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，逆变器包括第一输入端、第二输入端、在第一输入端和第二输入端之间并联连接的n个臂，n是大于或等于2的自然数，每个臂包括串联的上半臂和下半臂，上半臂连接至第一输入端，下半臂连接至第二输入端，每个臂的上半臂和下半臂在逆变器的相应输出端处连接在一起，每个上半臂和每个下半臂包括能够在导通状态和断开状态之间切换的至少一个切换模块，每个第一输入端和第二输入端旨在连接到直流电源的相应端子，每个输出端与相应的电相相相关联，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器领域，特别适用于涡轮机，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。
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，其中转子包括由模块化磁化材料制成的至少一个磁性元件，控制设备配置为在转子的每个磁性元件的磁化步骤期间控制逆变器，以便在预定磁化时间间隔期间同时地：
13.‑‑
对于逆变器的m个臂中的每一个，形成每个电流注入臂，m是范围在1和n-1之间的自然数，控制相应上半臂的每个切换模块以便将其设置为导通状态，以及控制相应下半臂的每个切换模块以便将其设置为断开状态，
14.‑‑
对于逆变器的从逆变器的n-m个其他臂中选择的k个臂中的每一个，并形成每个电流输出臂，控制相应上半臂的每个切换模块以便将其设置为断开状态，以及控制相应下半臂的每个切换模块以便将其设置为导通状态，以及
[0015]-对于n-m-k个其他臂中的每一个，控制每个相应的切换模块以便将其设为断开状态。
[0016]
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。
[0017]
此外，逆变器和旋转机器的中性点之间不需要连接。这是有利的，因为所述中性点可能无法接近。
[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被驱动的旋转机器，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，相对于传统驱动系统，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]
·
所述控制设备包括用于检测由所述转子生成的磁场的装置，该控制设备另外被配置为在磁化步骤期间：检测由转子生成的磁场，
[0024]
·
根据检测到的磁场来选择m个电流注入臂和k个电流输出臂中的每一个，
[0025]
‑‑
驱动系统还包括第一切换设备、第二切换设备和负载，第一切换设备串联在每个臂和第二逆变器输入端之间，第二切换设备和负载串联连接并与第一切换设备并联连接，控制设备被配置为在磁化步骤期间控制第一切换设备以便将其设置为断开状态，并控制第二切换设备以便将其设置为导通状态，
[0026]-控制设备还被配置为在磁化步骤之后执行旋转机器激励步骤，该控制设备被配置成在激励步骤期间根据预定的逆变器控制律控制所述逆变器，以便在时间上相继地将每个逆变器输出端连接到该逆变器的第一输入端和/或第二输入端，以便驱动转子绕相应的旋转轴旋转，-磁化时间间隔的历时取决于模块化磁化材料和/或m个电流注入臂和k个电流
输出臂，
[0027]-磁化时间间隔的历时还取决于负载的阻抗。
[0028]
此外，本发明的目的是一种使用逆变器的用于旋转电机器的供电方法，逆变器包括第一输入端、第二输入端、在第一输入端和第二输入端之间并联连接的n个臂，n是大于或等于2的自然数，每个臂包括串联的上半臂和下半臂，上半臂连接至第一输入端，下半臂连接至第二输入端，每个臂的上半臂和下半臂在逆变器的相应输出端处连接在一起，每个上半臂和每个下半臂包括能够在导通状态和断开状态之间切换的至少一个切换模块，每个第一输入端和第二输入端旨在连接到直流电源的相应端子，每个输出端与相应的电相相相关联，旋转机器包括定子和绕旋转轴相对于定子旋转的转子，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，转子包括由模块化磁化材料制成的至少一个磁性元件，该供电方法包括磁化转子的每个磁性元件的步骤，包括：
[0029]-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，并且
[0030]
‑‑
在预定磁化时间间隔期间同时地：
[0031]
·-对于逆变器的m个臂中的每一个，形成每个电流注入臂，m是范围在1和n-1之间的自然数，控制相应上半臂的每个切换模块以便将其设置为导通状态，以及控制相应下半臂的每个切换模块以便将其设置为断开状态，
[0032]
·-对于逆变器的从逆变器的n-m个其他臂中选择的k个臂中的每一个，并形成每个电流输出臂，控制相应上半臂的每个切换模块以便将其设置为断开状态，以及控制相应下半臂的每个切换模块以便将其设置为导通状态，以及
[0033]
·
对于n-m-k个其他臂中的每一个，控制每个相应的切换模块，以便将其设为断开状态，
[0034]
以便同时在每个绕组中注入电流，以便在定子的腔中生成旨在磁化每个磁性元件的非零磁场。根据本发明的其他有利方面，该供电方法包括以下单独或组合采用的(诸)特征：
[0035]-该供电方法还包括在磁化步骤期间：
[0036]
·
检测由转子生成的磁场，以及
[0037]
·
根据检测到的磁场来选择m个电流注入臂和k个电流输出臂中的每一个，
[0038]-该供电方法还包括旋转机器激励步骤，其在磁化步骤之后并且包括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逆变器的每个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。
[0039]
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。
[0040]
根据本发明的有利方面，驱动系统包括如下特性：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。
[0041]
附图简述
[0042]
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：
[0043]-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，
[0044]-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，
[0045]-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旋转电机器的定子的单个绕组中，
[0046]-在图3的磁化步骤期间，在旋转电机的横向平面中，图4在截面图中示意性地示出了图2旋转电机器的定子，以及
[0047]-图5与图4类似，并且示出了定子的腔中的总磁场。
[0048]
本发明的详细描述
[0049]
根据本发明的驱动系统2的示例在图1中解说。在该附图中，直流电源4连接到驱动系统2的输入端。
[0050]
驱动系统2包括逆变器6、旋转电机器8和控制设备12。
[0051]
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)。
[0052]
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。
[0053]
此外，控制设备12被配置为控制逆变器6。
[0054]
逆变器6包括第一输入端14和第二输入端16，以及n个臂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。
[0055]
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19。
[0056]
n个臂18并联连接在逆变器6的第一输入端14和第二输入端16之间。
[0057]
每个臂18包括串联的上半臂20和下半臂21，在中点处连接在一起，形成逆变器6的相应输出端22。每个输出端22与相应的电相相关联，并连接到旋转机器8的相应绕组。
[0058]
对于每个臂18，相应的上半臂20连接到第一输入端14，而相应的下半臂21连接到第二输入端16。每个上半臂20和每个下半臂21包括至少一个切换模块26，用于在防止在其端子之间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。例如，在图1中，每个上半臂20和每个下半臂21包括切换模块26。
[0059]
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。
[0060]
如图2中通过非限制性示例示意性解说的，旋转机器8包括定子30和绕旋转轴x-x相对于定子30旋转的转子32。
[0061]
更准确地说，定子30包括腔34，转子32被布置在腔34中。
[0062]
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。
[0063]
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。
[0064]
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。
[0065]
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)。
[0066]
每个绕组38包括输入端40和输出端42。
[0067]
每个绕组38的输入端40连接到逆变器6的相应输出端22。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。在旋转机器8的外部或内部(视情况)实现输出端42在中性点44处的连接。
[0068]
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。
[0069]
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。
[0070]
软铁磁材料是矫顽场低于1000a.m-1
(安培/米)的铁磁材料。
[0071]
此外，半硬铁磁材料是矫顽场在1000a.m-1
和100000a.m-1
之间、优选在1000a.m-1
和10000a.m-1
之间的铁磁材料。
[0072]
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。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，每个磁性元件48集成在主体46中或布置在主体46的外围。根据一方面，它可以具有环形形状。
[0073]
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磁性元件48。
[0074]
优选地，每个插入件48沿旋转轴x-x延伸。
[0075]
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。
[0076]
如上所述，控制设备12被配置为控制逆变器6。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22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。
[0077]
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，以便使直流电流流过定子30的绕组38，以便在腔34中生成旨在在每个磁性元件48内提供磁化的非零磁场。
[0078]
具体地，控制设备12被配置为在磁化步骤期间控制逆变器6，以便在预定磁化时间间隔期间同时地：
[0079]-对于逆变器6的m个臂18中的每一个，形成每个电流注入臂，m是范围在1和n-1之间的自然数，控制相应上半臂20的每个切换模块26以便将其设置为导通状态，以及控制相应下半臂21的每个切换模块26以便将其设置为断开状态，
[0080]-对于逆变器6的n-m个其他臂18中的k个臂18中的每一个，m是介于1和n-m之间的自然数，形成每个电流输出臂，控制相应上半臂20的每个切换模块26以便将其设置为断开状态，并控制相应下半臂21的每个切换模块26以便将其设置为导通状态，以及
[0081]
对于各自形成非活动臂的n-m-k个其他臂18中的每一个，控制每个相应的切换模块26以便将其设置为断开状态。
[0082]
在优选实施例中，k的值为n-m，即在磁化步骤期间没有非活跃臂(inactive arm)。
[0083]
例如，m个电流注入臂和k个电流输出臂是预先确定的。
[0084]
因此，在磁化步骤期间，来自源4的电流被发送到第一输入端14，然后通过m个电流
注入臂的上半臂20，发送到连接到所述电流注入臂的绕组38。然后`，电流到达公共点44，随后通过连接到电流输出臂的k个其他绕组38，在相反的方向循环，即从公共点44到旋转机器8的外部。然后，电流通过所述电流输出臂的下半臂21被发送到第二输入端16。n-m-k个其他臂18的切换模块26处于断开状态，没有电流流过与其相连的绕组。
[0085]
连接到电流注入臂或电流输出臂的绕组38在下文中称为“活跃绕组”。
[0086]
上述电流路径对应于其中第一输入端14的电势高于第二输入端16的情况。在相反的情况下，电流遵循相反的路径。
[0087]
活跃绕组38中的这种电流导致它们各自生成相应方向的磁场。通过明智地选择m个电流注入臂和k个电流输出臂，在磁化时间间隔期间在腔34中生成旨在磁化每个磁性元件48的非零总磁场。
[0088]
绕组38被布置成以便在不同方向上生成磁场。此外，对于给定的绕组38，所述绕组生成的磁场的方向取决于流过该绕组的电流的方向(即从其输入端40到公共点44，或从公共点44到其输入端40)。结果是，腔34中总磁场的振幅(和方向)取决于用作电流注入臂的臂18和用作电流输出臂的臂18而变化。因此，使每个磁性元件48能够磁化的最小历时，即磁化时间间隔的最小历时，取决于所选的电流注入臂/电流输出臂组合。
[0089]
优选地，磁化时间间隔的历时也根据制造每个磁性元件48的模块化磁化材料来选择。事实上，磁化时间间隔对应于在此期间每个磁性元件48在磁化步骤期间经受的旨在使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。
[0090]
在图3的示例中，其解说了图1的驱动系统2的操作，旋转机器8是三相机器。选择的数字m等于1，并且数字k等于2。此外，电流的路径用虚线箭头解说。
[0091]
在该示例中，在磁化步骤期间，控制设备12以如下方式控制逆变器6，使得对于单电流注入臂，相应上半臂20的切换模块26处于导通状态，而相应下半臂21的切换模块26处于断开状态。结果，连接到电流注入臂的输出端22的由38a表示的绕组被源4输送的电流在从第一逆变器输入端14到旋转机器8的公共点44的方向穿过。
[0092]
同时，控制设备12以如下方式控制逆变器6，使得对于两个电流输出臂中的每一个，相应上半臂20的切换模块26处于断开状态，而相应下半臂21的切换模块26处于导通状态。结果，分别连接到电流输出臂的由38b、38c表示的绕组被电流在从旋转机器8的公共点44到逆变器6的第二输入端16的方向穿过。
[0093]
假设绕组38相同，由此得出，流过绕组38a的电流强度为im，而流过每个绕组38b、38c的电流强度为im/2。
[0094]
因此，如图4中所解说的，绕组38a沿相应的轴a-a生成振幅为bm的磁场该磁场取决于电流强度im。此外，每个绕组38b和38c沿着相应的轴b-b、c-c生成分别由振幅bm/2的表示的磁场。
[0095]
归因于在磁化步骤期间电流流过旋转机器8的绕组38的方向，磁场和之间的角度具有正值60
°
，并且磁场和之间的角度具有正值60
°
。从中得出，总磁场(其是磁场和的合力)与共线，并且具有振幅3bm/2，如图5中所示。
[0096]
对于总磁场的足够振幅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。
[0097]
可以注意到，在图4、图5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。
[0098]
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。
[0099]
更准确地说，控制设备12被配置为在激励步骤期间控制逆变器6，根据预定的逆变器控制律，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22。
[0100]
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。
[0101]
可任选地，驱动系统2还包括第一切换设备50、第二切换设备52和负载54。如图1中所示，第一切换设备50串联连接在逆变器6的每个臂18和第二输入端16之间。此外，第二切换设备52与负载54串联连接，并与第一切换设备50并联连接。
[0102]
第一切换设备50和第二切换设备52中的每一个能够在阻止电流流动的断开状态和使能电流流动的导通状态之间切换。
[0103]
每个切换设备50、52是mosfet晶体管或继电器。
[0104]
根据该变型，控制设备12有利地被配置为在磁化步骤期间同时地控制第一切换设备50以便将其设置为断开状态，以及控制第二切换设备52以便将其设置为导通状态。
[0105]
在这种情况下，在磁化步骤期间，负载54被插入到电流在第一输入端14和第二输入端16之间流过的电路中，因此在磁化步骤期间流过绕组38的电流强度还取决于负载54的阻抗。
[0106]
添加这样的负载54是有利的，因为磁化步骤期间的电流强度相对于在没有负载的情况下将流动的电流强度降低，尤其是在定子电感低(例如几微亨利量级)的旋转电机器的情况下。逆变器6和定子30的组件不太可能因强度过高而损坏。
[0107]
现在描述驱动系统2的操作。
[0108]
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。
[0109]
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22。
[0110]
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。
[0111]
然后，在磁化步骤期间，控制设备12以如下方式控制逆变器6：在磁化时间间隔期间：
[0112]-对于m个电流注入臂中的每个臂18，其上半臂20的每个切换模块26处于导通状态，并且其下半臂21的每个切换模块26处于断开状态，
[0113]-对于k个电流输出臂中的每个臂18，其上半臂20的每个切换模块26处于断开状态，并且其下半臂21的每个切换模块26处于导通状态，以及
[0114]-对于n-m-k个非活跃臂(既不是电流注入臂也不是电流输出臂)中的每个臂18，每
个对应的切换模块26处于断开状态。
[0115]
从中得出，电流流过每个活跃绕组38，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。
[0116]
然后，在激励旋转机器8的步骤期间，在磁化步骤之后，控制设备12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地将逆变器6的第一输入端14和第二输入端16连接至每个逆变器输出端22，以便将激励电流注入到定子30的每个绕组38，以便在定子30的腔34中生成旨在驱动转子32绕旋转轴x-x旋转的旋转磁场。
[0117]
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：
[0118]-检测转子32生成的磁场，以及
[0119]-根据检测到的磁场来选择m个电流注入臂和k个电流输出臂。
[0120]
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，尤其是减少甚至取消，磁性元件48的磁化的磁场，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。
[0121]
例如，根据检测到的磁场来选择电流注入臂和电流输出臂是通过预先记录在控制设备12中的校准数据来实现的。根据另一示例，这样的选择是由控制设备12实现的优化计算的结果，该优化计算允许最佳地近似由可能由定子生成的磁场生成的所需磁场。