雙層同心式低諧波繞組設(shè)計對YE4系列電動機(jī)能效提升的研究

呂仙銀 湯紹釗 葉德住

（1.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 寧德 355000；2.中華人民共和國寧德海關(guān)，福建 寧德 352100）

0 引言

在傳統(tǒng)能源產(chǎn)品消耗越來越大和環(huán)境日益惡化的當(dāng)今社會，節(jié)能降耗已經(jīng)成為熱門話題和多國政府、全體社會的共識，中小型電動機(jī)（以下簡稱“電動機(jī)”）電力能耗體量大，每年消耗我國2/3以上的工業(yè)用電，因此降低電動機(jī)損耗，提高電動機(jī)效率，推廣高效、超高效等電動機(jī)，對于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境等方面都具有相當(dāng)積極的作用。自2012年國家標(biāo)準(zhǔn)委發(fā)布電動機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2012《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》[1]以來，國家節(jié)能增效成果明顯，社會各界越來越意識到推廣超高效電動機(jī)的深遠(yuǎn)意義。2020年國家標(biāo)準(zhǔn)委再次更新?lián)Q版了電動機(jī)效率標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020《電動機(jī)能效限定值及能效等級》[2]，相比于2012年的舊版能效標(biāo)準(zhǔn)，2020年的新版能效標(biāo)準(zhǔn)不僅再次提高了三相異步電動機(jī)能效要求，還增加了8極三相異步電動機(jī)能效等級和一些單相電動機(jī)能效要求。原本國外能效標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-30—2014中IE4級等效于原中國能效2012版標(biāo)準(zhǔn)中的1級能效，而GB 18613—2020標(biāo)準(zhǔn)實施后，IE4能效等級對應(yīng)于中國新版能效標(biāo)準(zhǔn)中的2級能效，從2021年6月開始執(zhí)行IE3（對應(yīng)2020版本3級能效）最低能效標(biāo)準(zhǔn)要求。

實現(xiàn)電動機(jī)節(jié)材增效設(shè)計的方法主要包括設(shè)計改進(jìn)和工藝提升兩個方面。設(shè)計改進(jìn)包含：定子繞組降諧波優(yōu)化結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計定轉(zhuǎn)子沖片磁路和槽型，定子和轉(zhuǎn)子槽型增大，使用閉口槽結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子硅鋼片，使用導(dǎo)磁性高、損耗低的冷軋硅鋼片，設(shè)計合適的風(fēng)扇外徑，提升通風(fēng)氣流流動性，合理增大電動機(jī)氣隙等；工藝提升包含：定子沖片退火處理、鑄鋁轉(zhuǎn)子脫殼處理等。本文以槽滿率相同為基礎(chǔ)，通過計算各線圈匝數(shù)比，以消除或降低諧波為目的，將電動機(jī)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計成正弦低諧波繞組，最終選擇類似于雙層同心式正弦低諧波繞組這樣合適的繞組類型[1-2]。通過細(xì)節(jié)設(shè)計、綜合考量，可以提高電動機(jī)效率，節(jié)省材料的使用，降低產(chǎn)品成本。雙層同心式正弦低諧波繞組設(shè)計與傳統(tǒng)的雙層疊式短距繞組相比優(yōu)勢明顯，有諧波含量更低、繞組系數(shù)相對更高的優(yōu)點，可作為節(jié)省材料、提高效率的電動機(jī)設(shè)計的有效方法。YE4系列電動機(jī)作為一款企業(yè)廣泛生產(chǎn)的高效電動機(jī)，其能效等級對應(yīng)著IEC標(biāo)準(zhǔn)中IE4等級或國內(nèi)能效2級，針對YE4系列電動機(jī)開展的節(jié)材增效方案設(shè)計，對降低企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和幫助國家節(jié)材增效等都具有相當(dāng)重要的意義。

本文以YE4-200L1-2電動機(jī)為例，重點介紹了雙層同心式低諧波繞組在電動機(jī)中的應(yīng)用，并制作了樣機(jī)進(jìn)行驗證。

1 YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組基本參數(shù)及諧波基波幅值百分比[3]

電動機(jī)的繞組作為勵磁元件產(chǎn)生基波磁場，同時還伴隨著各種高次諧波磁場。諧波磁場變大也會使電動機(jī)損耗加大，從而降低電動機(jī)的效率，不利于效率的提升，因此可以通過降低諧波磁場，從而降低電動機(jī)五大損耗，提升電動機(jī)的效率。YE4系列機(jī)座為180 mm或者大于180 mm的二極電動機(jī)有部分企業(yè)采用雙層繞組和短距離安排。雙層疊式短距繞組可以在一定程度上降低諧波強(qiáng)度，但其基波繞組系數(shù)也隨之降低，繞組系數(shù)越低，需要消耗的漆包線越多，成本也越高。

YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組的基本參數(shù)如表1所示，各次諧波基波幅值百分比如表2所示。

表2 YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組各次諧波基波幅值百分比

2 雙層同心式低諧波繞組的設(shè)計原理及不等匝匝數(shù)配置

異步電動機(jī)氣隙合成磁場空間諧波主要來自兩個方面，一是由于線圈不連續(xù)分布使磁勢呈階梯狀分布而產(chǎn)生的諧波，二是由于定子和轉(zhuǎn)子開槽造成轉(zhuǎn)子不同位置磁路磁阻不同產(chǎn)生的氣隙齒諧波。削弱氣隙齒諧波的方法有很多，包括采用半閉口槽、閉口槽、磁性槽楔的方式來減小氣隙磁導(dǎo)變化，或者通過增大氣隙增大磁路磁阻從而減小齒槽引起磁導(dǎo)變化所占的百分比，還可以采用分?jǐn)?shù)槽繞組等，這些本文暫不討論。如果忽略槽結(jié)構(gòu)造成的磁導(dǎo)變化，可以認(rèn)為電動機(jī)的氣隙磁導(dǎo)沿圓周方向是均勻的，交流繞組磁動勢的空間諧波決定了異步電動機(jī)氣隙合成磁場空間諧波，因此正弦低諧波節(jié)能繞組的設(shè)計方向轉(zhuǎn)為槽內(nèi)繞組線匝數(shù)的合理設(shè)計提升，使定子安匝數(shù)在圓周上正弦分布也就是磁勢波在圓周方向上正弦分布。雙層同心式低諧波繞組設(shè)計可以通過對不等匝匝數(shù)的合理配置，使定子安匝數(shù)在圓周上呈現(xiàn)正弦分布[4]。

雙層同心式低諧波繞組有短距跨距和整距跨距兩種基本型式，現(xiàn)結(jié)合YE4-200L1-2電動機(jī)以短距跨距為例說明雙層同心式低諧波繞組匝比分配方法（此方法也適用于整距型式繞組，亦適用于每極相槽數(shù)Q≠6的情況）。YE4-200L1-2電動機(jī)定子槽數(shù)為36槽，每極相槽數(shù)Q=6，槽距電角a=10°，繞線跨距為1-18，2-17，3-16，4-15，5-14，6-13。繞組展開圖如圖1所示[3]。

圖1 繞組展開圖

當(dāng)iA處于最大值時，iA=-2iB=-2iC=Im（Im為相電流幅值），為滿足定子內(nèi)圓槽電流按正弦分布，以下式（1）～式（8）需成立。

式中：IF為槽電流波形幅值；N1、N2、N3、N4、N5、N6為匝數(shù)。

解上列式（1）～式（8）可得各線圈匝比為N1:N2:N3:N4:N5:N6=9.40:8.11:6.58:4.85:2.97:1。

至此，當(dāng)繞組按以上匝比分配時，定子內(nèi)圓槽電流按正弦分布，定子磁勢呈正弦波形，氣隙磁場諧波含量最低。

3 YE4-200L1-2雙層同心式低諧波繞組的基本參數(shù)及諧波基波幅值百分比

根據(jù)以上理論方法設(shè)計YE4-200L1-2電動機(jī)，其繞組參數(shù)如表3所示，各次諧波基波幅值百分比如表4所示[5-6]。

表3 YE4-200L1-2雙層同心式繞組的基本參數(shù)

表4 YE4-200L1-2雙層同心式繞組各次諧波基波幅值百分比

將表1和表3、表2和表4進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，使用雙層同心式節(jié)能繞組方式設(shè)計的電動機(jī)，其基波繞組系數(shù)有明顯提升，而5次諧波和7次諧波的基波幅值有很明顯的下降改善，且最終銅線材料損耗相比之前節(jié)省了大約2.3 kg，約下降了11.4%。

4 兩種方案比較

根據(jù)雙層疊式短距和雙層同心式低諧波兩種方案制作樣機(jī)并試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 試驗結(jié)果比較

從表5試驗結(jié)果比較得出，根據(jù)雙層同心式低諧波繞組方式設(shè)計的電動機(jī)，在繞組材料用量方面有所降低，而效率反而有所提升，證明了根據(jù)雙層同心式低諧波繞組方式設(shè)計的電動機(jī)節(jié)省了繞組材料，降低了電動機(jī)諧波，提升了電動機(jī)效率。

5 結(jié)論

本文提出了應(yīng)用雙層同心式低諧波繞組替代雙層疊式短距繞組的方法，比較了YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組的基本參數(shù)和雙層同心式低諧波繞組的基本參數(shù)，證明了根據(jù)雙層同心式低諧波繞組方案設(shè)計的電動機(jī)繞組系數(shù)提升，諧波降低。試驗表明，采用雙層同心式低諧波繞組設(shè)計是節(jié)約材料、提升效率的有效方法，尤其是YE4系列高效電動機(jī)，因傳統(tǒng)繞組設(shè)計的短距離槽數(shù)量比較多，繞組系數(shù)低，機(jī)座180 mm及以上電動機(jī)采用雙層同心式低諧波繞組替代傳統(tǒng)雙層疊式短距繞組的設(shè)計，提升電動機(jī)效率的效果更理想。