基于三相定子繞組的排線技巧與分析

河南 萬玉吉 田春燕

引言

定子繞組是電機的心臟,是電機中最薄弱的部位，是電機設計人員和電機維修人員必須掌握的一個技術難題,為此，本文將用通俗易懂的語言,清晰明了的步驟,形象直觀的插圖,系統地介紹一下三相定子繞組的排線技巧與分析過程。下面就以3相24槽4極交流電機為例說明，在實踐中就可以舉一反三。

1 計算參數

在電機理論中，涉及到許多參數，但在電機的排線設計中，僅需掌握極距、槽距角、相帶、相位差這四個參數[1]，這是電機排線設計的技巧之一。

1.1 計算極距(τ)

三相對稱定子繞組通入三相對稱交流電后,在定子內圓上會形成N、S…多對磁極,這些磁極同時旋轉時帶動轉子旋轉。

每個磁極所占有的槽數叫極距(τ)，τ＝Z/2P(槽)，Z叫定子槽數,2P叫定子磁極數,P叫極對數,那么,3相24槽4極交流電機的極距為:τ＝24/2×2＝6(槽)。

1.2 計算槽距角(a)

在電機理論中，每一對磁極(即N、S極)所形成的電角度為360°,那么,P對磁極所形成的電角度為P×360°。通常可以從電機的銘牌中查到電機的磁極數,例如：型號為Y120M—4的三相交流電機,定子磁極數為2P＝4極，磁極對數為P＝2對，其定子內圓上形成的電角度為2×360°＝720°。

相鄰兩槽之間的電角度叫槽距角(a)，a＝P×360°／Z,那么,3相24槽4極交流電機的槽距角為:a＝2×360°／24＝30°。

1.3 計算相帶（Q）

每個磁極中包含有三相繞組，每個磁極中每相繞組所占有的槽數叫相帶(Q)[2]，三相交流電機的相帶為Q＝τ/3（槽）,那么，3相24槽4極交流電機的相帶為:Q＝6/3＝2(槽)。

1.4 計算位置差（Φ）

三相交流電機的三相繞組分別叫U相繞組、V相繞組、W相繞組。U相繞組的頭和尾分別用U1、U2表示；V相繞組的頭和尾分別用V1、V2表示；W相繞組的頭和尾分別用W1、W2表示。三相繞組的頭U1、V1、W1依次相差的槽數叫相位差（Φ），Φ＝120°／a（槽）,那么,3相24槽4極交流電機的相位差是Φ＝120°／30°＝4（槽）。

2 劃分極距、相帶、電流

極距、相帶、電流瞬時方向的劃分方法有多種，下面按最簡單的方法設計，這是電機排線設計的技巧之二。

2.1 劃分極距

先畫出定子鐵心展開后的Z槽,并標上槽號；再按τ的寬度劃分出各磁極的極距，并按N、S…的規律標出各磁極的名稱，那么,3相24槽4極交流電機的各極距（由1.1知τ＝6槽）如圖1。

圖1 劃分極距

2.2 劃分相帶

在各磁極中，按Q的寬度劃分出各相帶,并按U-W-V…的規律標出各相帶的名稱,那么,3相24槽4極交流電機的各相帶（由1.3知Q＝2槽)如圖2。

圖2 劃分相帶

2.3 劃分電流的瞬時方向

按N極面中電流方向向上,S極面中電流方向向下的規律標出各槽中電流的瞬時方向[3],那么,3相24槽4極交流電機各槽中電流的瞬時方向如圖3。

圖3 劃分電流的瞬時方向

3 畫展開圖

3.1 三個重要概念

同一個線圈的兩個邊之間所間隔的槽數叫節距（y），例如，線圈的左邊在第2槽，右邊在第8槽，那么，該線圈的節距為y＝6槽。

繞組的形式有鏈式（包括單鏈、雙鏈等），即每組中各線圈節距相同,只不過前后錯開一槽；有同心式，即每組中各線圈的大小象同心圓；有交叉式，即組與組之間的串聯是一個大組和一個小組。

每相中組與組之間接線規律有反串，即組與組之間是頭接頭或尾接尾的連接；有順串，即組與組之間是尾接頭或頭接尾的連接。

3.2 先畫U相繞組展開圖

電機展開圖的設計方法有多種，但只要符合以下三點原則，就能設計出最簡易的展開圖，這是電機排線設計的技巧之三。

以U相為例說明每相繞組設計時應符合的三點原則[4][5]：①U相帶的槽中嵌放U相線圈;②U相帶中所有線圈要串聯（一路），且要符合電流的瞬時方向;③線圈的節距要最短，以便節省銅線。

按照原則①和②可畫出3相24槽4極交流電機的U相展開圖如圖4，它有三種形式。

圖4 U相展開圖

再按照③的要求進行分析。如表1，節距分析，顯然，繞組節距最短的是圖4(c)，故而得出結論：3相24槽4極交流電機的U相展開圖采用圖4（c）為最佳，繞組形式為單鏈式，接線規律為反串，線圈節距為y＝5槽。

表1 節距分析

3.3 再畫V、W相繞組展開圖

先確定 V1、W1的位置。因為3相24槽4極交流電機的 U1、V1、W1要依次滯后4槽，又由于U1在第2槽，故V1應在第6槽，W1應在第10槽，如圖5。

再按照與圖4（c）同樣的規律分別從第6槽和第10槽開始，復制出V、W相繞組即可。那么，3相24槽4極交流電機的三相繞組展開圖,如圖5。

圖5 三相展開圖

4 畫端線圖（或實際下線圖）

端線圖既能表達出實際下線規律，又能表達出接線規律，通過下面兩步的介紹，就可畫出形象直觀的端線圖，這是電機排線設計的技巧之四。

4.1 給各線圈編號

給展開圖中各線圈依次編號為①、②、③…，如圖6。

圖6 給各線圈編號

4.2 畫端線圖（或實際下線圖）

由圖6知，線圈⑩、⑨、⑧、…依次向左錯開1槽，因此，在畫端線圖或實際下線時要采用“隔一槽下一個線圈”的規律布線，即從第20槽開始，沿順時針方向，按⑩、⑨、⑧、…依次下每個線圈，那么,3相24槽4極交流電機的端線圖（或實際下線圖），如圖7。

表2 下線順序

具體下線順序，參見表2。⑩線圈下第20槽和第1槽，⑨線圈下第18槽和第23槽，⑧線圈下第16槽和第21槽…，采用“隔一下一”的規律，自然容易下線。

說明：⑴三相交流電機通常采用單平面下線法，如圖7，即每個線圈的一個邊在外檔，另一個邊在內檔，這樣的端線圖美觀整齊，少占空間；⑵在實際下線時要注意吊把，本例中，開始的兩個線圈⑩和⑨的第1槽和第23槽先不下到槽中，等到最后一個線圈下完之后，再把第1槽和第23槽下進槽中，這就是吊把。

圖7 端線圖

5 連線

所有線圈下完之后，要按照3.2中的接線規律，線圈①④⑦⑩反串成U相繞組；線圈③⑥⑨反串成V相繞組；線圈⑤⑧②反串成W相繞組。最后再把三相繞組的六個端頭引到接線盒中，接線盒中第一排的順序是U1、V1、W1,第二排的順序是 W2、U2、V2。

結束語

按照3.2中的原則①②所設計出每種電機的線圈節距或繞組形式可以有多種，都能形成旋轉磁場，但還要按照原則③的要求進行分析，本例中的3相24槽4極電機最佳的設計是單鏈式，但如果設計成同心式或雙鏈式，電氣性能照樣可以，只不過線圈節距變大，浪費銅線。

掌握了本文介紹的設計技巧，對于電機的大修、空殼電機的重繞、電機的改繞將會起到很好的作用，至于線圈的匝數、漆包線的線徑可參考原數據或參考同規格的電機查得。

［1］包玉華.電工學［M］.北京：北京煤炭工業出版社,1992.

［2］賈大義.常用電機原理與設計［M］.北京：北京輕工業出版社,1996.

［3］楊天明.電動機繞組維修技術［M］.北京：北京化學工業出版社,2006.

［4］黃永銘.電動機與變壓器［M］.北京：高等教育出版社,1993.

［5］松柏.電動機修理技術［M］.北京：北京科學技術出版社,1994.