交流电动机三相单层定子绕组嵌线技术研究

高瑞丽，张金兰，赵海青

(1.滨州职业学院 机电工程学院， 山东 滨州 256603； 2.滨州东力热电有限公司，山东 滨州 256600)

随着三相交流异步电动机的广泛应用,企业对电动机维修人员的需求越来越大。在电动机的维修中,定子绕组重绕是电动机维修人员必须掌握的一项重要技能[1]。电动机在使用中常发生定子绕组被烧毁的问题，有时还要让旧电动机改变转速运行，解决这些问题都需要定子绕组重新设计并重绕嵌线修复。这也是电动机维修技术的难点。早期的相关工具书[2]和教材[3]对电动机绕组结构和嵌线技术的描述不够细致，不易理解。本文研究了交流电动机三相单层定子绕组结构的设计和嵌线方法，总结出一套浅显易懂、条理清晰、易于操作的三相单层定子绕组结构的设计方法，以及由定子绕组展开图和实物电动机原定子绕组获取定子绕组嵌线方法的解读技巧，使维修工程师更容易掌握电动机定子绕组的嵌线方法，提高工作效率。

1 交流电动机三相单层绕组结构的设计

构成交流电动机三相定子绕组的线圈个数为3的倍数，这样便于线圈在三相绕组中平均分配。三相单层绕组常用链式、交叉式和同心式三种结构形式。交流电动机三相单层绕组采用何种绕组结构，主要遵循电磁关系原理和节约铜漆包线的原则[4]。三相单层绕组结构的设计步骤和方法如下。

1.1 画出定子铁心展开图

假设将电动机的定子铁心从某一齿的中间割开、展平，在平面内标示定子铁心内圆周上槽的分布，并标明槽号。以24槽铁芯为例，用24条等间距短竖线表示定子铁芯内圆周上的槽，并编号1～24以示槽号。用2条长竖线表示假设的铁心分割辅助线，若将展开的定子铁心重新合拢成圆筒形，则2条假设的铁心分割辅助线重合在一起，因展开图是从某一齿的中间假设割开，故第一个槽和最后一个槽距离分割辅助线是半个齿宽；用2条上下平行的长线表示铁心的两端部。展开图上下两行线之间的宽度表示铁芯的实际长度，展开图的长度表示铁芯内圆周的周长。定子铁心展开图如图1所示。

1.2 计算极距τ和每极每相槽数q

以24槽电机铁芯为例，若维修后实现4极磁场对应的转速运行,那么根据电动机定子铁心的槽数Z和极数2P，则τ=Z/2P=24/(2×2)=6，q=Z/(2P×m)=24/(2×2×3)=2[3]。式中，m为绕组相数(三相交流电动机m为3，单相交流电动机m为2)。

图1 分极分相的定子铁心展开图

由计算可知，24槽铁芯的电动机，若定子绕组产生2P=4极的磁场，则每个磁极下由6个槽构成，即τ=6。每个磁极下的槽数平均分配给三相绕组，每极每相分2个槽，即q= 2，而且每个磁极下属于同一相的2个槽是连续的，即沿铁芯内圆周，每2个连续的槽属于一相。

τ和q决定了三相单层绕组的结构形式。根据极距和每极每相槽数的公式可知，明确电动机的P和Z即可计算出τ和q。由同步转速公式n1=60f/P可知,在我国工频(50 Hz)电网运行的电动机，只要同步转速n1已知，那么电动机的P就被确定。所以电动机的磁极对数可以通过分析电机转速获知。另一种获知电动机极数的方法是通过电机型号,如型号Y180M-4中的最后一位数字“4”表示电动机的极数，即P为2。Z可以通过观察定子铁芯内圆柱面的槽的分布直观看出。通常电动机绕组结构设计是在满足转速要求为前提，即在工频电网上先由n1确定P，再由P和Z确定τ和q，那么τ和q决定了绕组的结构形式。

1.3 分极分相

在定子铁心展开图的基础上，通过画分割辅助线和标记字符对定子铁心展开图分隔磁极和相带。

(1)根据τ对定子铁芯展开图进行分极。如图1所示,在定子铁芯展开图上，将所有槽分成4(2P)等份，对应为2个N极(τ)和2个S极(τ)，每个磁极对应6个槽，字符τ(N)和τ(S)标注在展开图的上部。

(2)根据q对已分极的定子铁芯展开图进一步分割相带；并按一对磁极下相带的分布规律标明各相带的相别。如图1所示，在(1)的基础上，按q=2将每个磁极下的6个槽分配给三相，每相为连续的2个槽，称为相带。每个磁极分割成3个相带，一对磁极具有6个相带[3]，标注为U1、W2、V1、U2、W1、V2[3]。定子绕组按照相带进行嵌线，三相绕组的命名和对应相带一致，分别为U相、V相和W相绕组。U相绕组占用的槽数共8个，用以固定4个U相的线圈，组成每个线圈的2个有效边各占据1个槽，那么构成U相绕组的4个线圈的8个有效边应嵌入1、2、7、8、13、14、19、20槽内，其余两相绕组所嵌入的槽以此类推。

(3)标明各相带槽内电流的参考方向。相带槽内的电流参考方向，规定首相带向上，尾相带向下。如图1所示，各相带所在槽的箭头表示槽内安放的定子绕组通入三相对称交流电流的参考方向。同一相的首、尾相带的箭头指向相反，表示在任意瞬时首相带与同相的尾相带槽内导体的电流方向是相反的，但同一个相带内的不同槽内导体的电流方向必须是一致的，这样定子绕组电流才能产生预设磁场及对应的磁极数，从而满足电磁关系要求。由于一对磁极下不同相的相带依次是首、尾相带交替排列，所以沿铁芯内圆周，相邻的相带槽内导体电流参考方向是相反的。标明槽内导体参考方向是为下一步同一相的线圈构成一相绕组的接线打好基础。

不同结构形式的绕组，在画绕组展开图时，前三步设计绘图方法完全一样。

1.4 画出三相绕组展开图

在铁心展开图上将属于同一相的首相带和尾相带距离最近的两个槽固定一个线圈的两有效边。这样构成线圈节距最短，既符合电磁关系要求，又节省铜漆包线。

(1)先画出任意一相绕组展开图。如图2(a)所示，用1个六边形表示1个线圈，线圈在槽内的部分称为有效边，展开图上有效边外部上、下部分表示线圈在定子铁芯两端的部分。以U相绕组为例，根据同相首尾相带距离最近构成线圈的原则，2号和7号槽固定U相第1个线圈，8号和13号槽固定U相第2个线圈，14号和19号槽固定U相第3个线圈，20号和1号槽固定U相第4个线圈。并画出每个线圈在槽内两个引出线，标明引出线的电流参考方向,引出线与所在槽电流参考方向一致。为了展开图美观，每个用六边形表示的线圈的上、下和左、右图形尽量对称。

(2)再依次画出第二相和第三相绕组展开图。如图2(b)所示，画图时三相绕组没有先后顺序，根据以上线圈在定子铁心槽内的构成规律，可以先从任意一相绕组开始画，画完一相绕组，再画另一相。三相全部画完后，按照从左到右的顺序，沿铁心内圆周，用从小到大的数字标明线圈序号。某一线圈属于哪一相，由其有效边所在相别决定，每个线圈的前后相邻线圈都不属于同一相，任意连续的3个线圈分别属于三相。沿电机铁芯端部顺次排列的线圈，从1号线圈算起，依次是U1、W2、V1、U2、W1、V2相，与定子铁心展开图相带的排列顺序是一致的。U相绕组由1、4、7、10号线圈构成，W相绕组由2、5、8、11号线圈构成，V相绕组由3、6、9、12号线圈构成。

(a)三相链式绕组展开图(仅U相绕组和U相引出线)

(b) 三相链式绕组展开图(三相绕组和U相引出线)

2 节省铜漆包线的电机绕组构成原则

电机运行时，电流总是从线圈的一个有效边流进，从另一个有效边流出，1个线圈的两有效边电流方向是相反的。由图2(a)可知，以嵌放U相绕组为例，U相绕组只能安放于U相带的槽内，不能占用V、W相别的槽。所以1个线圈的两有效边只能安放在属于同相的槽内(仅适用于单层绕组结构，对于双层绕组结构，同一线圈的两有效边不一定都安放在同一相的槽内)，而且同相的首相带和尾相带各提供1个槽来安放1个线圈的两有效边，这样才能保证同一相的首、尾相带电流方向相反的电磁关系设计要求，从而产生电动机设计的磁场方向和磁极对数，最终实现电机设计的转速要求。

如果线圈嵌线时仅满足两有效边占据同一相首、尾不同相带的要求，那么绕组结构形式不是唯一的。图2(b)是满足q=2的第1种绕组结构，即同一相相邻的首尾相带距离最近的两个槽固定1个线圈的两有效边。该绕组结构因同一相的4个线圈在铁芯内圆周上排列的状态非常像链条，故命名为链式绕组结构，其节距Y=5(1-6)。第2种绕组结构仍以U相为例，可以让1号和7号槽固定U相第1个线圈，2号槽和8号槽固定第2个线圈，另一对磁极下线圈构成依此类推，这种绕组结构线圈节距Y=6(1-7)。第3种绕组结构是2号和7号槽固定1个小线圈，1号槽和8号槽固定1个同心的大线圈，另一对磁极下线圈构成依此类推，这种绕组结构每相两个同心式线圈组，其中小线圈节距Y小=5(1-6)，大线圈Y大=7(1-8)，平均节距Y=6。这3种绕组结构都是线圈两有效边占据同相的首、尾相带各1个槽构成绕组，都满足四极磁场的电磁关系设计要求，但3种绕组结构节距不同，其中链式绕组结构节距最小，线圈的周长最小，最节省铜漆包线，而且是短距绕组，对谐波电流抑制最好，是最优的绕组结构形式。

所以电机嵌线具有线圈节距短、节省铜线的嵌线原则。3种常用的三相单层绕组结构都是按这个原则设计构成绕组，即沿定子铁心内圆周，同相的相邻的首、尾相带中的铁心槽，距离最近的2个槽安放1个线圈的两有效边，也就是节距最短构成线圈的原则。图3所示为三相单层交叉式定子绕组展开图，画图时单双线圈要交替画出，从铁心端部看依次排列的线圈，该绕组的构成是单、双线圈交替排列；图4所示为三相单层同心式定子绕组展开图。3种三相单层绕组展开图的绘制步骤，完全符合以上4个步骤。

图3 三相单层交叉式绕组展开图

图4 三相单层同心式绕组展开图

根据节距最短电机绕组构成原则，一般满足:q=2时，采用三相单层链式定子绕组结构；q=3时，采用三相单层交叉式定子绕组结构；q=4时，采用三单层相同心式定子绕组结构，这是小型三相交流电机常用的3种单层定子绕组结构。

3 三相单层定子绕组的嵌线方法

定子绕组展开图绘制完成，即绕组结构设计完成。如何根据定子绕组展开图进行定子绕组嵌线，关键明确三个操作要点：一是线圈的节距，二是嵌入的有效边数和空槽数的排列规律，三是甩边的个数。这三个要点全部展现在定子绕组展开图上，所以掌握读图技术是掌握嵌线方法的关键。

3.1 三相单层链式绕组的嵌线方法

(1)节距Y=5(1-6)。在图2(b)中，对12个线圈进行了编号，观察任意线圈的两有效边，如1号线圈，其下层边在7号槽，上层边在2号槽，所以两有效边跨接5个槽距，也称为1-6嵌线。即任意1个线圈的下层边嵌入某铁心槽后，从该槽开始计数，数到第6个槽嵌入该线圈的上层边。

(2)按照“嵌一隔一”的规律，依次嵌入的线圈的下层边。根据绕组构成规律,画展开图时应先画完一相绕组再画另一相绕组。但嵌线时应该三相定子绕组依次嵌入，即按照展开图中线圈标号由小到大的顺序依次嵌入。假如从图2(b)的第1个线圈开始嵌线，应首先将1号线圈的下层边嵌入7号槽，线圈的上层边应由节距Y=5(1-6)决定，即从7号槽开始计数，数到第6个槽，其上层边应安放在2号槽。第2个线圈也是先嵌入下层边，以第1个线圈的下层边为参照，由图可知，要间隔8号槽，在9号槽嵌入第2个线圈的下层边，第2个线圈的上层边仍然由节距决定，应安放在4号槽。后面线圈的嵌入依次先嵌入线圈的下层边，间隔1个槽，再嵌入下一个线圈的下层边，简称“嵌一(线圈)隔一(槽)”。链式绕组“嵌一隔一”的嵌线规则是对每个线圈的下层边而言，而非上层边，因为每个线圈嵌线时，应首先嵌入下层边，其上层边位置是由下层边所在槽和节距决定。

图5 三相单层链式绕组在铁心端部的状态图

(3)甩边二。由图2(b)可以看出，按照线圈1号、2号、3号……的顺序依次嵌线时，每个线圈的下层边都被后面相邻的2个线圈的上层边压在下面，7号槽的边(1号线圈下层边)，被4号槽的边(2号线圈上层边)和6号槽的边(3号线圈上层边)压在下面，所以称7号槽的有效边为下层边。按此规律，第11个线圈的下层边被第12和第1个线圈的上层边压着，第12个线圈的下层边被第1和第2个线圈的上层边压着。所以第1和第2个线圈应该只嵌入下层边，其上层边暂甩在一边，等到最后两个线圈的下层边嵌完后，再将第1和第2个线圈的两个上层边嵌入其所在槽内，保证首先嵌入的第1和第2个线圈的两个上层边压着前面线圈(即第11和第12个线圈)的下层边。当所有绕组完成嵌线，就分辨不出哪一个线圈是最先嵌入的，哪一个线圈是最后嵌入的。图5为三相单层链式绕组嵌线完成后在铁心端部的实际状态。

3.2 三相单层交叉式绕组的嵌线方法

(1)节距Y双=8(1-9)，Y单=7(1-8)。节距为8的2个线圈，因嵌线时下层边或上层边固定在相邻的同相带的槽内，故线圈绕制时连绕，即中间不断开，称为线圈组，接线时作为一个独立的接线单元。

(2)嵌二隔一，嵌一隔二。单圈和双圈交替嵌入，可以任意选择从单线圈或双线圈开始嵌线。

(3)甩边三。即将首先嵌入的前3个线圈的上层边暂且甩在一边，等所有线圈嵌线完成后，再将前3个线圈的上层边嵌入槽内。

3.3 三相单层同心式绕组的嵌线方法

(1)节距Y大=11(1-12)，Y小=9(1-10)。大小两个线圈在制作时，按照线圈组绕制。

(2)嵌二隔二。嵌线时使下层边的引出线位置要么都从大圈引出，要么都从小圈引出，尽量保持一致。

(3)甩边四，即首先嵌入的4个线圈的上层边暂且甩在一边。

关于“嵌几隔几”，是以先嵌入的线圈下层边为参照，说明后嵌入线圈的下层边的绕组嵌线规律。三相单层绕组嵌线时需要甩的线圈边数，与各绕组结构的q[5]相等。

4 实物电机绕组嵌线分析与维修

一般电动机维修都有按照原样修复的原则，通过观察原电动机的定子绕组端部，利用逆向思维判断出绕组结构，再利用相应结构的绕组嵌线方法进行下一步的嵌线操作。电动机绕组结构形式同样是根据三相单层定子绕组的嵌线方法和规律进行判断。

(1)观察1个完整线圈的两有效边所在槽，判断其节距Y。如图5所示，线圈节距是Y=5(1-6)。

(2)观察依次嵌入的线圈的下层边的嵌线规律是嵌几隔几。任意选定一个线圈假设是第1个嵌入的线圈，观察其下层边所在槽，压着第1个线圈下层边的相邻线圈就是在它后面嵌入的第2个线圈，再观察第2个线圈的下层边所在槽。这样，以顺次嵌入线圈的下层边为参照，观察是嵌几个有效边后，隔几个槽。图5是嵌一隔一。

(3)确定甩的边数。方法一：任意选定1个线圈，观察其上层边压着前面线圈的几个下层边，那么嵌线时就应该甩几个边。图5是每个线圈的上层边都压着其前面的2个下层边。方法二：假想把某一个下层的有效边从槽内取出，需要先取出压在它上面的几个上层边，那么嵌线时就应该甩几个边。图5是每个线圈的下层边都被其后面的2个上层边压在下面，所以甩边为二。

由以上观察结果可知，图5所示绕组结构属于三相单层链式定子绕组。这是由实物电动机获取绕组结构的方法。与通过电动机2P和Z计算得出τ和q，再根据q确定定子绕组结构的方法相比，该方法更快捷和高效。

5 结论

本文以24槽定子铁心，4极磁场交流电动机的三相单层定子绕组为例，详细介绍了三相单层定子绕组展开图的绘图方法，以及由定子绕组展开图获取定子绕组嵌线方法的读图技巧；利用逆向思维，已知三相单层定子绕组的嵌线规律，由实物电机获知电机定子绕组结构形式和嵌线方法。在对电动机定子绕组重绕维修前，两种方法可以相互验证，互作支撑，最终确定正确的绕组结构，进行绕组重绕修复电机。