模块组合式交流电机定子分块规则与不等跨距绕组研究

张炳义，贾宇琪，陈其雨，何功飞，冯桂宏

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870)

模块组合式交流电机定子分块规则与不等跨距绕组研究

张炳义，贾宇琪，陈其雨，何功飞，冯桂宏

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳110870)

低速大功率交流电机是指转速低于500r/min、功率在兆瓦级以上的电机，主要应用在大型水轮发电机、永磁同步风力发电机以及大型矿井提升直驱和大型船舶主推进等场合，在国民经济中占有重要的位置。针对其传统制造过程中存在的加工、装配和维护困难等问题，提出了一种新型模块组合式定子结构。在研究定子分块规则的基础上，通过计算每极每相槽数q不同时定子独立模块所需最小槽数，以及对应情况下的绕组分布系数、短距系数和削弱谐波次数，从绕组利用率和削弱谐波能力方面总结出了对于该种电机而言每极每相槽数q的选取方法。最后搭建试验台，对样机进行了实验，实验结果表明了分块规律的正确性以及模块组合式定子结构的可行性，为进一步研究奠定了基础。

低速大功率;模块组合式电机;定子分块;谐波

1 引言

低速大功率交流电机是指转速低于500r/min、功率在兆瓦级以上的电机，其特点是体积庞大，不需要齿轮机构等中间传递环节就能实现机-电能量之间的直接转换。主要应用在大型水轮发电机、直驱式兆瓦级永磁同步风力发电机以及大型矿井提升直驱和大型船舶主推进等场合，在国民经济中占有重要的位置。

水电和风电是我国“十二五”能源发展的两个重要战略目标。大型水轮发电机受限于运输瓶颈，定子需分瓣制造(包括机座和铁心)，运往工地后再将分瓣的定子组装成整体;对于分瓣运输仍有困难的大型机组，定子的装配工作全部在工地完成，即先将分瓣的定子机座组焊成整圆，然后进行定子铁心叠片，再完成定子绕组下线与连接。直驱式永磁同步风力发电机定子大多采用整体加工的方法，但是当定子冲片直径超过4m时，如果继续沿用定子整体加工的方法，所需的加工装备也必须相应加大。另外，对于像矿井提升和大型船舶推进等可靠性要求高的系统，用于其主驱动的直驱电动加工机在系统运行期是不允许停机的。为了实现系统的高可靠性，矿井提升采用大马拉小车的办法，船舶采用多台电机同轴与负载联接的整机备份方式来实现，这无疑都增加了传动系统的体积以及制造成本。

在电机研究方面，大多数文献都停留在对电机某方面性能计算、发热与冷却研究以及电机绕组的研究上。例如文献［1］对模块化级联电机采用分数槽集中绕组进行了研究，结果表明该方法能有效减小电机体积，提高其转矩密度;文献［2］通过建立定子多风路通风系统三维流动与传热计算的数学模型，得到了各个径向通风沟内的流体速度、温度的空间分布情况;文献［3］建立了凸极效应永磁同步电机的径向电磁力波模型，对电机的电磁振动特性进行了研究;文献［4］则提出了一种最优弱磁路径控制策略，对内置式永磁同步电机的弱磁调速进行了研究;文献［5］通过有限体积法(FVM)对2.5MW永磁风力发电机进行了流体场和温度场的耦合求解，为风力发电机的温升计算和通风结构设计提供了依据;文献［6］是在对现有分块开关磁阻电机结构和磁路解析的基础上，提出了五种新型结构的分块开关磁阻电机;文献［7］对SVPWM供电下低速大转矩永磁同步电机的设计进行了研究;文献［8，9］则对不同应用场合的分数槽绕组进行了研究;文献［10］虽然提出了一种模块式风力发电机结构，但其是通过采用集中绕组的单齿模块拼接实现。

综上，虽然众多学者对电机进行了各方面不同的研究，但都没有从根本上解决大型交流电机存在的制造、运输、装配以及维护难度大等问题。为此，本文提出了一种低速大功率交流电机模块组合式定子结构，如图1所示，实现了交流电机定子的模块化制作，从而很好地解决了困扰大型交流电机定子过大带来的一系列问题，大大增强了电机的制造灵活性、运行可靠性和可维护性。本文所述的模块组合式定子结构是建立在绕组采用不等跨距绕组基础之上，关于不等跨距绕组方面的研究本文不多作介绍，旨在着重研究模块组合式电机定子的分块规则，并从绕组利用率和削弱谐波角度阐述了针对低速大功率交流电机的每极每相槽数q的选取方法。最后研制了一台定子由三个独立模块组成的样机，并搭建试验台对其进行了负载实验。

图1 模块组合式定子结构Fig．1 Structure of combination stator

2 模块组合式电机定子分块规则研究

对于分数槽绕组，每极每相槽数q总能写成(整数槽绕组可以认为是一种特殊的分数槽绕组，故也包含在内):

式中，m为相数;Q1为定子槽数;p为极对数;b为整数;c/d为不可约的真分数;要形成三相对称绕组，需满足d≠3n，n∈N+。

在三相电机中，当q为分数时，则每个极距内和每个相带内的槽数就不是整数。一般情况下，分数槽电机的定子槽数Q1和极对数p存在一个最大的公约数，即:

式中，gcd(Q1，p)为电机定子槽数与极对数的最大公约数。令 Q0=Q1/gcd(Q1，p)，p0=p/gcd(Q1，p)，则q又可写成:

式(3)意味着在分数槽绕组的电机中，每2p0个磁极下每相占有Q0/m个槽电机的齿槽分布、感应电动势向量图和磁动势向量图，以2p0个磁极为一个周期，重复gcd(Q1，p)次。其中，Q0就是在对应每极每相槽数q下能形成一个单元电机模块需要的最少槽数。因此，模块组合式电机的分块规则为:对于一个定子槽数为Q1、极对数为p的电机，整个电机定子可分得的最多模块个数为gcd(Q1，p);电机能引出的最多并联支路数也为gcd(Q1，p)。根据上述规则，得到每极每相槽数q不同时，电机一个独立模块所需的最少槽数，如表1所示。

表1 q不同时电机独立模块所需最少槽数Tab．1 Minimum number of slots required by independent modules with different q

值得说明的是，当每极每相槽数q选为0.4时，绕组一般采用集中绕组，即直接在齿上绕制，此时电机定子可由多个单齿模块组合而成，因此不受单个模块最少槽数的限制。另外，虽然每个定子模块之间相互独立，但是不同定子模块所占定子整个圆周的空间角度可以相同，也可以不同，只要保证其所占空间角度为最少槽数独立定子模块所占空间角度的整数倍，且全部定子模块能够填充整个定子圆周360°空间即可。即:

将式(4)化简，有:

式中，k1，k2，…，kn∈N+，分别为组成第1，2，…，n个独立模块所需的最少槽数电机模块的个数。

3 模块组合式交流电机q选取方法

实际电机中，磁动势在气隙中产生的励磁磁场并非是正弦波，因此在定子绕组内感应出的电动势也不可能是标准正弦波，除了基波以外还存在一系列谐波分量。这些谐波分量的存在会引起电机损耗增加、发热以及产生电磁噪声。因此在电机的设计过程中，需要考虑削弱电机反电势中的谐波含量、改善波形正弦度。这一般主要通过两种方法实现:一种是从电路的角度考虑，定子绕组采用短距、分布的方法;另一种是从磁路的角度考虑，对电机的气隙磁场波形进行优化。虽然后一种方法比较直接，但需要对磁极结构形状进行优化设计。相比较而言，采用第一种方法则更容易实现。为了考虑线圈短距和绕组分布对电机性能的影响，通常定义:

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而绕组系数kdp为短距系数kd和分布系数kp的乘积。显然，kdp反映了由于采用短距线圈和分布绕组时基波电动势打的折扣。换句话说，该参数能够反映出电机绕组的利用率。

同时，当线圈节距y1选为(1－1/υ)τ(其中υ为谐波次数，τ为电机极距)时，可以有效地消除第υ次谐波。表2列出了当电机每极每相槽数q不同、且节距选为相应值时，电机绕组的短距系数、分布系数、绕组系数的数值以及能削弱的谐波次数。在设计电机时，设法削弱低次谐波对电机性能的影响是我们关注的目标。不管电机的对称三相绕组是采用星形接法还是三角形接法，其相电动势中都不会存在3以及3的倍数次谐波。

由表2可以看出，在绕组利用率方面，q为3/4、3/2、3三个方案的绕组利用率最高;q为2/5、4/5、6/5、8/5、2五个方案的绕组利用率次之;q为1方案的绕组利用率最低。在绕组采取分布、短距后的削弱谐波能力方面，q为3/4、1、3/2、3四个方案能削弱9次谐波，均不能削弱5次、7次谐波，由于电机反电势中并不存在9次谐波，因此性能要略差一些; q为2/5、4/5、6/5、8/5、2五个方案均能够同时削弱电机反电势中的5次和7次谐波，与之相对应的kdp曲线如图2所示。从图2可知，q为4/5、6/5、8/5三个方案的绕组利用率非常接近，相比之下，q为2/5和2两个方案要比其绕组利用率略高出大约0.9%。这五个方案都可以作为模块化电机设计时的优选方案，具体需要根据电机应用场合的不同做出进一步的筛选。

表2 q不同对应各系数及高次谐波削弱情况Tab．2 Corresponding coefficients and harmonics weakened with different q

图2 能削弱5、7次谐波对应q方案的kdpFig．2 kdpcorresponding to q weakened the 5thand 7thharmonics

模块化定子结构电机的突出意义在于克服了低速大功率交流电机制造过程中存在的加工、装配、运输和维护难度大等一系列问题。此类电机在设计时通常会面临电机转速低、极数多和受定子冲片外径限制槽数又有限的矛盾，为此，通常选取q＜1的真分数槽绕组来解决这个问题。

但是，由于本文提出的模块化定子结构电机是建立在电机绕组采用不等跨距绕组基础之上的，考虑到三相绕组的对称性(即每条支路每相绕组串联的大、小跨距线圈的个数)，应优先选用小跨距线圈跨距y1为3或者3的倍数的方案。

4 理论验证

4.1 样机设计

表3 样机主要参数Tab．3 Primary parameters of model machine

4.2 样机实验

在样机研制的基础上，搭建了如图4所示的试验台。采用变频器供电，对电机进行了负载实验。样机定子分为三个独立模块，每个模块单独构成一条支路。其额定转矩为1138.9 N·m，因此每个模块的额定转矩为1138.9/3=379.6 N·m。由于样机是变频电机，因此除了测取额定转速下的负载特性曲线外，还需要测取其他转速下的负载特性曲线。

实验中，利用变频器的恒压频比控制方式，分别测取了电机在供电频率分别为15Hz、20Hz和25Hz (相应的电机转速分别为60r/min、80r/min、100r/ min)三种情况下负载由1.2TN降到空载的性能参数。并且每种供电频率下又分别对样机单个模块投入、二个模块投入以及三个模块全部投入三种情况进行了测试。测得的样机不同转速下不同数量模块投入时效率和功率因数随负载率变化关系曲线如图5～图7所示。

图3 样机定子3D模型Fig．3 3D sample of model machine stator

图4 样机试验台Fig．4 Test-bed of model machine

图5 单模块投入样机效率和功率因数曲线Fig．5 Efficiency and power factor curves of model machine with single module running

图6 二模块投入样机效率和功率因数曲线Fig．6 Efficiency and power factor curves of model machine with two modules running

图7 三模块投入样机效率和功率因数曲线Fig．7 Efficiency and power factor curves of model machine with three modules running

4.3 结果分析

从图5～图7可以看出，由于新型模块组合式定子结构交流电机运行在恒转矩区间，因此转速对其效率的影响很小。当电机运行于某一固定转速时，三个模块全部投入运行时电机的效率最高，二个模块投入运行时效率次之，单模块运行时电机的效率最低。究其原因，不难发现是电机铁耗、机械损耗、杂散损耗等(这三种损耗统称为电机的不变损耗，即不管电机运行于何种工况，其大小都近似保持恒定)引起的。由于电机的输入电功率与模块数成正比，因此不变损耗占电机输入电功率的比例会随着投入模块数的减少而增加，这就造成了电机效率随着投入模块减少而降低，与实验结果相吻合。但是电机的功率因数与模块投入运行个数基本无关，都能保持在0.93以上。另外，由于变频器具有功率因数补偿功能，所以这点对于变频电动机而言意义不大，但是该种模块化结构电机若用作发电机，这点将会显著提高电网的品质因数，提高电网的效率。

5 结论

本文对新型模块组合式交流电机定子的分块规则进行了研究，通过计算不同q下定子独立模块所需最少槽数，以及对应情况下的短距系数、分布系数、绕组系数和削弱谐波次数，从绕组利用率和削弱谐波能力角度总结出了对于该类电机而言每极每相槽数q的选取方法。最后设计了一台样机，并搭建试验台对其进行了负载实验。实验结果表明电机的效率会随着电机定子模块投入运行数量的减少而降低，而功率因数与电机投入运行模块数量基本无关。同时，也验证了本文所述模块组合式交流电机定子分块规则的正确性以及该结构的可行性。与传统大型结构交流电机相比，采用该结构的主要优势有以下几个方面:

(1)电机定子模块尺寸减小，便于制造和运输。可以根据电机极数、每极每相槽数和实际需要，适当选择定子模块数量。

(2)不同定子模块之间相互独立，提高了电机加工制作的灵活性和工作效率。

(3)定子可以在转子装配完成后，采用外部拼装组成，克服了近百年来大型交流电机定转子装配和拆卸的难题。

(4)电机定子采用该模块组合式结构，故障时可以方便地更换故障模块，或者暂时切除故障模块来维持系统运行，从而提高了电机整体的可靠性和可维护性。

综上，新型模块组合式定子结构为低速大功率交流电机的制造提供了一种新的方法和途径，本文的研究为该课题的进一步研究奠定了一定的基础。

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Research on partitioning principle and unequal span winding of novel AC machine with module combination stator

ZHANG Bing-yi，JIA Yu-qi，CHEN Qi-yu，HE Gong-fei，FENG Gui-hong
(School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

LSHP(Low-Speed and High-Power)AC machine refers to the machines of speed below 300 r/min and power above mega-watt．They are mainly used for the large hydro-generator，direct drive permanent magnet synchronous wind power generator，large mine direct drive and large ship’s main propulsion，etc，and occupy an important position in the national economy．Aiming at the problems existing in the traditional manufacturing procedures of the processing，assembly and maintenance，a LSHP AC machine with module combination stator was put forward．By studying the partitioning principle of stator，calculating the winding coefficient，weakening harmonics number and the minimum number of slots that the independent modules required with different q，the method of qselection was summarized from the rate of winding utilization and the ability of harmonics weakened．At last，a testplatform was built and the experiment was carried out of the model machine．The results showed that the correctness of partitioning principle and feasibility of modular stator structure，which laid a foundation for the further study．

LSHP AC machines;module combination machines;stator partitioning;harmonics

TM351

:A

:1003-3076(2015)05-0024-06

2014-01-03

国家自然科学基金资助项目(51177106)

张炳义(1954-)，男，天津籍，教授，博士，主要研究方向为特种电机及其控制、电子电气机械一体化;贾宇琪(1988-)，男，山西籍，博士研究生，研究方向为特种电机及其控制。