中小型同步發(fā)電機的電磁方案設(shè)計系統(tǒng)-葉繁林

1、目 錄中文摘要1英文摘要21 引言32 交流電機繞組槽號相位圖的基本理論42.1 槽磁勢矢量圖42.2 槽號相位圖42.2.1 槽號相位圖的意義52.2.2 槽號相位圖的畫法52.2.3 用槽號相位圖分析三相磁勢63 電機繞組磁勢的諧波分析73.1 一個相繞組的磁勢諧波分析73.2 繞組系數(shù)的特征83.2.1 槽口系數(shù)83.2.2 短距系數(shù)93.2.3 分布系數(shù)104 反向變極法114.1 一般反向變極法的變極步驟114.2 各段間的連接法和對稱條件114.3 用常規(guī)反向變極法設(shè)計的10/12極同步變極電機135 10/12極同步變極電機的設(shè)計175.1 一種新的凸極同步電機轉(zhuǎn)子變極的設(shè)計方法

2、175.2 10/12極凸極同步電機轉(zhuǎn)子變極的設(shè)計195.2.1 密槽系數(shù)k=4時的設(shè)計195.2.2 密槽系數(shù)k=5時的設(shè)計236 繞組諧波分析比較28結(jié)論30謝辭31參考文獻32中小型同步發(fā)電機的電磁方案設(shè)計系統(tǒng)摘 要：使用一種新的變極電機繞組的設(shè)計方法，設(shè)計一臺10/12極同步變極電機。此方法在已有常規(guī)反向變極法的基礎(chǔ)上加以改進，通過繞組磁勢諧波分析，確定該方法較常規(guī)反向變極法在變后極有更高的繞組系數(shù)。雖然變前極的繞組系數(shù)有所降低，但就兩種極數(shù)平衡來看，仍然是可以接受的。本文首先闡述了交流電機繞組的基本理論，說明了用槽號相位圖分析繞組磁勢的一般方法，以及繞組系數(shù)和磁勢諧波分析的相關(guān)概念。

3、隨后對常規(guī)反向變極法進行了分析說明，并設(shè)計出10/12極同步變極電機，以此來說明常規(guī)反向變極法存在的缺陷。而后著重闡述了變極繞組設(shè)計的新方法，并與常規(guī)反向變極法進行了比較，通過轉(zhuǎn)子繞組諧波分析得出最終結(jié)論。關(guān)鍵詞：同步變極電機；相位槽號圖；變極繞組；虛擬槽；繞組諧波分析The Electromagnetic Design System of Small and Medium-sized Synchronous GeneratorAbstract：This article uses a new winding design method to design a 10/12 pole change

4、-pole synchronous motor.This method is based on the existing conventional reverse pole-changing method and evolved by it.By analyzing the magnetic potential harmonic of winding , it can be determined that this method can get a higher winding factor than the method of conventional reverse pole-changi

5、ng.The winding factor before pole-changing is decreased, but on the view of the balance of two poles, it still can be accepted.This paper first describes the basic theory of the AC motor windings, illustrates the general method of analysis of the potential of winding magnetic by using phase diagram

6、of the slot number, and the concept of the winding factor and harmonic analysis of magnetic potential.Subsequent the analysis shows that the conventional reverse pole-changing method, and design 10/12 pole synchronous pole-changing motors in order to explain the defects of the conventional reverse p

7、ole-changing method. Then it focuses on the new design methods of pole-changing winding and this method was compared with the Conventional reverse pole-changing method, and draw a final conclusion by the harmonic analysis of the rotor winding.Keywords：change-pole synchronous motor；phase diagram of t

8、he slot number；pole-changing windings；virtual slot；harmonic analysis of windings1 引 言同步電機，和感應(yīng)電機一樣是一種常用的交流電機。其特點是：穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n=ns=60f/p，ns稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負載的大小無關(guān)。同步電機分為同步發(fā)電機和同步電動機。現(xiàn)代發(fā)電廠中的交流電機以同步電機為主。同步電機的調(diào)速有多種方式，而變極調(diào)速最為簡便易行。同步電機定子繞組變極問題與異步電機定子繞組變極相同，其研究也相當(dāng)深入，而同步電機變極的特點在于

9、轉(zhuǎn)子變極。在實際應(yīng)用中需要調(diào)速的同步電機多為低速凸極機，因此對于凸極機轉(zhuǎn)子變極問題進行研究有一定意義。改變凸極同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)的方法有分組反接方式、短接部分磁極線圈再分組反接方式、以及大小磁極加分組反接方式等。其中分組反接方式最為簡單，但氣隙磁場中諧波分量大，電磁材料利用率低，大小磁極方式的氣隙磁場諧波分量則相對較小，電磁材料利用率也有提高。目前變極凸極同步電機轉(zhuǎn)子通常采用磁極大小寬度不同，間距不等的結(jié)構(gòu)形式，為確定這樣一個轉(zhuǎn)子變極方案，一般是將兩種極數(shù)沿轉(zhuǎn)子圓周表面的極性變化用長方格表示，即形成一個極區(qū)圖，然后借助于這個極區(qū)圖來確定磁極位置，以及不同寬度的大、小極布置方案。不過這種極區(qū)圖實

10、際上只是一個粗略的分析工具，僅僅用此很難準確確定磁極位置，或是各個磁極的大小及間距。目前的大小極不等距分布這種結(jié)構(gòu)本身也存在空間或材料利用率低的問題，而且，這種結(jié)構(gòu)常要求在一種極數(shù)下丟到一些勵磁極，這不但會使轉(zhuǎn)子繞組接線復(fù)雜化并造成材料利用率進一步下降。本文介紹一種新的凸極同步電機轉(zhuǎn)子變極的設(shè)計方法，此方法由常規(guī)反向變極法發(fā)展而來，解決現(xiàn)有設(shè)計方法存在的磁極大小寬度不等、轉(zhuǎn)子繞組接線復(fù)雜、空間或材料利用率低的問題，并以此設(shè)計一臺10/12極的同步變極電機。2 交流電機繞組槽號相位圖的基本理論繞組是構(gòu)成電機的主要部件。電機就是依靠感應(yīng)于繞組中的電勢和通過繞組的電流來產(chǎn)生電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，從而達

11、到進行機電能量轉(zhuǎn)換的目的。電機繞組最基本的特征之一是通以電流便產(chǎn)生磁場，因而沿氣隙圓周分布著磁勢。所謂氣隙圓周某點的磁勢就是指該點的氣隙磁壓降。我們把這種磁勢稱為繞組磁勢。電機繞組研究的中心內(nèi)容就是研究繞組磁勢的分布、變化規(guī)律及其相對大小。由于繞組磁勢的實際分布曲線各式各樣，十分復(fù)雜，從實際曲線進行分析比較困難，因此卓有成效的研究方法是采用諧波分析法，把實際磁勢曲線分解為一系列諧波，們逐個分析各諧波的性質(zhì)和相對大小。顯然，這種繞組磁勢諧波也包括電機的基波，即工作諧波，因此分析諧波也包活基波。眾所周知，磁勢基波的性質(zhì)和相對大小是設(shè)計電機繞組的主要依據(jù)，由此可見諧波分析在電機繞組研究中的重要性。分

12、析繞組磁勢有四種基本力法，即矢量法、槽號相位圖、復(fù)數(shù)解析法和用電子針算機求解。其中矢量法是最基本的經(jīng)典方法，槽號相位圖的分析法和復(fù)數(shù)解析法都是從矢量法發(fā)展而來的，而電子計算機分析法則是利用現(xiàn)代化運算工具來完成上述后兩種分析法，從而完全代管手算，實現(xiàn)了繞組分析的自動化。本文以槽號相位圖分析法為主，對變極繞組進行分析。1-42.1 槽磁勢矢量圖在實際應(yīng)用中，把電機所有的z個槽看成是均勻分布的z根載有同方向、同大小電流的導(dǎo)體，而畫出這z根導(dǎo)體對需要分析的v對極磁勢諧波說的矢量圖。這時各適量長度應(yīng)相等，相鄰槽號的兩根矢量間的夾角等于槽距角的v倍，即2v/z（弧度）。如此畫出來的矢量圖稱為“槽磁勢矢量圖

13、”，簡稱“槽矢量星形”。2.2 槽號相位圖用槽矢量星形分析繞組比較直觀、完整，反映了矢量關(guān)系的實際情況，尤其在觀察三相是否對稱時，一目了然。但也存在缺點，就是畫起來比較麻煩，而矢量號碼往往互相交錯不容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律性，在槽數(shù)很多的情況下，尤其是這樣。為彌補這個缺點采用“槽號相位圖”來代替“槽矢量星形”?，F(xiàn)就槽號相位圖的意義和畫法分述如下。2.2.1 槽號相位圖的意義把槽矢量星形的圓周展開成直線，取消表示矢量的箭頭，留下矢量的槽號，便得“槽號相位圖”。這時圓周變成一段水平線，每根矢量變成一個槽號槽號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寫在不同水平線上，但位于同一垂直線上。

14、此外，為便于應(yīng)用，把負槽號（代表電流為負值的導(dǎo)體或線圈的矢量）也列于圖中，它與同號碼的正楷號隔開一段相當(dāng)于(弧度)或180°的距離。這樣就形成一個表格，表中填了z個正槽號和z個負槽號，z為電機槽數(shù)?！安厶栂辔粓D”實質(zhì)上就是同時畫出正槽號矢量和負槽號矢量的槽矢量星形，只是表示形式不同而已。相位圖以表格形式出現(xiàn)，整個表格的水平長度相當(dāng)于2(弧度)或360°，其中每個槽號代表一個矢量(導(dǎo)體矢量或線圈矢量)，同一縱行的所有槽號所代表的矢量都是同相位，而兩槽號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。2.2.2 槽號相位圖的畫法畫槽號相位圖時，首先要確定所需表格每一

15、橫行的小格數(shù)，然后以某一間隔在表格里填寫槽號。為求得每一橫行需要的最少小格數(shù)Q，我們利用對p對極諧波說的每極每相槽數(shù)q，來分析問題，且是三相時的q值，故得 (2-1)式中N、D沒有公約數(shù)的整數(shù)，Z為槽數(shù)。如果相鄰槽號在相泣圖中位移x小格，則從式(2-1)可見，每對極即每一橫行應(yīng)包含的小格數(shù) (2-2)顯然，Q必須是整數(shù)并且為了便于填寫負槽號，還要求Q是偶數(shù)。這樣只要找出最小的整數(shù)x使式(2-2)所示的Q為偶數(shù)整數(shù)，問題就解決了。為此分為下列兩種情況。1.當(dāng)D不是3或3的倍數(shù)時，應(yīng)取x=D，隨之Q6N=6q。因此，相位圖每一橫行應(yīng)有6q個小格，而相鄰槽號應(yīng)位移D小格。2.當(dāng)D為3的倍數(shù)而可寫成D

16、=3D時，應(yīng)取X=D，此時Q=2N。因此，相位圖每一橫行應(yīng)有2N個小格，而相鄰槽號應(yīng)位移D=D/3個小格。也即這時相位圖每一橫行的小格數(shù)和相鄰槽號位移的小格數(shù)都為第一種情況的三分之一。至于槽號相位圖需要的橫行數(shù)，由于每對極需要一橫行，正、負槽號分開填寫就共需2p個橫行了。此外，以上畫的槽號相位圖為了便于尋找槽號而把正負槽號分別填寫。但實際應(yīng)用時不一定按此方式排列，有事為了便于找到繞組分配規(guī)律而采取一行正槽號、一行負槽號的交錯排列方式，也可以吧正負槽號左右交錯在一起，而減少一半的橫行數(shù)。2.2.3 用槽號相位圖分析三相磁勢用槽號相位圖分析三相磁勢時，在單層繞組里，每個槽號代表一根導(dǎo)體或一個線圈邊

17、，在雙層等元件繞組里，每個槽號代表一個線圈(例如代表上層邊嵌于該槽號的線圈)。當(dāng)需要分析某一極對數(shù)，例如p對極的磁勢諧波時，首先畫出對p對極說的槽號相位圖，然后根據(jù)三相繞組所占導(dǎo)體或線圈，并注意它們的正、負號(凡是反接串聯(lián)的導(dǎo)體或線圈，由于電流方向與順接串聯(lián)的相反而應(yīng)取負號)，在槽號相位圖下面分別填上三相槽號，正槽號填于槽號相位圖中同一正槽號所占縱行下面，而負槽號則填于槽號相位圖中同一負槽號下面，用字母A、B、C區(qū)別三相，而把槽號寫成字母的下標。如此求得對p對極諧波說的三相磁勢相位圖，簡稱“p對極的三相相位圖”。利用這個圖便可判斷對該次諧波說三相合成磁勢的性質(zhì)怎樣、三相是否對稱以及進一步求得每

18、相的繞組系數(shù)和三相合成磁勢的幅值。無論定性分析或定量分析都能利用槽號相位圖代替槽矢量星形，用三相相位圖代替三相矢量圖。顯然，畫相位圖只要填寫槽號，比畫矢量圖簡便得多。特別是槽號在相位圖中的高低位置可以任意安排，不受限制，因此可把相位圖和繞組中各導(dǎo)體或線圈的具體連接法聯(lián)系在一起，把兩個問題合在一起同時解決，這對設(shè)計變極繞組具有重要意義。此外，前已指出，從相位圖很容易過渡到用電子計算機分析繞組。正是由于這些緣故，本文把相位圖作為分析繞組的主要方法。3 電機繞組磁勢的諧波分析3.1 一個相繞組的磁勢諧波分析下面論述單個相繞組磁勢的共同規(guī)律，包括滋勢諧波的一般表達式和繞組系數(shù)的概念。我們用矢量法來推導(dǎo)

19、相繞組磁勢p對極諧波的一般表達式。對雙層等元件繞組通過相繞組各線圈的電流具有相問的大小，但按連接方式而有不同的方向，即線圈電流有正、負之分，如把順接串聯(lián)的線圈電流作為正，則反接串聯(lián)的線圈電流應(yīng)為負。我們用正槽號來代表載正電流的線圈，而用負槽號來代表載負電流的線圈。如此，可按下列步驟進行。首先按畫出對p對極說的槽矢量星形，這時每根矢量代表一個線圈矢量，其長度為，其中ic為通過每個線圈的電流瞬時恒的絕對值。然后，按照相繞組所占的槽號，從槽矢量里形取用相應(yīng)矢量，但應(yīng)注意正槽號矢量的方向與槽矢量星形中同號碼矢量同方向，而負槽號矢量的方向與星形中同號碼矢量反方向 如此畫出每相所占槽號的矢量圖，再用用矢量

20、法相加便得相繞組對p對極諧波說的合成磁勢。從上述可求得相繞組p對極強勢諧波的幅值 (3-1)式中相繞組所占槽號數(shù)（即線圈總數(shù)）。而 (3-2)稱為相繞組對p對極諧波說的分布系數(shù)，它集中表征了相繞組包含的線圈在氣隙圓周中的分布情況和連接方式，是繞組理論中一個重要參數(shù)。在前述雙層等元件繞組的情況下，各線圈矢量的長度都一體固而矢量和與算術(shù)和之比與矢量長度無關(guān)，因此在求分布系數(shù)kq，時可把各矢量的長度都看成等于l，如此求得合成矢量的長度再除以便是kq，即 (3-3)式(3-1)可以寫成下式 (3-4)式中相繞組的總匝數(shù)；i0每匝中的電流（安）。而 (3-5)稱為相繞組對p對極諧波說的繞組系數(shù)。1,5-

21、73.2 繞組系數(shù)的特征繞組系數(shù)kw直接影響繞組的磁勢諧波，因此分析kw的變化規(guī)律便可掌握磁勢諧波的變化情況。下面就構(gòu)成kw的三個系數(shù)ks、ky和kq分別進行分析。3.2.1 槽口系數(shù)給出槽口系數(shù)公式 (3-6)式中R圖3-1中作圓弧時所用半徑(米)；槽口跨角(弧度)；、圖3-1中所示圓心角所對的弦長和弧長(米)。圖3-1 槽口系數(shù)的幾何意義從式(3-6)可見，對p對極諧波說的槽口系數(shù)ks，其集合意義是以為圓心角的弦長和弧長之比。由于弧長總是大于弦長，即恒有>，可見ks<1。在一定的槽口跨角下，ks是p的函數(shù)，而p=1,2,3,。如圖3-2所示，當(dāng)p值較小時，ks1，以后隨p的增加

22、而逐漸下降，當(dāng)p=180時，ks=0.在p從180至360時，ks從零變?yōu)樨?，?jīng)過一個負的最大值又回至零，如此循環(huán)下去，幅值越來越小。圖3-2 ks=f(p)曲線從上分析可見，槽口系數(shù)ks對低次諧波影響很小，往往被忽略不計，但對高次諧波則有較大影響，能有效削弱次數(shù)很高的諧波。從可見，當(dāng)整數(shù)時對該次諧波說ks0，因而完全消除了該諧波。由此能利用槽口系數(shù)完全消除的最低次諧波的極對數(shù)為，其次是，等。顯然，這個結(jié)論只當(dāng)、等為整數(shù)時才有實際意義。3.2.2 短距系數(shù)給出短距系數(shù)公式 (3-7)式中R圖3-3中作圖時所用的半徑(米)；線圈兩邊跨角(弧度)；圖3-3中所示圓心角所對應(yīng)的弦長(米)。圖3-3

23、短距系數(shù)的幾何意義從上式可見，對p對極諧波說的短距系數(shù)ky，其幾何意義就是以為圓心角的弦長與圓的直徑之比。在一般情況下，弦長小于直徑，故ky1。當(dāng)或其倍數(shù)時，弦長等于直徑，ky達到最大值1。而當(dāng)或其倍數(shù)時，ky=0?？梢娔芾枚叹嘞禂?shù)完全消除某些諧波。從可求得能消除的諧波極對數(shù)為整數(shù) (3-8)式中，n=1,2,3，。3.2.3 分布系數(shù)如前所述，分布系數(shù)kq是相繞組所有線圈的磁勢的矢量和與算術(shù)和之比，它決定于線圈的實際分布情況和連接方法，因而是多種多樣、千變?nèi)f化的。這里略過不做分析。4 反向變極法4.1 一般反向變極法的變極步驟無論是正規(guī)接法繞組或非正規(guī)接法繞組，當(dāng)槽數(shù)為Z和極對數(shù)為p1的變

24、前極繞組三相所占槽號已給出，而要求把該繞組的極對數(shù)改變?yōu)閜2(變后極)時，可按下列五個步驟直接攏找到變極方案：1) 畫出p1對極的槽號相位圖，列出變前極每項所占槽號；2) 畫出p2對極的槽號相位圖；3) 在上圖下面畫出按p2對極相位排列的變前極三相所占槽號表，即變前極繞組對p2對極說的三相相位圖；4) 在上述三相槽號表上任意畫三根互差120°的對稱軸線；5) 利用上述三根對稱軸線把變前極繞組每相槽號劃分為二段，而用改變各段之間的連接法采改變極數(shù)；6) 當(dāng)采用上述方法獲得第一個對稱的變極方案之后，可同時移動三根對稱軸線，但移動時必須保持它們之間仍互差120°；如果移動后各段所

25、占槽號的相位分布情況發(fā)生變化，則每移動一次，便獲得一個新的對稱方案；因此，能簡便地獲得許多不同的變極方案，以便從中挑選最佳方案。1-24.2 各段間的連接法和對稱條件采用反問法變極時，三根對稱軸線分別屬于三相，每相一根。在每根對稱軸線左、右各180°范圍內(nèi)分別畫上實線方框和虛線方框，把變前極繞組每相槽號分為I和II兩段，實線方框內(nèi)的槽號為I段，虛線方框內(nèi)的檔號為II段如圖4-1所示，這樣，當(dāng)每相兩段中的電流同方向時得變前極p1對極，而當(dāng)改變其中一段 (例如第II段)的電流方向，使兩段中的電流方向相反時得變后極p2對極。這時三相共六段的連接法，若采用Y/Y連接法，則電機出線為九根。但若

26、每相兩段I和II由變前極感應(yīng)的電勢同相位、同大小，可采用YY/Y或YY/連接法而使電機出線只有六根。同樣，若按變后極接法時每相兩段由變后極感應(yīng)的電勢同相位、同大小，則可接成/YY或Y/YY，電機出線仍為六根。前述判斷方法的正確性可以從理論角度證明如下。顯然，當(dāng)三個實線方框內(nèi)的檔號分布情況完全一樣時，AI、BI、CI三段構(gòu)成一個對稱的三相系統(tǒng)用符號(ABC)I表示。同理，當(dāng)三個虛線方框內(nèi)的相號分布情況完全一樣時，AII、BII、CII三段構(gòu)成另一個圖4-1 三根對稱軸線分別把每相槽號平均分為兩段對稱的三相系統(tǒng)(ABC)II。從圖4-1可見，三相系統(tǒng)(ABC)I和(ABC)的II空間相序必定相同。

27、改變每相第II段中的電流方向，使每相兩段中的電流方向相反時，整個三相系統(tǒng)等于三相系統(tǒng)(ABC)I與(ABC)II相減。于是，由于同相序的兩個對稱三相系統(tǒng)相減的結(jié)果必建仍是一個對稱三相系統(tǒng)，可見上述方法獲得的變極方案對變后極說必定是三相對稱的。前述用以檢驗變后極是否三相對稱的條件稱為用對稱軸線法實行反向法變極的“對稱條件”。 此外還存在另一特殊情況，即三個實線方框內(nèi)的槽號分布情況不一樣，三個虛線方框內(nèi)也不一樣，但若把虛線方框內(nèi)的槽號都位移180°而進入實線方框內(nèi)時，所得三個實線方框內(nèi)的格槽分布情況便變成完全一樣。在此情況下，自然也能獲得對稱的變后極方案，因為最后所得三個實線方框內(nèi)的相號

28、直接代表變后極三相的相位，符合同大小又互差120°的對稱條件。在進行反向法變極時，三根對稱軸線如何分配給三相決定變后極的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)變前極三個相繞組A、B、C的空間相序為自左至右時，若對稱軸線1、2和3自左至右依次分配給A、B、C三相，符合對稱條件，則變后極的旋轉(zhuǎn)方向為自左至右。即與變前極的一致，稱為同轉(zhuǎn)向方案。若對稱軸線1、2和3依次分配給A、C和B三相，符合對稱條件，則變后極的旋轉(zhuǎn)方向為自右至左，稱為反轉(zhuǎn)向方案。在大多數(shù)情況下，同轉(zhuǎn)向和反轉(zhuǎn)向兩個方案中，只有一個方案符合對稱條件。但也存在不少情況，如Z=36，4/6極，8/6極等，同轉(zhuǎn)向和反轉(zhuǎn)向兩個方案都符合對稱條件。一般說，凡是

29、p2為3的倍數(shù)而p1不是3的倍數(shù)時都是這樣。在此情況下對稱軸線法顯示了它的優(yōu)越性，只要把分配給B、C兩相的對稱軸線對調(diào)，便從某一轉(zhuǎn)向的變極方案改為另一轉(zhuǎn)向的變極方案。由于存在上述特點，如果未能預(yù)先判斷變后極的轉(zhuǎn)向，則需先按某一轉(zhuǎn)向分配對稱軸線看能否符合對稱條件，如不符合對稱條件，再改變對稱軸線的分配次序，重新檢驗一次。如果用兩種對稱軸線分配方法都得不到對稱方案，則說明對所給的變前極繞組，不可能用反向法獲得對稱繞組。在此情況下應(yīng)修改變前極繞組的繞法，或把變前極和變后極的極對數(shù)對調(diào)一下，再試一試。在一般情況下，僅從p1和p2便能預(yù)先判斷是同轉(zhuǎn)向方案還是反轉(zhuǎn)向方案能使變后極三相對稱，其規(guī)律為：當(dāng)pl

30、和p2都不是3的倍數(shù)時，若(p1+p2)不是3的倍數(shù)，則同轉(zhuǎn)向方案是對稱方案而反轉(zhuǎn)向方案不是對稱方案，若(p1+p2)是3的倍數(shù)，則反轉(zhuǎn)向方案是對稱方案，而同轉(zhuǎn)向方案不是對稱方案。但當(dāng)p2為3的倍數(shù)而p1不是3的倍數(shù)時，則無論同轉(zhuǎn)向方案還是反轉(zhuǎn)向方案都是對稱方案。于是，只要利用上述規(guī)律預(yù)先判斷出變后極的轉(zhuǎn)向，便可相應(yīng)把三根對稱軸線正確地分配給三相，而無需試探。4.3 用常規(guī)反向變極法設(shè)計的10/12極同步變極電機根據(jù)常規(guī)反向變極法，p1=6，p2=5，Z=2p1=12，由公式(2-1)有分別得到變前極p1=6，變后極p2=5時的槽號相位圖，如圖4-2和圖4-3所示。由圖4-2可看出，p1槽號相

31、位圖中共含左右兩列槽號，任取其一列作為變前極p1對應(yīng)槽號，將p1對應(yīng)槽號按p2相位畫在p2槽號相位圖(圖4-3)下，并按反向法變極原理將這些槽號劃分為互差180°的兩組，如圖4-4所示，兩組分別標注為“I” ，“II”，變極時可任意將其中一組槽號反向，轉(zhuǎn)子繞組即呈現(xiàn)為極對數(shù)p25，這樣就得到了常規(guī)變極方案，如圖4-5所示。圖4-2 Z=12，p1=6槽號相位圖圖4-3 Z=12，p1=5槽號相位圖圖4-4 p1=6槽號按p2=5相位分布圖圖4-5 p2=5槽號相位分布圖(180°相帶)根據(jù)常規(guī)反向法變極方案，變前極p1繞組系數(shù)高，為1.0，且諧波含量低，但對于變后極p2，繞

32、組系數(shù)低至0.622，且諧波分量大，這樣就很難實際應(yīng)用。一般而言，變后極p2繞組系數(shù)低的直接原因是相帶過寬，因此，為提高變后極p2繞組系數(shù)，可以考慮去掉相帶邊緣一些槽號使帶寬變窄，例如在圖4-5中去掉槽號2，-8，相帶寬從180°縮減為150°，如圖4-6所示。繞組系數(shù)也相應(yīng)提高至0.721。不過，從對繞組的基本要求來看，往往希望既有高的繞組系數(shù)也希望能有低的諧波含量，這種單純?nèi)ゲ鄣姆椒m然表面上能提高變后極p2繞組系數(shù)，但另一方面，轉(zhuǎn)子實際導(dǎo)體利用率大大降低，而且諧波分析結(jié)果表明，其主要諧波幅值并末明顯降低，由此可見，常規(guī)方法是無法得到兩種極數(shù)下導(dǎo)體利用率高且諧被含量低的

33、變極方案的。圖4-6 p2=5槽號相位分布圖(150°相帶)轉(zhuǎn)子繞組諧波分析如表4-1至表4-4所示，數(shù)據(jù)由計算機軟件計算得出。極數(shù)相位角分布系數(shù)短距系數(shù)繞組系數(shù)總繞組系數(shù)綜合分布系數(shù)相合成磁勢（+）（-）（Fv+）（Fv-）121801.00001.00001.00001.00001.00001.0000100.0000100.0000361801.0000-1.00001.00001.00001.00001.000033.333333.3333601801.00001.00001.00001.00001.00001.000020.000020.0000841801.0000-1.

34、00001.00001.00001.00001.000014.285714.2857表4-1 常規(guī)反向變極法下p1=6時轉(zhuǎn)子繞組諧波分析(180°相帶)極數(shù) 相位角分布系數(shù)短距系數(shù)繞組系數(shù)總繞組系數(shù)綜合分布系數(shù)相合成磁勢（+）（-）（Fv+）（Fv-）2-30.00000.17250.25880.04470.04470.17250.172535.898435.8984690.00000.23570.70710.16670.16670.23570.235744.658244.658210210.00000.64400.96590.62200.62200.64400.6440100.00

35、00100.000014150.00000.64400.96590.62200.62200.64400.644071.428671.428618-90.00000.23570.70710.16670.16670.23570.235714.886114.88612230.00000.17250.25880.04470.04470.17250.17253.26353.263526-30.00000.1725-0.25880.04470.04470.17250.17252.76142.7614表4-2 常規(guī)反向變極法下p2=5時轉(zhuǎn)子繞組諧波分析(180°相帶)極數(shù) 相位角分布系數(shù)短距系數(shù)繞

36、組系數(shù)總繞組系數(shù)綜合分布系數(shù)相合成磁勢（+）（-）（Fv+）（Fv-）460.00000.20000.50000.10000.10000.20000.200030.000030.00008210.00000.20000.8660.17320.17320.20000.200025.980825.980812180.00001.00001.00001.00001.00001.00001.0000100.0000100.000016150.00000.20000.86600.17320.17320.20000.200012.990412.990420-60.00000.20000.50000.100

37、00.10000.20000.20006.00006.00002860.00000.2000-0.50000.10000.10000.20000.20004.28574.2857表4-3 常規(guī)反向變極法下p1=6時轉(zhuǎn)子繞組諧波分析(150°相帶)極數(shù) 相位角分布系數(shù)短距系數(shù)繞組系數(shù)總繞組系數(shù)綜合分布系數(shù)相合成磁勢（+）（-）（Fv+）（Fv-）2255.00000.05360.25880.01390.01390.05360.05369.61899.6189645.00000.20000.70710.14140.14140.20000.200032.692132.692110195.0

38、0000.74640.96590.72100.72100.74640.7464100.0000100.000014165.00000.74640.96590.72100.72100.74640.746471.428671.428618-45.00000.20000.70710.14140.14140.20000.200010.897410.897422105.00000.05360.25880.01390.01390.05360.05360.87440.874426255.00000.0536-0.25880.01390.01390.05360.05360.73990.7399表4-4 常規(guī)反

39、向變極法下p2=5時轉(zhuǎn)子繞組諧波分析(150°相帶)5 10/12極同步變極電機的設(shè)計一種凸極同步電機轉(zhuǎn)子變極的設(shè)計方法，屬于凸極同步電機轉(zhuǎn)于結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，解決現(xiàn)有設(shè)計方法存在的磁極大小寬度不等、轉(zhuǎn)子繞組接線復(fù)雜、空間或材料利用率低的問題。此方法給定變前極極對數(shù)p1和變后極根對數(shù)p2，選擇密槽系數(shù)k，由此確定虛擬轉(zhuǎn)于槽數(shù)Z，然后作槽號相位圖，選取原始磁極列以及相應(yīng)的移動列并劃分槽號組，用移動列中相鄰近的槽號替換原始磁極列槽號組的邊緣槽號，得到初步變極方案并作諧波分析以確定正式變極方案。此方法將凸極轉(zhuǎn)子化為多槽隱極轉(zhuǎn)子來分析，通過從中排除和選擇適當(dāng)?shù)牟?，使得所獲得的變極方案仍然保持凸極

40、結(jié)構(gòu)不變，且磁極大小寬度相同，導(dǎo)體利用率高，諧波含量低，無需丟棄任何磁極而實現(xiàn)三滑環(huán)切換變極。5.1 一種新的凸極同步電機轉(zhuǎn)子變極的設(shè)計方法這種轉(zhuǎn)子變極方法由常規(guī)反向變極法發(fā)展而來，包括以下步驟；第一步，給定變前極極對數(shù)p1和變后極極對數(shù)p2，p1和p2為正整數(shù)，p1 p2；選擇密槽系數(shù)k，k為任意正整數(shù)；第二步，確定虛擬轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z，Z=2kp1；根據(jù)給定的p1，p2以及Z，分別作變前極極對數(shù)p1槽號相位圖和變后極極對數(shù)p2槽號相位圖；第三步，在變前極極對數(shù)p1槽號相位圖上任選1列作為原始磁極列，其所含槽號，代表變極前原有磁極的初始位置；第四步，在變前極極對數(shù)p1槽號相位圖上選取與原始磁極列相

41、鄰的n列作為移動列，代表進行變極方案選擇時磁極可能移動到的位置，所述相鄰的n列處于原始磁極列一側(cè)或者兩側(cè)，n=1，2，；第五步，將所述原始磁極列槽號和移動列槽號重新按變后極極對數(shù)p2的槽號相位排布，分別列于變后極極對數(shù)p2的槽號相位圖下，形成分列槽號相位圖，在分列槽號相位圖上任意位置，用1根對稱軸線將按變后極極對數(shù)p2槽號相位排布的原始磁極列槽號和移動列槽號平分為兩個部分，這兩個部分互差180°對稱，原始磁極列和移動列，各自被分為互差180°對稱的兩個槽號組；將原始磁極列分為互差180°對稱的兩個槽號組，作為基本變極方案；在基本變極方案中，將任一個槽號組所包括的槽

42、號反向，原始磁極列對應(yīng)極對數(shù)即從p1變?yōu)閜2；第六步，先選擇線圈跨距y，yk1式中1，為變前極p1的極距：在基本變極方案中，去掉位于兩個槽號組邊緣的m個槽號，m=1，2，p1/2；將所述原始磁極列兩個槽號組去掉的m個槽號用移動列中順序相鄰近的槽號替換；第七步，所述原始磁極列兩個槽號組去掉的槽號替換后，去掉被線圈跨距覆蓋的原始磁極列槽號，得到初步變極方案；基本變極方案對于極對數(shù)p1而言，繞組利用系數(shù)高諧波含量低，但對于極對數(shù)p2對應(yīng)的繞組利用系數(shù)低，諧波含量大，為提高極對數(shù)p2的繞組系數(shù)，必須去掉位于兩個槽號組邊緣的一些槽號，使變后極p2對應(yīng)的相帶寬度變窄；第八步，對所述初步變極方案作繞組磁動勢

43、諧波分析以進行評價，確定方案是否可用，是則將所述初步變極方案作為正式變極方案；否則重新選擇密槽系數(shù)k，轉(zhuǎn)第二步，或者將所述原始磁極列兩個槽號組去掉的m個槽號用移動列中順序次鄰近的槽號替換，所述移動列中順序次鄰近的槽號相對所述相鄰近的槽號以步長1/k移動，轉(zhuǎn)第七步。按上述步驟能找到可用的轉(zhuǎn)子變極方案，所設(shè)計的凸極變極同步電機，其定子三相繞組具有p1和p2兩種不同的極對數(shù)，其中p1為多極對數(shù)，p2為少極對數(shù)；轉(zhuǎn)子上布置的磁極為凸極不等距結(jié)構(gòu)，磁極大小寬度相同，磁極間距為 (5-1) (5-2)式中D為轉(zhuǎn)于外徑；n1，2，3。每個磁極上繞有直流勵磁線圈，全部磁極分為兩組，當(dāng)兩組磁極線圈通過電流方向相

44、同時，轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)極對數(shù)p1；當(dāng)兩組磁極線圈通過電流方向相反時，轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)極對數(shù)p2，轉(zhuǎn)子繞組采用串聯(lián)/并聯(lián)接法時，通過滑環(huán)引出線為3根,采用串聯(lián)/串聯(lián)接按時，通過滑環(huán)引出線為4根。得到所述正式變極方案之后，如果磁極相互之間間隔超過1+1/k，則在轉(zhuǎn)子所有大于1的磁極間距內(nèi)均布置輔助導(dǎo)磁極，電機轉(zhuǎn)子上布置的磁極數(shù)目為2p2，輔助導(dǎo)磁極數(shù)目為2(p1-p2)輔助導(dǎo)磁極上不設(shè)置勵磁線圈。此方法基于隱極轉(zhuǎn)子分析，因此從理論上而言，磁極以步長1/k移動，相互之間間隔超過，也即比正常極距1超過一個虛擬槽距間隔時，可考慮加裝輔助導(dǎo)磁極，輔助導(dǎo)磁極上不設(shè)置勵磁線圈，僅作為導(dǎo)磁通路，輔助導(dǎo)磁極寬度可為1/k的整數(shù)倍

45、，電機轉(zhuǎn)子上布置的磁極數(shù)目為2p2，輔助導(dǎo)磁極數(shù)目為2(p1-p2)，布置在轉(zhuǎn)子最大磁極間隔內(nèi)，這將可能改善磁路的導(dǎo)磁狀況；可以看出，此方法是將凸極轉(zhuǎn)子看成隱極轉(zhuǎn)子，且轉(zhuǎn)子齒槽沿圓周均勻分布為分析基礎(chǔ)的，通過此方法所獲得的變極方案，磁極數(shù)目通常等于兩種極數(shù)中的少極數(shù)，磁極間距不等，但可以做到磁極大小相等，兩種極數(shù)下都不用丟極，繞組利用率高，且出線頭可為3個，換接簡便，移動磁極的相對位置可獲得不同的變極方案以進行選擇，磁極每次沿轉(zhuǎn)子圓周表面移動的步長為1/k，顯然選取更大的k值可更精細地調(diào)整變極方案。此方法從原理上來說仍然為分組反接的反向變極法，但是通過引入“虛擬槽”的概念，將凸極轉(zhuǎn)子看作隱極轉(zhuǎn)

46、于來進行分析，也即將凸極轉(zhuǎn)子圓周表面的磁極看成是隱極轉(zhuǎn)子圓周表面均勻分布的齒槽，并對每一齒槽寬度進行虛擬細分化為多槽均勻分布轉(zhuǎn)子，細分的程度由變極方案所要求磁極沿轉(zhuǎn)子表面可能移動的步長決定，這時的槽位置也代表了磁極可能移動到的位置，然后建立相應(yīng)多槽轉(zhuǎn)子的槽號相位圖，按反向法一般原理，以及遵循兩種極數(shù)下繞組系數(shù)最大、諧波含量最少見保持轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)不變的原則，采用觀察法構(gòu)建新的轉(zhuǎn)子變極方案，所獲得的轉(zhuǎn)子變極方案采用繞組磁勢諧波分析法進行選擇和評價。8-105.2 10/12極凸極同步電機轉(zhuǎn)子變極的設(shè)計5.2.1 密槽系數(shù)k=4時的設(shè)計根據(jù)上述變極法，p1=6，p2=5，k=4，Z=2kp1=48，

47、由公式(2-1)有分別得到變前極p1=6，變后極p2=5時的槽號相位圖，如圖5-1和圖5-2所示。在變前極極對數(shù)p1槽號相位圖(圖5-1)上選取第2列作為原始磁極列其所含槽號，代表變極前原有磁極的初始位置；在變前極極對數(shù)p1槽號相位圖(圖5-1)上分別選取與原始磁極列(第2列)相鄰的第1列和第3列作為移動列，代表進行變極方案選擇時磁極可能移動到的位置；緊鄰第2列選取是為位變前極p1分布系數(shù)不至降得過多；圖5-1 Z=48，p1=6槽號相位圖圖5-2 Z=48，p2=5槽號相位圖 圖5-3 按p2=5相位排列的磁極列槽號(實線框內(nèi))和移動列槽號(虛線框內(nèi))將所述原始磁極列槽號和移動列槽號重新按變

48、后極極對數(shù)p2的槽號相位排布，分別列于變后極極對數(shù)p2的槽號相位圖(圖5-2)下，形成分列槽號相位圖(圖5-3)，在分列槽號相位圖上任意位置，用1根對稱軸線將按變后極極對數(shù)p2槽號相位排布的原始磁極列槽號和移動列槽號，平分為兩個部分，這兩個部分互差180°對稱，原始磁極列和移動列，各自被分為互差180°對稱的兩個槽號組；將原始磁極列分為互差180°對稱的兩個槽號組，分別標注為“I”，“II”，作為基本變極方案，也即上述常規(guī)變極方案；在基本變極方案中，將標注“II”槽號組所包括的槽號反向，如圖5-3所示，這時原始磁極列對應(yīng)極對數(shù)即從p1變?yōu)閜2；選擇線圈跨距y，yk

49、14；在基本變極方案中，去掉5-3中磁極列所屬邊緣槽號34，10和38，14；并以移動列中順序相鄰近槽號35，ll(相對磁極列順序移動了1槽)和41，17(相對磁極列順序移動了3槽)替換；將原始磁極列兩個槽號組去掉的槽號替換后，為保證轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)，避免轉(zhuǎn)子線圈交叉重疊，去掉被線圈跨距覆蓋的原始磁極列槽號42，18，得到完成的變極方案，該方案槽號對極對數(shù)p2而言的分布如圖5-4所示，可以看出，這個變極方案與常規(guī)單速12極轉(zhuǎn)子相比去掉了2個磁極。若要得到極對致p1，只要將圖5-4中標注“II”的槽號組所屬槽號反向即可。圖5-4 完成的極比12/10變極方案上述k4方案磁極布置示意圖如圖5-5所示

50、。為符合一般習(xí)慣，圖中勵磁極按槽號大小次序重新進行了順序編號，也即以數(shù)字1，2，10分別代表槽號2，6，11，17，22，26，30，35，41，46；每個槽號代表一個勵磁線圈。圖5-5 k=4時磁極布置示意圖，圖中白色T形為勵磁極，黑色T形為導(dǎo)磁極因為該變極方案線圈跨距是按12極整距選定，但由圖5-5可以看出勵磁極只有10個，勵磁極之間只能為不等距，如圖5-5中空心T形所示，按前述理論可知，超過正常極距k=1的間隔可加裝輔助導(dǎo)磁極，因此，對于較寬間距，可以考慮加裝寬度為的導(dǎo)磁極，共2個，具體位置如圖5-5中黑色T形所示，對應(yīng)勵磁極線圈繞組接線如圖5-6所示。圖5-6中，Dl，D2，D3分別為

51、直流勵磁出線端，數(shù)字1，2，10各代表一個勵磁線圈。圖5-6 12/10變極繞組勵磁極線圈接線圖轉(zhuǎn)子繞組諧波分析如表5-1和表5-2所示，數(shù)據(jù)由計算機軟件計算得出。極數(shù) 相位角分布系數(shù)短距系數(shù)繞組系數(shù)總繞組系數(shù)綜合分布系數(shù)相合成磁勢（+）（-）（Fv+）（Fv-）4150.00000.28280.50000.14140.14140.28280.282848.056648.0566830.00000.40000.86600.34640.34640.40000.400058.857158.85711290.00000.88281.00000.88280.88280.88280.8828100.00

52、00100.000020210.00000.28280.50000.14140.14140.28280.28289.61139.611328-30.00000.2828-0.50000.14140.14140.28280.28286.86526.865232210.00000.8000-0.86600.69280.69280.80000.800029.428529.428536270.00000.3172-1.00000.31720.31720.31720.317211.974911.974940-30.00000.4000-0.8660.34640.34640.40000.400011.77

53、1411.77144430.00000.2828-0.50000.14140.14140.28280.28284.36884.368852-30.00000.28280.50000.14140.14140.28280.28283.69673.6967表5-1 k=4，變前極p1=6時轉(zhuǎn)子繞組諧波分析極數(shù) 相位角分布系數(shù)短距系數(shù)繞組系數(shù)總繞組系數(shù)綜合分布系數(shù)相合成磁勢（+）（-）（Fv+）（Fv-）2-60.00000.00670.25880.00170.00170.00670.00670.97460.97466180.00000.16960.70710.11990.11990.16960.16

54、9622.584722.58471060.00000.91600.96590.88480.88480.91600.9160100.0000100.000014120.00000.39330.96590.37990.37990.39330.393330.673230.673218180.00000.04690.70710.03320.03320.04690.04692.08362.083622240.00000.22310.25880.05780.05780.22310.22312.96712.967126-60.00000.5160-0.25880.13350.13350.51600.51605.80525.805230180.00000.3531-0.70710