双层叠绕成型绕组改绕成Y-Δ接混合成型绕组的方法

摘要

本发明属于双层叠绕成型绕组改绕成Y-Δ接混合成型绕组的方法，其特征在于：在原双层叠绕成型绕组的基础上，计算Y及Δ接的绕组导体截面积、确定并联支路数、线圈匝数及导线的宽和厚。考虑到电机制造成本问题，改绕成Y-Δ接混合成型绕组时，电机其它参数和尺寸保持原有的不变，而定子槽尺寸需根据线规和线圈匝数作相应的调整，但要保持槽面积不变。该绕组可以提高绕组系数，削弱谐波含量比较强的5、7次等谐波，加大线规，减少匝数，从而降低电机的损耗，提高电机的效率和功率因数。另外，Y接和Δ接线圈采用不轮换法排列以减小工艺难度。此方法适用于功率为2000kW以下高压大中型异步电动机普通双层叠绕成型绕组的改绕方法。

权利要求

1.双层叠绕成型绕组改绕成Y-Δ接混合成型绕组的方法，其特征在于，该方法是将

6kV高压异步电动机的普通双层叠绕成型绕组改绕成Y-Δ接混合成型绕组的实现方法，Y-Δ接混合成型绕组采用内Δ外Y接法，该方法在计算机中依次含有以下步骤：步骤(1).初始化，向计算机中输入以下参数：

原三相绕组的并联支路数a1、导线并绕根数n、每极每相槽数q、每相串联匝数Nφo、相邻两槽间点角度α、基波绕组系数kdp1、导线宽b和厚a、导线截面积Ac、节距y、定子槽数Q1及电机极对数p；

步骤(2).根据Y接部分导体的电流密度JY与Δ接部分导体电流密度JΔ近似相等的要求，计算Y接部分导体截面积AY＝1/0.94Ac，则Δ接部分导体截面积步骤(3).分别设置Y接和Δ接导线并绕根数nY和nΔ、并联支路数aY和aΔ，aY和aΔ应满足：步骤(4).令Y-Δ接混合成型绕组的节距为y′，Y接和Δ接每极每相槽数为分别aY、aΔ，若q为奇数， 若q为偶数， 根据Y接与Δ接每相串联匝数关系式及关系式 可计算出Y-Δ接混合成型绕组系数，由此计

算出Y接与Δ接每相串联匝数NφY、NφΔ以及Y接与Δ接每线圈匝数NY、NΔ；

步骤(5).计算Y接和Δ接的单根导线截面积，分别为 和步骤(6).所选择的Y接和Δ接导线并绕根数nY和nΔ、并联支路数aY和aΔ要保证|SY-SΔ|是所有计算值中最小的，否则返回步骤(3)；

步骤(7).根据SY和SΔ查扁铜导线线规表，在保证Y接和Δ接的导线总宽度要相等的前提下，假设查取的Y接导线宽和厚为a1Y、bY，Δ接导线宽和厚为a1Δ、bΔ，则导线线规要满足步骤(8).根据绝缘规范和线规，确定定子槽宽bs，而槽高hs具体还取决于绕组端部联接方式有关，端部绕组联接通常有以下三种组合联接方式：

1)Y接、Y-Δ接；

2)Δ接、Y-Δ接；

3)Y接、Δ接、Y-Δ接；

令Y接时槽高为hsY，Δ接槽高为hsΔ，Y-Δ混合联接槽高为hsY-Δ，当绕组为第一种联接时，hs＝max(hsY，hsY-Δ)；当绕组为第二种为两种联接方式时，hs＝max(hsΔ，hsY-Δ)；当绕组为Y接、Δ接、Y-Δ接三种联接方式时，hs＝max(hsY，hsΔ，hsY-Δ)，从而计算定子槽面积Ss；

步骤(9).令普通绕组时定子槽面积Ss0，判断定子槽面积是否满足Ss≈Ss0，否则返回步骤(7)，即重新选取线规。

说明书

双层叠绕成型绕组改绕成Y-Δ接混合成型绕组的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种将高压大中型异步电动机的双层叠绕成型绕组改绕成Y-Δ接混合成型绕组的方法，属于高压高效异步电动机的技术领域。

背景技术

[0002] 电动机是当今工矿企业及日常生活中耗电量最多的一种电气设备。据资料统计，在美、日、法、俄四国的电动机所消耗的电能占其全部工业消耗电能的比重均超过60％，而在我国，仅三相异步电动机的用电量就占总用电量的60％以上。主要是因为我国电机驱动系统的能源利用率比国际先进水平低20％左右，尤其是高压三相异步电动机。如果电动机效率平均提高2％，节能潜力约为1000亿kWh，对我国的电力消耗的节约将是巨大的，这对于资源的节约、环境境的保护和改善是非常有利的。因此，进行高效高压三相异步电动机的研究意义重大。

[0003] 同中小型异步电动机一样，要提高高压大中型异步电动机的效率，就是要降低电机的铁耗、定子铜耗、转子铜耗、机械损耗及杂散损耗。多数厂家通过增加有效材料，或采用高性能的硅钢片材料和低电阻的铜转子，国外甚至采用铸铜转子来降低电机的铁耗、铜耗及杂散损耗，但这是以增加电机的成本为代价的；改善通风结构及优化风扇的设计方法能够降低电机的机械损耗，改善工艺技术能够降低电机的杂散损耗，这样又增加了电机的加工技术难度。如果能像小型异步电动机那样，将普通双层叠绕组改绕成Y-Δ混合绕组，又称之为正弦绕组，即不增加成本，又能提高电机的性能，将对提高高压大中型异步电动机的性能是非常有意义的。对于小型异步电动机，无论是对电机进行电磁优化，或者增加有效材料，还是采用Y-Δ混合绕组，电机的效率提高都是比较明显的。而对于高压大中型异步电动机，由于其在电磁设计方法上水平比较高，效率本身也比较高，如果对其进行电磁优化或增加有效材料，研究发现电机的性能提高得不是很明显。如果像小型电机一样，将普通双层叠绕散嵌绕组改接成正弦绕组那样，对提高高压大中型异步电动机的性能是很有意义的。目前Y-Δ混合成型绕组多用在中小型电机上，而在高压大中型异步电动机上的应用及研究还没有在相关公开报道中看到。大型电机由于定子多为开口槽，绕组通常采用成型绕组，接线难度较中小型电机大。另外，国家电力部规定，功率大于2000kW(包括2000kW)的高压异步电动机，因工艺上无法满足，所以不可以采用Y-Δ混合绕组。

[0004] 对于电压为6kV的异步电动机，定子绕组采用Y接，为了防止环流产生，改接成混合绕组时采用内Δ外Y接法。这种绕组能有效抑制谐波，大大削弱含量比较强的5、7等次谐波，基波加强，绕组系数提高，每极磁通降低，气隙磁密、定转子齿磁密及轭磁密降低，从而使得铁耗降低，同时为了不至于使每极磁通降得过低，线圈匝数可按比例减少，激磁电流减小，因此铜耗下降，从而提高了电机的功率因数和效率。因此，研究实现高压异步电动机的Y-Δ混合成型绕组并将其取代普通三相绕组，对开发高压高效异步电动机是很有价值的，缺点是工艺难度比较大，接线比较复杂。

发明内容

[0005] 本发明是针对我国高压电机效率难以提高的问题而提出的一种应用在6kV高压异步电动机中的Δ-Y混合成型绕组的实现方法，目的是提高高压异步电动机的效率和性能，帮助解决和我国高压电机水平低的问题。该方法不是主要靠采用高性能的材料和增加电机有效材料来提高电机的效率，而是利用Δ-Y混合绕组可以降低电机的铁耗、杂散损耗、铜耗和提高功率因数的优点来提高电机性能。目前一些参考文献上所讲的将普通绕组改绕城Δ-Y混合绕组的方法多是针对中小型异步电动机，因为中小型异步电动机的定子绕组采用的是散绕组，能够做到在不改变电机任何参数和尺寸的情况下原普通三相绕组顺利改接成Δ-Y混合绕组，而且工艺上实现起来相对混合成型绕组来说也比较容易。

[0006] 与中小型异步电动机中将双层叠绕组改绕成Y-Δ混合绕组的方法不同，若将普通成型绕组改成混合成型绕组，一方面工艺上比较复杂，另一方面由于Y接Δ接部分导线线规、线圈匝数和并联支路数等不像小型电机正弦绕组那样容易确定，由于受到很多参数关系的限制，往往不易选到合适的线规、线圈匝数及其并联支路数，而这些恰好是正弦成型绕组实现的关键和难点。Δ-Y混合成型绕组除了要保持Y接部分和Δ接部分的电流密度相等外，还必须要保持二者的导线总宽度相等。另外，为了保持定子槽用铜量不增加，而又为了满足所计算的导线截面积和匝数的要求，有时需对定子槽尺寸做一微调。此时绕组联接既有全部为Y形联接的，又有全部为角形联接的，还有Y-Δ混合联接的，所以槽高需根据绕组联接方式和最大槽高确定。

[0007] 所述的方法在计算机中依次含有如下步骤：

[0008] 步骤(1).初始化，向计算机中输入以下参数：

[0009] 原三相绕组的并联支路数a1、导线并绕根数n、每极每相槽数q、每相串联匝数Nφo、相邻两槽间点角度α、基波绕组系数kdp1、导线宽b和厚a、导体截面积Ac、节距y、定子槽数Q1及电机极对数p；

[0010] 步骤(2).根据Y接部分导体的电流密度与Δ接部分导体电流密度近似相等的要求，计算Y接部分导线截面积AY＝1/0.94Ac，则Δ接部分导线截面积

[0011] 步骤(3).分别设置Y接和Δ接导线并绕根数nY和nΔ、并联支路数aY和aΔ，aY和aΔ应满足：

[0012]

[0013] 步骤(4).令Y-Δ接混合成型绕组的节距为y′，Y接和Δ接每极每相槽数为分别qY、qΔ，若q为奇数， 若q为偶数， 根据Y接与Δ接每相串联匝数关系式 及关系式 可计算出Y-Δ接混合成型绕组系数，由此计
算出Y接与Δ接每相串联匝数NφY、NφΔ以及Y接与Δ接每线圈匝数NY、NΔ；

[0014] 步骤(5).计算Y接和Δ接的单根导线截面积，分别为 和

[0015] 步骤(6).所选择的Y接和Δ接导线并绕根数nY和nΔ、并联支路数aY和aΔ要保证|SY-SΔ|是所有计算值中最小的，否则返回步骤(3)；

[0016] 步骤(7).根据SY和SΔ查扁铜导线线规表，在保证Y接和Δ接的导线总宽度要相等的前提下，假设查取的Y接导线宽和厚为a1Y、bY，Δ接导线宽和厚为a1Δ、bΔ，则导线线规要满足

[0017]

[0018] 步骤(8).根据绝缘规范和导线线规，确定定子槽宽bs，而槽高hs还取决于绕组端部联接方式有关，端部绕组联接通常有以下三种组合联接方式：

[0019] 1)Y接、Y-Δ接；

[0020] 2)Δ接、Y-Δ接；

[0021] 3)Y接、Δ接、Y-Δ接；

[0022] 令Y按时槽高为hsY，Δ接槽高为hsΔ，Y-Δ混合联接槽高为hsY-Δ，当绕组为第一种联接时，hs＝max(hsY，hsY-Δ)；当绕组为第二种为两种联接方式时，hs＝max(hsΔ，hsY-Δ)；当绕组为Y接、Δ接、Y-Δ接三种联接方式时，hs＝max(hsY，hsΔ，hsY-Δ)，从而计算定子槽面积Ss；

[0023] 步骤(9).令普通绕组时定子槽面积为Ss0，判断定子槽面积是否满足Ss≈Ss0，否则返回步骤(7)，即重新选取线规。

[0024] 在进行混合绕组联接时，接线一定要确保Y绕组滞后Δ绕组30°电角度，否则不但不能削弱高次谐波，改善电机性能，反而会使电机处于磁路饱和状态，导致损耗急剧上升，效率下降，电机性能严重恶化。

[0025] 本发明适合于定子槽为开口槽，且绕组铜线采用扁导线的硬绕组，功率小于等于2000kW的大中型高压异步电动机。由于该方法都是基于原普通三相绕组进行改绕计算的，因此，除定子槽宽尺寸有时需要作一些微调外，其它电机主要尺寸及转子尺寸等都保持为原三相绕组时的尺寸，这样才能保持电机的制造成本不会变化很大。

[0026] 另外，在进行电磁计算时，除了需将与绕组有关的参数用混合绕组的计算公式替代相应的传统三相绕组的电磁计算公式外，其余部分仍采用原来电磁计算程序进行计算，具体相关文献中都有给出，这里不再赘述。

附图说明

[0027] 图1.Y-Δ混合硬绕组实现的流程图；

[0028] 图2.外三角接法混合绕组；

[0029] 图3.内三角接法混合绕组；

[0030] 图4.Δ接部分星形等值电路；

[0031] 图5.定子绕组扁铜线：1.槽绝缘，2.槽底垫条，3.下层线圈，4.层间垫条，5.上层线圈，6.楔下垫条，7.槽楔；

[0032] 图6.定子开口槽。

具体实施方式

[0033] 本发明的关键是Y接Δ接部分导线线规、线圈匝数和并联支路数的确定，方法流程如图1所示。具体实施方式如下：

[0034] 1.已知原三相绕组的数据，包括以下参数：

[0035] 并联支路数a1、导线并绕根数n、每极每相槽数q、每相串联匝数Nφo。、相邻两槽间点角度α、基波绕组系数kdp1、导线宽b和厚a、导线截面积Ac、节距y、定子槽数Q1及电机极对数p；

[0036] 2.设原普通三相绕组线电流为I1，电流密度为J，导体截面积为Ac，则图3中Y型部分相电流IAY＝IBY＝ICY＝IY＝I1，电流密度JY＝IY/AY＝I1/AY；Δ接部分相电流设AY、AΔ分别为Y接和Δ接部分的导体截面积。由J＝JY＝JΔ可得出

[0037] AY＝Ac

[0038] (1)

[0039]

[0040] 以上推导在相关的文献中都有讲到，这里不再详述。以上所有计算未考虑正弦绕组的绕组系数已比三相绕组有所提高这一固素。在一般情况下，正弦绕组的分布系数比三相绕组提高约3％；同时，正弦绕组主要考虑削弱11次和13次谐波，同时又要使基波的短距系数尽可能的高，通常采用线圈节距 而原三相绕组通常选用节距 则前者短距系数比后者提高约2.5％，于是正弦绕组的绕组系数比三相绕组提高约3％(对单层绕组和双层整距绕组)或6％(对双层短距绕组)。基于这一因素，在计算导体截面积AY和AΔ时，应乘以1/0.97(对单层绕组和双层整距绕组)或1/0.94(对双层短距绕组)。这一修正可使在保持铁耗不变的情况下，降低了定子绕组铜耗。

[0041] 3.当定子电流太大时，为了避免采用截面太大的导线，通常把定子每相绕组接成多路并联或采用多根导线并绕。分别设置Y接和Δ接导线并绕根数nY和nΔ、并联支路数aY和aΔ，考虑到工艺条件，并联支路数不宜过多，对于6kV高压异步电动机，aY和aΔ应满足：

[0042]

[0043] 4.令Y-Δ接混合硬绕组的节距为y′，Y接和Δ接每极每相槽数为分别qY、qΔ，考虑到工艺问题，这里采用不轮换排列法，即每相Δ接部分比Y接部分多一个，若q为奇数， 若q为偶数， 为了保持每槽总电流安匝数相等，混合绕组要求Δ接部分每相串联匝数NφΔ是Y接部分每相串联匝数NφY的 倍，即 而由线圈匝数
计算式得出关系式 代入Y-Δ接混合绕组系数公式可计算出Y-Δ接
混合硬绕组系数。图4中有Z′Y＝ZY，从而推出UYN与UN的关系。由于UN∝Nφokdp1，UYN ∝NφYk′dp1，由此计算出Y接与Δ接每相串联匝数NφY、NφΔ以及Y接与Δ接每线圈匝数NY、NΔ；

[0044] 5.计算Y接和Δ接的单根导线截面积，分别为 和 并判断所选择的Y接和Δ接导线并绕根数nY和nΔ、并联支路数aY和aΔ数据中，是否使得|SY-SΔ|是所有计算值中最小的，如果是，则执行下一步，否则返回上一步重新选择nY和nΔ、aY和aΔ；

[0045] 6.根据SY和SΔ查扁铜导线线规表，查取标准线规。另外由于Y接与Δ接部分的槽宽相等，所以选取导线宽度时务必保证Y接和Δ接的导线总宽度要相等，假设查取的Y接导线宽和厚为a1Y、bY，Δ接导线宽和厚为a1Δ、bΔ，则导线线规要满足

[0046]

[0047] 7.此时定子槽宽和槽高不仅取决于线规和线圈匝数，而且还与绝缘规范有关。令导线绝缘厚度为d，主绝缘厚度为hg，hi为其它绝缘规范及垫条厚度总和，包括线圈公差、装配间隙、槽公差、楔下垫条、层间垫条及槽底垫条，如图5所示，具体各尺寸视厂家所采用的绝缘规范而定。定子槽宽bs容易确定，与绝缘规范和导线宽及导线并绕根数有关，即bs＝f(nY，bY，d，hg)或bs＝f(nΔ，bΔ，d，hg)；槽高hs则与线厚度、绝缘规范及线圈匝数有关，即hs＝f(a1Y，a1Δ，NY，NΔ，d，hg，hi)，具体槽高的确定取决于绕组端部联接方式有关，而端部联接方式又取决于y′、qY、qΔ及相邻两槽间点角度α。不过不管端部绕组联接方式如何，最多有以下三种组合联接方式：

[0048] 1)Y接、Y-Δ接；

[0049] 2)Δ接、Y-Δ接；

[0050] 3)Y接、Δ接、Y-Δ接；

[0051] 令Y接时槽高为hsY，Δ接槽高为hsΔ，Y-Δ混合联接槽高为hsY-Δ，当绕组为第一种联接时，hs＝max(hsY，hsY-Δ)；当绕组为第二种为两种联接方式时，hs＝max(hsΔ，hsY-Δ)；当绕组为Y接、Δ接、Y-Δ接三种联接方式时，hs＝max(hsY，hsΔ，hsY-Δ)，从而计算定子槽面积Ss；

[0052] 8.令普通绕组时定子槽面积为Ss0，判断定子槽面积是否满足Ss≈Ss0，否则重新选取线规宽和厚。