专利名称：：远极比变极电动机定子绕组反向法变极方法
技术领域：
：本发明是关于一种远极比变极电动机定子绕组反向法变极方法。远极比变极电动机定子反向法变极技术是电机制造领域的一项关键技术，主要用于电梯电动机、升降电动机、风机、泵类负载的驱动电机等远极比变极电动机的制造。国内目前生产的远极比变极电动机，普遍采用“极幅调制法”或“对称轴线法”进行变极绕组设计(见附件1)。用这种方法设计出的变极电机高速下为120°相带绕组，低速下为180°相带绕组，因而基波绕组系数低，磁势谐波大，电机的制造成本高，运行性能与单速电机相比，相差很大。通过国际联机检索，检得有关变极电机的论文九篇，专利八项。其中远极比变极专利二项，有一项为反向法变极的定子48槽，16/4极电机绕组变极方案(见附件2)。该项专利提出的绕组复杂，具有三种不同跨距，二种不同匝数的线圈，虽然基波绕组系数及谐波与传统的变极方案有所改善，但与单速电机相比差距仍然较大，因此绕组利用率不高，性能仍不够理想。而且这种方法仅适用于极比为4的变极电机。本发明的目的在于提供一种新的反向方法变极绕组的设计方法，提高基波绕组系数，降低磁势谐波，从而减少电机的制造成本，简化制造工艺，改善运行性能。这种方法可适用于任意极比的远极比电机的制造。利用本发明所提供的技术设计绕组变极方案，关键在于如何选定电机可用槽数以及将定子绕组各元件分相和每相元件分组。由电机原理可知，若高速下的槽距角为α1则低速下的槽距角α2＝Kα1(K为极比，规定为低速下磁场极对数与高速下磁场极对数之比，远极比电动机的K＞2)。如果要求二种极数下的绕组均为60°相带，那么对于高速下的二相邻元件，在低速下的磁势相位差根据上述原理必须在m·180°±30°的范围内。这里m为任意自然数。本文所讲角度均为电角度。对远极比电动机，一般取m＝1，则α2必须满足下式150°≤α2≤210°(1)此时，其磁场相位关系如附图一所示。(a)为高速下两元件的磁势相量图，(b)为低速下两元件的磁势向量图。从图(b)中可看到，若将二元件磁势中任意一个反向，如图中虚线所示将F2反向，那么二元件磁势在低速下的相位差则不大于60°，若α2＝180°，则反向后二元件磁势同相位。而要其中一个元件磁势反向，仅需将该元件中的电流反向即可。由条件(1)可求得高速下的槽距角必须满足条件150°/K≤α1≤(210°)/(K)(2)例如对32/4极电机，其极比K＝8，根据条件(2)，4极时定子槽距角α1必须满足下式18.75°≤α1≤26.25°(3)为使4极时为整数槽绕组，取α1＝20°，则定子槽数Z1＝36槽。电机在二种不同速度下的绕组均为60°相带绕组。但是当极比不够大时，根据条件(2)则要求α1过大，定子槽数太少，难以满足实际电机设计的要求。为此，本发明提出改变高速下各相元件的划分法，采用散布绕组或单层绕组，可以获得满意的结果。根据本发明，确定高速下各元件相属时，同一相带各元件之间，在定子园周上依次相差ξ个α1电角度(ξ为≥1的整数)。此时条件(2)便成为150/(Kξ)≤α1≤210°/Kξ(4)ξ＝1为普通双层绕组，高速下为60°相带;ξ＞1为散布绕组，高速下相带宽不大于120°相带，每相带元件数等于q。例如24/6极电机，若取ξ＝2，则6极时定子槽距角只须满足下式18.75°＜α1≤26.25°(5)同样，为使6极时为整数槽绕组，取α1＝20°，则Z1＝54槽。由条件(4)，可求得其他不同极数和极比的定子可用槽数如ξ＝2时8/2极Z1＝18槽16/4极Z1＝36槽32/8极Z1＝72槽40/10极Z1＝90槽等。当ξ与q同为偶数时，高速下除了如上面所介绍的采用散布绕组外，还可采用单层绕组，进一步提高绕组系数。即在高速下对元件分相时，可根据相带最小原则舍去一半槽号不用(可舍去全部偶数槽号或全部奇数槽号)，通过合理选择线圈跨距(节距为奇数)，使同一元件的二元件边，一个在选定的槽号内，另一个在舍去的槽号内。此时，电机全部定子槽均得到充分利用，绕组成为等元件的单层绕组。此时，若ξ＝2，高速下为60°相带;若ξ＞2，高速下相带宽不大于120°。每相带元件数等于q/2。具体绕组排列方法如下1.根据(4)式，确定定子槽数;2.画出二种不同极数下的槽号相位图;3.根据高速下各元件磁势间的相应关系，确定各元件相属。若采用双层绕组，则按照同相带q个元件，在定子园周上依次相差ξα1电角度的原则，划分各元件相属。若与ξ同为偶数，可考虑采用单层绕组，此时，按同一相带(q)/2个元件，在定子园周上依次相差ξ·α1电角度的原则分相，同时舍去一半元件号不用。值得注意的是无论采用双层绕组，还是单层绕组，在根据上述原则分相时，必须使高速下绕组的相带宽尽可能小。4.根据已确定的元件相属，分别在高速和低速槽号相位图上画出每相元件的相位图形。此时必须保证低速下的相带宽不大于60°，二种速度下三相绕组都对称，且至少应保证高、低速下符号相同的一组元件与符号相反的一组元件，在高速下的电势大小相等、相位相同。5、画出相应的元件连接电路。高低速下符号相反的元件组必须在变极时电流方向改变的支路里，符号相同的元件组则在电流方向不变的支路里。作为例子，按照上述方法，设计了方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ三个变极方案。方案Ⅰ，是Z1＝54槽，24/6极电机的变极方案。其绕组排列如附图二和三所示，其具体元件连接电路如附图四。方案Ⅱ，是Z1＝36槽，16/4极电机的变极方案，绕组排列如附图五和附图六所示，元件连接电路如附图七。这二个方案的ξ值均为2，高速下采用的散布绕组。方案Ⅲ，是Z1＝72槽，32/4极电机的绕组变极方案，其绕组排列如附图八和附图九所示，附图十绘出了相应的元件连接电路。这里ξ＝2、q＝6均为偶数，故采用了舍去全部偶数槽元件的方法，取节距为y＝15，全部定子槽均得到充分利用，组成为单层绕组。以上各方案中元件号，由于1号槽的位置是任意的，故这些元件号只具有相对位置意义。定子绕组出线头为6个，转速切换一般只需三个三相接触器。附图一中(a)是高速下相邻二元件磁势的相量图，(b)是低速下相邻二元件的磁势相量图，图中虚线矢量表示将元件2中电流反向后的矢量位置。附图二，是54槽，24/6极电机6极绕组排列向位图。图中元件符号之正负，正者表示该元件的电流由元件的首端进，末端出;负号则相反，表示该元件的电流由末端进，首端出。以后各图中，元件号之正、负含义均与此处相同。附图三，是定子54槽24/6极电机24极的绕组排列图。图中元件符号与附图二中相反者，表示该元件在变极时电流必须反向。附图四，是方案Ⅰ的具体元件连接电路。图中元件之正、负符号以高速下为基准。虚、实线箭头，分别表示低速和高速下的电流方向。图中带园圈的数字代表电机的出线端。以后各元件连接图中元件的符号、箭头以及出线端标志均与此处相同。附图五，是定子36槽，16/4极电机，4极的绕组排列图。附图六，是定子36槽，16/4极电机，16极的绕组排列图。附图七，是方案Ⅱ的具体元件连接电路。附图八，是定子72槽，32/4极电机，4极的绕组排列图。附图九，是定子72槽，32/4极电机，32极的绕组排列图。附图十，是方案Ⅲ的具体元件连接电路。附图十一，是电机的控制电路。图中数字1～6，代表电机的6个出线头。图中所示为2Y/Y电路，即高速下为二路Y连接，低速下为1路Y连接，具体设计时，可以根据负载性质及极比接成其他形式的电路，如2Y/1△，2△/1△等。从上面所举的方案，可以看到，利用本发明所提供的方法，设计的变极绕组具有基波绕组系数高，磁势谐波小等突出的优点。所举三个方案，低速均为60°相带，基波分布系数为0.96，谐波含量与普通单速电机相同。与原来的180°相带绕组相比，谐波大幅度减小，基波分布系数明显提高。方案Ⅰ、Ⅱ，高速下相带宽100°，基波分布系数为0.844，由于采用了散布绕组，其谐波不会大于正规60°相带绕组;方案Ⅲ为单层绕组，高速相带宽60°，基波分布系数为0.96，其谐波与正规60°相带绕组相同。与原来的120°相带相比，绕组系数提高，谐波减小。下面列表给出了采用上面所举方案Ⅰ，设计的24/6极15KW电梯电动机与同容量的现有国产电梯电动机的主要技术数据之对比。表Ⅰ新旧电机主要技术数据对比表</tables>从表中可以看出，采用新的变极方案设计的电梯电动机具有如下突出的优点1.减小了电机体积，节省了原材料，降低了制造成本。电机定子冲片外径由原来的440mm(或445mm)减小到327mm，小了三个机座号。2.电机运行性能改善。6极时效率由83%提高到89%;低速滑差由20%减小到4.6%;电机定子磁势谐波大幅度减少，运行时的振动和噪音将减少。3.简化了工艺。改铜条转子为铸铝转子，工艺简单，可靠性高，制造成本进一步下降。由此可见，采用新变极方案，设计远极比电机，不须新材料、新设备、新工艺，相反，还节省了材料，简化了工艺，改善了运行性能，降低了一半的制造成本。作为实例，运用前面介绍的方案Ⅰ，在国产Y200L1-6-18.5KW单速电机基础上进行改型设计，制造24/6极15KW电梯电动机。原单速电机铁心外径327mm，定子内径230mm，转子内径75mm，气隙0.5mm，铁心长190mm，以及结构型式，防护等级均维持不变。仅改变定、转子槽形以及定子绕组结构。每槽导体数由32改为22，线经由1-1.12与1-1.18并绕，改为2-1.7，定转子槽配合由54/44改为54/86。设计结果，电机各项指标均超过电梯电动机的国家标准，性能参见上表1。比现有YTD系列国产电梯电动机减小了三个机座号。而且电机由开启式改为封闭式，增强了环境适应能力。由此也说明，将本发明用于生产，具有生产普通Y系列电机能力的工厂都可以上马。电机可由Y系列电机派生，通用性好，标准化程度高。权利要求1.一种远极比变极电动机定子绕组反向法变极方法，它在变极时，元件的相属不改变，每相有一半元件的电流方向改变，定子绕组具有六个出线头，其特征是在设计变极方案时，首先设定一个ξ值(ξ≥1的整数)，根据拟设计电机的二种不同极对数及极比，按条件150°/ξK≤α1≤210°/ξK确定定子可用槽数；然后根据高速下各元件的相位关系进行分相，分相的原则是同一相带元件在定子园周上依次相距ξα1电角度，当ξ=1时，为双层绕组，相带为60°，ξ＞1时，为散布绕组，相带不大于120°，若q与ξ同为偶数时，还可舍去全部偶数(或奇数)槽号，取节距为奇数，构成单层绕组，此时，若ξ=2，其相带不大于60°，ξ=4，相带不大于120°；再根据低速下的相位关系，将每相元件分成变极时电流方向改变与不改变的二半，原则是低速下一律取60°相带。2.根据权利要求1所述的变极方法，其特征是在采用单层绕组时，节距的选择应使所有线圈的二元件边，一个在选定的槽号内，另一个在舍去的槽号内。3.根据权利要求1所述的变极方法，其特征是对定子54槽，24/6极电机可采用方案Ⅰ;定子36槽，16/4极电机可采用方案Ⅱ;定子72槽，32/4极电机，可采用方案Ⅲ进行变极绕组设计。4.根据权利要求1所述的变极方法，其特征是在确定各元件的编号时，第一槽的位置可任意选定，因此各元件的编号只具有相对位置的意义。5.根据权利要求1所述的变极方法，其特征是低速下极对数与高速下的极对数之比大于2。全文摘要一种远极比变极电动机定子绕组反向法变极方法，能提高绕组系数，降低磁势谐波，特点是根据150℃/ξK≤α文档编号H02K17/14GK1063977SQ9110662公开日1992年8月26日申请日期1991年1月30日优先权日1991年1月30日发明者罗良才申请人:湖南大学