低谐波双层同心绕组在高效电机的应用

付家栋

(重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329)

低谐波双层同心绕组在高效电机的应用

付家栋

(重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329)

介绍一种谐波成分低微的双层同心式绕组的应用，它主要是利用不等匝绕组使槽电流按正弦规律分布，得到近似于正弦波形的磁势曲线，能最大限度地减少磁势中有害谐波的含量和削弱高次谐波的幅值。通过样机试制，验证双层同心绕组可有效地改善磁势波形，降低电机的杂散损耗，提高电机效率，在一定程度上能减少电机材料用量。

低谐波；同心式；削弱；改善

1 概述

根据国家对高效电机的大力推广要求，为设计出符合《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》(GB 18613—2012)的二级能效考核要求的高效电机，部分电机制造企业将研究重点集中在绕组设计上，并取得了一定的成绩。其中的低谐波绕组是一种更具有普遍实用价值的新绕组型式。

电机绕组磁动势谐波产生的气隙谐波磁场作用于电机铁芯并产生电磁力，从而引起振动和噪声，并且增加电机附加损耗、降低运行效率。因此，在电机设计时应该研究低谐波分量的磁动势对电机的影响。笔者在借鉴电机行业对绕组进行各项研究的基础上，根据所在企业的实际生产情况，进行了双层同心式绕组在典型规格样机上的试制，并进行了全系列的推广。与传统叠绕组相比，采用双层同心绕组有效地提高了电机效率，兼顾了其他性能指标，降低了铜耗量，达到了高效节能的目的。

2 设计依据

2.1 工作原理

双层同心式绕组的理论实质上等同于单相异步电动机中的“正弦绕组”。通过合理分配各槽的匝数，利用不等匝绕组使每槽内的总匝数相等，槽满率相同，槽电流沿铁芯表面按正弦规律分布，得到近似于正弦波形的磁势曲线。它可以加强基波磁势，削弱5次、7次等一系列高次谐波磁势，从而提高电机的各项技术指标。

2.2 电磁参数计算

双层同心式绕组有短跨距和整跨距两种基本形式。已总结出双层同心绕组的绕组系数Kdpv与谐波磁势幅值比的设计公式。

短跨距绕组v次谐波的绕组系数为：

(1)

整跨距绕组v次谐波的绕组系数为：

(2)

在实际应用中，常采用v次谐波磁势与基波磁势幅值的百分比为参数来表示v次谐波磁势的大小。

2.3 线模尺寸计算

双层同心绕组线圈设计辅助图如图1所示。

图1 双层同心绕组线圈设计辅助图

1) 各线圈边的跨距ty计算：

式中：β为各线圈跨距的短距比；Di1，hs0，hs1，hs2，R为定子槽型相关尺寸。

2) 求线圈直线边和端部斜边之间夹角的正弦和余弦函数及平均端部弧长，以某线圈边为例，有如下关系式存在：

ty1线圈端部弧高h1=0.443×Y1×sina

根据以上公式，可推导图1中R2，R3，R4等，从而结合ty线圈端部圆弧对应的中心角可以求出其他线圈端部弧长，从而设计出合理线圈尺寸。

3 技术创新

分析了双层同心式绕组的匝数比计算，提出了短跨距绕组匝数比和整跨距绕组匝数比分别与绕组系数的关系，根据其关系式，我们创新地推导出高效电机在不同每极每相槽数下分别采用短跨距与整跨距时的每槽匝数分布关系，如表1和表2所示。

根据表1和表2 的对比分析可知，短跨距与整跨距方案在相同的每极每相槽数q时线圈设计差别较大。通过生产车间实际调研，判断出在生产过程中采用这两种方案的工艺可行性相当，生产管理难度基本相当。因此，本文将在后文针对典型规格的参数设计实践，论证该两种方案的优劣性。

表1 短跨距绕组匝数关系

表2 整跨距绕组匝数关系

4 试制应用

为验证双层同心绕组的理论优势，选取典型规格进行双层同心绕组与叠绕组的样机对比试制。在设计方案中，为加强对比性，同心绕组的每槽导体数、线规、铁芯长参数均与叠绕组电机方案一致。仅改变线圈绕线型式，另通过设计参数的谐波绕组系数和谐波磁场能量可判断短跨距和整跨距的优劣性。

案例1：以YCE2-200L-4 30 kW为例，基本设计参数见表3，不同方案下的各次谐波绕组系数和谐波磁场能量见表4。

表3 基本设计参数

表4 各次谐波绕组系数和谐波磁场能量

通过表4的参数对比可知，在均采用同心绕组时，短跨距绕组的各次谐波绕组系数和谐波磁场能量均远高于整跨距绕组和标准叠绕组。对电机性能影响较大的5次、7次谐波，采用整跨距的双层同心绕组均得到有效的削弱。可见整跨距的双层同心式结构在消除谐波方面具有较好的优势。

因此，在完成设计参数谐波能量的对比分析后，设计了该规格整跨距双层同心绕组结构，其定子线圈嵌线图见图2。在其他条件相同的前提下完成了样机型式试验，具体试验数据对比见表5。

图2 YCE2-200L-4 30 kW定子线圈嵌线图

绕组型式η/%cosθTm/倍Tst/倍Ist/倍温升同心绕组93.540.8693.653.338.8754.5叠绕组92.670.8643.593.238.8457.7

案例2：以YCE2-250M-6 37 kW为例，基本设计参数见表6。不同方案下的各次谐波绕组系数和谐波磁场能量见表7。

表6 基本设计参数

表7 各次谐波绕组系数和谐波磁场能量

同案例1的分析，通过表7同样判断出该典型规格采用整跨距绕组具有较好的优势，其整跨距同心绕组样机定子线圈嵌线图见图3。具体试验数据对比见表8。

图3 YCE2-250M-6 37 kW定子线圈嵌线图

绕组型式η/%cosθTm/倍Tst/倍Ist/倍温升同心绕组92.980.7953.653.128.8467叠绕组92.160.8263.362.868.0577.2

根据最终的样机试制，表5和表8试验数据的对比很好地反映了双层同心绕组的优势。采用双层同心绕组结构的电机效率值均有一定的提升，电机的温升略有下降，其余各项指标均满足高效的考核要求。从生产过程的反馈来看，有效地节约了铜线，降低了生产成本。

但生产过程中也反映了一些问题：受操作习惯和熟练度影响，双层同心绕组嵌线比标准叠绕组复杂，工时耗费略多；双层同心绕组嵌线完工后，其端部直线部分尺寸较普通叠绕组略长，不利于在现有基础上适当地缩短线圈直线部分长度，达到控制端部尺寸的目的。

5 结论

根据典型规格的样机试制结论，我们进行了YCE2全系列双层同心绕组电机的试制，大部分的样机试验结论表明：双层同心绕组对改善电机的效率有一定的优势，其他性能指标也能满足考核要求。这论证了双层同心式绕组在高效电机上应用和推广的可行性和实用性，个别规格效率值不能满足考核要求的，有待我们进一步的研究。

同时，针对样机试制过程中暴露的一些问题，笔者也做了一些工艺调整，并将其经验应用到常规电机产品，也取得了良好的效果。

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A Study on the Application of the Low-Harmonic Double-Layer Concentric Winding in the High-Efficiency Electric Motor

FU Jiadong

(Chongqing Electric Machine Federation Co., Ltd.，Chongqing 401329，P.R.China)

This paper introduces the application of the low-harmonic double-layer concentric winding，which can make use of the winding with unequal turns to realize the sinusoidal distribution of the cell current and get magnetic potential curves similar to sinusoidal wave forms．The winding can reduce the content of harmful harmonics in the magnetic potential and weaken the amplitudes of higher harmonics to the greatest extent．The trial-production of the prototype has verified that the winding can effectively improve the wave forms of the magnetic potential，decrease the stray losses of the electric motor，enhance its efficiency and cut down the amount of the materials needed to produce it to some degree．

low harmonic；concentric-type；weakening；improvement

2016-11-03

该文获重庆市电机工程学会2016年学术年会优秀论文三等奖

付家栋(1985-)，中级工程师，主要从事中小型低压电机设计与研发工作。

TM343.2

A

1008- 8032(2017)01- 0027- 04