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摘要：通过电机磁势分析阐述了五相感应电机对三次谐波进行利用的原理；推导出所注入三次谐波和基波的幅值比例关系；对谐波注入前后五相感应电机运行特性进行了仿真对比；对仿真结果进行分析验证理论的正确性。
关键词：三次谐波；五相感应电机；磁势分析；仿真
1.引言
感应电动机的传统优点是结构简单、机械强度好、运行可靠且维修方便，而且随着电力电子功率器件和现代驱动技术的飞速发展，感应电机固有的在起动、调速性能等方面的不足也得到弥补，这也使感应电动机成为当前应用最为广泛的电动机。但是随着电机功率的需求的不断增大，对于要求变频调速的电机应用场合来说，传统三相电机需要通过低压大电流或者高压低电流来实现，这点容易造成控制系统的选型困难。[1]
相比三相电机，多相电动机可以通过增加电机相数来实现低压大容量和避免功率器件的串并联。而且多相电机由于相数的增加而具有更多的控制自由度，较容易实现单台逆变器驱动两台电机串联或并联运行以及在故障状态下的无扰容错运行。在要求大功率及高可靠性的应用场合，如电动汽车、舰船电力推进、风力发电以及航空航天等，多相电机驱动系统由于具有高可靠性、高功率密度、高效率、转矩波动小、可容错运行以及可实现低压大功率等优点，从而得到了越来越多的关注。[2]
对多相感应电机来说，随着电机相数增大，自由度增加，可利用的谐波更多，因此可以通过注入谐波分量来增加电机的功率和转矩密度。这对多相电机的优化设计，进而提高多相电机驱动系统整体性能有很大意义。对于五相感应电机，可以通过在气隙磁场中注入一定的三次谐波分量，并施加带有相同谐波成分的定子电流来提高电机输出转矩密度。三次谐波磁势的注入可以降低气隙磁势及磁密的峰值，使其分布更加均匀，有效地降低铁心的饱和程度，提高铁磁材料的利用率，从而进一步提高电机的功率和转矩密度。[3]
本文分析了三次谐波注入五相感应电机提高转矩密度的原理；推导了三次谐波注入下五相感应电机的数学模型；最后通过有限元仿真对比了三次谐波注入前后五相感应电机的运行特性。
2.三次谐波注入五相感应电机提高转矩密度的原理
根据电机常规的基本设计尺寸公式， 提高气隙磁密的大小有利于减小电机的体积， 减少相应的重量， 但是实际中气隙磁密不能取得太大， 否则由于铁磁材料过于饱和， 电机的铁耗和铜耗将会显著增加。对于传统的正弦波交流电机，设计的电动机气隙磁场基本上正弦分布，电动机铁心只有靠近正弦波幅值的1/3 区域达到饱和，因此铁心的利用率是不充分的。如果能使气隙磁场分布为比较均匀的平顶波，则可提高电动机铁心的利用率。[4]因此，在变频器供电时可以在定子电压中注入一定谐波电压分量，使定子电流为非正弦电流，定子绕组非正弦电流在转子绕组中也感应非正弦，定、转子电流合成后的励磁电流仍为非正弦电流，从而改变合成旋转磁动势波形。通过选取合适的定子基波电压与谐波电压相角使气隙磁场分布为比较均匀的平顶波，可以改善电机的饱和程度，而且增加了每极下的磁通， 有利于提高电机的出力。
结果表明由于谐波磁场的加入，减小了气隙磁密的幅值，使其呈现平顶波形，改善了电机的饱和程度，有利于提高电机出力。
4.结论
1） 在五相感应电机中注入一定量的三次谐波对提高电机出力有一定作用，谐波磁场的加入会减小气隙磁密的幅值，使其呈现平顶波形，可以提高了铁心的利用率，从而提高电机出力。
2） 通过理论分析，当三次谐波气隙磁密为基波磁密的1/6时，可以最大程度的提高铁心的利用率。
参考文献：
[1]. 王东， 吴新振， 马伟明， 等. 非正弦供电十五相感应电机气隙磁势分析[J]. 中国电机工程学报， 2009 （15）： 88-94.
[2]. 王東， 马伟明， 郭云珺， 等. 基于非正弦供电方式的多相感应电动机建模[J]. 电工技术学报， 2010 （2）： 6-14.
[3]. 赵品志， 杨贵杰， 李勇. 三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化 [J][J]. 中国电机工程学报， 2010， 30（33）： 71-77.
[4]. 张经纬， 李军政， 祝后权， 等. 多相感应电机注入三次谐波提高转矩密度的原理[J]. 湖北工业大学学报， 2011， 26（1）： 47-50.
关键词：三次谐波；五相感应电机；磁势分析；仿真
1.引言
感应电动机的传统优点是结构简单、机械强度好、运行可靠且维修方便，而且随着电力电子功率器件和现代驱动技术的飞速发展，感应电机固有的在起动、调速性能等方面的不足也得到弥补，这也使感应电动机成为当前应用最为广泛的电动机。但是随着电机功率的需求的不断增大，对于要求变频调速的电机应用场合来说，传统三相电机需要通过低压大电流或者高压低电流来实现，这点容易造成控制系统的选型困难。[1]
相比三相电机，多相电动机可以通过增加电机相数来实现低压大容量和避免功率器件的串并联。而且多相电机由于相数的增加而具有更多的控制自由度，较容易实现单台逆变器驱动两台电机串联或并联运行以及在故障状态下的无扰容错运行。在要求大功率及高可靠性的应用场合，如电动汽车、舰船电力推进、风力发电以及航空航天等，多相电机驱动系统由于具有高可靠性、高功率密度、高效率、转矩波动小、可容错运行以及可实现低压大功率等优点，从而得到了越来越多的关注。[2]
对多相感应电机来说，随着电机相数增大，自由度增加，可利用的谐波更多，因此可以通过注入谐波分量来增加电机的功率和转矩密度。这对多相电机的优化设计，进而提高多相电机驱动系统整体性能有很大意义。对于五相感应电机，可以通过在气隙磁场中注入一定的三次谐波分量，并施加带有相同谐波成分的定子电流来提高电机输出转矩密度。三次谐波磁势的注入可以降低气隙磁势及磁密的峰值，使其分布更加均匀，有效地降低铁心的饱和程度，提高铁磁材料的利用率，从而进一步提高电机的功率和转矩密度。[3]
本文分析了三次谐波注入五相感应电机提高转矩密度的原理；推导了三次谐波注入下五相感应电机的数学模型；最后通过有限元仿真对比了三次谐波注入前后五相感应电机的运行特性。
2.三次谐波注入五相感应电机提高转矩密度的原理
根据电机常规的基本设计尺寸公式， 提高气隙磁密的大小有利于减小电机的体积， 减少相应的重量， 但是实际中气隙磁密不能取得太大， 否则由于铁磁材料过于饱和， 电机的铁耗和铜耗将会显著增加。对于传统的正弦波交流电机，设计的电动机气隙磁场基本上正弦分布，电动机铁心只有靠近正弦波幅值的1/3 区域达到饱和，因此铁心的利用率是不充分的。如果能使气隙磁场分布为比较均匀的平顶波，则可提高电动机铁心的利用率。[4]因此，在变频器供电时可以在定子电压中注入一定谐波电压分量，使定子电流为非正弦电流，定子绕组非正弦电流在转子绕组中也感应非正弦，定、转子电流合成后的励磁电流仍为非正弦电流，从而改变合成旋转磁动势波形。通过选取合适的定子基波电压与谐波电压相角使气隙磁场分布为比较均匀的平顶波，可以改善电机的饱和程度，而且增加了每极下的磁通， 有利于提高电机的出力。
结果表明由于谐波磁场的加入，减小了气隙磁密的幅值，使其呈现平顶波形，改善了电机的饱和程度，有利于提高电机出力。
4.结论
1） 在五相感应电机中注入一定量的三次谐波对提高电机出力有一定作用，谐波磁场的加入会减小气隙磁密的幅值，使其呈现平顶波形，可以提高了铁心的利用率，从而提高电机出力。
2） 通过理论分析，当三次谐波气隙磁密为基波磁密的1/6时，可以最大程度的提高铁心的利用率。
参考文献：
[1]. 王东， 吴新振， 马伟明， 等. 非正弦供电十五相感应电机气隙磁势分析[J]. 中国电机工程学报， 2009 （15）： 88-94.
[2]. 王東， 马伟明， 郭云珺， 等. 基于非正弦供电方式的多相感应电动机建模[J]. 电工技术学报， 2010 （2）： 6-14.
[3]. 赵品志， 杨贵杰， 李勇. 三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化 [J][J]. 中国电机工程学报， 2010， 30（33）： 71-77.
[4]. 张经纬， 李军政， 祝后权， 等. 多相感应电机注入三次谐波提高转矩密度的原理[J]. 湖北工业大学学报， 2011， 26（1）： 47-50.