CN106357054A - 一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其包括定子铁芯、定子主绕组、转子永磁体、转子铁芯和转轴；所述定子铁心的内圆上开设有定子槽，相邻两所述定子槽之间形成定子齿；位于所述定子槽内设置有所述定子主绕组，所述转子永磁体安装在所述转子铁心上，所述转子铁心安装在所述转轴上，所述转轴通过轴承安装在机座上；其特征在于：还包括定子滤波绕组；所述定子滤波绕组为在每个所述定子齿上绕制形成的线圈，各个所述定子滤波绕组相互独立。本发明能有效降低电机高频振动，减小噪声，适用于电气传动、船舶推进及轨道交通等领域。

Description

一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机

技术领域

本发明涉及一种能抑制振动噪声的电机，特别是关于一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机。

背景技术

电压型逆变器在高性能电力电子装置中的应用越来越广泛，PWM(Pulse WidthModulation)技术作为系统的核心技术被广泛使用。所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定宽度的电压脉冲序列，以实现变压变频的一门技术。电压脉冲序列除了含有所需的基波分量外，还含有开关频率及其倍数附近的谐波分量，其幅值较大的谐波成分主要分布在一倍和两倍的PWM的调制频率f_s附近，因此，由谐波电流引起的电磁噪声集中在f_s和2f_s频率附近。

为了解决上述问题，当前主要的方案是提高PWM开关频率、采用随机PWM调制方式及变频器输出端加装交流滤波器等，但是这些方法又会带来以下几个问题：1)提高开关频率不仅对变流器设备是一个考验，而且也会带来较大的开关损耗；2)随机开关频率PWM中逆变器输出电压的频谱是一个宽而均匀的连续频谱，该方法对总振级影响不明显；3)由于交流滤波器有滤波电感，电感的体积大，重量重，其应用会受到一定的限制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，该电机不需要提高开关频率和加装交流滤波器，无外接滤波电感实现对高频振动噪声的削弱。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其包括定子铁芯、定子主绕组、转子永磁体、转子铁芯和转轴；所述定子铁心的内圆上开设有定子槽，相邻两所述定子槽之间形成定子齿；位于所述定子槽内设置有所述定子主绕组，所述转子永磁体安装在所述转子铁心上，所述转子铁心安装在所述转轴上，所述转轴通过轴承安装在机座上；其特征在于：还包括定子滤波绕组；所述定子滤波绕组为在每个所述定子齿上绕制形成的线圈，各个所述定子滤波绕组相互独立。

每个所述定子滤波绕组都分别连接一个滤波装置，构成独立回路。

各所述滤波装置设置在电路板上。

所述电路板设置在电机内部。

所述电路板固定设置在电机端盖上。

所述电路板固定设置在所述定子铁芯的端部。

所述电路板设置在电机外部。

各所述定子滤波绕组引出后与所述电路板上的所述滤波装置连接。

所述定子滤波绕组采用围绕多个定子齿形成的绕组。

所述定子滤波绕组设置在所述定子槽槽口或槽底位置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明滤波电感的铁芯与电机的铁芯集成，将电机绕组与滤波电感的绕组集成，不再需要外接普通滤波电感，系统体积小，重量轻。2、本发明滤波电路采用分布方式，降低了与基波磁场的耦合，使滤波电路仅需关注高频分量，降低了滤波电路的电压和电流容量。3、本发明电机不需要很高的开关频率，开关损耗小，系统效率可以提高。综上所述，本发明能有效降低电机高频振动，减小噪声，适用于电气传动、船舶推进及轨道交通等领域。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施例的永磁电机截面示意图；

图2是本发明的滤波电容在电路板中的布置示意图；

图3是本发明的滤波绕组与滤波电容的连接电路图；

图4是图1中的主绕组和滤波绕组的绕组展开示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，在本实施例中采用的电机为三相2极12槽永磁同步电机，如图1所示，它包括：定子铁芯1、定子主绕组2、定子滤波绕组3、转子永磁体4、转子铁芯5和转轴6。

定子铁芯1可以采用常规方式安装在定子机座(图中未示出)内，定子铁心2的内圆上开设有定子槽，相邻两定子槽之间形成定子齿。位于定子槽内设置有定子主绕组2和定子滤波绕组3，定子主绕组2与普通电机的绕组相同，可以为三相绕组，或者其他相数的绕组，可以为整数槽绕组，也可以为分数槽绕组。定子滤波绕组3为在每个定子齿上绕制形成的线圈，各个定子滤波绕组3相互独立。转子永磁体4安装在转子铁心5上，转子铁心5安装在转轴6上，转轴6通过轴承安装在机座上。

在一个优选的实施例中，如图2、图3所示，每个定子滤波绕组3都分别连接一个滤波装置7，构成独立回路。

其中，如图2所示，各滤波装置7均匀间隔设置在电路板8上。电路板8可以设置在电机内部，固定设置在电机端盖上，或固定设置在定子铁芯1的端部。电路板8还可以设置在电机外部，各定子滤波绕组3引出后与电路板8上的滤波装置7连接。

在一个优选的实施例中，如图2、图3所示，滤波装置7由电容C构成。

在一个优选的实施例中，定子滤波绕组3也可以将跨一个极距的线圈进行连接后再与滤波装置7相连，以减少滤波装置数量。同样，也可以采用其他的联接方式，例如，定子滤波绕组3可以采用围绕多个定子齿形成的绕组，或者采用与定子主绕组2类似的方式绕制。

在一个优选的实施例中，定子滤波绕组3可以设置在定子槽槽口或槽底或其他便于设置的位置。

在一个优选的实施例中，滤波装置7除简单采用电容之外，还可以采用高通滤波电路，也可以采用带通滤波电路；还可以采用电力电子装置构成的有源滤波装置、无源滤波装置或混合滤波装置。

在一个优选的实施例中，转子永磁体4可以采用表面贴式的，也可以采用内置式的等其他结构形式；还可以采用径向结构、切向结构，以及混合结构。

实施例：

如图4所示，主绕组2采用三相绕组，图中仅示出A相绕组示意。定子滤波绕组3为围绕每个定子齿的布置方式，电机有多少个齿，则设置多少个定子滤波绕组3的线圈；定子滤波绕组3的每个线圈的匝数可根据需要设置。图4中定子滤波绕组3共有12个线圈，1-1’构成一个线圈，2-2’构成一个线圈，……，12-12’构成一个线圈。

如图3所示，该实施例中共12个由定子滤波绕组3和滤波装置7构成的独立回路，其中1-1’,…12-12’为图2中所示的定子滤波绕组3的线圈，C₁，…C₁₂为滤波电容。

如图2所示，将电容C₁，…C₁₂布置在电路板8上，本实施例将电路板8固定在端盖上，处于电机内部。

本发明的原理如下：

当变频器采用正弦信号作为参考波的SPWM控制方式时，使用双重傅里叶技术可以将电机单相输出电压u_A表示成：

其中，M为调制比；E_d为变频器直流母线电压；ω₀为基波角频率；为相位；J_n表示n阶贝塞尔函数，n＝0，±1，±3…；N为载波比；k₁为载波频率谐波次数；k₂为基波频率谐波次数。

式(1)表明，输出的电压中除了基波含量外，还有一系列开关频率及其倍数次附近的谐波。由于变频器输出的电压谐波会在电机内产生相同频率的电流谐波。因此，采用SPWM控制方式的变频器供电时，电机内电流谐波的频率f_k可表示为：

f_k＝k₃f_s±k₄f₀， (2)

其中，f_s是变频器载波频率，f₀是电机的基波频率，k₃和k₄是奇偶性互异的正整数，k₄不能取3的倍数，如f_s±2f₀，f_s±4f₀，2f_s±f₀等。

这样，就会在电机内，包括气隙、齿部、轭部产生对应频率变化的磁场，采用磁路法进行分析时，气隙中的磁场表达式B_g(θ,t)可以表示为：

B_g(θ,t)＝Λ(θ,t)f_mm(θ,t)， (3)

其中，Λ(θ,t)表示不同时刻空间位置的磁导，f_mm(θ,t)表示不同时刻空间的磁动势，该磁动势由电流产生。由麦克斯韦应力张量法可以得到作用于电机定子齿上的作用力为：

$f(\mathrm{\θ},t)=B_g^2(\mathrm{\θ},t)/\left(2{\mathrm{\μ}}_0\right),---\left(4\right)$

式中，μ₀是真空的磁导率。

将式(4)展开可得，电机的高频激振力由基波和谐波磁场与k次谐波电流产生基波和谐波磁场相互作用产生，阶数为0阶或2p阶，频率f_n表示为：

f_n＝k₅f_s±k₆f₀， (5)

其中，k₅,k₆是奇偶性相同的正整数，如f_s±f₀，2f_s±2f₀。

以上分析得到了采用PWM供电时的电机径向电磁力的表达式。下面结合图1-图3来说明本发明的降低高频振动噪声的方法。

当电机采用变频器供电时，气隙中、齿部、轭部都有高频分量的磁场，根据楞次定律可以知道，定子滤波绕组3的每个线圈都会感应出基波频率的电动势和与载波频率相关的高次谐波电动势，由于定子滤波绕组3的每个线圈经过电容C构成独立的闭合回路，闭合的回路中会产生电流，该电流产生的磁场将削弱电机内的高频分量的磁场，从而实现降低电机内的高频径向电磁激振力，降低高频振动和噪声的目的。因为定子滤波绕组3的线圈1-1’,2-2’…12-12’分别和电容C₁,C₂…C₁₂构成一高通滤波电路，即在低于截止频率ω_c时，滤波电路呈现高阻抗；而在高于截止频率ω_c时，滤波电路呈现低阻抗。这样，选取合适的电容值C就确定了截止频率ω_c，在滤波电路中就能选择性地流过高频电流以抵消气隙中的高频磁场，从而降低了高频电磁激振力，实现了电机的高频振动噪声的抑制。

本实施例中，定子滤波绕组3采用围绕单个定子齿绕制的方式，这样可以大大减少定子滤波绕组3感应的基波电动势的大小，从而减小定子滤波绕组3与定子主绕组2的基波的耦合，而突出定子滤波绕组3感应的高频电动势，对高频电流起作用。此外，采用定子滤波绕组3的单个定子齿绕制的方式后，定子滤波绕组3的线圈感应的直接是定子齿上的高频的磁场，而产生齿部振动的也正是此高频磁场，因此，定子滤波绕组3的作用更为直接和真实。当然定子滤波绕组3可以采用非单齿绕制，采用与定子主绕组2类似的方式绕组，该连接方式也在本发明的方法适用范围之内，但此时线圈感应的磁场将是多相电流的高频磁场的某种叠加，使滤波效果不直接而降低。

本实施例中所描述的具体实施例是以永磁同步电机为例进行说明的，对于其他电机，例如异步电机，电励磁同步电机等，均可采用本申请方式。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、数量、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其包括定子铁芯、定子主绕组、转子永磁体、转子铁芯和转轴；所述定子铁心的内圆上开设有定子槽，相邻两所述定子槽之间形成定子齿；位于所述定子槽内设置有所述定子主绕组，所述转子永磁体安装在所述转子铁心上，所述转子铁心安装在所述转轴上，所述转轴通过轴承安装在机座上；其特征在于：还包括定子滤波绕组；所述定子滤波绕组为在每个所述定子齿上绕制形成的线圈，各个所述定子滤波绕组相互独立。

2.如权利要求1所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：每个所述定子滤波绕组都分别连接一个滤波装置，构成独立回路。

3.如权利要求1所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：各所述滤波装置设置在电路板上。

4.如权利要求3所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：所述电路板设置在电机内部。

5.如权利要求4所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：所述电路板固定设置在电机端盖上。

6.如权利要求4所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：所述电路板固定设置在所述定子铁芯的端部。

7.如权利要求3所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：所述电路板设置在电机外部。

8.如权利要求7所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：各所述定子滤波绕组引出后与所述电路板上的所述滤波装置连接。

9.如权利要求1所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：所述定子滤波绕组采用围绕多个定子齿形成的绕组。

10.如权利要求1所述的一种无外接滤波电感的抑制高频振动噪声的电机，其特征在于：所述定子滤波绕组设置在所述定子槽槽口或槽底位置。