非正交绕组无刷单相同步发电机研究

摘要：目前對非正交绕组单相电容运转异步电动机的分析和研究比较多，研究和试验证明，在电机其他参数相同的情况下，空间非正交绕组具有电流小，效率、功率因数和启动转矩高等显著优点。现针对凸极电容式无刷单相同步发电机进行非正交绕组和正交绕组的对比研究和试验验证，结果表明，采用非正交绕组对提高凸极电容式无刷单相同步发电机的电压调整率、降低温升、提高效率等具有明显效果。

关键词：非正交绕组;发电机;效率

0    引言

进入21世纪以来，随着国民经济持续、快速增长以及人民生活水平不断提高，汽油发电机作为电源保障设备在各个领域都得到了广泛应用。2020年，我国有数百家企业生产小型汽油发电机，在这些企业中汽油机年产量超过百万台的就有三家，并且这个数量还在逐年增加。在这些发电机中，20%左右是无刷单相发电机，因此分析、研究非正交绕组无刷单相发电机的特性，并根据具体情况加以选用，具有一定的现实意义。

1    发电机原理

凸极电容式无刷单相同步发电机接线原理图如图1所示。

由图可以看出，当发电机启动，带动转子旋转至额定转速时，转子铁芯中的剩磁会切割定子的主、副绕组感应产生一定的电压。由于交流电容器所具有的充放电特性，定子副绕组中便将通有容性电流并因此产生单相脉动磁场。根据电机学，一个单相脉动磁场可以分解成两个大小相等、转向相反的旋转磁场，也即逆序磁场和顺序磁场。其中逆序磁场不仅旋转速度与转子转速相等，而且其旋转方向还与转子的转动方向相反。因此，转子磁极绕组就切割这逆序磁场而感应产生出交流电压。由于发电机的转子磁极绕组与整流桥堆串联形成回路，在整流桥的整流作用下，磁极绕组中将只有直流电流流动，该直流电流即为发电机的主励磁电流，使转子磁极建立起主磁场。此外，因为顺序磁场的旋转速度与转子的转速相等且转向相同，所以它也能对磁极主磁场起到补助增强的作用。这样在单相脉动磁场中逆序磁场和顺序磁场的共同作用下，发电机定子的主绕组就逐步建立起空载电压并实现自励。只要设计正确和使用得当，发电机运行在额定转速下，其定子主绕组即能正常地建立起额定电压。

2    正交绕组

一般单相电机在其定子上布置了正交分布的两相绕组，它具有可逆运转特性，嵌线工艺性较好，因而得到了广泛的应用。正交绕组结构示意图如图2所示。

3    非正交绕组与正交绕组的对比分析

在有些只需单方向旋转，又要求较高负载性能的场合，正交绕线结构可能会出现温升偏高、电压调整率偏大、效率低等不足。因此，本文提出了一种单相同步发电机的嵌线结构，能够有效解决正交绕组温升高、电压调整率大、效率低等问题。本文所采用的非正交绕组结构示意图如图3所示。

设计绕组时，要求用一定的导体数获得较大的电动势，电动势波形要接近正弦波，用铜量要少，铜损耗要小，工艺性要好。因此，单相电枢绕组一般只利用电枢总槽数的2/3～4/5，空出1/3左右槽数作为通风道或嵌辅助绕组。因为利用全部槽数的单相绕组其绕组系数只比用2/3槽数的绕组大13.4%，但用铜量却增加33.3%，另外2/3槽数的单相绕组总匝数少、阻抗小，又能消除空载电动势中的三次谐波电动势，所以从技术经济指标考虑，利用2/3槽数的单相绕组较有利。一般，单相绕组采用单层同心式绕组，且线圈组数等于极数，因为这种绕组的用铜量较少，嵌线方便。所以，本文采用主绕组占2/3槽数、单层同心式绕组。

本文提供了一种单相同步发电机的嵌线结构，包括主绕组、副绕组和直流绕组，采用市场上常用的30槽定子，主绕组和直流绕组共同使用20个线槽，副绕组共使用6个线槽，线槽中设置了4个空槽作为导风槽。定子绕线正交的时候，定子的30槽是满槽的，改为非正交以后，主绕组圈数、线径不变;副绕组有效圈数不变，副绕组线径缩小到原来的75%，这样副绕组只要6槽，空出4槽作为导风槽;这样有利于散热，降低电机温升，而且还节约了成本。且非正交绕组不仅适用于30槽的定子，也同样适用于24槽、36槽和48槽等定子。

如图3所示，主绕组和直流绕组绕线使用的线槽分为两组，一组为1槽、2槽、3槽、4槽、5槽、11槽、12槽、13槽、14槽、15槽，另一组为16槽、17槽、18槽、19槽、20槽、26槽、27槽、28槽、29槽和30槽。

主绕组中的主线由两根直径0.85 mm和一根直径0.9 mm的漆包线并绕而成，主线共有两组，线圈圈数由小圈到大圈再到小圈依次为15、16、16、16、16、16、16、16、16、15。

直流绕组中的直流线由两根直径0.85 mm和一根直径0.9 mm的漆包线绕制而成，直流线共有两组，线圈圈数由小圈到大圈再到小圈依次为3、2、2、2、3、3、2、2、2、3。根据实际需求来决定是否需要直流绕组。

副绕组绕线使用的线槽为6槽、7槽、8槽、21槽、22槽和23槽。副绕组由一根直径为0.7 mm的漆包线绕制而成，其有效线圈为64、64、64。

空槽为9槽、10槽、24槽和25槽。

当单相同步发电机进入负载运行以后，电枢中主绕组有电流流过，该电流就会产生磁场，电枢电流产生的磁场将对主磁场发生作用，这就产生了电枢反应。主副绕组非正交设计目的是使内功率因数角Ψ，即励磁电势E0与电枢电流之间的时间相位角的大小范围为-90°<Ψ<0°，电枢反应起助磁作用，使发电机负载能力增强，电压调整率变小。

本例定子槽数Z=30，极数2p=2，单相;表1为该发电机（100 V/60 Hz）主副绕组两种布置方案的性能比较。

由表1可以看出，采用非正交（114°）绕组，电机温升比原来低10%左右，在同样功率的负载下，电压调整率由原来的8.3%缩小到4.1%，效率提高了将近2个百分点。

4    结语

由此可见，对有些只需单方向运转的电机，在某些特定情况下，将定子两绕组设计成适当夹角的非正交绕组，在绕线参数（有效匝数）不变的情况下，非正交（两相夹角大于90°）电机较正交电机具有温升低、电压调整率小、负载性能好、效率高、成本低等优点。

[参考文献]

[1] 吴思齐.空间非正交绕组单相电容运转异步电动机[J].微特电机，1982（4）：23-27.

[2] 姚光中.非正交绕组电容运转电动机的分析[J].电机电器技术，1991（4）：16-21.

收稿日期：2021-04-13

作者简介：许式省（1978—），男，浙江台州人，机械工程师，从事机械和电机方面的工作。