多相高速交流電機系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】多相高速交流電機系統(tǒng)，屬于電機領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有小電感電機定子電流中諧波成分大的問題。本發(fā)明所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，多相高速交流電機和多相功率變換器構(gòu)成多相高速電機驅(qū)動系統(tǒng)，通過在定子鐵心外表面開槽，并在槽中嵌入線圈的非有效邊，從而提高了各相繞組的漏感，使定子諧波電流得到抑制，進而減小了由諧波電流引起的各種損耗，提高了電機的效率，降低了電機的溫升，延長了電機壽命；同時，本發(fā)明充分利用了六相電機雙逆變器驅(qū)動的特性，消除了諧波磁場引起的脈動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子鐵心及永磁體的損耗大大減少，降低了電機的振動和噪聲，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性。適用于抑制定子諧波電流。
【專利說明】多相高速交流電機系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于電機領(lǐng)域，尤其涉及一種交流電機系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高速電機具有轉(zhuǎn)速高、功率密度大、效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點，越來越受到工業(yè)界的關(guān)注，已被廣泛應用于高速磨床及其他加工機床、高速飛輪儲能系統(tǒng)、高速離心式壓縮機與鼓風機、微型燃氣輪機高速啟動發(fā)電機等系統(tǒng)中。
[0003]由高速電機的結(jié)構(gòu)特點和運行狀態(tài)要求可知，高速永磁同步電機的定子繞組電感較小。理論分析與實驗表明，減小繞組電感有利于提高定子電流的動態(tài)響應，但是會對電機驅(qū)動控制系統(tǒng)帶來諸多不利影響。若采用開關(guān)頻率為數(shù)kHz的三相電壓型PWM逆變器直接對此類型電機進行驅(qū)動時，由于電機定子電感較小，因此難以實現(xiàn)對繞組電流的有效調(diào)節(jié)，將導致繞組電流發(fā)生畸變，電流中含有很大的諧波成分，從而會增加繞組銅損和鐵心損耗，使定、轉(zhuǎn)子溫升較高，甚至會引起轉(zhuǎn)子永磁體的不可逆去磁，同時還會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，嚴重影響高速電機的正常運行。
[0004]為了減小定子電流中的諧波成分，進而實現(xiàn)較好的小電感電機控制性能，常用如下幾種方法改善小電感電機定子電流波形:
[0005](I)在三相定子繞組中串聯(lián)三個相同的電感，使得定子等效電感值變大，從而可以減小電流諧波。然而在繞組中串聯(lián)電感會使得系統(tǒng)的體積、重量和成本成倍地增加，降低繞組電流的動態(tài)響應速度，同時還需要供電電源額外為其提供較高的電壓。
[0006](2)通過提高PWM逆變器的開關(guān)頻率，實現(xiàn)對定子電流快速調(diào)節(jié)的目的。但是功率管的開關(guān)頻率不能無限制地增加，它還受到系統(tǒng)功率的限制。提高開關(guān)頻率還會增加逆變電路的開關(guān)損耗，使系統(tǒng)效率降低、體積與重量增加。
[0007](3)通過在電機三相定子繞組和PWM逆變器之間加入三相LC濾波器，來減小繞組電流諧波(如圖5所示)。與串聯(lián)電感的方法相比，引入LC濾波電路能夠減小系統(tǒng)的體積、重量，但是會增加系統(tǒng)成本與復雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有小電感電機定子電流中諧波成分大的問題，現(xiàn)提供多相高速交流電機系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明所述的多相高速交流電機系統(tǒng)包括兩種結(jié)構(gòu)。
[0010]第一種結(jié)構(gòu)，多相高速交流電機系統(tǒng)，它包括:m相高速交流電機和m/3個三相功率變換器，其中，m為電機的相數(shù)，m= 3k，k為大于I的正整數(shù)；
[0011 ] 所述m相電機包括定子和轉(zhuǎn)子；
[0012]所述定子包括:m/3套三相環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心，每套三相環(huán)形繞組中相鄰兩相環(huán)形繞組對應相之間的相位差為δ電角度，且δ滿足δ = ±180° /m;每套三相環(huán)形繞組均為星形聯(lián)結(jié)，每套三相繞組的三個輸出端分別與一個三相功率變換器的三個交流輸入端 對應相連;
[0013]m/3個三相功率變換器共直流母線，相鄰兩個三相功率變換器所對應相的輸出電流之間相差δ電角度；
[0014]所述環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁開有Z個槽，外側(cè)壁開有y個槽，所述內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環(huán)形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內(nèi)側(cè)壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側(cè)壁的槽中，其中Z和y均為正整數(shù)。
[0015]第二種結(jié)構(gòu)，多相高速交流電機系統(tǒng)，它包括:m相高速交流電機和m相功率變換器，其中，m為電機的相數(shù)，m為大于或等于5的自然數(shù)；
[0016]所述m相高速交流電機包括定子和轉(zhuǎn)子；
[0017]所述定子包括:m相環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心，相鄰兩相環(huán)形繞組之間的相位差為δ電角度，且S滿足δ = ±360° /m;m相環(huán)形繞組的每相輸出端分別與m相功率變換器的一個交流輸入端 對應相連;m相功率變換器相鄰相之間輸出電流相差δ電角度；
[0018]所述環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁開有Z個槽，外側(cè)壁開有y個槽，所述內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環(huán)形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內(nèi)側(cè)壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側(cè)壁的槽中，其中Z和y均為正整數(shù)。
[0019]本發(fā)明所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，多相高速交流電機和多相功率變換器構(gòu)成多相高速電機驅(qū)動系統(tǒng)，通過在定子鐵心外表面開槽，并在槽中嵌入線圈的非有效邊，從而提高了各相繞組的漏感，使定子諧波電流得到抑制，進而減小了由諧波電流引起的各種損耗，提高了電機的效率，降低了電機的溫升，延長了電機壽命；同時，本發(fā)明充分利用了六相電機雙逆變器驅(qū)動的特性，消除了 5次、7次諧波在電機內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁場，消除了諧波磁場弓I起的脈動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子鐵心及永磁體的損耗大大減少，降低了電機的振動和噪聲，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性。并且，由于環(huán)形繞組各個線圈端部不交疊，絕緣容易，電機的容錯能力強、可靠性高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為TK相聞速交流電機系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)不意圖；
[0021]圖2為環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)為12，外側(cè)壁槽數(shù)為12，繞組為單層繞組的六相高速交流電機的定子鐵心結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)為24，外側(cè)壁槽數(shù)為12，繞組為雙層繞組的六相高速交流電機的定子鐵心結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)為24，外側(cè)壁槽數(shù)為24，繞組為雙層繞組的六相高速交流電機的定子鐵心結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5為具有LC輸出濾波器的三相永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0025]【具體實施方式】一:本實施方式所述的多相高速交流電機系統(tǒng),它包括:m相高速交流電機和m/3個三相功率變換器，其中，m為電機的相數(shù)，m = 3k, k為大于I的正整數(shù)；
[0026]所述m相電機包括定子和轉(zhuǎn)子；
[0027]所述定子包括:m/3套三相環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心，每套三相環(huán)形繞組中相鄰兩相環(huán)形繞組對應相之間的相位差為S電角度，且δ滿足δ = ±180° /m;每套三相環(huán)形繞組均為星形聯(lián)結(jié)，每套三相繞組的三個輸出端分別與一個三相功率變換器的三個交流輸入端 對應相連；
[0028]m/3個三相功率變換器共直流母線，相鄰兩個三相功率變換器所對應相的輸出電流之間相差δ電角度；
[0029]所述環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁開有Z個槽，外側(cè)壁開有y個槽，所述內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環(huán)形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內(nèi)側(cè)壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側(cè)壁的槽中，其中Z和y均為正整數(shù)。
[0030]在實際應用中，按照本實施方式所述的多相高速交流電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當k = 2，即m=6時，如圖1所示，六相高速交流電機系統(tǒng)包括一臺六相高速交流電機和2個三相功率變換器，六相高速交流電機包括定子和轉(zhuǎn)子，定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙。所述定子包括兩套三相環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心，兩套三相繞組對應相之間的空間相位差為30電角度，即Al相與A2相之間相位差為電角度30°，B1相與B2相之間相位差為電角度30° ,Cl相與C2相之間相位差為電角度30°，每套三相繞組都是星形聯(lián)結(jié)；每套三相繞組的輸出端都與一個三相功率變換器的交流輸入端相連，兩套三相功率變換器共直流母線；兩套三相功率變換器對應相輸出電流之間差30電角度。
[0031]【具體實施方式】二:本實施方式所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，它包括:m相高速交流電機和m相功率變換器，其中，m為電機的相數(shù)，m為大于或等于5的自然數(shù)；
[0032]所述m相高速交流電機包括定子和轉(zhuǎn)子；
[0033]所述定子包括:m相環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心，相鄰兩相環(huán)形繞組之間的相位差為δ電角度，且S滿足δ = ±360° /m;m相環(huán)形繞組的每相輸出端分別與m相功率變換器的一個交流輸入端 對應相連;m相功率變換器相鄰相之間輸出電流相差δ電角度；
[0034]所述環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁開有Z個槽，外側(cè)壁開有y個槽，所述內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環(huán)形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內(nèi)側(cè)壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側(cè)壁的槽中，其中Z和y均為正整數(shù)。
[0035]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，當環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)Z = 2mp時,其中P為m相高速交流電機的極對數(shù)；
[0036]Z = y，且內(nèi)側(cè)壁槽和外側(cè)壁槽一一對應；
[0037]環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽中嵌固有m相環(huán)形繞組，m相環(huán)形繞組為單層結(jié)構(gòu)，每個內(nèi)側(cè)壁槽中只嵌固有一個矩形線圈的有效邊，且該矩形線圈有效邊的對邊嵌固在該內(nèi)側(cè)壁槽所對應的外側(cè)壁槽內(nèi)。
[0038]在實際應用中，按照本實施方式所述的多相高速交流電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當m = 6時，如圖2所示，六相高速交流電機中環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)Z為12，槽中嵌固有兩套三相對稱繞組，繞組為單層繞組，每個槽中只有一個線圈邊；鐵心外側(cè)壁槽數(shù)與內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)相等，外側(cè)壁槽與對應的內(nèi)側(cè)壁槽在一個直徑上，每個外側(cè)壁槽中嵌固的一個線圈邊與對應內(nèi)側(cè)壁槽中的線圈邊屬于一個線圈。
[0039]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，當環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)Z = 2kmp時,其中P為m相高速交流電機的極對數(shù)，k為大于I的正整數(shù)；
[0040]則環(huán)形鐵心的外側(cè)壁槽數(shù)y = 2mp ；
[0041]環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽中嵌固有m相環(huán)形繞組，m相環(huán)形繞組為雙層繞組，每個內(nèi)側(cè)壁槽中嵌固有兩個矩形線圈的有效邊；
[0042]每極下屬于同一相的(k+Ι)個內(nèi)側(cè)壁槽中的所有矩形線圈的有效邊的對邊嵌固在一個或k個外側(cè)壁槽中。
[0043]在實際應用中，按照本實施方式所述的多相高速交流電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，六相高速交流電機中環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)Z為24，環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁槽中嵌固有兩套三相對稱繞組，繞組為雙層繞組，每個內(nèi)側(cè)壁槽中有兩個矩形線圈的有效邊；環(huán)形鐵心外側(cè)壁槽數(shù)為12，每個外側(cè)壁槽中嵌固有四個線圈邊，這四個線圈邊對應內(nèi)側(cè)兩個槽中的線圈邊分別
屬于同一相。
[0044]結(jié)合【具體實施方式】三和四，如圖4所示，六相高速交流電機中環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)Z為24，槽中嵌固有兩套三相對稱繞組，繞組為雙層繞組，每個槽中有兩個線圈邊；鐵心外側(cè)壁槽數(shù)與內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)相等，每個外側(cè)壁槽中嵌固的一個線圈邊與對應內(nèi)側(cè)壁槽中的線圈邊屬于一個線圈。
[0045]【具體實施方式】五:本實施方式是對【具體實施方式】四所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁一個槽中的兩個矩形線圈的有效邊屬于同一相時，這兩個矩形線圈能夠串聯(lián)成為一個線圈。
[0046]【具體實施方式】六:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，m相高速交流電機的環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁為無槽結(jié)構(gòu)。
[0047]【具體實施方式】七:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，外側(cè)壁槽為開口槽、半開口槽或半閉口槽。
[0048]【具體實施方式】八:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，m相高速交流電機的環(huán)形鐵心的外側(cè)壁還開有X個冷卻管道槽，所述X個冷卻管道槽均沿鐵心周向均勻排布，且所述X個冷卻管道槽均與環(huán)形鐵心的中軸平行。
[0049]【具體實施方式】九:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，當m相高速交流電機為液體冷卻結(jié)構(gòu)時，在環(huán)形鐵心外側(cè)壁槽中還設有液體冷卻管道；當m相高速交流電機為強制風冷結(jié)構(gòu)時，環(huán)形鐵心外側(cè)壁槽能夠作為冷卻風通道；當m相高速交流電機采用熱管冷卻時，熱管位于環(huán)形鐵心外側(cè)壁槽中。
[0050]【具體實施方式】十:本實施方式是對【具體實施方式】一或二所述的多相高速交流電機系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，m相高速交流電機為感應電機或同步電機。
[0051]通過對一般的多相電機的諧波分析可知，隨著電機相數(shù)的增加，電機定子繞組由基波電流產(chǎn)生的磁勢諧波含量減少，并且最小諧波的次數(shù)增加。眾所周知，磁勢諧波的幅值是和諧波的次數(shù)成反比的，諧波次數(shù)的增加也意味著諧波含量的減少。
[0052]多相電機與普通三相電機相比，主要有兩個方面的優(yōu)勢:一是可以有效消除基波電流所產(chǎn)生的5、7次等高次諧波磁動勢，以及5、7次諧波電流所產(chǎn)生的基波磁動勢，進而顯著降低高速電機的諧波損耗，提高系統(tǒng)工作效率，同時可以減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，它包括:m相高速交流電機和m/3個三相功率變換器，其中，m為電機的相數(shù)，m = 3k，k為大于I的正整數(shù)； 所述m相電機包括定子和轉(zhuǎn)子； 所述定子包括:m/3套三相環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心，每套三相環(huán)形繞組中相鄰兩相環(huán)形繞組對應相之間的相位差為δ電角度，且δ滿足δ = ±180° /m ;每套三相環(huán)形繞組均為星形聯(lián)結(jié)，每套三相繞組的三個輸出端分別與一個三相功率變換器的三個交流輸入端對應相連； m/3個三相功率變換器共直流母線，相鄰兩個三相功率變換器所對應相的輸出電流之間相差S電角度； 所述環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁開有Z個槽，外側(cè)壁開有y個槽，所述內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環(huán)形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內(nèi)側(cè)壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側(cè)壁的槽中，其中Z和y均為正整數(shù)。
2.多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，它包括:m相高速交流電機和m相功率變換器，其中，m為電機的相數(shù)，m為大于或等于5的自然數(shù)； 所述m相高速交流電機包括定子和轉(zhuǎn)子； 所述定子包括:m相環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心，相鄰兩相環(huán)形繞組之間的相位差為δ電角度，且δ滿足δ = ±360° /m;m相環(huán)形繞組的每相輸出端分別與m相功率變換器的一個交流輸入端對應相連；m相功率變換器相鄰相之間輸出電流相差δ電角度； 所述環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁開有Z個槽，外側(cè)壁開有y個槽，所述內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環(huán)形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內(nèi)側(cè)壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側(cè)壁的槽中，其中Z和y均為正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，當環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)Z = 2mp時,其中P為m相高速交流電機的極對數(shù)； Z = y，且內(nèi)側(cè)壁槽和外側(cè)壁槽--對應； 環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽中嵌固有m相環(huán)形繞組，m相環(huán)形繞組為單層結(jié)構(gòu)，每個內(nèi)側(cè)壁槽中只嵌固有一個矩形線圈的有效邊，且該矩形線圈有效邊的對邊嵌固在該內(nèi)側(cè)壁槽所對應的外側(cè)壁槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，當環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽數(shù)Z = 2kmp時，其中P為m相高速交流電機的極對數(shù)，k為大于I的正整數(shù)； 則環(huán)形鐵心的外側(cè)壁槽數(shù)y = 2mp ； 環(huán)形鐵心的內(nèi)側(cè)壁槽中嵌固有m相環(huán)形繞組，m相環(huán)形繞組為雙層繞組，每個內(nèi)側(cè)壁槽中嵌固有兩個矩形線圈的有效邊；每極下屬于同一相的(k+Ι)個內(nèi)側(cè)壁槽中的所有矩形線圈的有效邊的對邊嵌固在一個或k個外側(cè)壁槽中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁一個槽中的兩個矩形線圈的有效邊屬于同一相時，這兩個矩形線圈能夠串聯(lián)成為一個線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，m相高速交流電機的環(huán)形鐵心內(nèi)側(cè)壁為無槽結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，外側(cè)壁槽為開口槽、半開口槽或半閉口槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，m相高速交流電機的環(huán)形鐵心的外側(cè)壁還開有X個冷卻管道槽，所述X個冷卻管道槽均沿鐵心周向均勻排布，且所述X個冷卻管道槽均與環(huán)形鐵心的中軸平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于， 當m相高速交流電機為液體冷卻結(jié)構(gòu)時，在環(huán)形鐵心外側(cè)壁槽中還設有液體冷卻管道； 當m相高速交流電機為強制風冷結(jié)構(gòu)時，環(huán)形鐵心外側(cè)壁槽能夠作為冷卻風通道； 當m相高速交流電機采用熱管冷卻時，熱管位于環(huán)形鐵心外側(cè)壁槽中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相高速交流電機系統(tǒng)，其特征在于，m相高速交流電機為感應電機或同步電機。
【文檔編號】H02K3/28GK103944318SQ201410169435
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】寇寶泉, 曹海川, 陳宇聲, 尹相睿, 謝逸軒 申請人:哈爾濱工業(yè)大學