專利名稱：一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)，特別是關(guān)于一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)。

背景技術(shù)：
繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)是一種轉(zhuǎn)子上設(shè)有交流繞組，并通過(guò)滑環(huán)與電刷引出的異步電機(jī)。通過(guò)電力電子變換器或可調(diào)電阻箱適當(dāng)控制這種電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的幅值、頻率、相位與相序，可使之在同步轉(zhuǎn)速上下的一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，而其定子繞組則直接接在頻率與電壓基本恒定的電網(wǎng)上。由于其中需要控制的轉(zhuǎn)子功率與轉(zhuǎn)差率成正比，對(duì)于許多典型的工業(yè)負(fù)載而言，調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際所需的控制功率僅為負(fù)載功率的很小一部分。因此，繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)在變速恒頻雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、可調(diào)速水力發(fā)電機(jī)組和抽水蓄能電動(dòng)—發(fā)電機(jī)組，以及礦山、冶金、化工和電力等行業(yè)中的起重機(jī)械和拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)有的繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般采用隱極結(jié)構(gòu)的分布繞組。在該類轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝中，面臨一些固有的困難。例如線圈端部焊接工藝復(fù)雜，絕緣處理和綁扎固定難度大，造成轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)工效和運(yùn)行可靠性較低。由于轉(zhuǎn)子每槽導(dǎo)體數(shù)少，繞組匝數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)大，使得設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)開路電壓較為困難。
值得注意的是，在水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)等交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案中，普遍采用了凸極集中繞組結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵谥圃旃に嚿贤箻O磁極與集中繞組的裝配更加牢固，轉(zhuǎn)子繞組絕緣性能好，電機(jī)運(yùn)行的可靠性較高。將凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用于繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)是一項(xiàng)非常有意義的嘗試。寧玉泉的“雙饋?zhàn)兯偻箻O同步電機(jī)”公開了一種采用分裂凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的雙饋電機(jī)，其基本思想是將同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的P對(duì)磁極中的每一個(gè)凸極都分裂為m2個(gè)小凸極，并在各小凸極上套一個(gè)交流線圈，組成m2相對(duì)稱交流繞組。如果向轉(zhuǎn)子交流繞組中通入頻率為轉(zhuǎn)差頻率fs的m2相對(duì)稱交流電流，則可形成相對(duì)于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)。該轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速用于彌補(bǔ)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電流頻率決定的同步轉(zhuǎn)速之差，從而保證轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于定子總是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
具有分裂凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻運(yùn)行的基本功能，但也還存在著一些困難有待克服。首先，由于分裂凸極轉(zhuǎn)子上小凸極極靴的寬度僅為極距的倍(αp為整凸極的極弧系數(shù)，αp≈0.65～0.75)。與傳統(tǒng)同步電機(jī)相比，分裂凸極轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)幅值損失較大，造成了轉(zhuǎn)子繞組利用率低、勵(lì)磁損耗大等問(wèn)題。因此分裂凸極轉(zhuǎn)子僅適合于兩相轉(zhuǎn)子繞組。其次，2相勵(lì)磁的分裂凸極轉(zhuǎn)子，將產(chǎn)生基波以及各奇數(shù)次空間諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。這些諧波磁動(dòng)勢(shì)中含有豐富的6k-3(k為自然數(shù))諧波，它們?cè)诙ㄗ永@組中感應(yīng)出諧波感應(yīng)電勢(shì)，使得定子相電勢(shì)波形發(fā)生明顯的畸變，呈現(xiàn)明顯的三相不對(duì)稱性。如果將定子三相繞組聯(lián)結(jié)成角接，則在定子繞組中將出現(xiàn)明顯的諧波環(huán)流，導(dǎo)致定子繞組銅損耗和溫升急劇增大。因此，該類電機(jī)的定子三相繞組不宜接成角接，使電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合受到一定的限制。例如，一臺(tái)八極三相雙饋異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子采用兩相16個(gè)小凸極。當(dāng)轉(zhuǎn)子通入兩相對(duì)稱交流勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)差率s＝0.2時(shí)，不考慮定子開槽的影響，三相定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)呈現(xiàn)明顯的差異(如圖1a～c所示)。
綜上所述，采用凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為改進(jìn)繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)開辟了新的途徑。然而，凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)中的電磁作用機(jī)理比普通同步和異步電機(jī)更加復(fù)雜。如何提高轉(zhuǎn)子繞組的利用率，并推廣到三相轉(zhuǎn)子，還有待進(jìn)一步深入的探討。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種具有較高的轉(zhuǎn)子繞組利用率和較好的定、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)波形的凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，它包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，所述定子由開槽硅鋼片疊制的電樞鐵心和鑲嵌于鐵心槽內(nèi)的m1相P對(duì)極對(duì)稱交流繞組組成；所述轉(zhuǎn)子含有在圓周上均勻分布的np個(gè)凸形磁極以及背部軛鐵，在所述每個(gè)凸極極身上嵌套有交流線圈，其特征在于所述轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np滿足2P<np<4P。
所述轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np同時(shí)也是轉(zhuǎn)子相數(shù)m2的冪函數(shù)。如果將磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)表示為則轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np滿足其中qp≠cm2，qn為一個(gè)取值范圍為2qp/m2<qn<4qp/m2的自然數(shù)，k，c為非負(fù)整數(shù)即k，c為0或正整數(shù)。
所述轉(zhuǎn)子的每個(gè)凸極上只套一個(gè)交流線圈，np個(gè)凸極對(duì)應(yīng)了np個(gè)線圈，所述線圈按照其所在凸極的中心線在氣隙磁場(chǎng)中的相對(duì)位置被分成m2組，每組中的所述線圈根據(jù)其所在磁場(chǎng)的極性連結(jié)成相繞組，所述轉(zhuǎn)子m2相繞組中通入m2相對(duì)稱交流電流。
所述轉(zhuǎn)子繞組中通入電流的頻率fs為轉(zhuǎn)差頻率，即fs＝sf1，其中f1為所述定子電流頻率，其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速n1＝60f1/P，轉(zhuǎn)差率s＝(n1-n)/n1，n為所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
所述轉(zhuǎn)子的整個(gè)圓周被均勻地劃分為k個(gè)單元電機(jī)，其中k為所述轉(zhuǎn)子凸極個(gè)數(shù)np與極對(duì)數(shù)P的最大公約數(shù)，則每一所述單元電機(jī)中含有P＇＝P/k對(duì)極和n′p＝np/k個(gè)轉(zhuǎn)子凸極。
當(dāng)所述定子繞組采用60°相帶，且任意一相所述定子繞組在所述單元電機(jī)中的2P＇個(gè)相帶組全部串聯(lián)連接時(shí)，其中P＇個(gè)N極性相帶組采用正向串聯(lián)，P＇個(gè)S極性相帶組采用反向串聯(lián)，不同單元電機(jī)中的同相繞組各部分之間采用串聯(lián)或并聯(lián)。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明中平均每個(gè)磁極的凸極個(gè)數(shù)為一個(gè)介于1與2之間的分?jǐn)?shù)，因此其具有較高的轉(zhuǎn)子繞組利用率，當(dāng)轉(zhuǎn)子采用三相交流勵(lì)磁時(shí)，其繞組利用率比分裂極轉(zhuǎn)子提高了幾乎一倍，使得轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗大幅度減小，解決了分裂凸極轉(zhuǎn)子雙饋電機(jī)運(yùn)行效率較低的問(wèn)題。2、由于本發(fā)明明顯地改善了定子繞組相感應(yīng)電勢(shì)的波形和三相對(duì)稱性，定子三相繞組既可以采用星接方式，也可以采用角接方式。3、本發(fā)明的轉(zhuǎn)子凸極數(shù)目明顯少于分裂凸極轉(zhuǎn)子凸極數(shù)，有利于縮小電機(jī)的徑向尺寸，簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，并提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。本發(fā)明可以廣泛用于各種變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、水力發(fā)電機(jī)組和工業(yè)領(lǐng)域的調(diào)速系統(tǒng)中。



圖1a～c是分裂凸極轉(zhuǎn)子雙饋電機(jī)的定子繞組三相電勢(shì)波形圖 圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的定、轉(zhuǎn)子繞組的相帶與極性劃分示意圖 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中各轉(zhuǎn)子線圈軸線的空間位置矢量分布圖 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的定子繞組雙層疊繞的連接示意圖 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的轉(zhuǎn)子繞組連接實(shí)施例 圖7是本發(fā)明實(shí)施例的定、轉(zhuǎn)子座標(biāo)示意圖
具體實(shí)施例方式 如圖2所示，本發(fā)明包括定子1和轉(zhuǎn)子2兩個(gè)主要部分。定子1與普通交流電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同，由開槽硅鋼片疊制的定子鐵心11和鑲嵌于鐵心槽內(nèi)的相數(shù)為m1，極對(duì)數(shù)為P的定子繞組12共同組成。轉(zhuǎn)子2與普通凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似，轉(zhuǎn)子2上的凸極個(gè)數(shù)為np，np個(gè)凸形磁極21在背部軛鐵22圓周上均勻分布，且凸形磁極21上套有交流線圈23，但轉(zhuǎn)子磁極上取消了常規(guī)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中的阻尼繞組。
凸極轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np滿足 2P<np<4P (1) 即凸極個(gè)數(shù)np多于磁場(chǎng)極數(shù)，但少于磁場(chǎng)極數(shù)的兩倍。定義平均每極的凸極個(gè)數(shù)qp＝np/(2P)，則由(1)式可知qp是一個(gè)介于1和2之間的分?jǐn)?shù) 1<qp<2 (2) 平均每極的凸極個(gè)數(shù)qp滿足式(1)或式(2)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)被稱為“分?jǐn)?shù)凸極”轉(zhuǎn)子。傳統(tǒng)的凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的平均每極凸極個(gè)數(shù)qp＝1，而分裂凸極雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的平均每極的(小)凸極個(gè)數(shù)qp＝2，3或更多。
本發(fā)明中轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np同時(shí)也是轉(zhuǎn)子相數(shù)m2的冪函數(shù)。如果將磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)寫成其中qp≠cm2(k，c為非負(fù)整數(shù)即k，c為0或者正整數(shù))，則轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np應(yīng)當(dāng)滿足 其中，qn是一個(gè)自然數(shù)。將和式(3)代入式(1)，可得qn的取值范圍 2qp/m2<qn<4qp/m2 (4) 本發(fā)明提出的凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)中轉(zhuǎn)子的每個(gè)凸極上只套一個(gè)交流線圈，np個(gè)凸極對(duì)應(yīng)了np個(gè)交流線圈。這些交流線圈按照其所在凸極的中心線在氣隙磁場(chǎng)中的相對(duì)位置被分成m2組，每組中的交流線圈再根據(jù)其所在磁場(chǎng)的極性連接成一相繞組。m2相轉(zhuǎn)子繞組中通入m2相對(duì)稱交流電流，其頻率為轉(zhuǎn)差頻率fs＝sf1，其中f1為定子電流頻率，與之對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速n1＝60f1/P，轉(zhuǎn)差率s＝(n1-n)/n1，n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)差頻率為負(fù)值時(shí)表示m2相轉(zhuǎn)子電流為反相序。
當(dāng)定、轉(zhuǎn)子繞組皆為3相對(duì)稱繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子凸極個(gè)數(shù)np的選取須遵從下述的規(guī)律對(duì)于2極電機(jī)，np＝3；對(duì)于4極電機(jī)，np＝6；對(duì)于6極電機(jī)，np＝9；對(duì)于8極電機(jī)，np＝9，12，15；對(duì)于10極電機(jī)，np＝12，15，18；對(duì)于12極電機(jī)，np＝15，18，21等等。
本發(fā)明的整個(gè)圓周可以被均勻地劃分為k等份，其中k為轉(zhuǎn)子凸極個(gè)數(shù)np與極對(duì)數(shù)P的最大公約數(shù)，被稱為單元電機(jī)數(shù)。每個(gè)電機(jī)等份被稱為單元電機(jī)，含有P＇＝P/k對(duì)磁場(chǎng)極和n′p＝np/k個(gè)轉(zhuǎn)子凸極。本發(fā)明中的定子繞組采用60°相帶，且任一相定子繞組在單元電機(jī)中的2P＇個(gè)相帶組全部串聯(lián)連接，其中P＇個(gè)N極性相帶組采用正向串聯(lián)，P＇個(gè)S極性相帶組采用反向串聯(lián)。不同單元電機(jī)中的同相繞組之間既可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)。因此，該類電機(jī)定子繞組的每相并聯(lián)支路數(shù)不超過(guò)單元電機(jī)數(shù)。
如前所述，滿足分?jǐn)?shù)凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)要求的轉(zhuǎn)子凸極數(shù)與電機(jī)極數(shù)的配合一般情況下不是唯一?，F(xiàn)以一臺(tái)小容量三相八極九凸極轉(zhuǎn)子異步電機(jī)為例，說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
如圖2、圖3所示，本發(fā)明的實(shí)施例中的定子鐵心在圓周上均勻分布了48個(gè)槽，內(nèi)嵌雙層分布短距三相繞組，其每極每相的槽數(shù)為2，每個(gè)交流線圈的節(jié)距為5；轉(zhuǎn)子選用在圓周上均勻分布的九個(gè)凸極，每個(gè)凸極上嵌套一個(gè)集中交流線圈。
如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例中的九個(gè)交流線圈的軸線在基波電角度空間中，均勻地分布在四個(gè)周期內(nèi)。
如圖5所示，本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)選取適當(dāng)?shù)臉O性，可以將九個(gè)線圈分為三個(gè)極相組，按照凸極的序號(hào)排列，九個(gè)線圈的極相劃分為A，X，Z，C，Z，Y，B，Y，X。顯然，A極相組由-9，1，-2三個(gè)線圈組成；B極相組由-6，7，-8三個(gè)線圈組成；C極相組由-3，4，-5三個(gè)線圈組成。其中線圈序號(hào)前面的負(fù)號(hào)表示該線圈極性反置。
如圖6所示，本發(fā)明的實(shí)施例中的單元電機(jī)數(shù)為1，所以其定子繞組中屬于同一相的線圈應(yīng)當(dāng)全部串聯(lián)，以避免分?jǐn)?shù)次氣隙磁密在繞組中形成內(nèi)部環(huán)流。也就是說(shuō)，該電機(jī)定子繞組的并聯(lián)支路數(shù)等于1。
電機(jī)中轉(zhuǎn)子繞組利用率通常代表了轉(zhuǎn)子繞組的單位安匝數(shù)產(chǎn)生基波磁動(dòng)勢(shì)的能力。本發(fā)明中當(dāng)轉(zhuǎn)子采用三相交流勵(lì)磁時(shí)，其繞組利用率比分裂極轉(zhuǎn)子大幅度提高。
如圖7所示，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，位于1號(hào)凸極的線圈產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)F(x)為一個(gè)矩形波，可以寫成傅立葉級(jí)數(shù)形式。為了使表達(dá)式具有通用形式，不妨取整個(gè)圓周(2P個(gè)磁極，np個(gè)凸極)為一個(gè)空間周期。
其中，各次諧波的幅值為 αp為凸極極靴表面的極弧系數(shù)，iwk為線圈電流與匝數(shù)的乘積。顯然，實(shí)際的基波磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于式(5)中的P次諧波，即n＝P。其對(duì)應(yīng)的正弦波幅值為 由于轉(zhuǎn)子上的np＝qmm2個(gè)線圈被分為m2相，每相含有qm個(gè)線圈。設(shè)屬于同一相繞組的各個(gè)線圈中電流產(chǎn)生的基波磁動(dòng)勢(shì)矢量在空間上各相差θ電角度，則qm個(gè)線圈電流產(chǎn)生的合成基波磁動(dòng)勢(shì)的幅值為 其中，qmiwk代表一相繞組的總勵(lì)磁安匝。顯然，為了維持合成基波磁動(dòng)勢(shì)的幅值不變，電機(jī)的極對(duì)數(shù)P越多，則每相的總勵(lì)磁安匝數(shù)越大。式(8)等號(hào)右面最后兩項(xiàng)三角函數(shù)因子分別代表繞組基波磁動(dòng)勢(shì)的節(jié)距系數(shù)和分布系數(shù)，它們的乘積被統(tǒng)稱為基波繞組系數(shù) 基波繞組系數(shù)ξdp1定量地表征了轉(zhuǎn)子繞組的利用率。對(duì)于普通的凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子，極弧系數(shù)αp≈0.65～0.75，θ＝0°。取αp＝0.75，則ξdp1＝sin
＝0.9239。對(duì)于分裂極雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子，小凸極極靴的寬度僅為極距的倍，取αp＝0.75，θ＝0°，如果m2＝2，則ξdp1＝sin[(αp/m2)×(π/2)]＝sin[(0.75/2)×(π/2)]＝0.5556；如果m2＝3，則ξdp1＝sin[(αp/m2)×(π/2)]＝sin[(0.75/3)×(π/2)]＝0.3827。由此可見(jiàn)，分裂極雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的利用率較低，而且轉(zhuǎn)子相數(shù)越多，繞組的利用率越低。過(guò)低的繞組利用率勢(shì)必導(dǎo)致勵(lì)磁安匝大幅度上升，勵(lì)磁損耗過(guò)大。
本發(fā)明提出的分?jǐn)?shù)凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)子繞組利用率。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)子凸極數(shù)np＝9，極數(shù)2P＝8的雙饋電機(jī)，極弧系數(shù)θ＝20°，qm＝3。取αp＝0.75，則ξdp1＝sin[(0.75×8/9)×(π/2)]×sin(3×20°/2)/[3×sin(20°/2)]＝0.866×0.9598＝0.8312。對(duì)于轉(zhuǎn)子凸極數(shù)np＝12的8極雙饋電機(jī)，θ＝0°，ξdp1＝sin[(0.75×8/12)×(π/2)]＝0.7071。由此可見(jiàn)，分?jǐn)?shù)凸極轉(zhuǎn)子雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用三相交流勵(lì)磁時(shí)，其繞組利用率比分裂極轉(zhuǎn)子提高了幾乎一倍。因此，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗大幅度減小，分裂極轉(zhuǎn)子的一個(gè)主要問(wèn)題得以解決。
因?yàn)槔@線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，因此，對(duì)定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)波形的正弦度一般要求較嚴(yán)。電機(jī)定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)主要源自氣隙磁場(chǎng)的變化。氣隙磁場(chǎng)是轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)和定子磁動(dòng)勢(shì)在氣隙磁導(dǎo)中共同作用的結(jié)果。如果忽略凸極轉(zhuǎn)子造成的電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間氣隙磁導(dǎo)諧波的影響，即認(rèn)為氣隙是均勻的，那么氣隙磁密將與氣隙磁動(dòng)勢(shì)具有同樣的分布規(guī)律。本發(fā)明提出的分?jǐn)?shù)凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)中含有大量的分?jǐn)?shù)次空間諧波。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通入三相對(duì)稱電流時(shí)，將形成不同旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)諧波磁動(dòng)勢(shì)。將分?jǐn)?shù)P/np約簡(jiǎn)為真分?jǐn)?shù)P′/n′p，則P′和n′p分別代表了定轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)子凸極數(shù)的最小周期，即所謂的單元電機(jī)。為了書寫方便，在單元電機(jī)中，仍令P和np表示其中的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)子凸極數(shù)，則鄰相繞組的軸線將互差2Pπ/m2電角度。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組中通入頻率為轉(zhuǎn)差角頻率ωs＝2πfs的三相對(duì)稱交流電流時(shí)，它們產(chǎn)生的第n/P次諧波磁動(dòng)勢(shì)分別為 其合成磁動(dòng)勢(shì)為 由式(11)可知，對(duì)于所有滿足n＝3k-2(k為自然數(shù))的n/P次諧波磁動(dòng)勢(shì)，其三相合成磁動(dòng)勢(shì)只有正向旋轉(zhuǎn)分量 對(duì)于所有滿足n＝3k-1(k為自然數(shù))的n/P次諧波磁動(dòng)勢(shì)，其三相合成磁動(dòng)勢(shì)只有反向旋轉(zhuǎn)分量 對(duì)于所有滿足n＝3k(k為自然數(shù))的n/P次諧波磁動(dòng)勢(shì)，其三相合成磁動(dòng)勢(shì)總是為零 fn(x，t)＝0，n＝3k，k＝1，2，.... (14) 即三相合成磁動(dòng)勢(shì)中將不會(huì)出現(xiàn)3k/P次諧波磁動(dòng)勢(shì)。
在單元電機(jī)中，定子繞組采用普通的整數(shù)槽交流繞組，同一相繞組中同極性線圈相帶組之間正向串聯(lián)，同一相繞組中異極性線圈相帶組之間反向串聯(lián)，而且相鄰?fù)瑯O性線圈相帶組的軸線之間相差2π空間電角度，相鄰異極性線圈相帶組的軸線之間相差π空間電角度。顯然，對(duì)于空間n/P次諧波磁動(dòng)勢(shì)而言，同一相定子繞組中相鄰?fù)瑯O線圈相帶組的軸線相差n/P倍2π空間電角度。
電機(jī)中的定子坐標(biāo)α與轉(zhuǎn)子坐標(biāo)x之間相差一個(gè)隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)角θ，α＝x+θ，轉(zhuǎn)角θ＝ωrt，ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度。將轉(zhuǎn)子第n/P次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)用定子坐標(biāo)表示 其中，n＝3k-1或3k-2，k為任意自然數(shù)。

當(dāng)n＝3k-1時(shí)，ωs前取負(fù)號(hào)；當(dāng)n＝3k-2時(shí)，ωs前取正號(hào)。
在均勻氣隙的假設(shè)前提下，定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)與氣隙磁密和氣隙磁動(dòng)勢(shì)具有相同的分布規(guī)律。設(shè)轉(zhuǎn)子第n/P次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)在A相定子繞組的一對(duì)極下相帶組線圈中的感應(yīng)電勢(shì)為 由P對(duì)極下相帶組線圈合成的A相定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為 利用復(fù)變函數(shù)可以證明，對(duì)于所有n≠kP(k為自然數(shù))，式(17)中的感應(yīng)電勢(shì)皆為零。因此，只有整數(shù)次空間諧波轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在定子繞組中感應(yīng)出的電勢(shì)才能得以保留。由于定子相繞組中異極性線圈相帶組之間反向串聯(lián)，因此偶數(shù)次空間諧波轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在定子相繞組中的感應(yīng)電勢(shì)皆為零。又由式(14)可知，所有3的倍數(shù)次空間諧波轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在定子相繞組中的感應(yīng)電勢(shì)也為零，因此，只有基波和6k±1(k為自然數(shù))次整數(shù)次空間諧波轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)才能夠在定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)的三相交流繞組一般已采取短距、分布等措施有效地削減了6k±1次空間諧波磁場(chǎng)在繞組中感應(yīng)的諧波電勢(shì)，所以，本發(fā)明中的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)可以在定子繞組中感應(yīng)出波形良好的相電勢(shì)，克服了分裂凸極轉(zhuǎn)子雙饋電機(jī)的定子繞組感應(yīng)電勢(shì)波形較差的問(wèn)題。
一般而言，凸形磁極的極靴表面與定子鐵心內(nèi)圓表面形成的氣隙是非均勻的，在靠近極靴表面中心處氣隙較短，而在極靴表面兩端處氣隙較長(zhǎng)。在轉(zhuǎn)子表面坐標(biāo)系中，如果將凸極中心線處規(guī)定為x＝0，則氣隙長(zhǎng)度δ(x)是一個(gè)以凸極中心距角為周期，而且關(guān)于凸極中心線對(duì)稱的偶函數(shù)。氣隙磁導(dǎo)函數(shù)可以表述為 其中，最右側(cè)等號(hào)右面的第一項(xiàng)表示氣隙磁導(dǎo)的平均分量，而后面各項(xiàng)表示氣隙磁導(dǎo)的諧波分量。各次諧波項(xiàng)的系數(shù)由以下定積分計(jì)算 首先考慮轉(zhuǎn)子第n/P次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與第npl/P次氣隙諧波磁導(dǎo)作用形成的氣隙諧波磁密 式(21)表明，轉(zhuǎn)子第n/P次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與第npl/P次氣隙諧波磁導(dǎo)作用將形成(npl±n)/P次旋轉(zhuǎn)的空間諧波氣隙磁密。對(duì)于定轉(zhuǎn)子皆為三相的分?jǐn)?shù)凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，由其三相定子繞組的性質(zhì)可知，只有整奇數(shù)次旋轉(zhuǎn)的空間諧波氣隙磁密才能在定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。由于在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)中不出現(xiàn)n＝3k(k為自然數(shù))的n/P次諧波，故在式(21)中n≠3k(k為自然數(shù))。另一方面，np＝qmm2＝3qm，所以(npl±n)/P≠3j(j為自然數(shù))。由此可以推斷，即使考慮氣隙諧波磁導(dǎo)的作用，也只有基波和6k±1(k為自然數(shù))次整數(shù)次空間諧波轉(zhuǎn)子磁密才能夠在定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。
其次，考慮定子第v次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與第npl/P次氣隙諧波磁導(dǎo)作用形成的氣隙諧波磁密 對(duì)于定、轉(zhuǎn)子皆為三相的分?jǐn)?shù)凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，由于定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)中只存在v＝6k±1次諧波，而np/P是一個(gè)不可約簡(jiǎn)的分?jǐn)?shù)，且np＝qmm2＝3qm，故npl/P是一個(gè)既約分?jǐn)?shù)或3的倍數(shù)的整數(shù)，從而npl/P+v是一個(gè)既約分?jǐn)?shù)或滿足3k±1的整數(shù)。由其三相定子繞組的性質(zhì)可知，只有整奇數(shù)次旋轉(zhuǎn)的空間諧波氣隙磁密才能在定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。因此可以推斷，即使考慮氣隙諧波磁導(dǎo)的作用，定子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁密中只有基波和6k±1(k為自然數(shù))次整數(shù)次空間諧波才能在定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。
電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)共同作用產(chǎn)生的結(jié)果。首先，觀察轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的作用。將轉(zhuǎn)子第n/P次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與第npl/P次氣隙諧波磁導(dǎo)作用形成的氣隙諧波磁密brln用轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系表示 轉(zhuǎn)子氣隙諧波磁密在轉(zhuǎn)子的三相繞組中的感應(yīng)電勢(shì)角頻率皆為轉(zhuǎn)差角頻率ωs。需要特別指出的是，由于轉(zhuǎn)子三相繞組中鄰相繞組的軸線之間在氣隙圓周上相差2Pπ/3電角度，而np＝3qm，因此轉(zhuǎn)子三相繞組中與該項(xiàng)氣隙諧波磁密對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)必然具有相同的幅值。更進(jìn)一步，鄰相感應(yīng)電勢(shì)的相位差等于(2Pπ/3)×(n/P)＝2nπ/3。注意到轉(zhuǎn)子第n/P次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)中，n≠3k(k為自然數(shù))，2nπ/3＝(2j+1)π±π/3，j為自然數(shù)。該相位差等價(jià)于±2π/3，而且相位差的正負(fù)號(hào)恰好補(bǔ)償了氣隙諧波磁密的轉(zhuǎn)向，所以三相感應(yīng)電勢(shì)的相位滿足三相對(duì)稱的要求。
其次，討論定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的作用。將定子第v次諧波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與第npl/P次氣隙諧波磁導(dǎo)作用形成的氣隙諧波磁密bslv用轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系表示 其中，v＝1或6k±1。顯然，只有定子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙基波磁密v＝1才能在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)轉(zhuǎn)差角頻率ωs＝ω1-ωr電勢(shì)，而且該感應(yīng)電勢(shì)滿足三相對(duì)稱條件。由定子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的其他次氣隙諧波磁密將在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出較高頻率的電勢(shì)，但由于定子三相繞組已采取短距、分布等措施對(duì)v＝6k±1次空間諧波進(jìn)行抑制，因此，轉(zhuǎn)子繞組中的諧波電勢(shì)可以被控制在可接受的程度。
權(quán)利要求
1.一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，它包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，所述定子由開槽硅鋼片疊制的電樞鐵心和鑲嵌于鐵心槽內(nèi)的m1相P對(duì)極對(duì)稱交流繞組組成；所述轉(zhuǎn)子含有在圓周上均勻分布的np個(gè)凸形磁極以及背部軛鐵，在所述每個(gè)凸極極身上嵌套有交流線圈，其特征在于所述轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np滿足2P<nn<4P。
2.如權(quán)利要求1所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np同時(shí)也是轉(zhuǎn)子相數(shù)m2的冪函數(shù)。如果將磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)表示為則轉(zhuǎn)子上的凸極個(gè)數(shù)np滿足其中qp≠cm2，qn為一個(gè)取值范圍為2qp/m2<qn<4qp/m2的自然數(shù)，k，c為非負(fù)整數(shù)即k，c為0或正整數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的每個(gè)凸極上只套一個(gè)交流線圈，np個(gè)凸極對(duì)應(yīng)了np個(gè)線圈，所述線圈按照其所在凸極的中心線在氣隙磁場(chǎng)中的相對(duì)位置被分成m2組，每組中的所述線圈根據(jù)其所在磁場(chǎng)的極性連結(jié)成相繞組，所述轉(zhuǎn)子m2相繞組中通入m2相對(duì)稱交流電流。
4.如權(quán)利要求2所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的每個(gè)凸極上只套一個(gè)交流線圈，np個(gè)凸極對(duì)應(yīng)了np個(gè)交流線圈，所述交流線圈按照其所在凸極的中心線在氣隙磁場(chǎng)中的相對(duì)位置被分成m2組，每組中的所述線圈根據(jù)其所在磁場(chǎng)的極性連結(jié)成相繞組，所述轉(zhuǎn)子m2相繞組中通入m2相對(duì)稱交流電流。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子繞組中通入電流的頻率fs為轉(zhuǎn)差頻率，即fs＝sf1，其中f1為所述定子電流頻率，其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速n1＝60f1/P，轉(zhuǎn)差率s＝(n1-n)/n1，n為所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的整個(gè)圓周被均勻地劃分為k個(gè)單元電機(jī)，其中k為所述轉(zhuǎn)子凸極個(gè)數(shù)np與極對(duì)數(shù)P的最大公約數(shù)，則每一所述單元電機(jī)中含有P′＝P/k對(duì)極和n′p＝np/k個(gè)轉(zhuǎn)子凸極。
7.如權(quán)利要求5所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的整個(gè)圓周被均勻地劃分為k個(gè)單元電機(jī)，其中k為所述轉(zhuǎn)子凸極個(gè)數(shù)np與極對(duì)數(shù)P的最大公約數(shù)，則每一所述單元電機(jī)中含有P′＝P/k對(duì)極和n′p＝np/k個(gè)轉(zhuǎn)子凸極。
8.如權(quán)利要求6所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于當(dāng)所述定子繞組采用60°相帶，且任意一相所述定子繞組在所述單元電機(jī)中的2P′個(gè)相帶組全部串聯(lián)連接時(shí)，其中P′個(gè)N極性相帶組采用正向串聯(lián)，P′個(gè)S極性相帶組采用反向串聯(lián)，不同單元電機(jī)中的同相繞組各部分之間采用串聯(lián)或并聯(lián)。
9.如權(quán)利要求7所述的一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其特征在于當(dāng)所述定子繞組采用60°相帶，且任意一相所述定子繞組在所述單元電機(jī)中的2P′個(gè)相帶組全部串聯(lián)連接時(shí)，其中P′個(gè)N極性相帶組采用正向串聯(lián)，P′個(gè)S極性相帶組采用反向串聯(lián)，不同單元電機(jī)中的同相繞組各部分之間采用串聯(lián)或并聯(lián)。
全文摘要
一種凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分。所述定子由開槽硅鋼片疊制的電樞鐵心和鑲嵌于鐵心槽內(nèi)的m1相P對(duì)極對(duì)稱交流繞組成；所述轉(zhuǎn)子含有在圓周上均勻分布的np個(gè)凸形磁極以及背部軛鐵，np滿足2P＜np＜4P，且同時(shí)也是轉(zhuǎn)子相數(shù)m2的冪函數(shù)。在所述每個(gè)轉(zhuǎn)子凸極極身上嵌套一個(gè)交流線圈，np個(gè)凸極對(duì)應(yīng)了np個(gè)交流線圈，所述線圈按照其所在凸極的中心線在氣隙磁場(chǎng)中的相對(duì)位置被分成m2組，每組中的線圈按其所在磁場(chǎng)的極性連結(jié)成相繞組，所述轉(zhuǎn)子m2相繞組中通入頻率為轉(zhuǎn)差頻率的m2相對(duì)稱交流電流。該類電機(jī)可顯著改善凸極繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的運(yùn)行性能，適用于風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電和工業(yè)調(diào)速等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02K1/24GK101369747SQ20081011546
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者柴建云, 宙 張, 姚若萍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)