CN103107667A

CN103107667A - 电磁设备

Info

Publication number: CN103107667A
Application number: CN2012103289372A
Authority: CN
Inventors: S.P.威尔金森; M.R.赫恩登
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-05-15
Also published as: US9300194B2; KR20130051398A; RU2012137168A; US20130113222A1; EP2592728B1; EP2592728A2; ZA201206724B; JP2013102672A; EP2592728A3

Abstract

提供一种电磁设备，并且其包括：限定了内孔的定子、转子，在定子内孔之内可转动并且具有置于其外表面周围以限定一系列磁极的永磁元件、功率线圈，被配置成在磁极的第一部分由于转子旋转而通过每个功率线圈时生成功率电流、以及感测线圈，被配置成在磁极的第二部分由于转子转动而通过每个感测线圈时生成感测电流。

Description

电磁设备

联合研究声明

本专利申请涉及依据2010年9月20日的美国军方合同号40096327所发明的主题。政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

在此所公开的本主题涉及电磁设备和机器，并且更特别地，涉及用于确定发电机或马达转子的位置的布置。

背景技术

在诸如变速恒频（VSCF）功率生成系统的功率转换系统中，发电机（典型地是无刷式三相同步发电机）以发电模式被操作，以将由原动机所提供的变速动力转换成变频交流（AC）功率。例如，原动机可以是飞行器的燃汽轮机。在一些情况下，由发电机所产生的变频AC功率被传输到整流器，在那里该变频AC功率被整流，并作为直流（DC）链路上的DC信号被提供给逆变器。该逆变器可接着将DC链路上的该DC信号转化成恒频AC功率，用于通过负载总线提供给一个或多个AC负载。

发电机能以起动模式被操作为马达，以将由外部AC电源所提供的电功率转换成动力，该动力可转而被提供给原动机以引起该原动机达到自持速度。例如，当以起动模式被操作时，该发电机可被用于起动飞行器的燃汽轮机。

能以发电模式和起动模式两者被操作的一种类型的无刷式同步发电机包括永磁发电机（PMG）。为了适当地控制这样的发电机，有必要用发电机转子的位置来在同步性上对整流进行定时。以前，通过使用诸如霍尔效应传感器的位置传感器来实现这样的同步。当PMG的转子转动时，每个霍尔效应传感器两端的电压作为转子位置的函数从零变化到最大，使得来自霍尔效应传感器的输出表示了转子的位置。来自霍尔效应传感器的输出信号接着被用于控制整流器中的开关元件。

然而，使用这样的位置传感器在位置传感器自身及其关联的电子设备上必然伴有相当的支出，并且进一步导致额外的线路和额外的组装步骤来安装该位置感测装置。而且，操作参数通常限制了这样的位置传感器的准确度。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种电磁设备，并且其包括限定了内孔的定子、转子，在定子内孔之内可转动，并且具有置于其外表面周围以限定一系列磁极的永磁元件、功率线圈，被配置成在磁极的第一部分由于转子转动而通过每个功率线圈时生成功率电流、以及感测线圈，被配置成在磁极的第二部分由于转子转动而通过每个感测线圈时生成感测电流。

根据本发明的另一个方面，提供一种电磁设备，并且其包括限定了内孔的定子、转子，在定子内孔之内可转动，并且具有置于其外表面周围以限定一系列磁极的永磁元件、功率线圈，支撑性地被卷进转子的第一区段周围的定子中，并且被配置成在磁极的第一部分由于转子转动而通过每个功率线圈时生成功率电流、以及感测线圈，支撑性地被卷进转子的第二区段周围的定子中，并且被配置成在磁极的第二部分由于转子转动而通过每个感测线圈时生成感测电流。

根据本发明的又一个方面，提供一种电磁设备，并且其包括限定了内孔的定子、转子，在定子内孔之内可转动，并且具有置于其外表面周围以限定一系列二十八个磁极的永磁元件、功率线圈，支撑性地被卷进转子的第一区段周围的定子中，并且被配置成在至少二十五个磁极由于转子转动而通过每个功率线圈时生成功率电流、以及感测线圈，与该功率线圈磁性地且电气地去耦合，并且支撑性地被卷进转子的第二区段周围的定子中，该感测线圈被配置成在剩余的三个磁极中的至少一个磁极由于转子转动而通过每个感测线圈时生成感测电流。

这些以及其它优势和特征将根据结合了附图的以下描述而变得更明白。

附图说明

当本说明书的结尾完结时在权利要求中特别地指出且清楚地要求保护被看作为本发明的本主题。本发明的前述特征和其它特征以及优点，根据结合了附图的以下详细描述而是明白的，其中：

图1是根据实施例的电磁设备的轴向图；

图2是根据进一步实施例的电磁设备的轴向图；

图3是说明了根据实施例的图1和2的电磁设备的功率线圈和感测线圈的布置的示意图；

图4是说明了根据进一步实施例的图1和2的电磁设备的功率线圈和感测线圈的布置的示意图；以及

图5是用于产生直流（DC）输出的系统的示意图。

该详细描述参照附图通过示例方式与优点和特征一起解释了本发明的实施例。

具体实施方式

参照图1和2，提供了一种电磁设备10。该电磁设备10包括外壳或定子20、转子30、功率线圈50和感测线圈60。该定子20限定了内孔21，在该内孔21中该转子30被可转动地放置。该定子20具有主体22，该主体22可以是铸造的、模制的、机械加工的或由接合在一起的多个分层所形成的，以便限定缝23。该主体22可以作为单个块24而被形成，如图1中所示，或者以多个块25和26形成，如图2中所示。在两种情况之一中，主体22可以具有基本上圆柱形的内形状，其中该内孔21被限定成纵向延伸通过该主体22。该转子30是类似基本上圆柱形的，并且被定尺寸以装在该内孔21内，使得该转子30在纵轴31周围自由地转动，该纵轴31延伸通过该转子30的中心纵轴。

转子30具有基本上圆柱形的外表面32，该外表面32对着内孔21的圆柱形内衬面（facing surface）。在该外表面32之上或附近以及在转子30周围，在一个或多个轴向位置处放置永磁元件33。永磁元件33被配置和布置成限定包括北极341和南极342的一系列磁极34，这些北极341和南极342以重复、交替和基本上均匀的系列被布置。按照实施例，可以在转子30周围限定二十八个磁极34。

功率线圈50被支撑性地被卷进定子20的主体22的缝23中，例如用2/3节距和3相“Y字（wye）”连接。其中可存在A相功率线圈501、B相功率线圈502和C相功率线圈503的功率线圈50因此形成一系列绕组51（即，三相绕组），该一系列绕组51一起包括在转子30的第一区段52周围所限定的区域。当转子30在内孔21内转动时，每个磁极34接近并接着从每个功率线圈50的每个绕组51收回。由这种转动所生成的通量场由此在每个功率线圈50中诱发交流。功率线圈50因此被配置成，在磁极34的不断改变的第一部分由于转子转动而通过每个功率线圈50的每个绕组51时，以交流（AC）形式生成功率电流。

定子20还包括感测线圈60，该感测线圈60与功率线圈50磁性地且电气地分离和绝缘，并且如同功率线圈50，也被支撑性地被卷进定子20的主体22的缝23中，例如用2/3节距和三角形或3相“Y字”连接。其中可存在A相感测线圈601、B相感测线圈602和C相感测线圈603的感测线圈60因此形成一系列绕组61（即，三相绕组），该一系列绕组61一起包括了在转子30的第二区段62周围所限定的区域。当转子30在内孔21内转动时，每个磁极34接近并接着从每个感测线圈50的每个绕组61收回。由这种转动所生成的通量场由此在每个感测线圈60中诱发交流。感测线圈60因此被配置成，在磁极34的不断改变的第二部分由于转子转动而通过每个感测线圈50的每个绕组61时，以交流（AC）形式生成感测电流。

通过参考感测线圈60的电流输出，可确定诱发该感测电流的一个或多个磁极34的当前转动位置和/或速度。此外，因为以重复、交替和均匀的系列来布置这些磁极34，所以确定诱发该感测电流的一个或多个磁极34的当前位置有效地确定了转子30周围的每个磁极34的当前位置以及确定了转子30的当前转动位置和/或速度。同样地，磁极34相对于功率线圈50的绕组51的相应的位置和移动也可以被确定，使得由功率线圈50所输出的AC能以高精度和准确度来被整流，如将在以下所描述的。对由功率线圈50所输出的AC进行整流的这种能力提供了该电磁设备10的有效操作，其取代了通过用对应的多个感测线圈60替换在转子30的第二区段62处的多个功率线圈50而支配的任何功率损失。

如图1和2所示，转子30的第一区段52包括二十八个磁极34中的至少二十五个磁极34。这二十五个磁极34在转子30的转动期间不断改变。转子30的第二区段62包括二十八个磁极34中的其余三个磁极34中的至少一个磁极34，其类似地不断改变。在第一区段52包括二十八个磁极34且第二区段62包括一个磁极34的情况下，感测线圈60可通过空隙70与功率线圈50分离。

参考图3，说明了电磁设备10的功率线圈50和感测线圈60的布置。如图3中所示，A相功率线圈501形成了比C相功率线圈503的绕组51滞后30°的一系列绕组51。类似地，C相功率线圈503的绕组51比B相功率线圈的绕组51滞后30°。感测线圈60被置于功率线圈50的电和极性相反端之间所限定的间隙内，使得感测线圈60可以与功率线圈50同相放置，尽管这不是需要的，如将在以下所讨论的。对于感测线圈，A相感测线圈601形成比C相感测线圈602的绕组61落后30°的绕组61。类似地，C相感测线圈602的绕组61比B相感测线圈603的绕组61落后30°。

参考图4，说明了电磁设备10的功率线圈50和感测线圈60的替代布置。如图4中所示的，感测线圈60可以具有相对于功率线圈50的相位的超前或滞后的相移。在图4中，该相移被说明为30°超前的相位偏移，尽管要理解的是，这仅仅是示例性的，并且超前或滞后的相移在变化的角度上是可能的。在超前的相移的情况下，将在以下讨论的处理单元90（参见图5）可具有附加的处理时间以确定转子30的转动位置和/或转速，并且将被编程以说明由于相移而引起的附加时间。

参考图5，提供了一种用于产生直流（DC）输出的系统75。该系统75包括以上所描述的电磁设备10，以及进一步包括驱动元件80、处理单元90和整流器100。驱动元件80提供动力以驱动转子30的转动，并且可以例如是燃汽轮机，其传动轴与转子30相耦合或整体地形成。处理单元90可以包括数字信号处理器和存储器/储存器单元，该存储器/储存器单元具有存储在其上的可执行指令。该可执行指令在被执行时，使该数字信号处理器从感测线圈60接收AC，并且确定转子30的转动位置和/或速度。然而，应当理解的是，这些指令可以被实现在硬件、固件或其组合中。

整流器100被耦合到处理单元90，并且被配置成按照所确定的转子30的转动位置和/或速度来将功率线圈50的AC整流成直流（DC）电压的输出。为此，整流器100从功率线圈50接收AC，并且可包括一系列晶体管101，这些晶体管101分别被耦合到A相功率线圈501、B相功率线圈502和C相功率线圈503。这些晶体管101通过基于所确定的转子30的转动位置和/或速度来在适当时间接通和关断而进行操作，以共同地根据例如A相功率线圈501、B相功率线圈502和C相功率线圈503的所接收的AC电流的峰值来产生DC输出。

虽然已经结合有限数量的实施例来详细描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明不限于这样公开的实施例。相反地，本发明可以被修改成结合迄今未描述的但与本发明的精神和范围相称的任意数量的变形、变更、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应当理解的是，本发明的多个方面可仅包括一些所描述的实施例。由此，本发明不被看作由先前的描述所限制，而是仅由所附权利要求的范围所限制。

Claims

1. 一种电磁设备，包括：

限定了内孔的定子；

转子，在定子内孔内可转动，并且具有置于其外表面周围以限定一系列磁极的永磁元件；

功率线圈，被配置成在磁极的第一部分由于转子转动而通过每个功率线圈时生成功率电流；以及

感测线圈，被配置成在磁极的第二部分由于转子转动而通过每个感测线圈时生成感测电流。

2. 根据权利要求1的电磁设备，其中该感测线圈与该功率线圈磁性地且电气地去耦合。

3. 根据权利要求1的电磁设备，其中该感测线圈通过空隙与该功率线圈分离。

4. 根据权利要求1的电磁设备，其中该感测线圈具有相对于该功率线圈的30°相移。

5. 一种电磁设备，包括：

限定了内孔的定子；

功率线圈，支撑性地被卷进该转子的第一区段周围的定子中，并且被配置成在磁极的第一部分由于转子转动而通过每个功率线圈时生成功率电流；以及

感测线圈，支撑性地被卷进该转子的第二区段周围的定子中，并且被配置成在磁极的第二部分由于转子转动而通过每个感测线圈时生成感测电流。

6. 根据权利要求5的电磁设备，其中定子包括由多段形成的定子铁心。

7. 根据权利要求5的电磁设备，其中该感测线圈与该功率线圈磁性地且电气地去耦合。

8. 根据权利要求5的电磁设备，其中在该转子的外表面周围以北极和南极的重复模式来布置所述永磁元件。

9. 根据权利要求5的电磁设备，其中该永磁元件被放置成限定了二十八个磁极。

10. 根据权利要求9的电磁设备，其中该转子的第一区段包括二十八个磁极中的至少二十五个磁极，并且该转子的第二区段包括该二十八个磁极中的剩余的三个磁极中的至少一个磁极。

11. 根据权利要求5的电磁设备，其中该感测线圈通过空隙与该功率线圈分离。

12. 根据权利要求5的电磁设备，其中用2/3节距和3相“Y字”连接来布置该功率线圈。

13. 根据权利要求5的电磁设备，其中用2/3节距和三角形或3相“Y字”连接来布置该感测线圈。

14. 根据权利要求5的电磁设备，其中该感测线圈具有相对于该功率线圈的30°相移。

15. 根据权利要求5的电磁设备，其中该感测线圈具有相对于该功率线圈的30°超前的相移。

16. 根据权利要求5的电磁设备，其中该感测线圈具有相对于该功率线圈的30°滞后的相移。

17. 一种用于产生直流（DC）输出的系统，该系统包括根据权利要求1的电磁设备，并且进一步包括：

驱动元件，用于驱动转子的转动；

处理单元，耦合到感测线圈，用于根据感测电流来确定该转子的转动位置；以及

整流器，耦合到功率线圈和处理单元，用于按照所确定的转动位置来对功率电流进行整流。

18. 根据权利要求17的系统，其中该驱动元件包括燃汽轮机。

19. 根据权利要求17的系统，其中该整流器包括一系列晶体管以共同产生DC输出。

20. 一种电磁设备，包括：

限定了内孔的定子；

转子，在定子内孔内可转动，并且具有置于其外表面周围以限定一系列二十八个磁极的永磁元件；

功率线圈，支撑性地被卷进该转子的第一区段周围的定子中，并且被配置成在至少二十五个磁极由于转子转动而通过每个功率线圈时生成功率电流；以及

感测线圈，与该功率线圈磁性地且电气地去耦合，并且支撑性地被卷进该转子的第二区段周围的定子中，该感测线圈被配置成在剩余的三个磁极中的至少一个磁极由于转子转动而通过每个感测线圈时生成感测电流。