CN110417153A - 一种真分数槽电动机双层不等匝绕组设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真分数槽电动机双层不等匝绕组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：确认定子槽数Q，转子极数2p；计算绕组跨距τ；计算电角度a；为每相绕组分组；计算不同谐波系数下的绕组系数，谐波次数最大取为Max；计算得到谐波比漏磁导系数∑s。本发明的优点是：通用性强，可计算任意分数槽不等匝绕组的谐波含量；计算方便，不需借助有限元等其它计算软件；易于编制程序进行计算，节省设计时间；计算过程中没有经验公式，计算精度高。

Description

一种真分数槽电动机双层不等匝绕组设计方法

技术领域

本发明涉及一种真分数槽三相电动机的双层不等匝绕组的设计计算方法。

背景技术

整数槽电机是指定子每极每相槽数为整数的电机，而分数槽是指定子每极每相槽数为分数的电机，如果定子每极每相槽数是真分数，那么这种电机就是真分数槽电机。整数槽以其良好的磁密波形和各相的平衡性广泛应用于工业用通用系列三相异步电动机、永磁同步电动机设计中。近些年，以电动汽车为首的新能源汽车工业发展迅猛，作为电动汽车的核心动力装置的电动机成为整车性能的重要组成部分。电动汽车电机的设计理念与工业通用电机区别较大，汽车电机不仅要保障输出转矩特性、效率分布、温升等性能指标以外，对电机的体积、重量都有了严格的要求。由于整数槽绕组的端部长度大，在电机总体积一定的情况下，电机的有效长度势必会减小，容易造成电机性能下降和温升过高的情况。而分数槽绕组端部相对较短，特别是极槽数接近的真分数槽集中式绕组，每槽跨距最小可为1，这样就可以把绕组端部长度控制到很小的尺寸，非常适合汽车电机的设计。但分数槽绕组也存在磁势正弦度较低的问题，影响电机磁场的正弦度，从而降低了电机效率、增加了电机振动噪声，所以提高分数槽绕组的正弦度对提升电机整体性能具有重要意义。

国内外很多学者对于分数槽不等匝绕组有较深入的研究，G.Dajaku，D Gerling与2011年发表了相关论文，论证了10极12槽电机在转子永磁体中的涡流损耗问题。专利号CN201110308218.X“一种三相不等匝分数槽集中绕组”中给出了一种匝数比是1/2的不等匝集中式绕组，较为有效地降低了谐波含量，但没有给出任意匝数比的分数槽不等匝绕组的通用设计方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种计算方便、计算精度高、计算周期短的真分数槽三相电动机的双层不等匝整距绕组的设计计算方法。通过调节电机各线圈匝数，对电机的谐波含量进行计算，最终达到减小电机谐波含量的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种真分数槽电动机双层不等匝绕组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确认定子槽数Q，转子极数2p；

步骤2、计算绕组跨距τ；

步骤3、计算电角度a；

步骤4、计算每相绕组磁势电角度α_n，n∈[1,2,…,Q]；

步骤5、为每相绕组分组：将α₁～α_Q按从小到大的顺序分成6组，令每组中有c+1个绕组，并计算每组中相邻大小绕组磁势电角度的差值β_j，当c为奇数时当c为偶数时，每组中相邻绕组线圈匝数为m_i，i＝1,2,…,c；

步骤6、计算不同谐波系数下的绕组系数，谐波次数最大取为Max，任意谐波系数ν下的绕组系数为K_dpv，则：

当c为奇数时：

当c为偶数时：

步骤7、计算得到谐波比漏磁导系数∑s，

优选地，最大谐波次数Max取为997。

本发明的优点是：

1、通用性强，可计算任意分数槽不等匝绕组的谐波含量；

2、计算方便，不需借助有限元等其它计算软件；

3、易于编制程序进行计算，节省设计时间；

4、计算过程中没有经验公式，计算精度高。

附图说明

图1为18槽14极电机结构图；

图2为18槽14极电机绕组接线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

由于真分数槽的每极每相槽数为真分数，为了最大程度缩短端部长度，尽可能选用跨距为1的集中式绕组，为了提高绕组波形，尽可能选用双层绕组。

电机不等匝绕组能够改善电机气隙的磁密谐波含量，由于磁密为磁势与磁导之积，计算中不考虑磁导的变化，则可以通过计算磁势谐波来得到磁密的谐波含量。

电机气隙磁势谐波次数较多，需要考虑各次谐波含量的综合影响，电机设计中常用谐波比漏磁导系数来评价谐波的含量，如式(1)所示。

式(1)中：∑s为谐波比漏磁导系数，ν为谐波次数，K_dpν为ν次谐波的绕组系数。

本发明的计算方法依次包括下列步骤：

步骤1、选择一个每极每相槽数为真分数的永磁同步电动机，定子槽数Q(Q大于等于18，且Q为6的整数倍)，转子极数2p，每槽导体数为N；

步骤2、计算绕组跨距τ，为缩短绕组端部长度，其中floor()为向下取整；

步骤3、计算电角度a，

步骤4、计算每槽绕组磁势角度α_n，n∈[1,2,…,Q]，

步骤5、为每相绕组分组：将；α₁～α_Q按从小到大的顺序分成6组，分别即为标记为A+、C-、B+、A-、C+、B-，并计算每组中相邻绕组磁势电角度的差值β₁～β_c，每组中相邻绕组线圈匝数为m₁、m₂…m_c+1，其中，

步骤6、计算不同谐波系数下的绕组系数，谐波系数最大值Max取为997，且谐波系数不为2或3的倍数，任意谐波系数ν下的绕组系数为K_dpv，则：

当c为奇数时：

当c为偶数时：

步骤7、计算得到谐波比漏磁导系数∑s，

以一台H132-14电机为对象，在电机铁心等参数均不变的情况下，将其原有的等匝绕组重新设计成不等匝绕组，对比原绕组和不等匝绕组的仿真结果。电机的结构如图1所示，图中L1为定子槽、L2为定子冲片、L3为转子的永磁体、L4为转子冲片。

步骤1、选用一台H132-14永磁同步电动机，定子槽数为18，极数为14，每槽导体数为124，每线圈匝数为62。

步骤2、电机绕组跨距：

步骤3、计算电角度：

步骤4、计算每槽绕组磁势电角度：

槽号	α<sub>n</sub>	电角度/°
			1.	α<sub>1</sub>	0
2.	α<sub>2</sub>	140
			3.	α<sub>3</sub>	280
4.	α<sub>4</sub>	60
			5.	α<sub>5</sub>	200
6.	α<sub>6</sub>	340
			7.	α<sub>7</sub>	120
8.	α<sub>8</sub>	260
			9.	α<sub>9</sub>	40
10.	α<sub>10</sub>	180
			11.	α<sub>11</sub>	320
12.	α<sub>12</sub>	100
			13.	α<sub>13</sub>	240
14.	α<sub>14</sub>	20
			15.	α<sub>15</sub>	160
16.	α<sub>16</sub>	300
			17.	α<sub>17</sub>	80
18.	α<sub>18</sub>	220

步骤5、电动机的槽号如图2中的C1所示，根据每槽绕组磁势电角度，将没相绕组按槽号进行分成A+、C-、B+、A-、C+、B-六组，如图2中的C2所示，每组相对独立，每组对应的槽号为：

序号	分组	每组对应槽号
			1.	A+	1,14,9
2.	C-	4,17,12
			3.	B+	7,2,15
4.	A-	10,5,18
			5.	C+	13,8,3
6.	B-	16,11,6

本实施例中，每组中相邻绕组磁势电角度的差值相同，即1号槽、14号槽、9号槽的电角度差β₁和β₂均为20°，等匝时每组中相邻线圈匝数为62，考虑到电机绕组的对称性，应保证每组匝数之和相同，即每组匝数之和保证值为186。

本算例中采用了不等匝绕组设计，每个定子槽中的绕组匝数布置如下表所示：

步骤6、计算谐波绕组系数为K_dpν：

由于为偶数，通过式(2)计算电机的谐波绕组系数，结果如下所示。

步骤7、计算得到谐波比漏磁导系数∑s，

通过计算，当电机为等匝时，即上下层匝数均为62匝，算得到谐波比漏磁导系数∑s＝0.01119(计算过程类似，这里不再赘述)。由于谐波比漏磁导系数是衡量谐波含量的参数，此参数越小电机的谐波含量越少。为了验证不等匝和等匝的计算结果，通过有限元软件对两种绕组的设计方案进行了仿真计算，电机的主要谐波反电动势如下所示。

从计算结果可以看出，通过本发明的算法计算的电动机谐波含量与有限元分析结果相符。

本发明所提出的算法，通过电动机不同匝数的大量计算，一方面能够从中优选谐波槽比漏磁导系数最低的匝数组合，另一方面也能够针对某次谐波进行优化以降低相应频率的振动噪声，最终实现通过不等匝绕组设计来削弱电机谐波磁场，优化电机性能。

Claims (2)

1.一种真分数槽电动机双层不等匝绕组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确认定子槽数Q，转子极数2p；

步骤2、计算绕组跨距τ；

步骤3、计算电角度a；

步骤4、计算每相绕组磁势电角度α_n，n∈[1,2,…,Q]；

步骤5、为每相绕组分组：将α₁～α_Q按从小到大的顺序分成6组，令每组中有c+1个绕组，并计算每组中相邻大小绕组磁势电角度的差值β_j，当c为奇数时当c为偶数时，每组中相邻绕组线圈匝数为m_i，i＝1,2,…,c；

步骤6、计算不同谐波系数下的绕组系数，谐波次数最大取为Max，任意谐波系数ν下的绕组系数为K_dpν，则：

当c为奇数时：

当c为偶数时：

步骤7、计算得到谐波比漏磁导系数∑s，

2.如权利要求1所述的一种真分数槽电动机双层不等匝绕组设计方法，其特征在于，最大谐波次数Max取为997。