對(duì)單繞組雙速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題的探討

譚偉，譚冰

佳木斯電機(jī)股份有限公司

對(duì)單繞組雙速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題的探討

譚偉，譚冰

佳木斯電機(jī)股份有限公司

本文筆者結(jié)合個(gè)人從事電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)參考文獻(xiàn)，對(duì)單繞組雙速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行粗淺的探討，以期希望能夠?yàn)閺V大同行進(jìn)一步做好單繞組雙速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)做出有益的參考。

單繞組雙速異步電機(jī)；電磁設(shè)計(jì)

前言：

單繞組雙速異步電機(jī)作為一種變極調(diào)速電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繞組燒制方便，出線頭少、成本低廉等種種優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，并起到很好的節(jié)能效果。也正因如此，近些年來越來越多的人們加入到了對(duì)單繞組雙速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)研究之中。本文筆者即結(jié)合個(gè)人實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)單繞組雙速異步電機(jī)電磁的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行粗淺的探討，以供參考。

1．主要尺寸的選擇

單繞組雙速異步電機(jī)的電磁過程主要是在氣隙中進(jìn)行的，而其能量形式則是通過氣隙主磁通轉(zhuǎn)換得以實(shí)現(xiàn)的。因此，靠近氣隙的D i1（定子內(nèi)徑），Leff（鐵心有效長(zhǎng)度），g（氣隙長(zhǎng)）則是電機(jī)的三個(gè)主要尺寸。

尺寸基本方程為：

式中：波幅系數(shù)為FS；鐵心有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)eff

對(duì)于功率、轉(zhuǎn)速一定的電機(jī)，Di1和Leff二者的大小則主要是由電磁負(fù)荷A1與Bg值決定?？梢哉f如若采用氣隙磁密度較高的Bg和A1，則在相同P'值下，可將電機(jī)尺寸設(shè)計(jì)的小一些。一般來講為了進(jìn)一步降低電機(jī)的生產(chǎn)成本，在電機(jī)設(shè)計(jì)中可使A1、Bg值較高。

而當(dāng)P'、n1被確定下來時(shí)，從公式的推演中，我們則可以將D2i1、Leff計(jì)算出來。為了能夠更加清楚的反映出電機(jī)的幾何形狀關(guān)系，我們可以引入λ電機(jī)的主要尺寸進(jìn)行表示：

式中：極距為τp

從公式中我們可以看出λ的大小，對(duì)單繞組雙速異步電機(jī)在設(shè)計(jì)中的運(yùn)行性能，經(jīng)濟(jì)性和工藝性都有著巨大影響。

2．定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)選配

第一，定子槽數(shù)的選擇。在電磁設(shè)計(jì)中，如若采用的定子槽數(shù)過多，不僅獲得的磁勢(shì)波形較好，諧波磁場(chǎng)、諧波漏抗也會(huì)隨之減少，其所附加的損耗也會(huì)不斷降低，而定子槽中線圈邊總散熱面積的增加，也會(huì)對(duì)散熱更加有利。但與此同時(shí)，絕緣材料在用量與加工工時(shí)上也會(huì)大大增加，定子槽的利用率則會(huì)被大大降低。因此，在定子槽數(shù)的選擇上，應(yīng)該綜合考慮所有的因素。如：在定子鐵心內(nèi)徑、外徑以及長(zhǎng)度已經(jīng)被確定下來的時(shí)候，在定子槽數(shù)的選擇上應(yīng)該適合鐵心齒磁密，軛磁密，槽內(nèi)導(dǎo)體電流密度，q值可在2到6這個(gè)區(qū)間內(nèi)選擇，且盡量選擇整數(shù)。尤其是在單繞組雙速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)中，有時(shí)為了兩種極數(shù)的電機(jī)通常用同一種沖片，q可能出現(xiàn)分?jǐn)?shù)值。而對(duì)于極數(shù)少，功率大的電機(jī)，q值在選取上則應(yīng)盡量挑選較大值。因此，根據(jù)上述分析，對(duì)于4/6極單繞組雙速異步電機(jī)，在定子槽數(shù)為的選擇上，36槽最為合適。

第二，轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇。定子槽數(shù)Z1，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2，當(dāng)Z1確定不變以后，Z2的槽數(shù)將受到Z1的直接約束。而為了使電機(jī)設(shè)計(jì)更加合理，Z1與Z2之間就必然要有一個(gè)適當(dāng)?shù)呐浜希驗(yàn)橐坏┒ㄗ硬叟c轉(zhuǎn)子槽之間的配合不恰當(dāng)，那勢(shì)必會(huì)直接造成電機(jī)性能變壞。

而在各極數(shù)下，應(yīng)該滿足如下定、轉(zhuǎn)子槽配合關(guān)系：

而通過這個(gè)關(guān)系式，我們可以看到，定子槽與轉(zhuǎn)子槽之間的配合必須要兼顧兩種級(jí)數(shù)對(duì)數(shù)，使其能夠在兩種級(jí)對(duì)數(shù)下的繞組磁勢(shì)諧波較小。因此，對(duì)于槽配合的具體數(shù)據(jù)，則需要對(duì)定繞組作出諧波磁勢(shì)分析之后確定。

3．繞組型式和節(jié)距的選擇

第一，繞組型式。目前單繞組雙速異步電機(jī)的定子繞組通常采用單層繞組型式，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于定子槽內(nèi)只有一個(gè)線圈邊，沒有層間絕緣，對(duì)其的嵌線也比較容易，且定子槽的利用率較高。而其缺點(diǎn)則在于在線圈的節(jié)距上不能夠進(jìn)行靈活的選擇，諧波磁勢(shì)、電勢(shì)也被進(jìn)一步削弱。因此，單繞組型式普遍應(yīng)用于功率較小的電機(jī)之上。

第二，繞組節(jié)距的選擇。在繞組節(jié)距的選擇上，應(yīng)該從多個(gè)角度入手進(jìn)行充分的考慮，如：電機(jī)的電氣性能，工藝性能，材料節(jié)約等。目前，單層繞組一般采用整距，有時(shí)采用短距（y1＜τp）。由于單層繞組是將各相的線圈邊按電勢(shì)相加的原則進(jìn)行連接，而各線圈邊連接的先后次序并不影響電勢(shì)的大小，所以當(dāng)q等于整數(shù)時(shí)，從電勢(shì)計(jì)算來看，單層繞組無論是整距還是短距，其短距系數(shù)K p1都等于（K p1＝1）。

4．定子軛部磁密和軛部尺寸的選取

式中：軛部磁通為Φc；軛部面積為Sc；極弧系數(shù)為αi；極距為τ；鐵心長(zhǎng)為l；軛部寬度為h c；鐵心疊壓系數(shù)為K c。

而通過公式的演算，我們可以看到，當(dāng)氣隙磁密一定時(shí)，軛部磁密與極距成正比，而與極對(duì)數(shù)則成反比。因此，在電磁設(shè)計(jì)中，定子軛部尺寸應(yīng)以少極數(shù)下的極距、氣隙密度進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)束語：

綜上所述，通過本文筆者的闡述，我們?cè)趩卫@組雙速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問題上得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：第一，在主要尺寸的選取上必須要先針對(duì)兩個(gè)不同極數(shù)進(jìn)行分別計(jì)算，進(jìn)而選擇其中較大的一組；第二，在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)選配上，應(yīng)確保定轉(zhuǎn)子在兩種極數(shù)下的諧波含量較少；第三，應(yīng)該從出力的角度，對(duì)繞組型式與節(jié)距進(jìn)行選擇，進(jìn)而使兩種極數(shù)的繞組系統(tǒng)相接近；第四，在定子軛部磁密和軛部尺寸的選取上，應(yīng)以少極數(shù)為準(zhǔn)。也希望通過本文筆者對(duì)單繞組雙速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題的粗淺探討，能夠?yàn)閺V大同行在單繞組雙速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)上做出有益的參考。

[1]薩力夫.單繞組雙速異步電機(jī)設(shè)計(jì)分析[D]華中科技大學(xué).2006-07-01