CN104702119A - 用于对电动机提供能量的供电导体结构以及用于对电动机进行操控的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于利用多相电流来给电动机的电气组件提供能量的供电导体结构（100）。所述供电导体结构的供电线路（110；120；130）布置在具有至少一个星形汇接点（140）的星形结构中，其中所述供电导体结构包括连接到所述星形汇接点（140）上的馈电线（145）。此外，描述了一种用于对多相的电动机进行操控的方法，其中用于向多相的电动机供电的相电流用的供电线路（110；120；130）布置在具有至少一个星形汇接点（140）的星形结构中。所述方法包括一下步骤：为了输送电流偏移而对操控相电流的方案进行调整，以及为了将电流输送给所述星形汇接点（140）而主动地操控所述星形汇接点。

Description

用于对电动机提供能量的供电导体结构以及用于对电动机进行操控的方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用多相电流来向电动机的电气组件提供能量的供电导体结构以及一种用于对电动机进行操控的方法，所述电动机的组件利用多相电流来运行。尤其本发明在此涉及对于所述供电导体结构的控制以及经过调整的、对于在所述供电导体结构中的馈电线的控制。

背景技术

多相的电动机一般由多相交流电来驱动，所述多相交流电由各个具有相同频率的交流电或者交流电压所构成。所述交流电按相位的数目相对于彼此具有固定的相位移，比如在使用三相交流电的情况下是120°。在现有技术中，知道用于对多相的电动机进行操控的解决方案，所述多相的电动机利用在每个电流相位的定相线上的相线端子。通过所述相线端子比如通过电流的输入来主动地操控所述电动机。

如果首先以已知的三相的电动机操控方案为出发点，那就借助于所谓的克拉克变换（Clarke-Transformation）将三轴的坐标系的电流转换为等值的双轴的坐标系。在此要列举用于已知的操控方案的、量恒定的克拉克变换：

             （方程式1）

最后从这里所算出的参量“I_α”和“I_β”中可以在参照帕克变换（Park-Transformation）和相应的力矩方程的情况下求得所述电动机的输出转矩。所提到的方程式在此未被详细地列出，因为其对于进一步的理解来说并非绝对必要。

值得注意的是，在满足功能以及尤其用于电动机的安全要求的情况下扩展对于多相的电动机的操控，进而积极地影响多相的电动机的运行。

发明内容

本发明的任务在于，至少部分地解决上面所提到的任务，比如达到以下目标：通过灵活的操控不仅改进电动机的最大电流和输出转矩的比例而且关于可靠性和可用性改进电动机功率。

按照本发明的实施方式，为此给多相的电动机的、布置在星形结构中的能量供电导体结构的星形汇接点配设馈电线，所述馈电线尤其能够实现对于所述星形汇接点的主动的操控。

按照一种实施方式，说明一种用于利用多相的电流来向电动机的电气组件提供能量的供电导体结构。所述供电导体结构为每个电流相位包括一条供电线路，其中所述供电线路布置在一个具有至少一个星形汇接点的星形结构中，并且其中所述供电导体结构包括连接到所述星形汇接点上的馈电线。

按照另一种实施方式，描述了一种用于操控多相的电动机的方法。用于向电动机供给多相电流的相电流用的供电线路布置在一具有至少一个星形汇接点的星形结构中。所述方法包括以下步骤，即为了输送电流偏移而对操控相电流的方案进行调整以及为了将电流输送给所述星形汇接点而主动地操控所述星形汇接点。

本发明的优选的实施方式和特殊的方面由从属权利要求、附图和随附的说明书中获得。

通过按照本发明的、这里所描述的实施方式，可以改进电动机的运行，并且可以更加可靠地运行所述电动机。比如电动机-其供电导体结构以星形电路来连接-可以通过本发明的实施方式在运行过程中处于功率极限的附近或者超过所述功率极限（增压模式（Boost-Mode）），并且尽管如此也保证了足够的、防止去磁的效果。此外，通过本发明的实施方式不仅可以改进可靠性，而且可以改进电动机功率的可用性。

此外，本发明的实施方式提供了一种用于电动机的控制方案，该控制方案能够根据情况得到调整进而允许得到优化的操控。

在这方面所使用的概念“电流偏移（Strom-Offset）”应该被理解为一个附加的电流分量。按照在这方面所描述的实施方式，所述电流偏移或者所述附加的电流分量可以具有每种任意的电流形式。尤其所述电流偏移不局限于恒定的数值。更确切地说，所述电流偏移可以是动态的电流。按照本发明的实施方式，所述电流偏移或者所述附加的电流分量可以具有能够任意选择的曲线变化。比如所述电流偏移可以是动态的电流，所述动态的电流也可以具有相应的、拥有三倍的相位频率的频率。

按照一种实施方式，提供了一种用于利用多相的电流来向电动机的电气组件提供能量的供电导体结构。所述供电导体结构为每个电流相位包括一条供电线路，其中所述供电线路布置在一个具有至少一个星形汇接点的星形结构中，并且其中所述供电导体结构包括连接到所述星形汇接点上的馈电线。

连接到星形汇接点上的馈电线提供若干影响并且控制在所述供电导体结构中的电流的可行方案。尤其由此能够将电流偏移施加到所述相位上。通过按照本发明的实施方式的操控方案，可以实现不同的优点，所述优点可以在取决于电动机参数的情况下根据情况加以利用。比如能够以比已知的类型的操控方案高的程度来充分利用电子器件的或者电动机的功率极限。此外，可以运行不同的故障模式，并且可以将缺陷及故障的影响降低到最低限度。所述与星形汇接点相关的馈电线也可以在取决于损耗功率考虑的情况下应用在电动机与电子器件的拼合（Zusammenschau）中，进而可以基于效率地投入使用。

借助于通往所述星形汇接点的馈电线来提供附加的操控可行方案，这代表着一种成本低廉的并且稳健的、用于实现其他的用于所述供电导体结构的控制功能的可行方案。因此，按照本发明的实施方式的、技术上的实施方案的简单易行是本发明的另一优点。已知的系统使用电动机星形汇接点，用于测量所述星形汇接点电压并且对其进行测评（比如用于无传感器的转子位置检测、监控功能等等）；与所述已知的系统相比，连接到所述星形汇接点上的、输送电流的导线提供了新颖的、进行操控的可行方案。

按照其他典型的、优选的实施方式，所述供电导体结构被设计用于主动地操控所述星形汇接点，其中所述供电导体结构尤其被设计用于通过FET线路来操控所述星形汇接点。尤其由此可以作为控制组件来实现所述连接到星形汇接点上的馈电线。尤其可以动用已知的组件，用于在技术上实现所述控制方案。这也降低了用于实现本发明的实施方式的成本。

按照其他典型的、优选的实施方式，将电流偏移与多相电流的所有相电流叠加起来。由此可以将电流偏移的效应运用到用于若干实际上的应用情况的相电流上。在此可以利用这样的事实：如下面还要详细地描述的那样，在所有相电流上面的、附加的电流偏移对所述电动机的输出转矩没有影响。

按照其他典型的、优选的实施方式，将电流偏移与多相电流的所有相电流叠加起来，其中所述电流偏移取决于用于向电动机提供能量的多相电流的相位数。由此可以获得控制效应，所述控制效应提高了所述电动机的利用率。比如由此可以在所述电动机的转矩输出保持相同的情况下降低所述相电流的最大电流。这预防了在非常靠近去磁极限的情况下运行的电动机的去磁现象。另一方面，对于保持相同的（或者预先给定的）最大的相电流（比如所述相电流可能通过所述电子器件而受到限制）来说可以提高转矩输出。

所述电流偏移典型地包括一个恒定的影响因素以及一个取决于所述多相电流的相位数的影响因素。在另一种实施方式中，此外所述电流偏移包括一个相位项（Phasenterm）。上面已经对所述取决于相位数的因素的优点进行了解释。所述与相电流叠加的电流偏移的、恒定的因素还代表着一种针对电流偏移的调节可行方案，该调节可行方案允许调整所述电流偏移的影响。

按照其他典型的、优选的实施方式，所述电流偏移相当于相电流的负值。由此可以改进所述电动机的可用性，如果比如再也不能主动地操控相线端子，这比如可能由于结构元件或者电动机的问题而出现。在此可能出现以下情况：相电流失常。通过相应的、对于所述星形汇接点的操控，可以提供能够接受的跛行（Limphome）功能。

按照其他典型的、优选的实施方式，所述连接到星形汇接点上的馈电线的横截面为对于所述星形汇接点的主动的操控而设计，其中所述连接到星形汇接点上的馈电线的横截面大致相当于所述用于相电流的供电线路的横截面。在一种实施例中，所述横截面可以处于从大约4mm²到大约16mm²的范围内。在一种实施方式中，所述横截面取决于所述电动机的功率，并且尤其可以以所述定相线横截面为导向。通过为主动的操控而设计的横截面，可以保证足够的、通往所述星形汇接点的馈电线，进而可以实现一些操控应用方案。所提到的横截面范围比如尤其对于处于大约4kW的功率范围内的电动机的操控来说是足够的。

按照本发明的一种实施方式，提供一种用于操控多相的电动机的方法，其中用于向多相的电动机供电的相电流用的供电线路布置在具有至少一个星形汇接点的星形结构中。所述方法包括为了输送电流偏移而对操控相电流的方案进行调整以及为了将电流输送给所述星形汇接点而主动地操控所述星形汇接点这些步骤。这样的方法的优点从连接到所述星形汇接点上的馈电线的、上面所描述的优点中获得。作为“主动的操控”，在此应该典型地是指提供馈电线。比如说所述主动的操控方案能够通过电流的输送来实现，尤其在这方面由此应该通过所述星形汇接点来提供补偿。所述主动的操控方案在此可以提供补偿电流。

按照其他典型的、优选的实施方式，通过所述电流偏移的提供来降低所述相电流的最大电流I_Max的、相对于所述电动机的所输出的转矩的比例。由此，一方面可以在转矩输出保持相同的情况下改进所述电动机的可靠性（比如通过对于所述电动机的去磁现象的预防），并且另一方面可以在最大电流保持相同的情况下提高所述转矩输出。

按照其他典型的、优选的实施方式，如此选择所述电流偏移，从而使得其相当于相电流的负值。由此如果一个相位失常，那么可以提供能够接受的跛行功能。

按照另一种实施方式，提供一种具有按照本发明的实施方式的供电导体结构的电动机。

按照典型的实施方式，可以将这里所描述的实施方式组合起来，只要其不相互矛盾的话。借助于实施例在附图中示意性地示出了本发明，并且下面参照附图对其进行详细描述。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且接下来得到详细描述。附图示出：

图1是电动机的、处于按照这里所描述的实施方式的星型电路中的供电导体结构的示意图；

图2是已知的、操控电动机的相电流的图表；

图3是在操控按照本发明的实施方式的供电导体结构时，相电流的图表；并且

图4是在操控按照本发明的实施方式的供电导体结构时，包括失常的相电流的相电流图表。

具体实施方式

图1示意性地示出了按照本发明的实施方式的供电导体结构100。在图1中示范性地示出了所述用于三相的电动机的供电导体结构。图2、3和4因此涉及一种三相的电动机的实施例，而本发明的实施方式不局限于此。所述供电导体结构100包括相位110、120和130。通过导电的线路115、125和135来向这些相位供电，这一点通过在所述线路115、125和135上面的箭头来示出。图1示意性地示出了所述相位110、120和130与端子116、126和136之间的连接。

按照本发明的实施方式的供电导体结构100布置在星形结构中，并且包括一个星形汇接点140。所述将星形汇接点140与供电系统146连接起来的导线145如此构成，使得所述馈电线可以驱送电流。通过所述导线145提供给星形汇接点140的电流通过在所述导线145处的箭头来示出。

按照本发明的实施方式的操控能够通过所述导线145和所述星形汇接点140将电流偏移I_Offset（该电流偏移典型地对所有相位来说相同）与所有相电流叠加起来。由此在所述示范性的三相的系统中产生以下相电流：

              （方程式2a、2b和2c）

其中所述电流I_U,klassisch、I_V,klassisch和I_W,klassisch相当于已知的、借助于相线端子进行的操控。关于图1，所述相位110相当于方程式中的相位W，所述相位120相当于方程式中的相位V，并且所述相位130相当于方程式中的相位U。因为对于这些新的、来自所述方程式2a、2b和2c的相电流来说违背了电流总和准则（Strom-Summenregel），所以作为附加的电流通路在本发明的实施方式中使用通往所述星形汇接点的电流通路，用于重又符合节点准则。

然后，从具有星形汇接点140的、三相的电动机的节点准则中能够以如下方式求得流经所述星形汇接点的补偿电流I_Stern：

            （方程式3）

通过将方程式2a、2b、2c代入到方程式3这种方式得到：

       （方程式4）

也就是说，所述星形汇接点电流I_SP,neu相当于被否定的、三倍的电流偏移I_Offset。特殊情况I_Offset=0相应于在未操控所述星形汇接点的情况下通过所述端子116、126和136进行的传统的控制。

对于值恒定的克拉克变换来说，为经过改动的操控产生以下关联：

                   （方程式5）

并且通过将所述方程式2a、2b、2c代入到方程式5中获得：

                              （方程式6）

最后从方程式6中得知，在所有相电流上的、附加的电流偏移I_Offset对所算出的参量I_α和I_β没有影响。但是因为一般来说刚好将这些参量用于计算所述电动机的输出转矩，所以可以从中推导出并且也作出以下结论：附加的电流偏移I_Offset对所述电动机的输出转矩没有影响。为

了将这种认识付储实践并且能够将电流偏移与所述相位叠加起来，在本发明的实施方式中附加地通过相应的电子器件、比如FET线路来操控所述电动机-星形汇接点。下面对不同的应用领域进行描述并且求得附加地输送的电流偏移I_Offset。

在图2所示出的图表200中，作为用于本发明的实施方式的比例事例示出了所述相电流I_U,klassisch210、I_V,klassisch220和I_W,klassisch230，在三相的电动机的、已知的能量供电导体结构中使用这些相电流。所述相位相对于彼此偏置了120°，并且具有最大电流240和最小电流250，它们被分别被记载在纵坐标的值100和-100处。

图3示出了所叠加的电流偏移I_Offset（也被称为“情况1”）的第一种应用实例的图表300。在这种第一应用实例中，通过叠加来降低所述相电流310（相位U）、320（相位V）和330（相位W）的最大电流340。由此在所述星形汇接点上出现所述电流360。这有助于在那些在非常靠近去磁极限的情况下运行的电动机上预防去磁现象。在传统的相电流表现如下：

           （方程式7a、7b、7c）

能够通过通过所叠加的电流I_Offset来降低所述最大电流，其中

                （方程式8）

其中A和B可以是常数。A典型地是处于0.1与0.9之间的常数。在一种实例中，A=0.166。所述常数B可以是整数的常数，该整数的常数在一种实施方式取决于所述相电流的数目。在一种实例中，B可以相当于相电流的数目。所述参数C是相位项（Phasenterm）。在这方面所描述的并且在图3中示出的实例中，B=3。对于A=0.166、B=3并且C=0这种情况来说，对于按照本发明的实施方式的操控而言，将所述最大电流降低了因数，也就是说对于偏移电流：

得出：

    （方程式9）。

在图2中示出了在未进行按本发明的操控的情况下的电流曲线，而图3则示出了将电流曲线的最大值从纵坐标上的100（图2）中降低到86.6（图3）的情况。因此，与已知的、通过相线端子进行的操控相比，可以通过按照本发明的实施方式的操控或者能量供电导体结构来将所述最大的相电流降低了因数0.866。

在第二种应用实例中（也被称为“情况2”）示出，与已知的、通过相线端子进行的操控相比，可以以所述相电流的相同的最大电流来提高所述转矩输出。这种实例首先得到应用，如果所述最大允许的相电流比如由于所述电子器件（结构元件等的极限）或者电动机（去磁）而受到了限制。在第二种应用实例中的实情与所述第一种应用实例相类似。区别在于，现在以原则上相同的操控方案将来自“情况1”的被降低的电流又按比例提高到100%。由此在所述转矩输出中获得功率提升，因为在传统的操控方案中等效的电流可以以所述因数为幅度得到提高。

理论上，对于情况2来说可以使用与对于情况1来说相类似的考虑。在下面的证明中相对于方程式7首先将传统的操控的幅度提高了因数：

           （方程式10a、10b、10c）

在该应用实例中与方程式8以及在情况1中所讨论的实例相类似地求得所述有待叠加的电流偏移I_Offset，例如：

           （方程式11）

在这种假设下与方程式9相类似地求得所述最大的相电流：

    （方程式12）

从中得出这一点：尽管在进行传统的操控时在电流幅度中出现因数的功率上升，但是在进行按照本发明的实施方式的操控时最大的相电流与无功率上升的传统的操控的最大的相电流相同（方程式7）。

图4示出了第三实施例（也被称为“情况3”）的图表400。在该应用实例中所述电动机驱动装置的可用性得到提高，即使比如再也不能主动地操控相线端子。相线端子的失常比如可能由于结构元件或者电动机的问题而出现。这引起以下结果：在相应的相位中不再有电流流动。在已经知道的、等效的传统的相电流应该表现如下（也可以参见方程式7）：

             （方程式13）

这种假设以及比如在所述相位W中（如在图4中用附图标记430示出的那样）由于技术问题而再也不能有电流流动的附加要求下，这一点因此对于有待选择的电流偏移I_Offset来说意味着所述相位W的、传统的相电流的负叠加。也就是说，将所述偏移电流定义如下：

                   （方程式14）

图4示出了电流410（相位U）和420（相位V）以及中线电流460。在图2中，与图4相比可以看出无功能损失的电流曲线。在图4中可以看出具有所述相位W的功能损失的电流的特性。具有相位的功能损失的电流曲线明显高于无功能损失的电流曲线。因此对于已知的操控来说有时不能驱送这些提高了的相电流，因为比如所述电子器件不允许这样的应用情况。通过所述操控以及按照本发明的实施方式的能量供电导体结构，可以通过相应的降额（Derating）来提供能够接受的跛行功能，进而尤其对相位的失常进行补偿。此外，通过本发明的实施方式来实现的跛行功能相对于其他已知的跛行功能的突出之处在于，没有因故障情况而出现额外的力矩波形起伏。有时候在这种情况中可能会降低转矩范围。

此外，本发明的实施方式允许灵活的混合运行，所述混合运行按所述电动机的工作点要么使用通过所述相线端子（具有0的电流偏移）进行的操控，要么使用带有个性化地选择的电流偏移的、附加的操控。在一个工作点中对于理想的操控方案的选择尤其可能取决于以下几点：损耗功率考虑（电动机和电子器件）、在所述电子器件中的性能极限、在所述电动机中的性能极限以及故障模式。

在这方面所描述的操控比如可以借助于控制单元来实施，所述控制单元比如可以包括用于计算必需的或者值得追求的操控方案的程序。

如所描述的那样，本发明的实施方式额外地将电动机星形汇接点用于主动地操控多相的电动机。通过利用这种附加的自由度的方式，对于所述相线端子的传统的操控方案的调整可能也是必需的，本领域的技术人员可以借助于所描述的原理来实施所述传统的操控方案，或者所述传统的操控方案可以在电动机的运行过程中由控制单元比如借助于合适的程序来确定。

本发明的实施方式可以在一切使用多相的电动机的领域内使用。比如可以将附加的、通往所述星形汇接点的、具有对于操控来说足够的横截面的导线很快并且容易地安装到每种类型的电动机中。用于应用情况的实例比如可以是电动平衡车（电动滑板车）（Elektroroller），所述电动平衡车具有大约2kW到大约20kW、典型地大约4kW的功率范围。其他的应用领域可以是对安全敏感的领域、比如用于助力转向的具有大约1kW的功率范围的电动机。尤其所述能够通过按照本发明的实施方式的操控方案实现的跛行功能的提供可以用在其他的对安全敏感的领域内。

Claims (10)

1. 用于利用多相电流来给电动机的电气组件提供能量的供电导体结构（100），其中所述供电导体结构（100）包括用于每个电流相位的供电线路（115；125；135），其中所述供电线路（115；125；135）布置在具有至少一个星形汇接点（140）的星形结构中，并且其中所述供电导体结构包括连接到所述星形汇接点（140）上的馈电线（145）。

2. 按权利要求1所述的供电导体结构，其中构造所述供电导体结构（100）以主动地操控所述星形汇接点（140），并且其中所述供电导体结构（100）尤其被构造用于通过FET线路来操控所述星形汇接点（140）。

3. 按前述权利要求中任一项所述的供电导体结构，其中将电流偏移与多相电流的所有相电流（310；320；330）叠加起来。

4. 按权利要求3所述的供电导体结构，其中所述电流偏移取决于用于向电动机提供能量的多相电流的相位数。

5. 按权利要求3所述的供电导体结构，其中所述电流偏移具有一个恒定的影响因素以及一个取决于所述多相电流的相位数的影响因素。

6. 按权利要求3所述的供电导体结构，其中所述电流偏移相当于相电流的负值。

7. 按前述权利要求中任一项所述的供电导体结构，其中构造连接到星形汇接点（140）上的馈电线（145）的横截面以主动操控所述星形汇接点，其中尤其所述连接到星形汇接点上的馈电线（145）的横截面大致相当于用于相电流的供电线路的横截面。

8. 用于操控多相的电动机的方法，其中用于向电动机供应多相电流的相电流用的供电线路（110；120；130）布置在具有至少一个星形汇接点（140）的星形结构中，并且其中所述方法包括以下步骤：

-为了输送电流偏移而对相电流的操控进行调整；以及

-为了将电流输送给所述星形汇接点（140）而主动地操控所述星形汇接点。

9. 按权利要求8所述的方法，其中通过输送所述电流偏移来降低所述相电流的最大电流I_Max相对于所述电动机的所输出的转矩的比例。

10. 按权利要求8所述的方法，其中所述电流偏移相当于相电流的负值。