一種雙層同心式不等匝繞組的設(shè)計(jì)計(jì)算方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種計(jì)算方便、計(jì)算精度高、計(jì)算周期短的電機(jī)雙層不等匝繞組設(shè)計(jì)技術(shù)方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種雙層同心式不等匝繞組的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：通用性強(qiáng)，可計(jì)算任何槽數(shù)、極數(shù)整數(shù)槽的三相異步電動(dòng)機(jī)不等匝繞組的諧波比漏磁導(dǎo)；計(jì)算方便，不需借助有限元等其它計(jì)算軟件；易于編制程序進(jìn)行計(jì)算，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間；計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算精度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種雙層同心式不等匝繞組的設(shè)計(jì)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙層同心式不等匝整距繞組的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作的日益重視，先后出臺(tái)了各種節(jié)能戰(zhàn)略政策，其中感應(yīng) 電機(jī)量大面廣，每年耗電量約占整個(gè)發(fā)電量的57%。由于電機(jī)基數(shù)巨大，提高電機(jī)的效率已 成為節(jié)能減排的重要方法?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)達(dá)到IE4效率等級(jí)的電機(jī)，這勢(shì)必對(duì)電 機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
[0003] 三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟，通過(guò)普通的加長(zhǎng)鐵心來(lái)增加有效材料 用量的方法已經(jīng)很難有效提高電機(jī)的效率，電機(jī)鐵心過(guò)長(zhǎng)還會(huì)帶來(lái)散熱不利、減少電機(jī)壽 命的問(wèn)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(jī)的全壽命周期成本 上升，可能會(huì)造成成本上的得不償失。
[0004] 普通三相異步電動(dòng)機(jī)采用雙層疊繞組，為了降低繞組產(chǎn)生磁勢(shì)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(xiàn)圈的特點(diǎn)是各匝線(xiàn)圈的匝數(shù)、長(zhǎng)度、跨距完全 相同，這使其產(chǎn)生磁勢(shì)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(xiàn)工藝較為簡(jiǎn)單，所以得到了大面積推廣。在設(shè)計(jì)高效率電 機(jī)時(shí)，如能從正弦性，即從提高磁密波形的正弦性入手進(jìn)行繞組設(shè)計(jì)，選用諧波含量更低的 繞組電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必將降低電機(jī)的損耗，在電機(jī)有效材料用量總體基本保持不變的情況 下有效提高電機(jī)的效率，同時(shí)提高磁密波形的正弦性有利于降低電機(jī)的振動(dòng)噪聲，對(duì)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(xiàn)圈排列示意圖如圖1所示，圖中1-5為一組線(xiàn)圈的5個(gè)線(xiàn)圈， 如1-5線(xiàn)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(xué)者趙慶普發(fā)表的論文"低諧波繞組的研究"中就提出了計(jì)算消 除指定次諧波的繞組匝數(shù)比的計(jì)算方法，后來(lái)很多學(xué)者提出了各種不等匝繞組的方案，并 形成了論文和專(zhuān)利等技術(shù)成果。這些技術(shù)成果在進(jìn)一步推動(dòng)了不等匝繞組的應(yīng)用，但還存 在以下問(wèn)題，如論文"低諧波繞組的研究"中算法能夠計(jì)算出消除指定次諧波的匝數(shù)比，沒(méi) 有對(duì)更多次諧波進(jìn)行考慮，且很難對(duì)任意匝數(shù)比的繞組的諧波含量進(jìn)行計(jì)算;專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?2014107205750"一種新型單雙層混合同心不等匝超超高效異步電機(jī)"、專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?2012103501154 "q為6、7、8的對(duì)稱(chēng)不等匝繞組高壓三相電動(dòng)機(jī)"、專(zhuān)利號(hào)CN102916542B "一種 超高效三相異步電動(dòng)機(jī)"等專(zhuān)利中，也不涉及不同槽數(shù)、極數(shù)電機(jī)的通用的諧波計(jì)算方法。 歸納現(xiàn)階段不等匝繞組計(jì)算方法，缺陷如下：
[0006] 1、設(shè)計(jì)方法針對(duì)特定槽數(shù)和極數(shù)的電機(jī)，匝數(shù)諧波含量計(jì)算方法通用性差；
[0007] 2、計(jì)算方法一般采用有限元法或經(jīng)驗(yàn)公式法，很難得到精確的理論值；
[0008] 3、計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，計(jì)算周期長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種計(jì)算方便、計(jì)算精度高、計(jì)算周期短的電機(jī)雙層不等匝 繞組設(shè)計(jì)技術(shù)方法。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種雙層同心式不等匝繞組的設(shè) 計(jì)計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0011]步驟1、選擇一個(gè)規(guī)格三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)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(qǐng)將"2q+2"轉(zhuǎn)化為公式編輯器格式，謝 謝），每線(xiàn)圈阻數(shù)為:ml，m2，m3,…，mq，共q個(gè)；
[0012]步驟2、上下層繞組的等效每極每相槽數(shù)為2q_2,計(jì)算等效槽數(shù)為等效每極每相槽 數(shù)的1/2,為q_l個(gè)；
[0013] 步驟3、線(xiàn)圈等效01數(shù)為：（ml+m2)，m3,…，mq，共q-1個(gè)；
[0014] 步驟4、計(jì)算電角度a:
[0015] 步驟5、計(jì)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(jì)算得到槽比漏磁導(dǎo)
[0018] 優(yōu)選地，所述MAX取為997。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0020] 1、通用性強(qiáng)，可計(jì)算任何槽數(shù)、極數(shù)整數(shù)槽的三相異步電動(dòng)機(jī)不等匝繞組的諧波 比漏磁導(dǎo)；
[0021] 2、計(jì)算方便，不需借助有限元等其它計(jì)算軟件；
[0022] 3、易于編制程序進(jìn)行計(jì)算，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間；
[0023] 4、計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算精度高。
【附圖說(shuō)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(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以?xún)?yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0027]由于雙層不等匝繞組的各線(xiàn)圈匝數(shù)都可能不同，所以為了保證繞組的對(duì)稱(chēng)性，線(xiàn) 圈沒(méi)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(dāng)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(shí)，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(shí)， 圖1中的最外側(cè)的1線(xiàn)圈可以并入2線(xiàn)圈中），這樣最外圈繞組的跨距相應(yīng)減小，有效減小了 電機(jī)的端部長(zhǎng)度，在電磁性能不變的情況下降低了電機(jī)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(dǎo)致繞 組端部過(guò)長(zhǎng)，反而浪費(fèi)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(jī)不等匝繞組能夠改善電機(jī)氣隙的磁密諧波含量，由于磁密為磁勢(shì)與磁導(dǎo)之 積，計(jì)算中不考慮磁導(dǎo)的變化，則可以通過(guò)計(jì)算磁勢(shì)諧波來(lái)得到磁密的諧波含量；
[0031] 電機(jī)氣隙磁勢(shì)諧波次數(shù)較多，需要考慮各次諧波含量的綜合影響，電機(jī)設(shè)計(jì)中常 用諧波比漏磁導(dǎo)來(lái)評(píng)價(jià)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(dǎo)，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(jì)算方法依次包括下列步驟：
[0035]步驟1、選擇一個(gè)規(guī)格三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)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(qǐng)將"2q+2"轉(zhuǎn)化為公式編輯器格式，謝 謝），每線(xiàn)圈阻數(shù)為:ml，m2，m3,…，mq，共q個(gè)；
[0036]步驟2、上下層繞組的等效每極每相槽數(shù)為2q_2,計(jì)算等效槽數(shù)為等效每極每相槽 數(shù)的1/2,為q_l個(gè)；
[0037] 步驟3、線(xiàn)圈等效阻數(shù)為：（ml+m2)，m3,…，mq，共q-1個(gè)；
[0038] 步驟4、計(jì)算電角度a
[0039]步驟5、計(jì)算不同諧波系數(shù)下的繞組系數(shù)，直至計(jì)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(jì)算得到槽比漏磁導(dǎo)E s，
[0048]以一臺(tái)H200L2-2-37kW三相異步電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，在電機(jī)鐵心等參數(shù)均不變的情況 下，將其原有的疊繞組重新設(shè)計(jì)成不等匝繞組，對(duì)比疊繞組和不等匝繞組的試驗(yàn)值。疊繞組 方案中，跨距=13，每槽導(dǎo)體數(shù)為22，并聯(lián)支路數(shù)為2。
[0049] 步驟1、選用一臺(tái)H200L2-2-37kW三相異步電動(dòng)機(jī)，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(xiàn)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(xiàn)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(jì)算等效槽數(shù)為0.5*10 = 5〇
[0051] 步驟3、線(xiàn)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(jì)算電角度為:360* 1 /36 = 10。
[0053] 步驟5、計(jì)算得到Kdp5至Kdp997的值，見(jiàn)表1。
[0054]表 lKdp5 至 Kdp997 的值

[0057]
[0058] 步驟6、計(jì)算諧波比漏磁導(dǎo)：
[0060] 注:通過(guò)步驟1至步驟6求得了不等匝繞組的諧波比漏磁導(dǎo)值，由于計(jì)算值為理論 值，為了檢驗(yàn)計(jì)算的合理性，對(duì)普通繞組和不等匝繞組進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。由于不等匝正弦 繞組直接的效果是降低電機(jī)的諧波雜散損耗，雖然電機(jī)雜散損耗的成因比較復(fù)雜，目前仍 不能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，但諧波雜散損耗占有很大比重，為驗(yàn)證繞組的特性，將普通繞組，不等 匝繞組和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示：
[0061 ] 表2兩種繞組對(duì)比

[0063] 通過(guò)繞組計(jì)算得到不等匝繞組諧波比漏磁導(dǎo)較普通繞組諧波比漏磁導(dǎo)小很多，即 不等匝繞組所產(chǎn)生的諧波含量較普通繞組小很多，理論上能夠降低電機(jī)的雜散損耗。樣機(jī) 試驗(yàn)顯示不等匝繞組的雜散損耗實(shí)測(cè)值大幅下降，其下降幅度與諧波比漏磁導(dǎo)下降幅度基 本相當(dāng)，印證了此算法有較強(qiáng)的實(shí)用性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙層同心式不等匝繞組的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、選擇一個(gè)規(guī)格三相異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)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(xiàn)圈阻數(shù)為:ml，m2，m3,…，mq，共q個(gè)； 步驟2、上下層繞組的等效每極每相槽數(shù)為2q_2,計(jì)算等效槽數(shù)為等效每極每相槽數(shù)的 1/2,為 q-Ι 個(gè)； 步驟3、線(xiàn)圈等效阻數(shù)為：（ml+m2)，m3,…，mq，共q-Ι個(gè)； 步驟4、計(jì)算電角度: 步驟5、計(jì)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(jì)算得到槽比漏磁導(dǎo)2. 如權(quán)利要求1所述的一種雙層同心式不等匝繞組的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其特征在于，所述 MAX 取為997。
【文檔編號(hào)】H02K3/28GK105958761SQ201610367708
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】王鴻鵠, 黃堅(jiān), 姚丙雷, 金晶, 顧衛(wèi)東
【申請(qǐng)人】上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司, 上海電科電機(jī)科技有限公司, 上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司