一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法
本专利技术涉及电机领域，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。本专利技术适用于电动汽车、舰船推进等要求高可靠性的电机系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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，本专利技术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，γ2v-γ1v表示两套绕组的vth磁动势谐波的角度差；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)，NAi为Ai相绕组函数，NBi为Bi相绕组函数，NCi为Ci相绕组函数，θ为转子空间位置角，Nv和γiv分别表示vth磁动势谐波的幅值和相位，且Nv＝2Nckwv/πv，其中，kwv表示绕组系数，Nc表示线圈匝数，具有一般性的绕组系数表达式为式中Z0表示单元电机的槽数。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，iAi(t)为Ai相电流，iBi为Bi相电流，iCi为Ci相电流，代入磁动势与电流表达式后，可以得到双三相电机磁动势的具体表达式为式中，γ1v为第一套三相绕组磁动势初始相位角，γ2v为第二套三相绕组磁动势初始相位角，Im表示相电流最大值，ω表示角频率，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θf表示正向旋转的磁动势谐波相位角，其阶次为6l-1，l为自然数，θb表示反向旋转的磁动势谐波相位角，其阶次为6l+1，h为自然数；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，kwp表示基波绕组系数，值得指出的是被消除的磁动势谐波成份不应被计及漏磁系数计算。进一步，步骤4)具体包括：电机自感Lself与磁化电感Lm与气隙漏感Lσ的关系可以表示为Lself＝Lm+Lσ＝(1+σ)Lm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μ0表示真空磁导率，Rg表示电机气隙半径，lef表示电机有效轴长，NA1(θ)为A1相绕组函数，表示电机气隙长度函数，对于表贴式永磁同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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电机相间耦合性最小、自感幅值最大的相移结构，完成容错式低短路电流永磁电机绕组结构设计。/n...

【技术特征摘要】
1.一种容错式低短路电流的双三相永磁电机绕组设计方法，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电机相间耦合性最小、自感幅值最大的相移结构，完成容错式低短路电流永磁电机绕组结构设计。


2.根据权利要求1所述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，其特征在于，步骤1)具体包括：
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。


3.根据权利要求1所述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，其特征在于，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，γ2v-γ1v表示两套绕组的vth磁动势谐波的角度差；
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)，NAi为Ai相绕组函数，NBi为Bi相绕组函数，NCi为Ci相绕组函数，θ为转子空间位置角，Nv和γiv分别表示vth磁动势谐波的幅值和相位，且Nv＝2Nckwv/πv，其中，kwv表示绕组系数，Nc表示线圈匝数，具有一般性的绕组系数表达式为



式中Z0表示单元电机的槽数。


4.根据权利要求3所述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，其特征在于，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，iAi(t)为Ai相...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，孙玉华，吉敬华，凌志健，田伟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32