SI24416A

SI24416A - Modularni multi-fazni električni stroj

Info

Publication number: SI24416A
Application number: SI201300154A
Authority: SI
Inventors: Mandelj Simon
Original assignee: Gem Motors D.O.O.
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-31
Also published as: US20160134220A1; CN105324931A; ES2778874T3; RU2015152293A; JP2016525857A; US9742335B2; WO2014198663A1; EP3008814A1; JP6262336B2; RU2633379C2; KR20160005780A; HRP20200302T1; CN105324931B; KR101748626B1; EP3008814B1

Abstract

Predmet izuma je multi-fazni elektromotor, ki je sestavljen iz rotorja in statorja. Rotor je sestavljen iz več magnetov, ki so radialno usmerjeni proti statorju. Stator ima na krožnem obodu razporejenih več faznih navitij usmerjenih proti magnetom in so povezana s krmilnimi moduli, ki omogočajo krmiljenje toka v faznih navitij na način, da se v njih ustvari elektromagnetna sila, ki deluje na magnete na rotorju ter povzroči vrtenje elektromotorja. Elektromotor je sestavljen iz vsaj dveh krmilnih modulov,kjer vsak krmilni modul krmili tok v treh različnih faznih! navitij, v katerih je relativni fazni zamik med fazni tokovi enak 120 stopinj. Pri tem dva različna krmilna modula nikoli ne krmilita toka z enako fazo. Ustrezno delovanje vseh krmilnih modulov določa vsaj ena centralna krmilna enota. S porazdelitvijo toka na vsaj šest faznih navitij in uporabo dveh ali več krmilnih modulov, ki delujejo kot preprost trifazni krmilnik, dosežemo ustrezno delovanje nizkonapetostnega multi-faznega elektromotorja brezslabosti, ki so povezani z visokimi tokovi v faznih navitjih, ter hkrati dosežemo enostaven način krmiljenja v primerjavi z znanimi rešitvami.

Description

Modularni multi-fazni električni stroj

Predmet izuma

Predstavljen izum spada v področje električnih strojev in sicer bolj natančno v področje multi-faznih elektromotorjev vgrajenih v kolo vozila, ki so namenjena za električna vozila.

Tehnično področje

Za pogon električnih vozil se zahteva elektromotor, ki je preprost, varen, visoko učinkovit in visoko zmogljiv. Glede na napetost delovanja lahko razdelimo elektromotorje na visokonapetostne in nizkonapetostne, ki delujejo pri nizki napetosti (tipično manj kot 60V). Visokonapetostni elektromotorji so potencialno nevarni za ljudi ter morajo zadostiti strožjim varnostnim zahtevam pri vgradnji v vozila in zato predstavljajo bolj kompleksno in dražjo rešitev. Bolj primerni so nizkonapetostni elektromotorji, ki pa zahtevajo večji tok delovanja pri isti moči, saj je moč elektromotorja produkt toka in napetosti. Klasični nizkonapetostni tri-fazni elektromotorji delujejo z velikim faznim tokom, kar ima za posledico številne slabosti kot na primer, zahteva po močnejših kablih in priključkih, zahteven krmilnik za visokotokovne preklope, večja kapacitivna banka, nizka induktivnost navitja ter posledično težje krmiljenje, predvsem pa se bistveno povečajo toplotne izgube v bakru zaradi povečanega toka skozi navitje (upornost navitja pomnožena z kvadratom toka skozi navitje).

VV02004073157 opisuje nizkonapetostni elektromotor z distributiranim navitjem na statorju, ki rešuje problem velikih faznih tokov. V tem primeru je celotni tok razdeljen na več distributiranih navitij in tako se tok skozi posamezno navitje bistveno zmanjša. V tem primeru je tok skozi vsako navitje krmiljen posebej, kar zahteva kompleksen krmilnik z velikim številom preklopnih elementov.

Drug nizkonapetostni tri-fazni elektromotor, ki rešuje problem velikih tokov v navitjih je opisan v GB2462940A. Ta elektromotor ima več neodvisno krmiljenih skupin navitij, ki so razporejeni na statorju. Vsaka skupina navitja je sestavljena iz treh podnavitij z medsebojno različno fazo. Vendar imajo vsa tri pod-navitja iste tri faze v vsaki skupini navitij, ki so razporejene oziroma distributirane v elektromotorju. Takšna rešitev predstavlja določeno izboljšanje oziroma poenostavitev glede na rešitev W02004073157, vendar je krmilnik še vedno kompleksen, saj zahteva neodvisno kontrolno oziroma procesorsko enoto za vsako skupino navitij.

Ρ-201300154 • · ·

Torej obstajajo rešitve za nizkonapetostne elektromotorje z velikim tokom, vendar še vedno ostaja problem, kako to izvesti na preprost in cenovno učinkovit način, ki hkrati ohranja visoko zmogljivost elektromotorja.

Kratek opis izuma

Ta problem rešujemo z modularnim multi-faznim elektromotorjem, ki je sestavljen iz rotorja in statorja, kjer je rotor sestavljen iz več magnetov, ki so radialno usmerjeni proti statorju, ter iz statorja, ki ima na krožnem obodu razporejenih več faznih navitij usmerjenih proti magnetom in so povezana s krmilnimi moduli, ki omogočajo krmiljenje toka v faznih navitij na takšen način, da se v njih ustvari elektromagnetna sila, ki deluje na magnete na rotorju ter povzroči vrtenje elektromotorja. Elektromotor je sestavljen iz vsaj dveh krmilnih modulov in vsak krmilni modul omogoča krmiljenje toka v treh faznih navitij, v katerih je relativni fazni zamik med fazni tokovi enak 120°. Pri tem dva različna krmilna modula nikoli ne krmilita toka z isto fazo.

Z uporabo dveh ali več krmilnih modulov ali enot, kjer vsak modul deluje kot preprost tri-fazni krmilnik za krmiljenje faznih tokov zamaknjenih za 12CP, pri čemer vsak krmilni modul krmili tokove z različno fazo, lahko krmilimo tok razporejen na vsaj šest faznih navitij. Na ta način dosežemo delovanje nizkonapetostnega multifaznega elektromotorja brez slabosti, ki so povezani z visokimi tokovi v faznih navitjih, ter hkrati omogoča zelo poenostavljen način krmiljenja v primerjavi z znanimi rešitvami.

Vsako fazno navitje je krmiljeno z eno izmed m različnih tokovnih faz, kjer je m večkratnik števila 3 in minimalno 6, pri čemer je fazni zamik med zaporednimi faznimi tokovi enak 360°/m v električni domeni.

Da dosežemo ustrezno optimalno krmiljenje, je razporeditev faznih navitij na obodu statorja takšna, da je vsako fazno navitje krmiljeno s tokom, ki je relativno zamaknjen za 180°+180°/m glede na tok v sosednjem faznem navitju. Krmilni modul v tem primeru ni povezan sekvenčno s faznimi navitji na statorju, ampak so priključki med seboj prepleteni. V primeru, da uporabimo dva krmilna modula, je prvi krmilni modul povezan s prvim, tretjim in petim faznim navitjem, drugi krmilni modul pa krmili tok drugega, četrtega in šestega faznega navitja.

Ρ-201300154

V predstavljeni izvedbi izuma so tri fazna navitja, ki jih krmili en krmilni modul, izbrana na naslednji način: če je k število krmilnih modulov, ki krmilijo m faznih tokov v vseh faznih navitjih, potem vsak od k krmilnih modulov določa krmiljenje treh faznih navitij i, i + m/3, i + m* 2/3, kjer je i naravno število v mejah 1 < i < k.

Tri fazna navitja, ki so krmiljena z enim izmed krmilnih modulov, so lahko povezana v zvezdo vezavo (Y-vezava) ali v trikot vezavo (delta vezava).

V skladu s predstavljeno izvedbo izuma je vsak krmilni modul zgrajen iz elektronskega vezja s tri-faznim pol-mostičem, ki omogoča ustrezno električno napajanje treh faznih navitij, običajno s pravokotno obliko toka.

Ta vrsta krmilnega vezja je preprosto za izdelavo ter zelo razširjeno v praksi ter omogoča enostavno in hkrati učinkovito krmiljenje. Krmilnik je še posebej enostaven, če uporabimo pravokotno obliko toka za krmiljenje faznih navitij, ko sta vsakem trenutku aktivni hkrati samo dve fazi. Enako krmilno vezje s tri-faznim polmostičem lahko uporabimo tudi za krmiljenje trapezoidne ali sinusne oblike toka.

V nadaljnji izvedbi izuma uporabimo vsaj eno centralno kontrolno enoto, ki omogoča krmiljenje vsaj enega krmilnega modula oziroma enote. V takšni konfiguraciji so kontrolne enote lahko neodvisne med seboj ali pa so povezane na način, ki omogoča pretok informacij med njimi.

Predstavljena izvedba izuma ima eno centralno kontrolno enoto, ki določa delovanje vseh krmilnih modulov na način, da ustvari ustrezno vrtenje rotorja s krmiljenjem različnih faznih tokov v vseh faznih navitij.

Centralna kontrolna enota oziroma kontrolne enote običajno uporabljajo za krmiljenje pulzno širinsko modulacijo.

V nadaljnji izvedbi izuma lahko vsako fazno navitje sestavlja eno ali več posameznih statorskih navitij, ki so med seboj povezana z vzporedno ali zaporedno vezavo ali pa kombinacijo obeh vezav. Običajno je eno fazno navitje sestavljeno iz vsaj dveh posameznih statorskih navitij, ki sta razporejena na obodu statorja.

Uporaba predstavljenega izuma je namenjena za pogon električnih vozili z vsaj enim

Ρ-201300154 kolesom, v katerem je vgrajen opisan elektromotor.

Kratek opis slik

Bolj podroben opis in njegove prednosti bodo predstavljene v nadaljnjem opisu primera izvedbe izuma s pomočjo priloženih slik. Na slikah je predstavljeno:

Slika 1 shematično prikazuje multi-fazni elektromotor v kolesu kot primer izvedbe predstavljenega izuma,

Slika 2a prikazuje obliko poteka inducirane napetosti zaporednih faznih navitij na statorju za multi-fazni elektromotor,

Slika 2b prikazuje obliko krmiljenih tokov za zaporedna fazna navitja na statorju za multi-fazni elektromotor,

Slika 3 shematično prikazuje krmiljenje faznih navitij s tri-faznimi krmilnimi moduli za multi-fazni elektromotor kot primer izvedbe predstavljenega izuma,

Slika 4 prikazuje posamičen tri-fazni krmilni modul, in

Slika 5 shematično prikazuje celotno krmiljenje multi-faznega elektromotorja s centralno kontrolno enoto kot primer izvedbe predstavljenega izuma.

Podroben opis izuma

V predstavljenem opisu izuma sta uporabljena termina električni stroj in elektromotor. Na splošno je termin »električni stroj« razumljen kot naprava, ki vključuje tako elektromotor kot generator. V kontekstu opisa predstavljenega izuma termin »elektromotor« načeloma ni omejen samo na naprave, ki pretvarjajo električno energijo v gibanje, ampak s predstavljenim opisom izuma želimo zajeti tudi naprave, ki iz gibanja pridobivajo električno energijo, na podlagi splošno znane analogije med obema napravama. Tako sta termina električni stroj in elektromotor izmenljiva v tem opisu izuma brez namena podrobnega pomenskega razlikovanja med njima.

Ρ-201300154

Slika 1 prikazuje električni stroj primeren za uporabo v kolesu, to je za neposredno vgradnjo v kolo vozila z električnim pogonom. Stroj je sestavljen iz nepremičnega notranjega statorja 1 in zunanjega rotorja 2, ki se vrti okoli statorja 1. Med rotorjem 2 in statorjem 1 je majhna zračna reža 3. Na sliki je prikazana izvedba z zunanjim rotorjem in notranjim statorjem, vendar je mogoče izvedbo elektromotorja tudi spremeniti na način, da ima notranji vrtljivi rotor in zunanji nepremični stator. Notranji stator 1 je narejen iz magnetnega materiala ter je pritrjen na gred 4. Na zunanjem obodu statorja je več utorov 5 v katerih so posamezna statorska navitja 6. Na prikazani sliki izvedbe ima stator 18 utorov 5 v katerih je 18 posameznih statorskih navitij 6. Med vrtenjem rotorja 2 okoli statorja 1 se inducira napetost v posameznem statorskem navitju 6, ki ima na splošno drugačno fazo kot sosednje statorsko navitje. V prikazani izvedbi se v statorskih navitij inducira napetost z devetimi različnimi fazami, ki so na Sliki 1 označene s črkami A, B, C, D, E, F, G, H in I. Po dva statorska navitja imata enako fazo inducirane napetosti in sicer tista dva, ki sta si diametralno nasprotna na statorju, na primer statorski navitji, ki ležita na simetralni črti. V opisanem primeru izvedbe sta dva statorska navitja z isto fazo povezana skupaj v serijsko vezavo, čeprav je mogoče tudi vzporedna vezava. Tako lahko predstavljen izum izvedemo v primeru statorskih navitij, ki imajo vsa med seboj različno fazo in v primeru, ko imata dva ali več posameznih statorskih navitij isto fazo in so med seboj povezana. V tem opisu izuma bo posamezno statorsko navitje ali povezana skupina statorskih navitij z isto fazo, glede na krmiljen tok ali inducirano napetost, imenovano kot fazno navitje.

Rotor 2 je sestavljen iz 20 magnetov 7 pritrjenih na obroč rotorja, ki je narejen iz magnetnega materiala, na primer jekla. Magneti imajo med seboj majhen razmak ter so razporejeni na notranjem obodu obroča rotorja z izmenično radialno polariteto SJ in nato J-S. Število magnetov 7 je na splošno poljubno, vendar je pri izbiri števila magnetov pri določitvi konstrukcije elektromotorja pomembno, da se magneti in statorska navitja nikoli ne poravnajo na takšen način, da ni mogoče ustvariti nobene radialne sile. Poleg tega lahko z ustrezno izbiro števila magnetov zelo zmanjšamo velikost samodržnega momenta, na primer ko je število magnetov zelo blizu številu posameznih statorskih navitij 6 oziroma utorov 5.

Ko se rotor 2 vrti okoli statorja 1 in magneti 7 potujejo preko statorskih navitij 6, se v statorskih navitjih inducira napetost kot posledica spreminjanja magnetnega pretoka

Ρ-201300154 skozi navitja. Slika 2a prikazuje devet potekov napetostnih signalov, U_A, U_B, U_c, U_D, U_E, U_f, U_g, U_h in U,, ki se inducirajo v vsaki izmed devetih faznih navitij A do I v eni električni periodi vrtenja rotorja okoli statorja. V eni rotaciji rotorja okoli statorja se pojavi več električnih period inducirane napetosti, bolj natančno dolžina električne periode je enaka dolžini ene rotacije deljena z številom polovnih parov magnetov. Kot je razvidno iz Slike 2a ima inducirana napetost trapezoidno obliko v odvisnosti od kotnega položaja rotorja oziroma električnega kota. V primeru inducirane napetosti U_A, ki se pojavi v faznem navitju A, lahko vidimo na Sliki 2a, da je napetost 0V na začetku električne periode, to je pri 0°, nato linearno narašča med 0° in 30°, ko doseže maksimalno pozitivno vrednost, ki se ohrani do 150°, nato se inducirana napetost linearno zmanjšuje do 210°, kjer doseže maksimalno negativno vrednost, ki se ohrani do 330°, nato pa napetost spet linearno naraste do 0V na koncu periode pri 360°. Vsaka nadaljnjo fazno navitje ima inducirano napetost zamaknjeno za 200° glede na prejšnjo fazo (to je za kotni zamik 20° in nato še obrnjena), tako da inducirana napetost U_B faznega navitja B linearno pada od 0V do konstantne negativne vrednosti med 20° in 50°. Na splošno je velikost električnega kotnega zamika med dvema geometrijsko sosednjima fazama enaka 180°+180°/m, kjer je m število faz. Tako je na primer kotni zamik med geometrijsko sosednjima fazama 210° pri 6 faznem elektromotorju, ter 195° pri 12 faznem elektromotorju.

Za primer izvedbe izuma je prikazana trapezoidna oblika inducirane napetosti. Vendar je na splošno oblika napetosti odvisna od mnogih različnih faktorjev, kot je velikost in oblika magnetov, geometrija statorja, vrsta navitja, itd. Tako lahko tehnični strokovnjak na tem področju doseže tudi drugačno želeno obliko inducirane napetosti z spreminjanjem zasnove in geometrije naprave.

Da se ustvari vrtenje elektromotorja, mora biti vsako fazno navitje 6 ustrezno energitizirano in napajano s tokom skozi navitje. Idealna oblika toka ima praviloma enako obliko kot inducirana napetost prikazana na Sliki 2a. Vendar se pogosto uporablja pravokotna oblika toka, saj je mogoče takšno obliko toka lažje doseči oziroma krmiljenje toka je bolj enostavno. Slika 2b prikazuje obliko posameznih tokov l_A, l_B, l_c, Id, Ie, If, b, Ih in h, ki tečejo skozi fazna navitja A do I. V primeru pravokotne oblike toka ima vsak fazni tok konstantno vrednost v dolžini 2/3 električne periode, ki ustreza položaju, kjer ima inducirana napetost maksimalne vrednosti, ter ima vrednost nič v preostalem delu periode. Če vzamemo primer toka skozi prvo fazo l_A, ima tok vrednost nič med 0° in 30°, nato konstantno pozitivno

P-201300154

vrednost med 30° in 150°, ter nato vrednost nič med 150° in 210°, in negativno konstantno vrednost med 210° in 330° in na koncu zopet vrednost nič med 330° in 360°. Zamik toka med geometrijsko sosednjima fazama je 200° (zamik 20° in obrnjen tok), kot v primeru induciranih napetosti.

Z razdelitvijo takšne oblike toka v devet faznih navitij lahko dosežemo ustrezno delovanje multi-faznega elektromotorja z majhno valovitostjo navora. Na splošno je z uporabo več faz oziroma večkratnikom treh faz, mogoče zmanjšati valovitost navora za večkratni faktor v primerjavi z elektromotorji, ki uporabljajo samo tri ali manj faz. Poleg tega je krmiljenje faznih tokov izvedeno na relativno enostaven način, kot je opisano spodaj.

Na Sliki 3 je shematično prikazan način krmiljenja toka multi-faznega elektromotorja za vsa fazna navitja. V opisanem izumu je krmiljenje toka skozi različna fazna navitja 6 doseženo z uporabo neodvisnih krmilnih modulov 10, kjer vsak krmilni modul kontrolira delovanje treh faz. Kot je prikazano na Sliki 3, je vsak izmed treh krmilnih modulov 10 povezan s tremi faznimi navitji in tako krmili tri različne fazne tokove. Tri fazna navitja v posameznem krmilnem modulu 10 so izbrana tako, daje med faznimi induciranimi napetostmi in faznimi tokovi relativni fazni zamik enak 120°. Lahko ugotovimo, da geometrijsko zaporedje faznih tokov na Sliki 2b ni enako zaporedju faznih tokov v električni domeni. V električni domeni je devet zaporednih faz med seboj zamaknjenih za 40° (to je 360° deljeno z število faz). Če uporabimo označbe na Sliki 2b za fazne tokove, potem je električno zaporedje faznih tokov enako l_A, l_c, k, Ig, Ii, Ib, Id, If in l_H- Tako prvi krmilni modul 10 krmili tok v fazah A, G in D. Drugi krmilni modul 10 krmili tok v fazah B, H in E ter tretji krmilni modul 10 krmili tok v fazah C, I in F. Tri fazna navitja, ki so povezana z vsakim izmed krmilnih modulov 10, so med seboj povezana v zvezdo vezavo. Vendar je mogoče izvesti povezavo treh faz tudi v trikot vezavo. Usmeritev navitja posamezne faze označuje pika prikazana na Slikah 3, 4 in 5. Z izbiro treh faz, ki so med seboj relativno zamaknjene za 120°, je mogoče za krmiljenje toka uporabiti preprosto tri-fazno kontrolno strategijo, ko sta vklopljeni samo dve fazi hkrati, in ki je poznana pri delovanju brez krtačnih enosmernih elektromotorjih (angl. oznaka »BLDC motors«), To delovanje je mogoče pojasniti s pomočjo Slike 2b. Če obravnavamo krmiljenih treh faz A, G in D je razvidno, da ima v katerem koli položaju eden izmed faznih tokov vrednost nič, ostala dva pa imata maksimalno vrednost nasprotnega predznaka. Če obravnavamo na primer položaj pri 180°, potem ni toka skozi fazno

Ρ-201300154

navitje A, čez fazno navitje G teče pozitiven tok in skozi fazno navitje D negativen tok iste velikosti.

Takšen modularni način krmiljenja faznih tokov je mogoče uporabiti v katerikoli multi-fazni konfiguraciji elektromotorja, ko je število faz m večkratnik števila tri, oziroma ko je m=k*3, kjer je k naravno število večje ali enako 2. Tako lahko mudularno krmiljenje uporabimo, ko je število faz elektromotorja na primer enako 6, 9,12,15,18, ali več. Na splošno za m faznih navitij, ki imajo med seboj fazni zamik 360°/m, potrebujemo k krmilnih modulov, pri čemer vsak izmed k krmilnih modulov krmili fazna navitja i, i+m/3, i+m*2/3, kjer je i naravno število v mejah 1 < i < k. Če uporabimo to na prikazanem primeru izvedbe izuma na Sliki 1, potem prvi krmilni modul 10 krmili tok v 1., 4. in 7. faznem navitju, kar ustreza fazam A, G in D. Drugi krmilni modul 10 krmili tok v 2., 5. in 8. faznem navitju, kar ustreza fazam C, I in F, ter tretji krmilni modul 10 krmili tok v 3., 6., in 9. faznem navitju, kar ustreza fazam E, B in H.

Čeprav je prikazan primer izvedbe, ko imajo krmiljeni fazni tokovi pravokotno obliko, lahko uporabimo tudi druge oblike tokov za krmiljenje v vsakem tri-faznem krmilnem modulu 10 za druge tipe elektromotorjev, na primer vključno vendar ne izključno trapezoidno in sinusno obliko krmiljenega toka.

Na Slikah 3, 4 in 5 vsako prikazano navitje predstavlja vsa povezana statorska navitja z isto fazo, to je fazno navitje.

Na Sliki 4 je prikazan posamezen tri-fazni krmilni modul 10 povezan s fazami A, D in G. Kot je razvidno iz slike so ta tri fazna navitja medsebojno povezana v zvezdo vezavo (Y vezavo). Za namen krmiljenja tokov v faznih navitjih je krmilni modul sestavljen iz šest polprevodniških preklopnih elementov 14 povezanih v pol-mostič vezavo ter so priklopljeni na enosmerni vir napetosti 12. Na prikazani izvedbi so stikalni elementi MOSFET (angl. »Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors«) vendar lahko uporabimo tudi druge preklopne elemente na primer IGBT. Preklopni elementi 14 so krmiljeni z logičnimi signali IH, 1L, 2H, 2L, 3H, 3L, ki so določeni z drugo zunanjo kontrolno enoto (glej Sliko 5). Struktura in delovanje takšnega tri-faznega krmilnika je znana na področju krmiljenja elektromotorjev in tu ni predmet obširne razlage. V osnovi kontrolni signali določajo odpiranje in zapiranje preklopnih elementov na način, da sta vedno dve veji faznih navitij

Ρ-201300154

priklopljeni na vir enosmerne napetosti, pri čemer je vsak preklopni element 14 v odprtem delovanju eno tretjino časa v primeru pravokotne oblike toka.

Delovanje posameznih preklopnih elementov 14 je določeno s krmilnimi signali iz centralne kontrolne enote 20, običajno je to centralna mikroprocesorska enota, kot je prikazano na Sliki 5. Centralna kontrolna enota 20 ima več podatkovnih povezav 30, 40, 50 preko katerih prejema ali pošilja signale do določenih elementov v elektromotorju ali do krmilnih modulov 10. Bolj natančno, kontrolna enota 20 sprejema informacije o položaju elektromotorja preko položajne podatkovne povezave 30. Ti podatki prenašajo informacijo o položaju rotorja 2 glede na stator 1. Kontrolna enota 20 sprejema tudi informacijo o meritvi toka v faznih navitjih povezanih s posameznim krmilnim modulom 10 preko tokovne podatkovne povezave 40. V primeru preprostega krmiljenja s tri-faznim krmilnim modulom s pravokotno obliko toka, potrebujemo le en podatek o velikosti toka v tisti fazi, ki je aktivna. V primeru trapezoidne ali druge oblike faznega toka je potrebno poznati vrednost vsaj dveh faznih tokov v vsakem krmilnem modulu. Poleg tega je centralna kontrolna enota 20 povezana z vsakim krmilnim modulom preko krmilnih podatkovnih povezav 50. Na podlagi informacije o položaju rotorja pridobljene preko položajne podatkovne povezave 30 ter vrednosti izmerjenega toka pridobljene preko tokovne podatkovne povezave 40, centralna kontrolna enota 20 pošlje krmilne signale v vsak krmilni modul 10 preko krmilne podatkovne povezave 50 na način, da je ustvarjeno pravilno zaporedje vklopov in izklopov tokov ter ustrezna velikost toka v posameznih fazah. Za krmiljenje vrednosti faznega toka uporabimo znano kontrolno strategijo hitrega preklapljanja elementov, kot je na primer pulzno-širinska modulacija (angl. »PWM«),

Uporaba modularnih krmilnih modulov in samo ene centralne kontrolne enote znatno zmanjša potrebo po elektronskih komponentah v krmilniku ter omogoča krmiljenje poljubnega število faz, ki so večkratnik števila tri, na zelo enostaven način pri čimer dosežemo visoko učinkovito delovanje nizko-napetostnih elektromotorjev.

V prikazanem primeru izvedbe je uporabljena ena centralna krmilna enota 20, ki krmili delovanje vseh krmilnih modulov 10, vendar je krmiljenje elektromotorja lahko izvedeno tudi z dvema ali več kontrolnimi enotami 20, kjer vsaka enota krmili enega ali več krmilnih modulov na podlagi prejetih podatkov o velikosti faznih tokov in položaju elektromotorja.

Ρ-201300154

Kot je razloženo v opisu Slik 1, 2 in 3, geometrijsko zaporedje faznih navitij A-l ni enako zaporedju faz v električni domeni. Predstavljen izum ni omejen na specifično opisano geometrijsko konfiguracijo, ampak imajo lahko fazna navitja poljubno geometrijsko konfiguracijo, ki ustvari zaporedje različnih faz s konstantno vrednostjo faznega zamika v električni domeni.

Predstavljen izum ni omejen na točno določeno izvedbo elektromotorja, ki je opisana. Opisana zasnova izuma je lahko uporabljena za različne električne stroje, vključujoče vendar ne izključujoče na sinhronske stroje, reluktančne stroje in linearne elektromotorje.

Referenca števil

1. Stator

2. Rotor

3. Zračna reža

4. Gred

5. Utor

6. Fazno navitje

7. Magnet

10. Krmilni modul

12. Enosmerni vir napetosti

14. Preklopni element

20. Kontrolna enota

30. Položajna podatkovna povezava

40. Tokovna podatkovna povezava

50. Krmilna podatkovna povezava

Claims

Zahtevki:

1. Multi-fazni elektromotor je sestavljen iz rotorja (2) in statorja (1), kjer je rotor sestavljen iz več magnetov (7) z radialno polarizacijo usmerjenih proti statorju (1), in kjer ima stator na krožnem obodu razporejenih več faznih navitij (6) usmerjenih proti magnetom in so povezana s krmilnimi moduli (10), ki omogočajo krmiljenje toka v faznih navitij (6) na način, da se v njih ustvari elektromagnetna sila, ki deluje na magnete na rotorju ter povzroči vrtenje elektromotorja, in kjer elektromotor sestavljata vsaj dva krmilna modula (10), kjer vsak krmilni modul (10) omogoča krmiljenje toka v treh faznih navitij (6) z različno fazo, ki so med seboj fazno zamaknjene za 120°, in pri čemer dva različna krmilna modula ne krmilita toka z enako fazo.
2. Multi-fazni elektromotor po zahtevku 1, ki ima več faznih navitij (6), ki so krmiljena z m različnimi faznimi tokovi, kjer je m večkratnik števila 3 in najmanj 6, in kjer je fazni zamik med zaporednimi faznimi tokovi enak 360°/m v električni domeni.
3. Multi-fazni elektromotor po zahtevku 1 in 2, kjer je razporeditev faznih navitij (6) na krožnem obodu statorja takšna, daje vsako fazno navitje (6) krmiljeno s tokom, ki je relativno zamaknjen za 180°+180°/m glede na tok v sosednjem statorskem faznem navitju in kjer je m celotno število faznih navitij.
4. Multi-fazni elektromotor po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, kjer je k število krmilnih modulov (10), ki krmilijo m faznih tokov v vseh m faznih navitjih razporejenih po zaporedju od 1 do m v električni domeni s faznim zamikom 360°/m, potem vsak od k krmilnih modulov določa krmiljenje treh faznih navitij i, i + m/3, i + m* 2/3, kjer je i naravno število v mejah 1 < i < k.
5. Multi-fazni elektromotor po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, kjer so tri fazna navitja (6) krmiljena z enim krmilnim modulom (10) medsebojno povezana v zvezdo vezavo.
6. Multi-fazni elektromotor po zahtevkih 1-4, kjer so tri fazna navitja (6)

Ρ-201300154 krmiljena z enim krmilnim modulom (10) medsebojno povezana v trikot vezavo.
7. Multi-fazni elektromotor po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, kjer je krmilni modul (10) zgrajen iz elektronskega vezja s tri-faznim pol-mostičem, ki omogoča ustrezno električno tokovno napajanje faznih navitij (6), običajno s pravokotno obliko toka.
8. Multi-fazni elektromotor po zahtevku 7, kjer omenjeno elektronsko vezje s trifaznim pol-mostičem omogoča električno tokovno napajanje faznih navitij (6) s trapezoidno ali sinusno obliko toka.
9. Multi-fazni elektromotor po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, ki ga sestavlja vsaj ena centralna kontrolna enota (20), ki krmili delovanje vsaj enega krmilnega modula (10).
10. Multi-fazni elektromotor po prejšnjem zahtevku, ki ga sestavlja ena centralna kontrolna enota (20), ki krmili delovanje vseh krmilnih modulov (10).
11. Multi-fazni elektromotor po zahtevku 7 in 8, kjer kontrolna enota (20) uporablja pulzno širinsko modulacijo za krmiljenje.
12. Multi-fazni elektromotor po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, kjer je vsako fazno navitje (6) sestavljeno iz enega ali več posameznih statorskih navitij povezanih v serijsko ali zaporedno vezavo.
13. Multi-fazni elektromotor po zahtevku 12, kjer je vsako fazno navitje (6) sestavljeno vsaj iz dveh posameznih statorskih navitij, ki so enakomerno razporejena po krožnem obodu statorja.
14. Vozilo na električni pogon z vsaj enim kolesom, ki vsebuje elektromotor v kolesu po kateremkoli od zahtevkov od 1 do 13.