CN111900815B - 一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组，每套并联绕组支路可以与转子构成M/L槽，B极单元电机，可以实现L套并联支路独立运行。每个并联支路在永磁伺服电机定子圆周均匀分布，削弱由不对称气隙磁场在电机并联支路内形成短路电流而引起的电机过热和转矩波动。假设永磁同步伺服电机的旋转频率为f赫兹，相比现有的分段式并联绕组，相同L路并联时，本方案由不对称气隙磁场在电机并联支路内形成的短路电压存在时间为(L‑1)/(M*f)秒，而现有的分段式并联支路由不对称气隙磁场形成的短路电压存在时间为(L‑1)/(L*f)秒，由于M是电机定子槽数大于电机的并联路数，所以本方案的短路电压存在时间是现有的分段式并联绕组的L/M倍，对电机的影响较小。

Description

一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组

技术领域

本发明涉及永磁伺服电机，尤其涉及定子绕组。

背景技术

永磁电机是电能和机械能互相转换的一种设备，它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于永磁转子形成旋转扭矩，将电能转换为机械能。也可以由外部动能带动永磁转子旋转，旋转磁场在线圈感应电压，通过供电回路对外提供电能。永磁电机主要由定子与永磁转子组成。

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的电机，是一种电机变速装置，伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。永磁伺服电机是永磁电机和伺服电机的结合，具有高功率密度、低机电时间常数、控制线性度高等特性，综合了两种类型电机的优点。

目前，永磁伺服电机通过调整定子绕线匝数、等效线径和并联路数等调整电机性能。在调整定子绕线匝数时经常出现分数匝数的情况，这种情况简易的解决方法为增加定子绕线并联路数，现有的并联方案为直接将定子绕线均分为L联绕组，而后按电势叠加并联原理连接L个线圈头和L个线圈尾，这种解决方案适用于对称转子磁极的情况，但依然会受到由于工艺问题导致的不对称气隙磁场影响，导致永磁伺服电机在低速运行状态下出现转矩波动，转矩丢失情况。而且面对不对称转子磁极时，这种低速不良的情况更为严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组绕线方案，它将定子绕组并联支路对称分布于定子圆周削弱不对称气隙磁场对永磁伺服电机的低速性能的影响。

该方案将永磁伺服电机圆周均分为L个依次错位一个槽的单元电机并联运行，由于单独单元电机具有独立运行能力，因此可以在至少一套绕组有效的情况下实现永磁伺服电机短时间满功率和长时间降功率运行。

该方案通过并联可以实现分数匝数，有利于永磁伺服电机的反电动势调节，尤其是大功率永磁伺服电机的反电动势调节。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组，包括：电机定子、电机绕组，电机转子和控制器；

所述的控制器控制电机的运行，所述的电机定子包含M个槽，所述的M个槽沿着电机定子的周向均匀分布；所述的电机绕组有L个3套为一组的线圈；

所述的线圈嵌在所述的电机定子的所述的M个槽中；在所述M中的三个槽标记为F1、F2、F3；所述的3套为一组的线圈依次从所述的F1、F2、F3嵌入所述的M个槽中，所述的3套为一组的线圈的每一套绕组占用M/(3*L)个槽，所述的3套为一组的线圈在槽中的电流形成沿所述的电机定子圆周的依次交错分布的所述的B个的相反的电流流向；

所述L个3套为一组的线圈，第一组线圈从所述的F1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中，第二组线圈从F1+1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中，以此规律，第L组线圈从F1+L-1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中；所述的电机转子有B个磁极，所述的B个磁极按N、S磁极极性依次在所述的电机转子圆周分布。

在一较佳实施例中：定义所述M个槽中相邻的直接最短连接的所述3套为一组的线圈中的一套线圈的两个线圈边的槽分别为所述的H、所述的Q；则L、Q、H、B和M的满足关系：3*L是M的约数，2是B的约数，90<180*B*(Q-H)/M<270。

在一较佳实施例中：所述F1、F2、F3、B和M的满足关系：所述的F3-F2＝F2-F1，180*B*(F2-F1)/M＝120*i+360*j，其中i为任意正整数，j为任意自然数。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案每套并联绕组支路可以与转子构成M/L槽，B极单元电机，可以实现L套并联支路独立运行，可以容忍最恶劣条件，如仅有一套绕组有效时，永磁伺服电机可以短时正常运行，长时间降功率运行。

本方案每个并联支路在永磁伺服电机定子圆周均匀分布，削弱由不对称气隙磁场在电机并联支路内形成短路电流而引起的电机过热和转矩波动。

假设永磁同步伺服电机的旋转频率为f赫兹，相比现有的分段式并联绕组，相同L路并联时，本方案由不对称气隙磁场在电机并联支路内形成的短路电压存在时间为(L-1)/(M*f)秒，而现有的分段式并联支路由不对称气隙磁场形成的短路电压存在时间为(L-1)/(L*f)秒，由于M是电机定子槽数大于电机的并联路数，所以本方案的短路电压存在时间是现有的分段式并联绕组的L/M倍，对电机的影响较小。

附图说明

图1为本发明的实例1：36槽，8极，2路并联的绕组绕线示意图；

图2为本发明的实例1：36槽，8极，2路并联的其中一路并联支路单元电机绕组感应电势矢量合成图；

图3为本发明的实例2：36槽，8极，3路并联的绕组绕线示意图；

图4本发明的实例2：36槽，8极，3路并联的其中一路并联支路单元电机绕组感应电势矢量合成图

图中标号说明：

101第一单元电机嵌线、102第二单元电机嵌线、103两个单元电机绕线端部短接、301第一单元电机嵌线、302第二单元电机嵌线、303第三单元电机嵌线、304三个单元电机绕线端部短接。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组，包括：电机定子、电机绕组，电机转子和控制器；

所述的控制器控制电机的运行，所述的电机定子包含M个槽，所述的M个槽沿着电机定子的周向均匀分布；所述的电机绕组有L个3套为一组的线圈；

所述的线圈嵌在所述的电机定子的所述的M个槽中；在所述M中的三个槽标记为F1、F2、F3；所述的3套为一组的线圈依次从所述的F1、F2、F3嵌入所述的M个槽中，所述的3套为一组的线圈的每一套绕组占用M/(3*L)个槽，所述的3套为一组的线圈在槽中的电流形成沿所述的电机定子圆周的依次交错分布的所述的B个的相反的电流流向；

所述L个3套为一组的线圈，第一组线圈从所述的F1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中，第二组线圈从F1+1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中，以此规律，第L组线圈从F1+L-1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中；所述的电机转子有B个磁极，所述的B个磁极按N、S磁极极性依次在所述的电机转子圆周分布。

在一较佳实施例中：定义所述M个槽中相邻的直接最短连接的所述3套为一组的线圈中的一套线圈的两个线圈边的槽分别为所述的H、所述的Q；则L、Q、H、B和M的满足关系：3*L是M的约数，2是B的约数，90<180*B*(Q-H)/M<270。

在一较佳实施例中：所述F1、F2、F3、B和M的满足关系：所述的F3-F2＝F2-F1，180*B*(F2-F1)/M＝120*i+360*j，其中i为任意正整数，j为任意自然数。

实施例1

请参阅图1，一种削弱不对称气隙磁场影响且具有容错能力的绕线方案，该实例1为36槽，8极磁极(4对极)，2路并联的绕组绕线示意图，该实例共有6套绕组(计算公式：6＝2*3)，第一单元电机嵌线101示意所述的3套为一组的线圈占用18槽(计算公式：18＝36/2)，每一套线圈占用6槽(计算公式：6＝36/(3*2))，所述的3套为一组的线圈在所述的36个槽中的电流形成沿所述的电机定子圆周的依次交错分布的所述的8个的相反的电流流向，所述的36个槽中相邻的直接最短连接的所述的3套为一组的线圈中的一套线圈的两个线圈边的槽分别为所述的1、所述的5，代入公式180*B*(Q-H)/M的计算结果为160(计算公式：160＝180*8*(5-1)/36)，所述的3套为一组的线圈依次从所述的1、7、13槽嵌入所述的36个槽中，7-1＝13-7＝6，180*8*(7-1)/36＝240，第二单元电机嵌线102示意类似第一单元电机的第二单元电机的嵌入方式，2套所述的3套为一组的线圈依次从所述的1、2槽嵌入所述的36个槽中，两个单元电机绕线端部短接103示意依次短接两个单元电机的线头和线尾。实例1的单元电机绕组感应电势矢量合成图，见附图2，示意任意单元电机的绕组感应电势矢量合成图，其中1,2,3分别为三相每相的合成感应电动势标识。本示例1由不对称气隙磁场在电机并联支路内形成的短路电压存在时间为1/(36*f)秒。

实施例2

请参阅图3，一种削弱不对称气隙磁场影响且具有容错能力的绕线方案，该实例2为36槽，8极磁极(4对极)，3路并联的绕组绕线示意图，该实例共有9套绕组(计算公式：9＝3*3)，第一单元电机嵌线301示意所述的3套为一组的线圈占用12槽(计算公式：12＝36/3)，每一套线圈占用4槽(计算公式：4＝36/(3*3))，所述的3套为一组的线圈在所述的36个槽中的电流形成沿所述的电机定子圆周的依次交错分布的所述的8个的相反的电流流向，所述的36个槽中相邻的直接最短连接的所述的3套为一组的线圈中的一套线圈的两个线圈边的槽分别为所述的1、所述的4，代入公式180*B*(Q-H)/M的计算结果为120(计算公式：160＝180*8*(4-1)/36)，所述的3套为一组的线圈依次从所述的1、4、7槽嵌入所述的36个槽中，4-1＝7-4＝3，180*8*(4-1)/36＝120，第二单元电机嵌线302示意类似第一单元电机的第二单元电机的嵌入方式，第三单元电机嵌线303示意类似第一单元电机的第三单元电机的嵌入方式，3套所述的3套为一组的线圈依次从所述的1、2、3槽嵌入所述的36个槽中，三个单元电机绕线端部短接304示意依次短接三个单元电机的线头和线尾。实例2的单元电机绕组感应电势矢量合成图，见附图4，示意任意单元电机的绕组感应电势矢量合成图，其中1,2,3分别为三相每相的合成感应电动势标识。本示例2由不对称气隙磁场在电机并联支路内形成的短路电压存在时间为1/(18*f)秒。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组，其特征在于包括：电机定子、电机绕组，电机转子和控制器；

所述的控制器控制电机的运行，所述的电机定子包含M个槽，所述的M个槽沿着电机定子的周向均匀分布；所述的电机绕组有L个3套为一组的线圈，所述三套为一组的线圈分别对应三相电机中的三相；

所述的线圈嵌在所述的电机定子的所述的M个槽中；在所述M中的三个槽标记为F1、F2、F3，并且F3-F2＝F2-F1；F3-F2＝F2-F1表示F3槽与F2槽之间的间隔槽数等于 F2槽与F1槽之间的间隔槽数；所述的3套为一组的线圈依次从所述的F1、F2、F3嵌入所述的M个槽中，所述的3套为一组的线圈的每一套绕组占用M/(3*L)个槽，所述的3套为一组的线圈在槽中的电流形成沿所述的电机定子圆周的依次交错分布的B个相反的电流流向；

所述L个3套为一组的线圈，第一组线圈从所述的F1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中，第二组线圈从F1+1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中，以此规律，第L组线圈从F1+L-1槽开始嵌入所述的电机定子的槽中；所述的电机转子有B个磁极，所述的B个磁极按N、S磁极极性依次在所述的电机转子圆周分布；

定义所述M个槽中相邻的直接最短连接的所述3套为一组的线圈中的一套线圈的两个线圈边的槽分别为第H槽、第Q槽；则L、Q、H、B和M的满足关系：3*L是M的约数，2是B的约数，90<180*B*(Q-H)/M<270。

2.根据权利要求1所述的一种削弱不对称气隙磁场影响和具有容错能力的定子绕组，其特征在于：所述F1、F2、B和M的满足关系：180*B*(F2-F1)/M＝120*i+360*j，其中i为任意正整数，j为任意自然数。

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