无刷双馈电机混联式笼型转子结构及绕制方法技术

本发明专利技术公开了一种无刷双馈电机混联式笼型转子结构及绕制方法，在转子铁心上包含多个沿铁芯圆周均布的转子巢，每个转子巢由多个回路构成，每个转子巢的多个回路由内向外设置，每个转子巢中至少存在两个并列布置的线圈组，线圈组之间彼此分开独立，无电气连接；至少有一个线圈组是由两个或两个以上相邻回路串联并自行闭合而成的串联组合。本笼型转子能够提高BDFM样机的运行效率及功率因数等运行性能，整个转子电流分布较平衡，转子磁动势趋于正弦分布，谐波含量较低。

【技术实现步骤摘要】
无刷双馈电机混联式笼型转子结构及绕制方法
本专利技术涉及无刷双馈电机，具体涉及无刷双馈电机用的混联式笼型转子结构及绕制方法，属于变频调速驱动领域和变速恒频发电领域。
技术介绍
无刷双馈电机(BrushlessDoubly-FedMachine，BDFM)定子上一般嵌放有两套不同极数的独立三相对称绕组，其中与电网直接相连的称为功率绕组，与变频器相连的称为控制绕组。两套定子绕组产生不同极数的旋转磁场，通过转子实现电磁耦合，从而实现机电能量的转换。因此，转子结构的电磁耦合能力是决定BDFM运行性能、功率密度及推广应用的关键因素。常见的BDFM转子结构型式主要有三种，即笼型、绕线型、磁障型。从制造工艺来看，笼型转子最为简单，磁障型及绕线型转子较为复杂；从磁场调制效果来看，轴向叠片的磁障型转子最好，绕线型转子次之，笼型转子较差。对于笼型转子，根据是否带公共笼条和公共端环，可分为四种：(a)无公共笼条无公共端环；(b)带公共笼条无公共端环；(c)带公共端环无公共笼条；(d)带公共笼条和公共端环。BDFM笼型转子具有较好起动能力和异步运行能力，可采用类似于传统感应电机的转子制造工艺，适于大容量电机，引起国内外学者广泛关注。然而，转子磁场调制效果不佳，效率等运行性能差仍然是制约笼型转子BDFM推广应用重要因素。与常规交流电机相比，笼型转子BDFM结构特殊，在电磁耦合机理及其结构设计方面，仍有一些基础理论及关键技术问题尚有待研究解决，BDFM内部的电磁耦合关系十分复杂，其笼型转子几何结构相关参数对磁场调制效果影响的分析尚不够深入，且结论并未取得完全一致。笼型转子结构型式多样，对于如何深入挖掘笼型转子在改善转子磁场调制效果方面的潜力，从而提高BDFM运行性能的研究尚不够深入和全面。在国外，英国学者基于等效电路参数法分析了转子导条数、导条跨距等对笼型转子阻抗参数的影响，并研制了1台250kW的笼型转子BDFM，其效率及功率因数可达90％以上；巴西学者研究了绕线式笼型转子，转子槽非均匀分布，相邻转子巢外环线圈共用一个槽，实验表明额定效率可达90％；伊朗学者提出了串联式笼型转子，实验表明该转子样机运行效率为76.6％。在国内，中国矿业大学提出了一种等距笼型转子，每巢各回路节距相等，感应电动势大小相等，回路电流大小均匀；沈阳工业大学提出了磁障与笼条相结合的新型混合径向叠片转子结构，实验表明该转子样机的输出功率比磁障式磁阻转子平均高出17％；重庆大学学者通过理论分析，阐述了笼型转子BDFM的磁场调制机理，有限元分析表明，对磁场调制起主要作用的是靠外的短路环，通过调整转子短路环分布可增强有用谐波磁场，抑制无用谐波磁场。综上所述，BDFM笼型转子制造工艺简单，结构型式灵活，对于提高BDFM运行性能，具有较大潜力可挖。由此可见，可对BDFM笼型转子结构进行多种不同形式的尝试，如磁阻与短路环混合型、等距笼型以及串联笼型等。然而，目前笼型转子BDFM的磁场调制效果并未得到显著改善，磁场调制基本原理尚未完全阐明，效率等运行性能差的问题依然存在，对于BDFM笼型转子及其改型设计的研究也缺乏一致的结论，且笼型转子结构形式多样，在改善转子磁场调制效果、提高电机运行性能等方面仍有较大潜力。因此，笼型转子结构改型设计仍为值得进一步研究的课题。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提出一种无刷双馈电机混联式笼型转子结构，本笼型转子能够提高BDFM样机的运行效率及功率因数等运行性能。本专利技术同时还提供该特殊结构转子绕制方法，以解决该混联笼型转子绕制不便、绝缘性能不佳、焊接不牢靠的问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：无刷双馈电机混联式笼型转子结构，在转子铁心上包含多个沿铁芯圆周均布的转子巢，转子巢的数量与对应定子两套绕组的极数配合有关，每个转子巢由多个回路构成，每个转子巢的多个回路由内向外设置，任何一个回路对应的闭合线圈位于与之相邻的外圈回路对应的闭合线圈内；其特征在于：每个转子巢中至少存在两个并列布置的线圈组，线圈组之间彼此分开独立，无电气连接；至少有一个线圈组是由两个或两个以上相邻回路串联并自行闭合而成的串联组合。优选地，转子共32个铁心槽和4个转子巢，每巢4个回路，每个回路占用两槽；由内向外依次为第一回路、第二回路、第三回路和第四回路；其中第一回路和第二回路串联构成第一串联组合，第三回路和第四回路串联构成第二串联组合；第一串联组合和第二串联组合无电气连接地彼此独立。上述无刷双馈电机混联式笼型转子结构绕制方法，对于转子巢所涉及的串联组合中两个回路，根据其长度及槽型尺寸，预先将一根长的完整软铜线一圈一圈地连续绕制成凹型，直到达到需要的圈数，每圈的长度为串联组合中两个回路铜线的长度之和，得到横截面与转子槽横截面积匹配的粗线圈，该粗线圈只有两个出线端头；根据串联组合中两个回路的拓扑结构，将构成该凹型粗线圈中间凹槽部分的U型线圈按对称中心线翻转180°而其余线圈不动的方式进行折叠，从而形成需要的串联组合，再沿着转子槽口将已制成的串联组合嵌入对应转子铁心槽中，则串联组合涉及的两个回路的线圈在空间上只重叠交叉一次，最后只需将粗线圈两个出线端头焊接即可，使得所串联的回路自行闭合。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、由于混联式转子内外所各自串联的回路彼此分开，避免了外环较大的电流被迫流经内环回路而增加转子的等效电阻。因此，本专利技术转子等效电阻较低，可使转子绕组电流引起的绕组铜耗减小。2、本专利技术相串联的两回路电流相等，内外并联的回路电流幅值相差较小，整个转子电流分布较平衡，转子磁动势趋于正弦分布，谐波含量较低。3、本专利技术混联式笼型转子使BDFM样机运行时定子绕组电流有所下降，效率及功率因数均明显提高，运行时温升较低，能够长时间带载运行。4、本专利技术混联式笼型转子BDFM样机减少了转子槽数，简化了结构，降低了加工难度及制造成本。附图说明图1-本专利技术混联式笼型转子绕组示意图。图2-转子1结构示意图。图3-每转子巢磁动势波形图。图4-BDFM磁密云图分布图。图5-空载气隙磁密波形图。图6-气隙磁密频谱分析图。图7-nr＝600r/min时控制绕组电流图。图8-控制绕组仿真电流频谱分析图。图9-每转子巢短路环电流图。图10-异步运行性能对比图。图11-同步变载运行性能对比图。图12-空载电流对比图。图13-nr＝600r/min时功率绕组实测电压及电流波形图。图14-nr＝600r/min时控制绕组实测电流波形对比图。图15-控制绕组实测电流频谱对比图。图16-恒载变速运行性能对比图。图17-超同步nr＝900r/min时变载运行性能对比图。图18-亚同步nr＝600r/min时变载运行性能对比图。图19-超同步nr＝900r/min时功率因数调节运行性能对比图。图20-亚同步nr＝600r/min时功率因数调节性能对比图。图21-本专利技术串联组合绕制方法示意图。具体实施方式目前的研究表明，随着转子巢内短路环数增加，转子磁场调制效果增强，转子谐波漏抗及电阻减小，当短路环数超过一定数量时，转子铁心趋于饱和，转子阻抗减小幅度也逐渐降低。随着短路环数增多，转子巢中短路环节距不等，各短路环电流分布不平衡，笼型转子绕组磁动势非正弦分布，包含了丰富的无用谐波磁动势本文档来自技高网...

【技术保护点】
无刷双馈电机混联式笼型转子结构，在转子铁心上包含多个沿铁芯圆周均布的转子巢，每个转子巢由多个回路构成，每个转子巢的多个回路由内向外设置，任何一个回路对应的闭合线圈位于与之相邻的外圈回路对应的闭合线圈内；其特征在于：每个转子巢中至少存在两个并列布置的线圈组，线圈组之间彼此分开独立，无电气连接；至少有一个线圈组是由两个或两个以上相邻回路串联并自行闭合而成的串联组合。

【技术特征摘要】
1.无刷双馈电机混联式笼型转子结构，在转子铁心上包含多个沿铁芯圆周均布的转子巢，每个转子巢由多个回路构成，每个转子巢的多个回路由内向外设置，任何一个回路对应的闭合线圈位于与之相邻的外圈回路对应的闭合线圈内；其特征在于：每个转子巢中至少存在两个并列布置的线圈组，线圈组之间彼此分开独立，无电气连接；至少有一个线圈组是由两个或两个以上相邻回路串联并自行闭合而成的串联组合。2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机混联式笼型转子结构，其特征在于：转子共32个铁心槽和4个转子巢，每巢4个回路，每个回路占用两槽；由内向外依次为第一回路、第二回路、第三回路和第四回路；其中第一回路和第二回路串联构成第一串联组合，第三回路和第四回路串联构成第二串联组合；第一串联组合和第二串联组...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧先朋，韩力，王茂林，庄琼，王斌，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50