双层同心式绕组的分析与应用

双层同心式绕组的分析与应用

作者：翟爱春

来源：《硅谷》2013年第06期

摘 要 为了降低高效电机的杂散损耗，本文重点分析了双层同心式绕组的线圈匝数比、绕组系数及线圈设计方法，完善了电磁计算程序。利用该程序设计出一台双层同心式绕组的三相异步电动机并进行了样机试制，试验数据证明双层同心式绕组在提高效率的同时，还可以降低电机成本，具有显著经济效益。

关键词 双层同心式绕组；低谐波；匝数比；绕组系数

中图分类号：TM303 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）032-071-03 电机绕组磁动势谐波产生的气隙谐波磁场作用于电机铁心产生电磁力并引起振动和噪声，并且增加电机附加损耗、降低运行效率。因此，在电机设计时应研究低谐波含量磁动势电机绕组，以提高电机运行效率。国内外科研院所、高校以及企业在低谐波绕组分析与应用做了大量工作，并取得明显效果。文献[3]分析了双层同心式低谐波绕组的各线圈匝比对谐波绕组系数的影响，文献[4]着重介绍了正弦绕组在Y2系列电机设计中的应用，采用正弦绕组可提高电机效率，同时也能降低电机的成本，但电机绕组设计方法、样机性能对比没有展开。为了获得低谐波绕组的设计方法，本文将分析双层同心式低谐波绕组的绕组系数、匝数比，确定绕组的设计方法，并针对双层同心式低谐波绕组对三相异步电动机计算程序进行完善，在此基础上，试制出一台采用双层同心式绕组的三相异步电机，试验结果表明，与传统绕组相比，采用低谐波绕组，杂散损耗降低了50%，效率提高了0.95%，同时节省铜线2.2 kg，达到高效节能节材料的目的。

1 双层同心式绕组工作原理

众所周知，绕组被比称为电机的“心脏”，绕组在电机设计制造中的重要作用不言而喻，交流绕组有多种分类方法，其中按槽内线圈边层数分类，有单层绕组、双层绕组及单、双层绕组；按每极每相槽数分类，有整数槽绕组及分数槽绕组（q为整数或分数）；按线圈形状和端部连接方式分类，有叠绕组、波绕组以及同心式、链式、交叉式绕组，双层同心式绕组也就是业内人士所称的低谐波绕组，也可以说是一种具有谐波磁势含量较低的绕组。为了得到近似于正弦形的磁势曲线，恰当处理每槽导体数，按正弦规律分布槽电流，这就是双层同心式绕组的设计原理。双层同心式绕组理论实质等同于单相异步电动机中的“正弦绕组”。双层同心式绕组理论上可完全消除各高次谐波磁势，但在实际中却难以实现，原因是线圈的有限匝数。对称的整数槽绕组的磁势谐波次数为：

当Z=0时， υ= 1，是工作谐波，也可以说基波

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当Z取负值时，说明磁势的旋转方向和基波的旋转方向相反。 用下式表示υ次谐波磁势的幅值：

式中：W：绕组串联匝数，I：相电流有效值，kdpυ：υ次谐波的绕组系数，p：绕组的极对数。

从式（2）可以看出，某次谐波绕组系数变小，该次谐波的磁势得到消弱，要使该次谐波的磁势消除，该次谐波绕组系数必须变为零。通过减小绕组系数，来实现降低高次谐波磁势，双层同心式绕组就是这个原理。

可以用υ次谐波磁势Fmυ与基波磁势Fm1的比值Fυ作为参数，来表示υ次谐波磁势的大小与基波磁势的比值（通常用百分数）为参数：

同心式绕组通过削弱高次谐波磁势，从而实现降低杂散损耗、减少附加转矩，抑制电磁噪声等等。磁势谐波形成磁场能量大小决定了高次谐波对以上诸多因素影响的大小，而各次谐波磁场的能量又与磁势幅值的平方成正比，我们可以用下式表示υ次谐波磁场所具有能量。 通过式（4）可以选取最佳设计方案来降低高次谐波磁势，式（4）为方案选取提供了理论依据。

2 匝数比的确定及绕组系数计算 2.1 线圈匝数比计算

选择每对极为18槽的电机，绕组采用短跨距为例（如图1所示），线圈匝数比的计算方法如下。

每极每相槽数q=3（q=槽数/2pm），电角度a=20°，该绕组的各相线圈以及各槽电流的具体分布如1a所示。其中A1=N1 IA，A2=N2 IA，A3=N3 IA，分别为A相中大、中、小线圈的槽电流值。同理可以推算出B相大、中、小线圈，C相大、中、小线圈的槽电流值。 设IA处电流值最大，则IA=-2IB=-2IC=Im，定子内圆的电流层按正弦曲线分布如图1b所示。假设在电流曲线上取1/4圆周周期，比如从第1个槽到第五个槽，各个槽中的电流分布值如下：

第1槽N1·IA-N3·IC=Im·sin80° 第2槽N2·IA-N2·IC=Im·sin60° 第3槽N3·IA-N1·IC=Im·sin40°

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第4槽-N1·IC-N3·IB=Im·sin20° 第5槽-N2·IC-N2·IB=0

通过解上述方程组，可以得到各个线圈的匝数分配比为：

图1c所示磁势曲线，线圈匝数比是按式（5）计算出来的，很明显该磁势曲线呈现规则的阶梯形状，该曲线除含有有用的基波外，还含有各种高次谐波磁势。对各次相谐波绕组系数，我们通过计算可知基本为零，也就是说各次相谐波基本被消除，齿谐波磁势却依然存在，因为齿谐波磁势的绕组系数等同于基波绕组系数，所以仍不可避免含有部分齿谐波磁势。 表1为q=2～6时短跨距绕组理论上线圈匝数比和对应的基波绕组系数。 用同样方法整跨距绕组各个线圈的匝数比计算如下：

按公式（6）匝数比分配的整跨距绕组和按公式（5）分配的短跨距绕组匝数比有着相同的特点。只不过整跨距绕组的基波绕组系数明显高于短跨距绕组基波绕组系数。表2列出的是q=2～6时整跨距绕组通过理论计算出的线圈匝数比和对应的基波绕组系数。 2.2 绕组系数计算

短跨距绕组V次谐波的绕组系数为：

N1，N2…Nq顺次为由大线圈至小线圈的各线圈匝数。 整距绕组的谐波绕组系数为： 3 绕组设计计算

采用同心式绕组具有端部短的优点，但传统上只用于小机座号2极电机做成单层同心式绕组，180以上机座号绕组型式一直都是双层叠绕组，打破传统观念，180以上机座号采用双层同心式绕组应是绕组众多改进方法的一个方向，需要说明的是双层同心式绕组是能依照《中小型三相异步电动机电磁计算程序》进行电磁设计的，不过个别数据还需要通过重新计算才能得到。本文通过对三相异步电动机Y2-280M-6的双层同心式绕组设计为例，详细介绍双层同心式绕组的电磁设计方法。Y2-280M-6电机原设计有关数据见表3。 3.1 绕组设计方案的选取

根据表1或表2的匝数比分配各线圈的匝数，依据式（7）或（8）计算出各谐波绕组系数值，然后按式（3）和式（4）依次计算出各次谐波磁场所具有的能量，综合考虑比对，确定最佳绕组设计方案。

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为了方便与原设计双层叠绕组进行比较，Y2-280M-6（55KW）双层同心式低谐波绕组的设计，采用每槽导体数和线规与原双层叠绕组设计方案相同，只改变线圈绕线型式，采用整跨距双层同心式绕组。鉴于原设计双层叠绕组的基波绕组系数比双层同心式的基波绕组系数高，为避免堵转电流太大，功率因数过于下降，每相串联导体数不能减少太多，故选择基波绕组系数相对较高的匝数比，选取各线圈的匝数比方案：N1：N2：N3：N4=11：18：11：4，各线圈的节距方案：y1=12，y2=10，y3=8，y4=6。表4为改进后新方案各次谐波绕组系数和谐波磁场能量与原设计方案的比较。

通过比对可以看出改进后的新方案谐波磁场能量明显下降，各次谐波磁场能量之和仅占原设计的19.1%，而齿谐波磁场已从原设计的79.7%下降到15%，不过改进后的新方案5次谐波还比较强，这也影响杂散损耗和制动转矩，但其他各次谐波的影响已基本接近于零。 4 试验验证

以一台Y2-280M-6（55 kW）三相异步电动机为例，通过只改变绕组绕线型式，由双层叠绕组改为双层同心式低谐波绕组，其它参数不变，做两台样机。表5列出了试验后两台样机性能参数试验数据与原设计双层叠绕组试验数据。

从表5试验结果可以看出，改进后的双层同心式绕组做的样机的杂散损耗明显下降，和传统双层叠绕组电机杂散损耗相比，大约下降一半，而效率却提高了大约1个点，并且温升还降低了3 K，同时节约电磁线2.2 kg，双层同心式绕组不仅节约材料，而且电机主要性能得到提升，既经济又实用。 5 结束语

本文分析了双层同心式绕组即低谐波同心式绕组的原理，简述了线圈的匝数比及绕组系数，并以整数槽对称三相异步电动机定子绕组为例，说明了双层同心式绕组的设计原理与具体的计算方法。用试验数据证明双层同心式绕组不仅满足技术指标，同时提高了经济指标，论证了双层同心式绕组的可行性和实用性。 参考文献

[1]许实章.交流电机的绕组理论[M].北京：机械工业出版社，1985. [2]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]李晓松，陈乔夫.双层同心式低谐波绕组计算[J].微特电机，2004，8：14-16. [4]宁榕，郭新喜.正弦绕组在Y2系列电机中的应用[J].电机技术.

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[5]詹立明，任翠英.斜槽度对单相异步电动机起动转矩的影响[J].湖南大学学报，2000，27（3）：69-72.