CN102144351B - 借助反电势过零识别对带有两个电感不同的绕组段的电子换向电机的转子进行位置识别 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别电子换向电机(2)尤其电动马达(3)的转子(4)的位置的方法，其中使用在转子(4)或定子(5)的绕组段(13、15)中感应的电压的过零(38)来进行位置识别，并且为了求出过零(38)，绕组段(13、15)被短时间地断电。规定使用具有至少两个绕组段(13、15)的转子(4)/定子(5)，其中一个绕组段具有比另一个绕组段更小的电感，并且为了进行位置识别优选仅使用有较小电感的那个绕组段(15)。

Description

借助反电势过零识别对带有两个电感不同的绕组段的电子换向电机的转子进行位置识别

技术领域

本发明涉及一种用于对电子换向电机尤其电动马达的转子进行位置识别的方法，在该方法中，使用在转子或定子的绕组段中感应的电压的过零进行位置识别，以及为求出绕组段的过零而短时间地断电。

背景技术

对带转子和定子的电机的电子换向而言，对电机的转子位置的认识是必要的。这可以例如借助位置识别实现。转子的位置识别既可以借助传感器进行，也可以不用传感器地实现。电子换向电机典型具有至少一个包括至少一个线圈的绕组段，该线圈配属于转子或定子。线圈和换向接线共同构成可开关的电磁体。电机不具有绕组段的部分，亦即定子或转子，优选具有至少一个永久磁体，它和绕组段配合作用并且促使转子发生转动。永久磁体也可以用电磁体代替。为了不用传感器地识别转子的位置，探测电机内一个通过永久磁体在绕组段内感应产生的电压的过零。为此目的，在绕组段内测量感应电压。为了能够检测过零，绕组段必须断电，也就是说，它不应从外部通电。这一点由此产生，即，在绕组段内适合形成驱动转子的力，这种力的形成取决于效率、所有感应电压的和以及绕组段电流的和。

这意味着，在一个假设的、物理上理想的绕组段中，电流在绕组段内与感应电压同相地流动。由此得出，绕组段中的电流覆盖感应电压，从而不采取相应措施就能实现过零的测量。基于该原因，绕组段内的电流在预期的过零前被切断，直至过零之后才又重新接通。

缺陷在于，绕组段的切断意味着，在绕组段被切断期间，无法形成力以及因而无法产生功率。电机因此失去功率密度。单纯缩短绕组段断电的持续时间导致错误换向的几率增大，其中，绕组段断电从而造成电机的功率密度上升。这样做的理由在于，基于转子转速和预期的转速变化来计算绕组段的下一次切断。当时间段缩短时，由此得出，仅能考虑到微小的转速变化，因为过零必须位于该时间段内。基于这个原因，在一段时间内转速有微小变化的电机中，不是每一次过零都被测量的，而是跳过一次或多次过零。从电机的运行时间看，这些措施导致电机更高的功率密度。但若基于电机更高的转速动力学，亦即强烈和频繁的转速变化，则必须非常频繁地检测过零，所以由此才能获得功率密度，即，将绕组段被切断的时间段保持得尽可能小。基于这个原因，需要这样一种方法，它实现了绕组段在预期的过零之前尽可能短暂地被切断，以及在过零之后又快速被接通。

发明内容

按照本发明，设转子/定子，其具有至少两个绕组段，其中一个绕组段相对另一个具有较小的电感，并且为了进行位置识别优选仅使用有较小电感的那个绕组段。较小的电感使得该绕组段能比另一个有较大电感的绕组段更为迅速地被切断以及更为迅速地被接通。优选设一种电机，其为配属于绕组段的转子/定子配设一个定子/转子，所述定子/转子具有至少一个、优选多个永久磁体。然后使用由永久磁体在绕组段中感应的电压进行位置识别，由此实现无传感器地换向。每个绕组段具有至少一个线圈，所述线圈卷绕线圈芯并且因而构成一个电场，所述电场与永久磁体相互作用。永久磁体也可以用电磁体替代。在转子旋转时，永久磁体在绕组段中感应电压，亦即一种交流电压。若线圈位于永久磁体的磁场中央，那么在线圈内部生成感应电压的一次过零。

按照本发明的一种扩展设计规定，通过过零形成测量窗口，该测量窗口伴随着断电的换向开始，以及在感应电压的过零后结束。测量窗口伴随着断电的换向开始。换向描述了在一个时间段内运行的一个过程，该时间段从切断开始持续至在绕组段内建立起无电流的状态。测量窗口对应这样一个时间段，在该时间段内绕组段完全断电。在电机作为发电机时的运行状态下，直接检测并评估该电压。在电机作为发动机时的运行状态下，感应电压通过输入绕组段的电流叠加并且无法进行检测。然而为了能够进行测量，求出下一次待预期的过零并且将导入绕组段的电流在扩大的过零前尽可能短暂地切断，从而可以在绕组段内检测感应电压，由此产生测量窗口。在此，有利的是，绕组段包括多个彼此间角度错开布置的线圈。特别有利的是，为每个线圈配设一个永久磁体。这些永久磁体优选以同样的方式彼此错开角度地布置。然后在所有线圈中同时产生过零，因此在所有绕组段中都存在过零。在多个绕组段和/或永久磁体的情况下，转子的位置识别给出转子的相对位置，亦即其中一个线圈相对永久磁体的位置。基于绕组段的感应特性，其中一个绕组段的切断、换向需要一定的切断时间。切断时间的持续时间主要受绕组段电感的影响。基于其中一个绕组段的电感的缩小，该绕组段能够比电感更高的那个绕组段更为迅速地接通和断开。更迅速的接通和断开使得绕组段可以更长时间地通电直至断电，以及在接通后更为迅速地建立起一个形成力亦即因而产生功率的磁场，由此实现电机更高的功率密度。因此有利地规定，用电感较小的绕组段作为测量绕组段。由于使用不同电感的绕组段，这些绕组段在定子/转子中构成了一个不对称的磁路。这种不对称性可以通过合适的定子设计方案和/或转子设计方案尽可能地得到补偿。这改善了电机的声学。此外还可以考虑的是，基于按本发明的做法将切断的时间点后移，由此保持功率密度，扩大测量窗口以及提高电子换向的鲁棒性。因此要么保持切断的时刻，由此基于更为迅速衰退的电流而使无电流的测量窗口变得更长，要么之后切断电流以及因而更长时间地通电，由此保持测量窗口。也可以考虑这两个可能方案的结合，因此根据电机当前的转速动态和绕组段内的电流高度，一个适配的、动态的系统是不独立的。

按照本发明的一项扩展设计规定，使用带定子齿的转子/定子，定子齿分别具有至少一个齿根和至少一个齿顶，在此，其中一个绕组段围绕转子/定子的齿根布置，另一个绕组段则围绕转子/定子的齿顶布置，并且为了更小的电感而使用处于齿顶周围的绕组段。这种布置实现了绕组段中的不同的电感，其中，绕组段具有相同的到气隙的磁通链。磁通链指的是励磁磁通例如通过永久磁体或励磁线圈到线圈内的交链。由此可知，绕组段在相同的匝数和相同的绕组段电流下几乎一致地影响电机的功率密度，因为相似的电流形成了相似的占电机总转矩的份额。定子齿优选沿径向布置，因此从径向看，齿顶对准齿根。特别可知，配属于齿顶的绕组段具有较小的电感。

附图说明

附图示出了本发明的有利的实施形式，附图中：

图1是第一次通电的电机的一个截面；

图2是第二次通电的电机的一个截面，以及

图3是电流/电压-时间关系图。

具体实施方式

图1表示以横截面示出的、设计成电动马达3的电机2的一个截面1。在截面1中部分示出了定子5以及转子4。转子4是一种在外部运行的转子4，其绕定子5转动并包围定子5以及具有多个沿转子4的周向均匀分布的永久磁体6。无论是转子4还是永久磁体6都仅示意性示出，以便说明电机2的工作原理。定子5包括圆环形的基部元件7，定子齿8布置在该基部元件上。定子齿8在径向从基部元件7向外延伸并且分别具有一个安装在基部元件7上的齿根9。每个齿根9有两个齿顶10，这两个齿顶从横截面上看呈弧形，因而一个齿根9的两个齿顶10的弧形端部11互为导向地布置。齿根线圈12围绕每个齿根9地布置。齿根线圈12联接成第一绕组段13。第一绕组段13通电时，产生第一绕组段13在图1中示出的电流流动方向。带十字的圆12′表示流入图纸平面的电流流动方向，带同心点的圆12″表示从图纸平面往外的电流流动方向。因此对应图示的电流流动方向可知，在两个齿根9之间沿周向相邻排列的线圈区域具有相同的电流流动方向。为齿顶10配设成对的齿顶线圈14。被一个齿顶线圈14卷绕的齿顶10各配属于另一个定子齿8。由此可知，在图1中仅有一个齿顶线圈14完整地以横截面示出，而其它两个齿顶线圈14仅示出了一半。齿顶线圈14彼此联接成第二绕组段15。在图中示出的第二绕组段15是不通电的。在定子5内示出了一个基于通电的齿顶线圈12而产生的磁通16，形式为磁力线17。产生经由两个不同的定子齿8的两个齿顶10由两个齿根线圈12形成的磁通16。两个齿顶10彼此间隔地布置，因而在齿顶10之间形成气隙19。齿顶10由此形成磁场20，所述磁场从其中一个齿顶10流向另一个齿顶10。转子4在图中这样布置在转动位置中，使永久磁体6位于磁场20的中央并沿用箭头21表示的转动方向运动。截面1因此表示在自由空间内第一绕组段13通电时定子5的场变化曲线。此外还需考虑的是，磁场20在周向被交替地以及不同地极化。转子4和永久磁体6在图中不对磁场20和磁通16产生影响，以便能够描述定子5的磁性。

图2示出了图1的带其自身特征的截面1。与图1相反的是，在图2中，第二绕组段15被通电，这借助在图1中含义相同的圆12′和12″表示。第一绕组段13在此不通电。基于第二绕组段15的通电，在每个定子齿8上产生第二磁通22。第二磁通22借助磁力线23表示并延伸经过唯一一个定子齿8的两个齿顶10。基于第二磁通22，形成磁场24，这些磁场在定子齿8上从其中一个齿顶10流向另一个齿顶10，其中，所述磁场分别跨接位于齿顶10的两个弧形端部11之间的气隙25。在定子5的这一通电状态下，得到磁场24的位置，与图1相比，该位置在一个包围定子5的空间内错移一个槽距。磁场20和24在这种情况下有所区别，但由于绕组段13和15有相同的磁通链，所以在相同的绕组段电流下，它们就磁凸极效应(magnetische

)而言没有差别或几乎没有差别。此外需考虑的是，磁场24在周向被交替地以及不同地极化。

图1和图2实现了在绕组段13和15的电感不同时，两个绕组段13和15的磁场20和24的磁场凸极效应

的对比。

电动马达3被电子地换向，此时两个绕组段13和15同时电动错开90°地通电。由此获得一个在周向绕定子5移动的旋转场。第一绕组段13基于其设计而设置有高于第二绕组段15的电感。基于该设计，从两个绕组段13和15中产生一个不对称的磁路26，该磁路在两个绕组段13和15内具有几乎相同的磁通链。基于这种设计，绕组段13和15内的相似的电流也形成了相似的占电机2总转矩的份额。由于第二绕组段15有更小的电感，该第二绕组段被用作测量绕组段27。

图3表示笛卡尔坐标系28，有横坐标29和纵坐标30。横坐标29表示时间t，纵坐标30表示转子电流I和测量绕组段27的感应电压U。在笛卡尔坐标系28中，感应电压U表示为正弦形的点断电压变化曲线31。此外，还示出了实心的电流变化曲线32，其表示不使用位置识别就为定子5通电。沿电流变化曲线32示出有第一切断时刻33和第二切断时刻34。点划的电流切断线35斜坡状地从切断时刻33朝横坐标29延伸，并且从那沿横坐标29延伸直至电流变化曲线32。虚线表示的电流切断线36从切断时刻34起朝横坐标29延伸。它以和电流切断线35相同的方式沿横坐标29延伸直至电流变化曲线32。两条电流切断线35和36在相同的无电流点37上相遇在横坐标29上。从无电流点37起直至感应电压过零38之后，产生了一个测量窗口39。切断时刻33和34对应换向开始的时刻，因而测量绕组段27在测量窗口39内是无电流的。测量窗口39在感应电压U的所有180°相位下被打开。箭头40表示切断时刻33和34之间的时间间隔。

在作为发电机工作时，产生感应电压U，其变化曲线被表示为电压曲线31。在此，当存在过零38时，给出在图1中示出的转子4的位置。当电机纯粹作为电动马达工作时，测量绕组段27中存在电流曲线32。为了能够实施位置识别，通过第二绕组段15、测量绕组段27断电生成测量窗口39。电流切断线35对应假设的电流切断线35，当定子5的两个绕组段13和15具有相同的电感并因而构成对称的磁路且在本申请中用作按本发明方法的对比可能方案时，该电流切断线就非常接近。与电流切断线35相反的是，电流切断线36更为陡峭，因此切断时刻34能够沿横坐标29相对切断时刻33后移。由此得到时间差40。使用电感较小的第二绕组段15实现了电流切断线36。因为两条电流切断线35和36在无电流点37中彼此相遇，两者产生了相同的时间窗口39，由此导致，基于通过本发明实现的后来的切断时刻34，第二绕组段15通电时间更长。因此电机2的功率密度出现增长，所述增长通过电流切断线35、电流切断线36和电流曲线32之间的面得到体现。除在切断时，亦即第二绕组段15换向时的功率增益外，在第二绕组段15接通时也以相应的方式出现了一个功率增益。基于更低的电感，第二绕组段15比另一个带更高电感的绕组段更为迅速地产生一个形成力的磁场24。电流切断线以及由此产生的功率增益在图中并未示出。

在另一种实施形式中可以考虑的是，保持输送给绕组段15的电功率，从而在按本发明的方法中将无电流点37沿横坐标29前移。这在图3中并未示出。由此使测量窗口39扩大，这导致位置识别更为鲁棒。测量的鲁棒度(Robustheit)的上升预防了错误换向，因为位置识别提供高度精确的结果。

若在图1中示出的定子5的几何形状下给第一绕组段13通电，那么这在气隙19中产生几乎和在用相同电流强度给第二绕组段通电时完全一样的效果。尽管存在不对称的板材几何形状和略为异常的匝数，这表征了相同的磁通链。因为第一绕组段13在定子齿8中用磁通16流经比第二绕组段15更多的定子5的材料，例如钢，所以第一绕组段13的电感更大。两个磁通16和22-磁通路径-沿磁力线17和23在气隙19和25中具有相同的磁通聚集面，这使得两个绕组段13和15有类似的磁通链，结果是，两个绕组段13和15几乎产生相同的感应电压U。由此推论得出，绕组段13和15内的相似的电流也形成了相似的占电机2总转矩的份额。带有在两个绕组段13和15中的几乎相同的磁通链的不对称磁路26，为了不用传感器地换向而使用有较小电感的第二绕组段15作为测量绕组段27。由于测量绕组段27有较小的电感，所以尽管因为测量窗口39，这些电流仍然可以被加压，从而产生电机2的补偿特性。在两个绕组段13和15中不均匀分布的电负荷可能对电机2的声学带来不利影响。在此，按本发明的方法比电机2的所有绕组段更为经济地低电感设计。此外，这并没有补偿在测量绕组段27和其它绕组段之间的在控制理念中的不对称性，但不会对电机2的使用带来不利影响。

此外还可以考虑的是，将所述方法与预先换向结合起来。由此将感应电压U与恒定移动的基准电压比较，因此测量窗口39在笛卡尔坐标系28中又位于横坐标上。在朝纵坐标30的正向移动时，亦即沿纵坐标30的箭头方向移动时，可以使过零38沿横坐标29后移，由此实现后来的切断。

Claims (3)

1.用于识别电子换向电机（2）的转子（4）的位置的方法，其中使用在转子（4）或定子（5）的绕组段（13、15）中感应的电压的过零（38）来进行位置识别，并且为了求出过零（38），绕组段（13、15）被短时间地断电，所述电机包括具有至少两个绕组段（13、15）的转子（4）/定子（5），其中一个绕组段具有相对于另一个绕组段更小的电感，并且为了进行位置识别仅使用具有较小电感的那个绕组段（15），其特征在于，使用带有定子齿（8）的转子（4）/定子（5），所述定子齿分别具有一个齿根（9）和两个齿顶（10），其中一个绕组段（13）围绕转子（4）/定子（5）的齿根（9）布置，另一个绕组段（13、15）则围绕转子（4）/定子（5）的齿顶（10）布置，并且为了更小的电感而使用处于齿顶（10）周围的绕组段（15）。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，围绕过零（38）形成测量窗口（39），该测量窗口伴随着断电的换向开始以及在感应电压的过零（38）之后结束。

3.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电机（2）是电动马达（3）。

Images