一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法

摘要

本发明公开了一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法，属于电机领域。本发明建立了计及绕组相移角的双三相电机磁动势与电感性能分析模型，并基于容错式低短路电流绕组定向设计方法，针对48槽/22极永磁电机提出新型双三相绕组互差7.5°相移结构，两套对称绕组均采用星型连接，各相磁力线之间存在较好的电磁隔离，有效降低了电机相间耦合效应；同时，所述绕组结构通过特定相位设计，保留一定次谐波含量，有效地提升了电机的自感幅值，而基本不影响电机转矩输出能力。本发明能在减小电机互感的同时提升电机自感幅值，有效抑制互感/自感比与短路电流，实现容错式低短路电流电机设计。

说明书

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及到一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法。本发明适用于电动汽车、舰船推进等要求高可靠性的电机系统。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、效率高的优点，在全电飞机、电动汽车、船舶推进等领域得到广泛应用。分数槽集中绕组电机丰富的磁动势及磁场谐波会产生很大的铁芯损耗和低阶电磁力，导致电机发热严重、振动幅度大，严重威胁永磁电机系统可靠运行。采用分布绕组结构是规避上述风险的有效手段，然而相较集中绕组结构，分布绕组电机存在相间耦合大的弊端，因此提出新型低相间耦合的绕组结构具有极为重要的理论意义与实用价值。

不同于传统的三相绕组结构，永磁电机采用双三相绕组结构，通过两套绕组磁动势的定向设计，可以进一步提高电机绕组因数、减少磁动势谐波含量，进而减小电机铁耗、提高电机效率，成为提升电机功率密度的有效手段。现有双三相绕组结构的研究集中于转矩性能的提升，提出双三相绕组互差30°相移结构能在显著消除转矩脉动的同时，有效提升电机的转矩密度。但是，现有研究很少考虑双三相绕组相移角对电机电感性能的影响，忽略了30°相移结构存在高相间耦合的问题，使得互感增加，导致电机容错能力降低；另一方面，30°相移结构会减小电机自感，致使电机短路电流增大，严重危害电机安全运行的能力。因此，对于航空航天等要求高可靠性电机系统的应用领域，传统双三相互差30°相移结构难以满足应用需求。

综上分析，传统双三相绕组相移角设计主要围绕磁动势谐波消除与转矩性能提升，忽略了相移对电机自感与互感性能的影响，会导致电机耦合严重、短路电流较大，严重威胁电机系统运行可靠性。因此，在双三相绕组结构设计中，其电感性能需要重点研究。

发明内容

本发明是为了解决分布绕组电机相间耦合严重、短路电流大的缺陷，提出一种能够保证电机容错性能、低短路电流特性的同时，电机反电势、转矩密度、效率等性能基本不被牺牲的新型永磁电机绕组结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法，建立双三相绕组磁动势分析模型，总结相移角与磁动势谐波消除间的规律。基于电机绕组函数理论，分别研究各阶次磁动势谐波对电机自感和互感的贡献度，阐明提高电机自感和降低电机互感的设计要点，同时不牺牲电机反电势、转矩等电磁性能。推导电机短路电流数学表征式，从理论上阐释自感幅值对电机短路电流的影响，提出一种新型双三相绕组互差7.5°相移结构，在减小电机互感的同时提升电机自感幅值，有效抑制互感/自感比与短路电流值，实现容错式低短路电流电机设计。

具体地说，本发明额电机是采取以下的技术方案来实现的：一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据电机的槽极配比确定单元电机，建立单元电机槽矢量分析模型，基于基波合成矢量最大为原则，确定双三相绕组的槽矢量分配；

步骤2：根据分配好的电机各相槽矢量集合，以A1相槽矢量为原点，确定其余五相绕组与A1相之间的空间角度差；基于槽矢量分析模型，建立统一的双三相绕组各阶次谐波绕组系数的数学表征，计算得到各阶次谐波空间含量；

步骤3：忽略电机槽口效应，建立计及绕组相移角的磁动势分析模型，判别相移角与磁动势谐波间的消除规律，计算得到电机气隙漏磁系数；

步骤4：基于电机绕组函数理论，建立磁动势与自感特性的分析模型，揭示各阶次磁动势谐波对电感幅值的贡献度，反馈到双三相绕组相移角设计，确定自感幅值最大的电机绕组结构，建立短路电流分析模型，揭示电感幅值与短路电流大小的关系；

步骤5：基于电机绕组函数理论，揭示双三相绕组相移对互感幅值的影响，计算电机互耦系数，辨识相间耦合性最高的两相绕组，探寻降低相间磁力线耦合问题的相移角设计方法，实现电机互感/自感比的降低，从而提升电机容错性能；

步骤6：根据电机自感与互感性能随相移角的变化规律，总结得到双三相绕组互差7.5°相移结构能够实现容错式低短路电流永磁电机设计。

进一步，步骤1中，所述电机槽极配比为48槽/22极，单元电机数为1，单元电机槽数满足48的倍数，电机槽距角等于7.5°，确定该槽极配比下可以采用的相移角为7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°、45°、52.5°；基波槽矢量的相位差等于82.5°，按照逆时针旋转的原则构建单元电机槽矢量星型图，每相8个槽矢量，按照给定相移角确定各相绕组的槽矢量空间位置分配，完成双三相绕组绕制。

进一步，步骤2)具体包括：

步骤2.1)确定双三相绕组的空间相位差：

根据基波槽矢量确定各相槽矢量归属，建立1次谐波槽矢量分析模型，从而确定两套绕组对应相之间空间位置角与相移间的关系如下

式中α表示双三相绕组对应相间的相移角，v表示磁动势谐波阶次，γ

步骤2.2)建立计及相移角的双三相电机绕组函数数学表征：

考虑两套绕组间的空间相位差，双三相电机的各相绕组函数可以表示为

式中，i表示三相绕组次序(i＝1,2)，N

式中Z

进一步，步骤3)具体包括：

步骤3.1)建立双三相电机磁动势分析模型：

双三相电机磁动势表达式可以描述为

式中，t为时间，i

式中，γ

步骤3.2)确定相移角与磁动势谐波消除间的关系：

根据双三相电机磁动势表达式，两套绕组间磁动势相差与相移角满足下式时会被消除

式中θ

步骤3.3)漏磁系数计算

双三相电机漏磁系数σ计算式为

式中p表示电机极对数，k

进一步，步骤4)具体包括：

电机自感L

L

对于双三相绕组电机，其磁化电感是由双三相合成磁动势产生的，另一方面，根据电机绕组函数理论，双三相电机A1相自感表达式可以写成

式中μ

其中，L

基于磁化电感的产生机理可知，被消除的磁动势谐波将不会被计及电感幅值计算过程，短路电流表达式为

式中，N

进一步，步骤5)具体包括：

根据电机函数理论，以A1相与A2相为例，电机互耦系数m

N

对于双三相绕组电机，各相互感表达式可以描述为

其中，M

进一步，所述相移结构为双三相互差7.5°的相移结构，其A1相绕组线圈按照45-43、45-47、1-47、1-3、19-21、23-21、23-25、27-25的顺序串联而成，A2相绕组线圈空间位置与A1相绕组线圈相差262.5度，可以确定A2相绕组线圈连接顺序为6-8、10-8、10-12、14-12、32-30、32-34、36-34、36-38；同理，电机B1相、B2相、C1相和C2相的线圈位置可以依据相应地相位关系确定。所述绕组结构在基本不牺牲基波谐波的前提下，通过保留次谐波含量，尤其是1次谐波，有效的提升了电机自感幅值的提升；另一方面，所述绕组结构在空间位置上实现了原本耦合性较强的A1相与A2相绕组的电磁解耦，明显减小了电机互感/自感比。

本发明具有以下收益效果：

1.本发明获得了双三相绕组涵盖任意相移结构的电机短路电流和相间耦合度的分析方法，填补了传统双三相绕组研究对磁动势与电感性能间关系研究的缺失。采用本发明中所提出的电枢绕组结构，可以消除近永磁磁场谐波阶次的电枢磁动势谐波的同时，保留对电机自感幅值有重要作用的次谐波含量，继而实现电机自感值的增加，降低电机短路电流幅值。

2.基于本发明所提出的高可靠双三相绕组设计方法得到的新型双三相互差7.5°的相移结构，使得电周期上相差7.5度的相邻相在空间上相差262.5度，而且相邻相之间不存在线圈交叠，从而实现了天然的物理隔离和电磁隔离，相间耦合性被最大程度抑制，电机容错性能得到提升。

3.本发明提出的新型高可靠性绕组结构，是在电机各项尺寸参数确定后，通过改变电枢绕组绕制方式实现电机容错性能提升与短路电流幅值抑制的并举，能够避免对电机尺寸设计的干扰，具有稳健性与普适性。所述绕组结构在基本不牺牲基波谐波的前提下，通过保留次谐波含量，尤其是1次谐波，有效的提升了电机自感幅值的提升；另一方面，所述绕组结构在空间位置上实现了原本耦合性较强的A1相与A2相绕组的电磁解耦，明显减小了电机互感/自感比。

附图说明

附图1是本发明实施例对象截面图；

附图2是本发明容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法流程图；

附图3是本发明实施例双三相绕组结构拓扑图；

附图4是本发明实施例双三相绕组的槽矢量星型图；

附图5是本发明实施例双三相电机各相绕组的连接图；(a)为A1相与A2相；(b)为B1相与B2相；(c)为C1相与C2相；

附图6是本发明实施例各相绕组函数图；

附图7是本发明实施例电机两套三相绕组磁动势相位差示意图；

附图8是本发明实施例电机不同绕组结构的电枢磁动势频谱比较图；

附图9是本发明实施例电机不同绕组结构的自感曲线比较；

附图10是本发明实施例电机不同绕组结构的短路电流曲线比较；

附图11是本发明实施例电机不同绕组结构的稳态电流值随转速变化曲线；

附图12是本发明实施例电机的磁力线分布比较图；(a)为双三相绕组互差7.5°相移结构；(b)为双三相绕组互差30°相移结构；

附图13是本发明实施例电机不同绕组结构的互感曲线比较；

附图14是本发明实施例电机不同绕组结构的互感/自感值比较。

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。

本发明为一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计，图1为本发明实施例对象截面图，图中1～48为电机定子槽号，49为电机定子铁芯，50为电子槽口，51为转子铁芯，52为成对永磁体，53为定转子间气隙；本发明实施例为48槽/22极的双三相电机，分为定子、转子、和气隙三部分；定子中包含定子轭部、定子齿部、定子槽和电枢绕组，电枢槽形为平底槽，电枢绕组采用分布式绕制方式；转子为圆筒状，其表面上开槽安装表嵌永磁体，永磁体材料为铁氧体Smco32，表嵌永磁体上截面为弧形，下表面为矩形，永磁体与转子铁芯之间由梯台机械固定，均匀分布在转子圆周方向；定子铁芯和转子铁芯的材料均为硅钢片B20AT1500。

该永磁电机包括定子、气隙、转子三个主要部分，气隙存在于定子与转子之间，气隙厚度的大小依据电机尺寸和加工精度综合选取。

所述定子包括电枢绕组、定子齿部、定子轭部、定子槽。定子铁芯由硅钢片材料B20AT1500叠压而成，定子存在48个槽，槽型为平底槽；电枢绕组采用分布式绕制方式，避免了集中绕组导致的丰富磁动势谐波，跨距为2个定子槽，电枢绕组采用双三相绕组结构，两套对称三相绕组电流幅值相同、匝数相等，两套绕组均采用星型连接，两个中性点相互隔离，降低驱动系统维度。所述转子结构包括永磁体和转子铁芯，永磁体牌号为Smco32，转子铁芯采用高导磁性能的电工铁DT4C。双极性永磁体采用平行充磁，其横截上表面为圆弧状，下表面为矩形状，永磁体与转子铁芯之间采用表嵌式结构，永磁体嵌入转子铁芯，相邻永磁体之间由梯台机械固定，避免转子旋转过程中发生周向与径向滑动。

进一步，电机定子外半径r

进一步，在电机尺寸确定后，通过一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法，实现进一步降低电机相间耦合、抑制短路电流幅值是本发明的要点。图2概括了本发明容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法流程图，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据电机的槽极配比确定单元电机，建立单元电机槽矢量分析模型，基于基波合成矢量最大为原则，确定双三相绕组的槽矢量分配；

步骤2：根据分配好的电机各相槽矢量集合，以A1相槽矢量为原点，确定其余五相绕组与A1相之间的空间角度差；基于槽矢量分析模型，建立统一的双三相绕组各阶次谐波绕组系数的数学表征，计算得到各阶次谐波空间含量；

步骤3：忽略电机槽口效应，建立计及绕组相移角的磁动势分析模型，判别相移角与磁动势谐波间的消除规律，计算得到电机气隙漏磁系数；

步骤4：基于电机绕组函数理论，建立磁动势与自感特性的分析模型，揭示各阶次磁动势谐波对电感幅值的贡献度，反馈到双三相绕组相移角设计，确定自感幅值最大的电机绕组结构，建立短路电流分析模型，揭示电感幅值与短路电流大小的关系；

步骤5：基于电机绕组函数理论，揭示双三相绕组相移对互感幅值的影响，计算电机互耦系数，辨识相间耦合性最高的两相绕组，探寻降低相间磁力线耦合问题的相移角设计方法，实现电机互感/自感比的降低，从而提升电机容错性能；

步骤6：根据电机自感与互感性能随相移角的变化规律，总结得到双三相绕组互差7.5°相移结构能够实现容错式低短路电流永磁电机设计。

进一步，步骤1中，所述电机槽极配比为48槽/22极，单元电机数为1，单元电机槽数满足48的倍数，电机槽距角等于7.5°，确定该槽极配比下可以采用的相移角为7.5°(图3)、15°、22.5°、30°、37.5°、45°、52.5°；基波槽矢量的相位差等于82.5°，按照逆时针旋转的原则构建单元电机槽矢量星型图，每相8个槽矢量，按照给定相移角确定各相绕组的槽矢量空间位置分配(图4)，完成双三相绕组绕制(图5)。

进一步，步骤2中根据基波槽矢量确定各相槽矢量归属，建立1次谐波槽矢量分析模型，两套绕组对应相的空间位置角与相移间的关系可以总结如下

式中α表示双三相绕组对应相间的相移角，v表示磁动势谐波阶次，β

图6描述了双三相互差7.5°相移结构的各相绕组函数曲线，以此类推，考虑两套绕组间的空间相位差，双三相电机的各相绕组函数可以统一表示为

式中，i表示三相绕组次序(i＝1,2)，N

进一步，步骤3的具体过程为：建立双三相电机电流统一表达式：

式中I

双三相电机磁动势表达式可以描述为

根据双三相电机磁动势与电流表达式，可以得到双三相电机磁动势的具体表达式为

图7描述了双三相互差7.5°相移结构的两套绕组磁动势相位差示意图，其余相移结构的磁动势曲线可以以此类比。明显地，由于两套绕组间磁动势相位补偿机理，根据双三相电机磁动势表达式，两套绕组间磁动势相差与相移角满足下式时会被消除

式中θ

式中p表示电机极对数，k

进一步，步骤4的具体过程为：电机自感L

L

对于双三相绕组电机，其磁化电感是由双三相合成磁动势产生的。另一方面，根据电机绕组函数理论，双三相电机A1相自感表达式可以写成

式中μ

基于磁化电感的产生机理可知，被消除的磁动势谐波将不会被计及电感幅值计算过程。

短路电流表达式为

式中δ表示故障相轴线与D轴轴线间的相位角，δ

进一步，步骤5的具体过程为：根据电机函数理论，以A1相与A2相为例，电机互耦系数m

对于双三相绕组电机，各相互感表达式可以描述为

进一步，步骤6.1的具体过程为：对任意可行相移结构的电机自感、互感值比较总结，如图9比较了传统双三相互差30°相移结构与新型双三相互差7.5°相移结构的自感曲线，本发明所述绕组结构有效提升电机自感幅值9.5％；图10为两种不同相移结构在200r/min额定转速下的短路电流曲线比较，无论是瞬态短路电流值还是稳态电流值，本发明所述绕组结构对短路电流的抑制效果达13.5％；图11为稳态短路电流幅值随转速的变化曲线，可以看到本发明所述绕组结构短路电流幅值在全速域下均小于传统双三相30°相移结构，而且短路电流抑制效果随转速增加而明显。

步骤6.2的具体过程为：双三相电机A1相与A2相绕组电磁耦合性高，图12描述了双三相互差30°相移结构与新型双三相互差7.5°相移结构的A1相与A2相磁力线分布图，本发明所述绕组结构实现了A1相与A2相绕组的电磁解耦，两相绕组之间不存在线圈交叠，电机互感被显著降低，如图13所示，除A1相与A2相互感外，其余几项相间互感一同被比较。图14比较了双三相电机主要的耦合系数M

综上，本发明的一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法。通过建立计及绕组相移角的双三相电机磁动势分析模型，判别相移角与磁动势谐波间的消除规律，继而基于电机绕组函数理论，建立磁动势与电感性能的分析模型，阐明各阶次磁动势谐波对电感幅值的贡献度，反馈到双三相绕组相移角设计，确定新型双三相绕组互差7.5°相移结构。本发明所述绕组结构，与传统双三相互差30°相移结构，电机的自感幅值得到有效提高，同时电机互感分量明显下降。通过对电机自感幅值的提升，电机短路电流幅值得到抑制，而互感的降低则减小了电机相间耦合度，提升了电机的可靠性。本发明提出的绕组拓扑结构不受转子类型的束缚，可以采用表贴式结构、Halbach阵列或者内置式结构，而且本发明通过对绕组结构的调整来实现可靠性提升及短路电流抑制的目的，对电机尺寸敏感程度小，具有较强的可移植性。本发明首次对双三相互差7.5°绕组结构对电机电感性能的影响分析，所提供的方案可以为高可靠电机绕组设计方案提供参考研究。

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。