CN101903203B - 操作机电转换器的方法、控制器和计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及操作机电转换器、特别是电动变速箱的方法，该机电转换器配备有：主轴，在其上安装有转子；副轴，在其上安装有中间转子；和定子，固定安装到机电转换器的外壳，其中当从主轴沿径向观看时，转子、中间转子和定子相对于彼此同心地布置。转子和定子被设计为带有一个或多个绕组，而且，中间转子用机械方式和电磁方式形成一个整体并且被布置为用于在至少切线方向上的磁通量的导体，该方法包括可变地控制转子磁通量的步骤。

Description

操作机电转换器的方法、控制器和计算机程序产品
本发明涉及操作机电转换器的方法，特别涉及操作电动变速箱(electric variable transmission)的方法，该机电转换器装备有：主轴，其上安装有转子；副轴，在其上安装有中间转子；和定子，固定安装到机电转换器的外壳，其中，当从主轴沿径向观看时，转子、中间转子和定子相对于彼此同心地布置，转子和定子被设计为带有一个或多个绕组，中间转子机械地和电磁地形成一个整体并且被设置为用于在至少切线方向上的磁通量的导体。
电动变速箱(EVT)是带有两个机械端口的机电转换器，即，主轴(驱动轴)和副轴(被驱动轴)和电动门，通过电动门可以交换能量。如果不使用电动门，则EVT用作普通的无级变速器(infinitelyvariable transmission)，其中传递比具有非常宽的范围。EVT实现可以与车辆的离合器和变速箱的组合的功能相比的功能。与EVT结合时，内燃气实际上用作功率源，因此，根据内燃机的最佳特征可以设置速度。因而可以减少来自车辆的燃油消耗量、噪声级和有毒气体排放。因为EVT是无级变速器，所以在加速期间没有换挡冲击。这还意味着可能以恒定(最大可能的)功率一直加速，而不像传统变速箱中那样带有或多或少的功率随时间变化的锯齿波形曲线。用相同的发动机，用EVT的加速因而比用传统变速箱的加速进行的更快。
通过将电动门连接至板载电池，EVT可以用作大体上无磨损起动机。结果，装备有EVT的城市公共汽车可以例如无任何异议地在公共汽车站关闭发动机，这更加舒适而且节省大量燃料，因为频繁起动导致传统起动机中的起动马达和起动齿圈的过度磨损。
通过电动门，可选地通过电力电子转换器，可以提供板载网络并且因而可以对板载电池充电。因而，已得到基本上无磨损的交流发电机。因为传统直流发电机效率低，这也导致节省了燃料。在带有通常的直流发电机的电气系统中，功率实际上由皮带传动和低板载电压限制。在EVT的使用中，可选地通过电力电子转换器，可以简单地产生更高的电压电平，功率仅由内燃机限制。这意味着可以高效率地用电驱动现在直接由发动机驱动的一些辅助装置，例如，动力转向泵或者公共汽车中的压缩机。然后可以任意地打开或者关闭它们，使得空载损失更低。这也导致节省了燃料。
使用EVT，完全可能通过发动机制动。然后可以通过增加发动机的速度增加制动功率。但是，这伴随着增加的噪声产量。此外，可能浪费在连接至电动门的电阻中的制动能量。与例如公共汽车中的传统减速器相比，这使得可能制动至停止。当制动时，甚至可能关闭发动机，使得减少燃料消耗量，发动机不产生任何噪声。
对于电动门，可以连接以电池、法拉电容(supercap)和/或飞轮系统形式的电能存储系统。使用这些工具，可以存储制动能量，制动能量可以随后再次用于加速。这种相对昂贵的扩展，特别是使用局部总线，大量地节省了燃料。
电动门使转换器特别适用于混合动力型车辆中；可以通过内燃机和通过电源产生用于推进轴的机械能。
从WO 03/075437号国际专利公开中了解在开始段落中描述的机电转换器。在这个公开文本中描述的机电转换器的两个转子部分已经用电磁方式连接并且已经进一步被集成为一个整体，使得可能提供期望的体积和重量减轻。当然在机电转换器中，仍然存在径向方向上的磁通量传导。
在WO‘437中的电机部件是用电磁方式连接的；磁通量传输可以从转子通过中间转子到定子，反之亦然。电机用机械方式和电磁方式形成一个整体。电磁传输的部件由单个控制设备控制。由于中间转子形成用于不仅在径向方向上的而且在切线方向上的磁通量的导体，所以可能在机电转换器的一个部件上提供使用磁通量衰减，而在转换器的其它部件上不执行这个功能。
转换器的输出扭矩由中间转子频率决定，而电机输入扭矩取决于与中间转子频率结合的外部和内部磁场角。在机电转换器的工作期间，控制一个或多个物理参数以得到中间转子的期望功率和速度。在相对高的转速下，可以降低定子绕组上的电压差因而减少定子的磁通量，以便限制反电动势(EMF)，使得抵消了超出系统限制的电压差值。但是，在定子磁场削弱情况下的机电转换器的效率可能降低。
本发明的目的是提供一种操作根据开始段落的机电转换器的方法，其中提高了效率。此外，根据本发明，所述方法包括可变地控制转子磁通量使得中间转子中的磁饱和降低的步骤。
本发明部分基于以下见解，即在磁场削弱情况下，所述转子使所述中间转子磁化，导致高转子铜损，特别是当所述中间转子工作在饱和区时。这样具有某些缺陷，因为不能容易地冷却所述转子并且所述转子比所述定子具有更低的最大扭矩。而且，中间转子磁通量增加，导致所述中间转子中出现铁损。结果，在定子磁场削弱情况下，机电转换器的效率降低。
注意到，在磁场削弱情况下的所述定子对所述中间转子的磁化具有最小贡献。
通过可变地控制转子磁通量使得所述中间转子的磁饱和降低，可以改变中间转子磁化曲线上的工作点，使得所述中间转子稍不饱和，从而可以降低所述转子中的铜损和所述中间转子中的铁损，因而提高了所述机电转换器的效率。
在这个环境下，注意到所述转子磁通量可以包括不同的分量，即仅在所述转子中延伸的磁通量、延伸到所述转子和所述中间转子之间的气隙内的磁通量和连接所述中间转子中的内鼠笼的磁通量。上述的分量是互相关的，使得控制所述转子磁通量分量中的一个或多个可以原则上导致所述中间转子磁化曲线上的工作点的期望改变。
有利地，在定子磁场削弱情况下可以减少所述转子磁通量，从而减少了所述转子中的铜损，以及因为所述中间转子稍不饱和，所以减少了所述中间转子中的铁损。通过否定了产生最大磁场的通常采用的想法，得到了损耗减少。
本发明不仅涉及机电转换器，而且涉及装备有如上描述的、用于启动驱动内燃机或者用于提供电气设备的机电转换器的装置，还涉及装备有如上描述的机电转换器和装备有用于存储能量的系统的装置。
本发明还涉及一种控制器。
此外，本发明涉及一种计算机程序产品。
在权利要求中描述了根据本发明的其它有利的实施方式。
现在将参照附图仅通过实施例描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了电动变速箱的示意性横截面图；
图2示出了图1的电动变速箱中的转子-中间转子-定子组合的部分横截面；
图3示出了图1的电动变速箱的中间转子的磁通量图；
图4示出了物理量的矢量图；和
图5示出了图1的电动变速箱的中间转子的另一磁通量图。
应当注意，附图仅示出了根据本发明的优先实施方式。在附图中，相同的标号指示相同的或相应的部分。
图1示出了根据本发明的机电转换器1的第一实施方式。
电动变速箱(EVT)是带有两个机械门和一个电动门的机电转换器。EVT主要是无级变速器，此外通过电动门可以交换能量。
电动变速箱(EVT)的基本结构在图1中进行了示意性地表示，并且可从WO 03/075437号国际专利公开中了解。该EVT由机电部分1和电力电子部分12、13构成。机电部分1包括外壳3，在外壳3中布置了带有主轴5的主感应电机和带有副轴7的副感应电机。两个轴5和7用轴承安装在外壳3内。主感应电机在这个实施方式中包括转子8和非电导通的笼式电枢9，转子8由带有电导通的多相绕组的滑动环电枢构成。副感应电机包括与外壳3固定连接的固定部分即定子10、和在副轴7上安装的笼式电枢11。副感应电机的副轴7也用轴承安装在转子8中。定子10具有电导通的多相绕组。在转子8和定子10之间，可以通过控制单元交换电能，这里的控制单元包括通过滑动环和电刷的组合14连接到转子绕组的第一电力电子AC/DC转换器12和第二电力电子AC/DC转换器13，第一和第二电力电子AC/DC转换器都被设计为交流电压-直流电压变换器。两个变换器12、13的DC端相互连接并且连接到DC储能系统2，例如电池或法拉电容。控制单元包括用于控制在绕组中流动的电流的控制元件16。因此，控制元件16通过数据线17、18控制变换器12、13。主感应笼式电枢9和副感应笼式电枢11共同形成中间转子15。EVT的基础部分是用作再生电磁式离合器的主感应电机，使得能够进行低损耗速率比控制。副电机由来自主电机的再生能量供给，并用作能够进行扭矩倍增的辅助电机。
中间转子包括一个或多个电路和磁路。在根据本发明的第一实施方式中，磁路由圆柱形磁轭形成，圆柱形磁轭在径向内侧和外侧上带有齿部，纵向延伸的槽位于齿部之间，在槽中延展有形成电路的短路绕组。在第二实施方式中，中间转子由磁通量传导的圆柱形磁轭形成，而在径向内侧和外侧上布置了永磁材料，例如块状的。在第三实施方式中，中间转子由磁通量传导的圆柱形磁轭形成，而在一侧上配备了永磁材料，在另一侧上布置了纵向延伸的槽，在槽中配备了通电绕组。但是在第二种情况中，要保证电流供应点应该存在于中间绕组上或者在副轴上；在副轴上可以容易安装滑动环，通过滑动环可以提供电流或除去电流。
优选地，中间转子的磁通量传导磁路，特别是带有齿部的磁轭，且齿部之间有槽，在中间转子的径向内侧和/或径向外侧上具有大体上光滑的表面。特别地，磁路的磁通量传导材料的径向内侧和/或外侧是关于磁路的外周线自由地向外延伸的部分。因而达到了没有凸极的目的，凸极在中间转子的磁通量传导材料上强加了预定的固定样式的磁极，使得中间转子的磁通量传导材料中的磁极样式是不受约束的，可以在工作期间改变。注意到在这个背景下，应当将大体上光滑的表面理解为不仅意味着完全光滑的表面，而且还可以包括以下表面：即这种表面关于例如圆柱形的光滑轮廓具有关于磁路径向向内指向的槽(狭缝)。这样的凹槽于是包括磁路的径向内侧或外侧的全部圆周的不到一半，优选地不到圆周的大约20-30％。
在根据本发明的一个方面的实施方式中，中间转子包括磁路和电路，磁路包括磁通量传导圆柱体，电路包括在磁通量传导圆柱体中延伸的多条形成电路的绕组，并且其中，中间转子被布置为用于切线和径向方向上的磁通量的导体，使得当中间转子磁性饱和时可以在转子和定子之间施加直接扭矩。
图2示出了图1的电动变速箱中的转子-中间转子-定子组合的部分横截面图20。转子8包括通过具有滑动环的转子端部21电导通的多相绕组23。类似地，定子10配备有通过定子端部22电导通的多相绕组24。转子绕组23和定子绕组24连接到参考图1描述的变换器12和13。在转子绕组23和定子绕组24中发生铜损。铜损是绕组中的电流产生的热量转换的结果。此外，还发生铁损。铁损是由磁通磁滞和/或涡电流产生的。此外，由于存在杂散磁通，所产生的磁通量可能不是完全有效的。因而，为了获得期望的结果，必须将产生的磁通量设置成比计算值大的值。中间转子包括具有非电导通的绕组25的内笼式电枢9。中间转子的外笼式电枢11也包括非电导通的绕组26。在转子8和中间转子15之间存在转子-中间转子气隙27，而在中间转子15和定子10之间存在中间转子-定子气隙28。
在电动变速箱工作期间，感应了磁通量29。转子磁通量可以包括不同的分量，即，仅在转子中延伸的磁通量30、延伸到转子-中间转子气隙27内的磁通量31和连接中间转子中的内鼠笼9的磁通量32。上述的分量是互相关的。
图3示出了在中间转子15磁轭中出现的物理量的磁通量图24。更详细地，绘出中间转子磁通量Φ作为定子绕组和/或转子绕组中流动的有效中间转子磁化电流i的函数35绘制。在小电流区，磁通量大体上与磁化电流线性相关。当中间转子绕组中流动大电流时，磁通量饱和，曲线35变平。在电动变速箱工作期间，将中间转子磁通量Φ设置在工作点，例如在曲线35相对平坦的饱和区中的工作点36。
在这个背景下，磁场削弱情况表示电动变速箱的状态，在该状态中在相对高的转速下减少定子的磁通量以抵消超出预先规定的系统要求的反电动势。
在相对高的转速下，减小产生定子磁通量的定子中的直轴电流以限制电压差值。结果，定子磁通量也减小。但是，如果保持转子磁通量不变，那么在这种磁场削弱情况下中间转子中出现的磁通量增加。
在现有系统中，为了产生最大扭矩，以最大量产生转子磁通量。但是，根据本发明，通过可变地控制转子磁通量以得到电动变速箱的预先规定的性能，间接控制中间转子15的磁通量Φ。更具体地，转子磁通量控制使得中间转子的磁饱和降低。
通过减少中间转子磁通量Φ，工作点36被移至更接近磁通量曲线35的线性区的另一工作点37，使得中间转子较少地被磁化，减少了转子绕组中的铜损。
再次参考图2，注意到当减少转子磁通量控制时，中间转子磁通量30-32也减少，具体地中间转子中的切线磁通量分量减少，因而减少了中间转子中的铁损，减少了磁化电流并且提高了机电转换器的整体效率。
图4示出了图3中描绘的物理量的矢量图。这里，与磁通量曲线35的饱和区中的中间转子磁通量工作点36对应的初始转子电流40由三个分量组成，即由与内鼠笼电流对应的场滑动(field slip)感应的电流、流经内气隙电感线圈的气隙磁化电流42和流经中间转子磁轭电感线圈的中间转子磁化电流43。如上指出地通过减少中间转子磁通量Φ，中间转子磁化电流降低至导致减少的转子电流45的第二矢量状态44。就这点而言，图4再次示出了，通过将磁通量曲线35的饱和区中的中间转子磁通量Φ的工作点36朝着线性区中的工作点37移动，转子中的铜损减少。
类似地，图4示出了由定子磁通量47和中间转子磁通量48组成的初始态转子磁通量46。通过将转子磁通量从大的值修改成第二较小的转子磁通量50，中间转子磁通量48也降低至较小的矢量状态49。
有利地，通过减少转子中的直轴电流，例如通过实施矢量控制方案，减少磁通量。
注意到，因为定子可以以最大容许的磁通量水平运转，所以机电转换器的反应时间保持可接受的水平。在混合动力型车辆中，通过增加正交电流以增加扭矩，在毫秒范围中可得到附加扭矩。而且，由于电机时间常数的原因通过增加转子磁通量增加输入扭矩具有几百毫秒的量级，这是可接受的，因为这个变化率与驱动转换器的内燃机的变化率类似。
在根据本发明的一个实施方式中，根据与中间转子关联的期望参数，例如要求的EVT功率和输出速度、期望的发动机扭矩、速度和EVT输出扭矩，确定转子磁通量。实际上，这种转子磁通量可以通过从查找表中检索值和/或通过对机电转换器的物理行为数学建模来确定。为此目的，根据本发明的一个方面，提供了一种控制器，该控制器包括被设置用于操作如上所述的机电转换器的处理器，其中处理器被设置用于控制转子磁通量，使得中间转子中的磁饱和降低。
使用加载有计算机程序产品的专用硬件元件或标准元件，可以执行根据本发明的方法。
本发明没有受限于本说明书中描述的实施方式。可以理解，可能存在许多变形。
注意到根据本发明的操作机电转换器的方法可以应用于内燃机驱动转换器的情况中或者应用于其它驱动情况中，例如转子扭矩基本上是零的电气驱动情况。在后一种情况中，将转子磁通量设置成某一值，以通过根据电机配置和/或工作点平衡转子磁通量和中间转子磁通量来避免中间转子中的高磁化损耗和铜损。就这一点而言，可以将转子磁通量从转子磁通量是例如零值或最大值的初始状态设置到所述值。从全磁通情况开始，可以减少转子磁通量以得到所述值。另一方面，当从初始零磁通情况开始时，可以增加转子磁通量以达到转子磁通量具有期望值的期望情况。图5示出了图1的电动变速箱的中间转子的另一磁通量图。这里，磁通量图代表转子扭矩基本上为零的电气驱动情况。定子磁通量包括不同的分量，例如延伸穿过中间转子到转子内磁通量分量60和连接中间转子中的内鼠笼9的磁通量分量61、62。可以再次设置转子磁通量60，使得中间转子中的磁饱和降低，从而使机电转换器更有效。因而，通过使转子中的磁化电流、铁损和总磁化损耗意外地减少。这与标准预期形成对照，即当使磁化电流在转子中流动时磁化电流将增加。其它这样的变形将对本领域的技术人员而言是显而易见的并且将其认为处于权利要求规定的本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种操作机电转换器的方法，所述机电转换器配备有：主轴，在其上安装有转子；副轴，在其上安装有中间转子；和定子，固定安装到所述机电转换器的外壳，其中当从所述主轴沿径向观看时，所述转子、中间转子和定子相对于彼此同心地布置，并且所述转子和所述定子被设计为带有一个或多个绕组，其中所述中间转子用机械方式和电磁方式形成一个整体并且被布置为用于在至少切线方向上的磁通量的导体，所述方法包括以下步骤：
根据与所述中间转子关联的期望参数确定转子磁通量，其中，通过从查找表中检索值和/或通过对所述机电转换器的物理行为进行数学建模来确定转子磁通量；以及
通过减小在所述转子的线圈中流动的有效中间转子磁化电流而可变地控制转子磁通量，使得所述中间转子中的磁饱和(Φ)从磁通量曲线(35)的饱和区中的第一工作点(36)朝向所述饱和区中的、更接近所述磁通量曲线(35)的小电流线性区的第二工作点(37)降低，并保持所述中间转子处于所述饱和区中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子和/或所述定子的所述一个或多个绕组是单相或多相类型的，并且是电导通的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述中间转子进一步包括磁路和电路，所述磁路包括磁通量传导圆柱体，所述电路包括在所述磁通量传导圆柱体中延伸的多个形成电路的绕组，并且其中所述中间转子被设置为用于切线和径向方向上的磁通量的导体，使得当所述中间转子磁饱和时，能够在所述转子和所述定子之间施加直接扭矩。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在定子磁场削弱的情况下所述转子磁通量减少。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子和/或所述定子的通电绕组连接到用于控制在所述绕组中流动的电流的控制单元。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过减少所述转子中的直轴电流，减少所述转子磁通量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过实施矢量控制方案，减少所述转子中的直轴电流。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机电转换器是电动变速箱。
9.一种控制器，包括：处理器，被设置用于操作机电转换器，所述机电转换器配备有：主轴，在其上安装有转子；副轴，在其上安装有中间转子；和定子，固定安装到所述机电转换器的外壳，其中当从所述主轴沿径向观看时，所述转子、所述中间转子和所述定子相对于彼此同心地布置，并且其中所述转子和所述定子被设计为带有一个或多个绕组，其中所述中间转子用机械方式和电磁方式形成一个整体并且被布置为用于在至少切线方向上的磁通量的导体，其中所述处理器被设置用于：
根据与所述中间转子关联的期望参数确定转子磁通量，其中，通过从查找表中检索值和/或通过对所述机电转换器的物理行为进行数学建模来确定转子磁通量；以及
通过减小在所述转子的线圈中流动的有效中间转子磁化电流而可变地控制转子磁通量，使得所述中间转子中的磁饱和(Φ)从磁通量曲线(35)的饱和区中的第一工作点(36)朝向所述饱和区中的、更接近所述磁通量曲线(35)的小电流线性区的第二工作点(37)降低，并保持所述中间转子处于所述饱和区中。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述机电转换器是电动变速箱。
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