[发明专利]一种单层叠绕组磁通切换无刷电机

说明书

技术领域

本发明属于电机绕组结构设计领域，涉及一种基于磁通切换无刷电机的单层叠绕组设计方法，该绕组结构能够有效提高磁通切换电机的绕组因数及功率密度，改善传统磁通切换电机的性能，适用于大功率应用场合。

背景技术

磁通切换永磁电机作为一种新型的定子永磁型电机，其定子铁心由“U”形导磁铁心与切向交替充磁的永磁体拼装而成，易于形成聚磁效应，电枢线圈横跨在两个“U”形导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的定子铁心单元的两侧定子槽中，使得电枢反应磁场和永磁磁场在磁路上并联，具有较强的抗去磁能力，与双凸极电机和磁通反向电机相比，具有更高的转矩(功率)密度和可靠性，特别适用于高性能驱动及大功率应用领域。其电枢绕组采用分数槽集中式绕组线圈，每个线圈横跨在一个定子铁心单元的两侧槽中，端部短，用铜量小，铜耗小，有效提高电机效率。此外，磁通切换电机固有的绕组互补性可以有效减少或抵消永磁磁链和空载感应电势波形中的偶次谐波分量，使得该电机在采用分数槽集中式电枢绕组和转子直槽的条件下就可以获得较高的正弦度，特别适合于交流调速的应用场合。

基于以上优点，现有的磁通切换无刷电机及基于磁通切换原理的新型拓扑结构均采用分数槽集中式电枢绕组。然而，分数槽集中式绕组结构存在自身固有的缺陷，包括：

1)额外的谐波分量及其引起的寄生效应，如噪声、震动、转矩波动、不平衡磁拉力等；

2)每个电枢线圈横跨在一个定子铁心单元的两侧定子槽中，线圈跨距被固定为定子槽距，且线圈节距角永不等于转子极距，导致线圈空载感应电势节距因数恒小于 1，限制了磁通切换电机每相空载感应电势基波分量的幅值；

3)削弱了凸极效应，使磁阻转矩几乎为0；

4)对于双层集中绕组而言，每个定子槽中放置着不同相绕组的导线，给相间绝缘增加了难度等。

这些问题在节距因数低、绕组互补性差的磁通切换电机中体现得尤为突出，极大地限制了电机的出力和整体性能。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种单层叠绕组磁通切换无刷电机及其绕组设计方法，改变电枢线圈的形成方式，使得每相绕组空载感应电势节距因数达到1，有效提高每相空载感应电势基波分量的幅值，从而提高转矩(功率)密度。

技术方案：本发明是一种单层叠绕组磁通切换无刷电机，该无刷电机的电枢绕组采用线圈跨距大于定子槽距的单层叠绕组连接方式，每个电枢线圈横跨在多个定子铁心单元两侧的定子槽中，每个定子槽中只放置着属于同一相绕组的线圈导体；电枢绕组线圈2的数量等于定子槽数的一半，不同相绕组线圈之间有交叠；其创新点在于该单层叠绕组连接方式，不再仅限于传统集中式绕组连接方式的一个定子铁心单元对应一个电枢线圈的固定结构，而是将线圈按照短距角最小原则选择定子槽放置其两个导体边，使得线圈节距角等于转子极距，从而使得线圈短距角为0，以获得最大节距因数，使得每相绕组空载感应电势的节距因数达到1，有效提高每相空载感应电势基波分量的幅值，从而提高转矩功率密度；该m相单层叠绕组设计方法具体包括以下步骤：

1)首先根据电机定子槽数N_s和转子极数N_r确定相邻两个定子槽导体空载感应电势之间的相位差α(电角度)，公式如下：

依次画出N_s个槽导体空载感应电势所对应的星形相量图；

2)基于槽导体空载感应电势星形相量图，将空载感应电势相位相差180°电角度的两个槽导体连接成一个线圈的两个导体边，一共可以形成N_s/2个相互独立的线圈；

3)基于2)中所得N_s/2个线圈的空载感应电势星形图，将具有绕组互补性的两个线圈串联组成一个线圈组，由此一共形成N_s/4个线圈组，每个线圈组中的两个线圈空载感应电势的相位差为0°或180°电角度，因此线圈组空载感应电势基波分量的分布因数为1，并且单个线圈空载感应电势中的偶次谐波分量相互抵消，使得线圈组空载感应电势的谐波含量降低；以每相绕组空载感应电势最大化为原则，将N_s/4个线圈组中空载感应电势相位差最小的N_s/(4m)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；如果不存在具有绕组互补性的线圈，则将N_s/2个线圈中空载感应电势相位差最小的N_s/(2m)个线圈连接组成一相绕组，从而得到第一相绕组的线圈构成；其中m是相数；