集中绕组谐波优化

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引言

集中绕组电机具有很多优点,如绕组端部短小,铜线消耗小,电机尺寸小,重量轻, 成本低, 电机铜耗小,效率高,功率体积密度高,绕组适合采用自动绕线等等, 具有很广的应用范围。但是由于集中绕组的跨距只能是所以失去了跨距调整这一自由度,如果设计时没有充分考虑到绕组的谐波情况,会造成电机反电势波形不好,力矩波动大的问题。

由电机学的知识我们知道,反电势的谐波是由磁链谐波而来,磁链谐波由两个构成因素,一个是主极磁场的谐波,另一个是磁导谐波,这两个因素共同形成了磁链的谐波。如果一个电机的主极磁场含有某一特定的谐波,如 5 次谐波,而同时磁导谐波也含有 5 次谐波,那么就会形成比较明显的 5 次的谐波磁链,在反电势中造成 5 次谐波的问题; 反之,如果磁导谐波不含有 5 次谐波,那么即使是主极磁场有 5 次谐波,反电势的 5次谐波问题也不会太严重。因此,为改善集中绕组的谐波,需要从主极磁场谐波和磁导谐波两方面着手。下 面以2P3S 的单元电机构成的6P9S 电机为例说明。

1、主极磁场谐波

主极磁场由于磁极的空间对称性,决定了不含有偶次谐波的特性,通常是1 次基波和 3,5,7,9,11……等谐波。对 于 3 相 绕 组,3,9,15等3的倍数次谐波会被消除,同时主磁极的尺度大,因此 5,7等比较低次的谐波就成为改善重点,采用的改善方法是:

a)使用 0.8 的极弧系数

b)转子外形调整成花瓣形,造成非均匀气隙

这两个方法共同对 5,7 次等低次谐波进行衰减。

图片9.jpg

2、磁导谐波

由于转子没有开槽,因此我们认为转子的磁导为均匀的,定子开槽是造成磁导谐波的主要原因,这些谐波称为齿谐波。 对于 2P3S 的电机来说,一阶齿谐波是 2 次和 4 次,二阶齿谐波是 5 次和7 次,三阶齿谐波是 8 次和 10 次,四阶齿谐波是 11 次和 13 次,更高阶次的谐波类推。由于主极磁场不含偶数次谐波,因此一阶和三阶齿谐波就不需要考虑, 5,7,11,13 次才是考虑的重点。同时由于定子开槽的尺度小,较高次的谐波才是对应的改善重点,因此在这里针对 11, 13 次谐波调整定子的开口尺寸

优化后的电机模型:

图片10.jpg

仿真验证:

原有电机反电势波形:

图片11.jpg

反电势 FFT 分析:

图片12.jpg

优化后反电势波形:

图片14.jpg

反电势 FFT 分析:

图片15.jpg

原有电机谐波幅值:

1.png

谐波能量占基波的 0.56%。

优化后电机谐波幅值:

2.png

谐波能量占基波的 0.01%, 改善前后比较, 谐波能量减小到了优化前的 2%。

经过对反电势谐波的形成原因进行分析, 有针对性地对主极磁场谐波和磁导谐波

进行优化, 使得反电势谐波能量衰减到优化前的 2%, 波形得到极大的改善。

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