋转磁场进行调制，实现电机的机电能量转换与传递。

由无刷双馈电机的工作原理可以看出，无刷双馈电机是一种同步化运行的异步电机，即该电机的本质为异步电机。无刷双馈电机系统的控制侧变频器容量小、无滑环电刷的特点使得它在变频调速等领域有着广泛的应用前景。

作为一种同步化运行的异步电机，无刷双馈电机也具有起动电流大、起动转矩小等不足，无法满足需要重载起动的应用场合。然而，与普通异步电机不同，无刷双馈电机的结构特点是转子绕组自闭合，无滑环电刷对外连接。无法通过电刷在转子电路中串入或切除起动电阻来实现增大起动转矩、减小起动电流和高效率运行的目的。同时无刷双馈电机具有不同极数的两套绕组，这一点也与单一极数的异步电机差别较大。

发明内容

本发明提供一种交流无刷双馈电机，转子电阻增大而漏抗不随之增大，相当于等效接入了附加电阻，其电机具有良好的起动性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种谐波起动型绕线式无刷双馈电机，包括定子和转子，所述定子上布置有相互独立的两套绕组，其极对数分别为p₁、p₂，电机启动时极对数为p₃，d为p₁、p₂的最大公约数，且p₁＜p₃＜p₂，p₁+p₂为偶数；

所述转子上布置有多相绕线式绕组，该转子的一个线圈组在一个槽中有N_r根导体，分成匝数为N_r1+N_r2/2的多匝子线圈和匝数为N_r2/2的少匝子线圈。采用谐波起动时电机多匝子线圈与少匝子线圈线匝中流过的电流相反，电机转子侧并采用双线并绕，这样，N_r2基本上不产生漏抗，使总的折算漏抗值基本保持不变。但这时折算电阻却可增至r′_r＝(N_r/N_r1)²r₀，其中r₀为转子槽内放置的N_r根绝缘导体全部利用作为有效工作导体时,折算至定子功率绕组边的导体电阻值，形成转子在电机起动时转子等效电阻自行增大的绕线结构。

电机在(p₁+p₂)/d为奇数时，转子绕组中第i组、第(p₁+p₂)/d+i组、...、第n(p₁+p₂)/d+i组...、第(d-1)(p₁+p₂)/d+i组线圈构成电机线圈组，其中n、i为自然数，n＜d，1≤i≤(p₁+p₂)/d；

电机在(p₁+p₂)/d为偶数时，转子绕组中第(p₁+p₂)/2d+j组、第3(p₁+p₂)/2d+j组、...、第3n(p₁+p₂)/d+j组...、第(2d-1)(p₁+p₂)/2d+j组线圈反相序连接，与转子绕组中第j组、第(p₁+p₂)/d+j组、...、第n(p₁+p₂)/d+j组...、第(d-1)(p₁+p₂)/d+j组线圈构成电机线圈组，其中n、j为自然数，其中n＜d，1≤j≤(p₁+p₂)/d。

上述电机线圈组在极对数p₁、p₂的任何取值下，该d组转子绕组的相位角均具有相同的电角度。

优选地，所述电机在(p₁+p₂)/d为偶数时，转子绕组中第j组与第(p₁+p₂)/2d+j组线圈的相位角的电角度相差kπ，其中k为奇数，j为自然数，1≤j≤(p₁+p₂)/d

进一步地，所述电机每组线圈的多匝子线圈组和少匝子线圈组通过串联的方式构成两条支路，每条支路中包含的多匝子线圈组和少匝子线圈组个数相等，两条支路采用并联的方式连接，且同一线圈的多匝子线圈和少匝子线圈分别处在不同的支路中。所述电机在(p₁+p₂)/d为偶数时，转子绕组中b₁支路反向后与a₁支路串联连接，b₂支路反向后与a₂支路串联连接，或者b₂支路反向后与a₁支路串联连接，b₁支路反向后与a₂支路串联连接。

进一步地，所述转子的线圈组按照p₃对极进行相带划分，分成多组转子相带线圈组。单元电机的多组转子相带线圈组以相带为基本单位分成两组，单元电机的两组线圈中一组首尾闭合连接，另一组首尾断开。

由以上技术方案可知，本发明依据转子绕组在不同磁场中导通路径不同，其转子电阻增大而漏抗不随之增大，相当于等效接入了附加电阻，使得电机有良好的起动性能；正常运行时,通过转子或定子绕组接法的改变，“无感”消失变为“有感”代转子电阻恢复正常,相当于附加电阻切除，电机有高的运行效率，从而使绕线型感应电机能够不用附加起动电阻，不用滑环和电刷的想法得以实现并有着广阔的工业应用前景。

附图说明

图1为本发明当Z_r＝36，p₁＝2时槽号相位图与3相槽号相位分布图；

图2为本发明当Z_r＝36，p₂＝4时槽号相位图与3相槽号相位分布图；

图3为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4时，常规无刷双馈电机转子绕组连接图；

图4为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4时，高绕组系数的常规无刷双馈电机转子绕组连接图；

图5为本发明当Z_r＝36，p₃＝3时槽号相位图与3相槽号相位分布图；

图6为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，高绕组系数的转子绕组拆分后的连接图；

图7为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，常规绕组的转子绕组接线图；

图8为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，高绕组系数的转子绕组接线图；

图9为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，高绕组系数的转子绕组非拆分电机处于无刷双馈运行状态时等效电路图；

图10为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，高绕组系数的转子绕组非拆分电机处于无刷双馈运行状态时并联的开路绕组等效电路图；

图11为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，常规绕组的转子绕组非拆分电机处于起动状态时等效电路图；

图12为本发明当Z_r＝36，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，高绕组系数的转子绕组拆分电机处于起动状态时等效电路图；

图13为本发明当Z_s＝54，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，定子绕组2对极变为3对极时变极联结图；

图14为本发明当Z_s＝54，p₁/p₂＝2/4、p₃＝3时，定子绕组4对极变为3对极时变极联结图；

图15为本发明当Z_r＝48，p₁/p₂＝1/3转子绕组连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

实施例一

选取一台功率绕组的极对数为p₁＝2，p₂＝4，转子36槽无刷双馈电机为例，转子绕组分为p₁+p₂＝6组，p₁＝2、p₂＝4的最大公约数d＝2，得到(p₁+p₂)/d＝3为奇数，根据上述理论，则有第1、4，2、5和3、6两组槽号在4、2极对数下感应电动势均为同相位，如图1、图2所示。这里每组采用6联等匝方式连接。

若为常规无刷双馈电机，其绕组连接图如图3所示。2个槽号组在p₁＝2、p₂＝4对极下感应电动势均为同相位的线圈组串联而成，故指定任一连接点作为电位参考点，则所有的连接点电位均为零。

常规转子绕组接法使得无刷双馈电机转子绕组系数较低，电机利用率不高，为改变这一状况，常舍弃部分边缘槽号，如图4所示。这里由于5、6、23、24四个线圈组成的线圈组两端悬空，故仅有感应电动势，无感应电流产生，其余两组线圈与此类似。

图5为本发明在Z_r＝36，p₃＝3时槽号相位图，以及3相槽号在p₃＝3时槽号相位分布图。

现在将图4中常规线圈组换为由两个不同匝数子线圈组并联构成的复合线圈组，如图6所示。图6中，带撇“'”的线圈号表示匝数取N_r1+N_r2/2的多匝子线圈，带撇“"”的线圈号表示匝数取N_r2/2的少匝子线圈。

任取图4中一个小段并联绕组，其转子绕组匝数如图7所示。该小段并联绕组拆分后的转子绕组连接方式如图8所示。

由无刷双馈电机的基本工作原理知，在电机正常运行时，即电机工作在无刷双馈电机状态时，虽然定子两套绕组的极对数不同，但在转子绕组中感应的电动势的频率相同。设转子绕组每一整距线匝在定子p₁＝2对极基波磁场中感应的电动势的幅值为E_tp1，在定子p₂＝4对极基波磁场中感应的电动势的幅值为E_tp2。向量频率相等，仅存在相位上的差别。对比图7、图8，可以看出图7中AB之间的由两个小段绕组并联连接，两并联支路各由2N_r匝线圈串联组成。同样，图8中AB之间的由两个小段绕组并联连接，两并联支路各由两个N_r1+N_r2/2匝、两个N_r2/2匝线圈串联组成。显然各支路线圈总匝数相等。设每条支路线圈的电阻阻值为R_rrun，漏感阻抗为X_rrun。在电机正常运行时，图7中两并联支路无论在定子p₁＝2对极还是在定子p₂＝4对极转子绕组相位始终相同，转子绕组感应电动势为有

式中，k_ωrp1、k_ωrp2分别为转子p₁＝2、p₂＝4对极对应的绕组系数，E_t∠θ＝k_ωrp1E_tp1∠θ₁+k_ωrp2E_tp2∠θ₂，其中θ₁、θ₂分别为N_r1+N_r2/2匝、N_r2/2匝线圈感应电动势的合成值的相位角，θ为一条支路上所有线圈感应电动势的合成值的初始相位角。

分拆后并不影响相位的分布，转子绕组感应电动势为：

两并联支路的感应电动势分别为：

对比(1)、(4)和(5)三式，分拆前后各并联支路的感应电动势相等。分拆前后无刷双馈电机的等效电路如图9所示。同理，对于虚线框内的转子绕组回路，CD端点之间的两个并联支路在分拆前后各并联支路的感应电动势相等。即

式中θ′为CD端点之间的两个并联支路感应电动势的初始相位角。

由于每条支路线圈的电阻阻值为R_rrun，漏感阻抗为X_rrun。故每条支路的电流为

对于处于虚线框内的线圈回路，分拆前后每条支路线圈亦然有电阻阻值为R_rrun、漏感阻抗为X_rrun。但是两条支路感应电动势相等，无外接导线构成闭合回路故每条支路的电流为

由(7)、(8)两式可知，无论转子绕组分拆与否，两个支路中电流大小相等、方向相同，即复合线圈支路与原电路等效。显然，分拆前后电机完全等效。即电机工作在无刷双馈电机状态时各项性能不变。

电机起动时，定子两套绕组均切换到p₃对极，转子绕组均处于p₃对极气隙磁场中。

由图5可以看出，起动时线圈组b与线圈组a中的感应电动势方向相反，图7中AB之间的由两个小段绕组并联连接，两并联支路各由2N_r匝线圈串联组成。则图7对应的电机起动等效电路如图11所示。

式中，k_ωrp3为转子p₁＝3对极对应的绕组系数，E_t0∠θ＝k_ωrp3E_tp3∠θ₃，其中θ₃为转子p₁＝3对极时两并联支路上所有线圈感应电动势的合成值的初始相位角。

分拆后并不影响相位的分布，转子绕组感应电动势为：

两并联支路的感应电动势分别为：

同理，对于虚线框内的转子绕组回路，CD端点之间的两个并联支路在分拆前后各并联支路的感应电动势相等。即

式中θ′₃为CD端点之间的两个并联支路感应电动势的初始相位角。

图12所示的回路中，回路电阻保持不变，每条支路线圈的电阻阻值为R_rst＝R_r0＝R_rrun。由于同一个线圈的N_r1+N_r2/2匝线圈和N_r2匝线圈中电流方向相反，由许实章著文献《新型电机绕组-理论与设计》可知，电机绕组电流相反部分的漏抗相互抵消，抵消之后一条支路的起动漏抗为：

对于电机起动时，电机定子侧绕组有效匝数设为N_sk_ωsp3，当转子采用不拆分电路时，电机转子电路折算到定子侧的阻抗值为

当转子采用拆分电路时，电机转子电路折算到定子侧的阻抗值为

对比(17)～(20)式，可以发现，转子采用拆分绕组后，漏感的折算制没有变化，但是电阻的折算增加至原折算值的倍，等效于绕线式转子绕组串电阻增加起动转矩。同理，转子绕组其余部分也有相似结论。

上述转换可通过在复合线圈之间采用适当的连接方式完成。而具体的连接，一般并不需要采用什么特殊的方式，可与普通绕线转子绕组一样，采用工艺上简便的多相正规接法即可。

无感绕组以4极作运行极，6极作起动极时，定子绕组采用4/6极变极绕组。现定子槽数为72，对于这个特定的槽数，采用华中理工大学许实章教授提出的倍匝比3Y/3Y无环流换相变极绕组。这种绕组的特点是，换极简单，两种极数下都不丢弃线圈，4极为60相带，绕组分布系数0.956，6极为120相带，绕组分布系数0.839，所采用不同匝数的两种线圈为倍匝比，工艺上容易实现，其接线图如图7所示。

实施例二

选取一台功率绕组的极对数为p₁＝1，p₂＝3，转子48槽无刷双馈电机为例，转子绕组分为(p₁+p₂)＝4组，d＝1为奇数，根据上述理论，则有第1组与第3组槽号相位相差kπ，其中k为奇数，则第3组槽号反相序后与第1组串联。同理，第4组槽号反相序后与第2组串联。该电机对应的转子绕组连接图如图8所示。这里每组采用6联等匝方式连接。

因此，本发明的无刷双馈电机有良好的起动性能和运行效率，是一种非常理想的转子绕组设计方法。

以上所述实施方式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，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种谐波起动型绕线式无刷双馈电机，包括定子和转子，所述定子上布置有相互独立的两套绕组，其极对数分别为p₁、p₂，电机启动时极对数为p₃，d为p₁、p₂的最大公约数，且p₁＜p₃＜p₂，p₁+p₂为偶数，其特征在于：

所述转子上布置有多相绕线式绕组，该转子的一个线圈组在一个槽中有N_r根导体，分成匝数为N_r1+N_r2/2的多匝子线圈和匝数为N_r2/2的少匝子线圈；

电机在(p₁+p₂)/d为奇数时，转子绕组中第i组、第(p₁+p₂)/d+i组、...、第n(p₁+p₂)/d+i组...、第(d-1)(p₁+p₂)/d+i组线圈构成电机线圈组，其中n、i为自然数，n＜d，1≤i≤(p₁+p₂)/d；

电机在(p₁+p₂)/d为偶数时，转子绕组中第(p₁+p₂)/2d+j组、第3(p₁+p₂)/2d+j组、...、第3n(p₁+p₂)/d+j组...、第(2d-1)(p₁+p₂)/2d+j组线圈反相序连接，与转子绕组中第j组、第(p₁+p₂)/d+j组、...、第n(p₁+p₂)/d+j组...、第(d-1)(p₁+p₂)/d+j组线圈构成电机线圈组，其中n、j为自然数，其中n＜d，1≤j≤(p₁+p₂)/d。

2.根据权利要求1所述的谐波起动型绕线式无刷双馈电机，其特征在于，所述电机每组线圈的多匝子线圈组和少匝子线圈组通过串联的方式构成两条支路，每条支路中包含的多匝子线圈组和少匝子线圈组个数相等，两条支路采用并联的方式连接，且同一线圈的多匝子线圈和少匝子线圈分别处在不同的支路中。

3.根据权利要求1所述的谐波起动型绕线式无刷双馈电机，其特征在于，所述转子的线圈组按照p₃对极进行相带划分，分成多组转子相带线圈组。

4.根据权利要求3所述的谐波起动型绕线式无刷双馈电机，其特征在于，所述多组转子相带线圈组以相带为基本单位分成两组，两组线圈中一组首尾闭合连接，另一组首尾断开。

5.根据权利要求1所述的谐波起动型绕线式无刷双馈电机，其特征在于，所述电机在(p₁+p₂)/d为偶数时，转子绕组中第j组与第(p₁+p₂)/2d+j组线圈的相位角的电角度相差kπ，其中k为奇数，j为自然数，1≤j≤(p₁+p₂)/d。