[发明专利]低电感、高效率的感应电机及其制造方法

说明书

技术领域

本发明的实施例大体上涉及具有低漏电感的感应马达，更具体而言，涉及一种用于通过提供包括碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的功率变换器来设计低电感、高效率感应电机(induction machine)的方法和系统。

背景技术

感应电机通常使用带有活性硅切换装置的功率变换器来驱动。切换装置通常使用脉宽调制(PWM)技术来操作，以便将直流供电电源转变为可用来驱动感应电机的交流电源。在PWM中，使用一系列直流脉冲来驱动切换装置。当突然从功率变换器在电感负载上施加电压时，通过负载的电流随时间几乎线性地增加。当随后关闭电压时，通过负载的电流不立即降到零，而是随时间大致线性地减小(随着电感器的磁场衰减)，并且电流在续流二极管中流动。因此，由功率变换器施加到负载上的输入电压脉冲表现出锯齿状的电流波形。输出电流的变化通常被称为滞流(current ripple)。

滞流通常是不期望的，因为它耗费电感器内的能量，并且可在负载中引起不需要的脉动。滞流产生不期望的EMI和机械振动，并且在马达内产生谐波损耗。谐波电流流过定子导体和转子导体并引起谐波铜耗，并且谐波磁通将其自身限制在铁芯表面，并在定子齿和转子齿内产生谐波铁芯损耗。滞流越大，感应电机的电流波形的质量越低。

滞流主要是由于PWM电压波形中包含的谐波。对于给定的直流母线电压，滞流主要取决于功率变换器的切换频率以及机器的瞬态电感或漏电感。公式1表示作为机器峰值基本相电流的比率的机器滞流系数。

kripple=1ImaxVDCTs4Lσ]]>公式1

I_max为峰值基本相电流(A)，V_DC为直流母线电压(V)，T_s为切换时间(s)，L_σ为电机瞬态电感(H)。

如果感应电机的一个相的漏电感成比例地较大，则滞流一般将较低，而不论功率变换器内的切换装置的切换频率如何。因此，感应电机的漏电感越高，输出电流波形越逼近理想波形。因此，感应电机通常设计成具有足够高的漏电感以保持低滞流。

然而，将机器设计成具有较高漏电感具有多个缺点，其中包括降低机器效率和降低机器通量弱化能力。此外，增加的漏电感经由电力系统中的线路缺口注入谐波。

对于许多应用来说，与特定相相关的漏电感成比例地较低。这种低漏电感意味着，对于相同的载波频率，滞流将高得多。高滞流潜在地注入不可接受的噪声量到马达内。如果滞流足够高，则可导致输出在其指定特性以外工作。例如，在电动马达的情况下，增加的滞流导致对机器的转矩和转速的控制降低。当滞流足够高时，由于不在其合适的电流范围内操作，马达可完全失效。

提高的弱磁能力是例如在牵引应用中使用的感应电机的重要特性，在其中，对于在感应电机角点(corner point)以上的速度，希望驱动器和感应马达在较宽的速度范围内以恒定或几乎恒定的输出功率操作。以低于角点的马达转速操作常常被称为在“恒定转矩”区域中操作，而在感应电机的角点以上操作常常被称为在“恒定功率”操作模式下操作。通常，低漏电感感应电机设计允许在超出感应电机的基本转速3倍的转速范围内进行“恒定功率”模式的操作。

因此，希望设计一种感应电机，其保持优质的电流波形并以低漏电感工作以增加机器效率和提高机器的通量弱化能力。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种电驱动系统包括感应电机和功率变换器，功率变换器电联接至感应电机以驱动感应电机。功率变换器包括多个碳化硅(SiC)切换装置。该电驱动系统还包括控制器，该控制器电联接至功率变换器，并且被编程为用以将切换信号以给定的切换频率传送至多个SiC切换装置，使得峰-峰滞流小于大约5％。