专利名称：小功率二相交流变频系统及其电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变频驱动系统及其电动机，在国际专利分类表中，功能分类可属 于H02P7/00。
背景技术：
三相逆变驱动三相电动机系统在工业设备已大量使用，但用于功率相对小得多的 单相供电的电动器具，逆变电路显得单元数偏多而元件容量利用不足。复杂的电路也成为 系统的薄弱环节，通常需选用比较优秀的单元元件或设置较复杂的保护电路和控制程序， 以至使用价格较高的智能功率模块(IPM)和16位单片机等，明显影响成本。为此，本发明 设计人提出以二相逆变驱动二相电动机或三相电动机，可见于中国发明专利ZL00131018. 6 和ZL01114863. 2。这样的系统可节省1/3的控制电路，因而成本显著降低且提高可靠性。 其中，ZL01114863. 2披露的是二相逆变驱动三相对称电动机系统，说明书所介绍的理论证 明，在这样的系统中，由具有一个公共输出端、基波频率和振幅相同而时滞等于1/6周期的 二相电源合成的结果，公共输出端(标记为"C")与二相输出端子(标记为"A"和"B")上 的基波电压，依端子的顺序为三相对称电压，可以驱动三相对称电动机对称运行。但实际电 路运行时，对电动机三个输入端子上的电压有效值测试结果是，二相逆变输出端子A和B对 公共端子C的电压UeA和UeB大致相等，但比二个输出端子之间的基波电压UAB小；对进入电 动机三个输入端子的电流有效值测试结果是，二相逆变输出端(受控端)子A和B的输出 电流L和Ie大致相等，但比公共端(非受控端)子C的电流I。比要大，即表明仍欠对称， 对效率和振动噪声水平有影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种改良的设计，使已有专利成本较低和可 靠性较高的二相逆变驱动三相电动机系统尽可能对称运行。 本发明解决技术问题的技术方案是，一种小功率二相交流变频驱动系统，来自电 网的电源被转换成变频电源，驱动三相电动机；所转换成的变频电源为有一个公共端、时 滞等于1/6周期和振幅相同的二相电源；所述二相电源按下述接往三相电动机的三相端 子——所述公共端接电动机的一个相端子，所述二相电源的二个输出端子接电动机的另二 个相端子；所述三相电动机具有这样三相阻抗连接二相电源的二个输出端子的二相的阻 抗相等，且大于连接公共端的一相的阻抗。 理论和实验表明故意设计连接所述公共端的一相的阻抗较小，可适应其连接相 电源实际电压较低的情况，以增大电流，因而改善三相电流有效值的对称性，提高效率和降 低振动噪声。即该设计改进巧妙地以一个各相阻抗适当地不对称的三相电动机，连接一个 基于二相逆变、理论对称而实际不对称的三相电源，意想不到地达到改善系统不对称的效 果。 所述变频电源的典型设计是所述的变频电源是经整流滤波电路和逆变电路转换而成，整流滤波电路是与来自电网的电源回路有一公共端的一组正半波整流滤波电路和一 组负半波整流滤波电路所组成，形成供给逆变电路的正负各一组直流电源；逆变电路为双 半波4单元，每二个单元为一组，把直流电源调制为变频的、有一个公共端、时滞等于1/6周 期和振幅相同的二相电源。 所述三相电动机的三相阻抗最好设计为连接二相电源的二个输出端子的二相的 阻抗为连接公共端的一相的阻抗的1.5 4.5倍。其典型设计是其定子铁芯冲片为方形和 4角倒有圆弧的方圆外形，其定子槽数目为12乘以某一整数系数，在所述铁芯4角圆弧段 各设置个数为所述系数乘以2的深槽，4直线段各设置个数即为所述系数的浅槽；定子嵌线 为星型连接的三相4极，三相绕组的末端连结在一起，始端连接所述公共端的一相称为第1 相，分布于浅槽；始端连接二相电源的二个输出端子的二相称为第2相与第3相，分布于深 槽；第2相与第3相绕组的有效匝比为l，第1相与第2相的有效匝比为0. 5±0. 25。方形 冲片有最高的材料开料利用率，4极电机绕组极距为机械角90度，第1相阻抗小，因而使用 较小的槽面积，可分布于冲片4直线段；另二相阻抗大，因而使用较大的槽面积，可分布于 冲片4角圆弧段，结果使方形冲片得到最合理的利用，提高了铁芯的利用率，因而降低了成 本。 本发明的技术方案和效果将在具体实施方式
中结合附图作进一步的说明。
图1是本实施例变频驱动系统的电气框图；
图2是本发明实施例电动机定子冲片图；
图3是本发明实施例电动机绕组展开和接线图。
具体实施例方式
本发明实施例变频驱动系统如图1所示，主要由电动机7和控制装置10组成。
控制装置10包括由来自电网的例如220V50HZ的交流电源ll，和连接于其输出 端并把交流电源11整流而变换成直流电压的整流滤波电路12所构成的直流电源13 ;在直 流电源的输出端连接的逆变电路14。在逆变电路14的输出端连接着电动机7。此外，逆变 电路14连接控制机构15，并受其控制。此为典型的AC-DC-AC间接变换方式的控制装置，但 并不限定于此，也可以是不设整流滤波电路的AC-AC直接变换方式的控制装置。
整流滤波电路12包括由二极管Dl和电容器Cl组成的正电源的整流滤波电路； 由二极管D2和电容器C2组成的负电源的整流滤波电路。二组电源的整流滤波电路的零电 位点与电源11的一输出线(通常为中性线)相连。此为本发明实施例提出的双半波整流 滤波电路。但不限定于此，当需要高于电网电压的变频电源时，可使用全波和/或倍压整流 滤波电路。 逆变电路13为双桥路，备有二个高电位侧单元(开关元件Vla、Vlb各与其输入连 接着的驱动电路Kla、 Klb的组合)，和二个低电位侧单元(开关元件V2a、 V2b各与其输入 连接着的驱动电路K2a、K2b的组合)。开关元件Vla、Vlb、V2a和V2b的发射极和集电极各 并联有续流二极管Dla、Dlb、D2a和D2b ;但不限定于此，也可以是并联或/和串联适当的电 阻、电容、电感和半导体器件或其它压敏元件组成的保护电路。上述开关元件可以使用包含4个或2个IGBT的模块，或者分立的IGBT元件；也可以使用除了 IGBT之外的功率元件，例 如功率型M0SFET、 GTR(BJT)和GT0等。此外，也可以是上述所有单元加上保护电路封装一 体的集成功率模块，如IPM等。逆变电路13为双半波4单元，每二个单元为一组，在控制机构15的控制下，把直 流电源调制为有一个公共端、以二桥路中点为输出的时滞等于1/6周期和振幅相同的二相 电源开关元件Vla、 V2a组成一组双半波逆变电路，形成公共端C至输出端子A的电压
uCA = Umsin"t; 开关元件Vlb、 V2b组成另一组双半波逆变电路，形成公共端C至输出端子B的电 压 uCB = Umsin("t+Ji/3)。 结果，输出端子A和B及公共端C依端子的顺序输出三相对称电压
u旭=U迈sin (" t+2 Ji /3);
uBC = U迈sin (" t_2 Ji /3);
uCA = Umsin"t。 关于变频调制的方式，本实施例为现有技术的电压型脉宽调制(P丽、SP丽等)方 式，但也可以为电流型或/和脉幅调制等方式；以及为了有更优良的调速性能，还可以是进 行变频调制的同时进行电压调制。本实施例对传统系统使用的这些现有技术的改变主要 是 a)传统系统为三相调制，本实施例为二相调制； b)传统系统相间时滞调制为1/3周期，本实施例相间时滞调制为1/6周期。
控制机构15含有P丽输出机构，并在微计算机内构成，按照洗衣机运转特性所需 的固有设定和动态调整的要求，除控制逆变电路13输出的二相电源外，还控制其频率、电 压和波形。微计算机内部和外围会设有为本实施例电路保护、控制和电磁兼容所需的外围 电路和元件。此外，微计算机还会包括应用本系统的具体设备工作时，如洗衣机执行洗涤、 漂洗和脱水等程序或缝纫机执行各种缝纫方式，对相关传感和控制功能的处理；这些均属 于传统系统已使用的现有技术。 电动机7可以就是现有技术已使用的三相交流异步电动机。但不限定于此，也可 以是其它的三相电动机，例如磁阻电动机，磁滞电动机和逆变型无刷直流电动机中的永磁 同步电动机等。 以上更详细的内容可见中国发明专利说明书CN1164824C。 本发明实施例变频驱动系统的三相电动机额定输出功率140W，转速1350r/m，其 定子冲片如图2所示，绕组分布和接线如图3所示。该电动机的结构包括
—见图2，定子冲片方形尺寸B1 = 108mm(开料情况会使Bl设计值有± lmm差 异)，4角圆弧直径A1 = 114mm，内径Dl = 70咖；24槽圆底槽，平行齿等齿宽，以齿为对称中 心均布，4角圆弧段上的各4个槽均为深槽Z2，腰高hsll = 9. 5mm ;4直线段各2个槽均为 浅Zl，腰高hs12 = 5. 7mm ;各部分轭宽约为9mm，使铁心得到更充分合理的利用，刚性也好。 槽口高hol和ho2为0. 7mm，槽口宽bsol和bso2为0. 7mm，槽肩斜角zsl和zs2为30° ，上 底宽bsll禾口 bsl2为24. 5mm ;
——铁心长度33mm ;
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——连接逆变桥二个输出端子的引出线A和B，连接逆变电路公共端的引出线C ;
——鼠笼转子和其它机械机构。 ——绕组按图3嵌线为三相4极、单层和节距为5 ;第1相4个线圈串联依次分布 于第4和第9槽，第15和第10槽，第16和第21槽，第3和第22槽，共8个浅槽，每槽导体 数均为100 ;始端从第22槽引出，末端从第4槽引出；第2相4个线圈串联依次分布于第24 和第5槽，第23和第18槽，第12和第17槽，第11和第6槽，共8个深槽，每槽导体数均为 200，始端从第6槽引出，末端从第24槽引出；第3相4个线圈串联依次分布于第20和第1 槽，第19和第14槽，第8和第13槽，第7和第2槽，共8个深槽，每槽导体数均为200，始端 从第2槽引出，末端从第20槽引出；第1相的始端接引出线C，第2相的始端接引出线A，第 3相绕组的始端接引出线B，三相绕组的末端连结在一起。 由于第1相绕组导体数只有第2相或第3相的一半，阻抗约只有后者1/4，当其电 压仅为后者一半的情况下，电流可增大一倍，使对称性改善。由于不同的功率和逆变调制方 式的电压对称差异有别，可根据理论分析或实验，调整所述阻抗比例，即第1相槽导体数与 第2相或第3相槽导体数的比例。 以上设计的电动机的三相绕组均按照星形连接(又称Y连接)，当然也可以是三角 形连接三相绕组的首末端按相序依次相连。在相同电源电压下，三角形连接的相电压理论 上为星形连接1. 76倍，各相绕组需按星_三角阻抗转换公式折算，每槽导体数大致为星形 连接1. 76倍，线截面相应縮小为1/1. 76。 此外，定子也可以视功率或铁芯大小相应开槽为12槽、36槽或48槽等，并按照常 规电机电磁设计的类比方法，相应修改上述绕组导体的分布和数据。
权利要求
一种小功率二相交流变频驱动系统，来自电网的电源被转换成变频电源，驱动三相电动机；所转换成的变频电源为有一个公共端、时滞等于1/6周期和振幅相同的二相电源；所述二相电源按下述接往三相电动机的三相端子——所述公共端接电动机的一个相端子，所述二相电源的二个输出端子接电动机的另二个相端子；其特征在于，所述三相电动机具有这样三相阻抗连接二相电源的二个输出端子的二相的阻抗相等，且大于连接公共端的一相的阻抗。
2. 按照权利要求1所述变频驱动系统，其特征在于所述的变频电源是经整流滤波电 路和逆变电路转换而成，整流滤波电路是与来自电网的电源回路有一公共端的一组正半波 整流滤波电路和一组负半波整流滤波电路所组成，形成供给逆变电路的正负各一组直流电 源；逆变电路为双半波4单元，每二个单元为一组，把直流电源调制为变频的、有一个公共 端、时滞等于1/6周期和振幅相同的二相电源。
3. —种如权利要求1所述变频驱动系统中的三相电动机，其特征在于该电动机连接 二相电源的二个输出端子的二相的阻抗为连接公共端的一相的阻抗的1. 5 4. 5倍。
4. 按照权利要求3所述三相电动机，其特征在于其定子铁芯冲片为方形和4角倒 有圆弧的方圆外形，其定子槽数目为12乘以某一整数系数，在所述铁芯4角圆弧段各设 置个数为所述系数乘以2的深槽(Z2)，4直线段各设置个数即为所述系数的浅槽(Zl);定 子嵌线为星型连接的三相4极，三相绕组的末端连结在一起，始端连接所述公共端的一相 称为第l相，分布于浅槽(Zl);始端连接二相电源的二个输出端子的二相称为第2相与 第3相，分布于深槽(Z2);第2相与第3相绕组的匝比为l，第1相与第2相的有效匝比为 0. 5±0. 25。
5. 按照权利要求4所述三相电动机，其特征在于其额定输出功率40 250W，额定转 差率0. 12±0. 03 ;定子铁心冲片为方形尺寸108± lmm和4角倒有圆弧的方圆外形，24槽以 齿为对称中心等齿宽均布，在所述4角圆弧段各设置4个深槽(Z2) ，4直线段各设置2个浅 槽(Zl);定子嵌线为三相4极，单层，节距为5，第1相与第2相的有效匝比为0. 4±0. 15。
6. 按照权利要求5所述三相电动机，其特征在于所述浅槽和深槽的槽底与冲片外沿 的最短距离大致相等。
7. 按照权利要求6所述三相电动机，其特征在于所述定子铁心冲片内径70mm ;所述 浅槽和深槽均为圆底槽，槽口高(hol，ho2)0. 7mm，槽口宽(bsol，bso2)为0. 7mm，槽肩斜角 (zsl，zs2)30。，上底宽(bsll， bsl2)4. 5mm ;浅槽底宽(bs22) 5. 8mm，腰高(hsl2) 5. 7mm ;深 槽底宽(bs21)6. 8mm，腰高(hsl2)9. 5mm。
全文摘要
小功率二相交流变频驱动系统，来自电网的电源被转换成变频电源，驱动三相电动机；所转换成的变频电源为有一个公共端、时滞等于1/6周期和振幅相同的二相电源；所述二相电源按下述接往三相电动机的三相端子——所述公共端接电动机的一个相端子，所述二相电源的二个输出端子接电动机的另二个相端子；所述三相电动机具有这样三相阻抗连接二相电源的二个输出端子的二相阻抗相等，且大于连接所述公共端的一相的阻抗。该电动机连接二相电源的二个输出端子的二相阻抗相为连接所述公共端的一相的阻抗的1.5～4.5倍。该设计可达到改善系统不对称的效果，因而提高效率和降低振动噪声。
文档编号H02M7/42GK101783598SQ20091003688
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者镡丹中 申请人:江门金羚电机有限公司