CN114788162A - 经由调幅控制的ac机器 - Google Patents

Abstract

交流(AC)马达不依赖于功率频率旋转，因此在尺寸和可控性方面具有优势。通过使用调幅输入在气隙上产生振荡旋转磁场。较高的频率(载波)是功率输入，并且较低的频率(信号)决定马达的速度。定子和转子作为变压器的初级和次级工作，转子绕组布置为使得转子在与定子磁场对准时在绕组内产生的合成电动势(EMF)保持为0，并在偏离时增加。在偏离的转子绕组上产生的电流产生推回扭矩，使转子与磁场对准。这将磁场和转子互锁。在定子绕组的任一端处施加两个不同的频率，使得流过每个绕组的电流被调幅，两个频率的平均值成为载波频率，并且控制频率为两个频率之间的差值的一半。

Description

经由调幅控制的AC机器

描述

技术领域

本发明涉及交流(AC)电动机器和步进马达。

背景技术

马达或发电机形式的电动机器是当今世界最常用的技术之一，并且步进马达是在控制系统和自动化领域中电动机器最常见的应用之一。

AC感应马达是最灵活且最经济的马达类型之一，但在大的范围内在速度控制方面(尤其是在低速时)存在局限性，并且不能用作步进马达，因为只有在磁场旋转且沿旋转方向时才会产生扭矩。

使用较高的工作频率可以提高AC马达的功率密度(功率重量比)，但AC马达的速度始终是工作频率的一个因素，这限制了构建具有高功率密度的低速马达的能力。

随着电动车辆和电力驱动飞行源(f1ying source)的快速发展，对具有高功率和宽的速度范围的小型轻质马达的需求量很大。

步进马达的主要限制是角分辨率，角分辨率越好，马达的扭矩和效率就会下降。当需要进行平滑控制时，过冲和振铃是步进马达的另一问题。

当AC马达由可变频率驱动器(VFD)控制时，需要针对更宽的频率范围进行设计优化，开发一种在所有频率范围内都能产生相同性能的马达是一项艰巨的挑战。

旋转速度与工作频率无关的AC马达在开发具有高功率密度和灵活的速度控制的马达方面将具有诸多优势。此外，当转速(RPM)与工作频率无关时，马达可以在任何频率下以高扭矩实现0RPM，从而为步进马达提供非常高的角分辨率。

当马达被设计为在一个固定的工作频率下工作时，可以开发出更优化、更高效的马达。

发明内容

电马达的扭矩的基本原理是定子产生运动磁场，并且转子被锁定在运动磁场中。

对此有四个常见的构思。

1.带有载流导体的转子，其中使用电刷和换向器或滑环将电流注入转子。

2.转子相对速度(转差率)和运动磁场来产生电流，并且在没有电刷(感应马达)的情况下运行。

3.跟随运动磁场的永磁体

4.定向转子，以产生最小磁阻路径并与运动磁场对准。

这种新型马达的主要发明是转子导体如何在没有电刷或滑动的情况下产生电流。所述系统在气隙上产生振荡磁场，并且转子绕组用作变压器的次级绕组，以在定子绕组用作初级绕组时产生电流。

根据本发明的一个方面，提供了一种电动机器，所述电动机器包括定子和具有辅助系统的电枢，其中所述辅助系统在所述气隙上以电源电压的频率产生振荡磁场。磁场的位置/旋转速度由来自电源频率的独立信号控制。这允许在包括0RPM(静止不动)在内的宽的速度范围内控制马达。

这产生了一个在0到非常高的速度范围内(与工作频率无关)运行的马达。能被锁定和具有0RPM的能力创造了一个具有非常高的角分辨率、灵活性和更好的控制能力的步进马达。

用于产生振荡和旋转磁场的构思是对两个频率进行调幅，其中频率1是马达工作频率，并且频率2是马达控制频率。

优选地，在马达应用中，电动机器是电马达，电马达设计成使用源自至少两个频率的信号来操作该马达：

一个频率是源自输入的载波频率，所述输入为包括固定相位AC电源的马达供电；并且

另一频率是用于控制马达速度的控制频率；

其中所述一个频率下的信号由所述另一频率下的信号进行调幅，以控制马达的速度。

优选地，功率输入的频率可以从低频率变化到非常高的频率，这取决于所使用的材料。当钢用作构建材料时，可以使用的最大值约为400Hz。使用具有高磁导率和低电导率的材料可以实现高于400Hz的频率。

优选地，载波包括功率输入频率。所述信号包括从0Hz到载波频率一半的三相或单相电压，并且马达的速度取决于信号的频率。

在三相马达的情况下

优选地，控制信号的所有三个相位都用载波频率进行调幅，以产生马达的三相输入。

优选地，在扭矩产生的最后阶段在转子中解调所述两个频率以产生具有振荡幅度的旋转磁场，由此所述另一频率(信号)确定磁场的旋转速度，并且所述一个频率(载波)确定旋转磁场的振荡频率。

优选地，电枢是具有绕组的转子的形式，所述绕组布置成使得跨所有绕组的电动势(EMF)的矢量和在振荡磁场和转子对称轴之间没有偏差角时为0。

优选地，绕组对对称地布置在主绕组轴上，并且串联互连以抵消产生的EMF。

可以使用两个可变频率驱动器产生对马达的经调幅的输入

优选地，在所述定子绕组的任一端处施加两个不同的频率，使得流过每个相绕组的电流变成被调幅的，其中载波频率是所施加的两个不同频率的平均值，并且控制频率是所述施加的两个不同频率之间的差值的一半。

根据本发明的另一方面，提供了一种电动机器，其包括电动机器的上述方面的三个不同的定子和转子，用于连接到可变频率驱动器，使得三个定子组的相应载波频率相移120°，以使得每个平行段的扭矩曲线彼此相移120°，从而导致转子上的扭矩恒定并且每个相的负载平衡。

根据本发明的再一方面，提供了一种用于控制电动机器或由本发明前述任一方面中所限定形式的电动机器产生信号的方法。

附图说明

现在描述体现本发明不同方面的各种模式，这些实施例提出了各种任务和构思，并提供克服与其相关的各种问题的解决方案。

这些实施例是参考附图描述的，所述附图包括并入描述中以及在说明书结尾处单独提供的图表和图形。

具体实施方式

实施本发明的优选模式涉及以下任务和构思。

在第一实施例中：

任务-开发一个RPM与电源频率无关的AC机器。

构思

使用两个频率来操作马达

1.频率1-功率输入(载波)

为马达供电的输入由一个固定频率的单相AC电源组成。它可以从低频率到400Hz变化(取决于电工钢的特性)。图1示出了载波输入。

2.频率2-控制输入-信号

控制马达速度的信号由三相或单相组成，并且可以在0Hz到功率输入频率的一半之间变化，以实现最佳运行。

当控制输入为0Hz(DC)时，马达不会旋转，但扭矩仍会产生并将马达锁定在一个位置。图2、图3、图4示出了使用三相机器时的信号输入，

马达的最终输入是通过在两个频率之上进行调幅(使用频率1作为载波，并且使用频率2作为信号)而产生的。

图5、图6、图7示出了控制信号的所有三个相位均利用载波频率进行调幅，以产生对马达的三相输入。

对两个频率的解调将在扭矩产生的最后阶段在转子中进行，从而产生具有振荡幅度的旋转磁场。

图8示出了跨气隙的旋转和振荡磁场和转子。

频率2将确定磁场的旋转速度，并且频率1将确定旋转磁场的振荡频率。

当频率2为0Hz时，其会在马达的芯体上产生静止的振荡磁场，从而允许马达用作步进马达。

步进马达的角分辨率完全取决于输入频率的精度，所述精度可以通过更高质量的可变频率驱动器轻松提高。

可以通过引入预定义的减速曲线来改进马达的停止顺序，从而允许以几乎为0或最小的过冲和振铃实现更平滑的停止。

在第二实施例中：

挑战-开发一种转子，其锁定在旋转磁场和振荡磁场中，并且即使在0RPM的情况下也能提供扭矩。

解决方案--矢量EMF控制的旋转对称转子

定子产生一个振荡磁场，并且转子绕组在振荡磁场上循环，这就像变压器一样工作，其中定子是初级，且转子绕组是次级。

图9示出了穿过振荡磁场的单个槽中的转子绕组。

如图9所示，如果转子绕组与磁场平行地定位，则绕组上没有磁通量，因此也没有电流。

穿过转子绕组的通量取决于磁场和绕组之间的角度。角度为0(平行于磁场)时，没有电流和扭矩。当偏差角增加时，其会增加绕组上的电流，从而在转子上产生扭矩。

当在转子上施加外部扭矩时，绕组将远离磁场旋转，直到绕组上的反向扭矩等于外部扭矩。

当磁场开始旋转时，绕组(转子)跟随旋转的磁场。转子将具有相同RPM的旋转磁场(与同步马达一样)。

如图9所示，转子中心处的单槽绕组有两个主要问题

1.单组绕组不能提供足够的扭矩来运行马达。

2.气隙上的磁场分布在转子周围接近正弦曲线，峰值在图8中标记的点A处，在点B处为0，产生的扭矩基于电流和磁动势(MMF)，因为当导体从点A移动到点B时MMF减小，扭矩不与电流成正比地增加。

为了克服上述两个问题，需要多个绕组槽，在每个绕组槽上具有相同电流。

如图10所示，转子上有多个平行绕组将不会提供所需的解决方案，因为每个绕组上的电流与磁通量具有不同的相位角。

为了产生具有相同相位的电流，绕组需要在转子上旋转对称。

图11示出了转子上的旋转对称绕组。

左上侧槽和右下侧槽之间的绕组产生逆时针扭矩，而右上侧槽和左下侧槽之间的绕组产生顺时针扭矩。这不是所需的输出，并导致过多的热量和功率损失。

为了克服这一挑战，绕组以使得所有绕组上的EMF的矢量和在无偏差角时为0的方式布置。

在主绕组轴上对称的两个绕组将串联互连，以抵消所产生的EMF。

图12示出了两个没有偏差角的对称绕组。

当转子没有偏差角时，通过每个绕组的通量相同，因此在两个绕组中产生相同的EMF，从而导致没有电流，因此也没有扭矩。

如图13所示，当转子由于外部扭矩而顺时针移动时，左上绕组到右下绕组与磁场的夹角减小，而右上绕组到与左下绕组与磁场的夹角增大。

因此，从左上到右下的线圈的EMF下降，从右上到左下的线圈的EMF上升，从而在两个线圈上产生与磁场同相的电流，这会产生扭矩。

通过在转子上添加多个对称分布和互连的槽和绕组以使EMF矢量和为0，可以显著提高扭矩。

由于所有绕组串联连接，相同的电流通过所有绕组并与磁场同相。

图14示出了具有24个槽的多个绕组的转子，其中14个槽被绕组填充，留下10个槽为空闲。空闲槽允许所需的偏差角，而无需将绕组移动到磁场的另一侧。如果任何绕组移动到另一侧，则其会产生反向扭矩并使马达打滑。

转子的最大偏差角(故障点)必须根据所需的扭矩和定子绕组的配置来确定

图15示出了24槽转子的绕组方向和图案，其中14个槽被占用。主绕组占用槽1和13。绕组可以在任何角槽(图15示出作为起点的槽22的A)处开始。绕组应通过填充每个槽的一半朝向另一方向行进，一旦到达最后一个槽，它应该开始返回以填充所述槽的另一半。绕组的末端到达起始槽，从而允许在所有槽上绕一圈，并具有完美的对称性。

以上配置适用于2极机器，相同的构思可用于4极或6极机器，并且极数越高，马达可以产生的扭矩越高，偏差角越小。

在多于两极机器的情况下，转子绕组在相邻的相反极上对称布置，如图16所示。

图17示出了4极24槽转子的绕组方向和图案，其中12个槽被占用。主绕组占用槽1、7、13和19。绕组可以在任何角槽(图17示出作为起点的槽24的A)处开始。每个槽的一半被绕组填充到左侧极，并且另一半到右侧极。在绕过转子后，绕组的末端到达起始槽，从而允许在所有槽上绕一圈，并具有完美的对称性。

当极数增加时，所需的偏差角减小。如果进行设计计算，使偏差角小于转子的两个绕组槽之间角度的一半，则不会有绕组空闲槽，这样可以获得更优化马达。

转子的槽数和占用槽数是变量，这取决于极数、所需扭矩、允许的最大偏差角、每单位扭矩增量的允许偏差角。

作为步进马达进行控制

当信号频率设置为0时，磁场停止旋转并保持在转子被锁定的气隙中振荡，从而产生具有非常高保持扭矩的步进马达。

步进马达的角度位置由信号频率为0的点(振荡磁场的方向)和扭矩引起的偏差角确定。

通过每个相位的电流与偏差角成正比，

偏差角＝K x电流(其中K为根据马达设计得到的常数)

当其用作步进马达时，控制系统可以通过使用角度偏差和合成磁场的位置来评估精确的角度位置。

步进马达在可变扭矩环境下工作时，会改变偏差角。只有调节合成磁场的位置，才能保持转子的准确位置。这使得控制该马达作为步进马达比传统的步进马达更具成本效益和灵活性，不需要调节电压以保持具有变化扭矩的位置。

可以控制旋转速度(信号的频率)以实现平滑的减速和停止，以避免或最小化马达停止时的振铃和过冲。

在第三实施例中：

挑战-需要昂贵的电子元件、高功率和高电压下调幅的低效率和复杂性。

解决方案

选项1-使用单个脉宽调制(PWM)序列创建经调幅的输入

如图18所示，可以使用PWM产生经调幅的输出，其中维持脉冲宽度，以保持相同的频率并改变电压。

选项2-使用两个VFD进行调幅

如果将两个不同频率(f1和f2)的电压施加到电感器的任一端，则电感器端子上的实际电压将变为经调幅的输出，其中(f1-f2)/2是信号，(f1+f2)/2是如下图所示的载波。这提供了具有较少谐波和高精度的经调幅的(AM)输入。

通过应用上述构思并使用定子绕组作为调制器，可以更有效地进行调幅。

两个可变频率驱动器连接到马达的定子绕组，以产生经调幅的电压图案。

绕组的一端必须按U1、V1、W1(VFD1的输出)的顺序连接，并且另一端必须按U2、W2、V2的顺序连接。

三相的连接顺序

相1-U1和U2(施加的电压U1-U2)

相2-V1和W2(施加的电压V1-W2)

相3-W1和V2(施加的电压W1-V2)

这是为了确保电源输入信号在所有三相输入中同相，并且所述控制信号相移120°。

VFD1(频率f1)：

U1＝A Sin(2πf1)，V1＝A Sin(2πf1+120)，W1＝A Sin(2πf1+240)

VFD2(频率f2)：

U2＝A Sin(2πf2)，V2＝A Sin(2πf2+120)，W2＝A Sin(2πf2+240)

·相1上的电压(U1-U2)

(f1-f2)/2的经调幅的输出作为信号，并且(f1+f2)/2作为载波。

·相2上的电压(V1-W2)

(f1-f2)/2、(f1+f2)/2和(f1-f2)/2的经调幅的输出从(U1-U2)相移120°。

·相3上的电压(W1-V2)

(f1-f2)/2、(f1+f2)/2和(f1-f2)/2的经调幅的输出从(V1-W2)相移120°。

以上三个输出给出了(f1+f2)/2的调幅和(f1-f2)/2的三个相位信号的完全相同的输出。

控制系统必须设计为保持(f1+f2)恒定，并且保持(f1-f2)/2在所需的输出RPM下。

在第四实施例中：

平行转子、扭矩和负载平衡

以下三个问题被标识为新解决方案的主要问题。

1.扭矩不是恒定的，因为它以功率输入的频率振荡。

2.当转子静止时，VFD上的负载不平衡。

3.在低速运行期间，每个相位的负载变化非常缓慢，这对VFD施加了额外的应变。

以上问题可以通过采用利用调制输入进行供电的三个不同的定子和转子来缓解，其中载波频率相移120°。

每个段的扭矩曲线彼此相移120°，从而在转子上产生恒定的合成扭矩。

这就像耦合3个独立的马达。

根据下表所示的顺序，可以将马达的三个不同定子连接到两个VFD，使得三个定子组的载波频率相移120°。

这也使两个VFD中每个相位的负载平衡，避免了额外的应变，从而解决了问题2和3。

3个平行定子的绕组的连接顺序

优于现有技术的优势

·马达的RPM与电源频率无关，因此能够以固定频率输入产生0RPM到非常高的RPM。

·由于马达在所有速度下都以单一频率运行，因此设计和优化更加灵活。

·通过以高频率运行马达(提高功率密度)，能够在体积小、重量轻的同时产生高功率。

·与传统感应式机器相比，使用集中绕组具有许多优点，例如结构简单、铜损低、槽填充系数更高、长度减少和感应最大MMF。

·能够提供宽的速度范围，同时产生相同的功率输出。

·马达以同步速度运行，无需永磁体或电刷，从而能够开发可靠、经济高效且坚固耐用的马达。

·可用作具有高角分辨率的步进马达。

·即使在施加可变扭矩时也能实现更准确的定位。

·用作步进马达时，在角速度受控的情况下，过冲和振铃最小

·当用作步进马达时，在0RPM时产生非常高的扭矩。

·步进马达控制系统中的扭矩变化不需要电压控制，只需要角度位置控制。这降低了控制系统的成本和复杂性。

·作为步进机，在无扭矩时消耗最小功率，而在扭矩增加时增加功率消耗。

应该理解的是，本发明的范围不限于本文描述的特定实施例，并且本发明构思可以适用于仍然在设想使用其基本元件的其他应用和实施例。

Claims (10)

1.一种电动机器，其中通过气隙产生振荡磁场，使用所述振荡磁场在转子绕组中感应出电流，所述转子绕组作为变压器的次级，其中定子绕组作为初级。

2.根据权利要求1所述的电动机器，其中，所述振荡磁场的位置/旋转由独立信号控制。

3.根据权利要求1所述的电动机器，其中，转子上的绕组布置成使得当定子的合成磁场与转子绕组的对称轴平行时，所有绕组上的EMF的矢量和为0(0电流)，从而在没有施加外部扭矩的情况下不产生有功功率。

4.根据权利要求3所述的电动机器，其中，多对转子绕组对称布置在所述主绕组轴处并串联互连，从而当所述绕组的对称轴由于外部扭矩而偏离所述定子的合成磁场时，在所述转子绕组上产生合成EMF和电流。

5.根据权利要求1所述的电动机器，其中，转子上的绕组布置成使得通过所有绕组的电流相同并且与所述振荡磁场同相。

6.一种步进马达控制系统，其使用每相上的电流来确定定子磁场与所述转子位置之间的偏差角，从而在没有反馈回路的情况下达到所需的角度位置。

7.一种步进马达控制系统，其通过调节所述磁场位置，以可变扭矩保持所述角度位置不变。

8.根据权利要求1至4所述的电动机器，其中，在所述定子绕组的任一端处施加至少两个不同的频率，使得流过每个相绕组的电流被调幅，其中所述载波频率是所施加的两个频率的平均值，并且所述控制频率是所述两个频率之间的差值的一半。

9.一种电动机器，包括权利要求2至7中任一项所述的电动机器的三个不同的平行定子和转子，用于连接到可变频率驱动器，使得三个定子组的所述各自载波频率相移120°，以使得每个平行段的扭矩曲线彼此相移120°，从而导致所述转子上的扭矩恒定且每相的负载平衡。

10.一种用于控制前述权利要求中任一项所述的形式的电动机器的方法。

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