一种模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构

摘要

一种模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构，设定子槽数和绕组极对数分别为2Z和p，定子槽在圆周上均匀分布，定子上包含两套三相对称交流绕组，该绕组由传统单层分数槽集中绕组演变而来，每一套绕组的排列都与Z槽p对极的传统单层分数槽集中绕组相同，且两套绕组错开角度在机械上为线圈跨距的一半；绕组端部重叠区域在定子圆周上间隔分布，切割端部绕组非重叠区域所在的定子即可实现模块化。此发明能大大减少传统分数槽集中绕组磁动势中的非工作齿谐波含量，从而能降低电机损耗，平抑转矩脉动，减小噪声，同时具备分数槽集中绕组电机定子可模块化的优点，便于大型电机的制造、运输和装配，且相间互感小，有利于提高电机的容错能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构，属于电机技术领域。

背景技术

采用分数槽集中绕组的电机正在被越来越广泛地运用于各领域，相比传统的分布式绕组 电机，分数槽集中绕组电机具有转矩脉动小、反电势波形正弦度高、容错能力强、转矩密度 高、齿槽转矩低等优点。此外，由于分数槽集中绕组线圈端部不重叠，故这类电机的定子可 模块化，模块化可以降低电机的制造难度、提高槽满率，还能降低大型直驱式风力发电、舰 船推进等大电机应用场合的装配和维护成本。

但是，分数槽集中绕组磁动势中的非工作谐波含量多、幅值高，容易造成额外的转矩脉 动和转子损耗，这使得分数槽集中绕组在大电机应用过程中的散热、振动和噪声问题尤为突 出。分布式整数槽绕组和非集中分数槽绕组谐波成分较少，但两者定子圆周上所有位置的端 部绕组均重叠，无法对电机实现模块化，不利于大电机的生产、运输和维护。

因此，本发明从解决这一矛盾出发，提出了一种模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕 组结构，在消除大量非工作齿谐波的同时保留了集中绕组电机定子可模块化的优点。此外， 该模块化定子及其绕组结构还能提高电机的容错性，更有利于在对安全性和可靠性要求高的 领域中应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构， 在保留传统分数槽集中绕组电机可模块化、转矩脉动小、齿槽转矩小、容错能力强等优点的 同时，大大减少传统分数槽集中绕组磁动势中的非工作齿谐波含量，从而减小转矩脉动和转 子损耗。

技术方案：为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

设定子槽数为2Z，绕组极对数为p，定子包括电枢齿、容错齿、定子槽、绕组和非导磁 隔离层；绕组整体由两套三相对称交流绕组构成，每个定子槽内只含有一个线圈的圈边，线 圈端部重叠部分在定子圆周上的分布不连续，沿着相邻两个端部绕组重叠区域的交界处可把 定子切割成若干模块；相邻两个定子模块之间被非导磁隔离层隔开，每个定子模块内均只能 含有3个定子电枢齿，且定子模块的两端被容错齿所包围。

所述定子槽数2Z为4的倍数，每一套三相对称交流绕组的排列与Z槽p对极的传统单层 集中绕组相同。

绕组中所有线圈的跨距为两个定子电枢齿，两套三相绕组在机械上错开半个线圈跨距， 绕组中所通的两组三相对称电流错开的电角度为半个线圈跨距所对应的电角度。

定子模块的数量为Z/2个，每个定子模块内均只能含有两个相互重叠半个跨距的线圈， 且分别属于两个三相系统中的对应相同相。

本发明中所包含的端部重叠分数槽绕组为两套独立的单层分数槽集中绕组相互错开半个 线圈跨距后整合而成，考虑两组三相电流之间的相位差和各齿谐波的旋转方向后即可计算得 到两套独立绕组中各次齿谐波错开的角度。当两套绕组的某一次齿谐波错开角度为180°或 180°的奇数倍时，该次齿谐波即可被消除，否则不能被消除。经过分析可知，本发明中所指 的定子槽数和绕组极对数分别为2Z和p的模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构能 够消除Z槽p对极传统单层集中绕组中一半的齿谐波成分，大大提高了电枢磁场正弦度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

1.定子可模块化，有利于降低大型电机的生产、运输和维护成本，同时具备传统分数槽 集中绕组转矩脉动小、反电势波形正弦度高、转矩密度大、齿槽转矩小的优势；

2.电枢磁场非工作谐波含量大大低于传统分数槽集中绕组，故电机的转子损耗小；

3.端部绕组长度比分数槽集中绕组略有增加，但仍远小于分布式绕组，电机铜耗较低；

4.端部重叠分数槽绕组为双三相，且相间互感小，故容错能力较强。

附图说明

图1为一台采用模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构的24槽7对极永磁同步电 机定子及其端部绕组示意图；

图2为图1中的端部重叠分数槽绕组具体排列示意图；

图3为图2所示的绕组中通入的双三相电流的相量图；

图4为两台分别采用模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构和传统双层分数槽集 中绕组的永磁同步电机电枢磁场频谱对比图。其中，采用模块化电机定子及其端部重叠分数 槽绕组结构的永磁同步电机的定子及绕组结构与图1和图2相同；采用传统双层分数槽集中 绕组的永磁同步电机为12槽7对极，其定子内径、定子外径和转子与前者相同。

具体实施方式

下面通过一个具体的实施例和相关附图，更具体地阐述本发明的工作机理和优势。

如图1所示为一台采用模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构的24槽7对极永磁 同步电机定子及其端部绕组示意图。定子1包括电枢齿1.1、容错齿1.2、定子槽1.3和非导 磁隔离层3。定子1上绕有端部重叠分数槽绕组2，其整体由两套三相对称交流绕组构成，每 个定子槽1.3内只含有一个线圈的圈边，整个绕组2共有12个线圈，线圈端部重叠部分在定 子圆周上的分布不连续，沿着相邻两个端部绕组重叠区域的交界处可把定子切割成若干模块。 电机共有6个定子模块，模块两端为容错齿1.2，相邻两个定子模块之间被非导磁隔离层3隔 开，每个定子模块内均含有3个定子电枢齿1.1和两个相互重叠半个线圈跨距的线圈，且同 一模块中包含的两个线圈同属于双三相系统中的对应相同相，例如：图1所示的最上端的定 子模块中，B_1，1代表第一个三相系统中B相的第一个线圈，B_2，1代表第二个三相系统中B相的 第一个线圈。

图2为图1中的端部重叠分数槽绕组具体排列示意图。图中ABC表示各相绕组的首端， XYZ表示各相绕组的末端，绕组整体由两套完全一样的三相对称交流绕组构成。非电枢定子 齿1被切割后即成为容错齿；端部绕组重叠区域2间隔分布在整个定子上，该区域内的定子 齿为电枢齿。

图3为图2所示的端部重叠分数槽绕组中通入的双三相电流的相量图。从图2可以看出， 1号绕组比2号绕组在机械上超前半个线圈跨距，在24槽7对极时，半个线圈跨距所对应的 电角度为：

因此，为遵循工作谐波绕组系数最大的原则，1号绕组通入的三相电流滞后于2号绕组105°。

如图4所示为两台分别采用模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构和传统双层分 数槽集中绕组的永磁同步电机电枢磁场频谱对比图。在本实施例中，采用模块化电机定子及 其端部重叠分数槽绕组结构的永磁同步电机为24槽7对极，故其双三相绕组中的单独一套绕 组所产生的磁动势齿谐波序列为5，7，17，19，29...，其中，7次谐波为工作谐波。设7次 谐波旋转方向为正，则5、17、29次谐波的旋转方向为负，19次谐波的旋转方向为正。令两 套绕组的v次谐波所错开的电角度为θ_v，计算一部分齿谐波的θ_v：

显然，两套绕组的5次、19次、29次等齿谐波反相，故能被消除。从图4可以看出，在采用 模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构的电机中，电枢磁场的5次、19次、29次谐波 幅值均很低。相比之下，传统双层分数槽集中绕组的非工作齿谐波含量极高，特别是5次谐 波甚至高于电机的工作谐波(7次谐波)。由于模块化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构 的电枢磁场非工作谐波含量很低，故电机的转子损耗会大大减少。在本实施例中，采用模块 化电机定子及其端部重叠分数槽绕组结构后，电机的转子损耗比采用传统双层分数槽集中绕 组时小80％以上，这对减小电机散热压力和保障永磁体的正常工作有很大的意义。