CN110071589B - 一种反相序级联转子绕组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反相序级联转子绕组，包括转子绕组端环、转子绕组和绕组交叉连接段；所述转子绕组包括左转子绕组和右转子绕组；所述左转子绕组和右转子绕组均为星型连接且两者极对数相等，两者间通过绕组交叉连接段反相序相连导通；所述左转子绕组的左侧与右转子绕组的右侧均设置有转子绕组端环；所述转子绕组端环提供多相转子绕组的中性点；所述绕组交叉连接段用于使左转子绕组和右转子绕组的磁场相对转子转速反向旋转。本发明省去了现有绕线型转子绕组的四个端部，有效地缩短了电机轴向长度，降低了电机的制造成本同时提高电机的动态响应性能，且电机在额定工况下转子发热损耗降低。

Description

一种反相序级联转子绕组
技术领域
本发明属于转子绕组领域，更具体地，涉及一种反相序级联转子绕组。
背景技术
级联式无刷双馈电机由两台极对数分别为pp、pc的异步电机同轴相联，其中极对数为pp的电机定子绕组当作电机功率绕组,而极对数为pc的电机定子绕组当作励磁控制绕组。级联无刷双馈电机的两套转子绕组直接相连，或正相序相连，或反相序相连。当转子绕组正相序相连时，定子功率绕组频率fp与定子控制绕组频率fc和转速nr的关系为
Figure GDA0002297146990000011
当转子绕组反相序相连时，上述关系则变为
Figure GDA0002297146990000012
可见无论是正相序相连或是反相序相连，通过控制绕组频率的调节，都可以实现级联式无刷双馈电机的变速恒频运行或者变频恒速运行。此外，在控制侧使用变频器，可以降低变频器功率等级，大大减小了系统的体积和成本。因此级联无刷双馈电机是一种可靠的无刷电机，在风力发电等领域越来越受到关注。
已有的级联无刷双馈电机均为绕线式异步电机相连，其定转子绕组均为绕线式绕组。CN200710057335.7公开了一种绕线型内转子无刷双馈发电机，其包括发电机主体、定子、转子、风机叶片、轮毂，在发电机主题内设置内转子式发电机和励磁机，二者同轴安装但是独立磁路。其绕线式转子绕组为绕线式波绕组结构、星型连接方式，通过绕组连接线反相序相连。该电机通过控制励磁机侧定子绕组频率，在大型风力发电领域实现了机组的变速恒频运行，具有无刷化、直驱、无齿轮箱、以1/3发电机额定容量的变流励磁装置，可方便调节无功等技术优点。然而绕线式级联无刷双馈电机由于两台电机级联，且两套转子绕组存在4个端部，导致电机轴向长度过长，使得电机制造成本过高；还会使转子转动惯量增加，动态响应较慢；同时轴长过长会带来转子偏振问题。此外，转子绕组端部会增加转子绕组损耗，降低电机整体效率；再者，绕线式转子绕组工艺复杂，维修困难，人工成本与维修成本较高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种反相序级联转子绕组，旨在解决现有的绕线式级联无刷双馈电机因存在4个端部使电机轴向长度较长导致电机制造成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种反相序级联转子绕组，包括：转子绕组端环、转子绕组和绕组交叉连接段；
所述转子绕组包括左转子绕组和右转子绕组；所述左转子绕组和右转子绕组均为直线状导体，且两者极对数相等；所述左转子绕组和右转子绕组均为星型连接且两者极对数相等；所述左转子绕组和右转子绕组均为沿圆周平行且均匀分布的直线状导体，通过绕组交叉连接段反相序相连导通；所述左转子绕组的左侧与右转子绕组的右侧均设置有转子绕组端环；
所述转子绕组端环提供多相转子绕组的中性点；所述绕组交叉连接段用于使左转子绕组和右转子绕组的磁场相对转子转速反向旋转。
所述左转子绕组与右转子绕组的极对数p、相数m及直线状导体数n之间的关系为：
n＝pm
其中，p为任一正整数，m为任一大于1的正整数。
所述每根直线状导体为转子绕组的一相，所述转子绕组中相邻两相的相位差为：
Figure GDA0002297146990000021
其中，
Figure GDA0002297146990000031
为转子绕组中相邻两相的相位差。
所述左转子绕组与右转子绕组导通的导体内电流幅值、相位相同。
所述转子绕组端环、转子绕组和绕组交叉连接段均为导电材料制成，例如铜线、铸铝和铸铜。
所述直线状导体嵌于转子槽内或表贴在转子表面。
所述转子绕组的相数m为：m≤9。
所述转子端环为整体圆环或多段圆弧；当其为多段圆弧时，圆弧的段数k为：k≤p；其中，p为所述左转子绕组与右转子绕组的极对数。
具体的工作原理为：所述转子绕组中的其中一套转子绕组感应产生对称多相电流，经由所述交叉连接段流入另一套转子绕组，两套转子绕组相连导体内电流不相同，但是交叉换位后实现反相序连接，即每一对极下电流空间位置排序正好相反，两侧转子绕组产生磁场相对于转子转速相反。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明每套多相对称转子绕组均采用星型连接方式，并以转子绕组端环作为中性点，两套转子绕组中间通过交叉连接段直接交叉相连实现反相序连接，省去了现有绕线型转子绕组的四个端部，有效地缩短了电机轴向长度，节约了材料，进而降低了电机的制造成本。
2、由于本发明公开的反相序级联转子绕组无需四个端部，电机轴向长度可极大地缩短，进而会减小电机转动惯量，提高电机的动态响应性能；同时电机在额定工况下转子发热损耗降低，提升电机效率的同时简化了电机热管理。
3、本发明中转子绕组为铸体或多股绞线嵌于转子槽内，或为成型导线直接贴于转子表面，使得转子结构大幅简化，易于制造与维护，增长了电机使用寿命，提高了转子可靠性与安全性。
附图说明
图1是本发明提供的六相四极反相序级联转子绕组的结构示意图；
图2是本发明提供的六相反相序级联转子绕组每对极展开图；
图3是本发明提供的六相反相序级联转子绕组槽动势星型图；
图4是本发明提供的其他多相反相序级联转子绕组交叉示意图。
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。
本发明提供了一种反相序级联转子绕组，包括：转子绕组端环1、转子绕组2和绕组交叉连接段3；
所述转子绕组包括左转子绕组21和右转子绕组22；所述左转子绕组21和右转子绕组22均为星型连接且两者极对数相等；所述左转子绕组21和右转子绕组22均为沿圆周平行且均匀分布的直线状导体，两者间通过绕组交叉连接段3反相序相连导通；所述左转子绕组的左侧与右转子绕组的右侧均设置有转子绕组端环1；
所述转子绕组端环1提供多相转子绕组的中性点；所述绕组交叉连接段3用于使左转子绕组21和右转子绕组22的磁场相对转子转速反向旋转。
所述左转子绕组21与右转子绕组22的极对数p、相数m及直线状导体数n之间的关系为：
n＝pm
其中，p为任一正整数，m为任一大于1的正整数。
所述每根直线状导体为转子绕组的一相，转子绕组中相邻两相的相位差为：
Figure GDA0002297146990000041
其中，
Figure GDA0002297146990000051
为转子绕组中相邻两相的相位差。
所述左转子绕组21与右转子绕组22导通的导体内电流幅值、相位相同。
所述转子绕组端环1、转子绕组2和绕组交叉连接段3均为导电材料制成。例如铜线、铸铝和铸铜。
所述直线状导体嵌于转子槽内或表贴在转子表面。若直线状导体为铸体、导线时浅语转子槽内，若直线状导体为成型导线时可贴于转子表面；当直线状导体为铸体时，转子绕组作为实心金属会使得转子更加简单坚固，可提高转子可靠性和安全性。
所述转子绕组2的相数m为：m≤9，过多的相数会使交叉连接段交叠较多，不利于绕组连接。
所述转子绕组端环1为整体圆环或多段圆弧；当其为多段圆弧时，圆弧的段数k为：k≤p；其中，p为所述左转子绕组21与右转子绕组22的极对数。
具体的工作原理为：所述转子绕组中的其中一套转子绕组感应产生对称多相电流，经由所述交叉连接段流入另一套转子绕组，两套转子绕组相连导体内电流不相同，但是交叉换位后实现反相序连接，即每一对极下电流空间位置排序正好相反，两侧转子绕组产生磁场相对于转子转速相反。
图1为本发明提供了六相四极转子绕组结构图，从图1可知，左转子绕组和右转子绕组对数p相等均为2，相数m相等均为6，总导体数n相等均为12，相邻两相之间的相位差
Figure GDA0002297146990000052
为
Figure GDA0002297146990000053
左转子绕组和右转子绕组由交叉连接段3反相序连接，实现左、右电机内磁场相对于转子转速反向旋转。
图2为六相反相序级联转子绕组每对极展开图，左转子绕组21从左到右依次为第一左转子绕组211、第二左转子绕组212、第三转子绕组213、第四转子绕组214、第五转子绕组215和第六转子绕组216，由于六相转子绕组对称，感应电流相位分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°交叉连接段3将第三右转子绕组223与第一左转子绕组211相连、第二右转子绕组222与第二左转子绕组212相连、第四右转子绕组224与第六左转子绕组216相连、第一右转子绕组221与第三左转子绕组213相连、第五右转子绕组225与第五左转子绕组215相连、第六右转子绕组226与第四左转子绕组214相连，交叉连接后，右转子绕组从左到右依次为第三右转子绕组223、第二右转子绕组222、第一右转子绕组221、第六右转子绕组226、第五右转子绕组225和第四右转子绕组224，对应感应电流相位分别为120°、60°、0°、300°、240°和180°；
左转子绕组21的左侧和右转子绕组22的右侧均设置有转子绕组端环1，由于各转子绕组均为六相绕组对称，因此，转子绕组端环为零电位，为六相绕组提供中性点且不流过电流。如图3所示，在每对极下，旋转磁动势由超前相电流所在相绕组轴线转向滞后相电流所在相绕组轴线，上述右转子绕组22相序与左转子绕组21相序正好相反，因此，两者的磁场反向旋转。转子绕组端环1的使用省去了绕组两端的端部，交叉连接段的使用省去了绕组中间的端部，共计省去四个绕组端部，有效地缩短了电机轴向长度，减小电机制造成本；此外，轴向长度的缩减降低了电机的转动惯量，使其机械动态响应更快，更有利于电机的调速；绕组端部的省略也减小了转子绕组电阻，减小了绕组损耗，降低了转子温升，更便于电机热管理。
图4为其它多相反相序级联转子绕组交叉示意图。图中给出了相数由2至9的反相序级联转子绕组，在通过双箭头所示的交叉连接后，均能实现每对极下相序相反，实现右部转子绕组与左部转子绕组的反相序相连。
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 (8)

1.一种反相序级联转子绕组，其特征在于，包括:转子绕组端环(1)、转子绕组(2)和绕组交叉连接段(3)；
所述转子绕组包括左转子绕组(21)和右转子绕组(22)；所述左转子绕组(21)和右转子绕组(22)均为星型连接且两者极对数相等；所述左转子绕组(21)和右转子绕组(22)均为沿圆周平行且均匀分布的直线状导体，两者间通过绕组交叉连接段(3)反相序相连导通；所述左转子绕组的左侧与右转子绕组的右侧均设置有转子绕组端环(1)；
所述转子绕组端环(1)提供多相转子绕组的中性点；所述绕组交叉连接段(3)用于使左转子绕组(21)和右转子绕组(22)的磁场相对转子转速反向旋转；
所述左转子绕组(21)与右转子绕组(22)的极对数p、相数m及直线状导体数n之间的关系为：
n＝pm
其中，p为任一正整数，m为任一大于1的正整数。
2.如权利要求1所述的一种反相序级联转子绕组，其特征在于，所述每根直线状导体为转子绕组的一相，转子绕组中相邻两相的相位差为：
Figure FDA0002400161050000011
其中，
Figure FDA0002400161050000012
为转子绕组中相邻两相的相位差。
3.如权利要求1或2所述的反相序级联转子绕组，其特征在于，所述左转子绕组(21)与右转子绕组(22)导通的导体内电流幅值、相位相同。
4.如权利要求3所述的反相序级联转子绕组，其特征在于，所述转子绕组端环(1)、转子绕组(2)和绕组交叉连接段(3)均为导电材料制成。
5.如权利要求4所述的反相序级联转子绕组，其特征在于，所述直线状导体嵌于转子槽内或表贴在转子表面。
6.如权利要求4或5所述的反相序级联转子绕组，其特征在于，所述转子绕组(2)的相数m为：m≤9。
7.如权利要求6所述的反相序级联转子绕组，其特征在于，所述左转子绕组(21)为六相转子绕组，分别为第一左转子绕组(211)、第二左转子绕组(212)、第三转子绕组(213)、第四转子绕组(214)、第五转子绕组(215)和第六转子绕组(216)，对应感应电流相位分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°；
所述右转子绕组(22)为六相转子绕组，分别为第三右转子绕组(223)、第二右转子绕组(222)、第一右转子绕组(221)、第六右转子绕组(226)、第五右转子绕组(225)和第四右转子绕组(224)，对应感应电流相位分别为120°、60°、0°、300°、240°和180°；
交叉连接段(3)将第三右转子绕组(223)与第一左转子绕组(211)相连、第二右转子绕组(222)与第二左转子绕组(212)相连、第四右转子绕组(224)与第六左转子绕组(216)相连、第一右转子绕组(221)与第三左转子绕组(213)相连、第五右转子绕组(225)与第五左转子绕组(215)相连、第六右转子绕组(226)与第四左转子绕组(214)相连。
8.如权利要求1所述的反相序级联转子绕组，其特征在于，所述转子绕组端环(1)为整体圆环或多段圆弧；当其为多段圆弧时，圆弧的段数k为：k≤p；其中，p为所述左转子绕组(21)与右转子绕组(22)的极对数。
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