主動磁軸承控制器的制作方法

本公開總體上涉及主動磁軸承（amb）。更具體地，本發明涉及具有改進構造的amb控制器的功率放大器，該改進構造減少了功率半導體部件和分離的電流傳感器的數量。

背景技術：

三相感應馬達已經被廣泛地認為是許多工業應用的主力。存在用于不同速度范圍的電動馬達。高速操作范圍呈現優于通過直接50/60hz電源頻率可能的速度范圍的某些優點。增加額定速度是增加功率密度和效率的有效方式。高速馬達的感興趣的操作領域是其中齒輪箱和標準馬達能夠被直接驅動的高速馬達替代的應用。

電機的轉子通常被多個軸承支撐。在一些情況下，諸如高速轉子操作，有益的是使用amb來代替傳統的機械軸承。amb通過產生受控的磁通量來支撐轉子軸，所述磁通量在轉子上施加力來維持期望的轉子軸位置。amb被磁軸承控制器控制。現有的磁軸承控制器具有大量不足和缺點。存在仍未滿足的需求，包括降低硬件復雜性、減少開關損耗和增加可靠性。例如，一些磁軸承控制器需要大量開關以便逐步降低輸入電壓并且將功率提供到磁軸承的繞組對。在另一示例中，一些磁軸承控制器需要分離的電流傳感器來計算適當量的磁通量以提供到磁軸承繞組。對于本文中公開的獨特的裝備、方法、系統和技術存在重大需求。

技術實現要素：

為了清楚、簡明且準確地描述本公開的非限制示例性實施例、制造和使用本公開的方式和過程的目的，以及為了使本公開能夠實踐、制造和使用，現在將參考某些示例性實施例，包括附圖中所示的那些，并且特定語言將用于描述本公開。無論如何將理解，不因此對本公開的范圍產生限制，并且本公開包括并保護如本領域一名技術人員在本公開啟示下將意識到的對示例性實施例的那些改變、修改和另外的應用。

示例性實施例包括用于主動磁軸承控制器的獨特的系統、方法、技術和裝備。本公開的另外的實施例、形式、目的、特征、優點、方法和益處將從下述描述和附圖中顯而易見。

根據本申請，具有基本相等的電壓水平的對稱雙電平中間dc電路電壓被用作amb功率放大器（其也被稱為磁驅動器）的電源，并且繞組電流負載在電壓半部（voltagehalves）之間盡可能均勻地被共享。在布置中，每個繞組的一端被連接到dc電路中間點，其使得能夠且有利于通過被置于該電勢的低成本的分流電阻器感測電流。

根據本申請的實施例，功率放大器被成對布置，以便每對均包括上側功率放大器和下側功率放大器，使得繞組電流負載盡可能均勻。

根據本申請的控制方法，每對中的上側和下側功率放大器被控制成使得輸出電壓脈沖的尖銳邊緣盡可能同時且指向相反，從而最小化通過雜散電容進入環境中的電容電流和并且因此最小化來自系統的高頻發射。相等負載的功率放大器對布置和用于相反指向的電壓脈沖的控制方法也最小化dc鏈路平流電容器的電流紋波，因此延長其壽命。

根據本申請的實施例，額外的功率放大器可以被用于保持dc電路半部的電壓處于平衡。

附圖說明

圖1示出了示例性主動磁軸承（amb）控制器。

圖2示出另一示例性amb控制器。

圖3示出示例性amb布置。

圖4示出由示例性amb布置圍繞的轉子軸的兩個橫截面。

圖5是示出示例性激活信號的圖表。

圖6示出用于圖1和圖2的amb控制器的示例性電壓平衡電路。

具體實施方式

參考圖1，示出了主動磁軸承（amb）系統100。將意識到，系統100可以在各種應用中被實現，包括空氣壓縮機、飛輪、渦輪機和泵送系統，這里僅列出一些示例。

系統100包括功率轉換器（powerconverter）110和多個磁軸承繞組對140。轉換器110包括被構造成從dc電源（未示出）的正極接收功率的正dc總線軌111a和被構造成從dc電源的負極接收功率的負dc總線軌111b。在軌111a和111b之間的電壓差是vdc。電容器113被電聯接到正dc總線軌111a和中點連接117。電容器115被電聯接到中點連接117和負dc總線軌111b。電容器113和115具有基本相等的大小，使得每個電容器113和115兩端的電壓是vdc的一半并且在中點連接117處的電壓是0v。

轉換器110還包括第一支線（leg），其具有被電聯接在正dc總線軌111a和輸出節點123之間的半導體開關裝置119，以及被電聯接在輸出節點123和dc總線軌111b之間的二極管121。在某些實施例中，半導體開關裝置119是絕緣柵雙極型晶體管、金屬-氧化物-半導體場效應晶體管。將意識到，半導體開關裝置119的任一或所有前述特征也可以存在于本文中公開的其他半導體開關裝置中。

轉換器110進一步包括第二支線，其具有被電聯接在正dc總線軌111a和輸出節點129之間的二極管125，以及被電聯接在輸出節點129和負dc總線軌111b之間的半導體開關裝置127。

轉換器110進一步包括被構造成觀察電流的一對傳感器131和133。在一個實施例中，傳感器131和133是被構造成獲取一系列電流測量值并傳送電流測量值的分流電阻器。

多個磁性軸承繞組對140包括第一繞組對141和第二繞組對143。繞組對141包括被串聯電聯接在輸出節點123和傳感器131之間的兩個amb繞組。繞組對143包括被電聯接在傳感器133和輸出節點129之間的兩個amb繞組。輸出節點123因此借助于繞組對141被電聯接到中點連接117，并且輸出節點129借助于繞組對143被電聯接到中點連接117。在某些實施例中，單個磁軸承繞組可以用來代替繞組對141或者143。

轉換器110進一步包括被電聯接到開關裝置119和127及傳感器131和133的開關控制器150。控制器150被構造成通過將多個激活信號傳送到開關裝置119和127以打開和閉合裝置119和127來控制開關裝置119和127以便向繞組對141和143提供基本同相功率。控制器150被構造成從傳感器131和133接收電流測量值。

雖然之后描述的實施例沒有具體描述類似于系統100的特征的特征，但是這樣的特征可以結合所述系統被使用。

參考圖2，示出了示例性amb系統200。系統200包括dc電源210。在所示實施例中，dc電源210包括整流器213，其被電聯接到具有正軌211a和負軌211b的dc總線。dc電源210還包括ac線路215，其被電聯接到ac電源（未示出）。整流器213被構造成借助于ac線路215從ac電源接收功率、將ac功率轉換成具有電壓vdc的dc功率并且將dc功率提供給dc總線的正軌211a和負軌211b。在其他實施例中，dc電源210是電池組、燃料電池、光電池陣列或者dc配電網。

系統200進一步包括被電聯接到正軌211a和負軌211b的功率因數補償（pfc）電路220。pfc電路220被構造成從正軌211a和負軌211b接收功率，并且調整系統200中實際功率與無功功率的比率。pfc電路220包括被電聯接在正軌211a和負軌211b之間的半導體開關裝置221。pfc電路220還包括被電聯接到正軌211a的電容器225和被電聯接到負軌211b的電容器227，電容器225和227在中點連接229處被電聯接在一起。在正軌211a上，在正軌上電聯接到半導體開關裝置221和電容器225的點之間，二極管被電聯接到正軌，二極管223被構造成限制電流在正軌221a上朝向dc電源210流動。

系統200進一步包括磁驅動器電路230，其被電聯接到正軌211a和負軌211b并且被構造成借助于正軌211a和負軌211b從dc電源210接收dc功率。電路230包括第一支線，其具有被電聯接到正軌211a的半導體開關裝置231。第一支線還包括二極管233，其被電聯接到負軌211b且還借助于輸出節點235被電聯接到半導體開關裝置231。電路230還包括第二支線，其具有被電聯接到正軌211a的二極管237和被電聯接到負軌211b的半導體開關裝置239。二極管237借助于輸出節點241被電聯接到半導體開關裝置239。

磁驅動器電路230還包括兩個傳感器243和245，其中的每個均被構造成測量電流。兩個傳感器243和245均被電聯接到中點連接229。

系統200包括多個輸出250，其被構造成向磁軸承繞組提供功率，該功率具有在0v和vdc的一半之間的電壓差。所述多個輸出250包括dc總線輸出線路251a-251c和磁軸承連接線路253、255、257和259。dc總線輸出線路251a被電聯接在正軌和具有類似于磁驅動器電路230的特征的多個附加磁驅動器電路（未示出）之間。dc總線輸出線路251b被電聯接在中點連接229和所述多個附加磁驅動器電路之間。dc總線輸出線路251c被電聯接在負軌211b和所述多個附加磁驅動器電路之間。例如，dc總線輸出線路251a-251c被聯接到四個附加磁驅動器電路，每個磁驅動器電路均具有兩個支線，每個支線均與輸出節點通過獨特的磁軸承繞組被電聯接到中點連接229。

所述多個輸出250還包括磁軸承連接線路253、255、257和259，其被構造成將功率從磁驅動器電路230提供到多個軸承繞組260，包括軸承繞組261、263、265和267。具體地，線路253被電聯接在輸出節點235和軸承繞組261之間。線路255被電聯接在傳感器243和繞組263之間。線路257被電聯接在傳感器245和繞組265之間。線路259被電聯接在輸出節點241和繞組267之間。

如下文更詳細討論的，所示軸承繞組被構造成成對操作。例如，繞組261和263被電聯接在一起并且形成一個繞組對，并且繞組265和267被電聯接在一起并且形成第二繞組對。在其他實施例中，繞組對被單個繞組替代。

系統200進一步包括被電聯接到半導體開關裝置221、231和239的開關控制器270。控制器270被構造成控制半導體開關裝置231和239以便向繞組對261和263及繞組對265和267提供基本同相功率。開關控制器270也被構造成通過操作開關裝置221執行功率因數補償操作。控制器270通過傳送激活信號至相應裝置來操作開關裝置221、231和239以便打開和閉合裝置。

雖然之后描述的實施例可能沒有具體描述類似于系統200的特征的特征，但是這樣的特征可以結合所述系統被使用。

參考圖3，示出了具有示例性磁軸承布置310的轉子布置300，該磁軸承布置310被構造成使轉子301懸空并支撐轉子301。布置300包括轉子301，其借助于左側軸303被機械聯接到第一級305。轉子301借助于右側軸307被機械聯接到第二級309。磁軸承布置310被構造成通過向轉子301選擇性地施加磁力來減少轉子的軸向運動，并且被構造成通過在左側軸303和右側軸307上選擇性地施加磁力來減少轉子的徑向運動。具體地，布置310包括左側徑向磁軸承311、軸向磁軸承313和323，以及右側徑向磁軸承321。

參考圖4（a）和（b），示出了一對示例性徑向磁軸承布置400，諸如圖3的左側徑向磁軸承311和右側磁徑向軸承321。圖4（a）示出了圍繞轉子軸401的第一徑向磁軸承410，其包括分別繞多個定子齒413a-413h纏繞的多個繞組411a-411h。繞組411a-h被電聯接成四對。具體地，繞組411a被電聯接到繞組411b；繞組411c被電聯接到繞組411d；繞組411e被電聯接到繞組411f；并且繞組411g被電聯接到繞組411h。當被電聯接到電源時，每個繞組對均被構造成產生磁通量，該磁通量在轉子軸401上施加力，該力與提供給繞組對的電流成比例。繞組411a和411b被構造成產生磁通量415；繞組411c和411d被構造成產生磁通量417；繞組411e和411f被構造成產生磁通量419；并且繞組411g和411h被構造成產生磁通量421。重要的是注意到磁通量415是與磁通量419相反的力并且磁通量417是與磁通量421相反的力。軸401相對于繞組411a-411h的位置由磁通量415、417、419和421的和來確定。

圖4（b）示出了圍繞轉子軸403的第二徑向磁軸承430，其包括分別繞多個定子齒433a-433h纏繞的多個繞組431a-431h。繞組431a-h被電聯接成四對。具體地，繞組431a被電聯接到繞組431b；繞組431c被電聯接到繞組431d；繞組431e被電聯接到繞組431f；并且繞組431g被電聯接到繞組431h。當被電聯接到電源時，每對均被構造成產生磁通量，該磁通量在轉子軸403上施加力。繞組431a和431b被構造成產生磁通量435；繞組431c和431d被構造成產生磁通量437；繞組431e和431f被構造成產生磁通量439；并且繞組431g和431h被構造成產生磁通量441。重要的是注意到磁通量435是與磁通量439相反的力并且磁通量437是與磁通量441相反的力。軸403相對于定子繞組431a-431h的位置由磁通量435、437、439和441的和來確定。

參考圖5，是示出由開關控制器產生的示例性激活信號的圖表500，該開關控制器諸如是圖1和圖2的開關控制器150和270。圖表500示出了兩個激活信號，即信號501和503，每個均具有有效高分量（component）和無效低分量。圖表500還示出了電壓測量值513和515的兩個系列，電壓測量值的每個系列均具有高電壓和低電壓。信號和電壓關于時間t示出，時間t包括時間瞬時505、507和509，其中，在時間瞬時505和509之間的時間間隔是時間間隔511。時間間隔511表示激活信號501的一個循環。在某些實施例中，激活信號501和503的有效高分量相對于激活信號501和503的無效低分量的長度可以被縮短或增長。如圖表500在時間瞬時505、507和509處所示，激活信號501和503基本同相。如圖表500所示，電壓513對應于點123處的電壓并且電壓515對應于點129處的電壓。

繼續參考圖1至圖5，當開關控制器150將信號501傳送到開關裝置119并將信號503傳送到開關裝置127時，向繞組對141和143提供基本同相的功率。被提供給繞組對141和143的功率基本同相，以便減少通過電容器113和115的高頻電流紋波，以及減少通過雜散電容的高頻電流，從而最小化來自系統100的高頻發射。開關控制器150被構造成使用從傳感器131和133接收的測量值來計算每個激活信號的循環周期和有效高分量的長度，諸如激活信號501的時間間隔511。例如，如果傳感器131指示繞組對141中的低電流值，則能夠通過增加激活信號501的有效高分量的相對長度來提升電流水平。

在時間瞬時505，開關控制器150被構造成將有效高信號501傳送到開關裝置119，從而導致裝置119閉合并連接繞組對141兩端的電容器113電壓，從而產生通過繞組對141的具有增加的斜率的電流。以對應方式，在時間瞬時507，開關控制器150被構造成將無效低信號501傳送到開關裝置119，從而導致裝置119打開。借助于裝置119流動通過電感繞組對141的電流被中斷，并且電流開始借助于二極管121流動通過繞組對141。電容器115電壓連接在繞組對141兩端，從而現在產生流動通過繞組對141的具有下降斜率的電流。由開關控制器150傳送的用于控制開關裝置127的信號503的正時與信號501的正時基本同相，與其區別僅在于流動通過繞組對143的電流的控制所需要的程度。

控制器150被構造成將有效高信號基本同時傳送到開關裝置119和127，使得輸出節點123和129的電勢階躍（如由測量值513和515表示）基本同時發生但是方向相反，這導致在磁軸承的繞組中及其連接線路（圖2中的253和259）中通過雜散電容的電容電流相互抵消，從而減少從amb系統發射到環境的高頻噪聲。

繼續參考圖1和圖4，被聯接到轉換器110的繞組對可以被選擇成使得由每個繞組對所產生的通量是與第二繞組對相反的力。例如，當轉子被豎直布置時，繞組對141可以是繞組411a和411b，同時繞組對143可以是繞組411e和411f。繼續參考圖1和圖3，在另一示例中，當轉子301被水平布置時，繞組對141可以是左側軸向磁軸承313并且繞組對143可以是右側軸向磁軸承323。

被聯接到轉換器110的繞組對也可以被選擇成使得每個繞組的功率需求是相等的。例如，繼續參考圖1和圖4，當轉子被水平布置使得繞組411c-411f必須支撐轉子的重量時，繞組對141可以是繞組411c和411d，同時繞組對143可以是繞組411e和411f。

參考圖6，其示出了被構造成維持中性點電壓的示例性amb控制器電路600。當被傳送到兩個獨特的繞組對（諸如圖1的繞組對141和143）的電流不相等時，主動電壓平衡可能是必要的。電路600包括dc總線正軌601a和dc總線負軌601b，兩個軌601a和601b均被電聯接到dc電源（未示出）。電容器603與電容器605串聯電聯接在正軌601a和負軌601b之間。電容器603和605在中點連接607處被電聯接。電路600還包括被電聯接在正軌601a和負軌601b之間的第一支線，其具有半導體開關裝置609和二極管611，其中支線節點613在第一支線上位于半導體開關裝置609和二極管611之間。電路600還包括被電聯接在正軌601a和負軌601b之間的第二支線，其具有二極管617和半導體開關裝置619，其中支線節點621在第二支線上位于二極管617和半導體開關裝置619之間。支線節點613和621經由電感部件615被連接到電容器中點連接607。控制器600包括開關控制器623，其被構造成控制開關裝置609和619，以便平衡電容器603和605兩端的電壓，使得中點連接607是中性點。

主動平衡功能的實施方式基于通過控制開關裝置609和619在電容器603和605之間傳遞電荷脈沖。在平衡情況下，從控制器623傳送到開關裝置609和619的兩個控制信號均處于無效低狀態。在其中電容器603的電壓趨于上升到高于電容器605的電壓的示例性情況下，控制器623將有效高信號傳送到開關裝置609，從而導致其閉合并連接在電感器615兩端的電容器603電壓。因此電感器615電流開始上升并且電容器603電壓開始減小。在下一步驟中，控制器623將無效低信號傳送到開關裝置609，從而導致其打開。電感器615的感應電流現在轉為經由二極管611流動，這意味著電容器605連接在電感器615兩端，從而開始減小其電流。只要電感器615電流在這種情況下流動，其就給電容器605充電，從而朝向平衡電壓狀態增加其電壓。在另一電壓不平衡中，即，電容器605電壓趨于上升到高于電容器603電壓，用于平衡的措施對應于上述，差別在于開關裝置619被控制以將電荷脈沖從電容器605傳遞到電容器603。在某些實施例中，電路600與圖1的系統100結合，使得電容器113是電容器603并且電容器115是電容器605。

預期可以在任何其他實施例中使用來自各種實施例的各個方面、特征、過程和操作，除非有明確相反陳述。所示的某些操作可以由執行非瞬態計算機可讀存儲介質上的計算機程序產品的計算機來實施，其中，計算機程序產品包括導致計算機執行一個或多個操作或向其他裝置發出命令以執行一個或多個操作的指令。

雖然已經在附圖和前述描述中詳細示出并描述了本公開，但是本公開將被認為本質上是說明性的而非限制性的，應該理解的是雖然僅已示出并描述了某些示例性實施例，但是期望保護落入本公開的精神內的所有改型和修改。應該理解，雖然詞（諸如在上面的說明書中利用的可優選的、優選地、優選的或更優選的）的使用表明所描述的特征可能是更期望的，但是其可不是必要的并且缺少其的實施例也可以被看作在本公開的范圍內，所述范圍由隨附權利要求限定。在閱讀權利要求時，預期在使用詞諸如“一”、“一個”、“至少一個”或“至少一部分”時，不旨在將權利要求限制到僅一個物品，除非權利要求中有明確的相反陳述。當使用語言“至少一部分”和/或“一部分”時，物品能夠包括一部分和/或整個物品，除非有明確的相反陳述。