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16、rmatLineSpacingLinelec单绕组多速电动机的研究摘 要：单绕组多速电动机，其转子为笼型绕组，通过改变定子绕组的接法，从而改变其极对数，达到调速的目的。具有结构简单、运行可靠、成本低廉等优点而被广泛应用。在恒定的频率下，改变电机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。通过利用改变绕组接法，使定子单绕组具备二种或三种极对数而得到二个或三个同步旋转磁场的转速。关键字：电动机 变极调速 单绕组多速 It is single to round a many soon the research of the electric motorAbstract：It is single
17、 to round a many soon electric motor, its changes the son into the cage type to round a purpose for, passing the changes settles the son rounds set connecting method, from but changing its pole logarithms, attaining adjusting soon. Have the construction simple, circulate dependable, cheap etc. in co
18、st advantage but drive extensive application. Under the fixed frequency, change the electrical engineering settle the son rounds a set pole logarithms, can change to revolve the magnetic field with turn the son of turn soon. Passing the exploitation changes to round a the set connects the method, ma
19、king settle the son the single rounding the set have two kinds of or three kinds of poles logarithms but get two or three revolve the magnetic field synchronously of turn soon.Keywords: Electric motor Changing the pole adjusts soon It is single to round the set is many soon前 言 单绕组多速异步电动机是一种只有一套定子绕组，
20、通过外部接线变换获得 多种转速的电动机。它属与有级调速设备，具有间单、可靠、高效及易于绕制的优点，在许多工业领域的变速拖动中有着广泛应用。 YD系列变极多速三相异步电动机是Y（IP44）三相异步电动机的派生产品是现代JDO2系列变极多速三相异步电动机的更新换代产品。全系列11个机座 号，9种速比，共103个规格。目前已鉴定定型批量生产的机座号为80180七个机座号，共65个规格。YD系列电动机的安装尺寸及外型尺寸、绝缘等级、防护等级、冷却方法、结构及安装型式、使用条件、 额定电压、额定功率等均与Y系列（IP44）电动机相同。机座号与速比、功率的关系以及力能指标均与国际同类产品的先进水平相近。变
21、极多速三相异步电动机由于具有可随负载性质的要求而分级地变化转速，从而达到功率的合理匹配和间化变速系统的特点。电动机用于各式万能、组合、专用切削机床以及矿山冶金、纺织、印染、化工、农机等部门需要调速的各种传动机构。 编著者 2004-6-11目 录摘 要 1前 言 2一、技术要求 4二、单绕组多速电动机的概况 5三、定子绕组方案的确定及分析 6四、多速电动机的变极调速原理及设计特点 9（一）单绕组变极调速的基本原理 9（二）单绕组多速异步电动机的设计特点13五、多速电动机的变极调速方法、功率和定子绕组结法及气隙磁密的相互关系16（一）单绕组变极电动机的转动方向问题17（二）不同的改接方法时，电动
22、机功率及转矩的变化17（三）不同的改接方法时，电动机气隙的磁通密度的变化20六、电磁计算程序框图21七、多速电动机电磁设计程序分析及电磁设计22（一）四极电磁设计程序分析及电磁设计22（二）二极电磁设计程序分析及电磁设计39八、结构设计57九、致 谢58十、参考文献59附录一 601、绕组展开图 602、电机装配图 613、电机转子图 62附录二起动全过程特性曲线63一、 技术要求 1、 课题名称：单绕组多速电动机的研究2、 设计要求：单绕组多速电动机的概况；定子绕组方案的确定及分析；多速电动机的变极调速及设计特点；多速电动机电磁设计程序分析及电磁设计；了解和掌握三相单绕组多速电动机的变极调速
23、方法、功率和定子绕组结法及气隙磁密的相互关系。3、 技术指标 1）型号：YD132M-4/2 2）功率：6.5/8 3）额定电压：380伏 4）接法：2Y 5）绝缘等级：B级 6）效率：8480 7）功率因数：0.850.89 8）过载能力：1.81.8 9）转动转矩倍数：1.71.8 10）起动电流倍数：6.57 11）槽配合：3632二、 单绕组多速电动机的概况单绕组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多速异步电动机。由于一般异步电动机正常运行时的转差率s都很小，电机的转速n=n1(1-s)决定于同步转速n1。从可见，在电源
24、频率不变的情况下，改变定子绕组的极对数p，同步转速n1就发生变化，例如极对数增加一倍，同步转速就下降一半，随之电动机的转速，也约下降一半。显然，这种调速方法只能做到一级一级地改变转速，而不是平滑调速。 变极电动机一般都用鼠笼式转子，因为鼠笼转子的极对数能自动地随着定于极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线式转于，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定于相同的极对数，很不方便。 要使定子具有两种极对数，容易想到的办法是用两套极对数不同的定子绕组，每次用其中一套，即所谓双绕组变极，显然，这是一个很不经济的办法，只在特殊情况下才采用。理想的办
25、法是：只装一套定子绕组而用改变绕组接法来获得两种或多种极对数，即所谓单绕组变极。其中倍极比情况(如24极，48极等)，和非倍极比(如46极，68极等)以及三速(如468极等)。 三、 定子绕组方案的确定及分析前面讲的利用一套定子绕组来改变极对数，从而改变电动机转速的电机，称为单绕组多速电动机。这类电机都是采用双层绕组，即利用一套双层绕组来改变极对数。这里主要讨论单绕组双速电动机。单绕组双速电动机有倍极比和非倍极比；倍极比一般就是一种极是另一种极数的整倍数，如24极、48极等；而不是整倍数比例的就是非倍极比，如46极、68极等。本设计选定子槽数为36的64极的电动机。1 列出绕组方案表槽号123
26、4567891011121314151617182 极U1U1U1U1U1U1W2W2W2W2W2W2V1V1V1V1V1V14 极U1U1U1U1U1U1W1W1W1W1W1W1V1V1V1V1V1V1反向指示*槽号1920212223242526272829303132333435362 极U2U2U2U2U2U2W1W1W1W1W1W1V2V2V2V2V2V24 极U1U1U1U1U1U1W1W1W1W1W1W1V1V1V1V1V1V1反向指示*表2-1 36槽2/4极绕组排列由方案可知，36个元件中有一半（即元件1、2、3、4、5、6、13、14、15、16、17、18、25、26、2
27、7、28、29、30）在变极时电流方向是不变的，其余一半（即元件7、8、9、10、11、12、19、20、21、22、23、24、31、32、33、34、35、36）在变极改变接线后电流反向。2 画出绕组的接线图和出线图采用2Y接法（即定子绕组4极时为，2极时为2Y接法），根据绕组方案表将一个相带中的元件串联成一个线圈组，三相绕组的线圈组之间的连接如图5-1所示，当由1、2、3端点引出线接电源时为接法，由4、5、6端点引出线接电源，并将1、2、3短接时为2Y接法，其出线图如图5-1所示。图2-1 36槽2/4极2Y联结绕组接线图根据不同接法时的出线图可以在接线图上画出U、V、W三相电流的方向，
28、如图5-1所示，2极时绕组2Y为接法，U相电流从出线头“4”分两路流向中心点（1、2、3点接在一起是2Y接法的中心点）如图所示；4极时绕组为接法，U相电流从接头“1”流向出线头“2”；如图中虚线所示，V、W相的电流方向也同样，从图5-1可以看出，接线图上每相的两个线圈组成一个在变极时电流方向不变；另一个在变极时电流方向相反，它们的电流方向的变化应与表5-1一致，即U相绕组变极时电流不反向的线圈组的元件1、2、3、4、5、6，而U相绕组变极时反向的线圈组的元件是元件19、20、21、22、23、24。V、W两相绕组的元件也是这样配置，见图5-1所示。图2-2 36槽2/4极2Y联结绕组端面接线图
29、在安放元件时要注意标出元件组的头尾，例如U相元件1、2、3、4、5、6为一组，它的头U1（即第一号元件的上层有效边）应在图5-1所示位置，这样元件1、2、3、4、5、6中的电流从头流到尾（即从元件的上层有效边流向下层有效边）；而元件19、20、21、22、23、24的头尾应如图5-1所示，使2极时电流从尾到头，4极时电流从头到尾，这样就符合方案表5-1中对绕组接法的要求。最后可以根据接线图画出绕组的端面接线图如图5-2所示。及绕组展开图如图5-3所示。3 单绕组双速电动机的绕组系数单绕组双速电动机在高速时其分布系数可由公式求得，数据如表5-2。极数kqkykw40.8310.9850.8182
30、0.9560.7660.732表2-2 36槽46极2Y联结绕组系数图2-2 36槽2/4极2Y联结绕组展开图一般双速电动机的定子绕组多采用双层叠绕组的形式，低速时为整节距或接近整节距，高速时由于极数减少，极距的槽数增大，因而节距缩小，这样就使两种极数时的绕组系数相差不很远。三、 多速电动机的变极调速原理及设计特点 一、 单绕组变极调速的基本原理 1倍极比我们先以倍极比24极双速电动机为例来说明。设原来是一个2p=2，Z1=24槽的双层60o相带的正常三相绕组，只是线圈节距特地取得较小，例如取这时每相有两个线圈组，每个线圈组串联四个线圈，各线圈组在圆周上的分布情况如（图3-1a）所示，为使图面
31、清楚，图中只画出A相的二个线圈组A1X1和A2X2，并且每个线圈组只画一个线圈作代表。按正常60o相带双层绕组的连接法，每相两个线圈组应反接串联(图3-1b)或反接并联(图3-1c)以使它们的电流方向，沿圆周观察时是相反的。从（图3-1a）可见，这时定子绕组产生的磁场是两极的。图3-1 两极绕组及其磁势谐波分析a) 绕组布置及其磁场图 b)、c)每相两个线圈组的连接法 d)线圈组A1X1产生的2极和4极磁势波 e) 线圈组A2X2产生的2极和4极磁势波 f）两线圈组的合成磁势波每个线圈组都可能产生极对数为p=1，2，3，4，的所有谐波磁势，各谐波幅值的相对大小与其绕组系数成正比，而与其极对数成
32、反比，极数越多则幅值越小。对所举例子，以二极波为最强(p=1，)，四极波(p=2，)次之，二者幅值之比为0.677:0.418，其他谐波的幅值都较小。在图3-1d)中画出A相第一个线圈组A1X1产生的二极波及四极波，图3-1e)则为第二个线圈组A2X2的二极波及四极波。比较图3-1d)和e)可见，两个二极波空间上同相位，而二个四极波则反相位，因此合成结果，两极波直接相加起来，而四极波却完全抵消掉了，如图3-1f)所示。从上分析不难看出，若将每相的第二个线圈组，即反接线圈组，都改为顺接，如图3-1b)和c)所示，则第二个线圈组中的电流改变了方向，于是由它产生的二极波和四极波都应正、负波幅对调如图
33、3-1e)所示，与图3-1d)比较可见这时变为两个四极波在空间上同相位，而两个二极波则反相位，因此合成结果，两极波完全抵消掉，而四极波却直接相加起来而有较大的波幅，如图3-2f)所示。这个结果从图3-2a)也可清楚看到。变为四极后，每对极下有三个线圈组，每个线圈组的线圈边在圆周上占电角度，称为120o相带绕组。图3-2 从图3-1变过来的四极绕组及其磁势谐波分析a) 绕组布置及其磁场图 b)、c)每相两个线圈组的连接法 d)线圈组A1X1产生的2极和4极磁势波 e) 线圈组A2X2产生的2极和4极磁势波 f）两线圈组的合成磁势波 由上述可得倍极比单绕组变极的一个普遍方法是：把60o相带双层绕组
34、中所有反接线圈组（即负相带构成的线圈组）都改为顺接，以使其电流反向，则变为一个极数比原理多一倍的120o相带绕组。2非倍极比上述对倍极比的单绕组变极思想可以推广到非倍极比的情况。普遍地说， 把每一相绕组的线圈都等分为两半，随之整个定于绕组变成两个三相绕组，每个三相绕组称为半绕组。两个半绕组所包含的三相线圈的分布情况完全一样，但二者在空间上有适当的位移角，例如，当两种极对数中一为奇数，一为偶数时，这个位移角可取180o机械角度。这时只要把每个半绕组设计得对所需的两种极对数来说都是三相对称并有较大的分布系数，也就是说，画出该两极对数的半绕组槽磁势矢量图时，三相矢量互差120o并且每相矢量比较集中，
35、就可以采用把两个半绕组顺接串联或反接串联的方法来任意突出其中一个极对数的磁势波而消掉其他一个极对数的磁势波。下面用一具体例子来说明。已知Z1=36槽，试设计一个46极双层的单绕组变极绕组。这时对应着36槽有36个线圈，把它等分为两个半绕组，每个半绕组占18个线圈，也即18个槽。问题的关键是取哪18个槽作为第一个半绕组，哪18个槽作为第二个半绕组，以及半绕组内三相槽号如何分配。现取四极作为基本极，按正常的60o相带双层绕组连接，其槽磁势矢量图如图3-3所示。图3-3 36槽四极时的槽磁势矢量图（按60o相带分相）这样就确定了36个槽所属的相。再按六极画出槽磁势矢量图，如图3-4a）所示。图3-4
36、 36槽六极时的槽磁势矢量图（按图3-3分相）a) 槽磁势矢量图 b)试用的第一个半绕组的三相矢量（不对称，不合要求）c)修改后的第一个半绕组的三相矢量（对称，合乎要求）现在我们试一下，取118的18个槽作为第一个半绕组，不变各槽相属而画出其对六极说的三相槽磁势矢量图，如图3-4b）所示，求出每相矢量的对称轴线如图中点划线所示，从图我们看到，三相磁势虽大小相等，但空间相位上A-B差180o，B-C和C-A都差90o，因此三相不对称，不合要求。但从这个图不难看出，如果把同是属于-B相的17和18槽换为35和36槽，把同是属于C相的15槽换为33槽，则从图3-3可见这样替换后的18个槽对四极说，仍
37、是三相对称，对六极说却变为图3-4c)所示情况，三相磁势同大小而空间上互差120o电角度，因此也是三相对称的。这样我们就找到了符合单绕组变极要求的两个半绕组包含的槽号(也即线圈号)和相属，如表3-1所示。表3-1 构成46极变极绕组的两个半绕组的槽号和相属半绕组I槽号123456789101112131416333536相属AAA-C-C-CBBB-A-A-ACC-BC-B-B半绕组II槽号192021222324252627282930313234151718相属AAA-C-C-CBBB-A-A-ACC-BC-B-B这两个半绕组的分布情况完全一样，但在空间上相差18个槽，即位移了一个180o
38、机械角度。每个半绕组无论对四极或六极来说都是三相对称的。 现在，如果我们把这二个半绕组的对应相都分别顺接串联或顺接并联起来，则半绕组I产生的四极波（p=2）和半绕组产生的四极波，大小相同，且在空间上相差电角度，即同相位，因此它们直接相加得到一个较强的四极波，但半绕组I产生的六极波（p=3）和半绕组产生的六极波，虽大小相同，但在空间上相差电角度，即反相位，因此它们恰好完全抵销掉。这样，我们得到一个四极的定于绕组。 如果我们把半绕组的三相分别和半绕组I的三相反接串联，使半绕组中的电流都反向，随之半绕组产生的磁势波都正、负对调，则本来是同相位的二个四极波现在变为反相位而互相抵销掉；但本来是反相位的二
39、个六极波却变为同相位而直接相加，因此我们得到一个六极的定子绕组。 上述的46极单绕组变极，对四极来说是正常60o相带绕组，其分布系数很高，但对六极来说是一个180o相带绕组（图3-4c），其分布系数比较低。为了使四极和六极的分布系数接近些，可对四极放弃采用60o相带正常绕组，而改用特殊接法绕组，以降低四极的分布系数而提高六极的分布系数。这种两种极数都非正常接法的单绕组变极，存在很多不同接线方案，下面介绍其中的一个。仍为46极，36槽，其定子绕组的二个半绕组所选的槽号和相属如表3-2所示。可得出这二个半绕组对四极和六极都是三相对称的，把它们顺接串联将得到四极的定子绕组，将它们反接串联则得六极的定
40、子绕组。四极接法时，六极接法时。表3-2 两种极数都采用非正常接法46极变极绕组的一方案半绕组I槽号145789101112131415161718202124相属A-CBB-ACCC-B-BAAA-CBB-AC半绕组II槽号192223252627282930313233343536236相属A-CBB-ACCC-B-BAAA-CBB-AC上述的单绕组变极法没有改变各槽的相属，仅在每相内部改变所属线圈的连接方向，因此有时把它称为“反向法”。实际上，还存在一种变极时打破相的界限，把各线圈重新组合和分相的单绕组变极法，称为“换相法”。用“换相法”变极时可以做到两种极数都有较高的分布系数，但接线比
41、较复杂，只在特殊情况下才采用。二、 单绕组多速异步电动机的设计特点（一）设计数据和尺寸的选择1定子内径选择在要求两种极数下功率接近，即所谓恒功率情况，为使低速下有合理的功率因数和较大的出力，一般宜采用低速（即极数多的）情况下的定子内径。在要求恒转矩设计时为保证高速下的出力宜采用相应于高速情况下的定子内径，对于三速电机，一般采用中间速度的定子内径。2绕组形式在单绕组多速电动机气隙磁势中存在比单速电劫机较多较强的谐波，须合理选择绕组节距、槽配合和气隙大小等来削弱谐波磁势或磁场。其中选择节距是个重要手段，故多速电机采用双层绕组，以利于选择节距。绕组节距的选择必须与选择定转子槽配合紧密配合，这些问题一
42、般都是通过对磁势进行谐波分析和实践予以解决。3三相绕组的连接和磁密比的估计前面分析过，改变绕组间相互连接可以实现变极的目的，这是一方面。另一方面，我们还需要通过绕组的不同连接，配合节距和匝数的选择，调节电机在两种极数下的磁密比，以满足电机工作状况对功率分配（如恒转矩、恒功率）的要求。下面推导一下它们之间的关系。由电势的基本公式（伏）式中 每极磁通（麦麸），忽略磁路饱和的影响时式中 极距（厘米）， 铁心有效长度（厘米）； 定子铁心内径（厘米）； p极数。现在以通常字母代表第一种极数下的量，而以右上角带“”符号的字母代表第二种极数下的量，则得 （3-1）即 （3-2）再推求与之间的近似关系，我们知
43、道异步电动机的转矩，其中，（为一常数），忽略的差别，同时近似认为两种极数下温升接近的条件为故得 （3-3）于是，电动机在两种极数下的功率关系为 （3-4）我们可以依照电机的工作状况对两种极数下的功率要求，由式（3-3）和（3-4）近似地确定两种极数下的电磁转矩比和磁密比，然后适当选择绕组节距，算出绕组系数，再由式（3-1）推求两种极数下的连接方式为2Y、2YY或是其它。反之，在确定了三相绕组的连接方式后，又可回头去推求两种极数下的磁密比，看其是否符合电机的工作状况。例如我们在前面讨论的46极电机，分两种情况。第一为恒转矩情况，由式（3-3）得，亦即要求四极下出力较高，上例槽数Q1=6（对四极为短距，六极为全距）。这时， ，因四极下