CN110380548B - 集成式电气无级变速器的低谐波绕组排布方法 - Google Patents

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CN110380548B CN201910678472.5A CN201910678472A CN110380548B CN 110380548 B CN110380548 B CN 110380548B CN 201910678472 A CN201910678472 A CN 201910678472A CN 110380548 B CN110380548 B CN 110380548B
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Abstract

集成式电气无级变速器的低谐波绕组排布方法，属于永磁电机领域，本发明为解决集成式电气无级变速器第二定子绕组中存在分数次谐波，导致电机控制难度增大的问题。本发明所述集成式电气无级变速器具有两套定子绕组，其中第一定子绕组与永磁转子、调制环转子作用构成一台磁场调制型无刷双转子电机，第二定子绕组与永磁转子作用构成一台永磁同步电机，第二定子绕组采用分数槽集中绕组排布方式；且排布方法为：A相绕组在任一定子槽内的总导体数ni按ni＝INT(Nscos(p(2i‑1)π/Q)+0.5)获取；A相绕组由Q个不同匝数线圈串联而成，A相绕组的1～Q号线圈的匝数Ni按
Figure DDA0002144034230000011
获取。

Description

集成式电气无级变速器的低谐波绕组排布方法
技术领域
本发明属于永磁电机领域。
背景技术
中国专利CN106685183A、CN106685182A所述的基于磁场调制原理的集成式电气无级变速器具有两个机械转轴和两套绕组，具体参见图1和图5，通过对两套绕组进行控制可以实现两个轴之间的转速转矩解耦。该方案属于无刷电机结构方案，与有刷复合结构电机方案相比效率及可靠性更高。同时与分体式无刷复合结构电机方案相比，该方案具有明显的结构简单、体积小、集成度高等优势。因此，上述集成式电气无级变速器在电动汽车、风力发电、鱼雷推进等需要双转轴独立控制的场合具有广阔的应用前景。
这种基于磁场调制原理的集成式电气无级变速器的工作原理已经在原文中进行了详细阐述。通过对这种电机工作原理的分析可知，该电机定子上有两套绕组，分别为第一定子绕组2和第二定子绕组3。第一定子绕组2和永磁转子4、调制环转子5作用构成一台磁场调制型无刷双转子电机，用来控制两个转轴之间的转速差。第二定子绕组3和永磁转子4作用构成一台永磁同步电机，用来控制两个转轴之间的转矩差。因此，集成式电气无级变速器可以看成是一台磁场调制型无刷双转子电机和一台永磁同步电机复合而成。
在集成式电气无级变速器中，第一定子绕组2和第二定子绕组3共用同一定子槽，同时第一定子绕组2的极对数和第二定子绕组3的极对数不同。通常第一定子绕组2极对数较小，一般采用整数槽分布绕组排布方式，第二定子绕组3极对数较大，一般采用分数槽集中绕组排布方式。
研究表明，第二定子绕组3和永磁转子4构成的永磁同步电机与常规永磁同步电机相比存在一些新的问题。在常规永磁同步电机中，转子产生的各次谐波磁场和转子的基波磁场同步旋转，极对数是基波磁场极对数的整数倍。此时定子电枢绕组感应电动势中只含有整数次谐波，且各次谐波的相位关系固定不变。而在集成式电气无级变速器中，由于磁场调制原理，气隙中存在丰富的调制谐波磁场，这些调制谐波磁场往往不与永磁转子同步旋转，且极对数亦不是永磁转子基波磁场的整数倍。这会导致第二定子绕组的感应电动势中出现分数次谐波。在永磁转子转速较低时，这些分数次谐波的幅值甚至会超过感应电动势基波幅值，增大电机控制难度。因此，如何消除第二定子绕组中的分数次谐波是集成式电气无级变速器中亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明目的是为了解决集成式电气无级变速器第二定子绕组中存在分数次谐波，导致电机控制难度增大的问题，提供了一种集成式电气无级变速器的低谐波第二定子绕组排布方法。
本发明所述集成式电气无级变速器的低谐波绕组排布方法，所述集成式电气无级变速器具有两套定子绕组，其中第一定子绕组与永磁转子、调制环转子作用构成一台磁场调制型无刷双转子电机，第二定子绕组与永磁转子作用构成一台永磁同步电机，所述第二定子绕组通常采用分数槽集中绕组排布方式；
以低谐波为目标的第二定子绕组的排布方法为：
每相绕组在所有定子槽中进行不等匝排布，且其他相绕组在任一定子槽内的总导体数根据该相滞后A相的电角度及A相绕组的总导体数获取；
A相绕组在任一定子槽内的总导体数ni按下式获取：
Figure BDA0002144034210000021
式中：Ns为串联线圈匝数系数，Ns取正整数，Q为电机定子槽的数量；
p为电机第二定子绕组形成磁场极对数。
优选地，根据各相在任一定子槽内的总导体数，获取各相在任一定子槽内的线圈匝数：
A相绕组由Q个不同匝数线圈串联而成，A相绕组的1～Q号线圈的匝数Ni按下式获取：
Figure BDA0002144034210000022
nk为A相绕组在第k号槽内总导体数，k＝1,2,3,...,i；
Ni结果为正表示正绕线圈，Ni结果为负表示反绕线圈，Ni结果为0表示没有线圈。
优选地，A相绕组的i号线圈绕制在i号槽和i+1号槽中，当i＝Q时表示该号线圈绕制在Q号槽和1号槽中。
优选地，Ns＝10～40。
本发明的有益效果：本发明所提出的方案令第二定子绕组的每相绕组在所有定子槽内均有导体分布，且导体数各不相同，这有利于降低电枢磁动势谐波含量。可以证明，本发明提出的低谐波的第二定子绕组理论上仅能产生极对数为kQ±p的电枢谐波磁动势，大大降低了电枢磁动势谐波含量。同时每个定子槽内各相绕组导体数的总和大致相同，保证了各个槽的槽满率大致相等。
本发明提出的集成式电气无级变速器用低谐波绕组具有高度正弦的空载反电势，能够基本消除由气隙调制谐波磁场产生的分数次谐波电动势。同时本发明提出的低谐波绕组还具有电枢磁动势谐波含量低，谐波漏抗小，绕组端部短等优点。本发明不仅可用于集成式电气无级变速器中，还可用在对电机控制性能要求较高的伺服驱动等领域。
附图说明
图1是背景技术提及的CN106685183A单侧调磁型径向集成式电气无级变速器结构示意图。
图2是图1中的第二定子绕组采用传统分数槽集中绕组排布方式时的绕组排布图。
图3是图1中的第二定子绕组采用本发明提出的低谐波绕组排布方式时的绕组排布图。
图4是图2和图3所述两种不同绕组排布下的A相绕组空载反电势波形图。
图5是背景技术提及的CN106685182A中间调磁型径向集成式电气无级变速器结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
参见图1，单侧调磁型径向集成式电气无级变速器包括定子铁心1、第一定子绕组2、第二定子绕组3、永磁转子4、调制环转子5。
第一定子绕组2是一个m1相整数槽绕组，当第一定子绕组通有m1相交流电流时，会形成ps1极对数的旋转电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组3是一个m2相分数槽绕组，当第二定子绕组2通有m2相交流电流时，会形成ps2极对数的旋转电枢磁场，m2、ps2为正整数；
永磁转子极对数为pPM，pPM为正整数；
调制环转子极对数为pm，pm为正整数；
第一定子绕组2与永磁转子4、调制环转子5作用构成一台磁场调制型无刷双转子电机，第二定子绕组3与永磁转子4作用构成一台永磁同步电机；
满足ps1＝|pPM-pm|和ps2＝pPM。
定子铁心1上有24个定子槽，第一定子绕组2和第二定子绕组3共同放置在24个定子槽内。第一定子绕组2的极对数ps1为4，第二定子绕组3的极对数ps2为13，永磁转子极对数为13，调制环转子极对数为17。
图1的径向集成式电气无级变速器可看成由一台磁场调制型无刷双转子电机和一台永磁同步电机复合而成。其中第二定子绕组和永磁转子所构成的永磁同步电机与常规永磁同步电机相比存在一些新的问题。即由于气隙中存在大量调制谐波磁场，第二定子绕组中会感应出分数次谐波电动势。当永磁转子转速较低时，这些分数次谐波占比很大，严重影响了第二定子绕组空载反电势正弦度，增大了电机控制难度。本发明提出的低谐波绕组设计方法可用于集成式电气无级变速器的第二绕组设计，从而降低第二定子绕组空载反电势谐波畸变率，提高电机控制性能。
本发明对第二定子绕组的排布进行设计，在定子槽数为Q，永磁转子极对数为p的集成式电气无级变速器中，由于永磁转子极对数较多，第二定子绕组采用不等匝集中绕组排布方式。第二定子绕组的每相绕组均由若干个线圈串联而成。各线圈匝数不同，分别绕在Q个定子齿上。对于A相绕组，取某一定子齿的轴线位置为空间角度零点，且空间角度沿逆时针方向增加。从零点开始，逆时针方向上的第一个槽记为1号槽，依次可定义2号槽，3号槽…直至Q号槽。在1号槽和2号槽中(即第1个定子齿上)绕制1号线圈，在2号槽和3号槽中(即第2个定子齿上)绕制2号线圈，依此类推在Q号槽和1号槽(即第Q个定子齿上)绕制Q号线圈。若某号线圈匝数为0时，则对应定子齿上不绕制。
A相绕组在各个槽内的总导体数正比于该槽所处电角度的余弦值，即
Figure BDA0002144034210000041
式中n1、n2…nQ为A相绕组在各槽内的总导体数，值为正数时表示导体内电流正方向为流入，值为负数时表示导体内电流正方向为流出。Ns为串联线圈匝数系数，是A相绕组在各槽内总导体数与该槽所处电角度的余弦值的比值，该变量决定了A相绕组串联匝数。Ns取值越大，A相绕组串联匝数越多，电机设计时可根据实际需求对Ns进行取值，一般选择范围在10～40之间。
按式(1)计算得到的各槽内导体数不一定为整数，之后需要将槽内导体数按四舍五入规则进行取整，即
Figure BDA0002144034210000051
从1号槽开始绕制线圈，1号槽的全部导体和2号槽相应数量的导体构成1号线圈，2号槽的剩余导体和3号槽相应数量的导体构成2号线圈，以此类推，可绕出至多Q个线圈。构成A相绕组的各个线圈的匝数可以表示为
Figure BDA0002144034210000052
式(3)中Ni为A相绕组的第i号线圈的匝数，值为正数时表示是正绕线圈，值为负数时表示是反绕线圈。
其余m-1相绕组的各线圈匝数设置与A相绕组相同，仅在空间位置上依次滞后
Figure BDA0002144034210000053
电角度，根据滞后的电角度及A相绕组的排布结果，其它相绕组的线圈匝数排布结果可轻易获取。
可以证明，只有极对数为kQ±p的气隙磁场才能在本发明提出的集成式电气无级变速器用低谐波绕组中产生感应电动势，极大提高了第二定子绕组的正弦性。
实施例一：图1所示电机为单侧调磁型径向集成式电气无级变速器，按本发明方法对其第二定子绕组(分数槽绕组)进行排布。
第二定子绕组形成磁场相关参数为：m＝3，Q＝24，p＝13。
选取Ns＝20。
根据式(1)及式(2)可获取第1～Q号槽内的A相绕组的总导体数n1,n2,…,ni,…,nQ，计算结果如下表数据，导体数为正数时表示导体内电流正方向为流入，导体数为负数时表示导体内电流正方向为流出。
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
导体数计算值 -2.6 7.7 -12.2 15.9 -18.5 20 -20 18.5 -15.9 12 -7.7 2.6
导体数最终值 -3 8 -12 16 -18 20 -20 18 -16 12 -8 3
槽号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
导体数计算值 -2.6 7.7 -12.2 15.9 -18.5 20 -20 18.5 -15.9 12 -7.7 2.6
导体数最终值 3 -8 12 -16 18 -20 20 -18 16 -12 8 -3
根据式(3)，求得A相绕组各个线圈匝数如下表所示。线圈匝数为正数时表示是正绕线圈，线圈匝数为负数时表示是反绕线圈。
线圈号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
线圈匝数 -3 5 -7 9 -9 11 -9 9 -7 5 -3 0
线圈号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
线圈匝数 3 -5 7 -9 9 -11 9 -9 7 -5 3 0
1号线圈绕制在第1个定子齿上，即1号槽和2号槽内，反向绕制，匝数为3；
2号线圈绕制在第2个定子齿上，即2号槽和3号槽内，正向绕制，匝数为5；
则，2号槽内总导体数为3+5＝8。此处为了反推说明槽内总导体数和线圈匝数之间的关系，忽略符号，以下同。
3号线圈绕制在第3个定子齿上，即3号槽和4号槽内，反向绕制，匝数为7；则，3号槽内总导体数为5+7＝12。
4号线圈绕制在第4个定子齿上，即4号槽和5号槽内，正向绕制，匝数为9；则，4号槽内总导体数为7+9＝16。
5号线圈绕制在第5个定子齿上，即5号槽和6号槽内，反向绕制，匝数为9；则，5号槽内总导体数为9+9＝18。
6号线圈绕制在第6个定子齿上，即6号槽和7号槽内，正向绕制，匝数为11；则，6号槽内总导体数为9+11＝20。
7号线圈绕制在第7个定子齿上，即7号槽和8号槽内，反向绕制，匝数为9；则，7号槽内总导体数为11+9＝20。
8号线圈绕制在第8个定子齿上，即8号槽和9号槽内，正向绕制，匝数为9；则，8号槽内总导体数为9+9＝18。
9号线圈绕制在第9个定子齿上，即9号槽和10号槽内，反向绕制，匝数为7；则，9号槽内总导体数为9+7＝16。
10号线圈绕制在第10个定子齿上，即10号槽和11号槽内，正向绕制，匝数为5；则，7号槽内总导体数为7+5＝12。
11号线圈绕制在第11个定子齿上，即11号槽和12号槽内，反向绕制，匝数为3；则，11号槽内总导体数为5+3＝8。
12号线圈匝数为0，表示没有线圈绕制在12号槽和13号槽内(第12个定子齿上)。则，12号槽内总导体数为3+0＝3。
13号线圈绕制在第13个定子齿上，即13号槽和14号槽内，正向绕制，匝数为3；则，13号槽内总导体数为0+3＝3。
14号线圈绕制在第14个定子齿上，即14号槽和15号槽内，反向绕制，匝数为5；则，14号槽内总导体数为3+5＝8。
15号线圈绕制在第15个定子齿上，即15号槽和16号槽内，正向绕制，匝数为7；则，15号槽内总导体数为5+7＝12。
16号线圈绕制在第16个定子齿上，即16号槽和17号槽内，反向绕制，匝数为9；则，16号槽内总导体数为7+9＝16。
17号线圈绕制在第17个定子齿上，即17号槽和18号槽内，正向绕制，匝数为9；则，17号槽内总导体数为9+9＝18。
18号线圈绕制在第18个定子齿上，即18号槽和19号槽内，反向绕制，匝数为11；则，18号槽内总导体数为9+11＝20。
19号线圈绕制在第19个定子齿上，即19号槽和20号槽内，正向绕制，匝数为9；则，19号槽内总导体数为11+9＝20。
20号线圈绕制在第20个定子齿上，即20号槽和21号槽内，反向绕制，匝数为9；则，20号槽内总导体数为9+9＝18。
21号线圈绕制在第21个定子齿上，即21号槽和22号槽内，正向绕制，匝数为7；则，21号槽内总导体数为9+7＝16。
22号线圈绕制在第22个定子齿上，即22号槽和23号槽内，反向绕制，匝数为5；则，22号槽内总导体数为7+5＝12。
23号线圈绕制在第23个定子齿上，即23号槽和24号槽内，正向绕制，匝数为3；则，23号槽内总导体数为5+3＝8。
24号线圈匝数为0，表示没有线圈绕制在24号槽和1号槽内(第24个定子齿上)。则，24号槽内总导体数为3+0＝3。
B相绕组轴线滞后A相绕组轴线
Figure BDA0002144034210000071
电角度。因此B相绕组各个线圈匝数如下表所示。线圈匝数为正数时表示是正绕线圈，线圈匝数为负数时表示是反绕线圈。
线圈号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
线圈匝数 9 -11 9 -9 7 -5 3 0 -3 5 -7 9
线圈号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
线圈匝数 -9 11 -9 9 -7 5 -3 0 3 -5 7 -9
C相绕组轴线滞后A相绕组轴线
Figure BDA0002144034210000081
电角度。因此C相绕组各个线圈匝数如下表所示。线圈匝数为正数时表示是正绕线圈，线圈匝数为负数时表示是反绕线圈。
线圈号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
线圈匝数 -7 5 -3 0 3 -5 7 -9 9 -11 9 -9
线圈号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
线圈匝数 7 -5 3 0 -3 5 -7 9 -9 11 -9 9
第二定子绕组3采用本发明提出的低谐波绕组排布方式时的绕组排布图如图3所示。按上述绕组排布方案设计出的电机可进行仿真测试，若空载反电势大小不理想，可适当调整Ns的大小来调整每相串联匝数，以期得到更优异性能的电机。
按上述绕组排布方案设计出的电机能消除大部分谐波分量，只有极对数为24k±13的谐波磁场才会在绕组中感应出反电势，大幅度降低了第二定子绕组的空载反电势谐波含量，提高了电机性能。图4是图2和图3所述两种不同绕组排布下的A相绕组空载反电势波形图。从图4可以看出本发明提出的低谐波绕组空载反电势波形畸变率明显减小，基本消除了分数次谐波。
实施例二：图5所示电机为中间调磁型径向集成式电气无级变速器，按本发明方法对其第二定子绕组(分数槽绕组)进行排布。
中间调磁型径向集成式电气无级变速器包括定子铁心1、第一定子绕组2、第二定子绕组3、永磁转子4、调制环转子5。
第一定子绕组2是一个m1相整数槽绕组，当第一定子绕组通有m1相交流电流时，会形成ps1极对数的旋转电枢磁场，m1、ps1为正整数；第二定子绕组3是一个m2相分数槽绕组，当第二定子绕组2通有m2相交流电流时，会形成ps2极对数的旋转电枢磁场，m2、ps2为正整数；
永磁转子极对数为pPM，pPM为正整数；
调制环转子极对数为pm，pm为正整数；
第一定子绕组2与永磁转子4、调制环转子5作用构成一台磁场调制型无刷双转子电机，第二定子绕组3与永磁转子4作用构成一台永磁同步电机；
满足ps1＝|pPM-pm|和ps2＝pPM。
与图1所述的单侧调磁型径向集成式电气无级变速器不同之处在于：调制环转子和永磁转子的位置关系发生对调，调制环转子位于定子铁心和永磁转子之间。
本实施例中的第二定子绕组设计方法与实施例一相同。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.集成式电气无级变速器的低谐波绕组排布方法，所述集成式电气无级变速器具有两套定子绕组，其中第一定子绕组与永磁转子、调制环转子作用构成一台磁场调制型无刷双转子电机，第二定子绕组与永磁转子作用构成一台永磁同步电机，所述第二定子绕组采用分数槽集中绕组排布方式；
其特征在于，第二定子绕组的排布方法为：
每相绕组在所有定子槽中进行不等匝排布，且其他相绕组在任一定子槽内的总导体数根据该相滞后A相的电角度及A相绕组的总导体数获取；
A相绕组在任一定子槽内的总导体数ni按下式获取：
Figure FDA0002785668210000011
式中：Ns为串联线圈匝数系数，Ns取正整数，Q为电机定子槽的数量；
p为电机第二定子绕组形成磁场极对数；
根据各相在任一定子槽内的总导体数，获取各相在任一定子槽内的线圈匝数：
A相绕组由Q个不同匝数线圈串联而成，A相绕组的1～Q号线圈的匝数Ni按下式获取：
Figure FDA0002785668210000012
nk为A相绕组在第k号槽内总导体数，k＝1,2,3,...,i；
Ni结果为正表示正绕线圈，Ni结果为负表示反绕线圈，Ni结果为0表示没有线圈。
2.根据权利要求1所述集成式电气无级变速器的低谐波绕组排布方法，其特征在于，A相绕组的i号线圈绕制在i号槽和i+1号槽中，当i＝Q时表示该号线圈绕制在Q号槽和1号槽中。
3.根据权利要求1所述集成式电气无级变速器的低谐波绕组排布方法，其特征在于，Ns＝10～40。
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