CN101237208B - 低噪声的加热、通风和/或空气调节(hvac)系统 - Google Patents

低噪声的加热、通风和/或空气调节(hvac)系统 Download PDF

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Abstract

一种加热、通风和/或者空气调节(HVAC)系统包括：系统控制器、电动机控制器、空气移动部件和、永久磁体电动机，该电动机具有静止组件、与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件、和耦合到所述空气移动部件的轴。电动机控制器配置为响应从系统控制器接收的一个或多个控制信号进行正弦波换向，以在永久磁体电动机中产生驱动空气移动部件的连续相电流。通过使用正弦波换向(与方波换向对比)，可显著减少HVAC系统产生的噪声和震动。

Description

低噪声的加热、通风和/或空气调节(HVAC)系统
技术领域
本发明涉及加热、通风和/或者空气调节(HVAC)系统，所述系统包括使用一个或者多个例如吹风机的空气移动部件的HVAC系统。
背景技术
本部分的描述仅仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
现有技术中已知各种用于提供加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的环境控制系统。许多这样的系统使用一个或者多个空气移动部件，包括吹风机(例如空气处理器和循环风扇)、冷却风扇、通风导引等。这些空气移动部件通常由电动机驱动。尽管单速和多速电动机有时候用于驱动空气移动部件，近年来，离散速度的电动机已经大部分被变速电动机所取代。
在HVAC系统中用于驱动空气移动部件的变速电动机，通常使用方波激励和控制技术(有时称为“6步”换向)。通常，这种变速电动机使用方波控制信号来控制对电动机的三相绕组施加正负直流电压。在任何给定时间，正的直流电压施加到相绕组之一，负的直流电压施加到另一个相绕组，而不激励或“断开”第三个相绕组(未激励的相绕组通常不是真正的断开，而是“飞”到保护二极管(catch diode)或者其他用于耗散剩余绕组电流的设备)。通过随后(并且突然地)在这三相绕组中旋转正负直流电压的施加，形成旋转的磁场，这导致电动机旋转以驱动空气移动部件。
图1示出了使用已知的方波换向技术在电动机中产生的相电流(图1中移动了电流分支，以清晰示出所有三相电流)。由于这种相绕组突然转换的方式，且其中一相绕组在任何时刻都未激励，因此获得的相电流是不连续的。如图1中所示，每相电流在每个周期的约三分之一的时间内为零电压电平。
如图2所示，已知的方波换向技术和获得的不连续的相电流导致较高的齿槽效应转矩、以及较高的运行转矩脉动和转矩谐波。这又将在电动机和任何使用该电动机的HVAC系统中产生不希望的声学噪声和震动。由于这些原因，许多现有的HVAC电动机利用机械阻尼材料将可旋转组件(也称作转子)耦合到电动机轴上，以减少噪声和震动。
并且，已知的方波换向技术被认为是相对低效的，且会在电动机上产生大约百分之二(2％)的效率损耗。
发明内容
根据本发明的一个实例，一种加热、通风和/或空气调节(HVAC)系统包括系统控制器、电动机控制器、空气移动部件和永久磁体电动机，该电动机具有：静止组件、与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件、以及耦合至空气移动部件的轴。电动机控制器配置为响应于从系统控制器接收一个或多个控制信号进行正弦波换向，以在永久磁体电动机中产生驱动空气移动部件的连续相电流。
根据本发明的另一个实例，提供了一种方法，用于响应于控制信号驱动加热、通风和/或者空气调节(HVAC)系统的空气移动部件。该HVAC系统包括永久磁体电动机，该电动机具有静止组件和与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件。可旋转组件在驱动时与空气移动部件耦合关联。所述方法包括接收至少一个来自系统控制器的控制信号，以及响应于从系统控制器接收的控制信号，进行正弦波换向，以在永久磁体电动机中产生驱动空气移动部件的连续相电流。
根据本发明的另一个实例，一种用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)系统的吹风组件包括：电动机控制器、吹风机、以及永久磁体电动机，该电动机具有：静止组件、与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件、以及耦合到吹风机的轴。电动机控制器配置为响应于从系统控制器接收的一个或多个控制信号进行正弦波换向，以在永久磁体电动机中产生驱动吹风机的连续相电流。
根据本发明的另一个实例，一种用于HVAC系统的电动机和控制器组件包括：电动机控制器，所述控制器配置为接收一个或多个来自HVAC系统控制器的控制信号，并且当空气移动部件在驱动中与永久磁体电动机耦合关联时，所述控制器响应于接收的控制信号，进行正弦波换向，以在永久磁体电动机中产生驱动空气移动部件的连续相电流。
通过这里提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。可以理解，所述说明和具体实例仅仅用于示例的目的，并不限定本发明的范围。
附图说明
下述附图仅仅用于示例目的，并不以任何方式限定本发明的范围。
图1示出根据现有技术的在方波换向控制下在变速电动机中产生的不连续的相电流；
图2示出了在方波换向控制下的现有技术的变速HVAC电动机的较高的齿槽效应转矩；
图3是根据本发明的一个实施例的用于驱动HVAC系统的空气移动部件的方法的框图；
图4是根据本发明另一个实施例的具有电动机和用于驱动空气移动部件的电动机控制器的HVAC系统的框图；
图5示出使用正弦波换向技术在图4的永久磁体电动机中所产生的连续的基本正弦的相电流；
图6示出了在正弦波换向控制下的图4所示的永久磁体电动机的较低的齿槽效应转矩；
图7是根据本发明的另一实施例的HVAC吹风机组件的框图；以及
图8是图7所示控制器运行的无传感器矢量控制图的框图。
具体实施方式
下面的说明只是示例性的，并不限定本发明的范围，也不限定其潜在的应用和使用。
根据本发明的一个方面，提供了一种方法，用于响应于控制信号，驱动加热、通风和/或者空气调节(HVAC)系统的空气移动部件。该HVAC系统包括永久磁体电动机，该电动机具有静止组件(定子)和与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件(转子)。可旋转组件在驱动时与空气移动部件耦合关联。如图3所示，所述方法300包括接收至少一个来自系统控制器的控制信号(框302)，以及响应于从系统控制器接收的该控制信号，进行正弦波换向，以在永久磁体电动机中产生驱动空气移动部件的连续相电流(框304)。在HVAC系统中使用正弦波换向具有多个优点，包括减小永久磁体电动机的运行转矩脉动，特别是与使用方波换向技术的现有电动机相比。结果，HVAC系统产生的声学噪声同样降低。
现在参考图4描述实施图3的方法300的系统的一个实例。然而，可以理解，在不脱离本发明的范围下，也可使用其他系统实施图3所述的方法。
如图4所示，系统400包括系统控制器402、电动机控制404、永久磁体电动机406、和空气移动部件410。永久磁体电动机406包括轴408、静止组件412和可旋转组件414。可旋转组件414与静止组件412磁耦合。可旋转组件414在这个特定实例中通过轴408耦合到空气移动部件，以驱动空气移动部件410的旋转。
电动机控制器404配置为响应于从系统控制器402接收的一个或者多个(模拟或者数字的)控制信号，进行正弦波换向，以在电磁电动机406中产生用于驱动空气移动部件410的连续相电流。如图4所示，电动机控制器404耦合到系统控制器402，以直接接收来自系统控制器402的控制信号。例如，该控制信号可表示电动机406希望转矩或速度。可选地是，控制信号可表示空气移动部件410产生的希望气流。
对于图4所示的特定实施例，电动机控制器404配置为利用矢量控制来进行正弦波换向，以保证在永久磁体电动机中产生的连续相电流是基本正弦的。本领域技术人员可以想到，使用矢量控制技术(其涉及转换到不同的参考系)通常要求确定转子位置。这可以使用传感器或者无传感器的技术来实现。
在空气移动部件410是吹风机、并且电动机控制器404配置为在恒定空气流模式运行的情况下(也称作恒定立方英尺每分钟(CFM)模式，在该模式中控制吹风机以提供希望的气流水平)，矢量控制结构在永久磁体电动机运行范围内提供基本恒定的转矩。因此，恒定气流控制规则不需要解决转矩的变化，所述转矩变化可能随着速度的变化等而发生。而且，由于矢量控制结构的动态响应，基本没有与恒定气流控制回路的相互作用。关于利用矢量控制(以及下文描述的速度、转矩和恒定气流控制方案)的无传感器控制技术和正弦波换向的其他细节在2005年12月2日提交的美国申请11/293,743和11/293,744和美国专利6,326,750和6,756,757中描述，其整体内容在此引用作为参考。
空气移动部件410可以是吹风机，例如空气处理器或者循环风扇、室内或者室外的冷却风扇、通风导引等。然而，应当理解，在不脱离本发明范围下，其他类型的空气移动部件也可在驱动中与可旋转组件414耦合关联。并且，系统控制器402可以是恒温器、与恒温器通信的附加控制模块、或者用于HVAC系统400的独立控制器。
在图4的实施例中，永久磁体电动机406是可变速的无刷永久磁体(BPM)电动机，例如，具有分段定子的反电磁场(反emf)BPM电动机。然而，应当理解，在不脱离本发明范围下，其他类型的永久磁体电动机(包括在转子或定子上具有嵌入磁体或者表面磁体的电动机，具有分段或不分段定子的电动机和分离速度电动机)也可使用。
在图4的具体实施例中，静止组件412包括三相绕组(未示出)，并且，电动机控制器404配置为同时激励所有三相绕组。图5示出了在静止组件412的三相绕组中产生的连续且基本正弦的相电流(在图5中移动电流分支，以清楚地示出所有三相电流。)。相电流连续是因为它们每个基本不具有零电压周期。在图5中所示的相电流也不是完全正弦的，由于其中，在电动机的反emf中存在谐波。如果需要，电动机控制器404可配置为(使用现有技术)产生连续相电流，其消除在永久磁体电动机的反emf中的谐波的影响。关于消除反emf中的谐波的影响的更多细节在上述引用的申请和专利中公开。
通过在电动机控制器404中使用正弦波换向，与现有技术中使用的方波换向技术相比，提高了电动机406(因此以及系统400)的效率。并且，因为在永久磁体电动机中产生的连续相电流，获得的运行转矩基本无转矩脉动，而转矩脉动会产生声学噪声和震动。结果，在如图4所示的特定实施例中，可旋转组件414未使用阻尼材料地耦合到轴408。从而，与要求用阻尼材料减少声学噪声的电动机相比，永久磁体电动机406的制造成本降低。然而，应该理解，在不脱离本发明范围下，如果需要，仍可使用阻尼材料。
另外，图4所示的电动机406，如图6所示获得了相对小的齿槽效应转矩，特别是与图2所示在方波换向控制下现有技术的电动机的齿槽效应转矩相比。这也有助于减少HVAC系统中的声学噪声和震动。
图7示出了图4的HVAC系统的具体实施例，其中空气移动部件是吹风机。在图7的实施例中，系统控制器标明为“PC或者场”应用。图8提供了由图7中所示的处理器印刷电路板(PCB)进行的无传感器矢量控制的框图。
在不脱离本发明范围下，本领域技术人员可以理解，可对上面描述的示例实施例和实施进行各种改变。从而，在上面描述中包括或者在相应附图中示出的所有内容都应是示例性的，而不是限定性的。

Claims (18)

1.一种用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，包括：系统控制器、电动机控制器、空气移动部件、以及永久磁体电动机，该电动机具有：静止组件、与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件、以及耦合到所述空气移动部件的轴，其中，所述电动机控制器包括Q轴电流控制器和q轴电流控制器，并被配置为，响应于从所述系统控制器接收的一个或多个控制信号进行正弦波换向，以在永久磁体电动机中产生用于驱动所述空气移动部件的连续相电流。
2.根据权利要求1的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述静止组件包括多个相绕组，并且所述电动机控制器被配置为同时激励所有相绕组。
3.根据权利要求2的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述连续相电流是基本正弦的。
4.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述可旋转组件未使用阻尼材料地耦合到所述轴。
5.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述空气移动部件是吹风机。
6.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述空气移动部件是通风导引。
7.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述空气移动部件是冷却风扇。
8.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述永久磁体电动机是无刷永久磁体(BPM)电动机。
9.根据权利要求8的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述无刷永久磁体(BPM)电动机是反电动势无刷永久磁体(BPM)电动机。
10.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述系统控制器包括恒温器。
11.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，至少一个来自所述系统控制器的控制信号表示空气移动部件的希望气流。
12.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，至少一个来自所述系统控制器的控制信号表示所述永久磁体电动机的希望转矩或速度。
13.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述电动机控制器被配置为利用矢量控制进行正弦波换向。
14.根据权利要求3的用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)的系统，其中，所述电动机控制器被配置为产生连续相电流，其消除在所述永久磁体电动机的反电动势中的谐波成分的影响。
15.一种用于加热、通风和/或者空气调节(HVAC)系统的吹风机组件，所述吹风机组件包括：电动机控制器、吹风机、以及永久磁体电动机，所述永久磁体电动机具有：静止组件、与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件、和耦合到所述吹风机的轴，其中，所述电动机控制器包括Q轴电流控制器和q轴电流控制器，并被配置为，响应于从系统控制器接收的一个或多个控制信号进行正弦波换向，以在所述永久磁体电动机中产生用于驱动所述吹风机的连续相电流。
16.根据权利要求15的吹风机组件，其中，所述电动机控制器被配置为产生连续的基本正弦的相电流，其消除所述永久磁体电动机的反电动势中的谐波成分的影响。
17.一种用于响应于控制信号驱动用于加热、通风和/或空气调节(HVAC)的系统的空气移动部件的方法，所述用于加热、通风和/或空气调节(HVAC)的系统包括：永久磁体电动机，该电动机具有静止组件和与该静止组件磁耦合关联的可旋转组件，所述可旋转组件在驱动时与所述空气移动部件耦合关联，所述方法包括，从系统控制器接收至少一个控制信号，以及利用Q轴电流控制器的输出和q轴电流控制器的输出，响应于从所述系统控制器接收的至少一个控制信号，进行正弦波换向，以在所述永久磁体电动机中产生用于驱动所述空气移动部件的连续电流。
18.根据权利要求17的方法，其中，所述空气移动部件是吹风机，并且其中，所述接收包括接收表示所述吹风机的希望气流、所述永久磁体电动机的希望转矩、或者所述永久磁体电动机的希望速度的至少一个控制信号。
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