三相合成磁势基波是如何转起来的?

面对电机设计问题时大家感慨到:搞了这么多年设计,始终对三相合成磁势波有点模糊,想象不出合成磁势基波是如何转起来的。

这样的情况应该说太普遍了。多数设计师专注于系列化产品设计,有许多嵌接线错误或绕组设计缺陷导致严重后果的体验,因而对三相绕组空间分布互差120°电角度、三相电流对称这些个概念非常敏感,但要把三相合成磁势旋转波拨弄清楚还真得费点功夫。今天,Ms.参以三相合成磁势基波为研究对象,谈谈三相绕组磁势及其合成磁势基波。

单个绕组的脉振磁势

设每线圈匝数为Nc,线圈内通以电流i,线圈跨距为yc,电机极对数为p,则通过用富氏极数对单个线圈按矩形规律分布的脉振磁势进行分析,得到单个线圈的磁势

式(1)中幅值 Fcν’按富氏极数用积分法求出

Fcν’ =2/π·1/ν'·iNc·sin(ν'·yc/2)安/极……(2)

式(2)中 p次谐波对应于工作谐波或基波。令ν=ν'/p,则第ν次谐波(其极对数为νp)的幅值(以ν'=νp代入式(2))为

Fcν =2/π·iNc/νp·sin(ν·pyc/2)= 2/π·iNc/νp·kyν安/极……(3)

式(3)中kyν= sin(ν·pyc/2)为ν次谐波的短距系数。

若把空间坐标x(机械角度)改用对基波的电角度α表示,则x=α/p,另ν'=νp,代入式(1)得到单个线圈磁势得表达式

Fc(α)= ∑Fcν·cosνα(ν=1/p,2/p,3/p,…, ∞)……(4)

当i=√2·Ic·sinωt时,连同式(3)代入式(4)得

Fc(t,α)= ∑2√2/π·IcNc/νp·kyν·cosνα·sinωt……(5)

式(5)中,ν=1/p,2/p,3/p,…, ∞

对于基波(p次谐波,ν=1)而言,单个线圈磁势为

Fc1(t,α)= 2√2/π·IcNc/p·ky1·cosα·sinωt

=Fφ1·ky1·cosα·sinωt……(6)

式(6)中Fφ1为整距时单个线圈磁势磁势幅值,ky1为基波短距系数。

线圈组的脉振磁势

设每极每相槽数为q,则每极每相q个线圈磁势的ν次谐波依次在空间上位移一个槽。若对基波来说为α1电角度,各线圈的ν次谐波磁势矢量Fcν依次有一相位差να1,矢量相加得到该线圈组磁势的ν次谐波幅值为

Fqν=qFcν·kqν……(7)

式(中)中kqν为绕组分布系数。按矢量相加原理求得

kqν=sin(qνα1/2)/q sin(να1/2)……(8)

式(3)代入式(7)得线圈组ν次谐波磁势幅值

Fqν=q·2/π·iNc/νp·kyν·kqν

=2/π·q·√2·Ic·sinωt· Nc/νp·kyν·kqν

=2√2/π·IcqNc/νp·kyν·kqν·sinωt……(9)

相绕组的磁势

把构成相绕组的各线圈组的ν次谐波磁势按其空间位移和电流方向用矢量法相加,便得相绕组的ν次谐波磁势。

对正常接法的p对极整数槽绕组,每相2p个(双层绕组)或p个(单层绕组)线圈组的基波磁势都在空间上同相位,直接相加便是相绕组的基波磁势。

对可能存在其他次谐波磁势分析表明, 分数次谐波ν=1/p、2/p、3/p、…、p-1/p及偶次谐波在相绕组磁势中不存在,只有ν=1、2、3、……等奇次谐波,同基波磁势一样,线圈组磁势直接相加便是相绕组的磁势。

从以上分析可见,只要用每相总匝数wφ代替式(7)中的线圈组总匝数qNc即得ν次谐波相绕组的磁势振幅为

Fmφν=2√2/π·Icwφ/νp·kyν·kqν·sinωt

=2√2/π·Icwφ/νp·kwν·sinωt……(10)

式中kwν=kyν·kqν为ν次谐波绕组系数

设每相电流有效值为I、a条并联支路,则Ic=I/a,Icwφ= I/a·wφ= I·wφ/a=Iw,w= wφ/a为每相每条并联支路的串联匝数,代入式(10)得相绕组ν次谐波磁势幅值

Fmφν=2√2/π·Iw/νp·kwν·sinωt……(11)

坐标原点选在相绕组轴线(中心线)上时,相绕组脉振磁势表达式为

Fφ(t,α)= ∑Fmφν·cosνα=∑2√2/π·Iw/νp·kwν·sinωt·cosνα

=2√2/π·Iw/ p·∑kwν/ν·cosνα·sinωt

=2√2/π·Iw/ p(kw1·cosα+ kw3/3·cos3α+kw5/5·cos5α+

……+ kwν/ν·cosνα)·sinωt……(12)

相绕组基波脉振磁势为

fφ1(t,α)= 2√2/π·Iw/ p·kw1·cosα·sinωt

= Fφ1·cosα·sinωt……(13)

式中Fφ1为每相脉振磁势基波的幅值。

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