CN108390533A - 一种高速永磁同步电机*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速永磁同步电机***，包括电机以及控制器，电机采用6极36槽、双层整距绕组结构，电机由电机模块m以及电机模块n组成，控制器由与电机模块m连接的控制模块m以及与电机模块n连接的控制模块n组成，电机模块m以及电机模块n均由互差120°电角度的三相绕组组成，控制模块m与控制模块n的调制波幅值相等、相位相等以及载波幅值相等，载波相位互差180°，上述高速永磁同步电机***采用了电机模块化和控制器模块化设计，特别是控制器模块的载波相移控制策略，使得由开关引起的载波比边带谐波转矩通过转矩叠加得以抵消，从而降低电机的转矩脉动，提高了电机的运行稳定性。

Description

一种高速永磁同步电机***
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其是涉及一种高速永磁同步电机***。
背景技术
现有的大功率、高频高速永磁同步电机驱动***，受限于控制器开关器件的功率和开关频率，通常采用控制器多模块并联的方式对电机供电。然而，这种方式仅仅在电机外进行简单的功率分配，并不能解决高频电机载波比(开关频率/电机基频)低、输入电流低次谐波含量高的问题，使电机在高频运行时产生较大的转矩脉动；不仅如此，由于气息磁场谐波的含量高，齿槽转矩大，也会使电机在高频运行时产生较大的转矩脉动。另一方面，电机高速运行时，电机电枢绕组电流频率高，由于趋肤效应和邻近效应的影响，使产生的高频交流损耗大，同时，由于高速电机匝数少，导体并绕根数多，因槽口和槽底的磁场不同，在并绕导线之间还会产生额外的环流损耗。此外，电机高速运行时，转子离心力大，传统表贴式永磁体和硅钢叠片构成的转子极限强度低，所以限制了电机的转子线速度，导致转子的强度不够。综上可知，目前的高速永磁同步电机驱动***存在高速运行时转矩脉动大、高频交流铜损大以及转子强度不足的问题，其对电机的稳定性和可靠性产生了危害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低电机的转矩脉动，从而提高电机运行稳定性的高速永磁同步电机***。
本发明所采用的技术方案是，一种高速永磁同步电机***，包括电机以及控制器，电机1采用6极36槽、双层整距绕组结构，电机由电机模块m以及电机模块n组成，控制器由与电机模块m连接的控制模块m以及与电机模块n连接的控制模块n组成，电机模块m以及电机模块n均由互差120°电角度的三相绕组组成，每相绕组均由三个线圈组组成，每个线圈组均由相邻的两个线圈构成，每个线圈均由一组下层元件和相距六个槽的一组上层元件相连接来构成，控制模块m与控制模块n的调制波幅值相等、相位相等以及载波幅值相等，载波相位互差180°。
本发明的有益效果是：上述高速永磁同步电机***采用了电机模块化和控制器模块化设计，特别是控制器模块的载波相移控制策略，使输入到电机模块m和电机模块n中的的基波电流幅值相等以及相位相等，并且由开关引起的载波比为中心的谐波电流幅值相等，相位互差180°；采用该种电机***结构，在电机内，各电机模块基波电流产生的转矩不变，但谐波电流产生的转矩由于相位也相差了180°，使得由开关引起的载波比边带谐波转矩通过转矩叠加得以抵消，从而使电机的转矩脉动降低，降低了电机震动噪声，提高了电机的运行稳定性。另一方面，由于载波比边带谐波转矩被抵消，仅剩2倍于或更高倍数的载波比边带谐波转矩，相当于控制器的开关频率提高了2倍，这样电驱动***在现有开关水平条件下，就可以运行在更高的频率上。
作为优先，电机模块m包括Am相绕组、Bm相绕组以及Cm相绕组，Am相绕组包括的线圈为：Am1、Am2、Am13、Am14、Am25、Am26；Bm相绕组包括的线圈为：Bm5、Bm6、Bm17、Bm18、Bm29、Bm30；Cm相绕组包括的线圈为：Cm9、Cm10、Cm21、Cm22、Cm33、Cm34，将电机进行模块化，配合模块化设计的控制器，可以降低电机转矩脉动，提高电机运行的稳定性。
作为优先，电机模块n包括An相绕组、Bn相绕组以及Cn相绕组，An相绕组包括的线圈为：An7、An8、An19、An20、An31、An32；Bn相绕组包括的线圈为：Bn11、Bn12、Bn23、Bn24、Bn35、Bn36；Cn相绕组包括的线圈为：Cn3、Cn4、Cn15、Cn16、Cn27、Cn28，将电机进行模块化，配合模块化设计的控制器，可以降低电机转矩脉动，提高电机运行的稳定性。
作为优先，电机包括定子，定子包括定子铁芯以及定子绕组，定子绕组由换位利兹导线构成，该电机***中电机的定子绕组采用换位利兹导线来构成定子绕组，可以降低高频交流绕组铜耗和环流损耗。
作为优先，电机还包括转子，转子包括永磁体护套、永磁体以及转轴，永磁体护套采用高强度碳纤维，可以通过施加预紧力将永磁体护套缠绕在永磁体上，达到固定高速旋转的永磁体的目的。
作为优先，转子为实心转子结构，转轴由具有导磁性的高强度不锈钢制成，采用该结构，可以以保证转子在高速运行时的强度，同时提供闭合磁路。
作为优先，永磁体采用Halbach永磁体阵列结构，这样可以提高气隙磁场的幅值和正弦性，从而进一步降低电机转矩脉动，提高电机功率密度，同时还可以减小转轴的磁场透入。
作为优先，控制模块m和控制模块n均采用三相逆变器，控制模块m和控制模块n均采用PWM控制技术。
作为优先，电机模块m中绕组的连接方式和电机模块n中绕组的连接方式均采用星型接法，电机模块m和电机模块n的每相绕组均包括正极与负极，电机模块m的每相绕组的正极均从电机引出并与控制模块m连接，电机模块m的每相绕组的负极相互连接在一起，电机模块n的每相绕组的正极均从电机引出并与控制模块n连接，电机模块n的每相绕组的负极相互连接在一起。
附图说明
图1为本发明一种高速永磁同步电机***的结构示意图；
图2为本发明中一台采用模块化设计的6极36槽的电机结构示意图；
图3为本发明中电机模块m的绕组的结构示意图；
图4为本发明中电机模块n的绕组的结构示意图；
图5为本发明中电机模块m的绕组的接线示意图；
图6为本发明中电机模块n的绕组的接线示意图；
如图所示：1、电机；2、控制模块m；3、控制模块n；4、定子铁芯；5、定子绕组；6、永磁体护套；7、永磁体；8、转轴；9、下层元件；10、上层元件；11、线圈。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本发明涉及一种高速永磁同步电机***，如图1所示，包括电机1以及控制器，电机1采用6极36槽、双层整距绕组结构，电机1由电机模块m以及电机模块n组成，控制器由与电机模块m连接的控制模块m2以及与电机模块n连接的控制模块n3组成，电机模块m以及电机模块n均由互差120°电角度的三相绕组组成，每相绕组均由三个线圈组组成，每个线圈组均由相邻的两个线圈11构成，每个线圈11均由一组下层元件9和相距六个槽的一组上层元件10相连接来构成，控制模块m2与控制模块n3的调制波幅值相等、相位相等以及载波幅值相等，载波相位互差180°，其中控制模块m2与控制模块n3供用直流母线。
控制模块m2和控制模块n3均采用三相逆变器，控制模块m2和控制模块n3均采用PWM控制技术。
电机1包括定子，定子包括定子铁芯4以及定子绕组5，定子绕组5由换位利兹导线构成，该电机***中定子的定子绕组5采用换位利兹导线来构成，可以降低高频交流绕组铜耗和环流损耗。
本发明中，电机1采用6极36槽、双层整距绕组结构，如图2所示，其定子铁芯4有36个槽，定子绕组5分为上下两层嵌入槽中。
如图3、图4所示，一组下层元件9和相距6个槽的一组上层元件10相连，形成一个线圈11，以下层元件9所处的槽号对线圈进行编号。图3中，包括的线圈11为：Am1、Am2、Am13、Am14、Am25、Am26、Bm5、Bm6、Bm17、Bm18、Bm29、Bm30、Cm9、Cm10、Cm21、Cm22、Cm33、Cm34，图4中，包括的线圈11为：An31、An32、An7、An8、An19、An20、Bn35、Bn36、Bn11、Bn12、Bn23、Bn24、Cn3、Cn4、Cn15、Cn16、Cn27、Cn28。
电机1每极每相槽数为2，即相邻2个线圈11为串联连接，构成一个线圈组。图3中包括的线圈组为：Am1_Am2、Bm5_Bm6、Cm9_Cm10、Am13_Am14、Bm17_Bm18、Cm21_Cm22、Am25_Am26、Bm29_Bm30、Cm33_Cm34；图4中包括的线圈组为：An31_An32、An7_An8、An19_An20、Bn35_Bn36、Bn11_Bn12、Bn23_Bn24、Cn3_Cn4、Cn15_Cn16、Cn27_Cn28。
如图5、图6所示，电机模块m和电机模块n均由互差120°电角度的A相、B相以及C相绕组组成，图5中，Am相、Bm相与Cm相互差120°电角度，其中Am相绕组包括的线圈组为：Am1_Am2、Am13_Am14、Am25_Am26，三个线圈组在电机模块m中互差120°机械角度(从图3中得到)；Bm相绕组包括的线圈组为：Bm5_Bm6、Bm17_Bm18、Bm29_Bm30，三个线圈组在电机模块m中互差120°机械角度(从图3中得到)；Cm相绕组包括的线圈组为：Cm9_Cm10、Cm21_Cm22、Cm33_Cm34，三个线圈组在电机模块m中互差120°机械角度(从图3中得到)。图6中，An相、Bn相与Cn相互差120°电角度，图6中，An相绕组包括：An7_An8、An19_An20、An31_An32，三个线圈组在电机模块m中互差120°机械角度(从图4中得到)；Bn相绕组包括：Bn11_Bn12、Bn23_Bn24、Bn35_Bn36，三个线圈组在电机模块m中互差120°机械角度(从图4中得到)；Cn相绕组包括：Cn3_Cn4、Cn15_Cn16、Cn27_Cn28，三个线圈组在电机模块m中互差120°机械角度(从图4中得到)。
仅在上述分配方式下，才能保证2个电机模块的机械结构也对称，使每个电机模块的电感矩阵对称。
图3中，电机模块m包括Am相绕组、Bm相绕组以及Cm相绕组，Am相绕组包括的线圈为：Am1、Am2、Am13、Am14、Am25、Am26；Bm相绕组包括的线圈为：Bm5、Bm6、Bm17、Bm18、Bm29、Bm30；Cm相绕组包括的线圈为：Cm9、Cm10、Cm21、Cm22、Cm33、Cm34。
图4中，电机模块n包括An相绕组、Bn相绕组以及Cn相绕组，An相绕组包括的线圈为：An7、An8、An19、An20、An31、An32；Bn相绕组包括的线圈为：Bn11、Bn12、Bn23、Bn24、Bn35、Bn36；Cn相绕组包括的线圈为：Cn3、Cn4、Cn15、Cn16、Cn27、Cn28。
本发明通过对电机1和控制器同时采用模块化，使电机1和控制器在功率分配的同时，还可以利用不同控制模块之间的PWM载波相移控制策略，改变不同电机模块的输入谐波电流相位，从而在电机本体内通过转矩叠加消除主要低次谐波转矩，降低电机的转矩脉动。通过载波相移和转矩叠加策略，相当于提高了控制器的等效开关频率，使电驱动***在现有开关水平条件下，可以运行在更高的频率。
电机1还包括转子，转子包括永磁体护套6、永磁体7以及转轴8，永磁体护套6采用高强度碳纤维，可以通过施加预紧力将永磁体护套6缠绕在永磁体7上，达到固定高速旋转的永磁体7的目的。
作为优先，转子为实心转子结构，转轴8由具有导磁性的高强度不锈钢制成，采用该结构，可以以保证转子在高速运行时的强度，同时提供闭合磁路。
永磁体7采用Halbach永磁体阵列结构，这样可以提高气隙磁场的幅值和正弦性，从而进一步降低电机转矩脉动，提高电机功率密度，同时还可以减小转轴8的磁场透入。
本发明采用了Halbach永磁体阵列结构、转子碳纤维护套、实心转子结构、以及换位利兹导线等先进技术，可以进一步降低电机转矩脉动，高频交流损耗，提高电机结构强度、效率和功率密度。为电机高速、多极数提供了技术解决方案，特别适合于兆瓦、千赫兹级的超大功率、超高频率的永磁同步电驱动***。
电机模块m和电机模块n的每相绕组的三个线圈组均可以通过串联来连接在一起，也可以通过并联来连接，但是各相绕组的连接方式必须保持一致，如图5所示，显示了电机模块m的每相绕组中的的三个线圈组采用串联的方式连接，如图6所示，显示了电机模块n的每相绕组中的的三个线圈组采用串联的方式连接。
电机模块m中每相绕组的连接方式和电机模块n中每相绕组的连接方式均可以采用星型接法，也可以采用三角形接法，如图5和图6所示，显示了采用星型接法的电机模块m和电机模块n，电机模块m和电机模块n的每相绕组均包括正极与负极，电机模块m的每相绕组的正极分别用Um、Vm、Wm表示，其均从电机引出并与控制模块m连接，电机模块m的每相绕组的负极分别用Xm、Ym、Zm表示，其相互连接在一起，电机模块n的每相绕组的正极分别用Un、Vn、Wn表示，其均从电机引出并与控制模块n连接，电机模块n的每相绕组的负极分别用Xn、Yn、Zn表示，其相互连接在一起。

Claims (10)

1.一种高速永磁同步电机***，包括电机(1)以及控制器，其特征在于：电机(1)采用6极36槽、双层整距绕组结构，电机(1)由电机模块m以及电机模块n组成，控制器由与电机模块m连接的控制模块m(2)以及与电机模块n连接的控制模块n(3)组成，电机模块m以及电机模块n均由互差120°电角度的三相绕组组成，每相绕组均由三个线圈组组成，每个线圈组均由相邻的两个线圈(11)构成，每个线圈(11)均由一组下层元件(9)和相距六个槽的一组上层元件(10)相连接来构成，控制模块m(2)与控制模块n(3)的调制波幅值相等、相位相等以及载波幅值相等，载波相位互差180°。
2.根据权利要求1所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：电机模块m包括Am相绕组、Bm相绕组以及Cm相绕组，Am相绕组包括的线圈为：Am1、Am2、Am13、Am14、Am25、Am26；Bm相绕组包括的线圈为：Bm5、Bm6、Bm17、Bm18、Bm29、Bm30；Cm相绕组包括的线圈为：Cm9、Cm10、Cm21、Cm22、Cm33、Cm34。
3.根据权利要求1所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：电机模块n包括An相绕组、Bn相绕组以及Cn相绕组，An相绕组包括的线圈为：An7、An8、An19、An20、An31、An32；Bn相绕组包括的线圈为：Bn11、Bn12、Bn23、Bn24、Bn35、Bn36；Cn相绕组包括的线圈为：Cn3、Cn4、Cn15、Cn16、Cn27、Cn28。
4.根据权利要求1所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：电机(1)包括定子，定子包括定子铁芯(4)以及定子绕组(5)，定子绕组(5)由换位利兹导线构成。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：电机(1)还包括转子，转子包括永磁体护套(6)、永磁体(7)以及转轴(8)，永磁体护套(6)采用高强度碳纤维制成。
6.根据权利要求3所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：转子为实心转子结构，转轴(8)由具有导磁性的高强度不锈钢制成。
7.根据权利要求3所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：永磁体(7)采用Halbach永磁体阵列结构。
8.根据权利要求1所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：控制模块m(2)和控制模块n(3)均采用三相逆变器，控制模块m(2)和控制模块n(3)均采用PWM控制技术。
9.根据权利要求1所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：电机模块m中绕组的连接方式和电机模块n中绕组的连接方式均采用星型接法。
10.根据权利要求1所述的一种高速永磁同步电机***，其特征在于：电机模块m和电机模块n的每相绕组均包括正极与负极，电机模块m的每相绕组的正极均从电机引出并与控制模块m(2)连接，电机模块m的每相绕组的负极相互连接在一起，电机模块n的每相绕组的正极均从电机引出并与控制模块n(3)连接，电机模块n的每相绕组的负极相互连接在一起。
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