专利名称：永磁同步电机驱动系统和永磁同步电机驱动系统测试方法
技术领域：
本发明涉及永磁同步电机驱动系统以及永磁同步电机驱动系统的测试方法。
更具体地说，根据本发明的永磁同步电机是这样设计的，以使其泄漏电流减小。
根据本发明的永磁同步电机有效应用于升降机。
背景技术：
通常，永磁同步电机(为了方便，以下在需要时，将其简称为“PM电机”)具有2层叠绕组(通常采用的)。假定用于升降机的PM电机具有波形大致为正弦(正弦曲线)的感应电压，而且降低转矩波动。因此，通常可以将每个磁极和每个相位的槽数Q(槽的数量)增加到最大。
用于无齿轮起重机的PM电机的转速低，因此需要多个磁极。在用于无齿轮起重机的PM电机内采用2层叠绕组可以进一步增加槽数Q。这样，会提高绕组端与地之间的浮动电容(静电电容)，因此容易产生泄漏电流。特别是，利用逆变器可变驱动PM电机会产生高频泄漏电流。
以下将说明为什么利用逆变器可变驱动PM电机会产生泄漏电流。
最近，已经开发出诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)的高速功率器件，从而提高逆变器的载波频率(即开关频率)。因此，切换逆变器能迅速改变电压。
切换逆变器产生常模电压(用于提供负载电流)和共模电压。根据逆变器的开关状态，共模电压以这样的方式迅速变化，即形成阶梯。因为完全不受流过负载的电流的影响，或者完全不受负载阻抗的影响，所以相对于标准电位，可以将共模电压看作整个负载的电位。常模电压的物理意义是“0相位电压”，它是由坐标变换确定的。
图9示出用于可变驱动永磁同步电机1(以下简称“PM电机1”)的驱动系统。整流器2将三相电源3输出的三相交流电整流为直流电流。随后，电源PWM逆变器4将交流电压(具有可变频率)送到PM电机1，其中PWM代表脉宽调制。利用上述过程，能可变驱动PM电机1。
切换电源PWM逆变器4的功率器件可以以这样的方式迅速改变共模电压(由电源PWM逆变器4产生的)，即形成阶梯。这样会产生通过PM电机绕组的浮动电容从电机机壳流入地端的泄漏电流。
传统方法是，考虑以各种方式使0相位阻抗更大，即以各种方式降低浮动电容(静电电容)。
然而，已经证明，仅考虑0相位阻抗不能有效降低泄漏电流。以下将做更具体说明。
图1示出根据先前技术，用于描述3相端(块)和地端之间的静电电容的测量值的、用于无齿轮起重机的PM电机的静电电容(0相分量)的频率特性。使用LCR计测量可变频率，其中LCR代表电感、电容和电阻。在图1所示的图中，横轴示出以对数尺度测量的频率，而纵轴示出以对数尺度测量的静电电容。
图1中的PM电机A和PM电机B分别显示在小于或等于10.0kHz的范围内稳定的测量频率。通常，利用其载波频率小于或等于10.0kHz的逆变器驱动PM电机A和PM电机B。这样，被驱动的PM电机A和PM电机B不会显著增加电流，但是会因为静电电容的不均匀性(有些大而另外一些小)而产生一些泄漏电流。
尽管如此，但是根据具体情况，泄漏电流的数量可能大于或等于图1所示测量静电电容确定的泄漏电流。
图2示出用于描述单相(U相)端与地之间的静电电容的测量值的、用于无齿轮起重机的PM电机的静电电容频率特性。在此，图2中的PM电机A和PM电机B是图1中进行测量的PM电机A和PM电机B。利用LCR计测量可变频率。在图2所示的图中，横轴示出以对数尺度测量的频率，而纵轴示出以对数尺度测量的静电电容。
在图2中，在6.0kHz测量频率附近，PM电机A的峰值静电电容可引起谐振。相反，在图2中，在10.0kHz的测量频率附近，PM电机B的峰值静电电容可引起谐振。将对应于每个峰值静电电容的测量电容称为“谐振电容”。
利用其主要电路器件采用IGBT的PWM逆变器分别驱动PM电机A和PM电机B。通常，PWM逆变器的载波频率(换句话说，切换频率)在5.0kHz至15.0kHz范围内。总之，在图1中的PM电机A的电感与对地静电电容之间产生的谐振频率可能与PWM逆变器的载波频率一致，同样，在图1中的PM电机B的电感与对地静电电容之间产生的谐振频率可能与PWM逆变器的载波频率一致。
在图1中，低频范围(低于或等于1.0kHz)内的静电电容较低。然而，与谐振频率一致的、PWM逆变器的载波频率会显著提高静电电容，从而提高泄漏电流。
总之，根据先前技术仅考虑0相位阻抗(即具有零相分量的阻抗)不足以有效减小泄漏电流。换句话说，除了0相位阻抗外，对单相端与地之间的谐振点进行研究非常重要。
特别是，用于无齿轮起重机的PM电机通常速度低而且频率也低，所以逐渐增加绕组数，并因此提高了阻抗。这样，用于无齿轮起重机的PM电机的对地静电电容和绕组阻抗逐渐增大。用于无齿轮起重机的PM电机的这些特性可能降低谐振频率。这样降低的PM电机的谐振频率可能与逆变器的载波频率一致。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种永磁同步电机驱动系统，该系统具有永磁同步电机，它能通过防止(引起永磁同步电机峰值静电电容[换句话说，即“PM电机”]的)谐振频率与逆变器的载波频率(开关频率)一致可以降低泄漏电流。如上所述，在永磁同步电机的电感与对地静电电容之间产生谐振频率。
本发明的另一个目的是提供一种测试永磁同步电机驱动系统的测试方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种永磁同步电机驱动系统，该系统包括1)永磁同步电机，包括3个相端，在电感与对地静电电容之间产生谐振频率，所述电感与对地静电电容是在如下两端之间测量的c)永磁同步电机的3个相端之一，和d)地；以及2)逆变器，用于驱动永磁同步电机，该逆变器产生载波频率，永磁同步电机的谐振频率与逆变器的载波频率不一致而且不接近逆变器的载波频率。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于测试永磁同步电机驱动系统的方法，该方法包括如下操作i)将永磁同步电机驱动系统的永磁同步电机放置在绝缘工作台上，该永磁同步电机驱动系统包括1)永磁同步电机，包括3个相端，在电感与对地静电电容之间产生谐振频率，所述电感与对地静电电容是在如下两端之间测量的c)永磁同步电机的3个相端之一，和d)地；以及2)逆变器，用于驱动永磁同步电机，该逆变器产生载波频率，永磁同步电机的谐振频率与逆变器的载波频率不一致而且不接近逆变器的载波频率。
ii)在小于或基本等于1.0kHz的频率范围内，在永磁同步电机的3个相端之一与地之间测量对地静电电容；iii)在高频范围内，测量电感与对地静电电容之间的谐振频率；以及
iv)计算用于确定静电电容特性的常数。
根据以下参考附图所做的说明，本发明的其它目的和特征将变得更加容易理解。
图1示出根据先前技术的静电电容(零相分量)频率特性。
图2示出单相端与地之间的静电电容的频率特性(本发明)。
图3示出永磁同步电机的高频分布常数等效电路(具有单相部件)。
图4示出永磁同步电机的高频集中常数等效电路(具有单相部件)。
图5示出永磁同步电机的高频单相端与地之间的等效电路，其中图5(a)示出单相等效电路的Y形连接，以及图5(b)示出集中常数电路。
图6示出常数的测量。
图7示出槽尺寸，包括槽宽aaa和槽高bbb。
图8示出静电电容的谐振频率f0是逆变器的载波频率fc的21/2倍情况下的频率特性。
图9示出永磁同步电机驱动系统的示意电路图。
具体实施例方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种实施例。
<本发明原理>
已经对PWM逆变器驱动的电机的泄漏电流做了各种研究。研究了利用分布常数电路。分布常数电路复杂，因此没有统一的方法或清楚易懂的文献资料。此<本发明原理>描述用于计算如下元素的简单等效电路和确定常数的简单方法1.对于设计电机非常重要的低频对地静电电容。
2.引起增加的静电电容的频率(谐振频率)。
(1)高频等效电路图3示出永磁同步电机的高频分布常数等效电路(为了方便，在需要时，简称为“PM电机”)。图3所示的高频分布常数等效电路具有单相部件。在图3中，通过电阻、电感和浮动电容，各槽的绕组与地相连，并互相相连。
图3所示的高频分布常数等效电路使各槽产生泄漏电流。假定在从PM电机端观看泄漏电流时，各泄漏电流互相并联流动。
对泄漏电流的上述假定是根据从U端流入中性导体的主电流不可能受到分布常数电路的影响做出的。此外，许多泄漏电流变成零相分量。因此，与其它相之间的互感应不可能受到影响(可忽略)。总之，上述假定可以显著简化处理和模拟分析该等效电路。
电枢反应电感La不对三相中的零相阻抗的研究产生影响，因此可以忽略图3中的La。
图3所示高频分布常数等效电路的各槽的所有常数(ΔR0、ΔR01、ΔR02、ΔL0、ΔCm、ΔC0)互相并联。因此，可以将各常数总体表示为集中常数电路。图4示出具有单相部件的高频集中常数等效电路。
(2)单相端与地之间的等效电路PM电机通常采用Y形连接。因此，通过Y形连接图4所示的等效电路可以获得单相端与地之间的等效电路。图5(a)示出这样获得的等效电路。在此，可以将未测量的各相看作零相，因此可以省略不计(忽略不计)电枢反应电感La。此外，各相的常数(R01、R011、R021、L01、Cm1、C01)互相并联，这样可以将各常数集中为如图5(b)所示。
在图5(b)所示的等效电路(集中常数电路)中，在为了简化而忽略电阻情况下，可以利用表达式(1)和表达式(2)给出单相端与地之间的阻抗Zue。Zue=1-ω2·L0·(C0+Cm)-ω2·La·C0·(1-ω2·L0·Cm)j·ω·C0·(1-ω2·La·Cm)]]>=1j·ω·C0·1-ω2·L0·Cm1-ω2·L0·(C0+Cm)-ω2·La·C0·(1-ω2·L0·Cm)]]>≡1j·ω·Cue---------(1)]]>其中ω＝2·π·f(f测量频率)Cue=C0·1-ω2·L0·Cm1-ω2·L0·(C0+Cm)-ω2·La·C0·(1-ω2·La·Cm)-----(2)]]>这样给出的Cue是单相端与地之间的视在静电电容。
此外，在此例中，电枢反应电感La远大于泄漏电感L0(La＞＞L0)。不仅如此，在电枢反应电感La与对地静电电容C0之间的谐振频率附近，可以给出1＞＞ω2·L0·C0。因此，可以将表达式(2)近似为如下表达式(3)。此外，表达式(3)可以导出如下表达式(4)。Cue=C01-ω2·La·C0--------(3)]]>f0=12·π·La·C0------(4)]]>计算常数(对地静电电容C0和电枢反应电感La)。
如图2所示，表达式(3)和表达式(4)可以帮助获得用于计算PM电机的静电电容的常数(对地静电电容C0和电枢反应电感La)。
如图2所示，小于或等于1.0kHz(较低)的测量频率范围显示稳定静电电容。此外，在ω小情况下，表达式(3)导出如下表达式(5)Cue＝C0 ……(5)总之，小于或等于1.0kHz的测量频率(相对较低)可以帮助获得绕组与铁心(地)之间的对地静电电容C0。
因此，通过改变测量频率测量静电电容，可以获得产生最大静电电容的谐振频率f0。因此，获得的谐振频率f0和对地静电电容C0可以导出如下表达式(6)从而计算电枢反应电感LaLa＝1/(ωc2·C0)………(6)其中ωc是逆变器载波频率fc的角频率。
图6示出常数的测量点。
如上所述，测量的PM电机的静电电容取决于PM电机的设置条件。在这种情况下，将PM电机设置在绝缘工作台上测量单相端(任意)与电机机壳之间的静电电容。
<第一实施例>
上述<本发明原理>对测量和计算引起PM电机的增加的静电电容的谐振频率的简化方法进行了描述。根据此原理，改变PM电机的常数(对地静电电容C0和电枢反应电感La)，以及改变逆变器的载波频率可以防止谐振频率与逆变器的载波频率一致或接近。
在PM电机的实际设计过程中利用如下表达式(7)计算绕组与铁心(地)之间的对地静电电容C0，并利用如下表达式(8)计算电枢反应电感La。
*C0绕组与铁心(地)之间的对地静电电容C0=ϵ0×ϵr×(a+b)×L×Nst-----(7)]]>其中ε0是真空介电常数(电容率){≈8.854×10-12(F/m)}，εr是相对于真空介电常数(电容率)的接地绝缘体的介电常数(电容率)，L是铁心长度(m)，Ns是槽数(槽的数量)，
t是接地绝缘体的厚度(m)，aaa是槽宽-参考图7，以及bbb是槽高-参考图7。
*La电枢反应电感La=0.7×τ×L×(W×kw)2p×δ×kc×ks×10-6-------(8)]]>其中τ是极距(m)，L是铁心长度(m)，W是串行绕组数量，kw是绕组系数，p是磁极对的数量(其中一对包括一个N极和一个S极)，δ是等效间隙长度(m)，kc是卡特系数，以及ks是饱和系数。
说明1.对于表面磁式，等效间隙长度δ是磁厚度附加的气隙。
2.对于磁嵌入式，等效间隙长度δ是在q轴上电感增加的等效长度。
可以利用表达式(4)求得产生增加静电电容的谐振频率f0。假定以这样的方式确定PM电机的常数(对地静电电容C0和电枢反应电感La)，使得谐振频率f0远离逆变器的载波频率fc。换句话说，谐振频率f0与谐振频率fc不一致，或者说谐振频率f0不接近载波频率fc。
可以将上述描述概况解释为如下永磁同步电机驱动系统包括PM电机，用于提升和降低升降机箱；以及逆变器，用于驱动PM电机。在上述永磁同步电机驱动系统中，以这样的方式确定PM电机的常数(对地静电电容C0和电枢反应电感La)和逆变器的载波频率fc，即防止谐振频率f0与逆变器的载波频率fc一致，或者防止它接近逆变器的载波频率fc，从而降低PM电机的泄漏电流。
在此，PM电机可以具有外部定子和内部转子。作为一种选择，PM电机可以具有内部定子和外部转子。
<第二实施例>
为了防止逆变器的载波频率fc与谐振频率f0(引起PM电机的增加的静电电容)一致，以这样的方式设计PM电机的静电电容和电感La，使得可以获得大于或等于21/2倍逆变器的载波频率fc的谐振频率f0。
如果谐振频率f0大于或等于21/2倍逆变器的载波频率fc，则可以利用表达式(3)和表达式(4)求得对应于载波频率fc的、PM电机的静电电容，如图8所示。更具体地说，对应于载波频率fc的、PM电机的静电电容小于或等于对地静电电容C0的两倍，这样可以防止显著增加泄漏电流。
实际上，逆变器(三相，200V)具有初级端，用于插入普通入地泄漏断路器；以及次级端，用于检测泄漏电流。测量逆变器次级端的对地静电电容的读数约为50nF。
如果考虑小空间，可容许的最大静电电容为40nF。此外，如果考虑到静电电容的增加对谐振的作用，以这样的方式设计PM电机，即使得其对地静电电容C0≤20nF。
如图2所示，用于无齿轮起重机的根据本发明的PM电机的对地静电电容C0在30nF至45nF范围内。考虑到设计的改变，可容许静电电容被认为可在C0至2 C0范围内适当改变。
在PM电机的实际设计过程中，利用表达式(7)给出对地静电电容C0，而利用表达式(8)给出电枢反应电感La。因此，可以将包括载波频率fc的如下表达式(9)转换为如下表达式(10)。以满足表达式(10)的方式确定对地静电电容C0和电枢反应电感La。f0=12·π·La·C0≥2×fc-----(9)]]>La×C0≤12·ωc2------(10)]]>其中ωc＝2·π·fc<第三实施例>
满足上述表达式(9)和表达式(10)是基于即使在PM电机的静电电容变得等于对地静电电容C0的两倍时，其它系统和保护器(例如入地泄漏断路器)仍不出现故障这个前提的。
为了实现以上所述，将PM电机的对地静电电容C0设置到小于或等于系统的可容许静电电容的40％。
实际上，逆变器(三相，200V)具有初级端，用于插入普通入地泄漏断路器；以及次级端，用于检测泄漏电流。测量逆变器次级端的对地静电电容的读数约为50nF。
如果考虑小空间，可容许的最大静电电容为40nF。此外，如果考虑到静电电容的增加对谐振的作用，则以这样的方式设计PM电机，即使得其对地静电电容C0≤20nF。
更具体地说，表达式(7)内的槽尺寸(槽宽aaa和槽高bbb)以及槽数Ns可以确定对地静电电容C0。然后，这样确定的对地静电电容C0确定满足如下表达式(10-1)的电枢反应电感La，表达式(10-1)是通过变换表达式(10)获得的La≤1/(2×C0×ωc2)……(10-1)为了满足表达式(10-1)，必须正确确定表达式(7)中的尺寸{包括表达式(7)内的铁心长度L、接地绝缘体的厚度、槽宽aaa以及槽高bbb}以及表达式(8)内的尺寸{包括表达式(8)内的极距τ、铁心长度L、等效间隙长度δ}。
<第四实施例>
在<第一实施例>、<第二实施例>以及<第三实施例>内对在PM电机端实现的泄漏电流预防措施进行了描述。还可以在逆变器端实现泄漏电流预防措施。以下做更具体说明。
*可以测量PM电机的、引起增加的静电电容的谐振频率f0。因此，将逆变器的载波频率fc调节到小于或等于这样测量的谐振频率f0的1/(21/2)倍。作为一种选择，将逆变器的载波频率fc调节到大于或等于这样测量的谐振频率f0的21/2倍。
根据第四实施例的上述测量值可以产生与第二实施例同样的效果。利用该实施例，对应于载波频率fc的PM电机的静电电容可以小于或等于对地静电电容C0的两倍，因此可以避免显著提高泄漏电流。
尽管参考4个实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于以上描述的这4个实施例。根据上述教导，本技术领域内的技术人员易于想到上述实施例的修改和变化。
本专利申请基于第P2002-008437号在先日本专利申请(2002年1月17日在日本提交的)。要求优先权基于第P2002-008437号日本专利申请，为了防止被误译或者部分内容被省略，所以在此引用其全部内容供参考。
本发明范围由如下权利要求确定。
权利要求
1.一种永磁同步电机驱动系统，该永磁同步电机驱动系统包括1)永磁同步电机，包括3个相端，在电感与对地静电电容之间产生谐振频率，所述电感与对地静电电容是在如下两端之间测量的a)永磁同步电机的3个相端之一，和b)地；以及2)逆变器，用于驱动永磁同步电机，该逆变器产生载波频率，永磁同步电机的谐振频率与逆变器的载波频率不一致而且不接近逆变器的载波频率。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中永磁同步电机是内部转子型的，具有定子和设置在定子内部的转子。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中永磁同步电机是外部转子型的，具有定子和设置在定子外部的转子。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中电感与对地静电电容之间产生的谐振频率大于或等于逆变器载波频率的21/2倍，所述电感与对地静电电容是在永磁同步电机的3个相端之一与地之间测量的。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机驱动系统，其中1)电感与对地静电电容之间产生的谐振频率，所述电感与对地静电电容是在永磁同步电机的3个相端之一与地之间测量的，2)对地静电电容，以及3)逆变器载波频率的角频率导出如下第一关系式第一关系式La×C0≤12·ωc2]]>其中La是电感，C0是对地静电电容，ωc是角频率。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机驱动系统，其中第一关系式基于如下第二关系式和如下第三关系式第二关系式f0=12·π·La·C0≥2×fc]]>第三关系式ωc＝2·π·fc.
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中在小于或基本等于1.0kHz的频率范围内，在永磁同步电机的3个相端之一与地之间测量的对地静电电容小于或基本等于永磁同步电机驱动系统保护器的可容许静电电容的40％。
8.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中永磁同步电机驱动系统包括大致200V的电路，以及在小于或基本等于1.0kHz的频率范围内，在永磁同步电机的3个相端之一与地之间测量的上述对地静电电容小于或基本等于20nF。
9.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中相对于在永磁同步电机的3个相端之一与地之间测量的电感与对地静电电容之间产生的谐振频率，逆变器的载波频率至少是如下两个之一1)小于或基本等于谐振频率的1/21/2倍，以及2)大于或基本等于谐振频率的21/2倍，
10.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中将永磁同步电机设置在包括机房和升降机系统的升降导轨的位置，以及上述永磁同步电机提升和降低升降机系统的升降机箱。
11.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统，其中永磁同步电机与逆变器相连。
12.一种测试永磁同步电机驱动系统的方法，该方法包括如下操作i)将永磁同步电机驱动系统的永磁同步电机放置在绝缘工作台上，该永磁同步电机驱动系统包括1)永磁同步电机，包括3个相端，在电感与对地静电电容之间产生谐振频率，所述电感与对地静电电容是在如下两端之间测量的a)永磁同步电机的3个相端之一，和b)地；以及2)逆变器，用于驱动永磁同步电机，该逆变器产生载波频率，永磁同步电机的谐振频率与逆变器的载波频率不一致而且不接近逆变器的载波频率。ii)在小于或基本等于1.0kHz的频率范围内，在永磁同步电机的3个相端之一与地之间测量对地静电电容；iii)在高频范围内，测量电感与对地静电电容之间的谐振频率；以及iv)计算用于确定静电电容特性的常数。
13.根据权利要求12所述的测试永磁同步电机驱动系统的方法，其中高频范围大致大于1.0kH。
全文摘要
本发明披露了一种永磁同步电机驱动系统，该永磁同步电机驱动系统包括1)永磁同步电机，和2)逆变器。永磁同步电机包括3个相端。在如下两端之间测量的电感与对地静电电容之间产生谐振频率a)永磁同步电机的3个相端之一，和b)地。逆变器驱动永磁同步电机，该逆变器产生载波频率。永磁同步电机的谐振频率与逆变器的载波频率不一致而且不接近逆变器的载波频率。
文档编号B66B1/30GK1433123SQ0310276
公开日2003年7月30日 申请日期2003年1月16日 优先权日2002年1月17日
发明者水野孝行, 高山顺一, 东义高 申请人:株式会社明电舍