用于確定旋轉電機的轉子磁極的極性的方法

用于確定旋轉電機的轉子磁極的極性的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于確定具有相對于定子的估計位置的旋轉電機(1)的轉子(3)的磁極的極性的方法，所述方法包括以下步驟：a)將勵磁電壓施加至所述定子以在所述磁極的可飽和磁區內相繼生成兩個不同的磁通量，一個通量與磁體的磁通量相合而另一個通量與磁體的磁通量相反，以對于所述磁通量中的至少之一使所述可飽和磁區飽和；以及b)根據通過所述兩個磁通量在所述定子中生成的電流的時間演變的差異來確定所述磁極的極性。
【專利說明】用于確定旋轉電機的轉子磁極的極性的方法
[0001 ]本發明涉及一種旋轉電機，并且具體地涉及包括具有永磁體的轉子的旋轉電機。
[0002]本發明的目的是在靜止狀態下且在不使用常規的位置傳感器的情況下確定具有永磁體的轉子的至少一個磁極的位置。
[0003]本發明更具體地涉及一種用于確定具有永磁體的轉子的至少一個磁極的位置的方法，并且還涉及一種用于確定磁極的位置的設備。
[0004]本發明通常應用于包括具有永磁體的轉子的同步電機，并且優選地應用于具有永磁體的同步磁阻電機或者應用于具有通量集中的轉子的電機。
[0005]對具有永磁體的同步電機的控制基于知道轉子的位置，并且具體地基于知道轉子的北磁極和南磁極的位置和極性。在轉子處于靜止狀態的啟動階段以及在轉子旋轉的操作期間，必須知道磁極的位置和極性。
[0006]出于該目的，眾所周知使用位置傳感器，如霍爾效應傳感器、編碼器、解析裝置或任意其他類型的物理傳感器。然而，使用這樣的傳感器導致由于使用附加部件而產生的一定的過度擁擠、額外成本以及故障風險。
[0007]還已知，在轉子運動的情況下，使用集成在電機的變頻機中的電壓傳感器，或者通過在變頻機的輸出端處施加零電壓來使電流在電機中循環，例如所述電流可以通過變頻機來檢測和分析。該電流的方向與轉子的方向直接相關。例如從公開US 6 163 127、US2004/0070362 和 US2007/0040528 已知這類設備。
[0008]在轉子處于靜止狀態的情況下，不同的方法使得可以獲得關于轉子的位置的信息，然而，關于磁極的極性的信息缺失、不可靠或獲得成本高。
[0009]可以通過以下方式使電機的轉子在變頻機所知道的位置處對準:向電機的轉子中注入方向已知的直流電并且等待轉子(此時轉子必須是自由的)自己在該方向對準。在一種變型中，在啟動時的負荷扭矩低的情況下，還可以使用能夠沒有偏差地朝電機的正確位置會聚的觀察器。
[0010]另外的方法利用轉子的特點。如申請US2010/0171455所述，可以注入高頻信號以確定轉子在近似180電角度處的位置，也就是說，知道轉子的磁極的位置，但是不知道其北極性或南極性。
[0011]如申請US2009/0128074所述，為了知道磁極的極性，可以分析注入頻率的更高階諧波，尤其是二階諧波。然而，必須使用非常準確因而昂貴的電流傳感器以測量這些由于其諧波階次而具有極低的值的變量。
[0012]另一方法包括注入方波電壓以及分析電流中獲得的響應以確定磁極的極性。在該方法中，通過在相對于磁體的空載通量的所測量通量變化上建造，來利用定子處的飽和現象，這使定子的磁路極化。上述方法的結果就是使磁體的空載通量更可靠更大，以便在通量變化之間獲得足夠顯著的距離。然而，這僅在穿過定子的磁路的轉子產生的通量足夠顯著時是這樣的情況，即例如例如由于對轉子的磁體使用稀土而導致的轉子具有高通量集中的情況或者磁體具有高能量密度的情況。
[0013]相比之下，該方法在應用于在轉子處包括永磁體的同步磁阻電機時，并且更特別地在這些永磁體具有低能量密度時(例如，這些永磁體是由鐵氧體制成的磁體)，該方法不能提供良好的結果。實際上，在同步磁阻電機并且使用具有能量密度低的永磁體的轉子的情況下，空載通量對于獲得的結果可能太低以至于并不足夠可靠，并且可能導致高誤差率。另外，為了補救該問題，試圖獲得較大的電流變化，然而，這可能引起低能量密度磁體退磁的尚風險。
[0014]還需要從用于確定旋轉電機的轉子的磁極的位置和極性的方法以較大可靠性和較低成本獲益，即使在磁體的空載通量相對低的情況下。
[0015]本發明旨在滿足該需求，并且因此根據第一方面涉及一種用于確定旋轉電機的具有相對于定子的估計位置的轉子的磁極的極性的方法，該方法包括以下步驟:
[0016]a)將勵磁電壓施加至定子，以在上述磁極的可飽和磁區內相繼生成兩個不同的磁通量，一個通量與磁體的磁通量相合而另一個通量與磁體的磁通量相反，以對于磁通量中的至少之一使可飽和磁區飽和；以及
[0017]b)基于通過兩個磁通量在定子中生成的電流的時間演變的差異來確定磁極的極性。
[0018]根據本發明的方法優選地在靜止狀態下即在電機被設置為旋轉之前執行。
[0019]在本發明中，不是使所使用的定子飽和而是使轉子飽和來確定轉子的磁極的極性。根據本發明的方法可以在沒有磁體退磁的風險而且具有滿意的可靠性的情況下知道轉子的磁極的極性，該風險在磁體具有低能量密度的情況下較大。
[0020]另外，可以避免使用常規的位置傳感器，這可以降低電機的成本并且消除位置傳感器的故障風險和保養。
[0021]根據本發明的方法降低了轉子的不期望旋轉的風險。
[0022]轉子的可飽和磁區的存在還可以用于改進轉子的不同部件(特別是永磁體和磁轉子塊)的組裝，并且可以有助于轉子的機械魯棒性。
[0023]術語轉子的“可飽和磁區”指的是轉子的磁路中的可以非常迅速地飽和(即在轉子的磁路的其余部分飽和之前)的區域。
[0024]可飽和磁區的存在使得可以將通過在定子的繞組中循環的電流在轉子的磁路中產生的通量加至磁體的通量，或者從磁體的通量減去通過在定子的繞組中循環的電流在轉子的磁路中產生的通量。實際上，當產生的通量與磁體的通量反相時，所得到的電流較快地上升。這通過以下事實來說明:通過可飽和磁區的磁體的泄漏通量使轉子的磁路的可飽和磁區極化，因而引起電機的電感減少。
[0025]轉子的每個磁極包括至少一個可飽和磁區。
[0026]轉子優選地包括具有低能量密度的永磁體。永磁體可以由例如鐵氧體制成。
[0027]在一種變型中，磁體可以具有高能量密度，但是具有低的空載通量。術語“低空載通量”指的是100V的施加電壓的電動勢小于65V，更好時要小于50V。
[0028]用電壓對定子進行激勵可以包括將第一電壓和第二電壓施加至定子，上述電壓可以是例如具有從以下列表選擇的形式的方波電壓的形式:方波電壓、電壓斜升、正弦電壓波或這些形式的任意組合，該列表并非窮舉。
[0029]第一電壓和第二電壓可以具有相反的符號。
[0030]第二電壓優選地具有與第一電壓相同的幅度。
[0031]所得到的電流可以在退磁之前的最大電流的0%至導致磁體的退磁開始的最大電流或甚至小于該最大電流的100% (甚至更好時小于最大電流的50%)之間，上述電流例如在最大電流的2.5 %至50 %之間，甚至更好時在最大電流的5 %至40 %之間。保持允許由可飽和磁區的存在引起的磁極的極性的區別的足夠變化。對于沒有可飽和磁區的轉子，需要大于最大電流的值的電流以便能夠區分電流的變化中的差異以及確定磁極的極性。因而將存在磁體退磁的重大風險。
[0032]在步驟b)中，確定通過兩個磁通量在定子中生成的電流中的哪一個電流相對于另一個電流較弱和/或較遲。相對于另一個較弱或較遲的所生成的電流指示兩個電壓中的哪一個電壓與對應磁極的一個或多個磁體相合地施加，也就是說，從而獲得關于所研究的磁極的極性的所尋求的指示。如果所施加的正電壓生成與永磁體的通量相合的通量，則這是北磁極。幅度較弱的電流對應于施加生成與北磁極相合的通量的電壓。
[0033]換言之，轉子的北磁極與以下情況對應:在相同持續時間結束時并且對于相同幅度的施加電壓，電流的水平較弱。以補充的方式，轉子的南磁極與以下情況對應:在相同持續時間結束時并且對于相同幅度的施加電壓，電流的水平較高。
[0034]應當注意，這違背通常為具有能量密度高的永磁體的電機建立的標準。這源于以下事實:在本發明中，利用轉子的可飽和磁區的飽和現象。當創建的通量與磁體的通量反相時，電流較快地上升。這通過以下事實來說明:通過可飽和磁區的磁體的泄漏通量使轉子的磁路的可飽和磁區極化，這導致電機的電感減少。
[0035]在一種變型中或另外地，可以通過在步驟a)中用高頻信號激勵定子來在步驟b)中確定諧波中之一特別是二階諧波的相位的符號。
[0036]相位符號為正的情況對應于施加生成與北磁極相合的通量的高頻信號，這與通常建立的標準相反。
[0037]可以通過將高頻信號施加至定子并且然后通過分析得到的電壓和高頻電流，來確定轉子的磁極相對于定子的估計位置，以由此推斷轉子的磁極的位置。相對于磁極的極性，轉子的磁極的位置具有不準確性。
[0038]高頻信號的注入不要求轉子的任何機械阻塞。可以在不必為了防止電機的軸旋轉而機械地約束電機的軸的情況下執行用于確定磁極的極性的方法。
[0039]橋接件
[0040]轉子可以包括布置在座上以限定轉子的磁極的永磁體。可以以圓弧的形式或者以V形來布置座。
[0041 ]可飽和磁區可以是:(i )形成在轉子的旨在容納永磁體的座之間的由磁性材料制成的橋接件，所述永磁體被布置以限定轉子的磁極；以及/或者(ii)布置在電機的座與氣隙之間的由磁性材料制成的橋接件。可飽和磁區可以被布置在磁體的任一側上。
[0042]形成于座之間的橋接件可以徑向取向，也就是說，沿對應磁極的徑向軸布置。術語“磁極的徑向軸”指的是磁極的徑向取向即沿轉子的半徑的軸。它可以是磁極的對稱軸。該徑向軸可以與磁極的尖端相交。
[0043]在一種變型中，形成于座之間的橋接件可以傾斜取向，也就是說，材料橋接件通常沿傾斜取向的橋接件的縱軸延伸，隨著距旋轉軸的距離增大而接近轉子的對應磁極的徑向軸。傾斜取向的材料橋接件使得可以經受轉子可能經受的離心力，而不會在電機的磁性能方面危及電機。術語“橋接件的縱軸”表示相對于限定該材料橋接件的相鄰座的兩個短邊居中布置的軸。該軸優選地是直的。形成于座之間的材料橋接件可以通常沿橋接件的縱軸傾斜延伸，所述橋接件與轉子的對應磁極的徑向軸可以形成值不等于零且大于5°、甚至更好地大于10°、例如近似15°的角度。該角度可以小于45°，甚至更好地小于30°或小于20°。
[0044]周向取向的材料橋接件使得可以針對電機經受的機械力維持轉子的凝聚力。
[0045]材料橋接件可以具有垂直于其縱軸測量的小于8mm、甚至更好地小于7mm的寬度。為了優化轉子中的磁通量的分布，試圖限制橋接件的尺寸以最小化穿過這些橋接件的磁通量且最小化磁極中的通量損失。相對地，必要的是，這些橋接件具有足以避免其破損的厚度，離心力非常強烈地施于轉子。材料橋接件可以具有大于0.5mm或大于6mm的寬度。
[0046]設備
[0047]本發明根據其另一方面與以上無關、或與以上結合地還涉及一種用于確定具有相對于定子的估計位置的旋轉電機的磁極的極性的設備，所述設備包括:
[0048]a)用于將勵磁電壓施加至定子以在上述磁極的可飽和磁區內相繼生成兩個不同的磁通量的裝置，一個通量與磁體的磁通量相合而另一個通量與磁體的磁通量相反，以對于磁通量中的至少之一使可飽和磁區飽和；以及
[0049]b)用于基于通過兩個磁通量在定子中生成的電流的時間演變的差異來確定磁極的極性的裝置。
[0050]變頻機和電機
[0051]本發明根據其另一方面還涉及一種用于電機的變頻機，其包括如上所述用于確定極性的設備。
[0052]本發明根據另一方面還涉及一種旋轉電機，其包括:
[0053]電機，其包括具有永磁體的轉子；以及
[0054]如上所述的變頻機，用于控制電機。
[0055]所述電機可以包括在齒上纏繞的定子。在一種變型中，定子可以是具有分布繞組的定子。
[0056]所述電機可以構成同步電機。
[0057]所述電機優選地沒有常規的位置傳感器。換言之，由于根據本發明的電機，在不使用常規的位置傳感器的情況下可以獲得所涉磁極的極性。
[0058]所述電機可以以標稱的圓周速度(在轉子的外直徑處獲取的切向速度)運行，所述標稱的圓周速度可以大于或等于每秒100米，如果需要的話，根據本發明的電機允許以顯著的速度操作。
[0059]所述電機可以具有相對大的尺寸。轉子的直徑可以大于50mm，甚至更好地大于80mm，例如在80至500mm之間。
[0060]
[0061]轉子包括其中形成有旨在容納永磁體的座以限定轉子的磁極的磁轉子塊。轉子可以每個磁極包括至少一個磁體，例如每個磁極單個磁體，或者在變型中每個磁極兩個磁體，或者甚至每磁極更多磁體。
[0062]所述轉子可以是具有永磁體的通量集中或者同步磁阻轉子。
[0063]轉子的每個磁極可以包括至少一個可飽和磁區。
[0064]轉子可以每個磁極包括至少三個座，每個磁極具有磁極的徑向軸，永磁體被插入座中。永磁體可以被插入所有座中或一些座中，例如插入至少一半座中，或者插入多于三分之二的座中，或者甚至更好插入所有座中。
[0065]座可以呈細長形式，并且可以各自包括兩個短邊。座可以被布置在每磁極的一個或更多個行中，一個行包括相繼布置的至少兩個、甚至更好至少三個座，上述座的短邊限定相同行的兩個連續座之間的材料橋接件。
[0066]行中的座的布置使得可以使磁體的通量集中并且通過鐵氧體磁體引入磁特性以獲得有益性能。
[0067]在示例性實施方式中，同一行中的座沿中央支和位于中央支的任一側上的兩個側支被布置，這例如導致U形配置。中央支為例如包括一個或更多個永磁體的唯一支，側支不容納任何永磁體。
[0068]對于同一磁極，該磁極中的座可以被布置在單個行中。行的凹面可以朝向磁極的尖端即朝向氣隙。
[0069]優選地，對于同一磁極，該磁極中的座被布置在多個行中，每個具有特別在基本同心的行中可以朝向磁極的尖端的凹面。術語“同心的”指的是在垂直于轉子的旋轉軸的平面中考慮的、行中的座的中軸線彼此相交于同一點處。多個同心行中的布置使得可以提高通量的集中和磁特性，而不必增大座的大小和永磁體的數目(獲得等同效能所必需的)。每磁極的行的數目可以具體為2個、3個或4個。
[0070]當轉子包括同一磁極的多個行時，在沿朝向氣隙的方向考慮時，上述行可以呈遞增的長度，最長的行最接近旋轉軸，而最短的行被布置在氣隙側上。行的長度與該行中的座的累積長度對應。
[0071 ] 至少，同一磁極的兩個行中的兩個座可以彼此平行地延伸。行中的所有座可以平行于另一行中的對應座而延伸。
[0072]行可以具有嚴格大于一個的多個座，例如至少兩個座，以及甚至更好地三個座。行可以例如包括中央座和兩個側座。至少一個行可以包括奇數個座，例如至少三個座。
[0073]同一磁極的兩個行可以具有不同數目的座。在本發明的示例性實施方式中，至少一個磁極包括一行座，所述一行座包括小于該磁極的另一行中的座的數目的多個座，例如與另一行的三個相比的兩個座。具有較低數目的座的行優選地最接近氣隙，并且距旋轉軸最遠。
[0074]行中的座和/或材料橋接件的布置優選地相對于磁極的徑向軸對稱。
[0075]在行中，可以以V形或者以U形布置座，U形可能具有向氣隙張開的形式。換言之，構成U的側支的座可以彼此不平行。因此，相對于磁極的徑向軸，徑向橋接件的傾角可以與側座的傾角相反。
[0076]當在垂直于轉子的旋轉軸的平面以部分來查看時，座各自可以沿縱軸延伸，該縱軸可以是直的或彎曲的。
[0077]在垂直于轉子的旋轉軸的平面上，座可以在沿座的縱軸的長度考慮時具有恒定或可變的寬度。
[0078]座的短邊隨著距旋轉軸的距離增大而被定向于磁極的徑向軸的方向，并且例如基本上朝磁極的尖端會聚。
[0079]座可以在橫截面上即垂直于旋轉軸呈一般的矩形或梯形的形狀，該列表并非窮舉。
[0080]座的短邊可以垂直于座的長邊。座的短邊可以相對于座的長邊傾斜。
[0081]至少一個座可以具有2個長邊，一個長邊比另一個長邊短。在這種情況下，例如當座呈一般的梯形時，長邊中最短的可以與長邊中較長的相比較靠近氣隙。
[0082]座的短邊可以是直的或彎曲的。
[0083]永磁體可以具有一般的矩形形狀。考慮到座的形狀，座中的磁體的布置可以在磁體與對應座的短邊之間的座中留出空閑空間。空閑空間例如呈一般的三角形。
[0084]轉子塊可以由疊片堆疊構成，或由在旋轉軸周圍纏繞其自身的一個或更多個獨立疊片構成。轉子塊的每個疊片層可以形成為單件。轉子可以沒有單獨的極性件。
[0085]轉子可以包括2至12之間、甚至更好地4至8之間的多個磁極。
[0086]在閱讀本發明的非限制性的示例性實施方式的以下詳細描述并且檢查附圖后，將更好理解本發明，在附圖中:
[0087]圖1是根據本發明的旋轉電機的局部示意視圖；
[0088]圖2、圖2a和圖2b是變型實施方式的與圖1類似的視圖；
[0089]圖3示出了在施加方波電壓期間圖1的定子中的電流的演變；
[0090]圖4是沒有可飽和磁區的電機的與圖1類似的視圖；
[0091]圖5示出了在施加方波電壓期間圖4的定子中的電流的發展；
[0092]圖6a和圖6b示出了圖1的電機中的場線的發展；
[0093]圖7示出了電壓斜升；
[0094]圖8示出了在施加電壓斜升期間圖1的定子中的電流的發展；
[0095]圖9a、圖％、圖9c、圖11a、圖1lb和圖1lc分別示出了在本發明的方法的兩個實施期間對圖1的電機中的速度、位置、電壓和強度的測量;以及
[0096]圖1Oa和圖1Ob以及圖12a和圖12b分別是圖9b和圖9c以及圖1 Ib和圖1 Ic的細節的視圖。
[0097]圖1示出了包括定子2和通量集中轉子3的旋轉電機I，通量集中轉子3具有其中形成座5以限定轉子的磁極的磁轉子塊4，每個磁極具有徑向軸X。
[0098]在該示例中，轉子每磁極包括九個座5，所述九個座5被布置在每個磁極周圍的3個同心行6中的，行的凹面朝向氣隙。行6包括被相繼布置在行中的三個座5。同一磁極的三個行6沿氣隙的方向長度遞減，最長的位于旋轉側的軸上，而最短的位于氣隙側上。
[0099]座5呈細長形式。座5每一個包括2個短邊9，同一行6中的兩個連續的座5的相應的短邊9于其間限定材料橋接件10。材料橋接件10通常沿橋接件的縱軸Z延伸，縱軸Z被定向為隨著距旋轉軸的距離增大而接近轉子I的對應磁極的徑向軸X。材料橋接件10的縱軸Z是直的，并且與轉子的對應磁極的徑向軸X形成值不等于零且大于5°、在該示例中為近似15°的角度α。
[0100]座的短邊9在朝向氣隙的方向中被定向于磁極的徑向軸X的方向上。座5呈一般的梯形并且具有2個長邊，一個長邊比另一個長邊短，長邊中最短的與長邊中較長的相比較靠近氣隙。
[0101]側座通過周向材料橋接件12與氣隙隔離。這些周向材料橋接件12占據僅離心力相當小的比例，而隔離兩個座的橋接件10必須經受大部分離心力負荷。
[0102]轉子I可以包括被插入座5中的每一個或某些個中的永磁體11。永磁體具有低能量密度。永磁體11的橫截面在該示例中呈一般的矩形形狀。磁體在座中的布置可以在磁體與對應座的短邊之間的每個座中留出空閑空間15。
[0103]如圖1中可以看到的，一些座可以沒有磁體。在示出的示例性實施方式中，行中之一中的座被布置在中央支和2個側支中，中央支是包括永磁體的唯一支，側座不包括永磁體。
[0104]另外，在圖1中可以看出，行的中央座可以具有比所述行中的側座的長度大的長度，并且U的側支比中央支短。
[0105]該情況與圖2所示的變型相反。
[0106]另外，在圖2中，形成于座之間的橋接件徑向取向，也就是說，沿對應磁極的徑向軸布置。
[0107]在另一變型中，如圖2a所示，最接近氣隙的座的行D可以包括中央橋接件10。
[0108]在又一變型中，如圖2b所示，可以以V形而不是U形布置座。
[0109]剛剛描述的材料橋接件10和周向橋接件12形成轉子的可飽和磁區。
[0110]圖1所示的電機I還包括用于控制電機的變頻機20，所述變頻機20包括用于在靜止狀態下確定轉子的磁極的極性的設備25，所述電機沒有常規的位置傳感器。
[0111]用于確定極性的設備25包括:
[0112]a)用于將勵磁電壓施加至定子2以在上述磁極的可飽和磁區10和12內相繼生成兩個不同的磁通量的裝置，一個通量與磁體11的磁通量相合而另一個通量與磁體11的磁通量相反，以對于磁通量中的至少之一使可飽和磁區10和12飽和；以及
[0113]b)用于基于通過兩個磁通量在定子中生成的電流的時間演變的差異來確定磁極的極性的裝置。
[0114]現在將描述該設備的操作和根據本發明的用于確定極性的方法的次序。
[0115]確定磁極的位置
[0116]在定子的繞組中沒有電流時，永磁體使磁路極化。
[0117]在第一步驟中，例如通過將高頻信號施加至定子并且然后通過分析得到的電壓和高頻電流來確定轉子的磁極的估計位置，以由此推斷轉子的磁極的位置。
[0118]在一種變型中，可以通過任意其他裝置來執行該確定。
[0119]在該步驟中，作出關于磁極的極性的假設，當前在近似180電角度處不知道該極性，并且將在下面的步驟中證實或駁回該假設。
[0120]施加勵磁電壓
[0121]當電壓被以方波電壓的形式施加至定子限定時間t，以在上述轉子的磁極的可飽和磁區10和12中創建磁通量時，可以在定子中測量得到的電流。
[0122]圖3示出了當與磁體的通量相合(曲線D+)或與磁體的通量相位相反(曲線D-)地施加通過方波電壓產生的通量時，圖1的定子的繞組中的電流的演變。
[0123]如可以在圖6a和圖6b中看到的，通過方波電壓產生的通量與磁體的通量相合的情況下的電流曲線D+的外觀是由于轉子的可飽和磁區10和12中的通量的方向的倒置，圖6a和圖6b示出了在創建的通量與磁體的通量相合的情況下的圖1的電機中的通量的分布的演變。應當注意轉子的不同的可飽和磁區10和12中的場線的演變。圖6a示出了 t = Os處的通量，并且圖6b示出了t = 0.0035s處的通量。如將在下文中說明的，可飽和磁區10和12的存在減緩電流的上升，并且使得可以區分北磁極和南磁極的方向。
[0124]相對地，圖5示出了當在以下情況下與磁體的通量相合(曲線D+)或與磁體的通量相位相反(曲線D-)地施加通過方波電壓產生的通量時定子的繞組中的電流的演變:如對于圖4的電機的情況那樣，轉子沒有任何可飽和磁區，所述圖4的電機包括具有能量密度低的磁體但是沒有可飽和磁區的轉子。
[0125]在沒有這些可飽和磁區的情況下，需要大于退磁之前的最大電流Imax的電流以從檢測磁極的方向開始。如果使用如此高的電流，則存在磁體退磁的高風險。相對地，在小于最大電流I.、例如最大電流I.的2.5 %至50 %之間的低水平電流以及可飽和磁區的情況下，這兩種情況下的電流的演變之間的區別是較清楚的。這消除了磁體退磁的風險。
[0126]還可以看到，在沒有可飽和磁區的情況下，沿兩個方向施加電壓不能使得可以準確地或以魯棒性的方式區分磁極的方向。
[0127]現在以作為具有由鐵氧體制成的永磁體的同步磁阻電機的圖2的電機，參考圖9a至圖9c以及圖1Oa和圖1Ob來描述根據本發明的方法的示例性實施方式。用變頻機20進行測量。
[0?28]首先，如圖9a所示，電機從10rpm的速度設定點Vref開始，圖9a示出了設定點速度Vref的、估計速度Ve的和實際速度Vr的時間演變。階段A是確定初始位置的階段，后面是有效啟動的階段B。階段A包括確定估計位置Pe的階段Al和確定極性的階段A2。圖1Oa和圖1Ob是階段A2的細節的視圖。
[0129]首先，如上所述(階段Al)確定估計位置Pe。事實上，該估計位置Pe實際中具有180電角度的模糊性，這將由于階段A2而消除。圖9b和圖1Oa示出了實際位置Pr的時間演變、估計位置Pe的時間演變和兩者之間的誤差E的時間演變。
[0130]為此，第一電壓被以小方波電壓的形式施加限定時間t，以在上述轉子的磁極的可飽和磁區10和12中產生磁通量，并且在定子中測量第一得到的電流。
[0131]然后，第二電壓在限定時間t期間以相對于第一方波電壓在空間上相移了180電角度的第二方波電壓的形式被施加，以在上述轉子的磁極的可飽和磁區1和12中創建磁通量，并且在定子中測量第二得到的電流。
[0132]圖9c和圖1Ob示出了電壓U+和所得強度I+的發展。
[0133]在一種情況下，因此產生與磁體的方向相同的方向(相合)的通量，而在另一種情況下，產生相對于磁體的通量相位相反的通量。
[0134]在上文中，使用方波電壓。當然，如果情況是其他形式也不會背離本發明的范圍，并且例如另外的形式可以用于勵磁電壓。
[0135]例如，圖7和圖8示出了使用電壓斜升。如圖7所示施加電壓斜升U+限定時間t，以產生定向于與磁體的方向相同的方向的通量，然后，施加相同但在空間上相移了 180電角度的電壓斜升U-。如此，在一種情況下，通過電壓斜升產生的通量將在與磁體的方向相同的方向(相合)上，而在另一種情況下，通過電壓斜升產生的通量將為相對于磁體的通量相位相反。
[0136]圖8示出了當在轉子具有可飽和磁路的情況下施加與磁體的通量相合(曲線D+)或與磁體的通量相位相反(曲線D-)的通過電壓斜升U+產生的通量時電機的繞組中的電流的演變。在限定時間t開始時，可以看到電流達到可以區分北磁極和南磁極的方向的兩個不同的值。
[0137]在又一變型中，通過正弦曲線電壓對定子的激勵使得可以確定轉子的磁極的極性。在這種情況下，檢測在勵磁頻率兩倍(二階諧波)處生成的電流分量的相位符號。北磁極與正相移對應，這與在實現用于檢測極性的正弦曲線電壓的常規解決方案中通常考慮的標準相反。
[0138]確定極性
[0139]可以基于通過兩個磁通量在定子中生成的、所測量的第一電流和第二電流來推斷轉子的磁極的極性。為此，在步驟b)中確定第一電流和第二電流中的哪一個電流是相對于另一個電流較弱的電流和/或較遲的電流。
[0140]轉子的北磁極與以下情況對應:在相同周期開始時并且對于相同幅度的施加電壓，電流的水平較弱。
[0141]在圖9a至圖9c的測試中，如圖1Ob詳細所示，由第一方波電壓引起的電流的幅度弱于由第二方波電壓引起的電流的幅度。電流的第一變化為近似26A，第二變化為-40A。電機的最大電流是230A。同時，因此存在11.3%與-17.5%的足夠顯著的差異，以做出可靠的決定同時保持與最大電流相比的低電流水平。
[0142]與常規情況相比，如圖9b和圖1Oa所示通過在此僅用作驗證的位置傳感器(解析器)表示的測量Pr所確認的，此處的結論是估計位置Pe是正確位置。
[0143]然后，變頻機從該位置啟動(階段B)，并且可以在圖9b中看到，在由位置傳感器給出的角度與在沒有機械傳感器的情況下通過根據本發明的方法獲得的角度之間存在良好疊加。
[0144]在圖1la至圖1lc和圖12a至圖12b所示的變型中，一切與先前測試相同，不同之處在于，在階段Al結束時，如圖1lb的曲線所示，估計位置Pe位于距由解析器表示的Pr的180電角度處。在階段A2結束時，與第一方波電壓對應的電流最大，第一電流變化為30A，第二電流變化為-16A，其分別為+13%和-7%。兩個方向之間的差異十分明顯，使得在識別的電流水平仍大量低于標稱電流的情況下，極性的模糊性的消除很清楚。可以由此(這里也是與常規方法相比)推斷，正確位置位于180電角度處，并且該值被添加至估計位置Pe，此后位置Pe疊加通過解析器觀察的實際位置Pr，并且誤差E下降至O。
[0145]為了還避免退磁的風險，本發明的方法的優點之一是在測試期間將轉子設為旋轉的低風險，該風險對于當估計位置的測量遠離實際位置時常規解決方案的很高水平的電流仍存在。
[0146]本發明不限于所示的示例。具體地，在不背離本發明的范圍的情況下，可以修改轉子的極性。
[0147]轉子可以與具有分布或集中繞組的任何類型的定子協作。
[0148]術語“包括”應當被理解為與“包括至少一個”同義。
【主權項】
1.一種用于確定具有相對于定子的估計位置的旋轉電機(I)的轉子(3)的磁極的極性的方法，所述方法包括以下步驟: a)將勵磁電壓施加至所述定子，以在所述磁極的可飽和磁區內相繼生成兩個不同的磁通量，一個通量與限定所述轉子的磁極的所述轉子的磁體的磁通量相合，而另一個通量與限定所述轉子的磁極的所述轉子的磁體的磁通量相反，從而對于所述磁通量中的至少之一使所述可飽和磁區飽和；以及 b)基于通過所述兩個磁通量在所述定子中生成的電流的時間演變的差異，來確定所述磁極的極性。2.根據前述權利要求所述的方法，其中，所述轉子(3)包括具有低能量密度的永磁體(11)，特別是鐵氧體永磁體。3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法在靜止狀態下即在所述電機(I)被設置為旋轉之前被執行。4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，將勵磁電壓施加至所述定子包括將第一電壓和第二電壓施加至所述定子，所述電壓具有從以下列表選擇的形式:方波電壓、電壓斜升、正弦電壓波。5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，得到的電流小于退磁之前的最大電流(Imax)，甚至更好的情況下小于所述最大電流的50%，特別地在所述最大電流的2.5%至50%之間。6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，在步驟b)中確定通過所述兩個磁通量在所述定子中生成的電流中的哪一個相對于另一個較弱和/或較遲。7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述轉子的北磁極與以下情況對應:在相同持續時間結束時并且對于相同幅度的施加電壓，所述電流水平較低。8.根據權利要求4所述的方法，其中，所述第二電壓具有與所述第一電壓相同的幅度。9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，通過將高頻信號施加至所述定子并且然后通過分析所述得到的電壓和高頻電流，來確定相對于所述定子的所述轉子的磁極的估計位置，從而由此推斷所述轉子的磁極的位置。10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，可飽和磁區(10，12)是:(i)形成在轉子(3)中的旨在容納所述永磁體(11)的座(9)之間的磁性材料橋接件(10)，所述永磁體(11)被布置以限定所述轉子的磁極；以及/或者(ii)被布置在所述電機的座(9)與氣隙之間的磁性材料橋接件(12)。11.一種用于確定具有相對于定子(2)的估計位置的旋轉電機(I)的轉子(3)的磁極的極性的設備(25)，所述設備包括: a)用于將勵磁電壓施加至所述定子、以在所述磁極的可飽和磁區內相繼生成兩個不同的磁通量的裝置，其中，一個通量與限定所述轉子的磁極的所述轉子的磁體的磁通量相合，并且另一個通量與限定所述轉子的磁極的所述轉子的磁體的磁通量相反，從而對于所述磁通量中的至少之一使所述可飽和磁區飽和；以及 b)用于基于通過所述兩個磁通量在所述定子中生成的電流的時間演變的差異、來確定所述磁極的極性的裝置。12.—種用于電機的變頻機(20)，包括根據前述權利要求所述的用于確定極性的設備(25)。13.—種旋轉電機(I)，包括: -電機，包括具有永磁體(11)的轉子(3);以及 -根據前述權利要求所述的變頻機(20)，用于控制所述電機。14.根據前述權利要求所述的電機，其中，所述轉子(3)是具有永磁體的通量集中轉子或同步磁阻轉子。15.根據前述兩項權利要求中任一項所述的電機，其中，所述轉子(3)的每個磁極包括至少一個可飽和磁區(10,12)。16.根據權利要求13至15中任一項所述的電機，包括在齒上纏繞或具有分布繞組的定子⑵。
【文檔編號】H02K1/27GK105900317SQ201480072586
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月19日
【發明人】沙維爾·雅諾, 雅克·圣-米歇爾, 馬蒂亞斯·蒂恩切夫-亞麻德
【申請人】利萊森瑪電機公司