專利名稱：高性能交流電機轉子繞組的疊加法聯(lián)結的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于交流電機的轉子繞組的結構和聯(lián)結法，用以解決電動機的起動和調速問題，以及提高同步發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性和過載能力。
1988年先后獲得美國和中國發(fā)明專利權的諧波起動電動機(美國專利號4736147;中國專利號85102382·7)，于1989年上半年試制成功，投入工業(yè)應用。在試制這種新型電動機過程中，看到在轉子上焊接起動電阻Rst是制造中的關鍵工藝，稍不注意，則運行時容易脫焊而發(fā)生事故，因此能否取消起動電阻Rst。而達到轉子電路上無滑環(huán)、無電刷、無觸點和無電阻元件？是一個很有實用意義的問題。
長期以來，公認同步電動機自己不能起動，而不得不借助于裝置阻尼籠來實現(xiàn)異步起動。是否能實現(xiàn)同步電動機也能自己起動？從而取消笨重的阻尼籠，是同步電動機發(fā)展史上的一個重大革命。對同步發(fā)電機，如何降低其瞬變電抗x′d以提高其運行時的動態(tài)穩(wěn)定性和過載能力？一直是一個重大課題。
本發(fā)明的目的在于提出一種稱為“疊加法”的轉子繞組聯(lián)結法，以達到完滿地解決上面提出的三個問題，從而制造出轉子上無電阻元件的諧波起動繞線型異步電動機，以及無阻尼籠的凸極和穩(wěn)極的能自行起動的同步電動機，和動態(tài)穩(wěn)定性很高、動態(tài)過載能力很強的同步發(fā)電機。
本發(fā)明提出的“疊加法”的原理如下對異步電動機說，先按常規(guī)聯(lián)結法把轉子繞組連接成一個對稱多相繞組;對同步電動機說把其勵磁繞組按磁極集中(凸極式電機)或分布(隱極式電機)聯(lián)結;把上述所有繞組統(tǒng)稱為“原繞組”;然后，在“原繞組”上疊加一套分布情況和聯(lián)結方式與“原繞組”完全一樣，但其每個線圈的匝數(shù)與“原繞組”的不同，嵌于“原繞組”所嵌槽中的“疊加繞組”。這時每個槽里都嵌有“原繞組”和“疊加繞組”的線圈邊。把“疊加繞組”和“原繞組”并聯(lián)連接或反接串聯(lián)連接，以達到起動時每槽中的“原繞組”電流和“疊加繞組”電流反相位，因而它們產生的漏磁場部分地互相抵消，相應地每相繞組的有效匝數(shù)減少，其結果使折算到定子的轉子電阻顯著變大，使起動電流減小而起動轉矩增大，改進了起動性能。
下面就異步電動機和同步電動機分別論述具體的繞組聯(lián)結法。
對諧波起動的繞線型異步電動機，作為“原繞組”的轉子繞組，按已申請中國發(fā)明專利的“轉子變極繞組聯(lián)結的多段組合法”(申請?zhí)?8106495·5)聯(lián)結，有下述六種不同聯(lián)結法，現(xiàn)與疊加法一起論述如下1.多個“閉合回路”法把轉子繞組劃分為Pm2段，其中P為基波極對數(shù)，m2＝3、4、5……等整數(shù)，每段繞組串聯(lián)的線圈數(shù)及其空間分布情況和聯(lián)結方式都相同，并且所說Pm2段繞組對稱地分布于轉子圓周上，把全部Pm2段繞組分別串聯(lián)為m2個“閉合回路”，每個“閉合回路”串聯(lián)空間上對稱分布的P段繞組，上述繞組稱為“原繞組”，其每段繞組稱為“原繞組段”。
在上述的每個“原繞組段”上再疊加一個所占槽號和聯(lián)結法與“原繞組段”的完全一樣，但其每個線圈的匝數(shù)與“原繞組段”的不同，嵌于“原繞組段”所嵌槽中，且其首、末端標志和“原繞組段”的一樣的“疊加繞組段”?！隘B加繞組段”每個線圈的匝數(shù)可在1匝、2匝、……一直到比“原繞組段”的少1匝的范圍內按獲得最佳的起動性能選取。這時每一槽內都存在“原繞組段”導體和“疊加繞組段”導體。為提高起動轉矩和起動過程中的最大轉矩，應把“疊加繞組段”導體放于靠近槽底的地方，并且應把每一“疊加繞組段”導體與一“原繞組段”導體緊緊地并排在一起，對扁銅線導體則應左、右放置，切忌上下重疊，以減少每相的漏電抗，提高起動轉矩。
把每一“疊加繞組段”與被其疊加的“原繞組段”并聯(lián)，即二者的首端聯(lián)結在一起，而末端也聯(lián)結在一起。這時，對起動諧波磁場說。每個“閉合回路”內的合成電動勢為零，因而沒有電流，但在每個“疊加繞組段”與被其疊加的“原繞組段”構成的小閉合回路內，由于上述兩種繞組段的匝數(shù)不同，它們的感應電動勢沿小閉合回路內不能互相抵消，因而產生環(huán)流，使槽內的“原繞組段”導體和“疊加繞組段”導體中流著大小相等而方向相反的電流，隨之該小閉合回路的有效匝數(shù)減少，達到顯著提高折算到定子的轉子電阻，從而提高電動機的起動性能。這時每個“繞組段”(包括“原繞組段”和與其并聯(lián)的“疊加繞組段”)構成一相，整個轉子繞組由對稱分布的Pm2相繞組構成。當電動機正常運行時，由基波磁場感應于任一“閉合回路”中每個繞組段(由“原繞組段”和“疊加繞組段”并聯(lián)構成)的電動勢都是同相位、同大小，因而在“閉合回路”內產生環(huán)流，使電動機正常運行。此時兩種繞組段的電流分配原則是各繞組段的電流與其電動勢成正比，而與其等效漏阻抗成反比，由于電動勢與匝數(shù)成正比，等效漏阻抗也可近似地看成與匝數(shù)成正比，因此“原繞組段”電流和“疊加繞組段”電流實際上相等，槽內兩種導體電流實際上同大小、同方向，這說明在正常運行時，兩種繞組段都發(fā)揮了正常作用，和常規(guī)電動機一樣。以上從結構和原理上說明如何應用疊加法來制成轉子上無電阻元件的諧波起動繞線型異步電動機。
2.按基波排列的多支路星形聯(lián)結在上述繞組中，若把m2個“閉合回路”都斷開而成為m2條支路，每條支路沿同一圓周方向標志其首、末端，把所有去路的首端聯(lián)結在一起，剩下的末端也聯(lián)結在一起，便構成有m2條并聯(lián)支路的星形聯(lián)結，隨而可制成轉子上無電阻元件的諧波起動的星形聯(lián)結繞組。
3.定子用基波、轉子上安裝開關的聯(lián)結法在前述兩種聯(lián)結法中，存在一個共同點，即在起動時借助于起動諧波來達到方法1中每個“閉合回路”內合成電動勢為零因而沒有環(huán)流，而方法2中則使星形聯(lián)結每條支路中的合成電動勢為零因而沿支路沒有電流通過。根據(jù)這一點，可在每個“閉合回路”內或m2條并聯(lián)支路中的每條支路都裝置一個離心式開關或一個雙向晶閘管之類的無觸點開關，在電動機起動過程中上述開關都處于斷開狀況，因此電路被切斷而不通，當起動完畢時借助離心力使離心式開關閉合，或借助延時繼電器或轉速反饋來控制晶閘管的觸發(fā)電路，使晶閘管導通，如此使電動機從起動工況進入正常運行工況。在此情況下，僅僅用基波磁場就能順利起動。
4.由多“并聯(lián)組”構成的多“閉合回路”聯(lián)結法把轉子繞組劃分為Qm2段，其中Q為起動諧波極對數(shù)，m2＝3、4、5……等整數(shù)，每段繞組串聯(lián)的線圈數(shù)及其空間分布情況和聯(lián)結方式都相同，并且所說Qm2段繞組對稱地分布于轉子圓周上。把全部Qm2段繞組分別并聯(lián)為m2個“并聯(lián)組”，每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的Q段繞組并聯(lián)。上述繞組稱為“原繞組”，其每個并聯(lián)組稱為“原并聯(lián)組”。
在上述的每個“原并聯(lián)組”上再疊加一個所占槽號和聯(lián)結法與“原并繞組”的完全一樣，但其每個線圈的匝數(shù)與“原并聯(lián)組”的不同，嵌于“原并聯(lián)組”所嵌槽中，且其首、末端標志和“原并聯(lián)組”的一樣的“疊加并聯(lián)組”，把每個“疊加并聯(lián)組”與被其疊加的“原并聯(lián)組”反接串聯(lián)，即把“原并聯(lián)組”的末端和“疊加并聯(lián)組”的末端接在一起，而“疊加并聯(lián)組”的首端則直接或通過一個電阻元件之后與“原并聯(lián)組”的首端接在一起，如此構成一個包含m2個“閉合回路”的轉子繞組，對起動諧波磁場說是一個m2相的對稱系統(tǒng)，顯然，這種轉子繞組可以不接起動電阻元件，但若需要也可連接電阻值很低的起動電阻元件。
在上述聯(lián)結中，由于“原并聯(lián)組”與“疊加并聯(lián)組”是反接串聯(lián)，因此當用諧波起動時，每一槽內“原并聯(lián)組”的導體電流和“疊加并聯(lián)組”的導體電流必定同大小而反方向，因此每相有效匝數(shù)減少和漏電抗變小，從而改進電動機的起動性能。
5.由多“并聯(lián)組”構成的多支路星形聯(lián)結法把上述的m2個“閉合回路”都斷開而得m2條支路，則可把它們聯(lián)結成m2條支路并聯(lián)的星形聯(lián)結。
6.把轉子繞組劃分為2Qm2段時的聯(lián)結法在前述的方法4和方法5中，把轉子繞組被劃分的段數(shù)從Qm2段改為2Qm2段，其中m2＝2、3、4……等整數(shù)，相應地每個“并聯(lián)組”改為由空間上對稱分布的2Q段繞組并聯(lián)而成，但并聯(lián)時采用正反交叉接法，即若將這2Q段繞組沿轉子圓周依次編號并標出每段的首、末端，則并聯(lián)時將奇數(shù)段的首端和偶數(shù)段的末端聯(lián)結在一起，而另一端則將奇數(shù)段的末端和偶數(shù)段的首端聯(lián)結在一起，其他接法同前，不贅述。
對同步電動機說，所謂轉子上的“原繞組”就是通常采用的勵磁繞組，稱為“原勵磁繞組”。下面就轉子為凸極和穩(wěn)極分別充分論述。
7.對凸極式同步電動機的聯(lián)接法凸極式同步電動機的勵磁繞組套在每個凸極上，如所周知，同步電動機自己不能起動，因此必需裝置阻尼籠，當作異步電動機起動，即所謂異步起動。現(xiàn)在，把阻尼籠取消，僅僅在“原勵磁繞組”上再疊加一套“疊加勵磁繞組”，其匝數(shù)與“原勵磁繞組”的不同，同樣地套在每個凸極上，每個凸板上的“疊加勵磁繞組”與被疊加的“原勵磁繞組”并聯(lián)地聯(lián)結在一起，兩繞組從一個并聯(lián)連接點圍繞磁極鐵心而至另一個并聯(lián)連接點的繞行方向相同，因此當直流勵磁電流通過它們時，它們產生于磁極中的磁場是同方向而相加。于是，若從二者構成的小閉合回路來觀察，沿回路某一方向環(huán)行時，則將看到一個繞組是順繞而另一個繞組是反繞。因此，當直流勵磁未投入，勵磁回路斷開時，用基波磁場起動時，兩個繞組的感應電動勢沿小閉合回路看為反相位，由于兩個繞組的匝數(shù)不同，上述兩電動勢不能互相抵消，因而在小閉合回路內產生環(huán)流。每個凸極都各產生這種環(huán)流，結果構成一個多相(其相數(shù)等于凸極個數(shù))對稱系統(tǒng)，其每相有效匝數(shù)很少(等于每極“原勵磁繞組匝數(shù)”與“疊加勵磁繞組匝數(shù)”相減)，漏電抗較小(因上述二種繞組的漏磁場方向相反，部分地互相抵消)，因此能產生較大的起動轉矩把電動機起動，實現(xiàn)無阻尼籠的自行起動，打破長期以來認為同步電動機不能自行起動的舊概念。當轉速上升到接近同步轉速時，只要加上直流勵磁電流便可牽入同步運行;這時“原勵磁繞組”電流和“疊加勵磁繞組”電流都以同方向圍繞凸極，它們產生的磁場直接相加，和常規(guī)同步電動機一樣。顯然，在同步電動機的運行過程中，若發(fā)生振蕩，則前述各極的小閉合回路內將出現(xiàn)環(huán)流，產生阻尼作用。由此可見本發(fā)明提出的同步電動機的勵磁繞組兼有起動和阻尼兩種作用，其電動機不裝阻尼籠，但能用基波磁場順利起動，運行時也有阻尼振蕩的作用，是一種結構極為簡單的新型同步電動機。
8.對隱極式同步電動機的聯(lián)接法隱極式同步電動機的特點是每極的“原勵磁繞組”分散地嵌于若干個槽中，相應地“疊加勵磁繞組”也分散嵌于被疊加的“原勵磁繞組”所嵌的槽中，每極的這兩種繞組并聯(lián)地連接在一起和前面對凸極說的一樣，其作用原理也和前述的一樣。
上述兩種聯(lián)結法的同步電機也可用作發(fā)電機而成為凸極式同步發(fā)電機和隱極式同步發(fā)電機，其特點在于，能調節(jié)“原勵磁繞組”和“疊加勵磁繞組”的匝數(shù)分配及二者的空間相對位置來調節(jié)同步發(fā)電機的參數(shù)，主要是瞬變電抗x′d和超瞬變電抗x″d，使x′d降到很小，以達到提高運行的穩(wěn)定性和加強阻尼振蕩的作用以及提高其動態(tài)過載能力，從而改善同步發(fā)電機的運行性能。
本發(fā)明提出的疊加法聯(lián)結法具有下列優(yōu)點1.用疊加法聯(lián)結的轉子繞組用于諧波起動繞線型異步電動機時，轉子上不需要焊接電阻元件，工藝簡單，加工方便，運行可靠，把諧波起動電機提到一個更高水平，這對小型電機特別重要，因其端部空間不大，裝置電阻元件有較大困難。
2.與裝置電阻元件的諧波起動異步電動機比較，能獲得特別大的起動轉矩，因為疊加法聯(lián)結的轉子，在起動時除了加大轉子電阻之外，還能減小轉子漏電抗，如所周知，轉子漏電抗的減小將使起動轉矩和起動過程中的最大轉矩顯著提高。
3.用疊加法聯(lián)結勵磁繞組的凸極式和隱極式同步電動機都能夠不裝阻尼籠也能順利起動，實現(xiàn)了同步電動機的自行起動，打破了同步電動機不能自行起動的傳統(tǒng)說法。
4.用疊加法聯(lián)結勵磁繞組的凸極式和隱極式同步發(fā)電機能夠調節(jié)電機的動態(tài)參數(shù)，如瞬變電抗x′d和超瞬變電抗x″d等，從而可大大提高發(fā)電機運行的動態(tài)穩(wěn)定性和過載能力，這是常規(guī)同步發(fā)電機所不能做到的。
以下利用附圖和實施例對本發(fā)明所說轉子繞組的疊加法聯(lián)結法作進一步的說明。


圖1轉子繞組的“原繞組”，54槽，ap＝6極，按傳統(tǒng)三相Y形聯(lián)結。
圖2在“原繞組”上疊加一套“疊加繞組”后的諧波起動異步電動機的轉子繞組，54槽，ap＝6極，aQ＝4極，雙層繞組。
圖3一個“繞組段”(由“原繞組段”和“疊加繞組段”并聯(lián)構成)在槽內的空間分布情況。
實施例一臺諧波起動繞線型異步電動機的數(shù)據(jù)為基波ap＝6極，轉子為54槽，取起動諧波極數(shù)為2Q＝4極，試用疊加法設計其轉子繞組。
先按常規(guī)方法把轉子繞組設計為Y接法的雙層三相繞組，如圖1所示。此時每相由六個繞組段串聯(lián)，而每段串聯(lián)三個槽號連續(xù)的線圈。這就是前面所說的“原繞組”，它總共包含18個“原繞組段”?，F(xiàn)取每個“原繞組段”所串聯(lián)三個線圈每個的匝數(shù)為4匝。
再用疊加法，在每個“原繞組段”上疊加一個“疊加繞組段”，它串聯(lián)三個線圈每個的匝數(shù)取2匝(2＜4)，將它和“原繞組段”并聯(lián)，使得整個轉子繞組的聯(lián)結法，如圖2所示。圖中帶撇的線圈號屬于“疊加繞組段”。
在圖3中畫出一個“原繞組段”導體(空心小方框)及其“疊加繞組段”導體(實心小方框)在槽內的相對位置，起動時，空心小方框的電流方向和實心小方框的相反，因此靠近槽底的四根導體產生的漏磁場互相抵消，它們由4極起動諧波磁場感應的電動勢也互相抵消，因此起動時每相的有效匝數(shù)只有4-2＝2匝，從而大大提高了起動轉矩和降低起動電流，這時總共有18個繞組段，每個繞組段由“原繞組段”和“疊加繞組段”并聯(lián)而構成一相，于是形成了一個對稱的18相系統(tǒng)。
從電機中定、轉子安匝平衡的原理可看出，用疊加法構成的轉子繞組，由于起動時每相有效匝數(shù)顯著減少，因此起動時轉子電流將顯著增加。為此必須核算轉子起動時的溫升，采取加強通風冷卻或提高轉子繞組絕緣等級等措施來防止轉子燒壞。
顯然，本發(fā)明提出的轉子繞組的疊加法聯(lián)結法也可用于變極調速電動機中。在此情況下，為了達到調速的目的，除基波ap極外，另一磁場應為極數(shù)aQ大于2P的多極數(shù)磁場，這時電動機的第二個轉速是在2Q極的同步轉速附近。
權利要求
1.一種把轉子繞組劃分為Pm2段，其中P為基波極對數(shù)，m2=3、4、5……等整數(shù)，每段繞組串聯(lián)的線圈數(shù)及其空間分布情況和聯(lián)結方式都相同，并且所說Pm2段繞組對稱地分布于轉子圓周上，將全部Pm2段繞組分別串聯(lián)為m2個“閉合回路”，每個“閉合回路”串聯(lián)空間上對稱分布的P段繞組的繞線型異步電動機轉子繞組，其特征在于，在每個“原繞組段”上再疊加一個所占槽號和聯(lián)結法與“原繞組段”完全一樣，但其每個線圈的匝數(shù)與“原繞組段”的不同，嵌于“原繞組段”所嵌槽中，且其首、末端標志和“原繞組段”的一樣的“疊加繞組段”，將每一“疊加繞組段”與被其疊加的“原繞組段”并聯(lián)，即二者的首端聯(lián)結在一起，而末端也聯(lián)結在一起，如此完成一種轉子上無電阻元件的諧波起動或調速的繞線型異步電動機的轉子繞組。
2.一種按照權利要求1所述方法聯(lián)結的轉子繞組，其特征在于，把m2個“閉合回路”斷開而成為m2條支路，每條支路沿同一圓周方向標志其首、末端，把所有支路的首端聯(lián)結在一起，剩下的末端也聯(lián)結在一起，構成有m2條并聯(lián)支路的星形聯(lián)結。
3.一種按照權利要求1和2所述方法聯(lián)結的轉子繞組，其特征在于，每個“閉合回路”內或m2條并聯(lián)支路中的每條支路都裝置一個離心式開關或一個雙向晶閘管之類的無觸點開關，在電動機起動過程中上述開關都處于斷開狀況，因此電路被切斷而不通，當起動完畢時借助離心力使離心式開關閉合，或借助延時繼電器或轉速反饋來控制晶閘管的觸發(fā)電路，使晶閘管導通，如此使電動機進入正常運行工況，在此情況下僅僅用基波磁場就能順利起動。
4.一種把轉子繞組劃分為Qm2段，其中對諧波起動電動機說Q為所取的起動諧波的極對數(shù)，對變極調速電動機說Q為需要的另一個較低轉速對應的極對數(shù)，m2＝3、4、5……等整數(shù)，每段繞組串聯(lián)的線圈數(shù)及其空間分布情況和聯(lián)結方式都相同，并且所說Qm2段繞組對稱地分布于轉子圓周上，將全部Qm2段繞組分別并聯(lián)為m2個“并聯(lián)組”，每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的Q段繞組并聯(lián)而成的繞線型異步電動機的轉子繞組，其特征在于，在每個“原并聯(lián)組”上再疊加一個所占槽號和聯(lián)結法與“原并聯(lián)組”完全一樣，但其每個線圈的匝數(shù)與“原并聯(lián)組”的不同，嵌于“原并聯(lián)組”所嵌的槽中，并且其首、末端標志和“原并聯(lián)組”的一樣的“疊加并聯(lián)組”，將每個“疊加并聯(lián)組”與被其疊加的“原并聯(lián)組”反接串聯(lián)，即把“原并聯(lián)組”的末端和“疊加并聯(lián)組”的末端接在一起，而“疊加并聯(lián)組”的首端則直接或通過一個電阻元件之后與“原并聯(lián)組”的首端接在一起，如此構成的包含m2個“閉合回路”的轉子繞組不接電阻元件或只接電阻值很低的電阻元件。
5.一種按照權利要求4所述方法聯(lián)結的轉子繞組，其特征在于，把m2個閉合回路斷開，而連接成由m2條支路并聯(lián)的星形聯(lián)結。
6.一種按照權利要求4和5所述方法聯(lián)結的轉子繞組，其特征在于，整個轉子繞組的分段數(shù)由Qm2改為2Qm2，其中m2＝2、3、4……等整數(shù)，相應地每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的2Q段繞組并聯(lián)而成，但并聯(lián)時采用正反交叉接法，即若將這2Q段繞組沿轉子圓周依次編號并標出每段的首、末端，則并聯(lián)時將奇數(shù)段的首端和偶數(shù)段的末端聯(lián)結在一起，而另一端則將奇數(shù)段的末端和偶數(shù)段的首端聯(lián)結在一起。
7.一種不裝阻尼籠的凸極式同步電動機或同步發(fā)電機的勵磁繞組，其特征在于，在每極的“原勵磁繞組”上再疊加一個匝數(shù)與“原勵磁繞組”的不同、套在同一個磁極鐵心上的“疊加勵磁繞組”，每極所說兩種繞組并聯(lián)地聯(lián)結在一起，兩繞組從一個并聯(lián)連接點圍繞磁極鐵心而至另一個并聯(lián)連接點的繞行方向相同;于是，若為同步電動機，則能在投入直流勵磁電流之前自行起動，這時僅憑基波磁場就能順利起動，當轉速升到同步轉速時再投入直流勵磁電流;若為同步發(fā)電機，則能提高發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性和過載能力。
8.一種不裝阻尼繞組的隱極式同步電動機或同步發(fā)電機的勵磁繞組，其特征在于，在每極的“原勵磁繞組”上再疊加一套匝數(shù)與“原勵磁繞組”的不同、嵌于“原勵磁繞組”所嵌槽中的“疊加勵磁繞組”，每極所說兩種繞組并聯(lián)地聯(lián)結在一起，兩繞組從一個并聯(lián)連接點圍繞磁極中心而至另一個并聯(lián)連接點的繞行方向相同;于是，若為同步電動機，則能在投入直流勵磁電流之前利用基波磁場自行起動;若為同步發(fā)電機則能提高發(fā)電機的動態(tài)穩(wěn)定性和過載能力。
全文摘要
本發(fā)明提出一種交流電機轉子繞組的疊加法聯(lián)結，在原轉子繞組上疊加一套與原來一樣但匝數(shù)不同的繞組，通過并聯(lián)或反接串聯(lián)與原轉子繞組聯(lián)結在一起。這種新型轉子繞組用于諧波起動電動機時，轉子上不焊接起動電阻元件，因而簡化結構和提高運行可靠性；用于同步電動機時，轉子上不裝置阻尼籠，從而實現(xiàn)了同步電動機的自行起動；用于同步發(fā)電機時，可調節(jié)瞬變參數(shù)，提高發(fā)電機運行的動態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)過載能力。
文檔編號H02K17/22GK1049939SQ8910690
公開日1991年3月13日 申請日期1989年9月1日 優(yōu)先權日1989年9月1日
發(fā)明者許實章, 王雪帆 申請人:華中理工大學