電機(jī)繞組：幾種不同形式的分?jǐn)?shù)槽繞組對稱條件

本期講分?jǐn)?shù)槽繞組的對稱條件和并聯(lián)支路數(shù)。

1 分?jǐn)?shù)槽繞組的對稱條件

對于整數(shù)槽繞組，由于每極每相槽數(shù)為整數(shù)，每極每相的槽數(shù)相等，總是能夠構(gòu)成對稱的多相繞組，不存在繞組不對稱的問題。但對于分?jǐn)?shù)槽繞組，由于每個(gè)相帶的槽數(shù)不相等，如果極槽配合不當(dāng)，可能無法構(gòu)成對稱的多相繞組，極槽配合必須要滿足一定的條件才能構(gòu)成對稱的多相繞組。

關(guān)于分?jǐn)?shù)槽繞組的對稱條件，有許多表達(dá)形式，不同文獻(xiàn)上講的對稱條件也不同，但都是從不同角度推導(dǎo)出來的結(jié)果，表達(dá)方式不同而已，其本質(zhì)是等效的，滿足一種形式的對稱條件，其它也必然滿足。接下來我們就介紹幾種不同形式的分?jǐn)?shù)槽繞組對稱條件。

構(gòu)成對稱多相繞組的條件有兩個(gè)：第一個(gè)對稱條件就是每相繞組的線圈個(gè)數(shù)必須相等；第二個(gè)對稱條件是各相繞組在定子圓周上的分布必須均勻，即相鄰兩相繞組的軸線夾角相等，每相繞組產(chǎn)生的電勢和磁勢要對稱。兩個(gè)條件必須同時(shí)滿足才能構(gòu)成對稱多相繞組。下面我們分別講解這兩個(gè)對稱條件。

1.1 第一個(gè)對稱條件

如上所述，構(gòu)成對稱多相繞組的第一個(gè)條件是每相繞組的線圈個(gè)數(shù)必須相等，這個(gè)條件應(yīng)該很好理解，如果每相繞組的線圈不相等，那么就談不上對稱。設(shè)定子槽數(shù)為Z1，相數(shù)為m，極對數(shù)為p，每極每相槽數(shù)為q，則對于單層繞組來說，定子Z1個(gè)槽就一共有Z1/2個(gè)線圈，要想每相繞組線圈個(gè)數(shù)相等，這Z1/2個(gè)線圈就必須能夠被相數(shù)m整除，即對于單層繞組，第一個(gè)對稱條件為：

Z1/(2m)=pq=整數(shù)?(1)

對于雙層繞組，Z1個(gè)槽一共就有Z1個(gè)線圈，要想每相繞組線圈個(gè)數(shù)相等，這Z1個(gè)線圈就必須能夠被相數(shù)m整除，即對于雙層繞組，第一個(gè)對稱條件為：

Z1/m=2pq=整數(shù)?(2)

由⑴、⑵式可見，整數(shù)槽繞組總是可以滿足第一對稱條件的，因?yàn)檎麛?shù)槽繞組的p和q都是整數(shù)，二者相乘當(dāng)然還是整數(shù)。

對于分?jǐn)?shù)槽繞組，由于q=N/d為一個(gè)不可約的分?jǐn)?shù)，對單層分?jǐn)?shù)槽繞組，第一個(gè)對稱條件：Z1/(2m)=pq=p?(N/d)=整數(shù)，由于N與d不能整除，要想滿足該條件，必須p與d能夠整除，即對于分?jǐn)?shù)槽單層繞組，第一個(gè)對稱條件可演化為：

p/d=整數(shù)???? ???????????????????????????????(3)

同理對于雙層分?jǐn)?shù)槽繞組的第一個(gè)對稱條件可演化為：

2p/d=整數(shù)???? ???????????????????????????????(4)

比較⑶、⑷式可見，雙層繞組比單層繞組更容易滿足第一個(gè)對稱條件，在設(shè)計(jì)時(shí)雙層繞組具有更多的極槽配合選擇余地。

1.2 第二個(gè)對稱條件

第二個(gè)對稱條件是每相繞組的布置要對稱，各相繞組產(chǎn)生的電勢和磁勢分布要對稱。這個(gè)條件進(jìn)一步推論一下就是各相電勢之間的相位差均勻，或每相繞組的相帶寬度要相等。可以從不同的角度入手來推導(dǎo)出第二個(gè)對稱條件。

1.2.1 從槽電勢星型圖推導(dǎo)第二個(gè)對稱條件

槽電勢星型圖反映了各槽電勢或者說各線圈電勢的相位關(guān)系，每個(gè)單元電機(jī)對應(yīng)一個(gè)槽電勢星型圖，各單元電機(jī)的槽電勢星型圖是重疊，我們把一個(gè)單元電機(jī)對應(yīng)的槽電勢星型圖稱為基本星型圖，由于各單元電機(jī)的槽電勢星型圖是重疊的，因此只要研究一個(gè)單元的槽電勢星型圖，其它單元電機(jī)即可簡單復(fù)制。一個(gè)基本星型圖里包含許多個(gè)槽電勢相量，要想使多相繞組對稱，必須要把基本星型圖上的相量個(gè)數(shù)能夠平均分配給每一相，也就是說，基本星型圖中的相量個(gè)數(shù)必須能夠被相數(shù)整除?；诖思纯赏瞥鰳?gòu)成對稱多相繞組的第二個(gè)條件為：

Z′=Z0/m=(Z1/t)/m=Z1/(m?t)=整數(shù)?(5)

式中：Z′為每個(gè)單元電機(jī)每相分得的槽數(shù)，或者說一個(gè)基本星型圖內(nèi)每相包括的相量個(gè)數(shù)；Z0為單元電機(jī)的槽數(shù)，或者叫基本星型圖中的相量總個(gè)數(shù)；m為相數(shù)；Z1為定子總槽數(shù)；t為單元電機(jī)個(gè)數(shù)，即Z1與極對數(shù)p的最大公約數(shù)。

顯然對于整數(shù)槽繞組，由于t=p，⑸式永遠(yuǎn)是滿足的，因此整數(shù)槽繞組總是能夠構(gòu)成對稱多相繞組。

對于分?jǐn)?shù)槽繞組，需要根據(jù)給出的電機(jī)總槽數(shù)Z1，極對數(shù)p，相數(shù)m，分兩步判斷是否能夠構(gòu)成對稱繞組：第一步，首先求出總槽數(shù)Z1與極對數(shù)p的最大公約數(shù)t；第二步，根據(jù)⑸式計(jì)算Z1/(m?t)看是否能夠整除，如果能夠整除就可以構(gòu)成對稱多相繞組，否則不能構(gòu)成對稱多相繞組。

1.2.2 從相帶寬度推導(dǎo)第二個(gè)對稱條件

一個(gè)基本星型圖中的相量個(gè)數(shù)為Z0=Z1/t，則相鄰兩個(gè)相量之間的相位差(即相距角)：

α′=360o/Z0=360?t/Z1? (6)

對于m相對稱繞組，每相的相帶寬度為：

αφ=360o/m ??????????????????????????????(7)

要想構(gòu)成m相對稱繞組，則一個(gè)相帶內(nèi)必須包括整數(shù)個(gè)槽電勢相量，即相帶寬度αφ必須要能被相距角α′整除，即：

αφ/α′=(360o/m)/(360?t/Z1)=Z1/(m?t)=整數(shù)?(8)

式⑻即為從相帶劃分的角度推導(dǎo)出的對稱條件，比較⑻式和⑸式可見，兩式是一樣的。只不過是從不同的角度入手，推導(dǎo)出了同樣的結(jié)果。

1.2.3 用每極每相槽數(shù)q來判斷對稱條件

以上從兩個(gè)不同角度入手，推導(dǎo)出了同樣的構(gòu)成多相繞組的對稱條件，即：

Z1/(m?t)=整數(shù)?(9)

用這個(gè)對稱條件來判斷一個(gè)分?jǐn)?shù)槽的極槽配合能否構(gòu)成多相對稱繞組固然是可以的，但判斷時(shí)需要分兩步，先求出Z1與p的最大公約數(shù)t，再用⑼式判斷是否能夠構(gòu)成對稱繞組，這樣不僅比較麻煩，而且也不易記憶。實(shí)踐中常用另外一種簡單的判別方法，即用每極每相槽數(shù)q的分母d來判斷是否能夠構(gòu)成多相對稱繞組。這里先把結(jié)果告訴大家，這個(gè)判別方法就是：看每極每相槽數(shù)q的分母d是否能被相數(shù)m整除，如果能夠整除就不能構(gòu)成多相對稱繞組；如果不能整除就能夠構(gòu)成多相對稱繞組。即構(gòu)成多相對稱分?jǐn)?shù)槽繞組的條件為：

d/m≠整數(shù)???? ??????????????????????????????(10)

對于三相繞組，就是d不能被3整除。其實(shí)(10)式也是從(9)式推導(dǎo)而來的，二者是等效的。接下來就用兩種方法來證明這個(gè)對稱條件。

【證法Ⅰ】設(shè)每極每相槽數(shù)：

q=b+c/d=(bd+c)/d

則：

Z′=Z1/(m?t)=2p?m?q/(m?t)=(2p/t)?q=(2p/t)?(bd+c)/d=整數(shù)?(11)

由于(bd+c)/d是除不盡的分?jǐn)?shù)，要想滿足(11)式，只有2p/t能夠被d整除。又由于t是Z1與p的最大公約數(shù)，所以Z1=m?t?Z′與p=(p/t)?t之間除了最大公約數(shù)t之外，p/t與m之間不能再有不是1的公約數(shù)，另外由于多相電機(jī)m＞2，所以2p/t也不能被m整除。綜上，要想滿足(11)式，必須2(p/t)能被d整除，而2(p/t)不能被m整除，所以d也不能被m整除。

【證法Ⅱ】設(shè)每極每相槽數(shù)：

q=b+c/d=(bd+c)/d=N/d (12)

則：

Z1=2mpq=2mpN/d (13)

p=d?(p/d) ??????????????????(14)

由第一個(gè)對稱條件⑶式可知，p/d=整數(shù)，根據(jù)(13)、(14)式，這個(gè)整數(shù)p/d顯然是Z1與p的一個(gè)公約數(shù)，又由于N和d不可約，Z1和p的其它公約數(shù)只能包含于2m和d中，換句話說，Z1和p的其它公約數(shù)必定也是2m和d的公約數(shù)，設(shè)這些其它公約數(shù)為k，則Z1和p的最大公約數(shù)(單元電機(jī)個(gè)數(shù))即為：

t=k?(p/d) ????????????????????????????(15)

將(13)、(15)式代入⑼式中，得第二個(gè)對稱條件為：

Z1/(mt)=(2mpN/d)/(mkp/d)=2N/k=整數(shù)?(16)

由于d的約數(shù)k不能是N的約數(shù)，因此k只能是1或2。也就是說在2m和d中只可能有1和2兩個(gè)公約數(shù)，無論是1還是2，對多相電機(jī)(m＞2)，d和m都不會有大于2的公約數(shù)，即第二個(gè)對稱條件為：

d/m≠整數(shù)???? ????????????????????????????(17)

對于三相電機(jī)：

d/3≠整數(shù)?????????????????????????????????(18)

以上用兩種方法證明了構(gòu)成對稱多相繞組的條件。再次將兩個(gè)對稱條件重復(fù)如下：

對單層分?jǐn)?shù)槽繞組：

? 對于雙層分?jǐn)?shù)槽繞組：

? 由以上兩式可見，對于三相(m=3)分?jǐn)?shù)槽電機(jī)，如果極對數(shù)為3的倍數(shù)次方(p=3、9、27…)，則絕對不能滿足式(19)的條件，因此這種極對數(shù)的分?jǐn)?shù)槽電機(jī)是絕對不能構(gòu)成單層三相分?jǐn)?shù)槽繞組的。

2 分?jǐn)?shù)槽繞組的并聯(lián)支路數(shù)

能夠構(gòu)成并聯(lián)支路的條件是支路中包含的線圈電勢疊加后的大小和相位都相同才能被并聯(lián)起來。對于分?jǐn)?shù)槽繞組分兩種情況，第一種情況：如果一個(gè)單元電機(jī)中每相槽數(shù)是奇數(shù)，則不能等分成兩個(gè)相等的正負(fù)相帶，這種情況下只能構(gòu)成雙層繞組，且一個(gè)單元電機(jī)只能構(gòu)成一條并聯(lián)支路，t個(gè)單元電機(jī)最多可以構(gòu)成t條并聯(lián)支路。第二種情況：如果一個(gè)單元電機(jī)中每相槽數(shù)是偶數(shù)，則可以等分成兩個(gè)相等的正負(fù)相帶，這種情況下對于雙層繞組，一個(gè)單元電機(jī)中可以構(gòu)成兩條并聯(lián)支路，t個(gè)單元電機(jī)最多可以構(gòu)成2t條并聯(lián)支路；這種情況也可以構(gòu)成單層繞組，一個(gè)單元只能構(gòu)成一條并聯(lián)支路，t個(gè)單元電機(jī)最多可以構(gòu)成t條并聯(lián)支路(后面會提到有特例)。接下來我們就分這兩種情況，分別介紹分?jǐn)?shù)槽繞組的并聯(lián)支路數(shù)。

2.1 當(dāng)Z′為奇數(shù)時(shí)的最大并聯(lián)支路數(shù)

分?jǐn)?shù)槽繞組一個(gè)單元電機(jī)中每相的槽數(shù)為Z′=Z1/t?m。

則每極每相槽數(shù)：

q=Z1/(2pm)=Z′?t?m/(2pm)=Z′/(2p/t)=Z′/(2p′)=N/d (21)

其中：Z′=Z0/m；Z0=Z1/t為每個(gè)單元電機(jī)的槽數(shù)；p′=p/t為每個(gè)單元電機(jī)的極對數(shù)。由于t為Z1與p的最大公約數(shù)，故Z0和p′不可約，因此Z′與p′也不可約，又由于Z′為奇數(shù)，故Z′與2也不可約，因此Z′與2p′必不可約，即Z′/2p′為最簡分?jǐn)?shù)，那必然是N=Z′；d=2p′=2p/t。由此可見，單元電機(jī)個(gè)數(shù)為：

t=2p/d ???????????????????????????????(22)

Z′為奇數(shù)，即一個(gè)單元電機(jī)中每相槽數(shù)為奇數(shù)，不能等分成兩個(gè)相等的正負(fù)相帶，因此這種情況只能構(gòu)成雙層繞組，且一個(gè)單元電機(jī)只能一條并聯(lián)支路，t個(gè)單元電機(jī)最多可以構(gòu)成t條并聯(lián)支路。即這種情況的最大并聯(lián)支路數(shù)為：

amax=t=2p/d ????????????????????????????(23)

由于用Z′的奇偶作為判別條件需要復(fù)雜的計(jì)算，不太簡便和直觀，分?jǐn)?shù)槽繞組通常都是先算出每極每相槽數(shù)q，這樣其分母d自然就知道奇偶，因此實(shí)踐中常用d的奇偶作為判別條件。由式(21)可見，當(dāng)一個(gè)單元電機(jī)中每相的槽數(shù)Z′=N為奇數(shù)時(shí)，d=2p/t必為偶數(shù)，因此上述Z′為奇數(shù)的前提條件可以轉(zhuǎn)化為d為偶數(shù)。

小結(jié)一下：當(dāng)d為偶數(shù)時(shí)，只能構(gòu)成雙層分?jǐn)?shù)槽繞組，其最大并聯(lián)支路數(shù)為2p/d。

2.2 當(dāng)Z′為偶數(shù)時(shí)的最大并聯(lián)支路數(shù)

如果Z′為偶數(shù)，則每極每相槽數(shù)：

q=Z1/(2pm)=Z′?t?m/(2pm)=(Z′/2)/(p/t)=(Z′/2)/p′=N/d (24)

同理，由于Z′與p′不可約，Z′/2與p′必不可約，即(Z′/2)/p′為最簡分?jǐn)?shù)，那必然是N=Z′/2；d=p′=p/t，則單元電機(jī)個(gè)數(shù)為：

t=p/d ??????????????????????????????????(25)

另外由于Z′與p′不可約，Z′為偶數(shù)時(shí)，p′必為奇數(shù)，因此也可以把Z′為偶數(shù)的前提條件轉(zhuǎn)化為d為奇數(shù)。即d為奇數(shù)時(shí)，可以把每相等分成兩個(gè)相等的正負(fù)相帶，此時(shí)即可以構(gòu)成雙層繞組，也可以構(gòu)成單層繞組。

如果是雙層繞組，一個(gè)單元電機(jī)可以構(gòu)成兩條并聯(lián)支路，t個(gè)單元電機(jī)最多可以構(gòu)成2t條并聯(lián)支路，即這種情況對雙層繞組最大并聯(lián)支路數(shù)為：

amax=2t=2p/d ????????????????????????????(26)

如果是單層繞組，一個(gè)單元只能構(gòu)成一條并聯(lián)支路，t個(gè)單元電機(jī)最多可以構(gòu)成t條并聯(lián)支路，即這種情況對單層繞組最大并聯(lián)支路數(shù)為：

amax=t=p/d ?????????????????????????????(27)

另外，這種情況還存在一種特例，就是如果Z′能夠被4整除，也就是N為偶數(shù)時(shí)，則一個(gè)單元電機(jī)內(nèi)仍然可以將每個(gè)正相帶和負(fù)相帶的槽數(shù)再平分成兩份，兩份槽內(nèi)導(dǎo)體在端部分別向兩邊跨接構(gòu)成單層繞組的兩條并聯(lián)支路，t個(gè)單元電機(jī)，就能夠構(gòu)成最大并聯(lián)支路數(shù)為2t的單層繞組，即此時(shí)最大并聯(lián)支路數(shù)為：

amax=2t=2p/d ????????????????????????????(28)

這種特例情況類似q為偶數(shù)的整數(shù)槽繞組，采用鏈?zhǔn)浇臃〞r(shí)仍然可以構(gòu)成最大并聯(lián)支路數(shù)為2p的單層繞組，有關(guān)詳細(xì)論述參見《電機(jī)繞組(2)》中的示例二和示例三，這里不再贅述。

小結(jié)一下：當(dāng)d為奇數(shù)時(shí)，即可以構(gòu)成雙層分?jǐn)?shù)槽繞組，也可以構(gòu)成單層分?jǐn)?shù)槽繞組。構(gòu)成雙層繞組時(shí)，其最大并聯(lián)支路數(shù)為2p/d；構(gòu)成單層繞組時(shí)，如果N為奇數(shù)則最大并聯(lián)支路數(shù)為p/d；如果N為偶數(shù)，則最大并聯(lián)支路數(shù)為2p/d。

2.3 分?jǐn)?shù)槽繞組最大并聯(lián)支路數(shù)總結(jié)

綜上所述，由式(23)、(26)、(27)、(28)可以得出以下結(jié)論：

【結(jié)論Ⅰ】無論d為偶數(shù)還是奇數(shù)，都可以構(gòu)成雙層繞組，雙層分?jǐn)?shù)槽繞組的最大并聯(lián)支路數(shù)都是2p/d。

【結(jié)論Ⅱ】只有d為奇數(shù)時(shí)，才可以構(gòu)成單層繞組。構(gòu)成單層繞組時(shí)，如果N為偶數(shù)，則最大并聯(lián)支路數(shù)仍為2p/d；如果N為奇數(shù)則最大并聯(lián)支路數(shù)為p/d。

2.4 分?jǐn)?shù)槽繞組的實(shí)際并聯(lián)支路數(shù)

以上論述的是分?jǐn)?shù)槽繞組可能構(gòu)成的最大并聯(lián)支路數(shù)，實(shí)際電機(jī)中的并聯(lián)支路數(shù)a可以少于上述最大并聯(lián)支路數(shù)amax，但必須是最大并聯(lián)支路數(shù)的約數(shù)，即：

amax/a=整數(shù)??? ?????????????????????????????(29)

上述介紹了分?jǐn)?shù)槽繞組的對稱條件和并聯(lián)支路數(shù)，以上分析可見，雖然就這么幾個(gè)數(shù)字倒騰過來倒騰過去，用的都是些小學(xué)數(shù)學(xué)知識，但消化起來還是很燒腦子的，想深入消化理解的同學(xué)們一定要靜下心來，多看幾遍慢慢理解，不想燒腦子的同學(xué)們看不懂也沒關(guān)系，你就記住文中的那些結(jié)論和結(jié)論性的判別式即可快速判斷極槽配合能否構(gòu)成對稱分?jǐn)?shù)槽繞組，能夠構(gòu)成幾路并聯(lián)。

編輯：黃飛

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