CN103262407A - 用于运行外部激励或混合激励的电机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子换向的电机（2），包括：转子（21）；激励绕组（6），其布置在所述转子（21）上，用以生成或改变所述转子（21）中的直流磁场；定子（22），其具有三相或多相的定子绕组（23），所述定子绕组具有相位，所述相位能够经由相导线（8）操控；其中，所述激励绕组（6）与所述定子绕组（23）电连接。

Description

用于运行外部激励或混合激励的电机的方法和装置
技术领域
本发明涉及外部激励或混合激励的电机，尤其用于运行这类电机的方法。
背景技术
作为电子换向的电机，广泛应用的是同步马达。其特别适合于许多应用，但尤其在部分负荷范围中具有如下缺点，即要实现在那里所需的场弱化是非常耗费的。相反，在外部激励或混合激励的电机的情况下，特别简单地通过减小励磁场就能实现所述场弱化。在外部激励的电机的情况下借助单独的激励绕组产生所述励磁场，而在混合激励的电机的情况下不仅由永磁铁而且也借助单独的激励绕组产生所述励磁场。
所述激励绕组用于将静态的磁场对准一转子体，所述转子体收集磁通量并且经由所述转子极24朝定子的方向转向。在迄今的外部激励或混合激励的马达的情况下，由于额外的激励绕组而提高了电路连接费用并且不仅在电机外部而且在电机内部都需要相应的布线，用以提供通过所述激励绕组的直流电流。由此明显提高了在制造和使用这种外部激励或混合激励的电机的情况下的费用。
因此，本发明的任务在于，减小用于错接（Verschalten）外部激励或混合激励的电机中的激励绕组的费用。此外，本发明的任务还在于，提出一种用于运行外部激励或混合激励的电机的方法。
发明的公开内容
该任务通过根据权利要求1的电机以及通过根据并列的权利要求的马达系统和用于运行电机的方法来解决。
本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中记载。
根据第一方面，设置一种电子换向的电机。所述电机包括：
- 转子；
- 激励绕组，其布置在所述转子上，用以生成或改变所述转子中的直流磁场；
- 具有相位的三相或多相的定子绕组，所述相位可经由相导线（Phasenleitungen）来操控；
- 其中，所述激励绕组联接在所述定子绕组上。
上述电机的思想在于，所述激励绕组的操控直接经由所述相线中的一个或多个来实现。由此可能的是，现有的用于相电压的电连接额外地也用于操控所述激励绕组。迄今所需的不仅用于在电机外部也用于在电机内部来联接所述激励绕组的额外的费用可以得到明显减小。
上述的电机的效率可以得到提高，因为施加了一较小的激励。
此外，上述的电机是本质安全的（eigensicher），因为可以舍弃在电机内部的相分离继电器的布置。在故障情况下，由于所述激励绕组的供电的同时失效，所述励磁场被立即切断或者在混合激励的机器的情况下所述励磁场明显减小，从而在各种不同的故障情况下，比如电缆断裂、断路器短路等等，所述电机被自动地变为无扭矩并且由此能够在不进行有目的性地操控开关等措施的前提下以及在没有费用高昂的硬件耗费的前提下实现这些部件的本质安全的状态。
此外，所述激励绕组可以与一供给电位经由一激励绕组导线连接起来，其中，所述激励绕组导线尤其与所述电机的导电的壳体连接。
根据一种实施方式，所述激励绕组可以与所述相导线中的一根相导线连接。
根据另一种实施方式，所述定子绕组可以具有在星形电路中错接的定子线圈，其中，所述激励绕组与所述星形电路的星形汇接点连接。
根据另一方面，设置一马达系统。所述马达系统包括：
- 上述的电机，其中，所述激励绕组与所述相导线中的一根相导线连接；
- 用于提供所述相导线上的相电压或相电流的功率级；
- 用于操控所述功率级的控制单元，从而与所述激励绕组连接的相导线具有一恒定的相电位，并且如此地提供其余的相电压，使得作为所述相导线之间的电压差分别得出正弦形的电压曲线。
根据另一方面，设置一马达系统。所述马达系统包括：
- 上述的电机，其中，所述定子绕组具有在星形电路中错接的定子线圈并且所述激励绕组与所述星形电路中的星形汇接点连接；
- 用于提供所述相导线上的相电压或相电流的功率级；
- 用于操控所述功率级的控制单元，从而所述相电压分别具有正弦形的、相互相位错开的电压曲线。
此外，所述控制单元可以构造成，用以借助一脉冲宽度调制来生成所述相电压，其方式为，改变所述脉冲宽度调制的占空比，以生成所述相电压；并且调整一通过所述激励绕组的电流，其方式为，针对所有相电压以一占空比偏移（Tastverhältnisoffset）来加载所述占空比。
根据另一方面，规定一种用于运行上述的电机的方法，在该方法的情况下，所述激励绕组与所述相导线中的一根相导线连接，其中，将一恒定的相电位施加到与所述激励绕组连接的相导线上，并且如此地提供其余的相电压，使得作为所述相导线之间的电压差分别得出正弦形的电压曲线。
根据另一方面，规定一种用于运行上述的电机的方法，在该方法的情况下，所述定子绕组具有在星形电路中错接的定子线圈，并且所述激励绕组与所述星形电路的星形汇接点连接，其中，如此地操控所述功率级，使得所述相电压分别具有正弦形的、相互相位错开的电压曲线。
根据一种实施方式，可以借助一脉冲宽度调制来生成所述相电压，其方式为，改变所述脉冲宽度调制的占空比，以生成所述相电压，并且调整一通过所述激励绕组的电流，其方式为，针对所有相电压以一占空比偏移来加载所述占空比。
附图的简短描述
下面参照附图详细阐释本发明的优选的实施方式。其中:
图1 示出了传统的外部激励的电机的示意图；
图2 示出了在运行图1的电机的情况下的相电流的曲线图；
图3 示出了所述外部激励的电机的一种实施方式的示意图；
图4 示出了所述外部激励的电机的另一种实施方式的示意图。
实施方式的描述
图1示出了用于运行一外部激励的电机2的马达系统1的示意图。所述电机2是电子换向的并且具有一比如以转子（Rotors）为形式的转子（Läufer）21和一定子22，所述转子具有转子极24，所述定子具有指向所述转子的定子齿。所述马达系统具有一功率级3，所述功率级经由相导线8与所述电机2连接。所述功率级3提供相电压或相电流，用于运行所述电机2。
在所示的实施例中，所述电机2构造成三相的，从而所述功率级3具有在所谓的B6布置方式中的三个逆变电路9。所述逆变电路9分别具有两个串联在一高的供给电位VH和一低的供给电位VL之间的功率半导体开关4，所述功率半导体开关由一控制单元5断开或闭合，也就是说，可被操控以切换到不导电的状态或切换到导电的状态。所述功率半导体开关4可以例如构造成晶闸管、IGBT、IGCT、功率-CMOS-晶体管等等。在所述逆变电路9的功率半导体开关4之间联接所述相导线8。
所述电机2是外部激励或混合激励的，也就是说，完全地或部分地借助一激励绕组6来提供所述励磁场。所述激励绕组6通常横向于所述电机2的轴向布置并且产生一沿着轴向的磁场，所述磁场被所述转子21接收。所述转子21将所接收的磁场的方向进行换向，从而所述磁场通过所述转子极24延伸并且朝所述定子齿的方向从所述转子极24中出来。
所述激励绕组6经由一激励电路7供给电能。所述激励电路7能够将可调整的激励电流或可调整的激励电压施加到所述激励绕组6上，其中，所述激励电压或所述激励电流可以通过由所述激励电路7的逆变电路9的脉冲宽度调制的操控来产生。
为了操控所述电机2，所述控制单元5施加相电压到所述相导线8上。为了实现正弦换向，所述相电压作为三个相位错开的正弦形的电压曲线生成，所述电压曲线引起相电流Iu、Iv、Iw的曲线，所述相电流的曲线例如在图2中示出。
图2示出了针对在恒定的扭矩下所述电机2的恒定的旋转的典型的相电流Iu、Iv、Iw的电流曲线。所述正弦形的相电流以120°（电的转子位置）相互相位错开。为了生成所述相电流Iu、Iv、Iw，其曲线例如在图2中示出，可以施加相应的相电压Uu、Uv、Uw或相电位。但在此情况下，所述相电位的绝对高度是不重要的，因为所述相电流Iu、Iv、Iw仅通过相位之间的电压差来确定。
迄今的外部激励的电机具有所述激励电路7以及在所述激励电路7和所述激励绕组6之间的电连接，这尤其相对于传统的同步机器带来了在构建外部激励或混合激励的电机时的额外的费用。
为了产生所述相电压Uu、Uv、Uw，通过所述控制单元5根据脉冲宽度调制来操控所述功率半导体开关4。所述脉冲宽度调制使得能够在任何时间点通过快速交变地施加所述相导线的高的供给电位VH和低的供给电位VL来预设一占空比，所述占空比原则上将待调整的电压显示为供给电压UVers =VH - VL的一个份额，所述份额是施加在所述功率级3上的。为了调整一个确定的相电压，在所述控制单元5中将所述占空比预设成与高的供给电位VH连接的功率半导体开关4（拉高开关（Pull-High-Schalter））的接通持续时间与所述脉冲宽度调制的确定的周期持续时间之比。在所述接通持续时间期间，将相关的逆变电路9的两个功率半导体开关4的拉高开关闭合，用以将所述供给电压UVers发出到所述相接线端子上。在所述接通持续时间流逝直到相关的周期结束时，将所述拉高开关断开并且取而代之将拉低开关（Pull-Low-Schalter）闭合，用以如此地将一接地电位或所述低的供给电位VL施加到相关的相接线端子上。
在图3中示出了一马达系统10的示意图，在该马达系统的情况下可以舍弃所述激励电路7，并且仅设置一激励绕组导线11，用于将所述供给电位之一、例如所述低的供给电位VL与所述激励绕组6电连接。在图3的实施方式中，所述激励绕组6联接在所述低的供给电位VL和所述相导线8之一、在此情况下是所述相位W的相导线8之间，除此之外，该马达系统基本上与图1的马达系统1相应。
为了操控所述激励绕组6，通常需要一直流电流，所述直流电流仅能够根据运行点进行改变，也就是说比针对相电压Uu、Uv、Uw或相电流Iu、Iv、Iw的情况明显更慢地进行改变。现在，为了通过所述激励绕组来提供所述激励直流电流，如此地改变所述功率级3的功率半导体开关4的操控，即配属于相位W的逆变电路9基本上提供一恒定的电压。所述电压可以通过脉冲宽度调制以一预设的占空比来生成。所述占空比可以根据运行点通过所述控制单元5来确定并且确定了通过所述激励绕组6产生的励磁场的强度。
现在，如此地操控其余相位U、V的逆变电路9，使得相比于与在图2中示意性示出的三相操控相应的操控，使相同的相电流Iu、Iv、Iw流动。这通过如下方式实现，尽管大致恒定地保持所述相位W的相电压Uw，但如此地改变所述相电压Uu、Uv，使得所述相位U、V、W之间的电压差与在传统的三相运行中存在的电压差相应。通过这种方式可以经由所述相位W的相导线8不仅对所述激励绕组6而且对所述电机2的相应的定子绕组23进行供电。
图4示出了所述外部激励的电机的另一种实施方式的示意图。与图3的实施例相反，在这里所述激励绕组6连接在所述低的供给电位VL和所述三相的定子绕组23的星形汇接点之间。所述定子绕组23的星形汇接点与所述三相的操控连接，所述三相的操控例如通过图2的电流曲线示出，通常位于一近似固定的电位上，从而能够确保通过所述定子绕组6的恒定的激励电流。但为了调整所述激励电流，可以通过在操控所述功率级3的逆变电路9的情况下通过改变所述占空比来改变所述星形汇接点电位。在所述电机的星形汇接点和所述供给电位之间的激励电压的改变可以例如通过以一确定的占空比偏移来加载所述占空比而实现，用于脉冲宽度调制地操控所述功率级3的逆变电路9中的每一个逆变电路。
有利的是，所述激励脉冲的感应率（Induktivität）比所述定子绕组23的可对比的感应率大出多于一个数量级。由此间接生成的具有大大减小的极限频率的激励电路的低通将所述激励绕组6从所述定子绕组23的感应率上脱耦。
根据另一种实施方式，与所述低的供给电位连接的所述激励绕组6的接线端子可以敷设到马达质量体上，所述马达质量体通常贴靠在壳体上。因此可能的是，为了联接所述激励绕组6，将所述激励绕组导线11直接与壳体连接起来，由此也节省了所述激励绕组导线11。

Claims (10)

1. 电子换向的电机（2），包括：
- 转子（21）；
- 激励绕组（6），其布置在所述转子（21）上，用以生成或改变所述转子（21）中的直流磁场；
- 定子（22），其具有三相或多相的定子绕组（23），所述定子绕组具有相位，所述相位能够经由相导线（8）操控；
- 其中，所述激励绕组（6）与所述定子绕组（23）电连接。
2. 按照权利要求1所述的电机（2），其中，所述激励绕组（6）能够与一供给电位经由一激励绕组导线（11）连接，其中，尤其所述激励绕组导线（11）与所述电机（2）的导电的壳体连接。
3. 按照权利要求1或2所述的电机，其中，所述激励绕组（6）与所述相导线（8）中的一根相导线连接。
4. 按照权利要求1或2所述的电机，其中，所述定子绕组（23）具有在星形电路中错接的定子线圈，其中，所述激励绕组（6）与所述星形电路的星形汇接点连接。
5. 马达系统（1），包括：
- 按照权利要求3所述的电机（2）；
- 用于提供所述相导线（8）上的相电压或相电流的功率级（3）；
- 用于操控所述功率级的控制单元（5），从而与所述激励绕组（6）连接的相导线（8）具有一恒定的相电位，并且如此地提供其余的相电压，使得作为所述相导线（8）之间的电压差分别得出正弦形的电压曲线。
6. 马达系统（1），包括：
- 按照权利要求4所述的电机（2）；
- 用于提供所述相导线（8）上的相电压或相电流的功率级（3）；
- 用于操控所述功率级（3）的控制单元（5），从而所述相电压分别具有正弦形的、相互相位错开的电压曲线。
7. 按照权利要求6所述的马达系统（1），其中，所述控制单元（5）构造成，用以借助一脉冲宽度调制来生成所述相电压，其方式为，改变所述脉冲宽度调制的占空比，用于生成所述相电压；并且调整一通过所述激励绕组的电流，其方式为，针对所有相电压以一占空比偏移来加载所述占空比。
8. 用于运行按照权利要求3所述的电机（2）的方法，其中，将一恒定的相电位施加到与所述激励绕组（6）连接的相导线（8）上，并且如此地提供其余的相电压，使得作为所述相导线（8）之间的电压差分别得出正弦形的电压曲线。
9. 用于运行按照权利要求4所述的电机（2）的方法，其中，如此地操控所述功率级（3），使得相电压分别具有正弦形的、相互相位错开的电压曲线。
10. 按照权利要求9所述的方法，其中，所述相电压借助一脉冲宽度调制来生成，其方式为，改变所述脉冲宽度调制的占空比，用于生成所述相电压，并且调整一通过所述激励绕组（6）的电流，其方式为，针对所有相电压以一占空比偏移来加载所述占空比。
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