CN108966684B

CN108966684B - 用于利用变频驱动器控制具有多个部段的线性马达的系统和方法

Info

Publication number: CN108966684B
Application number: CN201780012795.XA
Authority: CN
Inventors: 理查德·H·奥斯曼
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Yinmengda Co ltd
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: US20210067067A1; US11368117B2; CN108966684A; DE112017001061T5; WO2017151451A1

Abstract

一种用于控制线性交流(AC)电动式电机(400)的系统(500)，包括：线性AC电动式电机(400)，包括具有多个离散的静止部段(412、414、416)的静止部(410)，每个静止部段(412、414、416)具有多相电路；变频驱动器(VFD)(510)，其被构造为耦联到公用电源且提供输出电流，其中，VFD(510)可操作地耦联到线性AC电动式电机(400)的静止部(410)，用于对静止部(410)的静止部段(412、414、416)供电且控制静止部段(412、414、416)；以及多个开关(512、514、516)耦联在VFD(510)和静止部(410)之间，其中，多个开关(512、514、516)允许VFD(510)连接到静止部段(412、414、416)与其断开。

Description

用于利用变频驱动器控制具有多个部段的线性马达的系统和方法

技术领域

本发明的方面大体上涉及电动式电机，其包括例如电动马达(诸如交流(AC)马达)，且具体地涉及用于利用变频驱动器(VFD)控制具有多个部段的线性马达的系统和方法。

背景技术

线性电动式电机包括静止部和移动部，其中，沿着马达的长度产生线性力，使得移动部在线性方向上沿着静止部移动。在多相线性马达中，静止部由纵向布置在多相电路中的多个线圈构成。移动部可以包括诸如永磁体的磁体，磁体以N极和S极交替的方式沿着移动部的行进方向并排地排列。

可使用变频驱动器(VFD)来启动和/或控制线性马达，该变频驱动器可操作地耦联到线性马达，特别地耦联到包括线圈单元的部分。VFD可以可控地增大在启动期间施加到马达的电压的幅值和频率。电压幅值和频率可以以非常低的值开始，然后可增大到马达的额定电压和/或公用电源的频率。此外，VFD可包括控制系统，该控制系统包括控制电路，从而提供对线性马达的精确速度控制。

在线性马达中，由于移动部沿着静止部移动，因此移动部通常比静止部短。当静止部包括线圈并且线性马达由VFD供电和控制时，静止部的长度不应当被制造得过长，因为线圈中的大部分没有耦联到移动部，且未耦联的线圈产生漏磁，VFD必须通过施加比仅驱动耦联到马达的移动部的线圈所需的电压多的电压来应对该漏磁。该现象导致VFD的利用性较差，因为VFD必需被设定有更高的电压，这不利于将电力传输到移动部。

发明内容

简而言之，本发明的方面大体上涉及电动式电机，其包括例如电动马达(诸如交流(AC)马达)，并且更具体地涉及用于利用变频驱动器(VFD)控制具有多个部段的线性马达的系统和方法。

本发明的第一方面提供了一种用于控制线性交流(AC)电动式电机的系统，包括：线性AC电动式电机，其包括具有多个离散的静止部段的静止部，每个静止部段包括多相电路；变频驱动器(VFD)，被构造为以输入耦联到公用电源且提供输出电流，其中，VFD的输出端可操作用于以耦联到线性交流电动式电机的静止部的方式来对静止部的静止部段供电并且进行控制；以及多个开关，耦联在VFD和静止部之间，其中，多个开关允许VFD连接到静止部段或断开与静止部段的连接。

本发明的第二方面提供了一种用于控制线性交流(AC)电动式电机的方法，包括：使用单个变频驱动器(VFD)，经由多个开关按顺序对线性AC电动式电机的多个离散的静止部段供电。

附图说明

图1示出根据这里公开的实施方式的已知线性交流马达的3维示意图。

图2示出根据本发明的示例性实施方式的线性AC马达的静止部的静止部段的一部分的3维示意图。

图3示出根据本发明的示例性实施方式的如图2中所示的静止部段200的一部分的平面图。

图4示出根据本发明的示例性实施方式的包括线性交流(AC)马达和变频驱动器(VFD)的系统的示意图。

具体实施方式

现在将详细参照在附图中示出的本公开的示例实施方式。在任何可能的情况下，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。

在下文中描述为构成各种实施方式的组件和材料旨在是说明性的而非限制性的。将执行与这里描述的材料相同或相似的功能的许多适当的组件和材料旨在被包含在本发明的实施方式的范围内。

图1示出根据这里公开的实施方式的已知线性交流(AC)马达100的3维示意图。线性AC马达(这里还被简称为线性马达100)包括被气隙130分开的静止部110和移动部120，其中，沿着线性马达100的长度(为移动部120的行进方向A)产生线性力。

线性马达100可被构造为多相线性马达，其中，静止部110由多个纵向布置在多相电路(还参照图2)中的线圈构成。可选地，移动部120可包括诸如永磁体的磁体，磁体以N极和S极交替的方式沿着移动部120的行进方向A并排排列。可选地，移动部120可被构造为反应轨，例如为不具有磁体的简单铜或铝杆或由直流(DC)激励的一组线圈，并产生N-S交变磁动势(MMF)。

如图1所示，静止部110包括形成静止部110的在纵向(即，行进方向A)上布置的多个静止部段112、114和116。如，静止部110可包括对于线性马达100的特定应用所需的那么多的部段112、114和116。每个部段112、114和116可按照所需的尺寸来构造。通常，部段112、114和116可包括相同或相似的尺寸，例如宽度和长度。在一个应用的示例中，线性马达100可用于推动车辆等，其中，静止部110跨越车辆行进的路径或轨迹的长度。在这种应用中，移动部120通常安装在车辆上。静止部110与安装在车辆上的移动部120相互作用，以沿着轨迹推动车辆。图1还示出在单个静止部段112、114和116之间的间隙或空间140，间隙或空间例如对于在特定环境中安装静止部110而言是必需的。因此，根据应用和环境，静止部段112、114和116可无空间或间隙地彼此相邻地布置。

图2示出根据本发明的示例性实施方式的线性AC马达的静止部的静止部段200的一部分的3维示意图。如参照图1所描述，线性马达100的静止部110可包括多个静止部段112、114和116，其中，图2示出了静止部段200的示例的一部分。

静止部段200的所示部分包括形成静止部段200的多个定子块210。通常，静止部段200包括多个定子块210，例如10个至100个之间的定子块210。

每个定子块210包括以多相电路(特别地三相电路)的方式布置的多个线圈220、230、240。线圈220表示多相系统的相A，线圈230表示多相系统的相B，线圈240表示多相系统的相C。

每个定子块210的一个相A、B或C的所有线圈220、230、240以串联的方式布线。此外，所有定子块210进而一个静止部段200的一个相A、B或C的所有线圈220、230、240以串联的方式布线。这意味着，相A的所有线圈220以串联的方式布线，相B的所有线圈230以串联的方式布线，且相C的所有线圈240以串联的方式布线。由于静止部段200形成线性马达100(参照图1)的静止部110，因此静止部110的一个相A、B或C的所有线圈220、230、240以串联的方式布线。

图2还示出包括线圈220、230、240的定子块210空间地定位成重叠的，从而提供了磁连续的静止部段200。相似地，静止部110的静止部段200(参照图1的112、114、116)可空间地定位成重叠的，从而提供磁连续的静止部110。也就是说，如果幅值相同、频率相同和相相同的多相电流被施加到两个连续的部段200(112、114、116)，则产生的移动磁动势(MMF)在部段界面250处是连续的。

参照图1和图2，在静止部段112、114、116之间的一个或多个空间或间隙140可沿纵向设置，即沿行进方向A。这种空间140给予例如用于对静止部段200(112、114、116)进行布线的空间。在其他构造中，静止部段200、112、114、116可在它们之间无空间地彼此相邻地布置。

图3示出根据本发明的示例性实施方式的如图2中所示的静止部段200的一部分的平面图。如之前提到的，静止部段200包括具有相A、B和C的多个线圈220、230、240的多个块210。此外，示出了移动部300。移动部300包括诸如永磁体的多个磁体310、320，其以N极和S极交替的方式沿着行进方向A并排排列。具有磁体310、320的移动部300与通过气隙350被分开的静止部段200相对地布置。根据线性马达的特定规格，具有磁体310、320的移动部300可布置在静止部段200的任一侧或可布置在静止部段200的两侧。

图4示出根据本发明的示例性实施方式的包括线性交流(AC)马达400和变频驱动器(VFD)510的系统500的示意图。

在示例性实施方式中，线性AC马达400(这里还简称为线性马达400)可被构造为如之前参照图1、图2和图3所描述的多相线性马达。线性马达400包括被气隙430分开的静止部410和移动部420，其中，沿着线性马达400的长度(即移动部420的行进方向A)产生线性力。如上所描述的，静止部410可包括多个部段412、414、416，每个部段412、414、416包括如例如参照图2所描述的包括用于3相系统的线圈的多个静止块。

对静止部410的线圈供电和控制的一种方式是通过变频驱动器(VFD)。在线性马达400中，由于移动部420沿着静止部410移动，因此移动部420通常比静止部410短。当静止部410包括线圈且由VFD对线性马达400供电和控制时，静止部410的长度不应当被制成得过长，因为线圈中的大部分没有耦联到移动部420，且未耦联的线圈产生漏磁，VFD必须通过施加比驱动仅耦联到马达400的移动部420的线圈所需的电压多的电压来应对该漏磁。该现象导致VFD的弱利用性，因为VFD必需被设定更多的电压，这不利于将电力传输到移动部420。因此，静止部410被划分为例如通过一个或多个VFD被单独供电和控制的离散的静止部段412、414、416。但是随着静止部410变短，可能需要更多的开关以将一个或多个VFD连接到随后的静止部段412、414、416，这会变得不经济。在任何情况下，都出现了对在静止部段412、414、416之间切换的需求。

在多个部段412、414、416上保持对静止部410的激励的一种方法在于使用多个(至少两个)VFD且将多个VFD交替地切换到静止部段412、414、416。例如，第一VFD开始时将交流(AC)供给到部段412，并随后随着移动部420通过到部段414上，第二VFD启动将AC供应到部段414。在经过部段414之后，第一VFD被切换到部段416上并提供推进电力。但是，该方法要求第一VFD和第二VFD之间的精密协作，以便随着移动部420接近部段边界(部段界面)，第二VFD已经供应处于适当频率和相的电流。直到移动部420整体处于部段414中，且可实现没有损失跨过部段边界的推进力之前，第一VFD将不停止传输电流。

在本发明的示例性实施方式中，参照图4，系统500包括单个驱动器，具体地为变频驱动器(VFD)510，来供给所有静止部段412、414、416。具体地，随着移动部420在部段412、414、416之间通过(行进)时，VFD 510一次通过将VFD 510切换到每个部段412、414、416来将电流(AC)供给到一个部段412、414或者416。因此，需要仅一个VFD 510，且消除了对在部段之间精确同步多于一个的驱动器的切换的需求。

系统500还包括耦联在VFD 510和静止部410(具体地，静止部段412、414、416)之间的多个开关512、514和516，其中，多个开关512、514和516根据需要允许VFD 510与静止部段412、414、416连接或断开。每个静止部段412、414、416由VFD 510独立地供电和控制，其中，一个开关512、514、516耦联在每个静止部段412、414、416与VFD 510之间。也就是说，开关512耦联在部段412与VFD 510之间，开关514耦联在部段414与VFD 510之间，开关516耦联在部段416与VFD 510之间。

VFD 510将交流电供给到经操作经由开关512、514、516耦联且连接到VFD 510的那些部段412、414、416。VFD 510被构造用于激活、即触发和/或停用多个开关512、514、516，且包括例如控制器520，控制器520包括被构造为例如软件和/或硬件的允许根据预限定或预定的顺序或应用而在部段412、414、416之间切换的控制系统。控制器520还可包括用于控制VFD 510的操作的控制功能。如上所提到的，在示例中，随着移动部420在部段412、414、416之间经过(行进)时，VFD 510通过将VFD 510切换到每个部段412、414、416按顺序一次将AC供给到一个部段412、414或者416。在示例中，在移动部420大约处于部段412、414、416之间的中途时，操作开关512、514、516。利用VFD 510对线性马达400进行的切换和/或控制不具有反馈控制。VFD 510可以以预定程序的可变频率(即，df/dt)以开环操作方式操作，例如被选择以在移动部420的期望时间点或距离处到达线性马达额定速度，或可基于来自轨导侧编码器的位置脉冲而以闭环的方式控制，或可从基于定子电压在内部计算的定子磁通的位置而以闭环的方式控制。

VFD 510可被构造为如例如在哈蒙德的美国专利No.5,625,545中描述的，其全部内容被引用于此。例如，控制器520可控制VFD 510的电力电路的操作且可被耦联马达电压/电流反馈线，该马达电压/电流反馈线是耦联到线性马达400的。在一些实施方式中，控制器520可包括微处理器或其他合适的CPU(中央处理单元)和用于存储软件例程的存储器，以确定例如马达速度和用于改变VFD 510的输出电压幅值和频率的标准。可选地，控制器520可将反馈信息发送到另一组件(未示出)且从组件接收关于对输出电压幅值和频率的调整的指令。

此外参照图4，多个开关512、514、516包括晶闸管开关。晶闸管开关为在切换中比机电式接触器快得多的半导体器件。此外，VFD 510配备有在切换期间控制VFD 510的输出电流的电流调节器。电流调节器可例如被合并到VFD 510的控制器520中。多个开关512、514、516可被合并到VFD 510中，且可例如定位在VFD 510的外壳内。可选地，如图4中所示，开关512、514、516可物理地位于VFD 510与部段412、414、416之间。在这种情况下，开关512、514、516可定位在与VFD 510和部段412、414、416单独电连接(即电缆)的(多个)壳体或(多个)舱室中。多个512、514、516可布置在一个舱室中，或每个开关512、514、516可包括其自身的舱室。

相比于使用两个或更多个VFD并且从一个到另一个的切换控制，所提出的方案仅使用单个VFD 510与快速开关512、514、516组合以随着移动部420经过轨迹而将VFD 510按顺序连接到静止部412、414、416。VFD 510包括快速且精确的电流调节器。由于定子部段412、414、416是高感应的，因此可保持对电流的控制。特别地，在移动部420大约处于部段412、414、416之间的中途时，操作开关512、514、516。所提出的方案需要仅单个VFD 510，由此减小成本，且通过避免多个VFD之间的切换而显著地简化了控制。单个VFD 510具有推进力的短暂降低，例如在从一个部段切换到另一部段期间，这没有明显影响系统500的速度轨迹。尽管推进力可在部段412、414、416之间的过渡期间降低，但因为移动部420、特别移动部420的磁体在移动部420是连通且承载有电流时离开部段412、414、416，且当来自VFD 510的电流出现在接下来的部段412、414、416中时磁体没有完全进入接下来的部段412、414、416，因此减少的推进力的间隔是非常短的。

虽然已经以示例性形式公开了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，可在其中进行许多修改、添加和删除。

Claims

1.一种用于控制线性交流电动式电机(400)的系统(500)，包括：

线性交流电动式电机(400)，包括具有多个离散的静止部段(412、414、416)的静止部(410)，每个所述静止部段(412、414、416)包括多相电路；

变频驱动器(510)，被配置为耦联至公用电源的输入端并提供输出电流，其中，所述变频驱动器(510)的输出端可操作地耦联到所述线性交流电动式电机(400)的静止部(410)，以对所述静止部(410)的所述静止部段(412、414、416)供电并进行控制；以及

多个开关(512、514、516)，耦联在所述变频驱动器(510)与所述静止部(410)之间，其中，所述多个开关(512、514、516)允许所述变频驱动器(510)连接到所述静止部段(412、414、416)或断开与所述静止部段的连接，其中，多个所述开关(512、514、516)包括晶闸管，其中经由第一开关(512)将所述变频驱动器(510)连接到第一静止部段(412)，同时经由第二开关(514)使所述变频驱动器(510)断开与第二静止部段(514)的连接。

2.根据权利要求1所述的系统(500)，其中，所述多个开关(512、514、516)被布置用于将所述变频驱动器(510)连接到每个离散的所述静止部段(412、414、416)或断开与每个离散的所述静止部段的连接。

3.根据权利要求1或2所述的系统(500)，其中，所述多个开关(512、514、516)中的至少一者布置在所述变频驱动器(510)与每个离散的所述静止部段(412、414、416)之间。

4.根据权利要求1或2所述的系统(500)，其中，所述变频驱动器(510)向连接到所述变频驱动器(510)的所述静止部段(412、414、416)提供输出交流电。

5.根据权利要求3所述的系统(500)，其中，所述变频驱动器(510)向连接到所述变频驱动器(510)的所述静止部段(412、414、416)提供输出交流电。

6.根据权利要求1或2所述的系统(500)，所述线性交流电动式电机(400)还包括移动部(420)，其中，多个离散的所述静止部段(412、414、416)经由所述多个开关(512、514、516)按顺序由所述变频驱动器(510)供电，从而将所述移动部(420)沿着所述静止部(410)移动。

7.根据权利要求5所述的系统(500)，所述线性交流电动式电机(400)还包括移动部(420)，其中，多个离散的所述静止部段(412、414、416)经由所述多个开关(512、514、516)按顺序由所述变频驱动器(510)供电，从而将所述移动部(420)沿着所述静止部(410)移动。

8.根据权利要求1或2所述的系统(500)，其中，所述变频驱动器(510)适于使用控制器(520)触发所述多个开关(512、514、516)。

9.根据权利要求7所述的系统(500)，其中，所述变频驱动器(510)适于使用控制器(520)触发所述多个开关(512、514、516)。

10.一种用于控制线性交流电动式电机(400)的方法，其中，所述线性交流电动式电机包括具有多个离散的静止部段的静止部，所述方法包括：

使用单个变频驱动器(510)，经由多个开关(512、514、516)按顺序对线性交流电动式电机(400)的多个离散的静止部段(412、414、416)供电，其中，多个所述开关(512、514、516)包括晶闸管，其中经由第一开关(512)将所述单个变频驱动器(510)连接到第一静止部段(412)，同时经由第二开关(514)使所述单个变频驱动器(510)断开与第二静止部段(514)的连接。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，每个所述离散的静止部段(412、414、416)包括布置在多相电路中的多个线圈。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述线性交流电动式电机(400)还包括移动部(420)，其中，多个所述离散的静止部段(412、414、416)经由多个所述开关(512、514、516)按顺序由所述变频驱动器(510)供电，从而将所述移动部(420)沿着所述静止部(410)移动。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述移动部(420)处于相邻的离散静止部段(412、414、416)之间的大约中途时，操作所述多个开关(512、514、516)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述变频驱动器(510)适于使用控制器(520)触发多个所述开关(512、514、516)。