三相异步电动机绕组设计优化

三相异步电动机绕组设计优化

林鑫煜  何展漪  方坚  沙宇峰

浙江创新电机有限公司  浙江绍兴  312300

中小型电机产业的发展对国民经济建设、能源节约、环境保护和人民生活都起着重要的促进作用。因此，提升中小型电机的效率意义重大且迫在眉睫。然而，提升电机效率则意味着制造成本的增加。有的需新开定转子冲片模具，还将淘汰原来的工装夹具，不仅要增加开模及工装费用，而且产品开发周期延长，大大降低了对市场上高效电机需求的响应速度。有的需增加铁芯长度，从而增加硅钢片及漆包线的材料用量，甚至要重新设计更大更长的机座等，导致电机成本大幅度提高，降低了产品的市场竞争力。

本文阐述一种三相异步电动机绕组设计优化方法，将定子绕组由绕组设计优化前的双层叠绕绕组设计优化为双层同心绕组，这种不等匝绕组的应用，可以较好地削弱高次谐波、降低电机振动噪声、减少附加损耗及提高效率；通过绕组优化排布使绕组设计优化后的等效跨距小于绕组设计优化前的绕组跨距，从而减少了线圈端部长度（俗称“无效边长度”）；其突出优势表现为：一方面，降低了定子绕组电阻，在相同的额定电流下降低了定子绕组铜损耗，提高了效率；另一方面，因绕组总长度减少而降低了漆包线用量，降低了材料成本，提高了企业的市场竞争力。

三相异步电动机中的有绕组定子铁心结构由定子铁心、绕组、槽绝缘、中垫、盖垫、槽楔等组成；定子铁心是由定子冲片一片片叠压而成，叠压后的轴向总长度称为铁心长度。48槽8极电机绕组常规设计跨距为5（Y=5，即1~6）并联路数为2路（a=2）的双层叠绕绕组，在生产实践中，还存在Y=5、a=1或Y=5、a=4或Y=5、a=8等多种设计案例。

本文是对常规设计或现有设计进行绕组设计优化，并联路数与常规绕组设计一致，这符合本文“改动最小效益最大”的初衷。当然，如果你愿意，也可以选用不同的并联路数，但“绕组设计优化前后的定子每槽导体数相同”这一基本原则必须得到保证，业内人士都很熟悉这一点，此处不再展开。为便于理解本文的设计理念，下面我们以一个具体的产品YE3-180L-8实施例进一步加以说明，已知现有技术：Q1=48、2P=8、a=2、Tp=48/8=6、q=48/8/3=2、Z1=50、n1-dc1=2-0.93、Lfe=200、Y=5、双层叠绕，则按照本文的绕组绕组设计优化方法，除改动定子绕组的排列布局外保持与现有技术所有内容完全相同。定子绕组的排列布局包括绕组型式、跨距、匝数。本文绕组跨距Y=(Tp-1)/(Tp-2q+1)=(6-1)/(6-2×2+1)=5/3，本文绕组匝数=int(Z1×73%)/(Z1-int(Z1×73%))=int(50×73%)/(50-int(50×73%))=37/13。

YE3-180L-811kW380V/50Hz电动机改进前后对比参数如表1所示：

表1

由上表可见，本文仅针对定子绕组进行了优化绕组设计优化，将跨距为5、并联路数为2、匝数为50、线规2-0.93的48槽8极双层叠绕绕组绕组设计优化成跨距为5/3、并联路数为2、匝数为37/13、线规2-0.93的48槽8极双层同心绕组，绕组设计优化前的每槽导体数为25×2×2=100，绕组设计优化后每槽导体数为(37+13)×2=100，即绕组设计优化前后每槽导体数相同。绕组设计优化后绕组等效跨距由5降低为4.48，漆包线用量由9.7kg降低为9.4kg，折算到95度时的定子绕组直流电阻由1.0781降低为1.0473Ω，定子铜损耗由660W降低为641.1W，转子铝损耗由279.4W降低为258.5W，降幅最大的则是附加损耗，由247.1W降低为182.6W。机械损耗绕组设计优化前后基本不变，铁耗虽有小幅上升，但综合损耗则由1484.8W降低为1393.9W，电机效率由88.11%提高到88.75%。在崇尚“低碳、节能、减排”的今天，电动机效率的提升更是难能可贵。

本文利用不等匝技术较好地削弱高次谐波，绕组设计优化前后定子绕组基波及谐波绕组系数对比见表2：

表2

表2中，Kdp1为基波绕组系数，Kdp5为5次谐波绕组系数，Kdp7为7次谐波绕组系数。可见，本文绕组的高次谐波含量较现有技术的谐波含量大大降低，这也就是改进后的电机附加损耗较改进前显著降低的主要原因。美中不足的是，改进后的基波绕组系数只有改进前的96.3%，虽降幅很小，但也造成基波磁通密度较改进前有所增大，进而导致改进后的铁耗较改进前有所增加。