CN117856496B - 一种低短路电流的模块化双三相永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，属于永磁电机领域。定子沿周向均分成偶数个模块，第一套三相绕组分布于奇数模块中，第二套三相绕组分布于偶数模块中，第二套三相绕组滞后第一套三相绕组对应相30°相移角。本发明通过优化两套绕组的空间布局，使得每套三相绕组独立的分布于一个模块单元，两套绕组在空间上不存在交叠；虽然两套三相绕组采用了不同的连接方式，但不会影响反电势的对称性，而且极大地改善了传统双三相绕组短路电流较大的弊端，进而有效降低电机的绕组故障率。

Description

一种低短路电流的模块化双三相永磁电机

技术领域

本发明涉及多相电机领域，具体涉及到一种低短路电流的模块化双三相永磁电机。本发明适用于电动汽车、航空航天、医疗器械等对电机***可靠性要求较高的场合。

背景技术

双三相永磁同步电机具有高转矩密度、低转矩脉动等优点，在电动汽车、航空航天、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。然而，随着永磁电机的进一步发展，其可靠性问题愈发受到人们的重视。传统的双三相绕组仍然存在相间耦合大和短路电流高的缺陷，限制了其在高可靠电机领域的推广应用。

目前通过优化定子槽开口、引入磁障和增加转子极数等方法来减小电机短路电流，但是这些方法不仅需要调整原本的电机拓扑结构，而且也会增加电机漏磁，从而牺牲电机的转矩密度。

两套三相绕组间的相移角对永磁电机的电磁性能存在显著差异，当采用双三相30°相移结构时，由于其高基波绕组系数和转矩相位补偿的特点，永磁电机具有最佳的转矩性能。文献(IEEE Transactions on Industrial Electronics,DOI:10.1109/TIE.2017.2748035(Analysis of dual three-phase permanent-magnet synchronousmachines with different angledisplacements))提出一种新型的双三相15°相移结构，实现了永磁电机短路电流的有效抑制。然而，提出的15°相移结构难以获得与双三相30°相移结构相媲美的转矩性能，永磁电机在转矩性能和可靠性方面难以兼得。可见，优异的转矩性能和短路电流高构成了双三相永磁电机固有的矛盾问题。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，解决传统双三相绕组结构短路电流较大、两套绕组空间耦合严重的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，包括定子和转子，定子和转子之间存在气隙，永磁体均匀地分布于转子表面；定子沿周向均分成偶数个模块，第一套三相绕组分布于奇数模块中，第二套三相绕组分布于偶数模块中，第二套三相绕组滞后第一套三相绕组对应相30°相移角。

进一步的技术方案，所述模块化双三相永磁电机为48槽/8极永磁同步电机。

更进一步的技术方案，所述定子分成模块一、模块二、模块三和模块四。

更进一步的技术方案，第一套三相绕组分布于模块一和模块三上，第二套三相绕组分布于模块二和模块四。

更进一步的技术方案，对于第一套三相绕组，A1相的连接次序为：1→7→2→8→25→31→26→32，B1相的连接次序为：5→11→6→12→29→35→30→36，C1相的连接次序为：10→4→9→3→33→27→34→28；对于第二套三相绕组，A2相的连接次序为：14→20→15→21→38→44→39→45，B2相的连接次序为：18→24→19→13→42→48→43→37，C2相的连接次序为：23→17→22→16→47→41→46→40。

更进一步的技术方案，各相绕组系数为：

式中：k_wv表示v次谐波的绕组系数，Q表示电机定子槽数，v表示绕组函数谐波阶次，当v等于基波及其倍数次时，B2相的绕组系数与其他五相保持一致。

更进一步的技术方案，各相绕组的空载反电势为：

式中：θ_m表示转子空间位置，n(θ_m)和B_PM(θ_m,t)分别表示绕组函数和永磁磁密，R_g表示气隙半径，l_e表示电机叠长，B_k表示一对极下k次永磁磁密的幅值，ω表示电角速度，β_v表示对应空载反电势谐波阶次的初始相位角，N_v表示对应绕组函数谐波阶次的幅值，p表示电机的极对数。

更进一步的技术方案，A1相绕组自感的谐波含量为：

式中：μ₀表示真空磁导率，N为每相串联总匝数，α_v1和α_v2均为对应阶次下的初始相位角，为反气隙函数，/>表示转子位置相对A1相轴线的相位差，L_np和β_np分别为np次电感谐波的幅值和相位，v₁和v₂均为磁动势谐波阶次，k_wv1和k_wv2为对应阶次的绕组系数，n表示非0的偶数，L₀为电感的平均值，L_A1A1表示A1相自感值。

更进一步的技术方案，由短路电流的表达式，制动转矩稳态分量表示为：

式中：Ψ_m(0)为短路前的永磁磁密，R_A1表示A1相电阻，E₀为空载反电势幅值，σ₀为短路相和转子位置间的相位角，γ表示电机的功率因数角。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述绕组设计方法突破了传统上通过设置磁障的方式来实现绕组模块化分布的思路，避免了对原有电机拓扑结构的调整，拓宽了模块化绕组结构的应用领域；另外，所述绕组设计方法适用于任意转子类型，具有较好的稳健性与推广性。

(2)本发明采用单层绕组结构，通过绕组模块化设计，每个模块单元存在独立的一套三相绕组，模块间绕组具有天然的物理隔离，显现了较高的独立性；当电机发生故障时，可以通过切除故障所在相或者故障所在模块的绕组，实现电机的带故障运行。

(3)本发明所述绕组结构极大地抑制了电机短路电流及其产生的制动转矩，降低了短路故障对绕组线圈、永磁体的影响，减小了电机***的停机风险。

(4)本发明所述绕组结构下两套三相绕组间保留了转矩性能最优的30°相移角，且不影响电机反电势的对称性；当仅一套三相绕组单独作用时，气隙内不存在不平衡电磁力，电机仍具有较好的运行品质。

附图说明

图1为本发明实施例模块化双三相永磁电机截面图；

图2(a)为本发明实施例模块化双三相永磁电机电枢绕组三维分布图；

图2(b)为本发明实施例模块化双三相永磁电机电枢绕组1/2定子展开图；

图3(a)为本发明实施例模块化双三相永磁电机电枢第一套三相绕组连接图；

图3(b)为本发明实施例模块化双三相永磁电机电枢第二套三相绕组连接图；

图4(a)为本发明实施例模块化双三相永磁电机绕组槽矢量星型图(A1B1C1相)；

图4(b)为本发明实施例模块化双三相永磁电机绕组槽矢量星型图(A2B2C2相)；

图4(c)为本发明实施例模块化双三相永磁电机绕组槽电压矢量图；

图5(a)为本发明实施例模块化双三相永磁电机空载反电势曲线图；

图5(b)为本发明实施例模块化双三相永磁电机空载反电势频谱图；

图6(a)为本发明实施例模块化双三相永磁电机绕组磁动势绕组函数图；

图6(b)为本发明实施例模块化双三相永磁电机绕组磁动势频谱图；

图7为本发明实施例永磁电机采用不同绕组结构的A1相自感曲线图；

图8(a)为本发明实施例永磁电机采用不同绕组结构的短路电流幅值随转速变化图；

图8(b)为本发明实施例永磁电机采用不同绕组结构的1000r/min时短路电流曲线图；

图9(a)为本发明实施例永磁电机采用不同绕组结构在A1相短路后的交、直轴电流轨迹图；

图9(b)为本发明实施例永磁电机采用不同绕组结构在A1B1C1相短路后的交、直轴电流轨迹图；

图10为本发明实施例永磁电机采用不同绕组结构的制动转矩曲线图；

图11为本发明实施例模块化双三相永磁电机仅一套三相绕组激励时磁力线分布图；

图12为本发明实施例模块化双三相永磁电机正常与A1相开路时其他五相磁链曲线图；

图13(a)为本发明实施例永磁电机采用传统双三相绕组结构下电机正常与A1相短路时其他五相磁链曲线图；

图13(b)为本发明实施例永磁电机采用模块化双三相绕组结构下电机正常与A1相短路时其他五相磁链曲线图；

图14(a)为本发明实施例永磁电机第一套三相绕组激励时的气隙电磁力分布图；

图14(b)为本发明实施例永磁电机第二套三相绕组激励时的气隙电磁力分布图；

图中：1-定子，2-转子，3-永磁体，4-电枢绕组，5-气隙，6-1-第一套三相绕组，6-2-第二套三相绕组。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

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，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一种低短路电流的模块化双三相永磁电机包括定子1和转子2，定子1和转子2之间存在气隙5，定子1上绕有电枢绕组4，绕组类型是单层的分布整距绕组结构，定子1平均分成偶数个模块。因双三相永磁电机要具备单套绕组单独激励的运行工况，为避免单独运行时电机产生不平衡电磁力，一套三相绕组分布于奇数模块中，另一套三相绕组分布于偶数模块中。转子2为内置式V型结构，永磁体3采用平行交替充磁，均匀地分布于转子2表面，转子铁芯通过极靴对永磁体3进行机械固定，避免其发生脱落。

如图1所示，本发明所述实施例选择的对象为一台48槽/8极永磁同步电机，因此定子1均分成四个模块，即模块一、模块二、模块三和模块四。

图2(b)是实施例采用模块化双三相绕组结构时的1/2定子绕组空间分布图，所述模块化双三相永磁电机的电枢绕组4在定子1上呈模块化分布(图2(a))，每个模块单元均采用单独的三相绕组连接，且每相绕组的线圈不存在跨模块分布的问题。

具体来说，第一套三相绕组6-1分布于定子模块一和模块三上，第二套三相绕组6-2分布于定子模块二和模块四，两套三相绕组具有明显的物理隔离特点。

选取属于奇数模块的定子槽，绘制对应的槽矢量星型图，线圈跨距的选取按照基波短距系数最大为原则，确定第一套三相绕组的连接方式；选取属于偶数模块的定子槽，绘制对应的槽矢量星型图，将奇数模块下三相绕组的相位作为参考位置，第二套三相绕组滞后第一套三相绕组对应相30°相移角，从而确定偶数模块下第二套三相绕组的连接方式，完成模块化双三相永磁电机绕组设计。永磁电机采用模块化划分后，各定子模块拥有一套独立的三相绕组，不同模块间的线圈天然地存在物理隔离、热隔离，磁路上的耦合性也得到有效抑制；为实现两套三相绕组满足30°相移角，两套绕组分别采用不同的绕组连接方式，且不影响反电势的正对称。

图3(a)、(b)是实施例采用模块化双三相绕组结构的绕组连接图，对于第一套三相绕组6-1，A1相的连接次序为：1→7→2→8→25→31→26→32；B1相的连接次序为：5→11→6→12→29→35→30→36；C1相的连接次序为：10→4→9→3→33→27→34→28；对于第二套三相绕组6-2，A2相的连接次序为：14→20→15→21→38→44→39→45；B2相的连接次序为：18→24→19→13→42→48→43→37；C2相的连接次序为：23→17→22→16→47→41→46→40。本发明所述绕组设计方法不受转子结构和类型的束缚，可以是内转子结构，也可以是外转子结构，可以是表贴式类型，亦或是内置式类型。

明显地，两套三相绕组的连接方式存在区别，具体表现为B2相绕组在空间分布上与其他五相呈现不对称性。但是，由图4(a)、(b)所示的槽矢量电势星型图，B2相和其他五相的绕组系数可以表示成：

式中：Q表示电机定子槽数，v表示绕组函数谐波阶次，k_wv表示v次谐波的绕组系数。

将不同谐波阶次带入上式发现，当v等于基波及其倍数次时，B2相的绕组系数与其他五相保持一致。

空载反电势的表达式采用如下形式：

式中：θ_m表示转子空间位置，n(θ_m)和B_PM(θ_m,t)分别表示绕组函数和永磁磁密，R_g表示气隙半径，l_e表示电机叠长，B_k表示一对极下k次永磁磁密的幅值，ω表示电角速度，β_v表示对应空载反电势谐波阶次的初始相位角，N_v表示电枢绕组v^th绕组函数谐波幅值，p表示电机的极对数。

上述分析可知，当v等于基波及其倍数次时，B2相的绕组系数与其他五相保持一致，而永磁磁密对任意相来说也是相同的，因此，本发明所述模块化双三相结构不影响电机反电势的对称性，如图5(a)、(b)所示。B2相空载反电势的谐波含量与其他相一致，两套三相绕组在电气上互差30°(图4(c))，电机各套绕组均由标准的三相逆变器驱动，每个模块单元三相绕组的中性点相互隔离，互不影响。

在有限元软件中，基于相同尺寸参数的永磁电机，分别采用传统双三相结构和本发明所述的模块化双三相绕组结构，进行包括短路电流在内的电磁性能分析，比较不同绕组结构下的各项电磁性能，验证本发明的有效性。

图6(a)是本实施例电机采用模块化双三相绕组结构的绕组函数图，电机两套绕组的绕组函数曲线在空间上基本不存在交叠，最大程度上降低了模块间的磁场耦合性。与传统绕组结构下各相绕组函数保持对称不同的是，B2相的绕组函数不对称于其他五相绕组，因此，原本因两套绕组磁动势对称分布而被消除的谐波将会存在。基于图6(b)比较结果，本实施例电机采用传统双三相绕组结构时，仅存在4次、44次、52次等谐波含量；而采用本发明所述的模块化双三相绕组结构，电枢磁动势谐波将包括2次、4次、6次、10次、12次等，即非8及其倍数的偶数次谐波。需要指出的是，新衍生的谐波阶次含量较低，不会对电机损耗带来明显的影响。根据绕组函数理论，绕组磁动势谐波对电机自感具有较大的影响，尤其是低阶次的谐波含量，具体可以写成：

式中：μ₀表示真空磁导率，N为每相串联总匝数，α_v1和α_v2均为对应阶次下的初始相位角，为反气隙函数，/>表示转子位置相对A1相轴线的相位差，L_np和β_np分别为np次电感谐波的幅值和相位，v₁和v₂均为磁动势谐波阶次，k_wv1和k_wv2为对应阶次的绕组系数，n表示非0的偶数。而电感的平均值L₀可以写成：

式中：g₀表示反气隙函数的直流分量。

对于确定的电机拓扑结构，谐波含量和谐波阶次是影响自感的主要因素，本实施例采用模块化双三相绕组结构后衍生出的低阶次磁动势谐波含量，可以有效提高电机的自感值，如图7所示。

当发生单相短路故障后，永磁电机会在短时间内产生较大的短路电流冲击，而后趋于稳定，具体表达式可以写成：

式中：R_A1和L_A1A1分别表示A1相电阻和自感值，E₀为空载反电势幅值，σ₀为短路相和转子位置间的相位角。

对于本实施例电机，不同绕组连接下电机相电阻基本一致，因此更大的自感值有利于降低电机的短路电流，尤其是高转速运行时，相电抗远大于相电阻，提高自感值后短路电流抑制效果更加明显。图8(a)、(b)是本实施例电机分别采用传统双三相绕组和模块化双三相绕组的短路电流比较，模块化双三相绕组下电机的短路电流得到显著抑制，甚至其瞬态短路电流峰值也小于传统结构的稳态短路电流峰值；具体地，比较了本实施例电机在1000r/min时的短路电流曲线，采用本发明所述的模块化双三相绕组结构，短路电流降低率为43.5％。图9(a)、(b)是本实施例电机在A1相发生短路后的交、直轴电流轨迹，采用模块化双三相绕组结构时电机的直轴电流更小，说明短路故障对永磁体的去磁效应更轻，电机永磁体发生不可逆退磁的风险更小；而在三相短路故障时，模块化双三相绕组结构减小短路电流的作用更加明显。

制动转矩表征了短路电流与反电势作用产生的转矩，其值越大对电机***的影响越恶劣。根据短路电流的表达式，制动转矩稳态分量可以写成：

式中：Ψ_m(0)为短路前的永磁磁密，γ表示电机的功率因数角。

图10为本实施例电机分别采用传统双三相绕组和模块化双三相绕组的制动转矩比较，模块化双三相绕组在制动转矩瞬态分量和稳态分量方面均显现了明显的抑制效果，电机发生故障后对***的冲击大大减小。

图11为本实施例电机采用所述模块化双三相绕组结构时第一套三相绕组单独激励时的磁力线分布图，与绕组空间位置相对应的是，其磁力线在空间上也主要分布于定子模块一和定子模块三，仅有少量磁力线存在跨模块分布的现象，模块单元间独立性高，磁力线耦合小。第二套三相绕组单独激励时的磁力线分布图与第一套三相绕组单独激励时的磁力线分布图近似，故不再单独示出。图12是本实施例电机采用模块化双三相绕组结构在正常工作和开路故障时的磁链曲线，本发明所述模块化双三相绕组结构在A1相发生开路故障时，其他正常相的磁链几乎不受影响，说明采用本发明提出的高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计方法，永磁电机模块间实现独立，容错性能大大提升。图13(a)、(b)比较了本实施例电机采用不同双三相绕组结构在正常工作和短路故障时的磁链曲线；传统双三相绕组结构在A1短路后，对其他相存在明显的影响，磁链的幅值和相位均受到较大干扰，各相磁链畸变严重，电机容错运行能力不足；而本发明所述的模块化双三相绕组结构在相同故障情况下，其他五相磁链的畸变率明显变小，电机的相间独立性更高。图14(a)、(b)为本实施例电机在采用模块化双三相绕组下仅一套三相绕组激励时的电磁力分布图，电磁力沿气隙圆周呈现出明显的轴对称，表明实施例电机不存在不平衡电磁力问题。

综上，本发明的一种低短路电流的模块化双三相永磁电机及其绕组设计方法，基于转矩性能最优的30°相移角，两套三相绕组采用模块化设计，分别采用不同的绕组连接方式，在不改变原有电机拓扑结构的情况下，使得每个模块单元拥有独立的一套三相绕组，两模块间基本不存在磁力线交叠，电机相间耦合得到有效抑制；通过引入微弱的低阶次磁动势谐波，极大地抑制了电机短路电流及其产生的制动转矩，当电机发生故障时，对正常相的干扰较小，通过切除故障相或故障所在模块，可以实现电机的带故障运行，提高电机可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，包括定子(1)和转子(2)，定子(1)和转子(2)之间存在气隙(5)，永磁体(3)均匀地分布于转子(2)表面；其特征在于：定子(1)沿周向均分成偶数个模块，第一套三相绕组分布于奇数模块中，第二套三相绕组分布于偶数模块中，第二套三相绕组滞后第一套三相绕组对应相30°相移角；

所述模块化双三相永磁电机为48槽/8极永磁同步电机；

所述定子(1)分成模块一、模块二、模块三和模块四；

第一套三相绕组分布于模块一和模块三上，第二套三相绕组分布于模块二和模块四；

对于第一套三相绕组，A1相的连接次序为：1→7→2→8→25→31→26→32，B1相的连接次序为：5→11→6→12→29→35→30→36，C1相的连接次序为：10→4→9→3→33→27→34→28；对于第二套三相绕组，A2相的连接次序为：14→20→15→21→38→44→39→45，B2相的连接次序为：18→24→19→13→42→48→43→37，C2相的连接次序为：23→17→22→16→47→41→46→40。

2.根据权利要求1所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，各相绕组系数为：

式中：k_wv表示v次谐波的绕组系数，Q表示电机定子槽数，v表示绕组函数谐波阶次，当v等于基波及其倍数次时，B2相的绕组系数与其他五相保持一致。

3.根据权利要求1所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，各相绕组的空载反电势为：

式中：θ_m表示转子空间位置，n(θ_m)和B_PM(θ_m,t)分别表示绕组函数和永磁磁密，R_g表示气隙半径，l_e表示电机叠长，B_k表示一对极下k次永磁磁密的幅值，ω表示电角速度，β_v表示对应空载反电势谐波阶次的初始相位角，N_v表示对应绕组函数谐波阶次的幅值，p表示电机的极对数。

4.根据权利要求3所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，A1相绕组自感的谐波含量为：

式中：μ₀表示真空磁导率，N为每相串联总匝数，α_v1和α_v2均为对应阶次下的初始相位角，为反气隙函数，/>表示转子位置相对A1相轴线的相位差，L_np和β_np分别为np次电感谐波的幅值和相位，v₁和v₂均为磁动势谐波阶次，k_wv1和k_wv2为对应阶次的绕组系数，n表示非0的偶数，L₀为电感的平均值，L_A1A1表示A1相自感值。

5.根据权利要求4所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，由短路电流的表达式，制动转矩稳态分量表示为：

式中：Ψ_m(0)为短路前的永磁磁密，R_A1表示A1相电阻，E₀为空载反电势幅值，σ₀为短路相和转子位置间的相位角，γ表示电机的功率因数角。