CN117703925A - 用于控制磁轴承的装置和相关联的系统 - Google Patents
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Abstract
用于控制磁轴承(22)的装置(24)，包括轴，轴包括两个径向相对的电磁体(26、28)。装置(24)对于磁轴承的每个轴包括两个功率转换器，每个功率转换器配置为向一个不同的电磁体供电，装置包括八个功率装置(40、42、44、46、48、50、52、54)，八个功率装置布置在第一排(88)和第二排(90)中，第一和第二排中的每个包括至少四个功率装置，第一组四个功率装置(40、42、44、46)连接在一起以形成第一功率转换器，第二组四个功率装置(48、50、52、54)连接在一起以形成第二功率转换器。第一和第二排(88、90)中的每个包括第一组的两个功率装置(40、42、44、46)和第二组的两个功率装置(48、50、52、54)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制磁轴承的装置和一种包括由所述装置供电的磁轴承的系统。
背景技术
主动(active)磁轴承包括定子，定子包括电磁体，电磁体被控制以将转子保持在定子的中心。
主动磁轴承包括至少一个轴，轴包括在定子中径向相对的两个电磁体，电磁体由第一和第二功率转换器供电，第一和第二功率转换器由位置控制器控制，以维持转子悬浮在定子的中心。
位置控制器生成控制电流来控制两个功率控制器。
当转子上出现扰动力时，例如重力，与扰动方向相反的电磁体必须施加恢复力。
偏置电流被增加(增加或减少)到功率控制器的控制电流，功率控制器向电磁体磁体供应与扰动方向相反的电流，以维持转子的平衡位置。
当偏置电流被增加到控制电流时，所述功率控制器向所述电磁体供应更高的电流，使得所述功率控制器比另一功率控制器生成更多的热量。
通常，第一和第二功率转换器包括封装在电源芯片中的功率装置。
图1表示电源芯片1的实施例，电源芯片1包括第一功率控制器6和第二功率控制器11，第一功率控制器6包括功率装置2至5，第二功率控制器11包括功率装置7至10。
每个功率控制器6、11的功率装置2至5、7至10在芯片1的一侧布置成一排。
当偏置电流被增加到第一功率控制器6的控制电流时，与彼此相邻的第二功率控制器11的功率装置7至10相比，彼此相邻的第一功率控制器6的功率装置2至5生成多余的热量。
生成的多余热量由芯片1的冷却器耗散。
由于耗散的多余热量集中在芯片1的单侧，冷却器设计为耗散集中在芯片1的单侧的多余热量。
需要芯片1的重要表面来实现增加芯片1尺寸的冷却器。
因此，本发明旨在通过提供热优化的芯片来克服这些缺点。
发明内容
根据一方面，提出了一种用于控制磁轴承的装置。
磁轴承包括至少一个轴，轴包括径向相对的第一和第二电磁体。
装置对于磁轴承的每个轴包括两个功率转换器，每个功率转换器配置为向第一和第二电磁体中的一个不同的电磁体供电，装置包括设置在装置的支撑件上的至少八个功率装置，八个功率装置布置在第一排和第二排中，第一排与第二排平行，第一和第二排中的每个包括至少四个功率装置，所述至少八个功率装置的第一组四个功率装置连接在一起以形成第一功率转换器，并且所述至少八个功率装置的第二组四个功率装置连接在一起以形成第二功率转换器，
第一和第二排中的每个包括第一组的两个功率装置和第二组的两个功率装置，第一和第二排的四个功率装置布置为使得两个相邻的功率装置属于不同的组，并且使得第一排的末端处的功率装置与第二排的末端处的功率装置属于不同的组。
第一和第二功率转换器的功率装置布置为使得第一功率转换器的功率装置的相邻功率装置属于第二功率转换器。
由其中一个功率转换器耗散的所生成的多余热量耗散在装置的整个表面上，而不是集中在支撑件的表面区域上，减少了装置的负担。
优选地，布置在第一排中的第一组的功率装置和布置在第二排中的第一组的功率装置之间的连接与布置在第一排中的第二组的功率装置和布置在第二排中的第二组的功率装置之间的连接交叉。
有利地，装置的支撑件包括冷却器，每个功率装置设置在一冷却器上。
优选地，第一和第二组的每对功率装置形成第一和第二功率转换器的切换单元，每个切换单元的第一功率装置和第二功率装置包括命令功率开关和与命令功率开关并联的二极管。
有利地，第一和第二组的每对功率装置形成第一和第二功率转换器的切换单元，每个切换单元的第一功率装置包括命令功率开关和与命令功率开关并联的二极管，每个切换单元的第二功率装置包括无源功率开关。
优选地，无源功率开关包括功率二极管。
有利地，命令功率开关包括晶体管。
根据另一方面，提出了一种用于控制包括至少一个轴的磁轴承的系统。
至少一个轴包括径向相对的第一和第二电磁体以及如上限定的装置，第一功率转换器为第一电磁体供电，第二功率转换器为第二电磁体供电。
有利地，系统还包括至少一个传感器，以测量磁轴承的转子相对于第一和第二电磁体的位置。
优选地，系统还包括处理单元，处理单元配置为控制第一和第二功率转换器的命令功率开关，以根据传感器传递的测量为电磁体供电。
附图说明
通过研究特定实施例的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，特定实施例以非限制性示例的方式给出并由附图说明，其中：
先前已经提到的图1示出了根据现有技术的电源芯片；
图2示意性地示出了根据本发明的用于控制磁轴承的系统的示例；
图3示意性地示出了根据本发明的用于控制磁轴承的装置的示例；
图4示意性地示出了根据本发明的功率装置的第一实施例；和
图5示意性地示出了根据本发明的功率装置的第二实施例。
具体实施方式
参考图2，其表示用于控制磁轴承的系统20的示例，系统20包括磁轴承22和用于控制磁轴承22的装置24。
磁轴承22包括轴，轴包括两个径向相对的电磁体26、28。
转子30在两个电磁体26、28之间插入磁轴承22中。
装置24控制两个电磁体26、28，使得转子30悬浮在磁轴承22的中心位置。
第一电磁体26连接到装置24的第一输出36和第二输出38，第二电磁体28连接到装置的第三输出32和第四输出34。
系统20还包括控制装置24的处理单元39。
系统20包括连接到处理单元39的传感器37，传感器37传递转子30相对于两个电磁体26、28的位置。
图3示出了装置24的示例。
装置24包括设置在装置24的支撑件55上的八个功率装置40、42、44、46、48、50、52、54。
每个功率装置40、42、44、46、48、50、52、54包括第一连接56、58、60、62、64、66、68、70和第二连接72、74、76、78、80、81、82、84。
八个功率装置40、42、44、46、48、50、52、54布置在第一排88和平行于第一排88的第二排90中。
第一排88可以布置在支撑件55的第一侧，第二排90可以布置在支撑件55的第二侧。
每排88、90包括四个功率装置。
第一组四个功率装置40、42、44、46连接在一起以形成两个切换单元或支路92、94。
第一和第二功率装置40、42的第一连接56、58连接在一起以形成第一切换单元92，第三和第四功率装置44、46的第一连接60、62连接在一起以形成第二切换单元94。
两个切换单元92、94连接在一起以形成第一功率转换器。
第二组四个功率装置48、50、52、54连接在一起以形成两个切换单元96、98。
第五和第六功率装置48、50的第一连接64、66连接在一起以形成第三切换单元96，第七和第八功率装置52、54的第一连接68、70连接在一起以形成第四切换单元98。
第三和第四切换单元96、98连接在一起以形成第二功率转换器。
在另一实施例中，第一和第二功率转换器中的每个可以包括多于四个的功率装置，用于形成多电平功率转换器。
装置24的第一输出32连接到第一和第二功率装置40、42之间的第一切换单元92，装置24的第二输出34连接到第三和第四功率装置44、46之间的第二切换单元94，使得第一功率转换器向第二电磁体28供电。
装置24的第三输出36连接到第五和第六功率装置48、50之间的第三切换单元96，装置24的第四输出38连接到第七和第八功率装置52、54之间的第四切换单元98，使得第二功率转换器向第一电磁体26供电。
每个功率装置40、42、44、46、48、50、52、54的第二连接72、74、76、78、80、81、82、84连接到装置24的电源总线100，电源总线为装置24供应电能。
每个功率装置40、44、48、52的第二连接72、76、80、84连接到供应负电势的供电总线100的第一供电条101。
每个功率装置40、42、46、50、54的第二连接74、78、81、82连接到供应正电势的供电总线100的第二供电条102。
第一和第二功率转换器转换由电源总线100供应的电能，以向第一和第二电磁体26、28供电。
第一排88包括第一组的第一和第三功率装置40、44以及第二组的第五和第七功率装置48、52，第二排90包括第一组的第二和第四功率装置42、46以及第二组的第六和第八功率装置50、54。
第一和第二排88、90的四个功率装置布置为使得两个相邻的功率装置属于两个不同组，并且使得第一排88的末端处的功率装置40、52属于与第二排90的末端处的功率装置50、46不同的一组四个功率装置。
第一和第二功率转换器的功率装置40、42、44、46、48、50、52、54布置为使得第一功率转换器的功率装置40、42、44、46的相邻功率装置属于第二功率转换器。
当更需要第一和第二功率转换器中的一个时，由所述功率转换器耗散的所生成的多余热量在装置24的支撑件55的整个表面上耗散，而不是集中在支撑件55的表面区域上。
功率装置40、42、44、46、48、50、52、54可以在装置24的位于支撑件55上的冷却器102、104上实施。
由于生成的多余热量在支撑件55的整个表面上耗散，冷却器102、104的尺寸减小，从而减少了装置24的负担。
装置24的热图是均匀的。
如图3所示，布置在第一排88中的第一组的功率装置40、44和布置在第二排90中的第一组的功率装置42、46之间的连接与布置在第一排88中的第二组的功率装置48、52和布置在第二排104中的第二组的功率装置50、54之间的连接交叉。
功率装置40、42、44、46、48、50、52、54的这种布置允许最小化包括例如由铜制成的引线的、功率装置之间的连结的布线，进一步减少装置24的负担。
磁轴承22可以包括多于一个轴，每个轴包括两个径向相对的电磁体，每个电磁体由装置24的不同功率转换器供电。
装置24对于磁轴承22的每个轴包括两个功率转换器，为所述轴的不同电磁体供电。
图4示意性地示出了功率装置40、42、44、46、48、50、52、54的第一实施例。
功率装置包括命令功率开关110和与命令功率开关110并联的二极管112。
命令功率开关110包括例如场效应晶体管，场效应晶体管包括连接到功率装置40、42、44、46、48、50、52、54的第三连接114的栅极，连接到功率装置40、44、48、52的第一连接56、60、64、68和第二连接74、78、81、82的漏极，以及连接到功率装置40、44、48、52的第一连接58、62、66、70和第二连接72、76、80、84的源极。
二极管112的阳极连接到晶体管110的源极，二极管112的阴极连接到晶体管110的漏极。
处理单元39控制命令功率开关110，以根据传感器40传递的测量向电磁体26、28供电。
处理单元39连接到功率装置40、42、44、46、48、50、52、54的第三连接114，以控制晶体管110的栅极。
图5示出了功率装置40、46、48、54的第二实施例。
每个功率装置40、46、48、54包括无源功率开关116，无源功率开关116包括例如功率二极管，功率二极管116的阴极连接到功率装置40、48的第一连接56、64和功率装置46、54的第二连接78、81，功率二极管116的阳极连接到功率装置46、54的第一连接62、70和功率装置40、48的第二连接72、80。
功率装置42、44、50、52是相同的，并且如图4所示的功率装置42、44、50、52的第一实施例中所描述那样进行连接。
Claims (10)
1.一种用于控制磁轴承(22)的装置(24)，所述磁轴承包括至少一个轴，所述轴包括径向相对的第一和第二电磁体(26、28)，所述装置对于所述磁轴承(22)的每个轴包括两个功率转换器，每个功率转换器配置为向第一和第二电磁体(26、28)中的一个不同的电磁体供电，所述装置包括设置在所述装置的支撑件(55)上的至少八个功率装置(40、42、44、46、48、50、52、54)，所述八个功率装置布置在第一排(88)和第二排(90)中，所述第一排与所述第二排平行，所述第一和第二排中的每个包括至少四个功率装置，所述至少八个功率装置的第一组四个功率装置(40、42、44、46)连接在一起以形成第一功率转换器，所述至少八个功率装置的第二组四个功率装置(48、50、52、54)连接在一起以形成第二功率转换器，其特征在于，所述第一和第二排(88、90)中的每个包括第一组的两个功率装置(40、42、44、46)和第二组的两个功率装置(48、50、52、54)，所述第一和第二排的四个功率装置布置为使得两个相邻的功率装置属于不同的组，并且使得所述第一排的末端处的功率装置与所述第二排的末端处的功率装置属于不同的组。
2.根据权利要求1所述的装置，其中布置在所述第一排(88)中的第一组的功率装置(40、44)和布置在所述第二排(90)中的第一组的功率装置(42、46)之间的连接与布置在所述第一排(88)中的第二组的功率装置(48、52)和布置在所述第二排(90)中的第二组的功率装置(50、54)之间的连接交叉。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置(24)的支撑件(55)包括冷却器(102、104)，每个功率装置(40、42、44、46、48、50、52、54)设置在一冷却器上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述第一和第二组的每对功率装置形成所述第一和第二功率转换器的切换单元(92、94、96、98)，每个切换单元(92、94、96、98)的第一功率装置和第二功率装置包括命令功率开关(110)和与所述命令功率开关并联的二极管(112)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述第一和第二组的每对功率装置形成所述第一和第二功率转换器的切换单元(92、94、96、98)，每个切换单元(92、94、96、98)的第一功率装置包括命令功率开关(110)和与所述命令功率开关并联的二极管(112)，每个切换单元(92、94、96、98)的第二功率装置包括无源功率开关(116)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述无源功率开关(116)包括功率二极管。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，其中所述命令功率开关(110)包括晶体管。
8.一种用于控制磁轴承(22)的系统(20)，包括至少一个轴和根据前述权利要求中任一项所述的装置(24)，所述至少一个轴包括径向相对的第一和第二电磁体(26、28)，所述第一功率转换器为所述第一电磁体(26)供电，所述第二功率转换器为所述第二电磁体(28)供电。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括至少一个传感器(37)，以测量所述磁轴承(22)的转子相对于所述第一和第二电磁体(26、28)的位置。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括处理单元(39)，所述处理单元(39)配置为控制所述第一和第二功率转换器的命令功率开关，以根据所述传感器(37)传递的测量为所述电磁体(26、28)供电。
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