CN107546890A - 谐波分流的电机、方法、ac电机系统及可变速驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了包括谐波分流的密封式AC电机，使得高频谐波能够从所述AC电机分流，而无需在相关的电机驱动中使用一个或多个高频滤波器。运行AC电机的相关方法包括将高频谐波分流至流经所述AC电机的流体。同时还公开了简化的可变速电机驱动系统，其无需配置用于去除高频谐波的滤波器。

Description

谐波分流的电机、方法、AC电机系统及可变速驱动系统
技术领域
本公开涉及用于电机(例如，制冷机中的压缩机电机)热管理的系统、设备和方法，尤其涉及可消除对驱动电流谐波滤波器的需求的改进的可变速电机和驱动系统。
背景技术
在AC电机中，高频电流对气隙中磁通量的形成不起作用，反而在电机定子和/或转子(rotor)中散失为焦耳能量，这部分高频电流的流通造成了电机温度升高。现有的消除这一问题的方法包括：在电机和驱动间安装无源滤波器(例如，L、LC等)、使用多电平逆变器、脉冲宽度调制(PWM)优化模式和增加开关频率。这些方法中的每一种均昂贵、庞大且会导致整个系统减慢(derating)(例如，在较高开关频率下绝缘栅双极晶体管(IGBT)及相关动力模块减慢)。高速电机和驱动系统的花费、损耗和额定值(rating)均受到高频谐波的显著影响。
发明内容
密封式AC电机包括谐波分流，用于使高频谐波从所述AC电机分流。这样，可在不使用一个或多个滤波器的情况下使高频谐波从所述AC电机分流。所述电机还包括定子和设置于所述定子内且与所述定子选择性地磁通的转子。所述转子和所述定子之间可存在流体间隙(fluid gap)。所述流体间隙可被用于接收冷却液。在所述转子上可设置用于接收高频谐波且将所述高频谐波分流到所述冷却液的笼子。
所述转子可包括表面式永磁体且所述笼子包括多个铝楔，每个铝楔被置于各表面式永磁体之间。在某些实施例中，所述笼子可包括位于所述转子周围的一个或多个铝垫片(spacer)。所述一个或多个铝垫片可包括厚垫片和轴向放置在所述厚垫片相对的两侧并远离所述厚垫片的两个薄垫片。所述电机还可包括围绕所述转子和所述笼子设置的碳纤维套筒。
根据本公开的至少一方面，系统包括输出高频谐波的AC电源及连接于所述AC电源的密封式AC电机。其中，所述AC电源可在不使用滤波器的情况下连接于所述密封式AC电机。所述AC电机包括谐波分流以使所述高频谐波从所述AC电机分流。
所述系统的所述密封式AC电机还包括定子和设置于所述定子内且与所述定子选择性磁连通的转子。所述转子和所述定子之间可存在流体间隙。所述流体间隙可被用于接收冷却液。在所述转子上可设置用于接收高频谐波且将所述高频谐波分流到所述冷却液的笼子。
所述转子可包括多个表面式永磁体且所述笼子包括多个铝楔，每个铝楔被设置于各表面式永磁体之间。在某些实施例中，所述笼子可包括位于所述转子周围的一个或多个铝垫片。所述一个或多个铝垫片可包括厚垫片和轴向放置在所述厚垫片相对的两侧并远离所述厚垫片的两个薄垫片。所述电机还可包括围绕所述转子和所述笼子设置的碳纤维套筒。
所述系统可包括连接于所述AC电机的制冷机压缩机。所述AC电机的所述流体间隙可与所述制冷机的制冷剂流体连通，以冷却所述AC电机从而分流所述高频谐波。
根据本公开的至少一方面，方法包括将高频谐波分流至流经密封式AC电机的流体。所述方法可包括从AC电源直接向所述AC电机提供AC电能，所述AC电能可包括所述高频谐波。这样，AC电能可在不经过滤波器的情况下提供给所述AC电机。
分流包括通过将所述高频谐波转化为如下结构中的热能来对所述高频谐波进行热分流，该结构被配置为与流经所述AC电机的流体进行热交换。在某些实施例中，被配置为与所流经的流体进行热交换的所述结构为所述AC电机的转子上的笼子。
根据本公开的至少一方面，密封式AC电机系统不包括用于移除高频谐波的滤波器。
附图说明
本文将结合附图描述所公开的系统和方法的多种实施例，其中：
图1为根据本公开的密封式AC电机的实施例的截面图；
图2A为根据本公开的转子的实施例的立体图；
图2B为图2A的转子上设置套筒后的立体图；
图2C为图2B的转子的横截面图；
图2D为图2B的转子的纵截面图；
图2E为图2B的所述转子的笼子的一部分的放大图；
图3为根据本公开的系统的实施例的示意图；及
图4为根据本公开的制冷机系统的实施例的示意图。
将结合上文提到的附图和下面示例性实施例的具体实施方式进一步详细介绍上面提及的本公开的多个方面。
具体实施方式
在下文中结合附图对本公开的特定示意性实施例进行描述，但是，所公开的实施例仅是本公开的示例，本公开可以多种形式实施。众所周知的功能或构造及重复的内容并未详细描述以避免不必要的或多余的细节使本公开变得不清楚。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被理解为是限制性的，而仅可被当作权利要求的基础及用于教导本领域普通技术人员在几乎任何合适的具体结构中多样地运用本公开的有代表性的基础。在本具体实施方式以及附图中，相似的附图标记表示可执行相同、相似或等同功能的元件。本文中的词语“示例性的”被用来表示“作为示例、实例或例证”。任何本文中描述为“示例性的”实施例并不一定被理解为优选的或比其他实施例有优势。词语“示例”可与术语“示例性的”互换使用。
本公开的某些部分可描述具有多个部分或步骤的方法。应当理解，这些部分和/或步骤可通过用于执行所详述的功能的任何合适的硬件和/或软件组件实现。例如，本公开可采用多种集成电路组件，例如，储存器元件、处理元件、逻辑元件、查找表等，其可在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行多种功能。
本文所述的实施例包括能够通过将谐波分流至冷却液来治理谐波而无需使用复杂且庞大的滤波器的电机。这些电机可被用于任何合适的系统(例如，制冷机)中。
参考图1，密封式AC电机100包括谐波分流使得高频谐波能被从所述AC电机100分流而无需使用一个或多个滤波器。尽管本文所述的实施例中均称为“电机”，本领域普通技术人员将理解本文所述的实施例亦可被用作发电机。
电机100可包括具有多个极(pole)104的定子101和设置于定子101内且与定子101选择性磁通的转子103。定子101可被用于接收和/或输出三相电流。
转子103和定子101之间存在流体间隙105。流体间隙105被用于接收冷却液且可包括任何合适的尺寸。所述流体间隙可为转子外径和定子孔(stator bore)的内表面间的空间。定子孔的内表面可由定子叠齿(lamination teeth)和槽楔的组合组成。在某些实施例中，转子外径和定子叠齿间的间隙105可为约0.05英寸至约0.15英寸。转子外径和槽楔间的间隙可在约0.05英寸至约0.3英寸的数量级上。
电机100由通过定子铁芯和通过间隙105径向和/或轴向给送的冷却液(例如，制冷剂气体或液体)冷却。间隙105可接收来自其他系统位置(例如，如下所述的制冷机系统400的蒸发器、节能器或冷凝器)的流体。所述冷却液被引导流过电机定子101和/或转子103，且返回所述系统位置(例如，蒸发器、节能器、冷凝器)。所述流体以足够确保组件可靠运行的比率去除与高频电流相关的焦耳能量，而无需在可变速电机控制器303和电机100间使用电感滤波器、电容滤波器或其他常规的滤波器。
参考图2A，转子103可包括置于转子103上用于接收高频谐波且将所述高频谐波分流给冷却液的笼子107。例如，笼子107的一个或多个部分的材料和/或形状可以被选择，以从定子101接收高频谐波电磁能量且向冷却液散发所述能量。
再参考图2B至图2E，转子103可包括表面式永磁体109。表面式永磁体109可按照相对于极性(例如，转子103的正极和转子103的负极)的任何合适的顺序来被设置。
笼子107还可包括多个铝楔111。每个楔子111可被置于各表面式永磁体109之间。铝楔111可包括任何合适的形状以例如优化通过焦耳加热(Joule heating)从高频谐波到热能的转化。转子103和/或定子101的任何其他合适的部分可具有任何合适的形状以利于高频谐波转化为将由流体间隙中的制冷剂或其他合适的冷却液所冷却的热能。
一个或多个极隙填充物(pole gap filler)113亦可被置于转子103上。极隙填充物113可为任何合适的材料(例如，不锈钢)。尽管本文中描述了2极系统，在本文中可想到任何合适数量的极，例如，围绕转子的外周以磁极对的形式设置的转子正极和转子负极。
在某些实施例中，笼子107可包括围绕转子103设置的一个或多个铝垫片。如图所示，在某些实施例中，所述一个或多个铝垫片可包括厚垫片115a和轴向设置位于厚垫片115a两侧且远离厚垫片115a的两个薄垫片115b。在本文中可想到对于垫片的任何其他合适的构型、位置、和/或大小。
在某些实施例中，转子103还可包括围绕转子103和笼子107设置的碳纤维套筒117。套筒117可与笼子107等长或为任何其他合适的大小。
参考图3，系统300包括输出高频谐波的AC电源301。系统300也包括如上文所述的无需利用滤波器而连接于AC电源301的密封式AC电机100。如图所示，AC电机100可通过电机控制器303(例如，其控制输出至定子101的三相电力)连接于AC电源301。
电机100和/或系统300可被用于任何合适的系统中。例如，电机100和/或系统300可被包括于用于气候控制的制冷机系统和/或其他合适的压缩机系统中。制冷机系统的实施例示于图4中。
电机100(或任何其他合适的电机设计)被示出连接于压缩机以使对制冷剂回路401中的制冷剂进行压缩的压缩机运转。制冷机系统400包括本领域普通技术人员可理解的冷凝器、蒸发器、和膨胀阀。
冷凝器可与冷却塔中的水进行热交换，所述水对制冷剂回路401中的制冷剂进行冷凝。蒸发器与另一水回路402中的水进行流体热交换，以冷却所述水。本领域普通技术人员可理解通过水循环以实现冷却的结构(例如，通过一个或多个空气处理单元)。
如图4所示，制冷剂回路401可包括电机支路403，该电机支路403使得制冷剂通过流体间隙105流通至电机100，以去除由高频谐波产生的热量。如图所示，在某些实施例中，电机支路403的入口可位于膨胀阀的下游以接收冷却过的制冷剂。在一些实施例中，流过电机100后的出口可位于所述蒸发器的下游。正如本领域普通技术人员所理解的，可想到可利用任何其他合适的位置作为电机支路403的入口和出口。此外，还可想到除了通过流体隔离的回路外，还可在电机100的路径方向上使用任何其他合适的冷却流回路，或可选地，除了制冷剂回路401中的制冷剂外，还可在电机100的路径方向上使用任何其他合适的冷却流(例如，水回路402中的水、冷却塔中的水)。
根据本公开的至少一方面，一种方法包括将高频谐波分流至流经密封式AC电机100的流体。所述方法可包括从AC电源301向AC电机100提供AC电能，而无需使AC电能经过滤波器。
分流可包括通过在被设置为与流经AC电机100的流体(例如，制冷机的制冷剂)进行热交换的结构中将高频谐波转化为热能而实现的高频谐波热分流。被设置为与所流经的流体进行热交换的结构可为例如AC电机的转子上的笼子107。
高频电流与驱动开关频率的谐波相关。驱动开关频率通常是电机电频率(相应于，例如，极数×电机RPM/120)的10倍。这些开关频率依于(reside in)定子之中但诱导转子上的电流。对于表面式永磁电机，在永磁体表面上可诱导产生涡电流。在上文所述的带有铝条的永磁体构造中，定子中的高频电流诱导铝中的电流。焦耳加热是高频电流被转化为热能的原理，例如，所述铝的变热。这反过来将能量从磁体分流走。从铝条去除能量由制冷剂冷却完成，如上文所述，通过传导和/或对流传热进行。
如上文所述，实施例包括包含例如具有感应或永磁体电机的压缩机(例如，离心式、螺旋式或涡旋式压缩机)。电机可包括以铝笼子围绕磁体的表面式永磁体转子，具有轴向制冷剂通道和/或径向给送冷却过的空气的定子。如上文所述，实施例包括高速电机拓扑及可变速驱动在离心式制冷机或其他合适的系统上的应用，而无需在电机100和可变速电机控制器303之间设置昂贵的滤波器。
方案
应当注意，下述的各方案可彼此以任何合适的组合方式组合。
方案1.一种密封式AC电机，包括谐波分流，用于使高频谐波从所述AC电机分流。
方案2.所述电机还包含：定子；置于所述定子内且与所述定子选择性磁连通的转子，其中，在所述转子和所述定子间存在流体间隙，所述流体间隙被用于接收冷却液；及置于所述转子上用于接收高频谐波并将所述高频谐波分流至所述冷却液的笼子。
方案3.所述转子包括多个表面式永磁体且所述笼子包括多个铝楔，每个所述铝楔置于各所述表面式永磁体之间。
方案4.所述笼子包括置于所述转子周围的一个或多个铝垫片。
方案5.所述一个或多个铝垫片包括一个厚垫片和轴向设置位于所述厚垫片两侧且远离所述厚垫片的两个薄垫片。
方案6.所述电机还包括围绕所述转子和所述笼子设置的碳纤维套管。
方案7.一种系统包括输出高频谐波的AC电源，及连接于所述AC电源的密封式AC电机，其中，所述AC电机包括谐波分流以使所述高频谐波能够从所述AC电机分流。
方案8.所述AC电机包括定子及置于所述定子内且与所述定子选择性磁连通的转子，其中，在所述转子和所述定子间存在流体间隙，所述流体间隙被用于接收冷却液。
方案9.所述系统包括置于所述转子上且用于接收高频谐波并将所述高频谐波分流至所述冷却液的笼子。
方案10.所述转子包括多个表面式永磁体且所述笼子包括多个铝楔，每个所述铝楔置于各所述表面式永磁体之间。
方案11.所述笼子包括置于所述转子周围的一个或多个铝垫片。
方案12.碳纤维套管围绕所述转子和所述笼子设置。
方案13.所述系统包括连接于所述AC电机的制冷机压缩机。
方案14.所述AC电机的流体间隙与所述制冷机的制冷剂呈流体连通，以冷却所述AC电机从而热分流所述高频谐波。
方案15.一种方法包括将高频谐波分流至流经密封式AC电机的流体。
方案16.所述方法包括从AC电源直接向所述AC电机提供AC电能，其中，所述AC电能无需经由滤波器，并且包括所述高频谐波。
方案17.分流包括通过在配置为与流经所述AC电机的流体进行热交换的结构中将所述高频谐波转化为热能，来对所述高频谐波进行热分流。
方案18.被配置为与所流经的流体进行热交换的所述结构为所述AC电机的转子上的笼子。
方案19.一种密封式AC电机系统的实施例不包括用于去除高频谐波的滤波器。
通过上述技术方案，能够在不使用滤波器的情况下使得高频谐波从AC电机分流，从而可有效简化AC电机、驱动系统等。
本文描述了本公开的特定实施例，但是，应当理解，所公开的实施例仅是本公开的示例，本公开可以多种形式实施。已知的功能或构造并未详述以避免不必要的细节使本公开变得不清晰。因此，本文所公开的特定的结构和功能细节不可被理解为是限制性的，而仅是所述权利要求的基础及用于教导本领域普通技术人员在任何合适的详细结构中多样地运用本公开的代表性基础。

Claims (19)

1.一种用于制冷机压缩机的密封式AC电机，包含：
谐波分流，用于使高频谐波能够从所述AC电机分流。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，还包含：
定子；
转子，其置于所述定子内且与所述定子选择性磁连通，其中，在所述转子和所述定子间存在流体间隙，所述流体间隙被用于接收冷却液；及
笼子，其置于所述转子上，用于接收高频谐波并将所述高频谐波分流至所述冷却液。
3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述冷却液为制冷剂。
4.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，
所述转子包括多个表面式永磁体；且
所述笼子包括多个铝楔，每个所述铝楔置于各所述表面式永磁体之间。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述笼子包括置于所述转子周围的一个或多个铝垫片。
6.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，还包含：
围绕所述转子和所述笼子设置的碳纤维套管。
7.一种简化的可变速驱动系统，包含：
AC电源，其输出高频谐波；及
用于制冷机的密封式AC电机，该AC电机连接于所述AC电源，其中，所述AC电机包括谐波分流以使所述高频谐波能够从所述AC电机分流。
8.根据权利要求7所述的简化的可变速驱动系统，其特征在于，所述AC电机包括：
定子；及
转子，其置于所述定子内且与所述定子选择性磁连通，其中，在所述转子和所述定子间存在流体间隙，所述流体间隙被用于接收冷却液。
9.根据权利要求8所述的简化的可变速驱动系统，其特征在于，所述AC电机还包含：
笼子，其置于所述转子上，用于接收高频谐波并将所述高频谐波分流至所述冷却液。
10.根据权利要求9所述的简化的可变速驱动系统，其特征在于，
所述转子包括多个表面式永磁体；且
所述笼子包括多个铝楔，每个铝楔置于各表面式永磁体之间。
11.根据权利要求10所述的简化的可变速驱动系统，其特征在于，所述笼子包括置于所述转子周围的一个或多个铝垫片。
12.根据权利要求9所述的简化的可变速驱动系统，其特征在于，所述AC电机还包含：
围绕所述转子和所述笼子设置的碳纤维套管。
13.根据权利要求8所述的简化的可变速驱动系统，其特征在于，还包含：
连接于所述AC电机的制冷机压缩机。
14.根据权利要求13所述的简化的可变速驱动系统，其特征在于，所述AC电机的流体间隙与所述制冷机的制冷剂流体连通，以冷却所述AC电机从而热分流所述高频谐波。
15.一种谐波分流方法，包含：
将高频谐波分流至流经密封式AC电机的流体。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包含：
从AC电源直接向所述AC电机提供AC电能，其中，所述AC电能无需经由滤波器，并且包括所述高频谐波。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述分流包括：
通过在被配置为与流经所述AC电机的流体进行热交换的结构中将所述高频谐波转化热能，来对所述高频谐波进行热分流。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，被配置为与所流经的流体进行热交换的所述结构为所述AC电机的转子上的笼子。
19.一种密封式AC电机系统，其特征在于，不包括用于去除高频谐波的滤波器。
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