CN101039057A - 一种交流无刷双馈电机 - Google Patents

Abstract

一种交流无刷双馈电机，属于交流电机领域，目的在于克服现有无刷双馈调速电动机的缺陷，本发明包括定子和转子，定子绕组由具有p₁和p₂两种不同极对数的变极绕组构成；转子上布置有绕线型绕组，绕线型绕组线圈之间的接法对于极对数p₁或p₂均为普通m相对称绕组，放置绕线型绕组线圈的转子槽数Z满足关系式Z＝p₁+p₂，m为等于或大于2的整数，p₁或p₂为正整数。本发明利用交流电机中关于绕组“齿谐波”的理论来构造转子绕组，使转子绕组有着高导体利用率，只用一套绕组可以完全达到两套绕组的效果，简化电机结构，体积减小，接线方式灵活，线圈制作工艺简单，特别适用于大型电机。

Description

一种交流无刷双馈电机

技术领域

本发明属于交流电机领域，具体涉及一种交流无刷双馈电机。

背景技术

交流无刷双馈电机适用于变频调速系统，其特点是运行可靠和所需变频器容量小。这种电机定子上有两套绕组，一套极对数为p₁，另一套极对数为p₂。当定子绕组p₁接通电网电源，产生磁极对数为p₁的旋转磁场，转子中感应电流除产生p₁对极磁场外，还产生p₂对极磁场，这两种极对数磁场相对转子而言，旋转方向相反，如这时在定子p₂绕组接变频电源，改变变频电源的频率，就可以改变电机转速。

交流无刷双馈电机也适合做为发电机，用于风力或是水力发电等需要变速恒频输出电能的场合。

《电工技术杂志》，2002年第1期，P.7-P.10中“无刷双馈变频调速电动机的原理及在发电厂辅机拖运中的应用前景”一文介绍了无刷双馈变频调速电动机的工作原理及现有无刷双馈调速系统存在的一些问题。无刷双馈变频调速电动机要想有较好的性能，关键在于转子。近年来研究的转子结构主要有两种，一种为磁阻转子，另一种为笼型短路绕组转子。由于磁阻转子其铁芯必须制成类似凸极的结构，笼型短路绕组转子其绕组必须制成同心式分布短路绕组，在这些条件的限制下，使得这两种转子只能适用于特定的极数，且性能指标与常规交流电机转子相比有相当差距，体积也较大。

发明内容

本发明提供一种交流无刷双馈电机，目的在于克服现有无刷双馈调速电动机的缺陷，该电机采用绕线型转子绕组，与笼型短路绕组转子相比具有更好的技术性能，体积减小、接线方式灵活。

本发明的一种交流无刷双馈电机，包括定子和转子，定子绕组由具有p₁和p₂两种不同极对数的变极绕组构成；其特征在于转子上布置有绕线型绕组，绕线型绕组线圈之间的接法对于极对数p₁或p₂均为普通m相对称绕组，放置绕线型绕组线圈的转子槽数Z满足关系式Z＝p₁+p₂，m为等于或大于2的整数，p₁或p₂为正整数。

所述的一种交流无刷双馈电机，其特征在于p₂＜p₁；转子槽数Z的选择，使得线圈节距y＝1。

本发明依据交流电机中关于绕组“齿谐波”磁动势方面的理论，本发明转子绕组即是按“齿谐波”理论设计的。应该指出的是，这里所说的“齿谐波”是指转子绕组流过电流时产生的齿谐波磁动势，这一点不同于磁阻式无刷双馈电机转子。磁阻式转子主要是利用其凸极结构气隙的不均匀，使沿铁心圆周表面磁阻变化来影响气隙磁通密度的分布而形成谐波的，转子上没有绕组，也不存在转子磁动势。下面具体叙述本发明所依据的原理。

对于实际的交流电机，为放置绕组，一般要在定子或转子铁心表面开槽，将绕组线圈嵌放于槽内。由于这时的绕组线圈导体并非沿铁心表面圆周按理想正弦规律连续分布，根据交流电机绕组理论，对于按极对数p₁设计布置的m相对称绕组线圈，除产生极对数为p₁的基波磁动势外，还将同时产生次数为v＝Z/p₁±1，也即极对数为p₂＝Z±p₁的齿谐波磁动势。

这种齿谐波磁动势有以下两个主要特点：

(1)谐波磁动势绕组系数与基波磁动势绕组系数相等

以整数槽绕组为例，对于v次谐波，正常绕组系数一般表达式为k_dyv＝k_dvk_yv，其中

$k_{\mathrm{dv}}=\frac{\sin v\frac{\mathrm{q\α}}{2}}{q\sin \frac{\mathrm{v\α}}{2}}$

$k_{\mathrm{yv}}=\sin v\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}}$

以上两式中，α＝2p₁π/Z，τ＝Z/(2p₁)，q＝Z/2mp₁，y为用槽数表示的线圈节距。将齿谐波次数v＝2mq±1代入以上两式得

$k_{\mathrm{dv}}=\frac{\sin v\frac{\mathrm{q\α}}{2}}{q\sin \frac{\mathrm{v\α}}{2}}=\frac{\sin (2\mathrm{mq}\±1)\frac{\mathrm{q\α}}{2}}{q\sin \frac{(2\mathrm{mq}\±1)\mathrm{\α}}{2}}=\frac{\sin (\mathrm{q\π}\±\frac{\mathrm{q\α}}{2})}{q\sin (\mathrm{\π}\±\frac{\mathrm{\α}}{2})}=\±k_{d1}$

$k_{\mathrm{yv}}=\sin v\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}}=\sin (2\mathrm{mq}\±1)\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}}=\sin (\mathrm{y\π}\±\frac{\mathrm{y\π}}{2\mathrm{\τ}})=\±k_{y1}$

即有k_dyv＝k_d1k_y1＝k_dy1，k_dy1为对应基波的绕组系数，此式表明齿谐波磁动势绕组系数与基波磁动势绕组系数相等。

还可以证明，次数为v＝2mkq±1(k＝1，2，3，…正整数)等更高阶次的齿谐波，其绕组系数也与基波绕组系数相等，但是齿谐波的阶次越高，影响就越小。

(2)低次齿谐波磁动势与基波磁动势旋转方向相反

齿谐波一般成对出现，例如一阶齿谐波v＝2mq±1，由于其中对应次数v＝2mq-1的齿谐波极对数p₂＝Z-p₁，与对应次数v＝2mq+1的极对数p₂＝Z+p₁相比较少，因而称为低次齿谐波。下面以三相对称整数槽绕组为例分析其磁动势的旋转方向。

对于三相对称绕组的谐波磁动势，每相绕组磁动势分别为

f_Av＝F_φvcosvθcosωt

$f_{\mathrm{Bv}}=F_{\mathrm{\φv}}\cos v(\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$f_{\mathrm{Cv}}=F_{\mathrm{\φv}}\cos v(\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})$

以上三式中，令v＝1，可推导得出三相基波合成磁动势为 $f_1(t,\mathrm{\θ})=\frac{3}{2}{F}_{\mathrm{\φ}1}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ});$ 令v＝2mq-1，同样可推导得出三相齿谐波合成磁动势为 $f_v(t,\mathrm{\θ})=\frac{3}{2}{F}_{\mathrm{\φv}}\cos (\mathrm{\ωt}+(2\mathrm{mq}-1)\mathrm{\θ}),$ 比较上述两式可知，对应v＝2mq-1，极对数为p₂＝Z-p₁的齿谐波磁动势旋转方向与极对数为p₁的基波旋转磁动势旋转方向相反，同样也可以证明极对数为p₂＝Z+p₁的齿谐波磁动势旋转方向与极对数为p₁的基波旋转磁动势旋转方向相同。

上述关于齿谐波理论的两个特点可以用来实现本发明的转子结构。

按无刷双馈电机原理，要求转子绕组能同时产生p₁和p₂两种极对数旋转磁动势，且这两种极对数磁动势的旋转旋转方向相反。根据这样的要求，首先确定所需要功率绕组的极对数p₁，然后根据选择控制绕组的极对数p₂，并按前述反转齿谐波表达式p₂＝Z-p₁，及在满足转子绕组对称性条件的前提下，选取转子槽数Z满足关系式Z＝p₂+p₁。这样就可能使所获得转子绕组同时满足对于极对数p₁和p₂的对称性条件，并同时产生这两种极对数旋转磁动势，且可保证其旋转方向相反。

显然，根据上述关系式p₁＝Z-p₂，不难得知现在的极对数p₁和p₂互为齿谐波；又根据齿谐波绕组系数与基波绕组系数相等的原理，对于用于无刷双馈电机转子绕组，只要针对极对数p₁设计成高绕组系数，那么对于另一个极对数p₂，也就自动具有高绕组系数，也就是说，如果将转子按极对数p₁设计成三相正规60°相带绕组，那么对于极对数p₂，也自然为三相正规60°相带，这时无论极对数p₁或是p₂均会可以有着很高的绕组系数，而做到这一点只需要根据关系式p₁＝Z-p₂适当选取转子槽数Z即可。

本发明利用交流电机中关于绕组“齿谐波”磁动势方面的理论来构造转子绕组，使转子绕组有着高导体利用率，只用一套绕组就可以完全达到两套绕组的效果，达到简化电机结构的目的，该电机体积减小，接线方式灵活。另一方面，本发明线圈节距一般取为y＝1，这种情况下，虽然电机气隙看起来可以是匀气隙，但这样的转子也可以看成类似凸极结构，线圈制作工艺简单，这一点对大型电机是重要的。

附图说明

图1(a)Z＝12，p₁＝7槽号相位图；

图1(b)p₁＝7三相槽号相位分布图；

图2(a)Z＝12，p₂＝5槽号相位图；

图2(b)p₁＝7三相槽号按p₂＝5相位分布图；

图3 Z＝12，p₁/p₂＝7/5，三相绕线转子绕组接线图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明进一步说明。电机转子，其功率绕组极对数为p₁＝7，要求转子绕组为三相对称正规60°相带接法绕组，这时可考虑选取p₂＝5，根据关系式p₁＝Z-p₂，选取转子槽数为Z＝p₁+p₂＝12。

对于Z＝12，p₁＝7，若要求得到三相正规60°相带绕组，可先画出槽号相位图，如图1(a)所示，以此可确定三相槽号分布如图1(b)所示，可以看出，这时对于p₁＝7为三相正规60°相带绕组，绕组分布系数为cos15°＝0.9659；而对于p₂＝5，参见图2，图2(a)为p₁＝5槽号相位图，图2(b)为p₁＝7时确定的三相槽号再按p₂＝5相位重新分布图，可以看出，这时对于p₂＝5也同样为三相正规60°相带绕组，绕组分布系数也为cos15°＝0.9659。这一点符合前述关于“齿谐波”的绕组理论，也说明采用“齿谐波”理论得到的本发明转子绕组有着高的导体利用率，也正是齿谐波转子所独具的特点。

对比图1(b)和图2(b)可以看出，p₁＝7时的A、B、C三相槽号分布相序与p₂＝5时的A、B、C三相槽号分布相序正好相反，这一点也符合前述关于“齿谐波”的绕组理论及与无刷双馈电机转子工作原理的要求。

本例中，转子槽数取为Z＝12，线圈节距取为y＝1，这种情况下，对于极对数p₁或是p₂，线圈短距系数均为0.9659，转子绕组有很高的绕组系数，电机气隙仍可保持为均匀气隙，但另一方面，这样的转子也可以看成类似凸极结构，线圈制作工艺会是很简单，这一点对低速大型电机是重要的，齿谐波绕线转子结构优势也正在于此。

本例中，转子绕组被设计成为了三相，但实际上也可以考虑六相或其它相数的方案，这是因为转子电动势是通过气隙磁场感应而来，各槽导体之间感应电动势存在相位差的缘故，当然如果转子绕组分相方式发生改变，其基波绕组分布系数及谐波含量均会随之发生改变了。

值得注意的是，尽管原理上极对数p₂和转子槽数Z可以任意选择，只要能满足关系式p₁＝Z-p₂，但是为降低控制绕组容量，一般会选择p₂＜p₁，此外为获得高绕组系数并使转子结构简单，对于转子槽数Z的选择，一般考虑能使得线圈节距y＝1为好。

Claims (2)

1.一种交流无刷双馈电机，包括定子和转子，定子绕组由具有p₁和p₂两种不同极对数的变极绕组构成；其特征在于转子上布置有绕线型绕组，绕线型绕组线圈之间的接法对于极对数p₁或p₂均为普通m相对称绕组，放置绕线型绕组线圈的转子槽数Z满足关系式Z＝p₁+p₂，m为等于或大于2的整数，p₁或p₂为正整数。

2.如权利要求1所述的一种交流无刷双馈电机，其特征在于p₂＜p₁；转子槽数Z的选择，使得线圈节距y＝1。

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