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1、摘 要笼型感应电动机结构简单、运行可靠，但是起动性能较差。而传统绕线异步电机虽然具有较好的起动性能，但由于其结构复杂、故障率高，严重影响了该电机的使用范围。为解决传统绕线电机结构上的缺陷并具有良好的起动性能，本文从电机的绕组出发，以电机的定、转子绕组为整体研究对象，设计出一种结构简单、起动性能优异的新型无刷绕线异步电动机。该电机以谐波起动理论为基础，利用电机绕组理论和槽号相位图设计出一种接法简单、嵌线容易、不断电切换的绕组方案。其中定子绕组采用两种接法，分别对应起动和运行状态，起动时定子绕组能产生有利于起动的谐波，运行时谐波含量很少；转子绕组采用特殊的连接方式，能为谐波和基波感应电流分别提供不
2、同的流通路径，前者的流通路径中具有很大的折算电阻，能显著降低起动电流和提高起动转矩；基波感应电流流通路径中的电阻很小，电机的运行效率高。绕组设计的关键在于将定、转子绕组看成一个整体加以研究，互相配合，转子绕组要以定子绕组的特点为设计基础。利用槽矢量星形图对绕组方案进行了详细的分析。针对新型无刷绕线异步电动机与传统绕线异步电机电磁设计的不同之处，对电磁设计的几个关键问题进行了研究，包括主要尺寸的选取、参数的计算以及起动性能的计算方法等。并结合等效电路图，研究出了电机的数学模型和仿真模型。仿真和样机试验证明，该新型电动机的起动性能得到了显著提高且结构简单，该绕组方案很好地解决了传统电机性能与结构之
3、间的矛盾。关键词：无刷绕线异步电动机，起动性能，槽号相位图，绕组方案，数学模型Abstract Although cage induction motor is simple in structure, reliable in operation，but starting performance is poor. Winding asynchronous motor has better starting performance and operation performance, and the scope of application is be limited due to the co
4、mplicated structure and high failure rate.In order to overcome the structurally deficient and further improve the starting performance of the winding asynchronous motor, based on the windings of electric motor, a novel type brushless wound-rotor asynchronous motor is designed with simple structure a
5、nd excellent starting capability by research on the windings as a whole in this paper. Basing harmonic starting theory as a foundation, a new scheme of stator winding and rotor winding is devised by using the modern winding theory and slot-number phase graph. The winding scheme has a number of featu
6、res as simple-connection, easy-embedding and capable of uninterruptible power supply switching. The stator winding has two states which one kind corresponds to states of starting and the other corresponds to states of operational. The stator winding can produce harmonics which is advantageous to sta
7、rting. The Rotor winding which adopts special method of connection, can provides flow path for induced current of fundamental wave and harmonic wave. The former path has very big equivalent resistance, which can significantly reduce the starting current and improve starting torque. the resistance of
8、 other induction current flow path is very small, which can produce high efficiency of the motor. The key point for wingding design consists in research on the stator and rotor wingding as a whole. The two sets of wingding must coordinate with each other, and design the rotor winding must base on th
9、e characteristics of stator wingding. We analyzed the wingding scheme in detail by groove vector diagram and the software of analyzing harmonic. Applying by the principle of harmonic separation and superposition, the calculation methods of starting performance and circuit parameters are deduced for
10、the novel type motor, and we also study out the electromagnetism design program, mathematical model and simulation model. Simulation and the prototypes of experiment verified the proposed novel motors improvement of starting performance with simpler structure and the proposed winding scheme successf
11、ully resolving the contradiction between performance and structure of the traditional motor.Key Words: winding asynchronous motor, starting performance, slot-number phase graph, winding scheme, mathematical model目 录摘 要I第一章 绪 论61.1 传统感应电机概述61.1.1 传统感应电机的特点61.1.2 传统感应电机的发展21.2 课题研究的目的及内容31.3 本文的主要内容4第
12、二章 新型无刷绕线异步电动机的基本原理52.1 谐波起动原理的基本概念52.2 谐波起动对定子绕组的基本要求52.2.1 对起动时产生的基波磁势的基本要求62.2.2 对起动时产生的主谐波磁势的基本要求62.2.3 对起动时产生的副谐波磁势的基本要求72.3 谐波起动对转子绕组的基本要求82.4 运行状态下定、转子绕组的技术要求9第三章 新型无刷绕线异步电动机定子绕组的设计103.1 槽号相位图103.1.1 槽号相位图的意义103.1.2 槽号相位图的画法113.2 定子绕组设计原理123.2.1 对定子绕组的基本要求123.2.2 定子绕组的联接方法133.3 定子绕组方案153.4 方案
13、分析16第四章 新型无刷绕线异步电动机转子绕组的设计204.1 转子绕组的设计要求204.2 转子绕组的结构204.3 转子绕组的设计方法224.4 转子绕组方案234.5 方案分析24第五章 新型无刷绕线异步电动机的电磁设计295.1 等效电路图295.2 电磁设计305.2.1 主要尺寸的确定305.2.2 参数推导315.2.3 性能计算33第六章 样机与仿真实验376.1 样机设计376.2 数学模型386.2.1 A-B-C坐标下的数学模型386.2.2 M-T坐标下的数学模型396.2.3 坐标变换416.3 仿真实验436.4 样机实验44总结与展望46参 考 文 献48附录A
14、攻读学位期间获得的研究成果52附录B 样机及试验系统53附录C 致 谢54第一章 绪 论硕士学位论文1.1 传统感应电机概述1.1.1 传统感应电机的特点 感应电动机（或称异步电动机），它是在定子绕组中通以三相电产生旋转磁场，由于旋转磁场的作用，转子内的线圈产生感应电动势和感生电流，所以转子导体受电磁力矩作用而转动，这就是“感应电动机”名称的由来感应电动机是电动机领域中应用最广泛的一种电动机，主要用于工业、农业、交通中作为动力设备13。感应电动机区别于其它类型电动机，在于其转子绕组不需要与其它电源相连接，而定子电流直接取自交流电网。它与其它电动机相比，具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可
15、靠及重量轻、成本低等优点。三相感应电动机的重量及成本分别约为同功率、同转速的直流电动机的1/2和1/3，此外感应电动机还便于派生各防护型式以适用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性，它具有与并励直流电动机类似的接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械的拖动要求。由于感应电动机具有上述许多优点，它广泛应用于工农业和其它国民经济各部门，作为拖动机床、水泵、鼓风机、起重转扬设备、轻工业和农副业加工设备以及其它一般机械的动力。感应电动机是电动机领域中应用最广泛的一种电动机，90%左右的电气原动力均为感应电动机，其用电量占70%以上。主要用于工业、农业、交通中作为动力设备。传统感应电
16、动机分为笼型和绕线型两类，其现状和存在问题如下：笼型电动机虽制造容易和可靠性较高，但存在下列三个严重缺点56。（1）起动转矩不大，难以满足带负载起动的需要；当前社会上解决该问题的多数办法是提高电动机的功率容量（即增容）来提高其起动转矩，这就造成严重的“大马拉小车”，既增加购买设备的投资，又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪费大量电量，很不经济。第二种办法是增购液力偶合器，先让电动机空载起动，在由液力偶合器驱动负载。这种办法同样要增加添购设备的投资，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪费3%的电能，因而整个驱动装置的效率很低，同样浪费电量，更何况添加液力偶合器之后，机组的运行可靠性大大下降
17、，显著增加维护困难，因此不是一个好办法。（2）最大转矩不大；用于驱动经常出现短时过负荷的负载，如矿山所用破碎机等时，往往停转而烧坏电动机。以致只能在轻载状况下运行，既降低了产量又浪费电能。（3）起动电流很大，增加了所需供电变压器的容量，从而增加大量投资。如果是采用降压起动来降低起动电流，同样要增加添购降压装置的投资，并且使本来就不好的起动特性进一步恶化。绕线型电动机虽起动特性和运行性能兼优，但仍存在下列严重缺点。（1）由于转子上有集电环和电刷，不仅增加制造成本，并且降低了起动和运行的可靠性，集电环和电刷之间的滑动接触，是这种电动机发生故障的主要根源14，而且维护困难。电刷和滑环之间容易产生火花
18、，这严重影响了传统绕线电动机的使用范围。（2）当前的传统绕线型电动机为了提高可靠性，多数不提刷，因此运行时存在严重的电能浪费，且污染周围环境；上述传统感应电动机存在严重缺点的根本原因在于“起动”、“运行”和“可靠性”三者之间存在难以调和的矛盾，因此势必顾此失彼，不可兼优。1.1.2 传统感应电机的发展在工业和国防等行业的电力拖动系统中，电动机的能量损耗占整个电力能量的70%以上。三相笼型电动机由于具有结构简单，运行可靠等优点，在电力拖动系统中应用最为广泛，但过大的起动电流，一方面在线路和绕组内造成能量损耗，特别在频繁起动的情况下，这种能量损耗是相当大的。另一方面，过大电流对绕组产生的电磁冲击力
19、和能耗高温会大大缩短电机寿命。因起动性能不好，往往还不得不采用绕线型异步电动机。虽然三相绕线型电动机起动性能好，但绕线型异步电动机结构工艺复杂，造价高，可靠性差，又污染环境，也是一种广泛的能量损耗。更主要的是集电环和电刷是易损部件，造成了传动设备故障率高、维护困难，严重的影响了设备的正常工作，同时集电环和电刷之间产生的火花也制约了传统绕线电机的使用范围。由于异步电动机是国际经济各部门最主要的动力设备，电能消耗占整个用电设备的绝大部分，所以解决好传统电机结构与性能之间的矛盾，具有重要的现实意义，另外在工业和国防等行业的电气传动领域中有大量的设备，要求电动机具有更好的起动性能，所以进一步提高传统绕
20、线电机的起动性能也显得非常重要。如何使传统电机既具有笼型电机简单的转子结构又具有比绕线电机更优异的起动性能和更好的运行效率，一直是全世界电工学者高度关注的焦点，因为这对节省能源和改善环境都具有重要意义，为此电工界提出过很多改善的方法。其关键是取消集电环和电刷部件，采用普通笼型感应电动机结构，并着力提高其起动性能15:。从目前的研究成果来看，解决方案分为三类2-6：一类是改变定子绕组结构，如星一三角起动、延边三角形起动、变极起动等；二类是改变转子结构，如采用深槽转子、双笼转子、实心转子、复合转子、管型转子等2；第三类是采用特殊结构型式，如双定子或双转子等。由上述方法所研制的电动机，有的已得到广泛
21、应用，但并没有从根本上解决问题，即做到“四高”：高起动性能、高运行性能、高可靠性、高起动性能，“三无”：无滑环、无电刷、无触点，在很多场合下还是不得不使用传统电机。在国内许多科研院所和高等院校在这方面做了大量的研究，除了提出上述的解决方案外，其中最具有代表性的是华中科技大学提出的谐波起动电动机。其基本原理是采用普通电动机结构，定子绕组被设计成具有起动和正常运行的连接方式，当电动机起动时，定子绕组将产生与基波接近的两个或两个以上的起动极磁场波，而转子绕用被设计成能为起动谐波电势所产生的电流提供流通路径（该路径与基波不同），并使该路径所经电路具有较大的电阻，从而提高了电动机的起动性能。而运行时具有
22、普通电动机特点，因而电机具有较好的运行性能。该种电机已投入工业运行，并获得了用户的肯定。但存在定子、转子绕组结构复杂（采用不等匝、不同线规的绕组）、起动转矩不大、电机温升高等诸多问题。1.2 课题研究的目的及内容为解决传统电机性能与结构上的矛盾，进一步改善传统电机的起动性能和运行性能，本课题在前人研究的基础上，利用现代绕组理论将谐波起动理论应用到传统绕线异步电动机上，解决其运行可靠性差的难题，并进一步提高绕线电机的起动性能和运行效率，简化电机的制造工艺。重点研究的内容：（1）电机绕组方案的研究以谐波起动理论为基础，设计出一套独特的电机定、转子绕组方案，采用该绕组方案的新型无刷绕线异步电动机起动
23、性能要好，转子上没有电刷和集电环，绕组工艺简单。采用合理的分析方法对绕组方案进行详细分析。（2）新型无刷绕线异步电动机电磁设计的研究由于要分别考虑谐波磁场和基波磁场在电机起动过程中的作用，新型无刷绕线异步电动机的电磁设计就显得尤为复杂，而准确的电磁设计程序对该新型电机今后的实际推广应用又有着很重要的作用。而电磁设计的关键在于起动性能的计算，考虑到谐波作用的起动转矩和起动电流的计算方法与传统绕线电机有很大的不同，对应参数的计算也比传统电机复杂很多，为此我们将深入研究该类电动机的起动特征，推导出数学模型，并充分考虑磁场饱和、温度变化对电机参数的影响，找出新型电动机的准确计算方法，为该类电机的推广提
24、供理论依据。（3）新型无刷绕线异步电动机数学模型与仿真模型的研究 充分考虑新型无刷绕线电机的特点，结合电机学的相关知识得到新型电机的等效电路，并以等效为基础推导出电机的数学模型。而仿真模型的建立必须以电机的数学模型为基础，要在电机状态变换的同时能实时改变电机参数，因为起动和运行状态下谐波的含量有很大的不同，相关的参数必然会发生变化。仿真模型的正确建立有助于进一步优化设计。1.3 本文的主要内容 以传统感应电动机为研究对象，对改进传统绕线电机的结构和性能做了深入的研究，主要包括以下几个方面： （1）分析了新型无刷绕线电机的谐波起动原理，在传统电机的结构基础上运用现代绕组理论对电机的定转子绕组进行
25、了独特设计，得到一套完整的绕组方案。并对该绕组方案进行了详细的分析，从理论上验证了绕组方案的合理性。（2）对新型无刷绕线电机的电磁设计进行了深入研究，得出了正确的计算方法，研究出了电机的等效电路图。 （3）在等效电路图的基础上，研究出电机的数学模型，建立起对应的仿真模型，并进行了仿真分析。 （4）制造出一台样机，并对该样机进行了实验，将实验结果与传统电机数据进行比较分析。硕士学位论文 第二章 新型无刷绕线异步电动机的基本原理通常在对电机的定子绕组进行设计时，为了提高气隙圆形磁场的质量人们总是想方设法力图消除谐波，以尽可能的减小谐波对气隙磁场的影响。而新型无刷绕线感应电动机独辟蹊径，利用定子绕组
26、产生的谐波来改善电机的起动性能，这种完全有别于传统电机的起动原理就是谐波起动原理11。2.1 谐波起动原理的基本概念谐波起动原理就是利用绕组不对称连接时产生的强谐波来提高电机的起动性能的方法，运用这种理论的电机定子绕组设计成具有可通过开关转换的两种不同联结方式，即“起动方式”和“运行方式”。当定子绕组按“运行方式”联结而接入电网时，定子产生一个很强的基波磁场，其他谐波磁场含量少、幅值小。当定子绕组按“起动方式”联结而接入电网时，定子绕组会产生基波磁势和多个谐波磁势，选取其中两个极数与基波相近的且幅值较大的谐波为起动谐波，其中低次谐波为主谐波，高次谐波为副谐波。只要针对定子产生的基波磁场极对数和
27、所选的起动谐波磁场极对数来设计转子绕组，便能做到：由起动谐波磁场感应于转子中的电流与由基波磁场感应于转子中的电流，自动分流，各走各的电路。起动谐波磁场产生的电流所经电路具有较大电阻，而基波磁场产生的电流所经电路的电阻则很小。在起动时，定子绕组按“起动方式”联结投入电网，依靠定子产生的起动谐波及其转子感应电流所经回路电阻较大来降低起动电流、提高起动转矩，绕线转子无需再外接电阻，从而使转子电路上无集电环、无电刷、无触点。当转速上升到额定值或其附近时，把定子绕组改为按“运行方式”联结接入电网，则起动谐波被消除，电动机在基波作用下进入正常运行。这时转子电流所经回路的电阻很小，因而运行效率很高。因此，只
28、凭改变定子绕组的连接方式，便能控制转子电流所经电路是高电阻还是低电阻，从而实现转子电路上无电刷和集电环。根据谐波起动的基本原理，新型无刷绕线异步电动机的绕组结构必然与传统绕线电机存在很大的差异。2.2 谐波起动对定子绕组的基本要求根据上面的介绍，谐波起动要求定子绕组在起动时能产生三个转向相同且幅值较大的磁动势波，这三个磁势波就是：定子磁势的基波、主谐波（少极数谐波）和副谐波（多极数谐波）。三者共同作用，在转子绕组的紧密配合下产生强大的起动转矩来把电动机起动、加速，一直把电动机的转速提升到达额定转速附近，再通过开关操作或控制电路把电动机从起动工况转换到运行工况，完成起动过程，最后过渡到额定运行状
29、态。由此可见，新型无刷绕线异步电动机在采用谐波起动时，定子绕组产生的三个磁动势波非常重要，谐波含量否则将会大大降低电机的起动效果，产生其它严重的技术问题。2.2.1 对起动时产生的基波磁势的基本要求起动时产生的基波极数与电动机运行时的极数相同，其旋转方向也与电动机运行时的旋转方向一致。在起动过程中，当转速超过副谐波对应的同步转速时，副谐波磁势将会产生负转矩，阻碍电机的起动。所以起动时的基波幅值必须相当大，才能使起动后期基波产生的转矩上升到很大数值，因而能与主谐波联合起来，抵消掉副谐波产生的很大负转矩，并且还有多余转矩来使转速上升，而到达电动机的额定转速附近。2.2.2 对起动时产生的主谐波磁势
30、的基本要求主谐波磁动势是一个比基波极数少2个极的与基波同转向的磁动势波。其同步转速比基波的高很多，因此主谐波的作用贯穿于整个起动的全过程，主要有下列三项：1）起动开始时产生很大的起动转矩在起动开始时，绝大多数起动转矩都来源于主谐波。2）限制起动电流使其不致过大 起动电流的大小主要受主谐波磁动势所产生的磁场感应于定子绕组中的反电动势所制约。因此主谐波越强则起动电流越小。3）克服副谐波产生的负转矩 但转速上升到超过副谐波的同步转速以后，副谐波产生的转矩变为负的。在其开始阶段，由于基波的转矩尚未上升到很大，上述的负转矩就全靠主谐波产生的转矩来把它克服，并要求此时主谐波在抵消掉负转矩之后，还剩下很大转
31、矩，以使转速得以继续上升。以后，基波产生的转矩已上升到很大，则主谐波和基波便联合一起来抵消前述副谐波产生的负转矩，而使转速上升到电动机的额定转速附近。上述三波起动时，三个波之间的互相促进、互相制约，而主谐波贯穿整个起动的全过程，是谐波起动中的一个最重要的谐波，缺少它谐波起动就无法很好的实现。没有主谐波，或主谐波很弱，则起动后的转速就不可能达到电动机的额定转速附近。正因为这样，设计谐波起动电动机定子绕组的联结方案时，就是从主谐波下手的，利用主谐波的槽号相位表，在其下面排列出定子三相所占槽号，然后以获得最强主谐波为目的进行绕组设计。2.2.3 对起动时产生的副谐波磁势的基本要求起动时产生的副谐波磁
32、动势是一个比基波极数多2个极或4个极并且与基波同转向的高次磁动势谐波。一般来说，副谐波是高次谐波中最强的一个与基波同转向的磁动势谐波。副谐波的唯一作用是在起动的开始阶段，从转速n=0到副谐波的同步转速这一区间内，协助主谐波提高电动机的起动转矩。这是提高起动转矩非常有效的措施，三波起动电动机得以诞生，就在于发现了副谐波的这个重要作用。在三波起动中引入副谐波能显著提高起动转矩的主要原因，在于副谐波的极数比主谐波的多得多。至于极数多则转矩大的原因是由于，在其他情况相同的条件下，各种谐波磁场产生的起动转矩与其极数成正比，因此极数越多，产生的起动转矩就越大。前面已经指出，副谐波的极数比基波的多2个极或者
33、4个极。究竟是多几个极呢？这决定于定子绕组的联结法。联结法一经选定，按“主谐波最强”的原则即可设计出各段绕组所占槽号的分配方案。在进行设计时很难顾及副谐波，而仅仅考虑主谐波。槽好分配方案一经设计出来，副谐波的极数是多少便已固定不变了。这时对已定的绕组联结方案进行谐波分析，从所得的绕组磁动势谐波含量中来发现副谐波的极数及其幅值大小，副谐波就是与基波同转向的高次谐波中最强的一个谐波。副谐波具有在起动初期显著提高起动转矩的突出优点，是三波起动得以超越双波起动的一个重要原因。但副谐波也存在一个很关键的缺点，就是在起动后期，副谐波产生的转矩变为负的，反而消弱起动转矩。其原因是它的极数比基波多2个极或4个
34、极，因此其同步转速必定低于基波，这说明从起动开始到额定转速附近的全过程中必定要经过副谐波的同步转速点，而越过这一点后，副谐波产生的转矩便变为负的，因此产生消弱电动机起动转矩的负作用。上述副谐波的负作用，使起动过程中的转矩-转速曲线下陷，严重时则出现凹坑，出现最小转矩（凹坑之底）。在此情况下，若起动时所带负载的阻力矩大于上述最小转矩，则出现起动中途转速无法继续上升的“爬行”现象，而造成起动失败。由此可见，采用副谐波时要特别慎重。副谐波太弱了，起动转矩提不高，但太强了则起动过程可能出现凹坑，因而有发生“爬行”的危险。克服副谐波负作用的有效途径：调整副谐波的幅值，对所选的定子绕组联结法各段所占槽号作
35、小的调整，以达到主谐波基本不变，而副谐波幅值有所下降。加强基波和主谐波，副谐波的负作用全靠基波和主谐波克服。基波和主谐波联合产生的转矩除了把副谐波产生的负转矩抵消掉之外，还须剩下较大的多余转矩来把电动机加速到额定转速附近。调节转子绕组对各谐波的等效电阻，转子绕组对定子各谐波的等效电阻，决定着定子各谐波产生的转矩转速曲线中，发生最大值（正的或负的）的转速。因此若能依靠调节上述等效电阻而达到副谐波产生的负转矩出现负最大的转速，与基波产生的正转矩出现最大值的转速恰好发生在同一转速下。则它们一正一负直接抵消。调节转子绕组等效电阻的最简单的方法是调节转子绕组中每个复合线圈内两并联支路的匝数比。两并联支路
36、的匝数之和（即电动机运行时每个复合线圈的有效匝数）与它们匝数之差（即电动机起动时每个复合线圈的有效匝数）之比，决定着等效电阻的大小。 应用上述三种方法来克服副谐波的副作用时，由于实际情况极其复杂，只能针对具体设计任务书，在设计过程中进行。每次调整、调节都必须通过电磁计算求得最后结果，才确切知道所做的调整、调节是否有用。最好是在起动全过程的转矩-转速曲线上不出现凹坑即最小转矩。若难以做到而出现凹坑，则要求凹坑形成的最小转矩高于电动机的额定转矩，以保证能实现满载起动。2.3 谐波起动对转子绕组的基本要求谐波起动时定子绕组产生的三个磁动势波是在转子绕组的紧密配合下才起作用的。在起动初期，转子绕组的高
37、电阻效应显著提高定子主、副谐波产生的转矩，它们联合产生很强的起动转矩而使电动机起动和升速。在起动后期，则依靠转子绕组对定子主、副谐波产生的转矩曲线最大值（正的和负的）出现的转速的控制作用，使基波和主谐波联合产生的转矩能够有效地克服副谐波产生的负转矩，从而消除出现“爬行”现象的危险，使电动机转速顺利地达到额定转速附近。为达到上述效果，谐波起动电动机所采用的转子绕组必须满足下列基本要求： 1）转子绕组的连接法 转子绕组分为并联接法和串联接法两大类，谐波起动电动机为了获得理想的起动效果，转子绕组必须采用串联接法，以同时发挥主、副谐波的作用。如果转子绕组错用并联接法，则转子绕组只对一个定子谐波起作用，
38、那就把先进的三波起动降为起动特性显著下降的双波起动了，这是绝对不允许的。2）转子绕组的结构型式 为简化制造工艺和提高起动和运行的可靠性，转子绕组由许多“并联线圈”构成，而不在转子绕组上焊接起动电阻。为减少转子绕组串联时的闭合回路数，每个“并联线圈组”串联的“并联线圈”的个数，以采用2-3个为最佳，在小型电机里面为了显著改善起动性能可以采用一个。3）转子绕组的槽数 在选取转子绕组槽数时，与电动机的基波极数结合在一起来考虑，以采用转子每极槽数为一包含很多因子的整数为最佳。此时可能采用的每个“并联线圈组”串联的“并联线圈”个数等于上述存在的因子个数。因此，上述因子个数越多，则说明存在的可供比较的不同
39、方案越多，便于从中优选最佳方案。例如，对72槽8极电动机，常用的槽数为=84。此时转子每极槽数，是一个分数，难以在谐波起动电动机中应用。因此必须改用=96，而得，是一个很好的整数，存在2、4、6四个因子。很合适谐波起动电动机。4）转子绕组的嵌线工艺 转子绕组中采用的“并联线圈”上下两条支路的线匝数分别为和，为减少起动时转子绕组的槽漏电抗，以提高起动转矩，对于采用圆线散下绕组的中、小型电动机，应按下述工艺过程嵌线，即无论上层线圈边还是下层线圈边，都应把单路独绕的（）匝安排在最靠近槽口处，以使该部分绕组产生的槽漏电抗最小。对于采用扁线硬元件的中、大型电动机，则视具体情况，若工艺上易于做到，也应按前
40、述嵌线。2.4 运行状态下定、转子绕组的技术要求 电机从起动状态进入运行状态后，为提高气隙磁场的质量，力求气隙磁场沿圆周正弦分布，必须确保运行时电机为正规的对称相带分布，其中大部分采用正规60相带28分布，正规60相带绕组由于谐波含量很少、性能优越，且在线圈制造、嵌线、接线方面最简易，是工艺性最好的一种绕组。所以在运行状态下，新型无刷绕线异步电机的要尽量为60相带对称分布。转子绕组在运行状态下与起动时相比接法保持不变，运行时，转子基波感应电流的流通回路中的电阻要很小，这样才能提高电机的运行效率，降低电机的温升。 新型无刷绕线电机就是在传统电机结构的基础上，采用谐波起动理论，对电机的定、转子绕组
41、进行独特设计，使其无需在转子绕组上外接电阻就能获得良好的起动性能，从而去掉了转子上的电刷和滑环，简化电机结构，并获得良好的运行性能。其设计特点就在于把定子绕组和转子绕组结构看成一个有机的整体，综合起来研究，转子绕组结构的变革与定子绕组结构的变革紧密配合，相互呼应，相得益彰，因此能同时解决高起动特性、高运行性能和高可靠性三者之间的矛盾，为感应电动机的发展开辟了一条新的道路。 硕士学位论文第三章 新型无刷绕线异步电动机定子绕组的设计定子绕组是新型无刷绕线异步电动机的主体，谐波起动就是依靠定子绕组产生的谐波磁场来实现的。因此，要使新型无刷绕线异步电动机具有优良的起动特性和运行性能，首要的任务就是把定
42、子绕组设计好。而设计的好坏在于采用正确有效的设计方法和理论，本章详细介绍了绕组设计的主要的方法槽号相位图，根据定子绕组的设计要求设计出了一套绕组方案，并对该绕组方案进行了详细的分析。3.1 槽号相位图槽矢量星形图能比较直观、完整的分析绕组，反映出绕组矢量关系的实际情况，尤其在观察三项是否对称时，一目了然。但也存在缺点，就是画起来比较麻烦，而矢量号码往往互相交错，不容易发现规律，在槽数很多的情况下，尤其是这样。为弥补这个缺点，采用“槽号相位图”来代替“槽矢量心形”。3.1.1 槽号相位图的意义 把槽矢量星形的圆周展开成直线，取消表示矢量的箭头，留下矢量的槽号，便得“槽号相位图28”。这时圆周变成
43、一段水平线，每根矢量变成一个槽号，槽号在水平线中的位置表示矢量的相位。为了避免重叠，把同相位矢量的槽号写在不同水平线上，但位于同一垂直线上。此外为便于应用，把负槽号（代表电流为负值的导体或线圈的矢量）也列入图中，它与同号码的正槽号隔开一段相当于（弧度）或180的距离。这样就形成一个表格，表中填了Z个正槽号和Z个负槽号，Z为电机槽数。具体实例如下： 图3-1 Z=12的三相绕组导体分配 图3-2 =1时绕组的槽矢量星形图123456789101112-7-8-9-10-11-12-1-2-3-4-5-6A1 A2 B5 B6 C9 C10A-7 A-8 B-11 B-12 C-3 C-4 图3-
44、3 与图3-2 所示的矢量星形图对应的槽号相位图和三相相位图 由此可见，“槽号相位图”实质上就是同时画出正槽号矢量和负槽号矢量的槽矢量星形，只是表示形式不同而已。相位图以表格形式出现，整个表格的水平长度相当于2（弧度）或360，其中一个槽号代表一个矢量（导体矢量或线圈矢量），同一纵行的所有槽号所代表的矢量都是同相位，而两槽号之间的水平距离则代表相应两矢量间的相位差，用弧度或角度表示。3.1.2 槽号相位图的画法 画槽号相位图时，首先要确定所需表格每一横行的小格数，然后以某一间隔在表格里面填写槽号。为求得每一横行需要的最少小格数Q，我们利用对对极谐波说的每极每相槽数q来分析问题，且是三相时的q值
45、，故得: （3-1）式中 N 、D没有公约数的整数。如果相邻槽号在相位图中位移x小格，则从式(3-1)可见，每对极即每一横行应包含的小格数： （3-2）显然，Q必须为整数，并且为了填写负槽号，还要求Q为偶数。这样，只要找出最小的整数x使式（3-2）所示的Q为偶数整数就可以了。为此分下列三种情况：1，当D=1，即q= N=整数时，应取x=1，随之Q=6N=6q。因此，相位图每一横行应有6 q个小格，而填写槽号时，相邻槽号位移一小格（即填于相邻小格）。2，当D不是3或3的倍数时，应取x=D，随之Q=6N。因此，相位图每一横行应有6 N个小格，相邻槽号位移D小格。3，当D是3的倍数而可写成D=3D时
46、，应取x= D，此时Q=2N。因此，相位图每一横行应有2 N个小格，而相邻槽号应位移D小格。 用槽号相位图分析三相磁势时，在单层绕组里，每个槽号代表一根导体或一个线圈边，在双层等元件绕组里，每个槽号代表一个线圈。具体分析时，把三相所占的槽号垂直移到槽号相位图的下方，注意区分正、负号，用字母A、B、C区别三相，而把槽号写成字母下标。如此求得的三相磁势相位图，简称“绕组的三相相位图”，如图3-3所示。 3.2 定子绕组设计原理3.2.1 对定子绕组的基本要求定子绕组是新型无刷绕线电机的主体，谐波起动就是依靠定子绕组产生的谐波磁场来实现的。因此，要使新型无刷绕线电动机具有优良的起动特性和运行性能，首要的任务就在于定子绕组的优化设计。采用谐波起动原理的定子绕组采用“运行方式”和“起动方式”两种联结方式。对这两种联结方式的基本要求如下：（1）对“运行方式”除一些特殊情况（有些绕组段串联的线圈匝数不同）外，要求运行时严格等效于正规60相带绕组。正规60相带绕组运行时的磁动势谐波含量最少，只存在非3倍数的奇数整数次谐波，即5次、7次、11次、13次等，