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一种高绕组系数&高槽满率的电机设计方案

电机技术 | 发布时间:2017-11-11 | 人气: | #评论# |本文关键字:电机,高绕组系数,高槽满率
摘要:原文: :《 The Proposal of a New Motor Which Has a High Winding Factor and a High Slot Fill Factor 》——Shinji Makita etc. 1.概述 电动机是家用电器、汽车和工业机器的基本组成部分之一, 缩小尺寸、降低

原文::《The Proposal of a New Motor Which Has a High Winding Factor and a High Slot Fill Factor》——Shinji Makita etc.


1.概述

电动机是家用电器、汽车和工业机器的基本组成部分之一,缩小尺寸、降低成本、提高效率、定向优化、提高生产效率是许多电机工程师孜孜不倦的追求。

现在大多数电机不是集中绕组定子就是分布绕组定子。集中绕组槽满率高,因为绕组缠绕在一个齿上,但其绕组节距为120度电角度,绕组系数为0.866。一个分数槽组合具有比0.866 高的绕组系数[1],但是由于它具有比传统的槽组合定子更多的极数,在相邻转子磁体之间存在大的铁损和磁通泄漏的问题。分布绕组具有0.966~1.000绕组因数,因为其绕组的跨节距大于120度电角度,但是不同相的绕组在径向相互重叠,很难增加槽满率和降低绕组端部高度。为了解决这个问题,一些电机厂切开绕组,将它们插入定子槽中,然后再焊接在一起[2]。还有整体插入成型绕组 [3]。但是这些方法限制了每槽导体数,应用也很有限。

本文提出了一种具有高绕组系数和高槽满率的新型电机,并设计、评估了原理样机。亮点:电机具有新型分布绕组定子,定子是通过将分布绕组安装在带状定子芯中并将弯曲的定子的相对端连接在一起而制造。槽和齿的布置不同于传统的分布式绕组定子,将所有分布绕组安装在扁平带状定子铁芯中,而不分割绕组。该技术实现了在相同极数下更高的绕组系数,并且不受每槽导体数或槽形的限制。


2.电机特点

A.基本结构和制造方法

图1展示了该电机的基本结构和制造方法。 图1.(a)扁平带状的定子铁芯,图1(b)成品定子。定子的齿宽和跨距在旋转方向上不相等。有一些邻近绕组的在径向方向上不重叠。 如果将一个不重叠的绕组布置在扁平带状定子芯的端部,则可以卷绕分布绕组而不分割绕组。

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该结构使扩大绕组节距至120度和绕组系数成为可能。而且这种制造方法也可以提高槽满系数、降低绕组端部高度、提高毛利率。

B.原理

接下来,我们将解释与正常的全距分布式绕组定子相比,决定这种定子齿宽度和排列的方法。图2 (a) 展示全距分布式绕组定子的一部分。一个齿的节距为60度电角度,每个绕组缠绕在三个齿上,因此其绕组节距为180度电角度,每相绕组彼此偏移120度电角,加上没有画出的一个不同相绕组,它们构成三相电机。在这种情况下,所有绕组在径向方向上彼此重叠,因此没有分开绕组的话不可能将绕组卷绕到平坦的带状定子铁心上。

图2. (b)展示出了一部分缩短节距绕组定子与图2.(a)具有相同定子齿数。在这种情况下,每个绕组节距为120度电角度,每个绕组相位偏移30度(一个超前,另一个后滞)。因此,它们的短节距系数为0.866 (=sin ( 120/2)),分布系数为0.866 (=cos(30)),绕组系数为两者的乘积0.750。

图2. (c)展示出所提议的布置方式。图2.(b)中没有绕线的中心齿被分成两部分,它们组成下一个齿。在这种情况下,每一个绕组节距是150度电角度,每一个绕组相位偏移15度(一个超前,另一个后滞)。因此他们短距节距系数为0.966(=sin ( 150/2)),分布系数为0.966 (=cos ( 15)),绕组系数是他们的乘积0.933。并且有一个点(spot)是不同的相位绕组在径向方向上不会相互重叠。

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接下来,我们解释这种短距点的布置。图2.中的变形应用于两相绕组,其中一个绕组相位超前偏移,另一个绕组相位滞后偏移,所以如果短距点的数目是1,则三相绕组的幅值不同,他们的相位差不是120度电角度。为了确保三相绕组的平衡,每相应至少有一对超前绕组和滞后绕组。为了做到这一点,应该有三个短距点,并且它们的相位组合应该是相互不同的。

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图3.展示一个8极电机案例。图2. (c)所示的变形应用于24槽8极的定子的机械角0度,机械角120度,机械角240度的位置。0度机械角位置的变形使U相绕组超前偏移,W相绕组滞后偏移。120度机械角位置的变形使V相绕组超前偏移,U相绕组滞后偏移。240度机械角位置的变形使W相绕组超前偏移,V相绕组滞后偏移。每相具有一对超前绕组和滞后绕组,因此所有绕组相位与24槽/8极的定子相同。绕组的幅值为0.966,因为有两个180度电角度的节距绕组,一个由150度电角度的节距和15度电角度的超前绕组,另一个由150度电角度的节距绕组和15度电角度的滞后绕组。

该电机的绕组三相平衡,但定子齿和绕组布置的循环周期为360度机械角。因此,转子和定子之间的径向力是不平衡的,并引起大的噪音和振动。为了避免这种不平衡,我们将短距点的数量增加到六个,并且相同的组合点相互排列成180度的机械角度周期。

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图4.展示了具有8极的电机例子。图2.(c)所示的变形应用于21槽8极的定子的机械角60度,机械角180度,机械角300度的位置。60度机械角位置与240度机械角位置的相位组合是相同的。它们处于相反的位置,因此转子和定子之间的径向力是平衡的。同样地,在180度机械角度的位置和300度机械角度位置的相位组合是相同的,相位组合在300度机械角度的位置和120度的机械角度的位置是一样的。因此确保了三相平衡和径向力平衡。而绕组幅值为0.933,因为有两个150度电角度的节距和15度电角度的超前绕组和两个150度电角度的节距和15度电角的滞后绕组。

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