CN107086742A - 一种单层同心式不等匝绕组的设计计算方法 - Google Patents
一种单层同心式不等匝绕组的设计计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的是提供一种计算方便、计算精度高、计算周期短的电机单层不等匝绕组设计计算方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种单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，可计算任何整数槽的三相异步电动机单层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辅助运算；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
技术领域
本发明涉及一种单层同心式不等匝整距绕组的设计计算方法。
背景技术
三相异步电动机量大面广，每年的耗电量占全国总发电量的一半以上，所以对三相异步电动机的深入研究具有重要意义。随着全球能源消耗的逐年快速增长，美国、欧盟、加拿大、澳大利亚等主要发达国家都在各自的发展计划中不断提升电动机的效率。2008年10月国际电工委员会IEC组织正式发布了IEC60034-30“单速、三相笼型感应电动机的能效分级”标准，统一了全球的电机效率标准，首次提出了IE4效率等级的概念，2014年在发布的最新IEC60034-30-1：2014标准中，正式明确了全球统一的最高的IE4效率指标。
在三相异步电动机中，由于中心高较小电机的体积较小，如果采用一般的双层绕组会带来下线的工艺问题，加上双层绕组中含有层间绝缘，对体积较小的电机会占据更大的定子槽内的空间，造成有效空间的浪费，所以在三相异步电动机设计中，中心高小于等于160mm的电机一般采用单层绕组。单层绕组虽然在下线工艺和空间利用率上有优势，但单层绕组的整距绕组特性会使电机的磁场波形变差，五次和七次谐波的含量增加，造成谐波杂散损耗的增大，不仅会降低电机的效率降低，而且会增大电机的振动和噪声，降低电机的可靠性和使用寿命。
单层不等匝的一组线圈的线圈图如图1所示。图1为H160-2电机的定子线圈，每极每相槽数为6，由于对称关系所以图中仅给出了半个线圈。图1中的1、2、3为每极每相槽数6个线圈中的三个。若电机的每极每相槽数为奇数，即不能被2整除，则不能构成对称的两个线圈，此时需要给出每极每相槽数的所有线圈，如图2所示。图2为H132-4电机的定子线圈，每极每相槽数为3，三个线圈需要全部给出。
不等匝正弦绕组理论提出较早，前人做了很多工作，但所有研究基本针对双层绕组和对应下线工艺，如学者赵庆普发表的论文“低谐波绕组的研究”；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。上面这些研究成果都在双层绕组的不等匝绕组的范围，均未涉及到单层绕组的不等匝绕组的设计计算方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算方便、计算精度高、计算周期短的电机单层不等匝绕组设计计算方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种单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，其中：每极每相槽数为q，其中：且q＞2；
步骤2、选取每线圈匝数为：m1、m2、m3、...、mq，共q个，其中：若q为奇数则m1＝mq、m2＝m(q-1)、...、若q为偶数则m1＝mq、m2＝m(q-1)、...、
步骤3、计算电角度a，
步骤4、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：
当每极每相槽数为奇数时：
当每极每相槽数为偶数时：
步骤5、计算得到槽比漏磁导∑s，
优选地，在步骤4中，MAX取为997。
本发明的优点是：
1、通用性强，可计算任何整数槽的三相异步电动机单层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辅助运算；
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H160-2电机的定子线圈；
图2为H132-4电机的定子线圈。
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。
单层绕组的结构决定了其必为整距绕组，但在工程实际中为了节省端部材料用量，一般连接成端部短距的同心式绕组、交叉式绕组或链式绕组。由于链式绕组的每极每相槽数为2，所以链式绕组的不等匝绕组和等匝绕组完全相同，没有达到降低谐波含量的目的，所以本方法更适用于每极每相槽数大于2的交叉式绕组和同心式绕组。单层不等匝绕组的每槽导体数可能均不同，所以在设计绕组类型时交叉式绕组应改为同心式绕组形式。
单层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，计算中如不考虑磁导的变化，则可以通过计算磁势谐波来得到磁密的谐波含量；
电机气隙磁势中谐波次数较多，需要综合考虑各次谐波的影响，电机设计中常用谐波比漏磁导系数来评价谐波的含量，如下式所示。
式中：∑s为谐波比漏磁导系数；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，其中：每极每相槽数为q，其中：且q＞2；
步骤2、选取每线圈匝数为：m1、m2、m3、...、mq，共q个。其中：若q为奇数则m1＝mq、m2＝m(q-1)、...、若q为偶数则m1＝mq、m2＝m(q-1)、...、
步骤3、计算电角度a，
步骤4、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：
当每极每相槽数为奇数时：
...................
当每极每相槽数为偶数时：
.............................
步骤5、计算得到槽比漏磁导系数∑s，
本实施例以一台H160L-2-18.5kW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，将其原有的等匝绕组重新设计成不等匝同心式绕组，对比绕组的试验值。原绕组方案中，每槽导体数为28，并联支路数为2。
步骤A、选用一台H160L-2-18.5kw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。
步骤B、由于每极每相槽数为偶数，所以设计每线圈匝数为：29、28、27、27、28、29，跨距为：1-18、2-17、3-16、4-21、5-20、6-19。绕组对称设计，可用部分绕组表示全部绕组排布情况，如图1所示。
步骤C、计算电角度为：360*1/36＝10。
步骤D、由于每极每相槽数是偶数，所以由：
.............................
计算得到Kdp5至Kdp997的值，见表1。
表1 Kdp5至Kdp997的值
步骤E、计算得到谐波比漏磁导系数∑s：
注：通过步骤A至步骤E求得了不等匝绕组的谐波比漏磁导值，由于理论计算相对于工程实际可能存在一定的误差，所以需要通过样机的试验进行验证。高次谐波损耗为电机杂散损耗的重要组成部分，占有较高比例，但杂散损耗的具体算法仍不成熟，这里通过谐波含量来估算杂耗的变化情况。普通绕组和不等匝绕组杂耗数据的试验数据对比如表2所示：
表2 两种绕组对比
| 序号 | 项目 | 数值 | 备注 |
| 1 | 普通单层绕组谐波比漏磁导系数 | 0.004664 | |
| 2 | 单层不等匝绕组谐波比漏磁导系数 | 0.004559 | |
| 3 | 普通单层绕组电机杂散损耗实测值 | 231.9W | |
| 4 | 单层不等匝绕组电机杂散损耗实测值 | 209.0W |
通过绕组计算可以看出不等匝绕组谐波比漏磁导系数较小，通过样机试验验证，也证实了谐波比漏磁导系数较小电机的杂散损耗也较小，两者的变化幅度基本相当，证明此算法有较强的实用性。
Claims (2)
1.一种单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，其中：每极每相槽数为q，其中：且q＞2；
步骤2、选取每线圈匝数为：m1、m2、m3、...、mq，共q个，其中：若q为奇数则m1＝mq、m2＝m(q-1)、...、若q为偶数则m1＝mq、m2＝m(q-1)、...、
步骤3、计算电角度a，
步骤4、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：
当每极每相槽数为奇数时：
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步骤5、计算得到槽比漏磁导∑s，
2.如权利要求1所述的一种单层同心式不等匝绕组的设计计算方法，其特征在于，在步骤4中，MAX取为997。
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