CN110495080B

CN110495080B - 电机绕组电感增强

Info

Publication number: CN110495080B
Application number: CN201880025023.4A
Authority: CN
Inventors: J.K.坦古杜; P.M.克希尔萨加
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: CN110495080A; WO2018190949A1; US20200119598A1; ES2928872T3; EP3610564B1; EP3610564A1; US11368078B2

Abstract

一种电机(20)具有定子(22)，所述定子(22)包括：芯(50)，所述芯(50)具有第一端(52)和第二端(54)；一个或多个绕组，所述一个或多个绕组由所述芯承载并具有：从所述第一端突出的一个或多个第一部分(62)；和从所述第二端突出的一个或多个第二部分(64)。转子(24)被安装成相对于所述定子绕轴线(500、502)旋转。一个或多个腔室(70、72)围绕所述一个或多个第一部分和所述一个或多个第二部分。铁磁性颗粒在所述一个或多个腔室中的流体中。所述机器具有用于改变所述一个或多个腔室中的所述铁磁性颗粒的浓度的构件(80、82、104、106)。

Description

电机绕组电感增强

相关申请的交叉引用

要求保护的是2017年4月14日提交的标题为“电机绕组电感增强”的美国专利申请No.62/485,592，该专利申请的公开内容通过引用全部并入本文，就如同详细阐述一样。

背景技术

本公开涉及电机。更具体地，本公开涉及改变电机定子的绕组轴向端部处的电感。

电机包括马达、交流发电机、发电机等。示例性的电机具有定子和被安装用于在定子内旋转的转子。定子包括一个或多个绕组，所述一个或多个绕组可以包括由定子的芯承载的一个或多个绞合线或导线的一个或多个线圈。在示例性配置中，绕组的端部从芯的相对轴向端突出。特定的绕组布局会随着电机的广泛类型(包括单相还是多相)和特定设计问题而有很大变化。

定子芯通常形成为叠层钢或铁堆。类似地，转子通常包括钢或铁叠层堆。取决于所涉及的特定机器，转子或定子还可以包括永磁体，并且转子还可以包括其自身的一个或多个绕组，所述一个或多个绕组可以经由电刷系统等与外部电连通。

通常期望具有适当的电感以减小电流纹波。这可以通过外部滤波器或扼流圈来实现。例如，H.Bae, S.K.Sul, J.H.Kwon, J. S.Byeon的“ 涡轮压缩机的超高速PMSM无传感器 矢量控制的实现方式”，发表于纽约州，纽约市，IEEE，2003年5月至6月，第3期，第39卷，IndAppln上的IEEE Transations，其公开内容通过引用全部并入本文，就如同详细阐述一样。电感估算技术已在R., Islam, R., Islam, M.,和Sebastian, T., 2009年公开，“ 用于控 制和监测永磁同步马达的参数的实时估计，”发表于纽约州，纽约市，IEEE，1194-1199页，2009年，5月，佛罗里达州，迈阿密，Drives Conf.,Mach. IEEE Int. Elect.，其公开内容通过引用全部并入本文，就如同详细阐述一样。

例如，在2000年5月30日的Sato等人的美国专利No.6,069,431中已经提出了电感增加机制的其他示例，其公开内容通过引用全部并入本文，就如同详细阐述一样。U.S.‘431特别公开了一种发电机。在一个实施方案中，U.S.‘431将绕组端部包封在铁氧体粉末和热固性树脂的混合物中。混合物围绕并穿过环形端部延伸以增加电感。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种电机，所述电机包括定子，所述定子包括：芯，所述芯具有第一端和第二端；一个或多个绕组，所述一个或多个绕组由所述芯承载并具有：从所述第一端突出的一个或多个第一部分；和从所述第二端突出的一个或多个第二部分。转子被安装成相对于所述定子绕轴线旋转。一个或多个腔室围绕所述一个或多个第一部分和所述一个或多个第二部分。铁磁性颗粒在所述一个或多个腔室中的流体中。所述机器具有用于改变所述一个或多个腔室中的所述铁磁性颗粒的浓度的构件。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述构件包括：从所述一个或多个腔室的出口延伸并返回到所述一个或多个腔室的入口的流动路径；沿着所述流动路径的至少一个泵；和沿着所述流动路径的分离器。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述分离器是重力分离器。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述构件包括：所述分离器和所述入口之间的所述流动路径的第一分支；和在所述分离器和所述入口之间的所述流动路径的第二分支，所述第二分支定位成相对于所述第一分支优先地从所述分离器吸取所述铁磁性颗粒。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述构件包括一个或多个受控阀，所述一个或多个受控阀定位成在所述第一分支和所述第二分支之间分配流量。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述一个或多个受控阀包括用于控制沿着所述第一分支的流量的第一阀，和用于控制沿着所述第二分支的流量的第二阀。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述流体包括油。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述流体包括主要流体和表面活性剂。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述芯包括叠层。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述铁磁性颗粒包含羰基铁。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述铁磁性颗粒的特征大小最大为20 μm。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述一个或多个腔室包括：所述第一端处的第一环形腔室；和所述第二端处的第二环形腔室。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述电机是马达。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，控制器被配置成：控制所述一个或多个腔室中的所述流体中的所述铁磁性颗粒的所述浓度，从而限制到所述电机的输入电流纹波。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，对所述浓度的所述控制包括在来自分离器的富含颗粒区域的流体和来自所述分离器的缺乏颗粒区域的流体之间将返回流体分配到所述一个或多个腔室。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，对所述浓度的所述控制包括：使用所述马达的模型使用所述估算电感对所述马达的估算电感( L̂)进行迭代计算。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，对所述浓度的所述控制包括：计算所需的电感( L ^*)；以及进行控制以减小所述所需电感和所述估算电感之间的差异。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，一种使用所述电机的方法，其包括控制在所述一个或多个腔室中的所述流体中的所述铁磁性颗粒的所述浓度，从而限制到所述电机的输入电流纹波。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述方法还包括在所述一个或多个腔室中的所述流体中的所述铁磁性颗粒的所述浓度从低至容积的20%或更少变化到高达容积的至少30%。

在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，所述一个或多个腔室中的所述流体中的所述铁磁性颗粒的所述浓度从低至容积的10%或更少变化到高达容积的至少30%。

一个或多个实施方案的细节在以下附图和具体实施方式中进行阐述。其他特征、目标和优点将从具体实施方式和附图以及权利要求书中显而易见。

附图说明

图1是压缩机马达的中心纵向视图。

图2是沿着图1的线2-2截取的马达的定子的剖视图。

图3是控制例程的第一部分。

图4是控制例程的第二部分。

在各个附图中，相同的附图标记和标号指示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了具有定子22和转子24的电机20。定子具有中心纵向轴线500。转子具有中心纵向轴线502。轴线500和502基本重合并且形成相对于定子的转子的旋转轴线(受制于制造公差、磨损、振动等)。

转子可以安装成通过一个或多个轴承30、32绕轴线500、502旋转，以保持轴线基本重合。根据实现方式，轴承30、32可以相对于定子直接或间接地支撑转子。电机20的示例性实施方案作为压缩机34中的马达，所述压缩机34具有包括马达隔室38的外壳或壳体36，在所述马达隔室38中将定子安装到壳体。因此，示例性轴承30和32将压缩机的轴40直接安装到壳体，从而间接地安装到定子。转子24安装到轴(例如，经由压配合、键控嵌合、螺纹相互作用等)。

定子包括芯50。示例性芯形成为从第一端52延伸到第二端54的叠层堆。芯具有孔或槽56 (图2)，一个或多个绕组60穿过所述孔或槽56。槽填充有包封剂58 (图2)，诸如树脂(例如环氧树脂)和有机清漆(例如，奥地利维也纳Rembrandtin Lack GmbH Nfg.KG的Remisol EB549水性粘结清漆)。可以针对特性(诸如粘合性、低透湿性、耐腐蚀性和机械完整性)的期望组合来选择特定的包封剂。其他示例性包封剂包括在2011年6月30日公开的Kempe等人的美国专利申请公开2011/0160359A1中公开的那些。

绕组60具有从第一端52突出的多个第一端部62，和从第二端54突出的多个第二端部64。端部中的每一个由具有开放内部66的环中的多个绞合线或单个线形成。转子可以是用于机器的合适类型，并且通常可以包括轴向叠层堆和形成常规永磁马达的永磁体。在其他变型中，转子可以包括永磁体转子线圈(例如，在非永磁体转子中)。

没有示出其他众所周知/普遍存在的特征。如目前为止所描述的，马达广泛地代表一种或多种类型的电机。然而，为了增加电感，提供了一个或多个腔室，以包围端部62和64，以在流体中含有铁磁性颗粒的混合物，从而将端部浸入混合物中并增加电感。另外，可以提供用于改变一个或多个腔室中的铁磁性颗粒浓度的构件。此类构件可以允许电感的动态控制以适应工作条件。

在所示的示例中，单个第一端腔室70和单个第二端腔室72具有相应的内部74和76。因此，示例性腔室70和72是完整的环形，其包含一个或多个绕组的多个分离的端部。每个腔室包括内壁160、外壁162和端壁164。内壁的边缘经由密封件(诸如O形环170)密封到相关联的芯端。O形环还在槽处利用包封剂58密封。类似地，外壁的边缘经由密封件(诸如O形环172)密封到相关联的芯端。

用于改变浓度的构件包括从腔室沿着流动路径并且返回到腔室的分离器80。泵82沿着流动路径定位以驱动流。示例性分离器80是重力分离器，其也用作流体(例如，油)和铁磁性颗粒的储存器。这是通过密度分层实现的，其中颗粒沉降在分离器底部。因此分离器具有入口84、第一出口86和第二出口88。示例性第一出口在分离容器上高于第二出口88。因此，第二出口定位成相对于油优先吸取铁磁性颗粒，而第一出口定位成优先吸取油。

示例性流动路径是分支流动路径，所述分支流动路径以从相应腔室出口92-1和92-2延伸的两个平行的相应分支90-1和90-2开始。这两个分支在示例性泵82的上游合并为到分离器入口84的单个流动路径94。流动路径利用来自第一出口86的支线或分支100和来自第二出口88的支线或分支102再次在分离器处分开。定位相应的阀104和106，以控制沿着支线100和102的相应的流。可替代地，可以使用单个三通阀或比例阀。支线100和102再次合并成单个流动路径支线108，所述流动路径支线108又分成相应的返回流动路径支线或分支110-1和110-2，到达相应的返回端口或入口112-1和112-2。示意性地示出所述系统。为了改善颗粒流动并确保泵启动，可以将泵定位在较低位置(例如，在定子下方)，并且将储存器定位在较高位置(例如，在定子上方)。

一个或多个阀和泵可以由系统控制器200控制。例如，当控制逻辑确定需要增加电感时，可以打开阀106，并且可以关闭阀104，并且泵运行以将富含颗粒的流体输送至腔室，同时抽出具有相对较少颗粒的流体。该过程可以继续直到获得期望的电感。

类似地，当逻辑指示期望的电感减少时，控制器可以打开(或保持打开)阀104并关闭(或保持关闭)阀106，并且运行泵以将相对贫颗粒或贫化流体引到腔室，同时从腔室抽出相对富含颗粒的流体。

流体-颗粒系统可以与在阻尼应用中使用的磁流变流体相同或相似。此类现有的磁流变流体通常是铁磁性颗粒的非胶体混合物，所述铁磁性颗粒随机地分散在载液(诸如油或水)中，加上表面活性剂以避免悬浮颗粒的沉降。

示例性颗粒是羰基铁。其他材料可以包括其他铁颗粒。可以选择颗粒材料、大小和形态，以使其能够被夹带/悬浮在油或其他载体中，能够被特定的泵泵送而不损坏泵。示例性特征颗粒大小为0.1-20.0 μm，更具体地为3.0-20.0 μm或3.0-10.0 μm。示例性形态基本上是球形的。

示例性油是合成油。替代油包括矿物油。可以使用除油以外的液体载体。此类载体可以包括水或水溶液、乙二醇、或者甚至是蒸气压缩系统中的制冷剂。期望的特性包括悬浮和携带颗粒的能力。

示例性表面活性剂包括油酸、氢氧化四甲基铵、柠檬酸和大豆卵磷脂。

可用的颗粒数量可以足以提供所期望的电感控制。例如，这可以导致在最小电感的基础上增加至少5%或至少10%的电感的能力。通常，不需要增加50%以上的能力。如下所讨论，控制方法可以利用提供的任何能力来控制电感。

随着颗粒浓度的增加(例如，从低至约容积的5%增加到高达容积的至少40%)，流体的磁导率显著增加，从而为端部绕组区域中的漏磁通提供了更高的磁导路径，从而增加了端部绕组62、64中的漏电感。类似地，在较低的颗粒浓度下，磁导率降低，从而降低了电感。腔室中的浓度的操作波动可以包括降低容积的20%或更少，更具体地10%或更少，以及升高至少30%，更具体地，至少40%且高达示例性的60%。因此，浓度差可以为至少10%或至少20%或至少30%。

控制器200还可以从输入装置(例如，开关、键盘等)和传感器(未示出，例如各个系统位置处的压力传感器和温度传感器)接收用户输入。控制器可以经由控制线路(例如，硬接线或无线通信路径)联接到传感器和可控制系统部件(例如，阀、轴承、压缩机电机、叶片式致动器等)。控制器可以包括一个或多个：处理器；存储器(例如，用于存储供处理器执行来执行操作方法的程序信息，并且用于存储由一个或多个程序使用或生成的数据)；以及用于与输入/输出装置和可控制系统部件对接的硬件接口装置(例如，端口)。

可以使用其他常规的或尚在开发的材料和技术来制造所述系统及其部件。

图3和图4示出了控制例程，其可被编程或以其他方式配置到控制器中。所述例程提供电感控制，并且可以叠加在控制器的正常编程/例程上(未示出，例如，提供基线系统的基本操作，将前述控制例程添加至所述基本操作)。在一个特定的控制示例中，基线控制器控制电源来为马达供电。控制器接收常规的输入频谱，包括来自马达电流传感器(未示出)的马达电流 i (图4中的单元320)。控制器将参考电压 v* (图3中的单元322)和马达转速或频率ω_r(图3中的单元324)输出到电源。这些用于将对腔室中颗粒浓度的控制添加到控制器的编程中。

如上所述，当期望增加电感时，泵运行并且至少第二阀106打开以从第二出口88输送富含颗粒的流体。当期望减小电感时，泵运行并且第一阀104打开以从第一出口86输送富含油的流体。存在许多特定的控制可能性。这些阀包括只能同时打开一个阀的二元阀；只能同时打开一个阀的可变阀；两个阀同时打开的可变阀(例如，彼此相对变化)。在最后的示例中，控制器可以被配置成计算反映期望的电感变化的参数，然后可以控制泵和阀(例如，从-1到1的值，其中-1最大程度地打开第一阀并且关闭第二阀，而1最大程度地打开第二阀并且关闭第一阀)。另一个示例涉及通过使第二阀106完全打开而使第一阀104以与期望的电感增加成反比的程度打开的方式来增加电感。另一个示例涉及通过使第二阀106完全打开而使第一阀104部分地打开至单个预定程度来引起混合和流动以改善流动(例如，如果仅来自第二阀的流体太粘稠/浓厚)，从而增加电感。

以下示例使用电感控制来限制或减少马达电流纹波Δ i (图4中的单元330)。在示例中，控制器已预先编程有期望的或目标电流纹波Δ^* i (图4中的单元334)。当设置马达的机器(例如，压缩机)时，基于估计来输入目标电流纹波，所述估计可以基于马达配置、预期操作条件和电感控制构件的能力(例如，反映颗粒浓度以及其他因素)来获得。示例性目标电流纹波值在2%至10%的范围内，更具体地在3%至6%的范围内。

在示例中，参数 g (图4中的单元380)是指示增加还是减小电感的计算参数。反向工作，这是通过从所需的电感 L* (图4中的单元364)中减去(图4中的单元368)估算电感 L̂(图3和图4中的单元344) 并且应用比例控制器增益 K (图4中的单元370)来确定的。在下面讨论 L̂和 L ^*的推导。

L ^* (单元364)从所期望的电流纹波Δ^* i推导，并且通过减去(单元360)和积分(单元362)来测量电流纹波Δ i。测得的电流纹波Δ i通过从参考马达电流 i ^* (单元336)中减去(单元358)测得的马达电流 i推导。参考马达电流是在基线控制器中使用的以控制马达驱动的参数，并且是在马达的经典控制技术(诸如，矢量控制、直接转矩控制或伏特/赫兹控制)中使用的传统输入。

通过使用模型(图3的单元346)来计算估算马达电流 î (图3的单元348)并比较(图3的单元340估算电流和测量的电流 i，迭代地计算估算电感 L̂。示例性模型是：

(v* - ω _r λ _m )/(sL̂+r) = î

其中： v*是参考电压，ω_r是马达转速，λ_m是峰值永磁体磁链幅度，r是马达电阻。

连续 L̂值通过将比例积分(PI)调节器(图3的单元342)应用于电流差来确定。PI =kp+ki/s。P代表kp (控制器增益)；I代表ki/s (其中i是积分器增益)。在某些情况下，ki=1(则I = 1/s)。

因此，所测电流和估算电流之间的误差与马达的同步电感成正比。使用比例积分控制器使这种误差最小化。PI调节器的最终输出是估算电感。假定该电感在马达的运行范围内是线性的。然后，使用估算的电机模型将估算的电感用于估算电流。

马达的电感基于定子相电流中期望的电流纹波来计算。期望的电流纹波通常低于标称电流峰值幅度的5%。通过获取所测得的马达相电流与参考马达电流之差来测量电流纹波。将期望的电流纹波和所测得的电流纹波之间的误差(在拉普拉斯域中记为1/s)进行积分，直到使误差最小为止。积分的最终输出是所需的马达电感。然后，使用增益K的比例控制器将所需的马达电感和估算的电感之间的误差最小化。比例控制器的输出为 g，其产生直接控制通过阀的油流的输出信号。

说明书中和所附权利要求中的“第一”、“第二”等的使用仅仅是为了在所述权利要求内进行区分，而未必指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，在权利要求中标识为“第一”(或诸如此类)的一个元件并不排除此类“第一”元件标识另一权利要求或描述中被称为“第二”(或诸如此类)的元件。

已经描述了一个或多个实施方案。然而，应当理解，可以进行各种修改。例如，当应用于现有基本系统时，此类配置或其相关联用途的细节可能影响特定实现方式的细节。因此，其他实施方案也在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种电机(20)，所述电机(20)包括：

定子(22)，所述定子(22)包括：

芯(50)，所述芯(50)具有第一端(52)和第二端(54)；

一个或多个绕组，所述一个或多个绕组由所述芯承载并具有：

从所述第一端突出的一个或多个第一部分(62)；和

从所述第二端突出的一个或多个第二部分(64)；

转子(24)，所述转子(24)安装成相对于所述定子绕轴线(500、502)旋转；

一个或多个腔室(70、72)，所述一个或多个腔室(70、72)围绕所述一个或多个第一部分和所述一个或多个第二部分；

在所述一个或多个腔室中的流体中的铁磁性颗粒；和

构件(80、82、104、106)，所述构件(80、82、104、106)用于改变所述一个或多个腔室中的所述铁磁性颗粒的浓度，

其中所述构件包括：

从所述一个或多个腔室的出口(92-1、92-2)延伸并返回到所述一个或多个腔室的入口(112-1、112-2)的流动路径；

沿着所述流动路径的至少一个泵(82)；和

沿着所述流动路径的分离器(80)；

所述分离器和所述入口之间的所述流动路径的第一分支(100)；

所述分离器和所述入口之间的所述流动路径的第二分支(102)，所述第二分支定位成相对于所述第一分支优先地从所述分离器吸取所述铁磁性颗粒；和

一个或多个受控阀(104、106)，其被定位用于在所述第一分支和所述第二分支之间分配流量。

2.如权利要求1所述的电机，其中：

所述分离器是重力分离器。

3.如权利要求1所述的电机，其中：

所述一个或多个受控阀包括用于控制沿着所述第一分支的流量的第一阀，和用于控制沿着所述第二分支的流量的第二阀。

4.如权利要求1所述的电机，其中，所述流体包括油。

5.如权利要求1所述的电机，其中，所述流体包括主要流体和表面活性剂。

6.如权利要求1所述的电机，其中：

所述芯包括叠层。

7.如权利要求1所述的电机，其中：

所述铁磁性颗粒包含羰基铁。

8.如权利要求1所述的电机，其中：

所述铁磁性颗粒的特征大小最大为20 µm。

9.如权利要求1所述的电机，其中：

所述一个或多个腔室包括：

所述第一端处的第一环形腔室(70)；和

所述第二端处的第二环形腔室(72)。

10.如权利要求1所述的电机，其是马达。

11.如权利要求1所述的电机，其还包括控制器(200)，所述控制器(200)被配置成：

控制在所述一个或多个腔室中的所述流体中的所述铁磁性颗粒的所述浓度，从而限制到所述电机的输入电流纹波。

12.如权利要求11所述的电机，其中：

对所述浓度的所述控制包括在来自分离器的富含颗粒区域的流体和来自所述分离器的缺乏颗粒区域的流体之间将返回流体分配到所述一个或多个腔室。

13.如权利要求11所述的电机，其中所述电机是马达，其中对所述浓度的所述控制包括：

使用所述马达的模型使用估算电感对所述马达的所述估算电感(L̂)进行迭代计算。

14.如权利要求13所述的电机，其中对所述浓度的所述控制包括：

计算所需电感(L ^*)；以及

控制以减小所述所需电感和所述估算电感之间的差异。

15.一种用于使用如权利要求1所述的电机的方法，所述方法包括：

16.如权利要求15所述的方法，其中：

在所述一个或多个腔室中的所述流体中的所述铁磁性颗粒的所述浓度从低至容积的20%或更少变化到高达容积的至少30%。

17.如权利要求15所述的方法，其中：

在所述一个或多个腔室中的所述流体中的所述铁磁性颗粒的所述浓度从低至容积的10%或更少变化到高达容积的至少30%。