CN104052180B - 一种多重对称绕组磁通切换电机及其绕组设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多重对称绕组磁通切换电机及其绕组设计方法，该方法在发挥磁通切换电机绕组互补性的基础上，以每相感应电势最大化为原则，并通过优选相邻两套对称绕组之间的相位差，依次获得一相绕组的线圈构成、一套对称绕组的线圈组成以及所有相绕组的线圈连接形式。本发明的绕组设计方法思路明确，操作简单，本发明的多重对称绕组磁通切换电机具有空载感应电势正弦度高、绕组利用率高、转矩出力大和电磁转矩脉动小的特点，体现出优越的电机性能。

Description

一种多重对称绕组磁通切换电机及其绕组设计方法

技术领域

本发明属于电机绕组结构设计领域，涉及一种多重对称绕组磁通切换电机及其绕组设计方法。

背景技术

磁通切换型永磁电机具有转矩(功率)密度高、效率高、转子结构坚固等特性，特别适用于高性能驱动及高速应用领域。随着应用场合对电机***功率等级、容错运行和可靠性等性能要求的不断提高，多相磁通切换型永磁电机越来越成为国内外各大高校与研究机构的重点课题，因为它不仅保留了普通三相磁通切换型永磁电机的优点，还在以下四个方面具有显著优势：

(1)在大功率应用场合，每相绕组所分配的功率等级在功率器件可承受范围内，使得标准功率模块能够直接使用。

(2)可靠性提高。对于对称m相电机，相邻两相矢量之间的相位差为2π/m。当某相绕组发生故障时，故障相所造成的功率损失占总体比例较小，增强了电机的容错性能；对于由x套中性点独立的n相对称绕组所组成的多相电机，当某相绕组发生故障时，直接切断该相绕组所在的该套n相对称绕组，即可使电机在不改变控制算法的情况下依然能够正常运行。

(3)随着相数的增加，由逆变器提供的电枢绕组电流所引起的空间谐波磁场幅值减小，从而可以减小转矩脉动。

(4)通过特定的定转子齿槽配合，可以有效增大定位力矩的频率，进而减小定位力矩的幅值，减小电机转矩脉动。

然而，转矩脉动在永磁电机中是不可避免的问题，产生转矩脉动的主要原因有：定位力矩、每相空载感应电势谐波、直轴、交轴电感变化引起的磁阻转矩和加载的电枢电流波形畸变等。

现有磁通切换电机的绕组设计方法仅根据槽导体电势星形图和绕组互补性原则设计每相电枢绕组线圈的连接，并最终将多重对称绕组设计成完全对称分布的结构。该方法能够在一定程度上减少感应电势的谐波分量，从而提高每相感应电势的正弦度，但仍存在以下问题：谐波感应电势无法完全消除，因此由谐波感应电势引起的转矩脉动仍然存在；即使谐波感应电势可以忽略不计，但由电枢电流的谐波分量所引起的转矩脉动仍比较严重；不能保证每相空载感应电势具有较高的绕组因数，影响了每相空载感应电势基波分量的幅值和电机出力。

发明内容

技术问题：本发明提供一种每相绕组空载感应电势总谐波畸变率较小、电磁转矩平均值较高、且能有效抑制由空载感应电势或电枢电流中奇次谐波分量引起的电磁转矩脉动的多重对称绕组磁通切换电机，同时提供一种该电机的绕组设计方法。

技术方案：本发明的多重对称绕组磁通切换电机绕组设计方法，针对多相磁通切换电机的x套n相对称绕组进行设计，包括如下步骤：

1)根据电机绕组总相数m和线圈总个数N确定每相的线圈个数为N/m，然后将具有绕组互补性的两个线圈连接成一个线圈组，将感应电势相位差最小的N/(2m)个线圈组连接成一相绕组，从而得到第一相绕组的线圈构成，其中电枢绕组线圈总个数N为总相数m的偶数倍，即N＝2km，k为正整数；

2)根据n相对称绕组中各相绕组之间的相位关系，即一套n相对称绕组中相邻两相绕组之间的相位差为2π/n，确定与所述第一相绕组在同一套对称绕组的其他n-1相绕组的线圈构成，从而得到第一套n相对称绕组的构成；

3)根据下式确定相邻两套n相对称绕组之间的相位差θ_set：

其中，x为多重对称绕组磁通切换电机中n相对称绕组的个数，且x、n均为大于1的整数。

4)根据所述步骤3)中确定的相位差θ_set，以及其他对称绕组与第一套对称绕组的相位关系(i-1)θ_set，依次确定其他x-1套对称绕组的线圈构成，其中i为对称绕组的序号，第一套对称绕组的序号取i＝1，其他x-1套对称绕组的序号为i＝2,3,…,x。

本发明方法中，步骤1)中，在将具有绕组互补性的两个线圈连接成一个线圈组时，如果两互补线圈的空载感应电势相位差为180°，则反向串联；如果两互补线圈的空载感应电势相位差为0°，则正向串联。

本发明的多重对称绕组磁通切换电机，采用x套n相对称绕组，相邻两套n相对称绕组之间的相位差θ_set为：

其中，x为多重对称绕组磁通切换电机中n相对称绕组的个数，x、n均为大于1的整数，电机的总相数m＝xn，线圈总个数N为总相数的偶数倍，即N＝2km，k为正整数。

本发明多重对称绕组磁通切换电机的中，n相对称绕组由感应电势相位差最小的N/(2m)个线圈组连接成，线圈组由具有绕组互补性的两个线圈连接而成。

本发明多重对称绕组磁通切换电机的上述优选方案中，如果两个互补线圈的空载感应电势相位差为180°，则反向串联；如果两个互补线圈的空载感应电势相位差为0°，则正向串联。

本发明方法用于指导绕组线圈连接、每相绕组组成形式以及x套n相对称绕组之间相位差的选择，目的在于尽量增大空载感应电势基波绕组因数，减小谐波分量，并且抵消每套n相对称绕组电磁转矩的最大脉动分量，降低多相磁通切换型永磁电机的转矩脉动。本发明旨在提高电机绕组因数和空载感应电势正弦性的同时，减小转矩脉动，适用于发电机设计和电动机设计，既适合于纯永磁励磁电机，也适用于纯电励磁电机及混合励磁电机。

有益效果：与现有技术相比，本发明在考虑槽导体电势星形图和绕组互补性的基础上，将多相绕组的设计转化为多重对称绕组的设计。在本发明中，多相绕组的分布不再局限于完全对称结构，而是通过推导转矩脉动与相邻两套对称绕组之间的相位差的关系，以消除最大转矩脉动分量为目的，获得最优的相位差，使电机实现以下的优点：

1)采用互补连接，使得每相绕组空载感应电势的偶次谐波分量基本抵消，剩下的奇次谐波分量较小，使得每相绕组空载感应电势的总谐波畸变率较小，相应地减小谐波引起的转矩脉动分量；

2)每相绕组由感应电势相位差最小的线圈组连接而成，因而每相绕组空载感应电势的基波绕组因数高，接近1，使得每相空载感应电势的基波分量幅值得到有效提高，从而提高电机电磁转矩的平均值；

3)相邻两套n相对称绕组之间的相位差由对称绕组的相数n和套数x唯一确定，且计算公式简单明了，绕组设计步骤易操作；

4)通过合理设计相邻两套n相对称绕组之间的相位差，空载感应电势中的奇次谐波分量引起的电磁转矩脉动得到进一步抑制，减小电机的抖动，从而提高电机运行的稳定性；

5)通过合理设计相邻两套n相对称绕组之间的相位差，电枢绕组中加载电流的奇次谐波分量引起的转矩脉动得到有效抑制。由于电枢电流由逆变器供给电机电枢绕组，其中不可避免存在谐波分量，严重影响电机转矩输出的稳定性。本发明的绕组设计方法，可以针对电枢电流中的奇次谐波分量引起的转矩脉动进行抑制或消除，有效提高了电机转矩质量，并降低对逆变器输出特性的要求，为电机的控制带来便利。

附图说明

图1(a)是一台定子24槽转子22极磁通切换型永磁电机的横向剖视结构示意图。

图1(b)是一台定子24槽转子22极磁通切换型永磁电机的槽导体空载感应电势星形图。其中，线圈n’与n极性相反，相邻槽导体的电势矢量相位差为150°(电角度)。

图2(a)是一台定子24槽转子22极磁通切换型永磁电机两套三相对称绕组互差30°的绕组矢量分布。

图2(b)是一台定子24槽转子22极磁通切换型永磁电机两套三相对称绕组互差60°的绕组矢量分布。

图3是一台定子24槽转子22极磁通切换型永磁电机在图2两种绕组分布下的转矩特性。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种多重对称绕组磁通切换电机，包括定子1、转子4和转轴5，转子4与定子1相对，且转子4和定子1之间有间隙，转轴5固定连接在转子4上。所述的定子1和转子4均为凸极结构。定子1包括定子铁心单元和集中式电枢绕组线圈2。每个定子铁心单元包括两个U形定子铁心101和一块永磁体3，永磁体3嵌至在两个U形定子铁心101之间。永磁体3切向充磁，且相邻的两块永磁体3的充磁方向相反。相邻的两个定子铁心单元之间形成定子槽102。集中式电枢绕组线圈2穿过位于定子铁心单元两侧的定子槽102，缠绕在定子铁心单元上。电枢绕组线圈2的数量等于定子铁心单元的数量。定、转子铁心由导磁材料制成。永磁体3由永磁材料制成，优选由钕铁硼、铁氧体，或者钐钴制成。

进一步，所述的电枢绕组线圈2的总数量N为总相数m的偶数倍，即N＝2km，k为正整数。

进一步，所述的转子4可位于定子1的内部，也可位于定子1的外部。

进一步，所述的多重对称绕组磁通切换电机既可以为纯永磁励磁电机，亦可以为纯电励磁电机，或混合励磁电机，包括在线充退磁记忆电机，并且，该电机既可以作发电运行，又可以作电动运行。

与传统的磁通切换电机不同，本发明提出的多重对称绕组磁通切换电机，其电枢绕组可以分解成x套n相对称绕组，该电机的总相数m＝xn，x、n为大于1的整数，故该电机又称x重n相对称绕组磁通切换电机。

本发明的创新之处为：该磁通切换电机的x重n相对称绕组采用本发明公开的绕组设计方法，具体的实施方案如下：

1)首先根据总相数m和线圈总个数N确定每相的线圈个数为N/m，通常每两个线圈连接成一个线圈组，那么每相的线圈组个数为N/(2m)。基于槽导体电势星形图，将具有绕组互补性的每两个线圈串联成一个线圈组(若两个互补线圈的空载感应电势相位差为180°，则反向串联；若两个互补线圈的空载感应电势相位差为0°，则正向串联)，由此一共形成N/2个线圈组，每个线圈组中的两个线圈感应电势的相位差为0°或180°，因此线圈组感应电势基波分量的分布因数为1，并且单个线圈感应电势中的偶次谐波分量相互消掉，使得线圈组空载感应电势的谐波含量降低；然后以每相绕组感应电势最大化为原则，将线圈组感应电势相位差最小的N/(2m)个线圈组连接成一相绕组，从而得到第一相绕组的线圈构成。

2)根据n相对称绕组中各相绕组之间的相位关系，即一套n相对称绕组中相邻两相绕组之间的相位差为2π/n，确定与所述第一相绕组在同一套对称绕组的其他n-1相绕组的线圈构成，从而得到第一套n相对称绕组的构成。

3)确定相邻两套n相对称绕组之间的相位差。由x套n相对称绕组的电磁转矩公式可知，转矩脉动分量与相邻两套对称绕组之间的相位差有关。为简化推导过程，这里仅考虑由感应电势或电枢电流奇次谐波引起的转矩脉动，并且忽略幅值很小的脉动分量。

n相对称绕组电磁转矩的脉动分量T_pulse可以表示为：

其中，T_2kn为2kn次转矩脉动分量的幅值，θ为转子位置电角度，为2kn次转矩脉动分量的初始相位角。

则x套n相对称绕组总电磁转矩的脉动分量T_{pulse_x}可以表示为x组n相对称绕组电磁转矩脉动分量的叠加：

由上式可知，相邻两套n相对称绕组电磁转矩的2kn次脉动分量的相位差为2knθ_set。要使x组2kn次转矩脉动分量相互抵消，则2knθ_set应满足如下关系式：

为消除最大转矩脉动分量，即k＝1时的2n次转矩脉动分量，相邻两套对称绕组之间的优选相位差θ_set可以由上式化简得：

说明当相邻两套对称绕组之间的相角差满足(4)时，即可抵消每套n相对称绕组中电磁转矩的最大脉动分量。

4)根据(4)中计算出的相位差，以及其他对称绕组与第一套对称绕组的相位关系(i-1)θ_set，依次确定其他x-1套对称绕组的线圈构成，其中i为对称绕组的序号，第一套对称绕组的序号取i＝1，其他x-1套对称绕组的序号为i＝2,3,…,x。

按照上述流程设计多相磁通切换电机的多重对称绕组，既可以保证电机获得正弦度较高的相空载感应电势，又能使得绕组因数较大，提高电磁转矩的平均值，同时可以减小电磁转矩的脉动率，获得较高质量的转矩输出。

以双重三相对称绕组磁通切换永磁电机为例，其常见的电机拓扑结构如图1(a)所示，定子上共24个集中式电枢绕组线圈，分别为电枢绕组线圈201、202、203、…、224。将这24个线圈设计成6相绕组形式，且可分解为两套三相对称绕组，即m＝6，x＝2，n＝3。具体的绕组设计流程如下：

1)根据总相数m＝6和线圈总个数N＝24确定每相绕组的线圈个数为4，每相的线圈组个数为2。根据定子24槽转子22极磁通切换型永磁电机的槽导体电势星形图，如图1(b)所示，首先判断并获得具有绕组互补性的线圈组合，分别是线圈201(线圈213)与线圈207(线圈219)、线圈202(线圈214)与线圈208(线圈220)、线圈203(线圈215)与线圈209(线圈221)、线圈204(线圈216)与线圈210(线圈222)、线圈205(线圈217)与线圈211(线圈223)、线圈206(线圈218)与线圈212(线圈224)，上述每个线圈组合中的两个线圈空载感应电势相位差为180°，通过反向串联，将两个互补线圈连接成一个线圈组，每个线圈不可重复组合，则一共形成12个相互独立的线圈组，分别是线圈201与线圈207、线圈202与线圈208、线圈203与线圈221、线圈204与线圈222、线圈205与线圈211、线圈206与线圈212、线圈213与线圈219、线圈214与线圈220、线圈215与线圈209、线圈216与线圈210、线圈217与线圈223、线圈218与线圈224。为保证相绕组感应电势基波分量的分布因数最接近1，将电势矢量相位差最小的两个线圈组连接成一相绕组。通过观察可知，线圈组201+207’与线圈组213+219’的电势矢量相位差为0°，则这两个线圈组串联形成的相绕组感应电势基波分量的分布因数为1，记该相绕组为A1。

2)在三相对称绕组中，B1、C1相绕组分别与A1相绕组相差+120°、-120°电角度，因而可以方便地获得B1、C1相绕组的线圈构成，如图2(a)所示。从而确定了第一套三相对称绕组A1、B1、C1的线圈连接方式。为体现本发明的绕组设计方法的优点，这里列出了按照现有技术得到的A1相绕组连接形式，如图2(b)所示，A1相由线圈组201+207’和线圈组208+202’构成，这两个线圈组的电势矢量相位差为30°电角度，因此A1相感应电势基波分量的分布因数为0.966，比根据本发明设计出的A1相绕组分布因数低。

3)确定两套三相对称绕组之间的相位差θ_set。下面通过理论分析，以一台双重三相对称绕组磁通切换永磁电机为例，推导其两套三相对称绕组之间的最优相位差。

对于三相对称交流同步电机，其电磁转矩表达式如下：

其中：T₀为电磁转矩的直流量，即平均电磁转矩，T_6k为6k次转矩脉动分量的幅值，θ为转子位置电角度，为6k次转矩脉动分量的初始相位角。可见，该电磁转矩由平均转矩分量和6的倍数次谐波转矩分量组成。

对于双重三相对称绕组磁通切换永磁电机而言，其电磁转矩可表示为两台三相对称绕组电机的电磁转矩叠加：

对(6)式采用和差化积公式，即可得到：

由(7)式可知，当cos(3kθ_set)＝0时，6k次转矩脉动分量即可被消除。因此，要想最大程度地减小转矩脉动，可以对最大转矩脉动分量T₆进行抵消，易得θ_set＝30°。因此，在双重三相对称绕组磁通切换永磁电机中，当两套三相绕组之间的相位差为30°时，电磁转矩的6次脉动分量完全消除，此时转矩脉动以12次脉动为主，且脉动幅值很小。

4)另一套三相对称绕组A2、B2、C2与第一套三相对称绕组A1、B1、C1之间的相位差为30°，那么A2超前(或滞后)A1相30°、B2超前(或滞后)B1相30°、C2超前(或滞后)C1相30°。再根据槽导体电势星形图，便可轻易确定A2、B2、C2相绕组的线圈构成，如图2(a)所示。从而确定了整个双重三相对称绕组磁通切换永磁电机的电枢绕组连接形式。

图2(a)为θ_set＝30°的不对称6相绕组分布(本发明的绕组设计方法)；图2(b)为θ_set＝60°的对称6相绕组分布(现有的绕组设计方法)。为说明本发明的绕组设计方法与现有的绕组设计方法相比具有优势，图3比较了双重三相对称绕组磁通切换电机在这两种绕组设计方法下的电磁转矩波形。通过比较可知，两套三相绕组在相位互差60°时，电磁转矩的脉动频率为基频的6倍，脉动幅值较大；当两套三相绕组相位互差30°时，电磁转矩的脉动频率为基频的12倍，脉动幅值很小，出力更大，从而验证了步骤3)的理论分析结果，体现出本发明的多重对称绕组磁通切换电机绕组设计方法具有创新性和优越性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多重对称绕组磁通切换电机的绕组设计方法，其特征在于，该方法针对多相磁通切换电机的x套n相对称绕组进行设计，包括以下步骤：

1)根据电机绕组总相数m和线圈总个数N确定每相的线圈个数为N/m，然后将具有绕组互补性的两个线圈连接成一个线圈组，将感应电势相位差最小的N/(2m)个线圈组连接成一相绕组，从而得到第一相绕组的线圈构成，其中电枢绕组线圈总个数N为总相数m的偶数倍，即N＝2km，k为正整数；

2)根据n相对称绕组中各相绕组之间的相位关系，即一套n相对称绕组中相邻两相绕组之间的相位差为2π/n，确定与所述第一相绕组在同一套对称绕组的其他n-1相绕组的线圈构成，从而得到第一套n相对称绕组的构成；

3)根据下式确定相邻两套n相对称绕组之间的相位差θ_set：

其中，x为多重对称绕组磁通切换电机中n相对称绕组的个数，且x、n均为大于1的整数；

4)根据所述步骤3)中确定的相位差θ_set，以及其他对称绕组与第一套对称绕组的相位关系(i-1)θ_set，依次确定其他x-1套对称绕组的线圈构成，其中i为对称绕组的序号，第一套对称绕组的序号取i＝1，其他x-1套对称绕组的序号为i＝2,3,…,x。

2.根据权利要求1所述的绕组设计方法，其特征在于，所述步骤1)中，在将具有绕组互补性的两个线圈连接成一个线圈组时，如果两互补线圈的空载感应电势相位差为180°，则反向串联；如果两互补线圈的空载感应电势相位差为0°，则正向串联。

3.一种多重对称绕组磁通切换电机，其特征在于，该电机采用x套n相对称绕组，相邻两套n相对称绕组之间的相位差θ_set为：

其中，x为多重对称绕组磁通切换电机中n相对称绕组的个数，x、n均为大于1的整数，电机的总相数m＝xn，线圈总个数N为总相数的偶数倍，即N＝2km，k为正整数。

4.根据权利要求3所述的多重对称绕组磁通切换电机，其特征在于，所述n相对称绕组由感应电势相位差最小的N/(2m)个线圈组连接成，所述线圈组由具有绕组互补性的两个线圈连接而成。

5.根据权利要求4所述的多重对称绕组磁通切换电机，其特征在于，如果两个互补线圈的空载感应电势相位差为180°，则反向串联；如果两个互补线圈的空载感应电势相位差为0°，则正向串联。