一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法

本发明涉及电机领域，涉及农用拖拉机永磁游标轮毂电机，具体是该永磁游标轮毂电机中的绕组设计方法。

背景技术：

1、以拖拉机为代表的农机动力装备是农业生产的最主要动力来源，传统农机驱动消耗大量柴油，排放废气造成严重的环境污染。农用拖拉机驱动机由传统燃油机到电机的转变符合绿色电动农机的新要求，以电机为动力核心的电动拖拉机成为助力绿色农机发展的重要途径之一。相比传统燃油拖拉机，电动拖拉机仍然面临犁耕、旋耕、起垄、播种等复杂的作业工况，因而整机动力系统对电机的驱动性能提出了严苛的要求，而研究一类适用于电动拖拉机行走的驱动电机是该领域迫切需求。目前，分布式驱动技术具有动力性能优良、控制灵活、传动效率高等突出优势，在电动拖拉机领域拥有潜在的应用前景，而轮毂电机则是分布式驱动系统的动力核心。

2、由于需要直接面临拖拉机犁耕、旋耕、起垄、播种等复杂的作业工况，要求电机具有大转矩的输出能力，以满足拖拉机低速平稳的作业需求。在众多电机类型之中，具有低速大转矩突出优势的永磁游标电机，在电动拖拉机轮毂直驱应用场合中显现出优势，然而，游标电机在运行时，气隙磁场中不可避免地存在大量非工作磁密谐波，导致永磁游标电机功率因数低。低功率因数意味着电机在面对相同功率输出条件下需要更大容量功率变换器，大大增加成本，限制应用。

3、中国发明专利公开号为cn112636557a的文献中提出了采用不对称曲面梯形调磁块的方法，通过减小电机q轴电感使得电机功率因数得到改善，但是电机的转矩性能变差，而且永磁体形状特殊，加工困难。中国发明专利公开号为cn106253530a的文献中提出一种跨两齿集中绕组的方法，通过降低极比实现永磁游标电机功率因数的提高，却劣化了电机的转矩输出。这两种方案在提升电机功率因数时，牺牲了高转矩性能，难以满足电动拖拉机驱动电机高转矩大功率因数的要求。中国发明专利公开号为cn112737160a的文献中提出采用转子交替极与辅助永磁体结构，抑制永磁体自漏磁，提高电机功率因数，其虽然保证了电机转矩密度，但永磁体用量大，磁场强度高，定子轭部和齿部易饱和；此外电机永磁体用量多成本高，并且此方案对电机的加工有着极大挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有轮毂电机不能协同提升永磁游标轮毂电机的转矩与功率因数的问题，提出一种针对农用拖拉机永磁游标轮毂电机的双三相绕组设计方法，兼顾电机转矩与功率因数的提升，在永磁游标电机高转矩输出的同时保证电机的功率因数，使电机性能满足电动拖拉机驱动电机高转矩大功率因数的要求。

2、为实现上述目的，本发明提出的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法采用的技术方案是包括以下步骤：

3、步骤1)：建立包含有相移角的电枢磁动势函数，判别电机电枢磁场工作谐波与非工作谐波，工作谐波包含有工作基波；

4、步骤2)：在条件范围中选取若干个相移角，计算不同相移角的工作谐波绕组系数，将所述的工作谐波绕组系数中的最大值对应的相移角作为转矩最优角；

5、步骤3)：基于所述的电枢磁动势函数，建立包含相移角的电枢磁链表达式，基于所述的电枢磁链表达式，分别计算所述的若干个相移角对应消除的电枢非工作谐波磁链，比较所述的若干个相移角对应消除的电枢非工作谐波磁链的数量的大小，得到数量最大值，则将数量最大值对应的相移角作为功率因数最优角；

6、步骤4)：取所述的转矩最优角与所述的功率因数最优角的交集作为最优相移角；

7、步骤5)：根据所述的最优相移角建立电机槽矢量图，分配双三相绕组的各相槽矢量，绕制双三相绕组。

8、进一步地，步骤1)中，所述的电枢磁动势函数

9、

10、步骤3)中，所述的电枢磁链表达式为：

11、

12、nv和βkv分别为v次谐波幅值和相位，k＝1,2分别为第一、第二套绕组，ω为角频率，θ为空间角，t为时间，θδ为相移角，β1v、β2v分别为第一、第二套绕组的v次谐波相位，λr为转子磁导，rg为电匝机气隙圆周长度，lef为电机轴向长度，nc为电机绕组每相线圈数，nst为定子槽数。

13、进一步地，步骤2)中，选取若干个相移角的条件范围为θδ＝hα0且α0为电机槽距角，h为槽距数，h＝0,1,2…，m为相数，当h＝0,1,2…，得到若干个相移角；

14、所述的工作基波绕组系数q为电机每极每相槽数，α槽距角电角度，β1v、β2v分别为第一、第二套绕组的v次谐波相位。

15、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

16、本发明具有以下有益效果：

17、1、本发明针对工作谐波获得转矩最优角，针对非工作谐波获得功率因数最优角，由转矩最优角和功率因数最优角的交集得到最优相移角，基于最优相移角建立电机槽矢量图，分配双三相绕组的各相槽矢量，从而设计了双三相绕组；双三相绕组通过合理选择的相移，不仅可增大电枢工作谐波绕组系数，进而使电机转矩能力得到提升，同时可以消除电枢非工作磁链，从而有效提升电机的功率因数。

18、2、本发明方法设计的绕组，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转矩性能的提升与功率因数的改善，可避免对电机尺寸设计的干扰，具有普适性。

技术特征：

1.一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：步骤1)中，所述的电枢磁动势函数

3.根据权利要求2所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：取β1v-β2v+θ△＝360l±180°时，l是整数，分别计算出若干个相移角消除的电枢非工作谐波磁链。

4.根据权利要求1所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：步骤4)中，当所述的转矩最优角与所述的功率因数最优角相同时，所述的最优相移角为所述的转矩最优角或所述的功率因数；当所述的转矩最优角与所述的功率因数最优角不同时，若实际工况对转矩需求超过对功率因数需求，则选择所述的转矩最优角作为所述的最优相移角，若实际工况对功率因数需求超过对转矩需求，则选择所述的功率因数角作所述的为最优相移角。

5.根据权利要求1所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：步骤5)中，基于所述的工作基波合成矢量最大的原则，根据所述的最优相移角分配双三相绕组的各相槽矢量，再绕制绕组。

6.根据权利要求1所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，步骤2)中，选取若干个相移角的条件范围为θδ＝hα0且α0为电机槽距角，h为槽距数，h＝0,1,2…，m为相数，当h＝0,1,2…，得到若干个相移角。

7.根据权利要求6所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：步骤2)中，所述的工作基波绕组系数q为电机每极每相槽数，α槽距角电角度，β1v、β2v分别为第一、第二套绕组的v次谐波相位。

8.根据权利要求7所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：所述的槽距角电角度α＝2π*|ppm-nst|/nst，ppm为永磁体极对数，nst为定子槽数，电枢绕组绕制极对数nw＝|ppm-nst|，nw等于电枢磁场工作基波次数，电枢磁场工作基波对应于基波合成最大的槽矢量分布，若干个相移角对应不同的电枢磁场工作基波绕组系数。

9.根据权利要求1所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：所述的电枢磁动势函数fam＝fam1+fam2，双三相绕组中的第一套绕组的电枢磁动势函数fam1＝na1(θ)ia1(t)+nb1(θ)ib1(t)+nc1(θ)ic1(t)，双三相绕组中的第二套绕组的电枢磁动势函数fam2＝na2(θ)ia2(t)+nb2(θ)ib2(t)+nc2(θ)ic2(t)，na1(θ)、nb1(θ)、nc1(θ)分别为第一套绕组的三相绕组函数；ia1(t)、ib1(t)、ic1(t)分别为第一套绕组的三相电流；na2(θ)、nb2(θ)、nc2(θ)分别为第二套绕组的三相绕组函数；ia2(t)、ib2(t)、ic2(t)分别为第二套绕组的三相电流。

10.根据权利要求9所述的一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，其特征是：k＝1,2分别表示第一、第二套绕组，nak(θ)为ak相绕组函数，nbk(θ)为bk相绕组函数，nck(θ)为ck相绕组函数，双三相绕组函数为：

技术总结
本发明公开一种农用拖拉机永磁游标轮毂电机双三相绕组设计方法，建立包含有相移角的电枢磁动势函数在条件范围中选取若干个相移角，计算不同相移角的工作谐波绕组系数，将工作谐波绕组系数中的最大值对应的相移角作为转矩最优角；基于电枢磁链表达式分别计算若干个相移角对应消除的电枢非工作谐波磁链，比较若干个相移角对应消除的电枢非工作谐波磁链的数量的大小得到数量最大值，则将数量最大值对应的相移角作为功率因数最优角；取转矩最优角与功率因数最优角的交集作为最优相移角；根据最优相移角建立电机槽矢量图，分配双三相绕组的各相槽矢量；本发明不仅提升了电机转矩能力，同时有效提升了电机的功率因数。

技术研发人员：朱孝勇,庞东泽,项子旋,杜怿,徐磊
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19