碩士畢業(yè)論文：新型異步電動(dòng)機(jī)的研究[共63頁(yè)]

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1、分 類(lèi) 號(hào) 密級(jí) 新型異步電動(dòng)機(jī)的研究研 究 生 姓 名 ： 指導(dǎo)教師姓名、職稱(chēng) ： 學(xué) 科 專(zhuān) 業(yè) ： 電機(jī)與電器 研 究 方 向 ： 電機(jī)設(shè)計(jì) XXXXXX 大 學(xué)2010年 3月 15日分 類(lèi) 號(hào) 密級(jí) 新型異步電動(dòng)機(jī)的研究Research on the New Type Asynchronous Motor 研 究 生 姓 名： 指導(dǎo)教師姓名、職稱(chēng)： 學(xué) 科 專(zhuān) 業(yè)： 研 究 方 向： 論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 XXX 大 學(xué)年 月 日9摘 要籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，但是起動(dòng)性能較差。而傳統(tǒng)繞線異步電機(jī)雖然具有較好的起動(dòng)性能，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高，嚴(yán)重影響了該電機(jī)的

2、使用范圍。為解決傳統(tǒng)繞線電機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺陷并具有良好的起動(dòng)性能，本文從電機(jī)的繞組出發(fā)，以電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組為整體研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)性能優(yōu)異的新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)以諧波起動(dòng)理論為基礎(chǔ)，利用電機(jī)繞組理論和槽號(hào)相位圖設(shè)計(jì)出一種接法簡(jiǎn)單、嵌線容易、不斷電切換的繞組方案。其中定子繞組采用兩種接法，分別對(duì)應(yīng)起動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)，起動(dòng)時(shí)定子繞組能產(chǎn)生有利于起動(dòng)的諧波，運(yùn)行時(shí)諧波含量很少；轉(zhuǎn)子繞組采用特殊的連接方式，能為諧波和基波感應(yīng)電流分別提供不同的流通路徑，前者的流通路徑中具有很大的折算電阻，能顯著降低起動(dòng)電流和提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；基波感應(yīng)電流流通路徑中的電阻很小，電機(jī)的運(yùn)行效率高。繞組設(shè)計(jì)的

3、關(guān)鍵在于將定、轉(zhuǎn)子繞組看成一個(gè)整體加以研究，互相配合，轉(zhuǎn)子繞組要以定子繞組的特點(diǎn)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。利用槽矢量星形圖對(duì)繞組方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析。針對(duì)新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)繞線異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的不同之處，對(duì)電磁設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究，包括主要尺寸的選取、參數(shù)的計(jì)算以及起動(dòng)性能的計(jì)算方法等。并結(jié)合等效電路圖，研究出了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。仿真和樣機(jī)試驗(yàn)證明，該新型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能得到了顯著提高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該繞組方案很好地解決了傳統(tǒng)電機(jī)性能與結(jié)構(gòu)之間的矛盾。關(guān)鍵詞：無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)性能，槽號(hào)相位圖，繞組方案，數(shù)學(xué)模型Abstract Although cage induction m

4、otor 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 complicated structure and high failure rate.In order to overcome the struct

5、urally 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 and excellent starting capability by research on the windings as a whole i

6、n 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 features as simple-connection, easy-embedding and capable of uninterruptible p

7、ower 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 starting. The Rotor winding which adopts special method of connection, can p

8、rovides 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 other induction current flow path is very small, which can produce high

9、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 the characteristics of stator wingding. We analyzed the wingding scheme in

10、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 the novel type motor, and we also study out the electromagnetism design p

11、rogram, 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 successfully resolving the contradiction between performance and structure of the

12、 traditional motor.Key Words: winding asynchronous motor, starting performance, slot-number phase graph, winding scheme, mathematical model目 錄摘 要I第一章 緒 論61.1 傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)概述61.1.1 傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的特點(diǎn)61.1.2 傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展21.2 課題研究的目的及內(nèi)容31.3 本文的主要內(nèi)容4第二章 新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)的基本原理52.1 諧波起動(dòng)原理的基本概念52.2 諧波起動(dòng)對(duì)定子繞組的基本要求52.2.1 對(duì)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的基波磁勢(shì)的

13、基本要求62.2.2 對(duì)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的主諧波磁勢(shì)的基本要求62.2.3 對(duì)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的副諧波磁勢(shì)的基本要求72.3 諧波起動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的基本要求82.4 運(yùn)行狀態(tài)下定、轉(zhuǎn)子繞組的技術(shù)要求9第三章 新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的設(shè)計(jì)103.1 槽號(hào)相位圖103.1.1 槽號(hào)相位圖的意義103.1.2 槽號(hào)相位圖的畫(huà)法113.2 定子繞組設(shè)計(jì)原理123.2.1 對(duì)定子繞組的基本要求123.2.2 定子繞組的聯(lián)接方法133.3 定子繞組方案153.4 方案分析16第四章 新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的設(shè)計(jì)204.1 轉(zhuǎn)子繞組的設(shè)計(jì)要求204.2 轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)204.3 轉(zhuǎn)子繞組的設(shè)計(jì)方法224.

14、4 轉(zhuǎn)子繞組方案234.5 方案分析24第五章 新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)295.1 等效電路圖295.2 電磁設(shè)計(jì)305.2.1 主要尺寸的確定305.2.2 參數(shù)推導(dǎo)315.2.3 性能計(jì)算33第六章 樣機(jī)與仿真實(shí)驗(yàn)376.1 樣機(jī)設(shè)計(jì)376.2 數(shù)學(xué)模型386.2.1 A-B-C坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型386.2.2 M-T坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型396.2.3 坐標(biāo)變換416.3 仿真實(shí)驗(yàn)436.4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)44總結(jié)與展望46參 考 文 獻(xiàn)48附錄A 攻讀學(xué)位期間獲得的研究成果52附錄B 樣機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)53附錄C 致 謝54第一章 緒 論碩士學(xué)位論文1.1 傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)概述1.1.1 傳統(tǒng)感應(yīng)電

15、機(jī)的特點(diǎn) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（或稱(chēng)異步電動(dòng)機(jī)），它是在定子繞組中通以三相電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)子內(nèi)的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感生電流，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受電磁力矩作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是“感應(yīng)電動(dòng)機(jī)”名稱(chēng)的由來(lái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種電動(dòng)機(jī)，主要用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通中作為動(dòng)力設(shè)備13。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)區(qū)別于其它類(lèi)型電動(dòng)機(jī)，在于其轉(zhuǎn)子繞組不需要與其它電源相連接，而定子電流直接取自交流電網(wǎng)。它與其它電動(dòng)機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠及重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的重量及成本分別約為同功率、同轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)的1/2和1/3，此外感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還便于派生各防護(hù)型式以適用不

16、同環(huán)境條件的需要，也有較高的效率和較好的工作特性，它具有與并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似的接近恒速的負(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)要求。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)，作為拖動(dòng)機(jī)床、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、起重轉(zhuǎn)揚(yáng)設(shè)備、輕工業(yè)和農(nóng)副業(yè)加工設(shè)備以及其它一般機(jī)械的動(dòng)力。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種電動(dòng)機(jī)，90%左右的電氣原動(dòng)力均為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其用電量占70%以上。主要用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通中作為動(dòng)力設(shè)備。傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)分為籠型和繞線型兩類(lèi)，其現(xiàn)狀和存在問(wèn)題如下：籠型電動(dòng)機(jī)雖制造容易和可靠性較高，但存在下列三個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)56。（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，難以滿足帶負(fù)載起

17、動(dòng)的需要；當(dāng)前社會(huì)上解決該問(wèn)題的多數(shù)辦法是提高電動(dòng)機(jī)的功率容量（即增容）來(lái)提高其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就造成嚴(yán)重的“大馬拉小車(chē)”，既增加購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的投資，又在長(zhǎng)期的應(yīng)用中因處于低負(fù)荷運(yùn)行而浪費(fèi)大量電量，很不經(jīng)濟(jì)。第二種辦法是增購(gòu)液力偶合器，先讓電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，在由液力偶合器驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種辦法同樣要增加添購(gòu)設(shè)備的投資，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪費(fèi)3%的電能，因而整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的效率很低，同樣浪費(fèi)電量，更何況添加液力偶合器之后，機(jī)組的運(yùn)行可靠性大大下降，顯著增加維護(hù)困難，因此不是一個(gè)好辦法。（2）最大轉(zhuǎn)矩不大；用于驅(qū)動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)過(guò)負(fù)荷的負(fù)載，如礦山所用破碎機(jī)等時(shí)，往往停轉(zhuǎn)而燒壞電動(dòng)機(jī)。以致只能

18、在輕載狀況下運(yùn)行，既降低了產(chǎn)量又浪費(fèi)電能。（3）起動(dòng)電流很大，增加了所需供電變壓器的容量，從而增加大量投資。如果是采用降壓起動(dòng)來(lái)降低起動(dòng)電流，同樣要增加添購(gòu)降壓裝置的投資，并且使本來(lái)就不好的起動(dòng)特性進(jìn)一步惡化。繞線型電動(dòng)機(jī)雖起動(dòng)特性和運(yùn)行性能兼優(yōu)，但仍存在下列嚴(yán)重缺點(diǎn)。（1）由于轉(zhuǎn)子上有集電環(huán)和電刷，不僅增加制造成本，并且降低了起動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，集電環(huán)和電刷之間的滑動(dòng)接觸，是這種電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的主要根源14，而且維護(hù)困難。電刷和滑環(huán)之間容易產(chǎn)生火花，這嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)繞線電動(dòng)機(jī)的使用范圍。（2）當(dāng)前的傳統(tǒng)繞線型電動(dòng)機(jī)為了提高可靠性，多數(shù)不提刷，因此運(yùn)行時(shí)存在嚴(yán)重的電能浪費(fèi)，且污染周?chē)h(huán)境；上述

19、傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在嚴(yán)重缺點(diǎn)的根本原因在于“起動(dòng)”、“運(yùn)行”和“可靠性”三者之間存在難以調(diào)和的矛盾，因此勢(shì)必顧此失彼，不可兼優(yōu)。1.1.2 傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展在工業(yè)和國(guó)防等行業(yè)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的能量損耗占整個(gè)電力能量的70%以上。三相籠型電動(dòng)機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，但過(guò)大的起動(dòng)電流，一方面在線路和繞組內(nèi)造成能量損耗，特別在頻繁起動(dòng)的情況下，這種能量損耗是相當(dāng)大的。另一方面，過(guò)大電流對(duì)繞組產(chǎn)生的電磁沖擊力和能耗高溫會(huì)大大縮短電機(jī)壽命。因起動(dòng)性能不好，往往還不得不采用繞線型異步電動(dòng)機(jī)。雖然三相繞線型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能好，但繞線型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，造

20、價(jià)高，可靠性差，又污染環(huán)境，也是一種廣泛的能量損耗。更主要的是集電環(huán)和電刷是易損部件，造成了傳動(dòng)設(shè)備故障率高、維護(hù)困難，嚴(yán)重的影響了設(shè)備的正常工作，同時(shí)集電環(huán)和電刷之間產(chǎn)生的火花也制約了傳統(tǒng)繞線電機(jī)的使用范圍。由于異步電動(dòng)機(jī)是國(guó)際經(jīng)濟(jì)各部門(mén)最主要的動(dòng)力設(shè)備，電能消耗占整個(gè)用電設(shè)備的絕大部分，所以解決好傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)與性能之間的矛盾，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，另外在工業(yè)和國(guó)防等行業(yè)的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中有大量的設(shè)備，要求電動(dòng)機(jī)具有更好的起動(dòng)性能，所以進(jìn)一步提高傳統(tǒng)繞線電機(jī)的起動(dòng)性能也顯得非常重要。如何使傳統(tǒng)電機(jī)既具有籠型電機(jī)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又具有比繞線電機(jī)更優(yōu)異的起動(dòng)性能和更好的運(yùn)行效率，一直是全世界電工學(xué)者高

21、度關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)檫@對(duì)節(jié)省能源和改善環(huán)境都具有重要意義，為此電工界提出過(guò)很多改善的方法。其關(guān)鍵是取消集電環(huán)和電刷部件，采用普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，并著力提高其起動(dòng)性能15:。從目前的研究成果來(lái)看，解決方案分為三類(lèi)2-6：一類(lèi)是改變定子繞組結(jié)構(gòu)，如星一三角起動(dòng)、延邊三角形起動(dòng)、變極起動(dòng)等；二類(lèi)是改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如采用深槽轉(zhuǎn)子、雙籠轉(zhuǎn)子、實(shí)心轉(zhuǎn)子、復(fù)合轉(zhuǎn)子、管型轉(zhuǎn)子等2；第三類(lèi)是采用特殊結(jié)構(gòu)型式，如雙定子或雙轉(zhuǎn)子等。由上述方法所研制的電動(dòng)機(jī)，有的已得到廣泛應(yīng)用，但并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題，即做到“四高”：高起動(dòng)性能、高運(yùn)行性能、高可靠性、高起動(dòng)性能，“三無(wú)”：無(wú)滑環(huán)、無(wú)電刷、無(wú)觸點(diǎn)，在很多場(chǎng)合下還是不

22、得不使用傳統(tǒng)電機(jī)。在國(guó)內(nèi)許多科研院所和高等院校在這方面做了大量的研究，除了提出上述的解決方案外，其中最具有代表性的是華中科技大學(xué)提出的諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。其基本原理是采用普通電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，定子繞組被設(shè)計(jì)成具有起動(dòng)和正常運(yùn)行的連接方式，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子繞組將產(chǎn)生與基波接近的兩個(gè)或兩個(gè)以上的起動(dòng)極磁場(chǎng)波，而轉(zhuǎn)子繞用被設(shè)計(jì)成能為起動(dòng)諧波電勢(shì)所產(chǎn)生的電流提供流通路徑（該路徑與基波不同），并使該路徑所經(jīng)電路具有較大的電阻，從而提高了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。而運(yùn)行時(shí)具有普通電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)，因而電機(jī)具有較好的運(yùn)行性能。該種電機(jī)已投入工業(yè)運(yùn)行，并獲得了用戶的肯定。但存在定子、轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜（采用不等匝、不同線規(guī)的繞組）

23、、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大、電機(jī)溫升高等諸多問(wèn)題。1.2 課題研究的目的及內(nèi)容為解決傳統(tǒng)電機(jī)性能與結(jié)構(gòu)上的矛盾，進(jìn)一步改善傳統(tǒng)電機(jī)的起動(dòng)性能和運(yùn)行性能，本課題在前人研究的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代繞組理論將諧波起動(dòng)理論應(yīng)用到傳統(tǒng)繞線異步電動(dòng)機(jī)上，解決其運(yùn)行可靠性差的難題，并進(jìn)一步提高繞線電機(jī)的起動(dòng)性能和運(yùn)行效率，簡(jiǎn)化電機(jī)的制造工藝。重點(diǎn)研究的內(nèi)容：（1）電機(jī)繞組方案的研究以諧波起動(dòng)理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一套獨(dú)特的電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組方案，采用該繞組方案的新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能要好，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有電刷和集電環(huán)，繞組工藝簡(jiǎn)單。采用合理的分析方法對(duì)繞組方案進(jìn)行詳細(xì)分析。（2）新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)的研究由于要分別考慮

24、諧波磁場(chǎng)和基波磁場(chǎng)在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的作用，新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)就顯得尤為復(fù)雜，而準(zhǔn)確的電磁設(shè)計(jì)程序?qū)υ撔滦碗姍C(jī)今后的實(shí)際推廣應(yīng)用又有著很重要的作用。而電磁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于起動(dòng)性能的計(jì)算，考慮到諧波作用的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的計(jì)算方法與傳統(tǒng)繞線電機(jī)有很大的不同，對(duì)應(yīng)參數(shù)的計(jì)算也比傳統(tǒng)電機(jī)復(fù)雜很多，為此我們將深入研究該類(lèi)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特征，推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，并充分考慮磁場(chǎng)飽和、溫度變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響，找出新型電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確計(jì)算方法，為該類(lèi)電機(jī)的推廣提供理論依據(jù)。（3）新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型與仿真模型的研究 充分考慮新型無(wú)刷繞線電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合電機(jī)學(xué)的相關(guān)知識(shí)得到新型電機(jī)的等效電路，并以

25、等效為基礎(chǔ)推導(dǎo)出電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。而仿真模型的建立必須以電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，要在電機(jī)狀態(tài)變換的同時(shí)能實(shí)時(shí)改變電機(jī)參數(shù)，因?yàn)槠饎?dòng)和運(yùn)行狀態(tài)下諧波的含量有很大的不同，相關(guān)的參數(shù)必然會(huì)發(fā)生變化。仿真模型的正確建立有助于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3 本文的主要內(nèi)容 以傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)改進(jìn)傳統(tǒng)繞線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能做了深入的研究，主要包括以下幾個(gè)方面： （1）分析了新型無(wú)刷繞線電機(jī)的諧波起動(dòng)原理，在傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上運(yùn)用現(xiàn)代繞組理論對(duì)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了獨(dú)特設(shè)計(jì)，得到一套完整的繞組方案。并對(duì)該繞組方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從理論上驗(yàn)證了繞組方案的合理性。（2）對(duì)新型無(wú)刷繞線電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研

26、究，得出了正確的計(jì)算方法，研究出了電機(jī)的等效電路圖。 （3）在等效電路圖的基礎(chǔ)上，研究出電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立起對(duì)應(yīng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真分析。 （4）制造出一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。碩士學(xué)位論文 第二章 新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)的基本原理通常在對(duì)電機(jī)的定子繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高氣隙圓形磁場(chǎng)的質(zhì)量人們總是想方設(shè)法力圖消除諧波，以盡可能的減小諧波對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響。而新型無(wú)刷繞線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)獨(dú)辟蹊徑，利用定子繞組產(chǎn)生的諧波來(lái)改善電機(jī)的起動(dòng)性能，這種完全有別于傳統(tǒng)電機(jī)的起動(dòng)原理就是諧波起動(dòng)原理11。2.1 諧波起動(dòng)原理的基本概念諧波起動(dòng)原理就是利用繞組不對(duì)稱(chēng)

27、連接時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)諧波來(lái)提高電機(jī)的起動(dòng)性能的方法，運(yùn)用這種理論的電機(jī)定子繞組設(shè)計(jì)成具有可通過(guò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的兩種不同聯(lián)結(jié)方式，即“起動(dòng)方式”和“運(yùn)行方式”。當(dāng)定子繞組按“運(yùn)行方式”聯(lián)結(jié)而接入電網(wǎng)時(shí)，定子產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的基波磁場(chǎng)，其他諧波磁場(chǎng)含量少、幅值小。當(dāng)定子繞組按“起動(dòng)方式”聯(lián)結(jié)而接入電網(wǎng)時(shí)，定子繞組會(huì)產(chǎn)生基波磁勢(shì)和多個(gè)諧波磁勢(shì)，選取其中兩個(gè)極數(shù)與基波相近的且幅值較大的諧波為起動(dòng)諧波，其中低次諧波為主諧波，高次諧波為副諧波。只要針對(duì)定子產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)和所選的起動(dòng)諧波磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子繞組，便能做到：由起動(dòng)諧波磁場(chǎng)感應(yīng)于轉(zhuǎn)子中的電流與由基波磁場(chǎng)感應(yīng)于轉(zhuǎn)子中的電流，自動(dòng)分流，各走各的電路。起動(dòng)諧波

28、磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流所經(jīng)電路具有較大電阻，而基波磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流所經(jīng)電路的電阻則很小。在起動(dòng)時(shí)，定子繞組按“起動(dòng)方式”聯(lián)結(jié)投入電網(wǎng)，依靠定子產(chǎn)生的起動(dòng)諧波及其轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流所經(jīng)回路電阻較大來(lái)降低起動(dòng)電流、提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，繞線轉(zhuǎn)子無(wú)需再外接電阻，從而使轉(zhuǎn)子電路上無(wú)集電環(huán)、無(wú)電刷、無(wú)觸點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到額定值或其附近時(shí)，把定子繞組改為按“運(yùn)行方式”聯(lián)結(jié)接入電網(wǎng)，則起動(dòng)諧波被消除，電動(dòng)機(jī)在基波作用下進(jìn)入正常運(yùn)行。這時(shí)轉(zhuǎn)子電流所經(jīng)回路的電阻很小，因而運(yùn)行效率很高。因此，只憑改變定子繞組的連接方式，便能控制轉(zhuǎn)子電流所經(jīng)電路是高電阻還是低電阻，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電路上無(wú)電刷和集電環(huán)。根據(jù)諧波起動(dòng)的基本原理，新型無(wú)刷繞線異步電

29、動(dòng)機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)必然與傳統(tǒng)繞線電機(jī)存在很大的差異。2.2 諧波起動(dòng)對(duì)定子繞組的基本要求根據(jù)上面的介紹，諧波起動(dòng)要求定子繞組在起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生三個(gè)轉(zhuǎn)向相同且幅值較大的磁動(dòng)勢(shì)波，這三個(gè)磁勢(shì)波就是：定子磁勢(shì)的基波、主諧波（少極數(shù)諧波）和副諧波（多極數(shù)諧波）。三者共同作用，在轉(zhuǎn)子繞組的緊密配合下產(chǎn)生強(qiáng)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)把電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、加速，一直把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提升到達(dá)額定轉(zhuǎn)速附近，再通過(guò)開(kāi)關(guān)操作或控制電路把電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)工況轉(zhuǎn)換到運(yùn)行工況，完成起動(dòng)過(guò)程，最后過(guò)渡到額定運(yùn)行狀態(tài)。由此可見(jiàn)，新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)在采用諧波起動(dòng)時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的三個(gè)磁動(dòng)勢(shì)波非常重要，諧波含量否則將會(huì)大大降低電機(jī)的起動(dòng)效果，產(chǎn)生其它嚴(yán)重的技

30、術(shù)問(wèn)題。2.2.1 對(duì)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的基波磁勢(shì)的基本要求起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的基波極數(shù)與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的極數(shù)相同，其旋轉(zhuǎn)方向也與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向一致。在起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)副諧波對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，副諧波磁勢(shì)將會(huì)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，阻礙電機(jī)的起動(dòng)。所以起動(dòng)時(shí)的基波幅值必須相當(dāng)大，才能使起動(dòng)后期基波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩上升到很大數(shù)值，因而能與主諧波聯(lián)合起來(lái)，抵消掉副諧波產(chǎn)生的很大負(fù)轉(zhuǎn)矩，并且還有多余轉(zhuǎn)矩來(lái)使轉(zhuǎn)速上升，而到達(dá)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速附近。2.2.2 對(duì)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的主諧波磁勢(shì)的基本要求主諧波磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)比基波極數(shù)少2個(gè)極的與基波同轉(zhuǎn)向的磁動(dòng)勢(shì)波。其同步轉(zhuǎn)速比基波的高很多，因此主諧波的作用貫穿于整個(gè)起動(dòng)的全過(guò)程，主要有下

31、列三項(xiàng)：1）起動(dòng)開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)，絕大多數(shù)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都來(lái)源于主諧波。2）限制起動(dòng)電流使其不致過(guò)大 起動(dòng)電流的大小主要受主諧波磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)于定子繞組中的反電動(dòng)勢(shì)所制約。因此主諧波越強(qiáng)則起動(dòng)電流越小。3）克服副諧波產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩 但轉(zhuǎn)速上升到超過(guò)副諧波的同步轉(zhuǎn)速以后，副諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)的。在其開(kāi)始階段，由于基波的轉(zhuǎn)矩尚未上升到很大，上述的負(fù)轉(zhuǎn)矩就全靠主諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩來(lái)把它克服，并要求此時(shí)主諧波在抵消掉負(fù)轉(zhuǎn)矩之后，還剩下很大轉(zhuǎn)矩，以使轉(zhuǎn)速得以繼續(xù)上升。以后，基波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩已上升到很大，則主諧波和基波便聯(lián)合一起來(lái)抵消前述副諧波產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩，而使轉(zhuǎn)速上升到電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速附

32、近。上述三波起動(dòng)時(shí)，三個(gè)波之間的互相促進(jìn)、互相制約，而主諧波貫穿整個(gè)起動(dòng)的全過(guò)程，是諧波起動(dòng)中的一個(gè)最重要的諧波，缺少它諧波起動(dòng)就無(wú)法很好的實(shí)現(xiàn)。沒(méi)有主諧波，或主諧波很弱，則起動(dòng)后的轉(zhuǎn)速就不可能達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速附近。正因?yàn)檫@樣，設(shè)計(jì)諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子繞組的聯(lián)結(jié)方案時(shí)，就是從主諧波下手的，利用主諧波的槽號(hào)相位表，在其下面排列出定子三相所占槽號(hào)，然后以獲得最強(qiáng)主諧波為目的進(jìn)行繞組設(shè)計(jì)。2.2.3 對(duì)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的副諧波磁勢(shì)的基本要求起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的副諧波磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)比基波極數(shù)多2個(gè)極或4個(gè)極并且與基波同轉(zhuǎn)向的高次磁動(dòng)勢(shì)諧波。一般來(lái)說(shuō)，副諧波是高次諧波中最強(qiáng)的一個(gè)與基波同轉(zhuǎn)向的磁動(dòng)勢(shì)諧波。副諧波的唯一

33、作用是在起動(dòng)的開(kāi)始階段，從轉(zhuǎn)速n=0到副諧波的同步轉(zhuǎn)速這一區(qū)間內(nèi)，協(xié)助主諧波提高電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這是提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常有效的措施，三波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)得以誕生，就在于發(fā)現(xiàn)了副諧波的這個(gè)重要作用。在三波起動(dòng)中引入副諧波能顯著提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要原因，在于副諧波的極數(shù)比主諧波的多得多。至于極數(shù)多則轉(zhuǎn)矩大的原因是由于，在其他情況相同的條件下，各種諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與其極數(shù)成正比，因此極數(shù)越多，產(chǎn)生的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩就越大。前面已經(jīng)指出，副諧波的極數(shù)比基波的多2個(gè)極或者4個(gè)極。究竟是多幾個(gè)極呢？這決定于定子繞組的聯(lián)結(jié)法。聯(lián)結(jié)法一經(jīng)選定，按“主諧波最強(qiáng)”的原則即可設(shè)計(jì)出各段繞組所占槽號(hào)的分配方案。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)很難顧

34、及副諧波，而僅僅考慮主諧波。槽好分配方案一經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)，副諧波的極數(shù)是多少便已固定不變了。這時(shí)對(duì)已定的繞組聯(lián)結(jié)方案進(jìn)行諧波分析，從所得的繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波含量中來(lái)發(fā)現(xiàn)副諧波的極數(shù)及其幅值大小，副諧波就是與基波同轉(zhuǎn)向的高次諧波中最強(qiáng)的一個(gè)諧波。副諧波具有在起動(dòng)初期顯著提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的突出優(yōu)點(diǎn)，是三波起動(dòng)得以超越雙波起動(dòng)的一個(gè)重要原因。但副諧波也存在一個(gè)很關(guān)鍵的缺點(diǎn)，就是在起動(dòng)后期，副諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)的，反而消弱起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其原因是它的極數(shù)比基波多2個(gè)極或4個(gè)極，因此其同步轉(zhuǎn)速必定低于基波，這說(shuō)明從起動(dòng)開(kāi)始到額定轉(zhuǎn)速附近的全過(guò)程中必定要經(jīng)過(guò)副諧波的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)，而越過(guò)這一點(diǎn)后，副諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩便變?yōu)樨?fù)的，

35、因此產(chǎn)生消弱電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)作用。上述副諧波的負(fù)作用，使起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線下陷，嚴(yán)重時(shí)則出現(xiàn)凹坑，出現(xiàn)最小轉(zhuǎn)矩（凹坑之底）。在此情況下，若起動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載的阻力矩大于上述最小轉(zhuǎn)矩，則出現(xiàn)起動(dòng)中途轉(zhuǎn)速無(wú)法繼續(xù)上升的“爬行”現(xiàn)象，而造成起動(dòng)失敗。由此可見(jiàn)，采用副諧波時(shí)要特別慎重。副諧波太弱了，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩提不高，但太強(qiáng)了則起動(dòng)過(guò)程可能出現(xiàn)凹坑，因而有發(fā)生“爬行”的危險(xiǎn)?？朔敝C波負(fù)作用的有效途徑：調(diào)整副諧波的幅值，對(duì)所選的定子繞組聯(lián)結(jié)法各段所占槽號(hào)作小的調(diào)整，以達(dá)到主諧波基本不變，而副諧波幅值有所下降。加強(qiáng)基波和主諧波，副諧波的負(fù)作用全靠基波和主諧波克服。基波和主諧波聯(lián)合產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了把副諧波

36、產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩抵消掉之外，還須剩下較大的多余轉(zhuǎn)矩來(lái)把電動(dòng)機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速附近。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)各諧波的等效電阻，轉(zhuǎn)子繞組對(duì)定子各諧波的等效電阻，決定著定子各諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線中，發(fā)生最大值（正的或負(fù)的）的轉(zhuǎn)速。因此若能依靠調(diào)節(jié)上述等效電阻而達(dá)到副諧波產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)負(fù)最大的轉(zhuǎn)速，與基波產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)最大值的轉(zhuǎn)速恰好發(fā)生在同一轉(zhuǎn)速下。則它們一正一負(fù)直接抵消。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組等效電阻的最簡(jiǎn)單的方法是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組中每個(gè)復(fù)合線圈內(nèi)兩并聯(lián)支路的匝數(shù)比。兩并聯(lián)支路的匝數(shù)之和（即電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)每個(gè)復(fù)合線圈的有效匝數(shù)）與它們?cè)褦?shù)之差（即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)每個(gè)復(fù)合線圈的有效匝數(shù)）之比，決定著等效電阻的大小。 應(yīng)用上述三種

37、方法來(lái)克服副諧波的副作用時(shí)，由于實(shí)際情況極其復(fù)雜，只能針對(duì)具體設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行。每次調(diào)整、調(diào)節(jié)都必須通過(guò)電磁計(jì)算求得最后結(jié)果，才確切知道所做的調(diào)整、調(diào)節(jié)是否有用。最好是在起動(dòng)全過(guò)程的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線上不出現(xiàn)凹坑即最小轉(zhuǎn)矩。若難以做到而出現(xiàn)凹坑，則要求凹坑形成的最小轉(zhuǎn)矩高于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，以保證能實(shí)現(xiàn)滿載起動(dòng)。2.3 諧波起動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的基本要求諧波起動(dòng)時(shí)定子繞組產(chǎn)生的三個(gè)磁動(dòng)勢(shì)波是在轉(zhuǎn)子繞組的緊密配合下才起作用的。在起動(dòng)初期，轉(zhuǎn)子繞組的高電阻效應(yīng)顯著提高定子主、副諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，它們聯(lián)合產(chǎn)生很強(qiáng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和升速。在起動(dòng)后期，則依靠轉(zhuǎn)子繞組對(duì)定子主、副諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線

38、最大值（正的和負(fù)的）出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速的控制作用，使基波和主諧波聯(lián)合產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩能夠有效地克服副諧波產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩，從而消除出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象的危險(xiǎn)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速順利地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近。為達(dá)到上述效果，諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)所采用的轉(zhuǎn)子繞組必須滿足下列基本要求： 1）轉(zhuǎn)子繞組的連接法 轉(zhuǎn)子繞組分為并聯(lián)接法和串聯(lián)接法兩大類(lèi)，諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)為了獲得理想的起動(dòng)效果，轉(zhuǎn)子繞組必須采用串聯(lián)接法，以同時(shí)發(fā)揮主、副諧波的作用。如果轉(zhuǎn)子繞組錯(cuò)用并聯(lián)接法，則轉(zhuǎn)子繞組只對(duì)一個(gè)定子諧波起作用，那就把先進(jìn)的三波起動(dòng)降為起動(dòng)特性顯著下降的雙波起動(dòng)了，這是絕對(duì)不允許的。2）轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)型式 為簡(jiǎn)化制造工藝和提高起動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，轉(zhuǎn)子繞組由

39、許多“并聯(lián)線圈”構(gòu)成，而不在轉(zhuǎn)子繞組上焊接起動(dòng)電阻。為減少轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)時(shí)的閉合回路數(shù)，每個(gè)“并聯(lián)線圈組”串聯(lián)的“并聯(lián)線圈”的個(gè)數(shù)，以采用2-3個(gè)為最佳，在小型電機(jī)里面為了顯著改善起動(dòng)性能可以采用一個(gè)。3）轉(zhuǎn)子繞組的槽數(shù) 在選取轉(zhuǎn)子繞組槽數(shù)時(shí)，與電動(dòng)機(jī)的基波極數(shù)結(jié)合在一起來(lái)考慮，以采用轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)為一包含很多因子的整數(shù)為最佳。此時(shí)可能采用的每個(gè)“并聯(lián)線圈組”串聯(lián)的“并聯(lián)線圈”個(gè)數(shù)等于上述存在的因子個(gè)數(shù)。因此，上述因子個(gè)數(shù)越多，則說(shuō)明存在的可供比較的不同方案越多，便于從中優(yōu)選最佳方案。例如，對(duì)72槽8極電動(dòng)機(jī)，常用的槽數(shù)為=84。此時(shí)轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)，是一個(gè)分?jǐn)?shù)，難以在諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用。因此必須改

40、用=96，而得，是一個(gè)很好的整數(shù)，存在2、4、6四個(gè)因子。很合適諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。4）轉(zhuǎn)子繞組的嵌線工藝 轉(zhuǎn)子繞組中采用的“并聯(lián)線圈”上下兩條支路的線匝數(shù)分別為和，為減少起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的槽漏電抗，以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)于采用圓線散下繞組的中、小型電動(dòng)機(jī)，應(yīng)按下述工藝過(guò)程嵌線，即無(wú)論上層線圈邊還是下層線圈邊，都應(yīng)把單路獨(dú)繞的（）匝安排在最靠近槽口處，以使該部分繞組產(chǎn)生的槽漏電抗最小。對(duì)于采用扁線硬元件的中、大型電動(dòng)機(jī)，則視具體情況，若工藝上易于做到，也應(yīng)按前述嵌線。2.4 運(yùn)行狀態(tài)下定、轉(zhuǎn)子繞組的技術(shù)要求 電機(jī)從起動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，為提高氣隙磁場(chǎng)的質(zhì)量，力求氣隙磁場(chǎng)沿圓周正弦分布，必須確保運(yùn)行時(shí)電

41、機(jī)為正規(guī)的對(duì)稱(chēng)相帶分布，其中大部分采用正規(guī)60相帶28分布，正規(guī)60相帶繞組由于諧波含量很少、性能優(yōu)越，且在線圈制造、嵌線、接線方面最簡(jiǎn)易，是工藝性最好的一種繞組。所以在運(yùn)行狀態(tài)下，新型無(wú)刷繞線異步電機(jī)的要盡量為60相帶對(duì)稱(chēng)分布。轉(zhuǎn)子繞組在運(yùn)行狀態(tài)下與起動(dòng)時(shí)相比接法保持不變，運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子基波感應(yīng)電流的流通回路中的電阻要很小，這樣才能提高電機(jī)的運(yùn)行效率，降低電機(jī)的溫升。 新型無(wú)刷繞線電機(jī)就是在傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用諧波起動(dòng)理論，對(duì)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其無(wú)需在轉(zhuǎn)子繞組上外接電阻就能獲得良好的起動(dòng)性能，從而去掉了轉(zhuǎn)子上的電刷和滑環(huán)，簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，并獲得良好的運(yùn)行性能。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)就在

42、于把定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)看成一個(gè)有機(jī)的整體，綜合起來(lái)研究，轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的變革與定子繞組結(jié)構(gòu)的變革緊密配合，相互呼應(yīng)，相得益彰，因此能同時(shí)解決高起動(dòng)特性、高運(yùn)行性能和高可靠性三者之間的矛盾，為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了一條新的道路。 碩士學(xué)位論文第三章 新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的設(shè)計(jì)定子繞組是新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)的主體，諧波起動(dòng)就是依靠定子繞組產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，要使新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)特性和運(yùn)行性能，首要的任務(wù)就是把定子繞組設(shè)計(jì)好。而設(shè)計(jì)的好壞在于采用正確有效的設(shè)計(jì)方法和理論，本章詳細(xì)介紹了繞組設(shè)計(jì)的主要的方法槽號(hào)相位圖，根據(jù)定子繞組的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出了一套繞組方

43、案，并對(duì)該繞組方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析。3.1 槽號(hào)相位圖槽矢量星形圖能比較直觀、完整的分析繞組，反映出繞組矢量關(guān)系的實(shí)際情況，尤其在觀察三項(xiàng)是否對(duì)稱(chēng)時(shí)，一目了然。但也存在缺點(diǎn)，就是畫(huà)起來(lái)比較麻煩，而矢量號(hào)碼往往互相交錯(cuò)，不容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在槽數(shù)很多的情況下，尤其是這樣。為彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，采用“槽號(hào)相位圖”來(lái)代替“槽矢量心形”。3.1.1 槽號(hào)相位圖的意義 把槽矢量星形的圓周展開(kāi)成直線，取消表示矢量的箭頭，留下矢量的槽號(hào)，便得“槽號(hào)相位圖28”。這時(shí)圓周變成一段水平線，每根矢量變成一個(gè)槽號(hào)，槽號(hào)在水平線中的位置表示矢量的相位。為了避免重疊，把同相位矢量的槽號(hào)寫(xiě)在不同水平線上，但位于同一垂直線上。此外為

44、便于應(yīng)用，把負(fù)槽號(hào)（代表電流為負(fù)值的導(dǎo)體或線圈的矢量）也列入圖中，它與同號(hào)碼的正槽號(hào)隔開(kāi)一段相當(dāng)于（弧度）或180的距離。這樣就形成一個(gè)表格，表中填了Z個(gè)正槽號(hào)和Z個(gè)負(fù)槽號(hào)，Z為電機(jī)槽數(shù)。具體實(shí)例如下： 圖3-1 Z=12的三相繞組導(dǎo)體分配 圖3-2 =1時(shí)繞組的槽矢量星形圖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 圖3-3 與圖3-2 所示的矢量星形圖對(duì)應(yīng)的槽號(hào)相位圖和三相相位圖 由此可見(jiàn)，“槽號(hào)相位圖”實(shí)質(zhì)上就是同時(shí)畫(huà)出正槽號(hào)矢量和負(fù)槽號(hào)矢量的槽矢量星形，只是表

45、示形式不同而已。相位圖以表格形式出現(xiàn)，整個(gè)表格的水平長(zhǎng)度相當(dāng)于2（弧度）或360，其中一個(gè)槽號(hào)代表一個(gè)矢量（導(dǎo)體矢量或線圈矢量），同一縱行的所有槽號(hào)所代表的矢量都是同相位，而兩槽號(hào)之間的水平距離則代表相應(yīng)兩矢量間的相位差，用弧度或角度表示。3.1.2 槽號(hào)相位圖的畫(huà)法 畫(huà)槽號(hào)相位圖時(shí)，首先要確定所需表格每一橫行的小格數(shù)，然后以某一間隔在表格里面填寫(xiě)槽號(hào)。為求得每一橫行需要的最少小格數(shù)Q，我們利用對(duì)對(duì)極諧波說(shuō)的每極每相槽數(shù)q來(lái)分析問(wèn)題，且是三相時(shí)的q值，故得: （3-1）式中 N 、D沒(méi)有公約數(shù)的整數(shù)。如果相鄰槽號(hào)在相位圖中位移x小格，則從式(3-1)可見(jiàn)，每對(duì)極即每一橫行應(yīng)包含的小格數(shù)： （3

46、-2）顯然，Q必須為整數(shù)，并且為了填寫(xiě)負(fù)槽號(hào)，還要求Q為偶數(shù)。這樣，只要找出最小的整數(shù)x使式（3-2）所示的Q為偶數(shù)整數(shù)就可以了。為此分下列三種情況：1，當(dāng)D=1，即q= N=整數(shù)時(shí)，應(yīng)取x=1，隨之Q=6N=6q。因此，相位圖每一橫行應(yīng)有6 q個(gè)小格，而填寫(xiě)槽號(hào)時(shí)，相鄰槽號(hào)位移一小格（即填于相鄰小格）。2，當(dāng)D不是3或3的倍數(shù)時(shí)，應(yīng)取x=D，隨之Q=6N。因此，相位圖每一橫行應(yīng)有6 N個(gè)小格，相鄰槽號(hào)位移D小格。3，當(dāng)D是3的倍數(shù)而可寫(xiě)成D=3D時(shí)，應(yīng)取x= D，此時(shí)Q=2N。因此，相位圖每一橫行應(yīng)有2 N個(gè)小格，而相鄰槽號(hào)應(yīng)位移D小格。 用槽號(hào)相位圖分析三相磁勢(shì)時(shí)，在單層繞組里，每個(gè)槽號(hào)代

47、表一根導(dǎo)體或一個(gè)線圈邊，在雙層等元件繞組里，每個(gè)槽號(hào)代表一個(gè)線圈。具體分析時(shí)，把三相所占的槽號(hào)垂直移到槽號(hào)相位圖的下方，注意區(qū)分正、負(fù)號(hào)，用字母A、B、C區(qū)別三相，而把槽號(hào)寫(xiě)成字母下標(biāo)。如此求得的三相磁勢(shì)相位圖，簡(jiǎn)稱(chēng)“繞組的三相相位圖”，如圖3-3所示。 3.2 定子繞組設(shè)計(jì)原理3.2.1 對(duì)定子繞組的基本要求定子繞組是新型無(wú)刷繞線電機(jī)的主體，諧波起動(dòng)就是依靠定子繞組產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，要使新型無(wú)刷繞線電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)特性和運(yùn)行性能，首要的任務(wù)就在于定子繞組的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用諧波起動(dòng)原理的定子繞組采用“運(yùn)行方式”和“起動(dòng)方式”兩種聯(lián)結(jié)方式。對(duì)這兩種聯(lián)結(jié)方式的基本要求如下：（1）對(duì)“

48、運(yùn)行方式”除一些特殊情況（有些繞組段串聯(lián)的線圈匝數(shù)不同）外，要求運(yùn)行時(shí)嚴(yán)格等效于正規(guī)60相帶繞組。正規(guī)60相帶繞組運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)諧波含量最少，只存在非3倍數(shù)的奇數(shù)整數(shù)次諧波，即5次、7次、11次、13次等，其他的一切諧波皆不存在，因此由諧波引起的附加損耗最小，使電動(dòng)機(jī)具有高的效率和運(yùn)行穩(wěn)定。由于傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)必須兼顧“起動(dòng)電流太大”問(wèn)題，而不敢把定、轉(zhuǎn)子漏抗設(shè)計(jì)得很小。但新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)則不同，由于把“運(yùn)行”和“起動(dòng)”兩種工況截然分開(kāi)，因此可完全不考慮起動(dòng)電流是否太大而把定、轉(zhuǎn)子漏電抗設(shè)計(jì)得很小，從而獲得較好的過(guò)載能力。由此可見(jiàn)，滿足這個(gè)基本要求將使新型無(wú)刷繞線異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行性能上超過(guò)傳統(tǒng)

49、繞線電動(dòng)機(jī)。只要符合下列3點(diǎn)，便必定等效于正規(guī)60相帶繞組28。1）運(yùn)行時(shí)三相所占槽號(hào)按基波極數(shù)相位排列時(shí)，分別位于互差120的三個(gè)60的區(qū)域內(nèi)。2）如果各相所占槽號(hào)具體連接時(shí)，有若干支路并聯(lián)在一起，則并聯(lián)個(gè)支路由基波磁場(chǎng)感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)應(yīng)嚴(yán)格地同相位、同大小，因此不產(chǎn)生環(huán)流。3）無(wú)論各相所占槽號(hào)具體如何連接，要求運(yùn)行時(shí)三相電流對(duì)稱(chēng)，每相所占各槽號(hào)代表的線圈匝數(shù)與通過(guò)該線圈的電流的相乘積（槽號(hào)的安匝數(shù)）都相等，因此符合“等安匝定理”。（2）“起動(dòng)方式”要求電機(jī)起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的起動(dòng)諧波磁動(dòng)勢(shì)。這是由于起動(dòng)所需諧波越強(qiáng)，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，并且起動(dòng)電流越小，因此起動(dòng)性能顯著提高。具體要求，視采用哪一種

50、起動(dòng)方法而定。對(duì)“三波起動(dòng)”，由于有兩個(gè)起動(dòng)諧波，情況比較復(fù)雜。由于起動(dòng)是短時(shí)過(guò)程，因此其他條件可以放寬，如起動(dòng)時(shí)對(duì)基波和對(duì)諧波的三相對(duì)稱(chēng)性，就不要求三相嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。但不宜偏離三相對(duì)稱(chēng)太大，因?yàn)槔@組的磁動(dòng)勢(shì)諧波是按三相電流對(duì)稱(chēng)進(jìn)行分析的，若實(shí)際電流三相很不對(duì)稱(chēng)，則諧波分析結(jié)果與實(shí)際情況差別很大，導(dǎo)致電磁計(jì)算不可靠。因此對(duì)三相不對(duì)稱(chēng)程度應(yīng)有限制。一般，對(duì)基波來(lái)說(shuō)，因三相不對(duì)稱(chēng)而出現(xiàn)的負(fù)序分量應(yīng)不超過(guò)5%，對(duì)諧波來(lái)說(shuō)則應(yīng)不超過(guò)10%。（3）對(duì)“起動(dòng)方式”與“運(yùn)行方式”之間的轉(zhuǎn)換 要求只用兩個(gè)三相開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)的引出線最好不超過(guò)6根。這是由于開(kāi)關(guān)太多，一方面使控制柜的成本顯著增加，特別是高壓電動(dòng)機(jī)，因?yàn)?/p>

51、高壓開(kāi)關(guān)很昂貴。另一方面是開(kāi)關(guān)太多則控制操作太復(fù)雜，大大降低其運(yùn)行的可靠性。引出線限于6根是為了能通用傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的出線接線盒，若用9根引出線則需要另外配制出線盒，對(duì)機(jī)座也須改造，不利于新型電動(dòng)機(jī)的推廣與應(yīng)用。由于采用了很多巧妙的接線方法，上述的兩個(gè)三相開(kāi)關(guān)和6根引出線能滿足各種諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)聯(lián)結(jié)法的需要，只有個(gè)別的聯(lián)結(jié)法需要9根引出線而須作特別處理，如采用特制出線盒等。3.2.2 定子繞組的聯(lián)接方法按照上面的設(shè)計(jì)要求，采用諧波起動(dòng)理論的新型無(wú)刷繞線電動(dòng)機(jī)的定子繞組的聯(lián)接方法11主要有以下幾種：大小雙星聯(lián)接法、三星聯(lián)結(jié)法、復(fù)合多星聯(lián)結(jié)法。大小雙星是指整個(gè)定子繞組連接成兩個(gè)結(jié)構(gòu)不同的星形聯(lián)結(jié)，兩星

52、形聯(lián)結(jié)串聯(lián)的線圈數(shù)和線圈匝數(shù)不等，線圈數(shù)多的稱(chēng)為大星，起動(dòng)時(shí)大星率先接入電網(wǎng)，待電機(jī)升至額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，小星也接入電網(wǎng)，與大星并聯(lián)形成大小雙星并聯(lián)連接（運(yùn)行方式）。大小雙星聯(lián)結(jié)法是實(shí)現(xiàn)三波起動(dòng)定子繞組聯(lián)結(jié)法中很好的一種，其接線簡(jiǎn)單，用途廣泛。該聯(lián)結(jié)法適用于4極及4極以上的任何極對(duì)數(shù)的電動(dòng)機(jī)，無(wú)論是整數(shù)槽繞組，還是分?jǐn)?shù)槽繞組都能采用。由于對(duì)應(yīng)于兩個(gè)星形，每相只有兩條并聯(lián)支路，使該聯(lián)結(jié)法既適用于低壓電機(jī)，更適用于高壓電機(jī)。其缺點(diǎn)是大小雙星的線圈結(jié)構(gòu)不同，在制造工藝上會(huì)比較復(fù)雜，并且可能使每相匝數(shù)受到限制，用于低壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，較難選出最佳的每相匝數(shù)。三星聯(lián)結(jié)法中，電機(jī)起動(dòng)時(shí)定子繞組接入電網(wǎng)的部分為三角

53、形連接（起動(dòng)方式），待起動(dòng)完成后全部定子繞組接入電網(wǎng)形成3Y并聯(lián)聯(lián)結(jié)（運(yùn)行方式）。該種連接方式所用線圈都是等元件線圈，制造工藝簡(jiǎn)單，匝數(shù)可以任意選取，因此可采用的每相匝數(shù)顯著增加，有利于設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)選最佳的每相匝數(shù)，特別適用于低壓電動(dòng)機(jī)。復(fù)合多星聯(lián)結(jié)法是其中最復(fù)雜的一種聯(lián)結(jié)方式，它的特點(diǎn)在于可獲得其他聯(lián)結(jié)法所難以獲得的優(yōu)良起動(dòng)性能，可供選擇的方案比較多。上述三種聯(lián)結(jié)方法都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：在起動(dòng)時(shí)都會(huì)有一部分繞組被丟棄，起動(dòng)完成后才會(huì)全部接入電路，都需要六根引出線接至電網(wǎng)。各種聯(lián)結(jié)法的繞組通用接線圖如下所示: A大星 A小星 B大星 B小星 C大星 C小星 UQ U VQ V WQ W 圖3-4

54、大小雙星聯(lián)結(jié)的通用接線圖 A2 A3 UQ U VQ V WQ W B2 A4 B3 B4 C3 C2 C4 A1 B1 C1 圖3-5 復(fù)合多星聯(lián)結(jié)的通用接線圖 UUQVVQWWQA1A2A3B1B2B3C1C2C3 圖3-6 三星聯(lián)結(jié)的通用接線圖 在本論文中,選取的研究對(duì)象為10KW的低壓電機(jī)，采用的定子繞組聯(lián)結(jié)方案為三星聯(lián)結(jié)法，其通用接線圖如圖3-6所示。由圖可知定子每相所占槽號(hào)平分為三段，分別用A1、A2、A3，B1、B2、B3和C1、C2、C3表示。起動(dòng)時(shí)，把UQ、VQ、WQ率先接入電網(wǎng)，開(kāi)始起動(dòng)和升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，再把U、V、W分別接入U(xiǎn)Q、VQ、WQ三點(diǎn)所接的電網(wǎng)，

55、完成起動(dòng)并進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)。其中在起動(dòng)時(shí)，由于U、V、W三點(diǎn)從電網(wǎng)斷開(kāi)，這時(shí)A2、A3、B2、B3、C2、C3六段繞組構(gòu)成一個(gè)三角形聯(lián)結(jié)，記作，設(shè)該三角形的三個(gè)邊為a、b、c，則a=A2-B3、 b=B2-C3、c=C2-A3；運(yùn)行時(shí)，所有繞組都接入電網(wǎng)形成三星形并聯(lián)連接，記作3Y，整個(gè)繞組的連接方式可用符號(hào)表示為3Y/。3.3 定子繞組方案根據(jù)上面的設(shè)計(jì)原則，我們對(duì)一臺(tái)傳統(tǒng)的YZR電機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，定子設(shè)計(jì)成36槽，轉(zhuǎn)子槽數(shù)改為48槽，定子極數(shù)為6極（p=3）。首先對(duì)定子繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)12：第一，先確定定子繞組采用星形接法，按照槽號(hào)相位圖的畫(huà)法畫(huà)出定子36槽6極繞組的槽號(hào)相位圖，然后根據(jù)電機(jī)在運(yùn)行

56、時(shí)定子繞組為對(duì)稱(chēng)60相帶連接的要求在槽號(hào)相位圖上確定定子每相繞組所占的槽號(hào)，如表3-1所示（其中各字母的下標(biāo)表示各相槽號(hào)按6極排列）。表3-1 36槽6極槽號(hào)相位圖及按60相帶分配的三相槽號(hào) A6 B6 C6123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536-31-32-33-34-35-36-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-15-16-17-18-19-20-21-22-23-24-25-26-27-28-29-3060606060360 從表3-1中可以看出定子36槽6極繞組按正規(guī)

57、60相帶繞組分配三相槽號(hào)時(shí)，每相含有6個(gè)等相帶，每個(gè)等相帶串聯(lián)2個(gè)槽號(hào)。因此，采用三星聯(lián)結(jié)時(shí)（運(yùn)行時(shí)），每個(gè)星形每相串聯(lián)2個(gè)等相帶，共4個(gè)槽號(hào)，整個(gè)繞組用符號(hào)3Y2表示，其中下標(biāo)2表示每相串聯(lián)2個(gè)等相帶，3表示三個(gè)星形并聯(lián)。起動(dòng)時(shí)，丟棄一個(gè)星形，剩下兩個(gè)星形組成三角形聯(lián)結(jié)，這時(shí)三角形每相占用4個(gè)等相帶，因此用符號(hào)4表示，于是整個(gè)三星形聯(lián)結(jié)寫(xiě)成3Y2/4。諧波起動(dòng)的特點(diǎn)就在于起動(dòng)時(shí)定子繞組要產(chǎn)生一個(gè)主諧波和一個(gè)副諧波，對(duì)6 極電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)的主要目的就在于起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的4極主諧波磁動(dòng)勢(shì)和一個(gè)有一定強(qiáng)度的8極或10極副諧波磁動(dòng)勢(shì)。在確定定子每相繞組所占的槽號(hào)后，要確定其在起動(dòng)時(shí)的連接方式

58、。星形接法的定子繞組在運(yùn)行時(shí)為三星形并聯(lián)聯(lián)結(jié)，起動(dòng)時(shí)為丟棄其中一個(gè)星形后形成的三角形聯(lián)結(jié)。為使起動(dòng)時(shí)獲得最強(qiáng)的4極主諧波，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使構(gòu)成三角形三相的槽號(hào)最集中，并應(yīng)盡可能消除4極主諧波的負(fù)序分量。通常將三相槽號(hào)設(shè)計(jì)成對(duì)4極主諧波為三相嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)來(lái)消除負(fù)序分量，在進(jìn)行上述工作時(shí)需要用到6極三相槽號(hào)按4極相位排列的相位圖。至于副諧波則在設(shè)計(jì)工作完成后，通過(guò)諧波分析由其自然產(chǎn)生。表3-2為與表3-1對(duì)應(yīng)的36槽6極三相槽號(hào)按4極排列的相位表及3Y2/4的聯(lián)結(jié)方案，其設(shè)計(jì)過(guò)程如下：首先在A6-4、B6-4、C6-4三數(shù)列上分別選取A2、 表3-2 定子繞組的4極相位排列及3Y2/4的設(shè)計(jì)方案123456

59、789101112131415161718192021222324252627282930313233343536-28-29-30-31-32-33-34-35-36-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-15-16-17-18-19-20-21-22-23-24-25-26-27A1A3A2A6-4： 1 2 -31 -32 25 26 -19 -20 13 14 -7 -8-B3a-B6-4: -29 -30 23 24 -17 -18 11 12 -5 -6 35 36B1B3B2 B6-4: -11 -12 5 6 -35 -36 29 30 -23 -24 17 18-C3b -C6-4: -10 3 4 -33 -34 27 28 -21 -22 15 16 -9C2C1C3cC6-4: -28