CN113746229A - 一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法 - Google Patents
一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113746229A CN113746229A CN202110997130.7A CN202110997130A CN113746229A CN 113746229 A CN113746229 A CN 113746229A CN 202110997130 A CN202110997130 A CN 202110997130A CN 113746229 A CN113746229 A CN 113746229A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- winding
- permanent magnet
- magnet motor
- phase
- speed permanent
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
- H02K1/16—Stator cores with slots for windings
- H02K1/165—Shape, form or location of the slots
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K3/00—Details of windings
- H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
- H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K3/00—Details of windings
- H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
- H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
- H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Windings For Motors And Generators (AREA)
Abstract
本发明公开了一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法,该永磁电机是一种新型绕组拓扑结构:低空间谐波多层不等匝绕组,本发明公开的绕组拓扑结构的特点为电机的每相绕组在一个极距下占据整个电机槽内,每个定子铁心槽里的绕组为两层以上,而每层绕组的匝数均不相同,每个定子铁心槽里的总导体数相等。通过对定子铁心每个槽里每层绕组的匝数进行合适的调整选择,该绕组型式可以产生更加趋于正弦形状的气隙磁动势,降低高速永磁电机的空间谐波,从而降低高速永磁电机的涡流损耗、转矩波动等,提升高速永磁电机的输出性能。
Description
技术领域
本发明属于高速永磁电机领域,具体涉及一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法。
背景技术
高速永磁电机具有高功率密度、高效率、转速范围宽以及体积小等优点,广泛应用于微型燃气轮机、离心式空气压缩机、飞轮储能、新能源分布式发电等领域。
对于高速永磁电机来说,电机的旋转速度每分钟高达数万甚至数十万转,超高速运行使得电机的磁场交变频率非常高,谐波频率更高,高速永磁电机的铁芯损耗、转子涡流损耗远高于常规永磁电机,此外,高频谐波还会引起振动、噪声、和其他问题,影响电机输出性能和安全性能。电枢绕组作为电机的“心脏”,起着通过电流产生电磁转矩实现机电能量转换的作用。绕组的拓扑结构对高速永磁电机的电磁性能有决定性的影响,是衡量电机性能的关键因素。电机绕组设计的目的在于使绕组磁动势基波具有尽可能大的幅值,高次谐波含量越少越好,幅值越低越好。高速永磁电机绕组拓扑结构的设计主要包括绕组分布型式和导线线径的选择。定子绕组的类型则决定了绕组的绕组系数、基波分布系数和谐波含量,对电机磁性能有较大影响。
目前,高速永磁电机中采用的定子绕组主要有以下几种型式:正弦绕组结构、单层绕组结构、双层绕组结构和背绕式结构。但是正弦波绕组设计和制作难度较高;单层绕组空间磁动势波形较大,双层绕组的端部长度较长,绝缘材料用量多;背绕式绕组利用率低,电机功率密度不高,可见各个类型的绕组均存在各类问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法,以解决现有技术中已有的高速永磁电机的绕组存在各类问题。本发明的电机绕组具有利用率高,空间谐波低,端部长度短等特点的新型低空间谐波多层不等匝绕组拓扑结构。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组,所述绕组分为三相的绕组,每一相绕组在每一个铁心槽内均设置,每一个相的绕组在每一个铁心槽内设置的匝数不同。
本发明的进一步改进在于:
优选的,三相绕组在每一个定子铁心槽的排列方式依据槽矢量行星图放置。
优选的,所述定子铁心槽围绕定子的周向设置,沿着定子的径向,三相绕组在定子铁心槽内依次放置。
优选的,每个铁心槽内的导体总数相等。
一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法,包括以下步骤:
步骤1,确定永磁电极的定子铁心槽的槽数和转子极数,进而获得永磁电极的初始极距和每极中每相的初始槽数;
步骤2,根据初始极距和每极中每相的初始槽数对绕组进行分相划分;
步骤3,通过初始极距和每极中每相的初始槽数,以及设定的绕组层数i,通过下式获得最终的最终极距τi,以及每极每相最终槽数qi,
τi=i*τ (3)
qi=i*q; (4)
优选的,步骤1中,初始极距τ的计算公式为:
τ=Z/2p (1)
其中,Z为定子槽数,p为电机极对数。
优选的,步骤1中,每极每相槽数q的计算公式为:
q=Z/2pm (2)
其中,Z为定子槽数,p为电机极对数,m为电机相数。
优选的,所述i为3。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明公开了一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组,该永磁电机是一种新型绕组拓扑结构:低空间谐波多层不等匝绕组,本发明公开的绕组拓扑结构的特点为:电机定子的每一个铁心槽内绕组层数大于2层,每相绕组在一个极距范围内在每个定子槽内均分布有绕组,电机的每相绕组在一个极距下占据整个电机槽内,且每槽内的绕组匝数均不相同,每个定子铁心槽内的总导体数相等。通过对定子铁芯每个槽内每层绕组的匝数进行合适的调整选择,该绕组型式可以产生更加趋于正弦形状的气隙磁动势,降低高速永磁电机的空间谐波,从而降低高速永磁电机的涡流损耗、转矩波动等,提升高速永磁电机的输出性能。
本发明还公开了一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法,该设计方法根据绕组函数计算得到多层不等匝绕组计算公式,按照公式可以根据电机的具体性能指标要求对每槽导体数进行选择。根据设计需求,选择不同匝数比,获得不同输出性能,最重要的是可以减小气隙磁动势空间谐波,本发明的结构拓宽了现有高速永磁电机中绕组拓扑结构型式,绕组设计的自由度较为宽泛,可以根据不同设计目标选择不同的绕组配比,获得不同型式的绕组拓扑结构。
附图说明
图1为2极6槽多层不等匝绕组的电机整体结构图;
图2为2极6槽多层不等匝绕组的槽矢量星型图;
图3为2极6槽绕组拓扑结构图;
其中,(a)图为单层整距绕组图;(b)图为双层短距绕组图;(c)多层不等匝绕组图。
图4为2极6槽不同绕组拓扑结构的绕组函数图;
图5为2极6槽不同绕组拓扑结构谐波磁动势幅值和总谐波畸变率图;
图6为2极6槽不同次谐波绕组系数图。
图7为不同绕组结构定子磁动势图;
图8为不同绕组结构定子磁动势谐波;
图9不同绕组结构输出平均转矩;
1-定子;2-定子铁心槽;3-绕组;4-转子;5-护套;6-永磁体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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;术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;此外,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;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。
本发明在综合以上绕组结构特点的基础上公开了一种应用于高速永磁电机的新型低谐波多层不等匝电枢绕组拓扑结构,以及用于设计这种绕组结构的方法。与现有的几种绕组型式不同之处在于,此外,为了充分说明该绕组拓扑结构的特点,本发明还分别采用绕组函数方法以及有限元仿真(FEA)对所提出的多层绕组拓扑结构进行了分析。
参见图1,图1为本发明中2极6槽低谐波多层不等匝绕组拓扑结构。具体的整个永磁电机包括定子1、绕组3、转子4、护套5和永磁体6。
转子4设置在定子1中,转子4上设置有永磁体6,永磁体6外套装有护套 5,定子1沿其周向等分开设有定子铁心槽2,每一个定子铁芯槽2内设置有三层绕组3,每一层绕组3代表一相,每一个定子铁心槽2内的总导体数相等。每一相的绕组在每一个定子铁心槽2内均设置,但是每一相的绕组在每一额定子铁心槽2内的匝数均不相同。通过对定子铁心每个槽里每层绕组的匝数进行合适的选择,该绕组型式可以产生更加趋于正弦形状的气隙磁动势,降低高速永磁电机的空间谐波,从而降低高速永磁电机的涡流损耗、转矩波动等,提升高速永磁电机的输出性能。
本发明利用绕组函数法和有限元仿真(FEA)对该绕组进行设计和分析,具体的包括以下步骤:
步骤1,首先根据设计需求确定电机定子槽数和转子极数,参见图3为2极 6槽高速永磁电机绕组拓扑结构图,图中(a)和(b)分别为单层整距绕组结构和双层短距绕组结构。在得到电机定子槽数和转子极数后,根据绕组理论,可以求出初始极距τ和每极每相初始槽数q,具体的通过以下公式计算:
τ=Z/2p (1)
q=Z/2pm (2)
其中Z为定子槽数,p为电机极对数,m为电机相数;
步骤2,根据电机极槽配合计算出每极每相槽数q,设计出电机的槽矢量星形图,并对绕组进行分相划分。至此,常规绕组结构便可以确定;
步骤3,基于常规绕组理论基础之上,本发明提出了一种低谐波多层不等匝绕组拓扑结构以及设计方法:
τi=i*τ (3)
qi=i*q (4)
其中,τi为最终极距,qi为每极每相最终槽数,i为绕组层数;以图3为例对该绕组设计方法进行详细说明,绕组极距τ=3,q=1,设定绕组层数i为3,则表示定子中每一相在一个极下占据一个槽,一个极下包含三相绕组;对于多层绕组τi=i*τ=9,qi=i*q=3(i=3),则表示一个极下包含9个虚槽,即一个极下包含三相绕组,一相绕组在一个极距下占据三个槽,构成三个线圈,如图3中(c)所示。求出每极每相槽数后,可以绘制出本实施例的绕组拓扑结构的槽矢量星形图,进而绕组连接方法可以确定,如图2的槽矢量星形图所示。
步骤4,多层绕组拓扑结构中一相绕组在一个极距下占据的每个槽内导体数之和等于每槽导体总数,如图2中(c)所示:Nt=N1+N2+N3。
绕组结构划分之后,根据公式(1)~(3)可以求出不同绕组结构的绕组函数分布图,如图3所示。然后将其进行傅里叶分解,便求出不同次数下绕组磁动势计算公式,如公式(4)~(6)。公式中n(φ)为匝函数,N(φ)为绕组函数,F(φ)为磁动势,υ为空间谐波次数,α1为槽距电角度,WTHD为磁动势谐波畸变率,Fυ为谐波磁动势幅值,F1为基波磁动势幅值。
N(φ)=(n(φ)-<n(φ)>)i (2)
F(φ)=N(φ)i (3)
在求得各次谐波磁动势幅值之后,根据公式(7)可以计算出总谐波磁动势畸变率,对绕组结构进行判定。
图5和图6为2极6槽两种常规绕组结构的各次谐波磁动势幅值和总磁动势谐波畸变率以及各次谐波绕组系数。表1为2极6槽多层不等匝绕组结构不同绕组配比结构。从结合图5、图6和表1可以看出,该绕组结构的总磁动势谐波畸变率得到了大幅降低。
表1多层不等匝绕组拓扑结构不同绕组配比的磁动势和总谐波磁动势畸变率
为了进一步验证本发明的优势,设计了一种高速永磁电机,设计参数如表2 所示,采用双层集中绕组与之进行对比。
表2高速永磁电机主要设计参数
图7至图9分别为这两种绕组结构的定子磁动势曲线、定子磁动势谐波幅值和输出平均转矩。表3和表4则为采用这两种绕组结构的高速永磁电机输出参数对比。结合图7、图8、图9、表3和表4,可以看出,本发明保证其余参数不变,输出性能不变的前提下,定子电流、转矩波动和涡流损耗均有所降低,电机的输出性能得到了进一步的提高。
本发明不仅仅局限于高速永磁电机,在常规电机中均可以应用。
表3平均转矩和转矩波动比较
表4其他计算结果对比
本发明的优势还在于:常规绕组所占据的定子槽数根据每极每相槽数计算公式来确定,本发明则使得每相绕组在一个极距范围内占据定子的所有槽数;
常规绕组的绕组层数通常选择≤2,单层绕组不能削弱空间谐波,双层绕组可以根据极距不同削弱空间谐波,但是每槽导体数必须为偶数,这在某种程度上限制了电机的性能。本发明所采用的绕组层数为3层,不但可以改变每相绕组在每个定子槽中所占据的绕组匝数来削弱磁动势空间谐波,每槽导体数不局限于奇、偶数,选择的自由度也更加宽泛,可以进一步提升电机的输出能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组,其特征在于,所述绕组分为三相的绕组,每一相绕组在每一个铁心槽(2)内均设置,每一个相的绕组在每一个铁心槽(2)内设置的匝数不同。
2.根据权利要求1所述的一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组,其特征在于,三相绕组(3)在每一个定子铁心槽(2)的排列方式依据槽矢量行星图放置。
3.根据权利要求1所述的一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组,其特征在于,所述定子铁心槽(2)围绕定子(1)的周向设置,沿着定子(1)的径向,三相绕组(3)在定子铁心槽(2)内依次放置。
4.根据权利要求1所述的一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组,其特征在于,每个铁心槽(2)内的导体总数相等。
5.一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,确定永磁电极的定子铁心槽(2)的槽数和转子极数,进而获得永磁电极的初始极距和每极中每相的初始槽数;
步骤2,根据初始极距和每极中每相的初始槽数对绕组(3)进行分相划分;
步骤3,通过初始极距和每极中每相的初始槽数,以及设定的绕组层数i,通过下式获得最终的最终极距τi,以及每极每相最终槽数qi,
τi=i*τ (3)
qi=i*q (4)。
6.根据权利要求5所述的一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法,其特征在于,步骤1中,初始极距τ的计算公式为:
τ=Z/2p (1)
其中,Z为定子槽数,p为电机极对数。
7.根据权利要求5所述的一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法,其特征在于,步骤1中,每极每相槽数q的计算公式为:
q=Z/2pm (2)
其中,Z为定子槽数,p为电机极对数,m为电机相数。
8.根据权利要求1所述的一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法,其特征在于,所述i为3。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110997130.7A CN113746229A (zh) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | 一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110997130.7A CN113746229A (zh) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | 一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113746229A true CN113746229A (zh) | 2021-12-03 |
Family
ID=78733484
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110997130.7A Pending CN113746229A (zh) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | 一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113746229A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114337154A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 珠海格力电器股份有限公司 | 三相单层链式绕组嵌线方法、定子组件、三相电机 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102364824A (zh) * | 2011-10-12 | 2012-02-29 | 泰豪科技股份有限公司 | 一种三相不等匝分数槽集中绕组 |
CN112737229A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-30 | 河海大学 | 一种低谐波模块化绕组的设计方法 |
CN113572292A (zh) * | 2021-06-16 | 2021-10-29 | 华北电力大学扬中智能电气研究中心 | 一种交流电机定子低谐波绕组设计方法 |
-
2021
- 2021-08-27 CN CN202110997130.7A patent/CN113746229A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102364824A (zh) * | 2011-10-12 | 2012-02-29 | 泰豪科技股份有限公司 | 一种三相不等匝分数槽集中绕组 |
CN112737229A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-30 | 河海大学 | 一种低谐波模块化绕组的设计方法 |
CN113572292A (zh) * | 2021-06-16 | 2021-10-29 | 华北电力大学扬中智能电气研究中心 | 一种交流电机定子低谐波绕组设计方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
MD ASHFANOOR KABIR.ETC: "Design, Optimization, and Experimental Evaluation of Multilayer AC Winding for Induction Machine", IEEE TRANSACTION ON INDUSTRY APPLICATIONS, vol. 55, no. 4, pages 3630 - 3639, XP011733162, DOI: 10.1109/TIA.2019.2910775 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114337154A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 珠海格力电器股份有限公司 | 三相单层链式绕组嵌线方法、定子组件、三相电机 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rostami et al. | Genetic algorithm approach for improved design of a variable speed axial-flux permanent-magnet synchronous generator | |
WO2018068369A1 (zh) | 高绕组因数永磁无刷电机及其设计与容错控制方法 | |
Han et al. | Design and analysis of a brushless doubly-fed induction machine with dual-stator structure | |
TW201225485A (en) | Power generator and wind power generation system | |
JP2012522475A (ja) | 巻線型回転子ブラシレス二重給電モータ | |
CN109286258B (zh) | 一种交流无刷双馈电机绕线式转子绕组的制备方法 | |
Liu et al. | Design and performance analysis of dual-stator brushless doubly-fed machine with cage-barrier rotor | |
Zhao et al. | Comparisons of concentrated and distributed winding PMSM in MV power generation | |
Wang et al. | Design of multi-layer PCB coreless axial permanent magnet synchronous motor | |
Yeşilbağ et al. | Axial flux PM BLDC motor design methodology and comparison with a radial flux PM BLDC motor | |
Chen et al. | Design of a medium-voltage high-power brushless doubly fed motor with a low-voltage fractional convertor for the circulation pump adjustable speed drive | |
CN113746229A (zh) | 一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法 | |
Zhou et al. | Harmonic-oriented design and vibration characteristic suppression for interior permanent magnet motors | |
Pan et al. | Generalized design method of the three-phase Y-connected wound rotor for both additive modulation and differential modulation brushless doubly fed machines | |
Anitha et al. | Design and analysis of axial flux permanent magnet machine for wind power applications | |
Wen et al. | Optimization design of low speed axial flux halbach permanent-magnet generator with PCB winding | |
RU2700179C1 (ru) | Электрическая машина | |
Fengxiang et al. | Design features of low speed permanent magnet generator direct driven by wind turbine | |
Ejlali et al. | Review in transverse flux permanent magnet generator design | |
Zhou et al. | Analysis and experimental verification of a novel field modulated permanent magnet gear machine | |
Hernández-Rodríguez et al. | Designing a transverse flux PMSG with analytical methods for applications in wind turbines | |
CN115189489A (zh) | 一种集成绕组无轴承永磁电机的极槽确定方法及系统 | |
CN112199818B (zh) | 一种采用星-三角接法永磁电机的电枢磁动势计算方法 | |
Schreier et al. | Analysis of IM with combined six-phase configuration of stator phase windings with respect to higher spatial harmonics | |
Das et al. | Design and analysis of an axial flux doubly fed induction generator for wind turbine applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20220110 Address after: Beilin District Xianning West Road 710049, Shaanxi city of Xi'an province No. 28 Applicant after: XI'AN JIAOTONG University Applicant after: Delta electronic enterprise management (Shanghai) Co., Ltd Address before: 710049 No. 28 West Xianning Road, Shaanxi, Xi'an Applicant before: XI'AN JIAOTONG University |
|
TA01 | Transfer of patent application right |