具有可忽略的共模電壓的六相電動機器的驅動和控制的制作方法

發明領域

本文公開的主題總體上涉及電梯領域，并且更具體地說涉及一種多轎廂無繩電梯系統。

背景技術：

無繩電梯系統(又被稱為自推進電梯系統)可用于某些應用(例如，高層建筑)中，其中用于繩索式系統的大量繩索是禁止的，并且希望多個電梯轎廂在單一行道中行進。存在無繩電梯系統，其中第一行道被指定用于上行電梯轎廂，并且第二行道被指定用于下行電梯轎廂。在井道的每端處的中轉站用于在第一行道與第二行道之間水平地移動轎廂。

技術實現要素：

根據本發明的一個實施方案，電機和驅動器系統包括至少一個直流電源；六相逆變器，所述六相逆變器在至少一個直流電源的正電源與負電源之間切換；以及六相機器，所述六相機器包括六相繞組，所述六相繞組被分為至少兩個繞組組，所述至少兩個繞組組被配置來在至少兩個繞組組上產生零共模脈沖寬度調制。

在以上實施方案中，或在替代方案中，共模噪聲可以在零共模脈沖寬度調制期間通過六相機器的六相繞組傳導經過至少一個寄生電容器直至地面。

在以上實施方案中，或在替代方案中，六相繞組可以按60度的空間差異分布。

在以上實施方案中，或在替代方案中，每個繞組組可以形成相移為120°的三相機器。

在以上實施方案中，或在替代方案中，六相繞組可以包括至少兩個單獨的中性連接，其中最大調制指數接近于1.15。

在以上實施方案中，或在替代方案中，介于繞組與地面之間的寄生電容在共同的中性連接中可以被建模為一個共模電容器，或在兩個單獨的中性連接中被建模為兩個等同或基本上等同的共模電容器。

在以上實施方案中，或在替代方案中，六相繞組可以包括共同的中性連接，其中最大調制指數為1。

在以上實施方案中，或在替代方案中，至少一個寄生電容器可以是從共同的中性連接聚集共模電容的單一寄生共模電容器。

在以上實施方案中，或在替代方案中，電機和驅動器系統還可以包括六相電源轉換器，所述六相電源轉換器被配置來驅動電機和驅動器系統，其中六相電源轉換器包括含有兩個開關的一個相腳，所述兩個開關連接至六相繞組的一個相。

在以上實施方案中，或在替代方案中，六相電源轉換器可以包括十二個開關。

在以上實施方案中，或在替代方案中，六相電源轉換器的切換模式可以是針對至少兩個繞組組進行布置。

在以上實施方案中，或在替代方案中，切換模式的切換動作對于至少兩個繞組組來說可以是互補的以將共模電壓維持為零。

在以上實施方案中，或在替代方案中，切換模式可以通過以下方式來產生：當對至少兩個繞組組的第二組產生切換動作時，將至少兩個繞組組的第一組的占空比和載波反轉。

在以上實施方案中，或在替代方案中，任一前述權利要求所述的電機和驅動器系統可以被包括在無繩電梯系統中。

在以上實施方案中，或在替代方案中，方法包括：通過電機和驅動器系統的六相逆變器而在至少一個直流電源的正電源與負電源之間切換；以及根據由六相逆變器所進行的切換，通過六相機器而在至少兩個繞組組上實現零共模脈沖寬度調制，所述六相機器包括六相繞組，所述六相繞組被分為至少兩個繞組組。

通過本公開的技術來實現附加特征和優點。本文詳細描述了本公開的其他實施方案和方面。為了更好地理解本公開以及優點和特征，請參考說明書和附圖。

附圖簡述

在說明書結尾處的權利要求書中具體指出并明確主張了被視為是本發明的主題。本發明的前述和其他特征及優點根據以下結合附圖進行的具體實施方式將變得顯而易見，在附圖中：

圖1展示示例性實施方案中的多轎廂電梯系統；

圖2示出根據本發明的實施方案的六相機器繞組配置；

圖3示出根據本發明的實施方案的具有六相機器的六相電壓源逆變器；

圖4示出根據本發明的另一個實施方案的具有六相機器的另一個六相電壓源逆變器；

圖5示出根據本發明的實施方案的六相機器空間中的繞組的配置；

圖6示出根據本發明的實施方案的逆變器相組的電壓矢量；

圖7示出根據本發明的實施方案的六相電機驅動器的脈沖寬度調制產生；并且

圖8展示示例性實施方案中的線性推進系統的驅動器以及主要部分和輔助部分的區段。

詳細說明

圖1展示示例性實施方案中的多轎廂無繩電梯系統10。電梯系統10包括井道11，所述井道具有多個行道13、15和17。雖然圖1中示出了三個行道，但是應理解，實施方案可以與具有任何數目的行道的多轎廂無繩電梯系統一起使用。在每個行道13、15、17中，轎廂14在一個方向上行進，即上行或下行。例如，在圖1中，轎廂14在行道13和15中上行，并且轎廂14在行道17中下行。一個或多個轎廂14可以在單一行道13、15和17中行進。

頂樓之上的是上部中轉站30，所述上部中轉站用于將水平運動賦予電梯轎廂14以使電梯轎廂14在行道13、15與17之間移動。應理解，除了頂樓之上，上部中轉站30還可以位于頂樓。一樓之下的是下部中轉站32，所述下部中轉站用于將水平運動賦予電梯轎廂14以使電梯轎廂14在行道13、15與17之間移動。應理解，除了一樓之下，下部中轉站32還可以位于一樓。雖然圖1未示出，但是一個或多個中間中轉站可以用在一樓與頂樓之間。中間中轉站類似于上部中轉站30和下部中轉站32。

轎廂14使用電機和驅動器系統(例如，線性電機系統)來推進，所述電機和驅動器系統具有主要固定部分16和輔助移動部分18。主要部分16包括安裝在行道13、15和17的一側或兩側上的繞組或線圈。輔助部分18包括安裝在轎廂14的一側或兩側上的永磁體。主要部分16供應有驅動信號以控制轎廂14在其相應的行道中的移動。

無繩電梯系統的線性電機系統可以采用電力電子器件逆變器(例如，作為變速交流驅動(ac)電機驅動器)，以提高線性電機系統的性能。然而，電力電子器件裝置在電機驅動器中的切換存在固有的電磁干擾(emi)問題。一般而言，emi噪聲可以分為兩大類：差模(dm)噪聲和共模(cm)噪聲。dm噪聲在各相之間傳導。cm噪聲一起通過所有相傳導經過寄生電容器直至地面。cm噪聲是電機驅動器的嚴重問題，因為cm噪聲會增加電機驅動器中的emi，并且損壞電機軸承和繞組絕緣。不幸的是，諸如添加cm濾波器來使cm噪聲衰減的解決方案在無繩電梯系統10的線性電機系統中是不可行的，這是因為每個cm濾波器的大權重懲罰會顯著增加。

鑒于上文，本發明的實施方案闡述了一種用于具有可忽略的cm電壓的六相機器的驅動器和電機系統和/或方法。六相機器包括六相繞組。圖2示出了六相機器繞組配置200a、200b，其中六相繞組以60度的空間差異分布。在兩種配置中，六相繞組被分為至少兩組：第一組為a1-b1-c1，并且第二組為a2-b2-c2。每個繞組組形成相移為120°的三相機器。

另外，驅動器和電機系統的實施方案可以利用具有單獨的中性連接或共同的中性連接的六相機器，其中對于單獨的中性連接，最大調制指數可以接近于1.15(例如，其中精確值為2/sqrt(3))，并且對于共同的中性連接，最大調制指數可以接近于1。例如，在第一配置200a中，兩個繞組組的兩個中性點n1、n2可以是分開的。在第二配置200b中，兩個繞組組的中性點連接于中性點n3處。

六相機器還與六相逆變器電聯通。一般而言，為了產生零cm脈沖寬度調制(pwm)，可以對第一組相計算空間矢量組合，并且將其基本上或直接匹配至第二組相的互補電壓矢量。應注意，在針對兩個繞組組產生零cmpwm時，六相繞組可以被分為任何數目的組。另外，零cmpwm是由驅動器和電機系統產生的主動控制信號(例如，在至少兩個繞組組上產生零共模脈沖寬度調制)。

圖3、4示出了與寄生cm電容器cg1、cg2、cg一起連接至六相機器310、410的六相電壓源逆變器(vsi)305、405。在操作中，每個六相vsi305、405的逆變器端子電壓在正負直流鏈路(vdc/2+、vdc/2-)之間切換并且產生emi噪聲源。另外，cm噪聲(例如，在零共模脈沖寬度調制期間)通過六相機器310、410的電機繞組和cm寄生電容器cg1、cg2、cg傳導至相應的地面。

六相機器310說明了每個繞組組具有兩個單獨的中性點n1、n2的第一配置200a。六相機器410說明了繞組具有連接的中性點n3的第二配置200b。對于單獨的中性點n1、n2，寄生cm電容器cg1、cg2的cm電容是相等的或基本上相等的。對于連接的中性點n3，cm電容聚集在寄生cm電容器cg中。以此方式，介于繞組與地面之間的寄生電容在共同的中性連接中可以被建模為一個cm電容器，或在單獨的中性連接中被建模為兩個等同或基本上等同的cm電容器。在兩種情況下，六相電壓vsi的cm電壓可以表達在等式(1)中。

驅動器和電機系統可以由六相電源轉換器驅動。六相電源轉換器包括含有兩個開關的至少一個相腳，所述兩個開關連接至六相繞組的一個相。在一些實施方案中，六相電源轉換器可以包括十二個開關，其中一對開關連接至六相繞組的相應的一個繞組。六相電源轉換器的切換模式可以是針對至少兩個繞組組進行布置，所述至少兩個繞組組定位在與彼此相對的位置上，其中切換動作是互補的，使得整個電機驅動器的cm電壓保持/維持為零。以此方式，當連同對第二繞組組產生切換動作的同時將第一繞組組的占空比和載波反轉時，實現切換模式。

如圖5所示，基于第一組和第二組的兩個繞組空間分布500a、500b，還在等式(2)中計算開關矢量，其中等式(2a)用于繞組空間分布500a，并且等式(2b)用于繞組空間分布500b。

在等式(2)中，x1、x2和x3是相腳的切換狀態，它們是1或0。通過這兩個等式，圖6中示出了兩組逆變器相的電壓矢量。

圖6示出了逆變器相組的電壓矢量。圖6包括用于第一組相的具有6個電壓矢量的第一結構600a以及用于第二組相的具有6個電壓矢量的第二結構600b。第二結構600b的6個電壓矢量與第一結構600a完全相反。進而，第二組相中的互補電壓矢量將達到與第一組相中的原始電壓矢量相同的效果。應注意，兩組相中的零電壓矢量111和000也是互補的。

為了產生可忽略的cm，對第一組相進行占空比(例如，范圍為-1～1)的計算，同時針對第二組相，直接將占空比反轉。還可相對于第一組相的三角載波來將第二組相的三角載波反轉。然后，在第一比較器中產生用于第一組相的第一切換函數，并且在比較器中產生用于第二組相的第二切換函數。進而，當將第一切換函數和第二切換函數組合時，實現零cm電壓。

例如，圖7示出了用來實現零cm電壓的六相電機驅動器的脈沖寬度調制產生。在對第一組相的da1、db1和dc1的占空比計算705(范圍為-1～1)進行計算之后，針對da2、db2和dc2，直接將所述占空比反轉。同樣從da1、db1和dc1的三角載波反轉da2、db2和dc2的三角載波。然后，在比較器1中產生用于第一組相的切換函數，并且在比較器2中產生用于第二組相的切換函數。

對于圖3中的單獨的中性點n1、n2，一般空間矢量pwm可以用在圖7中的占空比計算中。以此方式，計算第一繞組組的占空比(-1～1)并且將其發送至比較器1，同時將反轉的占空比發送至比較器2。n1和n2中的cm電壓之后將變為彼此互補。以此方式，整個電機驅動器在整個周期內的cm電壓將為零。對于零cm電壓，相電流可以包括比其他驅動器和電機系統甚至更少的波紋以及與之相似的諧波。

圖8是根據上文描述的電機和驅動器系統的一個實施方案的線性推進系統800的示意圖。線性推進系統800包括驅動器842(例如，六相vsi305、405的實施方案)、線性推進系統的主要部分816和輔助部分818的區段。驅動器842是兩電平六相驅動器，其具有標記為a、b、c、d、e和f的六個相腳。應理解，驅動器842可以是三電平或n電平，并且實施方案不限于2電平驅動器。在所示的實施方案中，線性推進系統800的主要部分816包括指定為a*、e、b、f*、c*、d、a、e*、b*、f、c和d*的十二個線圈854。字母指定線圈屬于哪個相，并且存在或缺乏*指示電流方向。一對線圈854(例如，a和a*)與一個相相關聯。線圈a中的電流與線圈a*的電流處于相反的方向。線性推進系統的主要部分816可以是無芯的。可替代地，主要部分816的線圈854可以通過由同心式線圈纏繞在主齒周圍來圍繞鐵磁芯形成。線圈854也可以放置在鐵磁性平坦支撐件850上，從而形成無齒型主要部分816。

主要部分816的線圈854以星形配置布置，其中每個相的線圈(例如，a和a*)從驅動器842的相應的相腳電串聯至中性點858。應理解，除了星形配置之外，可以利用其他線圈配置。

線性推進系統800的輔助部分818包括二十二個磁極856。磁極856可以如圖8所示使用二十二個永磁體來布置，以交變極性面向主要部分716的方式布置。在其他實施方案中，二十二個磁極856可以布置為halbach陣列的一部分。永磁體或磁極856的間距(例如，中心到中心)被稱為極距。線圈854的間距(例如，中心到中心)被稱為線圈節距。磁極距與線圈節距之比等于6/11。輔助部分818的永磁體可以安裝在鐵磁性平坦支撐件852上。輔助部分818可以定位在主要部分816的一側上，或定位在主要部分816的兩側上。

雖然圖8展示了十二個線圈和二十二個磁極，但是可以將線性推進系統一般化為具有12n個線圈和22n個磁極，其中n是正整數。

鑒于上文，驅動器和電機系統的實施方案的技術效果和益處包括為逆變器輸出消除共模電壓，顯著減少cmemi噪聲和cm電流，消除對額外的耦合電感器的需求，減少cm電流對電機絕緣和軸承的損壞。另外，實施方案的技術效果和益處可以包括六相電壓源逆變器，其因驅動器是基于正常的六相vsi而消除了對額外的硬件修改的需求，諸如消除了cm濾波器，這反過來顯著增加了電源密度，而且不需要耦合電感器。此外，實施方案的技術效果和益處可以包括具有單獨的中性連接的六相機器或具有共同的中性連接的六相機器。

本文使用的術語僅僅是為了描述具體實施方案，而不是意在限制本發明。除非上下文另外明確指出，否則如本文使用的單數形式“一個”、“一種”和“所述”意在同樣包括復數形式。將進一步理解，術語“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本說明書中使用時明確說明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合。

以上權利要求書中的所有裝置或步驟的對應的結構、材料、動作以及等效物加上功能要素意在包括用于執行所述功能的任何結構、材料或動作以及具體要求保護的其他要求保護的要素。已經出于說明和描述的目的呈現了本發明的描述，但是所述描述并不意在是詳盡的或使本發明限于所公開的形式。在不脫離本發明的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本領域普通技術人員來說將是顯而易見的。選擇并描述實施方案來最佳地解釋本發明的原理和實際應用，并且使得其他本領域普通技術人員能夠理解本發明的各種實施方案以及適合于所涵蓋的具體用途的各種修改。