CN117767624A - 一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，属于电机技术领域，该双定子轴向磁通永磁电机包括定子甲、转子和定子乙，定子甲与定子乙分置于转子两侧，定子甲与定子乙空间上错开θ＝15°电角度，每个定子均包括在空间上依次相差β＝30°电角度的三相星接绕组和三相角接绕组，星接绕组连接在角接绕组的三个顶点，定子甲与定子乙各含六相绕组，每个定子对外呈现三相，定子甲与定子乙中对应相的绕组电流在时间上相差φ＝15°。本发明构建的双三相星角混连绕组电机具有十二相电机谐波含量少的特点，且具有转矩脉动低、振动噪声低的优点。

Description

一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机。

背景技术

双定子轴向磁通电机具有散热性能好、功率密度高、结构扁平的优点，适合电动汽车、舰船舱底泵等高功率密度、低噪声场合的运行要求，但传统的三相双定子轴向磁通电机转矩波动较大，也不满足高可靠性的容错运行要求。多相电机(如12相、15相)具有功率密度高、转矩波动小的特点，同时还可实现冗余容错运行。但多相电机对变频驱动器提出了更高的要求，相数越多，变频驱动器设计难度越大；同时，多相电机对极数和槽数的配合有一定的要求，相数越多，可供选择的极槽配合越少。

为了降低电机容错运行时电枢绕组磁动势谐波大的问题，专利(专利号ZL202210144695.5)提出了一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，该电机由两个多相定子组成，具有较多的极槽选择方案、转矩脉动低、转子涡流损耗小的特点，但该种结构的多相电机存在如下问题：1)多相数增加了变频驱动器的设计难度；2)较多的电源引接端子。

上述的技术问题还需进一步解决，为此，本发明提供了一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机。

发明内容

本发明提供了一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，以解决现有技术中存在的技术问题：(1)多相数增加了变频驱动器的设计难度；(2)较多的电源引接端子。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，包括机壳，机壳内部设置有转动组件、端盖组件、定子甲和定子乙，转动组件穿设于端盖组件的中间，定子甲和定子乙对称设置于端盖组件内部；

定子甲包括定子铁心甲、星接绕组甲、角接绕组甲，定子铁心甲上开设定子槽甲，星接绕组甲和角接绕组甲均置于定子槽甲内，星接绕组甲和角接绕组甲均为三相对称绕组，星接绕组甲和角接绕组甲在圆周方向上依次相差β＝30°电角度，星接绕组甲的三相分别连接在角接绕组甲的三个顶点；

定子乙包括定子铁心乙、星接绕组乙、角接绕组乙，定子铁心乙上开设定子槽乙，星接绕组乙和角接绕组乙均置于定子槽乙内，星接绕组乙和角接绕组乙均为三相对称绕组，星接绕组乙和角接绕组乙在圆周方向上依次相差β＝30°电角度，星接绕组乙的三相分别连接在角接绕组乙的三个顶点。

可选地，定子甲与定子乙沿圆周方向上错开θ＝15°电角度；定子甲与定子乙的绕组对外呈现三相。

可选地，定子甲中的星接绕组甲的匝数N_1Y和角接绕组甲的匝数N_1△的关系为定子乙中的星接绕组乙的匝数N_3Y和角接绕组乙的匝数N_3△的关系为

可选地，端盖组件包括端盖甲和端盖乙，端盖甲和端盖乙均固定在机壳上；转动组件包括转子、轴承和转轴，其中，转子固定在转轴上，转子与定子甲、定子乙及机壳之间均存在间隙，转轴通过轴承与固定有定子甲的端盖甲和固定有定子乙的端盖乙转动配合。

可选地，转子包括永磁体和转子盘，转子盘上开设磁极安装孔，永磁体嵌置于磁极安装孔内，相邻两块永磁体的充磁方向d相异。

可选地，转子盘为不导磁材料。

相较于现有技术，本发明的优点效果如下：

(1)本发明提出的双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机具有十二相电机的特点，消除了5、7、11、13次的低次电枢磁动势谐波；

(2)本发明提出的双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机每个定子对外呈现的接线端子是三相，简化电机的引出线；

(3)本发明提出的双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机输出平均转矩高、转矩波动低。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1为本发明双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机三维图；

图2为本发明双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机定子甲图；

图3为本发明双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机的单元电机展开图；

图4为本发明双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机双三相星角混连绕组图；

图5为本发明双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机转子结构图；

图6为本发明的电机的电枢磁场频谱图；

图7为本发明的电机的电磁转矩图。

附图标号说明：

1-定子甲；2-转子；3-定子乙；4-轴承；5-转轴；6-端盖甲；7-端盖乙；8-机壳；11-定子铁心甲；12-星接绕组甲；13-角接绕组甲；14-定子槽甲；21-永磁体；22-转子盘；23-磁极安装孔；31-定子铁心乙；32-星接绕组乙；33-角接绕组乙；34-定子槽乙。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，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；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本实施例提供了一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，如图1至图7所示，包括：机壳8，机壳8内部设置有转动组件、端盖组件、定子甲1和定子乙3，转动组件穿设于端盖组件的中间，定子甲1和定子乙3对称设置于端盖组件内部；

定子甲1包括定子铁心甲11、星接绕组甲12、角接绕组甲13，定子铁心甲11上开设定子槽甲14，星接绕组甲12和角接绕组甲13均置于定子槽甲14内，星接绕组甲12和角接绕组甲13均为三相对称绕组，星接绕组甲12和角接绕组甲13在圆周方向上依次相差β＝30°电角度，星接绕组甲12的三相分别连接在角接绕组甲13的三个顶点；定子甲1中的绕组布置位置和连接方式只存在12j+1次谐波，j＝0、±1、±2…，消除了三相电机中对5、7次等低次谐波。

定子乙3包括定子铁心乙31、星接绕组乙32、角接绕组乙33，定子铁心乙31上开设定子槽乙34，星接绕组乙32和角接绕组乙33均置于定子槽乙34内，星接绕组乙32和角接绕组乙33均为三相对称绕组，星接绕组乙32和角接绕组乙33在圆周方向上依次相差β＝30°电角度，星接绕组乙32的三相分别连接在角接绕组乙33的三个顶点，定子乙3中的绕组布置位置和连接方式只存在12j+1次谐波，j＝0、±1、±2…，消除了三相电机中对5、7次等低次谐波。

示例性地，如图1所示，本发明提供一种双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机，包括定子甲1、转子2、定子乙3、轴承4、转轴5、端盖甲6、端盖乙7、机壳8，定子甲1固定在端盖甲6上，定子乙3固定在端盖乙7上，端盖甲6和端盖乙6固定在机壳7两侧，转子2固定在转轴5上，定子甲1与定子乙3镜像分置于转子2两侧，并将其中一个定子沿着圆周方向旋转某一角度，转子2与定子甲1、定子乙3及机壳5之间均存在间隙，转轴5通过轴承4与固定有定子甲1的端盖甲6和固定有定子乙3的端盖乙7转动配合；

如图2和图3所示，定子甲1包括定子铁心甲11、星接绕组甲12、角接绕组甲13，定子铁心甲11上开设定子槽甲14，星接绕组甲12和角接绕组甲13均置于定子槽甲14内；星接绕组甲12包含A_1Y、B_1Y、C_1Y、-A_1Y、-B_1Y、-C_1Y，其中A_1Y与-A_1Y表示A_1Y相线圈的两条边(说明：为叙述方便，在这里用线圈的一条边代表一相，即用A_1Y代表A_1Y与-A_1Y组成的一相线圈，B、C相均做相同处理)，B_1Y与-B_1Y表示B_1Y相线圈的两条边，C_1Y与-C_1Y表示C_1Y相线圈的两条边，角接绕组甲13包含A_1△、B_1△、C_1△、-A_1△、-B_1△、-C_1△，其中A_1△与-A_1△表示A_1△相线圈的两条边，B_1△与-B_1△表示B_1△相线圈的两条边，C_1△与-C_1△表示C_1△相线圈的两条边，星接绕组甲12和角接绕组甲13中相对应的相在圆周方向上依次相差β＝30°电角度，图3是12槽2极电机(为图2中48槽8极电机的单元电机，48槽8极电机包含四个单元电机)的展开图，每个槽距角为360°/12＝30°，所以A_1Y、B_1Y、C_1Y与A_1△、B_1△、C_1△相隔一个槽，在圆周方向上依次相差30°电角度；星接绕组甲12和角接绕组甲13均为三相对称绕组，也即，A_1Y、B_1Y、C_1Y三相在空间上互差120°电角度，A_1△、B_1△、C_1△三相在圆周方向上互差120°电角度；如图4所示，A_1△、B_1△、C_1△三相绕组首尾顺次连接，构成三角形，星接绕组甲12的三相分别连接在角接绕组甲13的三个顶点；

如图3所示，定子乙3包括定子铁心乙31、星接绕组乙32、角接绕组乙22，定子铁心乙31上开设定子槽乙34，星接绕组乙32和角接绕组乙33均置于定子槽乙34内，星接绕组乙32和角接绕组乙33均为三相对称绕组(星接绕组乙32三相表示符号为A_3Y、B_3Y、C_3Y，角接绕组乙33三相表示符号为A_3△、B_3△、C_3△)，星接绕组乙32和角接绕组乙33中相对应的相在圆周方向上依次相差β＝30°电角度；如图4所示，A_3△、B_3△、C_3△三相绕组首尾顺次连接，构成三角形，星接绕组乙32的三相分别连接在角接绕组乙33的三个顶点。

在一种可能的实施例中，如图3所示，定子甲1与定子乙3在圆周方向上错开θ＝15°电角度；定子甲与定子乙的绕组对外呈现三相。

示例性地，转子2两侧的定子甲1与定子乙3在圆周方向上错开θ＝15°电角度；如图4所示，定子甲1与定子乙3的绕组对外呈现三相，定子甲1三相出线端为A₁、B₁、C₁，定子乙3三相出线端为A₃、B₃、C₃。

在一种可能的实施例中，如图1所示，定子甲1中的星接绕组甲12的匝数N_1Y和角接绕组甲13的匝数N_1△的关系为定子乙3中的星接绕组乙32的匝数N_3Y和角接绕组乙33的匝数N_3△的关系为/>

示例性地，如图2、图3和图4所示，定子甲1中的星接绕组甲12的匝数N_1Y和角接绕组甲13的匝数N_1△的关系为定子乙3中的星接绕组乙32的匝数N_3Y和角接绕组乙33的匝数N_3△的关系为/>

在一种可能的实施例中，如图1所示，端盖组件包括端盖甲6和端盖乙7，端盖甲6和端盖乙7均固定在机壳8上；转动组件包括转子2、轴承4和转轴5，其中，转子2固定在转轴5上，转子2与定子甲1、定子乙3及机壳8之间均存在间隙，转轴5通过轴承4与固定有定子甲1的端盖甲6和固定有定子乙3的端盖乙7转动配合。

在一种可能的实施例中，如图1所示，转子2包括永磁体21和转子盘22，转子盘22上开设磁极安装孔23，永磁体21嵌置于磁极安装孔23内，相邻两块永磁体21的充磁方向d相异。

示例性地，如图5所示，所述转子2包括永磁体21和转子盘22，转子盘22上开设磁极安装孔23，永磁体21嵌置于磁极安装孔23内，相邻两块永磁体21的充磁方向d相异，本实施例中设置有八块永磁体21，表示该电机为八极电机。

在一种可能的实施例中，如图5所示，转子盘22为不导磁材料。

如图1、图2和图3所示，定子铁心甲11上的定子槽甲14槽数与定子铁心乙31上的定子槽乙34槽数相等，图中示例电机的槽数S＝48，极对数p＝4(极数为2p＝8)。

如图3所示，星接绕组甲12、角接绕组甲13、星接绕组乙32、角接绕组乙33所占据的槽数均相等。

如图3所示，图3出示了48槽8极电机的一个单元电机的绕组布置图，其他三个单元电机的绕组布置如图3完全相同，星接绕组甲12、角接绕组甲13、星接绕组乙32、角接绕组乙33的两条边均跨距为六个槽(12槽2极电机的极距为六个槽)，所以为整距绕组，整距绕组的节距系数为1，绕组完全被利用，不同于三相电机为了削弱5、7谐波而采用短距绕组，其节距系数小于1，所以本实施例的电机，在相同电流下输出转矩更大。

如图3和图4所示，A_1△、A_3△、A_1Y、A_3Y绕组依次相差θ＝15°电角度，假设，A_1△绕组为0°，则A_3△绕组位于-15°、A_1Y绕组位于-30°、A_3Y绕组位于-45°；根据电路知识可知，A_1△绕组中电流相位超前A_1Y绕组30°电角度，A_3△绕组中电流相位超前A_3Y绕组30°电角度，假设A_1Y绕组中电流初始相位为-30°、A_3Y绕组中电流初始相位为-45°，则A_1△绕组中电流相位为0°、则A_3△绕组中电流相位为-15°；同理，其他相的绕组空间位置和电流相位也有类似关系；可见，如果图4中定子甲1与定子乙3中的相应绕组端口A₁与A₃、B₁与B₃、C₁与C₃电流在时间上相差由电机绕组理论可知，本实施例中的电机能达到十二相电机相同的效果，进而能够消除5、7、11、13等低次谐波。

本实施例中的电机的极数和槽数的关系模型为：q＝S/6p＝2k(k＝1,2,3，…)，式中，S表示电机中任一定子的槽数，p表示电机极对数，q为不为零的偶数。图1、图2和图3是针对q＝2(q＝S/6p＝48/(6×4)＝2)而言的，A_1Y、B_1Y、C_1Y、-A_1Y、-B_1Y、-C_1Y、A_1△、B_1△、C_1△、-A_1△、-B_1△、-C_1△以及A_3Y、B_3Y、C_3Y、-A_3Y、-B_3Y、-C_3Y、A_3△、B_3△、C_3△、-A_3△、-B_3△、-C_3△均连续占据一个槽；如果q＝4(假设24槽2极电机)，A_1Y、B_1Y、C_1Y、-A_1Y、-B_1Y、-C_1Y、A_1△、B_1△、C_1△、-A_1△、-B_1△、-C_1△以及A_3Y、B_3Y、C_3Y、-A_3Y、-B_3Y、-C_3Y、A_3△、B_3△、C_3△、-A_3△、-B_3△、-C_3△均连续占据二个槽，每个线圈两条边均跨距为十二个槽(24槽2极电机的极距为十二个槽)。

A_1△、A_3△、A_1Y、A_3Y绕组依次相差θ＝15°电角度可以让定子甲1和定子乙3中的某些次谐波相抵消，如11次、13次，最终，电机气隙中只存在24j+1次谐波，j＝0、±1、±2…。

图6是本实施例中电机借助有限元仿真得到的电枢反应磁场频谱图，可见，与传统3相电机比较，消除了5、7、11、13次谐波。

图7是本实施例中电机电磁转矩的有限元仿真结果，可见，与传统三相电机比较，电磁转矩平均值增大了约5.5％，而转矩波动有极大的降低。

本实施例提供的一种双三相星角混连绕组双定子轴向磁通永磁电机消除了低次电枢磁动势谐波，降低了变频驱动器的设计难度，具有更多的极、槽选择方案，同时具有输出转矩大、转矩脉动低的优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，包括机壳(8)，机壳(8)内部设置有转动组件、端盖组件、定子甲(1)和定子乙(3)，转动组件穿设于端盖组件的中间，定子甲(1)和定子乙(3)对称设置于端盖组件内部，其特征在于：

定子甲(1)包括定子铁心甲(11)、星接绕组甲(12)、角接绕组甲(13)，定子铁心甲(11)上开设定子槽甲(14)，星接绕组甲(12)和角接绕组甲(13)均置于定子槽甲(14)内，星接绕组甲(12)和角接绕组甲(13)均为三相对称绕组，星接绕组甲(12)和角接绕组甲(13)在圆周方向上依次相差β＝30°电角度，星接绕组甲(12)的三相分别连接在角接绕组甲(13)的三个顶点；

定子乙(3)包括定子铁心乙(31)、星接绕组乙(32)、角接绕组乙(33)，定子铁心乙(31)上开设定子槽乙(34)，星接绕组乙(32)和角接绕组乙(33)均置于定子槽乙(34)内，星接绕组乙(32)和角接绕组乙(33)均为三相对称绕组，星接绕组乙(32)和角接绕组乙(33)在圆周方向上依次相差β＝30°电角度，星接绕组乙(32)的三相分别连接在角接绕组乙(33)的三个顶点。

2.根据权利要求1所述的双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，其特征在于：定子甲(1)与定子乙(3)沿圆周方向错开θ＝15°电角度；定子甲(1)与定子乙(3)的绕组对外呈现三相。

3.根据权利要求1所述的双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，其特征在于：定子甲(1)中的星接绕组甲(12)的匝数N_1Y和角接绕组甲(13)的匝数N_1△的关系为定子乙(3)中的星接绕组乙(32)的匝数N_3Y和角接绕组乙(33)的匝数N_3△的关系为/>

4.根据权利要求1所述的双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，其特征在于：

端盖组件包括端盖甲(6)和端盖乙(7)，端盖甲(6)和端盖乙(7)均固定在机壳(8)上；

转动组件包括转子(2)、轴承(4)和转轴(5)，其中，转子(2)固定在转轴(5)上，转子(2)与定子甲(1)、定子乙(3)及机壳(8)之间均存在间隙，转轴(5)通过轴承(4)与固定有定子甲(1)的端盖甲(6)和固定有定子乙(3)的端盖乙(7)转动配合。

5.根据权利要求4所述的双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，其特征在于，转子(2)包括永磁体(21)和转子盘(22)，转子盘(22)上开设磁极安装孔(23)，永磁体(21)嵌置于磁极安装孔(23)内，相邻两块永磁体(21)的充磁方向d相异。

6.根据权利要求5所述的双三相星角混连绕组的双定子轴向磁通永磁电机，其特征在于，转子盘(22)为不导磁材料。