CN113659744A - 一种双向多回路转子绕组无刷双馈电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向多回路转子绕组无刷双馈电机，包括定子和转子，所述定子上布置有两套相互独立的功率绕组Pp和控制绕组Pc，其特征在于：转子中间部位设置有连接中环，所述中环左右两侧分别设置一套倾斜的转子导条，所述中环两侧的转子导条沿中环呈对称设置，且相邻转子导条之间具有等距的齿槽距。本发明可以有效地减少转子磁动势的高次谐波，很好地实现定转子之间的耦合，增加无刷双馈电机的起动转矩，有效降低电机的振动和电磁噪声，提高转子绕组的导体利用率，优化无刷双馈电机的起动特性。

Description

一种双向多回路转子绕组无刷双馈电机
技术领域
本发明属于涉及电机技术领域，具体涉及一种双向多回路转子绕组无刷双馈电机。
背景技术
无刷双馈电机要想有较好的起动性能，关键在于转子。近年来，无刷双馈电机的转子结构主要有磁阻式转子、绕线式转子和特殊转子，其工作原理是对定子绕组产生的两种极对数磁场均可在同一转子回路中同时产生感应电势。其中磁阻式转子起动转矩大，功率密度低，结构简单坚固可靠，但电机振动噪声较大，运行效率低下；绕线式转子具有良好调速性能，但是结构复杂、价格昂贵，不便于维护，同时可靠性较差，难以适应大功率场合的稳定性要求。特殊转子中的斜槽式转子可以有效削弱由于开槽引起的齿谐波磁场，同时通过降低轴向的平均径向电磁力，降低电机振动和噪声等优势受到企业和电机设计人员的青睐。因此相比之下，感应电机具有运行可靠、制造容易、价格低廉、结构简单等诸多优点。
在感应电机中采用斜槽结构，单斜槽转子的导条间会产生横向的电流，额外的轴向力，因此会增加横向电流损耗、附加损耗和附加转矩，导致基波电流降低、轴向力不平衡而产生扭转力矩和扭转振动。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种转子采用双向多回路绕组的无刷双馈电机，可以增加电机起动转矩，有效降低电机的振动和电磁噪声，提高转子绕组的导体利用率，优化电机起动特性。
为实现上述技术目的，本发明提供一种转子采用双向多回路绕组的无刷双馈电机，包括定子和转子，所述定子上布置有两套相互独立的功率绕组Pp和控制绕组Pc，转子中间部位设置有连接中环，所述中环左右两侧分别设置一套倾斜的转子导条，所述中环两侧的转子导条沿中环呈对称设置，且相邻转子导条之间具有等距的齿槽距。
作为本发明的进一步改进：
所述转子导条由多个沿中环周向分布的回型部构成，每个回型部包括多个依次由内至外相互框住的斜框。
每组转子绕组为一根铜条。
由以上技术方案可知，本发明所提供的一种双向多回路转子绕组无刷双馈电机，转子采用双向多回路结构，连接中环左右两侧分别设置一套倾斜的转子导条，两侧的转子导条向相反方向倾斜α角度且错置开一定的齿槽距一一相对放置，起动转矩增大，优化了电机的起动性能；还能够显著削弱高次谐波带来的附加损耗和附加转矩，进一步降低电机的振动和噪声。
附图说明
图1是本发明转子为54槽2/4对极的无刷双馈电机中其4对极的槽号相位和位置图。
图2是本发明转子为54槽2/4对极的无刷双馈电机中其2对极的槽号相位和位置图。
图3是本发明中双向多回路转子绕组(回路数q＝3)的平面展开图。
图4是本发明中双向多回路转子应用于转子54槽的4/8极无刷双馈电机中转子(回路数q＝3)的三维模型图。
图5是本发明中双向多回路转子绕组(回路数q＝4)的平面展开图。
图6是本发明中双向多回路转子应用于转子54槽的4/8极无刷双馈电机的转子(回路数q＝4)的三维模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图4所示的双向多回路转子(回路数q＝3)的三维模型图，转子中间部位设置有连接中环，连接中环左右两侧分别设置一套倾斜的转子导条，连接中环两侧的转子导条向相反方向倾斜α角度且错置开一定的齿槽距一一相对放置。由图1所示，由于上下两段转子错开了一定的齿槽距，因此定子磁场在两段转子中感应的电动势相错了一个电角度，二者不能完全抵消，对连接中环上端转子部分而言，相当于起动时串入了一段负载，于是转子电阻增大。根据感应电机的基本理论和基本公式：
Figure BDA0003207311360000031
Figure BDA0003207311360000032
其中，R'2是转子绕组电阻折算到定子侧的折算值；m1是定子相数；Ωs是同步角速度；U1是定子相电压；R1是定子侧等效电阻；X1σ、X2σ'分别是定子漏电抗、转子漏电抗折算值；Xm是励磁电抗；c是常数。当增加转子电阻时，转子绕组阻值折算到定子侧的折算值R'2也会增加，使起动转矩Tst增大，起动电流Ist减小，因此优化了电机的起动性能。
由图3所示，沿着转子轴向，整个转子被一分为二，成为单独的双向转子绕组，每一段分别沿轴向倾斜一个角度α，倾斜后的槽口会偏移一个定子齿距。两段转子之间存在机电耦合关系，且两段转子分别向相反的方向偏斜，同时，上下两端转子与中间端环的连接处并不重合，而是相错一定齿槽距。
连接中环两侧布置有多相绕组，绕组每相由K组双向多回路结构构成，根据转子槽数和相数确定K的最大值，对于特殊回路结构电机，跨距越大的导体闭环感应出的电流越大，跨距等于一个极距的时候感应电流最大，同时，最内层的导体闭环谐波成分最高，因此考虑导体利用率和各次谐波绕组系数大小，较小的导体闭环可以省略。作为优选，双向多回路转子绕组结构中确定最内层线圈的跨距后，外层线圈依次增加2个槽的跨距。
对于转子54槽的双向多回路转子结构的无刷双馈电机，其对应的槽号相位图和槽号位置图如图3。功率绕组为4对极，控制绕组为2对极的电机，双向多回路无刷双馈电机的转子绕组总相数为6，即电机转子绕组由6个“巢”组成，每“巢”放置3个同心式转子线圈，此处每“巢”的中心的3个转子槽空闲不用。即9个槽中的三根导条跨距分别为8、6、4，在1和9号槽、2和8号槽、3和7号槽各放置一根导条，4、5、6号槽空出不用。采用如图所示的120°相带，即可兼顾4/8极下的运行效果，使两组工况下都具有较好的绕组系数。
一般的转子无刷双馈电机的转子绕组单元形成pr对极磁场，电机转子绕组单元内包含m个占电角度均匀分布的相带。假设第j相转子绕组包含q个同心式结构的转子线圈，其线圈节距依次为y1、y2、、、yp′，由于同心式的结构特点，使得每相转子最外侧的线圈的两个线圈边之间的电角度之差小于
Figure BDA0003207311360000041
由于同心式结构的转子绕组均为一根铜条，故其匝数均为1匝。
当电机转子绕组单元数为k时，取第km相的中轴线作为电角度的0相位线，则第j相第k个线圈产生的磁势v对极谐波。
Figure BDA0003207311360000042
(1)式中，ksv是对v对极谐波的槽口系数，kyv是对v对极来说线圈的短距系数。第j相绕组q个线圈产生的磁势v对极谐波的中轴线重合，故其相绕组所有线圈的磁势的矢量和和算术和相等。则第j相线圈合成磁势的v对极谐波磁动势为：
Figure BDA0003207311360000043
第j相绕组p个线圈产生的磁势v对极谐波的中轴线重合，故其相绕组所有线圈的磁势的矢量和和算术和相等。则第j相转子绕组的v对极谐波磁动势的分布系数为：
Figure BDA0003207311360000044
由于感应电流的对称性，通过各相转子绕组的电流：
Figure BDA0003207311360000045
(4)式中，Ik为每相电流的有效值，ω为电流的角频率。
于是，转子绕组单元各相产生的v对极磁动势的的表达式为：
Figure BDA0003207311360000051
第j相转子v对极谐波磁动势相绕组系数kdpv＝kdvkyv，其中kdv为v对极谐波磁动势的分布系数。对于一般的感应电机而言，v对极谐波的双向绕组系数为：
Figure BDA0003207311360000052
式中，bsk为相邻导条之间的宽度；T为极距。则计算双向绕组后的绕组系数ksdpv＝kdpvksk，由ksk表达式可知，当电机采用倾斜导条时，各次谐波双向绕组系数均为1，导条斜度越大，双向绕组系数越小。
采用双向多回路转子绕组后v对极磁动势的的表达式为：
Figure BDA0003207311360000053
其中
Figure BDA0003207311360000054
由于0＜ksk＜1，可见双向多回路转子绕组对所有v对极谐波均有削弱作用。
表1与表2列出了v对极谐波对应的绕组系数和采用双向多回路绕组后对应的双向绕组系数，分回路数q＝3与q＝4两种情况讨论，可以看出采用双向绕组对基波基本无影响，但可以使各次谐波的绕组系数减小，降低谐波磁动势，且谐波极对数越大，双向多回路绕组对其削弱作用越明显。如表2所示，当谐波极数达到26时，双向多回路绕组系数已达到0.66，对绕组系数的减小接近一半。可知双向多回路转子绕组结构能够显著有效地削弱气隙高次谐波磁场，由此削弱高次谐波带来的附加损耗和附加转矩，降低电机的振动和噪声。因此，采用此种双向多回路转子绕组结构有望实现一种低噪声、低振动、起动性能好的无刷双馈电机。
表1双向多回路转子绕组系数(q＝3)
Figure BDA0003207311360000061
表2双向多回路转子绕组系数(q＝4)
Figure BDA0003207311360000062
本发明可以减少转子磁动势的高次谐波，很好实现定转子之间的耦合，增加无刷双馈电机起动转矩，还能够有效降低电机的振动和电磁噪声，提高转子绕组的导体利用率，优化电机起动特性。
以上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，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种双向多回路转子绕组无刷双馈电机，包括定子和转子，所述定子上布置有两套相互独立的功率绕组Pp和控制绕组Pc，其特征在于：转子中间部位设置有连接中环(1)，所述中环(1)左右两侧分别设置一套倾斜的转子导条(2)，所述中环(2)两侧的转子导条(2)沿中环(2)呈对称设置，且相邻转子导条(2)之间具有等距的齿槽距。
2.根据权利要求1所述的双向多回路转子绕组无刷双馈电机，其特征在于：所述转子导条(2)由多个沿中环(2)周向分布的回型部构成，每个回型部包括多个依次由内至外相互框住的斜框。
3.根据权利要求1所述的双向多回路转子绕组无刷双馈电机，其特征在于：每组转子绕组为一根铜条。
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