CN101356708A - 带有冗余定子绕组的电机，特别是同步电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机(1)，所述电机包括一个定子(2)和一个转子(5)，其中，所述定子(2)包括其中布置有定子绕组(4)的复数个定子槽(8)，所述定子绕组具有至少为三相的冗余绕组系统(U1，V1，W1；U2，V2，W2)构成。根据本发明，所述电机(1)具有一定数量的极、一定数量(NZ)的定子槽(8)和多个数量与极数(PZ)相符的绕组系统(U1，V1，W1；U2，V2，W2)，其中，所述极数(PZ)至少为四，所述定子槽的数量等于所述电机(1)的相数与极数(PZ)的平方的乘积，或者等于这个乘积的整数倍。多个数量与所述极数(PZ)相符的同相绕组单元(U1－U4，V1－V4，W1－W4)分别组成一个相绕组单元组(PU，PV，PW)。所述相绕组单元组(PU，PV，PW)以相循环的方式逐极布置在所述定子(2)的定子槽(8)内。每一极和每一相绕组单元组(PU，PV，PW)上都存在一个与所述极数(PZ)相符的槽区(N1－N4)。槽分配的结果为，所述同相绕组单元(U1－U4，V1－V4，W1－W4)按其编号均匀分布在相应槽区(N1－N4)的槽位(N1，…，N4)上。

Description

带有冗余定子绕组的电机，特别是同步电动机
技术领域
本发明涉及一种具有定子和转子的电机，其中，定子具有多个定子槽，这些定子槽内布置有定子绕组，定子绕组由至少为三相的冗余绕组系统构成。此外，本发明还涉及一种电力驱动装置，这种电力驱动装置具有上述类型的电机和多个数量与电机极数相符的变换器，变换器用于为电机的至少为三相的冗余绕组系统供电。
背景技术
这种类型的电机(特别是像异步电动机或同步电动机这样的电动机)可承担多种驱动任务，例如用于驱动压缩机。同步电动机适合用来驱动高速运行的压缩机。同步电动机优选实施为二极叠片或实心磁极转子或涡轮转子。
上述电机优选由一个或多个并联变换器供电。所述变换器特定而言是用于产生三相或多相输出电压的电压变换器。通过带有存储电容器的电压中间电路进行转换。电压中间电路在其输出端为作为变换器一部分的脉冲控制变压器供电。
在某些应用领域，电力驱动装置有必要或必须采取冗余设计。对于上述类型的电力驱动装置而言，变换器和/或电机原则上可采取冗余实施方式。一种已知措施是在由电流源变换器供电的二极同步电动机中设置两个绕组系统或三相绕组，这两个绕组系统或三相绕组实施为彼此偏转30。这两个绕组系统分别由一个变换器供电。
举例而言，为能实现变换器侧的冗余，可设置用于代替故障变换器的第三变换器。在只存在两个变换器的情况下，也可将额定功率设计为：当其中一个变换器发生故障时，另一个变换器能承担起全部的供电任务。这种冗余变换器必须设计为具有相应的功能。“额定功率”这一概念通常是指在持续工作状态下所消耗的最大电功率。
但如果电动机侧的其中一个绕组系统发生故障，例如由于短路而发生故障，则无论变换器侧采取何种设计，都只能使用电机的一半额定功率或一半转矩。
为能实现变换器侧及电动机侧的冗余，这种电机必须采取从功率技术角度看十分不利的设计，即：当两个至少为三相的绕组系统中的其中一个发生故障时，另一个绕组系统可以承载用于实现全转矩的总电流。在此情况下，电机必须具有特大尺寸，其中，在正常工作状态下，每个绕组系统只承载最大电流的一半。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种带有冗余绕组系统的电机，这种电机只需具有轻微增大的尺寸，因而在额定功率相同的情况下可具有相对较小的体积。
本发明的另一目的是提供一种具有上述电机的相应的电力驱动装置。
上述目的通过一种根据权利要求1所述的电机而达成，这种电机包括一个定子和一个转子，定子包括复数个定子槽，其中，这些定子槽内布置有至少为三相的冗余绕组系统。其他实施方式由从属权利要求2至9说明。权利要求10涉及的是一种相应的电力驱动装置，这种电力驱动装置具有上述类型的电机。电机的有利实施方式包含在权利要求11和13中。
本发明的电机具有多个极，极数至少为四。所述电机还具有一定数量的定子槽，这些定子槽的数量等于相数与极数平方的乘积，或者等于这个乘积的整数倍。所述电机多数情况下设计成三相电机，即电机的相数为三。在所述电机为四极三相电机的情况下，其槽数为48或48的整数倍。
此外，所述电机还具有数量与极数相符的绕组系统或三相绕组。数量与极数相符的那些同相绕组单元分别组成一个相绕组单元组。这些相绕组单元组以相循环的方式逐极布置在定子的定子槽内。每一极和每一相绕组单元组都设置有一个与极数相符的槽区。槽分配的结果为，那些同相绕组单元按其编号均匀分布在相应槽区的相应槽上。
通过采用本发明的槽分配方式，可在借助变换器进行同相电流激励的过程中有利地避免并联布置的绕组系统中出现相偏移。主要是在电压变换器供电过程中，这种相偏移特别就电机中的电损耗和谐波分量增加这一方面而言具有决定性作用。
根据本发明，在其中一个绕组系统发生故障的情况下，如果其余绕组系统的供电情况未发生变化，就可使用3/4的额定转矩，而非仅是一半额定转矩。在电机极数为6的情况下，可使用5/6的额定转矩，在电机极数为8的情况下，甚至可使用7/8的额定转矩。
另一优点在于，本发明的电机可实现得更为节省空间。在所述电机为四极电机的情况下，如果所述电机就绕组系统的技术设计而言只增加1/3的尺寸，就可在其中一个绕组系统发生故障，增加其余绕组系统的电流激励强度后仍持续使用全额定功率或全额定转矩。
而对于现有技术中的二极电机而言，须将绕组尺寸扩大至原来的两倍。
另一优点在于，在所述电机仅为四极电机的情况下，如果又一绕组系统发生故障，甚至有第三个绕组系统发生故障，即使在此情况下通常无法使用全额定功率或全额定转矩，也至少可以使电机进行应急运行。
而对于上文所述的二极电机而言，当第二个绕组系统发生故障时，根本就无法进行进一步工作，也无法实现应急运行。
本发明的一种实施方式是使同相绕组单元按其编号逐极循环换位。通过这种循环换位可如上文所述使同相绕组单元沿定子内圆周均匀分布。这种循环换位可确保绕组单元恒定不变地分布在相应的槽上。
根据本发明的另一实施方式，同相绕组单元的槽分配按其编号逐极最多相差两个槽位。借此可使同相绕组单元更为均匀地分布在相应的槽区上。与上文所述的槽分配方式相比，两极之间的槽位并不会发生急剧变化。最大转移距离与电机极数减1相符。
根据另一实施方式，定子具有双层绕组，这个双层绕组具有上部绕线层和下部绕线层。上部绕线层和下部绕线层彼此错开一个绕组节距。
根据一种特别的实施方式，所述电机是同步电机，特别是同步电动机。这个同步电动机可具有用于产生磁场的转子绕组，或具有永磁激励。
本发明的冗余绕组系统的布置方式或槽分配方式也可有利地应用于异步电机，尤其可有利地应用于异步电动机。
所述电机特定而言是额定功率至少为10kW的大型电机，尤其是额定功率至少为1MW的大型电机。本发明的冗余绕组系统的布置方式原则上也可应用于功率较小的电机。
根据本发明的一种特别有利的实施方式，布置在定子槽内的至少为三相的冗余绕组系统在电气方面设计为：当其中一个绕组系统发生故障或未得到供电时，电机可继续以其额定功率或额定转矩进行工作。在此情况下，可如上文所述增大其余绕组系统中的定子电流，以便提供电机的最大的额定功率或最大的额定转矩。
所述电机优选是具有四个布置在定子槽内的冗余三相绕组系统的四极电机。
本发明的目的还通过一种电力驱动装置而达成，这种电力驱动装置具有本发明的电机和至少一个变换器，所述变换器用于为所述电机的至少为三相的冗余绕组系统供电。
与现有技术中的驱动装置相比，这种驱动装置的体积有所减小。
由此产生的优点是：在其中一个变换器发生故障的情况下，其余的变换器可承担起为绕组系统供电的任务。在此情况下，可在输出电流方面加强电机变换器的电力部分。在所述电机为四极电机的情况下，可针对增大了约1/3的输出电流对电力部分进行设计。
所述变换器特定而言可彼此以锁相状态进行工作。借此可简化对变换器的控制工作。
根据一种优选实施方式，所述变换器是变频器，借此可对电机的转速进行可变调节，进而达到对受驱动组件(例如压缩机单元)的转速进行可变调节的目的。
附图说明
下面借助附图对本发明的其他有利特性进行示范性说明，其中：
图1为现有技术中的电机沿其旋转轴截取的纵剖图；
图2为本发明的电机的定子芯的叠片局部图；
图3为具有符合现有技术的二极三相电机和两个变换器的电力驱动装置，所述电机具有冗余绕组系统，两个变换器用于为两个绕组系统供电；
图4为本发明的具有四极三相电机和四个变换器的电力驱动装置，所述电机具有四个冗余绕组系统，四个变换器用于为四个绕组系统供电；
图5为本发明针对四极三相电机的具有单独一个绕线层的第一种槽分配图；
图6为本发明具有上部绕线层和下部绕线层的第二种槽分配图，所述上部绕线层和下部绕线层彼此错开一个绕组节距；
图7为槽分配情况如图5所示的电机的截面图；
图8为同相绕组单元根据本发明按其编号逐极分布在相应槽区的槽上的分布情况；以及
图9为同相绕组单元根据图8所示实施方式的替代实施方式按其编号逐极分布在相应槽区的槽上的分布情况。
具体实施方式
图1显示的是现有技术中的电机1沿其旋转轴截取的纵剖图。电机1具有定子2和围绕旋转轴安装的转子5。定子2具有定子芯3，定子芯3具有用于产生旋转磁场的定子绕组4。定子绕组4具有多个未详细图示的多相(特别是三相)绕组系统。定子芯3和转子芯通常实施为叠片结构，以便达到减小涡流损耗的目的。参考符号6表示的是作为转子5的一部分的转子轴。
图2显示的是本发明的电机的定子芯3的叠片局部图。所述电机可以是电动机或发电机。所述电机可以是同步电机或异步电机。所述电机特定而言是额定功率至少为10kW的大型电机，尤其是额定功率至少为1MW的大型电机。这个大型电机也可具有好几百kW的额定功率。
所述叠片具有复数个齿7和复数个槽(确切地说是定子槽8)，电机绕组系统的绕组单元9布置在这些槽内。图2仅对带有四个冗余绕组系统的四极三相电机的总共48个槽8中的七个槽8进行了示范性图示。根据本发明，定子槽8的数量等于电机相数与电机极数平方的乘积。
根据本发明，绕组系统的数量与电机极数相符。本实施例中的电机具有四个绕组系统。
图3显示的是具有符合现有技术的二极电机1和两个变换器11、12的电力驱动装置，所述电机具有冗余绕组系统，两个变换器用于为两个绕组系统供电。两个变换器11、12涉及的例如是脉冲控制变压器，可将输入端的直流电压转换成输出端U、V、W上的三相交流电压。两个脉冲控制变压器11、12彼此以锁相状态进行工作。输出端U、V、W对应于变换器11、12的各相U、V、W。用框图表示的变换器11、12中带箭头的波纹符号表示的是，所述脉冲控制变压器涉及的是用于产生变频三相交流电压的变频器。每个变换器11、12的输出端U、V、W均通过一根三相供电线21、22与相应的三相绕组系统U1、V1、W1；U2、V2、W2相连。如开篇所述，在这两个绕组系统U1、V1、W1；U2、V2、W2的其中一个发生故障后，大约只能使用一半额定功率或一半额定转矩。
图4显示的是一个具有四极三相电机1和四个变换器11-14的电力驱动装置，所述电机具有四个冗余三相绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4，四个变换器用于为四个绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4供电。
四个冗余三相绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4布置在电机1的定子槽8内。从电气技术角度看，这四个至少为三相的冗余绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4特定而言设计为：当其中一个绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4发生故障或未得到供电时，电机1可继续以其额定功率或额定转矩进行工作。
所述电力驱动装置一般情况下至少具有多个数量与电机1的极数PZ相符的变换器11-14，这些变换器用于为电机1的至少为三相的冗余绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4供电。为能对至少为三相的冗余绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4进行供电，必须布置至少一个变换器11-14。图4所示的电机1的极数可以是6、8、10或10以上的偶数。电机1的相数可以是4、5、6或6以上。
变换器11-14优选是用于在输出端U、V、W产生至少为三相的交流电压的脉冲控制变压器或变频器。变换器11-14(即图4所示的实施例中的四个脉冲控制变压器11-14)彼此以锁相或同相状态进行工作。每个变换器11-14的输出端U、V、W均通过一根三相供电线21-24与相应的三相绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4相连。如开篇所述，在这四个绕组系统U1、V1、W1；U2、V2、W2的其中一个发生故障后，大约还能使用3/4的额定功率或3/4的额定转矩。
图5显示的是针对四极三相电机的具有单独一个绕线层的第一种槽分配图。本发明的电机具有一定数量NZ的定子槽，这些定子槽的数量等于相数与极数PZ的平方的乘积，或者等于这个乘积的多倍。在所示实施例中，定子槽的数量NZ为48。也可以是这个数量的整数倍，例如96或144。本发明的电机具有多个数量与极数PZ相符的绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4。根据图5所示的实施例，相应存在四个绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4。
如图5所示，根据本发明，多个数量与极数PZ相符的同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4分别组成一个相绕组单元组PU、PV、PW。根据定子槽1至48的序号，四个同相绕组单元U1-U4属于相绕组单元组PU，四个同相绕组单元V1-V4属于相绕组单元组PV，四个同相绕组单元W1-W4属于相绕组单元组PW。
根据本发明，相绕组单元组PU、PV、PW以相循环的方式逐极布置在定子的定子槽内。在图5所示的实施例中，在电机极数PZ＝4的情况下，相绕组单元组PU布置在槽1至4、13至16、25至28、37至40内。两个相绕组单元组PV和PW与相绕组单元组PU之间错开8个或4个槽。
根据本发明，每一极和每一相绕组单元组PU、PV、PW上都布置在一个与极数PZ相符的槽区N1-N4。在图5所示的实施例中，一个相绕组单元组PU、PV、PW布置在一个由四个槽组成的槽区内。定子槽根据电机极数按顺序循环编号，即按照N1、N2、N3、N4、N1、N2......的顺序，根据电机极数的模进行编号。
根据本发明进行的槽分配的最终结果为：同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4按其编号均匀分布在相应槽区N1-N4的相应槽或槽位N1、...、N4上。
下面将以图5所示的相绕组单元组PU中的单独一个绕组单元U1为例对此进行说明。绕组单元U1在的第一极上布置在槽位N1上的槽1内，在第二极上布置在槽位N2上的槽14内，在第三极上布置在槽位N3上的槽27内，在第三极上布置在槽位N4上的槽40内。通过这种方式，槽区N1-N4的全部槽位N1、...、N4上都均匀地布置有相绕组单元组PU的绕组单元U1。
如图5所示，本发明的一种实施方式是使同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4按其编号逐极循环换位。这一点在图5中用带有箭头的长形圆圈表示，其中，箭头表示循环换位的方向。
图6显示的是具有上部绕线层OW和下部绕线层UW的第二种槽分配图，根据本发明，所述上部绕线层和下部绕线层彼此错开一个绕组节距VS。上部绕线层OW的槽分配情况与图5所示的槽分配情况相符。第二(即下部)绕线层UW与上部绕线层OW之间例如错开10个槽。
图7显示的是槽分配情况如图5所示的电机1的截面图。为了更清楚地说明本发明，图7再次对同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4在相应槽区N1-N4的相应槽或槽位N1、...、N4上的循环式均匀分布进行了图示。图7是根据这些同相绕组单元在电机1的定子2的内圆周上的实际空间布置情况进行图示。
图8显示的是同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4按其编号逐极分布在相应槽区N1-N4的槽N1、...、N4上的分布情况。
图8以相U上的同相绕组单元U1-U4为例对同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4的分布进行了图示。其余两个相V、W错开四个或八个槽沿电机定子的内圆周分布。图8以从第一极到第四极的顺序从上到下对同相绕组单元U1-U4的各个槽位进行了图示。第四极上又连接有第一极。图8用垂直的虚线表示用于布置并联同相绕组单元U1-U4的相同槽位N1、...、N4。垂直的粗线表示的是其中一个同相绕组单元U1-U4布置在相应的槽位N1、...、N4上。横向延伸的细线显示的是同相绕组单元U1-U4在端部绕组末端的连接。
此处的槽分配反向于图5所示的槽分配。这一图示说明的是，只要可以进行槽分配，从电流激励的旋转场的旋转方向角度看，就总是可以进行与之反向的槽分配。
根据本发明所进行的槽分配的结果为：同相绕组单元U1-U4按其编号均匀分布在相应槽区N1-N4的槽位N1、...、N4上。
如图8所示，在第一极上，绕组单元U1占据槽位N1，即槽区N1-N4内的第一槽位N1。根据模函数，第一槽位N1可从当前槽序号和值4(相当于极数)相除后的余数中获得。
根据模函数N4＝16 mod 4，绕组单元U1在第二极上占据槽位N4，其中，数字16与槽序号相符。为了更清楚地说明本发明，用更为常见的顺序12 3 4 1...代替原来的模序0 1 2 3 0 1...，其中，槽位N4相当于原来的从数学角度看正确的槽位N0。
根据模函数N3＝27 mod 4，绕组单元U1在第三极上占据槽位N3，其中，数字27与槽序号相符。
根据模函数N2＝38 mod 4，绕组单元U1在第四极上占据槽位N2，其中，数字38与槽序号相符。
图9显示的是同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4根据图8所示实施方式的替代实施方式按其编号逐极分布在相应槽区N1-N4的槽位N1、...、N4上的分布情况。
图9再次以相U上的同相绕组单元U1-U4为例对同相绕组单元的分布进行了图示。其余两个相V、W错开四个或八个槽沿电机定子的内圆周分布。
图8所示的分布情况与各绕组单元U1-U4的分布情况之间的区别在于，每两极之间的槽分配最多相差两个槽位。在此情况下，定子圆周上的分布就更为均匀。
与此相比，绕组单元U1的槽位从第一极到第二极变化3个槽位。采用图8所示的槽分配方式时，转移距离随电机极数的增加而增大，而采用图9所示的槽分配方式时，转移距离最多局限于2。
概括言之，电机1具有定子2和转子5，其中，定子2具有多个定子槽8，这些定子槽内布置有定子绕组4，定子绕组4由至少为三相的冗余绕组系统U1、V1、W1；U2、V2、W2构成。根据本发明，电机1具有多个极，极数PZ至少为四。电机1具有一定数量NZ的定子槽8，这些定子槽的数量等于相数与极数PZ的平方的乘积，或者等于这个乘积的整数倍。此外，电机还具有多个数量与极数PZ相符的至少为三相的绕组系统U1、V1、W1；...；U4、V4、W4。多个数量与极数PZ相符的同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4分别组成一个相绕组单元组PU、PV、PW。相绕组单元组PU、PV、PW以相循环的方式逐极布置在定子2的定子槽8内。每一极和每一相绕组单元组PU、PV、PW上都存在一个与极数PZ相符的槽区N1-N4，槽分配的结果为，同相绕组单元U1-U4、V1-V4、W1-W4按其编号均匀分布在相应槽区N1-N4的槽位N1、...、N4上。
本发明涉及一种电力驱动装置，这种电力驱动装置具有上述类型的电机1和至少一个变换器11-14，所述变换器用于为电机1的至少为三相的冗余绕组系统4供电。

Claims (13)

1.一种电机，包括一个定子(2)和一个转子(5)，其中，所述定子(2)包括其中布置有一个定子绕组(4)的复数个定子槽(8)，所述定子绕组具有至少为三相的冗余绕组系统(U1，V1，W1；U2，V2，W2)，
其特征在于，
a)所述电机具有多个极，极数(PZ)至少为四，
b)所述电机具有一定数量(NZ)的定子槽(8)，所述定子槽的数量等于所述电机的相数与极数(PZ)的平方的乘积，或者等于所述乘积的整数倍，
c)所述电机具有数量与所述极数(PZ)相符的绕组系统(U1，V1，W1；...；U4，V4，W4)，
d)数量与所述极数(PZ)相符的那些同相绕组单元(U1-U4，V1-V4，W1-W4)分别组成一个相绕组单元组(PU，PV，PW)，
e)所述相绕组单元组(PU，PV，PW)以相循环的方式逐极布置在所述定子(2)的定子槽(8)内，
f)为每一极和每一相绕组单元组(PU，PV，PW)设置有一个与所述极数(PZ)相符的槽区(N1-N4)，以及
g)槽分配的结果为，那些同相绕组单元(U1-U4，V1-V4，W1-W4)按其编号均匀分布在相应槽区(N1-N4)的槽位(N1，...，N4)上。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，
那些同相绕组单元(U1-U4，V1-V4，W1-W4)按其编号逐极循环换位。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，
那些同相绕组单元(U1-U4，V1-V4，W1-W4)的槽分配按其编号逐极最多相差两个槽位。
4.根据权利要求2或3所述的电机，其特征在于，
所述定子(2)具有一个双层绕组，所述双层绕组具有一个上部绕线层和一个下部绕线层(OW，UW)，以及
所述上部绕线层和所述下部绕线层(OW，UW)彼此错开一个绕组节距(VW)。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，
所述电机是同步电机，特别是同步电动机。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，
所述电机是异步电机，特别是异步电动机。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，
所述电机是额定功率至少为10kW的大型电机，尤其是额定功率至少为1MW的大型电机。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，
布置在所述定子槽(8)内的至少为三相的冗余绕组系统(U1，V1，W1；...；U4，V4，W4)在电气方面设计成：当其中一个绕组系统(U1，V1，W1；...；U4，V4，W4)发生故障或未得到供电时，所述电机可继续以其额定功率或额定转矩进行工作。
9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，
所述电机是具有四个布置在所述定子槽(8)内的冗余三相绕组系统(U1，V1，W1；...；U4，V4，W4)的四极电机。
10.一种电力驱动装置，包括一个根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机(1)和至少一个变换器(11-14)，所述变换器用于为所述电机(1)的至少为三相的冗余绕组系统(U1，V1，W1；...；U4，V4，W4)供电。
11.根据权利要求10所述的电力驱动装置，其特征在于，
所述电力驱动装置包括数量与所述电机(1)的极数(PZ)相符的变换器(11-14)，所述变换器用于为所述电机(1)的至少为三相的冗余绕组系统(U1，V1，W1；...；U4，V4，W4)供电。
12.根据权利要求10或11所述的电力驱动装置，其特征在于，
那些变换器(11-14)可彼此以锁相状态进行工作。
13.根据权利要求10至12中任一项权利要求所述的电力驱动装置，其特征在于，
那些变换器(11-14)是变频器。
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