雙層同心式低諧波繞組設計對YE4系列電動機能效提升的研究

呂仙銀 湯紹釗 葉德住

（1.寧德職業(yè)技術學院，福建 寧德 355000；2.中華人民共和國寧德海關，福建 寧德 352100）

0 引言

在傳統(tǒng)能源產(chǎn)品消耗越來越大和環(huán)境日益惡化的當今社會，節(jié)能降耗已經(jīng)成為熱門話題和多國政府、全體社會的共識，中小型電動機（以下簡稱“電動機”）電力能耗體量大，每年消耗我國2/3以上的工業(yè)用電，因此降低電動機損耗，提高電動機效率，推廣高效、超高效等電動機，對于國民經(jīng)濟建設、節(jié)約能源和保護環(huán)境等方面都具有相當積極的作用。自2012年國家標準委發(fā)布電動機能效標準GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》[1]以來，國家節(jié)能增效成果明顯，社會各界越來越意識到推廣超高效電動機的深遠意義。2020年國家標準委再次更新?lián)Q版了電動機效率標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》[2]，相比于2012年的舊版能效標準，2020年的新版能效標準不僅再次提高了三相異步電動機能效要求，還增加了8極三相異步電動機能效等級和一些單相電動機能效要求。原本國外能效標準IEC 60034-30—2014中IE4級等效于原中國能效2012版標準中的1級能效，而GB 18613—2020標準實施后，IE4能效等級對應于中國新版能效標準中的2級能效，從2021年6月開始執(zhí)行IE3（對應2020版本3級能效）最低能效標準要求。

實現(xiàn)電動機節(jié)材增效設計的方法主要包括設計改進和工藝提升兩個方面。設計改進包含：定子繞組降諧波優(yōu)化結構、合理設計定轉子沖片磁路和槽型，定子和轉子槽型增大，使用閉口槽結構的轉子硅鋼片，使用導磁性高、損耗低的冷軋硅鋼片，設計合適的風扇外徑，提升通風氣流流動性，合理增大電動機氣隙等；工藝提升包含：定子沖片退火處理、鑄鋁轉子脫殼處理等。本文以槽滿率相同為基礎，通過計算各線圈匝數(shù)比，以消除或降低諧波為目的，將電動機繞組結構設計成正弦低諧波繞組，最終選擇類似于雙層同心式正弦低諧波繞組這樣合適的繞組類型[1-2]。通過細節(jié)設計、綜合考量，可以提高電動機效率，節(jié)省材料的使用，降低產(chǎn)品成本。雙層同心式正弦低諧波繞組設計與傳統(tǒng)的雙層疊式短距繞組相比優(yōu)勢明顯，有諧波含量更低、繞組系數(shù)相對更高的優(yōu)點，可作為節(jié)省材料、提高效率的電動機設計的有效方法。YE4系列電動機作為一款企業(yè)廣泛生產(chǎn)的高效電動機，其能效等級對應著IEC標準中IE4等級或國內(nèi)能效2級，針對YE4系列電動機開展的節(jié)材增效方案設計，對降低企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟效益和幫助國家節(jié)材增效等都具有相當重要的意義。

本文以YE4-200L1-2電動機為例，重點介紹了雙層同心式低諧波繞組在電動機中的應用，并制作了樣機進行驗證。

1 YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組基本參數(shù)及諧波基波幅值百分比[3]

電動機的繞組作為勵磁元件產(chǎn)生基波磁場，同時還伴隨著各種高次諧波磁場。諧波磁場變大也會使電動機損耗加大，從而降低電動機的效率，不利于效率的提升，因此可以通過降低諧波磁場，從而降低電動機五大損耗，提升電動機的效率。YE4系列機座為180 mm或者大于180 mm的二極電動機有部分企業(yè)采用雙層繞組和短距離安排。雙層疊式短距繞組可以在一定程度上降低諧波強度，但其基波繞組系數(shù)也隨之降低，繞組系數(shù)越低，需要消耗的漆包線越多，成本也越高。

YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組的基本參數(shù)如表1所示，各次諧波基波幅值百分比如表2所示。

表2 YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組各次諧波基波幅值百分比

2 雙層同心式低諧波繞組的設計原理及不等匝匝數(shù)配置

異步電動機氣隙合成磁場空間諧波主要來自兩個方面，一是由于線圈不連續(xù)分布使磁勢呈階梯狀分布而產(chǎn)生的諧波，二是由于定子和轉子開槽造成轉子不同位置磁路磁阻不同產(chǎn)生的氣隙齒諧波。削弱氣隙齒諧波的方法有很多，包括采用半閉口槽、閉口槽、磁性槽楔的方式來減小氣隙磁導變化，或者通過增大氣隙增大磁路磁阻從而減小齒槽引起磁導變化所占的百分比，還可以采用分數(shù)槽繞組等，這些本文暫不討論。如果忽略槽結構造成的磁導變化，可以認為電動機的氣隙磁導沿圓周方向是均勻的，交流繞組磁動勢的空間諧波決定了異步電動機氣隙合成磁場空間諧波，因此正弦低諧波節(jié)能繞組的設計方向轉為槽內(nèi)繞組線匝數(shù)的合理設計提升，使定子安匝數(shù)在圓周上正弦分布也就是磁勢波在圓周方向上正弦分布。雙層同心式低諧波繞組設計可以通過對不等匝匝數(shù)的合理配置，使定子安匝數(shù)在圓周上呈現(xiàn)正弦分布[4]。

雙層同心式低諧波繞組有短距跨距和整距跨距兩種基本型式，現(xiàn)結合YE4-200L1-2電動機以短距跨距為例說明雙層同心式低諧波繞組匝比分配方法（此方法也適用于整距型式繞組，亦適用于每極相槽數(shù)Q≠6的情況）。YE4-200L1-2電動機定子槽數(shù)為36槽，每極相槽數(shù)Q=6，槽距電角a=10°，繞線跨距為1-18，2-17，3-16，4-15，5-14，6-13。繞組展開圖如圖1所示[3]。

圖1 繞組展開圖

當iA處于最大值時，iA=-2iB=-2iC=Im（Im為相電流幅值），為滿足定子內(nèi)圓槽電流按正弦分布，以下式（1）～式（8）需成立。

式中：IF為槽電流波形幅值；N1、N2、N3、N4、N5、N6為匝數(shù)。

解上列式（1）～式（8）可得各線圈匝比為N1:N2:N3:N4:N5:N6=9.40:8.11:6.58:4.85:2.97:1。

至此，當繞組按以上匝比分配時，定子內(nèi)圓槽電流按正弦分布，定子磁勢呈正弦波形，氣隙磁場諧波含量最低。

3 YE4-200L1-2雙層同心式低諧波繞組的基本參數(shù)及諧波基波幅值百分比

根據(jù)以上理論方法設計YE4-200L1-2電動機，其繞組參數(shù)如表3所示，各次諧波基波幅值百分比如表4所示[5-6]。

表3 YE4-200L1-2雙層同心式繞組的基本參數(shù)

表4 YE4-200L1-2雙層同心式繞組各次諧波基波幅值百分比

將表1和表3、表2和表4進行對比可以發(fā)現(xiàn)，使用雙層同心式節(jié)能繞組方式設計的電動機，其基波繞組系數(shù)有明顯提升，而5次諧波和7次諧波的基波幅值有很明顯的下降改善，且最終銅線材料損耗相比之前節(jié)省了大約2.3 kg，約下降了11.4%。

4 兩種方案比較

根據(jù)雙層疊式短距和雙層同心式低諧波兩種方案制作樣機并試驗，試驗結果如表5所示。

表5 試驗結果比較

從表5試驗結果比較得出，根據(jù)雙層同心式低諧波繞組方式設計的電動機，在繞組材料用量方面有所降低，而效率反而有所提升，證明了根據(jù)雙層同心式低諧波繞組方式設計的電動機節(jié)省了繞組材料，降低了電動機諧波，提升了電動機效率。

5 結論

本文提出了應用雙層同心式低諧波繞組替代雙層疊式短距繞組的方法，比較了YE4-200L1-2雙層疊式短距繞組的基本參數(shù)和雙層同心式低諧波繞組的基本參數(shù)，證明了根據(jù)雙層同心式低諧波繞組方案設計的電動機繞組系數(shù)提升，諧波降低。試驗表明，采用雙層同心式低諧波繞組設計是節(jié)約材料、提升效率的有效方法，尤其是YE4系列高效電動機，因傳統(tǒng)繞組設計的短距離槽數(shù)量比較多，繞組系數(shù)低，機座180 mm及以上電動機采用雙層同心式低諧波繞組替代傳統(tǒng)雙層疊式短距繞組的設計，提升電動機效率的效果更理想。