一种交流无刷双馈电机及其齿谐波绕线转子分布绕组的设计方法

文档序号:9913999阅读:606来源:国知局
一种交流无刷双馈电机及其齿谐波绕线转子分布绕组的设计方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于交流无刷双馈电机技术领域,更具体地,涉及一种交流无刷双馈电机 及其绕线转子绕组的设计方法。
【背景技术】
[0002]无刷双馈电机采用电网电源和变频电源分别供电,具有运行可靠,要求的变频电 源容量较小,且可采用不同电压等级等特点,既能以电动机变频调速方式运行,又适合作为 发电机,用于风力或是水力变速恒频发电等。
[0003]无刷双馈电机具有良好性能的关键在于转子;从工作原理上来说,转子类型可分 为反应式和感应式,而近年来研究的具体转子结构主要有两种,一种是属于反应式的磁阻 转子,转子铁芯制成类似凸极的结构,其上没有任何导体;另一种是属于感应式的"同心笼" 转子,转子槽内按"同心嵌套"方式放置有多个各自电气独立回路环笼型绕组。这两种转子 结构的提出,推动了无刷双馈电机理论及应用研究的进步,但是这两种转子结构目前还存 在功率密度与常规交流电机相比较低,转子边引起的气隙磁场谐波含量大且随负荷变化, 噪音或振动等性能指标未达到要求等诸多待研究的问题,因而还未能进入商业化工业实际 应用。
[0004] 为解决上述存在的问题,中国专利CN200910061297,CN201 1 10345871, CN201210306373等描述了一种采用绕线转子绕组的无刷双馈电机。这种绕线转子绕组中线 圈节距和匝数的可以灵活选择,高次谐波含量小,有助于得到更高的转子导体利用率,及得 到更多的绕组方案以供取舍,因此,采用这种绕线转子绕组的无刷双馈电机可能会有更好 性能。但是,在另一方面,这种绕线转子绕组与"同心笼"转子绕组相比较,还存在线圈匝数 不同,端部容易无规律重叠,结构复杂臃肿等问题而限制了其应用。

【发明内容】

[0005] 针对技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种交流无刷双馈电机及其绕线转子绕 组的设计方法,旨在解决现有绕线转子绕组为消除谐波造成线圈匝数不等,端部无规律重 叠,结构复杂等问题。
[0006] 本发明提供了一种交流无刷双馈电机,所述交流无刷双馈电机中定子绕组具有P1 和?2两种不同的极对数;转子为绕线式绕组。
[0007] 更进一步地,所述绕线式绕组为齿谐波绕组,所述齿谐波绕组包括齿谐波感应线 圈,所述齿谐波感应线圈是绕在转子齿上的一个闭合线圈,该线圈中的电流由气隙磁场感 应产生。
[0008] 本发明提供了一种基于上述的交流无刷双馈电机的齿谐波绕线转子分布绕组的 设计方法,包括下述步骤:
[0009] (1)获得基本极对数PdPp2;
[0010] (2)根据基本极对数?1和?2获得转子初步齿槽数Zr和相数m r,每个齿对应一个集中 式线圈;所述转子初步齿槽数Zr=mr = pi+P2;
[0011] (3)根据所述转子初步齿槽数获得拓展后新的转子槽数Z = krZr和极距Tr = kr;其 中,kr为正整数,称作裂槽系数,表示原来转子槽Zr的细分程度;
[0012] ⑷将原来的一个集中式线圈转化为nr个分布式线圈,并将nr个分布式线圈依次间 360° 隔α,. 槽距角在转子槽中放置并串联连接;其中,每相分布线圈数nZkr,线圈节距y r〈
[0013] (5)通过对所述系数kr、所述分布线圈数nr和所述线圈节距yr的值进行调整,使得 基本极数PdPp2的绕组系数尽可能高,且其余高次齿谐波磁动势相对幅值尽可能小;
[0014] (6)将上述每相节距yr的nr个线圈调整为节距不等的n r个线圈;并通过节距计算 公式y = yr+nr-(2n-l)获得各个线圈的节距,采用同心式的绕法将每相绕组线圈形成中心线 重合的线圈并放置在转子槽内,将这些线圈串联后自短路联结构成所述齿谐波绕线转子; 其中,η为区间[l,nr]中的整数。
[0015]更进一步地,先根据步骤(1) 一 (6)得到多个不同的转子绕组方案,再将对应相绕 组串联连接成闭合回路,获得叠加后新的转子绕组方案。
[0016] 更进一步地,在步骤(1)中,基本极对数Pl和P2之和Pr = pi+P2为偶数。
[0017] 更进一步地,在步骤(5)中,所说的齿谐波磁动势在原理上具有如下属性:相邻两 个齿谐波磁动势旋转方向相反和所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。
[0018] 更进一步地,在步骤(5)中,对所述线圈节距yr的值进行调整的过程中,需满足yr〈 Tro
[0019] 更进一步地,通过调整线圈节距来削弱高次齿谐波。
[0020] 本发明设计的绕线转子绕组线圈选择合适的节距后,采用同心式的绕法,使得每 相绕组由节距不等,中心线重合的大小线圈串联而成,绕组线圈端部形成多个迭合的平面, 结构形状整齐,同时又可以做到谐波含量小,导体利用率高。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明实施例提供的齿谐波感应线圈的结构示意图;
[0022] 图2是本发明实施例提供的Zr = pr = 4集中式齿谐波绕组布置示意图;
[0023] 图3是本发明实施例提供的kr = 4转子裂槽示意图;
[0024] 图4是本发明实施例提供的80槽2/6极齿谐波绕组展开图;
[0025]图5是本发明实施例提供的84槽4/8极齿谐波绕组展开图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。
[0027] 本发明属于电机技术领域,具体涉及一种交流无刷双馈电机;该电机采用绕线型 转子替换现有的笼型短路绕组转子,以期获得更好的技术性能。
[0028] 本发明提供一种能克服上述缺陷的绕线转子无刷双馈电机,为此提出了一种绕线 转子分布绕组设计方法,所设计的绕线转子绕组线圈选择合适的节距后,采用同心式的绕 法,使得每相绕组由节距不等,中心线重合的大小线圈串联而成,绕组线圈端部形成多个迭 合的平面,结构形状整齐,同时又可以做到谐波含量小,导体利用率高。
[0029] 这种绕线转子绕组的设计方法具体包含如下步骤。
[0030] (1)确定基本极对数口1和口2;
[0031] (2)确定转子初步齿槽数Zr和相数Zr=mr = pi+p2,每个齿对应一个集中式线圈;
[0032] (3)选择系数kr,并确定拓展后新的转子槽数Z = krZr,以及极距Tr = kr;
[0033] (4)选择每相分布线圈数ndkr,以及线圈节距yr,且yr〈Tr,将原来的一个集中式线 360° 圈转化为nr个分布式线圈,这nr个分布线圈依次间隔心=Y槽距角在转子槽中放置并 Z 串联连接;
[0034] (5)进行磁动势谐波分析,调整系数kr和分布线圈数nr,以及线圈节距yr,且y r〈Tr, 使得基本极数PdPp2的绕组系数尽可能高,且其余高次齿谐波磁动势相对幅值尽可能小; [0035] (6)将上述每相节距yr的nr个线圈,改为节距不等的大小线圈。大小线圈节距y = yr +nr-(2n-l)(n为区间[l,nr]中的整数),这样每相绕组线圈可以采用同心式的绕法,形成中 心线重合的大小线圈并放置在转子槽内,然后将这些线圈串联后自短路联结形成闭合回 路。
[0036]本发明所涉及的绕线转子绕组,应用了绕组齿谐波磁动势的概念和交流绕组理论 中线圈"短距"和"分布"的概念,下面首先叙述其原理。
[0037] 1.齿谐波绕组的构成原理与自然属性
[0038]对于本发明涉及的无刷双馈电机,转子绕组产生的齿谐波磁动势是其正常工作的 基础,而这样的齿谐波转子绕组是以齿谐波感应线圈为基本单元构成的。
[0039]齿谐波感应线圈是绕在转子齿上的一个闭合线圈,如图1所示。线圈中的电流由气 隙磁场感应产生。
[0040]构成齿谐波绕组所需要感应线圈的数量与无刷双馈电机定子所具有的两种极对 数有关。假定无刷双馈电机定子绕组具有两种极对数分别为PdPp2,两者之和为转子对应的 等效极对数:Pr = Pl+p2,于是构成齿谐波绕组所需要的转子齿槽数为:Zr = pr = Pl+p2,因为 感应线圈嵌放在每个转子齿上,因此Zr也是感应线圈的个数。这里要注意的是,并不是所有 PdPp2的组合都是合适的,?1和?2的选择必须使得Zr = Pr为偶数,否则这两种极数合成后的 气隙磁场将会不对称。
[0041 ]由这种感应线圈构成的转子绕组,当无刷双馈电机定子Pi或是P2绕组接入交流电 源产生气隙旋转磁场时,所感应产生的转子磁动势中,除含有极对数PdPp2这两种基本谐波 外,还有一系列高次谐波。可以证明,无论是基本谐波还是高次谐波,均只与转子齿数Zr有 关,这些谐波极对数满足关系式p v = kZr±Pl(k=0,l,2,3…),因而被称为齿谐波。
[0042]齿谐波转子绕组中共含有Zr个自闭合的感应线圈,于是可以认为每个线圈自成一 相,也即齿谐波转子绕组的相数mr = Zr = pr。显然,这样构成的齿谐波转子绕组磁动势谐波 中不会含有任何与Zr无关的相带谐波,所产生的全部谐波均为齿谐波。若假定 Pl〈p2,则这些 齿谐波中最小极对数Sp1,也即Pv的集合中不会出现极数小于口:的低次齿谐波。
[0043] 这种齿谐波转子绕组产生的齿谐波磁动势有以下两个自然属性:
[0044] (1)相邻两个齿谐波磁动势旋转方向相反;
[0045] (2)所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。
[0046] 无刷双馈电机定子绕组同时具有PdPp2两种极对数,也要求转子绕组能同时产生 极对数PdPp2且旋转方向相反的磁动势波,并对于两种极对数PdPp2有尽可能高的绕组系 数,而这些要求正好与齿谐波转子绕组的自然属性相符合,因此无刷双馈电机的转子绕组 可利用上述齿谐波磁动势自然属性来进行设计。
[0047] 2.集中式齿谐波绕组
[0048] 上述齿谐波绕组因为每相只有1个闭合的线圈,每个转子槽内有两个线圈边,因而 自然就被称作集中式双层绕组。又因转子等效极对数为Pr,对应的等效转子极距为Tr = Zr/ pr,这时的线圈节距为yr=ir,而称为齿谐波整距线圈,所构成的绕组也称为齿谐波整距绕 组。如果改变线圈节距,使y r〈ir或yr>ir,则分别称为齿谐波短距线圈或齿谐波长距线圈,所 构成的绕组也称为齿谐波短距绕组或齿谐波长距绕组。显然,感应线圈节距改变后,转子槽 数也必须相应增加,不然节距改变后的线圈边无法安置。
[0049] 当上述集中式齿谐波绕组线圈为整距时,磁动势中所有齿谐波绕组系数相等。因 此,相对于极对数PdPp2这两种所需要的基本齿谐波外,其余高次齿谐波相对幅值也较大, 这会严重影响无刷双馈电机性能。一般总是希望在保留基本齿谐波的前提下,尽可能削弱 这些有害的高次齿谐波
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