[发明专利]控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电动马达的电力控制器。特别地，本发明涉及一种用于改进交流电动马达控制及操作的系统，其中当稳定的电气绕组(electrical winding)存在时，永磁体或稳定激磁电磁体(steadily excited electromagnet)会移动。这种马达将被统称为永磁交流(PMAC)马达(尽管某些可用稳定激磁电磁体替代永磁体)。PMAC马达可存在于，例如，高速混合涡轮增压器(turbocharger)或其他高速电子装置。

背景技术

传统的PMAC马达在稳定的电气绕组存在时，利用了永磁体的移动。定子绕组(stator winding)必须由振荡的或间歇性电流(即，交流电或脉波宽度调变)激磁(excite)，以便当磁体绕着绕组转动或移动(translate)时，施加电动势至磁体上。这种马达通常被描述为无刷交流永磁马达，或永磁同步马达(permanent magnet synchronous motor,PMSM)。很重要的是应注意，这种马达与无刷直流永磁马达的区别在于，此种马达具有不同的结构和控制方法。

就机械上而言，无刷交流永磁马达属于最为简单、小型化(compact)且有效率的一种马达。然而，在电动马达的历史中，实际的实施例通常具有整合的设计特征，这些设计特征牺牲了简单、小型性(compactness)和效率，以便赋予较佳的简化控制马达的工作的操作特性。牺牲的例子包括：

1.磁场削弱（field weakening），以限制来自马达固有性质的速度。

2.螺旋磁体(helical magnets)，以在低速时增强起动转矩(starting torque)及可预测性。

3.使用电磁体而不使用永磁体，以允许通过提供电磁体动力的直流信号调整起动转矩。

4.选择定子绕组的分布，以便当给予平滑交流电(振荡)输入时，使马达的转矩输出平滑。

5.可变气隙(特别是在“轴向磁通(axial flux)”型马达中)，以允许马达常数(电流输入和转矩输出之间的关系)通过机械方式被调整；以及

6.使用较弱的磁体或被动激磁(金属)材料，以减少马达对于交流信号输入的形状的敏感度(sensitivity)。

电动马达通常操作以200赫以下的速度(即，电动车为20赫至100赫，汽车启动马达为30赫至50赫，英国电站发电机为50赫，典型的泵马达为50赫，家用电器为10赫至50赫，输送带和滑轮为1赫至50赫)。

高速应用具有上述清单中第七项典型的较佳设计方式：被动激磁材料的使用。例子包包括：JR Bumby,E Spooner,&M Jagiela,“Solid Rotor Induction Machines for use in Electrically-Assisted Turbochargers”,Proceedings of the XVII International Conference on Electric Machines(ICEM),2006；以及S Calverly,“High-speed switched reluctance machine for automotive turbo-generators”,Mag.Soc.Seminar on Motors and Actuators for Automotive Applications,2002.

上述设计特征的结合大大地增加马达的尺寸、重量、成本及能量效率。此外，对任一所选设计而言，马达的尺寸、重量及成本一般是正比于转矩输出的。以高速操作的马达可以低转矩来供给等量功率，因此设备和传动装置常常被指定尽可能地容纳（accommodate）较高速马达。然而，较高的速度易于加重与马达控制有关的挑战。

一个特别值得注意的应用领域为涡轮机械。这种装置(利用气体以接近音障的速度操作)以超过1500赫的速度旋转。涡轮机在航天及天然气发电方面相当知名，但它们逐渐被应用于汽车引擎(涡轮增压器)、工业制程(压缩机及热回收系统)、家用电器(真空吸尘器)以及建筑采暖和通风。与定量（fixed-displacement）泵及膨胀腔室相比，涡轮机的日益普及创造了对高速马达的更多需求，并提供减少或消除高比例传输成本的可能性(如果能提供较高速度马达)。本发明特别值得注意之处在于汽车涡轮增压器的电气化，其是较早专利(B Richards,“Turbocharger concept”,英国专利no.0624599.7,2006)的主题。