專利名稱：一種繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用了轉(zhuǎn)子繞組齒諧波磁動勢設(shè) 計(jì)的交流無刷雙饋電機(jī)。
背景技術(shù)：
本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員十分清楚，交流無刷雙饋電機(jī)適用于變頻調(diào)速系 統(tǒng)，其特點(diǎn)是運(yùn)行可靠和所需變頻器容量小等。這種電機(jī)定子上設(shè)有兩套繞 組， 一套極對數(shù)為^，另一套極對數(shù)為P2。當(dāng)定子繞組^接通電網(wǎng)電源，產(chǎn) 生磁極對數(shù)為A的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流除產(chǎn)生^對極磁場外，還產(chǎn)生 / 2對極磁場，這兩種極對數(shù)磁場相對轉(zhuǎn)子而言，旋轉(zhuǎn)方向相反，如這時在定子 P2繞組接變頻電源，改變變頻電源的頻率，就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。
"無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電動機(jī)的原理及在發(fā)電廠輔機(jī)拖動中的應(yīng)用前景"
(電工技術(shù)雜志，2002年第1期，pp.7-IO)—文中介紹了無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速 電動機(jī)的工作原理及現(xiàn)有無刷雙饋調(diào)速系統(tǒng)存在的一些問題。
無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電動機(jī)要想有較好的性能，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子。近年來研 究的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有兩種， 一種為磁阻轉(zhuǎn)子，另一種為籠型短路繞組轉(zhuǎn)子。 由于磁阻轉(zhuǎn)子其鐵芯必須制成類似凸極的結(jié)構(gòu)，籠型短路繞組轉(zhuǎn)子其繞組必 須制成同心式分布短路繞組，在這些條件的限制下，使得這兩種轉(zhuǎn)子只能適 用于特定的極數(shù)，且性能指標(biāo)與常規(guī)交流電機(jī)轉(zhuǎn)子相比有相當(dāng)差距，體積也
交流無刷雙饋電機(jī)也能作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，用于風(fēng)力或水力發(fā)電等需要做 到變速恒頻輸出電能的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于能克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組依據(jù)繞組磁動勢中"齒諧波"與"基波"相伴出現(xiàn)，且旋轉(zhuǎn)方向相反原理設(shè)計(jì)的交 流無刷雙饋電機(jī)。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的交流無刷雙饋電機(jī)，定子上采用了兩套 極對數(shù)分別為/7,和/72的三相繞組；轉(zhuǎn)子則采用多相繞線型繞組，相數(shù)W滿足 關(guān)系式W二(凡+尸2)/mA 其式中，w尸l，當(dāng)^+p2為奇數(shù)時；^=2，當(dāng) A+P2為偶數(shù)時，轉(zhuǎn)子槽沿氣隙圓周均勻分布，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z'滿足關(guān)系式 Z' = "(A+p2)其式中，"為正整數(shù)，轉(zhuǎn)子繞組線圈為多匝結(jié)構(gòu)，每相繞組 線圈數(shù)為"W，各個線圈跨距相等，但是線圈之間的匝數(shù)比值不同，相繞組線 圈數(shù)《"W時，相繞組中所有線圈串聯(lián)后自短路聯(lián)結(jié)。
本發(fā)明所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子相繞組中所有線圈匝數(shù)相等，各個線圈跨距相等， 當(dāng)相繞組線圈數(shù)少于時，相繞組中所有線圈串聯(lián)后自短路聯(lián)結(jié)。
本發(fā)明所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子相繞組中含有反接的線圈且線圈數(shù)少于m^，各個
線圈跨距相等，相繞組中所有槽號相鄰的線圈順序串聯(lián)后自短路聯(lián)結(jié)。 電機(jī)轉(zhuǎn)子槽截面積按其中導(dǎo)體槽滿率相等原則設(shè)計(jì)，當(dāng)采用不等匝線圈
或采用等匝線圈而線圈數(shù)少于m^時，轉(zhuǎn)子為槽截面積大小不等的非均勻槽 形。
本發(fā)明的依據(jù)是交流電機(jī)中關(guān)于繞組"齒諧波"磁動勢方面的理論。應(yīng) 該指出的是，這里所說的"齒諧波"是指轉(zhuǎn)子繞組流過電流時產(chǎn)生的齒諧波 磁動勢，這一點(diǎn)與磁阻式無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子利用沿轉(zhuǎn)子鐵心圓周磁阻變化， 來影響氣隙磁通密度分布而形成諧波的原理有所不同。下面具體敘述本發(fā)明的 原理。
對于實(shí)際的交流電機(jī)，繞組線圈一般嵌放于鐵心表面槽內(nèi)，這樣，繞組線圈導(dǎo)體就并非沿鐵心表面圓周按理想正弦規(guī)律連續(xù)分布。根據(jù)交流電機(jī)繞 組理論，對于按極對數(shù)^設(shè)計(jì)布置的m相對稱繞組線圈，除產(chǎn)生極對數(shù)為/ , 的基波磁動勢外，還將同時產(chǎn)生次數(shù)為V^Z/^土 1，也即極對數(shù)為/ 2-Z土化 的齒諧波磁動勢。
這種齒諧波磁動勢有以下兩個主要特點(diǎn) 1)諧波磁動勢繞組系數(shù)與基波磁動勢繞組系數(shù)相等
這一點(diǎn)很容易證明。以整數(shù)槽繞組為例，對于V次諧波，正常繞組系數(shù)
一般表達(dá)式為&，= 、t ，其中 . 《"
^ —
《sm j
= sm v—— 嚴(yán) 2r
以上兩式中，a二2/ ,;r/Z， r = Z/(2A)，《=Z/2m^，少為用槽數(shù)表
示的線圈節(jié)距。將齒諧波次數(shù)F2呵士 1代入以上兩式得
.《or .— ,，、《a ., ,《《、
a =_^ =_2_ =_2_ = 士a
" .v. (2m《士l)a. , a、一 rfl 《sin j《sin-^- 《sin(;r土Y)
= sin v ~ = sin(2m" ± 1)——=sin(y;r ±——)=±&,,i " 2r 2r 》
即有= =、力，&一為對應(yīng)基波的繞組系數(shù)，此式表明齒諧波磁
動勢繞組系數(shù)與基波磁動勢繞組系數(shù)相等。
2)低次齒諧波磁動勢與基波磁動勢旋轉(zhuǎn)方向相反
齒諧波一般成對出現(xiàn)，例如一階齒諧波^=2"7《± 1，由于其中對應(yīng)次數(shù)K =2m《-l的齒諧波極對數(shù)^2 = 2 —p,，與對應(yīng)次數(shù)v^2^r+l的極對數(shù)p^Z + "相比較少，因而稱為低次齒諧波。下面以三相對稱整數(shù)槽繞組為例分析其磁 動勢的旋轉(zhuǎn)方向。
對于三相對稱繞組的諧波磁動勢，每相繞組磁動勢分別為
= 4 cos v61 cos W
2 2 = F~ cos — i ;r) cos(W —互;r)
4 4
/ck = F~ cos —互兀)cos(紐—^ ;r)
以上三式中，令^=1，可推導(dǎo)得出三相基波合成磁動勢為 /,("^^l^cos(^-^);令v-2m -l，同樣可推導(dǎo)得出三相齒諧波合成磁動勢 為厶( ) = |^.—^ + (2呵-1)6>)，比較上述兩式可知，X寸應(yīng)F2呵—1，極對 數(shù)為z - a的齒諧波磁動勢旋轉(zhuǎn)方向與極對數(shù)為^的基波旋轉(zhuǎn)磁動勢旋 轉(zhuǎn)方向相反，同樣也可以證明極對數(shù)為p^Z + A的齒諧波磁動勢旋轉(zhuǎn)方向與 極對數(shù)為^的基波旋轉(zhuǎn)磁動勢旋轉(zhuǎn)方向相同。
上述關(guān)于齒諧波理論的兩個特點(diǎn)提供了本發(fā)明轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。 按無刷雙饋電機(jī)原理，要求轉(zhuǎn)子繞組能同時產(chǎn)生^和A兩種極對數(shù)旋轉(zhuǎn) 磁動勢，且這兩種極對數(shù)磁動勢的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)這樣的要求，首 先確定所需要功率繞組的極對數(shù)^，然后根據(jù)選擇控制繞組的極對數(shù)化，并 按前述反轉(zhuǎn)齒諧波表達(dá)式/7產(chǎn)Z-pp及在滿足轉(zhuǎn)子繞組對稱性條件的前提下， 選取轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z滿足關(guān)系式/7產(chǎn)Z-^。這樣就可能使所獲得轉(zhuǎn)子繞組同時滿
足對于極對數(shù)A和&的對稱性條件，并同時產(chǎn)生這兩種極對數(shù)旋轉(zhuǎn)磁動勢， 且可保證其旋轉(zhuǎn)方向相反，這時轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)w = = (A + p2)/ (崎=1 ，
當(dāng)Z為奇數(shù)時；m產(chǎn)2，當(dāng)Z為偶數(shù)時)，每相繞組線圈數(shù)則為"k。
顯然，根據(jù)上述關(guān)系式p，Z-A，不難得知現(xiàn)在的極對數(shù)p,和p2互為齒諧波；又根據(jù)齒諧波繞組系數(shù)與基波繞組系數(shù)相等的原理，對于用于無刷雙
饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，只要針對極對數(shù)A設(shè)計(jì)成高繞組系數(shù)，那么對于另一個極
對數(shù)P2，也就自動具有高繞組系數(shù)。
按照以上所述的確可以得到所需要的齒諧波轉(zhuǎn)子繞組。不過，這樣的轉(zhuǎn) 子繞組所產(chǎn)生磁動勢中，除了有用的極對數(shù)^和A齒諧波外，還存在著次數(shù)
為v二2m^士l (》1， 2， 3，…正整數(shù))等更高階次的齒諧波，這些齒諧
波，尤其是其中階次較低的，相對于極對數(shù)^和P2齒諧波磁勢的幅值將會很
大，嚴(yán)重影響無刷雙饋電機(jī)的性能，必須盡可能設(shè)法削弱，以減小其影響。 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，增加轉(zhuǎn)子槽數(shù)，從而使得轉(zhuǎn)子繞組分布效應(yīng)增大是削
弱高次齒諧波一種有效辦法。為保證有用的極對數(shù)^和P2磁勢對稱性，轉(zhuǎn)子
槽數(shù)應(yīng)按z 二 a +p2的整倍數(shù)增加，也即新的轉(zhuǎn)子槽數(shù)z'應(yīng)滿足關(guān)系式
Z' = "Z = "(A+p2) (f 1， 2, 3，…正整數(shù))，這時轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)仍為 m = Z/m4，但每相線圈數(shù)則為m^，其具體連接方式，由以上分析不難得知， 應(yīng)將相繞組中所有槽號相鄰的線圈順序串聯(lián)后再作自短路聯(lián)結(jié)。
但是，另一方面，這樣的分布效應(yīng)也不可避免地會削弱有用的一階齒諧 波。為保證這時的無刷雙饋電機(jī)有著良好的性能，必須設(shè)法使得其轉(zhuǎn)子繞組 所能產(chǎn)生的一階齒諧波磁勢幅值盡可能大，而除此之外的其它高次諧波磁勢 幅值盡可能小。
值得注意的是，若增加槽數(shù)后的全部轉(zhuǎn)子槽仍沿轉(zhuǎn)子圓周均勻分布，且 采用等跨距線圈的情況下，這時轉(zhuǎn)子每相繞組中總會有一些線圈產(chǎn)生的感應(yīng) 電勢是相互抵消的，為保證轉(zhuǎn)子繞組能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的一階齒諧波磁勢就必須 去掉一部分線圈，至于哪些線圈應(yīng)當(dāng)去掉，如上所述，需要遵循極對數(shù)^和A磁勢幅值最大同時其它高次諧波含量最小的原則，依據(jù)繞組磁勢諧波分析 結(jié)果來判定。
采用多匝線圈構(gòu)成的繞線型轉(zhuǎn)子繞組是本發(fā)明的重要特點(diǎn)，這樣做的好 處是不但繞組線圈跨距可以靈活改變，每個線圈的匝數(shù)也可以不同，以達(dá)到 最大程度削弱高次諧波的目的。


圖1本發(fā)明當(dāng)")Z二6，p尸4槽號相位圖；6)p產(chǎn)4三相槽號相位分布圖； 圖2本發(fā)明當(dāng)")Z=6， P2=2槽號相位圖；Wp2=2三相槽號相位分布圖； 圖3本發(fā)明當(dāng)Z二6， /Vp2=4/2，三相繞線轉(zhuǎn)子繞組接線圖； 圖4本發(fā)明當(dāng)Z二54， p2=2三相槽號相位分布圖； 圖5本發(fā)明當(dāng)Z二54， p產(chǎn)4槽號相位圖與三相槽號相位分布圖； 圖6本發(fā)明當(dāng)Z=54， /Vp2=4/2去掉一些線圈的繞線轉(zhuǎn)子繞組接線圖； 圖7本發(fā)明當(dāng)Z二54， /Vp2=4/2，尸7不等匝線圈繞線轉(zhuǎn)子繞組接線圖8本發(fā)明當(dāng)Z=54， ；V化=4/2， ^=7具有反接線圈的繞線轉(zhuǎn)子繞組接 線具體實(shí)施方式
下面用實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施。
有一臺齒諧波無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子，其功率繞組極對數(shù)為p產(chǎn)4，選取控制 繞組極對數(shù)為; 2=2，根據(jù)關(guān)系式2=^+^2選取轉(zhuǎn)子槽數(shù)為2=^+^2 = 6，又根 據(jù)關(guān)系式附=2/附* 二(A+; 2)/ —產(chǎn)l，當(dāng)Z為奇數(shù)時；m產(chǎn)2，當(dāng)Z為偶
數(shù)時)，可知轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)m二Z/w尸6/2二3。
對于Z^6， Pl=4， P2=2，附=3的轉(zhuǎn)子繞組，若要求得到具體的接線方式，可先畫出槽號相位圖，如圖1 一所示，以此可確定各相槽號分布如圖1 6)所示，
可以看出，這時對于p產(chǎn)4為三相繞組，若取線圈跨距；;=1，這時相繞組分布 系數(shù)為1;而對于; 2=2，參見圖2 ，圖2 a)為尸2=2槽號相位圖，圖2 6)為p2=4 時確定的三相槽號再按p^2相位重新分布圖，可以看出，這時對于p^2也同 樣為三相繞組，相繞組分布系數(shù)也為1。這一點(diǎn)符合前述關(guān)于"齒諧波"的理 論敘述。
對比圖1 6)和圖2?？梢钥闯?，/ 產(chǎn)4時的A、 B、 C三相槽號分布相序 與p^2時的A、 B、 C三相槽號分布相序正好相反，這一點(diǎn)也符合前述關(guān)于 無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子工作原理的要求。
圖3所示為2=6， p尸4， / 2=2三相繞組具體接線方式。
不過，正如前所述，直接按所謂"齒諧波"原理得到的轉(zhuǎn)子繞組，因?yàn)?轉(zhuǎn)子槽數(shù)過少，會含有較多的高次諧波導(dǎo)致電機(jī)過大的振動與噪音，這樣在 實(shí)際中就會難以得到應(yīng)用，為解決這個問題，考慮采用更多的轉(zhuǎn)子槽數(shù)。根 據(jù)前述關(guān)系式Z、"Z二"(^+;72)，取"=9，則新的轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z'^"Z二54，轉(zhuǎn) 子繞組相數(shù)仍為附=Z/mA =3，但這時每相線圈數(shù)則為"附產(chǎn)9 x 2。
增加轉(zhuǎn)子槽數(shù)可顯著削弱轉(zhuǎn)子繞組磁勢高次諧波，但同時所需要的基波 也會不可避免受到削弱。圖4和圖5所示為轉(zhuǎn)子槽數(shù)為Z=54，當(dāng)極對數(shù)^二2 和p「4時的三相線圈槽號相位分布，可以看出，這時的轉(zhuǎn)子繞組相帶寬對于 / 2=2為120。電角度；對于p產(chǎn)4則為240。電角度，繞組分布系數(shù)和槽數(shù)增加前 的》6相比大大降低了。為改善這一點(diǎn)，可以考慮去掉相帶邊緣的一些槽號， 例如，在圖4或是5中去掉如圖中虛線框中的槽號，這樣處理之后，對于P2=2， 相帶寬變?yōu)?7。電角度；對于p產(chǎn)4則變?yōu)?33。電角度，繞組分布系數(shù)顯著提高，選取適當(dāng)線圈跨距，其中高次諧波也可顯著降低。去槽以后新的繞組線 圈具體接線方式為每相繞組中所有槽號相鄰的線圈順序串聯(lián)后再作自短路聯(lián) 結(jié)，如圖6所示。
圖6所示轉(zhuǎn)子繞組有較高的繞阻系數(shù)較低的高次諧波含量，但由于去掉
了較多的槽號，導(dǎo)體利用率較低。為提高導(dǎo)體利用率，并進(jìn)一步降低繞組磁 勢諧波含量，因?yàn)楸景l(fā)明繞組線圈為多匝結(jié)構(gòu)，因此，如前所述，可考慮采
用不等匝線圈。圖7為采用不等匝線圈方案轉(zhuǎn)子繞組的一種接線方式，圖中 槽號上標(biāo)數(shù)字表示相對匝數(shù)比值。
丟掉一部分線圈或采用不等匝線圈往往會造成轉(zhuǎn)子槽滿率不相等，為解 決這一問題，可以將轉(zhuǎn)子槽形按槽滿率相等的原則設(shè)計(jì)成槽截面大小不同的 槽形。
本發(fā)明采用的是繞線型轉(zhuǎn)子繞組，這種類型繞組另一個特點(diǎn)是，線圈之 間的連接可以根據(jù)實(shí)際情況要求靈活采用多種方式。圖8所示為Z=54， p,/ p2=4/2，尸7的一種具有反接線圈連接的轉(zhuǎn)子繞組接線法，這種接線的特點(diǎn)是， 除了諧波含量較低外，A =4繞組系數(shù)也較高，為0.9092，至于A二2的繞組 系數(shù)則為0.4546。
權(quán)利要求
1. 一種繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)，其特征在于定子上布置有兩套繞組極對數(shù)分別為p1和p2的三相繞組；其轉(zhuǎn)子上布置有多相繞線型繞組，相數(shù)m滿足關(guān)系式m＝(p1+p2)/mk式中，mk＝1，當(dāng)p1+p2為奇數(shù)時，mk＝2，當(dāng)p1+p2為偶數(shù)時，轉(zhuǎn)子槽沿氣隙圓周均勻分布，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z′滿足關(guān)系式Z′＝n(p1+p2)式中，n為正整數(shù)，轉(zhuǎn)子繞組線圈為多匝結(jié)構(gòu)，每相繞組線圈數(shù)為nmk，各個線圈跨距相等，但是線圈之間的匝數(shù)比值不同，相繞組線圈數(shù)≤nmk時，相繞組中所有線圈按槽號順序依次串聯(lián)后自短路聯(lián)結(jié)。
2. 按權(quán)利要求1所述的一種繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)，其特征是電機(jī)轉(zhuǎn) 子相繞組中所有線圈匝數(shù)相等，各個線圈跨距相等，當(dāng)相繞組線圈數(shù)<^^ 時，相繞組中所有線圈按槽號順序依次串聯(lián)后串聯(lián)后自短路聯(lián)結(jié)。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的一種繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)，其特征是電機(jī)轉(zhuǎn)子相繞組中含有反接的線圈且線圈數(shù)<"附0各個線圈跨距相等，相繞組 中所有線圈串聯(lián)后自短路聯(lián)結(jié)。
4. 按權(quán)利要求l所述的一種繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)，其特征是電機(jī)轉(zhuǎn) 子槽截面積按其中導(dǎo)體槽滿率相等原則設(shè)計(jì)，當(dāng)采用不等匝線圈或采用等匝 線圈而線圈數(shù)〈m^時，轉(zhuǎn)子為槽截面積大小不等的非均勻槽形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)，本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明的交流無刷雙饋電機(jī)，定子上采用了兩套極對數(shù)分別為p₁和p₂的三相繞組；轉(zhuǎn)子則采用多相繞線型繞組，相數(shù)m滿足關(guān)系式m＝(p₁+p₂)/m_k其式中，m_k＝1，當(dāng)p₁+p₂為奇數(shù)時；m_k＝2，當(dāng)p₁+p₂為偶數(shù)時，轉(zhuǎn)子槽沿氣隙圓周均勻分布，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z′滿足關(guān)系式Z′＝n(p₁+p₂)其式中，n為正整數(shù)，轉(zhuǎn)子繞組線圈為多匝結(jié)構(gòu)，每相繞組線圈數(shù)為nm_k，各個線圈跨距相等，但是線圈之間的匝數(shù)比值不同，相繞組線圈數(shù)≤nm_k時，相繞組中所有線圈串聯(lián)后自短路聯(lián)結(jié)。本發(fā)明的好處是不但繞組線圈跨距可以靈活改變，每個線圈的匝數(shù)也可以不同，以達(dá)到最大程度削弱高次諧波的目的。
文檔編號H02K3/28GK101510702SQ20091006129
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者王雪帆, 舒迪憲 申請人:華中科技大學(xué);中國長江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠