低諧波雙層同心繞組在高效電機(jī)的應(yīng)用

付家棟

(重慶賽力盟電機(jī)有限責(zé)任公司，重慶 401329)

低諧波雙層同心繞組在高效電機(jī)的應(yīng)用

付家棟

(重慶賽力盟電機(jī)有限責(zé)任公司，重慶 401329)

介紹一種諧波成分低微的雙層同心式繞組的應(yīng)用，它主要是利用不等匝繞組使槽電流按正弦規(guī)律分布，得到近似于正弦波形的磁勢(shì)曲線，能最大限度地減少磁勢(shì)中有害諧波的含量和削弱高次諧波的幅值。通過(guò)樣機(jī)試制，驗(yàn)證雙層同心繞組可有效地改善磁勢(shì)波形，降低電機(jī)的雜散損耗，提高電機(jī)效率，在一定程度上能減少電機(jī)材料用量。

低諧波；同心式；削弱；改善

1 概述

根據(jù)國(guó)家對(duì)高效電機(jī)的大力推廣要求，為設(shè)計(jì)出符合《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB 18613—2012)的二級(jí)能效考核要求的高效電機(jī)，部分電機(jī)制造企業(yè)將研究重點(diǎn)集中在繞組設(shè)計(jì)上，并取得了一定的成績(jī)。其中的低諧波繞組是一種更具有普遍實(shí)用價(jià)值的新繞組型式。

電機(jī)繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波產(chǎn)生的氣隙諧波磁場(chǎng)作用于電機(jī)鐵芯并產(chǎn)生電磁力，從而引起振動(dòng)和噪聲，并且增加電機(jī)附加損耗、降低運(yùn)行效率。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該研究低諧波分量的磁動(dòng)勢(shì)對(duì)電機(jī)的影響。筆者在借鑒電機(jī)行業(yè)對(duì)繞組進(jìn)行各項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)所在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行了雙層同心式繞組在典型規(guī)格樣機(jī)上的試制，并進(jìn)行了全系列的推廣。與傳統(tǒng)疊繞組相比，采用雙層同心繞組有效地提高了電機(jī)效率，兼顧了其他性能指標(biāo)，降低了銅耗量，達(dá)到了高效節(jié)能的目的。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 工作原理

雙層同心式繞組的理論實(shí)質(zhì)上等同于單相異步電動(dòng)機(jī)中的“正弦繞組”。通過(guò)合理分配各槽的匝數(shù)，利用不等匝繞組使每槽內(nèi)的總匝數(shù)相等，槽滿率相同，槽電流沿鐵芯表面按正弦規(guī)律分布，得到近似于正弦波形的磁勢(shì)曲線。它可以加強(qiáng)基波磁勢(shì)，削弱5次、7次等一系列高次諧波磁勢(shì)，從而提高電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

2.2 電磁參數(shù)計(jì)算

雙層同心式繞組有短跨距和整跨距兩種基本形式。已總結(jié)出雙層同心繞組的繞組系數(shù)Kdpv與諧波磁勢(shì)幅值比的設(shè)計(jì)公式。

短跨距繞組v次諧波的繞組系數(shù)為：

(1)

整跨距繞組v次諧波的繞組系數(shù)為：

(2)

在實(shí)際應(yīng)用中，常采用v次諧波磁勢(shì)與基波磁勢(shì)幅值的百分比為參數(shù)來(lái)表示v次諧波磁勢(shì)的大小。

2.3 線模尺寸計(jì)算

雙層同心繞組線圈設(shè)計(jì)輔助圖如圖1所示。

圖1 雙層同心繞組線圈設(shè)計(jì)輔助圖

1) 各線圈邊的跨距ty計(jì)算：

式中：β為各線圈跨距的短距比；Di1，hs0，hs1，hs2，R為定子槽型相關(guān)尺寸。

2) 求線圈直線邊和端部斜邊之間夾角的正弦和余弦函數(shù)及平均端部弧長(zhǎng)，以某線圈邊為例，有如下關(guān)系式存在：

ty1線圈端部弧高h(yuǎn)1=0.443×Y1×sina

根據(jù)以上公式，可推導(dǎo)圖1中R2，R3，R4等，從而結(jié)合ty線圈端部圓弧對(duì)應(yīng)的中心角可以求出其他線圈端部弧長(zhǎng)，從而設(shè)計(jì)出合理線圈尺寸。

3 技術(shù)創(chuàng)新

分析了雙層同心式繞組的匝數(shù)比計(jì)算，提出了短跨距繞組匝數(shù)比和整跨距繞組匝數(shù)比分別與繞組系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)其關(guān)系式，我們創(chuàng)新地推導(dǎo)出高效電機(jī)在不同每極每相槽數(shù)下分別采用短跨距與整跨距時(shí)的每槽匝數(shù)分布關(guān)系，如表1和表2所示。

根據(jù)表1和表2 的對(duì)比分析可知，短跨距與整跨距方案在相同的每極每相槽數(shù)q時(shí)線圈設(shè)計(jì)差別較大。通過(guò)生產(chǎn)車(chē)間實(shí)際調(diào)研，判斷出在生產(chǎn)過(guò)程中采用這兩種方案的工藝可行性相當(dāng)，生產(chǎn)管理難度基本相當(dāng)。因此，本文將在后文針對(duì)典型規(guī)格的參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐，論證該兩種方案的優(yōu)劣性。

表1 短跨距繞組匝數(shù)關(guān)系

表2 整跨距繞組匝數(shù)關(guān)系

4 試制應(yīng)用

為驗(yàn)證雙層同心繞組的理論優(yōu)勢(shì)，選取典型規(guī)格進(jìn)行雙層同心繞組與疊繞組的樣機(jī)對(duì)比試制。在設(shè)計(jì)方案中，為加強(qiáng)對(duì)比性，同心繞組的每槽導(dǎo)體數(shù)、線規(guī)、鐵芯長(zhǎng)參數(shù)均與疊繞組電機(jī)方案一致。僅改變線圈繞線型式，另通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的諧波繞組系數(shù)和諧波磁場(chǎng)能量可判斷短跨距和整跨距的優(yōu)劣性。

案例1：以YCE2-200L-4 30 kW為例，基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3，不同方案下的各次諧波繞組系數(shù)和諧波磁場(chǎng)能量見(jiàn)表4。

表3 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 各次諧波繞組系數(shù)和諧波磁場(chǎng)能量

通過(guò)表4的參數(shù)對(duì)比可知，在均采用同心繞組時(shí)，短跨距繞組的各次諧波繞組系數(shù)和諧波磁場(chǎng)能量均遠(yuǎn)高于整跨距繞組和標(biāo)準(zhǔn)疊繞組。對(duì)電機(jī)性能影響較大的5次、7次諧波，采用整跨距的雙層同心繞組均得到有效的削弱?？梢?jiàn)整跨距的雙層同心式結(jié)構(gòu)在消除諧波方面具有較好的優(yōu)勢(shì)。

因此，在完成設(shè)計(jì)參數(shù)諧波能量的對(duì)比分析后，設(shè)計(jì)了該規(guī)格整跨距雙層同心繞組結(jié)構(gòu)，其定子線圈嵌線圖見(jiàn)圖2。在其他條件相同的前提下完成了樣機(jī)型式試驗(yàn)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

圖2 YCE2-200L-4 30 kW定子線圈嵌線圖

繞組型式η/%cosθTm/倍Tst/倍Ist/倍溫升同心繞組93.540.8693.653.338.8754.5疊繞組92.670.8643.593.238.8457.7

案例2：以YCE2-250M-6 37 kW為例，基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。不同方案下的各次諧波繞組系數(shù)和諧波磁場(chǎng)能量見(jiàn)表7。

表6 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

表7 各次諧波繞組系數(shù)和諧波磁場(chǎng)能量

同案例1的分析，通過(guò)表7同樣判斷出該典型規(guī)格采用整跨距繞組具有較好的優(yōu)勢(shì)，其整跨距同心繞組樣機(jī)定子線圈嵌線圖見(jiàn)圖3。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表8。

圖3 YCE2-250M-6 37 kW定子線圈嵌線圖

繞組型式η/%cosθTm/倍Tst/倍Ist/倍溫升同心繞組92.980.7953.653.128.8467疊繞組92.160.8263.362.868.0577.2

根據(jù)最終的樣機(jī)試制，表5和表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比很好地反映了雙層同心繞組的優(yōu)勢(shì)。采用雙層同心繞組結(jié)構(gòu)的電機(jī)效率值均有一定的提升，電機(jī)的溫升略有下降，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足高效的考核要求。從生產(chǎn)過(guò)程的反饋來(lái)看，有效地節(jié)約了銅線，降低了生產(chǎn)成本。

但生產(chǎn)過(guò)程中也反映了一些問(wèn)題：受操作習(xí)慣和熟練度影響，雙層同心繞組嵌線比標(biāo)準(zhǔn)疊繞組復(fù)雜，工時(shí)耗費(fèi)略多；雙層同心繞組嵌線完工后，其端部直線部分尺寸較普通疊繞組略長(zhǎng)，不利于在現(xiàn)有基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)乜s短線圈直線部分長(zhǎng)度，達(dá)到控制端部尺寸的目的。

5 結(jié)論

根據(jù)典型規(guī)格的樣機(jī)試制結(jié)論，我們進(jìn)行了YCE2全系列雙層同心繞組電機(jī)的試制，大部分的樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)論表明：雙層同心繞組對(duì)改善電機(jī)的效率有一定的優(yōu)勢(shì)，其他性能指標(biāo)也能滿足考核要求。這論證了雙層同心式繞組在高效電機(jī)上應(yīng)用和推廣的可行性和實(shí)用性，個(gè)別規(guī)格效率值不能滿足考核要求的，有待我們進(jìn)一步的研究。

同時(shí)，針對(duì)樣機(jī)試制過(guò)程中暴露的一些問(wèn)題，筆者也做了一些工藝調(diào)整，并將其經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到常規(guī)電機(jī)產(chǎn)品，也取得了良好的效果。

[1] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2] 上海電器科學(xué)研究所《中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組.中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[3] 黃國(guó)冶，傅豐禮.Y2系列三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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[5] 翟愛(ài)春.雙層同心式繞組的分析與應(yīng)用[J].2013(6)：71-73.

[6] 丁華章.低諧波繞組的原理與計(jì)算[J].中小型電機(jī)，1988(5)：8-13.

[7] 董志超.單雙層同心式繞組的應(yīng)用淺析[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004，14(11)：239-241.

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A Study on the Application of the Low-Harmonic Double-Layer Concentric Winding in the High-Efficiency Electric Motor

FU Jiadong

(Chongqing Electric Machine Federation Co., Ltd.，Chongqing 401329，P.R.China)

This paper introduces the application of the low-harmonic double-layer concentric winding，which can make use of the winding with unequal turns to realize the sinusoidal distribution of the cell current and get magnetic potential curves similar to sinusoidal wave forms．The winding can reduce the content of harmful harmonics in the magnetic potential and weaken the amplitudes of higher harmonics to the greatest extent．The trial-production of the prototype has verified that the winding can effectively improve the wave forms of the magnetic potential，decrease the stray losses of the electric motor，enhance its efficiency and cut down the amount of the materials needed to produce it to some degree．

low harmonic；concentric-type；weakening；improvement

2016-11-03

該文獲重慶市電機(jī)工程學(xué)會(huì)2016年學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)

付家棟(1985-)，中級(jí)工程師，主要從事中小型低壓電機(jī)設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

TM343.2

A

1008- 8032(2017)01- 0027- 04