用于确定旋转电机的转子磁极的极性的方法

用于确定旋转电机的转子磁极的极性的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定具有相对于定子的估计位置的旋转电机(1)的转子(3)的磁极的极性的方法，所述方法包括以下步骤：a)将励磁电压施加至所述定子以在所述磁极的可饱和磁区内相继生成两个不同的磁通量，一个通量与磁体的磁通量相合而另一个通量与磁体的磁通量相反，以对于所述磁通量中的至少之一使所述可饱和磁区饱和；以及b)根据通过所述两个磁通量在所述定子中生成的电流的时间演变的差异来确定所述磁极的极性。
【专利说明】用于确定旋转电机的转子磁极的极性的方法
[0001 ]本发明涉及一种旋转电机，并且具体地涉及包括具有永磁体的转子的旋转电机。
[0002]本发明的目的是在静止状态下且在不使用常规的位置传感器的情况下确定具有永磁体的转子的至少一个磁极的位置。
[0003]本发明更具体地涉及一种用于确定具有永磁体的转子的至少一个磁极的位置的方法，并且还涉及一种用于确定磁极的位置的设备。
[0004]本发明通常应用于包括具有永磁体的转子的同步电机，并且优选地应用于具有永磁体的同步磁阻电机或者应用于具有通量集中的转子的电机。
[0005]对具有永磁体的同步电机的控制基于知道转子的位置，并且具体地基于知道转子的北磁极和南磁极的位置和极性。在转子处于静止状态的启动阶段以及在转子旋转的操作期间，必须知道磁极的位置和极性。
[0006]出于该目的，众所周知使用位置传感器，如霍尔效应传感器、编码器、解析装置或任意其他类型的物理传感器。然而，使用这样的传感器导致由于使用附加部件而产生的一定的过度拥挤、额外成本以及故障风险。
[0007]还已知，在转子运动的情况下，使用集成在电机的变频机中的电压传感器，或者通过在变频机的输出端处施加零电压来使电流在电机中循环，例如所述电流可以通过变频机来检测和分析。该电流的方向与转子的方向直接相关。例如从公开US 6 163 127、US2004/0070362 和 US2007/0040528 已知这类设备。
[0008]在转子处于静止状态的情况下，不同的方法使得可以获得关于转子的位置的信息，然而，关于磁极的极性的信息缺失、不可靠或获得成本高。
[0009]可以通过以下方式使电机的转子在变频机所知道的位置处对准:向电机的转子中注入方向已知的直流电并且等待转子(此时转子必须是自由的)自己在该方向对准。在一种变型中，在启动时的负荷扭矩低的情况下，还可以使用能够没有偏差地朝电机的正确位置会聚的观察器。
[0010]另外的方法利用转子的特点。如申请US2010/0171455所述，可以注入高频信号以确定转子在近似180电角度处的位置，也就是说，知道转子的磁极的位置，但是不知道其北极性或南极性。
[0011]如申请US2009/0128074所述，为了知道磁极的极性，可以分析注入频率的更高阶谐波，尤其是二阶谐波。然而，必须使用非常准确因而昂贵的电流传感器以测量这些由于其谐波阶次而具有极低的值的变量。
[0012]另一方法包括注入方波电压以及分析电流中获得的响应以确定磁极的极性。在该方法中，通过在相对于磁体的空载通量的所测量通量变化上建造，来利用定子处的饱和现象，这使定子的磁路极化。上述方法的结果就是使磁体的空载通量更可靠更大，以便在通量变化之间获得足够显著的距离。然而，这仅在穿过定子的磁路的转子产生的通量足够显著时是这样的情况，即例如例如由于对转子的磁体使用稀土而导致的转子具有高通量集中的情况或者磁体具有高能量密度的情况。
[0013]相比之下，该方法在应用于在转子处包括永磁体的同步磁阻电机时，并且更特别地在这些永磁体具有低能量密度时(例如，这些永磁体是由铁氧体制成的磁体)，该方法不能提供良好的结果。实际上，在同步磁阻电机并且使用具有能量密度低的永磁体的转子的情况下，空载通量对于获得的结果可能太低以至于并不足够可靠，并且可能导致高误差率。另外，为了补救该问题，试图获得较大的电流变化，然而，这可能引起低能量密度磁体退磁的尚风险。
[0014]还需要从用于确定旋转电机的转子的磁极的位置和极性的方法以较大可靠性和较低成本获益，即使在磁体的空载通量相对低的情况下。
[0015]本发明旨在满足该需求，并且因此根据第一方面涉及一种用于确定旋转电机的具有相对于定子的估计位置的转子的磁极的极性的方法，该方法包括以下步骤:
[0016]a)将励磁电压施加至定子，以在上述磁极的可饱和磁区内相继生成两个不同的磁通量，一个通量与磁体的磁通量相合而另一个通量与磁体的磁通量相反，以对于磁通量中的至少之一使可饱和磁区饱和；以及
[0017]b)基于通过两个磁通量在定子中生成的电流的时间演变的差异来确定磁极的极性。
[0018]根据本发明的方法优选地在静止状态下即在电机被设置为旋转之前执行。
[0019]在本发明中，不是使所使用的定子饱和而是使转子饱和来确定转子的磁极的极性。根据本发明的方法可以在没有磁体退磁的风险而且具有满意的可靠性的情况下知道转子的磁极的极性，该风险在磁体具有低能量密度的情况下较大。
[0020]另外，可以避免使用常规的位置传感器，这可以降低电机的成本并且消除位置传感器的故障风险和保养。
[0021]根据本发明的方法降低了转子的不期望旋转的风险。
[0022]转子的可饱和磁区的存在还可以用于改进转子的不同部件(特别是永磁体和磁转子块)的组装，并且可以有助于转子的机械鲁棒性。
[0023]术语转子的“可饱和磁区”指的是转子的磁路中的可以非常迅速地饱和(即在转子的磁路的其余部分饱和之前)的区域。
[0024]可饱和磁区的存在使得可以将通过在定子的绕组中循环的电流在转子的磁路中产生的通量加至磁体的通量，或者从磁体的通量减去通过在定子的绕组中循环的电流在转子的磁路中产生的通量。实际上，当产生的通量与磁体的通量反相时，所得到的电流较快地上升。这通过以下事实来说明:通过可饱和磁区的磁体的泄漏通量使转子的磁路的可饱和磁区极化，因而引起电机的电感减少。
[0025]转子的每个磁极包括至少一个可饱和磁区。
[0026]转子优选地包括具有低能量密度的永磁体。永磁体可以由例如铁氧体制成。
[0027]在一种变型中，磁体可以具有高能量密度，但是具有低的空载通量。术语“低空载通量”指的是100V的施加电压的电动势小于65V，更好时要小于50V。
[0028]用电压对定子进行激励可以包括将第一电压和第二电压施加至定子，上述电压可以是例如具有从以下列表选择的形式的方波电压的形式:方波电压、电压斜升、正弦电压波或这些形式的任意组合，该列表并非穷举。
[0029]第一电压和第二电压可以具有相反的符号。
[0030]第二电压优选地具有与第一电压相同的幅度。
[0031]所得到的电流可以在退磁之前的最大电流的0%至导致磁体的退磁开始的最大电流或甚至小于该最大电流的100% (甚至更好时小于最大电流的50%)之间，上述电流例如在最大电流的2.5 %至50 %之间，甚至更好时在最大电流的5 %至40 %之间。保持允许由可饱和磁区的存在引起的磁极的极性的区别的足够变化。对于没有可饱和磁区的转子，需要大于最大电流的值的电流以便能够区分电流的变化中的差异以及确定磁极的极性。因而将存在磁体退磁的重大风险。
[0032]在步骤b)中，确定通过两个磁通量在定子中生成的电流中的哪一个电流相对于另一个电流较弱和/或较迟。相对于另一个较弱或较迟的所生成的电流指示两个电压中的哪一个电压与对应磁极的一个或多个磁体相合地施加，也就是说，从而获得关于所研究的磁极的极性的所寻求的指示。如果所施加的正电压生成与永磁体的通量相合的通量，则这是北磁极。幅度较弱的电流对应于施加生成与北磁极相合的通量的电压。
[0033]换言之，转子的北磁极与以下情况对应:在相同持续时间结束时并且对于相同幅度的施加电压，电流的水平较弱。以补充的方式，转子的南磁极与以下情况对应:在相同持续时间结束时并且对于相同幅度的施加电压，电流的水平较高。
[0034]应当注意，这违背通常为具有能量密度高的永磁体的电机建立的标准。这源于以下事实:在本发明中，利用转子的可饱和磁区的饱和现象。当创建的通量与磁体的通量反相时，电流较快地上升。这通过以下事实来说明:通过可饱和磁区的磁体的泄漏通量使转子的磁路的可饱和磁区极化，这导致电机的电感减少。
[0035]在一种变型中或另外地，可以通过在步骤a)中用高频信号激励定子来在步骤b)中确定谐波中之一特别是二阶谐波的相位的符号。
[0036]相位符号为正的情况对应于施加生成与北磁极相合的通量的高频信号，这与通常建立的标准相反。
[0037]可以通过将高频信号施加至定子并且然后通过分析得到的电压和高频电流，来确定转子的磁极相对于定子的估计位置，以由此推断转子的磁极的位置。相对于磁极的极性，转子的磁极的位置具有不准确性。
[0038]高频信号的注入不要求转子的任何机械阻塞。可以在不必为了防止电机的轴旋转而机械地约束电机的轴的情况下执行用于确定磁极的极性的方法。
[0039]桥接件
[0040]转子可以包括布置在座上以限定转子的磁极的永磁体。可以以圆弧的形式或者以V形来布置座。
[0041 ]可饱和磁区可以是:(i )形成在转子的旨在容纳永磁体的座之间的由磁性材料制成的桥接件，所述永磁体被布置以限定转子的磁极；以及/或者(ii)布置在电机的座与气隙之间的由磁性材料制成的桥接件。可饱和磁区可以被布置在磁体的任一侧上。
[0042]形成于座之间的桥接件可以径向取向，也就是说，沿对应磁极的径向轴布置。术语“磁极的径向轴”指的是磁极的径向取向即沿转子的半径的轴。它可以是磁极的对称轴。该径向轴可以与磁极的尖端相交。
[0043]在一种变型中，形成于座之间的桥接件可以倾斜取向，也就是说，材料桥接件通常沿倾斜取向的桥接件的纵轴延伸，随着距旋转轴的距离增大而接近转子的对应磁极的径向轴。倾斜取向的材料桥接件使得可以经受转子可能经受的离心力，而不会在电机的磁性能方面危及电机。术语“桥接件的纵轴”表示相对于限定该材料桥接件的相邻座的两个短边居中布置的轴。该轴优选地是直的。形成于座之间的材料桥接件可以通常沿桥接件的纵轴倾斜延伸，所述桥接件与转子的对应磁极的径向轴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。该角度可以小于45°，甚至更好地小于30°或小于20°。
[0044]周向取向的材料桥接件使得可以针对电机经受的机械力维持转子的凝聚力。
[0045]材料桥接件可以具有垂直于其纵轴测量的小于8mm、甚至更好地小于7mm的宽度。为了优化转子中的磁通量的分布，试图限制桥接件的尺寸以最小化穿过这些桥接件的磁通量且最小化磁极中的通量损失。相对地，必要的是，这些桥接件具有足以避免其破损的厚度，离心力非常强烈地施于转子。材料桥接件可以具有大于0.5mm或大于6mm的宽度。
[0046]设备
[0047]本发明根据其另一方面与以上无关、或与以上结合地还涉及一种用于确定具有相对于定子的估计位置的旋转电机的磁极的极性的设备，所述设备包括:
[0048]a)用于将励磁电压施加至定子以在上述磁极的可饱和磁区内相继生成两个不同的磁通量的装置，一个通量与磁体的磁通量相合而另一个通量与磁体的磁通量相反，以对于磁通量中的至少之一使可饱和磁区饱和；以及
[0049]b)用于基于通过两个磁通量在定子中生成的电流的时间演变的差异来确定磁极的极性的装置。
[0050]变频机和电机
[0051]本发明根据其另一方面还涉及一种用于电机的变频机，其包括如上所述用于确定极性的设备。
[0052]本发明根据另一方面还涉及一种旋转电机，其包括:
[0053]电机，其包括具有永磁体的转子；以及
[0054]如上所述的变频机，用于控制电机。
[0055]所述电机可以包括在齿上缠绕的定子。在一种变型中，定子可以是具有分布绕组的定子。
[0056]所述电机可以构成同步电机。
[0057]所述电机优选地没有常规的位置传感器。换言之，由于根据本发明的电机，在不使用常规的位置传感器的情况下可以获得所涉磁极的极性。
[0058]所述电机可以以标称的圆周速度(在转子的外直径处获取的切向速度)运行，所述标称的圆周速度可以大于或等于每秒100米，如果需要的话，根据本发明的电机允许以显著的速度操作。
[0059]所述电机可以具有相对大的尺寸。转子的直径可以大于50mm，甚至更好地大于80mm，例如在80至500mm之间。
[0060]
[0061]转子包括其中形成有旨在容纳永磁体的座以限定转子的磁极的磁转子块。转子可以每个磁极包括至少一个磁体，例如每个磁极单个磁体，或者在变型中每个磁极两个磁体，或者甚至每磁极更多磁体。
[0062]所述转子可以是具有永磁体的通量集中或者同步磁阻转子。
[0063]转子的每个磁极可以包括至少一个可饱和磁区。
[0064]转子可以每个磁极包括至少三个座，每个磁极具有磁极的径向轴，永磁体被插入座中。永磁体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]座可以呈细长形式，并且可以各自包括两个短边。座可以被布置在每磁极的一个或更多个行中，一个行包括相继布置的至少两个、甚至更好至少三个座，上述座的短边限定相同行的两个连续座之间的材料桥接件。
[0066]行中的座的布置使得可以使磁体的通量集中并且通过铁氧体磁体引入磁特性以获得有益性能。
[0067]在示例性实施方式中，同一行中的座沿中央支和位于中央支的任一侧上的两个侧支被布置，这例如导致U形配置。中央支为例如包括一个或更多个永磁体的唯一支，侧支不容纳任何永磁体。
[0068]对于同一磁极，该磁极中的座可以被布置在单个行中。行的凹面可以朝向磁极的尖端即朝向气隙。
[0069]优选地，对于同一磁极，该磁极中的座被布置在多个行中，每个具有特别在基本同心的行中可以朝向磁极的尖端的凹面。术语“同心的”指的是在垂直于转子的旋转轴的平面中考虑的、行中的座的中轴线彼此相交于同一点处。多个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体的数目(获得等同效能所必需的)。每磁极的行的数目可以具体为2个、3个或4个。
[0070]当转子包括同一磁极的多个行时，在沿朝向气隙的方向考虑时，上述行可以呈递增的长度，最长的行最接近旋转轴，而最短的行被布置在气隙侧上。行的长度与该行中的座的累积长度对应。
[0071 ] 至少，同一磁极的两个行中的两个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对应座而延伸。
[0072]行可以具有严格大于一个的多个座，例如至少两个座，以及甚至更好地三个座。行可以例如包括中央座和两个侧座。至少一个行可以包括奇数个座，例如至少三个座。
[0073]同一磁极的两个行可以具有不同数目的座。在本发明的示例性实施方式中，至少一个磁极包括一行座，所述一行座包括小于该磁极的另一行中的座的数目的多个座，例如与另一行的三个相比的两个座。具有较低数目的座的行优选地最接近气隙，并且距旋转轴最远。
[0074]行中的座和/或材料桥接件的布置优选地相对于磁极的径向轴对称。
[0075]在行中，可以以V形或者以U形布置座，U形可能具有向气隙张开的形式。换言之，构成U的侧支的座可以彼此不平行。因此，相对于磁极的径向轴，径向桥接件的倾角可以与侧座的倾角相反。
[0076]当在垂直于转子的旋转轴的平面以部分来查看时，座各自可以沿纵轴延伸，该纵轴可以是直的或弯曲的。
[0077]在垂直于转子的旋转轴的平面上，座可以在沿座的纵轴的长度考虑时具有恒定或可变的宽度。
[0078]座的短边随着距旋转轴的距离增大而被定向于磁极的径向轴的方向，并且例如基本上朝磁极的尖端会聚。
[0079]座可以在横截面上即垂直于旋转轴呈一般的矩形或梯形的形状，该列表并非穷举。
[0080]座的短边可以垂直于座的长边。座的短边可以相对于座的长边倾斜。
[0081]至少一个座可以具有2个长边，一个长边比另一个长边短。在这种情况下，例如当座呈一般的梯形时，长边中最短的可以与长边中较长的相比较靠近气隙。
[0082]座的短边可以是直的或弯曲的。
[0083]永磁体可以具有一般的矩形形状。考虑到座的形状，座中的磁体的布置可以在磁体与对应座的短边之间的座中留出空闲空间。空闲空间例如呈一般的三角形。
[0084]转子块可以由叠片堆叠构成，或由在旋转轴周围缠绕其自身的一个或更多个独立叠片构成。转子块的每个叠片层可以形成为单件。转子可以没有单独的极性件。
[0085]转子可以包括2至12之间、甚至更好地4至8之间的多个磁极。
[0086]在阅读本发明的非限制性的示例性实施方式的以下详细描述并且检查附图后，将更好理解本发明，在附图中:
[0087]图1是根据本发明的旋转电机的局部示意视图；
[0088]图2、图2a和图2b是变型实施方式的与图1类似的视图；
[0089]图3示出了在施加方波电压期间图1的定子中的电流的演变；
[0090]图4是没有可饱和磁区的电机的与图1类似的视图；
[0091]图5示出了在施加方波电压期间图4的定子中的电流的发展；
[0092]图6a和图6b示出了图1的电机中的场线的发展；
[0093]图7示出了电压斜升；
[0094]图8示出了在施加电压斜升期间图1的定子中的电流的发展；
[0095]图9a、图％、图9c、图11a、图1lb和图1lc分别示出了在本发明的方法的两个实施期间对图1的电机中的速度、位置、电压和强度的测量;以及
[0096]图1Oa和图1Ob以及图12a和图12b分别是图9b和图9c以及图1 Ib和图1 Ic的细节的视图。
[0097]图1示出了包括定子2和通量集中转子3的旋转电机I，通量集中转子3具有其中形成座5以限定转子的磁极的磁转子块4，每个磁极具有径向轴X。
[0098]在该示例中，转子每磁极包括九个座5，所述九个座5被布置在每个磁极周围的3个同心行6中的，行的凹面朝向气隙。行6包括被相继布置在行中的三个座5。同一磁极的三个行6沿气隙的方向长度递减，最长的位于旋转侧的轴上，而最短的位于气隙侧上。
[0099]座5呈细长形式。座5每一个包括2个短边9，同一行6中的两个连续的座5的相应的短边9于其间限定材料桥接件10。材料桥接件10通常沿桥接件的纵轴Z延伸，纵轴Z被定向为随着距旋转轴的距离增大而接近转子I的对应磁极的径向轴X。材料桥接件10的纵轴Z是直的，并且与转子的对应磁极的径向轴X形成值不等于零且大于5°、在该示例中为近似15°的角度α。
[0100]座的短边9在朝向气隙的方向中被定向于磁极的径向轴X的方向上。座5呈一般的梯形并且具有2个长边，一个长边比另一个长边短，长边中最短的与长边中较长的相比较靠近气隙。
[0101]侧座通过周向材料桥接件12与气隙隔离。这些周向材料桥接件12占据仅离心力相当小的比例，而隔离两个座的桥接件10必须经受大部分离心力负荷。
[0102]转子I可以包括被插入座5中的每一个或某些个中的永磁体11。永磁体具有低能量密度。永磁体11的横截面在该示例中呈一般的矩形形状。磁体在座中的布置可以在磁体与对应座的短边之间的每个座中留出空闲空间15。
[0103]如图1中可以看到的，一些座可以没有磁体。在示出的示例性实施方式中，行中之一中的座被布置在中央支和2个侧支中，中央支是包括永磁体的唯一支，侧座不包括永磁体。
[0104]另外，在图1中可以看出，行的中央座可以具有比所述行中的侧座的长度大的长度，并且U的侧支比中央支短。
[0105]该情况与图2所示的变型相反。
[0106]另外，在图2中，形成于座之间的桥接件径向取向，也就是说，沿对应磁极的径向轴布置。
[0107]在另一变型中，如图2a所示，最接近气隙的座的行D可以包括中央桥接件10。
[0108]在又一变型中，如图2b所示，可以以V形而不是U形布置座。
[0109]刚刚描述的材料桥接件10和周向桥接件12形成转子的可饱和磁区。
[0110]图1所示的电机I还包括用于控制电机的变频机20，所述变频机20包括用于在静止状态下确定转子的磁极的极性的设备25，所述电机没有常规的位置传感器。
[0111]用于确定极性的设备25包括:
[0112]a)用于将励磁电压施加至定子2以在上述磁极的可饱和磁区10和12内相继生成两个不同的磁通量的装置，一个通量与磁体11的磁通量相合而另一个通量与磁体11的磁通量相反，以对于磁通量中的至少之一使可饱和磁区10和12饱和；以及
[0113]b)用于基于通过两个磁通量在定子中生成的电流的时间演变的差异来确定磁极的极性的装置。
[0114]现在将描述该设备的操作和根据本发明的用于确定极性的方法的次序。
[0115]确定磁极的位置
[0116]在定子的绕组中没有电流时，永磁体使磁路极化。
[0117]在第一步骤中，例如通过将高频信号施加至定子并且然后通过分析得到的电压和高频电流来确定转子的磁极的估计位置，以由此推断转子的磁极的位置。
[0118]在一种变型中，可以通过任意其他装置来执行该确定。
[0119]在该步骤中，作出关于磁极的极性的假设，当前在近似180电角度处不知道该极性，并且将在下面的步骤中证实或驳回该假设。
[0120]施加励磁电压
[0121]当电压被以方波电压的形式施加至定子限定时间t，以在上述转子的磁极的可饱和磁区10和12中创建磁通量时，可以在定子中测量得到的电流。
[0122]图3示出了当与磁体的通量相合(曲线D+)或与磁体的通量相位相反(曲线D-)地施加通过方波电压产生的通量时，图1的定子的绕组中的电流的演变。
[0123]如可以在图6a和图6b中看到的，通过方波电压产生的通量与磁体的通量相合的情况下的电流曲线D+的外观是由于转子的可饱和磁区10和12中的通量的方向的倒置，图6a和图6b示出了在创建的通量与磁体的通量相合的情况下的图1的电机中的通量的分布的演变。应当注意转子的不同的可饱和磁区10和12中的场线的演变。图6a示出了 t = Os处的通量，并且图6b示出了t = 0.0035s处的通量。如将在下文中说明的，可饱和磁区10和12的存在减缓电流的上升，并且使得可以区分北磁极和南磁极的方向。
[0124]相对地，图5示出了当在以下情况下与磁体的通量相合(曲线D+)或与磁体的通量相位相反(曲线D-)地施加通过方波电压产生的通量时定子的绕组中的电流的演变:如对于图4的电机的情况那样，转子没有任何可饱和磁区，所述图4的电机包括具有能量密度低的磁体但是没有可饱和磁区的转子。
[0125]在没有这些可饱和磁区的情况下，需要大于退磁之前的最大电流Imax的电流以从检测磁极的方向开始。如果使用如此高的电流，则存在磁体退磁的高风险。相对地，在小于最大电流I.、例如最大电流I.的2.5 %至50 %之间的低水平电流以及可饱和磁区的情况下，这两种情况下的电流的演变之间的区别是较清楚的。这消除了磁体退磁的风险。
[0126]还可以看到，在没有可饱和磁区的情况下，沿两个方向施加电压不能使得可以准确地或以鲁棒性的方式区分磁极的方向。
[0127]现在以作为具有由铁氧体制成的永磁体的同步磁阻电机的图2的电机，参考图9a至图9c以及图1Oa和图1Ob来描述根据本发明的方法的示例性实施方式。用变频机20进行测量。
[0?28]首先，如图9a所示，电机从10rpm的速度设定点Vref开始，图9a示出了设定点速度Vref的、估计速度Ve的和实际速度Vr的时间演变。阶段A是确定初始位置的阶段，后面是有效启动的阶段B。阶段A包括确定估计位置Pe的阶段Al和确定极性的阶段A2。图1Oa和图1Ob是阶段A2的细节的视图。
[0129]首先，如上所述(阶段Al)确定估计位置Pe。事实上，该估计位置Pe实际中具有180电角度的模糊性，这将由于阶段A2而消除。图9b和图1Oa示出了实际位置Pr的时间演变、估计位置Pe的时间演变和两者之间的误差E的时间演变。
[0130]为此，第一电压被以小方波电压的形式施加限定时间t，以在上述转子的磁极的可饱和磁区10和12中产生磁通量，并且在定子中测量第一得到的电流。
[0131]然后，第二电压在限定时间t期间以相对于第一方波电压在空间上相移了180电角度的第二方波电压的形式被施加，以在上述转子的磁极的可饱和磁区1和12中创建磁通量，并且在定子中测量第二得到的电流。
[0132]图9c和图1Ob示出了电压U+和所得强度I+的发展。
[0133]在一种情况下，因此产生与磁体的方向相同的方向(相合)的通量，而在另一种情况下，产生相对于磁体的通量相位相反的通量。
[0134]在上文中，使用方波电压。当然，如果情况是其他形式也不会背离本发明的范围，并且例如另外的形式可以用于励磁电压。
[0135]例如，图7和图8示出了使用电压斜升。如图7所示施加电压斜升U+限定时间t，以产生定向于与磁体的方向相同的方向的通量，然后，施加相同但在空间上相移了 180电角度的电压斜升U-。如此，在一种情况下，通过电压斜升产生的通量将在与磁体的方向相同的方向(相合)上，而在另一种情况下，通过电压斜升产生的通量将为相对于磁体的通量相位相反。
[0136]图8示出了当在转子具有可饱和磁路的情况下施加与磁体的通量相合(曲线D+)或与磁体的通量相位相反(曲线D-)的通过电压斜升U+产生的通量时电机的绕组中的电流的演变。在限定时间t开始时，可以看到电流达到可以区分北磁极和南磁极的方向的两个不同的值。
[0137]在又一变型中，通过正弦曲线电压对定子的激励使得可以确定转子的磁极的极性。在这种情况下，检测在励磁频率两倍(二阶谐波)处生成的电流分量的相位符号。北磁极与正相移对应，这与在实现用于检测极性的正弦曲线电压的常规解决方案中通常考虑的标准相反。
[0138]确定极性
[0139]可以基于通过两个磁通量在定子中生成的、所测量的第一电流和第二电流来推断转子的磁极的极性。为此，在步骤b)中确定第一电流和第二电流中的哪一个电流是相对于另一个电流较弱的电流和/或较迟的电流。
[0140]转子的北磁极与以下情况对应:在相同周期开始时并且对于相同幅度的施加电压，电流的水平较弱。
[0141]在图9a至图9c的测试中，如图1Ob详细所示，由第一方波电压引起的电流的幅度弱于由第二方波电压引起的电流的幅度。电流的第一变化为近似26A，第二变化为-40A。电机的最大电流是230A。同时，因此存在11.3%与-17.5%的足够显著的差异，以做出可靠的决定同时保持与最大电流相比的低电流水平。
[0142]与常规情况相比，如图9b和图1Oa所示通过在此仅用作验证的位置传感器(解析器)表示的测量Pr所确认的，此处的结论是估计位置Pe是正确位置。
[0143]然后，变频机从该位置启动(阶段B)，并且可以在图9b中看到，在由位置传感器给出的角度与在没有机械传感器的情况下通过根据本发明的方法获得的角度之间存在良好叠加。
[0144]在图1la至图1lc和图12a至图12b所示的变型中，一切与先前测试相同，不同之处在于，在阶段Al结束时，如图1lb的曲线所示，估计位置Pe位于距由解析器表示的Pr的180电角度处。在阶段A2结束时，与第一方波电压对应的电流最大，第一电流变化为30A，第二电流变化为-16A，其分别为+13%和-7%。两个方向之间的差异十分明显，使得在识别的电流水平仍大量低于标称电流的情况下，极性的模糊性的消除很清楚。可以由此(这里也是与常规方法相比)推断，正确位置位于180电角度处，并且该值被添加至估计位置Pe，此后位置Pe叠加通过解析器观察的实际位置Pr，并且误差E下降至O。
[0145]为了还避免退磁的风险，本发明的方法的优点之一是在测试期间将转子设为旋转的低风险，该风险对于当估计位置的测量远离实际位置时常规解决方案的很高水平的电流仍存在。
[0146]本发明不限于所示的示例。具体地，在不背离本发明的范围的情况下，可以修改转子的极性。
[0147]转子可以与具有分布或集中绕组的任何类型的定子协作。
[0148]术语“包括”应当被理解为与“包括至少一个”同义。
【主权项】
1.一种用于确定具有相对于定子的估计位置的旋转电机(I)的转子(3)的磁极的极性的方法，所述方法包括以下步骤: a)将励磁电压施加至所述定子，以在所述磁极的可饱和磁区内相继生成两个不同的磁通量，一个通量与限定所述转子的磁极的所述转子的磁体的磁通量相合，而另一个通量与限定所述转子的磁极的所述转子的磁体的磁通量相反，从而对于所述磁通量中的至少之一使所述可饱和磁区饱和；以及 b)基于通过所述两个磁通量在所述定子中生成的电流的时间演变的差异，来确定所述磁极的极性。2.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述转子(3)包括具有低能量密度的永磁体(11)，特别是铁氧体永磁体。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法在静止状态下即在所述电机(I)被设置为旋转之前被执行。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将励磁电压施加至所述定子包括将第一电压和第二电压施加至所述定子，所述电压具有从以下列表选择的形式:方波电压、电压斜升、正弦电压波。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，得到的电流小于退磁之前的最大电流(Imax)，甚至更好的情况下小于所述最大电流的50%，特别地在所述最大电流的2.5%至50%之间。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤b)中确定通过所述两个磁通量在所述定子中生成的电流中的哪一个相对于另一个较弱和/或较迟。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述转子的北磁极与以下情况对应:在相同持续时间结束时并且对于相同幅度的施加电压，所述电流水平较低。8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二电压具有与所述第一电压相同的幅度。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过将高频信号施加至所述定子并且然后通过分析所述得到的电压和高频电流，来确定相对于所述定子的所述转子的磁极的估计位置，从而由此推断所述转子的磁极的位置。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，可饱和磁区(10，12)是:(i)形成在转子(3)中的旨在容纳所述永磁体(11)的座(9)之间的磁性材料桥接件(10)，所述永磁体(11)被布置以限定所述转子的磁极；以及/或者(ii)被布置在所述电机的座(9)与气隙之间的磁性材料桥接件(12)。11.一种用于确定具有相对于定子(2)的估计位置的旋转电机(I)的转子(3)的磁极的极性的设备(25)，所述设备包括: a)用于将励磁电压施加至所述定子、以在所述磁极的可饱和磁区内相继生成两个不同的磁通量的装置，其中，一个通量与限定所述转子的磁极的所述转子的磁体的磁通量相合，并且另一个通量与限定所述转子的磁极的所述转子的磁体的磁通量相反，从而对于所述磁通量中的至少之一使所述可饱和磁区饱和；以及 b)用于基于通过所述两个磁通量在所述定子中生成的电流的时间演变的差异、来确定所述磁极的极性的装置。12.—种用于电机的变频机(20)，包括根据前述权利要求所述的用于确定极性的设备(25)。13.—种旋转电机(I)，包括: -电机，包括具有永磁体(11)的转子(3);以及 -根据前述权利要求所述的变频机(20)，用于控制所述电机。14.根据前述权利要求所述的电机，其中，所述转子(3)是具有永磁体的通量集中转子或同步磁阻转子。15.根据前述两项权利要求中任一项所述的电机，其中，所述转子(3)的每个磁极包括至少一个可饱和磁区(10,12)。16.根据权利要求13至15中任一项所述的电机，包括在齿上缠绕或具有分布绕组的定子⑵。
【文档编号】H02K1/27GK105900317SQ201480072586
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月19日
【发明人】沙维尔·雅诺, 雅克·圣-米歇尔, 马蒂亚斯·蒂恩切夫-亚麻德
【申请人】利莱森玛电机公司