CN104917348B - 电动车用大功率奇数分数槽电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车用大功率奇数分数槽电机。它为无刷直流电机或永磁同步电机，包括定子、转子；9槽、15槽、21槽、27槽、33槽、39槽、45槽、51槽、57槽......，所述转子磁钢的极数采用与定子槽数匹配后为每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的4极、8极、10极......；其中，不含9槽8极或10极、15槽10极和45槽10极；定子绕组为单层绕组与双层绕组以各种比例搭配的单、双层绕组。本发明克服了奇数分数槽非基本组合电机在设计绕组时所存在的难题和缺陷，将难以在实际中采用的奇数分数槽非基本组合电机应用到高性能的大功率无刷直流和永磁同步驱动电机中，以此获得了生产工艺简单、高性能的大功率奇数分数槽电机。

Description

电动车用大功率奇数分数槽电机

技术领域

本发明属于大功率无刷直流电机与永磁同步电机，具体涉及一种电动车用大功率、奇数分数槽，单双层绕组无刷直流电机及永磁同步电机

背景技术

我国现行的电动车上使用的电机大多数是无刷直流电动机及永磁同步电机。对于电动车驱动电机，如果是无刷直流电机，就其功率大小来分类，1.5kw以下的小功率电机，一般是偶数分数槽电机，其中，又以12槽8极、每极每相槽数q＝1/2的分数槽电机最为普遍；从1.5kw到120kw之间的大功率电机，一般都采用整数槽电机，每极每相槽数q在1与4之间。而对于一般的永磁同步电机，绝大多数也采用整数槽电机。在大功率驱动电机中，不论是无刷直流电机还是永磁同步电机，如果是整数槽磁路结构，都不可避免的要采用定子斜槽或转子斜极的复杂工艺来降低齿槽转矩。其次，整数槽电机由于必须采用定子斜槽或转子斜极，霍尔电路中的转子位置在轴向斜线上，位置信息不是超前就是滞后，控制器开关电路难以找到最佳导通角，影响电机的性能。分数槽磁路结构的分数槽电机，它的最大特点是：与整数槽电机比较，齿槽转矩大为降低，避开了定子斜槽或转子斜极的复杂工艺，而且，霍尔电路中的转子位置在轴向直线上，控制器开关电路很容易找到最佳导通角，有利于电机的性能发挥。

分数槽电机，槽和极的组合种类繁多，有槽和极的基本组合与槽和极的非基本组合，目前用于电动车的小功率分数槽电机，一般是采用集中绕组的基本组合，线圈节距y＝1，每个齿上绕一个线圈，电机的槽数和极数接近，每极每相槽数q大于0、小于等于1/2。但这类基本组合的分数槽电机由于槽数和极数接近，如果要做成大功率电机，随着电机的铁芯外径的加大，为改善散热条件，电机的槽数必然会增加，从而带来极数的增加，而极数的增加，会使控制器开关动作的频率增加，当控制器开关动作的频率增加到一定程度，就会大幅度增加控制器和电机铁芯的损耗，提高温升，降低效率。因此，在基本组合的分数槽电机中，一般都是小功率电机，它不适合于大功率、高转速的电动车驱动电机。在槽与极的非基本组合中，线圈节距y为大于1的整数，每极每相槽数q为大于1/2的分数。非基本组合的分数槽电机，槽数可以大于极数，槽数可以很多，极数可以很少，因此，这类分数槽电机可以与整数槽电机一样做成大功率电机。

大功率驱动电机大多选择高性能的电机，不仅要求高效率，还要求有最小的转矩波动，最低的噪音。电机的齿槽转矩是导致转矩波动和噪音的主要因素。整数槽电机由于采用了定子斜槽或转子斜极，理论上它的齿槽转矩的标幺值可以从1削减到零。分数槽电机的齿槽转矩虽然可以大幅度削减，但不会削减到零，比如q＝1/2的分数槽电机，齿槽转矩只削减了67％，q＝2/5的分数槽电机，齿槽转矩只削减了83％，因此整数槽电机的齿槽转矩、转矩波动和噪音比分数槽电机相对较低。在非基本组合的分数槽电机中，有一种奇数分数槽电机，它的齿槽转矩可以削减到接近零，如21槽8极电机，q＝7/8，单元电机t＝1，齿槽转矩的标幺值仅为0.048，而且，奇数分数槽电机的槽数越多，齿槽转矩的标幺值越接近于零。这种奇数分数槽电机理论上可以与整数槽电机一样做成高性能的大功率驱动电机，同时又可以省去定子斜槽或转子斜极的复杂工艺。然而由于电机的槽数是奇数，分配到每相的槽数也是奇数，当每相的槽数为奇数时，电机绕组不可以采用单层绕组，而采用真正意义上的双层绕组，借助传统的槽电动势相量图来设计绕组有一定困难，因为这种奇数分数槽电机在槽电动势相量图中，正向电动势与反向电动势数量是不相等的，绕组线圈的两个正反电动势边数量也是不相等的，无法连接成整数个线圈，而绕组方案中无论是单层绕组还是双层绕组，每相线圈的个数必须是整数，这给绕组方案的设计带来难题。

发明内容

本发明的目的在于针对奇数分数槽非基本组合电机在设计绕组时所存在的上述难题和缺陷，提供一种独有的设计方案，将难以在实际中采用的奇数分数槽非基本组合电机应用到高性能的大功率无刷直流和永磁同步驱动电机中，以此来获得生产工艺简单、高性能的大功率奇数分数槽电机。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该电动车用大功率奇数分数槽电机，为无刷直流电机或永磁同步电机，包括定子、转子；其特点是：所述定子铁芯的槽数是3的倍数的奇数：9槽、15槽、21槽、27槽、33槽、39槽、45槽、51槽、57槽......，所述转子磁钢的极数采用与定子槽数匹配后为每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的4极、8极、10极......；其中，不含9槽8极或10极、15槽10极和45槽10极；定子绕组为单层绕组与双层绕组以各种比例搭配的单、双层绕组。

进一步，所述定子绕组的单、双层绕组满足如下条件：在槽电动势相量星型图中，每个槽设计为两个大小相等、方向相同的槽电动势，奇数个槽中获得偶数个槽电动势，并分配到每相整数个线圈的正、反电动势的线圈的两个边，从而获得每相的正、反槽电动势相量相等。

具体的，当定子铁芯槽数为21槽、转子磁钢的极数为8极时，定子绕组的单、双层绕组的槽电动势为42个槽电动势，每个槽为两个大小相等、方向相同的槽电动势，按60°相带划分三相槽电动势时，各相为14个槽电动势。

针对上述21槽、8极电机，有四种绕组方式：

第一种：定子绕组的单、双层绕组是，A相：A1与X19、A6与X9、A11与X14为3个单层绕组，A17下与X3上为1个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是3个单层绕组，1个双层绕组。

第二种：定子绕组的单、双层绕组是，A相：A1与X9、A6与X14为2个单层绕组，A17下与X19上、A12下与X3下、A11上与X4下为3个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是2个单层绕组，3个双层绕组。

第三种：定子绕组的单、双层绕组是，A相：A1与X9为1个单层绕组，A17下与X14上、A12下与X19上、A7下与X3上、A6上与X4下、A11上与X20下为5个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是1个单层绕组，5个双层绕组。

第四种：定子绕组的单、双层绕组是，A相：A1上与X19上、A6上与X3上、A11上与X14上、A2下与X4下、A7下与X9上、A12下与X15下、A17下与X15下为7个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是7个双层绕组。

本发明与现有的整数槽电机和分数槽电机相比所产生的有益效果如下：

(1)解决了大功率、奇数分数槽、每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的分数槽电机的绕组方案设计难题，拓宽了电动车用大功率、高性能电机的领域，改变了现有的大功率无刷直流电动机和永磁同步电机绝大多数采用定子斜槽或转子斜极的整数槽电机的格局，具有广泛的应用前景。

(2)避免了原有的大功率、高性能无刷直流电机和永磁同步电机大多数采用定子斜槽或转子斜极的复杂工艺，使原有的定子铁芯叠片工艺或转子磁钢加工工艺变得简单，降低了电机的生产成本。由于量产中的定子斜槽铁芯需要价格昂贵的高速冲床和级进模加工，而采用奇数分数槽、每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的分数槽电机，只需简单的单冲模加工铁芯，对于尚未大规模量产、或处在试验开发期的电机，对生产开发成本的降低尤为凸显。

(3)提高了大功率无刷直流电机和永磁同步电机的性能，采用奇数分数槽、每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的分数槽电机，由于避开了定子斜槽或转子斜极，控制器开关电路的导通角比整数槽电机更佳，有利于电机性能的发挥，加上分数槽电机绕组比整数槽电机绕组削减奇次谐波的幅度更大，因此，这种奇数分数槽电机比现有的整数槽电机整体性能更优，效率更高。

本发明的原理在理论上是可行的，在实际中通过样机试验，实际的齿槽转矩比同样大小铁芯的、转子极数相同的定子斜槽整数槽电机还小，性能完全可以达到设计要求和预期的效果。本发明的电机适用于所有需要无刷直流电机和永磁同步电机的领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是现有技术的21槽8极电机按60°相带划分槽电动势相量星型图。

图2是本发明的21槽8极电机按60°相带划分槽电动势相量星型图。

图3是本发明的21槽8极电机按60°相带划分单、双层绕组第一种方案槽电动势相量星型图。

图4是本发明的21槽8极电机按60°相带划分单、双层绕组第二种方案槽电动势相量星型图。

图5是本发明的21槽8极电机按60°相带划分单、双层绕组第三种方案槽电动势相量星型图。

图6是本发明的21槽8极电机按60°相带划分双层绕组第四种方案槽电动势相量星型图。

图7是本发明的21槽8极电机按图5所示的槽电动势60°相带划分的单、双层绕组中A相绕组线圈连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明电动车用大功率、奇数分数槽、单双层绕组无刷直流电机或永磁同步电机定子铁芯的槽数是采用3的倍数的奇数，如9槽、15槽、21槽、27槽、33槽、39槽、45槽、51槽、57槽……，转子磁钢的极数采用与定子槽数匹配后为每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的数量较少的4极、8极、10极等(不含9槽8极或10极、15槽10极和45槽10极，因9槽8极或10极q小于1/2，15槽10极的q＝1/2，45槽10极的t＝3)。定子槽数可根据电机的额定功率来确定，功率大，槽数选大值，功率小，槽数选小值。转子极数可根据电机的额定转速和定子轭磁路的计算宽度来综合考虑，转速高，极数选小值，转速低，极数选大值；定子轭宽，极数选小值，定子轭窄，极数选大值。这种奇数分数槽、每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的磁路结构，具有最小的齿槽转矩，最小的转矩波动和最低的噪音，因而它可以做成高性能的大功率电机。

在做绕组的设计方案时，以往所有教科书上所做的槽电动势相量图都是每槽一个相量，每个槽的相量大小相等，方向为该槽中心线所处的电角度方向。仍以21槽8极电机为列，传统设计方法所做的槽电动势相量图如图1所示，图1中因21槽8极是单元电机t＝1的电机，故得到21个槽电动势，将此21个槽电动势按60°相带划分，得到A相7个槽电动势，其中，正向槽电动势3个：A1、A6、A11，反向槽槽电动势4个：X3、X9、X14、X19。同理，B相也是正向电动势3个：B8、B13、B18，反向槽电动势4个：Y5、Y10、Y16、Y21；C相也是正向槽电动势3个：C4、C15、C20，反向槽电动势4个：Z2、Z7、Z12、Z17。由于每相正向槽电动势和反向槽电动势不相等，不论是单层绕组还是双层绕组，都无法连接成整数个线圈，故传统设计方法所做的槽电动势相量图对于奇数分数槽电机是无法进行绕组方案设计的。

本发明的技术方案对传统槽电动势相量图进行了改进，还是以21槽8极电机为列，按本发明的设计方法所做的槽电动势相量图如图2所示，图2中原有的21个槽电动势在此设计成42个槽电动势，每个槽为两个大小相等、方向相同的槽电动势，在按60°相带划分三相槽电动势时，各相可得到14个槽电动势，14是一个偶数，在分配正向槽电动势和反向槽电动势时，我们可以轻而易主的将正向槽电动势和反向槽电动势的数量分配相等，而且，分配的方法有多种，在本例21槽8极电机中，就有四种分配方法，这就意味着这款电机有四种绕组设计方案。

上述的21槽8极电机中，第一种绕组设计方案的槽电动势相量图相带划分如图3所示，以A相为列，A1——X19、A6——X9、A11——X14设计成3个单层绕组，A17下——X3上设计成1个双层绕组。以同样的方法，B相和C相也可以设计成3个单层绕组，1个双层绕组。第二种绕组设计方案的槽电动势相量图相带划分如图4所示，以A相为列，A1——X9、A6——X14设计成2个单层绕组，A17下——X19上、A12下——X3下、A11上——X4下设计成3个双层绕组。以同样的方法，B相和C相也可以设计成2个单层绕组，3个双层绕组。第三种绕组设计方案的槽电动势图相带划分如图5所示，以A相为列，A1——X9设计成1个单层绕组，A17下——X14上、A12下——X19上、A7下——X3上、A6上——X4下、A11上——X20下设计成5个双层绕组。以同样的方法，B相和C相也可以设计成1个单层绕组，5个双层绕组。第四种绕组设计方案的槽电动势相量图相带划分如图6所示，以A相为列，A1上——X19上、A6上——X3上、A11上——X14上、A2下——X4下、A7下——X9上、A12下——X15下、A17下——X15下设计成7个双层绕组。以同样的方法，B相和C相也可以设计成7个双层绕组。这四种方案的前三种绕组是单、双层绕组，最后一种方案是双层绕组，所不同的是每种方案的单、双层线圈数量的比例不同，在实际操作过程中，线圈连接的顺序可以不以上述标出的槽号为准，而以就近缩短线圈端部连线和以利于端部散热分散连线为原则，全部以双层绕组的连接方法，将21槽内的42个正、反槽电动势线圈边连接成21个双层线圈。用此种方法设计的槽电动势60°相带星型图，采用公式计算绕组系数较为复杂，但可利用CAD图以矢量合成相加的方法能很容易计算出各种绕组方案的绕组系数，此四种方案的绕组系数分别为：0.953、0.932、0.890、0.828。四种绕组方案的绕组系数各不相同，四种绕组方案对奇次谐波的削减能力也不相同，第一种绕组设计方案的绕组系数最大，对奇次谐波的削减能力较弱，第二种绕组设计方案的绕组系数次之，对奇次谐波的削减能力较强，第三种和第四种绕组设计方案的绕组系数稍小，对奇次谐波的削减能力最强，电动势基波也最为接近理想的正弦波。

上述的技术方案对所有的奇数分数槽、单元电机t＝1、每极每相槽数q大于1/2的分数槽电机都适用。

具体的实施方案是：如图7所示，是21槽8极样机按图5中的槽电动势相量绘制的A相绕组线圈图，图中的1、9槽内各放置了同相的2个线圈边，构成1个单层绕组线圈，其他10槽均放置了同相的1个线圈边，构成5个双层绕组线圈，将所有单双层线圈按头尾相接的方法连接起来，构成A相单双层绕组。按同样的方法，得到B相和C相单双层绕组。按此方案制作的奇数分数槽、单双层绕组电机样机与现行的整数槽电机样机的技术参数和测试结果对比如下表：

本发明的原理在理论上是可行的，实际的样机对比试验结果证明，奇数分数槽电机比现行普遍采用的定子斜槽整数槽电机性能优越，特别是齿槽转矩和噪音性能更具优势。

以上实施例，旨在对本发明作进一步详细的说明，但不局限于此。凡是以本发明公开的技术构思所做的等同技术特征的变换或修饰，均应属于本发明的权利保护范围。

Claims (1)

1.一种电动车用大功率奇数分数槽电机，为无刷直流电机或永磁同步电机，包括定子、转子；其特征在于：定子铁芯的槽数是3的倍数的奇数：9槽、15槽、21槽、27槽、33槽、39槽、45槽、51槽、57槽......，转子磁钢的极数采用与定子槽数匹配后为每极每相槽数q大于1/2、单元电机t＝1的4极、8极、10极......；其中，不含9槽8极或10极、15槽10极和45槽10极；定子绕组为单层绕组与双层绕组以一定比例搭配的单、双层绕组，具体的，所述定子绕组的单、双层绕组满足如下条件：在槽电动势相量星型图中，每个槽设计为两个大小相等、方向相同的槽电动势，奇数个槽中获得偶数个槽电动势，并分配到每相整数个线圈的正、反电动势的线圈的两个边，从而获得每相的正、反槽电动势相量相等；定子铁芯槽数为21槽、转子磁钢的极数为8极，定子绕组的单、双层绕组的槽电动势为42个，每个槽为两个大小相等、方向相同的槽电动势，按60°相带划分三相槽电动势，各相为14个槽电动势；

定子绕组的单、双层绕组是，A相：正向第一槽A1与反向第十九槽X19、正向第六槽A6与反向第九槽X9、正向第十一槽A11与反向第十四槽X14为3个单层绕组，正向第十七槽A17下与反向第三槽X3上为1个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是3个单层绕组，1个双层绕组；

或定子绕组的单、双层绕组是，A相：正向第一槽A1与反向第九槽X9、正向第六槽A6与反向第十四槽X14为2个单层绕组，正向第十七槽A17下与反向第十九槽X19上、正向第十二槽A12下与反向第三槽X3上、正向第十一槽A11上与反向第四槽X4下为3个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是2个单层绕组，3个双层绕组；

或定子绕组的单、双层绕组是，A相：正向第一槽A1与反向第九槽X9为1个单层绕组，正向第十七槽A17下与反向第十四槽X14上、正向第十二槽A12下与反向第十九槽X19上、正向第七槽A7下与反向第三槽X3上、正向第六槽A6上与反向第四槽X4下、正向第十一槽A11上与反向第二十槽X20下为5个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是1个单层绕组，5个双层绕组；

或定子绕组的双层绕组是，A相：正向第一槽A1上与反向第十九槽X19上、正向第六槽A6上与反向第三槽X3上、正向第十一槽A11上与反向第十四槽X14上、正向第二槽A2下与反向第四槽X4下、正向第七槽A7下与方向第九槽X9上、正向第十二槽A12下与反向第十五槽X15下、正向第十七槽A17下与反向第二十槽X20下为7个双层绕组；以此类推，B相和C相也分别是7个双层绕组。