CN112421837B - 大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构 - Google Patents

大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构，定子、转子均采用三相对称绕组，定子线圈采用整距绕组，每相4个线圈组，每个线圈组电动势幅值大小相等，相邻线圈组同层电流方向相反，定子采用二十四槽的双层叠绕组形式，以定子槽任意一个槽作为起点，顺次定义各定子槽为第一槽至第二十四槽，设定第一槽的下层出线端定义为U1端；第十四槽上层出线端定义为U2端；第二十槽上层出线端口定义为X1端，第十九槽的下层出线端定义为X2端；第五槽下层出线端定义为V1端。本发明使绕组适于交直流两类电源的励磁工况，满足不同设备的电源使用要求，减少了使用单位的设备更换费用。绕组适用于交、直流各两种电压等级，对电源的选择更灵活和方便。本发明适用于现有交流励磁机和直流励磁机通用化要求，有利于制造厂的简化工艺过程。

Description

大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构
技术领域
本发明涉及一种大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构。
背景技术
交流励磁机为大型同步电机主磁极提供磁场能量，是无刷励磁系统的重要组成部分，在轧钢、采矿、化工等行业大量应用，具有广阔的市场前景。交流励磁机磁极在定子上，电枢绕组放在转子上，转子有隐极和凸极两种结构形式，其励磁电源分别采用交流和直流两种电源，但两种励磁方式不能同时应用于同一台电机，使用上具有一定局限性，下面对这两种结构的励磁机特点进行分析：
1)直流电源励磁：常规直流电源励磁励磁机为凸极式定子，采用集中安放的励磁绕组，电机的气隙不均匀，机械强度小，一般用于定速低转速电机。目前，许多企业对高速变频调速电机有很大需求，此种励磁机不能满足新产品要求。
2)交流电源励磁：电机的本体结构与绕线式异步电机相同，可认为是电枢式三相交流同步发电机，即定子为隐极励磁磁极，机械强度好，能承受更高转速。定子采用反相序接线，产生的气隙合成磁场旋转方向与电动机转向相反。随着电机转速的增加，电机的转差率s也增加，这样就不会出现电动机的励磁电压为零而使电动机失步的情况,在高速大型无刷励磁领域有较大优势，但目前很多厂家的控制系统基于直流电源，更换时设备费用增高，增加较高成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于大型无刷电机上的交流励磁发电机的定子绕组，既可以使用交流电源励磁，也可以使用直流电源励磁。本发明采用的技术方案为：一种大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构，交流励磁发电机定子线圈采用整距绕组，每相4个线圈组，每个线圈组电动势幅值大小相等，相邻线圈组同层电流方向相反，定子采用二十四槽的双层叠绕组形式，以定子槽任意一个槽作为起点，顺次定义各定子槽为第一槽至第二十四槽，设定第一槽的下层出线端定义为U1端；第十四槽上层出线端定义为U2端；第二十槽上层出线端口定义为X1端，第十九槽的下层出线端定义为X2端；第五槽下层出线端定义为V1端；第十八槽上层出线端定义为V2端，第二十四槽的上层出线端定义为Y1端；第二十三槽的下层出线端定义为Y2端；第九槽下层出线端定义为W1端；第二十二槽上层出线端定义为W2端；第四槽上层出线端定义为Z1端，第三槽下层出线端定义为Z2端，将X2端、Y2端、Z2端接头在电机内部用电缆焊接在一起，作为U2、V2、W2绕组的中性点O2，U1端、U2端、V1端、V2端、W1端、W2端、X1端、Y1端、Z1端引出并分别作为外接电源接头。
电机采用四极一路星接串联交流励磁运行时，将连接片将X1端、U2端短接，用连接片将Y1端、V2端短接；用连接片将Z1端、W2端短接，U1端与电源的U相连接，V1端与电源V相连接，W1端与电源W相连接。
电机采用四极二路星接并联交流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，用连接片将U1端、U2端短接，与电源U相连接；用连接片将V1端、V2端短接，与电源V相连接；用连接片将W1端、W2端短接，与电源W相连接。
电机采用四极一路串联直流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，其中任意两项绕组施加直流电源：当U1端与U2端空接时，V1端与W2端用连接片连接,W1端与V2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端空接时，W1端与U2端用连接片连接,U1与W2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与U2端用连接片连接,U1与V2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连。
电机采用四极二路并联直流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，其中任意两项绕组施加直流电源：当U1端与U2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,W1端与W2端用连接片连接,分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端悬空时，W1端与W2端用连接片连接,U1端与U2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,U1端与U2端，分别与直流电源的正负极相连。
本发明工作原理：
所述无刷励磁机结构与绕线式异步电机结构相似，定子、转子均采用三相对称绕组。交流励磁运行时，定子三相绕组接三相交流调压器，转子与同步电动机的转子同轴。当同步电动机旋转时，拖动励磁机转子同时旋转，励磁机转子绕组上就感应出交流三相电动势，为同步电动机励磁绕组供电。定子线圈采用整距绕组，每相4个线圈组，每个线圈组电动势幅值大小相等，相邻线圈组同层电流方向相反。采用四极一路Y接串联时，将连接片将X1端、U2端短接，用连接片将Y1端、V2端短接；用连接片将Z1端、W2端短接，U1端与电源的U相连接，V1端与电源V相连接，W1端与电源W相连接。相电势等于4个线圈组电动势之和，相电流等于每个线圈组电流。采用四极二路Y接并联时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，用连接片将U1端、U2端短接，与电源U相连接；用连接片将V1端、V2端短接，与电源V相连接；用连接片将W1端、W2端短接，与电源W相连接。相电势等于2个线圈组电势之和，相电流等于每个线圈组电流的2倍。由此可见，电机1路串联时的相电势是2路并联时的2倍，但电流是2路并联时的1半，但各项绕组的功率不变。
直流励磁运行时，将定子三相绕组中的任意一相对应绕组空接，其余两相绕组串联或并联，连接后同相绕组的电流方向一致。当绕组中通有直流励磁电流时，气隙中会形成一个恒定的主磁场，沿圆周N、S极交替排列，形成4个主磁极。当U1端与U2端空接时，V1端与W2端用连接片连接,W1端与V2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端空接时，W1端与U2端用连接片连接,U1与W2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与U2端用连接片连接,U1与V2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连。所述电机四极一路串联直流励磁运行。当U1端与U2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,W1端与W2端用连接片连接,分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端悬空时，W1端与W2端用连接片连接,U1端与U2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,U1端与U2端，分别与直流电源的正负极相连，所述电机四极一路串联直流励磁运行。
本发明的有益效果为：
1)本发明励磁机采用特殊设计方案，使其可在交流和直流两种励磁电源下运行，能代替现有交流励磁机和直流励磁机，提高了励磁机的通用性。
2)本发明的使用寿命及操作方式和相应励磁机一样，与现有直流励磁机相比，具有更高机械强度，可用在更高转速电机上。与交流励磁机比，在仅有直流励磁电源的场所，可以降低设备厂的电源改造成本。
3)与绕组并联路数相对应，每种电源有两种电压等级的选择，电源选择更方便。
4)本发明选择整极距，满足交流励磁运行条件，同时使直流励磁时的定子磁场更合理，电气性更能好。
5)本发明只用一套绕组绕组，嵌线简单，与现有直流励磁机相比，加工工序少，产品可靠性高。
6)本发明提出的绕组接线方式，减少了励磁机的种类，利于制造厂励磁机的标准化。
附图说明
图1为绕组排列示意图。
图2为四极一路交流励磁绕组接线图。
图3为四极二路交流励磁绕组接线图。
图4为四极一路直流励磁绕组接线图。
图5为四极二路直流励磁绕组接线图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于大型无刷电机上的交流励磁发电机的定子绕组，既可以使用交流电源励磁，也可以使用直流电源励磁，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1绕组排列示意图所示，定子采用二十四槽的双层叠绕组绕线形式，以定子任一槽为起点，顺次定义各定子槽为第一槽至第二十四槽，设定第一槽的下层出线端定义为U1端；第十四槽上层出线端定义为U2端；第二十槽上层出线端口定义为X1端，第十九槽的下层出线端定义为X2端；第五槽下层出线端定义为V1端；第十八槽上层出线端定义为V2端，第二十四槽的上层出线端定义为Y1端；第二十三槽的下层出线端定义为Y2端；第九槽下层出线端定义为W1端；第二十二槽上层出线端定义为W2端；第四槽上层出线端定义为Z1端，第三槽下层出线端定义为Z2端。将X2端、Y2端、Z2端接头在电机内部用电缆焊接在一起，作为U2、V2、W2绕组的中性点O2。U1端、U2端、V1端、V2端、W1端、W2端、X1端、Y1端、Z1端引出并分别作为外接电源接头。
电机采用四极一路星接串联交流励磁运行时，将连接片将X1端、U2端短接，用连接片将Y1端、V2端短接；用连接片将Z1端、W2端短接，U1端与电源的U相连接，V1端与电源V相连接，W1端与电源W相连接。接线如图2所示。
电机采用四极二路星接并联交流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，用连接片将U1端、U2端短接，与电源U相连接；用连接片将V1端、V2端短接，与电源V相连接；用连接片将W1端、W2端短接，与电源W相连接。接线如图3所示。
电机采用四极一路串联直流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，其中任意两项绕组施加直流电源：当U1端与U2端空接时，V1端与W2端用连接片连接,W1端与V2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端空接时，W1端与U2端用连接片连接,U1与W2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与U2端用连接片连接,U1与V2端用连接片连接,分别与直流电源的正负极相连。以W1端和W2端空接为例，接线如图4所示。
所述电机采用四极二路并联直流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，其中任意两项绕组施加直流电源：当U1端与U2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,W1端与W2端用连接片连接,分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端悬空时，W1端与W2端用连接片连接,U1端与U2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,U1端与U2端，分别与直流电源的正负极相连。以W1端和W2端空接为例，接线如图5所示。
以上内容描述了本发明的基本原理和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施的限制。在不脱离本发明原理的前提下，还能做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构，其特征是：定子、转子均采用三相对称绕组，交流励磁运行时，采用四极一路或四极二路的交流接线方式，直流励磁运行时，将定子三相绕组中的任意一相对应绕组空接，其余两相绕组串联或并联，采用四极一路或四极二路的直流接线方式，定子线圈采用整距绕组，每相4个线圈组，每个线圈组电动势幅值大小相等，相邻线圈组同层电流方向相反，定子采用二十四槽的双层叠绕组形式，以定子槽任意一个槽作为起点，顺次定义各定子槽为第一槽至第二十四槽，设定第一槽的下层出线端定义为U1端；第十四槽上层出线端定义为U2端；第二十槽上层出线端口定义为X1端，第十九槽的下层出线端定义为X2端；第五槽下层出线端定义为V1端；第十八槽上层出线端定义为V2端，第二十四槽的上层出线端定义为Y1端；第二十三槽的下层出线端定义为Y2端；第九槽下层出线端定义为W1端；第二十二槽上层出线端定义为W2端；第四槽上层出线端定义为Z1端，第三槽下层出线端定义为Z2端，将X2端、Y2端、Z2端接头在电机内部用电缆焊接在一起，作为U2、V2、W2绕组的中性点O2，U1端、U2端、V1端、V2端、W1端、W2端、X1端、Y1端、Z1端引出并分别作为外接电源接头。
2.根据权利要求1所述的大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构，其特征是：电机采用四极一路星接串联交流励磁运行时，将连接片将X1端、U2端短接，用连接片将Y1端、V2端短接; 用连接片将Z1端、W2端短接，U1端与电源的U相连接，V1端与电源V相连接，W1端与电源W相连接。
3.根据权利要求1所述的大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构，其特征是：电机采用四极二路星接并联交流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，用连接片将U1端、U2端短接，与电源U相连接；用连接片将V1端、V2端短接，与电源V相连接; 用连接片将W1端、W2端短接，与电源W相连接。
4.根据权利要求1所述的大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构，其特征是：电机采用四极一路串联直流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，其中任意两项绕组施加直流电源：当U1端与U2端空接时，V1端与W2端用连接片连接,W1端与V2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端空接时，W1端与U2端用连接片连接,U1与W2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与U2端用连接片连接,U1与V2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连。
5.根据权利要求1所述的大型无刷电机上的交流励磁发电机定子绕组结构，其特征是：电机采用四极二路并联直流励磁运行时，将X1端、Y1端、Z1端接头用连接片连接在一起，其中任意两项绕组施加直流电源：当U1端与U2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,W1端与W2端用连接片连接,分别与直流电源的正负极相连；当V1端与V2端悬空时，W1端与W2端用连接片连接,U1端与U2端用连接片连接，分别与直流电源的正负极相连；当W1端与W2端空接时，V1端与V2端用连接片连接,U1端与U2端，分别与直流电源的正负极相连。
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