三相4、6极混相变极电动机设计(2)

三相4/6极混相变极电动机设计 第1章 绪 论

随着目前我国经济的快速发展，一些工程设备对混相变极电动机的要求呈不断上升趋势。采用混相变极理论研制的电动机能满足不同交流电动机调速系统的要求，在机床、轧钢、起重、制革、制糖与纺织方面得到广泛的应用。为满足国内外客户的配套要求，开发与研制混相变极电动机有较好的经济效益和社会效益。

1.1 研制混相变极多速电机的现实意义

石油危机以来，能源的重要性已被各界人士广泛认识，如何保障能源得到高效、合理的利用，已经成为举国研究的课题。纵观我国的能源现状，在工业（包括钢铁、化工及其它矿产工业）中，使用了大约50%的能源，而其中的一半用在电动机上。使用电能的电气机械设备的节能工作，可从以下几点加以考虑： 1. 电动机的效率。 2. 电动机规格的合理化。 3. 电动机运行调度的最佳化。

近年来，为了各种机械设备的配套需要，变极多速电机日益得到广泛的应用，它不但能简化机床主传动机构，节省原材料及加工时间，同时可缩短非生产操作的变速时间，提高劳动效率，节约能源。特别在对一些调速精度不高（如风机、搅拌机、冷却塔等）配套上。同采用其它调速方法的电机相比，它具有成本低、控制简单、维修方便等优点。

混相变极电动机能消除并联换相变极绕组诸并联支路间不平衡环流，这是变极电机发展史上继―极幅调速法‖之后又一重大突破。用混相变极理论研制的电机可提高功率因数和效率，节约能源，能降低电机的机座号，缩短铁芯长度，节省铜线，减少制造成本，且引出线少，运行可靠性高。而且采用混相变极理论研制的多速电机能满足不同要求的交流电动机的调速系统，在机床、轧钢、起重、制革、制糖与纺织方面得到广泛的应用，特别是用于机床工业中效果尤为显著。可取代YD系列电机，广泛用于要求有级变速的机械设备，也可用作起重机、风机电机、卷扬机电机等。

1.2 国内外的混相变极电动机的发展状况

4/6极混相变极电动机属于多速异步电机的一种.多速异步电动机是利用改变定子绕组的接法，以改变电机的极数，从而使电机用一套绕组获得两种或两种以上转速的异步电动机。它属于有级调速设备，具有简单、可靠、高效及易于绕制的优点，在机床、轧钢、起重、制革、制糖与纺织等方面获到了广泛的应用。解放后，我国的异步电机获得

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三相4/6极混相变极电动机设计 了飞速的发展，产品品种日益增加，技术、经济指标不断提高。特别是在单绕组多速电动机方面取得了显著成果。我国生产的JDO2系列多速异步电动机，其技术指标达到了一定的先进水平。JDO2系列是从JO2系列派生出来的多速异步电动机系列。利用一套定子绕组改变接线方法来达到双速和三速，而利用两套定子绕组来达到四速；除引出线较多外，结构和外型尺寸与JO2系列相同。该系列电动机用于机床、铣床、磨床、印染机、印刷机等设备中时可以简化齿轮和降低噪音；容量为0.6～25千瓦，对应的机座号为1～7号。双速时，同步转速有两种：1500/3000；1000/1500；750/1500；750/1000；500/1000转/分，引出线有6根。三速时，同步转速有两种：750/1500/3000和750/1000/1500转/分，引出线为9或12根。四速时的同步转速为500/750/1000/1500，引出线12根。尤其是，随着目前我国经济的快速发展，一些较大容量设备对变极多速电机的功率的要求也呈不断上升趋势。而我国现行的YD系列多速电动机标准、机座号范围为H180～H280，功率最大只到72/80KW（6/4极电机到56/67KW），与国外同类产品如ABB、西门子等公司的变极多速电机系列标准相比，相应缺少了H315、H355等中心高的机座号。所以，开发较大机座号的变极多速电机以满足国内外客户的配套要求就有较大的市场前景。

1.3 混相变极电动机的调速方式

单绕组变极方法是只要一套定子绕组，通过外部接线变化获得多种转速的电动机，这种单绕组变极方法是国内、外电机工作者一直极为感兴趣的问题之一，至今仍有不少这方面的论著陆续发表。从变极是否打破相的界限来看，单绕组变极方法可分为―反向法‖和―换相法‖两大类。国外对―反向法‖变极一直发展着一种称为―极幅调制‖的方法，后来并且把它推广到―换相法‖上。我国开始时也研究了―极幅调制‖法，但随后即跳出了―极幅调制‖法的框框，直接利用槽磁势矢量星形进行研究，走我们自己发展的道路，取得较大成果，研制出具有一定先进水平的变极多速异步电动机新系列。而后研制出的混相法更胜一筹，适用于任何多相绕组。

我们知道磁场波形对电机的性能影响极大，如何削弱绕组的谐波，如何利用绕组的谐波，以及怎样计算某些特殊绕组的谐波，一直是电机工作者极感兴趣的问题。为了削弱谐波，已经提出了各种低谐波含量绕组，其中以正弦绕组的效果最佳。理论上能把磁势中的相带谐波全部消除，但已有的三相正弦绕组简单迭加而成的，基波绕组系数甚低——仅为0.78左右。另有30°相带绕组，基波分布系数较高，工艺比前两种也算简单，但因条件要求苛刻，应用范围有限。相对于上述几种绕组的不足，混相绕组都在相应的方面有所改善：比正弦绕组的基波分布系数高得多；比不等匝绕组的适用范围要广得多；

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三相4/6极混相变极电动机设计 没有30o相带那种苛求，所能提供的方案要丰富得多。事实上，混相绕组是一种有广泛代表性的绕组，绝大部分现有绕组几乎都不过是混相绕组一定型式的特例，并服从它的统一计算公式。

在利用谐波方面，通过突出某次谐波，抑制某次谐波的手段，发展了极幅调制的变极方法和换相变极方法，出现了不少极比的变极方案。但是现有的变极方案，或者分布系数低，谐波含量高；或者绕组引出线多，抑制复杂。根据混相理论配置的混相变极绕组则有所不同：一般来说，比反向法变极绕组分布系数高，谐波含量低；比换相法变极绕组引出线少，控制简单。尤其可贵的是混相绕组适用范围之广是其他变极绕组所不及的。任何极比的双速变极方案和六极以下的多速变极方案都可以得到。这一突破为扩大单绕组多速电机的应用范围展开了一个新的前景。

正确地分析绕组的磁势，对确定绕组方案具有决定性的意义，应当认为，过去对绕组磁势的分析似有不够完善之处。这是某些较好的绕组方案不能被发现的原因，也是有关绕组的某些计算显得过分繁琐的原因。在这一点上，混相原理有其独到之处。用混相理论来指导绕组的设计和工艺结构，不仅能获得许多新的绕组方案和绕组结构，也能使不等匝绕组的设计计算工作大为简化，并有助于澄清绕组设计中的某些疑难问题。

1.4 论文主要研究的内容

本文研究内容是一个实际课题，工程性强，要求对三相4/6极混相变极电动机的各项技术条件和试验进行深刻论证和研究。对混相原理及混相变极原理进行讨论和深刻剖析，确定混相绕组的类型和方案，并且要知道此电机在设计数据和尺寸选择等方面的特点；以获得混相法多速电动机的变极调速设计特点；确定混相法定子绕组方案；获得三相4/6极混相变极电动机电磁设计程序分析及电磁设计。

在单绕组变极三相异步电动机中采用不等匝绕组，可使绕组的谐波含量小，控制线路简单，电机性能好，获得稳定的调速性能，且在电动机本身效率的提高及电机对负载做最佳运行等方面取得较好的经济效果。

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三相4/6极混相变极电动机设计 第2章 混相及混相变极原理

2.1 混相原理简介

定子绕组是由多个线圈联接而成的。每个线圈（也叫做元件）都由导线绕成。元件边嵌在铁心槽内，出线头留在端部。把一相所有元件的出线头按一定规律联接起来就得到定子的一个相绕组，每个相绕组的联接及排列都相同，只是在空间上依次相差120度电角度。

所谓“混相”就是在同一槽内按照适当匝比设置两种不同相位的电流线圈，使该槽合成电流在幅值和相位上符合既定的要求。在单速电机里，为了削弱相带谐波，就是要求槽电流按正弦规律分布。

如图所示，设有两种不同相位的电流iA和IZ。若槽中只设置ｉA的安匝，则槽电流W1ｉZ与ｉZ同相位。若槽中同时设置Ia与iZ的安匝，则槽电流为二种安匝的矢量和。如W2＇Ia + W2＇＇Iz和W3＇IA + W3＇＇Iz,其相位视二种安匝人为的比例可在IA与IZ之间变化。因此，处于IA与IZ两个矢量之间的任何相位槽电流都可由IA与IZ的两个安匝合成得到。不难想象，即使在三相电源条件下，每个槽通过混相都可获得一个依次滞后一定相位的电流，其削弱效果同一个多相电源供电时相同。

图1 槽电流的合成

在通常情况下，当绕组采用△和Y接法时，只能获得图2a)所示的60o相差电流系统；若将绕组接成形，就能获得图2b)所示的30o相差电流系统。由于每槽电流的两个混相分量是可以任意选择的，两个混相分量之间的相差就可能取

几个数值。在60o相差电流系统中，可供选择的相差数值有0o、60o、120o几种；在30o相差电流系统中，则有0o、30o、60o、90o、120o几种。从提高绕组的利用率来看，应该尽量选择相位比较接近的两种电流混相。

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三相4/6极混相变极电动机设计

如果把电源所提供的电流系统称为混相电流系，把被混相的槽电流称为槽电流系，那混相绕组就是槽电流系和混相电流系有机配合的产物。其槽电流结构既与槽电流系和混相系的选择有关，也与两个电流系矢量星形相对位置有关，还与每个槽电流的两个混相分量的选择有关。不同的选择配合可得出不同槽电流结构的混相绕组。

2.2 混相变极原理

混相变极多速异步电动机是利用改变定子绕组的接法，以改变电机的极数，从而使电机用一套绕组获得两种或两种以上转速的异步电动机。“混相”就是在同一槽内按照适当匝比设置两种不同相位的电流线圈，使该槽合成电流在幅值和相位上符合既定的要求。

2.2.1变极的基本原理

我们先看一台2/4极双速电动机，定子总槽数Q1 = 36，节距y = 9，双层绕组都分成两半，中间有引出线，如图2.3所示。

绕组连接 两极 四极

图2.3 绕组极数变换图

当三相电源接至引出线D4、D5、D6，并将D1、D2、D3短接时，电流方向如实线箭头所示，电机是两极运行，这和普通的两极电机是一样的。如果将三相电源接至引出

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