电机组件中的转子疲劳的确定的制作方法

本公开大体上涉及电机组件中的转子的疲劳的确定。

背景技术：

电机(诸如内部永磁体机器)包括具有多个极性交变的永磁体的转子。转子可在定子内旋转，定子通常包括多个定子绕组和极性交变的磁极。为了改善性能和效率，转子可以较高速度旋转，然而这可能会增加转子上的应力。

技术实现要素：

一种电机组件包括具有转子的电机。控制器操作地连接至电机，并且配置或编程为接收转矩命令。转子配置成至少部分基于转矩命令以转子速度(ω)旋转。控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，该存储器上记录了用于执行用于至少部分基于转子速度确定累积转子疲劳(F_C)的方法的指令。控制器可操作，以至少部分基于累积转子疲劳(F_C)控制电机的至少一个操作参数。

速度传感器可以操作地连接至控制器，并且配置成获得转子速度。由处理器执行指令使得控制器使用预定查找值将转子速度的绝对值转换为转子应力值。控制器配置成以先后次序记录超过相应预定义应力水平的转子应力值的相应出现以创建循环数据集，使得循环数据集保存相应出现的时间次序。

控制器可以配置成将循环数据集转换为各自由相应的应力范围(R_i)、相应的平均应力(M_i)和相应的事件数量(n_i)进行表征的多个数据点(D_i)。控制器可以配置成确定多个数据点(D_i)中的最后一者是否为零。如果多个数据点(D_i)中的最后一者不为零，那么控制器配置成用预定义最大值取代多个数据点(D_i)中的最后一者。

控制器可以配置成至少部分基于相应的应力范围(R_i)、相应的平均应力(M_i)、相应的事件数量(n_i)、第一预定义常数(C1)、第二预定义常数(C2)和第三预定义常数(C3)获得多个数据点(D_i)中的每一者的相应的疲劳值(V_i)。相应的疲劳值(V_i)定义为相应的事件数量(n_i)与第一参数(N_i)的比值，该第一参数(N_i)定义为：N_i＝[C1*R_i/(1-(C2*M_i)]^C3。

获得循环疲劳因数(F₁)，其为多个数据点(D_i)中的每一者的相应的疲劳值(V_i)的总和(F₁＝_i∑V_i)。多个数据点(D_i)表示多个循环中的单个循环。控制器配置成获得多个循环中的每一者的相应循环疲劳因数(F₁……F_n)。控制器配置成获得累积转子疲劳(CF)，CF为相应循环疲劳因数(F₁……F_n)的总和(CF＝_n∑F)。

电机可以包括具有定子绕组的定子。限流装置可以操作地连接至控制器，并且配置成选择性地限制到定子绕组的电流。控制器可以配置成确定累积转子疲劳(F_C)是否高于预定义疲劳阈值。如果累积转子疲劳(F_C)高于阈值，那么控制器配置成改变电机的至少一个参数以限制转子的速度，诸如启用限流装置。

结合附图，通过以下对用于实行本公开的最佳模式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点容易变得显而易见。

附图说明

图1是具有电机的电机组件的示意性局部部分截面图，电机具有转子；

图2是用于确定图1的转子的疲劳的方法的流程图；

图3是可以在图2的方法中采用的曲线图的一个实例，其示出了纵轴上的转子应力值和横轴上的转子速度；

图4是可以在图2的方法中采用的曲线图的一个实例，其示出了纵轴上的预定义速度阈值和横轴上的时间；以及

图5是可以在图2的方法中采用的直方图的一个实例，其示出了纵轴上的应力范围和横轴上的平均应力。

具体实施方式

参考附图，其中相同的参考编号是指相同的部件，图1示意地说明电机组件10。组件10包括电机12。组件10可以是装置11的部件。装置11可以是具有一个或多个车轮的运输装置，诸如自行车、客车、性能车、军用车辆或工业车辆。装置11可以是机器人、农具、运动相关设备或任何其他类型的装置。

参考图1，电机12包括定子14和转子16。转子16可以包括在转子铁芯22的外周周围的交替极性的第一永磁体18和第二永磁体20。转子16可以包括任何数量的永磁体；为了简单起见，仅仅示出了两个永磁体。转子16可以转子速度(ω)在定子14内旋转。虽然图1中所示的实施例说明了三相单极对(即，两极)机器，但是应当理解的是，可以采用任何数量的相或极对。电机12可以呈许多不同形式并且包括多个和/或替代部件和设施。虽然图中示出了示例性电机12，但是图中说明的部件并不旨在具有限制性。实际上，可以使用另外的或替代性部件和/或实现方式。

参考图1，定子14包括定子铁芯24，其可以为具有空心内部的圆柱形形状。定子铁芯24可以包括由狭槽28分离的多个向内凸出的定子齿26A至26F。在图1中所示的实施例中，定子绕组30A至30F可以操作地连接至定子铁芯24，诸如盘绕在定子齿26A至26F上。电机10的操作取决于多个磁场之间的相互作用。在所示实施例中，这些磁场源自于在定子绕组30A至30F中流动的电流以及源自于永磁体18、20。定子绕组30A至30F中的电流产生旋转磁场，其引发转子16中的电动势，从而使得转子围绕中心轴(穿过原点32)旋转。转子铁芯22限定内半径34和外半径36。

参考图1，组件10包括控制器40，其操作地连接至电机12或与电机12进行电子通信。参考图1，控制器40包括至少一个处理器42和上面记录了用于执行用于确定累积转子疲劳(F_C)的方法100(图2中所示)的指令的至少一个存储器44(或任何非暂时性有形计算机可读存储介质)。存储器44可存储控制器可执行指令集，且处理器42可执行存储在存储器44中的控制器可执行指令集。控制器40操作地至少部分基于累积转子疲劳(F_C)控制电机12的至少一个操作参数。

图1的控制器40配置成(即，具体编程为)执行方法100的步骤(如下文关于图2详细地讨论)并且可以接收来自各种传感器的输入。参考图1，组件10可以包括与控制器40通信(例如，电子通信)并且能够测量转子16的速度的速度传感器50。组件10可以包括与控制器40通信的第一温度传感器46(诸如热敏电阻或热电偶)，如图1中所示。第一温度传感器46能够测量定子绕组30的温度并且发送输入信号至控制器40。第一温度传感器46可以装配或安装在其中一个定子绕组30上。第二温度传感器48可以与控制器40通信并且配置成测量转子16的温度。磁通量传感器51可以与控制器40通信并且配置成测量源自电机12的磁通量。

控制器40配置成接收转矩命令(T^*)。可以由控制器40响应于由控制器40监测到的操作者输入或自动馈送输入状况而接收转矩命令(T^*)。如果装置11是车辆，那么控制器40可以基于操作者通过加速踏板52和制动踏板54(图1中所示)的输入信号来确定转矩命令(T^*)。转子16配置成至少部分基于转矩命令(T^*)以转子速度旋转。

现在参考图2，示出了存储在图1的控制器40上并且可由控制器40执行的方法100的流程图。方法100无需以本文所叙述的具体次序进行应用，例如可以在方框110之前或之后实行方框108。另外，应当理解的是，可以删除某些方框。“S”和“E”分别指示方法100的开始和结束。参考图2，方法100可以开始于方框102，其中控制器40编程或配置成获得转子速度。在一个实施例中，经由图1的速度传感器50获得转子速度。另外，控制器40可以编程为在不采用任何传感器的情况下基于其他方法(诸如有限元分析(FEA))或本领域技术人员已知的任何方法或机制来确定转子速度。

在图2的方框104中，控制器40配置成使用预定查找值将转子速度的绝对值转换为转子应力值。预定查找值可以来自于查找表、等式或曲线图或这些和其他元素的组合。参考图3，示出了用于获得查找值的示例性曲线图200。在图3中，横轴204表示转子速度(以rpm为单位)且纵轴202表示查找值。为了获得查找值，可以在测试间或实验室中在基线温度下以各种转子速度取得特征数据。可以通过采用有限元分析和特定转子16内的材料的物理性质来获得转子16的查找值。

在图2的方框106中，控制器40配置成在预定义储格中以先后次序记录超过相应预定义应力水平的转子应力值的相应出现以创建循环数据集，使得循环数据集保存相应出现的时间次序。参考图4，呈现了示例性曲线图300，其中横轴304表示时间且纵轴302表示偏离参考应力水平306的预定义应力水平(以兆帕为单位)。例如，对应于点308的出现超过1兆帕水平(相对于参考应力水平306)并且记录在对应于该水平的储格中。对应于点310的出现超过1兆帕水平、2兆帕水平和3兆帕水平中的每一个(相对于参考应力水平306)并且记录在每个相应的储格中。类似地，对应于点312的出现记录在-1兆帕(相对于参考应力水平306)储格中。循环数据集可以FIFO(先入先出)数据结构保持成队列。在FIFO数据结构中，添加至队列的第一元素将是要移除的第一元素。这等同于以下要求：一旦添加了新的点，必须在能够移除该新的点之前移除之前添加的全部点。循环数据集可以累积为FIFO压缩应力储格。

控制器40配置成继续将出现记录在预定义储格中，直至组件10断电(例如，装置11切断电源)或对于每个循环而言预定义储格均充满为止。多个数据点(D_i)可以表示单个循环，即，从装置11中的通电至断电。

在图2的方框108中，控制器40配置成将循环数据集转换为各自由相应的应力范围(R_i)、相应的平均应力(M_i)和相应的事件数量(n_i)进行表征的多个数据点(D_i)。在一个实例中，使用雨流计数方法来将循环数据集转换为多个数据点(D_i)。如本领域技术人员所了解的，雨流计数方法将时间历史分解为一系列张力波峰和压力波谷并且对时间历史中的许多半循环进行计数。

在图2的方框110中，控制器40配置成确定多个数据点(D_i)中的最后一个是否为零。如果多个数据点(D_i)中的最后一个不为零，那么控制器40配置成用预定义最大值取代多个数据点(D_i)中的最后一个且如线109指示般返回至方框106。可以将预定义最大值设置为多个数据点(D_i)中的先前最大应力值。如果多个数据点(D_i)中的最后一个是零(表示循环完成)，那么方法100如线111指示般进行至方框112。

参考图5，呈现了显示多个数据点(D_i)的示例性直方图400。在图5中，横轴404表示平均应力(M_i)且纵轴402表示应力范围(R_i)。对应的事件数量(n_i)可以多个图例(诸如图5中所示的第一图例408、第二图例410、第三图例412和第四图例414)来反映。每个循环可以产生具有应力范围、平均应力和对应的事件数量(n)的许多值的一个直方图。在一个实例中，第一图例408、第二图例410、第三图例412和第四图例414分别表示1百万、50万、30万和15万个出现。应当明白的是，曲线图200、300和400呈现为非限制性实例。

在图2的方框112中，控制器40配置成至少部分基于相应的应力范围(R_i)、相应的平均应力(M_i)、相应的事件数量(n_i)、第一预定义常数(C1)、第二预定义常数(C2)和第三预定义常数(C3)获得多个数据点(D_i)中的每一个的相应的疲劳值(V_i)。相应的疲劳值(V_i)定义为相应的事件数量(n_i)与第一参数(N_i)的比值，该第一参数(N_i)定义为：

可以依照经验在测试间或实验室环境中获得第一预定义常数(C1)、第二预定义常数(C2)和第三预定义常数(C3)的值。还可以通过有限元分析或本领域技术人员已知的任何其他方法来获得该值。在一个实例中，假设应力范围和平均应力是以MPa或兆帕为单位，C1、C2、C3的值分别是7×10⁸、1.4×10⁹和-8.3。

在图2的方框114中，控制器40配置成获得作为多个数据点(D_i)中的每一个(即，图5中的示例性直方图400上的每个点)的相应疲劳值(V_i)的总和(F₁＝_i∑V_i)的循环疲劳因数(F₁)。

在图2的方框116中，控制器40配置成获得作为多个循环的总和(CF＝_n∑F)的累积转子疲劳(CF)。循环疲劳因数(F₁)是多个循环(F₁…F_n)中的一个。因此，使用多个数据点(D_i)来获得当前循环疲劳，其添加至后续(或先前)循环疲劳以获得累积疲劳。

在图2的方框118中，控制器40配置成确定累积转子疲劳(F_C)是否高于预定义疲劳阈值。如果累积转子疲劳(F_C)高于预定义疲劳阈值，那么方法100进行至方框120，其中控制器40配置成改变电机12的至少一个参数以限制转子16的速度，诸如激活或启用仅允许最大电流流过定子绕组30的限流装置。这减小了转子16上的应力。参考图1，在所示实施例中，限流装置是电阻器56。可以采用本领域技术人员已知的任何类型的限流装置。电阻器56可以包括结型栅场效应晶体管(JFET)，其允许通过的电流增大至最大值并且接着趋向平稳。JFET是可用作电压控制二极管的三端半导体装置。控制器40可以配置成通过开关(未示出)或本领域技术人员已知的任何其他装置来启用电阻器56。

如果累积转子疲劳(F_C)并不高于预定义疲劳阈值，那么方法100如线122指示般循环至方框102。如上文提及，图1的控制器40可以包括采用操作系统或处理器42和用于存储并且执行计算机可执行指令的存储器44的计算装置。计算机可执行指令可以由使用多种编程语言和/或技术来创建的计算机程序进行编译或解译，该编程语言和/或技术包括(但不限于且单独地或组合地)Java^TM、C、C++、Visual Basic、JavaScript、Perl等。一般来说，处理器42(例如，微处理器)从例如存储器、计算机可读介质等接收指令并且执行这些指令，由此执行一个或多个过程，该过程包括本文描述的一个或多个过程。这样的指令和其他数据可以使用各种计算机可读介质来存储和传输。

计算机可读介质(也称为处理器可读介质)包括参与提供可以由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂时性(例如，有形)介质。这样的介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘和其他持久存储器。易失性介质可以包括例如可以构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。这样的指令可以由一个或多个传输介质来传输，该传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括具有耦合至计算机的处理器的系统总线的导线。某些形式的计算机可读介质包括例如软盘片、软盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、带有穿孔图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其他存储器芯片或存储器盒或计算机可以读取的任何其他介质。

查找表、数据库、数据仓库或本文描述的其他数据存储装置可以包括用于存储、存取和检索各种数据的各种机构，包括分层数据库、文件系统中的文件集、专用格式的应用程序数据库、关系型数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储装置均可以包括在采用诸如上述一种操作系统的计算机操作系统的计算装置内，并且可以经由网络以各种方式中的任何一种或多种来进行存取。文件系统可以从计算机操作系统存取，并且可以包括以各种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑和执行已存储的程序的语言(诸如上述PL/SQL语言)之外，RDBMS还可以采用结构化查询语言(SQL)。

详述和图式或图支持并且描述本公开，但是本公开的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细地描述了用于实行本公开的某些最佳模式和其他实施例，但是也存在用于实践所附权利要求书中限定的本公开的各种替代设计和实施例。另外，图式中所示的实施例或本描述中提及的各种实施例的特征不一定被理解为彼此独立的实施例。相反，可能的是，实施例的一个实例中描述的每个特征可结合来自其他实施例的一种或多种其他期望特征，从而导致没有用语言进行描述或没有参考图式来描述的其他实施例。因此，这样的其他实施例落在所附权利要求书的范围的框架内。