CN111213314A

CN111213314A - 用于起动和运行bldc电机的方法以及bldc电机

Info

Publication number: CN111213314A
Application number: CN201880061573.1A
Authority: CN
Inventors: 马丁·格里纳
Original assignee: Nedco Driving Experts Co Ltd
Current assignee: Nedco Driving Experts Co Ltd
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-05-29
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: EP3707817A1; DE102017009512A1; CN111213314B; WO2019072327A1; US20200395876A1; US11177744B2; EP3707817B1

Abstract

本发明涉及用于起动和运行BLDC电机的方法，BLDC电机具有转子(1)、定子(2)以及控制及评估单元(3)，转子(1)具有励磁体并且定子(2)具有至少三个定子线圈，每个所述定子线圈能够加载有各一个相电流，借助定子线圈能产生旋转的定子磁场，所述方法具有以下方法步骤：a)执行初始化阶段，b)执行子周期，在此b1)执行增加阶段，提高瞬时场角度，直到达到超出起动场角度60°的结束场角度，b2)执行分析阶段，通过恒定保持定子线圈的电压加载来恒定保持瞬时场角度，连续地检测相同的流动方向的两个相电流之间的电流差，c)重复执行子周期，多次重复子周期，直到结束场角度增加到360°，所述子周期一起构成总周期，d)重复执行总周期。本发明还涉及BLDC电机，利用所述电机能够执行所述方法。

Description

用于起动和运行BLDC电机的方法以及BLDC电机

技术领域

本发明涉及一种装置和一种用于起动和运行无刷直流电机的方法，所述无刷直流电机也称作无刷直流马达或者简称作BLDC电机。

背景技术

这种类型的BLDC电机的基本的结构由现有技术已知并且包括固定的定子以及可动的转子，所述定子由多个定子线圈形成，所述转子大多由永磁体形成。为了产生旋转磁场，由电子电路在不同时间操控定子线圈。因此，基于所产生的旋转场能引起永久励磁的转子的转矩。

为了提供转子的转矩，必要的是，提供旋转的定子磁场并且为此进行换向进而进行电流加载并且优选进行定子线圈的换极。在此，换向与转换到下一个电机状态意思相同。对此，已知不同种类的工作方式，尤其例如方波换向和正弦换向。

此外，关于换向，在传感器控制的换向与无传感器的换向之间存在差别。在传感器控制的换向中，借助传感器探测转子位置并且由此控制换向。

由现有技术已知的BLDC电机通常实施为三相系统，然而其中，根据使用需求，也可以使用更高的或更低的相数。

这种类型的BLDC电机例如由出版文献DE19743314A1已知。在此描述的电机具有定子和转子，所述定子具有多个定子磁极和用于在定子磁极中产生旋转场的绕组，所述转子具有旋转轴线和永磁体场，该永磁体场相对于定子磁极旋转。此外，设置控制电路，以用于检测永磁体场的磁极相对于定子的位置并且用于根据位置向绕组供给电流。

出版文献EP2026461A2描述用于无传感器地控制尤其是三相的交流电机的方法。在此规定，至少在逆变器开关位置用于评估转子位置的时间内，电流引导在两相中进行并且至少一相无电流。由在不同的、短时间内相继出现的逆变器开关位置期间的两个有效的电压方程相减来确定关于转子角度或磁通角的信息，其中，所述两个不同的逆变器开关位置具有相同的无电流的相。

此外，由出版文献DE10308859A1已知用于在连续更新的换向时间点的基础上操控BLDC电机的方法。在此，在两个电机相位的相应的未通流的电机线圈中测量两个紧邻的过零点之间的时间差，所述过零点表示感应电压的方向转换的点。换向在经过所述时间差的一半之后进行，所述时间差由经测量的两个电机相位的过零点来计算，其中，对所有的后续相位连续地继续所述工作方式。

发明内容

本发明的任务是，提供用于起动和运行BLDC电机的方法，所述方法不仅在起动阶段而且在持续运行中都稳定地并且无噪声地工作，所述方法能在不提前知晓转子的位置以及不使用位置传感器的情况下执行，所述方法不仅在转子静止时而且在转子处于运动中时都能执行并且所述方法还能低成本地使用。

此外，本发明的任务是，提供一种BLDC电机，其能利用这样的方法运行。

关于所述方法，本发明通过在专利权利要求1中提及的特征来解决。关于BLDC电机，本发明通过在专利权利要求2中提及的特征来解决。

用于起动和运行BLDC电机的根据本发明的方法能借助BLDC电机执行，所述BLDC电机具有转子、定子以及控制及评估单元。在本发明的背景下，BLDC电机理解为无刷直流电机。

转子具有至少一个励磁体，所述励磁体优选构造为永磁体。定子具有至少三个定子线圈。所述定子线圈尤其能够作为星型或三角型连接。所述至少三个定子线圈中的每一个定子线圈都能加载有各一个相电流，其中，借助定子线圈能产生旋转的定子磁场。

由于这种定子磁场与由永磁激励的转子所引起的转子场的相互作用而产生转子的转矩。当转子场与定子场彼此垂直时，所述转矩具有所述转矩的最大值。

BLDC电机的控制及评估单元尤其应用于调节电特征值以及用于分析产生的信号曲线。所述控制及评估单元优选能够与输出仪器、例如PC或笔记本电脑耦合。在此，控制及评估单元执行由根据本发明的方法确定次序的方法步骤。

用于起动和运行BLDC电机的根据本发明的方法具有以下的方法步骤：

a)执行初始化阶段，

其中，定义起动时间，定义定子磁场的初始的起动场角度以及定义角度增加速度，

b)执行子周期，在此

b1)执行增加阶段，

其中，以角度增加速度提高瞬时场角度，直到达到结束场角度，所述结束场角度超出起动场角度60°，

其中，通过改变定子线圈的电压加载提高瞬时场角度，

其中，起动场角度在第一次执行增加阶段时相当于初始的起动场角度并且在重复执行时相当于先前的增加阶段的结束场角度，

b2)执行分析阶段，

其中，通过恒定地保持定子线圈的电压加载使瞬时场角度保持恒定，

其中，连续地检测在相同的流动方向的两个相电流之间的电流差，

其中，借助控制及评估单元评估所检测的电流差是否存在电流眼，

其中，在相同的流动方向的两个相电流之间第一次出现电流差为0的时间点与在相同的流动方向的两个相电流之间第二次出现电流差为0的时间点之间产生电流眼，

其中，在探测到电流眼时立即换向，

或者其中，在没有探测到电流眼的情况下，在经过可预定的时间区间之后进行换向，

其中，在执行换向之后结束分析阶段，

c)重复执行子周期，

其中，这样多次重复子周期，直到结束场角度增加到360°的数值，

其中，这些子周期一起构成总周期。

d)重复执行总周期。

在方法步骤a)中首先执行初始化阶段，其中，定义起动时间，定子磁场的初始的起动场角度以及角度增加速度。在此，起动时间描述如下时间点，在所述时间点上开始第一子周期的第一增加阶段。因此仅定义一次起动时间，所述起动时间也可以称为初始的电机状态时间。角度增加速度是磁场角度改变的角速度。所述角度增加速度描述的是，在多少持续时间内使瞬时场角度提高到超出起动场角度60°的结束场角度。

在执行初始化阶段之后，在方法步骤b)中执行子周期，所述子周期划分成增加阶段b1)和后续的分析阶段b2)。

如果定子场的初始的起动场角度在初始化阶段中定义为0°角度位置，则瞬时场角度在第一子周期的增加阶段内从0°的起动场角度增加到60°的结束场角度。因此，在第一次执行子周期时起动角度相当于初始的起动场角度。在此通过改变定子线圈的电压加载使瞬时场角度提高60°，这种电压加载的改变引起转子的转矩。

执行方法步骤b1)(即增加阶段)基于如下考虑：通过改变瞬时场角度影响转子的运动状态。这例如可以在先前转子静止时引起旋转运动或者引起先前已经运动的转子的加速。

在随后的分析阶段b2)中，由于定子线圈的电压加载保持恒定，瞬时场速度被保持恒定。因此，在第一子周期中，在瞬时场角度为60°时进行这种恒定的保持。在分析阶段期间，连续地检测在相同的流动方向的两个相电流之间的电流差。因此，在使用三个定子线圈的情况中检测在其中两个定子线圈上流动的相电流，而相应的第三定子线圈的相电流不计入分析。根据本发明，这两个被检测的相电流具有相同的流动方向并且因此具有一致的符号，而未考虑的第三相电流具有相反的流动方向。

借助控制及评估单元调查被检测的电流差是否存在电流眼。在本发明的背景下，所述电流眼理解为如下区域，在相同的流动方向的两个相电流之间第一次出现电流差为0的时间点与相同的流动方向的两个相电流之间第二次出现电流差位0的时间点之间产生该区域。这意味着，首先较低相位电流上升并且首先较高的相位电流下降，从而相电流的差降低，直到两个相电流相同。这是第一次出现电流差为零的时间点。紧接着第一次出现电流差为零的时间点之后，首先较低的相电流现在高于首先较高的相电流。随后，最初较低的相电流降低并且最初较高的相电流上升，从而相电流的差再度下降，直到两个相电流再度相同。这是第二次出现电流差为0的时间点。

电流眼的名称基于在图解地示出这两个电流曲线时的典型的形状。

根据本发明，定子磁场的旋转与转子场的旋转不同步进行，因为在每个子周期中定子磁场首先在增加阶段期间更快地运动并且在该子周期中在接着的分析阶段中保持恒定。因此迫使相电流更快速地改变，这种改变导致电流眼的产生。

如果能探测到电流眼，则立即换向。所述换向使得转变到下一个电机状态。对于在经过可预定的时间区间后没有探测到电流眼的情况，同样进行换向并且因此转变到下一个电机状态。

在执行换向之后结束分析阶段并且因此结束子周期b)。

接着，按照根据本发明的方法步骤c)，重复执行子周期b)直到结束场角度增加到360°的数值，以用于构成总周期。结束场角度增加到360°的数值意味着定子磁场的完整的周转。

因为起动场角度在重复执行子周期时相当于先前的增加阶段的结束场角度，在第一次重复进而第二次执行子周期时，根据在初始化阶段中实施的定义，瞬时场角度在增加阶段之内从60°的起动场角度增加到120°的结束场角度。在瞬时场角度恒定地保持在120°的数值上的情况下，根据先前描述的处理方式执行后续的分析阶段，其中，这时改变被分析的定子线圈对进而改变参与形成电流眼的相电流。

重复所述子周期，直到结束场角度具有360°的数值。在此全部执行的子周期构成总周期。当BLDC电机的定子具有三个定子线圈并且以六个电机状态工作时，总周期构造成六个子周期。

现在在方法步骤d)中同样重复执行总周期。在此，在一个总周期中最后一次具有的360°的结束场角度同时是随后的总周期的0°的起动场角度，从而不定义新的初始的起动场角度。例如可以任意多次执行所述方法步骤d)。

然而也可行的是，仅重复方法步骤d)，直到达到可预定的电机转速。然后接下来可以由控制及评估单元转换到另外的电机控制方法上。在所述变形方案中，根据本发明的方法仅用于起动阶段。后续的电机控制方法不必具有在不知晓的转子位置或不知晓运动状态时起动电机的能力。

电机转速的监控同样可以借助控制及评估单元实现。

用于起动和运行BLDC电机的根据本发明的方法尤其具有以下的优点。

一显著的优点在于，可以在不提前知晓转子的位置的情况下开始起动过程。

与之相关联地，作为另外的独特的优点，还可能的是，在不知晓转子运动状态时开始所述方法，从而转子既可以静止，也可以向前转或向后转(catch on fly)。因此，根据本发明的方法尤其有利地适合于车辆冷却器上的风扇电机，所述风扇电机由于行驶风可能占据不可预定的运动状态或位置并且仍然必须能随时起动。

根据本发明，用于执行方法的BLDC电机不必还具有位置传感器，从而可以实现结构设计上的简化。相对于由现有技术已知的、用于无传感器地操控BLDC电机的其他方法，所述方法不需要为了换向的最小转速。

因此最终，在起动电机之前不必需要用于定向或测量转子位置的时间，从而能够显著地缩短起动过程。

此外，优点在于，在使用本方法时，不但在起动期间而且在连续不断的运行期间，BLDC电机尤其噪声小地工作。也由于所述优点，所述方法尤其适合于车辆冷却器上的风扇电机。

此外，所述方法尤其稳定地防负载电压或供给电压的波动，从而可靠地避免震荡状态。

本发明还包括BLDC电机，借助所述BLDC电机能够执行根据本发明的方法。BLDC电机具有转子、定子以及控制及评估单元。转子具有至少一个永磁体并且定子具有至少三个定子线圈，其中，三个定子线圈中的每一个定子线圈能加载有各一个相电流，并且其中，借助定子线圈能够产生旋转的定子磁场。

借助控制及评估单元以及借助三个定子线圈能够执行初始化阶段、子周期以及由多个子周期构成的总周期。此外，能够重复执行总周期。方法权利要求(专利权利要求1)的阐述以同样的方式适合于BLDC电机。

由根据本发明的方法的技术方案和根据本发明的BLDC电机的技术方案以及本申请的保护主题也获知如下变形方案，在所述变形方案中定子具有三个以上的定子线圈。结束场角度的数值、子周期的数量和为探测电流眼而参与的相电流则以给出的相应的方式适用。

附图说明

作为实施例借助如下附图进一步阐述本发明：

图1示出BLDC电机的原理示意图，

图2示出在起动BLDC电机期间的信号曲线，

图3示出表格。

具体实施方式

在图1中示出BLDC电机的实施例，所述BLDC电机能借助根据本发明的方法起动和运行。在此，仅示出BLDC电机的为执行根据本发明的方法所需要的组成部分。尤其，在此未示出电压源。

BLDC电机具有转子1、定子2以及控制及评估单元3。转子1具有至少一个永磁体，所述永磁体的磁极用S和N表示南极和北极。定子2在本实施例中具有三个错开120°的定子线圈，其中，配设给定子线圈的相位在图1中用U、V和W来标记。

如果通过相同的振幅的、时间上错开120°的正弦的相电流作用于空间上错开120°的相位，那么产生以恒定的速度环绕的定子磁场。当定子磁场与转子成90°角时，达到转子的最大的转矩。

此外，示出根据本发明的方法的实施例。

在此，图1示出用于该方法的BLDC电机的结构原理。

图2示出在起动阶段期间在BLDC电机上执行所述方法时典型的信号曲线。沿时间进程示出三个相电流I(I_W、I_V、I_U)以及所属的瞬时场角度(θ)。瞬时场角度(θ)的上升区段相当于增加阶段并且瞬时场角度(θ)的恒定区段相当于分析阶段。在所述瞬时场角度的最大值时，瞬时场角度(θ)等于360°。这相当于整个周期结束。如图2进一步示出地，随着后续的下一个整个周期开始，瞬时场角度(θ)重新计为0°。

图3示出所属的表格，所述表格包含根据本发明的方法的、由六个子周期组成的总周期，其中，存储有在各个子周期中激活的相位以及参与形成电流眼的相电流。转子在相应的子周期结束后占据的位置借助在图1中存在的、错开60°的辅助线示出。

在第一子周期开始之前首先执行初始化阶段，在所述初始化阶段定义起动时间、定子磁场的初始的起动场角度以及角度增加速度。初始的起动场角度在实施例中确定为0°的数值，这对应于相位U的场方向。相位V根据定义相应地错开120°，相位W相应地错开240°。

重复地执行的子周期中的每一个子周期划分成增加阶段和分析阶段。

在第一子周期的增加阶段中，瞬时场角度以先前定义的角度增加速度从0°的起动场角度提高到60°的结束场角度。因此，在第一子周期中，起动场角度等于初始的起动场角度，而在后续的子周期中，先前的结束场角度被约定为新的起动场角度。在此通过改变定子线圈的电压加载引起瞬时场角度提高，这种提高还引起转子的旋转运动。作为激活的相位，在第一子周期中存在相位U和相位V，而相位W保持零的数值。

在第一子周期的接着的分析阶段中，使瞬时场角度恒定地保持在60°的数值上，从而相位电流仅由于转子的位置改变而改变。在此，连续地检测在相同的流动方向的两个相电流之间的电流差。在第一子周期中，这相当于相电流I_U和相电流I_V。监控检测到的电流差是否存在电流眼，所述电流眼在第一电流交叉点与第二电流交叉点之间构造。在此，第一电流交叉点描述第一次出现相电流I_U与相电流I_V之间的电流差为0的时间点，而第二电流交叉点表示第二次出现相电流I_U与I_V之间的电流差为0的时间点。

在第一电流交叉点中，相电流I_V作为上升的相电流存在并且相电流I_U作为下降的相电流存在。在第二电流交叉点中情况相反，从而相电流I_U上升并且相电流I_V下降。

对于能够探测到电流眼的情况，进行立即的换向，所述换向使得开始转变到下一个电机状态。如果在经过可预定的时间区间之后没有探测到电流眼，则同样进行换向进而转变到下一个电机状态。

在第二子周期中，在增加阶段中瞬时场角度从60°提高到120°。在分析阶段中，使瞬时场角度恒定地保持在所达到的结束场角度的120°的数值上。作为激活的相位，在此重新存在有U以及V。在此，参与形成电流眼的相电流配属于相位W和相位U，其中，在第一电流交叉点中相电流I_W上升并且相电流I_U下降。为了结束电流眼，相电流I_U在第二电流交叉点中上升并且相电流I_W下降。

在第三子周期中，在增加阶段中瞬时场角度从120°提高到180°。在分析阶段中，使瞬时场角度恒定地保持在所达到的结束场角度的180°的数值上。在此，作为激活的相位，存在有相位W和相位V。在此，参与形成电流眼的相电流配属于相位W和相位V，其中，在第一电流交叉点中相电流I_W上升并且相电流I_V下降。为了结束电流眼，相电流I_V在第二电流交叉点中上升并且相电流I_W下降。

在第四子周期中，在增加阶段中瞬时场角度从180°提高到240°。在分析阶段中，使瞬时场角度恒定地保持在所达到的结束场角度的240°的数值上。在此，作为激活的相位，存在有相位W和相位V。在此，参与形成电流眼的电流配属于相位U和相位V，其中，在第一电流交叉点中，相电流I_W上升并且相电流I_V下降。为了结束电流眼，相电流I_V在第二电流交叉点中上升并且相电流I_U下降。

在第五子周期中，在增加阶段中瞬时场角度从240°提高到300°。在分析阶段中使瞬时场角度恒定地保持在所达到的结束场角度的300°的数值上。在此，作为激活的相位，存在有W和U。在此参与形成电流眼的电流配属于相位U和相位W，其中，在第一电流交叉点中相电流I_U上升并且相电流I_W下降。为了结束电流眼，相电流I_W在第二电流交叉点中上升并且相电流I_U下降。

在第六子周期中，在增加阶段中瞬时场角度从300°提高到360°。在分析阶段中使瞬时场角度恒定地保持在所达到的结束场角度的360°的数值上恒定。在此，作为激活的相位，存在有W和U。在此参与形成电流眼的电流配属于相位V和相位W，其中，在第一电流交叉点中相电流I_V上升并且相电流I_W下降。为了结束电流眼，相电流I_W在第二电流交叉点中上升并且相电流I_V下降。

在结束第六子周期之后，瞬时场角度达到了360°的数值，从而总周期结束，所述总周期同时相当于转子的完整的旋转。

此时根据本发明，重复地执行由六个子周期组成的总周期，直到达到BLDC电机的预定的电机转速。在此，稳定地运行电机的要求和与之相关的电机转速能够根据应用情况变化。

附图标记列表

1 转子

2 定子

3 控制及评估单元

Claims

1.用于起动和运行BLDC电机的方法，

其中，所述BLDC电机具有转子(1)、定子(2)以及控制及评估单元(3)，其中，所述转子(1)具有励磁体并且所述定子(2)具有至少三个定子线圈，其中，所述至少三个定子线圈中的每一个定子线圈能够加载有各一个相电流，并且其中，借助所述定子线圈能够产生旋转的定子磁场，

所述方法具有以下的方法步骤：

a)执行初始化阶段，

其中，定义起动时间、定义定子磁场的初始的起动场角度以及定义角度增加速度，

b)执行子周期，在此

b1)执行增加阶段，

其中，通过改变定子线圈的电压加载提高所述瞬时场角度，

b2)执行分析阶段，

其中，通过使定子线圈的电压加载保持恒定来实现瞬时场角度保持恒定，

其中，借助控制及评估单元评估被检测的电流差是否存在电流眼，其中，在相同的流动方向的两个相电流之间第一次出现电流差为0的时间点与相同的流动方向的两个相电流之间第二次出现电流差为0的时间点之间产生电流眼，

其中，在探测到电流眼时立即换向，或者其中，在没有探测到电流眼的情况下，在经过可预定的时间区间之后进行换向，

其中，在执行换向之后结束分析阶段，

c)重复执行所述子周期，

其中，多次重复所述子周期，直到结束场角度增加到360°的数值，

其中，所述子周期一起构成总周期，

d)重复执行所述总周期。

2.BLDC电机，

所述BLDC电机具有转子(1)、定子(2)以及控制及评估单元(3)，其中，转子(1)具有永磁体并且定子(2)具有至少三个定子线圈，其中，所述至少三个定子线圈中的每一个定子线圈能够加载有各一个相电流，并且其中，借助定子线圈能够产生旋转的定子磁场，

其中，借助控制及评估单元和所述三个定子线圈能够执行初始化阶段，

其中，在初始化阶段中定义起动时间、定义定子磁场的初始的起动场角度以及定义角度增加速度，

能够执行子周期，所述子周期具有增加阶段和分析阶段，

其中，在增加阶段中能够执行以角度增加速度提高瞬时场角度，直到达到结束场角度，所述结束场角度超出了起动场角度60°，

并且通过改变定子线圈的电压加载能引起瞬时场角度的提高，

并且起动场角度在第一次执行增加阶段时相当于初始的起动场角度并且在重复执行时相当于先前的增加阶段的结束场角度，

其中，在分析阶段中通过使定子线圈的电压加载保持恒定能执行瞬时场角度保持恒定，并且能执行连续地检测在相同的流动方向的两个相电流之间的电流差，

并且借助控制及评估单元评估被检测的电流差是否存在电流眼，其中，在相同的流动方向的两个相电流之间第一次出现电流差为0的时间点与相同的流动方向的两个相电流之间第二次出现电流差为0的时间点之间产生电流眼，

其中，在执行换向之后结束分析阶段，

其中，能够多次重复子周期，直到结束场角度增加到360°的数值，并且其中，在结束场角度增加到360°时存在总周期，

其中，能够重复执行总周期。