CN113839497B - 一种低谐波双三相分数槽永磁同步电机设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低谐波双三相分数槽永磁同步电机设计方法，包括：分数槽集中绕组定子磁动势谐波分析；确定电机单套绕组的初始槽极配合结构为Z＝2p±1结构；提出定子绕组磁动势谐波消除方案；计算提出采用新型空间相移不等匝绕组结构，以同时减小电机定子磁势高低次谐波降低永磁体涡流损耗；本发明同时提供采用上述设计方法设计的新型结构电机。本发明分析了分数槽绕组定子磁动势谐波分布及其对电机永磁体涡流损耗，转矩及波动的影响，对双三相分数槽永磁同步电机的定子绕组进行设计，提出的新型绕组结构能够有效减小电机的永磁体涡流损耗，不平衡磁拉力和转矩波动，提升电机运行的平稳性。

Description

一种低谐波双三相分数槽永磁同步电机设计方法
技术领域
本发明属于电机优化设计领域，具体涉及降低定子绕组磁动势谐波技术，可用于减小永磁体涡流损耗的双三相分数槽永磁同步电机的设计。
背景技术
近年来，随着控制理论、新材料技术和电力电子技术等方面的不断发展，军事领域及汽车工业应用需求的不断增加，多相电机逐渐成为电机学科的创新前沿和研究热点。与三相电机驱动系统相比，多相电机系统除了可以在低电压(低电流)情况下实现大功率运行以外，还具有转矩波动低、空间矢量个数丰富，矢量合成方式多样、容错性能好，效率高、可靠性高等优点。在多相电机中双三相永磁同步电机兼备多相电机优点且可直接使用两套传统三相逆变器电源工作，因此受到越来越多的关注。
相比于整数槽绕组，分数槽集中绕组具有较短的线圈端部、较高的绕组系数、较低的齿槽转矩、定子易于模块化制造及容错性高等优点，因此，双三相永磁电机多采用分数槽绕组。但是，相比于整数槽，分数槽绕组中的定子磁动势谐波含量较多且幅值较大，其低次(波长较长)及高次谐波(与转子相对速度较高)均对涡流损耗有较大影响。绕组磁动势谐波在转子永磁体内感应的涡流损耗会随着频率的升高而增大，而较大的涡流损耗会使得电机的温升变高，在高速时甚至引起永磁体局部的不可逆退磁。因此，在采用分数槽绕组的双三相电机设计中应尽量削弱各次定子磁动势谐波含量，降低其对电机性能的影响。
为减小非工作次磁动势谐波对电机损耗的影响，目前有学者提出多种削弱定子磁动势谐波的方法。这些方法主要分为两类，一是添加磁障结构，二是改变绕组结构。通过添加磁障结构抑制谐波的方法，不但增加了电机制造难度，且阻碍次谐波传播的方法均只能对次谐波进行削弱，不能减小幅值较高的高次谐波，且这些方法对电机工作波有一定程度的削弱，会使电机输出转矩降低。针对改变绕组结构的方法，也不能同时将影响电机性能较大的高低次定子绕组磁动势谐波消除。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种低谐波双三相分数槽永磁同步电机设计方法，并提供一种采用空间相移不等匝线圈绕组结构的双三相永磁同步电机，通过计算两套绕组相移角度及每相下绕组线圈的匝数配比，可同时削弱定子磁动势中的高低次谐波，降低电机转子及永磁体涡流损耗，提高电机运行稳定性。技术方案如下：
一种低谐波双三相分数槽永磁同步电机设计方法，包括下列步骤：
(1)确定电机单套绕组的初始槽极配合结构为Z＝2p±1结构，其中，Z为电机槽数，p为极对数，对分数槽集中绕组磁动势谐波进行分析。
(2)确定绕组相移角：对双三相两套绕组采用不同相移角度时的定子磁动势谐波分布进行推导，以降低绕组磁动势空间谐波为目的，确定两套绕组之间相移空间角。
(3)改变每相绕组线圈匝数，在步骤(2)基础上通过绘制各次谐波的磁动势相量图来选取合适的线圈匝数，使得希望消除的次谐波磁动势合成相量长度最短，以削弱此次谐波，得到新型空间相移不等匝绕组结构的双三相永磁同步电机。
进一步地，步骤(2)进行设计计算的步骤如下：
1)结合电机的槽极配合对两套绕组中每相绕组的绕组函数方程用傅里叶级数表示；
2)求解双三相永磁同步电机各相电流表达式；
3)确定双三相永磁同步电机两套绕组的总绕组磁动势公式，当极对数为偶数时，奇数次磁动势谐波空间相移角βv与电流初始相位差θ△之和满足±180°+K360°(K为正整数)，将奇数次磁动势空间谐波消除；当极对数为奇数时，得出偶数次磁动势谐波空间相移角βv与电流初始相位差θ△之和满足±180°+K360°(K为正整数)时，将全部偶数次磁动势空间谐波消除。
进一步地，步骤(3)中，进行设计计算的方法为：通过改变每相线圈组中单个线圈的匝数，绕组分布系数会随之改变；利用相量法计算线圈分布系数，用安匝数表示出单个线圈磁动势相量的长度；通过绘制各次谐波的磁动势相量图来选取合适的线圈匝数，使得希望消除的次谐波磁动势合成相量长度最短，以达到削弱此次谐波的目的。
进一步地，在步骤(3)设计得到新型空间相移不等匝绕组结构的双三相永磁同步电机之后，还进行仿真验证，对配备新型空间相移不等匝绕组结构的双三相永磁同步电机进行有限元仿真，验证正确性。
本发明同时提供采用所述的设计方法设计的希望消除2次谐波的8极18槽双三相电机，其特征在于，8极18槽双三相电机的每相绕组串联匝数为33匝，设一相绕组下不同线圈的匝数为N1、N2，N2与N1匝数比为0.347。
所述的8极18槽双三相电机，具体结构为：由两套相差180°机械角度的三相8极9槽绕组组成，且每相下A相带各线圈匝数为14，X相带各线圈匝数为5。
本发明所具有的优点和积极效果是：本发明通过设计与分析提出了一种采用空间相移不等匝线圈绕组结构的双三相永磁同步电机，通过计算两套绕组相移角度及每相下绕组线圈的匝数配比，可同时削弱定子磁动势中的高低次谐波，降低电机转子及永磁体涡流损耗，降低电机温升及不可逆退磁风险，降低了电机转矩波动，从而最终提高电机的运行稳定性。
附图说明
图1为8极9槽电机(设计一)绕组结构示意图。
图2为8极9槽电机(设计一)绕组磁动势谐波频谱分布图。
图3为采用空间相移绕组结构后8极18槽双三相电机(设计二)绕组结构示意图。
图4为采用空间相移绕组结构后8极18槽双三相电机(设计二)绕组磁动势频谱分布图。
图5为8极9槽电机绕组星型图。
图6为8极9槽A相绕组部分磁动势谐波相量图。
图7为采用提出的新型空间相移不等匝绕组结构后8极18槽双三相电机(设计三)绕组布线图。
图8为采用提出的新型空间相移不等匝绕组结构后8极18槽双三相电机(设计三)绕组磁动势频谱分布图。
图9为设计过程中设计一、设计二、设计三，三台电机转矩性能对比图。
图10为设计过程中设计一、设计二、设计三，三台电机永磁体涡流损耗对比图。
图11为设计过程中设计一、设计二、设计三，三台电机转速额定，不同电流工况条件下的永磁体涡流损耗对比图。
图12为设计过程中设计一、设计二、设计三，三台电机电流额定，不同转速工况条件下的永磁体涡流损耗对比图。
具体实施方式
下面以一台8极9槽电机为设计基础，对本发明的实施方式进行详细说明，设计三台电机的参数如表1所示。
表1电机设计参数
(1)设计电机时为获得较高绕组系数，通常采用近极槽配合，即满足Z＝2p±1或Z＝2p±2。与Z为偶数的极槽配合相比，Z为奇数的极槽配合更有优势，其存在较高的绕组系数和较大LCM，LCM为最小公倍数；在Z＝2p±1的极槽配合中，8极9槽电机的绕组系数较高，为0.945，为电机设计中常用的极槽配合，对其进行绕组磁动势谐波分析，电机结构示意图及绕组磁动势分布图如图1、2所示。
(2)确定绕组相移角。增加一倍槽数，增加一套绕组，对双三相两套绕组采用不同相移角度时的定子磁动势谐波分布进行分析推导，确定当双三相永磁同步电机两套绕组空间相移180°时可将所有奇数次谐波消除，电机改进设计后的绕组结构示意图及绕组磁动势分布图如3、4所示。
1)对两套绕组中每相绕组的绕组函数方程用傅里叶级数表达为：
式中NAi、NBi、NCi(i＝1,2)为每相绕组的绕组函数方程，Nv为v次谐波定子磁动势幅值，θm为空间位置角，βv为两套绕组间v次磁动势谐波对应的空间相移角。
2)求解双三相永磁同步电机各相电流表达式为：
式中IAi、IBi、ICi(i＝1,2)为各相电流表达式，Iph为相电流幅值，ω为转子旋转角速度，t为时间，θ△为两套绕组中电流的初始相位差。
3)确定双三相永磁同步电机两套绕组的总绕组磁动势公式。
式中，F1和F2为两套绕组各自的定子磁动势，F为双三相永磁同步电机的总绕组磁动势。将公式(1)和(2)代入公式(3)中，磁动势方程为：
故两套绕组总定子磁动势为：
式中，N为每相绕组串联匝数，kwv为v次空间磁动势谐波的绕组系数，p为电机极对数。当某次磁动势谐波空间相移角βv与电流初始相位差θ△满足式(7)时，可将特定次磁动势空间谐波消除。
θΔ+βv＝±180+K360°,K∈Z (7)
为消除8极9槽绕组中的高低次谐波，将采用绕组空间相移技术，经计算两套8极9槽绕组之间相移空间角β1为180°机械角，电流的初始相位差θ△为0°，可将所有奇数次定子磁动势谐波全部消除。
(3)设计改进每相线圈匝数，在步骤(2)基础上作出8极9槽绕组星型图，如图5所示，以A相为例绘制如图6所示各次谐波的磁动势相量图，来选取合适的线圈匝数，使得希望消除的2次谐波磁动势合成相量长度最短，以削弱此次谐波。电机每相绕组串联匝数为33匝，为消除定子磁动势2次谐波，一相绕组下不同线圈的匝数N1、N2需满足下式，其中，θ为A相下线圈1磁动势相量与X相下线圈2磁动势相量间的夹角：
通过计算N2与N1匝数比为0.347时，选择N1、N2分别为14和5时，可使幅值较高的2次谐波的分布系数接近为0，以达到消除2次定子磁动势谐波的目的。
(4)仿真验证。在步骤(3)基础上得到最终设计的低谐波新型空间相移不等匝绕组结构，如图7所示，其绕组磁动势分布如图8所示。将配备新型空间相移不等匝绕组结构的双三相永磁同步电机进行有限元仿真，仿真结果如图9、10所示。结果显示，新型低谐波双三相永磁同步电机永磁体涡流明显降低，转矩波动明显降低，电机运行平稳性被有效提升。

Claims (5)

1.一种低谐波双三相分数槽永磁同步电机设计方法，包括下列步骤：
(1)确定电机单套绕组的初始槽极配合结构为Z＝2p±1结构，其中，Z为电机槽数，p为极对数，对分数槽集中绕组磁动势谐波进行分析；
(2)确定绕组相移角：对双三相两套绕组采用不同相移角度时的定子磁动势谐波分布进行推导，以降低绕组磁动势空间谐波为目的，确定两套绕组之间相移空间角，方法如下：
1)结合电机的槽极配合对两套绕组中每相绕组的绕组函数方程用傅里叶级数表示；
2)求解双三相永磁同步电机各相电流表达式；
3)确定双三相永磁同步电机两套绕组的总绕组磁动势公式，当极对数为偶数时，奇数次磁动势谐波空间相移角βv与电流初始相位差θ△之和满足±180°+K360°时，K为正整数，将奇数次磁动势空间谐波消除；当极对数为奇数时，得出偶数次磁动势谐波空间相移角βv与电流初始相位差θ△之和满足±180°+K360°时，K为正整数，将全部偶数次磁动势空间谐波消除；
(3)改变每相绕组线圈匝数，在步骤(2)基础上通过绘制各次谐波的磁动势相量图来选取合适的线圈匝数，使得希望消除的次谐波磁动势合成相量长度最短，以削弱此次谐波，得到新型空间相移不等匝绕组结构的双三相永磁同步电机；其中，通过改变每相线圈组中单个线圈的匝数，绕组分布系数会随之改变；利用相量法计算线圈分布系数，用安匝数表示出单个线圈磁动势相量的长度；通过绘制各次谐波的磁动势相量图来选取合适的线圈匝数，使得希望消除的次谐波磁动势合成相量长度最短，以达到削弱此次谐波的目的。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤(3)设计得到新型空间相移不等匝绕组结构的双三相永磁同步电机之后，还进行仿真验证，对配备新型空间相移不等匝绕组结构的双三相永磁同步电机进行有限元仿真，验证正确性。
3.利用权利要求1-2任意一项所述的设计方法设计的希望消除2次谐波的8极18槽双三相电机，其特征在于，8极18槽双三相电机的每相绕组串联匝数为33匝，设一相绕组下不同线圈的匝数为N1、N2，N1、N2需满足下式，其中，θ为A相下线圈磁动势相量与X相下线圈磁动势相量间的夹角：
4.根据权利要求3所述的8极18槽双三相电机，其特征在于，N2与N1匝数比为0.347。
5.根据权利要求3所述的8极18槽双三相电机，其特征在于，所述电机由两套相差180°机械角度的三相8极9槽绕组组成，且每相下A相带各线圈匝数为14，X相带各线圈匝数为5。
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