非正交繞組無刷單相同步發(fā)電機(jī)研究

摘要：目前對非正交繞組單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機(jī)的分析和研究比較多，研究和試驗證明，在電機(jī)其他參數(shù)相同的情況下，空間非正交繞組具有電流小，效率、功率因數(shù)和啟動轉(zhuǎn)矩高等顯著優(yōu)點?，F(xiàn)針對凸極電容式無刷單相同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行非正交繞組和正交繞組的對比研究和試驗驗證，結(jié)果表明，采用非正交繞組對提高凸極電容式無刷單相同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率、降低溫升、提高效率等具有明顯效果。

關(guān)鍵詞：非正交繞組;發(fā)電機(jī);效率

0 ? ?引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速增長以及人民生活水平不斷提高，汽油發(fā)電機(jī)作為電源保障設(shè)備在各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。2020年，我國有數(shù)百家企業(yè)生產(chǎn)小型汽油發(fā)電機(jī)，在這些企業(yè)中汽油機(jī)年產(chǎn)量超過百萬臺的就有三家，并且這個數(shù)量還在逐年增加。在這些發(fā)電機(jī)中，20%左右是無刷單相發(fā)電機(jī)，因此分析、研究非正交繞組無刷單相發(fā)電機(jī)的特性，并根據(jù)具體情況加以選用，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 ? ?發(fā)電機(jī)原理

凸極電容式無刷單相同步發(fā)電機(jī)接線原理圖如圖1所示。

由圖可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子鐵芯中的剩磁會切割定子的主、副繞組感應(yīng)產(chǎn)生一定的電壓。由于交流電容器所具有的充放電特性，定子副繞組中便將通有容性電流并因此產(chǎn)生單相脈動磁場。根據(jù)電機(jī)學(xué)，一個單相脈動磁場可以分解成兩個大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，也即逆序磁場和順序磁場。其中逆序磁場不僅旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等，而且其旋轉(zhuǎn)方向還與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反。因此，轉(zhuǎn)子磁極繞組就切割這逆序磁場而感應(yīng)產(chǎn)生出交流電壓。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極繞組與整流橋堆串聯(lián)形成回路，在整流橋的整流作用下，磁極繞組中將只有直流電流流動，該直流電流即為發(fā)電機(jī)的主勵磁電流，使轉(zhuǎn)子磁極建立起主磁場。此外，因為順序磁場的旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相等且轉(zhuǎn)向相同，所以它也能對磁極主磁場起到補(bǔ)助增強(qiáng)的作用。這樣在單相脈動磁場中逆序磁場和順序磁場的共同作用下，發(fā)電機(jī)定子的主繞組就逐步建立起空載電壓并實現(xiàn)自勵。只要設(shè)計正確和使用得當(dāng)，發(fā)電機(jī)運行在額定轉(zhuǎn)速下，其定子主繞組即能正常地建立起額定電壓。

2 ? ?正交繞組

一般單相電機(jī)在其定子上布置了正交分布的兩相繞組，它具有可逆運轉(zhuǎn)特性，嵌線工藝性較好，因而得到了廣泛的應(yīng)用。正交繞組結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 ? ?非正交繞組與正交繞組的對比分析

在有些只需單方向旋轉(zhuǎn)，又要求較高負(fù)載性能的場合，正交繞線結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)溫升偏高、電壓調(diào)整率偏大、效率低等不足。因此，本文提出了一種單相同步發(fā)電機(jī)的嵌線結(jié)構(gòu)，能夠有效解決正交繞組溫升高、電壓調(diào)整率大、效率低等問題。本文所采用的非正交繞組結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

設(shè)計繞組時，要求用一定的導(dǎo)體數(shù)獲得較大的電動勢，電動勢波形要接近正弦波，用銅量要少，銅損耗要小，工藝性要好。因此，單相電樞繞組一般只利用電樞總槽數(shù)的2/3～4/5，空出1/3左右槽數(shù)作為通風(fēng)道或嵌輔助繞組。因為利用全部槽數(shù)的單相繞組其繞組系數(shù)只比用2/3槽數(shù)的繞組大13.4%，但用銅量卻增加33.3%，另外2/3槽數(shù)的單相繞組總匝數(shù)少、阻抗小，又能消除空載電動勢中的三次諧波電動勢，所以從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮，利用2/3槽數(shù)的單相繞組較有利。一般，單相繞組采用單層同心式繞組，且線圈組數(shù)等于極數(shù)，因為這種繞組的用銅量較少，嵌線方便。所以，本文采用主繞組占2/3槽數(shù)、單層同心式繞組。

本文提供了一種單相同步發(fā)電機(jī)的嵌線結(jié)構(gòu)，包括主繞組、副繞組和直流繞組，采用市場上常用的30槽定子，主繞組和直流繞組共同使用20個線槽，副繞組共使用6個線槽，線槽中設(shè)置了4個空槽作為導(dǎo)風(fēng)槽。定子繞線正交的時候，定子的30槽是滿槽的，改為非正交以后，主繞組圈數(shù)、線徑不變;副繞組有效圈數(shù)不變，副繞組線徑縮小到原來的75%，這樣副繞組只要6槽，空出4槽作為導(dǎo)風(fēng)槽;這樣有利于散熱，降低電機(jī)溫升，而且還節(jié)約了成本。且非正交繞組不僅適用于30槽的定子，也同樣適用于24槽、36槽和48槽等定子。

如圖3所示，主繞組和直流繞組繞線使用的線槽分為兩組，一組為1槽、2槽、3槽、4槽、5槽、11槽、12槽、13槽、14槽、15槽，另一組為16槽、17槽、18槽、19槽、20槽、26槽、27槽、28槽、29槽和30槽。

主繞組中的主線由兩根直徑0.85 mm和一根直徑0.9 mm的漆包線并繞而成，主線共有兩組，線圈圈數(shù)由小圈到大圈再到小圈依次為15、16、16、16、16、16、16、16、16、15。

直流繞組中的直流線由兩根直徑0.85 mm和一根直徑0.9 mm的漆包線繞制而成，直流線共有兩組，線圈圈數(shù)由小圈到大圈再到小圈依次為3、2、2、2、3、3、2、2、2、3。根據(jù)實際需求來決定是否需要直流繞組。

副繞組繞線使用的線槽為6槽、7槽、8槽、21槽、22槽和23槽。副繞組由一根直徑為0.7 mm的漆包線繞制而成，其有效線圈為64、64、64。

空槽為9槽、10槽、24槽和25槽。

當(dāng)單相同步發(fā)電機(jī)進(jìn)入負(fù)載運行以后，電樞中主繞組有電流流過，該電流就會產(chǎn)生磁場，電樞電流產(chǎn)生的磁場將對主磁場發(fā)生作用，這就產(chǎn)生了電樞反應(yīng)。主副繞組非正交設(shè)計目的是使內(nèi)功率因數(shù)角Ψ，即勵磁電勢E0與電樞電流之間的時間相位角的大小范圍為-90°<Ψ<0°，電樞反應(yīng)起助磁作用，使發(fā)電機(jī)負(fù)載能力增強(qiáng)，電壓調(diào)整率變小。

本例定子槽數(shù)Z=30，極數(shù)2p=2，單相;表1為該發(fā)電機(jī)（100 V/60 Hz）主副繞組兩種布置方案的性能比較。

由表1可以看出，采用非正交（114°）繞組，電機(jī)溫升比原來低10%左右，在同樣功率的負(fù)載下，電壓調(diào)整率由原來的8.3%縮小到4.1%，效率提高了將近2個百分點。

4 ? ?結(jié)語

由此可見，對有些只需單方向運轉(zhuǎn)的電機(jī)，在某些特定情況下，將定子兩繞組設(shè)計成適當(dāng)夾角的非正交繞組，在繞線參數(shù)（有效匝數(shù)）不變的情況下，非正交（兩相夾角大于90°）電機(jī)較正交電機(jī)具有溫升低、電壓調(diào)整率小、負(fù)載性能好、效率高、成本低等優(yōu)點。

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收稿日期：2021-04-13

作者簡介：許式省（1978—），男，浙江臺州人，機(jī)械工程師，從事機(jī)械和電機(jī)方面的工作。