一种无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法

1.本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法。


背景技术：

2.无轴承电机具有无摩擦、高转速和高功率密度的优点，尤其适用于航空航天和智能医疗等高精尖应用领域。传统的无轴承电机采用定子双绕组结构，由两套绕组通入不同的电流，分别产生转矩和悬浮力。但是，该结构存在设计复杂、铜损耗较大和转矩密度较低等问题，一定程度上阻碍了无轴承电机朝着微型化的方向发展。
3.目前业内常采用并联式集成绕组结构以解决上述问题，该结构仅采用一套包含两种电流成分的定子绕组，同时产生转矩与悬浮力，简化了无轴承电机的系统结构。现有的并联式集成绕组方法是基于槽矢量星形图法展开的，该方法将电机的每个槽看作是载流导体，每一根导体对应画成一个矢量，矢量之间的夹角以电角度来表示。显然，在电机槽数较多或相数较多时，槽矢量星形图的绘制尤为复杂，因此该方法难以广泛地应用于实际的绕组设计中。
4.此外，现有的集成绕组自动设计方法大都是基于手工计算展开的，需要耗费大量的时间和人力，设计周期长且成本高。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法，其目的在于基于槽号相位图进行分相和悬浮电流通入，从而完成多相并联式集成绕组设计，由此解决现有的绕组设计方法流程复杂及设计槽数范围有限的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法，包括：
7.s1：依据所述无轴承电机的基本参数确定悬浮绕组极对数ps、转矩绕组对应的每极每相槽数q
p
和悬浮绕组对应的每极每相槽数q
ps
；所述无轴承电机的基本参数包括：电机槽数z、转矩绕组极对数p和电机相数m；
8.s2：利用所述转矩绕组极对数p、所述悬浮绕组极对数ps、所述转矩绕组对应的每极每相槽数q
p
和所述悬浮绕组对应的每极每相槽数q
ps
设置槽号相位图的行数、列数和相邻槽号的间隔列数，从而绘制槽号相位，所述槽号相位图包括：转矩相位图和悬浮相位图；
9.s3：对所述转矩相位图中各个槽号进行分相操作；将所述转矩相位图中全部槽号按照大小进行排序，并在所述悬浮相位图中标注所述转矩相位图中的分相结果；
10.s4：从所述悬浮绕组的各相均选取一半槽号的线圈通入反向悬浮电流，剩余的线圈通入正向悬浮电流；
11.s5：归纳各相中各个槽号的相位以及通入悬浮电流的方向，从而完成多相并联式
集成绕组设计。
12.在其中一个实施例中，所述转矩绕组极对数p和所述悬浮绕组极对数ps满足关系：ps＝p
±
1。
13.在其中一个实施例中，所述转矩绕组极对数p，所述悬浮绕组极对数ps与所述电机相数m满足关系：p，m互质且ps，m互质。
14.在其中一个实施例中，所述转矩相位图的行数为所述转矩绕组极对数p的两倍；
15.所述转矩相位图的列数q
p
＝2mn
p
，n
p
、d
p
由公式确定出，n
p
、d
p
为互质的正整数；
16.所述转矩相位图对应的相邻槽号的间隔列数x
p
为q
p
为整数对应的最小整数，即x
p
＝d
p
。
17.在其中一个实施例中，所述悬浮相位图的行数为所述悬浮绕组极对数ps的两倍；
18.所述悬浮相位图的列数根据公式确定出，为互质的正整数；
19.所述悬浮相位图对应的相邻槽号的间隔列数为为整数对应的最小整数。
20.在其中一个实施例中，所述s3包括：
21.将所述转矩相位图中各槽号对应的线圈按照π/m相带分配至各相；
22.将所述转矩相位图中全部槽号按照大小进行排序，然后在所述悬浮相位图中标注所述转矩相位图中的分相结果。
23.在其中一个实施例中，所述s4包括：
24.选取所述转矩相位图中第1相的任意一半连续槽号通入反向悬浮电流，依次记录其在所述悬浮相位图中的列数r，从而确定所述悬浮相位图中第1相通入反向悬浮电流的槽号；
25.针对第j相，将所述悬浮相位图中第1相选中的槽号对应的列数r加上从而确定所述悬浮相位图中第j相通入反向悬浮电流的槽号，2≤j≤c，c为所述悬浮绕组的相数。
26.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，能够取得下列有益效果：
27.1、本发明提出了一种基于槽号相位图的并联式集成绕组设计方法，通过对所述转矩相位图中各个槽号进行分相操作；将所述转矩相位图中全部槽号按照大小进行排序，并在所述悬浮相位图中标注所述转矩相位图中的分相结果；从所述悬浮绕组的各相均选取一半槽号的线圈通入反向悬浮电流，剩余的线圈通入正向悬浮电流；最后归纳各相中各个槽号的相位以及通入悬浮电流的方向，从而完成多相并联式集成绕组设计。该方法规避了传统槽矢量星形图法绘制复杂的缺点，拓宽了并联式集成绕组的槽数设计范围。
28.2、本发明编写的基于槽号相位图的多相并联式集成绕组设计方法，能够普遍适用于各种类型的无轴承电机绕组设计中，大幅度减少了人员的开发时间和电机的设计周期。
29.3、本发明提出的并联式集成绕组设计方法，不仅适用于传统的三相无轴承电机，还可以扩展至更多相数，具有广泛的应用范围，同时有利于提高无轴承电机的容错性能。
30.4、应用本发明所设计的绕组的无轴承电机在保持高功率密度特性的同时，还具备良好的悬浮性能。
附图说明
31.图1是本发明所设计的多相并联式集成绕组的电路结构图；
32.图2是本发明所提出的一种无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法的流程图；
33.图3a是本发明所绘制的转矩相位图及绕组分相示例图；
34.图3b是本发明所绘制的悬浮相位图及绕组分相示例图；
35.图4是验证本发明所提出无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法而采用的无轴承永磁薄片电机的截面图；
36.图5是采用本发明中多相并联式集成绕组设计方法对应的示例电机所产生的电磁转矩波形图；
37.图6是采用本发明中多相并联式集成绕组设计方法对应的示例电机所产生的径向悬浮力波形图。
具体实施方式
38.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。
39.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法，包括：
40.s1：依据所述无轴承电机的基本参数确定悬浮绕组极对数ps、转矩绕组对应的每极每相槽数q
p
和悬浮绕组对应的每极每相槽数所述无轴承电机的基本参数包括：电机槽数z、转矩绕组极对数p和电机相数m；
41.s2：利用所述转矩绕组极对数p、所述悬浮绕组极对数ps、所述转矩绕组对应的每极每相槽数q
p
和所述悬浮绕组对应的每极每相槽数设置槽号相位图的行数、列数和相邻槽号的间隔列数，从而绘制槽号相位，所述槽号相位图包括：转矩相位图和悬浮相位图；
42.s3：对所述转矩相位图中各个槽号进行分相操作；将所述转矩相位图中全部槽号按照大小进行排序，并在所述悬浮相位图中标注所述转矩相位图中的分相结果；
43.s4：从所述悬浮绕组的各相均选取一半槽号的线圈通入反向悬浮电流，剩余的线圈通入正向悬浮电流；
44.s5：归纳各相中各个槽号的相位以及通入悬浮电流的方向，从而完成多相并联式
集成绕组设计。
45.具体的，本发明提及的槽号相位图是沿槽矢量星形图的圆周展开成直线改造而得到的，同时取消了表示矢量的箭头而仅留下矢量的序号(即为线圈所在槽的槽号)。因此，槽号所处的位置即代表了矢量的相位，槽号正负仅代表对应线圈中通入的电流方向，同一纵行的所有槽号所代表的矢量同相位，两槽号之间的水平距离则代表相应两矢量间的相位差。
46.本发明的具体实现步骤如下：
47.1)依据多相并联式集成绕组的结构性条件和对称性条件，筛选符合条件的参数组，人为选定电机的基本参数；
48.2)依据电机的基本参数，计算出绘制槽号相位图所必需的参数；依据槽号相位图绘制的基本原则，绘制出对应极对数下的槽号相位图；
49.3)依据多相对称的基本原则，按照指定的相带进行多相分相的操作；
50.4)根据线圈中通入悬浮电流的方向确定每一个线圈所属的线圈组；
51.5)归纳各相中各个槽号的相位以及通入悬浮电流的方向。
52.在其中一个实施例中，所述转矩绕组极对数p和所述悬浮绕组极对数ps满足关系：ps＝p
±
1。在其中一个实施例中，所述转矩绕组极对数p，所述悬浮绕组极对数ps与所述电机相数m满足关系：p，m互质且ps，m互质。
53.具体的，如图1所示，并联式集成绕组的电路结构决定了每相绕组所含线圈数必须为偶数。若想最终设计出多相对称的并联式集成绕组，p，ps和电机相数m之间应满足关系：p，m互质且ps，m互质。根据上述几个限制条件，筛选出符合条件的参数组(包括电机相数、槽数、转矩绕组极对数和悬浮绕组极对数)并人为地选定一组参数。
54.在其中一个实施例中，所述转矩相位图的行数为所述转矩绕组极对数p的两倍；所述转矩相位图的列数q
p
＝2mn
p
，n
p
、d
p
由公式确定出，n
p
、d
p
为互质的正整数；所述转矩相位图对应的相邻槽号的间隔列数x
p
为q
p
为整数对应的最小整数，即x
p
＝d
p
。
55.在其中一个实施例中，所述悬浮相位图的行数为所述悬浮绕组极对数ps的两倍；所述悬浮相位图的列数根据公式确定出，为互质的正整数；所述悬浮相位图对应的相邻槽号的间隔列数为为整数对应的最小整数。
56.具体的，首先，计算槽号相位图中的基本参数。首先，确定槽号相位图的行数。为了包含线圈中通入电流的方向的所有可能情况，将同一线圈对应的正负槽号都画在图中。因此，槽号相位图所含的行数应为对应极对数的两倍。
57.然后，确定槽号相位图的列数以及相邻槽号的间隔列数。为此，需要将各极对数对应的每极每相槽数q以互质分数的形式表示为其中，z为电机的槽数、p为转矩绕组极对数、m电机相数，n，d为互质的正整数。因此，利用参数
n，d即可表示出槽号相位图的列数q：其中，x为相邻槽号的间隔列数，它是能够使得槽号相位图列数为整数的最小整数。根据上文所述的限制条件可以推导出分母d与相数m互质，从而可以确定每行列数和相邻槽号的间隔列数对应的计算公式为：x
p
＝d
p
,q
p
＝2mn
p
,
58.进一步地，绘制出转矩极对数和悬浮极对数下的槽号相位图(包括转矩相位图和悬浮相位图)，并将转矩相位图中各槽号对应的线圈按照π/m相带分配至各相。完成分相后，再将每相所含槽号按照大小由小到大排序，以便与电机实际槽号的排布顺序对应。
59.在其中一个实施例中，所述s3包括：
60.将所述转矩相位图中各槽号对应的线圈按照π/m相带分配至各相；
61.将所述转矩相位图中全部槽号按照大小进行排序，然后在所述悬浮相位图中标注所述转矩相位图中的分相结果。
62.在其中一个实施例中，所述s4包括：
63.选取所述转矩相位图中第1相的任意一半连续槽号通入反向悬浮电流，依次记录其在所述悬浮相位图中的列数r，从而确定所述悬浮相位图中第1相通入反向悬浮电流的槽号；
64.针对第j相，将所述悬浮相位图中第1相选中的槽号对应的列数r加上从而确定所述悬浮相位图中第j相通入反向悬浮电流的槽号，2≤j≤c，c为所述悬浮绕组的相数。
65.具体的，在完成排序后，需要决定线圈中悬浮电流的方向和相位。首先，选取转矩相位图中第1相的前一半槽号(任意连续的一半)通入反向的悬浮电流，并依次记录其在悬浮相位图中的列数r，此即代表其所处的相位。接着确定悬浮相位图中第2相需通入反向悬浮电流的槽号，依次将第1相选中的槽号对应的列数r加上代表着该槽号在悬浮相位图中向右位移了每相间隔的相位角。在位移后的对应列中若存在某一槽号，属于转矩相位图下分相结果中的槽号，且其正负号与第一相对应的槽号相同，则该槽号就是悬浮相位图中第2相需通入反向悬浮电流的槽号。换句话说，在转矩相位图中属于第2相的槽号，在悬浮相位图中未必属于第2相。对于第3相，则是在第1相基础上r加上依次类推。全部执行完之后，原来转矩相位图中的每一相都将会有一半槽号被选择通入反向悬浮电流。最终，在每相被选中的一半线圈中通入对应相位的反相悬浮电流并将其归入每相的线圈组a，其余未被选中的线圈中通入对应相位的正相悬浮电流并将其归入每相的线圈组b。至此，并联式集成绕组的设计便全部完成。
66.下面以三相30槽4极的并联式集成绕组为例，对本发明进行进一步详细说明。绕组的结构如图1所示，无轴承电机的多相并联式集成绕组设计方法的步骤如图2所示，下面结合图2对绕组的设计过程进行详细的介绍。
67.(1)确定电机基本参数
68.已知电机槽数z＝30，转矩绕组极对数p＝2，电机相数m＝3。则ps＝1或3，根据上文
所述的限制条件，只能选取悬浮绕组极对数ps＝1。接着计算每极每相槽数
69.(2)计算槽号相位图基本参数，绘制转矩相位图和悬浮相位图
70.首先，确定行数。转矩相位图的行数为2*2＝4，悬浮相位图的行数为2*1＝2。
71.接着，利用公式和确定n
p
＝5,d
p
＝2,则列数可以表示为由此确定出相邻槽号的间隔列数：x
p
＝2,代入计算出列数：q
p
＝30,
72.根据上一步中计算得到的行数、列数和相邻槽号的间隔列数，绘制转矩相位图和悬浮相位图。转矩相位图为4行、30列，相邻槽号间空1格；悬浮相位图为2行、30列，槽号之间无空格，如图3a和图3b所示。
73.(3)进行多相绕组的分相
74.根据槽号相位图的物理意义，其一行所跨电角度为360
°
。为了保证分布系数较高，采用60
°
相带的划分方法。分相操作在转矩相位图中进行，设定第1列对应初始相位零度角，则第2列对应相位角为360/30＝12
°
，其他列依次增加。因此，从第1列开始至第5列为第一个相带，定义为u相，其他两相与之间隔120
°
。定义从左至右为正序，间隔120
°
即意味着相带之间空9格。所以从第11列至第15列为第二个相带，定义为v相；从第21列至第25列为第三个相带，定义为w相。至此，绕组分相完成，图3a中展示了绕组分相的结果。
75.(4)确定线圈中悬浮电流的方向和相位
76.首先，整理绕组分相的结果，将每相所含的10个槽号按照大小进行排序，以便与电机实际槽号顺序对应。
77.接着，将转矩相位图下的分相结果在悬浮相位图中进行标注。如图3b所示，选取第1相排序后的前5个槽号(1，2，3，-9，-10)并记录下各自在悬浮相位图中的列数r(1，2，3，24，25)，设定这些槽号对应的线圈中通入反向悬浮电流的相位为(i＝1，2，3，24，25且)，该相剩余槽号对应的线圈中通入正向悬浮电流的相位则为由第1相中选取出的5个槽号可以依次得出其他相应该选取出的槽号，具体过程为：
78.首先选择槽号1，其列数为1，对应通入的电流正相位为接着，将该槽号向右移动格，相当于通入电流的正相位增加。移动后对应列数为11，对应的正相位为该列中包含11，-26两个槽号，由于移动前后槽号前的符号不发生改变，因此，这里选出槽号11对应的线圈，将其归入悬浮绕组第2相并通入反向悬浮电流，相位即为然后，依次对槽号2，3，-9，-10执行类似的操作，得出悬浮绕组第2相其余应通入
反向悬浮电流的线圈对应的槽号为12，13，-19，-20，通入电流相位为(i＝12，13，4，5)。悬浮绕组第2相的其余槽号，则类似地由第1相剩余的槽号得到。对于悬浮绕组第3相的槽号，则是由第2相对应槽号进行类似的操作得到。
79.最终，归纳各相槽号及对应悬浮电流的方向和相位，如下表所示。
[0080][0081][0082]
(5)线圈分配
[0083]
在完成上述步骤后，将通入反向悬浮电流的线圈分配至图1所示的线圈组ua，va，wa而其余的线圈分配至线圈组ub，vb，wb中，至此全部的绕组设计步骤完成。
[0084]
为了验证本发明程序自动设计出的绕组的正确性与有效性，将其应用于三相无轴承永磁薄片电机中，对其进行有限元仿真分析。电机的截面图如图4所示，其中1为转子铁芯，2为内嵌式永磁体，3为定子铁芯，4为定子绕组。
[0085]
本发明所给的示例，经过jmag有限元仿真得到的电磁转矩和径向悬浮力(x，y方向)的波形图如图5和图6所示。由波形图可知，采用本发明所设计绕组的电机能够在保持较高功率密度的前提下，发挥良好的主动悬浮性能，具备较高的实际应用价值。
[0086]
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。