基于分数槽集中绕组永磁电机的双绕组低谐波设计方法

摘要

本发明公开电机领域中的一种基于分数槽集中绕组永磁电机的双绕组低谐波设计方法，先给原电枢绕组中通入三相电流，得到单相电枢反应磁场基波极对数p1以及p1对极非工作谐波的幅值A1，在定子铁心轭部上开设位于Ns2个内槽，内槽数Ns2与p1之比为整数，在内槽内绕制极对数为p1的副绕组，确定槽距角α＝360×p1/Ns2和副绕组绕制方式，再在副绕组中通入三相电流，得到p1对极幅值B1，且A1＝B1，最后确定内槽的半槽径向截面积；本发明通过增加一套副绕组抵消原分数槽集中绕组永磁电机中电枢反应磁场气隙磁密中非工作谐波含量，具有不需要改变原电枢绕组部分的定子齿数和绕组结构的特点，有效提高电机内部空间利用，可增加转矩，提高电机效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电机与传动领域，特别涉及一种分数槽集中绕组永磁电机的设计方法，设 计一种能降低电枢反应磁磁场的非工作谐波的低谐波双绕组永磁电机。

背景技术

分数槽集中绕组电机由于具有铜填充系数高、齿槽转矩低、绕组端部短等优势，在电 动汽车、航空航天等领域被广泛利用。但是，该类电机的电枢反应磁场往往含有大量不同 极对数的谐波磁场，有些谐波能有效参与电机的机电能量转换，属于工作谐波，而有些谐 波则仅能产生转矩脉动、损耗等不良后果，属于非工作谐波。大量非工作谐波的存在，不仅降低了电流利用率，而且由于不同极对数的非工作谐波相对于转子以不同速度旋转，大幅增加了永磁体和定、转子铁心的损耗。此外，还会导致声学噪声和振动、局部铁心饱和、减少磁阻转矩、增加电机的杂散损耗和降低电机效率等不良影响。因此，降低电机的电枢反应磁磁场的非工作谐波已经成为永磁电机领域的研究热点之一。

为了解决上述问题，有学者提出了分数槽集中绕组电机不等匝数得设计方法，即在每 个定子槽内放置至多四层线圈，同时每相绕组由两种或两种以上不同匝数得线圈串联构成， 通过调整线圈的匝数比来降低电枢谐波磁动势。但这种方法通常将一相绕组的各个线圈匝 数设置成固定比例，只对某些特定极槽数的电机有较好的效果。

中国发明专利公开号为CN110401273A的文献中提出了一种低谐波的分数槽集中绕组 设计方法，使每相绕组在所有定子槽内均有导线分布，且导体数不相同，从而降低了电枢 磁动势的谐波含量。但是这种方法使得绕组配置更为复杂。中国发明专利公开号为CN102579753 A和CN108336837 A的文献中提出在裂齿式游标永磁电机基础上，通过增加一套电枢绕组的方式，实现电机功率密度的提升和运行模式的多样化，但却由此引入了更为复杂的电枢反应磁场谐波，加剧电机损耗、降低电流利用率。

发明内容

本发明目的是为了解决目前分数槽集中绕组永磁电机中电枢反应磁场非工作谐波含量 大的问题，提供了一种基于分数槽集中绕组永磁电机的双绕组低谐波设计方法，在原电机 定子轭部铁心增加一套三相副绕组，并形成内、外双三相绕组的低谐波设计方法，来抵消 原绕组电枢反应磁场中的非工作谐波。

本发明采用的技术方案是：分数槽集中绕组永磁电机采用内定子结构，包括N

步骤1)：给原电枢绕组中通入三相电流，得到原电枢绕组的电枢反应磁场气隙磁密、 单相电枢反应磁场基波极对数p

步骤2)：在所述定子铁心轭部上开设位于所述定子外槽的内侧的N

步骤3)：根据内槽数N

步骤4)：在副绕组中通入三相电流，得到副绕组的电枢反应磁场气隙磁密以及p

步骤5)：根据公式

本发明采用上述技术方案后的有益效果是：

1)本发明通过增加一套副绕组抵消原分数槽集中绕组永磁电机中电枢反应磁场气隙磁密 中非工作谐波含量，相比于现有的低谐波设计方法，如加倍定子槽数、设置相邻相线 圈不等匝数或不等元件边导体根数等，具有不需要改变原电枢绕组部分的定子齿数和 绕组结构的特点，易于保留原分数槽集中绕组铜填充系数高、绕组端部短等优势。

2)本发明提出在定子铁心轭部增设一套绕组实现低谐波设计，有效提高了电机内部空间 利用，特别对于体积较大、极对数较多的电机该优势尤为明显。

3)本发明提出的基于分数槽集中绕组永磁电机双绕组低谐波设计方法，可增加转矩，减 小转矩脉动，降低转子损耗，提高电机效率，改善电机振动和噪声。

附图说明

为了使本发明内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施方式并结合附图， 对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为原分数槽集中绕组永磁电机的结构图；

图2为双绕组低谐波永磁电机的结构图；

图3为内槽电势星型图；

图4为本发明实施效果示意图；

图中附图标记表示为：1-转子轭部铁心；2-转子永磁体；3-定子铁心；4-原电枢绕组； 5-定子齿；6-定子外槽；7-定子铁心轭部；8-内槽；9-副绕组。

具体实施方式

如图1所示为已有的一台三相分数槽集中绕组永磁电机，即原分数槽集中绕组永磁电 机(简称原电机)，包括外转子和内定子，外转子包括转子轭部铁心1，在转子轭部铁心1 的内表面贴有2×p

ω

此时，按本领域的基本原理可得到原电枢绕组4单相电枢反应磁场基波极对数为p

其中，ω

将式(1)代入式(2)得到原电枢绕组4总电枢反应磁动势F

其中，F

由于电机定子齿5会使气隙磁导发生变化，对原电枢绕组4电枢反应气隙磁密产生影 响，根据定子齿5的形状以及在气隙圆周上的位置，可得气隙磁导Λ

其中，k为谐波次数，k＝1,2,3…；N

FC

由上式(4)和(5)可得原电枢绕组4电枢反应磁场气隙磁密B

式中，F

原电枢绕组4电枢反应磁场气隙磁密B

由式(9)可得，原电枢绕组4的电枢反应磁场气隙磁密B

为抵消非工作谐波，提出一种在已有的三相分数槽集中绕组永磁电机基础上，通过在 定子铁心轭部7上开设内槽的低谐波设计方法。如图2所示，在原电机的定子铁心轭部7 上，开设N

(1)首先确定所开设内槽8的槽数N

(2)再确定内槽6内的副绕组9的极对数。取原电枢绕组4电枢反应磁场气隙磁密B

(3)再根据内槽8的槽数N

(4)由副绕组9的绕制方式，在副绕组9中通入三相电流，同理可得公式(1)～(9)，最终得到副绕组9电枢反应磁场气隙磁密B

式中，n

副绕组9电枢反应磁场气隙磁密B

(5)为了尽可能多的抵消p

Λ

由于原电机已知，上式中仅有n

(6)确定所开内槽8的径向截面积。由槽电流密度公式(11)和步骤(5)中已求得 的副绕组的n

式中，δ为槽满率，由电机的加工工艺和散热条件决定，一般取0.5～0.8，S

(7)由步骤(1)中选定的N

(8)根据电机系统功率需求、电源电压和本领域常规知识选取合适的副线圈匝数n

式中，d为所选铜导线漆包线最大外径。

(9)确定副绕组9的电流相位。为实现副绕组电枢反应磁场气隙磁密中p

由于外槽定子槽6是已知的，而内槽8已按照上述步骤开设，因此，此时可以得到原电枢绕组4与副绕组9之间的空间位置角差为Δβ，参见图2所示，由内外槽位置Δβ差Δβ 与绕组绕制的位置共同决定。由式(1)，原电枢绕组4所通A相电流为

Δθ＝±(±180°+z360°-p

其中，z为正整数。

当已有的一台三相分数槽集中绕组永磁电机，包含36个定子齿，永磁体和原电枢绕组 4极对数均为21，利用本发明所述的双绕组低谐波设计方法，所开设内槽个数为18，副绕 组9的极对数为3的时候，本发明的具体实施效果如图4所示，可见在原电枢绕组4和副绕组9中按要求通入电流后，原电枢绕组4电枢反应气隙磁密中最大幅值的3对极谐波被 抵消，实现了分数槽集中绕组的低谐波设计。