中小型同步发电机的电磁方案设计系统叶繁林综述.docx

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中小型同步发电机的电磁方案设计系统叶繁林综述

中小型同步发电机的电磁方案设计系统

摘要：

使用一种新的变极电机绕组的设计方法，设计一台10/12极同步变极电机。

此方法在已有常规反向变极法的基础上加以改进，通过绕组磁势谐波分析，确定该方法较常规反向变极法在变后极有更高的绕组系数。

虽然变前极的绕组系数有所降低，但就两种极数平衡来看，仍然是可以接受的。

本文首先阐述了交流电机绕组的基本理论，说明了用槽号相位图分析绕组磁势的一般方法，以及绕组系数和磁势谐波分析的相关概念。

随后对常规反向变极法进行了分析说明，并设计出10/12极同步变极电机，以此来说明常规反向变极法存在的缺陷。

而后着重阐述了变极绕组设计的新方法，并与常规反向变极法进行了比较，通过转子绕组谐波分析得出最终结论。

关键词：

同步变极电机；相位槽号图；变极绕组；虚拟槽；绕组谐波分析

TheElectromagneticDesignSystemofSmallandMedium-sizedSynchronousGenerator

Abstract：

Thisarticleusesanewwindingdesignmethodtodesigna10/12polechange-polesynchronousmotor.Thismethodisbasedontheexistingconventionalreversepole-changingmethodandevolvedbyit.Byanalyzingthemagneticpotentialharmonicofwinding,itcanbedeterminedthatthismethodcangetahigherwindingfactorthanthemethodofconventionalreversepole-changing.Thewindingfactorbeforepole-changingisdecreased,butontheviewofthebalanceoftwopoles,itstillcanbeaccepted.

ThispaperfirstdescribesthebasictheoryoftheACmotorwindings,illustratesthegeneralmethodofanalysisofthepotentialofwindingmagneticbyusingphasediagramoftheslotnumber,andtheconceptofthewindingfactorandharmonicanalysisofmagneticpotential.Subsequenttheanalysisshowsthattheconventionalreversepole-changingmethod,anddesign10/12polesynchronouspole-changingmotorsinordertoexplainthedefectsoftheconventionalreversepole-changingmethod.Thenitfocusesonthenewdesignmethodsofpole-changingwindingandthismethodwascomparedwiththeConventionalreversepole-changingmethod,anddrawafinalconclusionbytheharmonicanalysisoftherotorwinding.

Keywords：

change-polesynchronousmotor；phasediagramoftheslotnumber；pole-changingwindings；virtualslot；harmonicanalysisofwindings

1引言

同步电机，和感应电机一样是一种常用的交流电机。

其特点是：

稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns称为同步转速。

若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

同步电机分为同步发电机和同步电动机。

现代发电厂中的交流电机以同步电机为主。

同步电机的调速有多种方式，而变极调速最为简便易行。

同步电机定子绕组变极问题与异步电机定子绕组变极相同，其研究也相当深入，而同步电机变极的特点在于转子变极。

在实际应用中需要调速的同步电机多为低速凸极机，因此对于凸极机转子变极问题进行研究有一定意义。

改变凸极同步电机转子极对数的方法有分组反接方式、短接部分磁极线圈再分组反接方式、以及大小磁极加分组反接方式等。

其中分组反接方式最为简单，但气隙磁场中谐波分量大，电磁材料利用率低，大小磁极方式的气隙磁场谐波分量则相对较小，电磁材料利用率也有提高。

目前变极凸极同步电机转子通常采用磁极大小宽度不同，间距不等的结构形式，为确定这样一个转子变极方案，一般是将两种极数沿转子圆周表面的极性变化用长方格表示，即形成一个极区图，然后借助于这个极区图来确定磁极位置，以及不同宽度的大、小极布置方案。

不过这种极区图实际上只是一个粗略的分析工具，仅仅用此很难准确确定磁极位置，或是各个磁极的大小及间距。

目前的大小极不等距分布这种结构本身也存在空间或材料利用率低的问题，而且，这种结构常要求在一种极数下丢到一些励磁极，这不但会使转子绕组接线复杂化并造成材料利用率进一步下降。

本文介绍一种新的凸极同步电机转子变极的设计方法，此方法由常规反向变极法发展而来，解决现有设计方法存在的磁极大小宽度不等、转子绕组接线复杂、空间或材料利用率低的问题，并以此设计一台10/12极的同步变极电机。

2交流电机绕组槽号相位图的基本理论

绕组是构成电机的主要部件。

电机就是依靠感应于绕组中的电势和通过绕组的电流来产生电磁功率和电磁转矩，从而达到进行机电能量转换的目的。

电机绕组最基本的特征之一是通以电流便产生磁场，因而沿气隙圆周分布着磁势。

所谓气隙圆周某点的磁势就是指该点的气隙磁压降。

我们把这种磁势称为绕组磁势。

电机绕组研究的中心内容就是研究绕组磁势的分布、变化规律及其相对大小。

由于绕组磁势的实际分布曲线各式各样，十分复杂，从实际曲线进行分析比较困难，因此卓有成效的研究方法是采用谐波分析法，把实际磁势曲线分解为一系列谐波，们逐个分析各谐波的性质和相对大小。

显然，这种绕组磁势谐波也包括电机的基波，即工作谐波，因此分析谐波也包活基波。

众所周知，磁势基波的性质和相对大小是设计电机绕组的主要依据，由此可见谐波分析在电机绕组研究中的重要性。

分析绕组磁势有四种基本力法，即矢量法、槽号相位图、复数解析法和用电子针算机求解。

其中矢量法是最基本的经典方法，槽号相位图的分析法和复数解析法都是从矢量法发展而来的，而电子计算机分析法则是利用现代化运算工具来完成上述后两种分析法，从而完全代管手算，实现了绕组分析的自动化。

本文以槽号相位图分析法为主，对变极绕组进行分析。

[1-4]

2.1槽磁势矢量图

在实际应用中，把电机所有的z个槽看成是均匀分布的z根载有同方向、同大小电流的导体，而画出这z根导体对需要分析的v对极磁势谐波说的矢量图。

这时各适量长度应相等，相邻槽号的两根矢量间的夹角等于槽距角的v倍，即2πv/z（弧度）。

如此画出来的矢量图称为“槽磁势矢量图”，简称“槽矢量星形”。

2.2槽号相位图

用槽矢量星形分析绕组比较直观、完整，反映了矢量关系的实际情况，尤其在观察三相是否对称时，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性，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“槽矢量星形”。

现就槽号相位图的意义和画法分述如下。

2.2.1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”。

这时圆周变成一段水平线，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）也列于图中，它与同号码的正楷号隔开一段相当于π（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。

“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2π（弧度）或360°，其中每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。

2.2.2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p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，故得

（2-1）

式中N、D——没有公约数的整数，Z为槽数。

如果相邻槽号在相泣图中位移x小格，则从式（2-1）可见，每对极即每一横行应包含的小格数

（2-2）

显然，Q必须是整数．并且为了便于填写负槽号，还要求Q是偶数。

这样只要找出最小的整数x使式（2-2）所示的Q为偶数整数，问题就解决了。

为此分为下列两种情况。

1.当D不是3或3的倍数时，应取x=D，随之Q＝6N=6q。

因此，相位图每一横行应有6q个小格，而相邻槽号应位移D小格。

2.当D为3的倍数而可写成D=3D’时，应取X=D’，此时Q=2N。

因此，相位图每一横行应有2N个小格，而相邻槽号应位移D’=D/3个小格。

也即这时相位图每一横行的小格数和相邻槽号位移的小格数都为第一种情况的三分之一。

至于槽号相位图需要的横行数，由于每对极需要一横行，正、负槽号分开填写就共需2p个横行了。

此外，以上画的槽号相位图为了便于寻找槽号而把正负槽号分别填写。

但实际应用时不一定按此方式排列，有事为了便于找到绕组分配规律而采取一行正槽号、一行负槽号的交错排列方式，也可以吧正负槽号左右交错在一起，而减少一半的横行数。

2.2.3用槽号相位图分析三相磁势

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（例如代表上层边嵌于该槽号的线圈）。

当需要分析某一极对数，例如p对极的磁势谐波时，首先画出对p对极说的槽号相位图，然后根据三相绕组所占导体或线圈，并注意它们的正、负号（凡是反接串联的导体或线圈，由于电流方向与顺接串联的相反而应取负号），在槽号相位图下面分别填上三相槽号，正槽号填于槽号相位图中同一正槽号所占纵行下面，而负槽号则填于槽号相位图中同一负槽号下面，用字母A、B、C区别三相，而把槽号写成字母的下标。

如此求得对p对极谐波说的三相磁势相位图，简称“p对极的三相相位图”。

利用这个图便可判断对该次谐波说三相合成磁势的性质怎样、三相是否对称以及进一步求得每相的绕组系数和三相合成磁势的幅值。

无论定性分析或定量分析都能利用槽号相位图代替槽矢量星形，用三相相位图代替三相矢量图。

显然，画相位图只要填写槽号，比画矢量图简便得多。

特别是槽号在相位图中的高低位置可以任意安排，不受限制，因此可把相位图和绕组中各导体或线圈的具体连接法联系在一起，把两个问题合在一起同时解决，这对设计变极绕组具有重要意义。

此外，前已指出，从相