30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步电动机的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步电动机，十五相绕组分成三组；每一组的五相绕组轴线之间依次互差72°电角度，连接成五相星接对称绕组；三组之间相对应的五相星接对称绕组的轴线在空间上依次相移12°电角度；三组五相星接对称绕组的三个中性点互不相连。每极每相槽数为分数，每个线圈跨距为2个槽，线圈端部较短，省铜，铜耗少。每个星接五相绕组对称在通入基波电流时可以同时注入幅值为基波电流幅值六分之一的三次谐波电流。注入三次谐波电流后，不仅降低了功率开关管的电流幅值，同时减小了电机铁磁饱和度，提高了电机铁磁材料利用率与转矩密度。由这样的多个单元电动机构成的大功率低速永磁同步电动机不仅效率高，而且振动噪声较低。
【专利说明】
30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步电动机
技术领域
[0001]本发明属于电气工程领域，涉及一种定子绕组为分数槽双层短距分布绕组形式的30槽14极十五相永磁同步电动机。
【背景技术】
[0002]多相电动机由于具有比三相电动机更多的相数，可以实现低压大功率的驱动，转矩脉动小，功率密度高，可靠性高，断相后能够容错运行。多相电动机在海军舰船推进系统等需要高性能和高可靠性推进系统的场合，得到了越来越多的应用。对于五相电动机，可以在电流中注入与基波电流具有特定对应关系的三次谐波电流，由于此时的定子相电流幅值比纯基波电流的幅值低，逆变器功率器件的电流定额降低，不仅降低了对晶体管电流应力的要求，同时减小电机铁磁饱和度，提高电机铁磁材料利用率与转矩密度。目前，对多相电动机的研究较多地集中在感应电动机，而对多相永磁同步电动机的研究中更多的是采用定子分数槽集中绕组的多极少槽的极槽配合形式，以及每极每相为整数槽的极槽配合形式。实际的多相永磁同步电动机设计中，分数槽集中绕组的磁动势存在许多分数次谐波，在某些情况下它们和主极磁场相互作用可能产生一些干扰力，当某些干扰力的频率和定子机座固有振动频率重合时，将引起共振，导致定子铁芯振动。在低压大功率驱动中采用十五电动机会带来更多的优势，不仅可以降低逆变器每一桥臂功率器件的容量，还能提高电动机出力，降低永磁同步电动机的振动和噪声。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种定子绕组为分数槽双层短距分布绕组形式的30槽14极十五相永磁同步电动机，以解决上述难题。本发明定子绕组端部短，省铜，降低了功率开关管的电流幅值，减小了电机铁磁饱和度，提高了电机铁磁材料利用率与转矩密度。由本发明这样的多个单元电动机构成的大功率低速永磁同步电动机不仅效率高，因其相数和极对数多，其振动噪声较低。
[0004]本发明提出的一种30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步电动机，该电动机的定子铁心上均匀布置有30个齿和槽，该电动机的转子上布置有7对永磁极，所述7对永磁极依次按照N极和S极相间的规律均匀布置于转子圆周上，每极每相槽数为分数，极距为15/7个槽距，线圈跨距为2个槽距;定子铁心上的30个槽中所嵌入的30个线圈为分数槽双层短距分布绕组;依据每个线圈交链永磁磁场所感应出永磁电动势绘制的电动势星形图按照12°电角度相带分相原则进行十五相绕组分相，所述十五相绕组分别记作A1、B1、C1、D1和E1，A2、B2、C2、D2和E2，以及A3、B3、C3、D3和E3;30个线圈分别属于十五相绕组中某一相的正相带或者是负相带;每相各有I个线圈处于正相带和I个线圈处于负相带，将属于同一相的处于正相带的线圈与处于负相带的线圈反向串联后构成该相的相绕组，由此连接成Al、B1、C1、D1和E1，A2、B2、C2、D2和E2，以及A3、B3、C3、D3和E3这十五个相绕组;所述十五相绕组按照下述连接形成三套五相对称星接绕组，包括:所述十五相绕组中，A1、B1、C1、D1和El五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述A1、B1、C1、D1和El五相绕组的尾端连接在一起形成星接点N1;A1、B1、C1、D1和El五相绕组轴线空间上依次逆时针前移72°电角度，形成Al、B1、C1、D1和E1五相对称星接绕组;所述十五相绕组中，A2、B2、C2、D2和E2五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述A2、B2、C2、D2和E2五相绕组的尾端连接在一起形成星接点N2;A2、B2、C2、D2和E2五相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，形成A2、B2、C2、D2和E2五相对称星接绕组;所述十五相绕组中，A3、B3、C3、D3和E3五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述A3、B3、C3、D3和E3五相绕组的尾端连接在一起形成星接点N3; A3、B3、C3、D3和E3五相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，形成A3、B3、C3、D3和E3五相对称星接绕组；电动机的基波电动势绕组系数和基波磁动势绕组系数的绝对值均为0.9945，对于基波，A2相绕组的轴线相对于Al相绕组的轴线在空间上逆时针前移12°电角度，A3相绕组的轴线相对于A2相绕组的轴线在空间上逆时针前移12°电角度;所述三套五相对称星接绕组中，首字母相同对应相的相绕组轴线在空间上也都依次逆时针前移12°电角度；电动机的三次波电动势绕组系数和三次谐波磁动势绕组系数的绝对值均为0.9510;对于三次波，A2相绕组的轴线相对于Al相绕组的轴线在空间上逆时针前移36°电角度，A3相绕组的轴线相对于A2相绕组的轴线在空间上逆时针前移36°电角度;所述三套五相对称星接绕组的首字母相同对应相的相绕组轴线在空间上也都依次逆时针前移36°电角度;所述三套五相对称星接绕组由三套不同的五相逆变器供电，每套星接五相绕组都是对称的。
[0005]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0006]由于本发明十五相永磁同步电动机中三组五相星接对称绕组的三个中性点互不相连，每个线圈跨距为2个槽，线圈端部较短，省铜，铜耗少。每个星接五相绕组对称，在通入基波电流时可以同时注入幅值为基波电流幅值六分之一的三次谐波电流;注入三次谐波电流后，不仅降低了功率开关管的电流幅值，同时减小了电机铁磁饱和度，提高了电机铁磁材料利用率与转矩密度。由这样的多个单元电动机构成的大功率低速永磁同步电动机不仅效率高，因其相数和极对数多而振动噪声较低。
【附图说明】
[0007]图1是30槽14极十五相永磁同步电动机定转子电磁部分截面示意图。
[0008]图2是30槽14极十五相永磁同步电动机各个线圈边在槽中放置示意图，其中，槽中数字代表线圈号，数字后的下标“上”、“下”分别代表该线圈的上、下元件边。
[0009]图3是30槽14极十五相永磁同步电动机线圈电动势星形图及分相结果示意图。
[0010]图4是30槽14极十五相永磁同步电动机中由Al、B1、C1、D1和El五相绕组星接组成的第一套五相定子绕组展开图。
[0011]图5是30槽14极十五相永磁同步电动机中由A2、B2、C2、D2和E2五相绕组星接组成的第二套五相定子绕组展开图。
[0012]图6是30槽14极十五相永磁同步电动机中由A3、B3、C3、D3和E3五相绕组星接组成的第三套五相定子绕组展开图。
[0013]图7是对于基波而言30槽14极十五相永磁同步电动机中由Al、B1、C1、D1和El五相绕组星接组成的第一套五相定子绕组等效轴线之间的空间电角度关系图。
[0014]图8是对于基波而言30槽14极十五相永磁同步电动机中由A2、B2、C2、D2和E2五相绕组星接组成的第二套五相定子绕组等效轴线之间的空间电角度关系图。
[0015]图9是对于基波而言30槽14极十五相永磁同步电动机中由A3、B3、C3、D3和E3五相绕组星接组成的第三套五相定子绕组等效轴线之间的空间电角度关系图。
[0016]图10是30槽14极十五相永磁同步电动机定子十五相绕组等效轴线之间空间电角度关系图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明提出的一种30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步电动机，包括构成一台完整的电动机所必须的机座、前端盖、后端盖、轴承、接线盒、定子铁心、定子绕组、永磁体、转子铁心、轴以及一些必要的零部件。
[0018]结合图1?图10对本发明的电动机分相原理及绕组连接方式给予说明。
[0019]本发明30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步电动机，其定子铁心上均匀布置有Zo = 30个齿和槽，该电动机的转子上布置有7对永磁极，所述7对永磁极依次按照N极和S极相间的均勾布置于转子圆周上，即转子上共有2po = 14个永磁磁极，7个永磁极N极和7个永磁极S极，所有永磁磁极的永磁体径向平行充磁。电机极距为Ζο/(2ρο) = 15/7个槽距，每极每相槽数为q = ZQ/(2mpQ) = l/7，q是分数，线圈跨距为2个槽距，定子铁心上30个槽中所嵌入的30个线圈为分数槽双层短距分布绕组，每个线圈的两个线圈边跨距为2个槽，取线圈的上元件边所放置的槽号数与该线圈号数取得一致，每个线圈交链永磁磁场感应出永磁电动势，由这些永磁电动势之间的相位关系(即依据每个线圈交链永磁磁场所感应出永磁电动势)绘出线圈电动势星形图，在线圈电动势星形图中按照12°电角度相带分相原则进行十五相绕组分相，十五相绕组分别是A1、B1、C1、D1和E1，A2、B2、C2、D2和E2，以及A3、B3、C3、D3和E3J0个线圈分别属于十五相绕组中某一相的正相带或者是负相带。每相各有I个线圈处于正相带和I个线圈处于负相带，将属于同一相的处于正相带的线圈与处于负相带的线圈反向串联后构成该相的相绕组，由此共能连接成六131、(:1、00阳142、82工2、02和E2，以及A3、B3、C3、D3和E3这十五个相绕组。
[0020]分相结果如下:十五相绕组中，每相各有I个线圈处于正相带和I个线圈处于负相带，处于正相带的线圈I和处于负相带的线圈16属于Al相，处于负相带的线圈4和处于正相带的线圈19属于BI相，处于正相带的线圈7和处于负相带的线圈22属于Cl相，处于负相带的线圈10和处于正相带的线圈25属于Dl相，处于正相带的线圈13和处于负相带的线圈28属于El相;处于正相带的线圈14和处于负相带的线圈29属于A2相，处于正相带的线圈2和处于负相带的线圈17属于B2相，处于负相带的线圈5和处于正相带的线圈20属于C2相，处于正相带的线圈8和处于负相带的线圈23属于D2相，处于负相带的线圈11和处于正相带的线圈26属于E2相；处于负相带的线圈12和处于正相带的线圈27属于A3相，处于正相带的线圈15和处于负相带的线圈30属于B3相，处于正相带的线圈3和处于负相带的线圈18属于C3相，处于负相带的线圈6和处于正相带的线圈21属于D3相，处于正相带的线圈9和处于负相带的线圈24属于E3相。将属于同一相的处于正相带的线圈与处于负相带的线圈反向串联后构成该相的相绕组，共能连接成十五个相绕组。
[0021]所述十五相绕组中，A1、B1、C1、D1和El五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述AUBUCl、D1和El五相绕组的尾端连接在一起形成星接点NI; Al、B1、C1、D1和El五相绕组轴线空间上依次逆时针前移72°电角度，形成Al、B1、C1、D1和El五相对称星接绕组。即Al相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈I的首端，线圈I的尾端与处于负相带的线圈16的尾端相连接，线圈16的首端就是Al相绕组支路的尾端;BI相绕组支路的首端就是处于负相带的线圈4的尾端，线圈4的首端与处于正相带的线圈19的首端相连接，线圈19的尾端就是BI相绕组支路的尾端;Cl相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈7的首端，线圈7的尾端与处于负相带的线圈22的尾端相连接，线圈22的首端就是Cl相绕组支路的尾端;Dl相绕组支路的首端就是处于负相带的线圈10的尾端，线圈10的首端与处于正相带的线圈25的首端相连接，线圈25的尾端就是Dl相绕组支路的尾端;El相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈13的首端，线圈13的尾端与处于负相带的线圈28的尾端相连接，线圈28的首端就是El相绕组支路的尾端。将Al、B1、C1、D1和El五相绕组支路的尾端连接在一起形成星接点NI，对于基波而言A1、B1、C1、D1和E1相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，得到由A1、B1、C1、D1和E1五相绕组构成的第一套五相对称绕组。
[0022]所述十五相绕组中，A2、B2、C2、D2和E2五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述A2、B2、C2、D2和E2五相绕组的尾端连接在一起形成星接点N2; A2、B2、C2、D2和E2五相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，形成A2、B2、C2、D2和E2五相对称星接绕组。即A2相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈14的首端，线圈14的尾端与处于负相带的线圈29的尾端相连接，线圈29的首端就是A2相绕组支路的尾端;B2相绕组支路的首端就是处于负相带的线圈17的尾端，线圈17的首端与处于正相带的线圈2的首端相连接，线圈2的尾端就是B2相绕组支路的尾端;C2相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈20的首端，线圈20的尾端与处于负相带的线圈5的尾端相连接，线圈5的首端就是C2相绕组支路的尾端;D2相绕组支路的首端就是处于负相带的线圈23的尾端，线圈23的首端与处于正相带的线圈8的首端相连接，线圈8的尾端就是D2相绕组支路的尾端;E2相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈26的首端，线圈26的尾端与处于负相带的线圈11的尾端相连接，线圈11的首端就是E2相绕组支路的尾端。将A2、B2、C2、D2和E2五相绕组支路的尾端连接在一起形成星接点N2，对于基波而言A2、B2、C2、D2和E2相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，得到由A2、B2、C2、D2和E2五相绕组构成的第二套五相对称绕组。
[0023]所述十五相绕组中，A3、B3、C3、D3和E3五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述A3、B3、C3、D3和E3五相绕组的尾端连接在一起形成星接点N3; A3、B3、C3、D3和E3五相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，形成A3、B3、C3、D3和E3五相对称星接绕组。即A3相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈27的首端，线圈27的尾端与处于负相带的线圈12的尾端相连接，线圈12的首端就是A3相绕组支路的尾端;B3相绕组支路的首端就是处于负相带的线圈30的尾端，线圈30的首端与处于正相带的线圈15的首端相连接，线圈15的尾端就是B3相绕组支路的尾端;C3相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈3的首端，线圈3的尾端与处于负相带的线圈18的尾端相连接，线圈18的首端就是C3相绕组支路的尾端;D3相绕组支路的首端就是处于负相带的线圈6的尾端，线圈6的首端与处于正相带的线圈21的首端相连接，线圈21的尾端就是D3相绕组支路的尾端;E3相绕组支路的首端就是处于正相带的线圈9的首端，线圈9的尾端与处于负相带的线圈24的尾端相连接，线圈24的首端就是E3相绕组支路的尾端。将A3、B3、C3、D3和E3五相绕组支路的尾端连接在一起形成星接点N3，对于基波而言A3、B3、C3、D3和E3相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，得到由A3、B3、C3、D3和E3五相绕组构成的第三套五相对称绕组。
[0024]对于基波而言，A2相绕组的轴线相对于Al相绕组的轴线在空间上逆时针前移12°电角度，A3相绕组的轴线相对于A2相绕组的轴线在空间上逆时针前移12°电角度;三套五相对称星接绕组的首字母相同对应相的相绕组轴线在空间上也都依次逆时针前移12°电角度。因此，由A1、B1、C1、D1和E1五相绕组构成的第一套五相对称绕组，与由A2、B2、C2、D2和E2五相绕组构成的第二套五相对称绕组，以及由A3、B3、C3、D3和E3五相绕组构成的第三套五相对称绕组，共同构成星接点N1、N2和N3互不相连接的十五相绕组。十五相绕组的基波电动势绕组系数和基波磁动势绕组系数的绝对值均为0.9945。
[0025]对于三次波而言，A2相绕组的轴线相对于Al相绕组的轴线在空间上逆时针前移36°电角度，A3相绕组的轴线相对于A2相绕组的轴线在空间上逆时针前移36°电角度;三套五相对称星接绕组的首字母相同对应相的相绕组轴线在空间上也都依次逆时针前移36°电角度。十五相绕组三次波电动势绕组系数和三次谐波磁动势绕组系数的绝对值均为
0.9510ο
[0026]三套五相对称星接绕组由三套不同的五相逆变器供电，每套星接五相绕组都是对称的。
[0027]在通入对称的基波电流时可以同时注入幅值为基波电流幅值六分之一的对称的三次谐波电流，注入三次谐波电流后，三次谐波电流产生的磁场与转子三次谐波永磁磁场相互作用会产生转速和旋转方向与基波磁场相同且起驱动作用的恒定的电磁转矩，不仅降低了功率开关管的电流幅值，同时减小电机铁磁饱和度，提高电机铁磁材料利用率与电磁转矩输出能力。对于通入的基波电流而言，Α2相绕组的基波电流在相位上滞后于Al相绕组的基波电流12°电角度，A3相绕组的基波电流在相位上滞后于Α2相绕组的基波电流12°电角度;三套五相对称星接绕组的首字母相同对应相的相绕组通入的基波电流在相位上也都依次滞后12°电角度。
[0028]对于注入的三次谐波电流而言，Α2相绕组的三次谐波电流在相位上滞后于Al相绕组的三次谐波电流36°电角度，A3相绕组的三次谐波电流在相位上滞后于Α2相绕组的三次谐波电流36°电角度;三套五相对称星接绕组的首字母相同对应相的相绕组注入的三次谐波电流在相位上也都依次滞后36°电角度。当基波电流和三次谐波电流都用正弦函数而不是用余弦函数表达时，各相绕组通入基波电流与注入三次谐波电流的初相角皆为0°。
[0029]当十五相绕组通入对称基波电流并注入对称三次谐波电流时，十五相绕组中的基波电流联合起来产生极对数为I 30k+7 I (其中k = 0, ±1，±2，...)的合成旋转磁动势，k = O时的7对极的合成旋转磁动势为基波且正向旋转；而十五相绕组中的三次谐波电流联合起来产生极对数为I 30k-9 |(其中k=±l，±2，...)的合成旋转磁动势，当k = I时的21对极的合成旋转磁动势与转子上的永磁三次谐波的极对数相同，转速和旋转方向与基波磁场相同，产生起驱动作用的恒定的电磁转矩;而且，对于基波电流联合起来产生极对数为I 30k+7 I (其中让=0，±1，±2，...)的合成旋转磁动势，以及三次谐波电流联合起来产生极对数为I 30k-9I (其中k= ± I，±2，...)的合成旋转磁动势而言，当k取正数时所对应极对数的合成旋转磁动势正向旋转，k取负数时所对应极对数的合成旋转磁动势反向旋转。
[0030]本发明同步电动机的永磁转子在附图中给出的都是表贴式结构，当永磁转子采用内埋式结构时，电动机绕组连接方式及其工作原理还是相同的。[0031 ]本发明电动机的槽数较少、极对数较多且相数很多，定子绕组为分数槽双层短距分布绕组，电动机电枢反应谐波磁动势的极对数高，电动机脉动电磁转矩和齿槽转矩低，幅值较大的电磁激振电磁力波的阶数高，电动机的振动和噪声也相应地较小。若将本发明的这一 30槽14极十五相永磁同步电动机看作基本的单元电动机，由多台这样的单元电动机原理构成的槽数和极对数更多的十五相永磁同步电动机，如60槽28极、90槽42极、120槽56极、150槽70极等一系列低速大扭矩直驱式十五相永磁同步电动机，将会体现出该单元电动机的优点。
[0032]根据电机可逆运行原理，本发明电动机本体同样可以用作30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步发电机，只是此时的相绕组永磁电动势波形更加接近于梯形波，更适合于其输出直接连接二极管整流负载，应用于风力发电、海浪发电等场合。
[0033]尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1.一种30槽14极分数槽双层短距分布绕组十五相永磁同步电动机，其特征在于: 该电动机的定子铁心上均匀布置有30个齿和槽； 该电动机的转子上布置有7对永磁极，所述7对永磁极依次按照N极和S极相间的规律均匀布置于转子圆周上，每极每相槽数为分数，极距为15/7个槽距，线圈跨距为2个槽距；定子铁心上的30个槽中所嵌入的30个线圈为分数槽双层短距分布绕组;依据每个线圈交链永磁磁场所感应出永磁电动势绘制的电动势星形图按照12°电角度相带分相原则进行十五相绕组分相，所述十五相绕组分别记作A1、B1、C1、D1和E1，A2、B2、C2、D2和E2，以及A3、B3、C3、D3和E3; 30个线圈分别属于十五相中之一的正相带或者是负相带；每相各有I个线圈处于正相带和I个线圈处于负相带，将属于同一相的处于正相带的线圈与处于负相带的线圈反向串联后构成该相的相绕组，由此连接成A1、B1、C1、D1和E1，A2、B2、C2、D2和E2，以及A3、B3、C3、D3和E3这十五个相绕组； 所述十五相绕组按照下述连接形成三套五相对称星接绕组，包括: 所述十五相绕组中，Al、B1、C1、D1和El五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述Al、81工1、00阳1五相绕组的尾端连接在一起形成星接点【41、81、(:1、00阳1五相绕组轴线空间上依次逆时针前移72°电角度，形成Al ,BUCl、D1和El五相对称星接绕组； 所述十五相绕组中，A2、B2、C2、D2和E2五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述A2、B2、C2、D2和E2五相绕组的尾端连接在一起形成星接点N2;A2、B2、C2、D2和E2五相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，形成A2、B2、C2、D2和E2五相对称星接绕组； 所述十五相绕组中，A3、B3、C3、D3和E3五相绕组的首端作为外部电源引入端，所述A3、B3、C3、D3和E3五相绕组的尾端连接在一起形成星接点N3;A3、B3、C3、D3和E3五相绕组轴线空间上依次后移72°电角度，形成A3、B3、C3、D3和E3五相对称星接绕组； 电动机的基波电动势绕组系数和基波磁动势绕组系数的绝对值均为0.9945，对于基波，A2相绕组的轴线相对于Al相绕组的轴线在空间上逆时针前移12°电角度，A3相绕组的轴线相对于A2相绕组的轴线在空间上逆时针前移12°电角度;所述三套五相对称星接绕组中，首字母相同对应相的相绕组轴线在空间上也都依次逆时针前移12°电角度； 电动机的三次谐波电动势绕组系数和三次谐波磁动势绕组系数的绝对值均为0.9510；对于三次谐波，A2相绕组的轴线相对于Al相绕组的轴线在空间上逆时针前移36°电角度，A3相绕组的轴线相对于A2相绕组的轴线在空间上逆时针前移36°电角度;所述三套五相对称星接绕组的首字母相同对应相的相绕组轴线在空间上也都依次逆时针前移36°电角度； 所述三套五相对称星接绕组由三套不同的五相逆变器供电，每套星接五相绕组都是对称的。
【文档编号】H02K3/12GK105846628SQ201610176668
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】陈益广, 丁晨, 沈勇环
【申请人】天津大学