CN118473123B - 一种集中绕组三三相永磁游标电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及游标电机技术领域，尤其涉及一种集中绕组三三相永磁游标电机，包括转子和定子，转子和定子之间通过气隙隔开；转子由转子铁芯和永磁体构成，永磁体采用表贴方式排布于转子的外表面，且相邻两个永磁体采用径向励磁形式排布，相邻两个永磁体的励磁方向相反；定子部分包括定子铁芯和电枢绕组。其中，定子铁芯采用开口槽或半开口槽结构来调制磁场，电枢绕组采用三三相设计，与该槽极配合下传统三相电机双层分布绕组分布不同，本发明采用双层集中式绕组分布方案，能在少量降低电机转矩性能的前提下，显著降低绕组端部长度并大幅度提升电机功率因数。同时，本发明电机能降低电机系统无功功率，提高直流母线电压利用率，具有较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及游标电机技术领域，尤其涉及一种集中绕组三三相永磁游标电机。
背景技术
永磁游标电机由于结构简单、转矩密度大的优点，在电动汽车直驱领域得到了广泛关注。永磁游标电机为获得较高的转矩密度需要增大调制比，主要从两个方面入手，其一是增大永磁体极对数，这会导致交轴电感显著高于传统电机，使得永磁游标电机功率因数偏低。该缺点致使永磁游标电机系统中存在较大的无功功率，导致电源容量的浪费，严重限制了该类电机的应用范围。
另外，通过减小绕组极对数也是增大调制比的重要手段，但该方法常常需要通过使用分布式绕组来实现，分布式绕组会导致电机的端部显著增长，增大电机体积和重量的同时，也会增大电机铜耗，降低效率，增加电机散热难度。
因此，如何在兼顾转矩性能的同时，利用绕组设计手段，降低电机q轴电感，增大电机功率因数是永磁游标电机实用化亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种集中绕组三三相永磁游标电机，该游标电机不仅具备传统永磁游标电机高转矩密度性能，还通过谐波绕组和三三相设计使得电机功率因数得到显著提升。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种集中绕组三三相永磁游标电机，包括定子和转子，所述定子和转子之间通过气隙隔开；
所述定子由定子铁芯和电枢绕组组成，所述定子铁芯为开口槽或半开口槽；
所述电枢绕组按照三三相分相，使得每套三相绕组中B相滞后A相40°，C相滞后B相40°；且三个三相绕组对应相在电磁上互差120°，电枢绕组采用双层集中绕组形式绕制在电枢齿上，每个电枢齿上绕制一个线包；
所述转子由转子铁芯和永磁体构成，所述永磁体采用表贴方式排布于转子铁芯靠近气隙一侧的表面，且永磁体采用径向励磁，且相邻两个永磁体的励磁方向相反。
优选地，所述定子的定子铁芯和转子的转子铁芯均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成。
优选地，所述转子的永磁体采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制备而成。
优选地，所述定子的电枢绕组的极对数为Pw，转子的永磁体极对数为Ppm，定子齿数为ns，满足以下关系式：ns＝Pw+Ppm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用磁场调制原理，通过调制齿引起的磁导变化产生低速有效磁场，能有效提升电机的转矩密度。
2、本发明采用谐波绕组和三三相设计，使得其中任意的三相绕组在电磁上非均匀分布(以本发明示例的18槽28极电机为例，谐波绕组设计后，A相超前B相40°，B相超前C相40°)，但三个三相模块在电磁呈现均匀分布，保证转矩脉动性能的同时，显著降低q轴电感，提升电机功率因数。
3、本发明的永磁游标电机采用双层集中式绕，而相同槽极配合下传统绕组设计采用双层分布绕组结构，本发明显著缩短了电机端部长度，降低电机铜耗，提升电机效率，有助于缓解电机散热问题。
4、本发明采用的双层集中绕组形式能显著降低电机相间互感，提升了电机的容错性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的绕组结构分布与传统三相绕组结构图；
图3为本发明的反电势波形图和相同结构下三相设计反电势波形图；
图4为本发明和传统结构的转矩对比图；
图5为本发明和传统结构在不同负载下功率因数变化图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图5，一种集中绕组三三相永磁游标电机，包括定子1和转子2，所述定子1和转子2之间通过气隙3隔开；
所述定子1由定子铁芯11和电枢绕组12组成，所述定子铁芯11为开口槽或半开口槽；
所述电枢绕组12按照三三相分相，使得每套三相绕组中B相滞后A相40°，C相滞后B相40°；且三个三相绕组对应相在电磁上互差120°，电枢绕组12采用双层集中绕组形式绕制在电枢齿13上，，每个电枢齿13上绕制一个线包；
所述转子2由转子铁芯21和永磁体22构成，所述永磁体22采用表贴方式排布于转子铁芯21靠近气隙3一侧的表面，且永磁体22采用径向励磁，且相邻两个永磁体22的励磁方向相反。
具体的，所述定子1的定子铁芯11和转子2的转子铁芯21均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成；所述转子2的永磁体22采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制备而成。
具体的，所述定子1的电枢绕组12的极对数为Pw，转子2的永磁体22极对数为Ppm，定子1齿数为ns，满足以下关系式：ns＝Pw+Ppm。
为了清楚阐述本发明的具体实施方式，下面将结合附图中的本发明永磁游标电机结构加以说明，图1为本发明电机的模型，可以看到，定子1采用平行齿结构，槽形为开口槽或半开口槽，以便于定子齿作为调制齿参与调制。
图2为本发明电机的电枢绕组结构图与传统三相绕组结构图。其中，a为本发明所设计的绕组接线图，b为传统绕组接线图。可以看出，本发明绕组结构为双层集中绕组，电机具有短端部优势；而相同槽极配合下的传统三相绕组结构采用了跨距为2的分布绕组，绕组端部较长。
图3给出了本发明永磁游标电机和传统三相永磁游标电机的反电势波形图。
其中，a为第一套三相绕组反电势图，b为第二套三相绕组反电势图，c为第三套三相绕组反电势图，d为传统三相绕组反电势图。可以看出，本发明永磁游标电机有三个三相绕组，且单个三相绕组中的A相超前B相40°，B相超前C相40°。另外，该三个三相反电势相位互差120°。而传统三相永磁游标电机的反电势互差120°。另外，传统三相永磁游标电机的单相反电势幅值与本发明单相反电势幅值的比例略大于3。因此，传统三相永磁游标电机的平均转矩略高于本发明。
图4对比了本发明公开的集中绕组三三相永磁游标电机及传统三相永磁游标电机的转矩波形。可以看出，本发明的平均转矩约为18.0Nm，而传统三相绕组下平均转矩为19.2Nm。本发明转矩略有下降，下降比列约为6.3％。另外，本发明对转矩脉动影响不大。
图5比较了本发明绕组与传统三相绕组永磁游标电机的功率因数随电流的变化曲线。可以看出，本发明的功率因数要显著大于传统三相绕组永磁游标电机，且随着负载的增大，本发明在功率因数上的优势将进一步明显。在额定电流(电流有效值为10A)下，本发明的功率因数为0.91，而传统三相绕组永磁游标电机的功率因数仅为0.77，功率因数提升比例为18.8％。
综上所述，本发明不仅具备传统永磁游标电机高转矩密度性能，还通过三三相绕组设计使得电机具备更优的功率因数性能。
本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种集中绕组三三相永磁游标电机，其特征在于，包括定子(1)和转子(2)，所述定子(1)和转子(2)之间通过气隙(3)隔开；
所述定子(1)由定子铁芯(11)和电枢绕组(12)组成，所述定子铁芯(11)为开口槽或半开口槽；
所述电枢绕组(12)按照三三相分相，使得每套三相绕组中B相滞后A相40°，C相滞后B相40°；且三个三相绕组对应相在电磁上互差120°，电枢绕组(12)采用双层集中绕组形式绕制在电枢齿(13)上，每个电枢齿(13)上绕制一个线包；
所述转子(2)由转子铁芯(21)和永磁体(22)构成，所述永磁体(22)采用表贴方式排布于转子铁芯(21)靠近气隙(3)一侧的表面，且永磁体(22)采用径向励磁，且相邻两个永磁体(22)的励磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种集中绕组三三相永磁游标电机，其特征在于，所述定子(1)的定子铁芯(11)和转子(2)的转子铁芯(21)均由高导磁率的硅钢片材料叠压而成。
3.根据权利要求1所述的一种集中绕组三三相永磁游标电机，其特征在于，所述转子(2)的永磁体(22)采用钕铁硼或铁氧体永磁体材料制备而成。
4.根据权利要求1所述的一种集中绕组三三相永磁游标电机，其特征在于，所述定子(1)的电枢绕组(12)的极对数为Pw，转子(2)的永磁体(22)极对数为Ppm，定子(1)齿数为ns，满足以下关系式：ns＝Pw+Ppm。
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