如何選擇漆包線線徑,單根與多根線漆包線繞制電機電樞的區別?

2020-12-04 老趙說製造

電樞繞組是感應電壓的繞組,磁場繞組是電流通過繞組時產生主磁場磁通的繞組。在電機卷繞電磁線圈時,採用單一線圈繞線或多條並聯繞線的原因及影響,由電機能量需求原理開始研究如何避免電機最終效能的損耗。

繞組組件定義

匝:匝由兩個導體組成,通過一個端部連接器連接到一端。線圈:一個線圈是由幾個線圈串聯而成的。繞組:由幾個線圈串聯而成的繞組。

從電機能量公式分析線圈需求

電機轉矩公式如下:其中T為轉矩、B為磁通量、I為電流值、L為磁場有效作用長度、D為轉子外徑、N為線圈圈數、δ為磁場與電場作用角度。

其中跟線圈最有關係的參數為N,此參數是針對圈數定義的,另一項跟線圈比較有關係的參數為I,主要是受到基本電學的影響,線圈的電阻值會影響到最大輸入電流值,其中V為電壓、R為電阻值。

對電機特性而言,電阻值的大小也直接影響到導通損失,使電機能量受到損耗;其中PC為導通損。

上述說明可知道,電機輸出能量的特性會受到圈數的影響,因此一但電機規格明確後,圈數就不可任意變動。而電機線圈除了圈數外,另一項可供選擇的即為線徑的粗細;線圈越粗則電阻越小,也代表導通損失越少,故在可容許的繞線空間內,線徑越粗則電機效能越高,電機電能導通損失降低,所以有電機效率提升的感覺。

綜合上述電機相關公式,則在矽鋼片未磁飽和的前提下,電機圈數越多則轉矩越大,電機輸出能量增加;線徑越粗則電阻越小,損失越少,電機效率提高。圈數及線徑這兩項參數都跟槽滿率有關係,因此電機設計時會有「槽滿率越高,電機效率越好」的說法。一但電機圈數設計完成後,儘可能加大漆包線導體線徑,則電機效率越高。

漆包線的使用考量

已知漆包線徑越粗越好,然而在應用上會受到槽空間的限制,如下圖所示,導致線徑無法加粗。除了槽內本身空間外,槽開口也會限制線徑最大值,基本上槽開口的作用除了降低漏磁外,主要功能就是讓線圈經過,好讓導線順利繞於槽內。線徑尺寸,則槽開口應為線徑的1.6倍寬較為安全,避免繞線時導體上的漆包模因刮到矽鋼片而造成絕緣破損,故槽開口會限制可繞線徑的最大值。

槽空間限制

針對超大型電機,難然較無這些尺寸空間的限制,但也不會無限制加粗。因電流在導體中流動時,會有集膚效應。電流只在導體的最外圍部分流通,中間部分完全沒作用,因此超大型電機會採用絞線或直接採用中空導管的方式來製造電機。而一般市面常見的電機體積尺寸並不大,不會讓導體直徑大到有集膚效應的產生的機會,因此可自行選用單條線或多卷線並繞方式製作電機。其共同標準為導體有效截面積相同即可,也就是單條較粗的導線截面積與多條較細的導線截面積總和要一致。

大部分選擇多卷並繞的主要考量是因電機繞線時,會有折角的需求,粗線徑要折完時需施較大的力量;若折彎角度不足,線圈未能平貼於矽鋼片上,會產生空隙而影響整體槽滿率。改為多條並繞時,因單一線徑粗度大幅下降,其機械強度亦降低,繞線時的力量需就可降低,方便人工作業。

粗線徑與細線徑

然而多卷繞線難可解決繞線時的折角施力強度困擾,但對於槽滿率而言不一定有改善的效果。多卷線並繞時,各線段的無法整齊排列,隨機的交錯堆疊,會因此降低槽滿率。另外,漆包線外有包裹一層漆包絕緣層,可發現線徑越細則漆包模比重越高;若採用細線多卷並繞時,其漆包層的比例會進一步提高,使真正的導體空間受到壓縮,降低實際導體的槽滿率。

結論

當電流通過導體線圈時,會線圈會生成感抗的作用,而將此一現象以電感值表示強度。一般的獨立線圈有自感的感抗作用,即為本身線圈的影響,因此電感值較低;但當兩線圈之間有交疊的情況時,若兩線圈內的電流流入時間不一致時,除了本身的自感作用外,會額外增加互感作用,即兩線圈間會相互影響作用,使電感值再次改變。在多卷並繞時,也會同時有自感及互感的反應,使整組線圈的電感值增加,使電流進入的速度降低。

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