多相高速交流電機系統的制作方法
【專利摘要】多相高速交流電機系統，屬于電機領域。本發明是為了解決現有小電感電機定子電流中諧波成分大的問題。本發明所述的多相高速交流電機系統，多相高速交流電機和多相功率變換器構成多相高速電機驅動系統，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，本發明充分利用了六相電機雙逆變器驅動的特性，消除了諧波磁場引起的脈動轉矩，使轉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，提高了系統的穩定性以及系統的動、靜態特性。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
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于電機領域，尤其涉及一種交流電機系統。
【背景技術】
[0002]高速電機具有轉速高、功率密度大、效率高、體積小、重量輕等突出優點，越來越受到工業界的關注，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、高速離心式壓縮機與鼓風機、微型燃氣輪機高速啟動發電機等系統中。
[0003]由高速電機的結構特點和運行狀態要求可知，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響應，但是會對電機驅動控制系統帶來諸多不利影響。若采用開關頻率為數kHz的三相電壓型PWM逆變器直接對此類型電機進行驅動時，由于電機定子電感較小，因此難以實現對繞組電流的有效調節，將導致繞組電流發生畸變，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、轉子溫升較高，甚至會引起轉子永磁體的不可逆去磁，同時還會產生較大的轉矩脈動和噪聲，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。然而在繞組中串聯電感會使得系統的體積、重量和成本成倍地增加，降低繞組電流的動態響應速度，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逆變器的開關頻率，實現對定子電流快速調節的目的。但是功率管的開關頻率不能無限制地增加，它還受到系統功率的限制。提高開關頻率還會增加逆變電路的開關損耗，使系統效率降低、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)。與串聯電感的方法相比，引入LC濾波電路能夠減小系統的體積、重量，但是會增加系統成本與復雜性。
【發明內容】
[0008]本發明是為了解決現有小電感電機定子電流中諧波成分大的問題，現提供多相高速交流電機系統。
[0009]本發明所述的多相高速交流電機系統包括兩種結構。
[0010]第一種結構，多相高速交流電機系統，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，m= 3k，k為大于I的正整數；
[0011 ] 所述m相電機包括定子和轉子；
[0012]所述定子包括:m/3套三相環形繞組和環形鐵心，每套三相環形繞組中相鄰兩相環形繞組對應相之間的相位差為δ電角度，且δ滿足δ = ±180° /m;每套三相環形繞組均為星形聯結，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]所述環形鐵心的內側壁開有Z個槽，外側壁開有y個槽，所述內側壁和外側壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內側壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側壁的槽中，其中Z和y均為正整數。
[0015]第二種結構，多相高速交流電機系統，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，m為大于或等于5的自然數；
[0016]所述m相高速交流電機包括定子和轉子；
[0017]所述定子包括:m相環形繞組和環形鐵心，相鄰兩相環形繞組之間的相位差為δ電角度，且S滿足δ = ±360° /m;m相環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]所述環形鐵心的內側壁開有Z個槽，外側壁開有y個槽，所述內側壁和外側壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內側壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側壁的槽中，其中Z和y均為正整數。
[0019]本發明所述的多相高速交流電機系統，多相高速交流電機和多相功率變換器構成多相高速電機驅動系統，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，本發明充分利用了六相電機雙逆變器驅動的特性，消除了 5次、7次諧波在電機內的旋轉磁場，消除了諧波磁場弓I起的脈動轉矩，使轉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，提高了系統的穩定性以及系統的動、靜態特性。并且，由于環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的電氣結構不意圖；
[0021]圖2為環形鐵心內側壁槽數為12，外側壁槽數為12，繞組為單層繞組的六相高速交流電機的定子鐵心結構示意圖；
[0022]圖3為環形鐵心內側壁槽數為24，外側壁槽數為12，繞組為雙層繞組的六相高速交流電機的定子鐵心結構示意圖；
[0023]圖4為環形鐵心內側壁槽數為24，外側壁槽數為24，繞組為雙層繞組的六相高速交流電機的定子鐵心結構示意圖；
[0024]圖5為具有LC輸出濾波器的三相永磁同步電機驅動系統的結構示意圖。
【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,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，m = 3k, k為大于I的正整數；
[0026]所述m相電機包括定子和轉子；
[0027]所述定子包括:m/3套三相環形繞組和環形鐵心，每套三相環形繞組中相鄰兩相環形繞組對應相之間的相位差為S電角度，且δ滿足δ = ±180° /m;每套三相環形繞組均為星形聯結，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]所述環形鐵心的內側壁開有Z個槽，外側壁開有y個槽，所述內側壁和外側壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內側壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側壁的槽中，其中Z和y均為正整數。
[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結構，當k = 2，即m=6時，如圖1所示，六相高速交流電機系統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子，定子和轉子之間為氣隙。所述定子包括兩套三相環形繞組和環形鐵心，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結；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，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，m為大于或等于5的自然數；
[0032]所述m相高速交流電機包括定子和轉子；
[0033]所述定子包括:m相環形繞組和環形鐵心，相鄰兩相環形繞組之間的相位差為δ電角度，且S滿足δ = ±360° /m;m相環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]所述環形鐵心的內側壁開有Z個槽，外側壁開有y個槽，所述內側壁和外側壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內側壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側壁的槽中，其中Z和y均為正整數。
[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作進一步說明，本實施方式中，當環形鐵心的內側壁槽數Z = 2mp時,其中P為m相高速交流電機的極對數；
[0036]Z = y，且內側壁槽和外側壁槽一一對應；
[0037]環形鐵心的內側壁槽中嵌固有m相環形繞組，m相環形繞組為單層結構，每個內側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側壁槽所對應的外側壁槽內。
[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結構，當m = 6時，如圖2所示，六相高速交流電機中環形鐵心內側壁槽數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；鐵心外側壁槽數與內側壁槽數相等，外側壁槽與對應的內側壁槽在一個直徑上，每個外側壁槽中嵌固的一個線圈邊與對應內側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作進一步說明，本實施方式中，當環形鐵心的內側壁槽數Z = 2kmp時,其中P為m相高速交流電機的極對數，k為大于I的正整數；
[0040]則環形鐵心的外側壁槽數y = 2mp ；
[0041]環形鐵心的內側壁槽中嵌固有m相環形繞組，m相環形繞組為雙層繞組，每個內側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)個內側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結構，如圖3所示，六相高速交流電機中環形鐵心內側壁槽數Z為24，環形鐵心內側壁槽中嵌固有兩套三相對稱繞組，繞組為雙層繞組，每個內側壁槽中有兩個矩形線圈的有效邊；環形鐵心外側壁槽數為12，每個外側壁槽中嵌固有四個線圈邊，這四個線圈邊對應內側兩個槽中的線圈邊分別
屬于同一相。
[0044]結合【具體實施方式】三和四，如圖4所示，六相高速交流電機中環形鐵心內側壁槽數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；鐵心外側壁槽數與內側壁槽數相等，每個外側壁槽中嵌固的一個線圈邊與對應內側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作進一步說明，本實施方式中，環形鐵心內側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作進一步說明，本實施方式中，m相高速交流電機的環形鐵心內側壁為無槽結構。
[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作進一步說明，本實施方式中，外側壁槽為開口槽、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作進一步說明，本實施方式中，m相高速交流電機的環形鐵心的外側壁還開有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構時，在環形鐵心外側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構時，環形鐵心外側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，熱管位于環形鐵心外側壁槽中。
[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，隨著電機相數的增加，電機定子繞組由基波電流產生的磁勢諧波含量減少，并且最小諧波的次數增加。眾所周知，磁勢諧波的幅值是和諧波的次數成反比的，諧波次數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勢:一是可以有效消除基波電流所產生的5、7次等高次諧波磁動勢，以及5、7次諧波電流所產生的基波磁動勢，進而顯著降低高速電機的諧波損耗，提高系統工作效率，同時可以減小電機的轉矩脈動，提高系統的穩定性。
【權利要求】
1.多相高速交流電機系統，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，m = 3k，k為大于I的正整數； 所述m相電機包括定子和轉子； 所述定子包括:m/3套三相環形繞組和環形鐵心，每套三相環形繞組中相鄰兩相環形繞組對應相之間的相位差為δ電角度，且δ滿足δ = ±180° /m ;每套三相環形繞組均為星形聯結，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； 所述環形鐵心的內側壁開有Z個槽，外側壁開有y個槽，所述內側壁和外側壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內側壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側壁的槽中，其中Z和y均為正整數。
2.多相高速交流電機系統，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，m為大于或等于5的自然數； 所述m相高速交流電機包括定子和轉子； 所述定子包括:m相環形繞組和環形鐵心，相鄰兩相環形繞組之間的相位差為δ電角度，且δ滿足δ = ±360° /m;m相環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； 所述環形鐵心的內側壁開有Z個槽，外側壁開有y個槽，所述內側壁和外側壁上的槽均沿鐵心周向均勻排布，每套三相環形繞組的每個矩形線圈的有效邊嵌固在內側壁的槽中，該有效邊的對邊嵌固在外側壁的槽中，其中Z和y均為正整數。
3.根據權利要求1或2所述的多相高速交流電機系統，其特征在于，當環形鐵心的內側壁槽數Z = 2mp時,其中P為m相高速交流電機的極對數； Z = y，且內側壁槽和外側壁槽--對應； 環形鐵心的內側壁槽中嵌固有m相環形繞組，m相環形繞組為單層結構，每個內側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側壁槽所對應的外側壁槽內。
4.根據權利要求1或2所述的多相高速交流電機系統，其特征在于，當環形鐵心的內側壁槽數Z = 2kmp時，其中P為m相高速交流電機的極對數，k為大于I的正整數； 則環形鐵心的外側壁槽數y = 2mp ； 環形鐵心的內側壁槽中嵌固有m相環形繞組，m相環形繞組為雙層繞組，每個內側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)個內側壁槽中的所有矩形線圈的有效邊的對邊嵌固在一個或k個外側壁槽中。
5.根據權利要求4所述的多相高速交流電機系統，其特征在于，環形鐵心內側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成為一個線圈。
6.根據權利要求1或2所述的多相高速交流電機系統，其特征在于，m相高速交流電機的環形鐵心內側壁為無槽結構。
7.根據權利要求1或2所述的多相高速交流電機系統，其特征在于，外側壁槽為開口槽、半開口槽或半閉口槽。
8.根據權利要求1或2所述的多相高速交流電機系統，其特征在于，m相高速交流電機的環形鐵心的外側壁還開有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形鐵心的中軸平行。
9.根據權利要求1或2所述的多相高速交流電機系統，其特征在于， 當m相高速交流電機為液體冷卻結構時，在環形鐵心外側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構時，環形鐵心外側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，熱管位于環形鐵心外側壁槽中。
10.根據權利要求1或2所述的多相高速交流電機系統，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 優先權日:2014年4月25日
【發明者】寇寶泉, 曹海川, 陳宇聲, 尹相睿, 謝逸軒 申請人:哈爾濱工業大學