CN105099333B - 用于控制电机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制电机(4)的运行的方法，该电机作为部件具有定子和转子，其中，第一部件包括多个导体棒，这些导体棒通过至少一个电路板的连接元件相互连接，其中，第二部件包括永磁体，其中，导体棒布置在永磁体的磁场内部并具有内部电感(26)，其中，连接元件布置在磁场外部并具有外部电感(28)，和其中，电机(4)包括多个相(16、18、20)，其中，各一个所述相(16、18、20)包括至少一个导体棒，其中，为了控制电机(4)，为每个相(16、18、20)将各至少一个基于相应的相(16、18、20)的内部电感(26)和外部电感(28)的电参数调节到额定值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制电机的运行的方法、一种用于控制电机的运行的控制***以及一种电机。
背景技术
除了作为部件的转子和定子之外，为了控制相电机还可以包括：可以设计为外部的开关调节器的预接装置、整流器、逆变器和/或变流器，上述部件又可以作为电子构件包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)或电桥、具有绝缘的绝缘栅的双极型晶体管(IGBT)。这种电机的脉宽调制(PWM)的时钟脉冲可以具有大约1kHz至大约20kHz的频率。外部的开关调节器可以在大约100kHz至大约1MHz的频率下运行。
发明内容
在上述背景下提出了一种根据本发明的方法、一种控制***和一种电机。
根据本发明的方法设计为用于控制和因此操控和/或调节电机的运行。该电机作为部件具有定子和转子，其中，第一部件——即定子或转子——包括多个导体棒，这些导体棒通过至少一个电路板的连接元件相互连接。电机的第二部件包括永磁体，其中，导体棒布置在永磁体的磁场内部并具有内部电感。而连接元件布置在磁场外部并具有外部电感。电机包括多个相，其中，每个相包括至少一个导体棒。为了控制电机的运行，分别为每个相将至少一个与相应的相的内部电感和外部电感有关的电参数调节到额定值/理论值，该额定值设置用于相应的相的相应的至少一个参数，其中，将电压作为所述至少一个电参数调节到额定值，在所述导体棒与相应的相的连接元件之间量取相应的相的至少一个电参数的实际值。
将电压和/或电流作为至少一个电参数调节到所设置的额定值，该电压和/或电流被测量用于相应的相。
在电机运行时，在导体棒与相应的相的连接元件之间的量取点上量取相应的相的至少一个电参数——即电压和/或电流——的当前实际值。
借助于用于对电机进行预控制的算法、基于电机的至少一个机械的运行参数计算和/或调节至少一个电参数的额定值。在此，可以将电机的转速和/或转子相对于定子的角位置考虑为至少一个机械的运行参数。
所述方法可以被执行用于被作为电动机和/或发电机使用的电机。
根据本发明的控制***设计为用于控制电机的运行，该电机作为部件具有定子和转子。两个部件中的第一部件包括多个导体棒，这些导体棒通过至少一个电路板的连接元件相互连接。两个部件中的第二部件包括永磁体。导体棒布置在永磁体的磁场内部并具有内部电感。连接元件布置在磁场外部并具有外部电感。电机包括多个相，其中，每个相包括至少一个导体棒。控制***设计用于，分别为电机的每个相将至少一个与相应的相的内部电感和外部电感有关的电参数调节到额定值。
此外，控制***对于每个相具有一开关调节器和连接在所有相的开关调节器上游的控制单元。控制单元设计为用于执行用于对电机进行预控制的算法，以及设计为用于为相应的相提供至少一个电参数的额定值。
此外，控制***对于每个相具有至少一个测量模块，该至少一个测量模块设计用于测量相应的相的至少一个电参数的实际值。
在另一个设计方案中，控制***具有至少一个逆变器，该逆变器布置在通向电机的外部电压源的触点与电机的相之间并设计用于，为电机执行开关调节。此外，控制***可以具有中间电路电容器，该中间电路电容器布置在两个触点之间。根据定义，控制***作为另外的部件可以包括电机相，其中，每个相包括内部电压源和对应于相的至少一个导体棒的内部电阻、布置在电机的磁场内部的内部电感、以及布置在电机的磁场外部的外部电感。控制***通常布置在电机的壳体中。
根据本发明的电机作为部件具有定子和转子，其中，第一部件——通常是定子或转子——包括多个导体棒，这些导体棒通过至少一个电路板的连接元件相互连接。第二部件——通常是转子或定子——包括永磁体。导体棒布置在永磁体的磁场内部并具有内部电感。至少一个电路板的连接元件布置在磁场外部并具有外部电感。电机包括多个相。在设计方案中，每个相包括相同数量的导体棒，其中，每个相包括至少一个导体棒。为了控制电机的运行，分别为电机的每个相将至少一个与相应的相的内部电感和外部电感有关的电参数调节到额定值。
此外，电机具有所述控制***的一个实施方式并能够通过所述方法的实施方式控制。电机的第一部件的导体棒通常布置在软磁性的材料中。
此外，每个相可以包括内部电压源、对应于相应的相的至少一个导体棒的内部电阻、布置在电机的磁场内部的内部电感、以及布置在电机的磁场外部的外部电感。
在控制***和/或电机的运行中，相应的相的内部电感和外部电感可用于执行开关调节，而为了执行电机的功能仅需使用布置在磁场中的导体棒内部电感。
此外，电机的第一部件包括铁芯，该铁芯可由作为软磁性材料的铁粉制成。该铁芯具有槽，在这些槽中布置有对应于电机的相的导体棒。另选地，可以为第一部件使用作为软磁性材料的铁薄片，在这些铁薄片中配设有导体棒。通过使用埋入铁粉中的导体棒可以减小涡流并提高电机的开关频率。
在电机中将其逆变器至少隐含地用于开关调节，因此电机对于每个相都具有一个集成的开关调节器，利用该开关调节器可以实现100kHz至1MHz的数量级的高开关频率。
电机具有逆变器和开关调节器的控制***内置在电机的壳体中，由此使得控制***在电磁相容性(EMV)方面受到保护。控制***可以作为电子开关元件具有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)以及中间电路电容器、例如布置在控制***的触点到外部电压源之间的陶瓷的片式电容器。
通过将导体棒用于电机，可以摒弃一般常见的线圈或绕组。替代绕组的导体棒或能够导电的杆通过可以设计为印制导线和/或电子构件的电路板连接元件相互连接。通过将导体棒埋入作为软磁性复合材料(SMC，soft magnetic composite)的铁粉中可以使得涡流最小化。
电机的每个相的等效电路图包括：具有内部电压源的串联电路，该内部电压源提供具有与电机的转速值成比例的值的电压；和内部电阻，该内部电阻的值相当于导体棒电阻、连接元件、MOSFETs的电阻值以及中间电路电容器的等效电阻(ESR)的总和。此外，这种串联电路包括布置在引起电机的洛伦兹力的磁场内部的相应的相的导体棒的有效内部电感。串联电路还包括布置在位于磁场外部的至少一个电路板上的相连接元件——例如印制导线——的外部电感。在此，为实现用于执行开关调节的开关调节器的功能，使用所有的、亦即内部的和外部的电感，而为实现电机的功能仅使用有效的内部电感。通常，通过设计为开关调节器的逆变器分开由外部电压源提供的电压并相应分配给相，其中，可将外部电压源分配给内部电压源。
所提出的控制***还可以执行开关调节器的功能，利用开关调节器可以将同步转换器的中间电路的电压调节并因此降低到相应的相的电压的当前期望的实际值。相应地可以将流过相应的相的电流调节并因此降低到当前期望的额定值。为了执行调节可以执行常用的开关调节方法、脉冲方法或所谓的斩波方法。在此，开关调节器的数量相当于相的数量，其中，控制***的开关调节器被彼此分开。此外，每个开关调节器可以具有集成开关电路或芯片。
通常利用同样彼此分开的测量模块可以为每个相测量电压的实际值和/或电流的实际值。此外，可以为每个相分配输出级(Endstufe)以及各一个用于调节电压和电流的模块。在此，可以由流过相应的相的电流的一个或两个测量值例如通过计算确定待测量电流的实际值。可通过控制***执行的算法也可以设计为预控制算法。相应的开关调节器的功能可被快速执行，由此可控制转动的电机的相应的相的交流电压。
电机和进而是电动机和/或发电机可以具有高的开关频率，由此实现，流过导体棒的电流不再是恒定的并因此不具有成角度叠加的曲线。因此，不会通过开关频率产生机械的激励。在考虑到电机的例如场导向的调节的情况下在设计方案中计算出在导体棒上的电压和/或电流的当前希望的额定值。在此计算出的额定值可以被考虑为用于调节相应的相的电压和/或电流的预定规定值。
备选地可以在导体棒与进而内部电感之间以及在相应的电路板的连接元件与进而外部电感之间的电流和/或电压之间以物理方式采用在量取点上的量取方式。因此可以将用于电机的开关调节的功能与电机的原本功能以开关技术方式分开地实施。
因此在电机的控制***中将电机的逆变器和其例如设计为下行-开关调节器的开关调节器相互组合，其中，将控制***集成在电机的壳体中。电机的两个部件之一——其设计为定子或转子——具有铁芯，该铁芯由作为软磁性复合材料的铁粉制成。代电机常见的线圈的导体棒有利于所设置的开关调节，因为通过使用导体棒可以减少线圈的常见匝数。在此不需要将印制导线设计为按照开关调节技术的观点的电路板的连接元件。导体棒也可以布置在用于提供软磁性材料的铁薄片或变压器叠片。在此，在该铁芯叠片的槽中布置有导体棒。在触点或控制***到外部的电压源的连接端之间的中间电路电容器在此形成小的中间电路。电机通常在没有功率损耗地在例如6伏特至17伏特的运行电压范围内运行。电机的转速可通过提高电机的内部电压来提高。
在执行所述方法时，可以为电机实现高的开关频率或时钟频率。通过设置导体棒，可以摒弃由铜制成的经涂漆的常见的金属丝。导体棒可以由任意可导电的材料、通常是金属如铁、铝或铜制成。此外，导体棒具有比常见的金属丝更大的直径。每个导体棒基于其厚度设计成刚性的或柔性的并具有多角的或圆形地成型的横截面。通过使用导体棒可以在一定程度上实现并联绕组和三角形接法。
在一种设计方案中，为了提高电机的功率——如果该电机作为电动机运行的话，提高给该电机供应的电压。控制***的所设置的中间电路电容器可以设计为陶瓷芯片电容器或薄膜电容器，由此在相应的相的电压曲线中实现了具有最小的边沿制动(Flankenbremsung)的陡边沿。此外设计为，相的内部电感和外部电感现在不仅用于产生作为电动机运行的电机的转矩，而且还用于控制该电机的运行。因此，布置在软磁性材料内部的导体棒和在至少一个电路板上的、用于连接导体棒的连接元件在高的时钟频率或开关频率的情况下用于实施开关调节器功能。通过使用直径比常见金属丝的直径更大的导体棒，减小了第一部件的相的内部电阻。
线圈的常见的绕组头通过至少一个电路板上的可以以厚涂层技术制造的连接元件替代。至少一个相的连接元件的所设置的外部电感也可以设计为所谓的平面电感(Planarinduktivitaet)。通过为小的中间电路电容器使用例如陶瓷的芯片电容器，还可以实现良好的高频率性能和相对于常用的具有高电容量的电解电容器实现更小的串联电阻。电机以及控制***的所有的部件通常布置在电机的壳体中并因此相对外部受到保护。此外如果将电机例如设计为电动机，则该电机以低的中间电路电压运行。此外可以通过导体棒与常见的金属丝相比传导高的电流。因此可以在电机运行的宽的电压范围内调用电机的全功率。
可以通过电压调节来调整中间电路电压。可获得的高电流仅在电机内部流动，而不在该电机外部流动。此外电机可以低噪音地运行。此外可以通过在所述方法范围内被控制的电机运行来实现提高的脉宽调制频率。通常在设计为小型大功率马达和/或作为小型大功率马达运行的电机中对于脉宽调制产生高电流峰值，可利用电机的现在设置的中间电路电容器对该高电流峰值进行缓冲。在此，该中间电路电容器的电容量与所述频率成反比。作为中间电路电容器，代替电子电容器使用陶瓷电容器。此外可以减小施加在导体棒上的电压，而不必将中间电路电容器设计得更大。
附图说明
由说明书和附图得出本发明的其它优点和设计方案。
显而易见的是，前述的和下面还要说明的特征不仅可以在分别给出的组合中、而且也可以在其它组合中或单独地使用，而不脱离本发明的范围。
根据实施方式在附图中示意性地示出本发明并参考附图示意性且详细地进行描述本发明。
图1在示意图中示出根据本发明的控制***的第一个实施方式和根据本发明的电机的第一个实施方式。
图2在示意图中示出根据本发明的控制***的第二个实施方式。
图3在示意图中示出根据本发明的控制***的第三个实施方式的细节。
图4在示意图中示出根据本发明的控制***的第四个实施方式的细节。
具体实施方式
在图1中示意性示出的、根据本发明的电机4的第一个实施方式的根据本发明的控制***2的第一个实施方式在此完全布置在电机4的壳体6中。
控制***2以及进而电机4通过触点8、9与未进一步示出的外部电压源相连，利用该外部电压源在此提供了直流电压Ub。在作为正极(+Ub)设置的触点8与作为接地部分设置的触点9之间在此布置有作为控制***2的部件的中间电路电容器10。此外，两个触点8、9与控制***2的设计为半桥的逆变器12相连。该逆变器12在此包括作为电子的开关元件14的六个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)。在这里所述及的控制***2和进而电机4的实施方式中，集成在电机4的壳体6中的逆变器12同时设计为电机4的开关调节器——在这种情况下设计为下行-开关调节器。
逆变器12的电子开关元件14在此与电机4的三个相16、18、20相连，其中，每个相16、18、20在图1中通过其等效电路图示意性地显示。在此，每个相16、18、20都包括一个内部电压源22，其中，分别一个该电压源22的电压值与电机4的转速值成比例。转速由频率得出，电机4的转子以该频率相对于图1中未示出的电机4定子转动。此外，每个相16、18、20在此都具有内部电阻24，该内部电阻在此相当于在此形成作为电机2的第一部件的定子的相16、18、20的绕组的导体棒的电阻。在此，导体棒布置在电机4的第一部件的铁芯叠片的槽中，其中，第一部件在此设计为电机4的定子，其中，铁芯/铁芯叠片可由铁粉制成。另选地，也就是说根据另一个实施方式，第一部件也可以设计为电机4的转子。此外，每个相16、18、20都包括：内部电感26，该内部电感相当于布置在电机4的磁场内部的导体棒的电感；以及布置在该磁场外部的外部电感28，该外部电感相当于至少一个电路板的连接元件的电感。
在图2中详细地示出设计为用于控制电机的第二个实施方式的控制***40的第二个实施方式。在此提出，电机在此包括三个相，其中，对于每个相在此示出一个内部电压源42。在此，在电机的运行中对于第一相得出第一电压U，对于第二相得出第二电压V，以及对于第三相得出第三电压W。此外，图2示出内部电感44，该内部电感分别至少用于相的导体棒。电机的分别一个相的外部电感46通过电机的至少一个电路板上的连接元件得出，其中，导体棒通过该电连接元件相互导电连接。
作为控制***40的部件在图2中示出控制单元48以及总共三个开关调节器50，其中，分别一个相配设有一个这种开关调节器50。此外，总共三个开关调节器50中的分别一个开关调节器对应于中间电路电容器52、两个电子开关元件54以及测量模块56，该测量模块在此设计为用于，测量流过分别一个相的至少一个导体棒的电流。此外，图2示出量取点58，在该量取点上可量取在相应的相的内部电感44与外部电感46之间的电压。在此，由量取点58将在该量取点58上测量的电压传输给相应的开关调节器50。
此外，在此作为电机的机械运行参数确定电机的转子相对于电机的定子的当前角度以及电机的当前转速并且在此从电压源42之间的节点出发传输至控制单元48。利用控制单元48可以在考虑机械运行参数的当前值和电感44、46以及利用用于电机的算法的情况下确定三个相的电压U、V、W的额定值并传输至相应的开关调节器50。
在图2中详细示出的开关调节器50在此对应于第一相，可对该第一相的电压U调节确定的额定值。相应地，可由控制单元48将第二相的电压V的额定值传输给对应于第二相的开关调节器50，并将第三相的电压W的额定值传输给对应于第三相的第三开关调节器50。
在图3中示出了控制***70的第三实施方式的细节，在此包括中间电路电容器72，该中间电路电容器在此布置在外部电压源的、设计为正极的触点74与设计为负极的触点76之间。此外，在中间电路电容器72以及两个触点74、76下游布置有电子开关元件78，该电子开关元件连接在可通过控制***70控制的电机的多个相的分别一个相下游。此外，图3示出该电机的外部电感80以及电机的相应的相的内部电容82和内部电阻84。在此提出，电机的每个相都具有导体棒，该导体棒通过至少一个电路板——在此通过布置在电路板上的连接元件——相互连接。在此，所示出的外部电感80相当于至少一个电路板的连接元件的电感。内部电容82以及内部电阻84相当于相应的相的导体棒的电容和电阻。在图3中示出的部件在此同时设计为控制***70的同步转换器的部件。
在图4中示意性示出的、控制***86的第四个实施方式的细节同样包括中间电路电阻72以及电子开关元件78，该电子开关元件连接在可通过该控制***86控制的电机的分别一个相的上游。在此也提出，电机具有多个、即在此三个相。在此，每个相都包括导体棒，该导体棒通过连接元件连接在电机的至少一个电路板的上游。图4还详细示出了三个电压源88，其中，分别一个相对应于这些电压源88之一。在图4中还示出相应的相的导体棒的内部电阻90以及该相的导体棒的内部电感92。此外，图4示出相应的相的至少一个电路板的连接元件的外部电感94。在内部电感92以及外部电感94之间布置有量取点96，通过该量取点可为相应的相量取流过该相的电流的当前实际值和/或施加在相应的相上的电压的当前实际值。
Claims (16)
1.一种用于控制电机(4)的运行的方法，该电机作为部件具有定子和转子，其中，第一部件包括多个导体棒，这些导体棒通过至少一个电路板的连接元件相互连接，其中，第二部件包括永磁体，导体棒布置在永磁体的磁场内部并具有内部电感(26、44、92)，其中，连接元件布置在磁场外部并具有外部电感(28、46、80、94)，以及其中，电机(4)包括多个相(16、18、20)，其中，每个相(16、18、20)包括至少一个导体棒，其中，为了控制电机(4)，分别为每个相(16、18、20)将至少一个与相应的相(16、18、20)的内部电感(26、44、92)和外部电感(28、46、80、94)相关的电参数调节到额定值，其中，将电压作为所述至少一个电参数调节到额定值，在所述导体棒与相应的相(16、18、20)的连接元件之间量取相应的相(16、18、20)的至少一个电参数的实际值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将电流作为所述至少一个电参数调节到额定值。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于用于对电机(4)进行预控制的算法基于所述电机(4)的至少一个机械的运行参数调节至少一个电参数的额定值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述电机(4)的转速和/或转子相对于定子的角位置考虑为所述至少一个机械的运行参数。
5.根据前述权利要求1或2所述的方法，所述方法被执行用于作为电动机和/或发电机使用的电机(4)。
6.一种用于控制电机(4)运行的控制***，该电机作为部件具有定子和转子，其中，第一部件包括多个导体棒，这些导体棒通过至少一个电路板的连接元件相互连接，其中，第二部件包括永磁体，其中，导体棒布置在永磁体的磁场内部并具有内部电感(26、44、92)，其中，连接元件布置在磁场外部并具有外部电感(28、46、80、94)，电机(4)包括多个相(16、18、20)，其中，每个相(16、18、20)包括至少一个导体棒，所述控制***(2、40、70、86)设计为用于，分别为电机(4)的每个相(16、18、20)将至少一个与相应的相(16、18、20)的内部电感(26、44、92)和外部电感(28、46、80、94)相关的电参数调节到额定值，其中，将电压作为所述至少一个电参数调节到额定值，在所述导体棒与相应的相(16、18、20)的连接元件之间量取相应的相(16、18、20)的至少一个电参数的实际值。
7.根据权利要求6所述的控制***，其中，所述控制***对于每个相(16、18、20)具有一开关调节器(50)。
8.根据权利要求7所述的控制***，其中，所述控制***具有控制单元(48)，该控制单元连接在开关调节器(50)上游并设计为用于执行用于对所述电机(4)进行预控制的算法，以及设计为用于为相应的相(16、18、20)提供至少一个电参数的额定值。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的控制***，其中，所述控制***对于每个相(16、18、20)具有至少一个测量模块(56)，该至少一个测量模块设计为用于，测量相应的相(16、18、20)的至少一个电参数的实际值。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的控制***，其中，所述控制***具有逆变器(12)，该逆变器布置在通向电机(4)的外部电压源的触点(8、9、74、76)与电机(4)的相(16、18、20)之间并设计用于为电机(4)执行开关调节。
11.根据权利要求10所述的控制***，其中，所述控制***具有中间电路电容器(10、72)，该中间电路电容器布置在两个触点(8、9、74、76)之间。
12.根据权利要求6至8中任一项所述的控制***，其中，所述控制***布置在所述电机(4)的壳体(6)中。
13.一种电机，该电机作为部件具有定子和转子，其中，第一部件包括多个导体棒，这些导体棒通过至少一个电路板的连接元件相互连接，其中，第二部件包括永磁体，其中，导体棒布置在永磁体的磁场内部并具有内部电感(26、44、92)，其中，连接元件布置在磁场外部并具有外部电感(28、46、80、94)，电机(4)包括多个相(16、18、20)，其中，每个相(16、18、20)包括至少一个导体棒，其中，为了控制电机(4)的运行，分别为电机(4)的每个相(16、18、20)将至少一个与相应的相(16、18、20)的内部电感(26、44、92)和外部电感(28、46、80、94)相关的电参数调节到额定值，其中，将电压作为所述至少一个电参数调节到额定值，在所述导体棒与相应的相(16、18、20)的连接元件之间量取相应的相(16、18、20)的至少一个电参数的实际值。
14.根据权利要求13所述的电机，其中，第一部件的导体棒布置在软磁性的材料中。
15.一种电机，该电机具有根据权利要求6至12中任一项所述的控制***(2)并能通过根据权利要求1至5中任一项所述的方法控制。
16.根据权利要求15所述的电机，其中，第一部件的导体棒布置在软磁性的材料中。
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