[发明专利]电机

说明书

本发明是一种新型的交流电机-电动机和发电机的电磁结构。本发明形成一类结构，因为本发明的新颖方案能引入到几种不同现存结构的任何一种中，以从中得到好处-在每一种情况下都有相同的效果。

本发明强烈涉及在远高于电机基本操作频率的频率范围内可能具有相当容量的电机终端处经历电压谱的所有交流电机。所有由PWM(脉冲宽度调制)和其他切换模式的电子驱动器驱动的电动机经历这样一种电压谱，并且所有供电电子变频器或整流器的发电机也同样经历这样一种电压谱。本发明附加地或不同地大量涉及其中电机要由带有一个直流链的电力电子驱动器驱动的情况。

本发明还涉及这样的情况，其中如果电机能向其电源提供几种不同的电压电流比值(以相同方法，例如，进行从星形到三角形连接的变化)，则能最好地利用电机。

最易于应用这种新结构的显著特征的电机种类，是带有一个外部定子的圆柱形气隙电机的普通种类。然而，显著特征也能应用于也由这些产生新结构的其他电机配置。

本发明的背景按四种性质不同的部分作介绍：

(A)借助于电机的电力电子驱动操作。

(B)电压和电流的空间分量…3相电机。

(C)电压和电流的空间分量…多相电机。

(D)零序相电流和在直流链中的波浪。

背景A借助于电机的电力电子驱动操作

作为高频电流在电机绕组中存在的直接结果，在电机中能出现大量的功率损失。这些损失通过多种机理存在。其中主要是在电磁铁中的涡流和磁滞损失、及当磁通横向通过铜导体时在他们中的涡流损失¹(介电损失在频率范围的一定部分处可能也是显著的，但这些损失主要涉及电压，并且在电机绕组中的抑制某些模式的电流的效果不会直接减小这些。)这里描述的新结构的具体特征在一些电机中能具有抑制某些高频电流分量的效果，结果是减小损失和电磁辐射。高频电流作为在电机终端处电压谱中的高频含量的结果而出现。由电力电子驱动器驱动的电动机总是经受这种谱，除非把一个滤波器装入该驱动器中。在多数情况下，本发明减小或消除对该滤波器的需要。任何电力电子驱动器能理想化成图1所示。

在图1中，由实线表示的连接指示导体组，而电压源符号表示电压源组。类似地，电机终端表示一组终端。这种理想化对于电动机速度和负载的每一种组合具有相同的形式，但在每种情况下具有不同的参数。

图1中的每组电压源产生一个不同的频率分量。电压组v₀表示在电机中产生主工作电流的基本电压波(一般10kHz-100kHz)。其他电压组v₁-v_x表示其他频率分量(一般在1.5kHz与100kHz之间)。在PWM(脉冲宽度调制)驱动器的情况下，总是有一个带有边频带(以基本主频率倍数处的频率隔开)的载波频率强分量，以及载波频率的谐波和在这些谐波上的边频带。其他类型的电力电子驱动器产生不同的电压谱，但在高频处都具有丰富的电压谱。在感应电机的情况下，除v₀之外的一些频率分量能产生少量的净正转矩，但以对损失不成比例的大贡献为代价，并且一般事实上是，如果这些频率分量不存在，则能提高任何电动机在最大机械功率输出或最大效率方面的性能。

图1表示在驱动器中与诸电压源串联的一个阻抗Z。该阻抗是一个基本量，因为几个电流通过它，并因而几个电压在它两端下降。该阻抗对于每个频率分量是不同的，但通常对于在谱中的大多数频率分量，在Z两端降低的电压比在电动机两端降低的相应电压在数值上要小得多。滤波器能装到驱动器上，以对于一定的频率分量增大Z，因此减小在电机终端处出现的一些不良电压。完整的驱动器带有安装的滤波器，从而在基本电机操作频率区域中对于除低频率外的所有频率，Z非常大(与电动机特性相比)。但因为必需考虑元件的成本、尺寸和质量，这样的滤波器经常是不实际的。

在该文件中呈现的本发明是不同于标准结构的一种类型的电机结构，事实上它包含一种另外的特征，其效果几乎能准确地与以特别方法增大Z相同，以减小在电机终端处出现的一些电压。

效果也可能不同，这取决于如何使用另外的结构特征。其他可能的效果更易于理解，并且认为不需要关于这些的另外背景。因此关于这些的讨论专留给涉及通用和具体实施例的部分。

为了在抑制电流的某些不良组合方面理解和使用本发明，必须承认在电机终端处的电压和电流组能以2种方法分解：

时间上-其中在每个终端处的电压(电流)看成是由无限多个频率分量组成