专利名称：一种电动机或发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机，尤其涉及一种用于转动车辆中车轮的电动机。
背景技术：
永磁同步电动机通过产生旋转磁场来运转，旋转磁场一般通过流经安装在定子上的圈式绕组的电流来形成。该圈式绕组一般形成分布在定子周围并相互耦接的一组相绕组。对于三相电动机或发电机来说，三组相绕组以星形布局或三角形布局相互连接。图1中显示了一个六相电动机或发电机，其具有以星形布局连接的六组相绕组，其中，每一个线圈都有一个端点都连接在公共点，该公共点称为星点100。在电动机或发电机运转过程中，在每组相绕组上施加或产生不同的电压相位。相应地，对于η-相电动机或发电机,在该电动机或发电机的相绕组上施加对应的η-相电压。可以通过确保施加到相绕组上的电相位即电相角与永磁体产生的磁场同步来优化永磁同步电动机或发电机的效率，所述永磁体一般安装在转子上，从而在给定的扭矩/速度下，所述电相角相对于所述磁场具有固定的相位偏移。换句话说，所述电相角与转子磁通量角同步。为了让相应的相绕组的电相位与安装在转子上的永磁体产生的磁场(即转子磁通量角)同步，将一圈多个磁体或磁极以换向磁体环的形式安装在转子上，该转子具有与安装在转子上作为驱动磁体的永磁体匹配的结构，而换向磁体用于估计驱动磁体的转子磁通量角。一般安装 在定子上的是霍尔传感器，其被安排用于测量来自换向磁体环的磁场强度。为了使转子的方向能被确定并且为了提高精确度，一般在距第一霍尔传感器90度电角度的位置放置第二霍尔传感器。随着转子相对于定子旋转，所述霍尔传感器输出AC电压信号,该AC电压信号使转子的磁通量角可以被估算出来。转子磁通量角可以根据来自霍尔传感器的信号输出并经过三角计算来确定。对于双霍尔传感器配置，一个霍尔传感器代表转子通量角的正弦(sine)，另一个霍尔传感器信号代表转子通量角的余弦(cosine)。输出的AC电压信号的频率与转子的速度成正比。为了说明，图2显示了安装在定子上的两个霍尔传感器的输出，两个霍尔传感器之间相差约90°电相角。如图所不，输出两个正弦信号，其中一个输出信号相对于另一个输出信号大约移相90°。但是，由于存在制造公差，在换向磁体环内的磁体相对于固定在转子上的永磁体通常具有变化偏移量。虽然换向磁体环的磁体和其对应的安装在转子上的永磁体之间的一般性偏移可以被校准，但是变化偏移量会导致转子的转子通量角的测量值和实际值之间的误差。转子的转子通量角的测量值和实际值之间的误差又导致相应的相绕组的电相位不能完全同步于安装在转子上的永磁体所产生的磁场。如图3所示，通常，在相位角的测量值和实际值之间的变化的误差在转子相对于定子的一个完整的机械旋转上为正弦曲线。该转子通量角的误差能够导致扭矩损失、转矩波动、噪声以及电动机的效率下降。业内需要改变这种现状。
发明内容
根据本发明的一个方面，根据权利要求，提供一种方法、一种电动机或发电机。所要保护的本发明的优点在于使换向磁体和驱动磁体之间的相关性可以被更精确地确定，从而使所确定的电相角的精度能随着电动机或发电机的操作效率的提高而提闻。
下面以举例的方式，结合附图，描述本发明，其中图1显示了六相电动机或发电机的线圈绕组的星形连接；图2显示了来自两个相距90度电角度的霍尔传感器的输出，这两个霍尔传感器安装在体现本发明的电动机上；图3显示了具有单一位置传感器的电动机的变化偏移的相位角误差；图4显示了体现本发明的发动机的分解图；图5是从另一个角度观察的图4的发动机的分解图；图6显示了安装在体现本发明的发动机上的换向磁体环和两个位置传感器；图7显示了用在体现本发明的电动机上的一种线圈集布局的示例；图8显示了三相定子电流复空间矢量；图9显示了闭环磁场定向控制系统；图10显示了具有d_q旋转参考系的三相定子电流参考系；图11显示了对由相距约180°的两个位置传感器测量的变化偏移量相位误差的校准数据的图形化表达。
具体实施例方式本发明该实施例描述的是用于车辆中车轮内的电动机。该电动机的类型是具有作为定子的一部分的一组线圈，附着在车辆上，其被附着在车轮上的具有一组磁体的转子径向环绕。为避免疑义，本发明的各个方面同样适用于具有相同布局的发电机。同样地，电动机的释义旨在包括发电机。另外，本发明的一些方面适用于这样的布局将转子安装在径向环绕的线圈的中心。然而，本领域技术人员可以理解，本发明同样也适用于其他类型的电动机。如图4所示，轮毂电动机40包括定子252，定子252包括形成该组件的外壳的第一部分的后端部分230、散热器和驱动装置231，其中驱动装置231包括多个线圈和用于驱动所述线圈的电子设备。线圈驱动装置231固定在后端部分230上以形成定子252，然后定子252可以固定在车辆上并且在使用过程中相对于车辆不旋转。线圈自身形成在齿形薄片上从而形成圈式绕组，其连同驱动装置231和后端部分230形成了定子252。转子240包括形成盖子的前端部分220以及圆柱部分221，其基本上包围定子252。该转子包括多个永磁体242，永磁体242被布置在圆柱部分221的内侧周围。为了本实施例的目的，共有32对磁体对安装在圆柱部分221的内侧。但是，也可以使用任意数量的磁体对。所述磁体与组件231上的线圈非常接近，从而组件231中的线圈所产生的磁场与布置在转子240的圆柱部分221内侧周围的磁体242配合，以引起转子240旋转。因为永磁体242用于产生驱动电动机的驱动扭矩，所以永磁体一般称为驱动磁体。转子240通过轴承座223附着在定子252上。轴承座223可以是标准的轴承座，即本将用于该发动机组件所适用的车辆上的轴承座。轴承座包括两部分，第一部分固定在定子上，第二部分固定在转子上。轴承座固定在定子252的壁230的中心部位233，也固定在转子240的壳壁220的中心部位225。由此，通过位于转子240中心部位225的轴承座223，转子240可转动地固定在其将要使用的车辆上。这样带来一个优点，轮毂和轮胎可以使用普通的车轮螺钉固定在转子240的中心部位225，从而将轮毂固定在转子的中心部位，并继而稳固地固定在轴承座223的可转动一侧。车轮螺钉可以穿过转子中心部位225安装到轴承座本身内。通过将转子240和车轮都安装到轴承座223上，转子的转动角度和车轮之间具有一一对应关系。图5从相反的一侧显示了与图4相同的组件，其中显示了定子252，定子252包括后端定子壁230以及线圈和电子设备组件231。转子240包括外转子壁220和圆周壁221，磁体242沿圆周布置在其内部。根据上面的描述，定子252通过轴承座在转子和定子壁的中心部位与转子240连接。另外，图4还显示了携带控制电子设备的控制设备80，或称为马达驱动控制器或逆变器。在转子的圆周壁221和定子壳230的外边缘之间提供一个V形密封350。转子还包括用于位置感应的一组磁体227，即所谓的换向磁体，其与安装在定子上的传感器配合可以估算转子通量角。转子通量角定义了驱动磁体相对于圈式绕组的位置关系。可替代的，取代一组单独的磁体，转子可以包括具有多极的磁性材料环，其充当一组单独的磁体。为了使换向磁体能够用于计算转子通量角，优选的，每个驱动磁体都具有关联的换向磁体，其中，转子通量角通过校准测量到的换向磁体通量角从与该组换向磁体关联的通量角获得。为了简化换向磁体的通量角和转子通量角之间的关系，优选的，换向磁体组中的磁体或磁极对的数量与驱动磁体组中的对数相同，其中，换向磁体和关联的驱动磁体基本上彼此沿径向对齐。相应地，为了实现本实施例的目的，换向磁体组具有32个磁体对，其中每个磁体对都与各自的驱动磁体对基本上沿径向对齐。在定子上，在大致直径上对置的位置安装至少两个传感器(即大约彼此分离180°机械角度)，在本实施例中为霍尔传感器。传感器的安装位置使得随着转子转动，形成换向磁体环的每一个换向磁体分别旋转经过相应的传感器。随着转子相对于定子转动，换向磁体相应地旋转经过相应的传感器，每个霍尔传感器输出AC电压信号,其中，每个传感器为经过相应传感器的每个磁体对输出具有360度电角度的完整电压周期。图6显示了换向磁体环，该换向磁体环具有32对磁体对，两个传感器相对于换向磁体环相距约180度机械角度设置。
如上所述，为了帮助确定转子的方向，每个传感器还可以具有相距90度电角度放置的关联的第二传感器。如图7所示，本实施例中的电动机40包括8个线圈集60，每个线圈集60具有三个线圈子集61、62和63，它们分别耦接到控制设备80，其中，每个控制设备80和各自的线圈子集形成了三相逻辑电动机或子电动机，其可以被独立于其他子电动机而控制。控制设备80利用三相电源驱动其各自的子电动机，从而使各自的线圈子集产生旋转磁场。虽然本实施例中描述的每个线圈集60为包括三个线圈子集61、62和63，本发明并不受本实施例的局限，可以理解每个线圈集60可以具有两个或更多的线圈子集。同样地，虽然本实施例中描述的电动机具有八个线圈集60 (即八个子电动机)，该电动机可以包括一个或更多的具有关联控制设备的线圈集。每个控制设备包括一个三相桥逆变器，作为本领域技术人员公知常识，三相桥逆变器包括六个开关。该三相桥逆变器耦接到所述的线圈集60的三个线圈子集，以形成三相电动机结构。相应地，如上所述，所述发动机包括八个三相子电动机，其中每个三相子电动机包括控制设备80，控制设备80耦接到所述线圈集60的三个线圈子集。每个三相桥逆变器被设置提供在相应的线圈子集61、62和63两端的PWM电压控制，从而为各自的子电动机提供所需的扭矩。对于给定的线圈集,控制设备64的三相桥开关被安排对每个线圈子集61、62和63施加单一电压相位。虽然本实施中描述的轮毂电动机包括多个逻辑子电动机，本领域技术人员可以理解，所述电动机可以是常规设计，而不使用逻辑子电动机。在本实施例中，每个控`制设备80大体上都是楔形的。该形状使多个控制设备80能够在电动机中彼此相邻，形成扇形布局。所述控制设备80开关可以包括半导体设备，例如MOSFET或IGBT。在本实施例中，所述开关包括IGBT。但是，也可以使用任何已知的合适的开关电路用于控制电流。一个公知的关于这类开关电路的例子是三相桥电路，其具有六个配置用于驱动三相电动机的开关。该六个开关配置作为三组并联的开关对，其中每一对开关为串联形式并且来自三相桥电路的一支。所述多个开关被安排对各自的线圈子集施加交流电压。如上所述，所述多个开关配置为形成η-相桥电路。相应地，作为本领域技术人员的公知常识，开关的数量取决于所需应用到各个子电动机上的电压相位的数量。虽然目前的设计显示每个子电动机具有三相结构，但是子电动机可以设计为具有两相或多相结构。线圈子集的电线(例如铜线)可以视情况直接连接到开关设备。控制设备80包括多个电气元件，用于控制安装在控制设备80上的开关的操作。安装在控制设备80上的电气元件例如包括控制逻辑，用于控制开关操作以提供PWM电压控制，以及诸如CAN接口芯片的接口组件，用于使控制设备80能够与位于控制设备80外的设备(例如其他控制设备80或主控制器)通信。一般情况下，控制设备80会通过接口通信，以接收扭矩需求请求并且发送状态信息。一般情况下，所述用于确定转子通量角的至少两个传感器将被安装在单独的控制设备80上，从而被安装在定子上。可选的，为了额外的冗余，每个控制设备80上都安装有传感器。
在电动机控制器(未示出)的控制下通过控制设备80在电动机中产生的正弦电压波形是通过使用磁场定向控制(Field Orientation Control)创造的,其中，合成的转子通量和定子电流表示为相距120度的相应的矢量，如图8中以三个轴A、B和C所示。如图8所示，在三相电流参考系的A、B和C轴中，电流ia、ib和ic表示在各个定子线圈中的瞬时电流，其中定子电流矢量定义为ts = ta+alb+a2t。，，其中a=e(i*2*n/3)。磁场定向控制基于如下投影，其将三相时间和速度相关系统投影为二维时不变系统，其中，定子电流或电压分量与交轴q对齐，并且磁通量分量与直轴d对齐。利用闭环控制系统，在图9中显示了一个示例，其中，需要的扭矩τ由输入i,值代表，需要的磁通量λ由输入id值代表，这两个值与实际从电动机测量到的值比较。但需要注意的是，在正常情况下，永磁同步电动机一般将id值设置为O。如图9所示的闭环控制系统100利用克拉克和帕克变换(Park and ClarkeTransforms)，执行对所需扭矩值与测量值的比较，还执行所需的关联电压和电流控制以驱动电动机。克拉克变换101利用用于驱动电动机的三相电压va、vb和vc中的至少两个的测量值来计算在两相正交定子轴να和νβ中的电压。然后帕克变换通过帕克变换102执行，以将两个定点坐标定子轴V α和νβ转换为二维时不变系统vd和vq,其定义了 d_q旋转参考系。图10显示了定子电压在d_q旋转参考系相对于两相正交定子轴να和νβ以及a、b和c静止参考系的关系。在正常的驱动条件下，由转子磁通量矢量WR定义的转子相位角Θ r (又称为驱动磁体的转子通量角)，以及定子电相角Θ e在理想情况下应该与q-轴对齐，从而保持转子相位角ΘΓ和定子电相角0e之间的同步。
为了让帕克变换102获得一个时不变变换，为帕克变换提供转子相位角Θ r，其中转子相位角Θ r通过使用转子换向磁体和安装在控制设备80上的位置传感器来确定。如上所述，转子的转子相位角Θ r通过使用安装在单独的控制设备上的两个传感器(本实施例中为霍尔传感器)来确定。为了实现本实施例的目的，为了提高精确度，每个传感器形成单独的传感器组件的一部分，每个传感器组件具有第二传感器，其中传感器组件的传感器都相距90°电角度安装。相应地，为了本实施例的目的，在单独的控制设备上至少安装两个传感器组件。如上所述，虽然只有两个传感器，或者为了本发明实施例的目的为两个传感器组件，需要被安装在定子上大概直径上相对的位置，但是，每个控制设备80都可以具有一个传感器或传感器组件。通过将传感器安装在多个控制设备上，其优点在于当一组传感器出现故障时还能够提供冗余保障。虽然本实施例中包含有源传感器，也可以使用其他形式的传感器，例如电感式传感器，该电感式传感器包括与齿环毗邻安装的磁体和线圈。如上所述，随着转子绕定子旋转，所述传感器输出AC电压信号，其中，输出的AC电压信号的频率与转子的转速成正比。相应的传感器输出的电压信号的相位与换向磁体环通量的相位，即通量角，相对应。为了确定转子相位角θι·从而在帕克变换中使用它，由从传感器输出的电压信号来定义的换向磁体环通量需要校准，以修正每个换向磁体和其关联驱动磁体之间的相对位置的变化。为了校准换向磁体通量角以作为转子通量角使用，针对所述转子磁体对为两个传感器定义电角度偏移，其中，所述偏移定义了测量的换向磁体的电相角和与其关联的驱动磁体的电相角之间的差值。每个换向传感器具有校准的相位角偏移值，其代表换向磁体通量角和转子通量角之间的平均差值。但是，由于换向磁极对一般不会在机械转动中平均分布，所以如果不进行修正，即使平均误差为0，也将在计算出的换向通量角和转子通量角之间产生额外的偏移误差，其在大范围上为正弦曲线形状。表I显示了经计算的换向通量角与转子通量角之间的偏移误差的正弦性质，该误差来源于换向磁体及其相应的驱动磁体之间不均匀间距，其中，对于32对磁体对中的每一对，在两个传感器上都确定了校准偏移。表I的最后一列包含在两个传感器上为每对磁体对确定的偏移值的平均值。
权利要求
1.一种电动机或发电机系统,包括 转子，具有第一组磁极； 定子，具有安装在所述定子上的第一传感器，和安装在定子上相对于所述第一传感器位于大体上直径相对位置的第二传感器，其中，所述第一传感器被安排用于输出第一信号，第一信号表示随着转子相对于定子转动与第一组磁极关联的第一转子通量角，并且所述第二传感器被安排用于输出第二信号，第二信号表不随着转子相对于定子转动与第一组磁极关联的第二转子通量角；以及 设置用于通过平均第一传感器所表示的第一转子通量角和第二传感器所表示的第二转子通量角来确定修正的转子通量角的装置。
2.如权利要求1所述的电动机或发电机，其中，随着转子相对于定子转动，响应于所述第一传感器和所述第二传感器经过相应的第一组磁极，产生所述第一信号和所述第二信号。
3.如权利要求2所述的电动机或发电机，其中，在所述定子上安装多个圈式绕组，并且转子包括第二组磁体，其中，所述多个圈式绕组和第二组磁体被安排当电流通过所述多个圈式绕组时允许扭矩被施加到所述转子上，其中，所述施加到转子的扭矩基于流经相应圈式绕组的电流的相位和与第二组磁体关联的转子通量角来确定。
4.如权利要求3所述的电动机或发电机，其中，对所述第一传感器和第二传感器所表示的电相角的平均允许相对于第一组磁极确定与第二组磁体关联的转子通量角。
5.如上述权利要求之一所述的电动机或发电机，其中，所述第一传感器和第二传感器为霍尔传感器。
6.一种操作如权利要求3所述的电动机或发电机的方法，该方法包括对相应的所述圈式绕组施加交流电压，其中，所述交流电压的相位基于所述修正的电相角。
全文摘要
一种电动机或发电机系统，包括具有第一组磁极的转子；定子，其具有安装在所述定子上的第一传感器，和安装在定子上相对于所述第一传感器位于大体上直径相对位置的第二传感器，其中，所述第一传感器被安排用于输出第一信号，第一信号表示随着转子相对于定子转动与第一组磁极关联的第一转子通量角，并且所述第二传感器被安排用于输出第二信号，第二信号表示随着转子相对于定子转动与第一组磁极关联的第二转子通量角；以及安排用于通过平均第一传感器所表示的第一转子通量角和第二传感器所表示的第二转子通量角来确定修正的转子通量角的装置。
文档编号H02K11/00GK103066756SQ20121039792
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月18日 优先权日2011年10月19日
发明者R·T·伯克 申请人:普罗蒂恩电子有限公司