王鴻鵠, 黃 堅(jiān)

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海 200063)

三相異步電動機(jī)不等匝繞組計(jì)算軟件研究*

王鴻鵠, 黃 堅(jiān)

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海 200063)

針對IE4電機(jī)開發(fā)過程中采用不等匝繞組設(shè)計(jì)存在的問題，在原三相異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件V2.0版的基礎(chǔ)上，開發(fā)了能夠采用不等匝繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的新版本軟件MEMC V3.0。通過MEMC V3.0在YE4系列、YZTE4系列電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。結(jié)果表明取得了預(yù)期效果。

異步電動機(jī);不等匝繞組;設(shè)計(jì)

0 引 言

為了降低電機(jī)的損耗、提高電機(jī)效率，繞組一直是重點(diǎn)的研究對象。正弦繞組的提出及應(yīng)用正是為了改善氣隙磁場波形、降低電機(jī)雜散損耗。早期采用過的Δ-Y串聯(lián)延邊三角形正弦繞組，對降低電機(jī)的雜散損耗有一定的效果。但由于該繞組接線較復(fù)雜，同時應(yīng)用也有一定的局限性，所以提出了不等匝繞組或低諧波繞組[1]。近些年不等匝繞組已在不少電機(jī)制造企業(yè)得到應(yīng)用，但由于不等匝繞組每槽匝數(shù)不同，且每個線圈的跨距也不相同，故采用不等匝繞組如何對三相異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，一直是電機(jī)設(shè)計(jì)人員需要解決的問題。

近幾年，針對電機(jī)效率指標(biāo)的不斷提高，采用不等匝繞組是較好的措施之一。2008年國際電工委員會(IEC)正式發(fā)布了“單速、三相籠型感應(yīng)電動機(jī)的能效分級(IE代碼)”標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定對于IE2及以上效率指標(biāo)的電動機(jī)，應(yīng)采用低不確定度的測試方法，即雜散損耗實(shí)測。這也為不等匝繞組的應(yīng)用提供了更多的空間。IE4能效等級是目前所發(fā)布的全球統(tǒng)一的最高的電機(jī)效率指標(biāo)，也是我國GB 18613—2012中的1級效率指標(biāo)。近期我們在組織開發(fā)YE4、YZTE4超超高效率三相異步電動機(jī)系列產(chǎn)品，采用不等匝繞組也是首選的主要措施之一。為此，我們對不等匝繞組開展了研究，依據(jù)文獻(xiàn)[1]所介紹的不等匝繞組(或稱低諧波繞組)的基本原理和方法，編制了不等匝繞組三相異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算軟件新版本MEMC V3.0，并應(yīng)用于YE4、YZTE4超超高效率三相異步電動機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)，取得了預(yù)期的效果。

1 軟件開發(fā)原則和計(jì)算方法

不等匝繞組軟件的開發(fā)，我們考慮主要應(yīng)解決如下幾個問題：能夠?yàn)椴捎貌坏仍牙@組電機(jī)電磁設(shè)計(jì)提供較準(zhǔn)確的計(jì)算方法；能夠通過優(yōu)化繞組來提高電機(jī)的性能；要求操作簡單，能夠讓設(shè)計(jì)工程師盡快上手，降低設(shè)計(jì)的時間成本。

對于不等匝繞組的算法，主要參考了文獻(xiàn)[1]的原理和方法，并實(shí)現(xiàn)了高次諧波的頻譜分析。由于與普通繞組相比較，不等匝繞組的每槽匝數(shù)和跨距均不相同，所涉及到的繞組分布系數(shù)Kd1、短距系數(shù)Kp1、槽漏抗系數(shù)Ku和Kl、諧波漏抗系數(shù)∑s等設(shè)計(jì)參數(shù)也不能完全采用文獻(xiàn)[2]所推薦的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。通過分析研究及樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，我們采用了等效的方法進(jìn)行計(jì)算。

對于不等匝繞組的優(yōu)化問題，軟件MEMC V3.0的不等匝繞組計(jì)算基于繞組磁勢的公式推導(dǎo)，同時將普通等匝繞組設(shè)計(jì)方案的匝數(shù)作為不等匝繞組計(jì)算界面的輸入值。由于不等匝繞組為繞組優(yōu)化計(jì)算，所以MEMC V3.0軟件在普通繞組電機(jī)電磁計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上，增加了“不等匝繞組計(jì)算器”的功能，即除繞組外，電機(jī)電磁計(jì)算的所有參數(shù)與普通電機(jī)電磁參數(shù)相同，這樣也實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化繞組的目的；最后在操作方面，基本實(shí)現(xiàn)了無參數(shù)輸入，可直接進(jìn)行不等匝繞組設(shè)計(jì)計(jì)算的功能。

2 計(jì)算流程

MEMC V3.0的計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 MEMC V3.0軟件計(jì)算流程

在原來的電磁計(jì)算方案中，通過繞組計(jì)算器直接導(dǎo)入不等匝繞組計(jì)算所需參數(shù)，直接計(jì)算出不等匝繞組的設(shè)計(jì)方案；接著通過對不等匝繞組方案進(jìn)行分析，選擇出適合的不等匝繞組方案；再將不等匝繞組方案參數(shù)導(dǎo)入到電磁計(jì)算的不等匝繞組輸入界面，即可完成不等匝繞組設(shè)計(jì)的輸入；然后通過電磁計(jì)算得到不等匝繞組的電機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算單。在不等匝繞組方案分析之后，還可進(jìn)行繞組繞線模的計(jì)算，可直接得到不等匝繞組的繞線模尺寸。在原來的電磁計(jì)算方案中，也可通過掃描功能來計(jì)算得到繞組的電磁方案，后面的流程相同。

電磁計(jì)算軟件的不等匝輸入界面如圖2所示。

圖2 MEMC V3.0軟件不等匝輸入?yún)?shù)

圖2中的①區(qū)域?yàn)椴坏仍牙@組的輸入?yún)?shù)，包括匝數(shù)、跨距、線規(guī)、電阻值、最大槽滿率、等效跨距、等效分布系數(shù)Kd1、等效槽漏抗系數(shù)Ku和Kl、等效諧波漏抗系數(shù)∑s等。此區(qū)域的參數(shù)可不用手工輸入，通過后面的計(jì)算導(dǎo)入，也可手工操作進(jìn)行必要的修改；點(diǎn)擊按鈕②“繞組計(jì)算器”，可進(jìn)入到繞組計(jì)算界面，如圖3所示。

圖3 繞組計(jì)算器

進(jìn)入“繞組計(jì)算器”界面后，區(qū)域③中參數(shù)為自動導(dǎo)入，無需手工輸入；點(diǎn)擊④“計(jì)算”按鈕，即可計(jì)算得到⑤、⑥、⑦三個不同跨距的繞組方案，三個方案中包含了每極每相槽數(shù)中的匝數(shù)和相對應(yīng)的線規(guī)，匝數(shù)和線規(guī)均可通過手動進(jìn)行調(diào)節(jié)；點(diǎn)擊⑧“方案分析”即可得到方案分析界面，如圖4所示。

圖4 方案分析界面

在分析界面中，點(diǎn)擊⑩“計(jì)算”可得到與⑤、⑥、⑦三個方案對應(yīng)的、、三個分析計(jì)算結(jié)果，包括等效繞組系數(shù)Kdp1、等效分布系數(shù)Kd1、等效諧波漏抗系數(shù)∑s、最大槽滿率、用銅量、等效電阻值、等效匝數(shù)和等效跨距等。按鈕、、分別對應(yīng)三個方案的導(dǎo)入功能，可將對應(yīng)的方案參數(shù)直接導(dǎo)入到圖2的①區(qū)域中。點(diǎn)擊“繞線?！笨梢缘玫饺齻€繞組方案相對應(yīng)的繞線模計(jì)算參數(shù)，如圖5所示。繞線模的參數(shù)與工藝息息相關(guān)，其計(jì)算方案參數(shù)還需要進(jìn)行不斷的改進(jìn)。

圖5 繞線模參數(shù)計(jì)算

若在圖3繞組計(jì)算器中點(diǎn)擊⑨“掃描”按鈕，還可得到掃描界面如圖6所示。

圖6 掃描界面

在掃描界面中，可通過預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)需求來計(jì)算得到所需要的繞組方案，所以輸入?yún)?shù)的初始默認(rèn)值僅供參考。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不等匝繞組掃描計(jì)算結(jié)果

掃描結(jié)果可輸入到繞組計(jì)算器相應(yīng)方案中進(jìn)行分析和導(dǎo)入電磁計(jì)算程序，也可直接導(dǎo)入到電磁計(jì)算程序中。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在三相異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算新版本軟件MEMC V3.0編制完成后，我們已在YE4、YZTE4超超高效率三相異步電動機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)中得到應(yīng)用，完成了H132～355機(jī)座2P、4P、6P和單層、雙層及單雙層不等匝繞組的設(shè)計(jì)計(jì)算，部分樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示。樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值基本相近，達(dá)到了預(yù)期的效果。

表1 不等匝繞組樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

在已有理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)了不等匝繞組的頻譜分析功能、不等匝繞組的計(jì)算功能，以及方案掃描計(jì)算和繞線模計(jì)算功能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，樣機(jī)的試驗(yàn)值與軟件的計(jì)算值基本相符，且軟件具有較快的計(jì)算速度和友好的交互界面，希望能夠確實(shí)地為電機(jī)設(shè)計(jì)人員提供一定的幫助。

[1] 趙慶普.低諧波繞組的研究[J].中小型電機(jī),1990(6): 2-7.

[2] 第一機(jī)械工業(yè)部上海電器科學(xué)研究所.中小型三相異步電動機(jī)電磁計(jì)算程序[Z].上海:上海電器科學(xué)研究所,1971.

ResearchontheCalculationSoftwareofThreePhaseAsynchronousMotorwithUnequalTurnWinding*

WANGHonghu,HUANGJian

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving, Shanghai 200063, China)

Aiming at the problems existing in the development of IE4 motor with unequal turn winding design，on the basis of MEMC V2.0 version, a new version of the software MEMC V3.0 which could be used to design was developed and the unequal turn winding motor was calculated. It had been used in the YE4 series and YZTE4 series motor design, the results was desired.

motor;unequalturnwinding;design

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計(jì)劃項(xiàng)目(15DZ1201400)

王鴻鵠(1981—)，男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)、異步電機(jī)的設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算。

TM 343

A

1673-6540(2017)12- 0081- 03

2017 -05 -03