配备有角位置传感器的同步机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种包括定子(2)和转子(3)的同步机(1)。所述同步机配备有所述转子(3)的至少一个角位置传感器模块(1a)，且其特征在于所述定子(2)具有绕组，所述绕组用于由电子功率器件来供给多相交流电流。所述转子(3)包括永磁体(4)，且用于绕定子(2)转动。所述角位置传感器(1a)延伸远离转子(3)并在所述永磁体(4)处与后者对齐。所述角位置传感器(1a)包括至少两个磁感应测量传感器(6)，且用于以电压形式检测由所述磁感应发生装置产生的轴向磁场的变化，且所述角位置传感器(1a)还包括至少一个用于接收所述磁感应测量传感器(6)供给的各种电压的电子单元，从而以绝对形式得出所述转子(3)的所述角位置，并将相关信息实时传输给所述电子功率器件。
【专利说明】
配备有角位置传感器的同步机
技术领域
[0001]本发明涉及角位置传感器的一般技术领域和包括磁感应发生装置的同步机的一般技术领域，以及一种该类型的位置传感器。
[0002]更具体地说，本发明涉及一种使用正弦电动势的同步机，包括用于控制所述机器的电力供应的位置传感器。本质上，本发明适用于以多相交流电压供电的同步机的领域。
【背景技术】
[0003]下文将更详细地描述本发明，但采用的是非限制的方式，以包括例如使用永磁体来产生磁感应的装置为例。
[0004]采用永磁体的同步机包括缠绕定子和支承永磁体的转子。这种类型的机器通过电功率装置来供电和驱动。
[0005]采用永磁体和正弦电动势的同步机可以由矢量控制系统进行控制。这种类型的控制本身是已知的，能够获得高性能，即高精度和高动态转矩。此性能是必要的，特别是对于牵引马达而言。
[0006]但是，允许获得高性能的控制系统，需要实时地精确获知转子的角位置。通常，通过包括特别是与转子机械连接的旋转部分的位置传感器来提供转子的角位置。存在用于确定转子的角位置的不同已知技术。例如，我们可以参考称为“解角器”、增量数字编码器或绝对编码器的位置传感器。
[0007]然而，这些已知技术存在缺点。的确，已知的位置传感器都具有与转子机械相连的旋转部分。这是影响需要向其中集成位置传感器的机器的设计的主要限制因素。作为一般规则，角位置传感器的旋转部分旋转经由驱动管驱动。作为一般规则，这样的驱动管穿过定子，且经常具有很高的惯性，因此可能减慢角度位置的测量。此类测量造成的精度不足，造成了机器性能的改变。此外，其必须穿过机器以收集角度位置信息的事实，显著地增加了整体复杂性。这意味着要使用更大数目的机械部件，增加了故障风险。
[0008]此外，在已知同步机的初始调试中，必须由转换器进行称为校准的操作。在此操作期间，机器转动，而转换器测量对应于穿过零电动势的角度。该维护操作在维护操作后，例如更换传感器，更换转子或定子或电磁部件，或改变整个机器之后，必须执行校准操作。此类校准操作往往执行难度大，特别是对于长车辆，如铁路车辆，因为所述车辆必须被升起以允许校准期间车轮自由取向。
[0009]但是，校准操作尤为重要，因为转子的测得角度位置及其真实位置之间的角度偏移，会使得转矩大幅下降。例如，1°机械角度的偏移，会导致大约5%的下降，而2°机械角度的偏移，则产生20%的转矩下降。
[0010]通过文献EP1758230，还有已知的电动旋转机，其更具体地包括永磁体转子和一个或多个磁传感器，来检测从所述转子逸出的磁性泄漏。在这样的机器中，所述定子围绕转子延伸，而对磁流的检测不提供所述转子的绝对角位置。
【发明内容】
[0011]基于此，本发明的目的在于克服上述缺点，并提供一种新型同步机，其包括以可靠方式提供磁感应值从而确定转子的绝对角位置的角位置传感器。
[0012]本发明的又一目的在于，提供一种新型同步机，其中角位置传感器的组装和替换尤其简单。
[0013]本发明的又一目的在于，提供一种新型同步机，其中所述同步机在初始调试或完成维护操作后无需复杂的校准操作。
[0014]本发明的所述目标的实现方式为:一种包括定子和转子的同步机，所述同步机配备有至少一个角位置传感器，且其特征在于:
[0015]所述定子具有绕组，所述绕组设计为由电子功率器件例如转换器来供给多相交流电流；
[0016]所述转子包括磁感应发生装置，且设计为在所述定子得到交流电流供电时转动；
[0017]所述角位置传感器模块包括至少一对的两个磁感应测量传感器，以检测由所述磁感应发生装置产生的轴向磁场的变化并提供电压，每对传感器的所述传感器所处的角度偏移为90电角度；
[0018]磁感应测量传感器，其与所述定子集成一体，从所述转子朝向且直接紧邻于所述磁感应发生装置的轴向边缘的轴端延伸;和
[0019]所述角位置传感器模块包括至少一个用于接收所述磁感应测量传感器提供的各种电压的电子单元，以得出所述转子(3)的绝对形式的角位置，并将相关信息实时传输给所述电子功率器件。
[0020]根据本发明所述的同步机的实施例的一个示例，所述转子围绕所述定子延伸。
[0021]根据本发明所述的同步机的实施例的一个示例，所述磁感应测量传感器连接并布置在至少一个可拆卸支架上，以沿一条曲度与所述磁感应发生装置的轴向边缘的连续线的曲度基本相匹配的线延伸。
[0022]根据本发明所述的同步机的实施例的一个示例，所述同步机包括至少两个具有相互角度偏移的角位置传感器模块。
[0023]根据本发明所述的同步机的实施例的一个示例，所述同步机包括两个各设有5个磁感应测量传感器的可拆卸支架。
[0024]根据本发明所述的同步机的实施例的一个示例，所述可拆卸支架包括至少一个所述电子单元的电子电路。
[0025]根据本发明所述的同步机的实施例的一个示例，所述可拆卸支架包括至少一个用于测量所述同步机的环境温度的温度传感器。
[0026]根据本发明所述的同步机的实施例的又一个示例，所述磁感应测量传感器是霍尔效应传感器。
[0027]根据本发明所述的同步机的实施例的又一个示例，所述磁感应测量传感器是磁阻传感器。
[0028]根据本发明所述的同步机的实施例的又一个示例，所述电子功率器件包括以脉宽调制来驱动所述同步机的转换器。
[0029]根据本发明所述的同步机的实施例的又一个示例，所述磁感应发生装置是永磁体。
[0030]根据本发明所述的同步机的实施例的又一个示例，所述磁感应发生装置由电气绕组组成。
[0031]根据本发明所述的同步机，例如是轨道或道路行驶车辆的车轮马达。
[0032]因此，根据本发明所述的同步机具有实时提供绝对形式的转子角位置的精确测量的优点。
[0033]根据本发明所述的同步机的又一优点，在于能够通过其角位置传感器模块检测同步机的两相之间的可能短路。
[0034]根据本发明所述的同步机的又一优点，在于其无需任何校准操作的事实，尤其是在维护操作后。
[0035]根据本发明所述的同步机的又一优点，在于移动位置传感器，通过测量永磁体产生的场，指示磁场随时间的变化，由此估计同步机是否完好，或存在可能危害同步机性能的老化问题。
【附图说明】
[0036]本发明的其他特征和优点亦将显示在作为非限制性示例的附图中，其中:
[0037]图1展示了根据本发明所述的在定子的一部分上包含角位置传感器的同步机的实施例的
[0038]一个示例；
[0039]图2展示了图1的剖面详细视图；
[0040]图3展示了所述角位置传感器模块的可拆卸支架的实施例的一个示例，所示为前视图，所述模块设计用于插入根据本发明所述的同步机；
[0041]图4是操作根据本发明所述的同步机的角位置传感器模块所需的电子装置的框图；
[0042]图5以功能图的形式展示了根据本发明所述的永磁体和正弦电动势同步机的矢量控制系统的一个示例；
[0043]图6是根据本发明所述的同步机的磁感应传感器测得的信号的示例；
[0044]图7是由包括两个传感器的角位置传感器模块得到的校正信号的示例，其产生随时间变化的标准化轴向场值;以及
[0045]图8展示了根据本发明所述的具有两极的同步机中测得的轴向场计算得到的角位置。
【具体实施方式】
[0046]图1展示了同步机I的实施例的一个示例，其包括安装在如图4示意图所示的定子2上的角位置传感器。图1展示了端部2a的一部分，例如，以与定子2机械性集成一体的法兰的形式。同步机I还包括设有永磁体4的转子3。
[0047]端部2a不接触地至少部分覆盖转子3的轴端3a。轴端3a和端部2a之间的设置的一个示例更详细地说明于图2中。
[0048]定子2包括绕组(未显示)，其设计为由电子功率器件(也称为转换器或逆变器)供给多相电流。优选地，向后者供给电压和电流。
[0049]转子3优选为基本圆柱形3b，其内表面覆盖有永磁体4。转子3设计成围绕着定子2的一部分转动，该定子2在所述转子3内部所包含的自由空间中延伸。
[0050]永磁体4是，例如，以轴向方向堆叠在设于圆柱3b的内表面的轴向槽中。永磁体4组装连接到转子3内表面是以已知方式完成的。
[0051 ]例如，永磁体4的插入，是通过滑入轴向槽内，并由所述槽和所述永磁体4的匹配形状径向固定。
[0052]在轴向上，永磁体4由抗磁性材料的止动部5锁定在每个凹槽中，其更详细地显示在图2中。
[0053]在一个非限制性实施例的示例中，止动部5形成防止接合在相应槽中的永磁体4发生轴向运动的挡块5a。止动部5的尺寸和形状选择为，使其不阻碍通向接合在每个槽内的最后一个永磁体4的轴向边缘4a的至少一部分的相对位置上的区域的通路。也可以考虑其他已知的技术固定方案。
[0054]圆柱3b的轴端3a不具有永磁体4，优选地，特意包括在径向方向上稍微挖空的形状。这种形状允许限制因止动部5的连接而产生的维度。优选地，止动部5由螺钉5b连接到圆柱3b的各槽的尽头，从而有效地锁定每行永磁体4。
[0055]本发明所述的同步机I还包括用于转子3的角位置传感器模块la。具体而言，角位置传感器模块包括一对或多对磁感应测量传感器6。后者设计为检测由永磁体4产生的轴向磁场的变化。这种轴向磁场的变化由磁感应测量传感器6检测并转换成电压。
[0056]每对传感器6之间的角偏差为90°电角度。例如，90电角度表示具有20个极对的电动机的4.5机械度。
[0057]角位置传感器Ia还包括至少一个电子单元，该电子单元设计成从磁感应测量传感器6接收感应电压并从中减去转子3的角位置。该确定以绝对方式进行。
[0058]该电子单元也可以允许涉及转子3角位置的信息实时传输到电子功率器件。
[0059]磁感应测量传感器6与端部2a机械地集成一体，并在转子3的与接合在槽内的最后一个永磁体4的轴向边缘4a相对并紧邻的轴端延伸。当转子3转动时，各轴向边缘4a因此在磁感应测量传感器6的前方经过。
[0060]优选地，磁测量传感器6连接到可拆卸的支架7。
[0061 ]为此目的，可拆卸支架7具有轴向支承部7a和支承端部7b。支架端部7b基本上横向延伸到轴向支架7a的一部分。磁感应测量传感器6布置在轴向支承部7a的自由端的外表面7c上。
[0062]可拆卸支架7优选为形成与转子3的曲线基本相匹配的弯曲。磁感应测量传感器6优选为连接并布置在上外表面7c上的一条曲度与永磁体4的轴向边缘4a的连续线的曲度基本相匹配的线上。
[0063]可拆卸支架7是，例如，插入到端部2a中制成的槽8内。当然，槽8的曲线与轴向支架7a的部分上的曲线相同或相似。
[0064]一旦在可拆卸支架7上设置了磁感应测量传感器6，则将可拆卸支架7轴向地插入到槽8，直到其在支架端部7b处抵靠于端部2a的外表面。可拆卸支架7的维度，且特别是轴向支承部7a的轴向长度选择为，使得磁感应测量传感器6从轴向边缘4a延伸至距离e。该距离e包括在例如1.5和2.5毫米之间，优选为等于2毫米。
[0065]所有类型的连接装置，即使未示出，也可用于使得支架端部7b与端部2a集成一体。
[0066]在本实施例的一个示例中，同步机I包括布置在可拆卸支架7上且彼此置于90°电角度的至少两个磁感应测量传感器6。
[0067]在本实施例的另一个示例中，本发明所述的同步机I，如图1所示，包括两个各设有例如至少两个磁感应测量传感器6的可拆卸支架7。
[0068]图3是包括5个磁感应测量传感器6的可拆卸支架7的实施例的一个示例的正面示意图。相应地，根据图3所示的实施例的示例，同步机I包括两个各包括5个磁感应测量传感器6的可拆卸支架7。
[0069]优选地，轴向支承部7a的外表面7c设有温度传感器9，后者用于测量同步机I的环境温度，以便调整其控制，因为感应随温度变化。
[0070]在本实施例的一个优选示例中，可拆卸支架7至少包括一个所述电子单元的电子电路或所述电子单元的电子电路的一部分。
[0071]举例而言，电子功率器件是通过脉宽调制来驱动同步机I的转换器。
[0072]所述磁感应测量传感器6优选为霍尔(Hall)效应传感器。
[0073]在同步机I的实施例的另一个示例中，磁感应测量传感器6包括称为磁阻传感器的AMR/GMR传感器。
[0074]虽然霍尔效应传感器可用于测量磁场的连续分量，但磁阻传感器是基于材料随外加磁场方向而变化的电阻来工作的。这些传感器本身是已知的，因此不再累述。
[0075]通过使用霍尔效应传感器或磁阻传感器，无需再进行校准角位置传感器Ia的操作。事实上，所述传感器测量由永磁体4产生的磁场的空间分布，即使当同步机I处于停止。这省去了所述同步机I调试或所述同步机I维护操作之后的进行任何校准操作的必要。这是本发明所述的同步机I的一个突出优点。
[0076]图4是本发明所述的同步机I的角位置传感器模块Ia的操作所需的电子装置的框图。因此，后者包括缠绕定子2和包括永磁体4的转子3。
[0077]因此，角位置传感器Ia包括了包括感应测量传感器6的功能装置，其与用于采集信号和用于计算转子3定位角的电子单元相关联。
[0078]所述功能装置包括，例如，两个固定地安装在内的无接触且朝向永磁体4的磁感应测量传感器6。来自所述感应测量传感器6的信息随后分别由放大装置10和滤波装置11放大和滤波，然后由计算机12采集。因此，电子单元的该计算机12从来自感应测量传感器6的信息确定转子角度(转子的角位置)，并实时将转子角度发送到控制转换器14的矢量控制系统13ο
[0079]转子角度通过现场总线类型协议，如SSI，PR0FIBUS等，传输到矢量控制系统13。另夕卜，由计算机12所确定的转子角度的符号定义了同步机I的旋转方向。
[0080]图5中以功能图表的方式示出了具有永磁体4的同步机I的矢量控制系统13和正弦电动势。在矢量控制系统的该示例中，同步机I包括以电压供给的转换器14。
[0081 ]矢量控制系统13通过脉宽调制的方式控制转换器14，以在同步机I的每个相Pi，P2，P3上产生中等供电电压，并由此在每个相P1, p2，P3上产生确定电流。因此，转换器14将由直流电压源U供给的电压转换成三相电压供给同步机I。后者的操作，例如，当车辆在制动阶段时，通过牵引力和作为三相电压发生器交替。
[0082 ]矢量控制系统13包括转换器控制装置14、电流传感器15、电压传感器16和同步机I的角位置传感器la。
[0083]矢量控制系统13接收，例如，所述转矩设定值C。转换器控制装置14基于源自电流传感器15、角度位置传感器模块Ia的信息和设定值C，计算要施加到矢量所述转换器14上以使同步机I到达转矩设定值C的电压。
[0084]矢量控制系统13，特别是永磁体4和正弦电动势同步机I，本身是已知的，在此不再累述。
[0085]同步机I具有如下突出优点:包括能够直接测量由所述永磁体4产生的磁场的角度位置传感器I a，由此可以知悉磁场随时间的变化。以此方式，可以检测到永磁体4的性能的任何劣化，因此，由此可以检测到本发明所述的同步机I的性能的任何劣化。
[0086]此外，同步机I的角位置传感器Ia能够检测感应因相间短路而引起的磁场陡增。
[0087]图6是通过彼此布置为相互90电角度的磁感应传感器6测得的信号的示例。这样的布置对应于包含20极对的机器的4.5°机械角度。如此的模块能够测定由磁体产生的轴向场。信号A和B分别表示为细线和粗线，其由两个传感器6分别提供为电压V的形式，并且由在轴向场中的3阶谐波的存在下变形的正弦信号组成。所述信号A和B是以已知方式测量并滤波的信号。
[0088]为了校正信号中的任何非线性，可以使用本身已知的自适应滤波装置，或者使用基于利用多个角度位置传感器模块Ia且各模块之间具有任意角度偏移的校正装置。
[0089]在所述校正之后，所述测量得到并经滤波和校正的值具有正弦形状^和扮，从中即可确定转子3的角位置。图7是校正信号AjPB1的示例，由包括两个随时间产生标准化轴向场值的传感器的角位置传感器模块获得。
[0090]作为示例，图8表示绝对角位置α，称为角度，从本发明所述的具有两个极的同步机I测得的轴向场计算得到。
[0091]电子单元根据如下所述的计算，并考虑到y与信号B1的曲线所示值的对应性和X与信号^的曲线所示值的对应性，确定角位置α。
[0092]相应地:
[0093]若χ>0且y>0;则a = atan(y/x)
[0094]若x= o且 y>0;则α = π/2
[0095]若x〈0且yX);则a= jr+atan(y/x)
[0096]若x〈0且y〈0;则a= jr+atan(y/x)
[0097]若χ= ο且y〈O;贝丨Ja = 3jt/2
[0098]若x>0 且y〈0 ；贝 Ija = atan(y/x)+2Ji
[0099]本发明所述的永磁体4和正弦电场力同步机I，优选为构成车轮马达。
[0100]本发明所述的同步机，还可以用作绞车马达或电梯马达。
[0101]显然，本说明并不局限于明确描述的示例，而是还扩展到其他实施例和/或实施方法。相应地，所描述的特征可以由等同的技术特征取代，而不会脱离本发明的框架范围。
【主权项】
1.同步机(I)，包括定子(2)和转子(3)，所述同步机(I)配备有所述转子(3)的至少一个角位置传感器模块(Ia)，且其特征在于: 所述定子(2)具有绕组，所述绕组设计为由电子功率器件例如转换器来供给多相交流电流； 所述转子(3)包括磁感应发生装置，且设计为在所述定子(2)得到供电时转动； 所述角位置传感器模块(Ia)包括至少一对的两个磁感应测量传感器(6)，以在提供电压的同时检测由所述磁感应发生装置产生的轴向磁场的变化，所述模块(Ia)或每个所述模块(Ia)的所述传感器(6)的角度偏移为90电角度； 磁感应测量传感器(6)，其与所述定子(2)集成一体，从所述转子(3)的与所述磁感应发生装置的轴向边缘(4a)相对且直接紧邻的轴端(3a)延伸，；和 所述角位置传感器模块(Ia)包括至少一个用于接收所述磁感应测量传感器(6)提供的各种电压的电子单元，以得出所述转子(3)的绝对形式的所述角位置，并将相关信息实时传输给所述电子功率器件。2.根据权利要求1所述的同步机(I)，其特征在于，所述转子(3)围绕所述定子(2)延伸。3.根据权利要求1或2所述的同步机(I)，其特征在于，所述磁感应测量传感器(6)连接并布置在至少一个可拆卸支架(7)上，以沿一条曲度与所述磁感应发生装置的轴向边缘(4a)的连续线的曲度基本相匹配的线延伸。4.根据权利要求1或2所述的同步机(I)，其特征在于，其包括至少两个具有相互角度偏移的角位置传感器模块(la)。5.根据权利要求1至3中任一项所述的同步机(I)，其特征在于，其包括两个各设有5个磁感应测量传感器(6)的可拆卸支架(7)。6.根据权利要求3或4所述的同步机(I)，其特征在于，所述可拆卸支架(7)包括至少一个所述电子单元的电子电路。7.根据权利要求3至5中任一项所述的同步机(I)，其特征在于，所述可拆卸支架(7)包括温度传感器(9)。8.根据前述权利要求任一项所述的同步机(I)，其特征在于，所述磁感应测量传感器(6)是霍尔效应传感器。9.根据权利要求1至6中任一项所述的同步机(I)，其特征在于，所述磁感应测量传感器(6)是磁阻传感器。10.根据前述权利要求任一项所述的同步机(I)，其特征在于，所述电子功率器件包括以脉宽调制来驱动所述同步机(I)的转换器(14)。11.根据权利要求1至9中任一项所述的同步机(I)，其特征在于，所述磁感应发生装置是永磁体(4)。12.根据权利要求1至9中任一项所述的同步机(I)，其特征在于，所述磁感应发生装置由电气绕组组成。13.根据前置权利要求任一项所述的同步机(I)，其特征在于，其包括在车辆的车轮马达中。
【文档编号】H02K29/08GK106063097SQ201580010073
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月24日
【发明人】皮埃尔·杜马斯
【申请人】罗尔机电公司