[发明专利]用于电机的非正弦电流波形激励的系统和方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及电机(electrical machine)，更具体地涉及用于以瞬态非正弦电流波形激励电机的控制方案。

背景技术

随着时间的推移，电机在各个行业中的使用在许多工业、商业和运输业中继续变得更加普遍。在用于这种电机的功率电子和控制技术领域取得极大的进步和巨大的成就，从而导致增加的能源节约和控制灵活性。由数字技术造成的计算机技术的继续进步提供这种成就。数字技术导致计算机的尺寸和成本非常显著的缩减，从而允许它们成功地代替陈旧的、庞大的并且相对昂贵的机械系统。

尽管数字增强的控制系统和计算机的性能有所进步，但是与这种控制系统一起使用的电机的结构绝大部分保持不变。例如，如图1A和图1B所示，当今在许多领域中全面使用的现有技术电机6，特别是用于混合应用的电机，装备有整数槽分布绕组8，其当由AC电流激励时在空气间隙中产生完全正弦的旋转场。图1A示出绕组8的24槽重叠分布布置，而图1B示出绕组8的12槽重叠集中布置，这种构造在本领域中已知。仍然在使用的这些整数槽分布绕组设计成用于理想正弦波形，其基于一个世纪前设计成用于与60Hz电源一起使用的早期机器。在用于使这些绕组供给有正弦电流波形的现有电机中的变换器因而设计成使用脉宽调制(PWM)技术。这些PWM技术使用非常高频率的载波信号，从而导致在变换器装置中的高开关损耗，以及电机的定子绝缘系统的使用寿命的显著缩短。

特别参考具有严格包装限制的用于混合应用的电机的使用，对获得高功率密度机器的需要必须使这些机器在高速下操作。这需要高基础激励频率，其产生高频谐波，从而导致定子叠片中的大涡电流损耗。为了减小这些损耗，设计者不得不使用可能贵得惊人的薄叠片。

为了克服与传统电机设计相关的缺点，开发出具有可选的绕组构造的设计。例如，开发出分数槽集中绕组(有时称为齿状绕组)作为可选构造(例如，见图3A和图3B)。这种绕组更简单、更容易制造、较便宜并且帮助改善机器功率密度。然而，齿状绕组引入空间谐波的增加的等级，其在机器空气间隙中产生非正弦旋转场。这些非正弦场在定子和转子两者中都产生损耗并且从而降低机器效率。

因此，希望设计一种电机，其可直接接受非正弦电流波形，同时维持高功率密度和高效率。还希望提供用于控制该机器的控制方案，其抑制典型地与齿状绕组相关的附加的谐波分量的作用。

发明内容

本发明涉及用于以瞬态非正弦电流波形激励电机的方法和设备。

根据本发明的一个方面，提供具有可连接到电源的输入和可连接到电机的输入终端的输出的马达驱动器，电机具有多个分数槽集中绕组。马达驱动器包括变换器和控制器，变换器在其中具有多个开关以控制电机中的电流和终端电压，控制器连接到变换器并且编程为输入初始正弦电流需求到变换器，从而使变换器输出初始正弦输入电流。控制器还编程为接收在由初始正弦电流需求产生的电机中的空气间隙磁场上的反馈，确定空气间隙磁场的瞬态基波分量和瞬态谐波分量，并且施加校正到空气间隙磁场的瞬态基波分量以产生理想基波分量。控制器进一步编程为基于理想基波分量产生非正弦电流需求并且输入非正弦电流需求到变换器，从而使变换器输出非正弦电流。

根据本发明的另一个方面，提供用于激励具有多个分数槽集中绕组的电机的方法。方法包括步骤：输入测试正弦电流需求到变换器并且响应于测试正弦电流需求在变换器中产生初始正弦电流波形，该初始正弦电流波形输出到电机以在包括在其中的转子和定子之间产生旋转磁场。该方法还包括步骤：确定旋转磁场的基波分量和谐波分量，从测试正弦电流需求和基波分量确定用于空气旋转磁场的理想基波分量，并且基于理想基波分量确定希望的电流波形。该方法进一步包括步骤：基于希望的电流波形产生非正弦电流需求并且输入非正弦电流需求到变换器，从而使变换器输出非正弦电流波形到电机以产生正弦旋转磁场。

根据本发明的又一个方面，提供马达驱动器控制器用于施加电流指令到变换器以控制电机中的电流和终端电压。马达驱动器控制器构造成输入初始正弦电流需求到变换器，从而使变换器输出初始正弦输入电流。马达驱动器控制器还构造成接收输入信号，其包括在响应于初始正弦电流需求在电机中产生的瞬态旋转磁场上的数据，确定瞬态旋转磁场的瞬态基波分量和瞬态谐波分量，并且基于初始正弦电流需求和瞬态基波分量确定用于旋转磁场的理想基波分量。马达驱动器控制器进一步构造成基于理想基波分量产生瞬态非正弦电流需求并且输入瞬态非正弦电流需求到变换器，从而使变换器输出非正弦电流，该非正弦电流使电机产生具有理想基波分量的旋转磁场。