CN113572292A - 一种交流电机定子低谐波绕组设计方法 - Google Patents

一种交流电机定子低谐波绕组设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于交流电机定子绕组设计技术领域，涉及一种交流电机定子低谐波绕组设计方法，所述交流电机定子低谐波绕组采用三层不等匝组合同心式绕组设计，包括：主绕组设计、补偿绕组设计、主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系及每相绕组在各槽内匝数的确定，每相绕组在不同匝数下占据所有定子槽。通过该三层不等匝组合同心式绕组设计，使得每相绕组在每对极下，磁动势沿着定子槽圆周呈现正弦规律分布，有效削弱了定子磁势谐波，同心式绕组的设计缩短了定子绕组的端部长度，该设计不仅节省定子导线材料，并减少了定子铜耗，还降低了绕组磁势谐波，进而提升电机的运行性能。

Description

一种交流电机定子低谐波绕组设计方法
技术领域
本发明属于交流电机定子绕组设计技术领域，涉及一种交流电机定子低谐波绕组设计方法。
背景技术
提升交流电机的效率，关键是在于降低电机的各种损耗。为了降低电机损耗,国内外学者在双层叠绕组的基础上,提出了若干提升电机效率的定子绕组连接方式,如Δ-Y混接的正弦绕组、单双层混合绕组、低谐波不等匝绕组、分数槽绕组、单双层混合分数槽绕组和单双层低谐波绕组等。
Δ-Y混接的正弦绕组能有效削弱气隙空间谐波磁势,降低杂散损耗,同时具有较高的基波绕组系数,减少线圈实际匝数,能有效降低定子铜耗。单双层混合绕组实际上是双层叠绕组的变形,将双层叠绕组中的同相同槽上、下层线圈层间垫条去掉，合并为单层线圈,同槽不同相的上、下层线圈仍保持为双层槽,并按最短跨距将绕组连接起来,可以节约用铜量,实现电机平均效率的提升。
低谐波不等匝绕组是将槽内导体数量适当分配,使槽电流沿铁心表面按正弦规律分布,得到更接近于正弦形的磁势分布,降低绕组的相带谐波磁势。交流电机采用不等匝低谐波正弦绕组能够提高基波绕组系数，减少谐波含量,在提高电机效率的同时,电机降噪效果明显,经济效益明显,缺陷是绕组设计和绕制较困难。
上述绕组设计均能在一定程度上降低电机的损耗，减小绕组的谐波含量。但针对三层低谐波不等匝绕组的设计，目前研究的并不多，因此，本发明提供一种交流电机定子低谐波绕组的设计方法，采用三层不等匝组合同心式绕组设计，可实现降低绕组内的谐波磁势，达到降低损耗和提升电机性能的目的。
发明内容
本发明提出一种交流电机定子低谐波绕组设计方法，可降低交流电机磁势谐波，减小电机损耗，提升电机的效率。该设计方法采用三层不等匝组合同心式绕组设计，包括：主绕组设计、补偿绕组设计、主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系及每相绕组在各槽内匝数的确定，每相绕组在不同匝数下占据所有定子槽。
主绕组采用单层同心式绕组结构，该主绕组产生矩形波磁动势；补偿绕组采用双层近槽同心式绕组结构，该补偿绕组产生局部矩形波磁动势，主绕组和补偿绕组合后产生阶梯波磁动势。使得电机的磁动势波形更为接近正弦波，进而降低了定子绕组的谐波含量，由于绕组采用的同心式绕组设计，也减少了绕组端部长度，在节省材料的同时，也降低了定子铜耗，提升了电机性能。
本发明采用的具体技术方案为：
一种交流电机定子低谐波绕组设计方法，
所述设计方法采用三层不等匝组合分布式绕组设计；
包括以下步骤：
S1：设计主绕组；
所述主绕组为：三层不等匝绕组中的第一层绕组；
S2：设计补偿绕组；
所述补偿绕组为：三层不等匝绕组的第二层绕组和第三层绕组；
S3：确定主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系；
S4：确定每相绕组在各槽内的匝数。
在上述技术方案的基础上，所述设计方法采用同心式绕组设计。
在上述技术方案的基础上，每相绕组在不同匝数下占据所有定子槽。
在上述技术方案的基础上，所述主绕组为：靠近定子槽底的单层绕组，主绕组采用单层同心式绕组结构，每对极下三相绕组按Y→A→Z→B→X→C的顺序排布。
在上述技术方案的基础上，所述补偿绕组为靠近定子槽口的双层绕组，所述双层绕组各自采用同心式绕组结构，双层绕组间互不叠绕，第二层绕组每对极下三相绕组按C→Z→A→X→B→Y的顺序排布；第三层绕组每对极下三相绕组按A→Y→B→Z→C→X的顺序排布。
在上述技术方案的基础上，所述主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系为：在一对极内，以任一定子槽为起点，顺序定义各定子槽为第1槽至第6q槽，每极每相槽数为q，其中，q＞1，且q为整数；
如果定子槽号用Q表示，则从第1槽开始至第6q槽，每槽内第一层绕组、第二层绕组和第三层绕组的属性关系如式(1)所示，
Figure BDA0003116308380000031
其中，A1表示第一层A相进线端；A2表示第二层A相进线端；A3表示第三层A相进线端；X1表示第一层A相出线端；X2表示第二层A相出线端；X3表示第三层A相出线端；
B1表示第一层B相进线端；B2表示第二层B相进线端；B3表示第三层B相进线端；Y1表示第一层B相出线端；Y2表示第二层B相出线端；Y3表示第三层B相出线端；
C1表示第一层C相进线端；C2表示第二层C相进线端；C3表示第三层C相进线端；Z1表示第一层C相出线端；Z2表示第二层C相出线端；Z3表示第三层C相出线端。
在上述技术方案的基础上，所述每相绕组在各槽内的匝数由以下关系确定，当采用A相一对极时，每槽总匝数为N，在一对极内，以任一定子槽为起点，顺序定义各定子槽为第1槽至第6q槽，每极每相槽数为q，其中，q＞1，且q为整数；
如果定子槽号用Q表示，则从第1槽开始至第6q槽，各槽内A相绕组的匝数关系如式(2)所示，
Figure BDA0003116308380000041
在上述技术方案的基础上，所述补偿绕组的双层绕组采用串联连接。
在上述技术方案的基础上，所述主绕组与补偿绕组采用串联连接。
本发明的有益技术效果如下：
1)采用本发明提出的一种交流电机定子低谐波绕组设计方法所设计的定子绕组，所述交流电机定子低谐波绕组采用三层不等匝组合同心式绕组设计，包括：主绕组设计、补偿绕组设计、主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系及每相绕组在各槽内匝数的确定，每相绕组在不同匝数下占据所有定子槽。通过该三层不等匝组合同心式绕组设计，使得每相绕组在每对极下，磁动势沿着定子槽圆周呈现正弦规律分布，有效削弱了定子磁势谐波。
2)采用本发明提出的一种交流电机定子低谐波绕组设计方法所设计的定子绕组，所述交流电机定子低谐波绕组采用三层不等匝组合同心式绕组设计，减少了绕组端部长度，在节省绕组材料的同时，降低了定子铜耗，实现降低生产成本的同时，也达到节能的目的。
3)本发明提出的一种交流电机定子低谐波绕组设计方法，不仅适用于感应电动机定子绕组设计，也适用于永磁电机及同步发电机的定子绕组设计。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为所提出的一种交流电机定子低谐波绕组示意图。
图2为所提出的主绕组磁动势波形示意图。
图3为所提出的补偿绕组磁动势波形示意图。
图4为所提出的低谐波绕组磁动势波形示意图。
图5为实施例一中应用单层同心式绕组所产生的一对极下磁动势波形示意图。
图6为实施例一中应用双层同心式绕组所产生的一对极下磁动势波形示意图。
图7为实施例一中应用本发明的低谐波绕组所产生的一对极下磁动势波形示意图。
附图标记：
1、单层主绕组；2、双层补偿绕组
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步详细描述。
本发明提出一种交流电机定子低谐波绕组设计方法，可降低交流电机磁势谐波，减小电机损耗，提升电机的效率。该设计方法采用三层不等匝组合同心式绕组设计(如图1所示)，包括：主绕组设计、补偿绕组设计、主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系及每相绕组在各槽内匝数的确定，每相绕组在不同匝数下占据所有定子槽。
主绕组采用单层同心式绕组结构，以q＝2为例，该主绕组产生的磁动势波形如图2所示，其中，I为槽内导条电流，磁动势F＝NI；补偿绕组采用双层近槽同心式绕组结构，以q＝2为例，该补偿绕组产生的磁动势波形如图3所示；主绕组和补偿绕组组合后产生阶梯波磁动势，以q＝2为例，如图4所示，可以看出，主绕组和补偿绕组组合后的电机的磁动势波形更为接近正弦波，从而降低了定子绕组的谐波含量，由于绕组采用的同心式绕组设计，也减少了绕组端部长度，在节省材料的同时，也降低了定子铜耗，提升了电机性能。
本发明所述主绕组为：靠近定子槽底的单层绕组，即三层不等匝绕组中的第一层绕组，该绕组采用同心式绕组结构，每对极下三相绕组按Y→A→Z→B→X→C的顺序排布。所述补偿绕组为：靠近定子槽口的双层绕组，即三层不等匝绕组的第二层绕组和第三层绕组，该双层绕组间各自采用近槽同心式绕组结构，两层绕组间互不叠绕，第二层绕组每对极下三相绕组按C→Z→A→X→B→Y的顺序排布；第三层绕组每对极下三相绕组按A→Y→B→Z→C→X的顺序排布。所述主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系为：在一对极内，以任一定子槽为起点，顺序定义各定子槽为第1槽至第6q槽，每极每相槽数为q(q＞1，且q为整数)，定子槽号用Q表示，则，从第1槽开始至第6q槽，每槽内第一、第二和第三层绕组的属性关系如下如式(1)所示，
Figure BDA0003116308380000061
其中，A1、A2和A3分别表示第一层A相进线端、第二层A相进线端和第三层A相进线端，其他两相的表述方法与A相类同。
所述每相绕组在各槽内的匝数由以下关系确定，以A相一对极为例，每槽总匝数为N，在一对极内，以任一定子槽为起点，顺序定义各定子槽为第1槽至第6q槽，每极每相槽数为q(q＞1，且q为的整数)，如果定子槽号用Q表示，则从第1槽开始至第6q槽，各槽内A相绕组的匝数关系如式(2)所示，
Figure BDA0003116308380000071
所述补偿绕组的双层绕组间采用串联连接，所述主绕组与补偿绕组亦采用串联连接。
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
实施例一：
以36槽4极鼠笼式交流电动机为例，每极每相槽数q＝3，每槽总匝数N＝48，槽间电角度为α＝20°，A、B、C三相绕组中的每相绕组都以一定匝数占据所有定子槽，每一槽内分三层绕组，按图1所示排布主绕组和补偿绕组。单层主绕组每槽的匝数为24，双层补偿绕组的每层匝数为12。对比该电机分别应用单层同心式绕组、双层同心式绕组及本发明提出的低谐波绕组产生的一对极下磁动势波形示意分别如图5、图6和图7所示，从图中可看出应用本发明的低谐波绕组的磁动势波形比单层同心式绕组和双层同心式绕组更接近正弦波。表1为该电机分别应用单层同心式绕组、双层同心式绕组及本发明提出的低谐波绕组产生的一对极下磁动势波形的谐波分析。可以看出本发明提出的低谐波绕组的谐波含量明显低于单层同心式绕组，与双层同心式相比，高次谐波含量也有所降低，尤其可降低17次和19次齿谐波。
表1分别应用单层同心式绕组、双层同心式绕组及本发明提出的低谐波绕组产生的一对极下磁动势波形的谐波分析比较表
Figure BDA0003116308380000072
Figure BDA0003116308380000081
综上所述，采用本发明提出的一种交流电机定子低谐波绕组设计方法，可降低交流电机磁势谐波，减小电机损耗，提升电机的效率。该设计方法采用三层不等匝组合同心式绕组设计(如图1所示)，包括：主绕组设计、补偿绕组设计、主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系及每相绕组在各槽内匝数的确定，每相绕组在不同匝数下占据所有定子槽。主绕组采用单层同心式绕组结构，该主绕组产生矩形波磁动势，补偿绕组采用双层近槽同心式绕组结构，该补偿绕组产生局部矩形波磁动势，主绕组和和补偿绕组合后产生阶梯波磁动势，使得电机的磁动势波形更为接近正弦波，进而降低了定子绕组的谐波含量，由于绕组采用的同心式绕组设计，相应的减少了绕组端部长度，在节省材料的同时，也降低了定子铜耗，提升了电机性能。
实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述设计方法采用三层不等匝组合分布式绕组设计；包括以下步骤：
S1：设计主绕组；
所述主绕组为：三层不等匝绕组中的第一层绕组；
S2：设计补偿绕组；
所述补偿绕组为：三层不等匝绕组的第二层绕组和第三层绕组；
S3：确定主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系；
S4：确定每相绕组在各槽内的匝数。
2.如权利要求1所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述设计方法采用同心式绕组设计。
3.如权利要求2所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：每相绕组在不同匝数下占据所有定子槽。
4.如权利要求3所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述主绕组为：靠近定子槽底的单层绕组，主绕组采用单层同心式绕组结构，每对极下三相绕组按Y→A→Z→B→X→C的顺序排布。
5.如权利要求4所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述补偿绕组为靠近定子槽口的双层绕组，所述双层绕组各自采用同心式绕组结构，双层绕组间互不叠绕，第二层绕组每对极下三相绕组按C→Z→A→X→B→Y的顺序排布；第三层绕组每对极下三相绕组按A→Y→B→Z→C→X的顺序排布。
6.如权利要求5所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述主绕组和补偿绕组在槽内的对应关系为：在一对极内，以任一定子槽为起点，顺序定义各定子槽为第1槽至第6q槽，每极每相槽数为q，其中，q＞1，且q为整数；
如果定子槽号用Q表示，则从第1槽开始至第6q槽，每槽内第一层绕组、第二层绕组和第三层绕组的属性关系如式(1)所示，
Figure FDA0003116308370000021
其中，A1表示第一层A相进线端；A2表示第二层A相进线端；A3表示第三层A相进线端；X1表示第一层A相出线端；X2表示第二层A相出线端；X3表示第三层A相出线端；
B1表示第一层B相进线端；B2表示第二层B相进线端；B3表示第三层B相进线端；Y1表示第一层B相出线端；Y2表示第二层B相出线端；Y3表示第三层B相出线端；
C1表示第一层C相进线端；C2表示第二层C相进线端；C3表示第三层C相进线端；Z1表示第一层C相出线端；Z2表示第二层C相出线端；Z3表示第三层C相出线端。
7.如权利要求6所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述每相绕组在各槽内的匝数由以下关系确定，当采用A相一对极时，每槽总匝数为N，在一对极内，以任一定子槽为起点，顺序定义各定子槽为第1槽至第6q槽，每极每相槽数为q，其中，q＞1，且q为整数；
如果定子槽号用Q表示，则从第1槽开始至第6q槽，各槽内A相绕组的匝数关系如式(2)所示，
Figure FDA0003116308370000022
8.如权利要求7所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述补偿绕组的双层绕组采用串联连接。
9.如权利要求8所述的交流电机定子低谐波绕组设计方法，其特征在于：所述主绕组与补偿绕组采用串联连接。
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