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双层同心式绕组分析与应用 　　摘 要 为了降低高效电机的杂散损耗，本文重点分析了双层同心式绕组的线圈匝数比、绕组系数及线圈设计方法，完善了电磁计算程序。利用该程序设计出一台双层同心式绕组的三相异步电动机并进行了样机试制，试验数据证明双层同心式绕组在提高效率的同时，还可以降低电机成本，具有显著经济效益。 　　关键词 双层同心式绕组；低谐波；匝数比；绕组系数 　　中图分类号：TM303 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）032-071-03 　　电机绕组磁动势谐波产生的气隙谐波磁场作用于电机铁心产生电磁力并引起振动和噪声，并且增加电机附加损耗、降低运行效率。因此，在电机设计时应研究低谐波含量磁动势电机绕组，以提高电机运行效率。国内外科研院所、高校以及企业在低谐波绕组分析与应用做了大量工作，并取得明显效果。文献[3]分析了双层同心式低谐波绕组的各线圈匝比对谐波绕组系数的影响，文献[4]着重介绍了正弦绕组在Y2系列电机设计中的应用，采用正弦绕组可提高电机效率，同时也能降低电机的成本，但电机绕组设计方法、样机性能对比没有展开。为了获得低谐波绕组的设计方法，本文将分析双层同心式低谐波绕组的绕组系数、匝数比，确定绕组的设计方法，并针对双层同心式低谐波绕组对三相异步电动机计算程序进行完善，在此基础上，试制出一台采用双层同心式绕组的三相异步电机，试验结果表明，与传统绕组相比，采用低谐波绕组，杂散损耗降低了50%，效率提高了0.95%，同时节省铜线2.2 kg，达到高效节能节材料的目的。 　　1 双层同心式绕组工作原理 　　众所周知，绕组被比称为电机的“心脏”，绕组在电机设计制造中的重要作用不言而喻，交流绕组有多种分类方法，其中按槽内线圈边层数分类，有单层绕组、双层绕组及单、双层绕组；按每极每相槽数分类，有整数槽绕组及分数槽绕组（q为整数或分数）；按线圈形状和端部连接方式分类，有叠绕组、波绕组以及同心式、链式、交叉式绕组，双层同心式绕组也就是业内人士所称的低谐波绕组，也可以说是一种具有谐波磁势含量较低的绕组。为了得到近似于正弦形的磁势曲线，恰当处理每槽导体数，按正弦规律分布槽电流，这就是双层同心式绕组的设计原理。双层同心式绕组理论实质等同于单相异步电动机中的“正弦绕组”。双层同心式绕组理论上可完全消除各高次谐波磁势，但在实际中却难以实现，原因是线圈的有限匝数。对称的整数槽绕组的磁势谐波次数为： 　　当Z=0时， υ= 1，是工作谐波，也可以说基波 　　当Z取负值时，说明磁势的旋转方向和基波的旋转方向相反。 　　用下式表示υ次谐波磁势的幅值： 　　式中：W：绕组串联匝数，I：相电流有效值，kdpυ：υ次谐波的绕组系数，p：绕组的极对数。 　　从式（2）可以看出，某次谐波绕组系数变小，该次谐波的磁势得到消弱，要使该次谐波的磁势消除，该次谐波绕组系数必须变为零。通过减小绕组系数，来实现降低高次谐波磁势，双层同心式绕组就是这个原理。 　　可以用υ次谐波磁势Fmυ与基波磁势Fm1的比值Fυ作为参数，来表示υ次谐波磁势的大小与基波磁势的比值（通常用百分数）为参数： 　　同心式绕组通过削弱高次谐波磁势，从而实现降低杂散损耗、减少附加转矩，抑制电磁噪声等等。磁势谐波形成磁场能量大小决定了高次谐波对以上诸多因素影响的大小，而各次谐波磁场的能量又与磁势幅值的平方成正比，我们可以用下式表示υ次谐波磁场所具有能量。 　　通过式（4）可以选取最佳设计方案来降低高次谐波磁势，式（4）为方案选取提供了理论依据。 　　2 匝数比的确定及绕组系数计算 　　2.1 线圈匝数比计算 　　选择每对极为18槽的电机，绕组采用短跨距为例（如图1所示），线圈匝数比的计算方法如下。 　　每极每相槽数q=3（q=槽数/2pm），电角度a=20°，该绕组的各相线圈以及各槽电流的具体分布如1a所示。其中A1=N1 IA，A2=N2 IA，A3=N3 IA，分别为A相中大、中、小线圈的槽电流值。同理可以推算出B相大、中、小线圈，C相大、中、小线圈的槽电流值。 　　设IA处电流值最大，则IA=-2IB=-2IC=Im，定子内圆的电流层按正弦曲线分布如图1b所示。假设在电流曲线上取1/4圆周周期，比如从第1个槽到第五个槽，各个槽中的电流分布值如下： 　　第1槽N1·IA-N3·IC=Im·sin80° 　　第2槽N2·IA-N2·IC=Im·sin60° 　　第3槽N3·IA-N1·IC=Im·sin40° 　　第4槽-N1·IC-N3·IB=Im·sin20° 　　第5槽-N2·IC-N2·IB=0 　　通过解上述方程组，可以得到各个线圈的匝数分配比为： 　　图1c所示磁势曲线，线圈匝数比是按式（5）计算出来的，很明显该磁势曲线