高瑞麗,張金蘭,趙海青
(1.濱州職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 濱州 256603; 2.濱州東力熱電有限公司,山東 濱州 256600)
隨著三相交流異步電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用,企業(yè)對(duì)電動(dòng)機(jī)維修人員的需求越來(lái)越大。在電動(dòng)機(jī)的維修中,定子繞組重繞是電動(dòng)機(jī)維修人員必須掌握的一項(xiàng)重要技能[1]。電動(dòng)機(jī)在使用中常發(fā)生定子繞組被燒毀的問(wèn)題,有時(shí)還要讓舊電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速運(yùn)行,解決這些問(wèn)題都需要定子繞組重新設(shè)計(jì)并重繞嵌線修復(fù)。這也是電動(dòng)機(jī)維修技術(shù)的難點(diǎn)。早期的相關(guān)工具書[2]和教材[3]對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)和嵌線技術(shù)的描述不夠細(xì)致,不易理解。本文研究了交流電動(dòng)機(jī)三相單層定子繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和嵌線方法,總結(jié)出一套淺顯易懂、條理清晰、易于操作的三相單層定子繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,以及由定子繞組展開圖和實(shí)物電動(dòng)機(jī)原定子繞組獲取定子繞組嵌線方法的解讀技巧,使維修工程師更容易掌握電動(dòng)機(jī)定子繞組的嵌線方法,提高工作效率。
構(gòu)成交流電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的線圈個(gè)數(shù)為3的倍數(shù),這樣便于線圈在三相繞組中平均分配。三相單層繞組常用鏈?zhǔn)健⒔徊媸胶屯氖饺N結(jié)構(gòu)形式。交流電動(dòng)機(jī)三相單層繞組采用何種繞組結(jié)構(gòu),主要遵循電磁關(guān)系原理和節(jié)約銅漆包線的原則[4]。三相單層繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟和方法如下。
假設(shè)將電動(dòng)機(jī)的定子鐵心從某一齒的中間割開、展平,在平面內(nèi)標(biāo)示定子鐵心內(nèi)圓周上槽的分布,并標(biāo)明槽號(hào)。以24槽鐵芯為例,用24條等間距短豎線表示定子鐵芯內(nèi)圓周上的槽,并編號(hào)1~24以示槽號(hào)。用2條長(zhǎng)豎線表示假設(shè)的鐵心分割輔助線,若將展開的定子鐵心重新合攏成圓筒形,則2條假設(shè)的鐵心分割輔助線重合在一起,因展開圖是從某一齒的中間假設(shè)割開,故第一個(gè)槽和最后一個(gè)槽距離分割輔助線是半個(gè)齒寬;用2條上下平行的長(zhǎng)線表示鐵心的兩端部。展開圖上下兩行線之間的寬度表示鐵芯的實(shí)際長(zhǎng)度,展開圖的長(zhǎng)度表示鐵芯內(nèi)圓周的周長(zhǎng)。定子鐵心展開圖如圖1所示。
以24槽電機(jī)鐵芯為例,若維修后實(shí)現(xiàn)4極磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行,那么根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子鐵心的槽數(shù)Z和極數(shù)2P,則τ=Z/2P=24/(2×2)=6,q=Z/(2P×m)=24/(2×2×3)=2[3]。式中,m為繞組相數(shù)(三相交流電動(dòng)機(jī)m為3,單相交流電動(dòng)機(jī)m為2)。
圖1 分極分相的定子鐵心展開圖
由計(jì)算可知,24槽鐵芯的電動(dòng)機(jī),若定子繞組產(chǎn)生2P=4極的磁場(chǎng),則每個(gè)磁極下由6個(gè)槽構(gòu)成,即τ=6。每個(gè)磁極下的槽數(shù)平均分配給三相繞組,每極每相分2個(gè)槽,即q= 2,而且每個(gè)磁極下屬于同一相的2個(gè)槽是連續(xù)的,即沿鐵芯內(nèi)圓周,每2個(gè)連續(xù)的槽屬于一相。
τ和q決定了三相單層繞組的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)極距和每極每相槽數(shù)的公式可知,明確電動(dòng)機(jī)的P和Z即可計(jì)算出τ和q。由同步轉(zhuǎn)速公式n1=60f/P可知,在我國(guó)工頻(50 Hz)電網(wǎng)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī),只要同步轉(zhuǎn)速n1已知,那么電動(dòng)機(jī)的P就被確定。所以電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)可以通過(guò)分析電機(jī)轉(zhuǎn)速獲知。另一種獲知電動(dòng)機(jī)極數(shù)的方法是通過(guò)電機(jī)型號(hào),如型號(hào)Y180M-4中的最后一位數(shù)字“4”表示電動(dòng)機(jī)的極數(shù),即P為2。Z可以通過(guò)觀察定子鐵芯內(nèi)圓柱面的槽的分布直觀看出。通常電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在滿足轉(zhuǎn)速要求為前提,即在工頻電網(wǎng)上先由n1確定P,再由P和Z確定τ和q,那么τ和q決定了繞組的結(jié)構(gòu)形式。
在定子鐵心展開圖的基礎(chǔ)上,通過(guò)畫分割輔助線和標(biāo)記字符對(duì)定子鐵心展開圖分隔磁極和相帶。
(1)根據(jù)τ對(duì)定子鐵芯展開圖進(jìn)行分極。如圖1所示,在定子鐵芯展開圖上,將所有槽分成4(2P)等份,對(duì)應(yīng)為2個(gè)N極(τ)和2個(gè)S極(τ),每個(gè)磁極對(duì)應(yīng)6個(gè)槽,字符τ(N)和τ(S)標(biāo)注在展開圖的上部。
(2)根據(jù)q對(duì)已分極的定子鐵芯展開圖進(jìn)一步分割相帶;并按一對(duì)磁極下相帶的分布規(guī)律標(biāo)明各相帶的相別。如圖1所示,在(1)的基礎(chǔ)上,按q=2將每個(gè)磁極下的6個(gè)槽分配給三相,每相為連續(xù)的2個(gè)槽,稱為相帶。每個(gè)磁極分割成3個(gè)相帶,一對(duì)磁極具有6個(gè)相帶[3],標(biāo)注為U1、W2、V1、U2、W1、V2[3]。定子繞組按照相帶進(jìn)行嵌線,三相繞組的命名和對(duì)應(yīng)相帶一致,分別為U相、V相和W相繞組。U相繞組占用的槽數(shù)共8個(gè),用以固定4個(gè)U相的線圈,組成每個(gè)線圈的2個(gè)有效邊各占據(jù)1個(gè)槽,那么構(gòu)成U相繞組的4個(gè)線圈的8個(gè)有效邊應(yīng)嵌入1、2、7、8、13、14、19、20槽內(nèi),其余兩相繞組所嵌入的槽以此類推。
(3)標(biāo)明各相帶槽內(nèi)電流的參考方向。相帶槽內(nèi)的電流參考方向,規(guī)定首相帶向上,尾相帶向下。如圖1所示,各相帶所在槽的箭頭表示槽內(nèi)安放的定子繞組通入三相對(duì)稱交流電流的參考方向。同一相的首、尾相帶的箭頭指向相反,表示在任意瞬時(shí)首相帶與同相的尾相帶槽內(nèi)導(dǎo)體的電流方向是相反的,但同一個(gè)相帶內(nèi)的不同槽內(nèi)導(dǎo)體的電流方向必須是一致的,這樣定子繞組電流才能產(chǎn)生預(yù)設(shè)磁場(chǎng)及對(duì)應(yīng)的磁極數(shù),從而滿足電磁關(guān)系要求。由于一對(duì)磁極下不同相的相帶依次是首、尾相帶交替排列,所以沿鐵芯內(nèi)圓周,相鄰的相帶槽內(nèi)導(dǎo)體電流參考方向是相反的。標(biāo)明槽內(nèi)導(dǎo)體參考方向是為下一步同一相的線圈構(gòu)成一相繞組的接線打好基礎(chǔ)。
不同結(jié)構(gòu)形式的繞組,在畫繞組展開圖時(shí),前三步設(shè)計(jì)繪圖方法完全一樣。
在鐵心展開圖上將屬于同一相的首相帶和尾相帶距離最近的兩個(gè)槽固定一個(gè)線圈的兩有效邊。這樣構(gòu)成線圈節(jié)距最短,既符合電磁關(guān)系要求,又節(jié)省銅漆包線。
(1)先畫出任意一相繞組展開圖。如圖2(a)所示,用1個(gè)六邊形表示1個(gè)線圈,線圈在槽內(nèi)的部分稱為有效邊,展開圖上有效邊外部上、下部分表示線圈在定子鐵芯兩端的部分。以U相繞組為例,根據(jù)同相首尾相帶距離最近構(gòu)成線圈的原則,2號(hào)和7號(hào)槽固定U相第1個(gè)線圈,8號(hào)和13號(hào)槽固定U相第2個(gè)線圈,14號(hào)和19號(hào)槽固定U相第3個(gè)線圈,20號(hào)和1號(hào)槽固定U相第4個(gè)線圈。并畫出每個(gè)線圈在槽內(nèi)兩個(gè)引出線,標(biāo)明引出線的電流參考方向,引出線與所在槽電流參考方向一致。為了展開圖美觀,每個(gè)用六邊形表示的線圈的上、下和左、右圖形盡量對(duì)稱。
(2)再依次畫出第二相和第三相繞組展開圖。如圖2(b)所示,畫圖時(shí)三相繞組沒(méi)有先后順序,根據(jù)以上線圈在定子鐵心槽內(nèi)的構(gòu)成規(guī)律,可以先從任意一相繞組開始畫,畫完一相繞組,再畫另一相。三相全部畫完后,按照從左到右的順序,沿鐵心內(nèi)圓周,用從小到大的數(shù)字標(biāo)明線圈序號(hào)。某一線圈屬于哪一相,由其有效邊所在相別決定,每個(gè)線圈的前后相鄰線圈都不屬于同一相,任意連續(xù)的3個(gè)線圈分別屬于三相。沿電機(jī)鐵芯端部順次排列的線圈,從1號(hào)線圈算起,依次是U1、W2、V1、U2、W1、V2相,與定子鐵心展開圖相帶的排列順序是一致的。U相繞組由1、4、7、10號(hào)線圈構(gòu)成,W相繞組由2、5、8、11號(hào)線圈構(gòu)成,V相繞組由3、6、9、12號(hào)線圈構(gòu)成。
(a)三相鏈?zhǔn)嚼@組展開圖(僅U相繞組和U相引出線)
(b) 三相鏈?zhǔn)嚼@組展開圖(三相繞組和U相引出線)
電機(jī)運(yùn)行時(shí),電流總是從線圈的一個(gè)有效邊流進(jìn),從另一個(gè)有效邊流出,1個(gè)線圈的兩有效邊電流方向是相反的。由圖2(a)可知,以嵌放U相繞組為例,U相繞組只能安放于U相帶的槽內(nèi),不能占用V、W相別的槽。所以1個(gè)線圈的兩有效邊只能安放在屬于同相的槽內(nèi)(僅適用于單層繞組結(jié)構(gòu),對(duì)于雙層繞組結(jié)構(gòu),同一線圈的兩有效邊不一定都安放在同一相的槽內(nèi)),而且同相的首相帶和尾相帶各提供1個(gè)槽來(lái)安放1個(gè)線圈的兩有效邊,這樣才能保證同一相的首、尾相帶電流方向相反的電磁關(guān)系設(shè)計(jì)要求,從而產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)方向和磁極對(duì)數(shù),最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速要求。
如果線圈嵌線時(shí)僅滿足兩有效邊占據(jù)同一相首、尾不同相帶的要求,那么繞組結(jié)構(gòu)形式不是唯一的。圖2(b)是滿足q=2的第1種繞組結(jié)構(gòu),即同一相相鄰的首尾相帶距離最近的兩個(gè)槽固定1個(gè)線圈的兩有效邊。該繞組結(jié)構(gòu)因同一相的4個(gè)線圈在鐵芯內(nèi)圓周上排列的狀態(tài)非常像鏈條,故命名為鏈?zhǔn)嚼@組結(jié)構(gòu),其節(jié)距Y=5(1-6)。第2種繞組結(jié)構(gòu)仍以U相為例,可以讓1號(hào)和7號(hào)槽固定U相第1個(gè)線圈,2號(hào)槽和8號(hào)槽固定第2個(gè)線圈,另一對(duì)磁極下線圈構(gòu)成依此類推,這種繞組結(jié)構(gòu)線圈節(jié)距Y=6(1-7)。第3種繞組結(jié)構(gòu)是2號(hào)和7號(hào)槽固定1個(gè)小線圈,1號(hào)槽和8號(hào)槽固定1個(gè)同心的大線圈,另一對(duì)磁極下線圈構(gòu)成依此類推,這種繞組結(jié)構(gòu)每相兩個(gè)同心式線圈組,其中小線圈節(jié)距Y小=5(1-6),大線圈Y大=7(1-8),平均節(jié)距Y=6。這3種繞組結(jié)構(gòu)都是線圈兩有效邊占據(jù)同相的首、尾相帶各1個(gè)槽構(gòu)成繞組,都滿足四極磁場(chǎng)的電磁關(guān)系設(shè)計(jì)要求,但3種繞組結(jié)構(gòu)節(jié)距不同,其中鏈?zhǔn)嚼@組結(jié)構(gòu)節(jié)距最小,線圈的周長(zhǎng)最小,最節(jié)省銅漆包線,而且是短距繞組,對(duì)諧波電流抑制最好,是最優(yōu)的繞組結(jié)構(gòu)形式。
所以電機(jī)嵌線具有線圈節(jié)距短、節(jié)省銅線的嵌線原則。3種常用的三相單層繞組結(jié)構(gòu)都是按這個(gè)原則設(shè)計(jì)構(gòu)成繞組,即沿定子鐵心內(nèi)圓周,同相的相鄰的首、尾相帶中的鐵心槽,距離最近的2個(gè)槽安放1個(gè)線圈的兩有效邊,也就是節(jié)距最短構(gòu)成線圈的原則。圖3所示為三相單層交叉式定子繞組展開圖,畫圖時(shí)單雙線圈要交替畫出,從鐵心端部看依次排列的線圈,該繞組的構(gòu)成是單、雙線圈交替排列;圖4所示為三相單層同心式定子繞組展開圖。3種三相單層繞組展開圖的繪制步驟,完全符合以上4個(gè)步驟。
圖3 三相單層交叉式繞組展開圖
圖4 三相單層同心式繞組展開圖
根據(jù)節(jié)距最短電機(jī)繞組構(gòu)成原則,一般滿足:q=2時(shí),采用三相單層鏈?zhǔn)蕉ㄗ永@組結(jié)構(gòu);q=3時(shí),采用三相單層交叉式定子繞組結(jié)構(gòu);q=4時(shí),采用三單層相同心式定子繞組結(jié)構(gòu),這是小型三相交流電機(jī)常用的3種單層定子繞組結(jié)構(gòu)。
定子繞組展開圖繪制完成,即繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成。如何根據(jù)定子繞組展開圖進(jìn)行定子繞組嵌線,關(guān)鍵明確三個(gè)操作要點(diǎn):一是線圈的節(jié)距,二是嵌入的有效邊數(shù)和空槽數(shù)的排列規(guī)律,三是甩邊的個(gè)數(shù)。這三個(gè)要點(diǎn)全部展現(xiàn)在定子繞組展開圖上,所以掌握讀圖技術(shù)是掌握嵌線方法的關(guān)鍵。
(1)節(jié)距Y=5(1-6)。在圖2(b)中,對(duì)12個(gè)線圈進(jìn)行了編號(hào),觀察任意線圈的兩有效邊,如1號(hào)線圈,其下層邊在7號(hào)槽,上層邊在2號(hào)槽,所以兩有效邊跨接5個(gè)槽距,也稱為1-6嵌線。即任意1個(gè)線圈的下層邊嵌入某鐵心槽后,從該槽開始計(jì)數(shù),數(shù)到第6個(gè)槽嵌入該線圈的上層邊。
(2)按照“嵌一隔一”的規(guī)律,依次嵌入的線圈的下層邊。根據(jù)繞組構(gòu)成規(guī)律,畫展開圖時(shí)應(yīng)先畫完一相繞組再畫另一相繞組。但嵌線時(shí)應(yīng)該三相定子繞組依次嵌入,即按照展開圖中線圈標(biāo)號(hào)由小到大的順序依次嵌入。假如從圖2(b)的第1個(gè)線圈開始嵌線,應(yīng)首先將1號(hào)線圈的下層邊嵌入7號(hào)槽,線圈的上層邊應(yīng)由節(jié)距Y=5(1-6)決定,即從7號(hào)槽開始計(jì)數(shù),數(shù)到第6個(gè)槽,其上層邊應(yīng)安放在2號(hào)槽。第2個(gè)線圈也是先嵌入下層邊,以第1個(gè)線圈的下層邊為參照,由圖可知,要間隔8號(hào)槽,在9號(hào)槽嵌入第2個(gè)線圈的下層邊,第2個(gè)線圈的上層邊仍然由節(jié)距決定,應(yīng)安放在4號(hào)槽。后面線圈的嵌入依次先嵌入線圈的下層邊,間隔1個(gè)槽,再嵌入下一個(gè)線圈的下層邊,簡(jiǎn)稱“嵌一(線圈)隔一(槽)”。鏈?zhǔn)嚼@組“嵌一隔一”的嵌線規(guī)則是對(duì)每個(gè)線圈的下層邊而言,而非上層邊,因?yàn)槊總€(gè)線圈嵌線時(shí),應(yīng)首先嵌入下層邊,其上層邊位置是由下層邊所在槽和節(jié)距決定。
圖5 三相單層鏈?zhǔn)嚼@組在鐵心端部的狀態(tài)圖
(3)甩邊二。由圖2(b)可以看出,按照線圈1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)……的順序依次嵌線時(shí),每個(gè)線圈的下層邊都被后面相鄰的2個(gè)線圈的上層邊壓在下面,7號(hào)槽的邊(1號(hào)線圈下層邊),被4號(hào)槽的邊(2號(hào)線圈上層邊)和6號(hào)槽的邊(3號(hào)線圈上層邊)壓在下面,所以稱7號(hào)槽的有效邊為下層邊。按此規(guī)律,第11個(gè)線圈的下層邊被第12和第1個(gè)線圈的上層邊壓著,第12個(gè)線圈的下層邊被第1和第2個(gè)線圈的上層邊壓著。所以第1和第2個(gè)線圈應(yīng)該只嵌入下層邊,其上層邊暫甩在一邊,等到最后兩個(gè)線圈的下層邊嵌完后,再將第1和第2個(gè)線圈的兩個(gè)上層邊嵌入其所在槽內(nèi),保證首先嵌入的第1和第2個(gè)線圈的兩個(gè)上層邊壓著前面線圈(即第11和第12個(gè)線圈)的下層邊。當(dāng)所有繞組完成嵌線,就分辨不出哪一個(gè)線圈是最先嵌入的,哪一個(gè)線圈是最后嵌入的。圖5為三相單層鏈?zhǔn)嚼@組嵌線完成后在鐵心端部的實(shí)際狀態(tài)。
(1)節(jié)距Y雙=8(1-9),Y單=7(1-8)。節(jié)距為8的2個(gè)線圈,因嵌線時(shí)下層邊或上層邊固定在相鄰的同相帶的槽內(nèi),故線圈繞制時(shí)連繞,即中間不斷開,稱為線圈組,接線時(shí)作為一個(gè)獨(dú)立的接線單元。
(2)嵌二隔一,嵌一隔二。單圈和雙圈交替嵌入,可以任意選擇從單線圈或雙線圈開始嵌線。
(3)甩邊三。即將首先嵌入的前3個(gè)線圈的上層邊暫且甩在一邊,等所有線圈嵌線完成后,再將前3個(gè)線圈的上層邊嵌入槽內(nèi)。
(1)節(jié)距Y大=11(1-12),Y小=9(1-10)。大小兩個(gè)線圈在制作時(shí),按照線圈組繞制。
(2)嵌二隔二。嵌線時(shí)使下層邊的引出線位置要么都從大圈引出,要么都從小圈引出,盡量保持一致。
(3)甩邊四,即首先嵌入的4個(gè)線圈的上層邊暫且甩在一邊。
關(guān)于“嵌幾隔幾”,是以先嵌入的線圈下層邊為參照,說(shuō)明后嵌入線圈的下層邊的繞組嵌線規(guī)律。三相單層繞組嵌線時(shí)需要甩的線圈邊數(shù),與各繞組結(jié)構(gòu)的q[5]相等。
一般電動(dòng)機(jī)維修都有按照原樣修復(fù)的原則,通過(guò)觀察原電動(dòng)機(jī)的定子繞組端部,利用逆向思維判斷出繞組結(jié)構(gòu),再利用相應(yīng)結(jié)構(gòu)的繞組嵌線方法進(jìn)行下一步的嵌線操作。電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)形式同樣是根據(jù)三相單層定子繞組的嵌線方法和規(guī)律進(jìn)行判斷。
(1)觀察1個(gè)完整線圈的兩有效邊所在槽,判斷其節(jié)距Y。如圖5所示,線圈節(jié)距是Y=5(1-6)。
(2)觀察依次嵌入的線圈的下層邊的嵌線規(guī)律是嵌幾隔幾。任意選定一個(gè)線圈假設(shè)是第1個(gè)嵌入的線圈,觀察其下層邊所在槽,壓著第1個(gè)線圈下層邊的相鄰線圈就是在它后面嵌入的第2個(gè)線圈,再觀察第2個(gè)線圈的下層邊所在槽。這樣,以順次嵌入線圈的下層邊為參照,觀察是嵌幾個(gè)有效邊后,隔幾個(gè)槽。圖5是嵌一隔一。
(3)確定甩的邊數(shù)。方法一:任意選定1個(gè)線圈,觀察其上層邊壓著前面線圈的幾個(gè)下層邊,那么嵌線時(shí)就應(yīng)該甩幾個(gè)邊。圖5是每個(gè)線圈的上層邊都?jí)褐淝懊娴?個(gè)下層邊。方法二:假想把某一個(gè)下層的有效邊從槽內(nèi)取出,需要先取出壓在它上面的幾個(gè)上層邊,那么嵌線時(shí)就應(yīng)該甩幾個(gè)邊。圖5是每個(gè)線圈的下層邊都被其后面的2個(gè)上層邊壓在下面,所以甩邊為二。
由以上觀察結(jié)果可知,圖5所示繞組結(jié)構(gòu)屬于三相單層鏈?zhǔn)蕉ㄗ永@組。這是由實(shí)物電動(dòng)機(jī)獲取繞組結(jié)構(gòu)的方法。與通過(guò)電動(dòng)機(jī)2P和Z計(jì)算得出τ和q,再根據(jù)q確定定子繞組結(jié)構(gòu)的方法相比,該方法更快捷和高效。
本文以24槽定子鐵心,4極磁場(chǎng)交流電動(dòng)機(jī)的三相單層定子繞組為例,詳細(xì)介紹了三相單層定子繞組展開圖的繪圖方法,以及由定子繞組展開圖獲取定子繞組嵌線方法的讀圖技巧;利用逆向思維,已知三相單層定子繞組的嵌線規(guī)律,由實(shí)物電機(jī)獲知電機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)形式和嵌線方法。在對(duì)電動(dòng)機(jī)定子繞組重繞維修前,兩種方法可以相互驗(yàn)證,互作支撐,最終確定正確的繞組結(jié)構(gòu),進(jìn)行繞組重繞修復(fù)電機(jī)。