3.3　電動機繞組改制及重繞計算

3.3.1　繞組的改制

在電動機的檢修工作中，經常會遇到電動機銘牌丟失或繞組數據無處考查的情況。有時還需要改變使用電壓，變更電動機轉速，改變導線規格來修復電動機的繞組。這時必須經過一些計算，才能確定所需要的數據。

3.3.1.1 改變導線規格的計算

當修復一臺電動機時，如果沒有原來規格的導線，則可以選用其他規格的導線，但其截面要等于或接近于原來的導線截面，使修復后電動機的電流密度不超過表3-4所列的數值。

注：1．表中數據適用于系列產品，對早年及非系列產品應酌情減小10%～15%。

2．一般小容量的電動機取其較大值，較大容量的電動機取其較小值。

（1）改變線圈導線的并繞數　如果沒有相同截面的導線，則可以將線圈中較大截面的導線換為兩根或數根較小截面的導線并繞，匝數不變。但此時需要考慮導線在槽內是否能裝得下，也就是要驗算電動機的槽滿率。

所謂槽滿率Fm，就是槽內帶絕緣導體的總截面與槽的有效截面的比值。

Fm==× ≈

式中　N ——槽內導體數；

　d ——帶絕緣導線的外徑；

　n——每個線圈并繞導線的根數，由不同外徑的導線并繞時，式中的（nd2）應換以不同的線徑平方之和，即nd2=d 21 + d 22 + d 23 + …；

　Sc ——定子鐵芯槽的面積減去槽絕緣和槽楔后的凈面積，mm2。

一般Fm值控制在0.60～0.75的范圍內。

（2）改變繞組的并聯支路數 原來為一個支路接線的繞組，如果沒有相同規格的導線，則可換用適當規格的導線，并改變其支路數。在改變支路數的線圈中，每根導線的截面積S支路a成反比：

SⅡ=

每個線圈的匝數W與并聯支路數a成正比：

WⅡ=aⅡWⅠ

在以上公式中，字母下腳注有Ⅰ者為原有數據；注有Ⅱ者，為改變支路數后的各種數據。

3.3.1.2 電動機重繞線圈的計算

若鼠籠式異步電動機的銘牌和繞組數據已遺失，則根據電動機鐵芯，可按下述方法重算定子繞組（適用于50Hz、100kW以下低壓繞組）。

① 先確定重繞后電動機的電源電壓和轉速（或極數）。

② 測量定子鐵芯內徑D1（cm），鐵芯長度L（不包括通風槽）（cm），定子槽數Z1，定子槽截面積Sc（mm2），定子齒的寬度b2（cm）和定子軛的高度ha（cm）。選p為極對數。

③ 極距：

τ=（cm）

④ 每極磁通：

Φ=0.637τLBg×0.92（Mx）（1Mx=10-8Wb）

式中　Bg ——氣隙磁通密度，Gs（1Gs=10-4T）；

　L ——鐵芯長度，cm。

⑤ 驗算軛磁通密度：

Ba=（Gs）

計算所得的Ba值應按表3-5所列進行核對，如相差很大，就說明極數2p選擇得不正確，應重新選擇極數；如相差不大，則可重新選擇Bg，以適合于表3-5中所列Ba的數值。

⑥ 驗算齒磁通密度：

Bz=（Gs）

所得Bz值應符合表3-5所列的數值，如有相差則可以重選Bg值（重復以上計算使得出的Bz值符合表3-5所列的數值）。

⑦ 確定線圈節距的繞組系數K：

單層線圈采用全節距：

Y=

雙層線圈采用短節距，短距系數β按下式計算：

β=

式中　Y1——短距線圈的節距。

一般取短距系數β約在0.8，根據短距系數及分布系數γ（由每極每相的線圈元件數來決定）按表3-6所示決定繞組系數K。

⑧ 繞組每相匝數：

單層繞組W1=（匝/相）

雙層繞組W2=（匝/相）

⑨ 每槽有效導線數：

n0=（根/槽）

⑩ 導線截面積：

S1=（mm2）

式中　Sc ——槽的截面積mm2；

　Kr ——槽內充填系數，當采用雙紗包圓銅線時，Kr=0.35～0.42；采用單紗漆包線時，Kr=0.43～0.45；采用漆包線時，Kr=0.46～0.48。

當導線截面較大時，可采用多根導線并聯繞制線圈，或按表3-7所示采用2路以上的并聯支路數。這時每根導線截面積Sx按下式計算：

Sx=

式中　n——每個線圈的并繞導線數；

　2——系數，表示雙層繞組。

確定每根導線的直徑：

d=（mm）

每相繞組容許通過的電流：

Inxg=S1 j1=2anSx j1（A）

式中　J1——電流密度，由表3-5查出。

驗算線負載：

AS=（A/cm）

計算所得值應符合表3-5所列，否則應重選J1。

確定電動機額定功率：

Pn=3UxgInxgcosΦη×10-3=UnIncosΦη×10-3（kW）

【例3-1】一臺防護式鼠籠型異步電動機，其銘牌和繞組數據已遺失，定子鐵芯的數據測量如下：

定子鐵芯外徑D=38.5cm。

定子鐵芯內徑D1=25.4cm。

定子鐵芯長度L=18cm。

定子槽數Z1=48。

定子槽截面積Sc=252mm2，定子齒的寬度bz=0.70cm，定子軛的高度ha=3.7cm，求定子繞組數據和電動機功率。

解：① 確定電源電壓為3相、50Hz、380V，電動機轉速為1440r/min（即磁極數為4）。

② 定子鐵芯的數據已測得。

③ 極距：

τ===20（cm）

④ 根據定子鐵芯外徑D=38.5cm，取Bg=7500Gs，故每極磁通：

Φ=0637τLBg×0.92=0.637×20×18×7500×0.92=1.58×106（Mx）

⑤ 驗算軛磁通密度：

Ba== ≈ 13000（Gs）

計算所得Ba值基本符合表3-5中所示的范圍。

⑥ 驗算齒磁通密度：

　Bz===17800（Gs）

　Bz值符合表3-5中所示的范圍。

⑦ 選用雙層疊繞線圈，短節距。取短距系數β=0.8：

Y1=β =0.8× ≈ 10

故線圈槽距為1～11。每根每相元件數為3，得繞組系數K=0.913。

⑧ 采用△接法，Uxg=380V。

繞組每相匝數：

W2===119（匝/相）

⑨ 每槽有效導線數：

nc===14.9（根/槽）

　nc應為整數，且雙層繞組應取偶數，故取nc=14（根/槽）。

⑩ 導線采用高強度漆包線，其截面面積：

S1===8.28（mm2）

因單根導線截面較大，故分為三根并繞，每根導線的截面為8.28 ÷ 3=2.76（mm2）。

查漆包線截面表（表3-9），截面為2.76mm2的漆包線，標稱直徑取1.88mm。

由表3-5取j1=5.0A/mm2，故相電流：

Inxg=S1 j1=8.28×5=41.4（A）

驗算線負荷：

AS===349（A/匝）

計算所得AS值符合表3-5內所示的范圍。

根據極數和相電流關系查函數表，取cosΦ為0.88，η為0.895，故電動機的功率為：

　Pn=UnIncosΦη×10-3

=1.73×380×41.4×0.88×0.895×10-3=21.4（kW）

3.3.2　電動機改極改壓

在生產中，有時需改變電動機繞組的連接方式，或重新配制繞組來改變電動機的極數，以獲得所需要的電動機轉速。

（1）改極計算　改極計算應注意以下事項：

① 由于電動機改變了極數，必須注意，定子槽數Z1與轉子槽數Z2的配合不應有下列關系：

Z1-Z2=±2p

Z1-Z2=1 ±2p

Z1-Z2=±2 ±4p

否則電動機可能發生強烈的噪聲，甚至不能運轉。

② 改變電動機極數時，必須考慮到電動機容量將與轉速近似成正比地變化。

③ 改變電動機轉速時，不宜使其前后相差過大，尤其是提高轉速時應特別注意。

④ 提高轉速時，應事先考慮到軸承是否會過熱或壽命過低，轉子和轉軸的機械強度是否可靠等，必要時應進行驗算。

⑤ 繞線式電動機改變極數時，必須將定子繞組和轉子繞組同時更換，所以一般只對鼠籠式電動機定子線圈加以改制。

（2）改變極數的兩種情況　一種是不改變繞組線圈的數據，只改變其極相組及極間連線，其電動機容量保持不變。此時，應驗算磁路各部分的磁通密度，只要沒有達到飽和值或超過不多即可。

另一種情況是重新計算繞組數據。改制前，應確切記好電動機的銘牌、繞組和鐵芯的各項數據，并按所述方法計算改制前繞組的W1、Φ、Bz、Ba、nc和AS等各項數據，以便和改制后相應的數據作對比。

① 改制后提高電動機轉速的方法和步驟

a．改制后極距τ′=（cm）

b．改制后每極磁通Φ′=1.84haLB′a（Mx）

式中　B′a——軛磁通密度改制后可選為18000Gs。由于改制后電動機極數減少，因此B′a增高，為了不使軛部溫升過高，B′a不宜超過18000Gs。

② 改制后繞組每相串聯匝數

a．單層繞組W1=（匝/相）

b．雙層繞組W′1=（匝/相）

其余各項數據的計算與舊定子鐵芯重繞線圈的計算相同。但由于轉速提高后極距r增加，所以空氣隙Bg和齒的Bz的數值比表3-5中所列的相應數值小。

③ 改制后降低電機轉速的計算方法

a．極距τ′=（cm）

b．每極磁通Φ′=0.586τ′LB′g（Mx）

由于極數增加，極距減小，定子軛磁通密度顯著減小，因此可將Bg數值較改制前數值提高5%～14%，Bz值也相應提高5%～10%。

其余各項數據計算與電動機空殼重繞線圈的計算相同。

必須指出：異步電動機改變極數重繞線圈后，不能保證鐵芯各部分磁通保持原來的數值，因而η、cosΦ、Io、啟動電流等技術性能指標也有較大的變動。

（3）改壓計算

① 要將原來運行于某一電壓的電動機繞組改為另一種電壓時，必須使線圈的電流密度和每匝所承受的電壓盡可能保持原來的數值，這樣可使電動機各部溫升和機械特性保持不變。

改變電壓時，首先考慮能否用改變接線的方法使該電動機適用于另一電壓。

計算公式如下：

式中　K ——改接前后的電壓比；

　U′xg ——改接后的繞組相電壓；

　Uxg ——改接前的繞組相電壓。

根據計算所得的電壓比K再查閱表3-8，查得的“繞組改接后接線法”應符合表3-8的規定，同時由于改變接線時沒有更換槽絕緣，必須注意原有絕緣能否承受改接后所用的電壓。

② 如果無法改變接線，只得重繞線圈。重繞后，繞組的匝數W′1和導線的截面積S′1可由下式求得。

式中　W1 ——定子繞組重繞前的每相串聯匝數；

　S1 ——定子繞組重繞前的導線截面積，mm2。

如果導線截面積較大，則可采用并繞或增加并聯支路數。

當電動機由低壓改為高壓（500V以上）時，因受槽形及絕緣的限制，電動機容量必須大大地減少，所以一般不宜改高壓。當電動機由高壓改為低壓使用時，繞組絕緣可以減薄，可采用較大截面的導線，這樣電動機的出力可稍增大。

【例3-2】有一臺3000V、8極、一路Y形接線的異步電動機要改變接線，使用于380V的電源上，應如何改變接線？

解：首先計算改接前后的電壓比K：

再查表3-8第一行“八路并聯Y形”的數字12.5最為相近，而這種接線又符合表3-8中的規定，所以該電機可以改接成八路并聯Y形，運行于380V的電源電壓下。

3.3.3　導線的改制

（1）鋁導線換成銅導線　電動機中的繞組采用鋁導線，在修復時如果沒有同型號的鋁導線，則要經過計算把鋁導線換成銅導線。

因為銅導線是鋁導線電阻系數的1/1.6倍，為了保持原定子繞組的每相阻抗值不變與通過定子繞組的電流值不變，根據公式d銅=0.8d鋁，可計算出所要代換銅導線的直徑。式中，d銅代表銅導線直徑；d鋁代表鋁導線直徑。

【例3-3】有一臺電動機的繞組是直徑為1.4mm的鋁導線，修理時因沒有這種型號的鋁導線，問需要多大直徑的銅導線?

根據公式d銅=0.8d鋁 得：d銅=0.8×1.4=1.12（mm）

改后應需直徑是1.12mm的銅導線。根據這個例子可以看出，鋁導線換成銅導線直徑變小，槽滿率（槽滿率就是槽內帶絕緣體的總面積與鐵芯槽內凈面積的比值）下降。在下線時可以多墊一層絕緣紙，但并繞根數、匝數必須與改前相同。一般電動機不管用什么材料的導體和絕緣材料，出廠時槽滿率都設計為60％～80％。

（2）銅導線換成鋁導線　將銅導線換成鋁導線繞制的電動機繞組也要經過計算，公式是：

【例3-4】一臺5.5kW電動機，銅導線直徑是1.25mm，準備改用鋁導線繞制，問需多大直徑的鋁導線？

根據公式：d鋁==1.5（mm），通過計算要選用直徑是1.5mm的鋁導線。

通過上式可以看出以鋁導線代換銅導線時，導線加粗了，槽滿率會提高，給下線帶來困難。因此最好先繞出一把線試一下，如果改后鋁線能下入槽中則改，槽滿率過高不能下入槽中就不改。改后鋁導線在接線時沒有焊接材料，不能焊接時，可直接絞在一起，但一定要把鋁接頭擰緊，防止接觸不良打火而燒壞線頭。

（3）兩種導線的代換　同種導線代換是根據代換前后導線截面積相等的條件而進行的，表3-9中列出了QQ與QI型直徑0.06～2.44mm的銅漆包線的規格，有了導線直徑就可以直接查出該導線的截面積。

實際情況中，有時想把原電動機繞組中兩根導線變換成一根，有時想把原繞組一根導線變換成兩根，這都需要計算。

【例3-5】JO2-51-4型7.5kW電動機，該電動機繞組用Φ1.00mm的漆包線兩根并繞，每把線是38匝，在修理時無Φ1.00mm導線，電動機又急等使用，這就要經過計算，兩根導線用一根代替，要保證代換前兩根Φ1.00mm的漆包線的截面積與代換后一根漆包線的截面積相同。經查表可知Φ1.00mm的導線截面積是0.785mm2，兩根截面積為0.785×2=1.57（mm2），查表截面積1.57mm2只近似于1.539mm2，截面積為1.539mm2所對應的導線直徑為1.4mm，所以兩根Φ1.00mm的漆包線并繞可用一根Φ1.40mm的漆包線代換。原兩根并繞是38匝（對），改后用Φ1.40mm的漆包線仍繞出38匝即可。

（4）線把導線直徑和匝數　

① 導線的直徑　導線的直徑是指導線絕緣皮去掉的直徑，用毫米做單位，測量導線之前要先把導線的絕緣皮用火燒掉，一般把導線端部用火燒紅一兩遍，用軟布擦幾次，就把絕緣層擦沒了，切不可用刀子刮或用砂布之類擦導線絕緣層，那樣測出的導線直徑就不準了。測量導線要用千分尺，這是修理電動機必備的測量工具，使用方法見產品說明書，也可以向車工師傅請教。

表3-9中列出了QQ和QI型漆包線的規格，實際三相異步電動機用導線的直徑在0.57～1.68mm，在一個線把中多用一樣直徑的導線繞制，但也有的電動機每一個線把都是用兩種或兩種以上規格的導線繞制而成的。比如JQ-83-4，JO-62-6型電動機，每把線的直徑都是用Φ1.35mm和Φ1.45mm兩根線并繞的，所以拆電動機繞組時要反復測準每把線中每種導線的直徑。

② 線把的匝數　線把的匝數是指單根導線繞制的總圈數。比如JO2-41-4型電動機的技術數據表上標明，導線直徑為1.00mm，并繞根數是1，匝數是52，就是說這種電動機每一個線把都是用直徑為1mm的導線單根繞52匝而成的。

（5）線把的多根并繞　多根并繞是用兩根以上導線并繞成線把，在繞組設計中，不能靠加大導線直徑來提高通過線把中的電流，因為導線的“集膚”效應會使導線外部電流密度增大，溫度增高，加速導線絕緣老化，使導線變粗，也給嵌線帶來困難。這就要靠導線的多根并繞來解決。在三相異步電動機中每把線并繞根數為2～12根，檢查多根并繞時，每把線的頭尾是幾根線，就證明這個電動機繞組中每把線就是幾根并繞的，如圖3-50（a）所示線把的頭尾是2根，這個線把就是2根并繞；圖3-50（b）所示線把的頭尾是3根，這個線把就是3根并繞。J03-280S-2型100kW電動機每把線的頭尾有12根線頭，這種繞組的線把就是12根并繞。

在繞組展開圖中，不管線把是幾根并繞，都用圖3-50（a）或圖3-50（b）來表示，在繞組展開圖上表現不出多根并繞，只是在技術數據表上標明。多根并繞的線把代表截面積加大的一根導線繞制出的線把。弄明白線把的多根并繞，這樣才能與下面講的多路并聯區別開。

多根并繞線把的匝數等于這個線把的總匝數被并繞根數所除得到的商。比如JO2-51-4型7.5kW電動機是雙根并繞，數得每把線是76匝，76匝被2所除，商數是38匝，則這把線的匝數就是38匝。數據表上寫著2根并繞，匝數是38匝，就是這個意思。在繞制新線把時，還要用同型號導線2根并在一起，繞出38匝。最簡單的辦法是，線把是幾根并繞就幾根并在一起看做是一根導線，然后繞出固定的匝數。