高效率三相异步电机绕组设计的探讨.doc

高效率电机准正弦绕组设计的探讨邱杏坡广东省东莞电机有限公司摘要：通过对混合不等匝正弦绕组(简称准正弦绕组)与普通双层在同一规格电机上进行试制，并对其性能进行对比，从而阐明准正弦绕组比普通绕组不仅有较宽的微调范围，且绕组的线圈平均半匝长比普通绕组短，其对减少用铜量、降低高次谐波和附加损耗等有很显著的作用当生产工艺在同一水平时，正弦绕组电机的制造成本比普通绕组电机平均降低 5％左右，而效率则至少提高 0.3%关键词：高效率 准正弦绕组 高精度性能 绕组系数 分布系数准正弦绕组在三相异步电动机运用中有多种形式，常见的如“△/Y”串联或并联“△”接法的正弦绕组、单双层混合绕组、散布绕组以及低谐波绕组等，它是在普通 60°相带的三相绕组基础上发展而来的，是将普通三相绕组的每极每相槽数为 q 的 q 个线圈分成两部分，即把原来具有的 60°相带的 q 分成两个具有 30°相带的和,然后把所有部分的线圈按照正常接线规律接成角Yq形△连接，而把所有部分的线圈也按相同接线规律接成星形 Y 连接qY虽然这种绕组的工艺性较差，在绕线、下线、端部整形时不太方便，但由于其性能较好，随着高效率电机不断推行，各电机生产厂家出于对产品性能要求以及材料成本上考虑，这种“高精度”的新颖绕组已经在行业中广泛的应用。

我公司在 YE2 和 YE3 系列高效率电机上也广泛的采用了这种绕组，特别是在H315 以下中小型电机上，通过不断的样机试制，得出准正弦绕组在提高电机效率和节铜方面效果较为明显1 准正弦绕组的特点准正弦绕组是一种“高精度”的特殊单、双层不等匝混合绕组，即绕组的各个线圈具有不同的匝数，其各个线圈的匝数按线圈在空间的位置尽可能的具有正弦分布特点目前我们应用的准正弦绕组中，基本上采用具有同心式线圈的单双层准正弦绕组它是单双层绕组和准正弦绕组的组合，兼有两者的有点，具有基波绕组系数高、谐波绕组系数小，绕组实际跨距短的优点，因此，能有效地降低绕组铜耗，减小附加损耗，提高电机效率，改善起动性能，降低电机温升等从电机电磁设计考虑，由于准正弦绕组是一种“高精度”绕组，故它在电磁设计时能灵活地选择每槽每层匝数，使每极每相槽数之间的匝数按照一定的比例进行分配，它的极相组串联匝数可实现微调因此，正弦绕组在进行电磁方案设计时，更易兼顾到电机各项性能指标，使方案设计能达到最佳效果2 绕组设计对比在进行单双层准正弦绕组电机设计时，一般定子线圈的每极每相槽数 q 小于等于 2 时，对削弱高次谐波，改善电机气隙磁势波形等效果不明显，但当定子线圈的每极每相槽数 q 大于 3 且 q 越大时，其对削弱高次谐波，改善电机气隙磁势波形等效果越是明显。

下面我们以 YE3-200L-4-30kW 超高效率电机（定子槽数 48 槽）为例来说明每极每相槽数：432248 21pmZq电角度：15482218021801Zp其中：----定子槽数；----极对数；----相数； 1Zpm（1）普通双层叠绕这种绕组的每个线圈完全相同，可以保证绕组的电气对称性和参数的一致性，且绕组制造的工艺性也较好图 1 普通双叠电气线路图图 2 普通双叠磁动势空间分布其中：节距（以槽数计）：（跨距：1～11）10y绕组分布系数：958. 05 . 7sin4 30sin)2sin()2sin(1 Kd绕组短距系数：978. 0)78sin()2sin()2sin(1mqyKp式中 ---双层绕组短距比，mqy基波绕组系数：937. 0111pddpKKK同理将、、分别代入式中，求得高次谐波绕组系数分别为：5711201. 05dpK155. 07dpK123. 011dpK（2）双层叠绕准正弦绕组它是双层绕组和准正弦绕组的组合，双层绕组不是按照平均分配的方法，而是按照一定的比例分配使其对应的磁动势空间分布更接近正弦。

图 3 双叠准正弦绕组电气线路图图 4 双叠准正弦绕组磁动势空间分布其中：节距（以槽数计）：（跨距：1～11） 10y基波绕组系数：933. 0182947)2/5cos(18)2/3cos(29)2/cos(471dpK同理将、、分别代入式中，求得高次谐波绕组系数分别为：57110889. 05dpK00589. 07dpK0635. 011dpK（3）单双层准正弦绕组它是单双层绕组和准正弦绕组的组合，具有基波绕组系数高、谐波绕组系数小，绕组实际跨距短的优点图 5 单双层准正弦绕组电气线路图图 6 单双层准正弦绕组磁动势空间分布其中：节距（以槽数计）：617. 91829477189291147y（跨距：1～12,2～11,3～10）基波绕组系数：933. 0182947)2/5cos(18)2/3cos(29)2/cos(471dpK同理将、、分别代入式中，求得高次谐波绕组系数分别为：57110889. 05dpK00589. 07dpK0635. 011dpK准正弦绕组在设计上应尽量选择基波系数越高，高次谐波系数越低的方案，从上述分析，不管是双层准正弦绕组还是单双层准正弦绕组，其绕组磁动势空间分布比普通双叠的正弦拟合程度更高，基波系数更大，高次谐波系数更小；而准正弦绕组中的单双层比双层虽具有同样的绕组系数，但跨距和端部长度更短，减少用铜量，因此单双层准正弦绕组的方案更优。

3 样机测试对比通过上述论述，以 YE3-200L-4-30kW 超高效率电机为例，列出几种绕组之间在 Δ 接法情况下的对比表表 1类别普通双层绕组方案双层准正弦绕组方案单双层准正弦绕组方案标准值/容差值铁心长230230230跨距10109每圈匝数2418+29+29+1847+29+18线规3-Φ0.953-Φ0.953-Φ0.95每台铜重 kg21.1520.9119.74效率%93.3493.4593.6393.6/92.64功率因素0.8990.8960.8880.86/0.837温升 k70.367.265.780从表 1 中可以看出准正弦绕组在提高电机性能方面上比普通双层绕组效果更明显；单双层准正弦绕组由于采用不等跨绕组，其平均跨距比较小，能有效地节铜4 存在的问题准正弦绕组其跨距和匝数是不等距的，所以圈绕制和嵌线等工序，特别是嵌线、整形较普通双层绕组麻烦，这在试制过程中体验最深若在原单层绕组的电机上推广正弦绕组，除存在上述困难外．还要增加层间绝缘等费用嵌线时反复的整形也会破坏圆铜线的绝缘漆，相间绝缘也很难垫到位或在整形过程会使相间绝缘移动错位，特别是 2 极电机5 结论通过准正弦绕组的应用，电机的效率可提高 0.2%以上，温升也在一定程度上有所改善，节铜效果也较为明显，但是 2 极电机有部分规格因为下线困难，相应加长了线圈端部长度，导致线圈铜重反而增加。

这需要我们在设计时对电机性能、材料节省和下线难易程度上进行多方面综合考虑参 考 文 献1 上海电器科学研究所《中小型电机设计手册》编写组著．中小型电机设计手册．机械工业出版社，1994．7．2 黄国治，傅丰礼主编．中小旋转电机设计手册-2 版．中国电力出版社，2014．1．。