CN109599974B - 一种跨距为2的三相单层绕组电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨距为2的三相单层绕组电机，包括定子、转子、励磁装置和电枢绕组，所述电枢绕组为三相对称交流绕组，绕组形式为跨距为2的单层绕组，每个定子槽内只有一个线圈的线圈边，线圈端部重叠部分不连续；所述定子的槽数Ns是12的倍数。本发明可以有效的提高极槽比接近于1:2的电机的短距系数和绕组系数，提高了每相空载感应电动势的基波幅值和转矩密度，还降低了绕组嵌线和绝缘工艺的难度，体现出该跨距为2的三相单层绕组电机的优越性。

Description

一种跨距为2的三相单层绕组电机
技术领域
本发明属于电机绕组设计领域，尤其是涉及一种跨距为2的三相单层绕组电机。
背景技术
一般来说，电枢绕组位于电机的定子上，转子转动时，旋转的磁场会在电枢绕组中产生感应电动势，与电枢绕组中的电流相互作用产生转矩。比较常用的电枢绕组结构有单层绕组、双层绕组、集中绕组、分布绕组、重叠和非重叠绕组以及它们的组合结构，在电枢绕组的设计选择中应当选择合适的绕组结构。
绕组结构的选择一方面会影响到不同线圈之间的绝缘能力，一方面会影响到嵌线时的难易程度。同时，由于极槽数配合会影响到绕组分相后的绕组系数的大小，包括短距系数和分布系数，进而影响到每相的空载感应电动势的基波幅值和转矩密度，因此在绕组结构选择时应当注意与极槽数的配合。
双层集中绕组是一种使用较为普遍的绕组结构，具有一些特征，比如，线圈数与槽数相等，所有线圈具有同样的结构和尺寸，跨距为1，端部长度比较短，且端部排列整齐。但是，双层集中绕组存在自身固有的一些缺陷。包括：
1)绕组为双层绕组，每个槽内有两个不同相的线圈边，增加了相间绝缘的难度，同时还增加了不同线圈之间的互感，降低了线圈绕组的容错性。
2)每个线圈的跨距固定为1，在一些特殊的极槽数比的情况下，比如在极槽数比接近于1:2时，如果采用双层集中绕组，短距系数接近于0.5，使得分布系数也变低，这会极大地降低绕组的感应电动势基波幅值以及电机的转矩密度，降低了电机的性能。
当每极每相槽数为整数时，绕组称为整数槽绕组，整数槽的跨距至少为3，端部的长度较大，不同相的线圈在端部重合。一方面会增加铜导线的用量，增加绕组的铜耗。另一方面，不同相的端部重叠会增加互感。
考虑到上述问题，本发明提出了一种跨距为2的三相单层绕组结构，在极槽数比接近于1:2的情况下能够得到较大的分布系数，同时具有端部长度较小，相间绝缘能力强的优点。
发明内容
本发明提供了一种跨距为2的三相单层绕组电机，可以有效的提高极槽比接近于1:2的电机的绕组系数，进而提高电机每相的空载反电动势基波幅值和转矩密度。
本发明的技术方案如下：
一种跨距为2的三相单层绕组电机，包括定子、转子、励磁装置和电枢绕组，所述电枢绕组为三相对称交流绕组，绕组形式为跨距为2的单层绕组，每个定子槽内只有一个线圈的线圈边，线圈端部重叠部分不连续；定子槽数Ns是12的倍数，定子槽数Ns与电机的极对数p满足：
Figure BDA0001918225280000021
其中，q为正整数，代表线圈向量图中的一相包含奇数线圈的射线数量，按照逆时针方向对线圈依次命名为线圈1,2,3…Ns/2，奇数线圈指的是线圈命名为1,3,5…(Ns/2-1)的线圈；gcd(p,Ns/4)表示p与Ns/4的最大公约数。
本电机的三相绕组设计方法具体包括以下步骤：
1)根据电机的槽数Ns和极对数p判断电机绕组能否使用每相相位差为120°的三相对称交流绕组。根据式(1)计算出射线数q值，如果q是正整数，可以使用三相对称交流绕组，如果q不是正整数，则不能使用三相对称交流绕组。
2)计算电机绕组的绕组系数，选择合适的极数和槽数，获得较大的绕组系数。
槽距α(电角度)可以用槽数Ns和极对数p表示：
Figure BDA0001918225280000031
本电机的短距系数kp可以表示为：
kp＝sinα (3)
本电机的分布系数kd的计算分为两种情况：
Figure BDA0001918225280000032
当q为奇数时，
Figure BDA0001918225280000033
Figure BDA0001918225280000034
当q为偶数时，
Figure BDA0001918225280000035
θ＝min[mod(pα,β),β-mod(pα,β)] (8)
其中，kd1为奇数线圈的分布系数，θ为奇数线圈和偶数线圈(定义与奇数线圈类似)的最小夹角，β为奇数线圈反电动势向量图中相邻射线之间的夹角，由下式计算：
Figure BDA0001918225280000041
本电机的绕组系数kpd可以表示为：
kpd＝kp·kd (10)
3)定子槽在定子圆周上均匀排列，绕组为单层绕组，共用Ns/2个线圈，每个线圈跨过2个槽距，线圈1,2,3,4…Ns/2对应的电角度分别为0,1,4,5,8,9…(Ns-3)个槽距(电角度)，根据电角度画出每个线圈反电动势向量的星型图。
4)为了三相绕组对称，按照60°相带法对星型图进行相带划分。假设三相电分为A、B、C三相，对划分的相带按照逆时针排序为1,2,3,4,5,6，则相带1中包含的线圈为A+，相带4中包含的线圈为A-(负号代表线圈绕制方向与A+相反)，相带2中包含的线圈为B-，相带5中包含的线圈为B+，相带3中包含的线圈为C+，相带6中包含的线圈为C-。
本发明的电机，选用跨距为2的三相单层绕组，配合经过优选的极数和槽数，可以使电机较大的短距系数和绕组系数。
作为优选，电机的定子槽数Ns和电机极对数p满足以下条件：
Figure BDA0001918225280000042
此时，电枢绕组的短距系数大于0.866。
进一步地，电机在定子槽数Ns与电机极对数p满足以下条件时，电机绕组的短距系数在槽数Ns为一定值时达到最大。
Figure BDA0001918225280000043
本发明中，电枢绕组的线圈数量是定子槽数Ns的一半；相邻线圈分别属于三相对称交流绕组的不同相。
所述的励磁装置为永磁体、电励磁线圈或者结合永磁体与电励磁线圈的混合励磁，励磁装置设置在电机的转子上。
所述定子的定子槽和定子齿分别沿着定子圆周均匀分布。
所述的电机定子可以设在转子外部或者内部，定子和转子之间设有气隙，能够保证转子自由旋转。
该电机的机械结构可以为旋转、直线或者两者组合结构。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明电机的电枢绕组采用单层绕组，电机的每个槽内只有一个线圈的圈边，能够有效地提高不同绕组之间的绝缘能力，并且降低嵌线难度。
2、本发明选用跨距为2的三相单层绕组，配合经过优选的极数和槽数，使得电机具有较大的短距系数及绕组系数，能够有效地提高每相反电动势的基波幅值和转矩密度。
附图说明
图1为本发明实施例一台10极24槽的跨距为2的三相单层绕组永磁同步电机的横向剖视结构示意图；
图2为本发明实施例一台10极24槽的跨距为2的三相单层绕组永磁同步电机的各个线圈反电动势向量星型图及60°相带分相；
图3为本发明实施例一台10极24槽的跨距为2的三相单层绕组永磁同步电机的线圈绕组分布；
图4为一台10极24槽采用双层集中绕组的永磁同步电机的线圈绕组分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。本实施例以10极24槽的跨距为2的三相单层绕组永磁同步电机为例，但本发明也适用于其他极槽数以及其他种类电机的情况。
如图1所示，一种跨距为2的三相单层绕组电机，包括定子101、转子105和转轴106，定子101和转子105之间存在气隙；定子的圆周上均匀设置有定子齿102，定子齿102之间为定子槽，定子槽内设有电枢绕组103；转子105上设有永磁体104，永磁体104为表贴式永磁体，充磁方向为径向充磁，相邻的永磁体的充磁方向相反。
本实施例中电机的极对数为5，定子槽数为24，电枢绕组103为单层绕组，每个定子槽内只有一个线圈的线圈边，每个线圈跨距为2个槽距，线圈端部重叠部分不连续，电枢绕组的总线圈数量是定子槽数的一半。
根据电机的极对数p和定子槽数Ns，根据公式(1)可以算出射线数q的值为2，为正整数，可以构成三相对称交流绕组。
Figure BDA0001918225280000061
根据公式(2)和(3)，可以计算得到该10极24槽电机的短距系数kp为0.97。
Figure BDA0001918225280000062
kp＝sinα (3)
根据公式(4)～(7)，可以计算得到该10极24槽电机的分布系数kd为0.99。
Figure BDA0001918225280000063
Figure BDA0001918225280000071
θ＝min[mod(pα,β),β-mod(pα,β)] (6)
Figure BDA0001918225280000072
根据公式(8)，可以计算得到该10极24槽电机的绕组系数kpd为0.96。
kpd＝kp·kd (8)
确定每个绕组线圈对应的电角度后，根据60°分相法得到最后的三相绕组分布，如图2所示，为10极24槽永磁同步电机的各个线圈反电动势向量的星型图以及60°相带划分，其中，A+为线圈1,4；A-为线圈7,10；B+为线圈5,8；B-为线圈2,11；C+为线圈9,12；C-为线圈3,6。进一步，可以得到线圈的绕组分布图，如图3所示。
为体现本发明的绕组设计方法的优点，与传统的双层集中绕组相对比。按照传统的双层集中绕组的连接方式，如图4所示，经过计算，该绕组的短距系数计算为0.54，分布系数计算为0.96，绕组系数为0.52。与之相比，本发明绕组的短距系数有了极大的提高，分布系数也有一定的增加，使得绕组系数有很大的提高。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种跨距为2的三相单层绕组电机，包括定子、转子、励磁装置和电枢绕组，其特征在于，所述电枢绕组为三相对称交流绕组，绕组形式为跨距为2的单层绕组，每个定子槽内只有一个线圈的线圈边，线圈端部重叠部分不连续，相邻线圈分别属于三相对称交流绕组的不同相；定子槽数Ns是12的倍数，定子槽数Ns与电机的极对数p满足：
Figure FDA0002378252210000011
其中，q为正整数，gcd(p,Ns/4)表示p与Ns/4的最大公约数。
2.根据权利要求1所述的跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，所述电枢绕组的线圈数量是定子槽数Ns的一半。
3.根据权利要求1所述的跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，定子槽数Ns和电机的极对数p满足以下关系：
Figure FDA0002378252210000012
4.根据权利要求1所述的跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，定子槽数Ns和电机的极对数p满足以下关系：
Figure FDA0002378252210000013
5.根据权利要求1所述的跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，所述的励磁装置为永磁体、电励磁线圈或者结合永磁体与电励磁线圈的混合励磁。
6.根据权利要求1所述的跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，所述励磁装置设置在转子上。
7.根据权利要求1所述的跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，该电机的机械结构为旋转、直线或者两者组合结构。
8.根据权利要求1所述的一种跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，所述定子的定子槽和定子齿分别沿着定子圆周均匀分布。
9.根据权利要求1所述的一种跨距为2的三相单层绕组电机，其特征在于，定子位于转子外部或者内部。
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