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文献综述（或调研报告）： 通过阅读众多文献，了解到多年以来，国内外大量学者对集中绕组感应电机或其他与之相关的其他内容进行了研究分析。 一方面，一些学者采用各种方法来消除谐波所带来的影响。 1991年，美国威斯康星大学麦迪逊分校的H.A. Toliyat等人推导了描述多相感应电机暂态和稳态性能的方程，包括电机电感的计算。在推导这些方程时，特别考虑了空间谐波。为了考虑非正弦气隙磁通分布，还对端电压和电磁转矩的计算公式进行了修正。最后，其对一种考虑空间谐波影响的常规三相异步电动机进行了仿真研究。然而，这些设计在气隙MMF中具有较高的空间谐波，从而导致功率因数和转矩降低[1]。 2007年，韩国工业技术学院的Tae-Uk Jung等人研究了集中绕组单相感应电动机的应用可行性。为了抑制谐波磁通量的影响，转子棒的偏角是非常重要的设计因素。通过偏斜角的优化设计，集中绕组的原型在启动性能，额定效率和噪声方面都提高到了几乎与传统分布式绕组电动机相当的水平。此外，由于大量减少了铜线圈的使用，该集中绕组感应电动机也非常经济 [2]。 2015年，德克萨斯农工大学Vivek. M. Sundaram等人放弃了通常与FSCW相关联的定子绕组的传统齿绕配置，提出了适用于外转子鼠笼式感应电动机的FSCW配置。提出的设计使用每个线圈具有不同匝数的多层绕组和偏斜的转子，以最大程度减少气隙MMF中的空间谐波。采用通常用于单相吊扇电动机的双槽层定子构造来产生不重叠的端部绕组和高槽填充系数，类似于齿绕FSCW。确定了使用槽内绕线机的经济有效的绕线方法。但是绕组布局使用了两层以上[6]。
(b) (a) 图1 24槽10极多层配置的槽星形 (a)每个线圈匝数相同 (b)每个线圈匝数不同 2016年，摩尔多瓦科技大学的Tudor Ambros等人分析集中绕组，在交流电机中使用了集中绕组。指出了抑制5和7次谐波的方法，以改善气隙的磁感应曲线的变形形状。应用有限元方法估算气隙的磁感应曲线，给出了磁通量和磁感应强度的数值。集中绕组前部的杂散磁通已通过同时采用所示方法来确定。获得的结果证实，在交流电的机电转换器中使用的集中绕组可将前部部件中使用的铜量减少约25％[9]。
图2 定子绕组的电气方案和磁化力变化
图3 气隙中磁感应强度的变化曲线 2019年，日本中部大学Norihiro Watanabe等人研究了如何通过使用有限元方法分析软件JMAG来提高集中绕组感应电动机的性能。但是，发现了一个问题。例如，由于使用集中绕组的定子槽谐波的影响，可以观察到滑差=0.857时的异常启动现象。由于初级铜损和铁损的增加，集中绕组感应电动机的效率降低。他们认为可以通过以下方式改善集中绕组感应电动机的性能：一是设计一种专用的定子形状；二是进一步增加叠片厚度，因为集中绕组感应电动机的线圈端厚度比分布式绕组感应电动机的线圈端厚度短；三是使用带有倾斜槽的转子，可以减小磁通密度下的7次谐波[13]。 另一方面，还有一些学者尝试使用一些不同的设计方案。 2008年，纽约州尼斯卡尤纳通用电气全球研究中心机械与驱动实验室的Ayman M. El-Refaie等人以标准分布绕组为参考，用FSCW对异步电机的性能进行了测试。对四种设计方案进行了比较，并强调了性能权衡。执行了时间谐波有限元分析和时步瞬态有限元分析。不过其未解决转子铁芯损耗。然而其产生铁芯损耗，转子传导损耗，转矩波动增大[3]。 (d)Spp=2/5的双层有限元瞬态模型 (c)Spp=2/5的单层有限元瞬态模型 (b)Spp=1/2的有限元瞬态模型 (a)Spp=2的有限元瞬态模型 图4 4种有限元瞬态模型 2010年，中船重工集团第七一二研究所的张经纬等人采用多回路理论建立了多相感应电机的机电动力系统模型，这种基于多回路理论的多相整距绕组感应电机的机电动力系统模型能够客观地反映转子导条的数量和分布，并且具有简洁的参数计算方法，具有良好的通用性与准确性，适用于多相电机在非正弦供电方式下的仿真分析研究。试验与仿真结果的对比验证了这一建模方法的正确性。其中也存在一些误差，主要有以下几个方面的原因:一是没有考虑定转子开槽产生的磁导谐波，没有考虑趋肤效应、温升等造成的参数非线性化;二是实际电机的电磁参数难以准确给定;三是无法考虑饱和时气隙磁场畸变产生的高次谐波。并且其解析公式仅针对整距、q=1 (q为每极每相槽数) 的情况，不够普适[4]。 2015年，德国D-85577 Neubiberg的Oleg Moros等人提出了一种新的绕组拓扑结构，该拓扑结构允许灵活选择工作谐波，从而灵活选择最终的极数。根据最好的效率或最便宜的生产等几个标准，可以选择不同的几何和电气结构。所描述的结构最多为2倍对称绕组，该绕组会产生带有大量磁极的旋转磁场。不过与参考模型相比，获得的结果显示电流和功率损耗略有增加 [7]。 2015年，河南理工大学的司纪凯等人采用一种多自由度弧形直线感应电机结构，在其他参数相同的前提下，改变电机绕组的连接方式，采用双层集中绕组结构。在每槽的两层线圈之间填充灌胶化合物，以提高电机定子的热性能[8]。 2016年，浙江大学的Wubin Kong等人研究了具有对称集中全节距绕组的多相电动机的非正弦电源技术，重点研究了气隙磁通密度和磁轭磁通密度的分布。在具有不同相数的多相IM中，详细说明了谐波注入对气隙和磁轭通量密度的影响。同时实验结果表明，非正弦供电技术适用于大负载情况，而正弦供电技术适用于轻负载情况。但这种方法对磁轭磁通密度产生负面影响，并迫使较宽的磁轭铁流过[10]。
图5 五相和九相IM绕组分布示意图 (a)五相IM (b)九相IM 2018年，伊朗谢里夫理工大学的G.Rezazadeh等人比较了装有分布式定子绕组和集中定子绕组的转子笼式感应电动机的性能。针对两种绕组解决方案考虑了相同的叠片设计进行了调查。首先通过使用绕组功能和有限元分析将其设置为参考绕组的性能，对带有两极分布绕组的六相感应电动机进行了性能评估。然后，研究了一些集中绕组，并选择了在分析中具有更好性能的绕组与参考分布绕组进行比较。其所选集中绕组中气隙磁通密度的基波谐波比二极分布式绕组的基波谐波低得多。结果，当使用选定的集中绕组时，基准电动机的标称转矩大约下降了87％。也即是说，与传统的分布式布局相比，所有集中绕组的优势都无法解决其主要问题，即感应电动机应用中不适合的气隙MMF分布。寻找新的合适解决方案被推迟到以后的工作中[11]。
图6 基准电机的对称六相定子绕组布局
图7 基线机两极分布式绕组布局的气隙MMF分布 2019年，南京工程学院电的许祥威等人提出了一种分数槽集中绕组的双转子感应电机：对比分析了三种模型下的电磁耦合特性并通过引入绕组函数解析双转子电机的自感和互感参数，解析了高次谐波对电感参数的影响[12]。
图8 双馈电机三维结构图 此外，一些学者对感应电机的相关理论进行研究。 2013年，中国科学院研究生院刘广琦利用槽号相位图理论分析了电机在Z/p为既约分数条件下相位图的特点，并由此作为条件之一给出了分数槽集中绕组单元电机的槽极数配合的约束条件，同时列出了常用的分数槽集中绕组单元电机槽极数配合表。最后，引用虚拟电机的概念并利用槽号相位图的分析结果最终给出了分数槽虚拟电机与整数槽虚拟电机之间绕组系数计算的等效条件。由于槽号相位图仅需要求得每行小格数Q便可对绕组系数进行等效计算，避免了画矢量星形图的麻烦，其分析方法便于计算机编程从而实现绕组分析的自动化[5]。 表1 常用三相分数槽集中绕组永磁同步电机Z0/p0配合表
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四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证： 1.集中绕组结构分析 4.感应电机结构分析 2.集中绕组原理分析 9.性能优化 10.比较分布式绕组与集中绕组的性能 8.性能计算 7.建立感应集中绕组电机模型 3.集中绕组优缺点 5.感应电机原理分析 6.谐波对感应电机的影响 1.集中绕组结构分析 集中绕组通常每极只有一个线圈，线圈绕在自己独立的铁芯上，一般应用于凸极式定子。其每个绕组不重叠。 2.集中绕组原理分析 集中绕组是靠谐波工作的。集中绕组的磁动势很简单，就是简单的矩形波，而且随着电流的改变，矩形波在振动，叫做脉振磁动势。但是其虽然结构简单，但是用起来有很大问题，因为通过傅里叶分解，可以看到其中含有大量的高次谐波。 3.集中绕组的优缺点 集中绕组结构简单，绕制和嵌装也简单，但是磁动势不是正弦，运行效率低，性能也差。 4.感应电机结构分析 感应电机由定子和转子组成。其中定子由铁芯和三相交流绕组组成。定子铁芯为内圆周上均匀带有齿槽的环形柱状铁芯。定子槽型常见的有半闭口槽、半开口槽、开口槽三种。 转子是一个闭合的交流绕组，分为鼠笼式和绕线式。鼠笼式绕组中，转子铁芯的每一槽中有一根导体，称为导条，这些导条两端各有一个圆环，称为端环，将他们短接起来形成闭合绕组。 5.感应电机原理分析 当感应电机定子三相对称绕组流入三相交流电时，就会在气隙内产生一个旋转磁场，这一磁场同时匝链定子和转子两个绕组，且与转子绕组之间有相对运动，会在闭合的导条中产生感应电动势，进而形成感应电流，转子绕组的感应电流和气隙旋转磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子转动。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。 6.谐波对感应电机的影响 谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要影响是在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起的额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。与正弦波相比，谐波会增加噪音量。谐波的参与对感应电机振动有着较大的影响，且不同次谐波对电机振动的影响不同，所以在分析感应电机振动时必须单独分析各次谐波对电机振动的影响才能更有针对性地设计低振动噪声的电机。考虑谐波与否对电动机故障分析影响非常大，不计谐波时，故障特征量的计算值大大减小，有时甚至难以分析。 7.建立集中绕组感应电机模型 (1).定子结构： a.可行的槽极组合 对于给定的极数和槽数选择，在气隙中存在由于将绕组布置在槽中而产生的阶跃谐波由(1)给出 v=(kZplusmn;p),k=0,1,2,3hellip; (1) 其中，v=阶跃谐波的阶数 Z=定子槽的数量 p=极对数。对于具有恒定槽隙节距的绕组，阶跃谐波的绕组因子与基波相同（k=0）。因此，由于阶次v的阶跃谐波而引起的气隙MMF具有为基波的p/v的幅度。对于常规FSCW，Z/2p的比率选择为接近1。这确保了在使用齿绕线圈时，基本螺距因子接近于1。结果，一阶阶跃谐波（k= 1）更接近于基波，因此产生了幅度与基波可比的MMF分量。增加（Z–p）以减小阶跃谐波将使Z/2p远高于1，这反过来使齿绕线圈的基本螺距系数减小，而螺距系数通常大于0.9。通过使用两个槽的线圈节距并创建两层定子槽，可以实现适当的折衷。这种配置更适合于外转子电机，因此可以实现不重叠的连接，从而缩短端部连接，从而保持FSCW在更好地利用铜方面的优势。同时，双槽线圈的螺距保证了基波螺距系数仍然与分布式绕组相当。对于感应电动机，极数越多，励磁电感越低，功率因数也越差。这反过来又通过增加给定转矩所需的定子电流和驱动电机的逆变器的kva额定值来影响效率。 b.定子绕组配置 选择分数SPP会在气隙MMF中产生额外的次谐波和高阶空间谐波，它们对感应电动机的转矩产生的影响与阶跃谐波相同。然而，与具有与基波相同的绕组因数的阶跃谐波不同，可以通过几种方法来最小化或消除这些MMF谐波。在永磁电机中，最小化或消除这些谐波可以提高电机的效率。这些方法包括使用多层绕组，每个线圈侧的不同匝数，每个线圈的不同匝数，以及使用空间移位的多绕组系统。 基于槽星理论设计平衡对称的m相绕组。机器周期t被定义为槽数Z和极对数之间的最大公约数 t=GCD{Z,p} (2) 插槽星形中的辐条数量为 Z/t。两根辐条之间的夹角为 theta;=360t/Z (3) (2).转子结构： 选择转子槽的形状和转子槽的数量，以通过考虑由定子次谐波和高阶MMF谐波引起的寄生转矩来获得所需的转矩和效率特性。通过将转子槽分成多层，通过电路分析得出集肤效应引起的转子电阻和漏感的变化[6]。笼式转子可以看作n个相同且间隔相等的转子回路。例如，第一回路可以由第1和（k l）个转子棒以及它们之间的端环的连接部分组成，其中k是任意选择的整数（1le;kle;n），第二回路由第2和（k 2）个转子棒以及它们之间的端环的连接部分等组成[1]。 8.性能计算 将通过有限元分析对电机的性能进行计算。 9.性能优化 将通过多种方式对电机性能进行优化，以下为举例说明。例如可以通过转子偏斜减小谐波通量。 抑制感应电动机谐波磁通量影响的最有效方法是绕组分布设计和适当的转子偏斜角。然而，在集中绕组中，由于不能实现绕组的分布，因此偏角的最佳设计是唯一可行的方法。 图9说明了最佳偏斜设计的概念，以限制转子棒感应电流中的谐波影响。
图9 转子线偏斜抑制感应电流和谐波通量 当转子棒倾斜时，由于有效定子磁通的相位差，即使在同一棒内，每个部分的感应电流也将不同。 由于这个原因，偏斜的转子条可以消除高阶谐波电流，例如在通常情况下由于开槽而引起的谐波[2]。 10.比较分布式绕组与集中绕组的性能
图10 DW-IM和CW-IM的横截面 图11，图12和图13显示了当施加电压为200 V/60 Hz时DW-IM和CW-IM的转矩，一次电流和效率滑差特性。如图11所示，在低滑差情况下，CW-IM的转矩类似于DW-IM的转矩。
图11 转矩-滑差特性 如图12所示，CW-IM的电流大于DW-IM的电流。在s=0附近，CW-IM的电流为0.301 A，大约是DW-IM的1.5倍。原因如下。由于CW-IM的线圈端比DW-IM短，因此初级电阻小，并且CW-IM定子铁芯的分裂铁心之间的接头部分的磁阻增加。
图12 电流-滑差特性 如图13所示，CW-IM的效率低于DW-IM。特别是，在s = 0.1 时CW-IM的效率为40.2％，比DW-IM低14.7点。其原因是，CW-IM中的铜损通过增加其初级电流而增加，而CW-IM中的铁损则通过增加励磁电流而增加。
图13 效率-滑差特性 图14示出了在任何时间以s＝0.1表示的CW-IM和DW-IM的气隙中的磁通密度波形。
图14 气隙中的通量密度波形 如图15所示，CW-IM的磁通密度的基本成分约为DW-IM的1.1倍。这是因为与DW-IM相比，CW-IM的初级电流增加了。换句话说，CW-IM的磁动势大于DW-IM的磁动势。另外，CW-IM的磁通密度的第5和第7分量大于DW-IM的磁通密度。这是因为这些分量是CW-IM上的定子槽谐波，每对极有6个定子槽。即在s=0.8附近，CW-IM的异常启动现象是由7次谐波的异步转矩引起的。因此，转子的起动特性似乎通过偏斜槽得到了改善，可以减少第7个分量 [13] 。
11.将进行的工作 将对上述所引用之文献进行复现，并找出一些可以稍作优化的地方进行改进。 [1] H.A. Toliyat, T.A. Lipo, J.C. White. Analysis of a concentrated winding induction machine for adjustable speed drive applications. I. Motor analysis[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1991, 6(4):679-683. [2] T. Jung, C. Yun, H. Cha, et al. Improved Design for Driving Characteristics in Single Phase Induction Motor with Concentrated Winding[C]. IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2007:2418-2422. [3] A. M. El-Refaie and M. R. Shah. Comparison of Induction Machine Performance with Distributed and Fractional-Slot Concentrated Windings[C]. 2008 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 2008:1-8. [4] 张经纬,祝后权,黄振华,等.多相集中整距绕组感应电机的建模与仿真[J].电机与控制学报,2010,14(09):75-80. [5] 刘广琦.集中绕组PMSM槽/极数组合规律分析[J].微电机,2013,46(02):20-23 40. [6] V. M. Sundaram, H.A. Toliyat. A Fractional Slot Concentrated Winding (FSCW) configuration for outer rotor squirrel cage induction motors[C]. IEEE International Electric Machines amp; Drives Conference (IEMDC), 2015:20-26. [7] O. Moros and D. Gerling. New flexible harmonic cost effective concentrated winding topology[C]. IECON 2015 - 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2015:000427-000432. [8] 司纪凯,谢璐佳,艾立旺,等.集中绕组弧形直线感应电机性能分析[J].微特电机,2015,43(02):16-19. [9] T. Ambros, M. Burduniuc. The magnetic field of asynchronous machines with concentrated winding[C]. International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering (EPE), 2016:161-164. [10] W. Kong, J. Huang, R. Qu, M. Kang , et al. Nonsinusoidal Power Supply Analysis for Concentrated-Full-Pitch-Winding Multiphase Induction Motor[C]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016: 574-582. [11] G. Rezazadeh, S. Vaschetto, F. Tahami, et al. Analysis of Six-Phase Induction Motor with Distributed and Concentrated Windings by Using the Winding Function Method[C]. XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2018: 2423-2429. [12] 许祥威,骆皓,侍正坤,等.分数槽集中绕组双转子感应电机电磁耦合特性的分析[J].微电机,2019,52(09):34-40. [13] N. Watanabe, Y. Wada, M. Nakamura, et al. Make a Trial Small Three-Phase Squirrel-Cage Induction Motor with Concentrated Winding and Its Basic Characteristics[C]. 2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2019:1-5. |
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