專利名稱：直流電流(zldl)型異步電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明闡述怎樣用直流電流源直接驅動異步電動的方法。這涉及到兩個關鍵問題ー是什么樣的直流電流通過異步電動機的定子繞組時能產生勻速旋轉的旋轉磁場；ニ是怎樣產生所需要的直流電流。本發(fā)明的主要目的，是為設計制造直流異步電動機奠定理論基礎，以便為電動汽車提供經濟實用，性能優(yōu)良的電動機。也可由此探索直流異步電動機在電車，電機車，以及交流電動機調速裝置等領域的應用前景。
背景技術：
研制性能優(yōu)良又廉價的電動汽車已是一個緊迫的課題，具有無限的商機。要解決又難解決的問題主要有兩個。ー是電源，現(xiàn)有的汽車用蓄電池，無論從容量，體積，重量，耐用性，價格來講都難令人滿意。ニ是電動機，這也是ー個重要的問題。既然電池的容量有限，就更需要用效率高，性能優(yōu)良，維護保養(yǎng)簡單，經久耐用而又價廉的電動機。從這些方面來 看，現(xiàn)在可供選擇的車用電動機仍然差強人意。目前，大多數(shù)電動汽車仍選用傳統(tǒng)的串激直流電動機，這種電機具有適宜用于驅動車輛的非常優(yōu)良的機械特性(軟特性)，即當遇阻時轉速會迅速下降，而轉矩大大上升。它的最大缺點是采用炭刷換向器結構，因而價格昂貴，維護保養(yǎng)困難。現(xiàn)在受到關注的無刷直流電機有兩種，分別稱為直流無刷電動機(BCDM)和開閉磁阻電動機(SRM)。它們的結構類似，定子嵌有三相(或多相)繞組，轉子分別為永久磁鐵(對BCDM)和鋼片疊成的突極式結構(對SRM)。當電源經由電子開關組成的驅動器對定子繞組供電時，產生旋轉磁場，吸引轉子跟隨磁場一同轉動，所以它們都是同步電動機。這兩種電機在家用電器，紡織等輕エ行業(yè)已有廣泛的應用，但用作汽車的驅動電機的最大缺點是它的機械特性不是驅動車輛所需的軟特性，而是毫無回旋余地的硬特性，其過載和起動能力也不好。所以，這種電動機雖然結構簡單，易于維護保養(yǎng)，但為了彌補它在性能上的缺點，不得不増加其它方面的成本。另外，永磁轉子會因運轉過程的反復磁化而退磁，而非磁性轉子能產生的吸カ則較弱。我們當然希望有更好性價比的車用電機。交流異步電動機不但機構簡單，經久耐用，幾乎不需要什么日常的維護保養(yǎng)，而且有適合驅動車輛的相當優(yōu)良的機械特性，不存在失步問題，有高達三倍左右的過載能力，所以有ー種把交流異步電動機用作車用電動機的設想，就是把直流逆變成交流，再利用交流調速方法對電動機調速。問題是現(xiàn)有的交流調速方法，在轉速調低時功率因數(shù)和效率下降，噪聲增加等不良后果。可不可以用直流電源，不經過逆變?yōu)榻涣?，通過專門的驅動器，用直流(不改變方向的)電流，直接驅動異步電動機？這里首先要解決兩個關鍵問題ー是要設計出ー種特定波形的直流電流，當它流過異步機的定子繞組時，能生成異步機正常工作所需的旋轉磁場。要特別強調的一點是使異步機正常工作所需的旋轉磁場，應該是一周內轉速十分均勻的磁場，它不可以時快時慢，走走停停，或步進式的轉動(這樣的旋轉磁場可用于同步機)。因為異步機與同步機不同，它的轉子不是靠旋轉磁場吸住轉子磁鐵拉著它轉的，而是靠定子電流產生的旋轉磁場，在旋轉中切割轉子導體產生的感應電流與旋轉磁場相互作用而產生的カ矩，所以又稱作感應電動機。在異步機正常工作時旋轉磁場的轉速總是要比轉子的轉速快一點，其轉差率一般在5%以內，這里指的是任何瞬間的轉速而不是平均轉速。如果旋轉磁場的轉速在一周內時快時慢，而轉子因有很大的慣性，跟不上磁場轉速的變化，只能以平均轉速轉。這樣就有可能出現(xiàn)，轉子的轉速在一周內的某些時段高于磁場的轉速，使轉子導體的感應電流反向，產生出反向的カ矩，影響異步機的正常工作；ニ是設計一個驅動器，使普通直流電源輸出的電流，能按我們規(guī)定的模式送往異步機，產生勻速旋轉的磁場。這里也有一點要強調，這樣組合成的電源是一個電流源，不能是電壓源。這兩個問題正是本發(fā)明要著重闡述的。

發(fā)明內容
本發(fā)明用所提出的“磁勢空間矢量控制”為三相或兩相電機設計出特定波形的直流電流，當其流過三相或兩相異步機的定子繞組時，能產生異步電動機工作所需的，勻速旋轉的磁場；同時也提供利用普通的直流電壓源生成這種直流電流的驅動裝置框圖及主電路 結構。


圖I是二相直流異步機的磁勢矢量 圖2是六邊形和圓形旋轉磁場模式的軌跡 圖3是六邊形旋轉磁場模式的電流波形 圖4是圓形旋轉磁場模式的電流波形 圖5是兩相異步機定子電流磁勢的矢量 圖6是正方形旋轉磁場的電流波形；
圖7是異步電動機的直流驅動裝置的構成框圖
圖8是斬波式主電路 圖9是戽斗式主電路 圖IOA是梯形定子電流的時域波形；
圖IOB是相應時段內定子與轉子電流旋轉磁場在定子繞組中所感應的電勢Ed與Ez的波形；
圖IOC是定子與轉子電流磁勢的空間矢量Fd與Fz。I)三相直流旋轉磁場
當在三相異步機的三個定子繞組ax，by, cz中通過直流電流4,4，4為最大值時，分別產生的磁勢Fa，F(xiàn)b, Fc,(把它們稱之為基準矢量)，在空間各自垂直于相應繞組，互差120度，可用圖(I)所示的空間矢量表示。基準矢量的幅值，是直流條件下三相電流產生的合成磁勢幅值可能的最大值(現(xiàn)規(guī)定其為I)。當各繞組中的電流為其它值時，所生成的磁勢用Na，Nb, N。表示，其方向與相同下標的基準矢量同，其數(shù)值為基準矢量幅值的標么值，比如Na =O. 5就是表示A相繞組中電流為最大值的一半時產生的磁勢，如Na = 1，則Na = Fa?？偟暮铣纱艅軫就是以這些磁勢為分量構成的。所以，雖然構成合成矢量F的這些分量的方向是固定的，但選擇不同的分量和分量的大小來構成F，就可以使它指向一周內任意的方向，并可在一定范圍內選擇F的幅值?，F(xiàn)來研究如何使合成磁勢F勻速旋轉。把整個圓周，用三個基準磁勢矢量Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)。分割成ab, be, ca三個區(qū)間,合成磁勢F處在哪一個區(qū)間，就用界定該區(qū)間磁勢分量來合成。比如在ab區(qū)間的合成磁勢F，就用分量Na，Nb來合成，在be區(qū)間，就用Nb，N。來合成，在ca區(qū)間，就用Na，Na來合成。因為要改變合成磁勢F的方向，而且使F勻速旋轉,就必須在一定相位時間內，對這兩個分量的相對大小的改變，正好使F在空間能轉過的角度與相角相同，即要求F的轉角與電流的相位角相同。這可不是隨便選ー種電流波形就能做到需要根據所選合成磁勢F的分量的變化方式，來計算出相應磁勢分量(電流)的變化規(guī)律，確定電流的波形。A)六邊形旋轉磁場現(xiàn)采取固定合成磁勢F的ー個分量為最大時，變更F的另ー個分量的方式，來使F旋轉。這樣生成的合成磁勢F在空間轉過360度吋，矢量F頂點的軌跡，是以基準值的大小 為半徑所作圓(如圖2中的虛線圓所示)的內接六邊形，。產生這種勻速旋轉磁場的電流的波形如圖(3)所示。這是ー種梯形波電流，在每ー個周期T的T/6的時間內，電流從零直線上升到最大值Im，在隨后的T/3內保持Im不變，然后在T/6內從Im直線下降至零，在一周所剰余的T/3內保持為零不變，完成一周的變化。三相電流的大小與波形均相同，在相位上互差120度?？筛鶕韵碌墓?式I)，計算出在電流上升或下降沿的每個相位時刻，電流應取的值。設相角為B時電流的值為N(歸ー化數(shù)值，以電流或磁勢的最大值為ー)，則有N = TgB/ (O. 866+0. 5TgB)......(I)B)圓形旋轉磁場前述的旋轉磁場的合成磁勢雖然轉速很均勻，但其幅值卻不能保持恒定，在某些應用中可能會引起噪聲，振動和增加損耗。因而轉速均勻，且幅值穩(wěn)定的圓形旋轉磁場是很多場合理想的選擇?？梢宰⒁獾剑坏┖铣纱艅莸姆较虼_定以后，組成該合成磁勢的兩個分量幅值的比例也就定了，但其幅值的大小卻是可以改變的。所以，可以根據所需合成磁勢的幅值來選擇兩個分量的大小，使F在旋轉時保持其幅值恒定。當然，合成磁勢的幅值是有限制的，在不同方向的合成磁勢的最大值也不盡相同，在三相系統(tǒng)中合成磁勢最大值頂點的軌跡，就是以基準矢量幅值為半徑的圓的內接六邊形(參看圖2)，其中，垂直于六邊形各邊的合成磁勢Fr最小，它是基準矢量幅值的86.6%，可以把其它方向合成磁勢的幅值都調至與Fr的幅值一致，這樣生成的合成磁勢的頂點軌跡，為以Fr幅值為半徑的圓，內切于上述六邊形(圖2中的實線圓)。生成圓形旋轉磁場的電流波形如圖4所示在ー個周期T內，在時間t = 0至T/3 (或相角B = O至120度)的時間內，電流I⑴為ー最大值為Im的正弦波，而在t = T/3至2T/3 (或相角120度至240度)的時間內，電流I (t)為在相位上落后上述正弦波T/6的一個同樣的正弦波，即有；I(t) = ImSin(B) = ImSin (6. 28t/T)O < t < T/3或I (t) = ImSin (B-T/6) = ImSin (6. 28t/T_T/6) T/3 < t < 2T/3 (2)I (t) = Ot < O在上述兩種旋轉磁場中,六邊形旋轉磁場的平均磁勢最大。圓形旋轉磁場最穩(wěn)定，可以使電機運行更平穩(wěn)。2)直流兩相(四相)旋轉磁場交流異步機定子的兩個繞組在空間互相垂直，如果通以直流(不改變流向的電流)，則只能生成兩個互相垂直的基準磁勢Fa和Fb(參看圖5)，以這兩相電流(磁勢)為基礎生成的合成磁勢F也限定在以Fa與Fb界定的90度空間內。如果能用特定的開關電路(如橋式電路)，可正反向對每個繞組供電；或把每ー相繞組分成兩個獨立的繞組(構成四相結構)，則可產生如圖5所示的4個基準磁勢(分別為Fa,Fb,Fa* = _Fa,Fb* = -Fb)把整個圓分成四個象限。這樣，圓內任一方向的合成矢量F，都可用F所在象限的兩個矢量分量組成。A)外切正方形旋轉磁場如果在ー相電流(磁勢)為最大時(比如AX相)，保持其不變，而從零增加相鄰另ー相(比如BY相)電流，則所生成的旋轉磁勢的頂點軌跡為基準圓的外切正方形(參看 圖5)。在一周內，每相電流開通180度(T/2):其中，從O升至最大用時T/8，再保持最大值T/4時間,然后經T/8從最大降至0，如圖6所示。在電流上升的45度相角內，對應任一相角B吋，電流應取之標么值N(以電流的最大值Im為I)可用下式算出N = t B......(3)B)圓形旋轉磁場這種系統(tǒng)的合成磁勢F，是用兩個互相垂直的分量組成的，所以F的幅值不會小于其任ー個組成分量的幅值。因而，可以把任意方向F的幅值調整到與基準磁勢的幅值相同，形成以基準圓為軌跡的圓形旋轉磁場(參看圖5)。顯而易見，生成這種旋轉磁場的繞組電流為半波正弦電流。在空間差90度的兩個繞組，其電流在相位上也差90。具體實施方法異步電動機的直流驅動裝置的構成框圖，如圖(7)所示，其中I為電源，如蓄電池；2為電動機和檢測其電流，轉速等的檢測器；3是控制器，在它的內部有儲存器，比較器，放大器等元器件，用以儲存設定的電流模式，電流的周期，幅值等數(shù)據。從檢測器接收電機運行中的實時信號，與存儲的設定值相比較，井根據比較的結果發(fā)出進行相應操作的指令。控制器中還有手動設定電流的周期(轉速)，大小，相序(轉向)的器件及相應的顯示器，并具有提供電機啟動，制動等操作的程序；4是驅動器，也就是驅動裝置的主電路。(一 )斬波式主電路(參看圖8)這是ー種利用斬波原理控制電路電流的常用方法。主電路的結構如圖(8)所示。圖中，AX, BY, CZ是三相異步機的三個定子繞組，每相繞組有兩個可關斷的電源開關Kl利K2，兩個續(xù)流ニ極管Dl，D2，分別與電源的兩端連接，還有ー個測量繞組電流的霍爾傳感器H。當H測出的電流，小于存儲器中所設定的值時，控制器就發(fā)出指令閉合Kl和K2，使相應繞組與電源接通，使電流上升。當實測電流值大于設定值時，就發(fā)出斷開電源開關的指令，繞組中的電流通過相應的回路續(xù)流而下降。在相電流為上升或維持恒定階段，當繞組電流超過規(guī)定值時，只斷開Kl阻止電流上升，繞組中的電流經K2利D2續(xù)流，呈指數(shù)式下降。但在相電流為下降的階段，為了控制其降速，或釋放繞組中的電感儲能，可同時斷開Kl和K2，這時繞組中的電流經由D2-電源正端-電源負端-Dl續(xù)流，把繞組電感中的儲能返還給電源。這樣的電路也為發(fā)電制動，也就是當需要制動車輛時，把車輛的動能轉化為對電池充電的電能的制動方法提供了條件。( ニ)戽斗式主電路(參看圖9)這種電路的負載(定子三相繞組AX，BY, CZ)不是通過開關與電源直接連接的，而是接在一個儲有一定電能的電容(Ca，Cb，Cc)上。這些電容也不直接與電源接，它所儲存的電能是通過ー個可稱為戽斗式的DC/DC變換器，以離散脈沖方式定量提供的。比如說，當Ca上的電壓不足以維持輸出電流Ia吋，就啟動變換器，觸發(fā)K導通，電源U通過LI對C充電，當充電電流降至零時(C上電壓約為2U)K關斷，隨后觸發(fā)導通Ka，把C充電所得的能量轉換到Ca上。在這個轉換過程中，開關K和Ka都是在零電流狀態(tài)下關斷，不存在關斷損耗，并且在能量補充過程中電流不中斷，沒有大的沖擊，更容易得到預期的電流波形，但它需有能承受大的沖擊電流或電壓的兩個電感LI，L2和一個電容C。直流異步機在工作時，流過三相定子繞組的電流所產生的旋轉磁場在繞組兩端形 成的電壓，并不是直流，而是正弦交流。這個交流分量在為正的半周，電源提供的電能轉化為磁能，而在交流分量為負的半周，磁能轉化為電能，經由繞組的末端X(以A相為例)-反饋ニ極管Da-電源正端-電源負端-輸出電容Ca-繞組的正端A的反饋回路對電源充電。直流異步機的工作交流異步機通常是在供電電源電壓為一定值的正弦波電壓源條件下工作的，當負載變動時，它的端電壓受電源控制，不會改變，只會引起電流的變化。但直流異步機卻不能用電壓源，而要用一定波形的電流源供電，當負載變動時，流過它的電流受電源的控制，不會改變，只會引起電壓的變化，它的端電壓將隨負載的增加而上升。下面分兩種情況來分析其電磁過程(一 )空載情況空載是指電機空轉，其轉速接近同步轉速，轉子電流很小，可忽略電樞反應。這時定子繞組的端電壓由兩部分電壓組成其一是在電機繞組的電阻和繞組漏電感上的壓降；其ニ是由定子繞組電流所產生的主磁通，在繞組中所感應的電勢Ed生成的。因為主磁通是由三相繞組的電流綜合作用而形成的，是ー個勻速旋轉磁場Fd，所以在定子繞組(以A相繞組AX為例)中感應的電勢Ed為ー正弦波，參看圖10中的圖(B)。若以Fd轉至與Fa重合時為原點(t = 0)，則在t > O的半周內Ed為正，即與繞組中電流的方向相同，而在t < O的半周內Ed為負，即與繞組中的電流方向相反。在所關注的2T/3有電流流動的時間內，在-T/3 < t < O為了克服反電勢而需有相應的端電壓與之平衡。但在O < t < T/3為正電勢，端電壓是負的，這時通過反饋回路把前段時間在繞組中儲存的能量返回電源。如果把定子電流用一等效正弦電流表示，則此電流與主磁通所感應的電勢之間有90度相位差，形成無功功率。可以在負載低時降低電流的幅值，以提高功率因數(shù)。( ニ)負載情況當電機帶有負載時定子電流所產生的旋轉磁場Fd在轉子導體上感應的電勢在相位上落后Fd90度，如果轉子電流與感應電勢同相，則轉子電流所生成的磁勢Fz在空間上也落后Fd90度(參看圖10-C)，所以由轉子電流在定子繞組中感應的電勢(電樞反應電勢)EZ與Ed也有90度相位差，(參看圖10-B)，由此可見，電樞反應電勢Ez的整個負半周正對著定子電流流動時間的中心部分，從等效正弦的概念來講就意味著Ez與電流反相，平衡Ez的電壓與電流同相，從電源輸出的電能轉換為機械能。不過，隨著負載的増大，轉子的轉速N2與旋轉磁場的轉速NI間的轉差Dn = N1-N2也會増大，導致轉子導體所感應的電勢頻率増加，使轉子電流及相應的磁勢Fz滯后于Fd的相位増大，這就是為什么異步機的轉矩不能隨轉差的増大(轉子電流的増大)而直線上升，甚至下降的原因。直流異步機的特性(一 )調速特性
在當前這種方式下運行的異步機，調速的操作很簡單，只須調節(jié)電流的周期就行了，無需同時調節(jié)其它物理量。由于隨著轉速的下降，旋轉磁場在定子繞組中感應的電勢Ed和Ez都會有相應的變化，F(xiàn)d會下降(因為匕未變)這會使電源用以平衡Ed的無功電壓分量相應下降，有利于功率因數(shù)的提高。至于Ez的變化則與調速過程中負載的情況有關；如果為恒轉矩的調速，即負載的轉矩不變，則Ez將隨轉速的下降而降低，電源用以平衡Ez的有功電壓及相應的輸出功率也隨之下降；如果為恒功率調速，即隨著轉速的下降，轉矩相應的上升，輸出的機械功率保持不變，則轉差Dn會相應的上升，使轉子的感應電流或磁勢Fz上升，補償?shù)粲捎谵D速下降對Ez的影響，而保持Ez不變，即電源平衡Ez的有功電壓分量不變，維持功率不變。這里要注意的是，如果在額定功率的條件下作恒功率調速，則在轉速下降后轉子的電流會超越其額定值，使電機過載。不過這對主電路中承受過載能力最差的電子開關并無多少影響，而電機承受過載的能力是相當強的，這也是當前這種運行方式的優(yōu)點。( ニ)起動特性很多應用場合(比如電動汽車)需要原動機有強大的起動カ矩，當前這種方式下運行的異步機能滿足這一要求。異步機能夠生成的最大カ矩Mz約為其額定カ矩Me的3倍，而生成Mz時的轉差Dnz約為額定轉速的20%，即約比額定轉差大4倍，相應的轉子電流也會大4倍左右。在當前這種方式下運行時，可以控制電流的周期，使在起動過程中始終保持轉差為Dnz，即在起動過程中始終保持電機所生成的カ矩為最大。在這樣的起動過程中轉子電流雖會有約4倍的過載，但主電路的電流，電壓都在正常范圍內，沒有什么問題。但若在一般的PWM裝置上采用這種起動方式，則其主電路中所有的元器件都要承受約4倍的過載，這幾乎是難以接受的，而且在調節(jié)電流頻率的同時還要相應的調節(jié)電壓，需要更復雜的控制。(三)制動特性異步機的制動過程與起動過程類似，不過是反其道而行之。只要調低電流的頻率，使旋轉磁場的轉速低于轉子的轉速，形成負的轉差，就可形成制動カ矩。用改變電流的相序，使旋轉磁場反轉的簡單辦法來制動效果并不好，這會使轉子電流嚴重超載而制動カ矩卻不大。如果要使制動過程中的制動カ矩始終保持最大值-Mz，就需要根據轉子的實際轉速來控制電流的頻率，使轉差在整個制動過程中保持為-Dnz。當然這樣的制動過程也使轉子電流有4倍左右的過載，但對當前模式的主電路的影響并不大。在制動過程中電機所釋放出的機械能，經反饋回路為電源所吸收。如果采用PWM模式，則又會產生與起動過程類似的問題。本發(fā)明的特點和優(yōu)點可以歸納為四個字(直流電流)可以用直流電源驅動價廉物美的異步電動機而不必將其逆變?yōu)榻涣鳎?br> 它是用電流源而不是電壓源供電的，避免了主電路元器件遭受短路與過載的風 險。
權利要求
1.一種用直流電源驅動異步電動機的方法，其特征在于用一種特定的驅動器，使普通的直流電源，可向異步電動機定子繞組提供特定波形的直流電流，在異步電機內產生勻速旋轉的旋轉磁場，驅動異步電動機工作。也就是把異步電動機，從用交流正弦波電壓源驅動，改為用直流電流源驅動，成為名副其實的直流異步電動機。
2.—種三相直流電流，其特征在于當其流過三相異步電動機的三相定子繞組時，能在電機內產生勻速旋轉的磁場。本發(fā)明提供兩種三相系統(tǒng)的旋轉磁場一種以基準圓的內接六邊形為其軌跡，生成這種旋轉磁場的電流波形；另一種旋轉磁場的軌跡為圓形，內切于上述六邊形，生成這種旋轉磁場的電流波形。
3.一種四相直流電流，其特征在于當其流過四相電機的定子繞組時，能產生勻速旋轉的磁場。本發(fā)明所提供的旋轉磁場有兩種一種是以基準圓為軌跡的旋轉磁場，生成這種旋轉磁場的電流波形為半波正弦另一種旋轉磁場的軌跡為基準圓的外接正方形，生成這種旋轉磁場的電流波形。
全文摘要
本發(fā)明直流電流(ZLDL)型異步電動機闡述如何把異步電動機，從用交流電壓源驅動的交流電動機，改成用直流電流源驅動的直流異步電動機的方法。為研制質優(yōu)價廉的異步機調速裝置及車用電動機，提供理論基礎。本發(fā)明給出了能使直流異步電動正常工作的直流電流的波形，以及產生這種電流波形的驅動裝置的框圖。
文檔編號H02P21/00GK102684591SQ201110062408
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權日2011年3月14日
發(fā)明者周巧娣, 邵鐘武 申請人:杭州湃亞海洋機電科技有限公司