CN113113980B - 电机错槽分相组合定子绕组及绕组谐波错槽系数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机错槽分相组合定子绕组及绕组谐波错槽系数计算方法。根据电机极数、槽数和相数，绘制多个相互错开一定槽数的绕组分相图。根据各绕组分相图，绘制相应的绕组展开图并据此绕制各套绕组，嵌入定子槽后连接各套绕组形成电机错槽分相组合定子绕组。或者根据各绕组展开图，保持各槽内绕组分布规律不变，布置绕组端部连接槽内绕组，绘制总绕组展开图并据此绕制绕组，嵌入定子槽后形成电机错槽分相组合定子绕组。绕组ν次谐波错槽系数等于各绕组谐波电(磁)动势向量和的模与各谐波电(磁)动势模的和的比值。本发明提供的技术方案受电机槽数及极数的影响较小，可以通过调整绕组方案，精准地抑制某些次数的反电动势谐波及磁动势谐波。

Description

电机错槽分相组合定子绕组及绕组谐波错槽系数计算方法

技术领域

本发明涉及电机领域，涉及一种电机错槽分相组合定子绕组及其绕组谐波错槽系数的计算方法。

背景技术

交流电机设计时，往往需要电机反电动势波形呈正弦分布，实际电机中，由于磁极磁场并非完全按正弦规律分布，定子绕组内的感应反电动势也不完全是正弦波形，即除了正弦波形的基波外还包含一系列谐波。

定子绕组通入电流后，产生旋转磁动势，绕组合成磁动势中含有谐波磁动势，谐波磁动势的存在，在交流电机中引起附加损耗、振动和噪声等不良影响。

通过电机定子绕组绕线方式抑制电机谐波反电动势及定子谐波磁动势的主要方法有：(1)定子绕组采用分布绕组的方式；(2)定子绕组采用短距绕组的方式。

采用分布绕组和短距绕组的方式受电机槽数及极数的影响较大。当电机槽数和极数确定时，电机的绕组每极每相槽数即为确定值，各次谐波的分布系数也为确定值，而且短距绕组节距可选择的数值也较少，各次谐波的短距系数难以针对性地减小。此时，仍有部分次数的反电动势谐波及绕组磁动势谐波无法通过分布绕组及短距绕组的方式得到有效抑制。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种抑制电机反电动势谐波及绕组磁动势谐波的定子绕组方案，该方案受电机槽数及极数的影响较小，可以通过改变绕组匝数及分布方式，精准地抑制某些次数的反电动势谐波及磁动势谐波。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种电机错槽分相组合定子绕组，所述电机错槽分相组合定子绕组为按不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法组合绕制的电机定子绕组。所述电机错槽分相组合定子绕组，适用于m相电机，m为≥3的整数。

进一步讲，本发明所述的电机错槽分相组合定子绕组，其中：

所述的不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法是：根据电机定子槽数Z、极对数p绘制电机槽电势星形图，标注各槽电势向量所在定子槽号为1、2、……、Z；以上述绘制的槽电势星形图为基础，进行各绕组分相图的绘制，除分相起始槽号不同外，各绕组分相图以相同的分相规律进行分相，包括：第1个绕组分相图以1号槽为起始槽进行分相；第2个绕组分相图起始槽相对1号槽错开x₁个槽，x₁为＜Z的正整数，以1+x₁号槽为起始槽进行分相；以此类推，第k个绕组分相图起始槽相对1号槽上错开x_k-1个槽，k为≥2的正整数，x_k-1为＜Z的正整数，以1+x_k-1号槽为起始槽进行绕组分相。

根据上述的不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法得到的不少于2个所述的绕组分相图，分别绘制每个绕组分相图的绕组展开图，各绕组展开图除起始槽号不同外，有相同的绕组展开图结构；其中：第1个绕组展开图依据第1个绕组分相图绘制，以1号槽为起始槽；第2个绕组展开图依据第2个绕组分相图绘制，以1+x₁号槽为起始槽；第k个绕组展开图依据第k个绕组分相图绘制，以1+x_k-1号槽为起始槽；第1、2、……、k-1、k个绕组展开图每线圈匝数分别为N₁、N₂、……、N_k-1、N_k。

各绕组展开图每线圈匝数N₁、N₂、……、N_k-1、N_k可以取相同的值或取不同的值。

本发明中，可以形成下述两种形式的电机错槽分相组合定子绕组：

一种形式是：根据得到的所述的第1、2、……、k-1、k个绕组展开图分别绕制第1、2、……、k-1、k套绕组，将上述各套绕组分别按各绕组展开图起始槽号嵌入定子槽内，再进行各套绕组的连接，从而形成了一种形式的电机错槽分相组合定子绕组。

另外一种形式是：根据所述的多个绕组展开图所表达的各相绕组的分布规律，汇总计算各绕组展开图在每个槽内布置的每相槽内绕组数量，并据此布置每个槽内的每相绕组数量；布置绕组端部以连接各相槽内绕组，绘制出电机错槽分相组合定子绕组的总绕组展开图。根据所述的总绕组展开图绕制电机绕组，将电机绕组嵌入定子槽内，从而形成了另一种形式的电机错槽分相组合定子绕组。

本发明中，所述的绕组谐波错槽系数包括绕组谐波反电动势错槽系数和绕组谐波磁动势错槽系数；其中：

所述绕组谐波反电动势错槽系数计算方法如下：

步骤1-1)所述第1个绕组展开图以1号槽为起始槽，每线圈匝数N₁，ν次谐波反电动势向量

步骤1-2)所述第2个绕组展开图以1+x₁号槽为起始槽，每线圈匝数N₂，ν次谐波反电动势向量

与

模的比值

与

夹角为x₁νp2π/Z；

步骤1-3)所述第k个绕组展开图以1+x_k-1号槽为起始槽，每线圈匝数N_k，ν次谐波反电动势向量

与

模的比值

与

夹角为x_k-1νp2π/Z；

步骤1-4)绕组ν次谐波反电动势错槽系数等于各谐波反电动势向量和的模与各谐波反电动势模的和的比值，即

所述的绕组谐波磁动势错槽系数计算方法如下：

步骤2-1)所述第1个绕组展开图以1号槽为起始槽，每线圈匝数N₁，ν次谐波磁动势向量

步骤2-2)所述第2个绕组展开图以1+x₁号槽为起始槽，每线圈匝数N₂，ν次谐波磁动势向量

与

模的比值

与

夹角为x₁νp2π/Z；

步骤2-3)所述第k个绕组展开图以1+x_k-1号槽为起始槽，每线圈匝数N_k，ν次谐波磁动势向量

与

模的比值

与

夹角为x_k-1νp2π/Z；

步骤2-4)绕组ν次谐波磁动势错槽系数等于各谐波磁动势向量和的模与各谐波磁动势模的和的比值，即

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过采用电机错槽分相组合定子绕组，可以降低电机反电动势及绕组磁动势中的谐波含量，改善反电动势波形的正弦型，减小电机转矩脉动，降低转子损耗，减轻电机振动和噪音。

(2)采用电机错槽分相组合定子绕组，通过调整起始槽号不同的绕组分相图个数k，各绕组分相图错开槽数x_i，各绕组线圈匝数N_i，可以针对性的削弱某些次数谐波反电动势及谐波磁动势。相对于分布绕组及短距绕组的方案，各参数的选择受电机槽数、极数影响较小。

(3)当电机槽数、极数确定时，各套绕组分别采用分布绕组及短距绕组，结合电机错槽分相组合定子绕组的方式，可以削弱通过分布绕组及短距绕组难以削弱的某些次数的电机反电动势谐波及绕组磁动势谐波。

附图说明

图1是本发明中采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机的两个错1槽分相的绕组分相图；

图2是本发明中采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机2套绕组的A相绕组展开图；

图3是本发明中采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机的定子截面示意图。

图4是本发明中采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机重新布置绕组端部形成的总绕组三相展开图；

图5是本发明中采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机的各套绕组一相ν次谐波反电动势向量图；

图6是本发明中采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机的各套绕组一相ν次谐波磁动势向量图；

图7是本发明中采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机反电动势谐波抑制效果示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种电机错槽分相组合定子绕组的设计构思是：电机错槽分相组合定子绕组为按不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法组合绕制的电机定子绕组。所述电机错槽分相组合定子绕组，适用于m相电机，m为≥3的整数。

所述的不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法是：根据电机定子槽数Z、极对数p绘制电机槽电势星形图，标注各槽电势向量所在定子槽号为1、2、……、Z；以上述绘制的槽电势星形图为基础，进行各绕组分相图的绘制，除分相起始槽号不同外，各绕组分相图以相同的分相规律进行分相，包括：第1个绕组分相图以1号槽为起始槽进行分相；第2个绕组分相图起始槽相对1号槽错开x₁个槽，x₁为＜Z的正整数，以1+x₁号槽为起始槽进行分相；以此类推，第k个绕组分相图起始槽相对1号槽上错开x_k-1个槽，k为≥2的正整数，x_k-1为＜Z的正整数，以1+x_k-1号槽为起始槽进行绕组分相。

根据上述的不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法得到的不少于2个所述的绕组分相图，分别绘制每个绕组分相图的绕组展开图，各绕组展开图除起始槽号不同外，有相同的绕组展开图结构；其中：第1个绕组展开图依据第1个绕组分相图绘制，以1号槽为起始槽；第2个绕组展开图依据第2个绕组分相图绘制，以1+x₁号槽为起始槽；第k个绕组展开图依据第k个绕组分相图绘制，以1+x_k-1号槽为起始槽；第1、2、……、k-1、k个绕组展开图每线圈匝数分别为N₁、N₂、……、N_k-1、N_k。

各绕组展开图每线圈匝数N₁、N₂、……、N_k-1、N_k可以取相同的值或取不同的值。

本发明中，可以形成下述两种形式的电机错槽分相组合定子绕组：

一种形式是：根据得到的所述的第1、2、……、k-1、k个绕组展开图分别绕制第1、2、……、k-1、k套绕组，将上述各套绕组分别按各绕组展开图起始槽号嵌入定子槽内，再进行各套绕组的连接，从而形成了一种形式的电机错槽分相组合定子绕组。一般地，各套绕组的相同相串联连接，形成电机的相绕组，电机各相绕组之间采用星形连接。

另外一种形式是：根据所述的多个绕组展开图所表达的各相绕组的分布规律，汇总计算各绕组展开图在每个槽内布置的每相槽内绕组数量，并据此布置每个槽内的每相绕组数量；布置绕组端部以连接各相槽内绕组，绘制出电机错槽分相组合定子绕组的总绕组展开图。根据所述的总绕组展开图绕制电机绕组，将电机绕组嵌入定子槽内，从而形成了另一种形式的电机错槽分相组合定子绕组。

本发明中，所述的绕组谐波错槽系数包括绕组谐波反电动势错槽系数和绕组谐波磁动势错槽系数；其中：

所述绕组谐波反电动势错槽系数计算方法如下：

步骤1-1)所述第1个绕组展开图以1号槽为起始槽，每线圈匝数N₁，ν次谐波反电动势向量

步骤1-2)所述第2个绕组展开图以1+x₁号槽为起始槽，每线圈匝数N₂，ν次谐波反电动势向量

与

模的比值

与

夹角为x₁νp2π/Z；

步骤1-3)所述第k个绕组展开图以1+x_k-1号槽为起始槽，每线圈匝数N_k，ν次谐波反电动势向量

与

模的比值

与

夹角为x_k-1νp2π/Z；

步骤1-4)绕组ν次谐波反电动势错槽系数等于各谐波反电动势向量和的模与各谐波反电动势模的和的比值，即

所述的绕组谐波磁动势错槽系数计算方法如下：

步骤2-1)所述第1个绕组展开图以1号槽为起始槽，每线圈匝数N₁，ν次谐波磁动势向量

步骤2-2)所述第2个绕组展开图以1+x₁号槽为起始槽，每线圈匝数N₂，ν次谐波磁动势向量

与

模的比值

与

夹角为x₁νp2π/Z；

步骤2-3)所述第k个绕组展开图以1+x_k-1号槽为起始槽，每线圈匝数N_k，ν次谐波磁动势向量

与

模的比值

与

夹角为x_k-1νp2π/Z；

步骤2-4)绕组ν次谐波磁动势错槽系数等于各谐波磁动势向量和的模与各谐波磁动势模的和的比值，即

绕组ν次谐波反电动势错槽系数k_sνE与绕组ν次谐波磁动势错槽系数k_sνF具有相同的形式，各向量之间有相同的夹角及相同的模的比值，因此k_sνE＝k_sνF＝k_sν，为绕组ν次谐波错槽系数。

特别地，当所述各绕组展开图的每线圈匝数N₁＝N₂＝…＝N_k，错开槽数x_k-1＝(k-1)x₁时，绕组ν次谐波错槽系数为：

特别地，当所述绕组套数k＝2，第2套绕组相对第1套绕组错开x₁个槽，第一套绕组线圈匝数为N₁，第二套绕组线圈匝数为N₂时，绕组ν次谐波错槽系数为

调整绕组套数k，各套绕组线圈匝数N_i，各套绕组之间错开槽数x_i，可以推导出不同的绕组ν次谐波错槽系数公式，在此不一一给出。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本实施例中提出的一种电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机，定子槽数Z＝15，极对数p＝1。绘制槽电势星形图，标注各槽电势向量所在定子槽号，在此基础上，进行绕组分相，两个错1槽分相的绕组分相图如图1所示，第1个绕组分相图以定子1号槽为起始槽进行分相，分为A、B、C三相。第2个绕组分相图按相同的分相规律，以定子2号槽为起始槽进行分相，分为A、B、C三相。图中A与-A下的槽号同一时间处于不同的磁极下，如A下的槽处在N极下，则-A下的槽处在S极下，B与-B、C与-C遵循相同的规律。

根据图1所示绕组分相图绘制绕组展开图，所述电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机定子A相绕组展开图如图2所示。为使附图清晰，图中省去了定子的B相绕组、C相绕组，定子的B相绕组、C相绕组布置规律与A相绕组布置规律类似。定子共有2套绕组，每套绕组均采用双层叠绕组。图中槽内绕组上的箭头表示绕组绕制方向，两槽内绕组之间的数字1～15表示定子槽号，定子槽号数字两边的槽内绕组布置在该定子槽内。槽内绕组与绕组端部构成的闭合六边形为绕组线圈，定子两套绕组每绕组线圈匝数相等，均为N匝。定子A相第1套绕组起始槽为定子1号槽，定子A相第2套绕组起始槽为定子2号槽，两套绕组错1槽布置在定子槽内，两套绕组串联连接，即第1套绕组各相末端与第2套绕组相同相起始端连接。3相末端星形连接，即第2套绕组3相末端星形连接。

图3是图2所示两套绕组A相、B相和C相绕组均嵌入定子槽内后，所述电机错槽分相组合定子绕组3相2极15槽电机定子截面示意图。两套绕组嵌入定子槽内后，每套绕组在一个定子槽内占据2层，每个定子槽中一共有4层共4N匝绕组。图中带阴影线的矩形为第1套绕组截面，空白矩形为第2套绕组截面。

图4是重新布置绕组端部形成的所述采用电机错槽分相组合定子绕组3相1对极15槽电机总绕组三相展开图，三相末端采用星形连接。统计图2中A相两套绕组在各槽绕组数量，可得，1号槽内有2N个槽内绕组，2号槽内有4N个槽内绕组，3号槽内有3N个槽内绕组，4号槽内有N个槽内绕组，8号槽内有N个槽内绕组，9号槽内有3N个槽内绕组，10号槽内有4N个槽内绕组，11号槽内有2N个槽内绕组，重新布置绕组端部，采取线圈不等匝数同心式绕组结构，线圈匝数从内到外分别为N匝、3N匝、4N匝、2N匝，从而保证与图2中槽内绕组相同的分布规律。同理可进行B相、C相绕组的布置。重新布置绕组端部后，每槽内绕组数量仍为4N匝，绕组排列更加规整，利于生产加工。

图5是所述电机错槽分相组合定子绕组3相2极15槽电机的各绕组一相ν次谐波反电动势向量图，

是第1个绕组展开图一相ν次谐波反电动势向量，

是第2个绕组展开图同一相ν次谐波反电动势向量，二者幅值相等，夹角为ν×24°，

为二者的向量和；

图6是所述电机错槽分相组合定子绕组3相2极15槽电机的各绕组一相ν次谐波磁动势向量图，

是第1个绕组展开图一相ν次谐波磁动势向量，

是第2个绕组展开图同一相ν次谐波磁动势向量，二者幅值相等，夹角为ν×24°，

为二者的向量和；

图5和图6具有相似的向量图，可以得出k_sν＝k_sνE＝k_sνF。

将相关参数代入前述推导的绕组ν次谐波错槽系数计算公式(1)、(2)、(3)、(4)，均可得出绕组基波、5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波错槽系数分别为：

k_s1＝0.9781，k_s5＝0.5，k_s7＝0.1045，k_s11＝0.6691，k_s13＝0.9135

图7为3相1对极15槽电机采用图2所示绕组展开图布置的电机错槽分相组合定子绕组反电动势谐波抑制效果示意图。作为对照，给出了同尺寸结构电机采用常规绕组各次谐波分布情况。可以看出，采用电机错槽分相组合定子绕组后，反电动势基波略有下降，5次谐波下降一半，7次、11次、13次谐波均有所下降，与采用常规绕组方案相比，谐波幅值下降比例与绕组各次谐波错槽系数相吻合。

总之，本发明提出的电机错槽分相组合定子绕组及绕组谐波错槽系数计算方法，根据电机极对数、定子槽数和相数，按照相同的分相规律，绘制多个相互错开一定槽数的绕组分相图。根据各绕组分相图，分别绘制相应的绕组展开图。根据绕组展开图分别绕制各套绕组，嵌入定子槽按一定的规律连接各套绕组形成电机错槽分相组合定子绕组。或者根据各绕组展开图，保持各槽内绕组导体分布规律不变，重新布置绕组端部连接槽内导体，绘制总绕组展开图，再根据总绕组展开图绕制绕组，嵌入定子后连接各相绕组形成电机错槽分相组合定子绕组。绕组ν次谐波错槽系数等于各绕组谐波电(磁)动势向量和的模与各谐波电(磁)动势模的和的比值。本发明提供的技术方案受电机槽数及极数的影响较小，可以通过绕组分相图数、错开槽数、各绕组线圈匝数匝数，精准地抑制某些次数的反电动势谐波及磁动势谐波。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种电机错槽分相组合定子绕组，其特征在于，所述电机错槽分相组合定子绕组为按不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法组合绕制的电机定子绕组；

适用于m相电机，m为≥3的整数；

不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法是：

根据电机定子槽数Z、极对数p绘制电机槽电势星形图，标注各槽电势向量所在定子槽号为1、2、……、Z；以绘制的槽电势星形图为基础，进行各绕组分相图的绘制，除分相起始槽号不同外，各绕组分相图以相同的分相规律进行分相，包括：

第1个绕组分相图以1号槽为起始槽进行分相；

第2个绕组分相图起始槽相对1号槽错开x₁个槽，x₁为＜Z的正整数，以1+x₁号槽为起始槽进行分相；

以此类推，第k个绕组分相图起始槽相对1号槽上错开x_k-1个槽，k为≥2的正整数，x_k-1为＜Z的正整数，以1+x_k-1号槽为起始槽进行绕组分相；

根据不少于2个起始槽号不同的绕组分相方法得到不少于2个所述的绕组分相图，分别绘制每个绕组分相图的绕组展开图，各绕组展开图除起始槽号不同外，有相同的绕组展开图结构；

第1个绕组展开图依据第1个绕组分相图绘制，以1号槽为起始槽；第2个绕组展开图依据第2个绕组分相图绘制，以1+x₁号槽为起始槽；第k个绕组展开图依据第k个绕组分相图绘制，以1+x_k-1号槽为起始槽；第1、2、……、k-1、k个绕组展开图每线圈匝数分别为N₁、N₂、……、N_k-1、N_k；

各绕组展开图每线圈匝数N₁、N₂、……、N_k-1、N_k取相同的值或不同的值。

2.根据权利要求1所述的电机错槽分相组合定子绕组，其特征在于，根据所述的第1、2、……、k-1、k个绕组展开图分别绕制第1、2、……、k-1、k套绕组，将各套绕组分别按各绕组展开图起始槽号嵌入定子槽内，再进行各绕组的连接，从而形成电机错槽分相组合定子绕组。

3.根据权利要求1所述的电机错槽分相组合定子绕组，其特征在于，根据多个绕组展开图表达的各相绕组的分布规律，汇总计算各绕组展开图在每个槽内布置的每相槽内绕组数量，并据此布置每个槽内的每相绕组数量；布置绕组端部以连接各相槽内绕组，绘制出电机错槽分相组合定子绕组的总绕组展开图。

4.根据权利要求3所述的电机错槽分相组合定子绕组，其特征在于，根据所述的总绕组展开图绕制电机绕组，将电机绕组嵌入定子槽内，从而形成电机错槽分相组合定子绕组。

5.根据权利要求1所述的电机错槽分相组合定子绕组的绕组谐波错槽系数的计算，其特征在于，所述的绕组谐波错槽系数包括绕组谐波反电动势错槽系数和绕组谐波磁动势错槽系数；

所述绕组谐波反电动势错槽系数的计算方法如下：

步骤1-1)所述第1个绕组展开图以1号槽为起始槽，每线圈匝数N₁，ν次谐波反电动势向量

步骤1-2)所述第2个绕组展开图以1+x₁号槽为起始槽，每线圈匝数N₂，ν次谐波反电动势向量

与

模的比值

与

夹角为x₁νp2π/Z；

步骤1-3)所述第k个绕组展开图以1+x_k-1号槽为起始槽，每线圈匝数N_k，ν次谐波反电动势向量

与

模的比值

与

夹角为x_k-1νp2π/Z；

步骤1-4)绕组ν次谐波反电动势错槽系数等于各谐波反电动势向量和的模与各谐波反电动势模的和的比值，即

所述的绕组谐波磁动势错槽系数的计算方法如下：

步骤2-1)所述第1个绕组展开图以1号槽为起始槽，每线圈匝数N₁，ν次谐波磁动势向量

步骤2-2)所述第2个绕组展开图以1+x₁号槽为起始槽，每线圈匝数N₂，ν次谐波磁动势向量

与

模的比值

与

夹角为x₁νp2π/Z；

步骤2-3)所述第k个绕组展开图以1+x_k-1号槽为起始槽，每线圈匝数N_k，ν次谐波磁动势向量

与

模的比值

与

夹角为x_k-1νp2π/Z；

步骤2-4)绕组ν次谐波磁动势错槽系数等于各谐波磁动势向量和的模与各谐波磁动势模的和的比值，即

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