正弦繞組

正弦繞組是指在各個定子槽中的導體數不是均勻分佈的，而是按一定規律分佈，使電機氣隙磁勢的分佈規律接近正弦形。採用正弦繞組的目的是為了明顯地削弱磁勢及電勢中的高次諧波，改善電機運行性能。

眾所周知，在電機的合成磁動勢中，一般均存在高次諧波磁動勢，而諧波磁動勢對非同步電機的運行性能將產生不利影響，比如使電機溫升增大、效率下降、產生電磁轉矩的低頻脈動等，這種影響在普通三相非同步電機中尤為明顯。為減少諧波磁動勢的影響，人們研製出了六相非同步電機和普通正弦繞組電機。其中六相非同步電機的繞組有六個出線端，由兩套普通60°相帶的三相繞組在空間錯開30°電角構成；而普通正弦繞組則是將普通相帶的三相繞組分成兩套，一套採用三角形接法，另一套採用星形接法，兩套繞組在空間彼此相差60°電角，最後將其接成延邊三角形或星-三角形的典型結構。經過理論分析可知，以上兩種繞組均為30°相帶的三相繞組，其五次和七次諧波均為零，但是十一次、十三次、十七次、十九次等高次諧波依然存在，仍有進一步改進的必要。

研究提出的低諧波密槽正弦繞組，可以大幅度地消除電機繞組磁動勢中的高次諧波分量，提高電機的功率和效率，減少電機的發熱。該繞組是在普通正弦繞組基礎上加以改進，其優越性能已經過實驗驗證，現著重對其進行原理分析和理論論證。

新型密槽正弦繞組是一種槽數較多、各個槽中的電流均不相同、槽電流沿定子圓周呈餘弦規律分佈的一種低諧波繞組。它是普通正弦繞組的改進型，其基本思想是槽電流矢量疊加法，即假定槽足夠窄，槽電流可以看成集中在槽中心線處，也即處於某個電角的槽電流，可以由鄰近兩個已知的槽電流以一定的比例合成。其構成方法是：設定子總槽數為Q，先取出沿定子圓周均勻分佈的12個槽，並繞成普通正弦繞組的形式，這12個槽之間相互相差30°的電角，電流相位也相差30°，該形式稱為新型密槽正弦繞組的基槽；除基槽之外的槽稱為組合槽，其中的電流通過電流矢量疊加的方法獲得，即該槽中的線圈是組合線圈，由與該槽鄰近的兩個基槽中分出的一定匝數比的線圈組合而成，該槽線圈中電流疊加后的相位應與其所處的電角相對應，而幅值與基槽線圈中電流的幅值相同。

圖1繪出了48槽的普通Y型電機、普通正弦繞組電機和新型密槽正弦繞組電機的槽電流沿定子圓周的分佈，圖中新型密槽正弦繞組電機槽電流的分佈由菱形點用實線連起來表示，普通Y型電機槽電流的分佈由圓點用虛線連起來表示，普通正弦繞組電機槽電流的分佈由星形點用實線連起來表示。從圖1中可以看出，普通Y型電機和普通正弦繞組電機槽電流的分佈都是階梯形的，而對於新型密槽正弦繞組電機，各個槽中的電流均不相同，並且相位與該槽所處的電角一致，槽電流在整個定子圓周上已與理想餘弦曲線非常吻合，槽數越多，吻合效果越好，這也是新型正弦繞組電機顯著削弱和消除高次諧波的原因。

對於普通Y型電機，其繞組合成磁動勢中存在v=6k±1(k=1，2，3，…)次諧波磁動勢，而對於普通正弦繞組電機，其繞組合成磁動勢中存在v=12k±1(k=1，2，3，…)次諧波磁動勢，相關書籍上有詳細的推導過程，這裡不再贅述。在三相非同步電機繞組高次諧波磁動勢中，v=6k-1(k=1，2，3，…)次諧波磁動勢的轉速為：-n/(6k-1)(k=1，2，3，…)，是反向旋轉磁動勢；v=6k+1(k=1，2，3，…)次諧波磁動勢的轉速為n/(6k+1)(k=1，2，3，…)，是正向旋轉磁動勢。而當電機正常運轉時，其轉速一般接近同步轉速，大約在0.8n左右，各諧波磁動勢的轉速均低於轉子的轉速，因而都將產生制動性質的寄生轉矩，從而降低電機的輸出功率並引起電機發熱。

對於新型密槽正弦繞組非同步電動機，若電機總槽數為Q，則繞組磁動勢中僅存在幅值很小的kQ±1(k=1，2，3，…)次諧波磁動勢，電機定子槽數越多，槽電流波形越接近於理想的正弦波，高次諧波分量越小，電機的發熱越小，效率越高，從而大大提高了電機的性能。

如圖2所示，藉助Matlab軟體進行模擬計算，繪出了wt=0時3種電機合成磁動勢的波形，其中(a)為普通Y型電機的磁動勢波形圖，(b)為普通正弦繞組電機的磁動勢波形圖，(c)為新型正弦繞組電機的磁動勢波形圖。從圖中可以看出，普通Y型非同步電機的磁動勢波形較差，含有的高次諧波磁動勢分量較多，這在新型正弦繞組電機中得到了較大的改善。

由於試驗研究的需要，試製了3個24槽電機，電機的形式稍特殊，軸向尺寸較小，轉速較高（額定頻率為2000Hz），但可以作為參考。3個電機的定子繞組分別為普通Y型繞組、普通正弦繞組和新型密槽正弦繞組，電機定子內徑為48.3mm，定子硅鋼疊片總厚度為13mm，電機轉子直徑為47.625mm，由氣浮軸承支承，電機的負載轉矩就是氣浮軸承的摩擦阻力矩。在接近額定狀態下，調節相電壓和相電流，使3個電機的輸入功率均為231.9W，測得3個電機的轉速分別為79810、81215、81632r/min，計算得到輸出功率分別為147.1、152.4、153.9W。與普通非同步電機相比，新型密槽正弦繞組電機的效率提高了約4.6%。

研究介紹的一種非同步電機新型密槽正弦繞組，其合成磁動勢中的高次諧波含量極低，有效抑制和消除了絕大部分由高次諧波引起的寄生轉矩，因而電機發熱少、效率高。而與普通Y型非同步電機相比，該繞組僅僅在繞線的工時和定子槽加工的工時上有少許增加，在相同輸入功率的情況下輸出功率卻提高了3%~5%，或者輸出功率相同的情況下減少了電機的用銅量。在我國非同步電機是工農業生產中的重要設備，它消耗了電網總電量的60%以上。因此，該新型密槽正弦繞組具有較高的推廣價值。

正弦繞組在三相非同步電動機運用中有多種形式，常見的如‘‘△-Y”串聯或並聯“△”接法的正弦繞組、單雙層混合繞組、散布繞組以及低諧波繞組等。採用單、雙層混合同心式不等匝並按餘弦分佈的繞組形式(以下簡稱正弦繞組)，與其它正弦繞組相比，具有設計快捷，製造工藝相對簡單等特點。在Y2系列電機製造中，發現該系列某些規格電機在全國聯合開發設計和試製過程中存有一定的設計缺陷，再加上後期的批量生產工藝變化和所使用的主要原材料質量的波動等緣故，使得該系列部分規格電機性能很難達到設計要求。為此，針對Y2系列一些性能不合格的電機進行了改型設計，並取得了一定成效。但還是有一些規格電機如Y2-280M-2等性能仍不盡人意，並且改型設計還增加了銅、鐵等材料的消耗，成本上升。於是通過嘗試，在Y2系列一些性能不理想的規格中運用正弦繞組設計方案，在不增加材料成本的基礎上，使該類電機各項性能指標有可能均達到合格水平。而對原Y2系列性能很好(即合格)的電機若採用正弦繞組方案，則可在保證該電機各項性能合格的前提下，還可達到顯著的節材效果。因此，開展了對Y2系列運用正弦繞組設計方案，先後共完成近40個規格樣機試製，和100多台次樣機型式試驗測試工作，且大部分現已批量生產。

正弦繞組是一種“高精度”的特殊單、雙層不等匝混合繞組，就所運用的正弦繞組其本身結構而言，它綜合了普通的單層和雙層繞組的基本特徵，並能有效地消除或削弱高次諧波，使綜合諧波強度減小40%左右，改善電機氣隙磁勢波形，從而達到提高電機效率、改善起動性能、降低電機溫升等效果。

從電機電磁設計考慮，由於正弦繞組是一種“高精度”繞組形式，故在電磁設計時能靈活地選擇每槽每層匝數，使每極每相槽數之間的匝數之差大於1及以上，因此，它的極相組的串聯匝數可實現微調。而普通雙層繞組每極每相槽數之間的每槽每層匝數相差值至多等於1，且其跨距均為疊式等距，故在進行電磁方案設計時受到很大的局限。因此，正弦繞組在進行電磁方案設計時，比普通雙層繞組更易兼顧到電機各項性能指標，使方案設計能達到最佳效果。

通過樣機試製及對比分析，採用正弦繞組的電機性能較普通雙層繞組及普通單、雙層繞組電機性能有幾個明顯不同之處，具體如下：

(1)設計時的側重點之調整

在設計正弦繞組電磁方案時，除考慮保證電機各項性能指標符合產品標準規定外，還要顧及用戶在實際使用和直接感觀到的一些性能指標，如對電機溫升、起動、空載電流、雜訊、振動和過載能力等，在設計時都有所側重。特別是對溫升指標，因該指標無容差規定，故在設計時要留一定裕度。就Y2系列電機而言，若溫升裕度過小，往往會因製造工藝或原材料質量的波動，電機溫升有可能不合格。解決電機溫升的途徑有很多，可從工藝和結構上進行改進．也可運用正弦繞組方案改進。這裡只針對Y2系列某些規格電機，在從工藝或結構上難以降低溫升的情況下運用正弦繞組可消除或削弱電機的高次諧波的優勢，使其達到降低溫升的效果。如原生產的Y2-280M-2普通雙層繞組電機，在聯合設計時，該電機的鐵心長度為215mm，但該規格電機溫升一直都不合格。為降低該電機的溫升，在改型設計時將鐵心增長到280mm，方使該電機達到合格水平。而在採用正弦繞組的設計方案時，仍用215mm長的鐵心進行樣機試製，該電機的各項性能指標均達到相關技術條件規定要求。

(2)設計時對效率指標的控制

從歷年來Y2系列電機試驗報告實測損耗值得知，其各項損耗值基本上都要比設計值大，特別是鐵耗的實測值約為設計值的1.3倍之多，因此，為確保電機的實測效率指標控制在規定範圍內，故在設計正弦繞組電機時，將效率設計值置於大於標準規定值一定範圍以上。這裡需說明：由於受測試條件限制，電機的雜散耗只能根據產品標準規定，由計算的方法而得出，即不是實測值。所以，在同等條件下'對正弦繞組電機而言，若按實測雜散耗的方法進行試驗，它的效率實測值就比普通雙層繞組電機的效率實測值留有一定的裕度(因正弦繞組諧波含量少，所以附加損耗也比普通繞組要小)。

(3)設計時對功率因數指標的確定

從歷年Y2系列電機的試驗報告中不難發現，其實測值均較標準值和設計值要高。在進行正弦繞組電機設計時，在保證堵轉電流等指標合格的前提下，將該值儘可能控制在下限，這對在進行電磁方案設計時選取電機鐵心長度，更具有一定的合理性，同時，也可避免實測時有過高的功率因數指標。如Y2-225S-4電機，該電機功率因數標準值為0.87，其容差值為0.848。普通雙層繞組電機功率因數的設計值為0.848，其實測值為0.895，比標準值高2.5%。而正弦繞組電機功率因數的設計值為0.853時，其實測值為0.879，比標準值高0.9%。二者對比，前者功率因數實測值就有些過高，同時在保證電機的各項性能都合格的情況下'後者在電磁方案設計時可得到一個合理的鐵心長度，即比前者鐵心縮短了15mm，從而達到了節鐵節銅效果。

(4)存在的問題

在進行正弦繞組電機設計時，一般定子線圈的每極每相槽數q小於等於2時，對削弱高次諧波，改善電機氣隙磁勢波形等效果不是很明顯，但當定子線圈的每極每相槽數q大於3且q越大時，其對削弱高次諧波，改善電機氣隙磁勢波形等效果越是明顯。

正弦繞組電機因繞組形式不同於現生產的普通雙層繞組電機，所以在線圈繞制和嵌線等工序，特別是嵌線較普通雙層繞組麻煩。若在原單層繞組的電機上推廣正弦繞組，除存在上述困難外，還要另增加電機層間絕緣等費用。

根據正弦繞組在Y2系列諸多規格電機中的運用效果，認為正弦繞組完全可廣泛運用到中心高H112及以上機座號，且每極每相槽數q大於等於3的電機中。即本正弦繞組不僅可在Y、Y2系列電機中運用，而且還可在NEMA標準電機和YD系列變極多速的正規繞組以及變頻調速電機中運用。假如該繞組在NEMA標準的NE高效電機中運用，在同工藝、同等材料成本的條件下電機效率約提高5‰左右。通過在Y2系列電機運用正弦繞組的效果看，在節材方面有這樣一個特徵：即在原合格的電機上推廣應用，它的節材效果較為明顯，如Y2-225S-4，節鐵約15kg，節銅約1.5kg；若在原某項性能不合格的電機上運用正弦繞組，如Y2-250M-2電機溫升和效率一直不合格，改用正弦繞組方案后，該電機各項性能均達到合格水平。但其節材效果就不那樣明顯，甚至有時還增加材料的使用量。