CN101803175A - 用于确定无刷电机中励磁电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于求得流过具有定子(2)和转子(4)的电机中励磁绕组的励磁电流的方法及装置，其中，所述电机(1)包括励磁变压器(7)，以便通过感应出电流而在转子侧引起所述励磁电流(I_DC)，所述励磁电流流经励磁绕组(6)以产生励磁磁场，所述方法包括以下步骤：在初级侧控制所述励磁变压器(7)，以便在所述转子(4)中影响由在所述励磁变压器(7)的次级侧感应出的电流导出的励磁电流(I_DC)；测量所述励磁变压器(7)中的一个或多个初级侧相中的一个或多个相电流；根据一个或多个所测量的相电流(I₁)确定最大值(I_{peak_measure})；根据所求得的最大值(I_{peak_measure})求得流过所述励磁绕组(6)的励磁电流(I_DC)。

Description

用于确定无刷电机中励磁电流的方法和装置

技术领域

本发明涉及具有励磁绕组的无刷电机以及用于运行这种机器的方法。

背景技术

诸如同步电动机的无刷电机除定子绕组外还可以具有设置在转子上的励磁绕组。必须向该励磁绕组供给电能以产生励磁磁场。该电能通过定子上的一个或多个初级线圈与转子上的一个或多个次级线圈之间的变压器式耦合提供给励磁绕组。由初级线圈和次级线圈形成的励磁变压器例如可以沿轴向错开地设置在旋转式电机的轴线上。在其它情形中，定子绕组也可被用作该励磁变压器的初级线圈。

该励磁变压器包括作为初级线圈的励磁定子绕组和作为次级线圈的励磁转子绕组。励磁转子绕组通过二极管整流器桥与励磁绕组连接。由此向该励磁绕组提供产生励磁磁场的直流电流、即励磁电流。

但是为了按定义运行这种电机，例如为了调整确定的转矩，需要确定以及根据需求调节流过励磁绕组的励磁电流，以便能够求得由该励磁绕组引起的磁场的强度。因为电机在转子侧不具有电流抽头并且以其它的方式也不能够进行可靠的电流测量，所以需要通过测量定子侧的电参数来估计该励磁电流。

到目前为止的估计方法基于以高的时间分辨率来测量两个相电流和调整单元(Stellglied)的两个级联的输出电压，所述测量必须经过费事的转换。此外，调整单元的输出电压是非正弦形的电压，因此，在用于确定励磁电流的分析时计算成本很高。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种方法以及一种装置，借助所述方法以及所述装置仅仅根据定子侧测量的电参数测量可靠并且准确地确定励磁电流。所述任务通过根据权利要求1所述的用于求得电机的励磁电流的方法以及根据并列权利要求所述的装置和电动机系统解决。

在从属权利要求中说明本发明的其它的有利扩展方案。

根据第一方面提出一种用于求得流过具有定子和转子的电机中励磁绕组的励磁电流的方法。该电机包括励磁变压器，以便通过感应出电流而在转子侧引起励磁电流，所述励磁电流流经励磁绕组以产生励磁磁场。所述方法包括以下步骤：

-在初级侧控制该励磁变压器，以便在所述转子中影响由在该励磁变压器中的次级侧感应出的电流导出的励磁电流；

-测量该励磁变压器中的一个或多个初级侧相电流；

-根据一个或多个所测量的相电流确定最大值；

-根据所求得的最大值求得流过励磁绕组的励磁电流。

以上方法的思想在于，根据定子侧的相电流的最大值借助于简单的分流计算来计算出所述励磁电流。这所具有的优点是，可以简单地测量相电流的最大值，而在通过以高的采样频率测量定子侧相电流和级联的电压来求得所述励磁电流时必须实施高成本的计算以确定在转子中使用的整流器的二极管的接通时间。

以上用于求得励磁电流的方法基于以下假设：在特定的时刻，电流总是流过励磁转子绕组的线圈中的两个线圈，从而对于励磁转子绕组的每个线圈可以假设主电感，其中在定子侧流动的相电流通过变压器式耦合影响电流流动。因此，流过励磁绕组的励磁电流可以被确定为分流器中整个变压器式感应的次级侧电流的分电流。该分流器具有通过励磁转子绕组的两个有源线圈的两个主电感的第一电流路径和通过励磁绕组的第二电流路径。

此外，可以根据所述励磁变压器的对应于初级侧线圈与次级侧线圈的圈数比的衰减因数、根据例如可按经验确定的预先给定的校正因数、根据所述电机的转速以及根据所述励磁变压器的主电感与由励磁绕组的主电感和阻抗构成的总和的比求得励磁电流。

根据一个实施方式，可以测量初级侧相中的多个相电流，其中所述最大值通过对多个相电流的最大值取平均来求得。

根据一个替代的实施方式，可以测量初级侧相中的多个相电流，其中所述最大值通过在桥式整流器中对由该多个相电流导出的电流或者电压进行整流以及通过根据经整流的电流或者经整流的电压确定最大值来求得。

根据另一方面提出一种用于求得流过具有定子和转子的电机中励磁绕组的励磁电流的装置，其中该电机包括励磁变压器，以便通过感应出电流而在转子侧引起励磁电流，所述励磁电流流经励磁绕组以产生励磁磁场。所述装置包括：

-电流检测单元，用于检测所述励磁变压器的一个或多个初级侧相中的一个或多个相电流；

-最大电流求取单元，用于根据一个或多个所测量的相电流确定最大值；

-电动机控制单元，用于根据所求得的最大值求得流过所述励磁绕组的励磁电流。

此外可以设置变压器控制单元，以便实施对所述励磁变压器的初级侧控制，其中该变压器控制单元恒定地调整所述相电流或者由电动机控制单元预先给定地调整所述相电流。

根据另一方面提出一种电动机系统。所述电动机系统包括：

-以上所述的装置；以及

-具有定子和转子的电机，所述转子具有励磁绕组，其中该电机包括励磁变压器，以便通过感应出电流而在转子侧引起励磁电流，所述励磁绕组借助所述励磁电流产生励磁磁场。

此外，所述电机可以具有二极管桥式整流器，用于对在励磁变压器中的次级侧产生的变压器电流进行整流。

附图说明

以下根据附图进一步阐述本发明的优选实施方式。其中：

图1示出具有励磁变压器的电机的横截面示图；

图2示出用于表示图1的电机的电子电路的电路图；

图3示出励磁变压器的等效电路图；

图4示出转子中有源电路的等效电路图；

图5示出用于说明初级侧的相电流、电机的转速、所测量的励磁电流和所计算的励磁电流的变化的信号-时间图。

具体实施方式

在图1中示出旋转式电机1、例如电动机的横截面示图。电机1包括具有定子绕组3的定子2和置于轴5上的转子4(例如旋转式电动机中的转子)。转子4包括励磁绕组6，以便产生励磁磁场。通过控制定子绕组3可以将该电机作为电动机来运行。

在轴5上在沿轴向相邻的位置处设置有励磁变压器7。励磁变压器7在定子2上或者关于转子4的固定位置上具有励磁定子绕组8以及具有设置在可旋转的轴5上的励磁转子绕组9。

定子绕组3、转子绕组6、励磁定子绕组8以及励磁转子绕组9可以分别具有线圈，这些线圈的极(未示出)沿径向定向。控制励磁定子绕组8的各个线圈，使得根据轴5的转速产生环绕的交变场，从而在励磁转子绕组9的线圈中感应出交变的电流。

在励磁转子绕组9的线圈中感应出的励磁电流在二极管桥式整流器10中整流。随后的由电容和电阻形成的二极管保护电路11用于保护二极管桥式整流器10。经整流的励磁电流I_DC流过转子4的励磁绕组6以产生所述励磁磁场。

在图2中以电子电路图示出图1的电机1。电机1的励磁变压器2由三相励磁定子绕组8和相应的励磁转子绕组9构成。在此实施例中，励磁定子绕组3包括励磁定子绕组8的三个以星型电路连接的线圈。电机1装配有具有多于三相的励磁定子绕组8也是可行的。此外可以以三角形电路而不是以星型电路来布置这些线圈。

此外，励磁转子绕组9的线圈变压器式地与励磁定子绕组8的线圈耦合，从而在励磁转子绕组8中感应出交变电流。所产生的三相交变电流提供给二极管桥式整流器10，该二极管桥式整流器10具有以公知的方式连接的六个整流器二极管14。在多于三相的情况下，为每个另外的相设置两个另外的整流器二极管，以便以公知的方式将电流的正半波接通到输出线路之一上并且将电流的负半波接通到另外的一个输出线路上。

通过适当地控制初级侧的励磁定子绕组8来运行励磁变压器7，从而在励磁转子绕组9中感应出相应的交变电流。对励磁定子绕组8的线圈的控制通常如此进行，使得始终仅在励磁转子绕组9的一部分线圈中同时流动电流，从而相应地在次级侧分别仅在励磁转子绕组9的两个线圈中感应出相应的电流。

此外，二极管桥式整流器10的输出端向励磁绕组6提供几乎恒定的励磁电流I_DC。励磁绕组6用于提供直流磁场。励磁电流I_DC因此由在励磁转子绕组9中变压器式产生的交变电流通过二极管桥式整流器10的整流来产生。

此外，在图2中示出变压器控制单元20，该变压器控制单元20控制由直流电压源(V_DD，V_GND)供电的逆变器末级22的上拉开关21和下拉开关21(例如场效应晶体管)，使得始终闭合一个上拉开关21和一个下拉开关21并且因此定义通过励磁定子绕组8的一部分线圈(在此示例中通过励磁定子绕组8的两个线圈)的电流路径。

取代该逆变器末级也可以设置AC晶闸管调整单元，其中，多相交流电接线端子的每一相通过晶闸管开关单元与励磁定子绕组8的一个相接线端子连接。通过由变压器控制单元20控制地开关晶闸管开关单元可以接通或者断开用于提供次级侧电流的各个相。

在励磁定子绕组8的至少一个相接线端子上设置有例如测量电阻(例如分流器)形式的电流测量元件23，以便测量相电流变化。在使用该测量电阻的情况下，提供与待测量的电流成正比的测量电压，该测量电压在电流检测单元24中检测。可由该测量电压导出的关于所述相电流变化的说明或者数字地或者模拟地提供给最大电流求取单元25。

最大电流求取单元25由所述相电流变化求得相电流I₁的最大值I_{peak_measure}，即确定相电流I₁的每个正半波的最大值。最大电流求取单元25向励磁电流求取单元27提供相电流I₁的最大值I_{peak_measure}。

替代地，可以检测多个相或者所有相的相电流。所产生的测量电流或测量电压随后例如可以借助初级侧的桥式整流器整流。在电流检测单元24中检测经整流的测量电流，从而可以在最大电流求取单元25中确定所产生的经整流的测量电流的最大值作为最大值I_{peak_measure}。

励磁电流求取单元27根据以下所描述的计算方法由相电流I₁的最大值I_{peak_measure}求得励磁电流I_DC并且将关于励磁电流I_DC的说明提供给电动机控制单元26。电动机控制单元26可以根据所确定的励磁电流I_DC来控制运行逆变器末级22的变压器控制单元20，例如以便借助于适当的调节使励磁电流I_DC保持恒定或者根据预先规定来调整励磁电流I_DC。

在图3中以等效电路图示出励磁定子绕组8的线圈之一与励磁转子绕组9的线圈之一耦合的等效电路图。也就是说，当特定的相电流I₁流动时，图3中所示的等效电路图适用于励磁定子绕组8与励磁转子绕组9的变压器式耦合。在此，励磁绕组6的阻抗为R_exu/s，其中，s是转子4的滑差(Schlupf)。如下求得滑差s：

$s=\frac{f_{\mathrm{supply}}-n\·p}{f_{\mathrm{supply}}}$

其中，f_supply是定子侧的相电流的频率，p是励磁变压器9的极对的数目，n是每秒钟的旋转转数。

图3的等效电路图适用于稳态三相模型的励磁变压器7的特性。该等效电路图具有主电感L_M作为主要电感。对于在励磁电流求取单元27中实施的电流估计使用小信号等效电路图。因为在每个特定的时刻二极管桥式整流器10中仅仅两相是有源的，所以仅需考虑有源的整流器桥，即仅考虑有源二极管，从而不需要计算相移。

在图4的等效电路图中可以看出，在小信号等效电路图中仅需考虑励磁转子绕组9的线圈的主电感L_M并且不必考虑励磁变压器7的转子漏电感L_σ。

在图4的等效电路图中利用分流器得出以下关系：

$I_{\mathrm{DC},\mathrm{estimation}}=r_{\mathrm{ex}}\·k\·I_{{\mathrm{peak}}_{\mathrm{measure}}}\·\frac{Z_1}{Z_2}$

其中：Z₁＝2·ωL以及 $Z_2=\frac{R_{\mathrm{exu}}}{s}+Z_1$

其中，

L＝L_m1＝L_m2是励磁变压器7的主电感，

I_{peak_measure}是初级侧相电流I₁的最大值，

k是可以预先给定或者按经验确定并且例如可以被确定为值1.1的校正因数，以及

r_ex是励磁变压器7的衰减因数(从定子至转子)，其可以借助励磁定子绕组8的线圈与励磁转子9的线圈的圈数比求得。

励磁阻抗R_exu可如下求得：

$R_{\mathrm{exu}}=r_{\mathrm{ma}}^2\·R_f\·{\·r}_{\mathrm{ex}}^2\·3\·\frac{U_{\mathrm{nenn}}}{\sqrt{3}\·I_{\mathrm{nenn}}}$

其中，R_f是每单位的励磁绕组6的欧姆电阻，也就是说无单位，r_ma(从转子到定子)是由励磁绕组6的线圈与定子绕组3的线圈的圈数比得出的衰减因数，U_nenn是所述电机的额定电压，以及I_nenn是所述电机的额定电流(按照数据页)。

可以根据以上关系简单地计算出励磁电流I_DC：

$I_{\mathrm{DC},\mathrm{estimation}}=K\·I_{{\mathrm{peak}}_{\mathrm{measure}}}\·J\left(n\right)$

其中，K表示在以物理模型为基础的情况下可计算求得或者可按经验求得的常数，此外同样可容易地确定取决于(关于滑差s的)转速的阻抗比J(n)。在转速n较小时，该阻抗比甚至可假定是恒定的。

最后得出励磁电流I_DC与初级侧相电流的最大值以及转速的函数关系如下：

$I_{\mathrm{DC}}=f(I_{{\mathrm{peak}}_{\mathrm{measure}}},n)$

这种函数关系可以以简单的方式在励磁电流求取单元27中实现。励磁电流的计算仅仅根据由供电频率预先给定的出现率

进行，因为在一个振荡周期期间在相电流变化中最大值仅出现一次。因此可以降低对励磁电流求取单元27的计算能力的要求。

在图5中示出初级侧相电流I₁的变化曲线、初级侧相电流I₁的最大值I_{peak_measure}的变化曲线、所测量的励磁电流I_{DC_m}的变化曲线、所计算的励磁电流I_DC的变化曲线以及转速n的变化曲线。可以看出，励磁电流I_DC可以由初级侧相电流I₁的最大值非常精确地导出。

附图标记列表

1电机

2定子

3定子绕组

4转子

5轴

6励磁绕组

7励磁变压器

8励磁定子绕组

9励磁转子绕组

10二极管桥式整流器

11二极管保护电路

14整流器二极管

20变压器控制单元

21上拉开关或下拉开关

22逆变器末级

23电流测量元件

24电流检测单元

25最大电流求取单元

26电动机控制单元

27励磁电流求取单元

Claims (8)

1.一种用于求得流过具有定子(2)和转子(4)的电机中励磁绕组的励磁电流的方法，其中所述电机(1)包括励磁变压器(7)，以便通过感应出电流而在转子侧引起所述励磁电流(I_DC)，所述励磁电流流经励磁绕组(6)以产生励磁磁场，所述方法具有以下步骤：

-在初级侧控制所述励磁变压器(7)，以便在所述转子(4)中影响由在所述励磁变压器(7)中的次级侧感应出的电流导出的励磁电流(I_DC)；

-测量所述励磁变压器(7)中的一个或多个初级侧相中的一个或多个相电流；

-根据一个或多个所测量的相电流(I₁)确定最大值(I_{peak_measure})；

-根据所求得的最大值(I_{peak_measure})求得流过所述励磁绕组(6)的励磁电流(I_DC)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述励磁变压器(7)的衰减因数、根据预先给定的校正因数以及根据所述励磁变压器(7)的主电感与由所述励磁绕组(6)的主电感和阻抗构成的总和的比求得所述励磁电流(I_DC)，其中所述励磁变压器(7)的衰减因数由初级侧的励磁定子绕组(8)与次级侧的励磁转子绕组(9)的圈数比实现。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，测量初级侧相中的多个相电流(I₁)并且其中所述最大值(I_{peak_measure})通过对所述多个相电流的各最大值取平均来求得。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，测量初级侧相中的多个相电流，并且其中所述最大值(I_{peak_measure})通过在桥式整流器中对由多个相电流导出的电流或电压进行整流以及通过根据经整流的电流或根据经整流的电压确定所述最大值来求得。

5.一种用于求得流过具有定子(2)和转子(4)的电机(1)中励磁绕组(6)的励磁电流(I_DC)的装置，其中，所述电机(1)包括励磁变压器(7)，以便通过感应出电流而在转子侧引起所述励磁电流(I_DC)，所述励磁电流流经励磁绕组(6)以产生励磁磁场，所述装置包括：

-用于在初级侧控制所述励磁变压器(7)的装置，以便在所述转子(4)中影响由在所述激励变压器(7)中的次级侧感应出的电流导出的励磁电流(I_DC)；

-电流检测单元(24)，用于测量所述励磁变压器(7)的一个或多个初级侧相中的一个或多个相电流(I₁)；

-最大电流求取单元(25)，用于根据一个或多个所测量的相电流(I₁)确定最大值(I_{peak_measure})；

-电动机控制单元(26)，用于根据所求得的最大值(I_{peak_measure})求得流过所述励磁绕组(6)的励磁电流(I_DC)。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，设有变压器控制单元(20)，以便实施对所述励磁变压器(7)的初级侧控制，其中，所述变压器控制单元(20)恒定地调整有效相电流或者由所述电动机控制单元(26)预先给定地调整有效相电流。

7.一种电动机系统，包括：

-根据权利要求5或6所述的装置；以及

-具有定子(2)和转子(3)的电机(1)，所述转子具有励磁绕组(6)，其中所述电机(1)包括励磁变压器(7)，以便通过感应出电流而在转子侧引起所述励磁电流(I_DC)，所述励磁绕组(6)借助所述励磁电流(I_DC)产生励磁磁场。

8.根据权利要求7所述的电动机系统，其中，所述电机具有二极管桥式整流器(10)，用于对在所述励磁变压器(7)的次级侧产生的变压器电流进行整流。

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