用于驱动流体压缩设备的驱动系统和相关联的供电方法与流程

用于驱动流体压缩设备的驱动系统和相关联的供电方法
发明领域
1.本发明涉及一种驱动系统，包括逆变器、旋转电机器和控制设备，该逆变器包括第一输入端、第二输出端和n个输出端，第一和第二输入端中的每一个旨在连接直流源的相应端子，每个输出端与相应电相相关联，n是大于或等于2的自然数，旋转机器包括定子和相对于定子绕旋转轴旋转移动的转子，定子包括n个绕组，每个绕组具有输入端和输出端，每个绕组的输入端端连接到逆变器的相应输出端，定子绕组的输出端连接在公共点处。
2.本发明还涉及由这种系统实现的供电方法，以及包括这种系统的压缩组装件。
3.本发明适用于旋转电机领域，特别适用于涡轮机器，尤其是用于交通工具所载的嵌入式应用的压缩机或涡轮增压器。
4.发明背景
5.制造旋转机器的传统方法包括将已经磁化的永磁体紧固到转子体上，然后将转子布置在相应定子的腔中。
6.然而，这种方法涉及许多缺点。特别是，当将转子与定子组装时，转子(包括已磁化的永磁体)生成磁力可能会导致定子出现组装问题，并增加转子/定子冲击导致损坏的风险。
7.为了克服这种不便，已经提出通过在定子的腔中布置转子来生产旋转电机器，该转子包括由非磁化磁性材料制成的元件(称为磁性元件)。在没有磁化的情况下，电机器组装过程被简化。一旦组装实现，借助于安装在定子中的专用绕组在腔中生成磁场，从而磁化转子的磁性元件。
8.然而，这种制造方法并不完全令人满意。
9.事实上，这种制造方法需要专门的结构用于磁化转子的磁性元件，这对旋转机器的尺寸和制造成本有负面影响。
10.此外，使用这种制造方法获得的旋转机器在驱动涡轮机，尤其是交通工具涡轮增压器的情况下不是最优的。事实上，在这种机载应用中，旋转机器仅在临时(ad hoc)基础上使用。在这种情况下，当没有动力时，旋转机器生成旋转阻力扭矩，这导致空载损耗。因此，能够调节磁性元件磁通量的值，并且尤其是在机器未在此期间通电的阶段中，减少甚至取消磁通量是必要的。
11.因此，本发明的一个目标是提供一种更简单、更具成本效益的驱动系统，同时在其所包含的旋转机器不运行时产生更小的损失。
发明概要
12.因此，本发明的目的是上述类型的驱动系统，另外包括连接在公共点和逆变器的第二输入端之间的输出端切换设备，
13.转子包括由模块化磁化材料制成的至少一个磁性元件，
14.控制设备被配置成在转子的每个磁性元件的磁化步骤期间同时地：
[0015]-控制输出端切换设备，以便在预定磁化时间间隔内将其设置为导通状态，以及
[0016]-控制逆变器，以便在磁化时间间隔期间，将逆变器的第一输入端连接到逆变器的各自形成磁化输出端的至少一个且最多n-1个输出端，并将逆变器的第二输入端从每个磁化输出端断开。
[0017]
事实上，在这样的驱动系统中，在磁化步骤期间，逆变器以如下方式被控制：使得通常用于使转子运动的定子绕组生成旨在磁化磁性元件的磁场。因此，磁性元件的磁化在没有任何额外专用结构的情况下成为可能，这在重量和制造成本方面相对于现有技术的系统提供了优势。
[0018]
此外，这种驱动系统使得可能根据运行条件修改转子磁性元件的磁化幅度和/或方向。更准确地说，在根据本发明的驱动系统中，定子生成的磁场的方向和振幅取决于所选择的逆变器磁化输出端。现在，这样的定子磁场对转子的磁性元件的磁化有影响。
[0019]
具体而言，当旋转电机器的操作不再需要用于驱动流体压缩设备时，根据本发明的驱动系统通过明智地选择磁化输出端，有利地允许向磁性元件施加具有改变，尤其是大幅降低甚至取消，所述磁性元件的磁化的磁场。这种磁性元件因此被称为“模块化磁化”元件。
[0020]
由此得出，与流体压缩设备机械耦合并由此驱动的旋转机器，即使在其未电动操作时，也会生成远低于现有技术的驱动系统的制动力，现有技术的驱动系统不具有被配置成根据操作条件修改磁性元件磁化的逆变器。
[0021]
模块化磁化与带电涡轮增压器有关，其在电动机和发电机模式下的操作和功率需求是瞬态的(脉冲操作模式)。当不再需要电动旋转机器的操作时，转子具有磁性惰性，因此，相对于现有技术的驱动系统，在其不使用时限制驱动系统的损失。
[0022]
根据本发明的其它优势方面，该驱动系统包括单独地或者用所有技术上可能的组合得出的以下特性中的一者或多者：
[0023]-该驱动系统还包括串联连接在输出端切换设备和逆变器的第二输入端之间的负载，
[0024]-磁化时间间隔的历时取决于模块化磁化材料和/或取决于磁化输出端的数量，
[0025]-磁化时间间隔的历时还取决于负载的阻抗，
[0026]-控制设备另外被配置为在磁化步骤期间：
[0027]
·
检测由转子生成的磁场，
[0028]
·
根据所检测动的磁场来选择每个磁化输出端，
[0029]-控制设备还被配置成在旋转机器激励步骤之前执行磁化步骤，控制设备被配置为在激励步骤期间同时地：
[0030]
·
控制输出端切换设备以便将其设置为断开状态，以及
[0031]
·
根据预定的逆变器控制律控制逆变器以便在时间上相继地将每个逆变器输出端连接到逆变器的第一输入端和/或第二输入端。
[0032]
此外，本发明的目的是使用逆变器的用于旋转电机器的供电方法，该逆变器包括第一输入端、第二输入端和n个输出端，每个输出端与相应的电相相关联，n是大于或等于2的自然数，
[0033]
旋转机器包括定子和布置在定子的腔中并相对于定子绕旋转轴旋转移动的转子，
[0034]
定子包括n个绕组，每个绕组具有输入端和输出端，每个绕组的输入端连接到逆变
器的相应输出端，绕组的输出端连接在公共点处，
[0035]
转子包括由模块化磁化材料制成的至少一个磁性元件，
[0036]
输出端切换设备连接在公共点和逆变器的第二输入端之间，
[0037]
该供电方法包括磁化转子的每个磁化元件的步骤，包括：
[0038]-将每个第一输入端和第二输入端连接到直流电源的相应端子，
[0039]-控制输出端切换设备，以便在预定磁化时间间隔内将其设置为导通状态，以及
[0040]-控制逆变器，以便在磁化时间间隔期间，将逆变器的第一输入端连接到逆变器的各自形成磁化输出端的至少一个且最多n-1个输出端，并将逆变器的第二输入端从每个磁化输出端断开，以便同时向连接到相应磁化输出端的每个绕组注入电流，以便在定子的腔中生成旨在磁化每个磁性元件的磁场。
[0041]
根据本发明的另一有利方面，该供电方法包括以下单独或组合采用的(诸)特征：
[0042]-该供电所述方法还包括在磁化步骤期间：
[0043]
·
检测由转子生成的磁场，以及
[0044]
·
根据所检测动的磁场来选择每个磁化输出端，
[0045]-该供电方法还包括磁化步骤之后的旋转机器激励步骤，该步骤包括同时地：
[0046]
·
控制输出端切换设备以便将其设置为断开状态，以及
[0047]
·
根据预定的逆变器控制律控制逆变器，以便在时间上相继地将每个逆变器输出端连接到逆变器的第一输入端和/或第二输入端，以便将电流注入到定子绕组中，以便在定子的腔中生成旨在驱动转子绕旋转轴旋转的旋转磁场。
[0048]
此外，本发明的目的是一种压缩组装件，包括流体压缩设备和如上所定义的驱动系统，该流体压缩设备耦合至用于驱动该流体压缩设备的驱动系统的旋转机器的定子。
[0049]
根据本发明的有利方面，压缩组装件包括如下特性：流体压缩设备是结合涡轮和压缩机、尤其是用于内燃机或微型涡轮的涡轮增压器。
[0050]
附图简述
[0051]
参考附图并阅读通过非限制性示例给出的以下描述，本发明的其它特征和优势将变得清楚，在附图中：
[0052]-图1示意性地示出了包括根据本发明的驱动系统的组装件，该组装件与直流电源相关联，
[0053]-在根据本发明实施例的旋转机器的横向平面中，图2在截面图中示意性地示出了图1的驱动系统的旋转机器，
[0054]-图3示意性地示出了图1的组装件的电路，在磁化步骤期间，其中电流注入到图2旋转机器的定子的单个绕组中，
[0055]-在图3的磁化步骤期间，在旋转机器的横向平面中，图4在截面图中示意性地示出了图2旋转机器的定子，
[0056]-图5类似于图3，电流注入到定子的两个绕组中，以及
[0057]-图6类似于图4，在图5的磁化步骤期间解说了定子。
[0058]
本发明的详细描述
[0059]
根据本发明的驱动系统2通过图1中的非限定性示例来解说。在该图中，直流电源4连接到驱动系统2的输入端。
[0060]
驱动系统2包括逆变器6、旋转电机8、输出端切换设备10和控制设备12。
[0061]
逆变器6被配置为以选择性方式将电流从源4输送至旋转机器8的绕组(下文描述)。
[0062]
旋转机器8旨在旋转驱动连接至其输出轴的元件，例如尤其是流体压缩设备、压缩机或涡轮增压器。
[0063]
此外，控制设备12被配置为控制逆变器6和输出端切换设备10。
[0064]
逆变器6包括第一输入端14和第二输入端16，以及n个输出端18。如图中所解说的，例如，n是大于或等于2、等于3的自然数。
[0065]
逆变器6的输入端14、16构成驱动系统2的入口。第一和第二输入端14、16中的每一个旨在连接到源4的相应端子20。另外，每个输出端18与相应的电相相关联，并连接到旋转机器8的相应绕组。
[0066]
根据结构示例，逆变器6包括n个臂22，每个臂22连接在逆变器6的第一输入端14和第二输入端16之间。
[0067]
每个臂22与逆变器6的输出端18相关联，并且它包括串联的两个半臂24，在形成与所述臂22对应的输出端18的连接点处连接在一起。
[0068]
每个半臂24包括切换模块26，用于在阻止电流流动的断开状态和允许电流流动的导通状态之间切换。
[0069]
例如，逆变器6的切换模块26是绝缘栅双极晶体管igbt或金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet。
[0070]
如图2中通过非限制性示例解说的，旋转机器8包括定子30和相对于定子30绕旋转轴x-x旋转移动的转子32。
[0071]
更准确地说，定子30包括腔34，转子32被布置在腔34中。
[0072]
如上所述，旋转机器8的输出轴36沿旋转轴x-x延伸，并与转子32集成，以便绕旋转轴x-x旋转驱动。
[0073]
定子30包括以已知方式布置的n个绕组38，用于在被电流穿过时在腔34中生成磁场。例如，绕组38以如下方式被布置：使得与两个不同绕组38相对应的磁场通过360
°
/n的非零角倍数的旋转相互镜像。
[0074]
绕组38生成的磁场主要用于形成激励磁场，以便驱动转子32绕旋转轴x-x旋转。
[0075]
如下所述，绕组38生成的磁场还旨在形成磁化磁场，以便在转子32旋转之前磁化转子32的至少一个磁性元件48(例如，插入件)。
[0076]
每个绕组38包括输入端40和输出端42。
[0077]
每个绕组38的输入端40连接到逆变器6的相应输出端18。此外，绕组38的输出端42连接在公共点44处，该公共点被称为旋转机器8的中性点。
[0078]
转子32包括由模块化磁化材料制成的至少一个磁性元件48。
[0079]
在本发明的意义上，模块化磁化材料被理解为铁磁材料，优选软铁磁材料或半硬铁磁材料。
[0080]
软铁磁材料是矫顽场低于1000a.m-1
(安培/米)的铁磁材料。
[0081]
此外，半硬铁磁材料是矫顽场在1000a.m-1
和100000a.m-1
之间、例如在1000a.m-1
和10000a.m-1
之间的铁磁材料。
[0082]
例如，这种材料是一种称为fecrco的合金，含有铁、铬和钴，或一种称为alnico的合金，含有铝、镍和钴。
[0083]
例如，每个磁性元件48是与转子32的主体46集成的插入件。例如，每个插入件48集成在主体46中或布置在主体46的外围。
[0084]
在这种情况下，转子32有利地包括绕旋转轴x-x周向布置、优选地以规则的角度间隔布置的多个插入件48。
[0085]
优选地，每个插入件48沿旋转轴x-x延伸。
[0086]
根据变型(未示出)，磁性元件48形成转子32主体的全部或部分。根据一个方面，磁性元件可以具有环形形状。
[0087]
在本说明书的其余部分中，仅描述了第一种变型(模块化插入件磁化)，但本发明对于至少部分由这种磁性元件组成的转子是相同的。
[0088]
输出端切换设备10连接在公共点44和逆变器6的第二输入端16之间。
[0089]
输出端切换设备10被设计成在阻止电流流动的断开状态和允许电流流动的导通状态之间切换。
[0090]
例如，每个切换设备10是mosfet晶体管或继电器。
[0091]
如上所述，控制设备12被配置为控制逆变器6和输出端切换设备10。具体而言，控制设备12被配置为控制逆变器6，以便将逆变器6的输出端18选择性地连接到逆变器6的第一输入端14和/或第二输入端16。此外，控制设备12被配置为控制输出端切换设备10的导通状态或断开状态。
[0092]
更准确地说，控制设备12被配置为在磁化转子32的每个磁性元件48的步骤期间控制逆变器6和输出端切换设备10，以便使直流电流流过定子30的至少一个且最多n-1个绕组38。在电流注入到两个或多个绕组38的情况下，这种注入是同时的。
[0093]
具体地说，控制设备12被配置为在磁化步骤期间同时地：
[0094]-控制输出端切换设备10，以便在预定磁化时间间隔内将其设置为导通状态，以及
[0095]-控制逆变器6，以便在磁化时间间隔期间，将逆变器6的第一输入端14连接到逆变器6的各自形成磁化输出端的至少一个且最多n-1个输出端18，并将逆变器6的第二输入端16从每个磁化输出端断开。
[0096]
逆变器6和输出端切换设备10的此种控制阻止电流在逆变器6的第二输入端16和每个磁化输出端之间流过逆变器6。在这种情况下，电流通过绕组38和输出端切换设备10从逆变器的第一输入端14流向第二输入端16。这导致电流脉冲流过连接到(诸)磁化输出端18的绕组，并在腔34中生成磁化每个磁性元件48的磁场。
[0097]
优选地，磁化时间间隔的历时根据制造每个磁性元件48的材料来选择。事实上，磁化时间间隔对应于在此期间每个磁性元件48在磁化步骤期间暴露的旨在提供其磁化的磁场的时间间隔。对于这种磁场的给定振幅，选择磁化时间间隔的历时，以便确保每个磁性元件48的磁化。
[0098]
优选地，磁化时间间隔的历时也根据磁化输出端的数量来选择。事实上，在磁化步骤期间流过每个绕组38的电流的振幅随着被提供电流的绕组38的数量而减小。对于被提供电流的给定数量的绕组38，选择磁化时间间隔的历时，以便确保每个磁性元件48的磁化。
[0099]
绕组38被布置成在不同方向上生成磁场，腔34中的总磁场的振幅也随着被提供电
流的绕组38的数量而减小，这导致允许每个磁性元件48的磁化的最小历时增加，即磁化时间间隔的最小历时。
[0100]
在图3中解说的示例中，旋转机器8是三相电机，并且逆变器6以如下方式控制：在磁化步骤期间，由38a表示的单个绕组被源4输送的电流穿过，源4的路径如箭头所示。另外两个绕组38b和38c分别与逆变器6的第一输入端14断开，并且它们没有被提供电流。在这种情况下，流过绕组38a具有强度im。
[0101]
在该示例中，如图4中所解说的，绕组38a沿着与绕组38a相关联的轴a-a生成振幅为bm的总磁场该磁场取决于电流的强度im。此外，在分别与绕组38b和38c相关联的b-b和c-c方向上没有生成磁场。结果，对于磁场的足够振幅bm和磁化时间间隔的足够历时，磁化出现在每个磁性元件48内，并在磁化时间间隔结束时存续。
[0102]
在图5所解说的示例中，旋转机器8是三相机器，并且逆变器6以如下方式来控制，在磁化步骤期间，源4输送的电流穿过绕组38a和38b，其路径如箭头所解说。绕组38c与反相器6的第一输入端14断开，且不被提供电流。在这种情况下，流过每个绕组38a、38b的电流具有强度im/2。
[0103]
在该示例中，并且如由图6所解说的，绕组38a沿轴a-a生成振幅为bm/2的磁场。此外，绕组38b沿轴b-b生成振幅为bm/2的磁场。由其间角度为120
°
的绕组38a、38b生成磁场，总磁场具有振幅bm/2。结果，对于足够历时的磁场时间间隔，磁化出现在每个磁性元件48内，并在磁化时间间隔结束时存续。
[0104]
图3、4的第一个示例的总磁场的振幅大于图5、6的第二个示例的总磁场的振幅，第一个示例的磁化时间间隔的最小历时小于或等于第二个示例的磁化时间间隔的最小历时。
[0105]
可以注意到，在图4、图6中，定子30构成每个绕组38的单极。然而，每绕组38可能有更大数量的极。
[0106]
此外，控制设备12被有利地配置为在激励旋转机器8的步骤之前执行磁化步骤。此种激励步骤包括控制逆变器6，以便将电流注入到定子30的绕组38中，以便在腔34中生成旨在使转子32绕旋转轴x-x旋转的磁激励场。
[0107]
更准确地说，控制设备12被配置为在激励步骤期间同时地：
[0108]-控制输出端切换设备10以便将其设置为断开状态，以及
[0109]-根据预定的逆变器控制律(例如脉宽调制控制)控制逆变器6，以便在时间上相继地将逆变器6的第一输入端14和第二输入端16连接到逆变器6的每个输出端18。
[0110]
这种激励步骤的目的是使转子32绕其轴x-x旋转。作为上述磁化步骤的结果，这因在转子32的磁性元件48内存在磁化而成为可能。
[0111]
可任选地，驱动系统2还包括串联连接在输出端切换设备10和逆变器6的第二输入端16之间的负载50。此种负载例如包括并联的电容器和电阻器。
[0112]
在这种情况下，在磁化步骤期间流过逆变器6和绕组38的电流强度还取决于负载50的阻抗。
[0113]
只要磁化步骤期间的电流强度相对于在没有负载的情况下流动的电流强度降低，添加这样的负载50就是有利的。逆变器6和定子30的组件不太可能因强度过高而损坏。
[0114]
现在描述驱动系统2的操作。
[0115]
在组装旋转机器8的步骤期间，转子32的磁性元件48没有磁化，并且转子32被布置在定子30的腔34中。
[0116]
此外，在组装驱动系统2的步骤期间，定子30的每个绕组38的输入端40连接到逆变器6的相应输出端18。公共点44借助于输出端切换设备10连接到第二输入端16。
[0117]
逆变器6的每个第一输入端14和第二输入端16随后连接到直流电源4的相应端子。
[0118]
然后，在磁化转子32的每个磁性元件48的步骤期间，控制设备12以如下方式控制输出端切换设备10：使其在预定磁化时间间隔期间处于导通状态。此外，控制设备12控制逆变器6，以便在磁化时间间隔期间，将逆变器的第一输入端14连接到该磁化输出端或每个磁化输出端，并从每个磁化输出端断开逆变器6的第二输入端16。因此，可以阻止在逆变器的第二输入端16和每个磁化输出端之间直接流过逆变器6的任何电流。结果，电流同时向连接到相应磁化输出端的每个绕组(38)注入电流，以便在定子30的腔34中生成旨在磁化每个磁性元件48的磁场。
[0119]
随后，在磁化步骤之后的激励旋转机器8的步骤期间，控制设备12同时地：
[0120]-控制输出端切换设备10以便将其设置为断开状态，以及
[0121]-根据预定的逆变器控制律来控制逆变器6，以便在时间上相继地将逆变器6的第一输入端14和第二输入端16连接到逆变器的每个输出端18，以便将激励电流注入到定子30的每个绕组38中，以便在定子30的腔34中产生旨在驱动转子32绕旋转轴x-x旋转的旋转磁场。
[0122]
在一种变型中，控制设备12还包括检测转子32生成的磁场的装置，所述磁场的起源是磁性元件48的磁化。在这种情况下，控制设备12还被配置为，尤其是在激励旋转机器8的步骤之后，执行与上述磁化步骤不同的附加磁化步骤，仅在于控制设备12进一步执行：
[0123]-检测转子32生成的磁场，以及
[0124]-根据所检测动的磁场来选择每个磁化输出端。
[0125]
只要磁化输出端的明智选择导致借助于定子生成旨在调制的磁场，尤其是减少甚至取消磁性元件48的磁化，则这种特征是有利的。当不再需要操作所述旋转机器8时，相对于不会进行磁性元件磁化的这种调制的情况，这具有减少由于旋转机器8而导致的损失的效果。