CN102780442A - 电动机装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种包括电动机和控制器的电动机装置，所述电动机包括：具有多个线圈绕组的定子，以及具有多个永磁体的转子；所述控制器被配置为控制流经所述多个线圈绕组的电流以在所述转子上产生制动扭矩；所述电流是由表示在两坐标时间不变系统中的定子电流矢量来定义的，该系统具有旋转的由正交电流分量组成的正交轴以及由直流分量组成的直轴；所述控制器被配置为改变所述的正交电流分量和所述的直流分量，以致所述电动机的输入电能是大于或等于零。

Description

电动机装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动机装置，尤其是一种在电动机的再生制动期间能被配置为减少到能量存储装置的电流的电动机装置。

背景技术

关于环境友好性汽车的兴趣正日益增长，可能并不令人吃惊的是，相关对于与电动汽车的使用兴趣也日益增长。

电动车通常采用电动机来提供用于该车辆的驱动以及用于停驶该车辆的再生制动。为实现有效的再生制动，连接到电动机的驱动轮的旋转运动是被转换为电能。这涉及动能的消耗，通过在所述驱动轮的旋转的相对方向施加制动扭矩而提供了对于驱动轮的制动力。

在再生制动期间产生的电能导致在电动机的线圈绕组内产生电流，该电流通常被引导到能量存储装置。到需要时，再生的能量可被再次使用，以驱动电动机，因而提高该电动机的操作效率。

然而，如果发生这样的条件，即避免再生电流被存储在能量存储装置内，这会导致在再生制动扭矩上的减少。

对于这个问题的一个解决方案已经被提出采用移能电阻器，它们被使用在车辆内以吸收那些不能被存储在能量存储装置内的再生电流，因而确保当发生这样的条件，即避免再生电流被存储在能量存储装置内时，再生制动扭矩不被危及。然而，移能电阻器是体积大和昂贵的。

人们希望改善这种状况。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了根据所附的权利要求所述的一种电动机装置。

这种电动机装置提供了这样的优点：使得再生制动扭矩能被产生，而不需使相关联的再生电流被存储在能量存储装置内，也不需要移能电阻器。

通过控制施加到电动机的线圈绕组的相电压，致使再生电流被配置为流经该电动机的线圈绕组和电动机的功率电子元件，而不是返回到电源，本发明使得用于定子绕组的控制短电路能更有效。

如果电源能对电动机进行充电，则速度低于该电动机能进入的产生动力的制动模式，这会从该电源处获得电流，以便提供制动扭矩。

附图说明

本发明现在将通过实施例的方式，根据所附的附图进行说明，在这些附图中：

图1显示了用于本发明的一个具体实施方式中的电动机的爆炸分解图；

图2显示了在图2中所示的电动机的从另一个角度的爆炸分解图；

图3显示了用于根据本发明的一个具体实施方式所述的电动机的线圈绕组的一个示例性装置；

图4显示了一种三相定子电流复杂空间矢量；

图5显示了一种三相定子电流参考帧，具有a、d、q旋转参考帧；

图6显示了对于ω_e的一定数量的不同正值的一组能量比I_q的图；

图7显示了根据本发明的一个具体实施方式所述的电动机的制动电流与旋转速度的比较；

图8图形化地显示了对于本发明的一个具体实施方式所述的电动机在正交轴的电流与在直轴的电流的比较。

图9显示了控制器的第一个具体实施方式。

图10显示了控制器的第二个具体实施方式。

图11显示了控制器的第三个具体实施方式。

具体实施方式

本发明所描述的具体实施方式是一种用于在车轮内使用的永磁同步电动机，也就是一种轮内电动机。然而，正如本领域技术人员所熟知，本发明也可被应用于其他类型的永磁同步电动机。该类型的电动机具有一组线圈，该线圈是定子的一部分，用于安装到车辆，由带有一组磁体的转子所轴向环绕，用于安装到车轮。此外，本发明的一些方面是可被应用到一种具有自安装到轴向环绕的线圈内的转子的装置。

本发明具体实施的物理装置可参考图1和图2来得以最好的理解。所述装置可被描述为一种内建电子元件和轴承的电动机，或者当该装置被构建为容纳分离的车轮时，该装置也可以被描述为一种轮毂电动机或轮毂驱动器。然而，所描述的永磁同步电动机结构仅是用于示例性目的，而有其他永磁同步电动机结构也可被利用。

首先参考图1，所述装置包括：定子252，包括后部分230，形成该装置的壳体的第一部分；以及散热与驱动装置231，包括多个线圈和电子元件，以驱动这些线圈和散热器。该线圈驱动装置231是安装到后部分230以形成定子252，然后该定子252可被安装到车辆，在使用过程中不再旋转。这些线圈自身是在齿片上形成的，这些齿片与所述驱动装置231和后部分230一起形成所述定子252。

虽然未示出，多个电容电路板也被安装到所述定子，这些电路板用于在所述电动机与电源之间提供电容以降低电压线降。

转子240包括：前部分220；以及圆柱部分221，形成盖，该圆柱部分环绕所述定子252。所述转子包括：多个磁体242，配置为围绕所述圆柱部分221的内部。因此，这些磁体是紧接于在所述装置231上的线圈，以致由这些线圈在所述装置231内产生的磁场在配置为围绕所述转子240的圆柱部分221的内部的磁体242上产生一个力，因而导致转子240转动。

所述转子240是通过轴承块223而附着到所述定子252。该轴承块223可以是一种可被用于车辆内的标准的轴承块，本发明所述的这种电动机装置将被安装到该轴承块。所述轴承块包括两部分，第一部分被安装到所述定子，而第二部分被安装到所述转子。该轴承块是被安装到所述定子252的壁230的中央部分233，也被安装到所述转子240的壳壁220的中央部分225。因此，所述转子240是旋转地安装到车辆，它是通过在所述转子240的中央部分225处的轴承块223而与车辆一起被使用的。这具有显著的优点：轮辋和轮胎可被安装到所述转子240的中央部分225，采用标准的车轮螺栓将轮辋安装到所述转子的中央部分，继而紧固在所述轴承块223的可旋转侧上。这些车轮螺栓可穿过所述转子的中央部分225而被安装进入所述轴承块自身。然后，这个轴承块可被安装进入所述电动机装置内，整个装置在定子侧被安装到车辆，而标准的轮辋和车轮被安装到所述转子，以致轮辋和车轮围绕整个电动机装置。

图2显示了如图1所示的相同电动机装置的爆炸分解图，从相对侧显示：所述定子252包括后定子壁230和线圈和电子元件组件231。所述转子240包括外转子壁220和圆周壁221，磁体242是圆周地安排在该圆周壁221内。如前所述，所述定子252是通过在所述转子壁与定子壁的中央部分处的轴承块224而被连接到所述转子240。

在图1中还显示了控制装置80，除了已知可作为电动机驱动电路，如下所述，还包括逆变器。此外，在图1和图2中，在所述转子的圆周壁221与所述定子壳体230的外边缘之间还提供了一个V形密封件350。进一步，在图2中，磁环227包括换向聚焦环，并提供多个磁体用于指示所述转子相对于所述定子的位置，一系列传感器被安排在所述定子252的控制装置80上。

图3形象地显示了根据本发明的一个具体实施方式的一种电动机40的一个示例。在本实施例中，该电动机是圆形的。然而，需要明确的是，本发明的具体实施方式可采用其他拓扑构型。例如，采用线性的线圈装置，用于产生线性运动。

在本实施例中，所述电动机40包括八个线圈组60，每个线圈组60具有三个子线圈组61、62、63，它们是被连接到各自的控制装置64，其中，每个控制装置64和各自的子线圈组形成一个三相逻辑电动机或子电动机，它可独立于其他子电动机而被控制。这些控制装置64以三相电源驱动它们各自的子电动机，因而使得各自的子线圈组能产生旋转的磁场。虽然本实施例描述每个线圈组60具有三个子线圈组61、62、63，但本发明并不受限于此，需要明确的是，每个线圈组60也可具有两个或更多的子线圈组。同样，虽然本实施例描述一个电动机具有八个线圈组60(也就是八个子电动机)，但所述电动机也可具有两个或更多的与控制装置关联的线圈组(也就是两个或更多的子电动机)。

所述电动机40可包括一个转子(在图3中未示出)，定位在所述圆形的中心，通过所述电动机的多种线圈的定位来限定，因而使得该转子能在由这些线圈所产生的磁场内进行旋转。优选地，所述转子是被配置在线圈周围，正如之前在图1和图2中所示。所述转子通常可包括一个或多个永磁体，被配置为旋转，以致它们的磁极扫过所述电动机40的线圈的端部。在子线圈组61、62、63的线圈内的电流的适当转换使得所述转子的永磁体的磁极能同步吸引与排斥，以产生所述电动机40的旋转运动。需要明确的是，图3是高度图形化的，实践中，这些子线圈组可被安排在所述定子的外圆周，同时所述转子的磁体围绕这些线圈。

如上所述，每个控制装置包括一个三相桥式逆变器，正如本领域技术人员所熟知，该逆变器包括六个开关。该三相桥式逆变器是连接到线圈组60的三个子线圈组，以形成一个三相电动机构造。因此，如上所述，所述电动机包括八个三相子电动机，其中每个三相子电动机包括一个控制装置64，该控制装置64连接到线圈组60的三个子线圈组。

每个三相桥式逆变器是被配置为提供穿过各自子线圈组61、62、63的PWM电压控制以产生电流，并提供所需的驱动或制动扭矩用于各自的子电动机，如下面所述。每个三相桥式逆变器可被控制为通过任意合适形式的控制器来提供PWM电压控制。该控制器可被局部定位到电动机或中央定位到车辆内。

对于给出的线圈组，控制装置64的三相桥式逆变器开关是被配置为施加单独的电压相穿过每个子线圈组61、62、63。

在每个子线圈组产生的电流的相角是分离120度的，正如图4所示，在三个轴A、B、C的方向。

在控制器的控制下，由所述控制装置64产生的正弦曲线的电压波形是采用称为“场定向控制”的空间矢量调制技术来产生的，其中，转子流量和定子电流是由各自的矢量来表示。

正如图4所示，电流ia、ib、ic分别表示在各自定子线圈内在三相电流参考帧的A、B、C轴上的瞬时电流，定子电流矢量是由i_s＝i_a+αi_b+α²i_c定义，其中α＝e(i*2*∏/3)。

场定向控制是基于投影，将三相时间和速度依赖系统转换为两坐标时间不变系统，其中，定子电流分量是排列在正交轴q，而磁性流量分量是排列在直轴d。

场定向控制运算法则采用Clarke与Park变换以将三相电动机的三相电压和电流转换为二维坐标系统。

所述Clarke变换采用三相电流ia、ib和ic以计算在两相直交定子轴iα和iβ上内的电流。然后，采用Park变换将两个固定坐标定子轴iα和iβ变换为两坐标时间不变系统id和iq，该系统定义d、q旋转参考帧。图5显示了定子电流在所述d、q旋转参考帧内相对于两相直交定子轴iα和iβ以及a、b和c固定参考帧的关系。

在通常的驱动条件下，转子相角

是由转子磁流矢量ΨR来定义的，而定子电相角是排列在d轴，因而在转子相角

与定子电相角

之间保持同步。为实现本实施例的目的，所述转子相角

是采用转子转换磁体和安装在控制装置80上的位置传感器来测量的，正如本领域技术人员所熟知。

在正交轴(q)内的电流导致电动机扭矩，在直交轴(d)内的电流导致所述转子磁体的磁场变化。

通常，正如本领域技术人员所熟知，在再生制动所述电动机的过程中，源电流返回到能量存储装置(例如电池)，因而输入能量时负的。然而，为确保该再生电流不回流到与该电动机关联的电源，例如能量存储装置，所述控制器被这样配置以致在再生制动过程中，它可改变在正交轴和直轴内的电流，以致所述电动机的输入电能是大于或等于零。通过控制d轴电流(也就是电场电流I_d)，在q轴所产生的电流可被容纳在电动机线圈和能量电子元件内。这确保了再生电流被保持在电动机线圈绕组和相关的控制装置内。

所述控制器可被配置为改变在正交轴与直轴内的电流，以致所述电动机的输入电能是大于或等于零，以响应于预定的标准，例如如果能量存储设备的电压水平超过预定的极限，或者响应于用户的选择。

现在将描述用于将再生电流保持在所述电动机线圈绕组与相关的控制装置内的在正交轴与直轴内的电流值的确定。

以下方程式描述了用于永磁同步电动机的施加电压的分量：

$V_d=(R+L_d\frac{d}{\mathrm{dt}})I_d-{\mathrm{\ω}}_e{L}_q{I}_q$ 方程式1

$V_q=(R+L_q\frac{d}{\mathrm{dt}})I_q+{\mathrm{\ω}}_e{L}_d{I}_d+{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m$ 方程式2

其中，Vd和Vq是在d-q参考帧内的施加的相电压，I_d和I_q是在d-q参考帧内的相电流，Ld和Lq是在d-q参考帧内的相感应系数，R是相DC电阻，Ψm是反电动势常数，以V/rads-1表示，而ω_e是电角速度，以rads-1表示，这些符号指示旋转的方向。

在恒稳态条件下，方程式1和方程式2可被简化为：

V_d＝I_dR-ω_eL_qI_q         方程式3

V_q＝I_qR+ω_eL_dI_d+ω_eψ_m  方程式4

所述电动机的输入电能由下式给出：

$P_e=\frac{3}{2}(I_q{V}_q+I_d{V}_d)$ 方程式5

因此，输出电能根据下式而大于或等于零：

(I_qV_q+I_dV_d)≥0    方程式6

为容易计算，已经做出以下假设：

1)来自电动机电子元件(例如控制装置)的静止电流，是从分离自DC链路(也就是，电动机能源)的电源吸取的，因此可被忽略；

2)在所述控制装置内的能量损失也可被忽略。

这些分量成为附加的能量项，在方程式5中被考虑，但目前不会被考虑。

在永磁同步电动机的常规操作条件过程中，通常I_d＝0。

合并方程式4和方程式6，可获得对于电能Pe在极限处的表达式，其中Pe＝0：

I_qV_q＝0

I_q(I_qR+ω_eψ_m)＝0

I_q ²R+I_qω_eψ_m＝0    方程式7

方程式7是二次方程，具有根在：

I_q＝0， $I_q=-\frac{{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m}{R}$

图6是具有ω_e的不同正值的方程式7的一组图。

因此，对于所述电动机的输入电能可以是大于或等于零，下式保持成立：

P_e≥0，当及仅当

方程式8

因为，对于制动，I_q必须是对于ω_e的相反符号，方程式8变为：

P_e≥0，当及仅当

方程式9

在图7中显示了基于方程式9的电动机转子的旋转速度与制动电流的比较，在该图中可见，在动力制动与再生制动之间有一个边界。在动力制动与再生制动之间的边界处，输入电能是零——没有电流通过DC链路流入或流出所述电动机。

当对于电动机的输入电能是大于零时，正如在图7中所示，“动力制动区”是指总是有电流从DC链路(例如，从能量存储装置)吸入的区域，被用于为电动机提供动力，以便提供制动扭矩。也就是说，在“动力制动区”，在使所述电动机制动过程中，从能量存储装置中吸取电流，而不会产生再生电流。

“零能量制动”的线是指当对于所述电动机的输入电能变成零时，因为没有电流从DC链路吸出以提供所述制动扭矩。如上所述，这条线是由方程式9来定义，其中：

$I_q=-\frac{{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m}{R}$ 方程式10

如图7所示，“再生制动区”是指电动机反电动势导致制动电流产生的区域，所述电动机的输入电能变成负数。

以下计算显示了所需的d轴电流控制，通过在再生制动过程中确保所述电动机的电能是大于或等于零，以避免电流流到DC链路：

通过代入方程式3和方程式6，对于限定条件提供了下式，该式定义了一个二次方程式：

I_d(I_dR-ω_eL_qI_q)+I_q(I_qR+ω_eL_dI_d+ω_eψ_m)＝0

I_d ²R+I_d[I_qω_e(L_d-L_q)]+[I_q ²R+I_qω_eψ_m]＝0    方程式9

得到的二次方程有两个解决方案。提供最低要求的d轴电流I_d的解决方案可以是：

$I_d=\frac{-I_q{\mathrm{\ω}}_e(L_d-L_q)+\sqrt{{\left[I_q{\mathrm{\ω}}_e(L_d-L_q)\right]}^2-4R[{I_q}^{2}R+I_q{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m]}}{2R}$ 方程式10

这个表达式是用于凸极电动机，其中，L_d≠L_q。

然而，为简化的目的，非凸极电动机也可被考虑，其中：

L_d＝L_q    方程式11

因此，对于非凸极电动机，从方程式9、方程式10变成：

I_d ²R+[I_q ²R+I_qω_eψ_m]＝0

${I_d}^2=\frac{-[{I_q}^{2}R+I_q{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m]}{R}$

$I_d=\sqrt{\frac{-[{I_q}^{2}R+I_q{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m]}{R}}$ 方程式12

为避免超过最大线圈电流，以下限制条件也必须被考虑：

I_d ²+I_q ²＝I_MAX ²    方程式13

其中，I_qMAX是最大允许的线圈电流。将方程式11和方程式13代入方程式9：

I_d ²R+I_d[I_qω_e(L_d-L_q)]+I_q ²R+I_qω_eψ_m＝0

(I_MAX ²-I_q ²)R+I_q ²R+I_qω_eψ_m＝0

I_MAX ²R+I_qω_eψ_m＝0

因此，对于非凸极电动机，最大可用制动电流可被描述为：

$I_{\mathrm{qLIMIT}}=\max \mathrm{imum}\left\{\begin{array}{cc}-\frac{{I_{\mathrm{MAX}}}^{2}R}{{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m},& -I_{\mathrm{MAX}}\×\mathrm{sign}\left({\mathrm{\ω}}_e\right)\end{array}\right\}$ 方程式14

其中，

因此，扭矩方向是对于电动机制动条件的相反的电机旋转方向，其中，符号I_q不等于符号ω_e，以便避免再生的电流回流进入DC链路，并可避免总线圈电流超过它的最大值，d轴电路I_d是根据下式计算：

当

则

$I_d=\sqrt{\frac{-[{I_q}^{2}R+I_q{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m]}{R}}$ 方程式15

基于这些方程式，根据本发明所述的一个具体实施方式，对于具有下面列出的参数值的非凸极电动机，图8显示了最大制动电流，可用于具有75安培的最大线圈电流和相应的d轴电流的电动机，以致在再生制动过程中，所述电动机的电能是大于或等于零。

参数	值	说明
			R	0.240欧姆	线圈dc电阻
L	0.650mH	线圈感应系数
			ψm	1.232V/rads-1	电机反电动势常量
N	32	在转子上的磁极对的数量
			IMAX	75安培	峰值线圈的电流额定值

图8包括三个图，分别由OB线、ABC线和ODE线来定义。

OB线是由方程式10来定义。

AB线对应于I_q＝I_qmax。

BC线是由方程式14来定义。

ABC线是最大可用制动电流I_q的曲线，以致峰值线圈电路不会超过它的75A最大额定值。

在OABO区域内，输入电能是正值，意味着所述电动机从DC链路吸取电流以便提供制动扭矩。

ODE线是所需的I_d电流，对应于由方程式15所定义的最大I_q电流。

OBC线是最大可用制动电流的曲线，以致输入电能是零，因此从DC链路吸取的输入电路也是零。ODE线是所需的d轴电流，以便提供这个条件，也就是说，需要d轴电流来避免所提供的电路回流到DC链路。

对于达到极限的任意I_q电流需求，由方程式14定义；I_d是以方程式15来计算，因而避免生成再生电流。

如上所述，控制器被配置为控制I_q和I_d以响应预定的标准，以致在再生制动过程中，所述电动机的电能是大于或等于零。

下面将通过图解方式说明三种不同的控制器拓扑结构。

在控制器的第一个具体实施方式中，如图9所示，采用一种开放回路结构，其中，在d-q参考帧内的输出电压的分量是基于由方程式3和4所定义的电动机模型来计算的。

取决于所述电动机控制器的处理功率，I_d与I_q需求可从方程式14和方程式15中被计算。然后，这些值被用于方程式3和方程式4以获得Vd和Vq，或者可替代地，Vd和Vq可从外部产生的查找表中被插入，它们的输入可以是扭矩需求和旋转速度。

从Vd和Vq，所施加的相电压Va、Vb和Vc可从逆Park-Clarke变换中获得。

在控制器的第二个具体实施方式中，如图10所示，采用一种具有I_d计算的封闭回路结构。在这个具体实施方式中，所需要的I_d与I_q电流是从方程式14和方程式15中计算的，并被用作对于比例积分(PI)电流控制回路的输入，正如本领域技术人员所熟知，以便获得所施加的相电压。

可替代地，所需要的值可被存储在外部产生的查找表中，它们的输入值可以是扭矩需求和旋转速度。

在控制器的第三个具体实施方式中，如图11所示，采用一种具有动态I_d的封闭回路结构。

在这个具体实施方式中，方程式14被用于避免线圈电流超过它的最大额定值。所计算的I_q被用作对于比例积分电流控制回路的输入，正如本领域技术人员所熟知。

所需要的I_d电流是动态地从P-I控制回路的输出中采用方程式16获得：

$I_d=-\frac{I_q{V}_q}{V_d}$ 方程式16

Claims (7)

1.一种电动机装置，包括电动机和控制器，其特征在于：所述电动机包括：具有多个线圈绕组的定子，以及具有多个永磁体的转子；所述控制器被配置为控制流经所述多个线圈绕组的电流以在所述转子上产生制动扭矩；所述电流是由表示在两坐标时间不变系统中的定子电流矢量来定义的，该系统具有旋转的由正交电流分量组成的正交轴以及由直流分量组成的直轴；所述控制器被配置为改变所述的正交电流分量和所述的直流分量，以致所述电动机的输入电能是大于或等于零。

2.根据权利要求1所述的电动机装置，其特征在于：所述控制器是被配置为采用下式计算所述直流分量：

$I_d=\sqrt{\frac{-[{I_q}^{2}R+I_q{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m]}{R}}$

以及采用下式计算所述的正交电流分量：

$I_{\mathrm{qLIMIT}}=-\frac{{I_{\mathrm{MAX}}}^{2}R}{{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_m}$

其中，R是指线圈绕组的串联电阻，以欧姆表示，ω_e是电频率，以弧度/秒表示，以及Ψm是电机反电动势常数，以伏特/弧度/秒表示。

3.根据权利要求1所述的电动机装置，其特征在于：还包括存储器，用于存储正交电流分量与相应的直流分量的表格。

4.根据前述任意权利要求之一所述的电动机装置，其特征在于：所述的电动机是轮内电动机。

5.根据权利要求1至3之一所述的电动机装置，其特征在于：所述的电动机具有多个子电动机，每个子电动机具有多个线圈绕组。

6.一种具有根据权利要求1至3之一所述的电动机装置的车辆。

7.一种用于具有电动机和控制器的电动机装置的再生制动方法，其特征在于：所述电动机包括：具有多个线圈绕组的定子，以及具有多个永磁体的转子；所述控制器被配置为控制流经所述多个线圈绕组的电流以在所述转子上产生制动扭矩；所述电流是由表示在两坐标时间不变系统中的定子电流矢量来定义的，该系统具有旋转的由正交电流分量组成的正交轴以及由直流分量组成的直轴；所述方法包括：改变所述的正交电流分量和所述的直流分量，以致所述电动机的输入电能是大于或等于零。

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