CN112152386A - 一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机，属于电机技术领域。本发明通过在正常定子齿外增加一套电抗器的定转子，电抗器定子齿上缠绕线圈，固定在电机定子上，转子固定在机壳上且可通过机壳外部推进按钮来回滑动，以此来调节电抗器定子齿与转子齿之间的耦合面积，进一步改变磁路的磁导率，实现了内部电感可无级调节，从而可通过调节电感值的大小来适应不同的工作情况，由此简化了电机的工作系统，提高了电机的工作效率。相比于传统外部串联电抗器来限制电机定子绕组电流的方式，本发明的串联电感可任意调节电感值的大小且调节范围足够广。在保证电机工作安全性的基础上，还有着更加灵活、更适应于电机复杂多变的工作情况的优点。

Description

一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机。

背景技术

随着电力行业的发展，越来越多重点工程的建设需要超高速电机的技术支撑，因此超高速电机成为了我国电工领域内一项重要研究内容。与传统电机相比，超高速电机体积小，没有减速结构与原动机直接相连，转动惯量小，因此具有节省材料、转速高、功率大、响应速度快、传动效率高等优点，可满足负载的高转速要求。但是，超高速电机转子转速高，定子绕组阻抗小，较易产生过大的定子绕组电流，影响电机性能。

现有大多数方案是电机外部外接一个电抗器，通过电抗器电感增加电抗值从而增加电机系统总的阻抗值(Z＝ωL+R，具体的：Z-阻抗，ω-电流角频率，R-电阻)，将定子绕组电流限制在安全范围内。但是这种方法不够灵活，由于不可能对电机所有的工作情况无差别处理，因此要频繁的更换不同的电抗器应对各种工作情况，严重限制了电机的工作效率，还复杂化了整个电机工作系统。

由超高速电机的结构特点和工作要求可知，超高速永磁同步电机的定子电感很小。从有利的一方面来说，小电感特性利于提高定子电流的动态响应速度，然而此特性对电机控制系统还会带来诸多不利影响。同时输入电压又为PWM高频斩波，很难实现对定子绕组电流的有效调节，导致定子绕组电流很容易发生畸变，带有很多的谐波成分。

采取了三相LC滤波电路的方法来减小高速小电感永磁同步电机的定子电流谐波。首先，建立了采用LC滤波电路的永磁同步电机的数学模型。其次，通过对采用LC滤波电路的永磁同步电机系统幅频特性进行分析，给出了用于减小定子电流谐波的LC滤波电路参数的设计原则。同时又分别从三相PWM逆变器所允许输出的最大电流和最大电压的方面考虑，给出了LC滤波参数的取值范围。

采用三相电压源PWM逆变电路作为高速小电感永磁同步电机的驱动电路，并在驱动电路和永磁同步电机之间接入一组三相LC滤波电路用来抑制电流谐波，其电机驱动系统结构如图1所示。

由于超高速电机的结构特点和工作要求，定子绕组的阻抗值通常很小，电机工作时很容易产生过大的定子绕组电流，导致电机损耗增加、发热严重，甚至造成电机损坏。

因为超高速电机的阻抗值很小，稍微改变输入电压的大小电流就会产生较大的变动，因此通过改变输入电压大小来限制定子绕组电流不仅影响电机工作性能而且不够稳定实用。同时输入电压又为PWM高频斩波，超高速电机的定子绕组又为小电感绕组，很难实现对定子绕组电流的有效调节，导致定子绕组电流很容易发生畸变。因此我们通常在超高速电机外部外接一个电抗器，通过电抗器的大电感将定子绕组电流限制在安全范围内来保证电机的正常运行。但是，当工作情况变化时需要更换不同的电抗器来应对，这使电机工作系统更加复杂化，限制了电机的工作效率。

而通过LC滤波来滤除定子绕组电流谐波的技术方案，仅仅起到抑制电流谐波的作用，不能从根本上解决因定子绕组阻抗值小而造成定子绕组电流过大的问题，而且此方案使得电机工作系统更加复杂，存在许多的局限性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何简化电机的工作系统，提高了电机的工作效率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机，该超高速一体化电机从径向看依次为，中心部位为转轴1，向外紧接着为转子2，转子2外部为永磁体3；接着是电机的定子齿4及定子绕组5，然后是电抗器定子6，所述电抗器定子6上缠绕着第一电感绕组7；所述超高速一体化电机还包括可滑动按钮10、机壳13，所述电抗器转子8与外部可滑动按钮10形成为一体；所述电抗器转子8通过滑轨结构固定在机壳13上，可滑动按钮10滑动时形成周向可滑动空间，所述电抗器定子6的齿与电抗器转子8的齿之间的耦合面积通过推动可滑动按钮10来调节；并且所述电抗器转子8上缠绕着第二电感绕组9；电抗器转子8、电抗器定子6分别为三个；电抗器转子8与对应的电抗器定子6之间仅有毫米级的距离。

优选地，所述定子绕组5、第一电感绕组7与第二电感绕组9依次串联。

优选地，所述定子绕组5与第一电感绕组7进行串联，但二者均不连接第二电感绕组9。

优选地，所述优选地，所述第一电感绕组7与第二电感绕组9通过外部接线头12串联。

优选地，第一电感绕组7与第二电感绕组9通过外部接线头12并联。

优选地，所述可滑动按钮10可通过手动推动来滑动。

优选地，所述永磁体为4极。

本发明还提供了一种所述的所述超高速一体化电机的工作方法。

本发明又提供了一种所述超高速一体化电机在电机领域中的应用。

(三)有益效果

本发明的一种内部电感可无级调节的超高速一体化电动机，通过在正常定子齿外增加一套电抗器的定转子，电抗器定子齿上缠绕线圈，固定在电机定子上，转子固定在机壳上且可通过机壳外部推进按钮来回滑动，以此来调节电抗器定子齿与转子齿之间的耦合面积，进一步改变磁路的磁导率，实现了内部电感可无级调节，从而可通过调节电感值的大小来适应不同的工作情况，由此简化了电机的工作系统，提高了电机的工作效率。相比于传统外部串联电抗器来限制电机定子绕组电流的方式，本发明的串联电感可任意调节电感值的大小且调节范围足够广。在保证电机工作安全性的基础上，还有着更加灵活、更适应于电机复杂多变的工作情况的优点。另外，与传统在电机外串联电感的方式相比，本发明串联电感不再是外部接入，而是置于电机内部，与电机巧妙地融合为一体，简化了整个电机工作系统，更加便捷，增加了电机的高可靠性。

附图说明

图1为现有电机驱动系统结构示意图；

图2是本发明一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机的总装示意图；

图3是本发明一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机的内部电感接入方式示意图；

图4是本发明一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机的电感调节原理示意图。

其中，1-转轴，2-转子，3-永磁体，4-定子齿，5-定子绕组，6-电抗器定子，7-第一电感绕组，8-电抗器转子，9-第二电感绕组，10-可滑动按钮，11-可滑动空间，12-接线头，13-机壳。。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机，将电抗器置于电机机壳内部，且可以自由调节电抗器电感大小。从性质上讲，此电抗器电感并非电机自身绕组属于外接绕组，但从结构上讲，电抗器位于电机机壳内部，与电机为一体。保证了电机的安全运行的同时，还提高电机的工作效率，简化了整个电机工作系统。

本发明提供的一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机，由一个超高速电机和若干个可分档调节的电抗器组成。相比于传统的限制定子绕组电流的方式，此种电机可多档调节串联电感大小，使串联电感值大小可视具体工作情况而调节，且串联电感与电机为一体，更加灵活多变。

如图2所示为本发明的一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机总装图。从结构上描述，从径向看依次为，中心部位为转轴1，向外紧接着为转子2，转子2外部为永磁体3，本示例永磁体为4极；接着是电机的定子齿4及定子绕组5，然后是电抗器定子6(此永磁同步电机铁心外圈为锯齿状，作为电抗器定子6)，电抗器定子6上缠绕着第一电感绕组7；超高速一体化电机还包括可滑动按钮10、机壳13，所述电抗器转子8与外部可滑动按钮10形成为一体；所述电抗器转子8通过滑轨结构固定在机壳13上且可通过手动推动外部可滑动按钮10滑动，可滑动空间为11，并且所述电抗器转子8上缠绕着第二电感绕组9；电抗器转子8、电抗器定子6分别为三个；电抗器转子8与对应的电抗器定子6之间仅有毫米级的距离，电抗器定子6上的第一电感绕组7与电抗器转子8上的第二电感绕组9可通过外部接线头12进行串联或者并联。

如图3为本发明一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机的内部电感的三种接入方式示意图。图3(1)中方案为将定子绕组5、第一电感绕组7与第二电感绕组9依次串联，不考虑电感大小调节，此方案时电感最大；若通过调节最小电感值仍不能满足需求，可以运用图3(2)与图3(3)中的接入方式。图3(2)中方案为只将定子绕组5与第一电感绕组7进行串联，但二者均不连接第二电感绕组9；图(3)中方案为将第一电感绕组7与第二电感绕组9进行并联后再与定子绕组5串联。图(2)与图(3)的电感接入方式都减小了接入电感的大小，从而扩大了电感的可调节范围。

如图4为本发明一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机的电感调节原理示意图。除了通过改变电抗器的定子绕组与转子绕组的连接方式不同改变电抗器电感的数值(例如将电抗器的定子绕组与转子绕组串联可以增加电感值，电抗器的定子绕组与转子绕组并联，可以减小电感值)，同时，本发明还通过推动可滑动按钮10来调节电抗器定子6的齿与电抗器转子8齿之间的耦合面积，进一步改变磁路的磁导率，从而调节电感值L的大小。原理公式为：

L＝N²μA/l (1)

其中，N为电感绕组匝数，μ为磁路磁导率，A为铁心截面积，l为磁路长度；

图4中电抗器定子6与电抗器转子8大小相同、平行对应，然而在实际电机结构中它是一个扇型结构且电抗器转子8因距离圆心较远，尺寸要大于电抗器定子6。另外需要指出的是，无论是电抗器转子8还是电抗器定子6，其齿的宽度与槽的宽度的比例要根据具体情况而定，例如：若电感绕组直径较大，缠绕匝数较多，这就需要较大的槽宽，同时提高齿宽占比可以增加磁路磁导率从而增加电抗值。因此需要权衡这些因素根据具体需求选定一个合理的比例值。

如图4(4a)所示，电抗器转子8的齿与电抗器定子6的齿完全对应耦合时磁导率最大，此时电感也为最大；如图4(4b)所示转动电抗器转子8，电抗器定子6的齿与电抗器转子8的齿之间中点位置对应时磁导率最小，此时电感也为最小。通过内部电感的多种接入方式，以及多个电抗器通过外部可滑动按钮10对内部电感值的推动调节，可以实现内部电感的无级调节。在超高速电机工作时，将电感从大到小依次调节，在确保安全性的同时，调节到最适合当前工作情况的电感值。同时在电机工作情况变化时本发明还可以进一步调整电感值的大小来应对，从而以一种灵活多变的方式确保了电机的工作效率与安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种内部电感可无级调节的超高速一体化电机，其特征在于，该超高速一体化电机从径向看依次为：中心部位为转轴(1)，向外紧接着为转子(2)，所述转子(2)外部为永磁体(3)，接着是电机的定子齿(4)及定子绕组(5)，然后是电抗器定子(6)，所述电抗器定子(6)上缠绕着第一电感绕组(7)；所述超高速一体化电机还包括可滑动按钮(10)、机壳(13)，所述电抗器转子(8)与外部可滑动按钮(10)形成为一体；所述电抗器转子(8)通过滑轨结构固定在机壳(13)上，可滑动按钮(10)滑动时形成周向可滑动空间，所述电抗器定子(6)的齿与电抗器转子(8)的齿之间的耦合面积通过推动可滑动按钮(10)来调节；并且所述电抗器转子(8)上缠绕着第二电感绕组(9)；电抗器转子(8)、电抗器定子(6)分别为三个；电抗器转(8)与对应的电抗器定子(6)之间有毫米级的距离。

2.如权利要求1所述的超高速一体化电机，其特征在于，所述定子绕组(5)、第一电感绕组(7)与第二电感绕组(9)依次串联。

3.如权利要求1所述的超高速一体化电机，其特征在于，所述定子绕组(5)与第一电感绕组(7)进行串联，但二者均不连接第二电感绕组(9)。

4.如权利要求1所述的超高速一体化电机，其特征在于，所述第一电感绕组(7)与第二电感绕组(9)进行并联后再与定子绕组(5)串联。

5.如权利要求2所述的超高速一体化电机，其特征在于，所述第一电感绕组(7)与第二电感绕组(9)通过外部接线头(12)串联。

6.如权利要求4所述的超高速一体化电机，其特征在于，第一电感绕组(7)与第二电感绕组(9)通过外部接线头(12)并联。

7.如权利要求1所述的超高速一体化电机，其特征在于，所述可滑动按钮(10)可通过手动推动来滑动。

8.如权利要求1所述的超高速一体化电机，其特征在于，所述永磁体为4极。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的所述超高速一体化电机的工作方法。

10.一种如权利要求1至8中任一项所述超高速一体化电机在电机领域中的应用。

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