[发明专利]一种多重对称绕组磁通切换电机及其绕组设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电机绕组结构设计领域，涉及一种多重对称绕组磁通切换电机及其绕组设计方法。

背景技术

磁通切换型永磁电机具有转矩(功率)密度高、效率高、转子结构坚固等特性，特别适用于高性能驱动及高速应用领域。随着应用场合对电机系统功率等级、容错运行和可靠性等性能要求的不断提高，多相磁通切换型永磁电机越来越成为国内外各大高校与研究机构的重点课题，因为它不仅保留了普通三相磁通切换型永磁电机的优点，还在以下四个方面具有显著优势：

(1)在大功率应用场合，每相绕组所分配的功率等级在功率器件可承受范围内，使得标准功率模块能够直接使用。

(2)可靠性提高。对于对称m相电机，相邻两相矢量之间的相位差为2π/m。当某相绕组发生故障时，故障相所造成的功率损失占总体比例较小，增强了电机的容错性能；对于由x套中性点独立的n相对称绕组所组成的多相电机，当某相绕组发生故障时，直接切断该相绕组所在的该套n相对称绕组，即可使电机在不改变控制算法的情况下依然能够正常运行。

(3)随着相数的增加，由逆变器提供的电枢绕组电流所引起的空间谐波磁场幅值减小，从而可以减小转矩脉动。

(4)通过特定的定转子齿槽配合，可以有效增大定位力矩的频率，进而减小定位力矩的幅值，减小电机转矩脉动。

然而，转矩脉动在永磁电机中是不可避免的问题，产生转矩脉动的主要原因有：定位力矩、每相空载感应电势谐波、直轴、交轴电感变化引起的磁阻转矩和加载的电枢电流波形畸变等。

现有磁通切换电机的绕组设计方法仅根据槽导体电势星形图和绕组互补性原则设计每相电枢绕组线圈的连接，并最终将多重对称绕组设计成完全对称分布的结构。该方法能够在一定程度上减少感应电势的谐波分量，从而提高每相感应电势的正弦度，但仍存在以下问题：谐波感应电势无法完全消除，因此由谐波感应电势引起的转矩脉动仍然存在；即使谐波感应电势可以忽略不计，但由电枢电流的谐波分量所引起的转矩脉动仍比较严重；不能保证每相空载感应电势具有较高的绕组因数，影响了每相空载感应电势基波分量的幅值和电机出力。

发明内容

技术问题：本发明提供一种每相绕组空载感应电势总谐波畸变率较小、电磁转矩平均值较高、且能有效抑制由空载感应电势或电枢电流中奇次谐波分量引起的电磁转矩脉动的多重对称绕组磁通切换电机，同时提供一种该电机的绕组设计方法。

技术方案：本发明的多重对称绕组磁通切换电机绕组设计方法，针对多相磁通切换电机的x套n相对称绕组进行设计，包括如下步骤：

1)根据电机绕组相数m和线圈个数N确定每相的线圈个数为N/m，然后将具有绕组互补性的两个线圈连接成一个线圈组，将感应电势相位差最小的N/(2m)个线圈组连接成一相绕组，从而得到第一相绕组的线圈构成，其中电枢绕组线圈个数N为相数m的偶数倍，即N＝2km，k为正整数；

2)根据n相对称绕组中各相绕组之间的相位关系，即一套n相对称绕组中相邻两相绕组之间的相位差为2π/n，确定与所述第一相绕组在同一套对称绕组的其他n-1相绕组的线圈构成，从而得到第一套n相对称绕组的构成；

3)根据下式确定相邻两套n相对称绕组之间的相位差θ_set：

其中，x为多重对称绕组磁通切换电机中n相对称绕组的个数，且x、n均为大于1的整数。

4)根据所述步骤3)中确定的相位差θ_set，以及其他对称绕组与第一套对称绕组的相位关系(i-1)θ_set，依次确定其他x-1套对称绕组的线圈构成，其中i为对称绕组的序号，第一套对称绕组的序号取i＝1，其他x-1套对称绕组的序号为i＝2,3,…,x。

本发明方法中，步骤1)中，在将具有绕组互补性的两个线圈连接成一个线圈组时，如果两互补线圈的空载感应电势相位差为180°，则反向串联；如果两互补线圈的空载感应电势相位差为0°，则正向串联。

本发明的多重对称绕组磁通切换电机，采用x套n相对称绕组，相邻两套n相对称绕组之间的相位差θ_set为：

其中，x为多重对称绕组磁通切换电机中n相对称绕组的个数，x、n均为大于1的整数，电机的总相数m＝xn，线圈个数N为相数的偶数倍，即N＝2km，k为正整数。

本发明多重对称绕组磁通切换电机的中，n相对称绕组由感应电势相位差最小的N/(2m)个线圈组连接成，线圈组由具有绕组互补性的两个线圈连接而成。