一种低短路电流的模块化双三相永磁电机

本发明涉及多相电机领域，具体涉及到一种低短路电流的模块化双三相永磁电机。本发明适用于电动汽车、航空航天、医疗器械等对电机系统可靠性要求较高的场合。

背景技术：

1、双三相永磁同步电机具有高转矩密度、低转矩脉动等优点，在电动汽车、航空航天、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。然而，随着永磁电机的进一步发展，其可靠性问题愈发受到人们的重视。传统的双三相绕组仍然存在相间耦合大和短路电流高的缺陷，限制了其在高可靠电机领域的推广应用。

2、目前通过优化定子槽开口、引入磁障和增加转子极数等方法来减小电机短路电流，但是这些方法不仅需要调整原本的电机拓扑结构，而且也会增加电机漏磁，从而牺牲电机的转矩密度。

3、两套三相绕组间的相移角对永磁电机的电磁性能存在显著差异，当采用双三相30°相移结构时，由于其高基波绕组系数和转矩相位补偿的特点，永磁电机具有最佳的转矩性能。文献(ieee transactions on industrial electronics,doi:10.1109/tie.2017.2748035(analysis of dual three-phase permanent-magnet synchronousmachines with different angledisplacements))提出一种新型的双三相15°相移结构，实现了永磁电机短路电流的有效抑制。然而，提出的15°相移结构难以获得与双三相30°相移结构相媲美的转矩性能，永磁电机在转矩性能和可靠性方面难以兼得。可见，优异的转矩性能和短路电流高构成了双三相永磁电机固有的矛盾问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，解决传统双三相绕组结构短路电流较大、两套绕组空间耦合严重的问题。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，包括定子和转子，定子和转子之间存在气隙，永磁体均匀地分布于转子表面；定子沿周向均分成偶数个模块，第一套三相绕组分布于奇数模块中，第二套三相绕组分布于偶数模块中，第二套三相绕组滞后第一套三相绕组对应相30°相移角。

4、进一步的技术方案，所述模块化双三相永磁电机为48槽/8极永磁同步电机。

5、更进一步的技术方案，所述定子分成模块一、模块二、模块三和模块四。

6、更进一步的技术方案，第一套三相绕组分布于模块一和模块三上，第二套三相绕组分布于模块二和模块四。

7、更进一步的技术方案，对于第一套三相绕组，a1相的连接次序为：1→7→2→8→13→19→14→20，b1相的连接次序为：5→11→6→12→17→23→18→24，c1相的连接次序为：10→4→9→3→22→16→21→15；对于第二套三相绕组，a2相的连接次序为：14→20→15→21→26→32→27→33，b2相的连接次序为：18→24→19→13→30→36→31→25，c2相的连接次序为：22→16→23→17→34→28→35→29。

8、更进一步的技术方案，各相绕组系数为：

9、

10、式中：kwv表示v次谐波的绕组系数，q表示电机定子槽数，v表示绕组函数谐波阶次，当v等于基波及其倍数次时，b2相的绕组系数与其他五相保持一致。

11、更进一步的技术方案，各相绕组的空载反电势为：

12、

13、式中：θm表示转子空间位置，n(θm)和bpm(θm,t)分别表示绕组函数和永磁磁密，rg表示气隙半径，le表示电机叠长，bk表示一对极下k次永磁磁密的幅值，ω表示电角速度，βv表示对应空载反电势谐波阶次的初始相位角，nv表示对应绕组函数谐波阶次的幅值，p表示电机的极对数。

14、更进一步的技术方案，三相绕组的电枢磁动势谐波含量为：

15、

16、式中：μ0表示真空磁导率，n为每相串联总匝数，αv1和αv2均为对应阶次下的初始相位角，为反气隙函数，表示转子位置相对a1相轴线的相位差，lnp和βnp分别为np次电感谐波的幅值和相位，v1和v2均为磁动势谐波阶次，kwv1和kwv2为对应阶次的绕组系数，n表示非0的偶数，l0为电感的平均值。

17、更进一步的技术方案，由短路电流的表达式，制动转矩稳态分量表示为：

18、

19、式中：ψm(0)为短路前的永磁磁密，ra1和la1a1分别表示a1相电阻和自感值，e0为空载反电势幅值，σ0为短路相和转子位置间的相位角，γ表示电机的功率因数角。

20、本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明所述绕组设计方法突破了传统上通过设置磁障的方式来实现绕组模块化分布的思路，避免了对原有电机拓扑结构的调整，拓宽了模块化绕组结构的应用领域；另外，所述绕组设计方法适用于任意转子类型，具有较好的稳健性与推广性。

22、(2)本发明采用单层绕组结构，通过绕组模块化设计，每个模块单元存在独立的一套三相绕组，模块间绕组具有天然的物理隔离，显现了较高的独立性；当电机发生故障时，可以通过切除故障所在相或者故障所在模块的绕组，实现电机的带故障运行。

23、(3)本发明所述绕组结构极大地抑制了电机短路电流及其产生的制动转矩，降低了短路故障对绕组线圈、永磁体的影响，减小了电机系统的停机风险。

24、(4)本发明所述绕组结构下两套三相绕组间保留了转矩性能最优的30°相移角，且不影响电机反电势的对称性；当仅一套三相绕组单独作用时，气隙内不存在不平衡电磁力，电机仍具有较好的运行品质。

技术特征：

1.一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，包括定子(1)和转子(2)，定子(1)和转子(2)之间存在气隙(5)，永磁体(3)均匀地分布于转子(2)表面；其特征在于：定子(1)沿周向均分成偶数个模块，第一套三相绕组分布于奇数模块中，第二套三相绕组分布于偶数模块中，第二套三相绕组滞后第一套三相绕组对应相30°相移角。

2.根据权利要求1所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，所述模块化双三相永磁电机为48槽/8极永磁同步电机。

3.根据权利要求2所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，所述定子(1)分成模块一、模块二、模块三和模块四。

4.根据权利要求3所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，第一套三相绕组分布于模块一和模块三上，第二套三相绕组分布于模块二和模块四。

5.根据权利要求4所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，对于第一套三相绕组，a1相的连接次序为：1→7→2→8→13→19→14→20，b1相的连接次序为：5→11→6→12→17→23→18→24，c1相的连接次序为：10→4→9→3→22→16→21→15；对于第二套三相绕组，a2相的连接次序为：14→20→15→21→26→32→27→33，b2相的连接次序为：18→24→19→13→30→36→31→25，c2相的连接次序为：22→16→23→17→34→28→35→29。

6.根据权利要求5所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，各相绕组系数为：

7.根据权利要求5所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，各相绕组的空载反电势为：

8.根据权利要求7所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，三相绕组的电枢磁动势谐波含量为：

9.根据权利要求8所述的低短路电流的模块化双三相永磁电机，其特征在于，由短路电流的表达式，制动转矩稳态分量表示为：

技术总结
本发明公开了一种低短路电流的模块化双三相永磁电机，属于永磁电机领域。定子沿周向均分成偶数个模块，第一套三相绕组分布于奇数模块中，第二套三相绕组分布于偶数模块中，第二套三相绕组滞后第一套三相绕组对应相30°相移角。本发明通过优化两套绕组的空间布局，使得每套三相绕组独立的分布于一个模块单元，两套绕组在空间上不存在交叠；虽然两套三相绕组采用了不同的连接方式，但不会影响反电势的对称性，而且极大地改善了传统双三相绕组短路电流较大的弊端，进而有效降低电机的绕组故障率。

技术研发人员：赵文祥,孙玉华,吉敬华,杜育轩,王化南,朱纪洪
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17