專利名稱:雙層疊繞成型繞組改繞成y-δ接混合成型繞組的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種將高壓大中型異步電動(dòng)機(jī)的雙層疊繞成型繞組改繞成Y-A接混合成型繞 組的方法,屬于高壓高效異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
電動(dòng)機(jī)是當(dāng)今工礦企業(yè)及日常生活中耗電量最多的一種電氣設(shè)備。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),在美、曰、 法、俄四國(guó)的電動(dòng)機(jī)所消耗的電能占其全部工業(yè)消耗電能的比重均超過60%,而在我國(guó),僅 三相異步電動(dòng)機(jī)的用電量就占總用電量的60%以上。主要是因?yàn)槲覈?guó)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利 用率比國(guó)際先進(jìn)水平低20%左右,尤其是高壓三相異步電動(dòng)機(jī)。如果電動(dòng)機(jī)效率平均提高2%, 節(jié)能潛力約為1000億kWh,對(duì)我國(guó)的電力消耗的節(jié)約將是巨大的,這對(duì)于資源的節(jié)約、環(huán)境 境的保護(hù)和改善是非常有利的。因此,進(jìn)行高效高壓三相異步電動(dòng)機(jī)的研究意義重大。
同中小型異步電動(dòng)機(jī)一樣,要提高高壓大中型異歩電動(dòng)機(jī)的效率,就是要降低電機(jī)的鐵 耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、機(jī)械損耗及雜散損耗。多數(shù)廠家通過增加有效材料,或采用高性 能的硅鋼片材料和低電阻的銅轉(zhuǎn)子,國(guó)外甚至采用鑄銅轉(zhuǎn)子來降低電機(jī)的鐵耗、銅耗及雜散 損耗,但這是以增加電機(jī)的成本為代價(jià)的;改善通風(fēng)結(jié)構(gòu)及優(yōu)化風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方法能夠降低電 機(jī)的機(jī)械損耗,改善工藝技術(shù)能夠降低電機(jī)的雜散損耗,這樣又增加了電機(jī)的加工技術(shù)難度。 如果能像小型異步電動(dòng)機(jī)那樣,將普通雙層疊繞組改繞成Y-A混合繞組,又稱之為正弦繞組, 即不增加成本,又能提高電機(jī)的性能,將對(duì)提高高壓大中型異步電動(dòng)機(jī)的性能是非常有意義 的。對(duì)于小型異步電動(dòng)機(jī),無論是對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁優(yōu)化,或者增加有效材料,還是采用Y-A 混合繞組,電機(jī)的效率提高都是比較明顯的。而對(duì)于高壓大中型異步電動(dòng)機(jī),由于其在電磁 設(shè)計(jì)方法上水平比較高,效率本身也比較高,如果對(duì)其進(jìn)行電磁優(yōu)化或增加有效材料,研究 發(fā)現(xiàn)電機(jī)的性能提高得不是很明顯。如果像小型電機(jī)一樣,將普通雙層疊繞散嵌繞組改接成 正弦繞組那樣,對(duì)提高高壓大中型異步電動(dòng)機(jī)的性能是很有意義的。目前Y-A混合成型繞組多 用在中小型電機(jī)上,而在高壓大中型異步電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用及研究還沒有在相關(guān)公開報(bào)道中看
到。大型電機(jī)由于定子多為開口槽,繞組通常采用成型繞組,接線難度較中小型電機(jī)大。另 外,國(guó)家電力部規(guī)定,功率大于2000kW (包括2000kW)的高壓異步電動(dòng)機(jī),因工藝上無法滿 足,所以不可以采用Y-A混合繞組。
對(duì)于電壓為6kV的異步電動(dòng)機(jī),定子繞組釆用Y接,為了防止環(huán)流產(chǎn)生,改接成混合繞組 時(shí)采用內(nèi)A外Y接法。這種繞組能有效抑制諧波,大大削弱含量比較強(qiáng)的5、 7等次諧波,基波 加強(qiáng),繞組系數(shù)提高,每極磁通降低,氣隙磁密、定轉(zhuǎn)子齒磁密及軛磁密降低,從而使得鐵 耗降低,同時(shí)為了不至于使每極磁通降得過低,線圈匝數(shù)可按比例減少,激磁電流減小,因 此銅耗下降,從而提高了電機(jī)的功率因數(shù)和效率。因此,研究實(shí)現(xiàn)高壓異歩電動(dòng)機(jī)的Y-A混合 成型繞組并將其取代普通三相繞組,對(duì)開發(fā)高壓高效異步電動(dòng)機(jī)是很有價(jià)值的,缺點(diǎn)是工藝 難度比較大,接線比較復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)我國(guó)高壓電機(jī)效率難以提高的問題而提出的一種應(yīng)用在高壓大中型異步電 動(dòng)機(jī)中的A-Y混合成型繞組的實(shí)現(xiàn)方法,目的是提高高壓異步電動(dòng)機(jī)的效率和性能,幫助解決 和我國(guó)高壓電機(jī)水平低的問題。該方法不是主要靠采用高性能的材料和增加電機(jī)有效材料來 提高電機(jī)的效率,而是利用A-Y混合繞組可以降低電機(jī)的鐵耗、雜散損耗、銅耗和提高功率因 數(shù)的優(yōu)點(diǎn)來提高電機(jī)性能。目前一些參考文獻(xiàn)上所講的將普通繞組改繞城A-Y混合繞組的方法
多是針對(duì)中小型異步電動(dòng)機(jī),因?yàn)橹行⌒彤惒诫妱?dòng)機(jī)的定子繞組采用的是散繞組,能夠做到 在不改變電機(jī)任何參數(shù)和尺寸的情況下原普通三相繞組順利改接成A-Y混合繞組,而且工藝上 實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)混合成型繞組來說也比較容易。
與中小型異步電動(dòng)機(jī)中將雙層疊繞組改繞成Y-A混合繞組的方法不同,若將普通成型繞組 改成混合成型繞組, 一方面工藝上比較復(fù)雜,另一方面由于Y接A接部分導(dǎo)線線規(guī)、線圈匝數(shù) 和并聯(lián)支路數(shù)等不像小型電機(jī)正弦繞組那樣容易確定,由于受到很多參數(shù)關(guān)系的限制,往往 不易選到合適的線規(guī)、線圈匝數(shù)及其并聯(lián)支路數(shù),而這些恰好是正弦成型繞組實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵和 難點(diǎn)。A-Y混合成型繞組除了要保持Y接部分和A接部分的電流密度相等外,還必須要保持二 者的導(dǎo)線總寬度相等。另外,為了保持定子槽用銅量不增加,而又為了滿足所計(jì)算的導(dǎo)線截 面積和匝數(shù)的要求,有時(shí)需對(duì)定子槽尺寸作一微調(diào)。此時(shí)繞組聯(lián)接既有全部為Y形聯(lián)接的,又 有全部為角形聯(lián)接的,還有Y-A混合聯(lián)接的,所以槽高需根據(jù)繞組聯(lián)接方式和最大槽高確定。所述的方法在計(jì)算機(jī)中依次含有如下步驟-
歩驟(l).初始化,向計(jì)算機(jī)中輸入以下參數(shù)
原三相繞組的并聯(lián)支路數(shù)^、導(dǎo)線并繞根數(shù)"、每極每相槽數(shù)《、每相串聯(lián)匝數(shù) 、相 鄰兩槽間點(diǎn)角度"、基波繞組系數(shù)^,、導(dǎo)線寬6和厚。、導(dǎo)體截面積4、節(jié)距y、定子槽數(shù) 0及電機(jī)極對(duì)數(shù)戶;
歩驟(2).根據(jù)入《^的要求,計(jì)算Y接部分導(dǎo)線截面積4 =1/0.944,貝払接部分導(dǎo)線截 面積A =^/7^;
步驟(3).分別設(shè)置Y接和A接導(dǎo)線并繞根數(shù) 和^、并聯(lián)支路數(shù) 和^,對(duì)于6kV
高壓異步電動(dòng)機(jī), 和^應(yīng)滿足
/V"y =整數(shù) p/aA =整數(shù)
歩驟(4).令Y-A接混合成型繞組的節(jié)距為y , Y接和A接每極每相槽數(shù)為分別^、 gA, 若《為奇數(shù),& =^ ;若《為偶數(shù),& = f ;根據(jù)Y接與厶接每相串聯(lián)匝數(shù)關(guān)系式 =力 及關(guān)系式AV^/(V^VyA):^/^ ,可計(jì)算出Y-A接混合成型繞組系數(shù),由此計(jì)算出Y接與A接 每相串聯(lián)匝數(shù)AV、 A^以及Y接與A接每線圈匝數(shù)AV、
步驟(5).計(jì)算Y接和A接的單根導(dǎo)線截面積,分別為^=1和&=^^;
步驟(6).所選擇的Y接和A接導(dǎo)線并繞根數(shù) 和 、并聯(lián)支路數(shù) 和^要保證K-&| 是所有計(jì)算值中最小的,否則返回步驟(3);
步驟(7).根據(jù)Sy和&査扁銅導(dǎo)線線規(guī)表,在保證Y接和A接的導(dǎo)線總寬度要相等的前提 下,假設(shè)查取的Y接導(dǎo)線寬和厚為 、~, A接導(dǎo)線寬和厚為A,、 ~,則導(dǎo)線線規(guī)要滿足
<formula>formula see original document page 6</formula>步驟(8).根據(jù)絕緣規(guī)范和導(dǎo)線線規(guī),確定定子槽寬6、.,而槽高/2、.還取決于繞組端部聯(lián)接 方式有關(guān),端部繞組聯(lián)接通常有以下三種組合聯(lián)接方式
1) Y接、Y-厶接;
2) A接、Y-A接;
3) Y接、A接、Y-A接;
令Y接時(shí)槽高為/z,y, A接槽高為/^, Y-A混合聯(lián)接槽高為/2,^,當(dāng)繞組為第一種聯(lián)接
時(shí),hy=-max(hy,hy-A);當(dāng)繞組為第二種為兩種聯(lián)接方式時(shí),hx=max(/hyA, hyY-A);當(dāng)繞組為Y 接、A接、Y-A接三種聯(lián)接方式時(shí),/z、.=max(/7、y,/z,A,/z,Y.A),從而計(jì)算定子槽面積&;
歩驟(9).令普通繞組時(shí)定子槽面積為&。,判斷定子槽面積是否滿足S、sS、。,否則返 回步驟(7),即重新選取線規(guī)。
在進(jìn)行混合繞組聯(lián)接時(shí),接線一定要確保Y繞組滯后A繞組30。電角度,否則不但不能削弱 高次諧波,改善電機(jī)性能,反而會(huì)使電機(jī)處于磁路飽和狀態(tài),導(dǎo)致?lián)p耗急劇上升,效率下降, 電機(jī)性能嚴(yán)重惡化。
本發(fā)明適合于定子槽為開口槽,且繞組銅線采用扁導(dǎo)線的硬繞組,功率小于等于2000kW 的大中型高壓異步電動(dòng)機(jī)。由于該方法都是基于原普通三相繞組進(jìn)行改繞計(jì)算的,因此,除 定子槽寬尺寸有時(shí)需要作一些微調(diào)外,其它電機(jī)主要尺寸及轉(zhuǎn)子尺寸等都保持為原三相繞組 時(shí)的尺寸,這樣才能保持電機(jī)的制造成本不會(huì)變化很大。
另外,在進(jìn)行電磁計(jì)算時(shí),除了需將與繞組有關(guān)的參數(shù)用混合繞組的計(jì)算公式替代相應(yīng) 的傳統(tǒng)三相繞組的電磁計(jì)算公式外,其余不部分仍采用原來電磁計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算,具體相 關(guān)文獻(xiàn)中都有給出,這里不再贅述。
圖l. Y-A混合硬繞組實(shí)現(xiàn)的流程圖; 圖2.外三角接法混合繞組; 圖3.內(nèi)三角接法混合繞組; 圖4. A接部分星形等值電路;
圖5.定子繞組扁銅線l.槽絕緣,2.槽底墊條,3.下層線圈,4.層間墊條,5.上層線圈,
6.楔下墊條,7.槽楔;
圖6.定子開口槽。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的關(guān)鍵是Y接厶接部分導(dǎo)線線規(guī)、線圈匝數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定,方法流程如圖l
所示。
具體實(shí)施方式
如下
1.已知原三相繞組的數(shù)據(jù),包括以下參數(shù)
并聯(lián)支路數(shù)a1、導(dǎo)線并繞根數(shù)n、每極每相槽數(shù)《、每相串聯(lián)匝數(shù)AV,、相鄰兩槽間點(diǎn)角 度"、基波繞組系數(shù)&,、導(dǎo)線寬6和厚a、導(dǎo)線截面積4、節(jié)距y、定子槽數(shù)0及電機(jī)極對(duì) 數(shù)/ ;
2. 設(shè)原普通三相繞組線電流為/,,電流密度為J,導(dǎo)體截面積為4,則圖3中Y型部分相 電流/〃 = /針== /r = /,,電流密度Jy = /y M = A M ;厶接部分相電流/A =八M ", M ,設(shè) 4、 A分別為Y接和A接部分的導(dǎo)體截面積。由7 =々=^可得出
以上推導(dǎo)在相關(guān)的文獻(xiàn)中都有講到,這里不再詳述。以上所有計(jì)算未考慮正弦繞組的繞 組系數(shù)已比三相繞組有所提高這一固素。在一般情況下,正弦繞組的分布系數(shù)比三相繞組提
高約3%;同時(shí),正弦繞組主要考慮削弱11次和13次諧波,同時(shí)又要使基波的短距系數(shù)盡可
能的高,通常采用線圈節(jié)距7 = ^^,而原三相繞組通常選用節(jié)距r二2r ,則前者短距系數(shù)比
后者提高約2. 5%,于是正弦繞組的繞組系數(shù)比三相繞組提高約3%(對(duì)單層繞組和雙層整距繞
組)或6%(對(duì)雙層短距繞組)?;谶@一因素,在計(jì)算導(dǎo)體截面積^和A時(shí),應(yīng)乘以l/0.97(對(duì) 單層繞組和雙層整距繞組)或1/0.94 (對(duì)雙層短距繞組)。這一修正可使在保持鐵耗不變的情況 下,降低了定子繞組銅耗。
3. 當(dāng)定子電流太大時(shí),為了避免采用截面太大的導(dǎo)線,通常把定子每相繞組接成多
路并聯(lián)或采用多根導(dǎo)線并繞。分別設(shè)置Y接和A接導(dǎo)線并繞根數(shù) 和 、并聯(lián)支路數(shù) 和
A,考慮到工藝條件,并聯(lián)支路數(shù)不宜過多,對(duì)于6kV高壓異步電動(dòng)機(jī), 和^應(yīng)滿足
/^/ =整數(shù) (2) /V"a =整數(shù)
4. 令Y-A接混合硬繞組的節(jié)距為;/, Y接和A接每極每相槽數(shù)為分別^、 gA,考慮到工藝 問題,這里采用不輪換排列法,即每相A接部分比Y接部分多一個(gè),若《為奇數(shù),
若《為偶數(shù),&=1^。為了保持每槽總電流安匝數(shù)相等,混合繞組要求A接部分每相串聯(lián)匝
數(shù)A^是Y接部分每相串聯(lián)匝數(shù)AV的^倍,即A^:^^V;而由線圈匝數(shù)計(jì)算式得出關(guān)系式 WA"y/(V^V—A) = ^/^,代入Y-A接混合繞組系數(shù)公式可計(jì)算出Y-A接混合硬繞組系數(shù)。圖4 中有4^Zy,從而推出[/^與f^的關(guān)系。由于^《AV^,, f/ywKAV^。由此計(jì)算出Y接與 A接每相串聯(lián)匝數(shù)A^、 iV^以及Y接與A接每線圈匝數(shù)A^、 7VA;
5. 計(jì)算Y接和A接的單根導(dǎo)線截面積,分別為<formula>formula see original document page 8</formula>和<formula>formula see original document page 8</formula>,并判斷所選擇的Y
接和A接導(dǎo)線并繞根數(shù) 和^、并聯(lián)支路數(shù) 和^數(shù)據(jù)中,是否使得K-^l是所有計(jì)算值中 最小的,如果是,則執(zhí)行下一步,否則返回上一步重新選擇 和 、 和^;
6. 根據(jù)&和&査扁銅導(dǎo)線線規(guī)表,査取標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)。另外由于Y接與A接部分的槽寬相等,
所以選取導(dǎo)線寬度時(shí)務(wù)必保證Y接和A接的導(dǎo)線總寬度要相等,假設(shè)査取的Y接導(dǎo)線寬和厚為
a1Y、 by,A接導(dǎo)線寬和厚為a1A,、 bA,則導(dǎo)線線規(guī)要滿足
<formula>formula see original document page 9</formula> (3)
7. 此時(shí)定子槽寬和槽高不僅取決于線規(guī)和線圈匝數(shù),而且還與絕緣規(guī)范有關(guān)。令導(dǎo)線絕 緣厚度為",主絕緣厚度為&, /z,為其它絕緣規(guī)范及墊條厚度總和,包括線圈公差、裝配間 隙、槽公差、楔下墊條、層間墊條及槽底墊條,如圖5所示,具體各尺寸視廠家所采用的絕 緣規(guī)范而定。定子槽寬6,容易確定,與絕緣規(guī)范和導(dǎo)線寬及導(dǎo)線并繞根數(shù)有關(guān),即 6,=/( ,~乂~)或6,=/("4,~乂~);槽高&則與線厚度、絕緣規(guī)范及線圈匝數(shù)有關(guān),艮P A=/(fliy,",A,7Vy,WA^,《,,A,),具體槽高的確定取決于繞組端部聯(lián)接方式有關(guān),而端部聯(lián)接方 式又取決于j 、 "、 ^及相鄰兩槽間點(diǎn)角度"。不過不管端部繞組聯(lián)接方式如何,最多有以 下三種組合聯(lián)接方式
1) Y接、Y-A接;
2) A接、Y-A接;
3) Y接、A接、Y-A接;
令Y接時(shí)槽高為hxy, A接槽高為hxA,Y-A混合聯(lián)接槽高為hsy-A,當(dāng)繞組為第一種聯(lián)接 時(shí),<formula>formula see original document page 9</formula>;當(dāng)繞組為第二種為兩種聯(lián)接方式時(shí)<formula>formula see original document page 9</formula>;當(dāng)繞組為Y 接、A接、Y-A接三種聯(lián)接方式時(shí)<formula>formula see original document page 9</formula>,從而計(jì)算定子槽面積& ;
8. 令普通繞組時(shí)定子槽面積為&。,判斷定子槽面積是否滿足& &。,否則重新選取 線規(guī)寬和厚。
權(quán)利要求
1、雙層疊繞成型繞組改繞成Y-Δ接混合成型繞組的方法,其特征在于,該方法是將大中型異步電動(dòng)機(jī)的普通雙層疊繞成型繞組改繞成Y-Δ接混合成型繞組的實(shí)現(xiàn)方法,Y-Δ接混合成型繞組采用內(nèi)Δ外Y接法,該方法在計(jì)算機(jī)中依次含有以下步驟步驟(1).初始化,向計(jì)算機(jī)中輸入以下參數(shù)原三相繞組的并聯(lián)支路數(shù)a1、導(dǎo)線并繞根數(shù)n、每極每相槽數(shù)q、每相串聯(lián)匝數(shù)Nφo、相鄰兩槽間點(diǎn)角度α、基波繞組系數(shù)kdpl、導(dǎo)線寬b和厚a、導(dǎo)線截面積Ac、節(jié)距y、定子槽數(shù)Q1及電機(jī)極對(duì)數(shù)p;步驟(2).根據(jù)JY≈JΔ的要求,計(jì)算Y接部分導(dǎo)體截面積AY=1/0.94Ac,則Δ接部分導(dǎo)體截面積步驟(3).分別設(shè)置Y接和Δ接導(dǎo)線并繞根數(shù)nY和nΔ、并聯(lián)支路數(shù)aY和aΔ,對(duì)于6kV高壓異步電動(dòng)機(jī),aY和aΔ也應(yīng)滿足步驟(4).令Y-Δ接混合成型繞組的節(jié)距為y,Y接和Δ接每極每相槽數(shù)為分別qY、qΔ,若q為奇數(shù),qY=q-1/2;若q為偶數(shù),qY=q+1/2;根據(jù)Y接與Δ接每相串聯(lián)匝數(shù)關(guān)系式 及關(guān)系式 ,可計(jì)算出Y-Δ接混合成型繞組系數(shù),由此計(jì)算出Y接與Δ接每相串聯(lián)匝數(shù)NφY、NφΔ以及Y接與Δ接每線圈子匝數(shù)NY、NΔ;步驟(5).計(jì)算Y接和Δ接和單根導(dǎo)線截面積,分別為 和??;步驟(6).選擇的Y接和Δ接導(dǎo)線并繞根數(shù)nY和nΔ、并聯(lián)支路數(shù)aY和aΔ要保證|SY-SΔ|是所有計(jì)算值中最小的,否則返回步驟(3);步驟(7).根據(jù)SY和SΔ查扁銅導(dǎo)線線規(guī)表,在保證Y接和Δ接的導(dǎo)線總寬度要相等的前提下,假設(shè)查取的Y接導(dǎo)線寬和厚為a1Y、bY,Δ接導(dǎo)線寬和厚為a1Δ、bΔ,則導(dǎo)線線規(guī)要滿足步驟(8).根據(jù)絕緣規(guī)范和線規(guī),確定定子槽寬bs,而槽高h(yuǎn)s具體還取決于繞組端部聯(lián)接方式有關(guān),端部繞組聯(lián)接通常有以下三種組合聯(lián)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接時(shí)槽高為hsY,Δ接槽高為hsΔ,Y-Δ混合聯(lián)接槽高為hsY-Δ,當(dāng)繞組為第一種聯(lián)接時(shí),hs=max(hsY,hsY-Δ);當(dāng)繞組為第二種為兩種聯(lián)接方式時(shí),hs=max(hsΔ,hsY-Δ);當(dāng)繞組為Y接、Δ接、Y-Δ接三種聯(lián)接方式時(shí),hs=max(hsY,hsΔ,hsY-Δ),從而計(jì)算定子槽面積Ss;步驟(9).令普通繞組時(shí)定子槽面積Ss0,判斷定子槽面積是否滿足Sy≈Ss0,否則返回步驟(7),即重新選取線規(guī)。
全文摘要
本發(fā)明屬于雙層疊繞成型繞組改繞成Y-Δ接混合成型繞組的方法,其特征在于在原雙層疊繞成型繞組的基礎(chǔ)上,計(jì)算Y及Δ接的繞組導(dǎo)體截面積、確定并聯(lián)支路數(shù)、線圈匝數(shù)及導(dǎo)線的寬和厚??紤]到電機(jī)制造成本問題,改繞成Y-Δ接混合成型繞組時(shí),電機(jī)其它參數(shù)和尺寸保持原有的不變,而定子槽尺寸需根據(jù)線規(guī)和線圈匝數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整,但要保持槽面積不變。該繞組可以提高繞組系數(shù),削弱諧波含量比較強(qiáng)的5、7次等諧波,加大線規(guī),減少匝數(shù),從而降低電機(jī)的損耗,提高電機(jī)的效率和功率因數(shù)。另外,Y接和Δ接線圈采用不輪換法排列以減小工藝難度。此方法適用于功率為2000kW以下高壓大中型異步電動(dòng)機(jī)普通雙層疊繞成型繞組的改繞方法。
文檔編號(hào)H02K3/28GK101364751SQ20071030376
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者馮垚徑, 汪書蘋, 趙爭(zhēng)鳴 申請(qǐng)人:清華大學(xué)