CN103944318A - 多相高速交流电机系统 - Google Patents
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Abstract
多相高速交流电机系统，属于电机领域。本发明是为了解决现有小电感电机定子电流中谐波成分大的问题。本发明所述的多相高速交流电机系统，多相高速交流电机和多相功率变换器构成多相高速电机驱动系统，通过在定子铁心外表面开槽，并在槽中嵌入线圈的非有效边，从而提高了各相绕组的漏感，使定子谐波电流得到抑制，进而减小了由谐波电流引起的各种损耗，提高了电机的效率，降低了电机的温升，延长了电机寿命；同时，本发明充分利用了六相电机双逆变器驱动的特性，消除了谐波磁场引起的脉动转矩，使转子铁心及永磁体的损耗大大减少，降低了电机的振动和噪声，提高了系统的稳定性以及系统的动、静态特性。适用于抑制定子谐波电流。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及一种交流电机系统。
背景技术
高速电机具有转速高、功率密度大、效率高、体积小、重量轻等突出优点，越来越受到工业界的关注，已被广泛应用于高速磨床及其他加工机床、高速飞轮储能系统、高速离心式压缩机与鼓风机、微型燃气轮机高速启动发电机等系统中。
由高速电机的结构特点和运行状态要求可知，高速永磁同步电机的定子绕组电感较小。理论分析与实验表明，减小绕组电感有利于提高定子电流的动态响应，但是会对电机驱动控制系统带来诸多不利影响。若采用开关频率为数kHz的三相电压型PWM逆变器直接对此类型电机进行驱动时，由于电机定子电感较小，因此难以实现对绕组电流的有效调节，将导致绕组电流发生畸变，电流中含有很大的谐波成分，从而会增加绕组铜损和铁心损耗，使定、转子温升较高，甚至会引起转子永磁体的不可逆去磁，同时还会产生较大的转矩脉动和噪声，严重影响高速电机的正常运行。
为了减小定子电流中的谐波成分，进而实现较好的小电感电机控制性能，常用如下几种方法改善小电感电机定子电流波形：
(1)在三相定子绕组中串联三个相同的电感，使得定子等效电感值变大，从而可以减小电流谐波。然而在绕组中串联电感会使得系统的体积、重量和成本成倍地增加，降低绕组电流的动态响应速度，同时还需要供电电源额外为其提供较高的电压。
(2)通过提高PWM逆变器的开关频率，实现对定子电流快速调节的目的。但是功率管的开关频率不能无限制地增加，它还受到系统功率的限制。提高开关频率还会增加逆变电路的开关损耗，使系统效率降低、体积与重量增加。
(3)通过在电机三相定子绕组和PWM逆变器之间加入三相LC滤波器，来减小绕组电流谐波(如图5所示)。与串联电感的方法相比，引入LC滤波电路能够减小系统的体积、重量，但是会增加系统成本与复杂性。
发明内容
本发明是为了解决现有小电感电机定子电流中谐波成分大的问题，现提供多相高速交流电机系统。
本发明所述的多相高速交流电机系统包括两种结构。
第一种结构，多相高速交流电机系统，它包括：m相高速交流电机和m/3个三相功率变换器，其中，m为电机的相数，m＝3k，k为大于1的正整数；
所述m相电机包括定子和转子；
所述定子包括：m/3套三相环形绕组和环形铁心，每套三相环形绕组中相邻两相环形绕组对应相之间的相位差为δ电角度，且δ满足δ＝±180°/m；每套三相环形绕组均为星形联结，每套三相绕组的三个输出端分别与一个三相功率变换器的三个交流输入端一一对应相连；
m/3个三相功率变换器共直流母线，相邻两个三相功率变换器所对应相的输出电流之间相差δ电角度；
所述环形铁心的内侧壁开有Z个槽，外侧壁开有y个槽，所述内侧壁和外侧壁上的槽均沿铁心周向均匀排布，每套三相环形绕组的每个矩形线圈的有效边嵌固在内侧壁的槽中，该有效边的对边嵌固在外侧壁的槽中，其中Z和y均为正整数。
第二种结构，多相高速交流电机系统，它包括：m相高速交流电机和m相功率变换器，其中，m为电机的相数，m为大于或等于5的自然数；
所述m相高速交流电机包括定子和转子；
所述定子包括：m相环形绕组和环形铁心，相邻两相环形绕组之间的相位差为δ电角度，且δ满足δ＝±360°/m；m相环形绕组的每相输出端分别与m相功率变换器的一个交流输入端一一对应相连；m相功率变换器相邻相之间输出电流相差δ电角度；
所述环形铁心的内侧壁开有Z个槽，外侧壁开有y个槽，所述内侧壁和外侧壁上的槽均沿铁心周向均匀排布，每套三相环形绕组的每个矩形线圈的有效边嵌固在内侧壁的槽中，该有效边的对边嵌固在外侧壁的槽中，其中Z和y均为正整数。
本发明所述的多相高速交流电机系统，多相高速交流电机和多相功率变换器构成多相高速电机驱动系统，通过在定子铁心外表面开槽，并在槽中嵌入线圈的非有效边，从而提高了各相绕组的漏感，使定子谐波电流得到抑制，进而减小了由谐波电流引起的各种损耗，提高了电机的效率，降低了电机的温升，延长了电机寿命；同时，本发明充分利用了六相电机双逆变器驱动的特性，消除了5次、7次谐波在电机内的旋转磁场，消除了谐波磁场引起的脉动转矩，使转子铁心及永磁体的损耗大大减少，降低了电机的振动和噪声，提高了系统的稳定性以及系统的动、静态特性。并且，由于环形绕组各个线圈端部不交叠，绝缘容易，电机的容错能力强、可靠性高。
附图说明
图1为六相高速交流电机系统的电气结构示意图；
图2为环形铁心内侧壁槽数为12，外侧壁槽数为12，绕组为单层绕组的六相高速交流电机的定子铁心结构示意图；
图3为环形铁心内侧壁槽数为24，外侧壁槽数为12，绕组为双层绕组的六相高速交流电机的定子铁心结构示意图；
图4为环形铁心内侧壁槽数为24，外侧壁槽数为24，绕组为双层绕组的六相高速交流电机的定子铁心结构示意图；
图5为具有LC输出滤波器的三相永磁同步电机驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的多相高速交流电机系统，它包括：m相高速交流电机和m/3个三相功率变换器，其中，m为电机的相数，m＝3k，k为大于1的正整数；
所述m相电机包括定子和转子；
所述定子包括：m/3套三相环形绕组和环形铁心，每套三相环形绕组中相邻两相环形绕组对应相之间的相位差为δ电角度，且δ满足δ＝±180°/m；每套三相环形绕组均为星形联结，每套三相绕组的三个输出端分别与一个三相功率变换器的三个交流输入端一一对应相连；
m/3个三相功率变换器共直流母线，相邻两个三相功率变换器所对应相的输出电流之间相差δ电角度；
所述环形铁心的内侧壁开有Z个槽，外侧壁开有y个槽，所述内侧壁和外侧壁上的槽均沿铁心周向均匀排布，每套三相环形绕组的每个矩形线圈的有效边嵌固在内侧壁的槽中，该有效边的对边嵌固在外侧壁的槽中，其中Z和y均为正整数。
在实际应用中，按照本实施方式所述的多相高速交流电机系统结构，当k＝2，即m＝6时，如图1所示，六相高速交流电机系统包括一台六相高速交流电机和2个三相功率变换器，六相高速交流电机包括定子和转子，定子和转子之间为气隙。所述定子包括两套三相环形绕组和环形铁心，两套三相绕组对应相之间的空间相位差为30电角度，即A1相与A2相之间相位差为电角度30°，B1相与B2相之间相位差为电角度30°，C1相与C2相之间相位差为电角度30°，每套三相绕组都是星形联结；每套三相绕组的输出端都与一个三相功率变换器的交流输入端相连，两套三相功率变换器共直流母线；两套三相功率变换器对应相输出电流之间差30电角度。
具体实施方式二：本实施方式所述的多相高速交流电机系统，它包括：m相高速交流电机和m相功率变换器，其中，m为电机的相数，m为大于或等于5的自然数；
所述m相高速交流电机包括定子和转子；
所述定子包括：m相环形绕组和环形铁心，相邻两相环形绕组之间的相位差为δ电角度，且δ满足δ＝±360°/m；m相环形绕组的每相输出端分别与m相功率变换器的一个交流输入端一一对应相连；m相功率变换器相邻相之间输出电流相差δ电角度；
所述环形铁心的内侧壁开有Z个槽，外侧壁开有y个槽，所述内侧壁和外侧壁上的槽均沿铁心周向均匀排布，每套三相环形绕组的每个矩形线圈的有效边嵌固在内侧壁的槽中，该有效边的对边嵌固在外侧壁的槽中，其中Z和y均为正整数。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，当环形铁心的内侧壁槽数Z＝2mp时，其中p为m相高速交流电机的极对数；
Z＝y，且内侧壁槽和外侧壁槽一一对应；
环形铁心的内侧壁槽中嵌固有m相环形绕组，m相环形绕组为单层结构，每个内侧壁槽中只嵌固有一个矩形线圈的有效边，且该矩形线圈有效边的对边嵌固在该内侧壁槽所对应的外侧壁槽内。
在实际应用中，按照本实施方式所述的多相高速交流电机系统结构，当m＝6时，如图2所示，六相高速交流电机中环形铁心内侧壁槽数Z为12，槽中嵌固有两套三相对称绕组，绕组为单层绕组，每个槽中只有一个线圈边；铁心外侧壁槽数与内侧壁槽数相等，外侧壁槽与对应的内侧壁槽在一个直径上，每个外侧壁槽中嵌固的一个线圈边与对应内侧壁槽中的线圈边属于一个线圈。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，当环形铁心的内侧壁槽数Z＝2kmp时，其中p为m相高速交流电机的极对数，k为大于1的正整数；
则环形铁心的外侧壁槽数y＝2mp；
环形铁心的内侧壁槽中嵌固有m相环形绕组，m相环形绕组为双层绕组，每个内侧壁槽中嵌固有两个矩形线圈的有效边；
每极下属于同一相的(k+1)个内侧壁槽中的所有矩形线圈的有效边的对边嵌固在一个或k个外侧壁槽中。
在实际应用中，按照本实施方式所述的多相高速交流电机系统结构，如图3所示，六相高速交流电机中环形铁心内侧壁槽数Z为24，环形铁心内侧壁槽中嵌固有两套三相对称绕组，绕组为双层绕组，每个内侧壁槽中有两个矩形线圈的有效边；环形铁心外侧壁槽数为12，每个外侧壁槽中嵌固有四个线圈边，这四个线圈边对应内侧两个槽中的线圈边分别属于同一相。
结合具体实施方式三和四，如图4所示，六相高速交流电机中环形铁心内侧壁槽数Z为24，槽中嵌固有两套三相对称绕组，绕组为双层绕组，每个槽中有两个线圈边；铁心外侧壁槽数与内侧壁槽数相等，每个外侧壁槽中嵌固的一个线圈边与对应内侧壁槽中的线圈边属于一个线圈。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，环形铁心内侧壁一个槽中的两个矩形线圈的有效边属于同一相时，这两个矩形线圈能够串联成为一个线圈。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，m相高速交流电机的环形铁心内侧壁为无槽结构。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，外侧壁槽为开口槽、半开口槽或半闭口槽。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，m相高速交流电机的环形铁心的外侧壁还开有x个冷却管道槽，所述x个冷却管道槽均沿铁心周向均匀排布，且所述x个冷却管道槽均与环形铁心的中轴平行。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，当m相高速交流电机为液体冷却结构时，在环形铁心外侧壁槽中还设有液体冷却管道；当m相高速交流电机为强制风冷结构时，环形铁心外侧壁槽能够作为冷却风通道；当m相高速交流电机采用热管冷却时，热管位于环形铁心外侧壁槽中。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的多相高速交流电机系统作进一步说明，本实施方式中，m相高速交流电机为感应电机或同步电机。
通过对一般的多相电机的谐波分析可知，随着电机相数的增加，电机定子绕组由基波电流产生的磁势谐波含量减少，并且最小谐波的次数增加。众所周知，磁势谐波的幅值是和谐波的次数成反比的，谐波次数的增加也意味着谐波含量的减少。
多相电机与普通三相电机相比，主要有两个方面的优势：一是可以有效消除基波电流所产生的5、7次等高次谐波磁动势，以及5、7次谐波电流所产生的基波磁动势，进而显著降低高速电机的谐波损耗，提高系统工作效率，同时可以减小电机的转矩脉动，提高系统的稳定性。
Claims (10)
1.多相高速交流电机系统，其特征在于，它包括：m相高速交流电机和m/3个三相功率变换器，其中，m为电机的相数，m＝3k，k为大于1的正整数；
所述m相电机包括定子和转子；
所述定子包括：m/3套三相环形绕组和环形铁心，每套三相环形绕组中相邻两相环形绕组对应相之间的相位差为δ电角度，且δ满足δ＝±180°/m；每套三相环形绕组均为星形联结，每套三相绕组的三个输出端分别与一个三相功率变换器的三个交流输入端一一对应相连；
m/3个三相功率变换器共直流母线，相邻两个三相功率变换器所对应相的输出电流之间相差δ电角度；
所述环形铁心的内侧壁开有Z个槽，外侧壁开有y个槽，所述内侧壁和外侧壁上的槽均沿铁心周向均匀排布，每套三相环形绕组的每个矩形线圈的有效边嵌固在内侧壁的槽中，该有效边的对边嵌固在外侧壁的槽中，其中Z和y均为正整数。
2.多相高速交流电机系统，其特征在于，它包括：m相高速交流电机和m相功率变换器，其中，m为电机的相数，m为大于或等于5的自然数；
所述m相高速交流电机包括定子和转子；
所述定子包括：m相环形绕组和环形铁心，相邻两相环形绕组之间的相位差为δ电角度，且δ满足δ＝±360°/m；m相环形绕组的每相输出端分别与m相功率变换器的一个交流输入端一一对应相连；m相功率变换器相邻相之间输出电流相差δ电角度；
所述环形铁心的内侧壁开有Z个槽，外侧壁开有y个槽，所述内侧壁和外侧壁上的槽均沿铁心周向均匀排布，每套三相环形绕组的每个矩形线圈的有效边嵌固在内侧壁的槽中，该有效边的对边嵌固在外侧壁的槽中，其中Z和y均为正整数。
3.根据权利要求1或2所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，当环形铁心的内侧壁槽数Z＝2mp时，其中p为m相高速交流电机的极对数；
Z＝y，且内侧壁槽和外侧壁槽一一对应；
环形铁心的内侧壁槽中嵌固有m相环形绕组，m相环形绕组为单层结构，每个内侧壁槽中只嵌固有一个矩形线圈的有效边，且该矩形线圈有效边的对边嵌固在该内侧壁槽所对应的外侧壁槽内。
4.根据权利要求1或2所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，当环形铁心的内侧壁槽数Z＝2kmp时，其中p为m相高速交流电机的极对数，k为大于1的正整数；
则环形铁心的外侧壁槽数y＝2mp；
环形铁心的内侧壁槽中嵌固有m相环形绕组，m相环形绕组为双层绕组，每个内侧壁槽中嵌固有两个矩形线圈的有效边；每极下属于同一相的(k+1)个内侧壁槽中的所有矩形线圈的有效边的对边嵌固在一个或k个外侧壁槽中。
5.根据权利要求4所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，环形铁心内侧壁一个槽中的两个矩形线圈的有效边属于同一相时，这两个矩形线圈能够串联成为一个线圈。
6.根据权利要求1或2所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，m相高速交流电机的环形铁心内侧壁为无槽结构。
7.根据权利要求1或2所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，外侧壁槽为开口槽、半开口槽或半闭口槽。
8.根据权利要求1或2所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，m相高速交流电机的环形铁心的外侧壁还开有x个冷却管道槽，所述x个冷却管道槽均沿铁心周向均匀排布，且所述x个冷却管道槽均与环形铁心的中轴平行。
9.根据权利要求1或2所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，
当m相高速交流电机为液体冷却结构时，在环形铁心外侧壁槽中还设有液体冷却管道；
当m相高速交流电机为强制风冷结构时，环形铁心外侧壁槽能够作为冷却风通道；
当m相高速交流电机采用热管冷却时，热管位于环形铁心外侧壁槽中。
10.根据权利要求1或2所述的多相高速交流电机系统，其特征在于，m相高速交流电机为感应电机或同步电机。
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