交流电机定子全域式换位圈式线圈及其设计方法与流程

本发明涉及大型交流电机设计与制造技术领域，具体涉及一种交流电机定子全域式换位圈式线圈及其设计方法。

背景技术：

定子绕组设计是电机电磁设计的关键问题之一。在大型交流电机定子绕组设计中，定子绕组多采用多匝圈式线圈，圈式线圈的上层线圈边和下层线圈边均由多层线棒组成，为了减小涡流附加损耗，每层线棒被分成沿槽高方向排列的多列厚度较薄的股线，在鼻端将这些股线由并头套焊接在一起，每根股线在槽内所处漏磁场的位置不同，使得并联股线间存在电势差，产生环流，进而产生环流附加损耗，且并头套的存在还增加了焊接损耗，这些严重影响了电机的效率、安全运行及使用寿命。

为了减小环流附加损耗，通常对定子多匝圈式线圈的线棒进行换位设计，一般多采用不同换位角度的不足360°换位，均为槽部股线换位，而端部股线不换位，在线棒加工时需将不换位的两个端部股线长度预留出来，只在中间槽部股线长度内进行换位操作，每层线棒的加工均需进行相同的操作，这就增加了线棒加工工序的复杂程度，且还需在端部将线棒用并头套焊接在一起构成圈式线圈，这样就增加了加工工时和加工周期，影响了生产效率。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的交流电机定子全域式换位圈式线圈及其设计方法解决了环流损耗的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种交流电机定子全域式换位圈式线圈，圈式线圈由一根连续的换位线棒绕制成n匝圈式线圈而成；所有的圈式线圈均由上至下依次垂直排列，第1匝圈式线圈的长度加换位线棒引入端的长度和第n匝圈式线圈的长度加换位线棒引出端的长度均等于余下每匝圈式线圈的长度，所述换位线棒包括排列为左右两列的m根股线，m为奇数。

进一步地，换位线棒的长度为2n×(l1+l+l2)，l1＝l2为换位线棒的端部长度，l为换位线棒的槽部长度；换位线棒的换位节距为槽部长度与换位线棒股线根数m之比。

进一步地，换位线棒的每个换位节距均包括4个换位段。

进一步地，换位线棒股线根数m为15。

进一步地，换位线棒外包裹有一层用于加强绝缘保护的绝缘层；换位线棒的每根股线外均涂有一层绝缘漆层。

第二方面，提供一种交流电机定子全域式换位圈式线圈的设计方法，其包括以下步骤：

s1、选取一根长度大于2n×(l1+l+l2)的换位线棒，换位线棒包括排列为左右两列的m根股线，m为奇数，l1＝l2为换位线棒的端部长度，l为换位线棒的槽部长度；

s2、将换位线棒引入端至换位线棒长度为2×(l1+l+l2)之间的换位线棒，在同一平面上绕制成圈构成第1匝圈式线圈；

s3、垂直向下延伸1匝圈式线圈高度，之后，在同一水平面上绕制一圈长度为2(l1+l+l2)的1匝圈式线圈；

s4、采用步骤s3的绕制方式，形成第3匝至第n-1匝圈式线圈；

s5、垂直向下延伸1匝圈式线圈高度，之后在同一水平面上绕制成圈构成第n匝圈式线圈，并将余下换位线棒作为换位线棒的引出端；

s6、切除换位线棒引入端至换位线棒引出端处大于2n×(l1+l+l2)长度的换位线棒，完成圈式线圈的绕制；

其中，第1匝圈式线圈的长度加换位线棒引入端的长度等于2×(l1+l+l2)，第n匝圈式线圈的长度加换位线棒引出端的长度等于2×(l1+l+l2)；

第1至n匝圈式线圈沿纵向排列，构成一个圈式线圈；在换位线棒的每个(l1+l+l2)长度处构成该圈式线圈的鼻端。

进一步地，绕制圈式线圈的换位线棒采用x°/y°/x°连续换位方式，其中，y＝i×360/(2m)，1≤i≤2m，x＝y×l1/l，在槽部长度内有m个换位节距，在端部长度l1和l2内各有m×l1/l个换位节距。

进一步地，采用x°/y°/x°连续换位方式的换位线棒在一个换位节距内包括4个换位段，一个换位节距内的换位过程包括：

a.在换位节距的初始位置，右列为(m+1)/2根股线，左列为(m-1)/2根股线，右列最底端多出一根股线，左列同一水平位置空出一个虚股线位置；

b.在第一个换位段内，沿股线行进方向，将右列最底端的一根股线换位至左列的虚股线位置，余下股线沿股线行进方向延伸一个第一个换位段长度，使得第一个换位段末端右列为(m-1)/2根股线，左列为(m+1)/2根股线；

c.在第二个换位段内，沿股线行进方向，将右列(m-1)/2根股线同时向底端垂直下移一根股线的高度，将虚股线位置换位至右列最顶端，余下股线沿股线行进方向延伸一个第二个换位段长度；

d.在第三个换位段内，将左列最顶端的一根股线换位至右列的虚股线位置，使虚股线位置水平换位至左列最顶端，余下股线沿股线行进方向延伸一个第三个换位段长度，使得第三个换位段末端右列为(m+1)/2根股线，左列为(m-1)/2根股线；

e.在第四个换位段内，将左列(m-1)/2根股线同时向顶端垂直上移一根股线的高度，将虚股线位置换位至左列最底端，余下股线沿股线行进方向延伸一个第四个换位段长度。

本发明的有益效果为：本方案的圈式线圈采用一根连续的换位线棒绕制成多匝圈式线圈构成，使得线圈鼻端股线连续，无需并头套焊接，消除了焊接损耗及环流损耗，同时还简化了加工工艺，降低了加工难度。

本方案在制作圈式线圈时，换位线棒的多根股线采用本方案独特的换位方式进行绕制，可以降低换位线棒涡流损耗。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的大型交流电机定子的一个全域式换位圈式线圈安装在铁心内的三维模型示意图。

图2为图1中圈式线圈单匝线圈鼻端l处的端部三维立体图。

图3为图1中圈式线圈的上层线圈边和下层线圈边连接示意图。

图4为图1中圈式线圈槽部单层换位线棒的三维立体图。

图5为图4中线棒在a-a处的截面图。

图6为图4中线棒在b-b处的截面图。

图7为图4中股线编号为1、8、9和15的换位股线的换位原理图。

图8为图4中一个换位节距内线棒股线的三维立体图。

图9为图8的仰视图。

图10为图8中换位股线在c-c处的截面图。

图11为图8中换位股线在d-d处的截面图。

图12为图8中换位股线在e-e处的截面图。

图13为图8中换位股线在f-f处的截面图。

图14为图8中换位股线在g-g处的截面图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图3和图4所示，圈式线圈由一根连续的换位线棒绕制成n匝圈式线圈而成；所有的圈式线圈均由上至下依次垂直排列，第1匝圈式线圈的长度加换位线棒引入端的长度和第n匝圈式线圈的长度加换位线棒引出端的长度均等于余下每匝圈式线圈的长度，换位线棒包括排列为左右两列的m根股线，m为奇数。

由于本方案的圈式线圈采用一根连续的换位线棒绕制而成，其在圈式线圈的两端不存在并头套焊接，其在槽内不会存在漏磁场及环流附加损耗；没有焊接部位，就不会存在焊接时产生的电阻，通过本方案这种方式，还可以避免焊接损耗。

换位线棒的长度为2n×(l1+l+l2)，l1＝l2为换位线棒的端部长度，l为换位线棒的槽部长度；换位线棒的换位节距为槽部长度与换位线棒股线根数m之比。换位线棒的长度可以根据圈式线圈需要绕至的圈式线圈的匝数进行自由选取。

其中，换位线棒外包裹有一层用于加强绝缘保护的绝缘层；换位线棒的每根股线外均涂有一层绝缘漆层。

根据本申请的一个实施例，参见图1，图1示出了本发明的一个实施例的大型交流电机定子的一个全域式换位圈式线圈安装在铁心内的三维模型示意图。

如图1所示，圈式线圈(图1中一部分位于铁心内，一部分位于铁心外的部分的一圈结构)，铁心(图1和图2中的弧形体)沿长度方向开设有若干齿槽，圈式线圈一部分放置于一个铁心齿槽靠近槽口位置构成上层线圈边，一部分放置于距离上层线圈边所在铁心齿槽一个线圈节距的槽内靠近槽底位置构成下层线圈边，位于铁心齿槽两端的圈式线圈构成线圈的鼻端。

上层线圈边和下层线圈边外均包裹有一层用于加强绝缘保护的绝缘布带。绝缘布带的引入，可以避免相邻线圈边之间出现相互干扰，从而避免了涡流损耗。

如图1和图2所示，本方案优选一个线圈节距由11个铁心齿槽构成；一个圈式线圈由一根换位线棒绕制成5匝圈式线圈而成，一根换位线棒由15根股线组成；上层线圈边有5层换位线棒b1-b5，放置在槽#11口，下层线圈边有5层线棒换位b1’-b5’，放置在槽#1底，且均沿槽高方向依次排列。

在鼻端l，换位线棒b1和b5’为引线，换位线棒b1’和换位线棒b2相连，参见图3，换位线棒b2’和换位线棒b3相连，换位线棒b3’和换位线棒b4相连，换位线棒b4’和换位线棒b5相连，在鼻端r，换位线棒b1和换位线棒b1’相连，换位线棒b2和换位线棒b2’相连，换位线棒b3和换位线棒b3’相连，换位线棒b4和换位线棒b4’相连，换位线棒b5和换位线棒b5’相连，在鼻端r和鼻端l连接处的换位线棒股线均连续，为一一对应关系，无需并头套焊接。

圈式线圈的上层线圈边和下层线圈边连接示意参见图3，圈式线圈由一根换位节距为l/15的连续换位线棒绕制5匝而成，具体绕制过程为：

s1、选取一根长度大于2×5×(l1+l+l2)的换位线棒，换位线棒包括排列为左右两列的15根股线，l1＝l2为换位线棒的端部长度，l为换位线棒的槽部长度；

s2、将换位线棒引入端至换位线棒长度为2×(l1+l+l2)之间的换位线棒，在同一平面上绕制成圈构成第1匝圈式线圈；

s3、垂直向下延伸1匝圈式线圈高度，之后，在同一水平面上绕制一圈长度为2(l1+l+l2)的1匝圈式线圈；

s4、采用步骤s3的绕制方式，形成第3匝至第4匝圈式线圈；

s5、垂直向下延伸1匝圈式线圈高度，之后在同一水平面上绕制成圈构成第5匝圈式线圈，并将余下换位线棒作为换位线棒引出端；

s6、切除换位线棒引入端至换位线棒引出端处大于2n×(l1+l+l2)长度的换位线棒，完成定子圈式线圈的绕制；由于把多余的换位线棒切除了，使得最终形成圈式线圈的换位线棒的总长度为2n×(l1+l+l2)；

其中，第1匝圈式线圈的长度加换位线棒引入端的长度等于2×(l1+l+l2)，第5匝圈式线圈的长度加换位线棒引出端的长度等于2×(l1+l+l2)；

第1至5匝圈式线圈沿纵向排列，构成一个圈式线圈；在换位线棒的每个(l1+l+l2)长度处构成该圈式线圈的鼻端。

图4是图1中的圈式线圈槽部单层换位线棒的三维立体图，图中c-c截面至g-g截面为连续换位线棒的一个换位节距长度，端部换位线棒采用与槽部换位线棒相同的换位方式，为了使图4中换位线棒结构清晰表示，图7示出了股线编号为1、8、9和15的换位股线的换位原理图。

下面结合图4至图14对本方案换位线棒内各股线的换位方式进行详细说明：

绕制圈式线圈的换位线棒采用x°/y°/x°连续换位方式，其中，y＝i×360/(2m)，1≤i≤2m，x＝y×l1/l，在槽部长度内有m个换位节距，在端部长度l1和l2内各有m×l1/l个换位节距。

采用x°/y°/x°连续换位方式的换位线棒在一个换位节距内包括4个换位段，一个换位节距内的换位过程包括：

a.在换位节距的初始位置，右列为(m+1)/2根股线，左列为(m-1)/2根股线，右列最底端多出一根股线，左列同一水平位置空出一个虚股线位置；

b.在第一个换位段内，沿股线行进方向，将右列最底端的一根股线换位至左列的虚股线位置，余下股线沿股线行进方向延伸一个第一个换位段长度，使得第一个换位段末端右列为(m-1)/2根股线，左列为(m+1)/2根股线；

c.在第二个换位段内，沿股线行进方向，将右列(m-1)/2根股线同时向底端垂直下移一根股线的高度，将虚股线位置换位至右列最顶端，余下股线沿股线行进方向延伸一个第二个换位段长度；

d.在第三个换位段内，将左列最顶端的一根股线换位至右列的虚股线位置，使虚股线位置水平换位至左列最顶端，余下股线沿股线行进方向延伸一个第三个换位段长度，使得第三个换位段末端右列为(m+1)/2根股线，左列为(m-1)/2根股线；

e.在第四个换位段内，将左列(m-1)/2根股线同时向顶端垂直上移一根股线的高度，将虚股线位置换位至左列最底端，余下股线沿股线行进方向延伸一个第四个换位段长度。

实施时，本方案优选换位线棒采用x°/348°/x°连续换位方式，端部换位线棒与槽部换位线棒的每个换位节距内的换位方式均相同，其中，x＝348×l1/l，在槽部长度l内有15个换位节距，在端部长度l1和l2内各有15×l1/l个换位节距，采用x°/348°/x°连续换位结构在一个换位节距内的具体换位过程如图8所示，图9是图8的仰视图。

15根股线排列为左右两列，在换位的起始阶段，如图10所示，在换位节距的初始位置，右列为8根股线，左列为7根股线，右列最底端多出一根股线，左列同一水平位置空出一个虚股线位置，对股线进行编号0-15，0表示虚股线位置。

在第一个换位段内，沿股线行进方向，将右列股线8换位至左列的虚股线位置，使虚股线位置0水平换位至右列最底端，其余股线沿股线前进方向延伸，此时，右列为7根股线，左列为8根股线，在d-d处截面如图11所示。

在第二个换位段内，将右列7根股线同时向底端垂直下移一根股线的高度，将虚股线位置0换位至右列最顶端，其余股线沿股线前进方向延伸，在e-e处截面如图12所示。

在第二个换位段内，沿股线行进方向，再将左列最顶端股线9换位至右列的虚股线位置，使虚股线位置0水平换位至左列最顶端，其余股线沿股线前进方向延伸，此时，右列为8根股线，左列为7根股线，在f-f处截面如图13所示。

将左列7根股线同时向顶端垂直上移一根股线的高度，将虚股线位置0换位至左列最底端，其余股线沿股线前进方向延伸，直至下一个换位节距起始位置处，在g-g处截面如图14所示，在此处表示一个换位节距内的股线换位过程结束。

下面以一台5.5mw核主泵感应电动机为例，对本方案提供的圈式线圈的效果进行详细说明：

采用场—路耦合三维有限元法分别对采用0°/348°/0°换位的圈式线圈及鼻端由并头套短接和本发明的全域式x°/348°/x°换位圈式线圈及连续式鼻端结构的绕组损耗进行计算，结果显示，当采用0°/348°/0°换位时，单槽内上、下层绕组的总损耗为549.56w，当采用本发明的全域式x°/348°/x°换位时，单槽内上、下层绕组的总损耗为496.87w，与0°/348°/0°换位相比降低了9.59％。

因此，本发明所提供的全域式换位圈式线圈及连续式鼻端结构对于降低大型交流电机定子绕组损耗起到非常显著的效果，具有巨大的应用前景。