双速三相异步电动机双独立同心式定子绕组嵌线方式

李璞伶，曹增明

(1.湖南联诚轨道装备有限公司，湖南 株洲 412000；2.中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

轨道交通车辆电气设备如牵引电机、变流器、变压器等电气设备的冷却主要是靠风机进行强迫风冷冷却。根据风机结构，风机中的电机带动叶轮旋转产生风压，将一定风量的空气输入，通过循环将电气设备多余热量带走，达到温升平衡，使牵引电机、变流器、变压器等设备安全可靠的运行。

目前，轨道交通行业用风机核心单元电动机以三相异步电动机应用较为广泛。而双速三相异步电动机因节能在轨道交通行业应用也较为重要。一般的双速三相异步电动机是单绕组通过改变定子绕组的连接方式达到改变定子旋转磁场极对数，进而成倍数的改变旋转磁场的旋转速度来实现调速的目的。还有另一种双速电机，是在定子铁心内嵌入2套绕组(高速绕组和低速绕组)，2套绕组相互独立，有各自的接线端子及标识，不同转速可用不同绕组，即为双独立绕组。根据绕组在槽内排列位置及接线方式，当一套绕组工作时，另一套绕组不会因基波磁势切割绕组而产生环流电流。随着环保、节能、安全需求及市场需求增加，双速双独立绕组三相异步电动机(简称双独立绕组电机)应用较为广泛。根据电机容量和性能及设计要求，绕组可分别设计成叠式、链式、同心式等绕组形式。较传统的嵌线方式为：先将高速绕组依次嵌入槽内后，再将低速绕组依次嵌入槽内，通常高速绕组分布在槽底，低速绕组分布在槽口，低速绕组浮于高速绕组上。在对低速绕组嵌线中，端部较厚，不易整形，还存在嵌线周期长，绕组端部排列不美观的问题。通过分析绕组特点及在槽内排列位置、方式和分布规律，优化嵌线方式，使其既满足设计要求，又保证产品质量。现以36槽2/4极双独立绕组电机嵌线方式进行研究分析，具体如下。

1 36槽2/4极双速电机双独立绕组嵌线分析

1.1 绕组形式

定子铁心槽数N=36，高速时，电机极数2P=2，每极每相槽数q=6，整距绕组；低速时，电机极数2P=4，每极每相槽数q=3，整距绕组。为了控制绕组端部尺寸，采用同心式绕组形式。同心式绕组特点：每组线圈有S圈，有大圈、中圈、小圈区别，大线圈套在小线圈外面，每组线圈的轴线重合。

绕组参数信息如下： 2极， 线圈组数u=6，每组圈数S=3，总线圈数Q=18，节距(槽数)Y=1～18，2～17，3～16； 4极，线圈组数u=6，每组圈数S=3，总线圈数Q=18，节距(槽数)Y=1～12，2～11，3～10。

2极绕组总线圈数18，为槽数36的一半，为单层绕组；同理4极绕组也为单层绕组。 2极绕组线圈与4极绕组线圈的匝数、线径、平均半匝长各不同，具体根据电机性能要求设计，这里不影响对嵌线方式的讨论分析，不做介绍。

1.2 接线原理图

绕组在铁心槽内排列位置及星型接线方式，2U，2V，2W为高速端，1U，1V，1W为低速端，并联路数均为1，具体如图1所示。

图1 绕组接线原理图

1.3 传统的分层嵌线方式

绕组嵌线方法有交叠法和整嵌法2种工艺，交叠法嵌线工艺因端部比较规整使用较广泛，采用单层绕组交叠法嵌线工艺，根据传统的分层嵌线方式，先将2极绕组依次嵌入：第1组线圈小、中、大圈沉边依次嵌入19、20、21槽内，浮边吊起；空3槽，再将第2组线圈沉边依次嵌入25、26、27槽内，浮边吊起；空3槽，从第3组线圈开始，沉边嵌入31，32，33槽内，根据节距，浮边依次嵌入16、17、18槽内，按第3组线圈嵌线方法，依次将第6把线嵌入槽内，最后再将第1把线和第2把线的浮边嵌入槽内。4极绕组嵌线时方法同2极线圈嵌线方法，只是仅将4极绕组第1组线浮边吊起。嵌线完成后2极绕组在槽底，4极绕组在槽口分层嵌线方式。整体嵌线周期长，低速绕组嵌线时，端部较厚，不易嵌线，不易整形。

1.4 优化后的嵌线方式

根据图1，结合后退式嵌线方法，分析1～3，7～9，13～15，19～21，25～27，31～33号槽为2极绕组沉边位置槽；4～6，10～12，16～18，22～24，28～30，34～36号槽为4极绕组沉边位置槽；4～6，10～12，16～18，22～24，28～30，34～36号槽为2极绕组浮边位置槽；1～3，7～9，13～15，19～21，25～27，31～33号槽为4极绕组浮边位置槽。1个槽内有不同的上下2条线圈边，有双层绕组特点，双层绕组交叠法嵌线时，不空槽，先将下层边嵌入槽内，另一边吊起先不嵌入，顺次嵌至线圈跨距后，其余线圈可逐步嵌入相应的上下层，下层边嵌满后，再把吊边嵌入相应槽的上层。这里可将以上分析的2极、4极的沉边作为下层边先嵌，根据节距再将浮边嵌入，最后再将吊边嵌入上层。

鉴于以上分析，将2/4极绕组按双层绕组排列，嵌线顺序排列如表1所示。

表1 嵌线顺序

具体嵌线方法按以下进行。

1)2极第1组线圈的下层边依次嵌入19、20、21号槽底，上层边吊起；4极第1组线圈下层边依次嵌入22、23、24号槽底，上层边吊起。

2)2极第2组线圈的下层边依次嵌入25、26、27号槽底，上层边吊起；4极第2组线圈下层边依次嵌入28、29、30号槽底，上层边依次嵌入19、20、21号槽口。

3)2极第3组线圈的下层边依次嵌入31、32、33号槽底，上层边吊起；4极第3组线圈下层边依次嵌入34、35、36槽底，上层边依次嵌入25、26、27号槽口。

4)2极第4组线圈的下层边依次嵌入1、2、3号槽底，上层边依次嵌入22、23、24号槽口；4极第4组线圈的下层边依次嵌入4、5、6号槽底，上层边依次嵌入31、32、33号槽口。

5)2极第5组线圈的下层边依次嵌入7、8、9号槽底，上层边依次嵌入28、29、30号槽口；4极第5组线圈的下层边依次嵌入10、11、12号槽底，上层边依次嵌入1、2、3号槽口。

6)2极第6组线圈的下层边依次嵌入13、14、15号槽底，上层边依次嵌入34、35、36号槽口；4极第6组线圈的下层边依次嵌入16、17、18号槽底，上层边依次嵌入7、8、9号槽口。

7)吊把的2极第1组线圈上层边嵌入4、5、6号槽口；2极第2组线圈上层边依次嵌入10、11、12号槽；4极第1组线圈上层边依次嵌入13、14、15号槽口； 2极第3组线圈的上层边依次嵌入16、17、18号槽口。

嵌线中，2极线圈和4极线圈槽内和端部相间分别安装0.25的CR符合箔NHN进行层间及相间绝缘。

对于双独立绕组电机，当其中一套绕组接电工作后，会有三相对称电流通过，产生的旋转磁场会切割另一套绕组，会在另一套绕组中感应电势，所以分别将2极线圈和4极线圈分别按1路星型接法要求接线，一套绕组工作时，另一套绕组没有闭合回路，不会产生环流。

1.5 优化嵌线方式的试验检测

2极绕组和4极绕组对铁心、相间、匝间分别进行对地耐压试验、相间耐压试验、匝间耐压试验，2极绕组和4极绕组对铁心和相间均能承受工频2 800 V 1 min的耐压试验，绝缘良好无击穿，匝间承受4 200 V的脉冲电压3 s，波形基本重合。端部尺寸检测均符合设计要求。 电机组装后进行例行试验，各项参数指标均满足该电机例行试验要求。

2 结语

对比传统的双速双独立绕组电机分层嵌线方式，需要二次嵌线，一次先将高速绕组线圈依次嵌入槽内，二次将低速绕组线圈依次嵌入槽内，低速绕组浮于低速绕组上，之间用0.25的CR复合箔进行绝缘。绕组端部较厚，排列不整齐，嵌线周期长。本文分析的嵌线方式，按双层绕组交叠法方式，一次嵌线同时将高、低速线圈依次嵌入槽内，高速绕组和低速绕组端部呈交叠状，排列整齐，嵌线效率高。

对于双速双绕组电机，低速极数是高速极数的2倍，高速每极每相槽数q是低速每级每相槽数的2倍，高低速绕组均为单层同心式绕组，端部要求高，均可采用此嵌线方式。嵌线中注意在高低速绕组间安装好相间绝缘。

在双速双绕组电机嵌线后接线并线中，需要采用合理的接线方法消除环流电流。