法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2023-11-03
专利权的转移 IPC(主分类):H02K 3/28 专利号:ZL2010105213468 登记生效日:20231018 变更事项:专利权人 变更前权利人:合肥万泉智能驱动系统研究院有限公司 变更后权利人:徐志瑶 变更事项:地址 变更前权利人:230000 安徽省合肥市高新区创新大道2800号创新产业园二期H2栋534室 变更后权利人:200127 上海市浦东新区浦东南路2192弄37号101室
专利申请权、专利权的转移
2018-02-16
专利权的转移 IPC(主分类):H02K3/28 登记生效日:20180129 变更前: 变更后: 变更前:
专利申请权、专利权的转移
2012-07-25
授权
授权
2011-04-13
实质审查的生效 IPC(主分类):H02K3/28 申请日:20101027
实质审查的生效
2011-03-02
公开
公开
技术领域
本发明属变频驱动技术领域，具体涉及一种适用于变频驱动的双额定频率三相电机方法。
背景技术
目前变频驱动技术已被广泛应用于各行各业。变频器产品一代接一代不断地推陈出新，推动着变频驱动技术的完善和进步。
电动机和变频器是组合成一个变频驱动系统（以下简称为系统）最基本的两部分。各种类型的三相感应式异步电动机（以下简称为通用电机）是现有系统中使用量最多的电机，它占据了总使用量的90%以上的份额。
我国的通用电机额定频率是50HZ，额定电压大多为380VAc。在国外，不同地区通用电机的额定电压有所不同，额定频率有50HZ，也有60HZ，它们都是与当地电网的电压等级和频率相一致的。
当这些通用电机和变频器组合成系统，系统的输出特性曲线（以下简称为系统特性）如附图1所示。两曲线的“拐点”只与电机的额定频率50HZ（或60HZ）相对应。“拐点”把系统的调速范围划分为恒转矩调速和恒功率调速两个区域。事实上，目前国内和国外由通用电机组合成的系统，其系统特性大多就如附图1所示。小于50HZ（或60HZ）为恒转矩调速，大于50HZ（或60HZ）为恒功率调速。
近些年来，人们在开发新能源汽车中，无论是混合动力汽车，还是纯电动汽车，也应用到了变频驱动技术。它们的电源大多是直流（电池）电压，经逆变器转换成电压和频率连续可控的三相交流电压输出，驱动三相电机。电机的选择上，有通用电机，三相永磁同步电机和三相磁阻电机等等。然而，它们的系统特性也都是由电机的额定频率所确定：小于额定频率为恒转矩调速，大于额定频率时为恒功率调速。每一台电机的额定频率对应一组特性曲线。曲线的“拐点”通常对应的是50HZ（或60HZ）。
在通常情况下，系统中的电机大多运行在电动状态，即电机将变频器供给的电能转化成动能（转速和转矩）驱动负载运行。然而，也有不少状况下，系统中的电机是运行在发电状态，即电机的输出轴在外力的带动下，把外力的动能转化电能回馈电源。譬如，纺织和制药行业的由系统驱动的离心式脱水机，在高速运转后进入减速停车时，这些大转动惯量的负载会带动电机进入发电状态；由系统驱动的起重吊装机械，在下放重物时，重物的位能会使下放加速，若失控会酿成事故，此时需将系统调控在发电运行状态，电机把重力位能转化成电能回馈电源的方式，滞阻下放加速以缓缓匀速地下放；电动汽车在减速和制动时，在下坡路段行驶时，系统也可把电机控制在发电状态，以使车辆动能的回馈和下坡路段的匀速缓行；更有甚者，有一种需要，使人们把系统的主要工况设计成发电状态。这时的系统成了一个电源，源源不断地向设施中的其他用电部分供电；混合动力汽车中的变频驱动系统中的电机有被设计为电动和发电两者兼顾。
发明内容
本申请人在2007年4月12日提交了一项发明申请：《按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法》，申请号为200710039396.0（以下简称为A申请）。已经授权。本申请人在2008年8月18日还提交了一项PCT发明申请：《一种由“原型电机”形成“派生电机”的方法》，申请号是PCT/CN 2008/001481(以下简称为PCT申请)。本发明是对前两项申请技术的推广和延伸。
在现有系统中的电机都只有一个额定频率，而且大多为50HZ（或60HZ），当它和变频器组合成系统的输出特性如图1所示。本发明使得在一台电机中含有两个额定频率fL和fH。而且，频率fL和fH可以根据需要，在相当宽泛的频率范围内进行选择。当这种双额定频率的电机和相匹配的变频器组合成系统后，系统就具备了如图2所示的两组系统输出特性曲线。
图2中的两组曲线的“拐点”分别对应的频率为fL和fH。fH是fL的2倍；额定频率为fH时电机的额定功率和系统的恒转矩调速区域也是额定功率为fL时电机的额定功率和系统的恒转矩调速区域的2倍。
在众多需要变频驱动的负载中，按其负载特征和要求，虽然大多数不必采用这种双额定频率电机组成的系统。因为该系统设计的控制电路要比现有常规的系统复杂一些，使用的器件也多，成本也高一些。但是，对一些特定的负载，却是适合和需要的。譬如纯电动汽车主驱动这样的负载，当它在市区内行驶，在山区上坡和下坡路段行驶时，需要低速运行；上了高速公里和郊区路面空旷时需要高速运行，电机的调速范围要求非常宽泛。现有的系统的调速范围常常难以高速低速两者兼顾。
本发明把系统的恒转矩调速范围增大一倍，可以较好地解决高低速两者兼顾的问题。
作为把系统设计成为主要用于发电状态运行的特例。当外力带动电机轴的转速时高时低，高速低速相差悬殊，又飘忽不定，仍要求系统把外力的动能转化为电能向用电设备供电时，双额定频率电机组成的系统无疑会是更好的选择。总之，由双额定频率三相电机组合成的系统是变频驱动设计中的一种新选择。
在具体阐述本发明内容前，先简要地介绍一下A申请和PCT申请的有关内容。
A申请指出，目前国内国外广泛使用的变频驱动系统的输出特性，由单一的两条曲线所表示（如附图1）。两条曲线的“拐点”对应通用电机的额定频率50HZ（或60HZ）。这种单一无选择的系统特性，面对各类不同负载的特性和要求，常常难以相匹配。
A申请提出了以通用电机的定子绕组参数为基准，按每个定子绕组线圈逐次减少一匝和逐次增加一匝，根据定子绕组导线的用铜量基本相当的规则，计算出“派生电机”定子绕组，就形成了原通用电机的“派生电机”群。
A申请中，以我国Y系列型号Y160L-6（11KW/6极）的通用电机为例，作了具体说明。得到了Y160L-6通用电机绕组重新设计得到的“派生电机”的参数列表。（参见表1）
表1
列表1的数据揭示了：
1. 众多“派生电机”的额定频率与定子绕组每线圈的匝数成反比例关系；
2. 它们的额定电流和额定功率与额定频率是线性正比；
3. 它们在各自的额定功率运行时的导线电流密度与原通用电机相同，也即它们的定子绕组和转子的导线铜耗与原通用电机相同。
A申请指出，由通用电机得到的众多“派生电机”群，当它们各自与匹配的变频器组合成系统后，就可得到由众多组曲线形成的系统输出特性的曲线簇。曲线簇中的每一组“拐点”分别一一对应着众多的“派生电机”各自的额定频率。设计人员在为某一负载按其特性和要求设计变频驱动系统时，从曲线簇中选择某一组曲线，与负载的特性和要求相匹配，可以设计出较为理想、经济合理的系统。
针对A申请在计算“派生电机”的参数的方法，得到的“派生电机”数量不够多，特别是额定频率大于120HZ以上的“派生电机”比较稀疏，无法满足对某些特定的额定频率电机的要求。为此，本申请人的PCT申请提出一种等效计算的方法，从而充实和完善了从通用电机形成“派生电机”的方法。
PCT申请中的等效方法是：以通用电机（以下也称之为“原型电机”）的定子绕组参数为基准，按定子绕组导线用铜量相当的规则，获得“派生电机”与原通用电机之间相关联的等效系数S，再用该等效系数S乘以相应的“原型电机”的参数，计算出相应的“派生电机”的参数。这种等效方法提供了一种能够获得“派生电机”的参数排列更密集的方法，特别是获得额定频率大于120HZ的“派生电机”的参数排列更密集的方法。
在等效方法中，等效系数S为匝数因子X，串并联因子Z和Y-△转换因子y的乘积，即S=X*Z*y。
其中，匝数因子X为“原型电机”定子绕组中每个线圈的匝数与“派生电机”定子绕组中每个线圈的匝数的比值，即X=T/（T±N）（T为“原型电机”每线圈的匝数，N为0,1,2,3……的自然数）。“原型电机”定子绕组中每个线圈逐次减少一匝或逐次增加一匝，都形成一个“派生电机”定子绕组中每个线圈的匝数。
串并联因子Z为在“派生电机”定子每相绕组的线圈总数相对于对应的“原型电机”定子每相绕组的线圈总数不变的情况下，“派生电机”定子每相绕组线圈的并联支路数与所述“原型电机”定子每相绕组线圈的并联支路数的比值。
当“原型电机”的三相绕组为Y连接，“派生电机”的三相绕组也是Y连接，Y-△转换因子y为1，若“派生电机”的三相绕组改为△连接，则Y-△转换因子y为 ；当“原型电机”的三相绕组为△连接，“派生电机”的三相绕组也是△连接，则Y-△转换因子y为1，若“派生电机”的三相绕组改为Y连接，则Y-△转换因子y为1/。
PCT申请中，仍以Y160L-6（11KW/6极）通用电机为例，对等效方法作了具体的说明。分别对每相绕组中的6个线圈以二串三并和三串二并两种等效方法计算出了众多“派生电机”的各项参数。参见PCT申请中的表2—表5的参数列表。
在简要介绍了A申请和PCT申请的相关内容后，阐述本发明的技术方案如下：
a、应用（PCT申请中的）等效方法，可以对任意一台通用电机形成它的“派生电机”群。无论“原型电机”的三相绕组是Y型连接，还是△连接，这些“派生电机”的三相绕组均设计成Y连接方式；而且每相绕组的线圈的并联支路数应是偶数。
以下，仍以Y160L-6（11KW/6极）通用电机为例，作具体说明。该“原型电机”每相绕组为6个线圈串联（并联支路数为1），每个线圈为28匝，绕组的导线截面积2.834mm2（这里也是每线圈的导线截面积），三相绕组为△连接，电机的额定电流为25A。
把“派生电机”每相绕组中的6个线圈并联连接，得串并联因子Z=6；把“派生电机”的三相绕组的连接由“原型电机”的△连接设计为Y连接，得Y-△转换因子y=1/；再对“原型电机”的定子绕组中每个线圈的匝数T=28进行逐一地减少一匝和逐一地增加一匝地排序，计算求得每个匝数因子X，然后计算得每个等效系数S。它们的一连串计算结果，参见表2。
表2 每相绕组中6个线圈并联后计算的X和S值的列表
上表中，N为0、1、2……的自然数； X1=X=T/（T-N），X2=X=T/（T+N），T=28；S=X*Z*y ，Z=6，Y=1/。
在获得了表2的等效系数S的数值后，y160L-6（11Kw/6极）通用电机的“派生电机”的相关参数即可一一求得，参见表3。
其中，“派生电机”每线圈的导线截面积=“原型电机”每线圈的导线截面积乘以匝数因子X；
“派生电机”每相绕组的导线截面积=“原型电机”每相绕组的导线截面积乘以S再除以y；“派生电机”的额定频率=“原型电机”的额定频率乘以等效系数S；“派生电机”的额定功率=“原型电机”的额定频率乘以等效系数S；“派生电机”的额定电流=“原型电机”的额定电流乘以等效系数S。
表3 每相6个线圈并联后所得S对应的“派生电机”绕组参数列表
表中S为等效系数，P1为“派生电机”每线圈的导线截面积（mm2），P2为“派生电机”绕组导线截面积（mm2），P3为“派生电机”的额定频率（HZ），P4为“派生电机”的额定功率（KW），P5为“派生电机”的额定电流（A）。
由表3获得的“派生电机”的参数，我们就可以在80HZ~250HZ的频率范围得到40多台额定频率可排序的“派生电机”。它们的外型尺寸和制作时的耗材相同。额定电压相同，当它们运行在各自的额定功率时的导线的电流密度相同，也即定子绕组的铜耗和转子电流在转子导体中的损耗相同。它们的三相绕组是Y型连接，每相绕组是6线圈并联，并联支路是偶数。
b．在这些“派生电机”的内部接线时，把每相绕组的并联支路分成为两组，每组的线圈数相等。三相绕组成6组，它们的引出线分别记为：U1~U2，U3~U4；V1~V2，V3~V4；W1~W2，W3~W4；如附图3所示。其中，它们依次表示第一相的2组、第二相的2组和第三相的2组。
然后把第一相、第二相、第三相的第二组的引出线U4，V4，W4在机内短接，其余9根引出线引至接线盒，这9根引出线分别是：U1，V1，W1，U2，V2，W2，U3，V3，W3（U4，V4，W4也可引出至连线盒在机外短接）。参见附图3。
c．双Y接线和大Y接线的相互切换
对“派生电机”的9根引出线作双Y接线和大Y接线相互切换，见附图4。当触点C1闭合，触点C2断开时，三相绕组呈双Y并联接线；当触点C2闭合，触点C1断开时，三相绕组呈大Y型接线。其中，触点C1分别：是引出线U1和引出线U3联接的开关触点，引出线V1和引出线V3联接的开关触点，引出线W1引出线W3和联接的开关触点，引出线U2和引出线V2联接的开关触点，引出线V2和引出线W3联接的开关触点；触点C2分别是：引出线U2和引出线U3联接的开关触点，引出线V2和引出线V3联接的开关触点，引出线W2和引出线W3联接的开关触点。
根据A申请和PCT申请所指出的原理，当双Y并联接线时，若“派生电机”的额定频率为fH，则切换为大Y型接线时，“派生电机”每相绕组的匝数等效地增加了一倍，此时“派生电机”对应的额定频率fL=1/2fH。
图4中的切换开关可以由电磁接触器执行，也可以是手动开关式的触点切换；在进行双Y接线和大Y接线互相切换时，应设置一辅助触点信号，同时传送至变频器的控制电路。
d．选择相匹配的通用型变频器组合成系统
仍以上述Y160L-6（11KW/6极）形成的表3所列的“派生电机”为例。当按负载的特性和要求在这众多的“派生电机”中选择了某一台电机后，需要选择相匹配的通用型变频器组合成系统。所谓的相匹配不仅是变频器的额定输出容量要与“派生电机”在额定频率fH时的额定功率上匹配，同时要求该通用型变频器的用户应用软件（用户使用时须设置应用参数）中能具备存储两台电机相关参数的功能。而且，该该通用型变频器还应对被驱动的电机具有速度跟踪功能。
目前的通用型变频器大多具有电机的速度跟踪功能。该功能可以使得变频器在带电机运行时，碰到电网瞬时停电或外界瞬时干扰时，保持系统继续运行。变频器的速度跟踪功能可以保证双Y接线和大Y接线互相切换的正常进行，所以，不具备这一功能的变频器则不在选用之列。
在选择了相匹配的变频器组合成系统后，就得到了如附图2的系统特性。当电机接受双Y接线和大Y接线互相切换指令时，变频器也同时受到相关指令，使得存储在变频器内的两台电机的相关参数，同时得到切换。
附图说明
图1为通用电机的系统特性。其中，a为系统的转矩-频率特性，b为系统的功率-频率特性。
图2为本发明设计的电机的系统特性。其中，a为系统的转矩-频率特性，b为系统的功率-频率特性。
图3为本发明的三相绕组内部接线示意图。其中，a为由原型电机求得的派生电机的每相绕组的6个线圈分为2组的接线图，b为所有双额定功率三相电机定子绕组内部接线示意图。
图4为本发明设计的电机的大Y/2Y相互切换示意图。
图5为图4中触点C1、C2接线图示。
具体实施方式
下面以一台实验样机的测试数据，以及可能被应用的领域为例子，描述本发明的实用效果。
a．一台“原型电机”为Y100L-6(1.5Kw/6极)的通用电机，其额定电压380V，额定电流4A，额定功率时的效率为76%。按PCT申请的等效方法设计制作了它的“派生电机”，额定频率为179HZ，额定电压380V，额定电流14.4A。在某大学的电机试验室进行测试。实际运行检测的数据显示：当它运行在175HZ~190HZ频率段，输出功率为5.5Kw时，它的效率达0.89以上。这一效率是界于GB18613-2006关于5.5Kw/2极电机2级能效等级标准值（0.88）和1级能效标准值（0.90）的效率值。所以该台样机是台高能效电机。
在制造电机的耗材上基本相同的条件下，“派生电机”的效率，特别是额定频率大于120HZ以上的“派生电机”的效率，相比较额定频率是50HZ的“原型电机”，效率为什么会较大幅度地提高，分析如下：
“派生电机”的励磁电流中有功分量，随着频率的上升，电机的铁耗会增大，铁耗是个正增量。铜耗和铁耗是影响电机效率的两大主要因素。电机的铜耗，包括三相电流在定子绕组中产生的铜耗和转子的感应电流在转子笼型导体中产生的损耗。如前所述，“派生电机”的铜耗与“原型电机”在各自额定功率时是相同的。当它们与各自的额定功率去计算铜耗所占的百分比时，百分比下降了许多。也就是说，这时百分比的下降，相当于电机有功损耗的负增量。而且，这个负增量要比铁耗的正增量在绝对值上大许多。即铜耗增量|△copper cost|＞＞铁耗增量|△iron cost|。两者综合在一起，有功损耗的增量是负值。负值增量就是提升了电机的效率，负值越大电机效率则越高。这就是该台样机成为高能效电机的原因。
同样，当双额定频率三相电机的额定频率f H选择比50Hz（或60Hz），高出一倍或更高时，也会大幅提升它们的效率。
b. 现有电动汽车主驱动电机都是单额定频率的。汽车主驱动这样的负载，其特性和要求是非常严格的。
首先，它的调速范围要求比较宽泛。在交通拥堵时，其速度很低，上了高速公里或需要超车时的速度很高。这就需要主驱电机有近二十倍的调速范围。单额定频率电机的有效的调速范围一般不足十倍。高速和低速相差二十倍，是很难两者兼顾的。即使勉强达成了二十倍的调速，其运行品质也会是比较差的。
本申请技术方法的双额定频率电机，其恒转矩速范围扩大了一倍。若两额定频率中，每一额定频率的有效调速范围也是十倍左右，则两者合在一起；有效的调速范围就是近二十倍，就能较好地满足主驱动负载高低速的要求。
其次，车辆行驶时速度的随机性很大。无论是在市区的中速行驶，还是在宽敞路面的快速行驶，随时有突然减速和制动的发生。对电动汽车的主驱动电机来说，电动状态和发电状态的相互变化随时都会出现。电机的发电状态是把车辆的惯性动能转化为电能的过程，转化能量的大小就是对惯性动能的制动力的大小。
在一个由旋转编码器对电机测速反馈的闭环控制下的系统中，电机发电状态时制动能力的大小是可以通过对转速差△n的控制而实现的。转速差△n是通用电机的同步转速n。与电机的实际转速n2之差，即△n= n0 -n2。△n＞0，电机为电动状态；△n＜0，电机为发电状态。△n负值越大，则制动力越强。
由双额定频率电机组成的系统，可以分别在高速和低速的两个区域对转速差△n进行控制。这无疑会比单额频率组成的系统对转速差△n的控制更为理想。
所以，本发明方法应用于电动汽车的主驱动系统会是一个好的选择。
c．在系统被设计成完全用于发电状态的应用领域
这样的设计，系统就成为是整个设备中的一个电源。电机轴在外力（如内燃发动机）的带动下，系统源源不断地把外力的动能转化为电能向设备中的用电部位供电。系统在转速闭环控制下，对转速差△n的控制，就能实现系统转化电能量的大小。若当电池充电已满时，也能实现△n=0的临界运行，此时n0=n2，系统暂停电能转化。
如果带动电机轴的外力，其转速高低很大，有十多倍，二十多倍的变化的情况下，仍要求系统能稳定地供电，本申请的技术方法应是可供选择的方案之一。
d．近期人们在开发新能源汽车中，应用了变频驱动技术。系统中，对电机的选择除了通用型的异步电机，也有三相永磁同步电机和三相磁阻同步电机。
该两款电机与异步电机的主要差异点是：转子的结构和工作原理上的不相同。它们的转子结构是永磁材料，工作时转子中不产生感应电流，因而不存在如异步电机转子中产生的感应电流和由此产生的转子损耗。所以它们的效率较高，同时它们的功率密度也要比异步电机高。但是，从定子三相绕组的结构和三相绕组从变频器输入三相电流后，在定子和转子的气隙间产生旋转磁场的工作原理上看，该两款电机和异步电机却是相同的。
所以，本发明对三相永磁同步电机和三相磁阻同步电机在定子绕组上也完全是适用的。即本发明不仅可用于三相异步电机，同时也可用于三相永磁同步电机和三相磁阻同步电机，设计制造出双额定频率的三相永磁同步电机和三相磁阻同步电机以及由此组合成的变频驱动系统。
机译： 使用一种变频驱动器运行两个电动机的船舶的双变频驱动装置和使用该装置的电动机控制方法
机译： 级联，由一台异步电机组成，通过一个特殊的三相励磁机（在支座中带有滑差频率搅动的三相电机）作为后励电机，在三相励磁机励磁电路中有两个双旋转变压器
机译： 一种将超声波频率施加到头发上的发型设计方法，以及愿意将超声波频率施加到头发上的发型师执行一种方法
