一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法

1.本发明属于高速永磁电机领域，具体涉及一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法。


背景技术：

2.高速永磁电机具有高功率密度、高效率、转速范围宽以及体积小等优点，广泛应用于微型燃气轮机、离心式空气压缩机、飞轮储能、新能源分布式发电等领域。
3.对于高速永磁电机来说，电机的旋转速度每分钟高达数万甚至数十万转，超高速运行使得电机的磁场交变频率非常高，谐波频率更高，高速永磁电机的铁芯损耗、转子涡流损耗远高于常规永磁电机，此外，高频谐波还会引起振动、噪声、和其他问题，影响电机输出性能和安全性能。电枢绕组作为电机的“心脏”，起着通过电流产生电磁转矩实现机电能量转换的作用。绕组的拓扑结构对高速永磁电机的电磁性能有决定性的影响，是衡量电机性能的关键因素。电机绕组设计的目的在于使绕组磁动势基波具有尽可能大的幅值，高次谐波含量越少越好，幅值越低越好。高速永磁电机绕组拓扑结构的设计主要包括绕组分布型式和导线线径的选择。定子绕组的类型则决定了绕组的绕组系数、基波分布系数和谐波含量，对电机磁性能有较大影响。
4.目前，高速永磁电机中采用的定子绕组主要有以下几种型式：正弦绕组结构、单层绕组结构、双层绕组结构和背绕式结构。但是正弦波绕组设计和制作难度较高；单层绕组空间磁动势波形较大，双层绕组的端部长度较长，绝缘材料用量多；背绕式绕组利用率低，电机功率密度不高，可见各个类型的绕组均存在各类问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组及其设计方法，以解决现有技术中已有的高速永磁电机的绕组存在各类问题。本发明的电机绕组具有利用率高，空间谐波低，端部长度短等特点的新型低空间谐波多层不等匝绕组拓扑结构。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组，所述绕组分为三相的绕组，每一相绕组在每一个铁心槽内均设置，每一个相的绕组在每一个铁心槽内设置的匝数不同。
8.本发明的进一步改进在于：
9.优选的，三相绕组在每一个定子铁心槽的排列方式依据槽矢量行星图放置。
10.优选的，所述定子铁心槽围绕定子的周向设置，沿着定子的径向，三相绕组在定子铁心槽内依次放置。
11.优选的，每个铁心槽内的导体总数相等。
12.一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法，包括以下步骤：
13.步骤1，确定永磁电极的定子铁心槽的槽数和转子极数，进而获得永磁电极的初始极距和每极中每相的初始槽数；
14.步骤2，根据初始极距和每极中每相的初始槽数对绕组进行分相划分；
15.步骤3，通过初始极距和每极中每相的初始槽数，以及设定的绕组层数i，通过下式获得最终的最终极距τ
i
，以及每极每相最终槽数q
i
，
16.τ
i
＝i*τ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
17.q
i
＝i*q；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
18.优选的，步骤1中，初始极距τ的计算公式为：
19.τ＝z/2p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
20.其中，z为定子槽数，p为电机极对数。
21.优选的，步骤1中，每极每相槽数q的计算公式为：
22.q＝z/2pm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
23.其中，z为定子槽数，p为电机极对数，m为电机相数。
24.优选的，所述i为3。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.本发明公开了一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组，该永磁电机是一种新型绕组拓扑结构：低空间谐波多层不等匝绕组，本发明公开的绕组拓扑结构的特点为：电机定子的每一个铁心槽内绕组层数大于2层，每相绕组在一个极距范围内在每个定子槽内均分布有绕组，电机的每相绕组在一个极距下占据整个电机槽内，且每槽内的绕组匝数均不相同，每个定子铁心槽内的总导体数相等。通过对定子铁芯每个槽内每层绕组的匝数进行合适的调整选择，该绕组型式可以产生更加趋于正弦形状的气隙磁动势，降低高速永磁电机的空间谐波，从而降低高速永磁电机的涡流损耗、转矩波动等，提升高速永磁电机的输出性能。
27.本发明还公开了一种应用于高速永磁电机的低谐波多层不等匝绕组的设计方法，该设计方法根据绕组函数计算得到多层不等匝绕组计算公式，按照公式可以根据电机的具体性能指标要求对每槽导体数进行选择。根据设计需求，选择不同匝数比，获得不同输出性能，最重要的是可以减小气隙磁动势空间谐波，本发明的结构拓宽了现有高速永磁电机中绕组拓扑结构型式，绕组设计的自由度较为宽泛，可以根据不同设计目标选择不同的绕组配比，获得不同型式的绕组拓扑结构。
附图说明
28.图1为2极6槽多层不等匝绕组的电机整体结构图；
29.图2为2极6槽多层不等匝绕组的槽矢量星型图；
30.图3为2极6槽绕组拓扑结构图；
31.其中，(a)图为单层整距绕组图；(b)图为双层短距绕组图；(c)多层不等匝绕组图。
32.图4为2极6槽不同绕组拓扑结构的绕组函数图；
33.图5为2极6槽不同绕组拓扑结构谐波磁动势幅值和总谐波畸变率图；
34.图6为2极6槽不同次谐波绕组系数图。
35.图7为不同绕组结构定子磁动势图；
36.图8为不同绕组结构定子磁动势谐波；
37.图9不同绕组结构输出平均转矩；
[0038]1‑
定子；2
‑
定子铁心槽；3
‑
绕组；4
‑
转子；5
‑
护套；6
‑
永磁体。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0041]
本发明在综合以上绕组结构特点的基础上公开了一种应用于高速永磁电机的新型低谐波多层不等匝电枢绕组拓扑结构，以及用于设计这种绕组结构的方法。与现有的几种绕组型式不同之处在于，此外，为了充分说明该绕组拓扑结构的特点，本发明还分别采用绕组函数方法以及有限元仿真(fea)对所提出的多层绕组拓扑结构进行了分析。
[0042]
参见图1，图1为本发明中2极6槽低谐波多层不等匝绕组拓扑结构。具体的整个永磁电机包括定子1、绕组3、转子4、护套5和永磁体6。
[0043]
转子4设置在定子1中，转子4上设置有永磁体6，永磁体6外套装有护套 5，定子1沿其周向等分开设有定子铁心槽2，每一个定子铁芯槽2内设置有三层绕组3，每一层绕组3代表一相，每一个定子铁心槽2内的总导体数相等。每一相的绕组在每一个定子铁心槽2内均设置，但是每一相的绕组在每一额定子铁心槽2内的匝数均不相同。通过对定子铁心每个槽里每层绕组的匝数进行合适的选择，该绕组型式可以产生更加趋于正弦形状的气隙磁动势，降低高速永磁电机的空间谐波，从而降低高速永磁电机的涡流损耗、转矩波动等，提升高速永磁电机的输出性能。
[0044]
本发明利用绕组函数法和有限元仿真(fea)对该绕组进行设计和分析，具体的包括以下步骤：
[0045]
步骤1，首先根据设计需求确定电机定子槽数和转子极数，参见图3为2极 6槽高速永磁电机绕组拓扑结构图，图中(a)和(b)分别为单层整距绕组结构和双层短距绕组结构。在得到电机定子槽数和转子极数后，根据绕组理论，可以求出初始极距τ和每极每相初始槽数q，具体的通过以下公式计算：
[0046]
τ＝z/2p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0047]
q＝z/2pm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0048]
其中z为定子槽数，p为电机极对数，m为电机相数；
[0049]
步骤2，根据电机极槽配合计算出每极每相槽数q，设计出电机的槽矢量星形图，并对绕组进行分相划分。至此，常规绕组结构便可以确定；
[0050]
步骤3，基于常规绕组理论基础之上，本发明提出了一种低谐波多层不等匝绕组拓扑结构以及设计方法:
[0051]
τ
i
＝i*τ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0052]
q
i
＝i*q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0053]
其中，τ
i
为最终极距，q
i
为每极每相最终槽数，i为绕组层数；以图3为例对该绕组设计方法进行详细说明，绕组极距τ＝3，q＝1，设定绕组层数i为3，则表示定子中每一相在一个极下占据一个槽，一个极下包含三相绕组；对于多层绕组τ
i
＝i*τ＝9,q
i
＝i*q＝3(i＝3),则表示一个极下包含9个虚槽，即一个极下包含三相绕组，一相绕组在一个极距下占据三个槽，构成三个线圈，如图3中(c)所示。求出每极每相槽数后，可以绘制出本实施例的绕组拓扑结构的槽矢量星形图，进而绕组连接方法可以确定，如图2的槽矢量星形图所示。
[0054]
步骤4，多层绕组拓扑结构中一相绕组在一个极距下占据的每个槽内导体数之和等于每槽导体总数，如图2中(c)所示:n
t
＝n1+n2+n3。
[0055]
绕组结构划分之后，根据公式(1)～(3)可以求出不同绕组结构的绕组函数分布图，如图3所示。然后将其进行傅里叶分解，便求出不同次数下绕组磁动势计算公式，如公式(4)～(6)。公式中n(φ)为匝函数，n(φ)为绕组函数，f(φ)为磁动势，υ为空间谐波次数，α1为槽距电角度，wthd为磁动势谐波畸变率，f
υ
为谐波磁动势幅值，f1为基波磁动势幅值。
[0056][0057]
n(φ)＝(n(φ)
‑
<n(φ)>)i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
f(φ)＝n(φ)i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0059][0060][0061][0062][0063]
在求得各次谐波磁动势幅值之后，根据公式(7)可以计算出总谐波磁动势畸变率，对绕组结构进行判定。
[0064]
图5和图6为2极6槽两种常规绕组结构的各次谐波磁动势幅值和总磁动势谐波畸变率以及各次谐波绕组系数。表1为2极6槽多层不等匝绕组结构不同绕组配比结构。从结合图5、图6和表1可以看出，该绕组结构的总磁动势谐波畸变率得到了大幅降低。
[0065]
表1多层不等匝绕组拓扑结构不同绕组配比的磁动势和总谐波磁动势畸变率
[0066][0067]
为了进一步验证本发明的优势，设计了一种高速永磁电机，设计参数如表2 所示，采用双层集中绕组与之进行对比。
[0068]
表2高速永磁电机主要设计参数
[0069][0070]
图7至图9分别为这两种绕组结构的定子磁动势曲线、定子磁动势谐波幅值和输出平均转矩。表3和表4则为采用这两种绕组结构的高速永磁电机输出参数对比。结合图7、图8、图9、表3和表4，可以看出，本发明保证其余参数不变，输出性能不变的前提下，定子电流、转矩波动和涡流损耗均有所降低，电机的输出性能得到了进一步的提高。
[0071]
本发明不仅仅局限于高速永磁电机，在常规电机中均可以应用。
[0072]
表3平均转矩和转矩波动比较
[0073][0074]
表4其他计算结果对比
[0075][0076]
本发明的优势还在于：常规绕组所占据的定子槽数根据每极每相槽数计算公式来确定，本发明则使得每相绕组在一个极距范围内占据定子的所有槽数；
[0077]
常规绕组的绕组层数通常选择≤2，单层绕组不能削弱空间谐波，双层绕组可以根据极距不同削弱空间谐波，但是每槽导体数必须为偶数，这在某种程度上限制了电机的性能。本发明所采用的绕组层数为3层，不但可以改变每相绕组在每个定子槽中所占据的绕组
匝数来削弱磁动势空间谐波，每槽导体数不局限于奇、偶数，选择的自由度也更加宽泛，可以进一步提升电机的输出能力。
[0078]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。