Y系列感应电机采用低谐波绕组的高效化改造

李娟，沈建新

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027)

Y系列感应电机采用低谐波绕组的高效化改造

李娟，沈建新

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027)

国家“电机能效提升计划”指出对在用感应电机进行高效化改造是重要技术路线之一。本文以一台常规Y系列感应电机(22kW/Y-180L-4)为例，利用低谐波绕组理论对定子绕组进行改造。有限元仿真表明，与改造前电机相比，低谐波绕组感应电机的气隙磁场各次谐波含量明显削弱，磁负荷与电负荷有所降低，过载能力有所提升，在较宽负载范围内效率较高，起动转矩更大而起动电流略小。本方案改造成本低，电机性能改善明显。

感应电机;低谐波绕组;高效化改造

1 引言

感应电机气隙磁场空间谐波的来源主要有两方面，一是由定转子开槽引起的齿谐波，二是由于相带存在引起的相带谐波。减弱齿谐波的方法有斜槽、采用软磁槽契等。削弱相带谐波的方法主要有增加相数、调整绕组分布等。设计感应电机时，可采用低谐波绕组，亦即通过合理设计槽内绕组匝数，使定子安匝数沿圆周方向呈正弦分布，降低气隙磁场相带谐波，降低损耗，同时也能降低电机的电负荷和磁负荷，增强过载能力，提高电磁性能。然而槽内导体数有一定的限制，很难达到理想正弦情况，因此，低谐波绕组仍会产生一些高次谐波。

现有文献对低谐波绕组的原理、低谐波绕组感应电机的设计方法和电磁性能进行了比较详细的分析［1-4］。在计算电磁性能时，一般采用基于等效电路的方法［1-3］和简单的数值计算法［5］，前者忽略了电机内的集肤效应和铁磁材料的非线性等，等效电路仅适用于额定转速附近电机性能的粗略估计;后者在建立模型时，假设场域内各处场量(包括磁场强度、磁感应强度、向量磁位和电流密度等)均随时间正弦变化，忽略高次谐波，这些假设会在一定程度上影响计算结果的精确性。随着计算机的发展，有限元软件的计算结果准确性较高［6-9］，但是在感应电机的分析计算中应用并不普及。目前的感应电机设计绝大部分还是基于传统的“电磁设计程序”来完成的，精度并不高。

根据工业和信息化部、质检总局提出的“电机能效提升计划(2013～2015年)”［10］的要求，我国在近期内提升电机能效主要有两个举措，即高效电机新产品的推广以及低效旧电机的回收改造。本文的研究旨在对Y系列感应电机进行有限元分析，探究其电磁损耗中的主要成分之一——铁心损耗，并利用低谐波绕组来替代传统绕组，由此降低铁耗、提升效率，以较低的材料和加工成本实现旧电机的高效化改造。本文将以一台22kW/Y系列感应电机(Y-180L-4)为例开展相关研究。有限元计算结果表明，采用低谐波绕组的方式是有效可行的。

2 低谐波绕组设计方案

以Y-180L-4感应电机(参数见表1)为例，利用低谐波绕组理论，对定子绕组进行重新设计。低谐波绕组感应电机与改造前电机相比，仅是绕组形式和线圈匝数进行调整，电机其他参数均保持不变。

由于篇幅有限，本文只提供电机一对极下的绕组分布，如表2所示，另外一对极下的绕组分布与此类似。鉴于文献［2］中介绍的方法，对于低谐波绕组电机而言，每极每相4个线圈的理想匝数比为N1∶N2∶N3∶N4=1.67∶2.73∶1.93∶1。

表1 Y-180L-4感应电机参数Tab．1Parameters of Y-180L-4

表2 一对极下电机绕组分布Tab．2Motor windings distribution under a pair of poles

改造前电机每槽导体数为30。在采用相同线径的铜线和槽满率基本相同的前提下，低谐波绕组感应电机最终确定的线圈实际匝数分别为15、24、15和7，则每槽导体数为30、31、30和31。

3 电磁分析与计算

3.1 绕组系数

改造前电机的绕组系数为:

式中，q为每极每相槽数;v为谐波次数;α为槽距角;β为节距比。这里，q=4，v=1，2，．．．，n，α= 15°，β=10/12。

低谐波绕组感应电机的绕组系数:

式中，Nn为各线圈的匝数;βn为各线圈的节距比。

低谐波绕组和改造前绕组各次谐波的绕组系数比较结果见表3，从中可以发现基波与五次谐波的绕组系数基本没有变化，但是七次谐波以及更高次谐波的绕组系数大大降低。

3.2 气隙磁场

利用Ansoft Maxwell 2D建立有限元模型，对电机进行仿真。在建立电机有限元模型时:

(1)硅钢片损耗是以损耗曲线的形式设定的，而不是单独计算铁心涡流损耗、磁滞损耗以及杂散损耗等。

(2)定子载流导体中的集肤效应忽略不计。

(3)铁心材料设为各向同性。

(4)电机轴向有效长度内的电磁场按二维场处理，不计端部效应。

为减少计算时间，根据感应电机的对称性，取出电机的四分之一进行分析即可。由于计算区域中包含电流源，磁场用矢量磁位的z轴分量Az求解，其泊松方程边值问题描述为:

边界条件1:定子外径和转子内径处

边界条件2:求解区域不同介质间

式中，Jz为z轴方向电流密度;μ0为真空磁导率。

通过有限元仿真，得到改造前后电机的气隙磁场波形，如图1所示。对改造前电机与低谐波绕组感应电机的气隙磁场进行傅里叶分解，得到各次谐波幅值，具体数据见表4。根据表3计算的各次谐波的绕组系数，采用低谐波绕组后，由于主要的低次谐波的绕组系数都有所下降(见表3)，所以电机的低次谐波含量明显下降，齿谐波产生的21次和23次谐波的绕组系数略有下降。

图1 一对极下气隙磁场波形Fig．1Flux density waveforms under a pair of poles

表4 气隙磁场基波及各次谐波幅值Tab．4Amplitude of fundamental and harmonic

3.3 稳态性能

3.3.1 额定点电磁性能

Y系列感应电机改造前电机线圈的跨距为10，节距比为0.83;采用低谐波绕组后，线圈跨距分为12、10、8和6，其中短跨距线圈的匝数比例较高，平均节距比变为0.81。所以定子绕组端部尺寸变小，绕组的平均半匝长度缩短，定子相电阻减小，谐波的绕组系数大大降低，从而电机的气隙磁场谐波含量下降。谐波引起的杂散损耗随之减小，谐波在转子中产生的铜耗也有所下降。在额定点运行时，低谐波绕组感应电机励磁电流较小，相电流减小，定子的铜耗降低。

在输出功率相同的前提下，低谐波绕组感应电机的相电流有效值和气隙磁场都有所降低，电机的铜耗和铁耗都相应下降，效率提高1.7%，具体数据详见表5。且其电负荷和磁负荷都有所降低，其过载能力略高。

表5 额定点性能比较Tab．5Performance comparison at rated point

3.3.2 不同负载率下的性能

低谐波绕组感应电机在运行时，由于定子电阻减小，气隙磁场谐波含量下降，定子铜耗、定转子铁心损耗和鼠笼损耗均降低，电机的效率提高。由于低谐波绕组的端部较短，电机的定子端漏阻抗下降，定转子互感增加，电机运行时，无功电流下降，电机的功率因数上升。

性能优越的异步电动机要求在一定的功率范围(一般选取0.2～1.5倍额定功率)内，其效率与功率因数保持在较高的水平。低谐波绕组感应电机和改造前电机的效率-功率曲线以及功率因数-功率曲线如图2所示。显然，低谐波绕组感应电机在该功率范围内，优于改造前电机。

3.4 起动性能

电机的起动性能主要包括起动电流倍数和起动转矩倍数。起动时，转子鼠笼的集肤效应明显，在用有限元瞬态模型计算时，集肤效应是考虑在内的，导体电流被挤向槽口，产生的漏磁通减小，所以增加了电阻而减少了转子漏感，进而使电机获得比较大的起动转矩。

图2 改造前电机与低谐波绕组感应电机负载性能对比Fig．2Load performance comparison between normal induction and low-harmonic-winding motor

有限元计算表明，低谐波绕组感应电机的起动转矩为293.9N·m，为额定转矩的2.1倍;起动电流为181.9A，为额定电流的7.7倍。而改造前Y-180L-4感应电机的起动转矩倍数为2.1，起动电流倍数为8.0。因此，改造后的低谐波绕组感应电机具有更好的起动性能。

3.5 机械特性

在额定转速附近的区间内，由于转差较小，转子鼠笼的集肤效应不明显，电机的磁密处于临界饱和状态，采用磁路法计算，可获得较高的精度。为了简化计算，对传统的T型等效电路做出如下假设:

(1)电机的励磁电流Im相对于定子电流I而言较小，可以忽略，则转子漏感可以移到定子侧。

(2)忽略铁耗，在励磁支路上仅有互感。

根据上述假设，对感应电机等效电路做合理的修改，得到稳态运行时感应电机一相的等效电路图，如图3所示［12］。图3中，Rs为定子相电阻，Ll为定子漏感和等效到定子侧的转子漏感之和，M为定转子之间的互感，Rr为等效到定子侧的转子电阻，ω为供电电压频率，ωs为转差频率，U是相电压有效值，I为相电流有效值，Im为励磁电流有效值，Ir为转子电流有效值。

图3 感应电机等效电路Fig．3Equivalent circuit of induction motor

根据有限元仿真结果可计算出等效电路中各参数，结果见表6。低谐波绕组主要影响了电机定转子之间的互感，其比改造前绕组的互感增加了10%，即产生相同的气隙磁场时低谐波绕组感应电机的励磁电流要小于改造前电机。由于低谐波绕组的绕组系数较改造前绕组的绕组系数略小，所以在转子鼠笼相同时，其等效到定子侧后的转子电阻要大，电机的临界转差率会增大，电机的机械性能有所变软，机械特性曲线如图4所示。

表6 等效电路参数Tab．6Parameters in equivalent circuit

图4 机械特性曲线Fig．4Mechanical characteristic curves

4 结论

本文以22kW/Y-180L-4电机为例，经过低谐波绕组改造，电机的气隙磁场基波幅值由0.82T降为0.79T，气隙磁场的谐波失真值(THD)由24.6%降低为18.4%，气隙磁场谐波含量降低;电机的额定电流由24.2A降为23.5A，由于电机定子绕组的线规没有变化，所以电流密度降低。根据以上分析可知，低谐波绕组可以降低电机的磁负荷和电负荷，提高电机过载能力。分析电机的效率与功率因数曲线可知，低谐波绕组感应电机可以在较宽的负载范围内具有更好的运行性能，并且在额定点处，电机的运行效率提高了1.7%，电机在重载时效率提高更加明显。改造后的电机的用铜量由原来的12.6kg降为12.5kg，成本降低。

采用低谐波绕组的结构形式改造Y系列电机可以较低成本改善电机性能，符合国家电机能效提升计划的要求，具有重要的实际意义。

致谢:感谢江潮电机有限公司对本项目的支持。

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High-efficiency modification of Y-series induction motors with low-harmonic winding

LI Juan，SHEN Jian-xin
(College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

It is pointed out in the National Program of Electrical Machines Efficiency Enhancement that high-efficiency modification of the existing induction motors is one of the important technique routes．In this paper，modification of a conventional Y-series induction motor(22kW/Y-180L-4)is taken as an example，of which the winding is redesigned according to the low-harmonic winding theory．Finite element analysis shows that，compared with the conventional motor，the low-harmonic-winding motor exhibits reduced harmonics in the airgap field，lower magnetic and electric loads and hence slightly better over-load capability，higher efficiency over a wide load range，and higher starting torque but slightly lower starting current．The modification cost is low whilst the performance improvement is effective．

induction motor;low-harmonic winding;high-efficiency modification

TM351

A

1003-3076(2014)12-0010-05

2013-12-31

李娟(1990-)，女，河北籍，硕士研究生，主要研究电机本体设计;沈建新(1969-)，男，浙江籍，教授，主要研究电机及其控制。