CN114977558B - 一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法 - Google Patents

一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，通过对所要求电机的功率，查手册得知适配的磁极极数；基于傅里叶级数，对真分数槽的磁场进行分析，得到绕组的谐波短距系数表达式；利用查手册得知的极数，选择一系列槽数，并计算每个槽数对应的绕组的5次谐波短距系数；把这些系数对应的槽数按照一正一负的方式两两组合；将以上组合写成形成如(Q1,Q2)i的序列对，i表示第i个序列；考察每个序列对，要满足Q1＞Q2，不满足的舍去；比较任意两个序列对，Q1的绕组的5次谐波短距系数绝对最小的即为最优。本发明可显著节省电机的设计时间，节约了计算资源。

Description

一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法
技术领域
本发明涉及电机设计方法技术领域，尤其涉及一种基于削弱6倍频纹波转矩的双定子表贴式真分数槽永磁同步电动机内外定子槽数配合的选定方法。
背景技术
双定子永磁同步电动机是一种具有内外两个定子的永磁同步电动机，其转子呈现杯状。相较于传统的单定子永磁同步电动机，其具有更高功率密度的特点，因而被广泛应用在需要低速大转矩的工业场景中。
转矩脉动是一项衡量电动机输出性能好坏的关键指标，越低的转矩脉动意味着电动机输出性能越好，输出越稳定。转矩脉动中6倍频纹波转矩是危害较大的，对于传统的永磁同步电动机，在电机极数一定的时候，有较为成熟的为了削弱6倍频转矩脉动的槽数选择方案，但是对于双定子永磁同步电动机，两个定子使得传统的槽数选择方法不再能够适用，因此必须综合考虑内外两个定子槽数对电机6倍频纹波转矩的影响。
发明内容
本发明针对双定子表贴式真分数槽永磁同步电动机内外定子槽数如何选择的问题，提供一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，是基于傅里叶分析的，为了削弱6倍频纹波转矩，对所需要的双定子永磁同步电动机内外定子槽数的优化选择方法，这种方法可以在电机设计的时候快速选择最佳的内外定子槽数配合，节约了采用有限元逐次验证的时间，加快了电机设计的进程。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，包括如下步骤：
S1、根据目标电机额定输出功率，从电机设计手册上查找电机适配的极数；
S2、对于采用真分数槽电机，为了更好地利用材料，提高电机材料利用率，在电机极数一定的情况下，取一系列使电机每极每相槽数为真分数的槽数；
S3、将步骤S2中槽数中每个槽数对应对应若干个单元电机，单元电机的个数因电机极数和槽数不同而不同，在一个单元电机的范围内，建立集中绕组单个线圈归一化后的磁动势在空间中的分布模型；
S4、将单个线圈在空间中归一化后的磁动势进行傅里叶分解，得到不同谐波阶次下的绕组的谐波短距系数的表达式；
S5、在选定好一系列槽数的情况下，确定目标电机可划分成的单元电机个数，并根据绕组的谐波短距系数的表达式，计算每个槽数下对应的绕组的5次谐波短距系数，与其它次数相比，5次表征纹波转矩更明显；
S6、将计算得到的谐波短距系数系数进行两两组合，且每个组合中一正一负；
S7、将以上组合写成形成如(Q1,Q2)i的序列对，其中Q1为外定子的槽数，Q2为内定子的槽数，i为正整数，i表示第i个序列对，对任意两个序列对，外定子槽数和内定子槽数，其中一个不同，这两个序列对就不同；
S8、每个序列对中，要满足条件：Q1＞Q2，对以上序列对按此方式筛选，不满足的舍去，比较任意两个保留下来的序列对，Q1对应的绕组短距谐波系数绝对值最小时，筛选得到最后的序列对即为最优方案。
作为本发明进一步优化的方案，所述步骤S2中将电机分成若干单元电机，单元电机的个数t为定子槽数与极对数的最大公倍数，即t＝GCD(Q,p)，其具体值需要根据槽数确定；
作为本发明进一步优化的方案，步骤S2中槽数Q的取值范围在[2p-1,2p+11]内；
作为本发明进一步优化的方案，步骤S3中一个单元电机的范围在[-π/t,π/t]；
作为本发明进一步优化的方案，步骤S3中单个线圈的磁动势Fc在空间中分布为：
其中：Q为内定子或者外定子槽数，t为单元电机个数，θ是空间位置角，f1和f2分别为θ在不同范围内的磁动势取值；
作为本发明进一步优化的方案，步骤S4中傅里叶分解得到绕组的5次谐波短距系数表达式为：
其中：d表示短距，5表示阶次，Q为内定子或者外定子槽数，t为单元电机个数。
本发明的构思是：通过对所要求电机的功率，查手册得知适配的磁极极数；基于傅里叶级数，对真分数槽的磁场进行分析，得到绕组的谐波短距系数表达式；利用查手册得知的极数，选择一系列槽数，并计算每个槽数对应的绕组的5次谐波短距系数；把这些系数对应的槽数按照一正一负的方式两两组合；将以上组合写成形成如(Q1,Q2)i的序列对，i表示第i个序列；考察每个序列对，要满足Q1＞Q2，不满足的舍去；比较任意两个序列对，Q1的绕组的5次谐波短距系数绝对最小的即为最优。本发明可显著节省电机的设计时间，节约了计算资源。
与已有技术相比，本发明的优点体现在：
同时考虑了内外定子槽数不一致时，对电机6倍频纹波转矩的影响，避免了利用有限元法对待定的槽数逐个排列组合、一一考察，为电机的设计节约了大量的时间。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明基于傅里叶级数的双定子表贴式真分数槽永磁同步电动机内外定子槽数配合优化选择的流程示意图；
图2是双定子电机结构图；
图3是本发明中定子槽数为21槽时的一个线圈磁动势在空间中的分布；
图4是本发明中定子槽数为15槽时的一个线圈磁动势在空间中的分布；
图5是本发明中定子槽数为24槽时的一个线圈磁动势在空间中的分布；
图6是本发明中定子槽数为27槽时的一个线圈磁动势在空间中的分布；
图7是本发明中选取不同内外定子槽数配合即序列对时的电机6倍频纹波转矩幅值对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解对本发明的限制。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，本发明公开一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，该双定子结构如图2所示，其包括以下步骤：
(1)设计一台额定功率为4.5kW，工作频率为10Hz的双定子表贴式真分数槽永磁同步电动机的内外定子槽数配合，通过查阅设计手册，具体的，该手册为《实用异步电动机设计、安装与维修》，杨万青著，机械工业出版社出版，可知该等级的电机可取电机极对数p为8；
(2)由于极数为2p＝16，在电机极数一定的情况下，取一系列使电机每极每相槽数为真分数的槽数，定子槽数的选定范围是[16-1,16+11]，在本例中选择15、21、24以及27槽，这些槽数对应的单元电机数t分别为：1、1、8、1；
(3)步骤S2中槽数中每个槽数对应对应若干个单元电机，单元电机的个数因电机极数和槽数不同而不同，在一个单元电机的范围内，建立集中绕组单个线圈归一化后的磁动势在空间中的分布模型；其中一个单元电机的范围在[-π/t,π/t]；
根据每个槽数对应的单元电机数计算单个线圈的磁动势Fc在空间中分布为：
其中：Q为内定子或者外定子槽数，t为单元电机个数，θ是空间位置角(如图2所示θ是空间位置角，需要注意的是图2仅仅是给了示意图，θ是一个抽象的东西)，f1和f2分别为θ在不同范围内的磁动势取值；
得到空间中的磁动势分布，如图3-图6所示分别绘制出21、15、24以及27槽数下单个线圈对应的磁动势空间分布图，且图3-6中横坐标的范围就是上文提到的该单元电机的范围；
(4)根据公式(其中：d表示短距，5表示阶次，Q为内定子或者外定子槽数，t为单元电机个数)计算以上槽数对应的绕组的5次谐波短距系数，将各自对应的单元电机数和槽数代入kd5表达式中进行计算，每个槽数对应的、系数结果如表1所示；
表1
槽数 15 21 24 27
系数 0.5 -0.293 -0.866 -0.991
(5)将求出的系数按一正一负将槽数两两组合得到：21槽和15槽、24槽和15槽以及27槽和15槽以及15槽和24槽、15槽和27槽，6个组合；
(6)以上组合写为：(21，15)1、(24，15)2、(27，15)3以及(15，24)4、(15，27)5；；
(7)对以上序列对进行考察，发现(15，24)以及(15，27)这两个序列对的第一个数字小于第二个数字不符合要求，舍去；
(8)在表1中，通过比较，发现21槽对应的绕组的5次谐波短距系数绝对值最小，因而在以上所选的内外定子槽数最优的方案为外定子21槽，内定子15槽。
图7是有限元方法下的6倍频纹波转矩，也就是频率为60Hz的转矩关系随不同内外定子槽数配合的变化，有限元仿真时间为两个周期0.2s，仿真步长为0.2ms。其中外定子21槽、内定子15槽6倍频纹波最小，验证了本发明的方法。
其中，由于考察的是三相电机，因此步骤(2)中可以采取多个在选定范围内为3整数倍的数字作为槽数，此处只选择了4个。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据目标电机额定输出功率，从电机设计手册上查找电机适配的极数；
S2、对于采用真分数槽电机，根据S1中选取的级数，取一系列使电机每极每相槽数为真分数的槽数；
S3、将S2中槽数中每个槽数对应若干个单元电机，在一个单元电机的范围内，建立集中绕组单个线圈归一化后的磁动势在空间中的分布模型；
S4、将单个线圈在空间中归一化后的磁动势进行傅里叶分解，得到不同谐波阶次下的绕组的谐波短距系数的表达式；
S5、在选定好一系列槽数的情况下，确定目标电机划分成的单元电机个数，并根据绕组的谐波短距系数的表达式，计算每个槽数下对应的绕组的5次谐波短距系数；
S6、将计算得到的谐波短距系数系数进行两两组合，且每个组合中一正一负；
S7、将以上组合写成形成如(Q1,Q2)i的序列对，其中Q1为外定子的槽数，Q2为内定子的槽数，Q1不等于Q2，i为正整数，(Q1,Q2)i表示第i个序列对；
S8、每个序列对中，要满足条件：Q1＞Q2，对以上序列对按此方式筛选，不满足的序列对舍去，比较任意两个保留下来的序列对，Q1对应的绕组短距谐波系数绝对值最小时，筛选得到最后的序列对即为最优方案。
2.根据权利要求1所述的双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，其特征在于，步骤S2中槽数的取值范围在[2p-1,2p+11]内，其中p为电机极对数。
3.根据权利要求1所述的双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，其特征在于，步骤S3中将电机分成若干单元电机，单元电机的个数t为定子槽数与极对数的最大公倍数，即t＝GCD(Q,p)。
4.根据权利要求1所述的双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，其特征在于，步骤S3中，一个单元电机的范围在[-π/t,π/t]。
5.根据权利要求1所述的双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，其特征在于，步骤S3中，单个线圈的磁动势Fc在空间中分布为：
其中：Q为内定子或者外定子槽数，t为单元电机个数，θ是空间位置角，f1和f2分别为θ在不同范围内的磁动势取值。
6.根据权利要求1所述的双定子真分数槽永磁同步电动机槽数配合的选定方法，其特征在于，步骤S4中，傅里叶分解得到绕组的5次谐波短距系数表达式为：
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