專(zhuān)利名稱：電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種新型的交流電機(jī)-電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明形成一類(lèi)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楸景l(fā)明的新穎方案能引入到幾種不同現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的任何一種中，以從中得到好處-在每一種情況下都有相同的效果。
本發(fā)明強(qiáng)烈涉及在遠(yuǎn)高于電機(jī)基本操作頻率的頻率范圍內(nèi)可能具有相當(dāng)容量的電機(jī)終端處經(jīng)歷電壓譜的所有交流電機(jī)。所有由PWM(脈沖寬度調(diào)制)和其他切換模式的電子驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷這樣一種電壓譜，并且所有供電電子變頻器或整流器的發(fā)電機(jī)也同樣經(jīng)歷這樣一種電壓譜。本發(fā)明附加地或不同地大量涉及其中電機(jī)要由帶有一個(gè)直流鏈的電力電子驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的情況。
本發(fā)明還涉及這樣的情況，其中如果電機(jī)能向其電源提供幾種不同的電壓電流比值(以相同方法，例如，進(jìn)行從星形到三角形連接的變化)，則能最好地利用電機(jī)。
最易于應(yīng)用這種新結(jié)構(gòu)的顯著特征的電機(jī)種類(lèi)，是帶有一個(gè)外部定子的圓柱形氣隙電機(jī)的普通種類(lèi)。然而，顯著特征也能應(yīng)用于也由這些產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)的其他電機(jī)配置。
本發(fā)明的背景按四種性質(zhì)不同的部分作介紹(A)借助于電機(jī)的電力電子驅(qū)動(dòng)操作。
(B)電壓和電流的空間分量…3相電機(jī)。
(C)電壓和電流的空間分量…多相電機(jī)。
(D)零序相電流和在直流鏈中的波浪。
背景A借助于電機(jī)的電力電子驅(qū)動(dòng)操作作為高頻電流在電機(jī)繞組中存在的直接結(jié)果，在電機(jī)中能出現(xiàn)大量的功率損失。這些損失通過(guò)多種機(jī)理存在。其中主要是在電磁鐵中的渦流和磁滯損失、及當(dāng)磁通橫向通過(guò)銅導(dǎo)體時(shí)在他們中的渦流損失1(介電損失在頻率范圍的一定部分處可能也是顯著的，但這些損失主要涉及電壓，并且在電機(jī)繞組中的抑制某些模式的電流的效果不會(huì)直接減小這些。)這里描述的新結(jié)構(gòu)的具體特征在一些電機(jī)中能具有抑制某些高頻電流分量的效果，結(jié)果是減小損失和電磁輻射。高頻電流作為在電機(jī)終端處電壓譜中的高頻含量的結(jié)果而出現(xiàn)。由電力電子驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)總是經(jīng)受這種譜，除非把一個(gè)濾波器裝入該驅(qū)動(dòng)器中。在多數(shù)情況下，本發(fā)明減小或消除對(duì)該濾波器的需要。任何電力電子驅(qū)動(dòng)器能理想化成

圖1所示。
在圖1中，由實(shí)線表示的連接指示導(dǎo)體組，而電壓源符號(hào)表示電壓源組。類(lèi)似地，電機(jī)終端表示一組終端。這種理想化對(duì)于電動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載的每一種組合具有相同的形式，但在每種情況下具有不同的參數(shù)。
圖1中的每組電壓源產(chǎn)生一個(gè)不同的頻率分量。電壓組v0表示在電機(jī)中產(chǎn)生主工作電流的基本電壓波(一般10kHz-100kHz)。其他電壓組v1-vx表示其他頻率分量(一般在1.5kHz與100kHz之間)。在PWM(脈沖寬度調(diào)制)驅(qū)動(dòng)器的情況下，總是有一個(gè)帶有邊頻帶(以基本主頻率倍數(shù)處的頻率隔開(kāi))的載波頻率強(qiáng)分量，以及載波頻率的諧波和在這些諧波上的邊頻帶。其他類(lèi)型的電力電子驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生不同的電壓譜，但在高頻處都具有豐富的電壓譜。在感應(yīng)電機(jī)的情況下，除v0之外的一些頻率分量能產(chǎn)生少量的凈正轉(zhuǎn)矩，但以對(duì)損失不成比例的大貢獻(xiàn)為代價(jià)，并且一般事實(shí)上是，如果這些頻率分量不存在，則能提高任何電動(dòng)機(jī)在最大機(jī)械功率輸出或最大效率方面的性能。
圖1表示在驅(qū)動(dòng)器中與諸電壓源串聯(lián)的一個(gè)阻抗Z。該阻抗是一個(gè)基本量，因?yàn)閹讉€(gè)電流通過(guò)它，并因而幾個(gè)電壓在它兩端下降。該阻抗對(duì)于每個(gè)頻率分量是不同的，但通常對(duì)于在譜中的大多數(shù)頻率分量，在Z兩端降低的電壓比在電動(dòng)機(jī)兩端降低的相應(yīng)電壓在數(shù)值上要小得多。濾波器能裝到驅(qū)動(dòng)器上，以對(duì)于一定的頻率分量增大Z，因此減小在電機(jī)終端處出現(xiàn)的一些不良電壓。完整的驅(qū)動(dòng)器帶有安裝的濾波器，從而在基本電機(jī)操作頻率區(qū)域中對(duì)于除低頻率外的所有頻率，Z非常大(與電動(dòng)機(jī)特性相比)。但因?yàn)楸匦杩紤]元件的成本、尺寸和質(zhì)量，這樣的濾波器經(jīng)常是不實(shí)際的。
在該文件中呈現(xiàn)的本發(fā)明是不同于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的一種類(lèi)型的電機(jī)結(jié)構(gòu)，事實(shí)上它包含一種另外的特征，其效果幾乎能準(zhǔn)確地與以特別方法增大Z相同，以減小在電機(jī)終端處出現(xiàn)的一些電壓。
效果也可能不同，這取決于如何使用另外的結(jié)構(gòu)特征。其他可能的效果更易于理解，并且認(rèn)為不需要關(guān)于這些的另外背景。因此關(guān)于這些的討論專(zhuān)留給涉及通用和具體實(shí)施例的部分。
為了在抑制電流的某些不良組合方面理解和使用本發(fā)明，必須承認(rèn)在電機(jī)終端處的電壓和電流組能以2種方法分解時(shí)間上-其中在每個(gè)終端處的電壓(電流)看成是由無(wú)限多個(gè)頻率分量組成空間上-其中在及時(shí)給出的瞬時(shí)在終端處的電壓(電流)組看成由有限多個(gè)電壓組組成。
如下子部分弄清空間上分解電壓或電流組的意義。顯然本發(fā)明的目的在于對(duì)電壓的某些不良空間分量產(chǎn)生一個(gè)增大的阻抗，而不影響對(duì)希望空間分量呈現(xiàn)的阻抗。
背景B電壓和電流的空間分量…3相電機(jī)。
幾乎所有的工業(yè)交流電機(jī)都是3相的。在這些中，有意義的部分設(shè)計(jì)成具有6個(gè)終端，從而每個(gè)電機(jī)相的每一端能獨(dú)立地連接。對(duì)于6個(gè)終端，在電機(jī)上可能有6種不同的瞬時(shí)電壓。類(lèi)似地，可能有6種不同的瞬時(shí)電流通過(guò)終端。該部分致力于解釋有可能以這樣一種方式使用電壓(或電流)的線性組合表達(dá)6種電壓(或6種電流)組，從而只有兩種電壓(電流)組合在產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩方面是重要的。其他電壓(或電流)組合只起增大損失的作用，并且最好盡可能低地保持。用于電壓(電流)線性組合的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是電壓(電流)的空間分量。
在電機(jī)上的6種不同的瞬時(shí)終端電壓能以任何數(shù)量的不同方式表達(dá)。下面給出多個(gè)例子以說(shuō)明這一點(diǎn)。對(duì)于這些例子來(lái)說(shuō)，電機(jī)終端標(biāo)有L1、L2、L3、N1、N2、N3，數(shù)字指示哪個(gè)相與終端有關(guān)，而字母L或N指示終端在相的哪個(gè)末端處。6種電壓vL1、vL2、vL3、vN1、vN2、vN3(或相應(yīng)電流{jL1、iL2、iL3、iN1、iN2、iN3}-當(dāng)電流進(jìn)入時(shí)所有都定義為正)能以如下可選擇方法的任一種唯一地表示(在下面例子中為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)對(duì)于電流的基準(zhǔn)下降，但這些表達(dá)式對(duì)于電流也完好地適用)·三個(gè)瞬時(shí)平均相電壓和三個(gè)瞬時(shí)相電壓差…{(vL1+vN1)/2，(vL2+vN2)/2，(vL3+vN3)/2，(vL1-vN1)，(vL2-vN2)，(vL3-vN3)}·用于“L”電壓和類(lèi)似地用于“N”電壓的一個(gè)零序和兩個(gè)“周期”電壓項(xiàng)…{(vL1+vL2+vL3)/3，(vL1-(vL2+vL3)/2)，(vL2-vL3)，(vN1+vN2+vN3)/3，(vN1-(vN2+vN3)/2)，(vN2-vN3)}·用于各電機(jī)相上的平均相電壓和類(lèi)似地用于各電機(jī)相兩端的一個(gè)零序和兩個(gè)“周期”電壓項(xiàng){(vL1+vL2+vL3+vN1+vN2+vN3)/6，(vL1+vN1-(vL2+vL3+vN2+vN3)/2)，(vL2+vN2-(vL3+vN3))(vL1-vL2+vL3-vN1+vN2-vN3)/6，(vL1-vN1-(vL2-vL3+vN2-vN3)/2)，(vL2-vN2-(vL3-vN3))}在通常的3相交流電機(jī)的操作中，在各相上的平均電壓{(vL1+vN1)/2，(vL2+vN2)/2，(vL3+vN3)/2}在產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩方面實(shí)際上通常總是無(wú)益的。其主要作用是引起電容性電流在每個(gè)單獨(dú)的電機(jī)相與電機(jī)鐵心之間、以及在不同的電機(jī)相之間流動(dòng)。這里包含的本發(fā)明的主要用途是抑制流過(guò)直通電機(jī)線圈的電流的一些組合。本發(fā)明也能用來(lái)減小流入地中的高頻凈電容性電流。該后一用途更直接，并且除在該背景部分的小節(jié)D中和在舉例實(shí)施例中給出的之外，不要求另外的背景。
在電機(jī)相上的瞬時(shí)平均電壓(象(vL1+vN1)/2)通常驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)該相的趨勢(shì)非常小。在本發(fā)明的解釋中為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，從這點(diǎn)開(kāi)始不考慮電機(jī)相上的平均瞬時(shí)電壓，象流入或流出電機(jī)相的瞬時(shí)凈電流那樣。為了充分理解電機(jī)在其終端處經(jīng)受高頻電壓的狀態(tài)，關(guān)鍵是考慮在諸相上的這些平均電壓和進(jìn)入或離開(kāi)諸相的凈電流，但他們使下文包含的解釋模糊。因此，不必再參照vL1、vL2、vL3、vN1、vN2、vN3或iL1、iL2、iL3、iN1、iN2、iN3，并且我們?yōu)閷?lái)使用而定義如下新的量i1＝iL1-iN1v1＝vL1-vN1i2＝iL2-iN3v2＝vL2-vN2i3＝iL3-iN3v3＝vL3-vN3現(xiàn)在表明，按照如下三個(gè)空間分量表示相兩端的電壓{v1、v2、v3}和經(jīng)過(guò)相的電流{i1、i2、i3}是合理的(對(duì)于電壓)(v1+v2+v3)/3，(2v1-(v2+v3))/3，√3(v2-v3)/3(對(duì)于電流)(i1+i2+i3)/3，(2i1-(i2+i3))/3，√3(i2-i3)/3推理是簡(jiǎn)單的。對(duì)于通常的3相電機(jī)，電流的“零序”分量(i1+i2+i3)在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩方面沒(méi)有好處。其他兩個(gè)電流空間分量在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩方面是有用的。以上電壓和電流的空間分量已經(jīng)按比例縮放成與用于在下小節(jié)中定義的多相電機(jī)的空間分量相一致。
在該專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中描述的本發(fā)明適用于具有3相或多相的電機(jī)。在3相電機(jī)方面，本發(fā)明具有充分減小電流的零序分量((i1+i2+i3)/3)的效果，而對(duì)電機(jī)相對(duì)于其他電壓和電流的空間分量的性能沒(méi)任何顯著影響。
“三角形連接”或帶有一個(gè)浮動(dòng)星形點(diǎn)的“星形連接”的任何3相電機(jī)，已經(jīng)具有一個(gè)內(nèi)裝的約束在低頻率下三個(gè)電流的瞬時(shí)和必須總是為零。在這些電機(jī)中，當(dāng)電容性路徑提供一條至地的路線時(shí)，在低頻下自動(dòng)禁止零序電流，而在高頻下他們能夠出現(xiàn)。與一個(gè)連接的星形點(diǎn)星形連接的或從能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)每一相的電子驅(qū)動(dòng)器激勵(lì)的其他3相電機(jī)，即使在相對(duì)低頻下也能具有零序電流。
在具有多于3相的電機(jī)中，這里描述的結(jié)構(gòu)特征能用來(lái)抑制電流的一種非產(chǎn)生性組合。如下小節(jié)概括了這點(diǎn)。
在離開(kāi)關(guān)于電機(jī)中電流空間分量的本節(jié)之前，應(yīng)該注意，根據(jù)相電流(在連接的電機(jī)中)或根據(jù)線圈電流(在非連接的電機(jī)中)，能分解任何電機(jī)中的完全電流組。本文件的剩余部分隱含地假定，感興趣的分解是根據(jù)相電流的分解。
背景C電壓和電流的空間分量…多相電機(jī)考慮具有其中兩個(gè)終端引出到用于每相的終端盒的N相電機(jī)。相1至N兩端的電壓如以前那樣表示為v1、v2、v3…vN，經(jīng)過(guò)每相的電流表示為i1、i2、i3…iN。
使用如下不連續(xù)的傅里葉變換，能把這些電壓和電流分解成空間分量vi＝∑ajcos(2πji/N)+∑bjsin(2πji/N)…其中對(duì)于j＝0至j＝N/2求和當(dāng)N是奇數(shù)時(shí)，對(duì)于j＝0至j＝(N-1)/2求和系數(shù)ai和bi能按如下確定a0＝∑vi/N b0＝0aN/2＝∑(-1)(i-1)vi/NbN/2＝0aj＝∑vicos(2πji/N)/(N/2) bj＝∑visin(2πji/N)/(N/2)對(duì)于0＜j＜N/2一些多相電機(jī)僅使用單對(duì)電流空間分量，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的大部分，而所有其他的空間分量是非產(chǎn)生性的。就是說(shuō)，對(duì)于除一個(gè)之外的所有j值，aj、bi能同時(shí)等于零，并且電機(jī)仍能良好地操作。其他多相電機(jī)(特別是多相感應(yīng)電機(jī))在不同的環(huán)境中有可能使用不同的空間分量對(duì)。在這兩種情況下，總是有一定的不希望的一些電流空間分量，并且這些能由這里描述的本發(fā)明抑制。
本發(fā)明在抑制相電流的不希望空間分量方面的效果可以按下面陳述對(duì)于3相或多相電機(jī)，在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩方面不是直接有用的直通相電流的那些空間分量，能通過(guò)增大對(duì)這些電流的有效電機(jī)阻抗而減小。
背景D相電流的零序空間分量和在直流鏈中的電流多種形式的電力電子驅(qū)動(dòng)器在把直流功率再轉(zhuǎn)換回任意可變頻率的交流功率之前，把(通常3相)交流電源功率轉(zhuǎn)換成直流功率。這種驅(qū)動(dòng)器的形式示意地表示在圖2中。
依據(jù)連接到逆變器輸出上的電機(jī)，有時(shí)能從該逆變器抽取有意義的零序電流。在零序電流分量的情況下，所有電流之和不是零，并因此非零電流一定通過(guò)直流鏈。通過(guò)把一個(gè)大電感器裝配到直流鏈中，能使流經(jīng)直流鏈的振擺電流量最小，并因此能急劇地減小從逆變器輸出得到的零序電流量。(在這種情況下的電感器起增大逆變器對(duì)零序電流的輸出阻抗的作用)。
本發(fā)明的意義之一在于，能夠通過(guò)大功率的大值電感能夠用于與直流鏈串聯(lián)連接，作為濾波器電路的部分。
因而，本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)，該電機(jī)包括一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)定子及在其間的間隙，該定子帶有一個(gè)包括鐵心區(qū)域的前部和鐵心區(qū)域的后部的定子鐵心、一組在鐵心區(qū)域前部操作以穿過(guò)間隙引導(dǎo)磁通的導(dǎo)體、及另一組在定子鐵心的鐵心區(qū)域的后部操作以驅(qū)動(dòng)磁通的完整循環(huán)的導(dǎo)體；圍繞著電機(jī)軸并且一般與間隙平行，從而鐵心區(qū)域的后部作為電感器或變壓器的磁路是可操作的。
下文通過(guò)舉例，參照附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中圖1是一種理想化的電子驅(qū)動(dòng)器；圖2是一種帶有直流鏈的電力電子驅(qū)動(dòng)器的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一種交流電機(jī)的最佳形式的部分的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種交流電機(jī)的最佳形式的部分的示意圖，表示由一個(gè)圓周磁通線圈(CFC)不同地連接的定子的不同長(zhǎng)度；及圖5是在能容納一匝CFC的定子齒中的封閉槽的例子。
本發(fā)明以其最一般的形式，保證很一般地使用心鐵后部作為用于變壓器或電感器的單鐵心或一組鐵心，該變壓器或電感器帶有外部連接或帶有與電機(jī)繞組串聯(lián)的一些或所有匝。
如下小節(jié)存在于在本節(jié)中(A)本發(fā)明的一般形式。
(B)由于圓周磁通線圈的引入使阻抗增大。
(C)借助于鐵心后部選擇圓周磁通線圈的泄漏。
(D)借助于(一些)外部連接建立變壓器。
(E)借助于外部連接建立電感器。
小節(jié)(A)陳述對(duì)于所有用途大體相同的本發(fā)明的一般實(shí)施例。小節(jié)(B)和(C)涉及本發(fā)明在升高針對(duì)某些組合的定子電流的電機(jī)阻抗方面的用途。(D)和(E)涉及本發(fā)明的兩個(gè)其他用途。
一般實(shí)施例A．本發(fā)明的一般形式。
按照?qǐng)A柱形氣隙外定子電機(jī)解釋本發(fā)明的一般實(shí)施例。它在其他電機(jī)形式中有應(yīng)用，并且擴(kuò)展到這些形式中的一些是十分直接的。這些擴(kuò)展中的一些在標(biāo)題為“變例”的如下部分中覆蓋。因而按照常規(guī)圓柱形氣隙外定子電機(jī)進(jìn)行本發(fā)明的描述除趨于跨過(guò)氣隙引導(dǎo)磁通的電機(jī)的通常繞組之外，把稱作“圓周磁通線圈”的線圈放置到位，從而當(dāng)電流通過(guò)這些線圈時(shí)，建立磁動(dòng)勢(shì)的分量，以便繞鐵心的整個(gè)后部在純圓周方向驅(qū)動(dòng)磁通。
通常，定子鐵心的后部具有以MMF的較低下降把主工作磁通從氣隙的一部分傳送到另一部分的功能。在時(shí)間的任何一個(gè)時(shí)刻，鐵心后部圓周的一半正攜帶著非常小的工作磁通，而另一半可能正攜帶著高磁通密度。就本發(fā)明而論，所有的定子鐵心后部都投入使用。
一般實(shí)施例示意地存在于下面的“拉直”定子鐵心上。兩個(gè)符號(hào)⊙
分別表示攜帶電流“上”(來(lái)自頁(yè)面)和“下”(進(jìn)入頁(yè)面)的導(dǎo)體。這些符號(hào)的小比例形式表示趨于驅(qū)動(dòng)圓中磁通的繞定子鐵心后部的繞組的“圓周分量”，而較大符號(hào)表示對(duì)于電機(jī)的正常操作趨于跨過(guò)電機(jī)空隙引導(dǎo)磁通的繞組(線圈的主要匝)的“徑向”分量。
從以上描述和從圖3顯見(jiàn)，本發(fā)明隱含地涉及沿定子鐵心后部外面的定子鐵心的長(zhǎng)度(至少一部分)通過(guò)的導(dǎo)體?？偲饋?lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)純圓周磁通的導(dǎo)體匝因此稱作圓周磁通線圈或CFC。
按照電機(jī)起的作用，可以認(rèn)為繞組(線圈)的圓周和徑向分量具有獨(dú)立的效果，并且他們能分別地討論。采用繞組(線圈)的徑向分量，以便在電機(jī)周?chē)鷮?shí)現(xiàn)徑向MMF的給定圖案。當(dāng)電流的一些有害組合存在時(shí)，采用繞組(線圈)的圓周分量，以便在定子鐵心的后部周?chē)a(chǎn)生凈MMF。線圈的徑向和圓周分量的結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)兩個(gè)分量可以共享槽中的空間的事實(shí)來(lái)連接。
從這里開(kāi)始，本文幾乎只討論繞組的圓周分量，并且為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，這些將稱作圓周磁通線圈(CFC)。相對(duì)于CFC繞鐵心后部的穿線應(yīng)該注意兩個(gè)重要方面(a)定子可以細(xì)分成兩個(gè)或多個(gè)軸向段，其中定子的每個(gè)這樣的軸向段可以由CFC中至少1個(gè)的不同匝數(shù)的匝連接。
(b)對(duì)于定子鐵心的給定軸向段，不同CFC將通過(guò)不同的量連接該段。
定子鐵心后部的每個(gè)不同軸向段具有獨(dú)立電感器/變壓器鐵心的作用。具體實(shí)施例表明這樣的情形。圖4表示通過(guò)電機(jī)定子側(cè)的部分，該電機(jī)定子為了CFC的目的劃分成3個(gè)段，以便提供3個(gè)獨(dú)立的鐵心。
在定子鐵心后部的不同段之間的“裂縫”，可以簡(jiǎn)單地是通常以任何方式存在于圓柱形氣隙中用于冷卻目的的導(dǎo)管，或者他們可以故意制得較長(zhǎng)(軸向)，并且他們可以包括非金屬低導(dǎo)磁率材料，以使磁通軸向的損失和泄漏最小。
一般實(shí)施例B.由于圓周磁通線圈(CFC)的引入使阻抗增大本發(fā)明的主要用途之一是增大電機(jī)對(duì)于電機(jī)電流一些組合的電機(jī)阻抗。在這方面，CFC與電機(jī)的線圈串聯(lián)連接。以這樣一種方式仔細(xì)選擇CFC和定子鐵心的軸向段的每一個(gè)的電氣連接以及CFC和它的“磁性連接”，從而對(duì)于電機(jī)電流的一些組合，顯著的凈MMF存在，以便繞定子鐵心的后部(一段長(zhǎng)度)驅(qū)動(dòng)磁通。MMF驅(qū)動(dòng)磁通，磁通又在每個(gè)線圈中產(chǎn)生與有助于產(chǎn)生MMF的電流相反的電壓。簡(jiǎn)單地說(shuō)，鐵心后部的每個(gè)軸向部分用作環(huán)形電感器以及用作從氣隙一部分到另一部分?jǐn)y帶主工作磁徑向磁通的路徑。
作為在選擇性增大電感方面的本發(fā)明原理的說(shuō)明，考慮一個(gè)8線圈電機(jī)，其中每個(gè)線圈帶有引出到終端盒的2個(gè)終端。這是一種8相電機(jī)，其中在電機(jī)內(nèi)每相只有1個(gè)線圈。假定當(dāng)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器操作時(shí)，已經(jīng)預(yù)計(jì)線圈電流的具體空間組合在電機(jī)中引起高損失，并且假定在線圈1-8中電流的這種組合分別是{-2、1、-2、1、-2、1、-2、1}。能不用單位描述電流的組合，因?yàn)槟苋我獾匕幢壤s放它，并且仍表示線圈電流的相同比率。對(duì)于給定頻率和給定的線圈電流比率，損失與任何一個(gè)線圈電流大小的平方成比例。
為了抑制電流的有害組合，每個(gè)線圈與定子鐵心圓周“連接”，與該線圈電流在有害組合中的參與成比例。在以上情況下，因此…線圈1…帶有繞鐵心后部的2個(gè)“負(fù)匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生-2安培匝的順時(shí)針MMF)。
線圈2…帶有繞鐵心后部的1個(gè)“正匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生+1安培匝的順時(shí)針MMF)。
線圈3…帶有繞鐵心后部的2個(gè)“負(fù)匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生-2安培匝的順時(shí)針MMF)。
線圈4…帶有繞鐵心后部的1個(gè)“正匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生+1安培匝的順時(shí)針MMF)。
線圈5…帶有繞鐵心后部的2個(gè)“負(fù)匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生-2安培匝的順時(shí)針MMF)。
線圈6…帶有繞鐵心后部的1個(gè)“正匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生+1安培匝的順時(shí)針MMF)。
線圈7…帶有繞鐵心后部的2個(gè)“負(fù)匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生-2安培匝的順時(shí)針MMF)。
線圈8…帶有繞鐵心后部的1個(gè)“正匝”(在該線圈中的+1安培產(chǎn)生+1安培匝的順時(shí)針MMF)。
然后，線圈電流的一種線性組合將在電機(jī)鐵心的后部產(chǎn)生大量的循環(huán)磁通(并因此大量的相反電壓將存在)，而線圈電流的其他7種線性獨(dú)立組合應(yīng)該不受CFC存在的影響。其他7種線性組合下面在表#1中給出。
表#1.在鐵心后部上產(chǎn)生凈0MMF的線圈電流的7種獨(dú)立組合的例子。
一般實(shí)施例B.由于由一組CFC連接的定子鐵心的單個(gè)軸向段使電機(jī)阻抗增大。
一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)CFC與主繞組串聯(lián)連接時(shí)，電機(jī)的電感由于CFC的存在而增大。電容也稍有增大，但在大多數(shù)情況下電容的增大與電機(jī)中已經(jīng)存在的電容相比不顯著。本節(jié)簡(jiǎn)短地陳述如何計(jì)算電感的增大。
在開(kāi)始之前，我們必須認(rèn)識(shí)到，由CFC引起的額外電感是矩陣量。初始，我們對(duì)用于整組各非連接電機(jī)線圈的額外電感矩陣感興趣。線圈連接在一起形成電機(jī)的相的事實(shí)以后處理。
矩陣LCFC隱含地由如下公式定義，其中LCFC由CFC的存在產(chǎn)生的額外電感的矩陣。
vno_CFC各個(gè)線圈兩端的電壓的向量(所有CFC與其相應(yīng)線圈串聯(lián)但不與任何鐵心的后部連接)。
vCFC各個(gè)線圈兩端的電壓的向量(所有CFC與其相應(yīng)線圈串聯(lián)并且與打算的鐵心后部連接)。
i通過(guò)各個(gè)線圈的電流的向量。
(vCFC-vno_CFC)＝LCFCd/dt(i)這里是如何能導(dǎo)出LCFC。它包括來(lái)自組成定子鐵心的各個(gè)軸向段的每一個(gè)的成分的代數(shù)矩陣和。(不同的軸向段通過(guò)他們具有與CFC的不同連接事實(shí)來(lái)區(qū)別)。目前，假定整個(gè)鐵心段一起用作單個(gè)段。
讓L是定子鐵心的總軸向段。讓H是其徑向深度，并且讓D是鐵心的有效平均直徑。如果鐵心材料的絕對(duì)導(dǎo)磁率是μ，那么鐵心整個(gè)后部的磁阻是R＝πD/(LH)。一個(gè)凈單位磁動(dòng)勢(shì)(MMF)將使(1/R)單位的磁通在鐵心的后部循環(huán)。注意μ是一個(gè)頻率獨(dú)立的復(fù)數(shù)量，因?yàn)樵诓煌念l率下，在鐵心薄片后部中的表皮深度是不同的。
讓k是具有N項(xiàng)的向量，其中第i項(xiàng)是ki-繞鐵心后部第i個(gè)CFC的正向串聯(lián)匝數(shù)。注意我們這里隱含地假定對(duì)于電機(jī)的每個(gè)主線圈有一個(gè)CFC。然后作為k(1/R).kT導(dǎo)出額外電感矩陣LCFC。
推導(dǎo)是簡(jiǎn)單的。作用在鐵心后部上的凈MMF是kTi。對(duì)應(yīng)磁通是(1/R).kTi，并且由于該磁通作用在各個(gè)線圈上的電壓是k.(1/R).kTi。
現(xiàn)在，一定觀察到，如果電機(jī)正在其全磁通值下工作，那么在時(shí)間的任一時(shí)刻，鐵心后部的一半將至少部分飽和。必須調(diào)節(jié)為心鐵后部計(jì)算的有效導(dǎo)磁率以適應(yīng)這種情況。當(dāng)計(jì)算用于心鐵后部的有效導(dǎo)磁率時(shí)，要考慮到磁通將主要在每個(gè)薄片的外表皮中流動(dòng)的事實(shí)。如果外表皮飽和，那么磁通更趨于擴(kuò)散到每個(gè)薄片中，從而在較高頻率下，能使鐵心后部的飽和影響較小。
代表由于CFC而存在的額外電感的矩陣LCFC，可應(yīng)用于電機(jī)的非連接線圈，并且LCFC中的行(和列)數(shù)與電機(jī)中的線圈數(shù)量相同。一般地說(shuō)，當(dāng)電機(jī)的線圈連接成相時(shí)，在電機(jī)中能有少得多的電流自由度。在低頻率下，獨(dú)立電流的數(shù)量必須等于相的數(shù)量。盡管這不是較高頻率下的情形(因?yàn)橐恍╇娏鏖_(kāi)始通過(guò)電容性路徑)，但通常真實(shí)的是，如果i是各線圈電流的向量，則有與…i＝TTic相關(guān)的某一變換矩陣T和允許連接電流的向量ic。然后CFC的影響是要把額外電感矩陣貢獻(xiàn)給連接的電機(jī)，等于TTLCFCT。
一般實(shí)施例C.設(shè)計(jì)CFC連接。
首先，注意鐵心必須劃分成諸軸向段，每段負(fù)責(zé)把電感添加到具體空間組合的定子電流上。這里概述的設(shè)計(jì)過(guò)程用于定子鐵心的單個(gè)段。現(xiàn)在假定，希望鐵心段抑制一定線性組合的線圈電流，該電流由向量g表示。鐵心的該段由CFC以這樣一種方式連接，從而使向量k(描述線圈的連接)接近于g的倍數(shù)。在數(shù)學(xué)上，這能表示為(kT.g)2≈(kT.g)(kT.g)。k與g之間的匹配準(zhǔn)確度在很大程度上取決于電機(jī)每個(gè)主線圈(即每個(gè)槽)允許的CFC匝的最大數(shù)量，并且該數(shù)量kmax是設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)置的首要參數(shù)之一。注意在本小節(jié)中隱含地假定，電機(jī)的每個(gè)主線圈有一個(gè)CFC-如在上一小節(jié)中假定的那樣。確定kmax的開(kāi)始點(diǎn)是傳送相電流所需的銅的橫截面積。以準(zhǔn)確的相同方式確定主線圈的尺寸，從而一方面兼顧電機(jī)尺寸和成本，另一方面兼顧電阻引起的銅損。CFC的匝不必具有與主線圈的匝相同的橫截面，但橫截面積是類(lèi)似的。在許多情況下希望那些必須在定子鐵心后部?jī)?nèi)延伸的CFC的段應(yīng)該位于槽的底部處。
一旦選擇了kmax，就能按如下進(jìn)行對(duì)向量k的第一推測(cè)(a)按比例縮放g從而使最大項(xiàng)等于(kmax+0.5)(b)把(a)的結(jié)果的每一項(xiàng)向上或向下圓整到最近的整數(shù)。
一般地說(shuō)，不可能得到k與g之間的完好匹配，并且在這樣的情況下，必須開(kāi)始進(jìn)行一定的權(quán)衡過(guò)程。在該過(guò)程的本質(zhì)是承認(rèn)有至少兩種對(duì)電機(jī)成功操作是基本的電流組合，并且高度希望電流的這些希望組合不應(yīng)該在通過(guò)鐵心后部的完整環(huán)路中驅(qū)動(dòng)任何顯著磁通。如果電流的兩個(gè)“有用”分量是h1和h2，那么我們希望實(shí)現(xiàn)(h1T.k)≈0≈(h2T.k)。試圖更多地解釋該設(shè)計(jì)過(guò)程超出了本文件的范圍。在少量?jī)斣囍螅姍C(jī)設(shè)計(jì)者容易認(rèn)真地對(duì)待它。
已經(jīng)選擇了線圈連接的向量k，我們現(xiàn)在能檢查添加的電感是否足夠和可能相反的最大電壓(由鐵心后部的飽和控制)是否足夠。如果電感或最大相反電壓不足，則通常增大kmax的值，或者增大鐵心后部的深度，以滿足小的不足。
一般實(shí)施例D.借助于(一些)外部連接建立變壓器。
定子鐵心被軸向地劃分成其數(shù)量與電機(jī)中相的數(shù)量相同的相等段。這些段的每一個(gè)纏繞有在獨(dú)立串聯(lián)連接組中的兩組CFC。沒(méi)有CFC應(yīng)該跨過(guò)一個(gè)以上的鐵心后部的單個(gè)段。為此，能采用諸如圖3中所示的裝配CFC的方案，其中每個(gè)槽的底部至少部分由CFC占據(jù)。在其中電機(jī)帶有N個(gè)槽和M個(gè)相的變壓器應(yīng)用方面，鐵心軸向地劃分成M個(gè)不同的段，并且這些段的每一個(gè)能裝有N個(gè)完全的CFC(每個(gè)槽一個(gè))，因?yàn)椴恍枰狢FC的任一個(gè)跨過(guò)一個(gè)以上的單軸向段。
一般實(shí)施例E.借助于CFC建立單個(gè)電感器。
該用途是最簡(jiǎn)單的。定子鐵心后部纏繞有多個(gè)CFC，并且這些都一起連接到兩個(gè)終端上，從而當(dāng)終端兩端出現(xiàn)電壓差時(shí)，所有CFC將攜帶類(lèi)似的電流，并且在鐵心后部周?chē)谙嗤较蛏隙籍a(chǎn)生MMF驅(qū)動(dòng)磁通的分量。
CFC不必以單序列圖案連接。期望要通過(guò)電感器的電流的數(shù)值，可確定應(yīng)該連接多少個(gè)串聯(lián)連接CFC的類(lèi)似并聯(lián)組。
在標(biāo)題為“一般實(shí)施例”的上節(jié)的大部分中，原文基于隱含假設(shè)CFC每1個(gè)線圈與主(徑向磁通)線圈的1個(gè)相串聯(lián)、和每個(gè)CFC的一側(cè)在槽的底部。而這可能是本發(fā)明的最普通配置，本發(fā)明還提供了其他可能性。
(A)CFC的一些或全部可以穿過(guò)定子齒中心的孔而不是穿過(guò)槽。因?yàn)椴弁瞧叫械?，所以定子齒(具有圓柱形氣隙，外定子電機(jī))往往在齒的底部比頂部寬。為了冷卻目的諸槽已經(jīng)有意地引入到一些電機(jī)的齒中。下面的圖5表示能用來(lái)容納一匝CFC的定子齒內(nèi)的一個(gè)封閉徑向槽。
(B)當(dāng)單匝CFC由導(dǎo)體的多個(gè)并聯(lián)股組成時(shí)，通過(guò)分開(kāi)一些匝且引導(dǎo)在鐵心后部?jī)?nèi)的匝部分和外面的部分，向量k有可能具有非整數(shù)項(xiàng)。在這種情況下顯然必須小心，不要為繞減弱磁通擺動(dòng)的鐵心自由循環(huán)的電流提供容易的路徑。
(C)當(dāng)CFC與電機(jī)相串聯(lián)連接時(shí)，他們可以在電機(jī)相的低電壓端部處(其中這樣的端部存在)成組地連接，而不是每一個(gè)與電機(jī)的單個(gè)主線圈聯(lián)接。這會(huì)減少對(duì)CFC的絕緣要求。在其諸相對(duì)稱激勵(lì)的電機(jī)中，CFC組能在其中電壓(相對(duì)于地)可能最低的相的中心處連接。
(D)一些圓柱形氣隙電機(jī)帶有外轉(zhuǎn)子。CFC的概念同樣可用在這些電機(jī)的定子中。
(E)本發(fā)明能用于具有非圓柱形氣隙的某些電機(jī)中。如果有一條在氣隙中不同位置之間傳送電機(jī)主磁通的完整磁環(huán)路，則對(duì)于任何這樣的電機(jī)采用本發(fā)明是可能的。
包括本發(fā)明的五個(gè)具體實(shí)施例。
具體實(shí)施例#1表示在3個(gè)小節(jié)中(A)要應(yīng)用本發(fā)明的情形#1的概述。
(B)在情形#1中抑制零序電流分量的CFC的設(shè)計(jì)。
(C)在情形#1中用來(lái)抑制空間7th次電流分量的CFC的設(shè)計(jì)。
具體實(shí)施例#2表示在單個(gè)小節(jié)中(D)CFC在作為使電動(dòng)機(jī)能夠由電源電壓的2個(gè)不同級(jí)運(yùn)行的3相變壓器時(shí)在一個(gè)電動(dòng)機(jī)上的使用。
具體實(shí)施例#3表示在單個(gè)小節(jié)中(E)CFC在作為用來(lái)使驅(qū)動(dòng)器中的直流鏈電流平穩(wěn)的單個(gè)大電感器時(shí)在一個(gè)電動(dòng)機(jī)上的使用。
具體實(shí)施例#4表示在單個(gè)小節(jié)中(F)CFC在多個(gè)磁性軸承中的使用。
具體實(shí)施例#5表示在單個(gè)小節(jié)中(G)CFC與二級(jí)逆變器一起使用。
具體實(shí)施例A.情形#1的概述。
考慮具有24相、每相引出2個(gè)端部的電機(jī)。假定已經(jīng)進(jìn)行了表示用于在電機(jī)終端處的期望電壓譜的計(jì)算，電流的3個(gè)不同空間組合特別不適于在電機(jī)中產(chǎn)生損失，及這些空間組合是一個(gè)零序(所有相都傳送相同的電流)和兩個(gè)不同的“七次空間諧波”(相j傳送與cos(14πj/24)成比例的電流，或相j傳送與sin(14πj/24)成比例的電流))。
假定電機(jī)為10極操作而設(shè)計(jì)并且具有240個(gè)線圈。線圈1、25、49、73…217屬于相#1。線圈2、26、74…218屬于相#2，等等。在給定相中的交替線圈以相反方向傳送電流(以便產(chǎn)生北極、南極、北極南極等)。假定每個(gè)線圈有8匝。
零序激勵(lì)的大量電平期望在3000Hz處和更高(3000Hz是用于來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的PWM波形的載波頻率)。每相1500V(峰值)的目標(biāo)電壓要求由鐵心后部相關(guān)段中的磁通來(lái)對(duì)抗。零序電壓在所有相上在任何時(shí)刻都相同。0.2A的零序電流(在每相中的峰值)根據(jù)諧波損失認(rèn)為是可接受的。
其他兩個(gè)空間分量期望具有也在3000Hz左右和更高的基本電壓。由于七次量級(jí)空間諧波，800V的目標(biāo)電壓(峰值)在任何時(shí)刻都作為任何相兩端的最大電壓來(lái)預(yù)見(jiàn)。如果在所有相上的最大峰值電流是0.5A，則認(rèn)為電流的七次量級(jí)空間諧波對(duì)于該具體電機(jī)的損失是可接受的。
我們要求設(shè)計(jì)一組CFC以實(shí)現(xiàn)以上目的。指導(dǎo)定子鐵心后部尺寸如下總鐵心長(zhǎng)度 L2.6m有效徑向厚度H0.3m有效平均直徑D1.4m薄片厚度t0.3mm
已經(jīng)由電機(jī)尺寸確定，電機(jī)的每個(gè)主線圈能容納高達(dá)兩個(gè)CFC匝。
具體實(shí)施例B.對(duì)抗零序電壓。
首先設(shè)計(jì)用來(lái)抑制零序電流分量的CFC。一個(gè)1.2m長(zhǎng)度L1的定子鐵心致力于該任務(wù)。
為了確定致力于抑制電流零序分量的鐵心段的磁阻，我們首先要求用于鐵心后部薄片的有效導(dǎo)磁率。該導(dǎo)磁率是頻率、心鐵的低頻相對(duì)導(dǎo)磁率和心鐵的電阻率的函數(shù)。對(duì)于f＝3000Hz，μr＝1200及ρ＝0.22E-6Ω/m，用于鐵心后部薄片的有效相對(duì)導(dǎo)磁率按μr_err＝(632.7-496.5j)計(jì)算。在薄片上的趨膚效應(yīng)使該值是復(fù)數(shù)，并且在數(shù)值上比1200的低頻值小。這里還沒(méi)考慮由于主電機(jī)磁通造成的鐵心后部的飽和。
磁路的磁阻按R＝πD/(HL1μ0μr_err)確定，具有19021+14925j A/韋伯的值。磁阻是復(fù)數(shù)，因?yàn)橄鄬?duì)導(dǎo)磁率是復(fù)數(shù)。
假定對(duì)于電機(jī)中的每個(gè)線圈存在兩個(gè)CFC匝，并且這些CFC都這樣連接，從而當(dāng)零序電流流動(dòng)時(shí)，每一個(gè)起驅(qū)動(dòng)在鐵心后部周?chē)谙嗤瑘A周方向上的磁通的作用，則每相由20匝與鐵心后部磁通(在L1中)相連接。就對(duì)于3000Hz頻率每相達(dá)到1500V的峰值電壓而論，圓周方向通過(guò)鐵心后部的峰值磁通必須是3.98m韋伯。這對(duì)應(yīng)于0.0088T的有效磁通密度，它顯然非常小，并且對(duì)鐵心后部飽和的貢獻(xiàn)不重要。
要求驅(qū)動(dòng)該磁通的MMF是磁通與磁阻的乘積，并且知道該MMF是(75.7+59.4j)安培匝。該MMF的數(shù)值是96.2安培匝。24相的每一個(gè)貢獻(xiàn)20倍的電流給該MMF，從而在每相中的電流僅需要0.2安培。因而，對(duì)于零序電流已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。
具體實(shí)施例C.對(duì)抗七次諧波(空間)電壓。
現(xiàn)在討論用來(lái)抑制七次量級(jí)空間電流分量的CFC。下面的表2表示對(duì)于兩個(gè)這樣的空間分量的線圈電流的變化。為了簡(jiǎn)化線圈計(jì)數(shù)，在0處開(kāi)始。
表#2.在10極、24相電機(jī)中的電流的7th空間諧波組合
我們已經(jīng)承認(rèn)每個(gè)線圈CFC匝的最大數(shù)是2。然后發(fā)現(xiàn)(通過(guò)在第一實(shí)例中的簡(jiǎn)單四舍五入)一級(jí)24個(gè)線圈的泄漏如表3所示。二級(jí)24個(gè)線圈除泄漏相反外與一級(jí)相同。48個(gè)線圈的以后組與48的第一組相同。
表#3.對(duì)于7th(空間)量級(jí)組的泄漏。
上面的表3定義對(duì)于兩組CFC的每一個(gè)提出的向量k。在每種情況下，我們能計(jì)算指示連接向量是多么密切匹配我們想抑制的電流分量的比率[(kT.g1)2/((kT.k)(g1T.g1))]。以上布置產(chǎn)生0.9846的值，該值指示通過(guò)把連接四舍五入到最近整數(shù)，已使?fàn)奚浅Ｐ?，最大?。
現(xiàn)在，對(duì)于零序電流抑制已經(jīng)使用了1.2m的鐵心，我們?yōu)閮蓚€(gè)7th空間諧波的每一個(gè)留下1.2m。磁阻是相同的，如早先(在涉及抑制零序電流的節(jié)中)對(duì)于1.2m的鐵心后部在3000Hz下按R＝(19021+14925j)A/韋伯計(jì)算的那樣。
當(dāng)1單位的g1在電機(jī)中流動(dòng)時(shí)，我們?cè)诰€圈#0中有1安培，在線圈#1中有0.6088安培等(來(lái)自表2)，并且把表1和2結(jié)合在一起，我們能發(fā)現(xiàn)作用在鐵心后部有關(guān)段上的總MMF是277.1安培匝。在這種情況下還注意到，作用在與零序電流有關(guān)的鐵心后部的段上的總MMF和組合向量g2都是零。
277.1安培匝的MMF在鐵心后部段的周?chē)?qū)動(dòng)(9.02-7.07j)m韋伯的磁通。該磁通在這些線圈中在3000Hz下感應(yīng)數(shù)值為432V的電壓，這些線圈通過(guò)兩匝連接到鐵心后部磁通上。平均連接比這個(gè)小，并且在每相上的凈反作用電壓是約2700V。
顯然，即使對(duì)抗每相2700V需要的磁通也不會(huì)引起關(guān)于影響飽和的擔(dān)心。而且如果在任何相中的1A最大電流在相同相中產(chǎn)生2700V的對(duì)抗電壓，那么對(duì)抗800V需要的電流大大小于1A。
具體實(shí)施例D.CFC在電動(dòng)機(jī)上作為3相變壓器使用。
考慮除纏繞為3相電機(jī)外與在具體實(shí)施例_A中描述的相同電機(jī)。讓鐵心劃分成3個(gè)相等的軸向段，并且假定每段由240個(gè)圓周磁通線圈連接(每個(gè)槽一個(gè))。在這些240個(gè)CFC中，假定串聯(lián)連接140個(gè)以形成“初級(jí)”繞組，并且串聯(lián)連接其他100個(gè)以形成一個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)繞組的兩端引出到帶有主繞組終端的電機(jī)的表面上。
如此形成的變壓器使三個(gè)電壓/電流比值的任何一個(gè)能夠用于電機(jī)，一個(gè)通常的電源比值、一個(gè)乘以1.42的電源比值或一個(gè)除以1.42的電源比值，而甚至不用考慮以“星形”連接初級(jí)及以“三角形”連接次級(jí)等。就包括的星形-三角形選擇而論，電壓與電流比值的可能數(shù)量是非常大的。在一個(gè)給定相上的100線圈繞組的電感具有10,000/(16204)H＝617mH的量級(jí)。當(dāng)這個(gè)值乘以電機(jī)電源頻率如20Hz時(shí)，100匝變壓器繞組的阻抗數(shù)值是77Ω。顯然，該阻抗應(yīng)該大大地高于主電機(jī)相在額定頻率和負(fù)載下的電壓與電流比值，條件是變壓器動(dòng)作成功的進(jìn)行，而這不是不可能的。一相的電壓與電流比值可能具有8Ω的量級(jí)。
要認(rèn)識(shí)到，因?yàn)樵谠撾姍C(jī)中鐵心后部?jī)?nèi)循環(huán)的磁通與跨過(guò)氣隙的主磁通具有相同的頻率，所以鐵心后部的一些部分具有比其他部分高的振擺磁通值，并且對(duì)增大鐵心在這些區(qū)域中的徑向深度應(yīng)給予考慮。
具體實(shí)施例E.CFC在電動(dòng)機(jī)上作為一個(gè)單電感器使用。
考慮在具體實(shí)施例A中描述的相同的電機(jī)。現(xiàn)在，對(duì)于每個(gè)線圈制造一匝CFC，并且設(shè)計(jì)計(jì)算考慮串聯(lián)連接所有CFC以由鐵心后部形成單個(gè)大電感器的含義。該電感器的端部是引出的。
如此形成的電感器具有繞一個(gè)鐵心的240個(gè)串聯(lián)匝，該鐵心的(復(fù)數(shù))磁阻是頻率的函數(shù)。然而，我們能說(shuō)，在3000Hz下，該磁阻是6340+4975j A/韋伯。在低于該頻率的頻率下，磁阻較低。對(duì)于240匝和5000真實(shí)磁路磁阻，導(dǎo)致11.5H的計(jì)算電感。該電感對(duì)于3000Hz下的電流呈現(xiàn)大于200kΩ的阻抗。
這對(duì)在驅(qū)動(dòng)器的直流鏈中抑制電流的3000Hz頻率分量或許是作用的不必要高阻抗。電機(jī)對(duì)該頻率的零序電流的阻抗可能只有500Ω的量級(jí)。就串聯(lián)的所有CFC而論，付出的代價(jià)是，每個(gè)CFC必須具有足夠的橫截面，以傳送完全的直流鏈電流。一種較好的選擇可能是把CFC劃分成10個(gè)串聯(lián)連接CFC的并聯(lián)組。然后呈現(xiàn)的阻抗是10kΩ，并且可能允許CFC的橫截面具有與主電機(jī)線圈之一的單匝類(lèi)似的橫截面。
具體實(shí)施F.CFC在磁性軸承中的使用。
磁性軸承的定子有時(shí)類(lèi)似用來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)定子。特別是經(jīng)常有一個(gè)連續(xù)的“鐵心后部”。磁性軸承一般具有至少四個(gè)獨(dú)立的繞組，盡管只有兩個(gè)磁通空間分量在產(chǎn)生側(cè)向力方面是非常有意義的，這些側(cè)向力打算出現(xiàn)在這些軸承中。有多個(gè)原因希望磁性軸承的繞組是獨(dú)立的。一個(gè)主要的原因是可靠性。繞組的獨(dú)立有可能使得軸承繞組能通過(guò)電流的空間分量，這些空間分量沒(méi)有顯著有用的用途，并且可能導(dǎo)致麻煩的損失。CFC能以準(zhǔn)確相同的方式與磁性軸承一起使用，從而磁性軸承能用在更常規(guī)的電機(jī)中。
具體實(shí)施例G.帶有二級(jí)逆變器的CFC的使用已經(jīng)注意到，CFC能用來(lái)形成大的電感，該電感可以用來(lái)消除由逆變器切換產(chǎn)生的電源污染。這是一種被動(dòng)措施。也能考慮用來(lái)凈化電源的主動(dòng)措施，并且CFC也在這里起作用。
眾所周知，通過(guò)使用小的二級(jí)逆變器添加補(bǔ)償諧波電流，能消除在電源中由大的高功率逆變器引起的電流諧波。二級(jí)逆變器一般可能是變壓器耦合到供電主逆變器的主電源線上的電流源逆變器。在這種情況下的變壓器耦合能通過(guò)CFC的使用而實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)，包括一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)定子及在其間的間隙；該定子帶有一個(gè)包括鐵心區(qū)域的前部和鐵心區(qū)域的后部的定子鐵心、一組在鐵心區(qū)域前部中是操作性的以穿過(guò)間隙引導(dǎo)磁通的導(dǎo)體、及另一組在定子鐵心的鐵心區(qū)域的后部中是操作性的以驅(qū)動(dòng)磁通的完整循環(huán)的導(dǎo)體，圍繞著電機(jī)軸，及一般與間隙平行、從而鐵心區(qū)域的后部作為電感器或變壓器的磁路是可操作的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中定子鐵心包括兩個(gè)或多個(gè)其中每個(gè)帶有一個(gè)鐵心區(qū)域前部和一個(gè)鐵心區(qū)域后部的子段，至少一個(gè)所述子段的鐵心區(qū)域的后部作為電感器或變壓器的磁路是可操作的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電機(jī)，其中每個(gè)子段是分別可操作的，從而多相電感器或變壓器能一起形成在電機(jī)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的電機(jī)，其中諸子段由較低磁導(dǎo)率的材料隔開(kāi)，從而一般禁止磁通從一個(gè)子段到另一個(gè)子段傳送。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其中另一組導(dǎo)體連接成子集，另一組導(dǎo)體的凈效果取決于各子集中電流的相對(duì)數(shù)值，從而電流的一些組合是操作性的以在定子鐵心所有子段的鐵心區(qū)域后部產(chǎn)生基本上為零的凈MMF，且子集中的電流的其他組合在定子鐵心中至少一個(gè)子段的鐵心區(qū)域的后部產(chǎn)生大量MMF。
6.根據(jù)任何一項(xiàng)上述權(quán)利要求所述的電機(jī)，其中電機(jī)具有三個(gè)或更多個(gè)主電相，每個(gè)主電相與另一組導(dǎo)體的至少一部分串聯(lián)，從而電機(jī)相對(duì)于相電流的一些組合的阻抗能大大地升高。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其中電機(jī)具有三個(gè)或更多個(gè)主電相，并且與定子鐵心的鐵心區(qū)域后部組合的另一組導(dǎo)體包括一個(gè)變壓器，每一個(gè)主電相選擇性地與變壓器的相應(yīng)繞組串聯(lián)連接，以便允許電機(jī)電壓與電流的比值通過(guò)選擇主相與所述變壓器的具體連接而確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其中連接另一組導(dǎo)體，從而它形成向電機(jī)主相供電的電力電子變換器的電路部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其中布置另一組導(dǎo)體以形成變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組，初級(jí)繞組連接到主逆變器的主電源上，而次級(jí)繞組與操作性的二級(jí)逆變器串聯(lián)連接，以消除在至主逆變器的電源中的傳導(dǎo)電氣噪聲。
10.根據(jù)任何一項(xiàng)上述權(quán)利要求所述的電機(jī)，其中定子鐵心一般是圓柱形的，并且另一組繞組是操作性的，以在定子鐵心的通常圓周方向上驅(qū)動(dòng)磁通。
11.根據(jù)任何一項(xiàng)上述權(quán)利要求所述的電機(jī)，其中定子鐵心一般是圓柱形的，并且轉(zhuǎn)子為了轉(zhuǎn)動(dòng)而安裝在定子內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電機(jī)，其中電機(jī)包括一個(gè)磁性軸承，進(jìn)一步布置另一組導(dǎo)體的導(dǎo)體以對(duì)轉(zhuǎn)子施加側(cè)向力。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)中所述的電機(jī)，其中間隙基本上是錐形的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)中所述的電機(jī)，其中間隙基本上是環(huán)形的。
15.根據(jù)任何一項(xiàng)上述權(quán)利要求所述的電機(jī)，其中定子帶有多個(gè)在其中限定槽的齒，另一組導(dǎo)體容納在所述槽中。
全文摘要
一種用于電機(jī)和發(fā)電機(jī)的新結(jié)構(gòu),涉及在電機(jī)的定子中引入一些另外的繞組,這些繞組在繞定子鐵心后部的完整環(huán)路中驅(qū)動(dòng)磁通,從而把定子鐵心作為電感器或變壓器以及用于電機(jī)主工作磁通的導(dǎo)體拉入使用中。定子鐵心可以劃分成幾個(gè)不同的段,每段起獨(dú)立磁通載體的作用。如此產(chǎn)生的電感器或變壓器具有多種可能的用途,包括濾波驅(qū)動(dòng)器直流鏈中的電流,用于抑制在電機(jī)終端處的電壓零序分量,抑制電機(jī)中相電流的一定組合,并且使電機(jī)向其電源提供幾個(gè)不同的電壓與電流比值。
文檔編號(hào)H02K11/00GK1252181SQ9880402
公開(kāi)日2000年5月3日 申請(qǐng)日期1998年3月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月11日
發(fā)明者西莫斯·D·加維 申請(qǐng)人:因賽特－M有限公司