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。

圖l凸極電容式無刷單相同步發電機接線原理圖

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。

圖2正交繞組結構示意圖

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。

圖3非正交繞組結構示意圖

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0.85mm和一根直徑0.9mm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0.85mm和一根直徑0.9mm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0.7mm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w,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-909<w<09,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(100V/60Hz）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(1149）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909）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。