CN113890296B - 低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机 - Google Patents

低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机 Download PDF

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Abstract

低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，属于电机领域，本发明为解决采用分数槽集中绕组的六相永磁同步电机定子绕组合成磁动势中的谐波含量较大的问题。本发明包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部，定子沿周向均布六个定子槽单元，每个定子槽单元包括双层绕组槽和单层绕组槽，六相绕组以不等匝方式绕制，且B相、C相、D相、E相和F相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差120°、240°、θ、(θ+120°)和(θ+240°)；其中空间位置角θ满足关系式：θ＝(2k+1)π/12；转子设置2p块永磁体，2p块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁。本发明电机用于抑制合成磁动势中的低次谐波。

Description

低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种抑制低次谐波技术，属于电机领域。
背景技术
相比于传统三相永磁同步电机，六相永磁同步电机由于其相数的增加，具备更强的容错运行能力，在对设备可靠性要求较高的场合具有广阔的应用前景，如：航空航天，国防军工和交通运输领域。然而采用分数槽集中绕组的六相永磁同步电机定子绕组合成磁动势中的谐波含量较大，这些谐波会引起电机定、转子铁心饱和程度增加，同时，由于合成磁动势中的非工作次谐波在空间上与转子转速不同，交变的磁场在转子永磁体中感应出大量涡流，进而导致转子涡流损耗上升。因此，采用分数槽集中绕组的六相电机合成磁动势中的非工作次谐波对电机的性能产生负面影响，导致电机在运行过程中损耗增大，转矩波动增加，当电机转子采用内置式永磁体结构时，还会影响电机磁阻转矩的利用。
发明内容
本发明目的是为了解决采用分数槽集中绕组的六相永磁同步电机定子绕组合成磁动势中的谐波含量较大的问题，提供了一种低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机。
本发明所述低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部，定子沿周向均布六个定子槽单元，每个定子槽单元包括双层绕组槽和单层绕组槽，六相绕组以不等匝方式绕制，且B相、C相、D相、E相和F相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差120°、240°、θ、(θ+120°)和(θ+240°)；
其中空间位置角θ满足关系式：
θ＝(2k+1)π/12
其中：k为非负整数，k＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11……
转子设置2p块永磁体，永磁体极对数p满足关系式：
p＝6t±1
其中：t＝1；
2p块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁；
六相绕组按下式通入电流：
Figure BDA0003293306450000021
其中：ia、ib、ic、id、ie和if分别为A相、B相、C相、D相、E相和F相绕组电流；
ωe为电机的电角速度；Im为电流幅值。
优选地，每个定子槽单元包括2个双层绕组槽和4个单层绕组槽，2个双层绕组槽设置于两个边界处，4个单层绕组槽设置于2个双层绕组槽之间。
优选地，以其中一对相邻两个双层绕组槽作为首尾槽并分别定义为1号、36号，依此，沿周向依次定义出定子的36个定子槽的编号，其中24个单层绕组槽和12个双层绕组槽。
优选地，
相邻两个双层绕组槽之间的夹角λ1，
相邻单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角λ2，
每个定子槽单元中的左右两对相邻单层绕组槽，每对的两个单层绕组槽的夹角λ3，
每个定子槽单元中的中间两个相邻单层绕组槽的夹角λ4，
按下式设置：
Figure BDA0003293306450000022
其中γ为线圈节距。
优选地，六相绕组以不等匝方式绕制，六相绕组绕制方式相同，其中A相绕组绕制过程为：
S1、底层绕组A-U绕制：
底层绕组包含4个线圈，分别占据2个双层绕组槽和4个单层绕组槽，为1号、4号、17号、19号、22号和35号定子槽，
线圈节距为γ，线圈节距满足关系式：
25°≤γ≤27°
S2、顶层绕组A’-U’绕制：
按35号、17号、4号、22号顺序绕制；
S3、底层绕组A-U和顶层绕组A’-U’并联作为A相绕组。
优选地，底层绕组A-U的绕组匝数为N1，顶层绕组A’-U’的绕组匝数为N2，绕组匝数N1与N2满足关系式：
Figure BDA0003293306450000031
优选地，电机转子永磁体采用表贴式、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：本发明公开一种低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机。通过优化电机定子绕组排布，降低了六相电机定子绕组的合成磁动势谐波含量，显著抑制了合成磁动势中的低次谐波，即次数小于p次(工作次谐波)的谐波，能够降低由合成磁动势中非工作次谐波导致的转子永磁体涡流损耗，减少永磁体发热，降低永磁体高温退磁的风险。此外，还能够在电机运行的过程中，避免由合成磁动势中低次谐波导致的定、转子铁心饱和。
附图说明
图1是本发明所述低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机示意图；
图2是电机A相绕组示意图；
图3是电机定子示意图；
图4是电机定子铁心单元划分示意图；
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F相绕组绕线图；
图12是当电机极对数为7时定子绕组合成磁动势波形及谐波分析图，其中图12(a)为合成磁动势波形图，图12(b)为合成磁动势谐波分析图；
图13是A相绕组绕组函数图；
图14是当电机极对数为5时定子绕组合成磁动势波形及谐波分析图，其中图14(a)为合成磁动势波形图，图14(b)为合成磁动势谐波分析图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图14说明本实施方式，本实施方式所述低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，电机包括机壳1、定子2、转子3和转轴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同轴设置在转子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之间有径向气隙，所述径向气隙长度为L；
参见附图3，定子铁心7包含36个槽，分别是24个单层绕组槽(槽2,3,4,5,8,9,10,11，14,15,16,17,20,21,22,23,26,27,28,29,32,33,34,35)和12个双层绕组槽(槽1,6,7,12,13,18,19，24,25,30,31,36)。参见附图4，定子铁心可划分为6个完全相同的定子槽单元，每个单元包含2个双层绕组槽和4个单层绕组槽。参见附图5，以槽30与槽31之间的夹角为例定义双层绕组槽之间的夹角为λ1，以槽31与槽32之间的夹角为例定义单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角为λ2，以槽32与槽33，槽33与槽34，槽34与槽35之间的夹角为例定义单层绕组槽之间的夹角，其中槽32与槽33，槽34与槽35之间的夹角相等均为λ3，槽33与槽34之间的夹角为λ4；
不同槽之间的夹角λ1，λ2，λ3，λ4满足下式：
Figure BDA0003293306450000041
其中γ为线圈节距。
六相绕组以不等匝方式绕制，六相绕组绕制方式相同，参见附图6，其中A相绕组绕制过程为：
S1、底层绕组A-U绕制：
底层绕组包含4个线圈A1-1、A1-2、A1-3、A1-4，分别占据2个双层绕组槽和4个单层绕组槽，为1号、4号、17号、19号、22号和35号定子槽，绕制顺序为35号、1号、4号、1号、19号、17号、19号、22号；
线圈节距为γ，线圈节距满足关系式：
25°≤γ≤27°
S2、顶层绕组A’-U’绕制：
按35号、17号、4号、22号顺序绕制；
S3、底层绕组A-U和顶层绕组A’-U’并联作为A相绕组。A和A’连接作为A相绕组首端，U和U’连接作为A相绕组尾端。
可见，A相绕组中4个线圈的线圈边彼此匝数不相等，在绕制时，先绕制A-U绕组部分(底层绕组)，底层绕组所包含的绕组匝数为N1，再绕制A’-U’绕组部分(顶层绕组)，顶层绕组所包含的绕组匝数为N2。B相，C相，D相，E相和F相绕组线圈的排布情况与A相相同，只是B相、C相、D相、E相和F相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差120°、240°、θ、(θ+120°)和(θ+240°)；
其中空间位置角θ满足关系式：
θ＝(2k+1)π/12
其中：k为非负整数，k＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11……
参见附图7，对于B相，B-V部分绕组匝数为N1，绕制顺序为28号、25号、23号、25号、7号、10号、7号、5号；B’-V’部分绕组匝数为N2，绕制顺序为28号、10号、23号、5号；
参见附图8，对于C相，C-W部分绕组匝数为N1，绕制顺序为11号、13号、16号、13号、31号、29号、31号、34号；C’-W’部分绕组匝数为N2，绕制顺序为11号、29号、16号、34号；
参见附图9，对于D相，D-X部分绕组匝数为N1，绕制顺序为33号、36号、2号、36号、18号、15号、18号、20号；D’-X’部分绕组匝数为N2，绕制顺序为33号、15号、2号、20号；
参见附图10，对于E相，E-Y部分绕组匝数为N1，绕制顺序为26号、24号、21号、24号、6号、8号、6号、3号；E’-Y’部分绕组匝数为N2，绕制顺序为26号、8号、21号、3号；
参见附图11，对于F相，F-Z部分绕组匝数为N1，绕制顺序为9号、12号、14号、12号、30号、27号、30号、32号；F’-Z’部分绕组匝数为N2，绕制顺序为9号、27号、14号32号。
绕组匝数N1与N2满足关系式：
Figure BDA0003293306450000061
下面以两个实施例来说明电机的工作原理。
实施例1、本实施例用于抑制7次以下谐波。
设定电机的线圈节距γ＝26.25°，电机A-U，B-V，C-W，D-X，E-Y和F-Z绕组部分的匝数N1＝18，A’-U’，B’-V’，C’-W’，D’-X’，E’-Y’和F’-Z’部分的匝数N2＝2。
设定λ1＝15°、λ2＝11.25°、λ3＝7.5°、λ4＝7.5°。
B相，C相，D相，E相和F相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差120°，240°，15°，135°和255°。
转子设置2p块永磁体，永磁体极对数p满足关系式：
p＝6t+1
其中：t＝1；则p＝7，转子3沿周向共设置14块永磁体6，14块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁；永磁体6采用钕铁硼永磁材料构成。
正常工作时，电机六相绕组依次通以如下余弦形式的电流：
Figure BDA0003293306450000062
其中：ia、ib、ic、id、ie和if分别为A、B、C、D、E和F相绕组的电流；
ωe为电机的电角速度；
Im为电流幅值。
经二维有限元分析，可得到电机绕组通入上述电流时的合成磁动势波形及谐波分析图，如图12所示。合成磁动势中次数小于工作次谐波(7次谐波)的谐波幅值均为零。
低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机A相绕组的绕组函数如图13所示，对其进行分析可以获得电机的绕组因数：
Figure BDA0003293306450000071
其中：kn为不同次谐波的绕组因数；
n为谐波次数。
合成磁动势中的各次谐波可表示为：
MMFn＝iTm
Figure BDA0003293306450000072
其中：MMFn为合成磁动势中的不同次谐波；i为电机绕组电流向量；m为电机绕组函数各次谐波向量；θ为空间位置角。
当N1＝18，N2＝2，γ＝26.25°时，k1＝0.00165≈0，因此合成磁动势中的1次谐波被显著抑制，其幅值接近0。同理，当n等于偶数时，由于kn＝0，因此合成磁动势中不含有偶数次谐波。当n＝3或5时，尽管kn≠0，但由于iTm＝0，因此合成磁动势中不含有3次和5次谐波。综上，可以证明在低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机的合成磁动势中，次数小于工作次谐波(7次)的谐波均被显著抑制，其幅值接近零。
实施例2、本实施例用于抑制5次以下谐波。
设定电机的线圈节距γ＝26.25°，电机A-U，B-V，C-W，D-X，E-Y和F-Z绕组部分的匝数N1＝18，A’-U’，B’-V’，C’-W’，D’-X’，E’-Y’和F’-Z’部分的匝数N2＝2。
设定λ1＝15°、λ2＝11.25°、λ3＝7.5°、λ4＝7.5°。
B相，C相，D相，E相和F相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差120°，240°，15°，135°和255°。
转子设置2p块永磁体，永磁体极对数p满足关系式：
p＝6t-1
其中：t＝1；则p＝5，转子3沿周向共设置10块永磁体6，10块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁；永磁体6采用钕铁硼永磁材料构成。
正常工作时，电机六相绕组依次通以如下余弦形式的电流：
Figure BDA0003293306450000081
其中：ia、ib、ic、id、ie和if分别为A、B、C、D、E和F相绕组的电流；
ωe为电机的电角速度；
Im为电流幅值。
经二维有限元分析，可得到电机绕组通入上述电流时的合成磁动势波形及谐波分析图，如图14所示。合成磁动势中次数小于工作次谐波(5次谐波)的谐波幅值均为零。
单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机A相绕组的绕组函数如图13所示，对其进行分析可以获得电机的绕组因数：
Figure BDA0003293306450000082
其中：kn为不同次谐波的绕组因数；
n为谐波次数。
合成磁动势中的各次谐波可表示为：
MMFn＝iTm
Figure BDA0003293306450000091
其中：MMFn为合成磁动势中的不同次谐波；i为电机绕组电流向量；m为电机绕组函数各次谐波向量；θ为空间位置角。
当N1＝18，N2＝2，γ＝26.25°时，k1＝0.00165≈0，因此合成磁动势中的1次谐波被显著抑制，其幅值接近0。同理，当n等于偶数时，由于kn＝0，因此合成磁动势中不含有偶数次谐波。当n＝3时，尽管kn≠0，但由于iTm＝0，因此合成磁动势中不含有3次谐波。综上，可以证明在低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机的合成磁动势中，次数小于工作次谐波(5次)的谐波均被显著抑制，其幅值接近零。

Claims (5)

1.低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，其特征在于，包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部，定子沿周向均布六个定子槽单元，每个定子槽单元包括双层绕组槽和单层绕组槽，六相绕组以不等匝方式绕制，且B相、C相、D相、E相和F相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差120°、240°、θ、(θ+120°)和(θ+240°)；
其中空间位置角θ满足关系式：
θ＝(2k+1)π/12
其中：k为非负整数，k＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11……
转子设置2p块永磁体，永磁体极对数p满足关系式：
p＝6t±1
其中：t＝1；
2p块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁；
六相绕组按下式通入电流：
Figure FDA0003835245520000011
其中：ia、ib、ic、id、ie和if分别为A相、B相、C相、D相、E相和F相绕组电流；
ωe为电机的电角速度；Im为电流幅值；
每个定子槽单元包括2个双层绕组槽和4个单层绕组槽，2个双层绕组槽设置于两个边界处，4个单层绕组槽设置于2个双层绕组槽之间；
以其中一对相邻两个双层绕组槽作为首尾槽并分别定义为1号、36号，依此，沿周向依次定义出定子的36个定子槽的编号，其中24个单层绕组槽和12个双层绕组槽；
相邻两个双层绕组槽之间的夹角λ1，
相邻单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角λ2，
每个定子槽单元中的左右两对相邻单层绕组槽，每对的两个单层绕组槽的夹角λ3，
每个定子槽单元中的中间两个相邻单层绕组槽的夹角λ4，
按下式设置：
Figure FDA0003835245520000021
其中γ为线圈节距；
六相绕组以不等匝方式绕制，六相绕组绕制方式相同，其中A相绕组绕制过程为：
S1、底层绕组A-U绕制：
底层绕组包含4个线圈，分别占据2个双层绕组槽和4个单层绕组槽，为1号、4号、17号、19号、22号和35号定子槽，
线圈节距为γ，线圈节距满足关系式：
25°≤γ≤27°
S2、顶层绕组A’-U’绕制：
按35号、17号、4号、22号顺序绕制；
S3、底层绕组A-U和顶层绕组A’-U’并联作为A相绕组；
底层绕组A-U的绕组匝数为N1，顶层绕组A’-U’的绕组匝数为N2，绕组匝数N1与N2满足关系式：
Figure FDA0003835245520000022
2.根据权利要求1所述低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，其特征在于，电机转子永磁体采用表贴式或内置式结构。
3.根据权利要求1所述低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，其特征在于，电机转子永磁体采用Halbach阵列式。
4.根据权利要求1所述低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，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。
5.根据权利要求1所述低空间谐波单双层不等匝绕组径向磁通六相永磁同步电机，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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