對單繞組雙速異步電機電磁設計關鍵問題的探討

譚偉，譚冰

佳木斯電機股份有限公司

對單繞組雙速異步電機電磁設計關鍵問題的探討

譚偉，譚冰

佳木斯電機股份有限公司

本文筆者結合個人從事電動機設計的實踐工作經(jīng)驗與相關參考文獻，對單繞組雙速異步電機電磁設計中的幾個關鍵問題進行粗淺的探討，以期希望能夠為廣大同行進一步做好單繞組雙速異步電機的電磁設計做出有益的參考。

單繞組雙速異步電機；電磁設計

前言：

單繞組雙速異步電機作為一種變極調(diào)速電機，因其結構簡單，繞組燒制方便，出線頭少、成本低廉等種種優(yōu)點被廣泛應用于對調(diào)速性能要求不高的場合，并起到很好的節(jié)能效果。也正因如此，近些年來越來越多的人們加入到了對單繞組雙速異步電機的設計研究之中。本文筆者即結合個人實踐工作經(jīng)驗，對單繞組雙速異步電機電磁的關鍵設計點進行粗淺的探討，以供參考。

1．主要尺寸的選擇

單繞組雙速異步電機的電磁過程主要是在氣隙中進行的，而其能量形式則是通過氣隙主磁通轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)的。因此，靠近氣隙的D i1（定子內(nèi)徑），Leff（鐵心有效長度），g（氣隙長）則是電機的三個主要尺寸。

尺寸基本方程為：

式中：波幅系數(shù)為FS；鐵心有效長度為Leff

對于功率、轉(zhuǎn)速一定的電機，Di1和Leff二者的大小則主要是由電磁負荷A1與Bg值決定?？梢哉f如若采用氣隙磁密度較高的Bg和A1，則在相同P'值下，可將電機尺寸設計的小一些。一般來講為了進一步降低電機的生產(chǎn)成本，在電機設計中可使A1、Bg值較高。

而當P'、n1被確定下來時，從公式的推演中，我們則可以將D2i1、Leff計算出來。為了能夠更加清楚的反映出電機的幾何形狀關系，我們可以引入λ電機的主要尺寸進行表示：

式中：極距為τp

從公式中我們可以看出λ的大小，對單繞組雙速異步電機在設計中的運行性能，經(jīng)濟性和工藝性都有著巨大影響。

2．定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)選配

第一，定子槽數(shù)的選擇。在電磁設計中，如若采用的定子槽數(shù)過多，不僅獲得的磁勢波形較好，諧波磁場、諧波漏抗也會隨之減少，其所附加的損耗也會不斷降低，而定子槽中線圈邊總散熱面積的增加，也會對散熱更加有利。但與此同時，絕緣材料在用量與加工工時上也會大大增加，定子槽的利用率則會被大大降低。因此，在定子槽數(shù)的選擇上，應該綜合考慮所有的因素。如：在定子鐵心內(nèi)徑、外徑以及長度已經(jīng)被確定下來的時候，在定子槽數(shù)的選擇上應該適合鐵心齒磁密，軛磁密，槽內(nèi)導體電流密度，q值可在2到6這個區(qū)間內(nèi)選擇，且盡量選擇整數(shù)。尤其是在單繞組雙速異步電機的電磁設計中，有時為了兩種極數(shù)的電機通常用同一種沖片，q可能出現(xiàn)分數(shù)值。而對于極數(shù)少，功率大的電機，q值在選取上則應盡量挑選較大值。因此，根據(jù)上述分析，對于4/6極單繞組雙速異步電機，在定子槽數(shù)為的選擇上，36槽最為合適。

第二，轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇。定子槽數(shù)Z1，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2，當Z1確定不變以后，Z2的槽數(shù)將受到Z1的直接約束。而為了使電機設計更加合理，Z1與Z2之間就必然要有一個適當?shù)呐浜?，因為一旦定子槽與轉(zhuǎn)子槽之間的配合不恰當，那勢必會直接造成電機性能變壞。

而在各極數(shù)下，應該滿足如下定、轉(zhuǎn)子槽配合關系：

而通過這個關系式，我們可以看到，定子槽與轉(zhuǎn)子槽之間的配合必須要兼顧兩種級數(shù)對數(shù)，使其能夠在兩種級對數(shù)下的繞組磁勢諧波較小。因此，對于槽配合的具體數(shù)據(jù)，則需要對定繞組作出諧波磁勢分析之后確定。

3．繞組型式和節(jié)距的選擇

第一，繞組型式。目前單繞組雙速異步電機的定子繞組通常采用單層繞組型式，其最大的優(yōu)點在于定子槽內(nèi)只有一個線圈邊，沒有層間絕緣，對其的嵌線也比較容易，且定子槽的利用率較高。而其缺點則在于在線圈的節(jié)距上不能夠進行靈活的選擇，諧波磁勢、電勢也被進一步削弱。因此，單繞組型式普遍應用于功率較小的電機之上。

第二，繞組節(jié)距的選擇。在繞組節(jié)距的選擇上，應該從多個角度入手進行充分的考慮，如：電機的電氣性能，工藝性能，材料節(jié)約等。目前，單層繞組一般采用整距，有時采用短距（y1＜τp）。由于單層繞組是將各相的線圈邊按電勢相加的原則進行連接，而各線圈邊連接的先后次序并不影響電勢的大小，所以當q等于整數(shù)時，從電勢計算來看，單層繞組無論是整距還是短距，其短距系數(shù)K p1都等于（K p1＝1）。

4．定子軛部磁密和軛部尺寸的選取

式中：軛部磁通為Φc；軛部面積為Sc；極弧系數(shù)為αi；極距為τ；鐵心長為l；軛部寬度為h c；鐵心疊壓系數(shù)為K c。

而通過公式的演算，我們可以看到，當氣隙磁密一定時，軛部磁密與極距成正比，而與極對數(shù)則成反比。因此，在電磁設計中，定子軛部尺寸應以少極數(shù)下的極距、氣隙密度進行計算。

結束語：

綜上所述，通過本文筆者的闡述，我們在單繞組雙速異步電機電磁設計的幾個關鍵問題上得出了以下幾點結論：第一，在主要尺寸的選取上必須要先針對兩個不同極數(shù)進行分別計算，進而選擇其中較大的一組；第二，在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)選配上，應確保定轉(zhuǎn)子在兩種極數(shù)下的諧波含量較少；第三，應該從出力的角度，對繞組型式與節(jié)距進行選擇，進而使兩種極數(shù)的繞組系統(tǒng)相接近；第四，在定子軛部磁密和軛部尺寸的選取上，應以少極數(shù)為準。也希望通過本文筆者對單繞組雙速異步電機電磁設計中的幾個關鍵問題的粗淺探討，能夠為廣大同行在單繞組雙速異步電機的電磁設計上做出有益的參考。

[1]薩力夫.單繞組雙速異步電機設計分析[D]華中科技大學.2006-07-01