3.3　电动机绕组改制及重绕计算

3.3.1　绕组的改制

在电动机的检修工作中，经常会遇到电动机铭牌丢失或绕组数据无处考查的情况。有时还需要改变使用电压，变更电动机转速，改变导线规格来修复电动机的绕组。这时必须经过一些计算，才能确定所需要的数据。

3.3.1.1 改变导线规格的计算

当修复一台电动机时，如果没有原来规格的导线，则可以选用其他规格的导线，但其截面要等于或接近于原来的导线截面，使修复后电动机的电流密度不超过表3-4所列的数值。

注：1．表中数据适用于系列产品，对早年及非系列产品应酌情减小10%～15%。

2．一般小容量的电动机取其较大值，较大容量的电动机取其较小值。

（1）改变线圈导线的并绕数　如果没有相同截面的导线，则可以将线圈中较大截面的导线换为两根或数根较小截面的导线并绕，匝数不变。但此时需要考虑导线在槽内是否能装得下，也就是要验算电动机的槽满率。

所谓槽满率Fm，就是槽内带绝缘导体的总截面与槽的有效截面的比值。

Fm==× ≈

式中　N ——槽内导体数；

　d ——带绝缘导线的外径；

　n——每个线圈并绕导线的根数，由不同外径的导线并绕时，式中的（nd2）应换以不同的线径平方之和，即nd2=d 21 + d 22 + d 23 + …；

　Sc ——定子铁芯槽的面积减去槽绝缘和槽楔后的净面积，mm2。

一般Fm值控制在0.60～0.75的范围内。

（2）改变绕组的并联支路数 原来为一个支路接线的绕组，如果没有相同规格的导线，则可换用适当规格的导线，并改变其支路数。在改变支路数的线圈中，每根导线的截面积S支路a成反比：

SⅡ=

每个线圈的匝数W与并联支路数a成正比：

WⅡ=aⅡWⅠ

在以上公式中，字母下脚注有Ⅰ者为原有数据；注有Ⅱ者，为改变支路数后的各种数据。

3.3.1.2 电动机重绕线圈的计算

若鼠笼式异步电动机的铭牌和绕组数据已遗失，则根据电动机铁芯，可按下述方法重算定子绕组（适用于50Hz、100kW以下低压绕组）。

① 先确定重绕后电动机的电源电压和转速（或极数）。

② 测量定子铁芯内径D1（cm），铁芯长度L（不包括通风槽）（cm），定子槽数Z1，定子槽截面积Sc（mm2），定子齿的宽度b2（cm）和定子轭的高度ha（cm）。选p为极对数。

③ 极距：

τ=（cm）

④ 每极磁通：

Φ=0.637τLBg×0.92（Mx）（1Mx=10-8Wb）

式中　Bg ——气隙磁通密度，Gs（1Gs=10-4T）；

　L ——铁芯长度，cm。

⑤ 验算轭磁通密度：

Ba=（Gs）

计算所得的Ba值应按表3-5所列进行核对，如相差很大，就说明极数2p选择得不正确，应重新选择极数；如相差不大，则可重新选择Bg，以适合于表3-5中所列Ba的数值。

⑥ 验算齿磁通密度：

Bz=（Gs）

所得Bz值应符合表3-5所列的数值，如有相差则可以重选Bg值（重复以上计算使得出的Bz值符合表3-5所列的数值）。

⑦ 确定线圈节距的绕组系数K：

单层线圈采用全节距：

Y=

双层线圈采用短节距，短距系数β按下式计算：

β=

式中　Y1——短距线圈的节距。

一般取短距系数β约在0.8，根据短距系数及分布系数γ（由每极每相的线圈元件数来决定）按表3-6所示决定绕组系数K。

⑧ 绕组每相匝数：

单层绕组W1=（匝/相）

双层绕组W2=（匝/相）

⑨ 每槽有效导线数：

n0=（根/槽）

⑩ 导线截面积：

S1=（mm2）

式中　Sc ——槽的截面积mm2；

　Kr ——槽内充填系数，当采用双纱包圆铜线时，Kr=0.35～0.42；采用单纱漆包线时，Kr=0.43～0.45；采用漆包线时，Kr=0.46～0.48。

当导线截面较大时，可采用多根导线并联绕制线圈，或按表3-7所示采用2路以上的并联支路数。这时每根导线截面积Sx按下式计算：

Sx=

式中　n——每个线圈的并绕导线数；

　2——系数，表示双层绕组。

确定每根导线的直径：

d=（mm）

每相绕组容许通过的电流：

Inxg=S1 j1=2anSx j1（A）

式中　J1——电流密度，由表3-5查出。

验算线负载：

AS=（A/cm）

计算所得值应符合表3-5所列，否则应重选J1。

确定电动机额定功率：

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

【例3-1】一台防护式鼠笼型异步电动机，其铭牌和绕组数据已遗失，定子铁芯的数据测量如下：

定子铁芯外径D=38.5cm。

定子铁芯内径D1=25.4cm。

定子铁芯长度L=18cm。

定子槽数Z1=48。

定子槽截面积Sc=252mm2，定子齿的宽度bz=0.70cm，定子轭的高度ha=3.7cm，求定子绕组数据和电动机功率。

解：① 确定电源电压为3相、50Hz、380V，电动机转速为1440r/min（即磁极数为4）。

② 定子铁芯的数据已测得。

③ 极距：

τ===20（cm）

④ 根据定子铁芯外径D=38.5cm，取Bg=7500Gs，故每极磁通：

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

⑤ 验算轭磁通密度：

Ba== ≈ 13000（Gs）

计算所得Ba值基本符合表3-5中所示的范围。

⑥ 验算齿磁通密度：

　Bz===17800（Gs）

　Bz值符合表3-5中所示的范围。

⑦ 选用双层叠绕线圈，短节距。取短距系数β=0.8：

Y1=β =0.8× ≈ 10

故线圈槽距为1～11。每根每相元件数为3，得绕组系数K=0.913。

⑧ 采用△接法，Uxg=380V。

绕组每相匝数：

W2===119（匝/相）

⑨ 每槽有效导线数：

nc===14.9（根/槽）

　nc应为整数，且双层绕组应取偶数，故取nc=14（根/槽）。

⑩ 导线采用高强度漆包线，其截面面积：

S1===8.28（mm2）

因单根导线截面较大，故分为三根并绕，每根导线的截面为8.28 ÷ 3=2.76（mm2）。

查漆包线截面表（表3-9），截面为2.76mm2的漆包线，标称直径取1.88mm。

由表3-5取j1=5.0A/mm2，故相电流：

Inxg=S1 j1=8.28×5=41.4（A）

验算线负荷：

AS===349（A/匝）

计算所得AS值符合表3-5内所示的范围。

根据极数和相电流关系查函数表，取cosΦ为0.88，η为0.895，故电动机的功率为：

　Pn=UnIncosΦη×10-3

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

3.3.2　电动机改极改压

在生产中，有时需改变电动机绕组的连接方式，或重新配制绕组来改变电动机的极数，以获得所需要的电动机转速。

（1）改极计算　改极计算应注意以下事项：

① 由于电动机改变了极数，必须注意，定子槽数Z1与转子槽数Z2的配合不应有下列关系：

Z1-Z2=±2p

Z1-Z2=1 ±2p

Z1-Z2=±2 ±4p

否则电动机可能发生强烈的噪声，甚至不能运转。

② 改变电动机极数时，必须考虑到电动机容量将与转速近似成正比地变化。

③ 改变电动机转速时，不宜使其前后相差过大，尤其是提高转速时应特别注意。

④ 提高转速时，应事先考虑到轴承是否会过热或寿命过低，转子和转轴的机械强度是否可靠等，必要时应进行验算。

⑤ 绕线式电动机改变极数时，必须将定子绕组和转子绕组同时更换，所以一般只对鼠笼式电动机定子线圈加以改制。

（2）改变极数的两种情况　一种是不改变绕组线圈的数据，只改变其极相组及极间连线，其电动机容量保持不变。此时，应验算磁路各部分的磁通密度，只要没有达到饱和值或超过不多即可。

另一种情况是重新计算绕组数据。改制前，应确切记好电动机的铭牌、绕组和铁芯的各项数据，并按所述方法计算改制前绕组的W1、Φ、Bz、Ba、nc和AS等各项数据，以便和改制后相应的数据作对比。

① 改制后提高电动机转速的方法和步骤

a．改制后极距τ′=（cm）

b．改制后每极磁通Φ′=1.84haLB′a（Mx）

式中　B′a——轭磁通密度改制后可选为18000Gs。由于改制后电动机极数减少，因此B′a增高，为了不使轭部温升过高，B′a不宜超过18000Gs。

② 改制后绕组每相串联匝数

a．单层绕组W1=（匝/相）

b．双层绕组W′1=（匝/相）

其余各项数据的计算与旧定子铁芯重绕线圈的计算相同。但由于转速提高后极距r增加，所以空气隙Bg和齿的Bz的数值比表3-5中所列的相应数值小。

③ 改制后降低电机转速的计算方法

a．极距τ′=（cm）

b．每极磁通Φ′=0.586τ′LB′g（Mx）

由于极数增加，极距减小，定子轭磁通密度显著减小，因此可将Bg数值较改制前数值提高5%～14%，Bz值也相应提高5%～10%。

其余各项数据计算与电动机空壳重绕线圈的计算相同。

必须指出：异步电动机改变极数重绕线圈后，不能保证铁芯各部分磁通保持原来的数值，因而η、cosΦ、Io、启动电流等技术性能指标也有较大的变动。

（3）改压计算

① 要将原来运行于某一电压的电动机绕组改为另一种电压时，必须使线圈的电流密度和每匝所承受的电压尽可能保持原来的数值，这样可使电动机各部温升和机械特性保持不变。

改变电压时，首先考虑能否用改变接线的方法使该电动机适用于另一电压。

计算公式如下：

式中　K ——改接前后的电压比；

　U′xg ——改接后的绕组相电压；

　Uxg ——改接前的绕组相电压。

根据计算所得的电压比K再查阅表3-8，查得的“绕组改接后接线法”应符合表3-8的规定，同时由于改变接线时没有更换槽绝缘，必须注意原有绝缘能否承受改接后所用的电压。

② 如果无法改变接线，只得重绕线圈。重绕后，绕组的匝数W′1和导线的截面积S′1可由下式求得。

式中　W1 ——定子绕组重绕前的每相串联匝数；

　S1 ——定子绕组重绕前的导线截面积，mm2。

如果导线截面积较大，则可采用并绕或增加并联支路数。

当电动机由低压改为高压（500V以上）时，因受槽形及绝缘的限制，电动机容量必须大大地减少，所以一般不宜改高压。当电动机由高压改为低压使用时，绕组绝缘可以减薄，可采用较大截面的导线，这样电动机的出力可稍增大。

【例3-2】有一台3000V、8极、一路Y形接线的异步电动机要改变接线，使用于380V的电源上，应如何改变接线？

解：首先计算改接前后的电压比K：

再查表3-8第一行“八路并联Y形”的数字12.5最为相近，而这种接线又符合表3-8中的规定，所以该电机可以改接成八路并联Y形，运行于380V的电源电压下。

3.3.3　导线的改制

（1）铝导线换成铜导线　电动机中的绕组采用铝导线，在修复时如果没有同型号的铝导线，则要经过计算把铝导线换成铜导线。

因为铜导线是铝导线电阻系数的1/1.6倍，为了保持原定子绕组的每相阻抗值不变与通过定子绕组的电流值不变，根据公式d铜=0.8d铝，可计算出所要代换铜导线的直径。式中，d铜代表铜导线直径；d铝代表铝导线直径。

【例3-3】有一台电动机的绕组是直径为1.4mm的铝导线，修理时因没有这种型号的铝导线，问需要多大直径的铜导线?

根据公式d铜=0.8d铝 得：d铜=0.8×1.4=1.12（mm）

改后应需直径是1.12mm的铜导线。根据这个例子可以看出，铝导线换成铜导线直径变小，槽满率（槽满率就是槽内带绝缘体的总面积与铁芯槽内净面积的比值）下降。在下线时可以多垫一层绝缘纸，但并绕根数、匝数必须与改前相同。一般电动机不管用什么材料的导体和绝缘材料，出厂时槽满率都设计为60％～80％。

（2）铜导线换成铝导线　将铜导线换成铝导线绕制的电动机绕组也要经过计算，公式是：

【例3-4】一台5.5kW电动机，铜导线直径是1.25mm，准备改用铝导线绕制，问需多大直径的铝导线？

根据公式：d铝==1.5（mm），通过计算要选用直径是1.5mm的铝导线。

通过上式可以看出以铝导线代换铜导线时，导线加粗了，槽满率会提高，给下线带来困难。因此最好先绕出一把线试一下，如果改后铝线能下入槽中则改，槽满率过高不能下入槽中就不改。改后铝导线在接线时没有焊接材料，不能焊接时，可直接绞在一起，但一定要把铝接头拧紧，防止接触不良打火而烧坏线头。

（3）两种导线的代换　同种导线代换是根据代换前后导线截面积相等的条件而进行的，表3-9中列出了QQ与QI型直径0.06～2.44mm的铜漆包线的规格，有了导线直径就可以直接查出该导线的截面积。

实际情况中，有时想把原电动机绕组中两根导线变换成一根，有时想把原绕组一根导线变换成两根，这都需要计算。

【例3-5】JO2-51-4型7.5kW电动机，该电动机绕组用Φ1.00mm的漆包线两根并绕，每把线是38匝，在修理时无Φ1.00mm导线，电动机又急等使用，这就要经过计算，两根导线用一根代替，要保证代换前两根Φ1.00mm的漆包线的截面积与代换后一根漆包线的截面积相同。经查表可知Φ1.00mm的导线截面积是0.785mm2，两根截面积为0.785×2=1.57（mm2），查表截面积1.57mm2只近似于1.539mm2，截面积为1.539mm2所对应的导线直径为1.4mm，所以两根Φ1.00mm的漆包线并绕可用一根Φ1.40mm的漆包线代换。原两根并绕是38匝（对），改后用Φ1.40mm的漆包线仍绕出38匝即可。

（4）线把导线直径和匝数　

① 导线的直径　导线的直径是指导线绝缘皮去掉的直径，用毫米做单位，测量导线之前要先把导线的绝缘皮用火烧掉，一般把导线端部用火烧红一两遍，用软布擦几次，就把绝缘层擦没了，切不可用刀子刮或用砂布之类擦导线绝缘层，那样测出的导线直径就不准了。测量导线要用千分尺，这是修理电动机必备的测量工具，使用方法见产品说明书，也可以向车工师傅请教。

表3-9中列出了QQ和QI型漆包线的规格，实际三相异步电动机用导线的直径在0.57～1.68mm，在一个线把中多用一样直径的导线绕制，但也有的电动机每一个线把都是用两种或两种以上规格的导线绕制而成的。比如JQ-83-4，JO-62-6型电动机，每把线的直径都是用Φ1.35mm和Φ1.45mm两根线并绕的，所以拆电动机绕组时要反复测准每把线中每种导线的直径。

② 线把的匝数　线把的匝数是指单根导线绕制的总圈数。比如JO2-41-4型电动机的技术数据表上标明，导线直径为1.00mm，并绕根数是1，匝数是52，就是说这种电动机每一个线把都是用直径为1mm的导线单根绕52匝而成的。

（5）线把的多根并绕　多根并绕是用两根以上导线并绕成线把，在绕组设计中，不能靠加大导线直径来提高通过线把中的电流，因为导线的“集肤”效应会使导线外部电流密度增大，温度增高，加速导线绝缘老化，使导线变粗，也给嵌线带来困难。这就要靠导线的多根并绕来解决。在三相异步电动机中每把线并绕根数为2～12根，检查多根并绕时，每把线的头尾是几根线，就证明这个电动机绕组中每把线就是几根并绕的，如图3-50（a）所示线把的头尾是2根，这个线把就是2根并绕；图3-50（b）所示线把的头尾是3根，这个线把就是3根并绕。J03-280S-2型100kW电动机每把线的头尾有12根线头，这种绕组的线把就是12根并绕。

在绕组展开图中，不管线把是几根并绕，都用图3-50（a）或图3-50（b）来表示，在绕组展开图上表现不出多根并绕，只是在技术数据表上标明。多根并绕的线把代表截面积加大的一根导线绕制出的线把。弄明白线把的多根并绕，这样才能与下面讲的多路并联区别开。

多根并绕线把的匝数等于这个线把的总匝数被并绕根数所除得到的商。比如JO2-51-4型7.5kW电动机是双根并绕，数得每把线是76匝，76匝被2所除，商数是38匝，则这把线的匝数就是38匝。数据表上写着2根并绕，匝数是38匝，就是这个意思。在绕制新线把时，还要用同型号导线2根并在一起，绕出38匝。最简单的办法是，线把是几根并绕就几根并在一起看做是一根导线，然后绕出固定的匝数。