正弦繞組在高效電機的應(yīng)用分析

賈武豪 遲薇薇 黃俠昌

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

正弦繞組的定義：一種繞組形式，其產(chǎn)生的磁動勢在空間的分布盡可能是一個正弦波。正弦繞組的優(yōu)點：實現(xiàn)磁場波形正弦化，減少因諧波作用產(chǎn)生的諧波損耗，提高電機效率，降低溫升，減少漆包線的用量，降低電機成本，降低電機的漏抗，提高電機起動轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩。正弦繞組形式：單雙層繞組、同心式不等匝雙層繞組、Y-△繞組。其中星角接繞組（Y-△）和正常繞組相比，雖然效率、功率因數(shù)、溫升都有較大改善，但嵌線后12個抽頭的接線方法比較麻煩，批量生產(chǎn)工藝性差[1,2]。

1 正弦繞組分析

短距雙層繞組的變型即為單雙層繞組。簡單的講雙層短距繞組的上、下層同相可以將兩線圈中間的層間絕緣取消掉，上、下層屬于不同相的槽仍保持層間絕緣結(jié)構(gòu)，根據(jù)槽內(nèi)電流流向?qū)⒉煌€圈的端部串聯(lián)或并聯(lián)起來組成三相繞組。每相繞組中既有單層，又有雙層構(gòu)成單雙層混合繞組。單雙層混合繞組型式S—D—S，計算公式：

式中：

Q—每極每相槽數(shù)；

D—每極每相單層邊數(shù)，D 為偶數(shù)時可組成對稱的同心式線圈；

S—分布在單層面兩面各有的雙層邊數(shù)。

2 極電機使用單雙層繞組可以獲得近似正弦的氣隙磁場波形，同時能夠保證較高的繞組系數(shù)，減少電機的跨距與匝數(shù)，提高電機的材料的有效使用率，在降低成本的同時提升電機的性能。單雙層繞組在新設(shè)計與改造的電機中使用較多。對于4 、6 極電機，繞組跨距對比2 極電機小，普通雙層繞組系數(shù)要比2 極電機的高，可以不改用單雙層繞組延用雙層繞組，單雙層繞組的作用在4、6 極電機中更多是為了減小繞組跨距與簡化嵌線工藝[3]。

36 槽2 極雙層疊繞組1-14 的繞組系數(shù)kw=0.866。2-4-2 型的單雙層繞組線圈跨距為1-17，雙層疊繞組的分布系數(shù)kd=0.956，短距系數(shù)kp=0.985，繞組系數(shù)kw=0.942。有效的提高了2 極電機的繞組系數(shù)。48 槽4極電機1-2-1 型的單雙層繞組與1-11 的雙層疊繞組，其繞組系數(shù)都為0.925。

優(yōu)化單雙層繞組的排列與普通單雙層完全一樣，差別只在于：為使相帶諧波強度降低到接近零，單雙層線圈匝數(shù)是嚴(yán)格按照一定比例分配，不再強調(diào)槽內(nèi)匝數(shù)相同。

雙層同心式不等匝分布繞組是通過繞組排布計算匝數(shù)的分配比例，將相帶諧波磁勢分量盡可能削弱。電機槽內(nèi)匝數(shù)嚴(yán)格按照比例分配，由于匝數(shù)線徑相同，最大槽滿率與最小槽滿率相差比較大，部分槽的利用率低。單相異步電機定子采用大小槽，采用嚴(yán)格的匝數(shù)比可以完全消除相帶諧波。三相異步電機為兼顧槽滿率的平衡度，會對匝數(shù)比進行調(diào)整以及匝數(shù)湊整，此時相帶諧波還會存在，但所占比例也相當(dāng)小，兼顧嵌線工藝的一致方便性，盡量滿足槽滿率相等或相近的要求。

2 正弦繞組形式與諧波系數(shù)對比

單層繞組電機制造工藝簡單，具有具有較高的基波繞組系數(shù)，但諧波磁動勢綜合強度大。經(jīng)常應(yīng)用于15 kW 以下小功率電機中。

雙層疊式繞組嵌線時由于是雙層繞組，嵌完一層需要依次排布嵌線。層間需要插入層間絕緣防止同槽不同相間發(fā)生短路，工時相對較多但端部工整、端部繞組的用銅量少。在15 kW 以上定子內(nèi)徑較大的電機中經(jīng)常使用到。繞線工藝簡單，嵌線接線方法成熟。

單雙層混合繞組一部分槽內(nèi)采用了單層形式，與雙層繞組相比減少了嵌線工時。部分雙層繞組又有助于削弱諧波磁動勢，其缺點主要是制造工藝較繁瑣、線圈尺寸不一、匝數(shù)比不一，需要設(shè)計加工專門的繞線模，繞線模的通用性會略差。

雙層同心式不等匝繞組幾乎消除了除齒諧波之外的所有相帶諧波。其缺點是基波繞組系數(shù)低，需要增加繞組的線圈匝數(shù)，降低了電機的槽滿率[4]。

同心式不等匝雙層繞組平面圖如圖1 所示，單雙層繞組平面圖如圖2 所示。

圖1 同心式不等匝雙層繞組平面圖

圖2 單雙層繞組平面圖

表2 不同繞組方案對比

從表1 中可以看出同心式不等匝雙層繞組方案的基波繞組系數(shù)最小，同單層繞組相比，使用雙層不等匝同心式繞組后匝數(shù)要適當(dāng)提高，否則功率因數(shù)下降。當(dāng)匝數(shù)提高后，其成本下降的將不明顯。雙層不等匝同心式繞組嚴(yán)格按照匝數(shù)分配比例執(zhí)行時，其相帶諧波為零。實際生產(chǎn)中為保證相同槽滿率，匝數(shù)的分配是有調(diào)整的，其相帶諧波含量很小，但不為零。為驗證上述觀點，在160M-4 電機做仿真計算對比。

表1 48 槽4 極電機不同繞組諧波綜合強度

3 不同繞組在160M-4 應(yīng)用對比

繞組端部跨距減短，線圈的平均半匝長減少，同心式不等匝雙層繞組、單雙層繞組漆包線對比單層繞組節(jié)約0.3 ～0.4 kg。正弦繞組具有降低電機制造成本的良好效果。需要注意的是前期在100L1-4-2.2 kW 中做過正弦繞組的對比實驗，主要原因與嵌線員的水平有直接關(guān)系，即使設(shè)計時銅線用的在少，但嵌線工未按要求做或嵌線水平低等因素會削減掉一大部分[5]。

4 結(jié)語

原方案使用單層繞組，現(xiàn)改為雙層繞組后，由于雙層繞組系數(shù)減小，對應(yīng)的每相串聯(lián)有效匝數(shù)變少。當(dāng)每槽導(dǎo)體數(shù)不變時，功率因數(shù)對比單層繞組電機功率因數(shù)要低。降低相帶諧波的正弦繞組往往應(yīng)用在原方案為雙層繞組的電機中，即電機繞組改制的對象為H180 機座以上的電機。如果H160 機座以下的電機采用正弦繞組為保證電機的功率因數(shù)，電機的匝數(shù)還應(yīng)該適當(dāng)?shù)奶岣?，如此電機的節(jié)銅量就可能不再占優(yōu)勢，作用就僅是在改善電機氣隙諧波磁場。