CN105763127A - 高速比永磁体电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高速度比的永磁体电机，其可以排除对于永磁体电机中的齿轮箱或多个绕组的需要。因而可以省略齿轮箱或多绕组配置定子。

Description

高速比永磁体电机

相关申请的交叉引用

本申请是主张保护在2015年1月5日提交的美国临时申请号62/099,812的优先权的非临时申请。

技术领域

本公开大体而言涉及电动机，并且具体而言涉及交流永磁体电动机。

背景技术

交流电流(AC)电动机依靠通过定子内的感应绕组的交流电流来造成转子的旋转。所谓的三相交流电机包括绕定子在径向定位的三个匹配的绕组集合。通过向绕组集合中每一个供应正弦交流电力使得每个集合接收以120°偏移的交流电流，能在转子旋转时赋予大致持续的扭矩。

不同于有刷直流电机，交流电机的输出速度由发送至定子绕组的电流的频率而加以控制。为了控制输出扭矩和因此速度，可以使用变频驱动器(VFD)来改变馈送到交流电机的电流。因为定子绕组的感抗与施加到绕组的频率成比例，则必需有所增加的电压来维持绕组内相对恒定的电流，和因此相对恒定的输出扭矩直到电机的额定速度。额定速度大体上对应于额定电压(通常等于VFD的供电电压)。超过额定速度，交流电机的速度可以通过场弱化而增加，如在下文中所讨论。此控制算法通常被称作伏特/赫兹或V/Hz控制。

在某些电动机中，转子和定子都包括线圈。在这样的感应电机中，由定子线圈所感应的磁场在转子线圈内感应了电流，由于楞次定律，感应的电流在转子上造成合成扭矩，因而造成旋转。

在永磁体电机中，另一方面，转子包括一个或多个永磁体。试图与由定子中的线圈所感应的磁场对准的永磁体在转子上造成了合成扭矩。通过改变磁场的取向，因而可以导致转子旋转。在高扭矩永磁体电机中，诸如内转子永磁体电机中，多个永磁体可以定位于转子的外部上。

VFD通常使用两种控制方法之一。在伏特/赫兹控制方案中，通过以特定频率和电压向定子绕组供应交流电力，VFD改变电机的输出速度。对于给定的所希望扭矩，电压通过所谓的“电压与频率”或“伏特/赫兹”比例而与频率成比例地相关。如在本领域中所理解的，电动机的阻抗包括静态阻抗和反向电动势或反电动势。静态阻抗由绕组布置和电机构造而确定。在永磁体电机中，通过永磁体的旋转磁场在电机绕组中所感应的电流形成反电动势。因此，当电机停止时，反电动势可忽略。随着电机速度增加，反电动势同样增加，需要向电机施加额外驱动电压以便维持充分的电流通过电机绕组。在传统上，根据伏特/赫兹比例施加驱动电压，在正常操作范围，伏特/赫兹比例通常是恒定的。在这整个正常操作范围，电流保持与转子同相。在特定速度，反电动势电压达到或超过电机驱动器的输出电压能力，在这点，修改供应到电机的电流相位以便在永磁体电机中将负极性通量注入到永磁体中，有效地减小了它们的磁场和因此反电动势。通过使用闭环反馈，使用伏特/赫兹的VFD能在变化的条件下保持电机速度。这种伏特/赫兹的简单形式可以不允许进行准确扭矩控制。

随着低成本、高速度微处理器技术的快速进步，利用所谓的向量控制或场定向控制(FOC)模型的VFD已经投入使用。在FOC中，在旋转参考系中，供应到交流电机相位的电流被分解成作用于转子上的扭矩和通量分量。因此，这些分量中的每一个可以受到独立控制。供应到电机相位的电流经测量或导出并且变换为扭矩通量空间(利用例如Clarke/Park变换)，可以创建闭环反馈模型以持续地控制这些分量中每一个。处理器然后将扭矩和通量分量变换回三相电流。三相电流被馈送到三相逆变器，三相逆变器向电机中的每个绕组集合输出脉冲宽度调制信号。

在任何交流电机中，甚至在FOC下，随着永磁体电机速度增加，由固定磁场(EMF)生成的电压成比例地增加。以特定速度，由电机生成的电压超过由控制着电机的驱动器可产生的最大电压。如果希望高于这个速度操作，则必需修改施加到电机上的电流向量以维持所希望的扭矩，并且控制所述电机的终端电压到小于最大驱动输出电压的值。在这个速度范围中的控制被称作“场弱化控制”。随着电机速度增加，当场弱化时可用扭矩减小。在某些速度，可用扭矩将不足以持续电机的操作。在电机的这个最大速度与额定或基础速度即基本速度之间的比例被称作速度比。通常，永磁体电机可以实现3:1的速度比，感应电机可以实现5:1的比例，但典型电动机可以实现介于2:1与3:1之间的速度比。

发明内容

本公开提供一种用于操作一件由旋转动力加以驱动的设备的方法。该方法可包括：将永磁体交流电机联接到该件设备的轴上。所述轴可以适于直接由永磁体交流电机旋转。永磁体交流电机可以包括定子和转子。转子可包括定位于其上的永磁体。该方法可包括：将交流电流供应到定子。该方法可包括使所述轴旋转。该方法可包括在由永磁体所形成的磁通量的相反方向上注入直流电流并且弱化永磁体的磁场。该方法可包括：基于永磁体交流电机的速度比而将永磁体交流电机的速度增加到最大速度，速度比被定义为在最大速度与额定速度之间的比例，额定速度对应于永磁体交流电机的额定电压。

附图说明

当借助于附图进行阅读时，从下文的详细描述，最好地理解本公开。应当强调的是根据行业中的标准做法，各种特点未按照比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，各种特征的尺寸可任意增加或减小。

图1描绘了受VFD控制的三相永磁体交流电机的框图。

图2描绘了与本公开的实施例一致的永磁体交流电机的截面视图。

具体实施方式

应了解下文的公开提供了许多不同实施例，或示例，用于实施各种实施例的不同特征。在下文中描述了部件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些只是示例并且并非预期是进行限制。此外，本公开可以在各种示例中重复使用附图标记数字和/或字母。这些重复只是为了简化和清楚目的，并且本身并不决定在所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

图1描绘了由VFD20加以控制的三相交流电机10的框图。VFD20可以被定位成用以响应于输入参数22而向交流电机10的定子绕组(未图示)输出三相交流电。输入参数22是扭矩需求、速度需求和最大驱动电压中的至少一个。

在永磁体电机的情况下，由如下的模型电压方程式来定义电流、通量、电压与速度的相互作用：

${\underset{\‾}{v}}_s-R_s.{\underset{\‾}{i}}_s+l_s.{\underset{\‾}{\stackrel{\·}{i}}}_s+{\mathrm{j\ω}}_0{l}_s.{\underset{\‾}{i}}_s+{\underset{\‾}{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}}_r+{\mathrm{j\ω}}_0.{\underset{\‾}{\mathrm{\φ}}}_r,$

其中v _s是定子电压向量，R_s是定子电阻，i _s是定子电流向量，l_s是定子漏电感，φ _r是总转子通量向量，并且ω₀是由下式给出的同步频率

ω₀＝P_p×ω_r,

其中P_p是每个相位的极对数，并且ω_r是转子速度。总转子通量φ _r可以由下式给出：

${\underset{\‾}{\mathrm{\φ}}}_r={\underset{\‾}{\mathrm{\φ}}}_{pm}+{\underset{\‾}{L}}_m.{\underset{\‾}{i}}_s,$

其中φ _pm是永磁体通量(选择参考系从而使得永磁体通量完全真实)，并且L _m是定子-转子互感。如在方程中使用的“_”表示向量并且“·”运算符是一阶时间导数。

将通量方程式代入到电压方程式中，并且定义φ _m为完全真实的(直接或d轴线)，电压方程式计算为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s+{\mathrm{pL}}_d& -{\mathrm{\ω}}_0{L}_q\\ {\mathrm{\ω}}_0{L}_d& R_s+{\mathrm{pL}}_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\Φ}}_m\end{array}\right],$

其中p是d/dt运算符，L_d是在d轴线上的总电感，L_q是正交轴线或q轴线上的总电感，每个由下式给出：

L_d＝(l_s+L_dm)

L_d＝(l_s+L_qm),

其中L_dm是L _m的d轴线分量，并且L_qm是L _m的q轴线分量。

可以由下式来描述电机所供应的扭矩：

T_e＝3P_P(φ _r×i _s)，

从φ _m的完全真实的定义，其可以表达为：T_e＝3P_p(φ_m.i_q+(L _d -L _q )i _d .i _q )。

因而，速度可以由下式表达：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{1}{(J_m+J_L)}(T_e-T_m({\mathrm{\ω}}_r)-T_L({\mathrm{\ω}}_r\left)\right),$

其中J_m和J_L分别是电机和负荷惯量，T_m(ω_r)是根据速度的电机损失扭矩，并且T_L(ω_r)是根据速度的负荷扭矩。

因而可将电压和通量方程组合到以下扩展的状态-空间格式：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_d\\ {\stackrel{\·}{i}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left(\frac{-R_s}{L_d}\right)& \left({\mathrm{\ω}}_0\frac{L_d}{L_q}\right)\\ (-{\mathrm{\ω}}_0\frac{L_d}{L_q})& \left(\frac{-R_s}{L_d}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\left(\frac{V_d}{L_d}\right)\\ \left(\frac{V_q-{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\φ}}_m}{L_q}\right)\end{array}\right].$

在本公开的某些实施例中，交流电机10可以是永磁体电机，其用来通过由电机的输出轴所提供的旋转动力来向另一件设备供电。举例而言并且无限制意义，图2描绘了绞车101。受益于本公开的本领域普通技术人员将了解到绞车101可以被旋转动力所驱动的任何其它件设备加以替换。

绞车101定位于表面30上。在某些实施例中，举例而言但并无限制意义，表面30可以是绞车101所用于的钻机的甲板。在其它实施例中，表面30可以是底盘(undercarriage)、框架或滑橇，绞车101定位于其上。

绞车101可以包括转筒103。转筒103可以适于具有起重绳索105，起重绳索105围绕转筒103缠绕，并且随着转筒103旋转，根据转筒103的旋转方向，绞进或放出起重绳索105。

在某些实施例中，绞车101可以包括一个或多个电动机。在如图1、图2所描绘的某些实施例中，单个电动机107可以联接到转筒103。在某些实施例中，绞车101可以包括定位于转筒103的每一端上的一个或多个电动机。在某些实施例中，电动机107可以包括电机外壳109、定子111和转子113。如受益于本公开的本领域技术人员所了解的，转子113和定子111可以位于电机外壳109内。

在某些实施例中，如图2所描绘，转子113可以定位于定子111内，即内转子电动机。定子111可以固定到电机外壳109的内壁。定子111可以绕电机外壳109的圆柱形内部延伸。定子111可以包括绕定子111的内表面而定位的丝线的线圈。定子111的线圈可以定位成当交流电施加到定子111的线圈上时，向其内部感应持续旋转的电磁场。在某些实施例中，其中电动机107是永磁体电机，电磁场可以与包括于转子113中的永磁体的永磁场相互作用，因而旋转转子113。

在未图示的其它实施例中，受益于本公开的本领域普通技术人员将了解到转子113可以定位于定子111外侧，外转子电动机。因而线圈可以定位于定子111的外表面上。在某些这样的实施例中，转子113可以形成为绕定子111定位的转筒103的部分。

转子113可以联接到轴115。在某些实施例中，如在图2中所描绘，转子113可以大体上为管状构件，且其中所述轴115至少部分地伸入到其内部。在某些实施例中，如在图2中所描绘，轴115可以联接到转子113和转筒103二者。在其它实施例中，轴115可以由多个轴部件构成。例如，轴115可以包括通过诸如但不限于凸缘联接件这样的刚性联接件而联接到转筒轴上的电机轴。凸缘联接器可以如本领域中所理解的那样，适于将电机轴和转筒轴联结成单个连续轴115，单个连续轴115适于由转子113旋转，因为转子113由电动机107旋转，并且因而旋转转筒103。

在某些实施例中，电动机107可以被配置成使得，在场弱化方案中，电动机107可以实现介于2:1与20:1之间的速度比。在某些实施例中，电动机107可以实现介于6:1与15:1之间的速度比。在某些实施例中，电动机107可以实现介于8:1与12:1之间的速度比。在某些实施例中，电动机107可以实现通常为10:1的速度比。在某些实施例中，可以通过修改永磁体的布置，改变介于转子113与定子111之间的距离(“空气间隙”)，修改定子111的绕组布置、或其组合，来修改电动机107的部件的布置。因为通过将直流电流(DC)注入于由永磁体所形成的磁通量的相反方向上以抵消(弱化)永磁场而实现了PM电机的场弱化，则空气间隙的修改、永磁体的布置、或绕组布置可以允许注入更高的直流电流。因而，使永磁场中的较多部分发生弱化，允许实现减小的反电动势。因而，需要更少的电压来维持充分的电位差以驱动交流电流通过定子绕组，且由此扩展速度范围。

通过利用具有高速度比的电动机107，则可以不必需在电机与被驱动设备之间的额外部件诸如齿轮箱或变速箱。此外，电动机107可以在不包括定子111中的可配置或多个绕组集合的情况下操作。例如，如本领域中所理解的那样，三相电机可以具有被布置成Y(Wye)或△(delta)配置的绕组。此外，在这些相位中每一个相位中的每个极处的绕组可以并联或串联。在某些电机中，使用复杂的切换设备或多个绕组集合来允许重新配置所述电机。在本公开的实施例中，由于电动机107以由扩展场弱化范围所实现的高速度比进行操作的能力，可能不必需这种切换。省略多个绕组集合、切换设备、和齿轮箱的能力可以例如但不限于：减小电动机107和其中安装有所述电动机107的设备的重量、成本和复杂性。此外，当用于不利条件下时，诸如存在易燃或易爆气体或液体的情况下，没有电切换设备可能增加设备的安全性。

前文概述了若干实施例的特征从而使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的方面。这些特征可以被许多等效替代特征中的任何特征所替换，仅在本文中公开了其中的某些。本领域普通技术人员应了解到他们可以容易地将本发明用作基础来用于设计或修改其它过程和结构以执行相同目的和/或实现本文所介绍的实施例的相同优点。本领域普通技术人员也应认识到，这些等效的构造并不偏离本公开的精神和范围，并且它们能对本公开做出变化、替代和更改而不偏离本公开的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于操作一件由旋转动力驱动的设备的方法，其包括：

将永磁体交流电机联接到该件设备的轴，所述轴适于直接由所述永磁体交流电机旋转，所述永磁体交流电机包括定子和转子，所述转子具有定位于其上的永磁体；

将交流电流供应到所述定子；

使所述轴旋转；

在由所述永磁体形成的磁通量的相反方向上注入直流电流并且弱化所述永磁体的磁场；以及

基于所述永磁体交流电机的速度比将所述永磁体交流电机的速度增加到最大速度，所述速度比定义为所述最大速度与额定速度之间的比例，所述额定速度对应于所述永磁体交流电机的额定电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度比介于2:1与20:1之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度比介于6:1与15:1之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度比介于8:1与12:1之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述速度比大致为10:1。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，永磁体交流电机包括：定子，其具有一个或多个绕组；以及，转子，所述转子具有固定于其上的一个或多个永磁体并且适于响应于由所述定子的所述绕组感应的旋转电场而旋转。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述转子与所述定子之间的距离限定空气间隙，在所述转子中的所述永磁体电机的布置限定永磁体布置，并且所述定子的绕组的布置限定绕组布置。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过改变所述空气间隙、所述永磁体布置、或所述绕组布置中的一个或多个，来确定所述永磁体交流电机的速度比。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述设备为绞车，所述绞车包括绞盘，所述绞盘通过联接到所述转子的轴而联接到所述永磁体交流电机。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述绞盘直接联接到所述永磁体交流电机，且它们之间无齿轮箱。

11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述定子的所述绕组联接到电机驱动器，所述电机驱动器适于向所述定子的所述绕组的每个相提供电流。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述电机驱动器与所述定子绕组之间的互连并未重新配置。

13.根据权利要求6所述的方法，其中，所述定子包括单个绕组集合。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设备是绞车、顶部驱动器或泥浆泵。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述轴包括多个轴部件。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述轴包括刚性联接器。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述设备是绞车，所述绞车包括联接到所述轴上的转筒。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包括：将第二永磁体交流电机联接到所述转筒。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述永磁体交流电机定位于所述转筒的任一端上。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，由变频驱动器向所述永磁体交流电机供应所述交流电流和直流电流。