雙速三相異步電動機(jī)雙獨(dú)立同心式定子繞組嵌線方式

李璞伶，曹增明

(1.湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412000；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

軌道交通車輛電氣設(shè)備如牽引電機(jī)、變流器、變壓器等電氣設(shè)備的冷卻主要是靠風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻。根據(jù)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)中的電機(jī)帶動葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)壓，將一定風(fēng)量的空氣輸入，通過循環(huán)將電氣設(shè)備多余熱量帶走，達(dá)到溫升平衡，使?fàn)恳姍C(jī)、變流器、變壓器等設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

目前，軌道交通行業(yè)用風(fēng)機(jī)核心單元電動機(jī)以三相異步電動機(jī)應(yīng)用較為廣泛。而雙速三相異步電動機(jī)因節(jié)能在軌道交通行業(yè)應(yīng)用也較為重要。一般的雙速三相異步電動機(jī)是單繞組通過改變定子繞組的連接方式達(dá)到改變定子旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)，進(jìn)而成倍數(shù)的改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。還有另一種雙速電機(jī)，是在定子鐵心內(nèi)嵌入2套繞組(高速繞組和低速繞組)，2套繞組相互獨(dú)立，有各自的接線端子及標(biāo)識，不同轉(zhuǎn)速可用不同繞組，即為雙獨(dú)立繞組。根據(jù)繞組在槽內(nèi)排列位置及接線方式，當(dāng)一套繞組工作時，另一套繞組不會因基波磁勢切割繞組而產(chǎn)生環(huán)流電流。隨著環(huán)保、節(jié)能、安全需求及市場需求增加，雙速雙獨(dú)立繞組三相異步電動機(jī)(簡稱雙獨(dú)立繞組電機(jī))應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)電機(jī)容量和性能及設(shè)計要求，繞組可分別設(shè)計成疊式、鏈?zhǔn)健⑼氖降壤@組形式。較傳統(tǒng)的嵌線方式為：先將高速繞組依次嵌入槽內(nèi)后，再將低速繞組依次嵌入槽內(nèi)，通常高速繞組分布在槽底，低速繞組分布在槽口，低速繞組浮于高速繞組上。在對低速繞組嵌線中，端部較厚，不易整形，還存在嵌線周期長，繞組端部排列不美觀的問題。通過分析繞組特點(diǎn)及在槽內(nèi)排列位置、方式和分布規(guī)律，優(yōu)化嵌線方式，使其既滿足設(shè)計要求，又保證產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)以36槽2/4極雙獨(dú)立繞組電機(jī)嵌線方式進(jìn)行研究分析，具體如下。

1 36槽2/4極雙速電機(jī)雙獨(dú)立繞組嵌線分析

1.1 繞組形式

定子鐵心槽數(shù)N=36，高速時，電機(jī)極數(shù)2P=2，每極每相槽數(shù)q=6，整距繞組；低速時，電機(jī)極數(shù)2P=4，每極每相槽數(shù)q=3，整距繞組。為了控制繞組端部尺寸，采用同心式繞組形式。同心式繞組特點(diǎn)：每組線圈有S圈，有大圈、中圈、小圈區(qū)別，大線圈套在小線圈外面，每組線圈的軸線重合。

繞組參數(shù)信息如下： 2極， 線圈組數(shù)u=6，每組圈數(shù)S=3，總線圈數(shù)Q=18，節(jié)距(槽數(shù))Y=1～18，2～17，3～16； 4極，線圈組數(shù)u=6，每組圈數(shù)S=3，總線圈數(shù)Q=18，節(jié)距(槽數(shù))Y=1～12，2～11，3～10。

2極繞組總線圈數(shù)18，為槽數(shù)36的一半，為單層繞組；同理4極繞組也為單層繞組。 2極繞組線圈與4極繞組線圈的匝數(shù)、線徑、平均半匝長各不同，具體根據(jù)電機(jī)性能要求設(shè)計，這里不影響對嵌線方式的討論分析，不做介紹。

1.2 接線原理圖

繞組在鐵心槽內(nèi)排列位置及星型接線方式，2U，2V，2W為高速端，1U，1V，1W為低速端，并聯(lián)路數(shù)均為1，具體如圖1所示。

圖1 繞組接線原理圖

1.3 傳統(tǒng)的分層嵌線方式

繞組嵌線方法有交疊法和整嵌法2種工藝，交疊法嵌線工藝因端部比較規(guī)整使用較廣泛，采用單層繞組交疊法嵌線工藝，根據(jù)傳統(tǒng)的分層嵌線方式，先將2極繞組依次嵌入：第1組線圈小、中、大圈沉邊依次嵌入19、20、21槽內(nèi)，浮邊吊起；空3槽，再將第2組線圈沉邊依次嵌入25、26、27槽內(nèi)，浮邊吊起；空3槽，從第3組線圈開始，沉邊嵌入31，32，33槽內(nèi)，根據(jù)節(jié)距，浮邊依次嵌入16、17、18槽內(nèi)，按第3組線圈嵌線方法，依次將第6把線嵌入槽內(nèi)，最后再將第1把線和第2把線的浮邊嵌入槽內(nèi)。4極繞組嵌線時方法同2極線圈嵌線方法，只是僅將4極繞組第1組線浮邊吊起。嵌線完成后2極繞組在槽底，4極繞組在槽口分層嵌線方式。整體嵌線周期長，低速繞組嵌線時，端部較厚，不易嵌線，不易整形。

1.4 優(yōu)化后的嵌線方式

根據(jù)圖1，結(jié)合后退式嵌線方法，分析1～3，7～9，13～15，19～21，25～27，31～33號槽為2極繞組沉邊位置槽；4～6，10～12，16～18，22～24，28～30，34～36號槽為4極繞組沉邊位置槽；4～6，10～12，16～18，22～24，28～30，34～36號槽為2極繞組浮邊位置槽；1～3，7～9，13～15，19～21，25～27，31～33號槽為4極繞組浮邊位置槽。1個槽內(nèi)有不同的上下2條線圈邊，有雙層繞組特點(diǎn)，雙層繞組交疊法嵌線時，不空槽，先將下層邊嵌入槽內(nèi)，另一邊吊起先不嵌入，順次嵌至線圈跨距后，其余線圈可逐步嵌入相應(yīng)的上下層，下層邊嵌滿后，再把吊邊嵌入相應(yīng)槽的上層。這里可將以上分析的2極、4極的沉邊作為下層邊先嵌，根據(jù)節(jié)距再將浮邊嵌入，最后再將吊邊嵌入上層。

鑒于以上分析，將2/4極繞組按雙層繞組排列，嵌線順序排列如表1所示。

表1 嵌線順序

具體嵌線方法按以下進(jìn)行。

1)2極第1組線圈的下層邊依次嵌入19、20、21號槽底，上層邊吊起；4極第1組線圈下層邊依次嵌入22、23、24號槽底，上層邊吊起。

2)2極第2組線圈的下層邊依次嵌入25、26、27號槽底，上層邊吊起；4極第2組線圈下層邊依次嵌入28、29、30號槽底，上層邊依次嵌入19、20、21號槽口。

3)2極第3組線圈的下層邊依次嵌入31、32、33號槽底，上層邊吊起；4極第3組線圈下層邊依次嵌入34、35、36槽底，上層邊依次嵌入25、26、27號槽口。

4)2極第4組線圈的下層邊依次嵌入1、2、3號槽底，上層邊依次嵌入22、23、24號槽口；4極第4組線圈的下層邊依次嵌入4、5、6號槽底，上層邊依次嵌入31、32、33號槽口。

5)2極第5組線圈的下層邊依次嵌入7、8、9號槽底，上層邊依次嵌入28、29、30號槽口；4極第5組線圈的下層邊依次嵌入10、11、12號槽底，上層邊依次嵌入1、2、3號槽口。

6)2極第6組線圈的下層邊依次嵌入13、14、15號槽底，上層邊依次嵌入34、35、36號槽口；4極第6組線圈的下層邊依次嵌入16、17、18號槽底，上層邊依次嵌入7、8、9號槽口。

7)吊把的2極第1組線圈上層邊嵌入4、5、6號槽口；2極第2組線圈上層邊依次嵌入10、11、12號槽；4極第1組線圈上層邊依次嵌入13、14、15號槽口； 2極第3組線圈的上層邊依次嵌入16、17、18號槽口。

嵌線中，2極線圈和4極線圈槽內(nèi)和端部相間分別安裝0.25的CR符合箔NHN進(jìn)行層間及相間絕緣。

對于雙獨(dú)立繞組電機(jī)，當(dāng)其中一套繞組接電工作后，會有三相對稱電流通過，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場會切割另一套繞組，會在另一套繞組中感應(yīng)電勢，所以分別將2極線圈和4極線圈分別按1路星型接法要求接線，一套繞組工作時，另一套繞組沒有閉合回路，不會產(chǎn)生環(huán)流。

1.5 優(yōu)化嵌線方式的試驗(yàn)檢測

2極繞組和4極繞組對鐵心、相間、匝間分別進(jìn)行對地耐壓試驗(yàn)、相間耐壓試驗(yàn)、匝間耐壓試驗(yàn)，2極繞組和4極繞組對鐵心和相間均能承受工頻2 800 V 1 min的耐壓試驗(yàn)，絕緣良好無擊穿，匝間承受4 200 V的脈沖電壓3 s，波形基本重合。端部尺寸檢測均符合設(shè)計要求。 電機(jī)組裝后進(jìn)行例行試驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均滿足該電機(jī)例行試驗(yàn)要求。

2 結(jié)語

對比傳統(tǒng)的雙速雙獨(dú)立繞組電機(jī)分層嵌線方式，需要二次嵌線，一次先將高速繞組線圈依次嵌入槽內(nèi)，二次將低速繞組線圈依次嵌入槽內(nèi)，低速繞組浮于低速繞組上，之間用0.25的CR復(fù)合箔進(jìn)行絕緣。繞組端部較厚，排列不整齊，嵌線周期長。本文分析的嵌線方式，按雙層繞組交疊法方式，一次嵌線同時將高、低速線圈依次嵌入槽內(nèi)，高速繞組和低速繞組端部呈交疊狀，排列整齊，嵌線效率高。

對于雙速雙繞組電機(jī)，低速極數(shù)是高速極數(shù)的2倍，高速每極每相槽數(shù)q是低速每級每相槽數(shù)的2倍，高低速繞組均為單層同心式繞組，端部要求高，均可采用此嵌線方式。嵌線中注意在高低速繞組間安裝好相間絕緣。

在雙速雙繞組電機(jī)嵌線后接線并線中，需要采用合理的接線方法消除環(huán)流電流。