非正交繞組無刷單相同步發電機研究

摘要：目前對非正交繞組單相電容運轉異步電動機的分析和研究比較多，研究和試驗證明，在電機其他參數相同的情況下，空間非正交繞組具有電流小，效率、功率因數和啟動轉矩高等顯著優點。現針對凸極電容式無刷單相同步發電機進行非正交繞組和正交繞組的對比研究和試驗驗證，結果表明，采用非正交繞組對提高凸極電容式無刷單相同步發電機的電壓調整率、降低溫升、提高效率等具有明顯效果。

關鍵詞：非正交繞組;發電機;效率

0 ? ?引言

進入21世紀以來，隨著國民經濟持續、快速增長以及人民生活水平不斷提高，汽油發電機作為電源保障設備在各個領域都得到了廣泛應用。2020年，我國有數百家企業生產小型汽油發電機，在這些企業中汽油機年產量超過百萬臺的就有三家，并且這個數量還在逐年增加。在這些發電機中，20%左右是無刷單相發電機，因此分析、研究非正交繞組無刷單相發電機的特性，并根據具體情況加以選用，具有一定的現實意義。

1 ? ?發電機原理

凸極電容式無刷單相同步發電機接線原理圖如圖1所示。

由圖可以看出，當發電機啟動，帶動轉子旋轉至額定轉速時，轉子鐵芯中的剩磁會切割定子的主、副繞組感應產生一定的電壓。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生單相脈動磁場。根據電機學，一個單相脈動磁場可以分解成兩個大小相等、轉向相反的旋轉磁場，也即逆序磁場和順序磁場。其中逆序磁場不僅旋轉速度與轉子轉速相等，而且其旋轉方向還與轉子的轉動方向相反。因此，轉子磁極繞組就切割這逆序磁場而感應產生出交流電壓。由于發電機的轉子磁極繞組與整流橋堆串聯形成回路，在整流橋的整流作用下，磁極繞組中將只有直流電流流動，該直流電流即為發電機的主勵磁電流，使轉子磁極建立起主磁場。此外，因為順序磁場的旋轉速度與轉子的轉速相等且轉向相同，所以它也能對磁極主磁場起到補助增強的作用。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，發電機定子的主繞組就逐步建立起空載電壓并實現自勵。只要設計正確和使用得當，發電機運行在額定轉速下，其定子主繞組即能正常地建立起額定電壓。

2 ? ?正交繞組

一般單相電機在其定子上布置了正交分布的兩相繞組，它具有可逆運轉特性，嵌線工藝性較好，因而得到了廣泛的應用。正交繞組結構示意圖如圖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，又要求較高負載性能的場合，正交繞線結構可能會出現溫升偏高、電壓調整率偏大、效率低等不足。因此，本文提出了一種單相同步發電機的嵌線結構，能夠有效解決正交繞組溫升高、電壓調整率大、效率低等問題。本文所采用的非正交繞組結構示意圖如圖3所示。

設計繞組時，要求用一定的導體數獲得較大的電動勢，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的2/3～4/5，空出1/3左右槽數作為通風道或嵌輔助繞組。因為利用全部槽數的單相繞組其繞組系數只比用2/3槽數的繞組大13.4%，但用銅量卻增加33.3%，另外2/3槽數的單相繞組總匝數少、阻抗小，又能消除空載電動勢中的三次諧波電動勢，所以從技術經濟指標考慮，利用2/3槽數的單相繞組較有利。一般，單相繞組采用單層同心式繞組，且線圈組數等于極數，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、單層同心式繞組。

本文提供了一種單相同步發電機的嵌線結構，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，線槽中設置了4個空槽作為導風槽。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、線徑不變;副繞組有效圈數不變，副繞組線徑縮小到原來的75%，這樣副繞組只要6槽，空出4槽作為導風槽;這樣有利于散熱，降低電機溫升，而且還節約了成本。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。

當單相同步發電機進入負載運行以后，電樞中主繞組有電流流過，該電流就會產生磁場，電樞電流產生的磁場將對主磁場發生作用，這就產生了電樞反應。主副繞組非正交設計目的是使內功率因數角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°，電樞反應起助磁作用，使發電機負載能力增強，電壓調整率變小。

本例定子槽數Z=30，極數2p=2，單相;表1為該發電機（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，電機溫升比原來低10%左右，在同樣功率的負載下，電壓調整率由原來的8.3%縮小到4.1%，效率提高了將近2個百分點。

4 ? ?結語

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

[參考文獻]

[1] 吳思齊.空間非正交繞組單相電容運轉異步電動機[J].微特電機，1982（4）：23-27.

[2] 姚光中.非正交繞組電容運轉電動機的分析[J].電機電器技術，1991（4）：16-21.

收稿日期：2021-04-13

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