CN113890221B - 高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机 - Google Patents

高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机 Download PDF

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Abstract

具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，属于电机领域，本发明为解决分数槽集中绕组五相永磁同步电机的定子绕组三次谐波绕组因数较小的问题。本发明包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部；定子沿周向设置15个定子槽单元，每个定子槽单元包括2个单层绕组槽和1个双层绕组槽，五相绕组绕制方式相同，且B相、C相、D相和E相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差72°、144°、216°和288°；每相绕组包括周向均布的三对线圈，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧对称的2个单层绕组槽中，该对中的两个线圈绕制方向相反，线圈节距为γ；三对线圈串联为一相绕相；电机的三次谐波绕组因数高。

Description

高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机
技术领域
本发明涉及一种提高三次谐波电流利用率技术，属于电机领域。
背景技术
五相永磁同步电机的三次谐波反电势与三次谐波电流相互作用会输出转矩，因此，五相电机系统能够通过注入三次谐波电流的方式提升输出转矩和转矩密度，在航空航天，交通运输等对电驱动系统转矩密度要求较高的应用场合受到了广泛关注。当三次谐波电流幅值一定时，五相电机的输出转矩与三次谐波反电势的幅值成正比，若能够提升电机三次谐波反电势的幅值，则能够提升电机在三次谐波电流注入下的输出转矩，从而提升三次谐波电流的利用率。电机三次谐波反电势的幅值与电机转速，每相绕组串联匝数，转子永磁体三次谐波磁链和定子绕组三次谐波绕组因数有关，若使电机转速，每相绕组串联匝数和转子形式保持不变，则定子绕组三次谐波绕组因数越大，电机三次谐波反电势的幅值越高。目前大多数分数槽集中绕组五相电机的定子绕组三次谐波绕组因数较小，导致电机在注入三次谐波电流后产生的输出转矩较小，存在三次谐波电流利用率较低的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决分数槽集中绕组五相永磁同步电机的定子绕组三次谐波绕组因数较小，导致电机存在不能充分利用三次谐波电流提升输出转矩的问题，提供了一种具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机。
本发明所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部；
定子沿周向设置15个定子槽单元，每个定子槽单元包括2个单层绕组槽和1个双层绕组槽，五相绕组绕制方式相同，且B相、C相、D相和E相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差72°、144°、216°和288°；
每相绕组包括周向均布的三对线圈，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧对称的 2个单层绕组槽中，该对中的两个线圈绕制方向相反，线圈节距为γ；三对线圈串联为一相绕相；
线圈节距γ满足关系式：
Figure BDA0003293849190000021
其中：p为电机的极对数，ξ为每相绕组任意两对线圈之间的夹角，ξ＝120°；
电机定子绕组三次谐波绕组因数k3p按下式获取：
Figure BDA0003293849190000022
所述k3p≥0.9用以实现电机高三次谐波电流利用率。
优选地，转子设置有12块永磁体，12块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁。
优选地，永磁体采用钕铁硼永磁材料构成。
优选地，每个定子槽单元中，双层绕组槽位于中间，2个单层绕组槽对称设置在双层绕组槽两侧，每相绕组的三对绕圈绕制位置为：每对线圈设置在一个定子槽单元的双层绕组槽，及相邻两个定子槽单元靠外侧的2个单层绕组槽中。
优选地，相邻两个单层绕组槽之间的夹角为λ1，相邻的单层绕组槽和双层绕组槽之间的夹角为λ2，满足以下关系式：
Figure BDA0003293849190000023
优选地，永磁体采用表贴式、Halbach阵列式或内置式结构。
优选地，定子中的定子铁心采用软磁复合材料铸成或硅钢片沿轴向叠压构成。
优选地，转子的转子铁心采用软磁复合材料铸成或硅钢片沿轴向叠压构成。
本发明的有益效果：本发明公开一种具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机。通过优化电机定子绕组的排布，提升了电机定子绕组三次谐波的绕组因数，在电机转速、每相绕组串联匝数和转子形式保持不变情况下，提升了电机三次谐波反电势的幅值和电机在三次谐波电流注入下的输出转矩，从而提升了电机对三次谐波电流的利用率。
附图说明
图1是本发明所述具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机示意图；
图2是电机A相绕组不同线圈组之间的夹角示意图；
图3是电机绕组线圈节距示意图；
图4是电机定子铁心单元划分及槽号示意图；
图5是电机不同槽之间的夹角示意图；
图6是A相绕组绕线图；
图7是B相绕组绕线图；
图8是C相绕组绕线图；
图9是D相绕组绕线图；
图10是E相绕组绕线图；
图11是电机A相绕组的绕组函数图；
图12是当线圈节距γ＝32°时电机反电势谐波分析对比图；
图13是当线圈节距γ＝30°时电机反电势谐波分析对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1～图13说明本实施方式，本实施方式所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，包括机壳1、定子2、转子3、转轴 8，定子2包含定子铁心4和单双层混合绕组5，转子3包含转子铁心7和永磁体6，转子3设置在转轴8上，定子2设置在转子3和转轴8的外部，定子2的外圆表面固定在机壳1的内圆表面上，定子2与转子3之间有气隙，所述气隙长度为L；
转子3包括转子铁心7和12块永磁体6，在转子铁心7的外圆表面沿圆周方向设置12块永磁体6，12块永磁体6充磁方向交替相反，所有永磁体6均沿径向充磁，永磁体6 采用钕铁硼永磁材料构成；
定子沿周向设置15个定子槽单元，参见图4，顺时针方向分别为单元1～单元15，每个定子槽单元包括2个单层绕组槽和1个双层绕组槽，每个定子槽单元中，双层绕组槽位于中间，2个单层绕组槽对称设置在双层绕组槽两侧，每相绕组的三对绕圈绕制位置为：每对线圈设置在一个定子槽单元的双层绕组槽，及相邻两个定子槽单元靠外侧的 2个单层绕组槽中。以单元1中间的双层绕组槽作为1号槽，顺时针完成45个槽的槽号标定，定子铁心包含45个槽，分别是30个单层绕组槽(槽 2,3,5,6,8,9,11,12,14,15,17,18,20,21,23,24,26,27,29,30,32,33,35,36,38,39,41,42,44,45)和15 个双层绕组槽(槽1,4,7,10,13,16,19,22,25,28,31,34,37,40,43)。
单元1包括1号槽、2号槽和45号槽，其它单元如图4所示。
五相绕组绕制方式相同，且B相、C相、D相和E相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差72°、144°、216°和288°；
每相绕组包括周向均布的三对线圈，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧对称的 2个单层绕组槽中，该对中的两个线圈绕制方向相反，线圈节距为γ；三对线圈串联为一相绕相；
参见图2、图3和图6，A相绕组包括三对线圈，第一对线圈包括A1-1和A1-2两个线圈，A1-1绕制在42号和1号槽中，A1-2绕制在5号和1号槽中，且A1-1和A1-2两个线圈绕制方向相反；第二对线圈包括A2-1和A2-2两个线圈，A2-1绕制在12号和16 号槽中，A2-2绕制在20号和16号槽中，且A2-1和A2-2两个线圈绕制方向相反；第三对线圈包括A3-1和A3-2两个线圈，A3-1绕制在27号和31号槽中，A3-2绕制在35号和31号槽中，且A3-1和A3-2两个线圈绕制方向相反；第一对线圈与第二对线圈的夹角为ξ，第二对线圈与第三对线圈的夹角为ξ，第三对线圈与第一对线圈的夹角为ξ，ξ＝120°。三对线圈按图6方式串联为A相绕组A-V。
同理，其它相绕组与A相绕组相同，只是相位依次相差72°、144°、216°和288°；B 相绕组B-W的绕制方式参见图7，C相绕组C-X的绕制方式参见图8，D相绕组D-Y的绕制方式参见图9，E相绕组E-Z的绕制方式参见图10。
线圈节距γ满足关系式：
Figure BDA0003293849190000041
其中：p为电机的极对数，p＝6。
获取节距取值范围后，参见图11，根据电机的绕组函数图，推导具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机的绕组因数为：
Figure BDA0003293849190000042
其中：kn为不同次谐波的绕组因数；
n为谐波次数。
n＝3p时，电机定子绕组三次谐波绕组因数k3p：
Figure BDA0003293849190000051
根据上式获取的k3p≥0.9，达到了本发明三次谐波电流高利用率的目的。可见，本发明通过优化电机定子绕组的排布，提升了电机定子绕组三次谐波的绕组因数，在电机转速、每相绕组串联匝数和转子形式保持不变情况下，提升了电机三次谐波反电势的幅值和电机在三次谐波电流注入下的输出转矩，从而提升了电机对三次谐波电流的利用率。
参见图5所示，相邻两个单层绕组槽之间的夹角为λ1，相邻的单层绕组槽和双层绕组槽之间的夹角为λ2，满足以下关系式：
Figure BDA0003293849190000052
下面通过两个具体实施例来说明工作原理。
实施例1：
线圈节距γ取值为32°，则单层绕组槽之间的夹角λ1为8°，单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角λ2为8°，电机极对数p＝6，电机定子绕组三次谐波绕组因数
Figure BDA0003293849190000053
即电机定子绕组三次谐波的绕组因数较大，超过0.9。
进一步选取传统30槽12极双层绕组五相电机与所提出的具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机进行对比，令两电机的转速，每相绕组串联匝数和转子形式保持相同，采用二维有限元仿真，获得两电机的反电势波形，对其进行谐波分析可以看出(见附图12)，具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机，即45槽12极单双层绕组五相电机，其三次谐波反电势幅值高于30槽12极双层绕组五相电机，两电机三次谐波反电势幅值的具体数值见表1。
向两电机的五相绕组中依次通入如下余弦形式的三次谐波电流：
Figure BDA0003293849190000061
其中：ia、ib、ic、id和ie分别为A、B、C、D和E相绕组的电流；
ωe为电机的电角速度；
Im为电流幅值，保持两电机的三次谐波电流幅值相等，均为10A(见表1)。
表1
Figure BDA0003293849190000062
对比其输出转矩(见表1)，具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机，即45槽12极单双层绕组五相电机，其输出转矩为12.5N·m，高于30槽12 极双层绕组五相电机的输出转矩(8.6N·m)。证明具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机相比传统分数槽集中绕组电机，在注入相同幅值的三次谐波电流时，能够提升输出转矩，验证了45槽12极单双层绕组五相电机在线圈节距为32°时，即γ＝32°时，能够提升三次谐波电流的利用率。
实施例2：
线圈节距γ取值为30°，则单层绕组槽之间的夹角λ1为12°，单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角λ2为6°，电机极对数p＝6，电机定子绕组三次谐波绕组因数
Figure BDA0003293849190000063
即电机定子绕组三次谐波的绕组因数较大，超过0.9。
进一步选取传统30槽12极双层绕组五相电机与所提出的具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机进行对比，令两电机的转速，每相绕组串联匝数和转子形式保持相同，采用二维有限元仿真，获得两电机的反电势波形，对其进行谐波分析可以看出(见附图13)，具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机，即45槽12极单双层绕组五相电机，其三次谐波反电势幅值高于30槽12极双层绕组五相电机，两电机三次谐波反电势幅值的具体数值见表2。
向两电机的五相绕组中依次通入如下余弦形式的三次谐波电流：
Figure BDA0003293849190000071
其中：ia、ib、ic、id和ie分别为A、B、C、D和E相绕组的电流；
ωe为电机的电角速度；
Im为电流幅值，保持两电机的三次谐波电流幅值相等，均为10A(见表2)。
表2
Figure BDA0003293849190000072
对比其输出转矩(见表2)，具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机，即45槽12极单双层绕组五相电机，其输出转矩为13.4N·m，高于30槽12 极双层绕组五相电机的输出转矩(8.6N·m)。证明具备高三次谐波电流利用率特点的单双层绕组径向磁通五相电机相比传统分数槽集中绕组电机，在注入相同幅值的三次谐波电流时，能够提升输出转矩，验证了45槽12极单双层绕组五相电机在线圈节距为30°时，即γ＝30°时，能够提升三次谐波电流的利用率。

Claims (9)

1.具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部；
定子沿周向设置15个定子槽单元，每个定子槽单元包括2个单层绕组槽和1个双层绕组槽，五相绕组绕制方式相同，且B相、C相、D相和E相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差72°、144°、216°和288°；
每相绕组包括周向均布的三对线圈，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧对称的2个单层绕组槽中，该对中的两个线圈绕制方向相反，线圈节距为γ；三对线圈串联为一相绕相；
线圈节距γ满足关系式：
Figure FDA0003746567100000011
其中：p为电机的极对数，ξ为每相绕组任意两对线圈之间的夹角，ξ＝120°；
电机定子绕组三次谐波绕组因数k3p按下式获取：
Figure FDA0003746567100000012
所述k3p≥0.9用以实现电机高三次谐波电流利用率。
2.根据权利要求1所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，转子设置有12块永磁体，12块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁。
3.根据权利要求2所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，永磁体采用钕铁硼永磁材料构成。
4.根据权利要求2所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，每个定子槽单元中，双层绕组槽位于中间，2个单层绕组槽对称设置在双层绕组槽两侧，每相绕组的三对绕圈绕制位置为：每对线圈设置在一个定子槽单元的双层绕组槽，及相邻两个定子槽单元靠外侧的2个单层绕组槽中。
5.根据权利要求4所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，相邻两个单层绕组槽之间的夹角为λ1，相邻的单层绕组槽和双层绕组槽之间的夹角为λ2，满足以下关系式：
Figure FDA0003746567100000021
6.根据权利要求2所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，永磁体采用表贴式或内置式结构。
7.根据权利要求2所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，永磁体采用Halbach阵列式结构。
8.根据权利要求1所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，定子中的定子铁心采用软磁复合材料铸成或硅钢片沿轴向叠压构成。
9.根据权利要求1所述具备高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机，其特征在于，转子的转子铁心采用软磁复合材料铸成或硅钢片沿轴向叠压构成。
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