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        單雙層繞組設(shè)計(jì)及其在永磁同步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

        2018-10-20 01:36:54黃開勝胡土雄曹文耀
        微特電機(jī) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:端部空壓機(jī)溫升

        胡 弼,黃開勝,胡土雄,王 偉,曹文耀

        (廣東工業(yè)大學(xué),廣州 510006)

        0 引 言

        空壓機(jī)是空氣壓縮機(jī)的簡稱,是把氣體吸入并提高到大氣壓以上(通常指0.2 MPa以上)的一種機(jī)械設(shè)備。該設(shè)備可作為氣動(dòng)工具和控制裝置機(jī)械動(dòng)作的動(dòng)力源,此外在氣體的輸送、制冷、分離、化學(xué)催化等生產(chǎn)工藝中應(yīng)用非常廣泛。在企業(yè)中,空壓機(jī)系統(tǒng)的能耗占總耗電量的20%~30%,占據(jù)了比較大的生產(chǎn)成本比例。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),空壓機(jī)用電動(dòng)機(jī)的耗電量約占電動(dòng)機(jī)生命周期成本的97%,采購成本約占2%,其余為維護(hù)費(fèi)用。在我國存量電機(jī)中,80%以上的電機(jī)是低效率電機(jī),而且傳統(tǒng)加卸載式的空壓機(jī)所占比例很大,這類空壓機(jī)在加載和卸載時(shí)會(huì)耗費(fèi)較多的能量;另一方面,即便異步電動(dòng)機(jī)采用“Y-△”降壓起動(dòng),起動(dòng)電流仍然很大;再一方面,傳統(tǒng)空壓機(jī)系統(tǒng)采用閥控方式,存在調(diào)節(jié)速度慢、波動(dòng)大、壓力不穩(wěn)等問題。采用高效永磁同步電動(dòng)機(jī)配套的伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、快速和穩(wěn)定的效果,對高效率永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究具有十分重要的意義[1]。

        繞組是電機(jī)電磁轉(zhuǎn)換的樞紐部件,電樞繞組設(shè)計(jì)的好壞直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、溫升、成本等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,國內(nèi)交流三相異步電動(dòng)機(jī)由早期的Y,Y2,Y3系列發(fā)展為目前主流的YE2,YE3系列,單層繞組主要采用交叉式繞組、同心式繞組和同心式正弦繞組;雙層繞組主要采用雙層疊繞組、雙層疊繞準(zhǔn)正弦繞組;另外,經(jīng)過單層和雙層繞組的綜合,演變出單雙層繞組。Y2系列到Y(jié)3系列的演變主要是通過冷軋硅鋼片代替熱軋硅鋼片的方法,但是,采用“以冷代熱”以后,仍然有17個(gè)規(guī)格不符合GB18613-2006中最低的三級能效要求,通過采用單雙層繞組得以解決。單雙層繞組具有可以縮短繞組端部的長度、降低雜耗和噪聲、降低電機(jī)溫升、提高效率等一系列優(yōu)點(diǎn),是設(shè)計(jì)更高效率電機(jī)的良方[2]。

        本文詳細(xì)敘述了單雙層繞組的設(shè)計(jì)思路和步驟,采用槽號相位圖和矢量分析的方法,對36槽4極60°和80°相帶單雙層繞組進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),并提供了單雙層繞組系數(shù)的理論計(jì)算方法。針對高速空壓機(jī)用開啟式永磁同步電動(dòng)機(jī)裂比大、極數(shù)少的情況,提出采用單雙層繞組替換雙層繞組,有效減小了繞組的端部長度,降低了繞組溫升,提高了電動(dòng)機(jī)的效率和過載倍數(shù)。

        1 單雙層繞組設(shè)計(jì)

        1.1 槽號相位圖設(shè)計(jì)

        矢量法、復(fù)數(shù)解析法、槽號相位圖和計(jì)算機(jī)求解是分析繞組磁勢的4種基本方法。其中矢量法是最為經(jīng)典的方法;復(fù)數(shù)解析法和槽號相位圖是由矢量法演變而來;槽號相位圖是由槽矢量星形圖展開成直線得到的,這種圖繪制起來較為簡單,特別是槽極比例較大的情況,各矢量號碼也不會(huì)交錯(cuò),并且容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律性。

        在諧波分析中,通常將電機(jī)的極對數(shù)p稱為基本極對數(shù),本文只繪制基本極對數(shù)的槽號相位圖,繞組系數(shù)則通過矢量疊加的幾何方法來計(jì)算[3]。

        本文選取36槽4極80°和60°相帶繞組進(jìn)行分析。在繪制三相槽號相位圖之前,首先要確定一行,即360°電角度所占的槽數(shù)Q:

        (1)

        由于Z1/p=18(整數(shù)),所以相鄰兩槽號只相差一個(gè)格數(shù)。從第一行的左至右羅列1~18正槽號(代表通過正電流的導(dǎo)體或者線圈)。

        然后在列方向上劃分出互差120°電角度的三相軸線,并確定每極每相槽數(shù)q:

        (2)

        式中:Z1為定子槽數(shù);m為電機(jī)的相數(shù);H為相帶的電角度。

        最后,從第2行最左邊開始,依次向右邊羅列19~36槽號。為了便于分析,把代表通過負(fù)電流的導(dǎo)體或者線圈列于正槽號的下方。

        槽號相位圖分別如表1和表2所示[4-5]。

        表1 36槽4極80°相帶槽號相位圖

        表2 36槽4極60°相帶槽號相位圖

        1.2 端部連接和繞組層數(shù)確定

        1.2.1 36槽4極80°相帶繞組

        由表1可以看出,由于槽數(shù)不足,36槽4極80°相帶繞組不能采用單層形式,如果采用雙層疊繞形式,線圈節(jié)距均為9,繞組的端部較長,如果把槽內(nèi)電流同相且同向的層間絕緣取出,上下線圈合并成一個(gè)導(dǎo)體,再把相鄰?fù)嗟膬山M正負(fù)導(dǎo)體連接,形成節(jié)距分別為6和8的大小線圈,即極相組兩側(cè)槽為雙層,中間兩槽為單層,極相組線圈匝數(shù)比為1∶2∶2∶1,36槽4極80°相帶單雙層繞組的A相展開圖如圖1所示。

        圖1 36槽4極80°相帶單雙層繞組A相展開圖

        1.2.2 36槽4極60°相帶繞組

        由表2可以看出,36槽4極60°相帶的繞組層數(shù)比較靈活。如果線圈節(jié)距取9,根據(jù)端部的不同連接,可以得到單層鏈?zhǔn)?、交叉式和同心式繞組,而單層繞組的諧波繞組系數(shù)較大,故不采用。如果節(jié)距取8,根據(jù)端部的不同連接,可以得到雙層疊繞或者節(jié)距分別為6和8的大小線圈的形式,其A相展開圖如圖2所示。由圖1和圖2可以看出,雖然繞組的相帶不一樣,但是通過采用不同的線圈節(jié)距和端部連接,轉(zhuǎn)化成單雙層繞組的形式一樣,下文將對二者進(jìn)行諧波分析。

        圖2 36槽4極60°相帶單雙層繞組A相展開圖

        1.3 繞組系數(shù)計(jì)算

        文獻(xiàn)[6]在交流電機(jī)繞組及其感應(yīng)電動(dòng)勢章節(jié)中,利用線圈電動(dòng)勢矢量合成的原理計(jì)算繞組系數(shù),本文采用相同方法計(jì)算上述2種繞組的繞組系數(shù)。單雙層繞組均由雙層繞組變化而來,其繞組系數(shù)的計(jì)算與雙層繞組相同,可以直接通過計(jì)算相應(yīng)的雙層繞組系數(shù)得到。圖1和圖2所對應(yīng)的雙層繞組分別如圖3和圖4所示。

        圖3 36槽4極80°相帶雙層繞組A相展開圖

        圖4 36槽4極60°相帶雙層繞組A相展開圖

        文獻(xiàn)[6]已經(jīng)推導(dǎo)了常規(guī)60°相帶雙層繞組系數(shù)計(jì)算公式,可以根據(jù)式(3)計(jì)算36槽4極60°相帶雙層繞組的各諧波繞組系數(shù):

        (3)

        式中:Kdpv表示繞組系數(shù);Kdv表示分布系數(shù);Kpv表示節(jié)距系數(shù);α表示槽電角度;y1表示線圈節(jié)距;τ表示極距;v表示諧波次數(shù)。由于36槽4極80°相帶雙層繞組極相組中間兩槽中的導(dǎo)體屬于同相,電流方向也相同,各個(gè)線圈的矢量合成不能再按照式(3)來計(jì)算。假設(shè)各線圈C1~C4匝數(shù)分別為N,2N,2N和N,合成矢量C等效匝數(shù)為Nc。v次諧波各線圈矢量夾角為vα電角度,如圖5所示。

        圖5 線圈矢量合成示意圖

        按照平面幾何矢量分解合成的原理,計(jì)算基波的繞組分布系數(shù):

        {[1+2cos 20°+2cos 40°+cos 60°]2+

        0.945 2

        由于36槽4極80°相帶繞組是整距繞組,kpv=1,因此基波繞組系數(shù)等于繞組分布系數(shù),v次諧波繞組分布系數(shù)的計(jì)算和上述方法一致:

        {[1+2cos(v20°)+2cos(v40°)+cos(v60°)]2+

        (4)

        根據(jù)式(3),式(4)對36槽4極60°和80°相帶繞組進(jìn)行諧波分析,結(jié)果列于表3,由于篇幅限制,只計(jì)算到一階齒諧波。由圖1、圖2和表3可以看出,36槽4極60°和80°相帶的單雙層繞組是一樣的。下文將36槽4極60°相帶雙層繞組應(yīng)用于空壓機(jī)用開啟式永磁同步電動(dòng)機(jī)[7]。

        表3 定子繞組諧波分析

        2 單雙層繞組應(yīng)用

        2.1 節(jié)銅效果

        單雙層繞組是由雙層繞組轉(zhuǎn)化而來,通過改變端部連接達(dá)到節(jié)約端部用銅的效果,繞組電阻減小,溫升降低,提高電機(jī)效率,電機(jī)的過載能力也可以得到提升。另一方面,和單層繞組相比,單雙層繞組具有磁場諧波畸變率小的優(yōu)點(diǎn);和雙層繞組相比,單雙層繞組的線圈數(shù)較少,可以簡化繞線和下線的時(shí)間。只要繞線模設(shè)計(jì)合適,生產(chǎn)工人熟練以后,單雙層繞組下線和整形的工作效率與原有的單層繞組、雙層繞組相當(dāng)[8]。

        本文將單雙層繞組應(yīng)用于11 kW,5 000 r/min空壓機(jī)用開啟式永磁同步電動(dòng)機(jī)。由于開啟式電動(dòng)機(jī)的繞組直接與外界空氣進(jìn)行熱交換,在電機(jī)自身風(fēng)路和散熱風(fēng)扇設(shè)計(jì)合理的情況下,開啟式電機(jī)的溫升通常會(huì)比相同鐵心長度的封閉式電機(jī)低。本文所述11 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵心長度40 mm,定子外圓260 mm,端部占繞組總長的比例較大。通過采用60°相帶單雙層繞組替換60°相帶雙層疊繞組,根據(jù)繞線模計(jì)算和實(shí)測,繞組平均的直邊長度和端部長度如表4所示。由表4可知,單雙層繞組較雙層疊繞組的節(jié)銅率達(dá)7.6%。

        表4 繞組各部分用銅

        2.2 電機(jī)測試數(shù)據(jù)對比

        雙層疊繞組和單雙層繞組開啟式永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能對比如表5所示。

        表5 電機(jī)測試數(shù)據(jù)

        電動(dòng)機(jī)的繞組溫升隨功率變化曲線如圖6所示。

        圖6 溫升曲線

        通過數(shù)據(jù)可以看出,由于開啟式電機(jī)的裂比較大,電機(jī)轉(zhuǎn)速較高,電機(jī)極數(shù)較少,采用單雙層繞組替換雙層疊繞組的節(jié)銅效果較好。由于電阻減小,繞組溫升有所降低,磁鋼磁性增強(qiáng),電流減小,使得銅耗和繞組溫升進(jìn)一步降低,效率得到提高。雖然電阻和電流減小了,但是反電動(dòng)勢升高,伺服驅(qū)動(dòng)器施加給電機(jī)的電壓變化不大。

        3 結(jié) 語

        本文提供了單雙層繞組的設(shè)計(jì)思路,并且通過分析和計(jì)算,得出36槽4極80°和60°相帶單雙層繞組相同的結(jié)論。另外,針對高速空壓機(jī)用開啟式永磁同步電動(dòng)機(jī)裂比較大、極數(shù)少的情況,采用單雙層繞組替換雙層疊繞組,取得較好的效果,對降低電機(jī)成本、提高電機(jī)性能具有重要意義。

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