主动磁轴承控制器的制作方法

本公开总体上涉及主动磁轴承（amb）。更具体地，本发明涉及具有改进构造的amb控制器的功率放大器，该改进构造减少了功率半导体部件和分离的电流传感器的数量。

背景技术：

三相感应马达已经被广泛地认为是许多工业应用的主力。存在用于不同速度范围的电动马达。高速操作范围呈现优于通过直接50/60hz电源频率可能的速度范围的某些优点。增加额定速度是增加功率密度和效率的有效方式。高速马达的感兴趣的操作领域是其中齿轮箱和标准马达能够被直接驱动的高速马达替代的应用。

电机的转子通常被多个轴承支撑。在一些情况下，诸如高速转子操作，有益的是使用amb来代替传统的机械轴承。amb通过产生受控的磁通量来支撑转子轴，所述磁通量在转子上施加力来维持期望的转子轴位置。amb被磁轴承控制器控制。现有的磁轴承控制器具有大量不足和缺点。存在仍未满足的需求，包括降低硬件复杂性、减少开关损耗和增加可靠性。例如，一些磁轴承控制器需要大量开关以便逐步降低输入电压并且将功率提供到磁轴承的绕组对。在另一示例中，一些磁轴承控制器需要分离的电流传感器来计算适当量的磁通量以提供到磁轴承绕组。对于本文中公开的独特的装备、方法、系统和技术存在重大需求。

技术实现要素：

为了清楚、简明且准确地描述本公开的非限制示例性实施例、制造和使用本公开的方式和过程的目的，以及为了使本公开能够实践、制造和使用，现在将参考某些示例性实施例，包括附图中所示的那些，并且特定语言将用于描述本公开。无论如何将理解，不因此对本公开的范围产生限制，并且本公开包括并保护如本领域一名技术人员在本公开启示下将意识到的对示例性实施例的那些改变、修改和另外的应用。

示例性实施例包括用于主动磁轴承控制器的独特的系统、方法、技术和装备。本公开的另外的实施例、形式、目的、特征、优点、方法和益处将从下述描述和附图中显而易见。

根据本申请，具有基本相等的电压水平的对称双电平中间dc电路电压被用作amb功率放大器（其也被称为磁驱动器）的电源，并且绕组电流负载在电压半部（voltagehalves）之间尽可能均匀地被共享。在布置中，每个绕组的一端被连接到dc电路中间点，其使得能够且有利于通过被置于该电势的低成本的分流电阻器感测电流。

根据本申请的实施例，功率放大器被成对布置，以便每对均包括上侧功率放大器和下侧功率放大器，使得绕组电流负载尽可能均匀。

根据本申请的控制方法，每对中的上侧和下侧功率放大器被控制成使得输出电压脉冲的尖锐边缘尽可能同时且指向相反，从而最小化通过杂散电容进入环境中的电容电流和并且因此最小化来自系统的高频发射。相等负载的功率放大器对布置和用于相反指向的电压脉冲的控制方法也最小化dc链路平流电容器的电流纹波，因此延长其寿命。

根据本申请的实施例，额外的功率放大器可以被用于保持dc电路半部的电压处于平衡。

附图说明

图1示出了示例性主动磁轴承（amb）控制器。

图2示出另一示例性amb控制器。

图3示出示例性amb布置。

图4示出由示例性amb布置围绕的转子轴的两个横截面。

图5是示出示例性激活信号的图表。

图6示出用于图1和图2的amb控制器的示例性电压平衡电路。

具体实施方式

参考图1，示出了主动磁轴承（amb）系统100。将意识到，系统100可以在各种应用中被实现，包括空气压缩机、飞轮、涡轮机和泵送系统，这里仅列出一些示例。

系统100包括功率转换器（powerconverter）110和多个磁轴承绕组对140。转换器110包括被构造成从dc电源（未示出）的正极接收功率的正dc总线轨111a和被构造成从dc电源的负极接收功率的负dc总线轨111b。在轨111a和111b之间的电压差是vdc。电容器113被电联接到正dc总线轨111a和中点连接117。电容器115被电联接到中点连接117和负dc总线轨111b。电容器113和115具有基本相等的大小，使得每个电容器113和115两端的电压是vdc的一半并且在中点连接117处的电压是0v。

转换器110还包括第一支线（leg），其具有被电联接在正dc总线轨111a和输出节点123之间的半导体开关装置119，以及被电联接在输出节点123和dc总线轨111b之间的二极管121。在某些实施例中，半导体开关装置119是绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管。将意识到，半导体开关装置119的任一或所有前述特征也可以存在于本文中公开的其他半导体开关装置中。

转换器110进一步包括第二支线，其具有被电联接在正dc总线轨111a和输出节点129之间的二极管125，以及被电联接在输出节点129和负dc总线轨111b之间的半导体开关装置127。

转换器110进一步包括被构造成观察电流的一对传感器131和133。在一个实施例中，传感器131和133是被构造成获取一系列电流测量值并传送电流测量值的分流电阻器。

多个磁性轴承绕组对140包括第一绕组对141和第二绕组对143。绕组对141包括被串联电联接在输出节点123和传感器131之间的两个amb绕组。绕组对143包括被电联接在传感器133和输出节点129之间的两个amb绕组。输出节点123因此借助于绕组对141被电联接到中点连接117，并且输出节点129借助于绕组对143被电联接到中点连接117。在某些实施例中，单个磁轴承绕组可以用来代替绕组对141或者143。

转换器110进一步包括被电联接到开关装置119和127及传感器131和133的开关控制器150。控制器150被构造成通过将多个激活信号传送到开关装置119和127以打开和闭合装置119和127来控制开关装置119和127以便向绕组对141和143提供基本同相功率。控制器150被构造成从传感器131和133接收电流测量值。

虽然之后描述的实施例没有具体描述类似于系统100的特征的特征，但是这样的特征可以结合所述系统被使用。

参考图2，示出了示例性amb系统200。系统200包括dc电源210。在所示实施例中，dc电源210包括整流器213，其被电联接到具有正轨211a和负轨211b的dc总线。dc电源210还包括ac线路215，其被电联接到ac电源（未示出）。整流器213被构造成借助于ac线路215从ac电源接收功率、将ac功率转换成具有电压vdc的dc功率并且将dc功率提供给dc总线的正轨211a和负轨211b。在其他实施例中，dc电源210是电池组、燃料电池、光电池阵列或者dc配电网。

系统200进一步包括被电联接到正轨211a和负轨211b的功率因数补偿（pfc）电路220。pfc电路220被构造成从正轨211a和负轨211b接收功率，并且调整系统200中实际功率与无功功率的比率。pfc电路220包括被电联接在正轨211a和负轨211b之间的半导体开关装置221。pfc电路220还包括被电联接到正轨211a的电容器225和被电联接到负轨211b的电容器227，电容器225和227在中点连接229处被电联接在一起。在正轨211a上，在正轨上电联接到半导体开关装置221和电容器225的点之间，二极管被电联接到正轨，二极管223被构造成限制电流在正轨221a上朝向dc电源210流动。

系统200进一步包括磁驱动器电路230，其被电联接到正轨211a和负轨211b并且被构造成借助于正轨211a和负轨211b从dc电源210接收dc功率。电路230包括第一支线，其具有被电联接到正轨211a的半导体开关装置231。第一支线还包括二极管233，其被电联接到负轨211b且还借助于输出节点235被电联接到半导体开关装置231。电路230还包括第二支线，其具有被电联接到正轨211a的二极管237和被电联接到负轨211b的半导体开关装置239。二极管237借助于输出节点241被电联接到半导体开关装置239。

磁驱动器电路230还包括两个传感器243和245，其中的每个均被构造成测量电流。两个传感器243和245均被电联接到中点连接229。

系统200包括多个输出250，其被构造成向磁轴承绕组提供功率，该功率具有在0v和vdc的一半之间的电压差。所述多个输出250包括dc总线输出线路251a-251c和磁轴承连接线路253、255、257和259。dc总线输出线路251a被电联接在正轨和具有类似于磁驱动器电路230的特征的多个附加磁驱动器电路（未示出）之间。dc总线输出线路251b被电联接在中点连接229和所述多个附加磁驱动器电路之间。dc总线输出线路251c被电联接在负轨211b和所述多个附加磁驱动器电路之间。例如，dc总线输出线路251a-251c被联接到四个附加磁驱动器电路，每个磁驱动器电路均具有两个支线，每个支线均与输出节点通过独特的磁轴承绕组被电联接到中点连接229。

所述多个输出250还包括磁轴承连接线路253、255、257和259，其被构造成将功率从磁驱动器电路230提供到多个轴承绕组260，包括轴承绕组261、263、265和267。具体地，线路253被电联接在输出节点235和轴承绕组261之间。线路255被电联接在传感器243和绕组263之间。线路257被电联接在传感器245和绕组265之间。线路259被电联接在输出节点241和绕组267之间。

如下文更详细讨论的，所示轴承绕组被构造成成对操作。例如，绕组261和263被电联接在一起并且形成一个绕组对，并且绕组265和267被电联接在一起并且形成第二绕组对。在其他实施例中，绕组对被单个绕组替代。

系统200进一步包括被电联接到半导体开关装置221、231和239的开关控制器270。控制器270被构造成控制半导体开关装置231和239以便向绕组对261和263及绕组对265和267提供基本同相功率。开关控制器270也被构造成通过操作开关装置221执行功率因数补偿操作。控制器270通过传送激活信号至相应装置来操作开关装置221、231和239以便打开和闭合装置。

虽然之后描述的实施例可能没有具体描述类似于系统200的特征的特征，但是这样的特征可以结合所述系统被使用。

参考图3，示出了具有示例性磁轴承布置310的转子布置300，该磁轴承布置310被构造成使转子301悬空并支撑转子301。布置300包括转子301，其借助于左侧轴303被机械联接到第一级305。转子301借助于右侧轴307被机械联接到第二级309。磁轴承布置310被构造成通过向转子301选择性地施加磁力来减少转子的轴向运动，并且被构造成通过在左侧轴303和右侧轴307上选择性地施加磁力来减少转子的径向运动。具体地，布置310包括左侧径向磁轴承311、轴向磁轴承313和323，以及右侧径向磁轴承321。

参考图4（a）和（b），示出了一对示例性径向磁轴承布置400，诸如图3的左侧径向磁轴承311和右侧磁径向轴承321。图4（a）示出了围绕转子轴401的第一径向磁轴承410，其包括分别绕多个定子齿413a-413h缠绕的多个绕组411a-411h。绕组411a-h被电联接成四对。具体地，绕组411a被电联接到绕组411b；绕组411c被电联接到绕组411d；绕组411e被电联接到绕组411f；并且绕组411g被电联接到绕组411h。当被电联接到电源时，每个绕组对均被构造成产生磁通量，该磁通量在转子轴401上施加力，该力与提供给绕组对的电流成比例。绕组411a和411b被构造成产生磁通量415；绕组411c和411d被构造成产生磁通量417；绕组411e和411f被构造成产生磁通量419；并且绕组411g和411h被构造成产生磁通量421。重要的是注意到磁通量415是与磁通量419相反的力并且磁通量417是与磁通量421相反的力。轴401相对于绕组411a-411h的位置由磁通量415、417、419和421的和来确定。

图4（b）示出了围绕转子轴403的第二径向磁轴承430，其包括分别绕多个定子齿433a-433h缠绕的多个绕组431a-431h。绕组431a-h被电联接成四对。具体地，绕组431a被电联接到绕组431b；绕组431c被电联接到绕组431d；绕组431e被电联接到绕组431f；并且绕组431g被电联接到绕组431h。当被电联接到电源时，每对均被构造成产生磁通量，该磁通量在转子轴403上施加力。绕组431a和431b被构造成产生磁通量435；绕组431c和431d被构造成产生磁通量437；绕组431e和431f被构造成产生磁通量439；并且绕组431g和431h被构造成产生磁通量441。重要的是注意到磁通量435是与磁通量439相反的力并且磁通量437是与磁通量441相反的力。轴403相对于定子绕组431a-431h的位置由磁通量435、437、439和441的和来确定。

参考图5，是示出由开关控制器产生的示例性激活信号的图表500，该开关控制器诸如是图1和图2的开关控制器150和270。图表500示出了两个激活信号，即信号501和503，每个均具有有效高分量（component）和无效低分量。图表500还示出了电压测量值513和515的两个系列，电压测量值的每个系列均具有高电压和低电压。信号和电压关于时间t示出，时间t包括时间瞬时505、507和509，其中，在时间瞬时505和509之间的时间间隔是时间间隔511。时间间隔511表示激活信号501的一个循环。在某些实施例中，激活信号501和503的有效高分量相对于激活信号501和503的无效低分量的长度可以被缩短或增长。如图表500在时间瞬时505、507和509处所示，激活信号501和503基本同相。如图表500所示，电压513对应于点123处的电压并且电压515对应于点129处的电压。

继续参考图1至图5，当开关控制器150将信号501传送到开关装置119并将信号503传送到开关装置127时，向绕组对141和143提供基本同相的功率。被提供给绕组对141和143的功率基本同相，以便减少通过电容器113和115的高频电流纹波，以及减少通过杂散电容的高频电流，从而最小化来自系统100的高频发射。开关控制器150被构造成使用从传感器131和133接收的测量值来计算每个激活信号的循环周期和有效高分量的长度，诸如激活信号501的时间间隔511。例如，如果传感器131指示绕组对141中的低电流值，则能够通过增加激活信号501的有效高分量的相对长度来提升电流水平。

在时间瞬时505，开关控制器150被构造成将有效高信号501传送到开关装置119，从而导致装置119闭合并连接绕组对141两端的电容器113电压，从而产生通过绕组对141的具有增加的斜率的电流。以对应方式，在时间瞬时507，开关控制器150被构造成将无效低信号501传送到开关装置119，从而导致装置119打开。借助于装置119流动通过电感绕组对141的电流被中断，并且电流开始借助于二极管121流动通过绕组对141。电容器115电压连接在绕组对141两端，从而现在产生流动通过绕组对141的具有下降斜率的电流。由开关控制器150传送的用于控制开关装置127的信号503的正时与信号501的正时基本同相，与其区别仅在于流动通过绕组对143的电流的控制所需要的程度。

控制器150被构造成将有效高信号基本同时传送到开关装置119和127，使得输出节点123和129的电势阶跃（如由测量值513和515表示）基本同时发生但是方向相反，这导致在磁轴承的绕组中及其连接线路（图2中的253和259）中通过杂散电容的电容电流相互抵消，从而减少从amb系统发射到环境的高频噪声。

继续参考图1和图4，被联接到转换器110的绕组对可以被选择成使得由每个绕组对所产生的通量是与第二绕组对相反的力。例如，当转子被竖直布置时，绕组对141可以是绕组411a和411b，同时绕组对143可以是绕组411e和411f。继续参考图1和图3，在另一示例中，当转子301被水平布置时，绕组对141可以是左侧轴向磁轴承313并且绕组对143可以是右侧轴向磁轴承323。

被联接到转换器110的绕组对也可以被选择成使得每个绕组的功率需求是相等的。例如，继续参考图1和图4，当转子被水平布置使得绕组411c-411f必须支撑转子的重量时，绕组对141可以是绕组411c和411d，同时绕组对143可以是绕组411e和411f。

参考图6，其示出了被构造成维持中性点电压的示例性amb控制器电路600。当被传送到两个独特的绕组对（诸如图1的绕组对141和143）的电流不相等时，主动电压平衡可能是必要的。电路600包括dc总线正轨601a和dc总线负轨601b，两个轨601a和601b均被电联接到dc电源（未示出）。电容器603与电容器605串联电联接在正轨601a和负轨601b之间。电容器603和605在中点连接607处被电联接。电路600还包括被电联接在正轨601a和负轨601b之间的第一支线，其具有半导体开关装置609和二极管611，其中支线节点613在第一支线上位于半导体开关装置609和二极管611之间。电路600还包括被电联接在正轨601a和负轨601b之间的第二支线，其具有二极管617和半导体开关装置619，其中支线节点621在第二支线上位于二极管617和半导体开关装置619之间。支线节点613和621经由电感部件615被连接到电容器中点连接607。控制器600包括开关控制器623，其被构造成控制开关装置609和619，以便平衡电容器603和605两端的电压，使得中点连接607是中性点。

主动平衡功能的实施方式基于通过控制开关装置609和619在电容器603和605之间传递电荷脉冲。在平衡情况下，从控制器623传送到开关装置609和619的两个控制信号均处于无效低状态。在其中电容器603的电压趋于上升到高于电容器605的电压的示例性情况下，控制器623将有效高信号传送到开关装置609，从而导致其闭合并连接在电感器615两端的电容器603电压。因此电感器615电流开始上升并且电容器603电压开始减小。在下一步骤中，控制器623将无效低信号传送到开关装置609，从而导致其打开。电感器615的感应电流现在转为经由二极管611流动，这意味着电容器605连接在电感器615两端，从而开始减小其电流。只要电感器615电流在这种情况下流动，其就给电容器605充电，从而朝向平衡电压状态增加其电压。在另一电压不平衡中，即，电容器605电压趋于上升到高于电容器603电压，用于平衡的措施对应于上述，差别在于开关装置619被控制以将电荷脉冲从电容器605传递到电容器603。在某些实施例中，电路600与图1的系统100结合，使得电容器113是电容器603并且电容器115是电容器605。

预期可以在任何其他实施例中使用来自各种实施例的各个方面、特征、过程和操作，除非有明确相反陈述。所示的某些操作可以由执行非瞬态计算机可读存储介质上的计算机程序产品的计算机来实施，其中，计算机程序产品包括导致计算机执行一个或多个操作或向其他装置发出命令以执行一个或多个操作的指令。

虽然已经在附图和前述描述中详细示出并描述了本公开，但是本公开将被认为本质上是说明性的而非限制性的，应该理解的是虽然仅已示出并描述了某些示例性实施例，但是期望保护落入本公开的精神内的所有改型和修改。应该理解，虽然词（诸如在上面的说明书中利用的可优选的、优选地、优选的或更优选的）的使用表明所描述的特征可能是更期望的，但是其可不是必要的并且缺少其的实施例也可以被看作在本公开的范围内，所述范围由随附权利要求限定。在阅读权利要求时，预期在使用词诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”时，不旨在将权利要求限制到仅一个物品，除非权利要求中有明确的相反陈述。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，物品能够包括一部分和/或整个物品，除非有明确的相反陈述。