CN109327092B - 一种产生两种极对数的永磁电机单绕组设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁电机相关技术领域，并公开了一种产生两种极对数的永磁电机单绕组设置方法，该永磁电机包括在通入电流后形成旋转磁场的定子，以及在所述旋转磁场作用下发生同步旋转的转子，其中通过向定子的同一个定子绕组中同时通入满足特定关系式的两种正弦电流，相应使得由单绕组产生互相不为齿谐波的电枢磁场，同时增大输出的转矩。通过本发明，可有效改变现有永磁电机中需要在同一定子槽中放置两套对数不同的绕组的技术现状，显著简化内部结构，不再需要绕组间绝缘，同时使得可利用的电负荷更大，从而使得输出转矩增大。

Description

一种产生两种极对数的永磁电机单绕组设置方法

技术领域

本发明属于永磁电机相关技术领域，更具体地，涉及一种产生两种极对数的永磁电机单绕组设置方法。

背景技术

近年来，新能源汽车发展迅速，其中混合动力汽车比纯电动汽车和燃料电池汽车具有更长的行驶距离和更合理的造价，是较为理想的新能源汽车选择。混联式动力系统既具有串联式系统中发动机始终稳定运行在最佳工作区域并可选择排量较小的发电机的优点，也拥有并联式系统中发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动电机的特点，自由度更高，因而可保证在更复杂的工况下，整套动力系统可运行在最优状态下，使得废气排放和油耗易达到目标要求。

现有技术中混联式动力系统的问题在于结构复杂、成本较高，且车身重量较大。为了弥补这些缺陷，使系统更加紧凑，发明人早期已经提出了一种无刷双机械端口永磁电机，例如在专利文献CN106374704A公开了一种基于磁场调制原理的无刷双机械端口永磁电机，其包含一个有两套电枢绕组的定子、一个调制转子和一个永磁转子；相应地，利用磁场调制原理，通过两套电枢绕组实现两个机械端口(永磁转子和调制转子)转矩与转速的解耦，同时，该电机定子包含了两套独立的通电绕组，它们产生的磁动势是解耦的。

然而，进一步的研究表明，上述这种双端口永磁电机仍存在以下的缺陷或不足：首先，由于同一定子槽存在两套绕组，导致必需在绕组间敷设绝缘，直接占用了部分槽内空间；其次，槽满率低，每套截面积小，且下线复杂，并存在加工制作及使用复杂等问题。相应地，本领域亟需寻找针对性的解决方案，以便更好地满足实际生产实践中面临的以上技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种产生两种极对数的永磁电机单绕组设置方法，其中通过紧密结合目前永磁电机在产生与转子极对数相匹配的电枢磁场过程的机理特征分析，开创性地提出在结构上省略一套定子绕组且保持绕组排布方式不变的情况下，通过电力电子器件控制部分线圈中的电流相位手段，由此在减少一套绕组的条件下仍可产生两种不同极对数磁场的永磁电机结构，同时实现电机转速和转矩解耦功能；与现有技术相比可显著简化内部结构，不再需要绕组间绝缘，特别是使得可利用的电负荷更大，因而增大了输出转矩，因而尤其适用于各类新能源汽车的混联式动力系统应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种产生两种极对数的永磁电机单绕组设置方法，该永磁电机包括在通入电流后形成旋转磁场的定子，以及在所述旋转磁场作用下发生同步旋转的转子，其特征在于：

向所述定子的同一个定子绕组中同时通入满足以下关系式的两种正弦电流I，相邻的下个定子绕组则依次以预设的相位差通入对应的正弦电流；以此方式，使得由单绕组产生两个互相不为齿谐波的电枢磁场，同时在相同铜耗条件下，增大输出的转矩：

其中，I₁、I₂表示向该定子绕组中所同时通入的两种正弦电流的不同幅值，其中I₁是第一种正弦电流的幅值，I₂是第二种正弦电流的幅值；ω₁、ω₂表示向该定子绕组中所同时通入的两种正弦电流的不同角频率，其中ω₁是第一种正弦电流的角频率，ω₂是第二种正弦电流的角频率；θ₁、θ₂表示向该定子绕组中所同时通入的两种正弦电流的不同相位角，其中θ₁是第一种正弦电流的相位角，θ₂是第二种正弦电流的相位角；t表示作为自变量的时间。

作为进一步优选地，所述定子的定子绕组相数可根据需要设定，并且优选被设定为三相、四相、五相、六相、八相、九相、十相、十二相、十五相、十六相、十八相、二十相或者二十四相。

作为进一步优选地，上述永磁电机优选是无刷双机械端口永磁电机，并且在结构上省去了一套定子电枢绕组，同时省去原来两套定子绕组之间的绝缘处理。

作为进一步优选地，所述无刷双机械端口永磁电机包括两个极对数不同的转子，并且这两个转子的极对数之间优选设定为以下关系：

P_a＝|P_ro±P_ri|

其中，P_ro表示其中的外转子的极对数，并且它等于所述定子绕组产生的一个电枢磁场极对数；P_ri表示其中的内转子的极对数；P_a则表示所述定子绕组产生的另外一个电枢磁场极对数。

作为进一步优选地，上述永磁电机优选运用于新能源汽车的混联式动力系统或者风力发电等多种技术领域。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、按照本发明的设置方式，最终所获得的永磁电机在结构上省略了一套绕组，在保证能产生两种极对数(非齿谐波)的电枢磁场的前提下，只有一套绕组，结构简单，不用绕组间绝缘，加工方便；

2、按照本发明的定子电枢绕组，较多的实际测试表明，可利用空间更大，在相同铜耗的条件下，由于可利用的电负荷更大，因此输出转矩增大；

3、此外，当存在多相结构时，各个单相容量减少，降低对逆变器单相电路中功率器件的要求。

附图说明

图1是按照本发明一个优选实施例、用于解释说明用于产生2对极和13对极两种极对数的六相绕组连接图；

图2是用于示范性显示定子24槽绕组极对数是2的槽电势星形图；

图3是用于示范性显示定子24槽绕组极对数是13的槽电势星形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现以定子24槽，外转子极对数为13，内转子极对数为11，等效调制绕组极对数为2、等效常规绕组极对数为13的双机械端口永磁电机为例，详细说明产生两种极对数的单绕组设置和通电流方式。本方案所提出的发明方案包括但不限于该情况，该情况仅用于详细说明绕组的连接和通电方式。

如图1所示，定子24个槽中线圈上层边用1、2、3、…24分别表示，下层边用1’、2’、3’、…24’分别表示；由此，线圈边1与6’、2与7’、…20与1’、21与2’、22与3’、23与4’、24与5’分别组成24个定子线圈，线圈节距为5。

如图2和图3所示，若24个定子线圈均由电力电子器件单独控制，则要产生2对极电枢磁场时，相邻两个线圈中通入的电流相位互差2π/12。例如线圈1与6’中通入电流为I＝I₁cos(ω₁t+θ₁)，则线圈2与7’中通入电流为I＝I₁cos(ω₁t+θ₁+2π/12)，其他22个定子线圈依次类推；要产生13对极电枢磁场时，相邻两个线圈中通入的电流相位互差13π/12。例如线圈1与6’中通入电流为I＝I₂cos(ω₂t+θ₂)，则线圈2与7’中通入电流为I＝I₂cos(ω₂t+θ₂+13π/12)，其他22个定子线圈依次类推。将这两种不同相位的正弦电流同时通入同一线圈中，使得定子绕组产生2对极电枢磁场和13对极的电枢磁场。此时，线圈1与6’中通入电流为I＝I₁cos(ω₁t+θ₁)+I₂cos(ω₂t+θ₂)，线圈2与7’中通入电流为I＝I₁cos(ω₁t+θ₁+2π/12)+I₂cos(ω₂t+θ₂+13π/12)，其他22个定子线圈中的电流依次类推。相应地，可有效改变现有永磁电机中需要在同一定子槽中放置两套极对数不同的绕组的技术现状，不再需要绕组间绝缘，同时在相同铜耗条件下，电机可利用的电负荷更大，从而增大了电机的输出转矩增。

进一步地，为了减少电力电子器件用量，降低成本，可以改成12条支路或6条支路控制，下面以6条支路为例，说明此时绕组设置和通电流方式。

如图1所示，当应用场合为6条支路控制时，六相绕组连接图。4个线圈同向串联成一相绕组，即6’和3相连接、8’与12相连接、17’与4相连接，则1与19’为A1相绕组的两端A1与X1。同理可以从图1中看出其他各相绕组连接方式。显然，1、2、4、5、8、9、19’、20’、23’、24’、3’、4’对应各相绕组的A1、A2、B1、B2、C1、C2、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2端点，按照上述连接方式即可将该电机接成六相电机。

此时A1、A2、B1、B2、C1、C2六相中电流为：

i_A1＝I₁cos(ω₁t+θ₁)+I₂cos(ω₂t+θ₂)

i_A2＝I₁cos(ω₁t+θ₁)-I₂cos(ω₂t+θ₂)

其中I₁是第一个正弦电流的幅值，ω₁是第一个正弦电流的角频率，θ₁是第一个正弦电流的相位角；I₂是第二个正弦电流的幅值，ω₂是第二个正弦电流的角频率，θ₂是第二个正弦电流的相位角，t表示上述函数式中作为自变量的时间。

综上，本发明提供了一种产生两种极对数的单绕组设置方法，且两种极对数磁场互相不为齿谐波。其目的在于解决现有的双机械端口永磁电机为产生与转子极对数相匹配的电枢磁场，需要在同一定子槽中放置两套极对数不同的绕组，使得绕组间绝缘困难，每套截面积小的问题。此外，与现有技术相比，本发明提出的产生双极对数的单绕组在相同的铜耗情况下，线负荷更大，从而使输出转矩增大。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种产生两种极对数的永磁电机单绕组设置方法，其特征在于，该永磁电机用于混合动力汽车中的混联式动力系统，它采取无刷双机械端口永磁电机的形式，并且在结构上省去了一套定子电枢绕组；该永磁电机包括在通入电流后形成旋转磁场的定子，以及在所述旋转磁场作用下发生同步旋转的两个极对数不同的转子，其特征在于：

对于所述定子而言，向所述定子的同一个定子绕组中同时通入满足以下关系式的两种正弦电流I，相邻的下个定子绕组则依次以预设的相位差通入对应的正弦电流；以此方式，使得由单绕组产生两个互相不为齿谐波的电枢磁场，同时在相同铜耗条件下，增大输出的转矩：

其中，I₁、I₂表示向该定子绕组中所同时通入的两种正弦电流的不同幅值，其中I₁是第一种正弦电流的幅值，I₂是第二种正弦电流的幅值；ω₁、ω₂表示向该定子绕组中所同时通入的两种正弦电流的不同角频率，其中ω₁是第一种正弦电流的角频率，ω₂是第二种正弦电流的角频率；θ₁、θ₂表示向该定子绕组中所同时通入的两种正弦电流的不同相位角，其中θ₁是第一种正弦电流的相位角，θ₂是第二种正弦电流的相位角；t表示作为自变量的时间；

对于所述转子而言，这两个转子的极对数之间被设定为以下关系：

P_a＝|P_ro±P_ri|

其中，P_ro表示其中的外转子的极对数，并且它等于所述定子绕组产生的一个电枢磁场极对数；P_ri表示其中的内转子的极对数；P_a则表示所述定子绕组产生的另外一个电枢磁场极对数。

2.如权利要求1所述的永磁电机单绕组设置方法，其特征在于，所述定子的定子绕组相数被设定为三相、四相、五相、六相、八相、九相、十相、十二相、十五相、十六相、十八相、二十相或者二十四相。

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