CN114884252B - 一种多相永磁同步电机绕组设计方法及电机 - Google Patents

一种多相永磁同步电机绕组设计方法及电机 Download PDF

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Abstract

本发明属于多相永磁同步电机设计制造领域，提供了一种多相永磁同步电机绕组设计方法及电机。该绕组设计方法，应用在电机内定子或外定子上的绕组绕线方式，所述绕组绕线方式采用分数槽相组集中绕线方式，所述分数槽相组集中绕线方式包括内外定子采用相同方式接法或不同方式接法；其中，相同方式接法为内外定子均采用星‑星接法，所述不同方式接法为外定子采用星‑星接法，内定子采用星‑五角星接法。

Description

一种多相永磁同步电机绕组设计方法及电机
技术领域
本发明属于多相永磁同步电机设计制造领域，具体涉及一种多相永磁同步电机绕组设计方法及电机。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
与传统整数槽永磁电机相比，分数槽永磁电机的转矩密度高、功率密度大、体积小、输出功率大、效率高，同时，现有的绕组结构大多数使用分布绕组，其线圈绕制较为复杂，端部长度长，铜耗大，效率较低，同时不易实现模块化结构，相间容易耦合，容错性能较差，因此集中绕组的使用也越来越广泛，在电动汽车、风力发电、船舶推进以及航空航天等领域得到了广泛的应用。
但由于分数槽永磁电机绕组中的电流分布，使得电枢磁动势中含有高幅值低次谐波，这些谐波在铁心、永磁体内异步运行，铁心和永磁体产生较大的涡流损耗，导致永磁电机运行效率降低。加之从永磁电机转子上释放热量困难，致使电机过热，甚至可能造成永磁体过热而产生不可逆退磁，在电机的使用过程中形成安全隐患。另一方面，这些谐波在空间上相互作用，会在永磁电机上产生不良噪声和振动，从而影响到电机的使用寿命。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种多相永磁同步电机绕组设计方法及电机，本发明能够抑制高幅值低次谐波，低次谐波对电机性能的影响得到了有效降低，其所依附的五相永磁同步电机具有高输出电磁转矩，且有效地抑制电磁转矩脉动。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一个方面，本发明提供了一种多相永磁同步电机绕组设计方法。
一种高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，
应用在电机内定子或外定子上的绕组绕线方式，所述绕组绕线方式采用分数槽相组集中绕线方式，所述分数槽相组集中绕线方式包括内外定子采用相同方式接法或不同方式接法；
其中，相同方式接法为内外定子均采用星-星接法，所述不同方式接法为外定子采用星-星接法，内定子采用星-五角星接法。
进一步地，所述外定子采用星-星接法，具体为：A、B、C、D、E五相的两个相组分别依次首尾连接，进线端连接第一个相组，第二个相组的出线端构成短接，形成星-星连接方式。
进一步地，所述内定子采用星-星接法，具体为：a、b、c、d、e五相的两个相组分别依次首尾连接，进线端连接第一个相组，第二个相组的出线端构成短接，形成星-星连接方式；
进一步地，所述内定子采用星-五角星接法，具体为：a、b、c、d、e五相主绕组的一端作为进线端，构成星形连接，另一端与副绕组相连，副绕组之间构成五角星形连接，形成星-五角星连接方式。
更进一步地，若采用五相永磁同步电机，所采用的极槽配合为20槽22极。
更进一步地，所述a、b、c、d、e五相主绕组的一端作为进线端，构成星形连接，具体为：a相第一相组主绕组进线端、第一内定子槽、第二内定子槽、第十二内定子槽、第十一内定子槽和a相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；b相第一相组主绕组进线端、第三内定子槽、第四内定子槽、第十四内定子槽、第十三内定子槽和b相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；c相第一相组主绕组进线端、第五内定子槽、第六内定子槽、第十六内定子槽、第十五内定子槽和c相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；d相第一相组主绕组进线端、第七内定子槽、第八内定子槽、第十八内定子槽、第十七内定子槽和d相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；e相第一相组主绕组进线端、第九内定子槽、第十内定子槽、第二十内定子槽、第十九内定子槽和e相第二相组主绕组出线端依次首尾连接。
更进一步地，所述另一端与副绕组相连，副绕组之间构成五角星形连接，形成星-五角星连接方式，具体为：a相第一相组主绕组另一端、第二内定子槽、第三内定子槽、a相第二相组副绕组进线端、a相第二相组副绕组出线端、第十三内定子槽、第十二内定子槽、d相第一相组主绕组另一端、第八内定子槽、第九内定子槽、d相第二相组副绕组进线端、d相第二相组副绕组出线端、第十九内定子槽、第十八内定子槽、b相第一相组主绕组另一端、第四内定子槽、第五内定子槽、b相第二相组副绕组进线端、b相第二相组副绕组出线端、第十五内定子槽、第十四内定子槽、e相第一相组主绕组另一端、第十内定子槽、第十一内定子槽、e相第二相组副绕组进线端、e相第二相组副绕组出线端、第一内定子槽、第二十内定子槽、c相第一相组主绕组另一端、第六内定子槽、第七内定子槽、c相第二相组副绕组进线端、c相第二相组副绕组出线端、第十七内定子槽、第十六内定子槽和a相第一相组主绕组出线端依次首尾连接。
进一步地，所述内外定子均采用双层绕组。
进一步地，所述内外定子上每个嵌线槽中均放置有一个上层绕组和一个下层绕组，同一嵌线槽中的上层绕组和下层绕组间设有绝缘材料。
进一步地，所述内外定子均为分数槽集中绕组，即每极每相槽数小于1，每个线圈的两个线圈边嵌放于相邻两个定子槽中。
第二个方面，本发明提供了一种电机。
一种电机，绕组采用第一方面所述的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法设计得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出了一种高容错性多相分数槽集中绕组设计方法，分数槽集中绕组是指每个齿上的线圈单独绕制，集中组装，即每个线圈的两个有效边放置在相邻定子槽中，聚磁效果更好，降低了绕组铜损，有利于缩短电机轴向长度。
本发明所述的绕组采用星-星接法和星-五角星接法，具有制造工艺简单、易于实现的优势。同时增加绕组层数可以降低低次高幅值谐波分量，可以提高电机的凸极比，并使磁阻转矩分量最大化。
本发明中内外定子采用不同的绕组结构，通过改变绕组的连接方式使得内外定子绕组的各相相位相同，串联或者并联运行时会调整为单多相结构，从而在构建控制系统时只需要采用一套控制器，降低系统复杂度。
本发明中槽满率高、启动性能好、可以消除高幅值低次谐波，具有较高的绕组系数，节约电机制造成本，有效抑制转矩脉动，降低电机损耗，提高电机的功率密度、电磁转矩和容错性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一示出的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法；
图2为本发明实施例二示出的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法；
图3为本发明实施例三示出的槽电动势星形图及相带划分；
图4(a)为本实施例三示出的电机外定子绕组接线示意图；
图4(b)为本实施例三示出的电机内定子绕组接线示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例一
本实施例提供了一种高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法。
一种高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，应用在电机内定子或外定子上的绕组绕线方式，所述绕组绕线方式采用分数槽相组集中绕线方式，所述分数槽相组集中绕线方式包括内外定子采用相同方式接法或不同方式接法；
其中，相同方式接法为内外定子均采用星-星接法，所述不同方式接法为外定子采用星-星接法，内定子采用星-五角星接法。
具体地，本实施例所述的一种多相永磁同步电机绕组及设计方法，该结构设置在电机的内外定子上，内外定子均采用相同的双层相组集中绕线方式，具有较高的绕组系数。以20槽22极双气隙五相电机为例，将定子按照顺时针方向对外定子槽和内定子槽按照1-20、21-40分别编号，所述绕线方法有两种。
实施例一
如图1所示，所述第一种绕线方法如下：
A1：A1-1，1-2，2-3，3-2，2-12，12-11，11-12，12-13，13-A2；
B1：B1-5，5-6，6-7，7-6，6-16，16-15，15-16，16-17，17-B2；
C1：C1-9，9-10，10-11，11-10，10-20，20-19，19-20，20-1，1-C2；
D1：D1-13，13-14，14-15，15-14，14-4，4-3，3-4，4-5，5-D2；
E1：E1-17，17-18，18-19，19-18，18-8，8-7，7-8，8-9，9-E2；
a1：a1-21，21-22，22-23，23-22，22-32，32-31，31-32，32-33，33-a2；
b1：b1-25，25-26，26-27，27-26，26-36，36-35，35-36，36-37，37-b2；
c1：c1-29，29-30，30-31，31-30，30-40，40-39，39-40，40-21，21-c2；
d1：d1-33，33-34，34-35，35-34，34-24，24-23，23-24，24-25，25-d2；
e1：e1-37，37-38，38-39，39-38，38-28，28-27，27-28，28-29，29-e2。
其中，数字表示定子槽编号，符号“-”表示绕组线圈从符号“-”前数字对应的定子槽连接到符号“-”后数字对应的定子槽，A2、B2、C2、D2、E2为各相出线端并同时接地。
实施例二
如图2所示，所述第二种绕线方法的外定子绕线如下：
A1：A1-1，1-2，2-3，3-2，2-12，12-11，11-12，12-13，13-A2；
B1：B1-5，5-6，6-7，7-6，6-16，16-15，15-16，16-17，17-B2；
C1：C1-9，9-10，10-11，11-10，10-20，20-19，19-20，20-1，1-C2；
D1：D1-13，13-14，14-15，15-14，14-4，4-3，3-4，4-5，5-D2；
E1：E1-17，17-18，18-19，19-18，18-8，8-7，7-8，8-9，9-E2。
其中，所述第二种绕线方法的内定子主绕组绕线如下：
a1：a1-21，21-22，22-32，32-31，31-a2；
b1：b1-23，23-24，24-34，34-33，33-b2；
c1：c1-25，25-26，26-36，36-35，35-c2；
d1：d1-27，27-28，28-38，38-37，37-d2；
e1：e1-29，29-30，30-40，40-39，39-e2。
副绕组绕线方法如下：
a1-22，22-23，23-a2，a2-33，33-32，32-d1，d1-28，28-29，29-d2，d2-39，39-38，38-b1，b1-24，24-25，25-b2，b2-35，35-34，34-e1，e1-30，30-31，31-e2，e2-21，21-40，40-c1，c1-26，26-27，27-c2，c2-37，37-36，36-a1。
定子绕组的设计可以输出最大的反电动势，从而提高功率密度和效率。这是因为一相内相邻绕组线圈被设计成极性相反的结构，考虑到永磁体中水平交替的磁化方向，每个绕组线圈的感应电动势将遵循相同的方向，从而产生最大的感应电动势矢量。
实施例三
结合实施例一，为了实现永磁同步电机的高性能，定子绕组是集中绕线方式，目的是提高绕组系数和减少端部绕线，提高电机效率，并且每相绕组采用模块化设计，同时该五相电机的两套定子绕组可以分别独立控制，采用双五相控制策略，可以进一步提高电机的容错能力。本实施例的设计原理如下：
将五相永磁同步电机的绕组按照图4(a)、图4(b)连接。
首先确定极槽配合，其公式依据为：
其中，Z为定子槽数，GCD(Z,2p)为定子槽数和极数的最大公约数，C为任意正整数。本实施例选用的五相绕组所对应的极槽配合为20槽22极。
如图3所示，槽电动势星形图按36°相带划分，单元电机内存在的谐波含量为v＝1，9，11，19，...
当五相永磁同步电机内的磁密非正弦时，在各相绕组感应出的反电动势也是非正弦的，假设磁密的瞬时表达式为：
B＝B1sin(ωt+α)+B3sin3(ωt+α)+B5sin5(ωt+α)+…
其中，Bi为i次谐波磁密。α为初相角。
根据电磁感应定律：
其中，e为反电动势，N为线圈匝数，Φ为磁链。
可知，反电动势瞬时表达式为：
其中，kwv为v次谐波的绕组因数。
以A相电流作参考，外定子各相绕组电流瞬时表达式：
其中，Im为各相电流幅值。
v次谐波各相磁动势为：
其中，q为一个线圈组的线圈数，Nc为各相线圈匝数。
当v＝5k(k＝1,3,5,…)即v＝5，15，25，…时，由于5次谐波和5的倍数次谐波在时间上同相位，而在空间上互差72°，合成磁动势为0。所以在五相对称绕组中合成磁动势不存在5次及5的倍数次谐波。
当v＝10k+1(k＝0,1,2,3,…)即v＝11，21，31，…时，
由于v次空间谐波的极对数为基波的v倍，当极对数增加时，旋转磁场的转速将减小v倍，v次空间谐波产生的旋转磁场以1/v的同步转速旋转，所以合成磁动势为一正弦分布、转速为n/v、幅值为4.5qkwvNcIm/v、转向与基波旋转磁动势相同的旋转磁动势。
当v＝10k-1(k＝1,2,3,…)即v＝9，19，29，…时，
合成磁动势为一正弦分布、转速为n/v、幅值为4.5qkwvNcIm/v、转向与基波旋转磁动势相反的旋转磁动势。
当v＝5k±2(k＝1,3,5,…)即v＝3，7，13，17，23，27，…时，
由于在时间和空间上互差72°，合成磁动势为0。所以在五相对称绕组中合成磁动势不存在5k±2次谐波。
其总磁动势为：
实施例四
结合实施例二，对于内定子，采用复合绕组，为了保证星形绕组和五角星形绕组具有相同的磁动势，根据安匝定律：
Nstar I1＝Npentacle I2
因此Npentacle＝1.902Nstar。
其中，Npentacle为星形绕组匝数，Nstar为五角星形绕组匝数。
内定子各相绕组电流瞬时表达式：
其中，Im1、Im2分别为主绕组和副绕组电流幅值。
v次谐波各相磁动势为：
因此，星形绕组和五角星形绕组总磁动势分别为：
其复合绕组总磁动势为：
各次谐波绕组系数计算公式为：
其中，Z0为各相绕组对应的槽数，αn为各电动势相量与投影轴线之间的夹角。各次谐波绕组系数如表1所示：
表1不同绕线方法的各次谐波绕组系数kwv
由此可见，二者的基波磁动势均具有较高的绕组系数，其中，第二种绕线方法消除了9、11次谐波。
根据本发明的实施例，还可以将该绕组设计方法应用到三相、七相、九相等其他多相电机当中。
关于星-五角星形接法绕组电枢磁动势谐波的计算缺乏系统研究，本实施例针对电枢绕组磁动势进行推导，从而得出消除高幅值低次谐波的机理，实践表明这种绕组连接方式对消除定子磁动势谐波是非常有效的。
实施例五
本实施例提供了一种电机，绕组采用第一个方面或第二个方面所述的高容错性多相永磁同步电机绕组的设计方法设计得到。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，其特征在于，
应用在电机内定子或外定子上的绕组绕线方式，所述绕组绕线方式采用分数槽相组集中绕线方式，所述分数槽相组集中绕线方式包括内外定子采用相同方式接法或不同方式接法；
其中，相同方式接法为内外定子均采用星-星接法；所述外定子采用星-星接法，具体为：A、B、C、D、E五相的两个相组分别依次首尾连接，进线端连接第一个相组，第二个相组与出线端构成短接，形成星-星连接方式；
所述不同方式接法为外定子采用星-星接法，内定子采用星-五角星接法；所述外定子采用星-星接法，具体为：a、b、c、d、e五相的两个相组分别依次首尾连接，进线端连接第一个相组，第二个相组与出线端构成短接，形成星-星连接方式；
或，
所述内定子采用星-五角星接法，具体为：a、b、c、d、e五相主绕组的一端作为进线端，构成星形连接，另一端与副绕组相连，副绕组之间构成五角星形连接，形成星-五角星连接方式；若采用五相永磁同步电机，所采用的极槽配合为20槽22极。
2.根据权利要求1所述的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，其特征在于，所述a、b、c、d、e五相主绕组的一端作为进线端，构成星形连接，具体为：a相第一相组主绕组进线端、第一内定子槽、第二内定子槽、第十二内定子槽、第十一内定子槽和a相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；b相第一相组主绕组进线端、第三内定子槽、第四内定子槽、第十四内定子槽、第十三内定子槽和b相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；c相第一相组主绕组进线端、第五内定子槽、第六内定子槽、第十六内定子槽、第十五内定子槽和c相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；d相第一相组主绕组进线端、第七内定子槽、第八内定子槽、第十八内定子槽、第十七内定子槽和d相第二相组主绕组出线端依次首尾连接；e相第一相组主绕组进线端、第九内定子槽、第十内定子槽、第二十内定子槽、第十九内定子槽和e相第二相组主绕组出线端依次首尾连接。
3.根据权利要求1所述的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，其特征在于，所述另一端与副绕组相连，副绕组之间构成五角星形连接，形成星-五角星连接，具体为：a相第二相组主绕组出线端、a相第一相组副绕组进线端、第二内定子槽、第三内定子槽、a相第一相组副绕组出线端、a相第二相组副绕组进线端、第十三内定子槽、第十二内定子槽、a相第二相组副绕组出线端、d相第一相组副绕组进线端、第八内定子槽、第九内定子槽、d相第一相组副绕组出线端、d相第二相组副绕组进线端、第十九内定子槽、第十八内定子槽、d相第二相组副绕组出线端、b相第一相组副绕组进线端、第四内定子槽、第五内定子槽、b相第一相组副绕组出线端、b相第二相组副绕组进线端、第十五内定子槽、第十四内定子槽、b相第二相组副绕组出线端、e相第一相组副绕组进线端、第十内定子槽、第十一内定子槽、e相第一相组副绕组出线端、e相第二相组副绕组进线端、第一内定子槽、第二十内定子槽、e相第二相组副绕组出线端、c相第一相组副绕组进线端、第六内定子槽、第七内定子槽、c相第一相组副绕组出线端、c相第二相组副绕组进线端、第十七内定子槽、第十六内定子槽、c相第二相组副绕组出线端和a相第一相组副绕组进线端依次首尾连接。
4.根据权利要求1所述的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，其特征在于，所述内外定子均采用双层绕组。
5.根据权利要求1所述的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，其特征在于，所述内外定子上每个嵌线槽中均放置有一个上层绕组和一个下层绕组，同一嵌线槽中的上层绕组和下层绕组间设有绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的高容错性多相永磁同步电机绕组设计方法，其特征在于，所述内外定子均为分数槽集中绕组，即每极每相槽数小于1，每个线圈的两个线圈边嵌放于相邻两个定子槽中。
7.一种电机，其特征在于，包括绕组，所述绕组采用权利要求1-6任一项所述的高容错性多相永磁同步电机绕组的设计方法设计得到。
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