CN113890297B - 低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机 - Google Patents

低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机 Download PDF

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Abstract

低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，属于电机领域，本发明为解决采用分数槽集中绕组的五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，定子沿周向设置10个定子槽单元，五相绕组的绕制方式相同，且B相、C相、D相和E相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差72°、144°、216°和288°；每相绕组包括两组线圈，每组中的两对线圈在空间位置上相差180°，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧的2个单层绕组槽中，每对中的两个线圈绕制方向相反，线圈节距为γ；两组线圈串联为一组绕组；限定两组线圈在空间位置上的夹角ξ值和线圈节距γ值，用以削弱合成磁动势中近极次谐波的幅值。

Description

低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机
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
五相永磁同步电机***继承了传统三相永磁同步电机***高功率密度，高转矩密度，高功率因数和高效率的优点，而且由于其相数的增多，相比三相电机***具有更强的容错运行能力，更多的控制自由度，在航空航天，多电飞机，电动汽车和船舶推进等对设备可靠性要求较高的领域具有广阔的应用前景。但采用分数槽集中绕组的五相永磁同步电机定子绕组合成磁动势中含有较多的谐波，非工作次谐波相对于转子非同步旋转，因此在转子永磁体中感应出涡流，尤其对于表贴式五相永磁同步电机，永磁***于转子铁心表面，相比永磁***于转子铁心内部的内置式永磁同步电机，更容易受到定子绕组合成磁动势谐波的影响，从而产生较大的涡流损耗，导致电机的运行性能下降。
发明内容
本发明目的是为了解决采用分数槽集中绕组的五相永磁同步电机定子绕组合成磁动势中的谐波含量较大，尤其是近极次谐波幅值较高且相对转子非同步旋转，在转子永磁体中造成较大涡流损耗的问题，提供了一种低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机。
本发明所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部，
定子沿周向设置10个定子槽单元，每个定子槽单元包括4个单层绕组槽与2个双层绕组槽，五相绕组的绕制方式相同，且B相、C相、D相和E相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差72°、144°、216°和288°；
每相绕组包括两组线圈，每组中的两对线圈在空间位置上相差180°，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧的2个单层绕组槽中，每对中的两个线圈绕制方向相反，线圈节距为γ；两组线圈串联为一组绕组；
两组线圈在空间位置上的夹角为ξ，按限定条件：
Figure GDA0003746129760000021
确定ξ值，
然后按限定条件：
Figure GDA0003746129760000022
确定线圈节距γ值，
用以削弱合成磁动势中近极次谐波的幅值。
优选地，每个定子槽单元中，2个双层绕组槽位于左右边界，4个单层绕组槽对称设置在2个双层绕组槽之间，每相绕组的每对线圈绕制位置为：每对线圈设置在1个双层绕组槽和两侧的2个单层绕组槽中，其中1个单层绕组槽与该双层绕组槽间隔两个单层绕组槽，另1个单层绕组槽与该双层绕组槽间隔1个双层绕组槽。
优选地，以其中一对相邻两个双层绕组槽作为1号、2号槽，依此，沿周向依次定义出定子的60个定子槽的编号，其中40个单层绕组槽和20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，
按下述限定条件设置：
Figure GDA0003746129760000031
其中γ为线圈节距，ξ为每相绕组的两组线圈在空间位置上的夹角。
优选地，转子沿圆周方向设置22块永磁体，22块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁。
优选地，极对数为11的五相电机的近极次谐波为9次谐波，9次谐波的绕组因数k9按下式获取：
Figure GDA0003746129760000032
每相绕组的两组线圈在空间位置上的夹角ξ、线圈节距γ的限定下，9次谐波的绕组因数k9<0.1，以实现降低9次谐波幅值。
优选地，永磁体采用钕铁硼永磁材料构成；
优选地，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绕组径向磁通五相永磁同步电机。通过优化电机定子绕组的排布，降低了定子绕组通入基波电流时合成磁动势中的谐波含量，能够显著削弱合成磁动势中近极次谐波的幅值。对于转子极对数为11的五相电机，近极次谐波为9次谐波，近极次谐波幅值下降能够降低转子永磁体涡流损耗，减少永磁体在电机运行过程中的发热量，从而降低永磁体因高温发生不可逆退磁的风险，提升电机在运行过程中的可靠性。
附图说明
图1是本发明所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机示意图；
图2是电机A相绕组线圈组1和2之间的夹角示意图；
图3是电机绕组线圈节距示意图；
图4是电机定子铁心单元划分及槽号标定示意图；
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是当电机线圈节距γ＝15.75°，线圈组1和2之间的夹角ξ＝99°时定子绕组合成磁动势波形及谐波分析图，其中图11(a)为合成磁动势波形图，图11(b)为合成磁动势谐波分析图；
图12是当电机线圈节距γ＝16°，线圈组1和2之间的夹角ξ＝100°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是当电机线圈节距γ＝16°，线圈组1和2之间的夹角ξ＝99°时定子绕组合成磁动势波形及谐波分析图，其中图13(a)为合成磁动势波形图，图13(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1～13说明本实施方式，本实施方式所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，它包括机壳1、定子2、转子3、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之间有气隙，所述气隙长度为L；
定子沿周向设置10个定子槽单元，参见图4，顺时针方向分别为单元1～单元10，每个定子槽单元包括2个双层绕组槽和4个单层绕组槽，每个定子槽单元中，2个双层绕组槽位于左右边界，4个单层绕组槽对称设置在2个双层绕组槽之间，每相绕组的每对线圈绕制位置为：每对线圈设置在1个双层绕组槽和两侧的2个单层绕组槽中，其中1个单层绕组槽与该双层绕组槽间隔两个单层绕组槽，另1个单层绕组槽与该双层绕组槽间隔1个双层绕组槽。参见图3标记了线圈节距。
五相电机每相绕组包含8个线圈，以A相为例，将A相绕组的8个线圈分为两组，分别为A1线圈组和A2线圈组，A1线圈组中包括两对线圈，分别为A1-1、A1-2和A1-3、A1-4，A2线圈组中包括两对线圈，分别为A2-1、A2-2和A2-3、A2-4，每组中的两对线圈在空间位置上相差180°，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧的2个单层绕组槽中，每对中的两个线圈绕制方向相反，两组线圈串联为一组绕组；其余B相，C相，D相和E相可类似的分析。两线圈组在空间位置上的夹角为ξ(见附图2)，ξ满足下面的公式(1)：
Figure GDA0003746129760000051
A相绕组的8个线圈分别占据4个双层绕组槽和8个单层绕组槽，线圈节距为γ(见附图3)，线圈节距γ满足下面的公式(2)：
Figure GDA0003746129760000052
参见附图4，定子铁心包含60个槽，以其中一对相邻两个双层绕组槽作为1号、2号槽，依此，沿周向依次定义出定子的60个定子槽的编号，分别是40个单层绕组槽(槽3,4,5,6,9,10,11,12,15,16,17,18,21,22,23,24,27,28,29,30,33,34,35,36,39,40,41,42,45,46,47,48,51,52,53,54,57,58,59,60)和20个双层绕组槽(槽1,2,7,8,13,14,19,20,25,26,31,32,37,38,43,44,49,50,55,56)。以槽55与槽56之间的夹角为例定义双层绕组槽之间的夹角为λ1(见附图5)，以槽56与槽57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57与槽58，槽58与槽59，槽59与槽60之间的夹角为例定义单层绕组槽之间的夹角，其中槽57与槽58，槽59与槽60之间的夹角相等均为λ3，槽58与槽59之间的夹角为λ4；
电机A相，B相，C相，D相和E相绕组线圈的排布情况相同(见附图6，7，8，9，10)，B相、C相、D相和E相绕组在空间位置上相对于A相绕组依次相差72°、144°、216°、288°。
转子3包括转子铁心7和22块永磁体6，在转子铁心7的外圆表面沿圆周方向设置22块永磁体6，22块永磁体6充磁方向交替相反，所有永磁体6均沿径向充磁，永磁体6采用钕铁硼永磁材料构成。
极对数为11的五相电机的近极次谐波为9次谐波，9次谐波的绕组因数k9按下式获取：
Figure GDA0003746129760000061
每相绕组的两组线圈在空间位置上的夹角ξ、线圈节距γ的限定下，9次谐波的绕组因数k9<0.1，以实现降低9次谐波幅值。
下面以三个具体实施例来说明工作原理：
实施例1、根据限定条件，选择线圈节距为γ值、ξ值：γ＝15.75°，ξ＝99°，则双层绕组槽之间的夹角λ1为9°，单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角λ2为6.75°，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为4.5°，每个定子槽单元中的中间两个相邻单层绕组槽的夹角λ4为4.5°，
正常工作时，电机五相绕组依次通以如下余弦形式的电流：
Figure GDA0003746129760000062
其中：ia、ib、ic、id和ie分别为A、B、C、D和E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11所示。合成磁动势中近极次谐波(9次谐波)的幅值远低于工作次谐波(11次谐波)的幅值，证明采用低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机能够显著抑制合成磁动势中的近极次谐波。
低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机的绕组因数为：
Figure GDA0003746129760000063
其中：kn为不同次谐波的绕组因数；
n为谐波次数。下面以n＝9与n＝11两个绕组因数进行对比说明极对数为11的五相电机的近极次谐波抑制情况。
由于合成磁动势中的各次谐波的幅值与谐波绕组因数成正比，当γ＝15.75°，ξ＝99°时，k9＝0.0700，k11＝0.9935，可见，9次谐波的幅值相比11次谐波显著降低，降低电机合成磁动势空间谐波的基础上确保电机的输出转矩密度。通过优化电机定子绕组的排布，降低了定子绕组通入基波电流时合成磁动势中的谐波含量，能够显著削弱合成磁动势中近极次谐波的幅值。近极次谐波幅值下降能够降低转子永磁体涡流损耗，减少永磁体在电机运行过程中的发热量，从而降低永磁体因高温发生不可逆退磁的风险，提升电机在运行过程中的可靠性。
实施例2、根据限定条件，选择线圈节距为γ值、ξ值：γ＝16°，ξ＝100°，则双层绕组槽之间的夹角λ1为8°，单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角λ2为8°，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为4°，每个定子槽单元中的中间两个相邻单层绕组槽的夹角λ4为4°，
正常工作时，电机五相绕组依次通以如下余弦形式的电流：
Figure GDA0003746129760000071
其中：ia、ib、ic、id和ie分别为A、B、C、D和E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。合成磁动势中近极次谐波(9次谐波)的幅值远低于工作次谐波(11次谐波)的幅值，证明采用低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机能够显著抑制合成磁动势中的近极次谐波。
低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机的绕组因数为：
Figure GDA0003746129760000072
其中：kn为不同次谐波的绕组因数；
n为谐波次数。下面以n＝9与n＝11两个绕组因数进行对比说明极对数为11的五相电机的近极次谐波抑制情况。
由于合成磁动势中的各次谐波的幅值与谐波绕组因数成正比，当γ＝16°，ξ＝100°时，k9＝0，k11＝0.9836，可见，9次谐波的幅值相比11次谐波显著降低，降低电机合成磁动势空间谐波的基础上确保电机的输出转矩密度。通过优化电机定子绕组的排布，降低了定子绕组通入基波电流时合成磁动势中的谐波含量，能够显著削弱合成磁动势中近极次谐波的幅值。近极次谐波幅值下降能够降低转子永磁体涡流损耗，减少永磁体在电机运行过程中的发热量，从而降低永磁体因高温发生不可逆退磁的风险，提升电机在运行过程中的可靠性。
实施例3、根据限定条件，选择线圈节距为γ值、ξ值：γ＝16°，ξ＝99°，则双层绕组槽之间的夹角λ1为9°，单层绕组槽与双层绕组槽之间的夹角λ2为7°，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为4°，每个定子槽单元中的中间两个相邻单层绕组槽的夹角λ4为5°，
正常工作时，电机五相绕组依次通以如下余弦形式的电流：
Figure GDA0003746129760000081
其中：ia、ib、ic、id和ie分别为A、B、C、D和E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13所示。合成磁动势中近极次谐波(9次谐波)的幅值远低于工作次谐波(11次谐波)的幅值，证明采用低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机能够显著抑制合成磁动势中的近极次谐波。
低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机的绕组因数为：
Figure GDA0003746129760000082
其中：kn为不同次谐波的绕组因数；
n为谐波次数。下面以n＝9与n＝11两个绕组因数进行对比说明极对数为11的五相电机的近极次谐波抑制情况。
由于合成磁动势中的各次谐波的幅值与谐波绕组因数成正比，当γ＝16°，ξ＝99°时，k9＝0.0710，k11＝0.9957，可见，9次谐波的幅值相比11次谐波显著降低，降低电机合成磁动势空间谐波的基础上确保电机的输出转矩密度。通过优化电机定子绕组的排布，降低了定子绕组通入基波电流时合成磁动势中的谐波含量，能够显著削弱合成磁动势中近极次谐波的幅值。近极次谐波幅值下降能够降低转子永磁体涡流损耗，减少永磁体在电机运行过程中的发热量，从而降低永磁体因高温发生不可逆退磁的风险，提升电机在运行过程中的可靠性。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，永磁体6采用表贴式、Halbach阵列式或内置式结构。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，定子铁心4和转子铁心7均采用软磁复合材料铸成或硅钢片沿轴向叠压构成。

Claims (11)

1.低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，包括定子和转子，定子同轴设置于转子外部，极对数为11；
定子沿周向设置10个定子槽单元，每个定子槽单元包括4个单层绕组槽与2个双层绕组槽，五相绕组的绕制方式相同，且B相、C相、D相和E相绕组相对于A相绕组在空间位置上依次相差72°、144°、216°和288°；
每相绕组包括两组线圈，每组中的两对线圈在空间位置上相差180°，每对线圈设置在1个双层绕组槽及两侧的2个单层绕组槽中，每对中的两个线圈绕制方向相反，线圈节距为γ；两组线圈串联为一组绕组；
两组线圈在空间位置上的夹角为ξ，按限定条件：
Figure FDA0003826766930000011
确定ξ值，
然后按限定条件：
Figure FDA0003826766930000012
确定线圈节距γ值，
用以削弱合成磁动势中近极次谐波的幅值。
2.根据权利要求1所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，每个定子槽单元中，2个双层绕组槽位于左右边界，4个单层绕组槽对称设置在2个双层绕组槽之间，每相绕组的每对线圈绕制位置为：每对线圈设置在1个双层绕组槽和两侧的2个单层绕组槽中，其中1个单层绕组槽与该双层绕组槽间隔两个单层绕组槽，另1个单层绕组槽与该双层绕组槽间隔1个双层绕组槽。
3.根据权利要求2所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，以其中一对相邻两个双层绕组槽作为1号、2号槽，依此，沿周向依次定义出定子的60个定子槽的编号，其中40个单层绕组槽和20个双层绕组槽。
4.根据权利要求3所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，
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，
按下述限定条件设置：
Figure FDA0003826766930000021
其中γ为线圈节距，ξ为每相绕组的两组线圈在空间位置上的夹角。
5.根据权利要求1所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，转子沿圆周方向设置22块永磁体，22块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁。
6.根据权利要求5所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，极对数为11的五相电机的近极次谐波为9次谐波，9次谐波的绕组因数k9按下式获取：
Figure FDA0003826766930000022
每相绕组的两组线圈在空间位置上的夹角ξ、线圈节距γ的限定下，9次谐波的绕组因数k9<0.1，以实现降低9次谐波幅值。
7.根据权利要求5所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，永磁体采用钕铁硼永磁材料构成。
8.根据权利要求1所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，永磁体采用表贴式或内置式结构。
9.根据权利要求1所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，其特征在于，永磁体采用Halbach阵列式。
10.根据权利要求1所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，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。
11.根据权利要求1所述低空间谐波单双层绕组径向磁通五相永磁同步电机，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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