一種雙層同心式不等匝繞組的設計計算方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種計算方便、計算精度高、計算周期短的電機雙層不等匝繞組設計技術方法。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是提供了一種雙層同心式不等匝繞組的設計計算方法。本發(fā)明的優(yōu)點是：通用性強，可計算任何槽數(shù)、極數(shù)整數(shù)槽的三相異步電動機不等匝繞組的諧波比漏磁導；計算方便，不需借助有限元等其它計算軟件；易于編制程序進行計算，節(jié)省設計時間；計算過程中沒有經驗公式，計算精度高。
【專利說明】
一種雙層同心式不等匝繞組的設計計算方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙層同心式不等匝整距繞組的設計計算方法。
【背景技術】
[0002] 隨著國家對節(jié)能減排工作的日益重視，先后出臺了各種節(jié)能戰(zhàn)略政策，其中感應 電機量大面廣，每年耗電量約占整個發(fā)電量的57%。由于電機基數(shù)巨大，提高電機的效率已 成為節(jié)能減排的重要方法?，F(xiàn)在市場上已經開始出現(xiàn)達到IE4效率等級的電機，這勢必對電 機設計提出了更高的要求。
[0003] 三相異步電動機的電磁設計已經比較成熟，通過普通的加長鐵心來增加有效材料 用量的方法已經很難有效提高電機的效率，電機鐵心過長還會帶來散熱不利、減少電機壽 命的問題，而且增加的有效材料，如銅、鋁、鐵等均為不可再生資源，電機的全壽命周期成本 上升，可能會造成成本上的得不償失。
[0004] 普通三相異步電動機采用雙層疊繞組，為了降低繞組產生磁勢的諧波含量，繞組 普遍采用短距和分布排列的處理方法。這種線圈的特點是各匝線圈的匝數(shù)、長度、跨距完全 相同，這使其產生磁勢的正弦性較集中式繞組有所改善，但平均分配顯然不是繞組的正弦 性的最優(yōu)方案，但由于制作和嵌線工藝較為簡單，所以得到了大面積推廣。在設計高效率電 機時，如能從正弦性，即從提高磁密波形的正弦性入手進行繞組設計，選用諧波含量更低的 繞組電機進行設計，必將降低電機的損耗，在電機有效材料用量總體基本保持不變的情況 下有效提高電機的效率，同時提高磁密波形的正弦性有利于降低電機的振動噪聲，對節(jié)能 環(huán)保都具有積極的作用。
[0005] 雙層同心式繞組一組線圈排列示意圖如圖1所示，圖中1-5為一組線圈的5個線圈， 如1-5線圈的匝數(shù)不完全相同，即為雙層同心式不等匝繞組。不等匝正弦繞組理論提出較 早，前人做了很多工作，如學者趙慶普發(fā)表的論文"低諧波繞組的研究"中就提出了計算消 除指定次諧波的繞組匝數(shù)比的計算方法，后來很多學者提出了各種不等匝繞組的方案，并 形成了論文和專利等技術成果。這些技術成果在進一步推動了不等匝繞組的應用，但還存 在以下問題，如論文"低諧波繞組的研究"中算法能夠計算出消除指定次諧波的匝數(shù)比，沒 有對更多次諧波進行考慮，且很難對任意匝數(shù)比的繞組的諧波含量進行計算;專利申請?zhí)?2014107205750"一種新型單雙層混合同心不等匝超超高效異步電機"、專利申請?zhí)?2012103501154 "q為6、7、8的對稱不等匝繞組高壓三相電動機"、專利號CN102916542B "一種 超高效三相異步電動機"等專利中，也不涉及不同槽數(shù)、極數(shù)電機的通用的諧波計算方法。 歸納現(xiàn)階段不等匝繞組計算方法，缺陷如下：
[0006] 1、設計方法針對特定槽數(shù)和極數(shù)的電機，匝數(shù)諧波含量計算方法通用性差；
[0007] 2、計算方法一般采用有限元法或經驗公式法，很難得到精確的理論值；
[0008] 3、計算過程較為復雜，計算周期長。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種計算方便、計算精度高、計算周期短的電機雙層不等匝 繞組設計技術方法。
[0010] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是提供了一種雙層同心式不等匝繞組的設 計計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0011]步驟1、選擇一個規(guī)格三相異步電動機，電機定子槽數(shù)為Q，極數(shù)為2p，極距為t，
*每極每相槽數(shù)為q
;槽跨距為2q+2 (請將"2q+2"轉化為公式編輯器格式，謝 謝），每線圈阻數(shù)為:ml，m2，m3,…，mq，共q個；
[0012]步驟2、上下層繞組的等效每極每相槽數(shù)為2q_2,計算等效槽數(shù)為等效每極每相槽 數(shù)的1/2,為q_l個；
[0013] 步驟3、線圈等效01數(shù)為：（ml+m2)，m3,…，mq，共q-1個；
[0014] 步驟4、計算電角度a:
[0015] 步驟5、計算不同諧波系數(shù)下的繞組系數(shù)，諧波系數(shù)最大取為MAX，且諧波系數(shù)不為 2或3的倍數(shù)，則任意諧波系數(shù)v下的繞組系數(shù)為Kdpv，則：
[0017] 步驟6、計算得到槽比漏磁導
[0018] 優(yōu)選地，所述MAX取為997。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0020] 1、通用性強，可計算任何槽數(shù)、極數(shù)整數(shù)槽的三相異步電動機不等匝繞組的諧波 比漏磁導；
[0021] 2、計算方便，不需借助有限元等其它計算軟件；
[0022] 3、易于編制程序進行計算，節(jié)省設計時間；
[0023] 4、計算過程中沒有經驗公式，計算精度高。
【附圖說明】
[0024]圖1為雙層同心式不等匝繞組；
[0025] 圖2為H200L2-2-37kW不等匝繞組排列。
【具體實施方式】
[0026] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例作詳細說明如下。
[0027]由于雙層不等匝繞組的各線圈匝數(shù)都可能不同，所以為了保證繞組的對稱性，線 圈沒有采用雙層疊繞的型式，而采用雙層同心式繞組。
[0028]雙層同心式繞組中，當繞組的平均槽跨距為每極每相槽數(shù)的2倍加 k(k = 2,4,6， 8...)時，繞組可以繞制成單雙層繞組(如繞組的平均槽跨距為每極每相槽數(shù)的2倍加2時， 圖1中的最外側的1線圈可以并入2線圈中），這樣最外圈繞組的跨距相應減小，有效減小了 電機的端部長度，在電磁性能不變的情況下降低了電機的成本。
[0029] 由于繞組的平均槽跨距越大，則繞組的利用率越高，但大的平均槽跨距也導致繞 組端部過長，反而浪費了銅材料，所以在工程中，繞組平均槽跨距一般選為每極每相槽數(shù)的 2倍加2。
[0030] 電機不等匝繞組能夠改善電機氣隙的磁密諧波含量，由于磁密為磁勢與磁導之 積，計算中不考慮磁導的變化，則可以通過計算磁勢諧波來得到磁密的諧波含量；
[0031] 電機氣隙磁勢諧波次數(shù)較多，需要考慮各次諧波含量的綜合影響，電機設計中常 用諧波比漏磁導來評價諧波的含量，如式(1)所示。
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[0033] 式⑴中：Es為諧波比漏磁導，v為諧波次數(shù)，Kdpv為7次諧波的繞組系數(shù)。
[0034] 本發(fā)明的計算方法依次包括下列步驟：
[0035]步驟1、選擇一個規(guī)格三相異步電動機，電機定子槽數(shù)為Q，極數(shù)為2p，極距為t，
，每極每相槽數(shù)為c
:槽跨距為2q+2 (請將"2q+2"轉化為公式編輯器格式，謝 謝），每線圈阻數(shù)為:ml，m2，m3,…，mq，共q個；
[0036]步驟2、上下層繞組的等效每極每相槽數(shù)為2q_2,計算等效槽數(shù)為等效每極每相槽 數(shù)的1/2,為q_l個；
[0037] 步驟3、線圈等效阻數(shù)為：（ml+m2)，m3,…，mq，共q-1個；
[0038] 步驟4、計算電角度a
[0039]步驟5、計算不同諧波系數(shù)下的繞組系數(shù)，直至計算至諧波系數(shù)取為997,且諧波系 數(shù)不為2或3的倍數(shù)，則任意諧波系數(shù)v下的繞組系數(shù)為Kdpv，則：

[0047] 步驟6、計算得到槽比漏磁導E s，
[0048]以一臺H200L2-2-37kW三相異步電動機為對象，在電機鐵心等參數(shù)均不變的情況 下，將其原有的疊繞組重新設計成不等匝繞組，對比疊繞組和不等匝繞組的試驗值。疊繞組 方案中，跨距=13，每槽導體數(shù)為22，并聯(lián)支路數(shù)為2。
[0049] 步驟1、選用一臺H200L2-2-37kW三相異步電動機，定子槽數(shù)為36,極數(shù)為2,極距為 18，每極每相槽數(shù)為6，每線圈匝數(shù)為：10，10，17，13，10，6，跨距為：1-20，2-19，3-18，4-17， 5-16,6-15。由于平均槽跨距為每極每相槽數(shù)的2倍加2,所以繞組可連接成單雙層繞組，即 每線圈匝數(shù)為:20(單層），17，13，10,6，跨距為：1-18(單層），2-17,3-16,4-15,5-14，繞組排 列如圖1所示。
[0050] 步驟2、上下層繞組的等效每極每相槽數(shù)為:2*6-2 = 10，計算等效槽數(shù)為0.5*10 = 5〇
[0051] 步驟3、線圈等效匝數(shù)與單雙層匝數(shù)相同：20,17,13,10，6。
[0052] 步驟4、計算電角度為:360* 1 /36 = 10。
[0053] 步驟5、計算得到Kdp5至Kdp997的值，見表1。
[0054]表 lKdp5 至 Kdp997 的值

[0057]
[0058] 步驟6、計算諧波比漏磁導：
[0060] 注:通過步驟1至步驟6求得了不等匝繞組的諧波比漏磁導值，由于計算值為理論 值，為了檢驗計算的合理性，對普通繞組和不等匝繞組進行了相應的試驗。由于不等匝正弦 繞組直接的效果是降低電機的諧波雜散損耗，雖然電機雜散損耗的成因比較復雜，目前仍 不能進行準確計算，但諧波雜散損耗占有很大比重，為驗證繞組的特性，將普通繞組，不等 匝繞組和試驗數(shù)據進行了對比，如表2所示：
[0061 ] 表2兩種繞組對比

[0063] 通過繞組計算得到不等匝繞組諧波比漏磁導較普通繞組諧波比漏磁導小很多，即 不等匝繞組所產生的諧波含量較普通繞組小很多，理論上能夠降低電機的雜散損耗。樣機 試驗顯示不等匝繞組的雜散損耗實測值大幅下降，其下降幅度與諧波比漏磁導下降幅度基 本相當，印證了此算法有較強的實用性。
【主權項】
1. 一種雙層同心式不等匝繞組的設計計算方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、選擇一個規(guī)格三相異步電動機，電機定子槽數(shù)為Q，極數(shù)為2p，極距為τ，Γ = f 每極每相槽數(shù)為= f s每線圈阻數(shù)為:ml，m2，m3,…，mq，共q個； 步驟2、上下層繞組的等效每極每相槽數(shù)為2q_2,計算等效槽數(shù)為等效每極每相槽數(shù)的 1/2,為 q-Ι 個； 步驟3、線圈等效阻數(shù)為：（ml+m2)，m3,…，mq，共q-Ι個； 步驟4、計算電角度: 步驟5、計算不同諧波系數(shù)下的繞組系數(shù)，諧波系數(shù)最大取為MAX，且諧波系數(shù)不為2或3 的倍數(shù)，則任意諧波系數(shù)v下的繞組系數(shù)為Kdpv，則：^ i-.-.'S 步驟6、計算得到槽比漏磁導2. 如權利要求1所述的一種雙層同心式不等匝繞組的設計計算方法，其特征在于，所述 MAX 取為997。
【文檔編號】H02K3/28GK105958761SQ201610367708
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】王鴻鵠, 黃堅, 姚丙雷, 金晶, 顧衛(wèi)東
【申請人】上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術研究中心有限公司, 上海電科電機科技有限公司, 上海電器科學研究所（集團）有限公司