三相異步電動機的定子繞組是非常重要的部件,也是極易出現故障的部件,因而三相異步電動機修理的大部分工作量是對定子繞組的修理。繞組修理質量的好壞,對電動機的性能有很大的影響。
異步電動機繞組的種類結構複雜多樣,主要分單層繞組和雙層繞組,而雙層繞組的節距比較容易確定,單層繞組中的整距繞組、同心式繞組、單鏈繞組的節距也是比較容易確定的。但單層交叉鏈式繞組的節距如何確定,在一般文獻中都均未介紹。因此,對於交叉鏈式繞組的節距,一般人都覺得比較難以確定。
本文介紹在長期的電機修理和實踐教學中摸索出的一個規律。為了能解釋清楚繞組節距的計算方法,先明確一些有關電動機定子繞組的名詞術語。
電動機定子繞組名詞術語
1、繞組
線圈是以絕緣導線按一定形狀繞制而成的。線圈可由一匝或多匝組成;多個線圈構成一組單元稱為線圈組;由多個線圈或線圈組構成一相或整個電磁電路的組合統稱為繞組。因此線圈是電動機繞組的基本元件,繞組是電動機電磁部分的主要部件。
線圈的直線部分稱為有效邊,是嵌入鐵心槽內作為電磁能量轉換的部分,兩端部伸出鐵心槽外,其楞角部分不能直接轉換能量,僅起連接兩個有效邊的橋樑作用。
2、極相組數
極相組數是對三相交流電動機而言的。凡是一相中形成同一個磁極的線圈(一個或多個)為一組叫極相組,也稱線圈組。
3、每極每相槽數q
每相繞組在每個磁極下所占有的槽數稱為每極每相槽數。
4、極距f
繞組的極距是指每個磁極所占圓周表面的距離。對交流電動機而言,一般常指鐵心相鄰兩磁極中心所跨占的槽距,以槽數表示。則交流電動機的極距f等於定子槽數z與磁極數p的比值,即f=z/2p。
5、節距y
節距是指單個線圈兩有效邊所占的槽數。例如y=6,即線圈兩有效邊相隔6槽,就是兩有效邊分別嵌在第1槽和第7槽。
定子繞組節距的確定
1、故障的發現
電動機在運行的過程中,因某些原因會在機械部分或電氣部分發生故障,造成電動機不能正常工作,嚴重者甚至會燒壞電動機。在修復電動機過程中,因某些原因也會造成電動機故障。電動機的故障是多種多樣的。
在實際工作中,要迅速正確地排除故障,首先必須迅速正確地找出故障原因和故障點。
就電氣方面而言,電動機的故障現象主要有:
- 三相異步電動機的單相運行;
- 電動機的V形接線運行;
- 定子繞組的接地;
- 定子繞組匝間或相間短路等。
以上這些故障除了定子繞組電源進線外部有斷線外,其餘的問題都出在定子繞組內部的斷線、短接等。不管是繞組內部斷線還是短接,都需要修理定子繞組,而修理定子繞組最方便可靠的方法是重繞定子繞組。
重繞定子繞組,主要的方法是根據電機原有定子繞組的數據進行,也可根據銘牌型號查有關技術資料確定新繞組數據。
2、繞組重繞步驟
電機有銘牌或有舊繞組,當給電機換上新繞組時,只要按原來繞組技術數據進行修理,修復後的性能基本上與原來性能相接近。
在沒有原始數據,即確定空殼電機繞組技術數據時,一般有兩種方法:
- 一種是測出電機定子鐵心的長度和內徑,再根據定子和轉子鐵心槽數及結構形式,查閱與此相接近的電機型號,並以此電機型號的繞組技術數據(如匝數、線徑等)去修理;
- 另一種方法是對電機繞組進行重新計算。
計算步驟如下:
a.測量所需數據:定子鐵心內徑、定子鐵心長度、定子鐵心軛高、定子鐵心齒寬,測算定子槽面積、定子和轉子鐵心槽數,定子和轉子間氣隙。
b.確定電機極對數。
c.選擇氣隙磁密。
d.計算每相繞組匝數。
e.計算繞組導體截面積。
f.選擇繞組的種類。
g確定繞組節距。
3、繞組種類的選擇
三相異步電動機繞組的種類結構複雜多樣,主要分雙層繞組和單層繞組。
雙層繞組的優點是可以選擇最有利的節距,使異步電動機的旋轉磁場波形更接近於正弦波,所有線圈具有同樣的形狀和尺寸,便於製造,可以組成較多的並聯支路。缺點是嵌線比較困難。所以雙層繞組一般在容量較大(10kW以上)的三相異步電動機中使用。
單層繞組的優點是結構簡單,嵌線比較方便,槽的利用率較高。最大的缺點是產生的磁場和電勢波形較差,從而使電機鐵耗和噪音都較大,起動性能不良,故多用於小容量的三相異步電動機。對於單層繞組根據其結構形狀又可分為單層鏈式、單層同心式、單層交叉鏈式繞組等。
單層鏈式繞組是由相同節距的線圈組成的,其結構特點是繞組線圈一環套一環,形如長鏈。優點是線圈大小一樣,只需做一個模板;缺點是由於線圈相互疊起來,端部整形比較困難。因此,單層鏈式繞組一般在每極每相槽數q<3的電機中選用。
同心式繞組的結構特點是:各相繞組均由不同節距的同心線圈經適當連接而成。優點是線圈同心布置,端部不需重疊,因此端部容易整形;缺點是要製作多個模板。因此,同心繞組一般用於q>3的偶數狀況下。
單層交叉鏈式繞組實質上是同心式繞組和鏈式繞組的一個綜合。由於採用了不等距的線圈,它比同心式繞組的端部短,且便於布置。單層交叉鏈式繞組主要用於q=奇數的四極或二極小型三相異步電動機定子中。
4、繞組節距的確定
交流電動機繞組由於極相組由多個線圈構成,又因有些電動機的極相組的分布設計不同,繞組節距就不能單憑一個線圈而定,應按極相組相鄰兩極的槽中心距來定。
繞組的節距可以根據需要來選擇。對於雙層繞組,為了改善旋轉磁通勢的波形及改善電動機的性能,一般選最有利的節距為y=(5/6)f。單層鏈式繞組一般是整距繞組,即y=f。同心式繞組的節距一般是先確定每極每相槽數,然後將相鄰磁極下同相繞組按同心式從外向里排列。
當每極每相槽數為q>2的奇數時,單鏈繞組無法排列,必須採用單雙圈的交叉鏈式繞組,即同一極相組的線圈分別折向兩邊。因此,這種繞組有兩個節距,且繞組節距沒有理論公式可確定。通過長期的實踐得出以下經驗:
即先將每極每相槽數q拆成兩組,一組為q′,另一組為q′′,且q=q′+q′′。注意這二組數據中一個為單數,另一個為雙數。然後它們相應的節距分別為y′=f-(q-q′),y′′=f-(q-q′′)。
例如:一台四極36槽三相交流異步電動機,其定子繞組採用交叉鏈式繞組,其節距計算如下:
f=z/2p=36/4=9
q=z/2pm=36/(4×3)=3
拆分成q′=1,q′′=2,則y′=9-(3-1)=7,y′′=9-(3-2)=8。
即每極每相繞組中一個線圈的繞組節距為7(1~8),而兩個線圈的繞組節距為8(1~9)。具體分布如圖1所示。