三相異步電動機不等匝繞組計算軟件研究*

王鴻鵠, 黃 堅

(上海電機系統節能工程技術研究中心，上海 200063)

三相異步電動機不等匝繞組計算軟件研究*

王鴻鵠, 黃 堅

(上海電機系統節能工程技術研究中心，上海 200063)

針對IE4電機開發過程中采用不等匝繞組設計存在的問題，在原三相異步電動機電磁設計軟件V2.0版的基礎上，開發了能夠采用不等匝繞組進行設計計算的新版本軟件MEMC V3.0。通過MEMC V3.0在YE4系列、YZTE4系列電機設計中應用。結果表明取得了預期效果。

異步電動機;不等匝繞組;設計

0 引 言

為了降低電機的損耗、提高電機效率，繞組一直是重點的研究對象。正弦繞組的提出及應用正是為了改善氣隙磁場波形、降低電機雜散損耗。早期采用過的Δ-Y串聯延邊三角形正弦繞組，對降低電機的雜散損耗有一定的效果。但由于該繞組接線較復雜，同時應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制造企業得到應用，但由于不等匝繞組每槽匝數不同，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電磁設計方案進行準確的計算，一直是電機設計人員需要解決的問題。

近幾年，針對電機效率指標的不斷提高，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)正式發布了“單速、三相籠型感應電動機的能效分級(IE代碼)”標準，規定對于IE2及以上效率指標的電動機，應采用低不確定度的測試方法，即雜散損耗實測。這也為不等匝繞組的應用提供了更多的空間。IE4能效等級是目前所發布的全球統一的最高的電機效率指標，也是我國GB 18613—2012中的1級效率指標。近期我們在組織開發YE4、YZTE4超超高效率三相異步電動機系列產品，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，依據文獻[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電磁設計計算軟件新版本MEMC V3.0，并應用于YE4、YZTE4超超高效率三相異步電動機系列產品的開發，取得了預期的效果。

1 軟件開發原則和計算方法

不等匝繞組軟件的開發，我們考慮主要應解決如下幾個問題：能夠為采用不等匝繞組電機電磁設計提供較準確的計算方法；能夠通過優化繞組來提高電機的性能；要求操作簡單，能夠讓設計工程師盡快上手，降低設計的時間成本。

對于不等匝繞組的算法，主要參考了文獻[1]的原理和方法，并實現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和跨距均不相同，所涉及到的繞組分布系數Kd1、短距系數Kp1、槽漏抗系數Ku和Kl、諧波漏抗系數∑s等設計參數也不能完全采用文獻[2]所推薦的計算公式進行計算。通過分析研究及樣機試驗驗證，我們采用了等效的方法進行計算。

對于不等匝繞組的優化問題，軟件MEMC V3.0的不等匝繞組計算基于繞組磁勢的公式推導，同時將普通等匝繞組設計方案的匝數作為不等匝繞組計算界面的輸入值。由于不等匝繞組為繞組優化計算，所以MEMC V3.0軟件在普通繞組電機電磁計算軟件的基礎上，增加了“不等匝繞組計算器”的功能，即除繞組外，電機電磁計算的所有參數與普通電機電磁參數相同，這樣也實現了優化繞組的目的；最后在操作方面，基本實現了無參數輸入，可直接進行不等匝繞組設計計算的功能。

2 計算流程

MEMC V3.0的計算流程如圖1所示。

圖1 MEMC V3.0軟件計算流程

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

電磁計算軟件的不等匝輸入界面如圖2所示。

圖2 MEMC V3.0軟件不等匝輸入參數

圖2中的①區域為不等匝繞組的輸入參數，包括匝數、跨距、線規、電阻值、最大槽滿率、等效跨距、等效分布系數Kd1、等效槽漏抗系數Ku和Kl、等效諧波漏抗系數∑s等。此區域的參數可不用手工輸入，通過后面的計算導入，也可手工操作進行必要的修改；點擊按鈕②“繞組計算器”，可進入到繞組計算界面，如圖3所示。

圖3 繞組計算器

進入“繞組計算器”界面后，區域③中參數為自動導入，無需手工輸入；點擊④“計算”按鈕，即可計算得到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中的匝數和相對應的線規，匝數和線規均可通過手動進行調節；點擊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，點擊⑩“計算”可得到與⑤、⑥、⑦三個方案對應的、、三個分析計算結果，包括等效繞組系數Kdp1、等效分布系數Kd1、等效諧波漏抗系數∑s、最大槽滿率、用銅量、等效電阻值、等效匝數和等效跨距等。按鈕、、分別對應三個方案的導入功能，可將對應的方案參數直接導入到圖2的①區域中。點擊“繞線?！笨梢缘玫饺齻€繞組方案相對應的繞線模計算參數，如圖5所示。繞線模的參數與工藝息息相關，其計算方案參數還需要進行不斷的改進。

圖5 繞線模參數計算

若在圖3繞組計算器中點擊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，可通過預設設計需求來計算得到所需要的繞組方案，所以輸入參數的初始默認值僅供參考。計算結果如圖7所示。

圖7 不等匝繞組掃描計算結果

掃描結果可輸入到繞組計算器相應方案中進行分析和導入電磁計算程序，也可直接導入到電磁計算程序中。

3 試驗驗證

在三相異步電動機電磁設計計算新版本軟件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系列產品的開發中得到應用，完成了H132～355機座2P、4P、6P和單層、雙層及單雙層不等匝繞組的設計計算，部分樣機試驗驗證數據如表1所示。樣機試驗數據與設計值基本相近，達到了預期的效果。

表1 不等匝繞組樣機試驗驗證數據

4 結 語

在已有理論的基礎上，開發了不等匝繞組的頻譜分析功能、不等匝繞組的計算功能，以及方案掃描計算和繞線模計算功能。經試驗驗證，樣機的試驗值與軟件的計算值基本相符，且軟件具有較快的計算速度和友好的交互界面，希望能夠確實地為電機設計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,1990(6): 2-7.

[2] 第一機械工業部上海電器科學研究所.中小型三相異步電動機電磁計算程序[Z].上海:上海電器科學研究所,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

上海市科學技術委員會科研計劃項目(15DZ1201400)

王鴻鵠(1981—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為永磁同步電機、異步電機的設計及仿真計算。

TM 343

A

1673-6540(2017)12- 0081- 03

2017 -05 -03