CN105958761A - 一种双层同心式不等匝绕组的设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种计算方便、计算精度高、计算周期短的电机双层不等匝绕组设计技术方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种双层同心式不等匝绕组的设计计算方法。本发明的优点是：通用性强，可计算任何槽数、极数整数槽的三相异步电动机不等匝绕组的谐波比漏磁导；计算方便，不需借助有限元等其它计算软件；易于编制程序进行计算，节省设计时间；计算过程中没有经验公式，计算精度高。

Description

一种双层同心式不等匝绕组的设计计算方法

技术领域

本发明涉及一种双层同心式不等匝整距绕组的设计计算方法。

背景技术

随着国家对节能减排工作的日益重视，先后出台了各种节能战略政策，其中感应电机量大面广，每年耗电量约占整个发电量的57％。由于电机基数巨大，提高电机的效率已成为节能减排的重要方法。现在市场上已经开始出现达到IE4效率等级的电机，这势必对电机设计提出了更高的要求。

三相异步电动机的电磁设计已经比较成熟，通过普通的加长铁心来增加有效材料用量的方法已经很难有效提高电机的效率，电机铁心过长还会带来散热不利、减少电机寿命的问题，而且增加的有效材料，如铜、铝、铁等均为不可再生资源，电机的全寿命周期成本上升，可能会造成成本上的得不偿失。

普通三相异步电动机采用双层叠绕组，为了降低绕组产生磁势的谐波含量，绕组普遍采用短距和分布排列的处理方法。这种线圈的特点是各匝线圈的匝数、长度、跨距完全相同，这使其产生磁势的正弦性较集中式绕组有所改善，但平均分配显然不是绕组的正弦性的最优方案，但由于制作和嵌线工艺较为简单，所以得到了大面积推广。在设计高效率电机时，如能从正弦性，即从提高磁密波形的正弦性入手进行绕组设计，选用谐波含量更低的绕组电机进行设计，必将降低电机的损耗，在电机有效材料用量总体基本保持不变的情况下有效提高电机的效率，同时提高磁密波形的正弦性有利于降低电机的振动噪声，对节能环保都具有积极的作用。

双层同心式绕组一组线圈排列示意图如图1所示，图中1-5为一组线圈的5个线圈，如1-5线圈的匝数不完全相同，即为双层同心式不等匝绕组。不等匝正弦绕组理论提出较早，前人做了很多工作，如学者赵庆普发表的论文“低谐波绕组的研究”中就提出了计算消除指定次谐波的绕组匝数比的计算方法，后来很多学者提出了各种不等匝绕组的方案，并形成了论文和专利等技术成果。这些技术成果在进一步推动了不等匝绕组的应用，但还存在以下问题，如论文“低谐波绕组的研究”中算法能够计算出消除指定次谐波的匝数比，没有对更多次谐波进行考虑，且很难对任意匝数比的绕组的谐波含量进行计算；专利申请号2014107205750“一种新型单双层混合同心不等匝超超高效异步电机”、专利申请号2012103501154“q为6、7、8的对称不等匝绕组高压三相电动机”、专利号CN102916542B“一种超高效三相异步电动机”等专利中，也不涉及不同槽数、极数电机的通用的谐波计算方法。归纳现阶段不等匝绕组计算方法，缺陷如下：

1、设计方法针对特定槽数和极数的电机，匝数谐波含量计算方法通用性差；

2、计算方法一般采用有限元法或经验公式法，很难得到精确的理论值；

3、计算过程较为复杂，计算周期长。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算方便、计算精度高、计算周期短的电机双层不等匝绕组设计技术方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种双层同心式不等匝绕组的设计计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选择一个规格三相异步电动机，电机定子槽数为Q，极数为2p，极距为τ，每极每相槽数为q，槽跨距为2q+2(请将“2q+2”转化为公式编辑器格式，谢谢)，每线圈匝数为：m1，m2，m3，…，mq，共q个；

步骤2、上下层绕组的等效每极每相槽数为2q-2，计算等效槽数为等效每极每相槽数的1/2，为q-1个；

步骤3、线圈等效匝数为：(m1+m2)，m3，…，mq，共q-1个；

步骤4、计算电角度a，

步骤5、计算不同谐波系数下的绕组系数，谐波系数最大取为MAX，且谐波系数不为2或3的倍数，则任意谐波系数v下的绕组系数为Kdpv，则：

$Kdpv=\frac{\frac{1}{2}(m1+m2)\cos va+\underset{i=3}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}micos\frac{v(2i-3)a}{2}}{\frac{1}{2}(m1+m2)+\underset{i=3}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}mi};$

步骤6、计算得到槽比漏磁导∑s，

优选地，所述MAX取为997。

本发明的优点是：

1、通用性强，可计算任何槽数、极数整数槽的三相异步电动机不等匝绕组的谐波比漏磁导；

2、计算方便，不需借助有限元等其它计算软件；

3、易于编制程序进行计算，节省设计时间；

4、计算过程中没有经验公式，计算精度高。

附图说明

图1为双层同心式不等匝绕组；

图2为H200L2-2-37kW不等匝绕组排列。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例作详细说明如下。

由于双层不等匝绕组的各线圈匝数都可能不同，所以为了保证绕组的对称性，线圈没有采用双层叠绕的型式，而采用双层同心式绕组。

双层同心式绕组中，当绕组的平均槽跨距为每极每相槽数的2倍加k(k＝2，4，6，8...)时，绕组可以绕制成单双层绕组(如绕组的平均槽跨距为每极每相槽数的2倍加2时，图1中的最外侧的1线圈可以并入2线圈中)，这样最外圈绕组的跨距相应减小，有效减小了电机的端部长度，在电磁性能不变的情况下降低了电机的成本。

由于绕组的平均槽跨距越大，则绕组的利用率越高，但大的平均槽跨距也导致绕组端部过长，反而浪费了铜材料，所以在工程中，绕组平均槽跨距一般选为每极每相槽数的2倍加2。

电机不等匝绕组能够改善电机气隙的磁密谐波含量，由于磁密为磁势与磁导之积，计算中不考虑磁导的变化，则可以通过计算磁势谐波来得到磁密的谐波含量；

电机气隙磁势谐波次数较多，需要考虑各次谐波含量的综合影响，电机设计中常用谐波比漏磁导来评价谐波的含量，如式(1)所示。

$\mathrm{\Σ}s=\mathrm{\Σ}{\left(\frac{Kdp\mathrm{\ν}}{\mathrm{\ν}}\right)}^2---\left(1\right)$

式(1)中：∑s为谐波比漏磁导，v为谐波次数，Kdpv为v次谐波的绕组系数。

本发明的计算方法依次包括下列步骤：

步骤1、选择一个规格三相异步电动机，电机定子槽数为Q，极数为2p，极距为τ，每极每相槽数为q，槽跨距为2q+2(请将“2q+2”转化为公式编辑器格式，谢谢)，每线圈匝数为：m1，m2，m3，…，mq，共q个；

步骤2、上下层绕组的等效每极每相槽数为2q-2，计算等效槽数为等效每极每相槽数的1/2，为q-1个；

步骤3、线圈等效匝数为：(m1+m2)，m3，…，mq，共q-1个；

步骤4、计算电角度a，

步骤5、计算不同谐波系数下的绕组系数，直至计算至谐波系数取为997，且谐波系数不为2或3的倍数，则任意谐波系数v下的绕组系数为Kdpv，则：

即有：

$Kdp5=\frac{\frac{1}{2}(m1+m2)cos5a+m3cos\frac{15a}{2}+m4cos\frac{25a}{2}+\mathrm{...}+mqcos\frac{5(2q-3)a}{2}}{\frac{1}{2}(m1+m2)+m3+\mathrm{...}+mq}$

$Kdp7=\frac{\frac{1}{2}(m1+m2)\cos 7a+m3cos\frac{21a}{2}+m4\cos \frac{35a}{2}+\mathrm{...}+mqcos\frac{7(2q-3)a}{2}}{\frac{1}{2}(m1+m2)+m3+\mathrm{...}+mq}$

$Kdp11=\frac{\frac{1}{2}(m1+m2)cos11a+m3cos\frac{33a}{2}+m4cos\frac{55a}{2}+\mathrm{...}+mqcos\frac{11(2q-3)a}{2}}{\frac{1}{2}(m1+m2)+m3+\mathrm{...}+mq}$

$Kdp13=\frac{\frac{1}{2}(m1+m2)\cos 13a+m3cos\frac{39a}{2}+m4cos\frac{45a}{2}+\mathrm{...}+mqcos\frac{13(2q-3)a}{2}}{\frac{1}{2}(m1+m2)+m3+\mathrm{...}+mq}$

直到：

$Kdp997=\frac{\frac{1}{2}(m1+m2)\cos 997a+m3cos\frac{2991a}{2}+m4cos\frac{4985a}{2}+\mathrm{...}+mq\cos \frac{997(2q-3)a}{2}}{\frac{1}{2}(m1+m2)+m3+\mathrm{...}+mq}$

步骤6、计算得到槽比漏磁导∑s，

以一台H200L2-2-37kW三相异步电动机为对象，在电机铁心等参数均不变的情况下，将其原有的叠绕组重新设计成不等匝绕组，对比叠绕组和不等匝绕组的试验值。叠绕组方案中，跨距＝13，每槽导体数为22，并联支路数为2。

步骤1、选用一台H200L2-2-37kW三相异步电动机，定子槽数为36，极数为2，极距为18，每极每相槽数为6，每线圈匝数为：10，10，17，13，10，6，跨距为：1-20，2-19，3-18，4-17，5-16，6-15。由于平均槽跨距为每极每相槽数的2倍加2，所以绕组可连接成单双层绕组，即每线圈匝数为：20(单层)，17，13，10，6，跨距为：1-18(单层)，2-17，3-16，4-15，5-14，绕组排列如图1所示。

步骤2、上下层绕组的等效每极每相槽数为：2*6-2＝10，计算等效槽数为0.5*10＝5。

步骤3、线圈等效匝数与单双层匝数相同：20，17，13，10，6。

步骤4、计算电角度为：360*1/36＝10。

步骤5、计算得到Kdp5至Kdp997的值，见表1。

表1Kdp5至Kdp997的值

步骤6、计算谐波比漏磁导：

$\mathrm{\Σ}s={\left(\frac{0.013106}{5}\right)}^2+{\left(\frac{-0.014408}{7}\right)}^2+\mathrm{...}+{\left(\frac{0.015215}{997}\right)}^2=\mathrm{0.002124.}$

注：通过步骤1至步骤6求得了不等匝绕组的谐波比漏磁导值，由于计算值为理论值，为了检验计算的合理性，对普通绕组和不等匝绕组进行了相应的试验。由于不等匝正弦绕组直接的效果是降低电机的谐波杂散损耗，虽然电机杂散损耗的成因比较复杂，目前仍不能进行准确计算，但谐波杂散损耗占有很大比重，为验证绕组的特性，将普通绕组，不等匝绕组和试验数据进行了对比，如表2所示：

表2两种绕组对比

序号	项目	数值	备注
				1	普通绕组谐波比漏磁导	0.0030
2	不等匝绕组谐波比漏磁导	0.002124
				3	普通绕组电机杂散损耗实测值	648.4W
4	不等匝绕组电机杂散损耗实测值	401.4W

通过绕组计算得到不等匝绕组谐波比漏磁导较普通绕组谐波比漏磁导小很多，即不等匝绕组所产生的谐波含量较普通绕组小很多，理论上能够降低电机的杂散损耗。样机试验显示不等匝绕组的杂散损耗实测值大幅下降，其下降幅度与谐波比漏磁导下降幅度基本相当，印证了此算法有较强的实用性。

Claims (2)

1.一种双层同心式不等匝绕组的设计计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选择一个规格三相异步电动机，电机定子槽数为Q，极数为2p，极距为τ，每极每相槽数为q，每线圈匝数为：m1，m2，m3，…，mq，共q个；

步骤2、上下层绕组的等效每极每相槽数为2q-2，计算等效槽数为等效每极每相槽数的1/2，为q-1个；

步骤3、线圈等效匝数为：(m1+m2)，m3，…，mq，共q-1个；

步骤4、计算电角度a，

步骤5、计算不同谐波系数下的绕组系数，谐波系数最大取为MAX，且谐波系数不为2或3的倍数，则任意谐波系数v下的绕组系数为Kdpv，则：

$Kdpv=\frac{\frac{1}{2}\left(m1+m2\right)\cos va+\underset{i=3}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}mi\cos \frac{v\left(2i-3\right)a}{2}}{\frac{1}{2}\left(m1+m2\right)+\underset{i=3}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}mi};$

步骤6、计算得到槽比漏磁导∑s，

2.如权利要求1所述的一种双层同心式不等匝绕组的设计计算方法，其特征在于，所述MAX取为997。