CN100477448C - 内馈无刷交流电机 - Google Patents
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Abstract
本发明内馈无刷交流电机，围绕无刷转子的定子有3套独立的绕组分别为功率绕组、控制绕组和内馈绕组，内馈绕组通过控制器连接控制绕组，通过控制器改变控制绕组电流的频率、幅值和相位，可以控制电机的转速和运行状态。本发明通过增加内馈绕组，巧妙地从电机内部解决了控制绕组的供电和能量回馈问题，电机只需要一个电源，不仅为用户提供了方便，而且由于内馈绕组相当于变压器的次级线圈，和作为初级线圈的功率绕组集成在一起，与通过在电机之外单独设置电源变压器供电相比，可降低成本和减小体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流电机，特别是涉及一种内馈无刷交流电机。
背景技术
现有无刷双馈交流电机主要有两种结构型式。一种是由两台常规绕线型感应电机组成的串级式无刷双馈交流电机，两台电机的定子绕组分别与供电电源相连，转子同轴连接而两转子绕组同相序或反相序联接；另一种是在上述串级无刷双馈交流电机基础上发展起来的单电机无刷双馈交流电机，电机定子铁心上嵌放两套不同极数的绕组，一套用作功率绕组，而另一套用作控制绕组，转子则采用特殊设计的笼型或磁阻转子结构。上述两种电机的共同优点，一是无刷结构运行可靠，二是可用较小功率的变频器控制较大功率的调速电机。
然而，上述无刷电机存在需要两套供电电源的共同缺点。由于定子两套绕组的功率和电压不同，特别是对于大型交流电机，功率绕组需要采用高压电源供电，而控制绕组一般为低压电源供电，因此上述无刷双馈电机需要采用不同电压等级的两套电源供电，如采用一套电源则需要配备一台专用的变压器，不仅会增加成本，而且将给用户使用带来不便。
发明内容
为弥补上述缺陷，本发明提供一种结构简单、易于控制的内馈无刷交流电机。
本发明内馈无刷交流电机，包括电机与控制器两部分。电机由定子、转子、转轴、轴承、端盖、机壳部件组成，控制器则由两个双向变流器和控制单元组成，其中：所述定子有3套独立的绕组分别为功率绕组、控制绕组和内馈绕组，其中功率绕组和内馈绕组具有相同的极数，而控制绕组具有与功率绕组和内馈绕组不同的极数，所述功率绕组与供电电源相连接，所述内馈绕组连接一控制器，该控制器与控制绕组连接，所述转子为无滑环电刷结构，通过所述控制器改变所述控制绕组电流的频率、幅值和相位，控制电机的转速和运行状态，当电机高于同步速运行时，内馈绕组相当于一个降压变压器，将功率绕组输入电能降低电压后为控制绕组提供供电电源；当电机低于同步速运行时，内馈绕组相当于一个升压变压器，将控制绕组输出电能经控制器进行频率变换后的电压进行升压，然后回馈给功率绕组。
本发明内馈无刷交流电机，其中：所述功率绕组和内馈绕组具有相同的极数和相同的绕组分布和短距系数，所述功率绕组具有2p极，所述控制绕组具有2q极，所述功率绕组和控制绕组的极数之间的关系为：2p＞2q+2。
本发明内馈无刷交流电机，其中：所述控制器是由电力电子开关器件及其控制电路构成的静止功率变换装置，由两个双向变流器和控制单元组成，第一双向变流器的输入端与控制绕组相连，第一双向变流器输出端与第二双向变流器的输入端相连，第二双向变流器的输出端与内馈绕组相连，控制单元有两组输出，一组连接第一双向变流器，另一组连接第二双向变流器，用以分别控制第一双向变流器和第二双向变流器的功率流向和转换。
本发明内馈无刷交流电机，其中：所述转子采用具有同心式短路绕组的笼型转子、或者凸极结构的磁阻转子、或者轴向叠片的磁阻转子、或者笼型转子与磁阻转子相结合的混合转子结构，所述转子极数等于所述定子功率绕组的极数2p和控制绕组的极数2q之和2p+2q。
本发明内馈无刷交流电机中，控制绕组与功率绕组的极数和绕组结构不同，两绕组之间不能直接进行电磁耦合和能量传输，需要通过转子对功率绕组和控制绕组的磁场调制作用，方可实现电机的机电能量转换。功率绕组的作用是传输电能，当作电动机运行时，电机通过功率绕组输入电能将其转换为机械能并由转轴输出；当作发电机运行时，电机将机械能转化为电能，然后通过功率绕组输出。控制绕组的作用是控制电机的运行状态和参数，如电机的转速和运行方式(异步、同步或双馈调速运行)。内馈绕组的作用是为控制绕组提供电源，或者将控制绕组输出的电能回馈给功率绕组，由于功率绕组与内馈绕组具有相同的极数和绕组结构，故可直接进行电磁耦合传输电能。控制器的作用是实现控制绕组和内馈绕组两种不同频率电能的双向转换，为控制绕组提供所需要的电压和电流。
本发明的有益效果是：根据无刷电机运行原理，在作亚同步(低于同步速度)电动机运行时，控制绕组的功率流向是向外输出电能；而作超同步(高于同步速度)电动机运行时，需要向控制绕组输入电能。通过增加内馈绕组，巧妙地从电机内部解决了控制绕组的供电和能量回馈问题。当需要从控制绕组输入励磁电流时，内馈绕组相当于一个降压变压器，将功率绕组输入电压降压后，为控制绕组提供供电电源；而控制绕组需要向电源回馈电能时，内馈绕组相当于一个升压变压器，将控制绕组输出经控制器进行频率变换后的电压进行升压，然后回馈给功率绕组，使电能得到重复利用，从而减少了由功率绕组从电源输入电机的电能。电机只需要一个电源，不仅为用户提供了方便，而且由于内馈绕组相当于变压器的次级线圈，和作为初级线圈的功率绕组集成在一起，与通过在电机之外单独设置电源变压器供电相比，可降低成本和减小体积。
附图说明
图1为本发明内馈无刷交流电机示意图；
图2为本发明内馈无刷交流电机定子绕组示意图；
图3为本发明内馈无刷交流电机一种转子示意图；
图4为本发明内馈无刷交流电机另一种转子示意图；
图5为本发明内馈无刷交流电机第三种转子示意图；
图6为本发明内馈无刷交流电机控制器原理框图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明，下面结合实施例对本发明内馈无刷交流电机做更详细的说明。
图1为本发明内馈无刷交流电机示意图，其中1为电机定子，2为转子，3为控制器，4为电源。在电机定子1中的铁心槽中放置了3套独立的对称绕组，分别为图1中出线端子用A1，B1，C1表示的功率绕组，用A2，B2，C2表示的控制绕组和用A3，B3，C3表示的内馈绕组。绕组的连接关系为：功率绕组的出线端子A1，B1，C1与电源4相连接；控制绕组的出线端子A2，B2，C2通过控制器3，与内馈绕组的出线端子A3，B3，C3相连接。
图2为本发明内馈无刷交流电机定子绕组结构示意图。功率绕组和内馈绕组具有相同的极数(2p极)和相同的绕组结构(相同的分布和短距系数)，控制绕组具有2q极，功率绕组和控制绕组的极数不相等，而且需满足下述关系：2p＞2q+2。功率绕组与内馈绕组具有相同的极数和绕组结构，仅为匝数不同，相当于一个变压器，可直接进行电磁耦合与电能交换；而具有不同极数和绕组结构的控制绕组与功率绕组之间，则不能直接进行电磁耦合和能量传输，需要通过转子的磁场调制作用，方可实现电机的机电能量转换。功率绕组的作用是传输电能，控制绕组的作用是控制电机的运行状态和参数，而内馈绕组的作用是为控制绕组提供电源和能量回馈路径。
图1和图2中电机转子2用凸极结构的磁阻转子表示，只是一种示意，实际上不限于该种转子结构方式。图3图4图5为本发明内馈无刷交流电机不同转子结构示意图，其中图3为具有同心式短路绕组的转子，图4为具有凸极结构的磁阻转子，图5为采用轴向叠片的磁阻转子。转子的作用是对具有不同极数的定子绕组电流产生的磁场进行调制，产生所需要的旋转磁场实现机电能量转换。不管采用哪种结构的转子，其等效极数必须等于定子功率绕组和控制绕组的极数之和，即2p+2q。
控制器3是由电力电子开关器件及其控制电路构成的静止功率变换装置，可实现交流-直流-交流电压和频率的双向变换，可将内馈绕组提供的固定频率的电压，转换为控制绕组所需要的频率、幅值和相位可调的交流电压；同时也可将控制绕组输出的频率、幅值和相位变化的电压转换为固定频率的电压，以通过内馈绕组实现能量回馈。
控制器的原理框图如图6所示，由双向变流器5、6和控制单元7组成。当电机作电动机运行并工作在同步转速以下时，双向变流器5用作整流器，将电机控制绕组输出电压和频率与电机转速有关的交流电转变为直流电；而双向变流器6用作逆变器，将双向变流器5输出的直流电转变与电机功率绕组供电频率相同的交流电，通过内馈绕组将控制绕组输出的电能回馈给功率绕组。当电机转速高于同步速时，需要向控制绕组输入电能，此时双向变流器5与6的功能进行交换，双向变流器6用作整流器而双向变流器5用作逆变器，双向变流器6将内馈绕组提供的交流电转换为直流电，然后通过逆变器5进而转换为所需要频率、幅值和相位的交流电供给控制绕组。当电机用作发电机时，双向变流器5和6的功率流向与上述电动机运行模式刚好相反。控制单元7的功能是，根据电机的不同运行状态功率流向和控制绕组供电或输出交流电压的要求，控制双向变流器5和6的工作模式和功率变换特性；控制单元采用微处理器作核心控制芯片，具有比较精确地控制能力，但是控制单元并不是唯此方案不可，也可以采用其它现有的双馈无刷电机的控制单元。
根据无刷电机运行原理，在作亚同步(低于同步速)电动机运行时，控制绕组的功率流向是向外输出电能；而作超同步(高于同步速)电动机运行时，需要向控制绕组输入电能。通过增加内馈绕组，巧妙地从电机内部解决了控制绕组的供电和能量回馈问题。当需要从控制绕组输入励磁电流时，内馈绕组相当于一个降压变压器，将功率绕组输入电压降压后，为控制绕组提供供电电源；而控制绕组需要向电源回馈电能时，内馈绕组相当于一个升压变压器，将控制绕组输出经控制器进行频率变换后的电压进行升压，然后回馈给功率绕组，使电能得到重复利用，从而减少了由功率绕组从电源输入电机的电能。
本发明内馈无刷交流电机只需要一个电源，不仅为用户提供了方便，而且由于内馈绕组相当于变压器的次级线圈，和作为初级线圈的功率绕组集成在一起，与通过在电机之外单独设置电源变压器供电相比，可降低成本和减小体积。
Claims (2)
1、一种内馈无刷交流电机，包括电机与控制器两部分，电机由定子(1)、转子(2)、转轴、轴承、端盖、机壳部件组成，控制器则由两个双向变流器和控制单元组成，其特征在于：所述定子(1)有3套独立的绕组分别为功率绕组、控制绕组和内馈绕组，其中功率绕组和内馈绕组具有相同的绕组分布和短距系数和相同的极数2p，而控制绕组具有与功率绕组和内馈绕组不同的极数2q，所述功率绕组和控制绕组的极数之间的关系为：2p＞2q+2，所述功率绕组与供电电源(4)相连接，所述内馈绕组连接一控制器(3)，该控制器(3)与控制绕组连接，所述转子(2)为无滑环电刷结构，通过所述控制器(3)改变所述控制绕组电流的频率、幅值和相位，控制电机的转速和运行状态，所述控制器(3)是由电力电子开关器件及其控制电路构成的静止功率变换装置，由两个双向变流器(5、6)和控制单元(7)组成，第一双向变流器(5)的输入端与控制绕组相连，第一双向变流器(5)输出端与第二双向变流器(6)的输入端相连，第二双向变流器(6)的输出端与内馈绕组相连，控制单元(7)有两组输出，一组连接第一双向变流器(5)，另一组连接第二双向变流器(6)，用以分别控制第一双向变流器(5)和第二双向变流器(6)的功率流向和转换。
2、根据权利要求1所述的内馈无刷交流电机，其特征在于所述转子(2)采用具有同心式短路绕组的笼型转子、或者凸极结构的磁阻转子、或者轴向叠片的磁阻转子、或者笼型转子与磁阻转子相结合的混合转子结构，所述转子极数等于所述定子功率绕组的极数2p和控制绕组的极数2q之和2p+2q。
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