CN101075757A - 按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于变频调速技术领域，具体为一种按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法。本发明在基本不改变通用电机的机座号、转子、定子等结构的情况下，通过对定子绕组参数按一定规则进行排序式设计，并计算出相应的一连串的新参数，再按这些新参数一一制成新绕组，并逐一替换原通用电机的定子绕组，获得一连串众多的新电机。这些新电机和原通用电机集合在一起形成按额定功率顺序排列的电机群，该电机群与相匹配的变频器组合成系统，可得到由众多系统特性组成的曲线簇，以此曲线簇去应对不同特性要求的负载，可设计出更完美且经济合理的系统来。本发明方法简单方便，可提高设计速度，改善系统品质，节省原材料，可广泛应用于各种专用电机的设计。

Description

按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法
技术领域
本发明属变频调速技术领域，具体涉及一种变频调速系统中的感应电动机的设计方法。
背景技术
近年来变频调速技术已被广泛应用于各行各业。变频器产品一代接一代不断地推陈出新，推动着变频调速技术的完善和进步。
电动机和变频器是组成一个变频调速系统(以下简称系统)最基本的两个部分。人们在推进该项技术进步的过程中似乎多把注意力集中在对变频器的改进上，而忽略了对电动机的关注。目前系统中普遍使用的电动机，还是三十年前的模样，基本上无大的改变。
通用型三相感应式异步电动机(以下简称通用电机)是现有系统中使用量最多的电动机。它占据了电动机总量95％以上的分额。
我国的通用电机额定电压为380VAC。额定频率是50Hz。在国外，不同地区通用电机的额定电压有所不同，额定频率有50Hz，也有60Hz的，它们都是与当地供电电网的电压等级和频率相一致。
通用电机和变频器组合成系统，系统的输出特性曲线(以下简称系统特性)如附图1所示。两曲线的“拐点”只与通用电机的额定频率50Hz(或60Hz)相对应。“拐点”把系统的调速范围划分为恒转矩调速和恒功率调速两个区域。也就是说，由通用电机构成的系统，其系统特性是单一的两条曲线。
事实上，系统驱动的对象是极其丰富多样性的，它们的负载特性和对系统要求也是各不相同的。单一的系统特性，面对各式各样的负载特性和要求，常常使系统的设计陷入困惑之中。最终解决问题的办法，往往只能增加系统的输出容量，即同时选用额定功率更大的通用电机和更大额定容量的变频器组合成的系统。这是一种不经济又很无奈的选择。
发明内容
本发明的目的在于提供一种额定频率可以根据需要随意变动的电机的设计方法，从而使电机与变频器组成的系统特性随之改变。
通用电机的额定频率决定了系统特性。因此，如果能设计制造出额定频率可以根据需要随意变动的电机，它与变频器组合成的系统特性也就会随之变动了。
本发明把目光聚焦在对通用电机定子绕组的重新设计上。在基本不改变通用电机的机座号、转子、定子等其他部分结构的情况下，只对定子绕组参数按一定规则进行排序式设计，并计算出相应之一连串众多的新参数；再按这些新参数一一制成新绕组，并逐一去替换原通用电机的定子绕组，就可以得到一连串众多的新电机。
这里给这些新电机一个名称，叫做“派生电机”，而把原通用电机称之为“原型电机”。“派生电机”与“原型电机”相比较，具有相同的机座号，相同的额定电压，相同的极对数，相同的额定转矩。它们之间的区别是额定频率不相同，额定功率也不相同(额定功率与额定频率成线性正比)。
这些“派生电机”与“原型电机”集合在一起形成一个额定频率可按大小顺序排列的电机群。当他们分别与相匹配的变频器组合成各自的系统时，就形成了一个系统“群”。与之相伴，产生了由众多系统特性组成的曲线簇，如附图2和图3所示。
以曲线簇去对应各类不同特性要求的负载，设计人员就有了更多的选择，设计出更完美且经济合理的系统来。
这里，所谓的一定规则就是：以原通用电机定子绕组参数为基准值进行排序式地重新设计和计算时，所有“派生电机”定子绕组与原通用电机定子绕组的导线用铜量基本相当，也就是说，当每相绕组的匝数逐次减少或增加时，该绕组的导线的截面积要同步地增加或减少；绕组匝数与导线的截面积成反比关系，保持新绕组与原型电机绕组的用铜量基本恒定。
所谓排序式设计就是：以原型电机的定子绕组参数为基准，每线圈逐次减少一匝或逐次增加一匝，按定子绕组的导线用铜量基本相当的规则，计算派生电机的各种新参数。包括：每相绕组匝数，绕组导线截面积(mm2)，对应的额定频率(HZ)，对应的额定功率(KW)和对应的额定电流(A)等。
附图说明
图1为通用电机的系统特性。其中，(a)为系统的转矩-频率特性，(b)为系统功率-频率特性。
图2为通用电机及其“派生电机”群的系统特性(系统的转矩-频率特性)。
图3为通用电机及其“派生电机”群的系统特性(系统的功率-频率特性)。
具体实施方式
本发明认为现有的任何一台通用电机均能通过对其定子绕组进行重新设计，并能由此设计制造出它的“派生电机”(群)
现以我国Y系列，型号是Y160L-6(11Kw/6极)通用电机为例作进一步具体说明。它的额定电压是380VAC；额定电流25A；定子和转子的槽数是36/33槽；绕组型式为单层链式；绕组由4根直径为0.95mm的铜导线并绕；导线的截面积为2.834mm2；每相绕组由6个线圈串联，占据定子12槽；每个线圈28匝，合计每相绕组168匝。
以上述参数为基准，按保持“派生电机”与“原型电机”的定子绕组用铜量基本恒定的规则，每线圈先逐次减少一匝(即从28匝-＞27匝-＞26匝-＞……-＞9匝-＞8匝-＞……)，而后每线圈逐次增加一匝(即从28匝-＞29匝-＞30匝-＞……-＞46匝-＞47匝-＞……)进行排序式地重新设计和计算。由此可得到一连串众多的新绕组参数。列表如下：
对型号Y160L-6(11kw/6极)通用电机绕组重新设计而得到的“派生电机”新参数列表
  每线圈匝数   28   27   26   25   24   23   22   21   20   19   18   17
  每相绕组匝数   168   162   156   150   144   138   132   126   120   114   108   102
  绕组导线截面积(mm2) 2.834 2.939 3.052 3.174 3.306 3.450 3.607 3.779 3.968 4.176 4.408 4.668
  对应的额定频率(Hz) 50.0 51.9 53.8 56.0 58.3 60.9 63.6 66.7 70.0 73.3 77.8 82.4
  对应的额定功率(Kw) 11.0 11.4 11.8 12.3 12.8 13.4 14.0 14.7 15.4 16.2 17.1 18.1
  对应的额定电流(A) 25.0 25.9 26.9 28.0 29.2 30.4 31.8 33.3 35.0 36.8 38.9 41.8
每线圈匝数 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 ……
  每相绕组匝数   96   90   84   78   72   66   60   54   48   42   ……
  绕组导线截面积(mm2) 4.950 5.290 5.668 6.104 6.612 7.210 7.940 8.820 9.970 11.540 ……
  对应的额定频率(Hz) 87.5 93.3 100.0 107.7 116.7 127.3 140.0 155.6 175.0 200.0 ……
  对应的额定功率(Kw) 19.3 20.5 22.0 23.7 25.7 28.0 30.8 34.2 38.5 44.0 ……
  对应的额定电流   43.8   46.7   50.0   53.8   58.3   63.6   70.0   77.8   87.5   100.0   ……
  每线圈匝数   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39
  每相绕组匝数   168   174   180   186   192   198   204   210   216   222   228   234
  绕组导线截面积(mm2) 2.834 2.736 2.645 2.560 2.480 2.405 2.334 2.267 2.204 2.145 2.088 2.035
  对应的额定频率(Hz) 50.0 48.3 46.7 45.2 43.8 42.4 41.2 40.0 38.9 37.8 36.8 35.9
  对应的额定功率(Kw) 11.0 10.60 10.20 9.94 9.63 9.33 9.06 8.80 8.60 8.32 8.11 7.80
  对应的额定电流(A) 25.0 24.1 23.3 22.6 21.9 21.2 20.6 20.0 19.4 18.9 18.4 17.9
  每线圈匝数   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   ……
  每相绕组匝数   240   246   252   258   264   270   276   282   288   294   ……
  绕组导线截面积(mm2) 1.984 1.935 1.889 1.845 1.804 1.763 1.756 1.718 1.682 1.648 ……
  对应的额定频率(Hz) 35.0 34.1 33.3 32.6 31.8 31.0 30.4 29.8 29.2 28.6 ……
  对应的额定功率(Kw) 7.70 7.51 7.33 7.16 7.00 6.84 6.70 6.55 6.42 6.29 ……
  对应的额定电流(A) 17.5 17.1 16.7 16.3 15.9 15.6 15.2 14.9 14.6 143 ……
注：Y160L-6(11kw/6极)电机每相绕组6线圈串联，占定子12槽，绕组型式为单层链式。
按上述列表中的新绕组参数一一制成绕组，逐一去替换“原型电机”的定子绕组，就得到由原Y160L-6通用电机派生而来的众多“派生电机”。他们保持了Y160L-6通用电机的原貌、机座号、额定电压、额定转矩、额定电流时的导线电流密度均相同；而额定频率、额定功率和额定电流各不相同，参见上述列表。
同样的方法，本发明可以为Y系列中的所有的型号、规格的电机重新设计和制造出他们各自得“派生电机”。同样的道理，本发明也能为其他各类系列的通用型特殊型感应式电动机(无论额定频率是50Hz还是60Hz)重新设计和制造出它们各自的“派生电机”来。
如此，我们就能获得一个现有各类三相感应式异步电动机和它们的“派生电机”群集合在一起的定子绕组数据库，同时也得到了一个相对应的系统特性数据库。以系统特性数据库作依靠，去应对各类不同特性要求的负载时，人们就能够得心应手地设计出更为理想的系统来。
“派生电机”不是通用电机，它是专为某一具体负载的特性和要求而设计制造出来的。它与相匹配的变频器组合成系统后，一般只单一地与某类负载相适应，不能移作他用。“派生电机”一般也不能直接接入电网运行，所以它是一种专用型电机。
把“派生电机”的额定频率人为地划分为五个频段：超低频段(额定频率≤25Hz)，低频段(额定频率＞25Hz而＜50Hz)，中频段(额定频率＞50Hz而≤120Hz)，高频段(额定频率＞120Hz而≤180Hz)，超高频段(额定频率＞180Hz)。
a.高频段的应用。
可充分利用高频段的“派生电机”的额定功率是原通用电机额定功率2.4-3.6倍的特点。假设有一台大型水泵(或大型通风机)，原设计需要用一台额定功率315KW的通用电机与相匹配的变频器组合成的系统对供水量(或通风量)进行调节驱动。本发明可选用Y系列中型号Y315M3-8(110KW/8极)和Y315M3-6(132KwW/6极)两款通用电机作为“原型电机”。按照本发明的方法，设计制造出它们各自的“派生电机”。其中Y315M3-8(110KW/8极)电机的“派生电机”的额定频率≥145Hz；Y315M3-6(132KwW/6极)电机和“派生电机”的额定频率≥120Hz。它们的额定功率均＞315KW。用两台“派生电机”中任意一台去替代原设计中的315KW通用电机，重新调整变频器的相关设定参数，适当改动电机轴与水泵(或通风机)之间的传动速比关系后，就实现了“小马拉大车”的效果。替换前后两电机制造时的耗材相差极大，两电机运行时各自的发热损耗区别也较大。
b.中频段的应用。
额定频率＞50Hz-≤120Hz的“派生电机”和相匹配的变频器组合成系统后，系统特性表现为恒转矩调速区的扩大，额定功率也同步增大。这对于一些恒转矩负载特性，要求调速范围宽且动态反应快速的负载是大有助益的。
譬如数控机床的主轴传动，它属于恒转矩类负载特性，要求在5Hz-100Hz(甚至更高转速)的范围内稳定运行且要求动态反应快。现有系统＞50Hz进入恒功率调速区，随着转速的升高，转矩会逐步下降，当高速运行时往往会出现转速不稳定，动态反应迟钝，甚至堵转。为此只能选择更大容量的系统以应对。即同时选用更大额定功率的通用电机和更大容量的变频器。
本发明推荐额定频率在中频段的“派生电机”即可解决上述问题。中频段的“派生电机”与它的“原型电机”比较，外型安装尺寸不变，恒转矩调速区扩大，额定功率增大恰好能满足数控机床主轴传动这类负载的特性和要求。
c.低频段的应用。
额定频率小于50Hz的“派生电机”，它们的特点是定子绕组的匝数增加了，额定功率减小了。这对于一些大转动惯量类的负载特别适合。
譬如纺织行业常见的设备-离心式脱水机，就属于大转动惯量类的负载特性。它的特点是转动惯量大，加速时间长，而一旦加速至高速稳定运行时，负载的阻力转矩则急剧下降。为了提高生产效率，尽量缩短加减速时间，人们往往把系统的容量设计得较大，来满足提升设备效率的要求。
如果选用低频段的“派生电机”组成的系统来驱动脱水机则更为适合。把“派生电机”的额定频率选择在31Hz-33Hz之间，这样“派生电机”的绕组匝数比它的“原型电机”增加了约50％-60％。这样在两电机绕组的加速电流相等情况下，“派生电机”输出的加速转矩是“原型电机”的150％-160％。在变频器限定加速电流功能的配合下，“派生电机”组成的系统能很好地缩短加速时间，提高脱水机生产效率。“派生电机”额定功率比“原型电机”的额定功率小，丝毫不妨碍脱水机的运行，因为高速稳定运行时大转动惯量类负载的阻力转矩是极小的。低频段“派生电机”与较小容量变频器组成的系统应对脱水机类负载是非常适配的，可以有效降低脱水机的制造成本。
d.超高频段的应用。
额定频率＞180Hz的“派生电机”的特点是：它的额定转速是它的“原型电机”的额定转速3.6倍以上，额定功率之比也在3.6倍以上，但机座号相同。这对一些要求电机体型尺寸小，输出功率大的负载特性要求是个理想的选择。但是由于额定转速的大幅上升，整个“派生电机”的其它部分结构仍基本维持原状不变的前提下，需要提高它在制造时的精度，譬如定子和转子的同心度，转子的动平衡及轴承的耐高速性等等。
e.超低频段的应用。
额定频率≤25Hz的“派生电机”的特点是：它的绕组匝数比“原型电机”增加了一倍以上。这在电机启动的瞬间和低速时的短时间运行时在电流相同的情况下“派生电机”要比“原型电机”输出大得多的转矩，这对一些启动静阻力矩大的负载和低速短时运行且要求大转矩驱动的负载是十分有用的。由于输出转矩的增大，转子输出轴的材料(或轴径)需要改进。
综上所述，本发明的效果可归纳为“多、快、好、省”：
(1)本发明可在众“多”的变频调速系统中得到应用，改善系统品质。
(2)本发明不复杂繁琐，很“快”就会被专业人员掌握应用；“派生电机”的制造也很简单，很“快”就获所需额定频率的电机。
(3)相对于原先单一的系统特性，专业人员了解掌握了本发明后就能以众多系统特性的曲线簇应对各类不同的负载特性和需求。设计出更“好”、更理想的系统来。
(4)本发明能为电机的制造节“省”出大量的金属资源。
具体的实施例子
a.本发明近期为南方某纺织设备制造厂的脱水机产品的变频调速系统进行了系统改造。在他们系列产品中，φ1500，φ1800和φ2000的三款脱水机，原来配置分别是11KW，15KW和18.5KW容量的变频器和额定功率分别是11KW/8根，15KW/10根，18.5KW/10根的YZL系列电机。
改造选用了低一档次额定功率的电机(7.5KW/8根，11KW/10根，15KW/10根)作为“原型电机”，设计制造了它们的“派生电机，”它们的额定频率选择在31Hz~33Hz之间，各电机对应的变频容量也下了一个档次：7.5KW，11Kw和15KW。实际试运行的结果是：新系统驱动的脱水机的生产效率不变的条件下，电机运行电流下降约30％，达到了节能效果。改造后的新产品可望在今年6月份2007国际上海纺织机械设备展览会上“亮相”。
b.以本发明的方法，一台“原型电机”是Y132S-45.5KW/4极的通用电机将被重新设计成额定功率150Hz的“派生电机”。(其额定功率为16.5KW/4极)
这台“派生电机”计划于今年6月替换下在上海某木地板生产企业的生产车间吸尘风机上一台Y160M2-215KW/2极的通用电机。“派生电机”和原来电机的重量分别是70公斤和130公斤。

Claims (3)

1.一种按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法，其特性在于具体步骤如下：
在基本不改变通用电机的机座号、转子、定子的情况下，通过对定子绕组参数按一定规则进行排序式设计，并计算出相应的一连串的新参数，再按这些新参数一一制成新绕组，并逐一替换原通用电机的定子绕组，获得一连串众多的新电机；称原通用电机为“原型电机”，新的电机为“派生电机”；
这里，所述的一定规则为：所谓“派生电机”定子绕组与“原型电机”定子绕组的导线的用铜量基本相当；所述排序式设计为：以原型电机的定子绕组参数为基准，按每个线圈逐次减少一匝或逐次增加一匝，根据定子绕组的导线用铜量基本相当的规则，计算出“派生电机”的各种新参数，这些参数为：每相绕组匝数、绕组导线截面积、对应的额定频率、对应的额定功率和对应的额定电流。
2.根据权利要求1所述的按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法，其特征在于将“派生电机”和“原型电机”按额定频率大小顺序排列，将它们与相匹配的变频器组合成各自的系统时，形成众多系统特性组成的曲线簇，以此曲线簇对应不同特性要求的负载，从而选择，设计出经济合理的系统。
3.根据权利要求2所述的按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法，其特性在于把“派生电机”的额定频率分为如下五个频段：
(1)超低频段，额定频率≤25Hz；
(2)低频段，25Hz＜额定频率＜50Hz；
(3)中频段，50Hz＜额定频率≤120Hz；
(4)高频段，120Hz＜额定频率≤180Hz；
(5)超高频段，180Hz＜额定频率；
然后根据实际应用需要选择和设计不同频率的派生电机。
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