变极同步电机鉴定会

1、双速凸极同步电动机转子变极双速凸极同步电动机转子变极研究研究20122012年年4 4月月8 8日日强电磁工程与新技术国家重点实验室强电磁工程与新技术国家重点实验室“大型变极双速同步电动机研制及应用大型变极双速同步电动机研制及应用”成果鉴定会研究报告成果鉴定会研究报告目录 2 2 存在的问题分析存在的问题分析1 1 研究历史与现状研究历史与现状4 4 新的理论与方法新的理论与方法3 3 解决问题的思路解决问题的思路6 6 创新点创新点7 7 研究结论研究结论5 5 实例分析比较实例分析比较 同步电机的调速有多种方式，但变极调速最为简便易行。同步电机的调速有多种方式，但变极调速最为简便易行。与异

2、步电机不同，同步电机变极调速需要同时改变定子绕与异步电机不同，同步电机变极调速需要同时改变定子绕组和转子绕组的极对数。组和转子绕组的极对数。 原理上，同步电机定子绕组变极问题与异步电机定子绕组原理上，同步电机定子绕组变极问题与异步电机定子绕组变极相同，其研究也已相当深入，同步电机变极的特点或变极相同，其研究也已相当深入，同步电机变极的特点或是难点主要在于转子变极。是难点主要在于转子变极。 按转子结构不同，同步电机可分为隐极式和凸极式两种，按转子结构不同，同步电机可分为隐极式和凸极式两种，隐极机的气隙是均匀的而凸极机气隙是非均匀的。实际应隐极机的气隙是均匀的而凸极机气隙是非均匀的。实际应用中需要

3、调速的同步电机多为低速凸极机，因此，对于凸用中需要调速的同步电机多为低速凸极机，因此，对于凸极机转子变极问题进行研究有着重要意义。极机转子变极问题进行研究有着重要意义。1 研究历史与现状凸极同步电机变极调速的问题，长期以来一直受到国内凸极同步电机变极调速的问题，长期以来一直受到国内外电机领域学者的重视。其研究早在上世纪外电机领域学者的重视。其研究早在上世纪3030年代就已年代就已经开始，迄今为止的发展可分为三个阶段。经开始，迄今为止的发展可分为三个阶段。第一阶段是从第一阶段是从19301930年代到年代到19501950年代。这一阶段中提出了年代。这一阶段中提出了关于同步电机凸极转子变极的基本

4、原理，并制造了极比关于同步电机凸极转子变极的基本原理，并制造了极比24/2824/28的双速凸极同步发电机应用于美国弗拉提隆的双速凸极同步发电机应用于美国弗拉提隆（flatironflatiron）抽水储能电站。）抽水储能电站。1 研究历史与现状第二阶段是从第二阶段是从19501950年代到年代到19701970年代。这一阶段中关于同年代。这一阶段中关于同步电机凸极转子变极研究进一步深化，并在近似计算的步电机凸极转子变极研究进一步深化，并在近似计算的基础上制作了模型电机研究，应用中除抽水储能电站外，基础上制作了模型电机研究，应用中除抽水储能电站外，也在常规水力发电站中开始了应用。也在常规水力发

5、电站中开始了应用。第三阶段是从第三阶段是从19701970年代迄今，理论研究更加深入，各种年代迄今，理论研究更加深入，各种数值计算方法在仿真分析和设计中应用，应用实例逐步数值计算方法在仿真分析和设计中应用，应用实例逐步增多，单机容量进一步增大，并开始提出在双速同步电增多，单机容量进一步增大，并开始提出在双速同步电动机中应用。动机中应用。1 研究历史与现状双速凸极同步发电机应用代表性进展v目前双速凸极同步发电机已经应用于很多水头变化范围大目前双速凸极同步发电机已经应用于很多水头变化范围大的抽水蓄能电站和常规电站的抽水蓄能电站和常规电站。v国外国外主要有主要有: :美国弗拉提隆（美国弗拉提隆（Fl

6、atironFlatiron）水电站，变极比为）水电站，变极比为2424/ /2828；瑞士奥瓦瑞士奥瓦 斯平（斯平（Ova SpinOva Spin）水电站，变极比为）水电站，变极比为1212/ /1616；日本苏巴里（日本苏巴里（SubariSubari）水电站，变极比为）水电站，变极比为1212/ /1414；奥地利马尔塔（奥地利马尔塔（MaltaMalta）水电站，变极比为）水电站，变极比为1212/ /1616；瑞士法瑞士法特斯（特斯（FarttesFarttes）水电站，变极比为）水电站，变极比为1010/ /1212等。等。v国内主要有：北京密云电站国内主要有：北京密云电站，变极

7、比为，变极比为2222/ /2424；潘家口水电潘家口水电站，变极比为站，变极比为4242/ /4848；安徽响洪甸抽水蓄能电站安徽响洪甸抽水蓄能电站，变极比为变极比为1212/ /1616等等。v双速同步电动机研究课题是根据我国水利行业具体情况而提双速同步电动机研究课题是根据我国水利行业具体情况而提出来的。出来的。v我国江河湖泊受季节影响，水位变化大。对水泵扬程依季节我国江河湖泊受季节影响，水位变化大。对水泵扬程依季节有不同的要求，冬季水位低，要求低扬程，而夏季水位高，有不同的要求，冬季水位低，要求低扬程，而夏季水位高，要求高扬程；此外，对于平时节能灌溉，也要求低扬程，洪要求高扬程；此外，对

8、于平时节能灌溉，也要求低扬程，洪水期间提速排渍，则要求高扬程。水期间提速排渍，则要求高扬程。双速凸极同步电动机应用背景变速电力排灌机组v适应水泵扬程变化的最好方法是采用具有两种转速的变极适应水泵扬程变化的最好方法是采用具有两种转速的变极调速电机，电机低速对应水泵低扬程，高速对应高扬程。调速电机，电机低速对应水泵低扬程，高速对应高扬程。v但是，传统的同步电动机因为只有一种速度，已经不能满但是，传统的同步电动机因为只有一种速度，已经不能满足这样的要求。足这样的要求。凸极同步电机的变极调速v目前，国内大型电力排灌站目前，国内大型电力排灌站广泛应用着凸极同步电动机。广泛应用着凸极同步电动机。v凸极同步

9、电动机优点是功率凸极同步电动机优点是功率因数可调，能与水泵直联配因数可调，能与水泵直联配套，转速稳定，可靠性高。套，转速稳定，可靠性高。v对于凸极同步电动机变极调对于凸极同步电动机变极调速有着非常急迫的需求。速有着非常急迫的需求。凸极同步电动机变极调速技术难点v凸极转子改变极数，不仅凸极转子改变极数，不仅要改变直流励磁绕组的接要改变直流励磁绕组的接线方式，而且必须在机械线方式，而且必须在机械结构上也做出调整，这也结构上也做出调整，这也正是难点所在。正是难点所在。v目前国内外尚无电力排灌目前国内外尚无电力排灌站商用凸极转子同步变极站商用凸极转子同步变极电机产品。电机产品。近年来双速凸极同步电机无

10、论是在理论研究还是设计近年来双速凸极同步电机无论是在理论研究还是设计手段等方面，均可以说是取得了重大进展，但是令人手段等方面，均可以说是取得了重大进展，但是令人遗憾的是，迄今为止，作为商用的双速同步电动机仍遗憾的是，迄今为止，作为商用的双速同步电动机仍未能进入工业实用。未能进入工业实用。原因是电机本身还存在下列问题：原因是电机本身还存在下列问题：1.转子出线端头过多，转子变极切换需停机进行；转子出线端头过多，转子变极切换需停机进行；2.转子磁极大小不等，其形状和相对位置在电机制成后转子磁极大小不等，其形状和相对位置在电机制成后还需根据情况考虑调整；还需根据情况考虑调整；3.转子电磁材料综合利用

11、率低；转子电磁材料综合利用率低；4.转子励磁谐波过大，引起噪音振动。转子励磁谐波过大，引起噪音振动。2 存在的问题分析凸极转子变极的基本方法 改变凸极转子极对数的方法有分组反接方式，短接部改变凸极转子极对数的方法有分组反接方式，短接部分磁极线圈再分组反接方式，以及大小磁极加分组反分磁极线圈再分组反接方式，以及大小磁极加分组反接方式等。接方式等。 分组反接方式最为简单，但气隙磁场中谐波分量大，分组反接方式最为简单，但气隙磁场中谐波分量大，电磁材料利用率低。电磁材料利用率低。 大小磁极方式的气隙磁场谐波分量则相对较小，电磁大小磁极方式的气隙磁场谐波分量则相对较小，电磁材料利用率也有提高。材料利用率

12、也有提高。常用磁极结构形式及确定方法 根据目前的研究，最为合适凸极同步电机变极转子通常根据目前的研究，最为合适凸极同步电机变极转子通常采用采用磁极大小宽度不同，间距不等磁极大小宽度不同，间距不等的结构形式。的结构形式。 为确定这样一个转子变极方案，一般的做法是先将两种为确定这样一个转子变极方案，一般的做法是先将两种极数沿转子圆周表面的极性变化用长方格表示，即形成极数沿转子圆周表面的极性变化用长方格表示，即形成一个极区图，然后借助于这个极区图来确定磁极位置，一个极区图，然后借助于这个极区图来确定磁极位置，以及不同宽度的大、小极布置方案。以及不同宽度的大、小极布置方案。 N S N S N S N

13、 S N S N S N S极区图存在的问题 不过，这种极区图实际上只是一个粗略的分析工具，不过，这种极区图实际上只是一个粗略的分析工具，仅仅用此很难准确确定磁极位置，或是各个磁极的大仅仅用此很难准确确定磁极位置，或是各个磁极的大小及间距。小及间距。 目前的大小极不等距分布这种结构本身也存在空间或目前的大小极不等距分布这种结构本身也存在空间或材料利用率低的问题，而且，这种结构常要求在一种材料利用率低的问题，而且，这种结构常要求在一种极数下丢掉一些励磁极，这不但会使转子绕组接线复极数下丢掉一些励磁极，这不但会使转子绕组接线复杂化并造成材料利用率进一步下降。杂化并造成材料利用率进一步下降。因为采用

14、极区图只能粗略地确定磁极相对位置和相因为采用极区图只能粗略地确定磁极相对位置和相对宽度。而这又是最终决定电机性能的关键因数，对宽度。而这又是最终决定电机性能的关键因数，为保证电机在两种极数下的性能，就必须借助于其为保证电机在两种极数下的性能，就必须借助于其它分析手段和方法加以弥补。它分析手段和方法加以弥补。到目前为此，所研究的有到目前为此，所研究的有大小磁极大小磁极，磁极，磁极不等匝线不等匝线圈圈，不同倾角的，不同倾角的斜磁极斜磁极，可移动位置磁极可移动位置磁极等不同结等不同结构，这些结构仍然要求构，这些结构仍然要求至少在一种极数下丢掉一部至少在一种极数下丢掉一部分磁极分磁极。丢磁极的直接后果

15、除了导致材料利用率下降，还会丢磁极的直接后果除了导致材料利用率下降，还会造成引出线端头过多，变极切换复杂化。造成引出线端头过多，变极切换复杂化。 N S N S N S N S N S N S N S 目前研究的理论指出，转子只有一种极数的情况下，每个凸极对应一个磁极，各个磁极间距相等，而在对应两种极数的情况下，磁极间距不再相等。若要想在两种极若要想在两种极数下均有良好性能，必须仔细选择各个磁极间合适距离。数下均有良好性能，必须仔细选择各个磁极间合适距离。 但是目前未能做到这一点，由此导致所获得的转子变极方案存在三大问题：1）各个磁极宽度不等各个磁极宽度不等；2）总有一总有一种极数下必须丢磁极

16、种极数下必须丢磁极；3）接线方式复杂，变极切换不便接线方式复杂，变极切换不便。 要解决这些问题，必须提出一种能准确确定磁极间距的要解决这些问题，必须提出一种能准确确定磁极间距的理论方法，这样才能求得两种极数下电机性能的平衡。理论方法，这样才能求得两种极数下电机性能的平衡。3 解决问题的思路为解决上述问题，提出一种设计凸极同步电机转子变极方案的新方法，即“虚拟槽分析法虚拟槽分析法”。这种新凸极同步电机转子变极方案设计方法引入“虚拟槽虚拟槽”的概念，将凸极转子化为多槽隐极转子凸极转子化为多槽隐极转子来分析，通过从中排除和选择适当的槽，使得所获得的变极方案仍然保持凸极结构不变保持凸极结构不变，且磁极

17、大小磁极大小宽度相同宽度相同，导体利用率高，谐波含量低，两种极数下均无需丢弃任何磁极而实现三滑环切换变极。4 新的理论与方法虚拟槽分析法变极原理及实现方法 这种方法从原理上来说仍然为分组反接的反向变极法，这种方法从原理上来说仍然为分组反接的反向变极法，但是将但是将凸极转子圆周表面的磁极看成是隐极转子圆周凸极转子圆周表面的磁极看成是隐极转子圆周表面均匀分布的齿槽表面均匀分布的齿槽，对每一齿槽进行虚拟细分化为，对每一齿槽进行虚拟细分化为多槽均匀分布转子，细分的程度由所要求磁极沿转子多槽均匀分布转子，细分的程度由所要求磁极沿转子表面可能移动的步长决定，表面可能移动的步长决定，这时的齿槽位置也代表了这

18、时的齿槽位置也代表了磁极可能移动到的位置磁极可能移动到的位置。化为虚拟多槽分析虚拟槽分析法变极原理及实现方法 化为虚拟多槽后建立相应的槽号相位图，按反向法一般原化为虚拟多槽后建立相应的槽号相位图，按反向法一般原理，以及遵循两种极数下绕组系数最大、谐波含量最少且理，以及遵循两种极数下绕组系数最大、谐波含量最少且保持转子凸极结构不变的原则，采用观察法构建新的转子保持转子凸极结构不变的原则，采用观察法构建新的转子变极方案，所获得的转子变极方案采用绕组磁势谐波分析变极方案，所获得的转子变极方案采用绕组磁势谐波分析法进行选择和评价。法进行选择和评价。 虚拟槽号相位图分析变极法是一种规范的方法，有确定的虚

19、拟槽号相位图分析变极法是一种规范的方法，有确定的操作程式。操作程式。 虚拟槽分析法变极原理及实现方法 选定变前极和变后极的极对数选定变前极和变后极的极对数p p1 1和和p p2 2 ，一般可选择，一般可选择p p1 1 p p2 2 ； 选择一个虚拟的转子槽数选择一个虚拟的转子槽数Z Z，这个槽数可以是变极前极数，这个槽数可以是变极前极数的整倍数，也即的整倍数，也即Z Z =2 =2kpkp1 1 ，k k称为密槽系数；称为密槽系数； 根据变前极和变后极根据变前极和变后极 p p1 1和和p p2 2 ，以及槽数，以及槽数Z Z ，分别作，分别作p p1 1槽槽号相位图（因为槽号相位图宽度为

20、号相位图（因为槽号相位图宽度为2 2，含有，含有2 2k k列槽号，列槽号，所以槽号列间距，也即槽距电角为所以槽号列间距，也即槽距电角为/ /k k）和）和p p2 2槽号相位图槽号相位图。虚拟多槽转子变极示意图化为虚拟多槽进行变极分析化为虚拟多槽进行变极分析一种极数的转子一种极数的转子虚拟槽转子变极虚拟槽转子变极直接丢极转子变极直接丢极转子变极大小极转子变极大小极转子变极磁极线圈磁极线圈导磁极导磁极只在一种极数下只在一种极数下工作的磁极线圈工作的磁极线圈5 实例分析比较国外典型国外典型转子方案转子方案实际的例子 变前极和变后极的极对数变前极和变后极的极对数p p1 1=12=12和和p p2

21、 2=10=10，选取密槽系数，选取密槽系数k k=4=4，这时转子虚，这时转子虚拟槽数为拟槽数为 Z Z=2=2kpkp1 1=96=96。 线圈跨距按线圈跨距按2424极整距选定，但励磁极只有极整距选定，但励磁极只有2020个，励磁极之间为不等距，个，励磁极之间为不等距，按新方法理论可知，超过正常极距的间隔可加装辅助导磁极。按新方法理论可知，超过正常极距的间隔可加装辅助导磁极。 p1=12， p2=10，k =4，磁极布置示意图实际的例子p1=12， p2=10，k =4，励磁极绕组接线图实际的例子 由于由于k k值可以任选，实际上可能作出的变极方案是很多的，值可以任选，实际上可能作出的变

22、极方案是很多的，一般来说，一般来说， k k 值取得越大，得到可供选择的变极方案就值取得越大，得到可供选择的变极方案就越多，为尽可能提高两种极数下导体利用率，排列变极越多，为尽可能提高两种极数下导体利用率，排列变极方案时需遵循两种极数下槽号分布系数最大化的原则，方案时需遵循两种极数下槽号分布系数最大化的原则，这就要求直观上观察到槽号分布在比较窄的相带内，至这就要求直观上观察到槽号分布在比较窄的相带内，至于所获得的变极方案是否适用还需对之进行绕组磁势谐于所获得的变极方案是否适用还需对之进行绕组磁势谐波分析后才能最后决定。波分析后才能最后决定。实际的例子p2=10，k =4，励磁极绕组磁势谐波分析

23、与国外常规方法典型接线方式的比较只能在一种极只能在一种极数数下接入的线圈下接入的线圈A1B1普通转子单速励磁绕组接线图普通转子单速励磁绕组接线图D+D-A1B1新转子变极励磁绕组接线新转子变极励磁绕组接线（反向法变极不丢弃任何线圈）（反向法变极不丢弃任何线圈） D-(D+) D+(D-) D+(D+) D-(D-)A1B1A2B2目前国外典型转子变极励磁绕组接线图目前国外典型转子变极励磁绕组接线图 （反向法变极丢弃一部分线圈）（反向法变极丢弃一部分线圈）D-D+(D-)(D-) D-(D+) D+(D+)应用现场检测报告1.1.提出一种凸极同步电机转子虚拟多槽变极分析方法提出一种凸极同步电机转子虚拟多槽变极分析方法 这种方法引入“虚拟槽”的概念，将凸极转子化为多槽隐极转子来分析，所获得的变极方案仍然保持凸极结构不变，且磁极大小宽度相同，导体利用率高，谐波含量低，两种极数下均无需丢弃任何磁极。2.2.提出一种具有提出一种具有混合磁极结构的凸极同步电机变极转子混合磁极结构的凸极同步电机变极转子因为分析以隐极转子为基础，于是可推论，对于各个磁极较大间隔，可考虑加装导