雙速三相異步電動機雙獨立同心式定子繞組嵌線方式

李璞伶，曹增明

(1.湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412000；2.中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

軌道交通車輛電氣設(shè)備如牽引電機、變流器、變壓器等電氣設(shè)備的冷卻主要是靠風(fēng)機進行強迫風(fēng)冷冷卻。根據(jù)風(fēng)機結(jié)構(gòu)，風(fēng)機中的電機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)壓，將一定風(fēng)量的空氣輸入，通過循環(huán)將電氣設(shè)備多余熱量帶走，達到溫升平衡，使牽引電機、變流器、變壓器等設(shè)備安全可靠的運行。

目前，軌道交通行業(yè)用風(fēng)機核心單元電動機以三相異步電動機應(yīng)用較為廣泛。而雙速三相異步電動機因節(jié)能在軌道交通行業(yè)應(yīng)用也較為重要。一般的雙速三相異步電動機是單繞組通過改變定子繞組的連接方式達到改變定子旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)，進而成倍數(shù)的改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)調(diào)速的目的。還有另一種雙速電機，是在定子鐵心內(nèi)嵌入2套繞組(高速繞組和低速繞組)，2套繞組相互獨立，有各自的接線端子及標識，不同轉(zhuǎn)速可用不同繞組，即為雙獨立繞組。根據(jù)繞組在槽內(nèi)排列位置及接線方式，當(dāng)一套繞組工作時，另一套繞組不會因基波磁勢切割繞組而產(chǎn)生環(huán)流電流。隨著環(huán)保、節(jié)能、安全需求及市場需求增加，雙速雙獨立繞組三相異步電動機(簡稱雙獨立繞組電機)應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)電機容量和性能及設(shè)計要求，繞組可分別設(shè)計成疊式、鏈式、同心式等繞組形式。較傳統(tǒng)的嵌線方式為：先將高速繞組依次嵌入槽內(nèi)后，再將低速繞組依次嵌入槽內(nèi)，通常高速繞組分布在槽底，低速繞組分布在槽口，低速繞組浮于高速繞組上。在對低速繞組嵌線中，端部較厚，不易整形，還存在嵌線周期長，繞組端部排列不美觀的問題。通過分析繞組特點及在槽內(nèi)排列位置、方式和分布規(guī)律，優(yōu)化嵌線方式，使其既滿足設(shè)計要求，又保證產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)以36槽2/4極雙獨立繞組電機嵌線方式進行研究分析，具體如下。

1 36槽2/4極雙速電機雙獨立繞組嵌線分析

1.1 繞組形式

定子鐵心槽數(shù)N=36，高速時，電機極數(shù)2P=2，每極每相槽數(shù)q=6，整距繞組；低速時，電機極數(shù)2P=4，每極每相槽數(shù)q=3，整距繞組。為了控制繞組端部尺寸，采用同心式繞組形式。同心式繞組特點：每組線圈有S圈，有大圈、中圈、小圈區(qū)別，大線圈套在小線圈外面，每組線圈的軸線重合。

繞組參數(shù)信息如下： 2極， 線圈組數(shù)u=6，每組圈數(shù)S=3，總線圈數(shù)Q=18，節(jié)距(槽數(shù))Y=1～18，2～17，3～16； 4極，線圈組數(shù)u=6，每組圈數(shù)S=3，總線圈數(shù)Q=18，節(jié)距(槽數(shù))Y=1～12，2～11，3～10。

2極繞組總線圈數(shù)18，為槽數(shù)36的一半，為單層繞組；同理4極繞組也為單層繞組。 2極繞組線圈與4極繞組線圈的匝數(shù)、線徑、平均半匝長各不同，具體根據(jù)電機性能要求設(shè)計，這里不影響對嵌線方式的討論分析，不做介紹。

1.2 接線原理圖

繞組在鐵心槽內(nèi)排列位置及星型接線方式，2U，2V，2W為高速端，1U，1V，1W為低速端，并聯(lián)路數(shù)均為1，具體如圖1所示。

圖1 繞組接線原理圖

1.3 傳統(tǒng)的分層嵌線方式

繞組嵌線方法有交疊法和整嵌法2種工藝，交疊法嵌線工藝因端部比較規(guī)整使用較廣泛，采用單層繞組交疊法嵌線工藝，根據(jù)傳統(tǒng)的分層嵌線方式，先將2極繞組依次嵌入：第1組線圈小、中、大圈沉邊依次嵌入19、20、21槽內(nèi)，浮邊吊起；空3槽，再將第2組線圈沉邊依次嵌入25、26、27槽內(nèi)，浮邊吊起；空3槽，從第3組線圈開始，沉邊嵌入31，32，33槽內(nèi)，根據(jù)節(jié)距，浮邊依次嵌入16、17、18槽內(nèi)，按第3組線圈嵌線方法，依次將第6把線嵌入槽內(nèi)，最后再將第1把線和第2把線的浮邊嵌入槽內(nèi)。4極繞組嵌線時方法同2極線圈嵌線方法，只是僅將4極繞組第1組線浮邊吊起。嵌線完成后2極繞組在槽底，4極繞組在槽口分層嵌線方式。整體嵌線周期長，低速繞組嵌線時，端部較厚，不易嵌線，不易整形。

1.4 優(yōu)化后的嵌線方式

根據(jù)圖1，結(jié)合后退式嵌線方法，分析1～3，7～9，13～15，19～21，25～27，31～33號槽為2極繞組沉邊位置槽；4～6，10～12，16～18，22～24，28～30，34～36號槽為4極繞組沉邊位置槽；4～6，10～12，16～18，22～24，28～30，34～36號槽為2極繞組浮邊位置槽；1～3，7～9，13～15，19～21，25～27，31～33號槽為4極繞組浮邊位置槽。1個槽內(nèi)有不同的上下2條線圈邊，有雙層繞組特點，雙層繞組交疊法嵌線時，不空槽，先將下層邊嵌入槽內(nèi)，另一邊吊起先不嵌入，順次嵌至線圈跨距后，其余線圈可逐步嵌入相應(yīng)的上下層，下層邊嵌滿后，再把吊邊嵌入相應(yīng)槽的上層。這里可將以上分析的2極、4極的沉邊作為下層邊先嵌，根據(jù)節(jié)距再將浮邊嵌入，最后再將吊邊嵌入上層。

鑒于以上分析，將2/4極繞組按雙層繞組排列，嵌線順序排列如表1所示。

表1 嵌線順序

具體嵌線方法按以下進行。

1)2極第1組線圈的下層邊依次嵌入19、20、21號槽底，上層邊吊起；4極第1組線圈下層邊依次嵌入22、23、24號槽底，上層邊吊起。

2)2極第2組線圈的下層邊依次嵌入25、26、27號槽底，上層邊吊起；4極第2組線圈下層邊依次嵌入28、29、30號槽底，上層邊依次嵌入19、20、21號槽口。

3)2極第3組線圈的下層邊依次嵌入31、32、33號槽底，上層邊吊起；4極第3組線圈下層邊依次嵌入34、35、36槽底，上層邊依次嵌入25、26、27號槽口。

4)2極第4組線圈的下層邊依次嵌入1、2、3號槽底，上層邊依次嵌入22、23、24號槽口；4極第4組線圈的下層邊依次嵌入4、5、6號槽底，上層邊依次嵌入31、32、33號槽口。

5)2極第5組線圈的下層邊依次嵌入7、8、9號槽底，上層邊依次嵌入28、29、30號槽口；4極第5組線圈的下層邊依次嵌入10、11、12號槽底，上層邊依次嵌入1、2、3號槽口。

6)2極第6組線圈的下層邊依次嵌入13、14、15號槽底，上層邊依次嵌入34、35、36號槽口；4極第6組線圈的下層邊依次嵌入16、17、18號槽底，上層邊依次嵌入7、8、9號槽口。

7)吊把的2極第1組線圈上層邊嵌入4、5、6號槽口；2極第2組線圈上層邊依次嵌入10、11、12號槽；4極第1組線圈上層邊依次嵌入13、14、15號槽口； 2極第3組線圈的上層邊依次嵌入16、17、18號槽口。

嵌線中，2極線圈和4極線圈槽內(nèi)和端部相間分別安裝0.25的CR符合箔NHN進行層間及相間絕緣。

對于雙獨立繞組電機，當(dāng)其中一套繞組接電工作后，會有三相對稱電流通過，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場會切割另一套繞組，會在另一套繞組中感應(yīng)電勢，所以分別將2極線圈和4極線圈分別按1路星型接法要求接線，一套繞組工作時，另一套繞組沒有閉合回路，不會產(chǎn)生環(huán)流。

1.5 優(yōu)化嵌線方式的試驗檢測

2極繞組和4極繞組對鐵心、相間、匝間分別進行對地耐壓試驗、相間耐壓試驗、匝間耐壓試驗，2極繞組和4極繞組對鐵心和相間均能承受工頻2 800 V 1 min的耐壓試驗，絕緣良好無擊穿，匝間承受4 200 V的脈沖電壓3 s，波形基本重合。端部尺寸檢測均符合設(shè)計要求。 電機組裝后進行例行試驗，各項參數(shù)指標均滿足該電機例行試驗要求。

2 結(jié)語

對比傳統(tǒng)的雙速雙獨立繞組電機分層嵌線方式，需要二次嵌線，一次先將高速繞組線圈依次嵌入槽內(nèi)，二次將低速繞組線圈依次嵌入槽內(nèi)，低速繞組浮于低速繞組上，之間用0.25的CR復(fù)合箔進行絕緣。繞組端部較厚，排列不整齊，嵌線周期長。本文分析的嵌線方式，按雙層繞組交疊法方式，一次嵌線同時將高、低速線圈依次嵌入槽內(nèi)，高速繞組和低速繞組端部呈交疊狀，排列整齊，嵌線效率高。

對于雙速雙繞組電機，低速極數(shù)是高速極數(shù)的2倍，高速每極每相槽數(shù)q是低速每級每相槽數(shù)的2倍，高低速繞組均為單層同心式繞組，端部要求高，均可采用此嵌線方式。嵌線中注意在高低速繞組間安裝好相間絕緣。

在雙速雙繞組電機嵌線后接線并線中，需要采用合理的接線方法消除環(huán)流電流。