CN109391212A - 用于三相交流电动机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制三相交流电动机的方法，其中该三相交流电动机具有可旋转地支承的转子和带有第一组线圈和第二组线圈的定子，其中线圈中的每个线圈在用交流电操控时产生振荡磁场，其中交流电的相被选择成使得该第一组线圈的磁场叠加产生以环绕方向转动的旋转磁场，且该第二组线圈的磁场叠加产生与该环绕方向相反地转动的旋转磁场。本发明的另一主题是一种由三相交流电动机和逆变器构成的用于执行该控制方法的系统。

Description

用于三相交流电动机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制三相交流电动机的方法，其中该三相交流电动机具有可旋转地支承的转子和带有第一组线圈和第二组线圈的定子，其中这些线圈中的每个线圈在用交流电操控时产生振荡磁场。
背景技术
三相交流电动机是从现有技术中以各种各样的实施方式已知的。所有实施方式的共同点是，其中在定子中安排有线圈，这些线圈借助经相偏移的交流电来运行，从而围绕每个线圈形成振荡磁场。线圈的几何形状上的安排和相关联的相在此被选择成使得所有线圈的磁场叠加成转动磁场，该转动磁场给转子施加转矩。
常见的实施方案在此是具有三相的三相交流电动机，其中线圈在定子处被安排成使得由线圈产生的磁场被安排成彼此成120°的角度且相关联的相彼此移位了120°。单独的振荡场在此叠加成旋转场，其中场幅值保持恒定且以所施加的交流电的频率转动。对于本领域技术人员而言从文献(例如Rolf Fischer的“Elektrische Maschinen(电动机器)”章节4.2)中已知如下计算方法，利用这些计算方法能够从线圈的普遍的几何形状安排和相关联的相中算出产生的旋转场。
在许多情况中，主电压源提供直流电压，该直流电压首先必须借助于逆变器转换成所需的交流电压。这样的情形尤其存在于由电池馈电的电动机中，如例如在电动车辆中就是这样的情况。这种转换的常见形式在于，期望的交流电压通过脉冲宽度调制而产生，其中通过调制器的对应控制能够在宽的区域中受控地调整电压曲线的形状及其相和频率。
另一结构形式为带有六个相的三相交流电动机。为此，从文件US 2007120520、WO2014132385和WO 2014207858中已知具有两组三相绕组和换流器以用于产生转动场的实施方案。文件US 20090033251公开了一种电动机，其中借助于逆变器产生六个相，以便控制在电动机中产生的转矩。文件US 20160365821论述了具有两组三相绕组的电动机，该电动机能够以六个相来运行。
这些实施方式被设计成尽可能高效地执行将电能转换成动能。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种控制方法，通过该控制方法以针对性的方式完全或部分地将电功率转换成热量。
该目的通过一种用于控制三相交流电动机的方法来实现，其中该三相交流电动机具有可旋转地支承的转子和带有第一组线圈和第二组线圈的定子，其中线圈中的每个在用交流电操控时产生振荡磁场，其中交流电的相被选择成使得该第一组线圈的磁场的叠加产生以环绕方向转动的旋转磁场，且该第二组线圈的磁场的叠加产生与该环绕方向相反地转动的旋转磁场。
通过这种方法可行的是，将对电动机线圈的操控设计成使得电能的转换为热量的比例和驱动电动机的旋转运动的比例能够以受控的方式进行调整。由此有利地可行的是，在不需要单独的加热机构的情况下产生热量。于是，在车辆中所产生的热量能够例如被供应给加热/冷却系统。
为了明确地描述线圈的空间安排和属于线圈的交流电的时间行为，在下文假设：为了安排线圈而确定流通方向(Durchlaufsinn)，从而由线圈产生的磁场在该流通方向上的定向形成一系列限定的角度且属于线圈的交流电的相类似地形成一系列限定的相角度。当相角度在流通方向上正向地相互移位(即，每个相在时间上超过其前相)时，产生与流通方向相反地转动的旋转场。如果相角度在流通方向上负向地相互移位，则相反地产生以流通方向转动的旋转场。流通方向的确定在此是任意的且仅仅用于为明确描述创造参照系。
根据本发明的一种优选实施方式，使用该方法来运行从现有技术已知的六相电动机，其中六个交流电各自相互移位了60°且各自运行相互以60°的角度间距安排的六个线圈。为了实现根据本发明的操控，这六个线圈被划分为两组，从而在每组之内的线圈被安排成各自相互旋转了120°。对于根据本发明的控制方法而言，现在足以使对第一组的操控不变而使第二组的相序反向。由此第二组产生在与第一组的旋转场相反的方向上转动的旋转场。如果所有交流电的幅值相同，则这两个旋转场给转子施加相反的转矩，这些相反的转矩相互抵消。因此电功率不转换为运动，而是代替于此转换为热量。
本发明的其他实施方式通过对所描述的六相系统的概括而得出。在此，2n个线圈相互以180°/n的均匀角度间距安排，且如此划分为分别由n个线圈形成的两个组：使得每个组的线圈相互以360°/n的角度间距安排。第一组的线圈用交流电运行，这些交流电相互进行正向相移，而第二组线圈用相互进行负向相移的交流电运行。六相电动机的在上文中描述的运行在此相应于特例n＝3。
此外，本发明的如下实施方式也是可行的，其中多个线圈属于同一导线束且相应地用同一交流电来操控。由此，得到n个线圈和m≤n个相关联的相角度的几何形状安排。这n个线圈进而被划分成两个组，这两个组不一定包括相同数量的线圈。这样的可能性(将交流电与线圈进行关联，使得两个组的所产生的磁场相反地旋转)很难以系统化方式来描述，但是能够由本领域技术人员借助于开头提及的计算方法确定。
根据本发明的另一实施方式，这两个组用交流电来操控，这些交流电在第一组之内相互进行正向相移且在第二组之内相互进行负向相移。在此，交流电的幅值相应地在组内是相同的，但是在两个组之间是不同的。由此产生两个相反地转动的旋转场，其中第一场和第二场的强度分别是在时间上恒定的且周期性地在方向方面改变，但是在此第一旋转场具有比第二旋转场更大的或更小的场强。两个旋转场的转矩在叠加时不是相互抵消，而是以差值产生剩余转矩，而电功率的一部分转换为热量。在这两个旋转场这样叠加时通常得到所谓的椭圆形旋转场，该椭圆形旋转场以恒定的速率转动且由此产生剩余转矩，但是该剩余转矩的场幅值在时间上变化，从而得到剩余转矩的脉冲化的曲线。
本发明的其他实施方式通过概括而得出，其中通常数量为n个的线圈以m≤n个交流电运行，这些交流电分别具有m个幅值。在此，这样的可能性(将电流和线圈进行相互关联，使得这两个组产生相反旋转的磁场)不能够以简明的方式示出，但是能够由本领域技术人员借助于开头提及的计算方法确定。
本发明的另一主题是由三相交流电动机和逆变器构成的用于执行以上所述的控制方法的系统。利用根据本发明的系统能够执行控制方法的所有实施方式，由此该系统也具有相应实施方式的在对应处提及的优点。
根据由三相交流电动机和逆变器构成的本发明系统的优选实施方式，该逆变器被配置成使得该逆变器由直流电压馈电且由此通过脉冲宽度调制产生多个相互相移的交流电压。于是，这些交流电压根据本发明被施加在线圈上，其方式为使得由此产生的第一组线圈的磁场叠加成旋转场，该旋转场与第二组的旋转场相反地转动。
根据另一优选实施方式，该逆变器被配置成使得所产生的交流电压的幅值和相能够以可变的方式进行调整。由此能够实现总体上的控制方法，其中线圈通过有针对性地彼此协调的电压曲线被操控，其方式为使得所感生的磁场叠加成期望的总场。
根据本发明的由三相交流电动机和逆变器构成的系统的另一优选实施方式，该三相交流电动机具有能够止动该转子的旋转运动的装置。该装置的可能的形式例如是制动器或驻车制动器。由此有利地可行的是：以机械方式阻止旋转运动，从而即使在控制方法未精确地平衡转矩的情况下也将电功率仅仅转换为热量，而不产生附加的运动。
总体上，本发明在此公开下述1和3的技术方案，下述2和4-5为本发明的优选技术方案：
1.一种用于控制三相交流电动机的方法(1)，其中该三相交流电动机具有可旋转地支承的转子和带有第一组线圈(6)和第二组线圈(7)的定子，其中线圈(5)中的每个线圈在用交流电操控时产生振荡磁场，其特征在于，交流电的相被选择成使得该第一组线圈(6)的磁场叠加产生以环绕方向(8)转动的旋转磁场，且该第二组线圈(7)的磁场叠加产生与该环绕方向(8)相反地转动的旋转磁场。
2.根据上述1所述的方法，其中，用于操控该第一组线圈(6)的交流电具有恒定的第一幅值，用于操控该第二组线圈(7)的交流电具有恒定的第二幅值，并且第一幅值与第二幅值之比能够被调整成至少两个不同的值。
3.一种由三相交流电动机和逆变器构成的用于执行根据上述1所述的控制方法(1)的系统，其中该三相交流电动机具有可旋转地支承的转子和带有第一组线圈(6)和第二组线圈(7)的定子，其中这些线圈(5)中的每个线圈在用由该逆变器产生的交流电操控时产生振荡磁场，其中交流电的相被选择成使得该第一组线圈(6)的磁场叠加产生以环绕方向(8)转动的旋转磁场，且该第二组线圈(7)的磁场叠加产生与该环绕方向(8)相反地转动的旋转磁场；所述系统被配置成使得能够根据上述1所述的方法来执行对这些线圈(5)的有针对性的操控。
4.根据上述3所述的系统，其中该逆变器通过脉冲宽度调制从施加的直流电压产生交流电。
5.根据上述3或4所述的系统，其中该三相交流电动机具有能够止动该转子的旋转运动的装置。
附图说明
本发明的进一步的细节、特征和优点从附图中以及从以下借助附图对优选实施方式的描述中得出。这些附图在此仅示出本发明的示例性的实施方式，这些实施方式不限制本发明构思。
图1示意性地示出根据按照现有技术的实施方式的具有六个相的三相交流电动机的控制方法。
图2示意性地示出根据本发明的实施方式的具有六个相的三相交流电动机的控制方法。
具体实施方式
在图1中示出了按照现有技术的三相交流电动机的控制方法1。该简图在此仅仅描绘了操控六个具有六相的多相电流的单个相的线圈5的方式方法，而从图中不可看出线圈5的几何形状安排。在该图中，第一组6和第二组7的各三个线圈5借助于三角形接线串联连接。六个线圈5在此共同形成(未示出的)一个空间安排，其中第一组6和第二组7的线圈5交替地彼此相继且在用交流电运行时产生六个各自偏移了60°的振荡磁场。在此，在每两个偏移了60°的磁场中磁场振荡的时间曲线相移了60°。第一组6的磁场由此叠加成总磁场，该总磁场的方向在示出的第一环绕方向8上转动，其中场强在时间上保持恒定。第二组7的磁场叠加成同样在第一环绕方向8上旋转的总磁场。由此，两个组6、7的旋转场被叠加成使得进而形成在第一环绕方向8上转动的总旋转场。总旋转场在(未示出的)转子的绕组中感生电流，该电流的磁场反作用于外部的总旋转场。由此，在转子与线圈5之间产生转矩，该转矩使转子置于旋转中。由于在该安排中，所有线圈5的磁场加强总旋转场，因此得到最大转矩且与此相关地得到将电功率最大地转换为运动。
在图2中示出了根据本发明的三相交流电动机的控制方法1。如在图1中那样，在此该简图也描绘了相与线圈5的关联，而从该附图中不能够看出线圈5的空间安排。六个线圈5产生了一系列相应地相互偏移了60°的磁场。第一组6包括其中具有相关联的磁场的三个线圈5，所述磁场被安排成彼此偏移了120°且其时间曲线相互相移了正120°。第二组7包括剩余三个线圈5，其磁场同样被安排成彼此偏移了120°且其时间曲线相互相移了负120°。由此，第一组6的磁场被叠加成使得产生在描绘的第一环绕方向8上转动的旋转场。而第二组7的磁场被叠加成使得所产生的旋转场在描绘的第二环绕方向9上转动。在第一环绕方向8上转动的旋转场和在第二环绕方向9上转动的旋转场叠加成总旋转场，该总旋转场不转动，而是在限定的方向上定向，其中场强在时间上振荡。通过振荡，在转子的绕组中感生电流，但是这些电流不是使转子如在旋转场中那样置于旋转中，而是仅仅将电功率转换为欧姆热。换句话说，互相反向转动的旋转场给转子施加两个彼此反向的转矩，这两个转矩彼此抵消，从而消耗的功率转换为热量，而不使转子置于旋转中。

Claims (5)

1.一种用于控制三相交流电动机的方法(1)，其中该三相交流电动机具有可旋转地支承的转子和带有第一组线圈(6)和第二组线圈(7)的定子，其中线圈(5)中的每个线圈在用交流电操控时产生振荡磁场，其特征在于，交流电的相被选择成使得该第一组线圈(6)的磁场叠加产生以环绕方向(8)转动的旋转磁场，且该第二组线圈(7)的磁场叠加产生与该环绕方向(8)相反地转动的旋转磁场。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于操控该第一组线圈(6)的交流电具有恒定的第一幅值，用于操控该第二组线圈(7)的交流电具有恒定的第二幅值，并且第一幅值与第二幅值之比能够被调整成至少两个不同的值。
3.一种由三相交流电动机和逆变器构成的用于执行根据权利要求1所述的控制方法(1)的系统，其中该三相交流电动机具有可旋转地支承的转子和带有第一组线圈(6)和第二组线圈(7)的定子，其中这些线圈(5)中的每个线圈在用由该逆变器产生的交流电操控时产生振荡磁场，其中交流电的相被选择成使得该第一组线圈(6)的磁场叠加产生以环绕方向(8)转动的旋转磁场，且该第二组线圈(7)的磁场叠加产生与该环绕方向(8)相反地转动的旋转磁场；所述系统被配置成使得能够根据权利要求1所述的方法来执行对这些线圈(5)的有针对性的操控。
4.根据权利要求3所述的系统，其中该逆变器通过脉冲宽度调制从施加的直流电压产生交流电。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其中该三相交流电动机具有能够止动该转子的旋转运动的装置。
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