[發(fā)明專利]高速比永磁體電機(jī)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610006923.7
• 申請日: 2016-01-05
• 公開（公告）號: CN105763127B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 比特·庫特爾;布萊恩·埃利斯
• 申請（專利權(quán)）人: 內(nèi)博斯鉆井技術(shù)美國公司
• 主分類號: H02P23/00
• 分類號: H02P23/00;H02P23/10
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 孫紀(jì)泉

本發(fā)明提供一種具有高速度比的永磁體電機(jī)，其可以排除對于永磁體電機(jī)中的齒輪箱或多個(gè)繞組的需要。因而可以省略齒輪箱或多繞組配置定子。還提供一種用于操作一件由旋轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備的方法，包括：將永磁體交流電機(jī)聯(lián)接到該件設(shè)備的軸，軸適于直接由永磁體交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，永磁體交流電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子具有定位于其上的永磁體；將交流電流供應(yīng)到所述定子；使所述軸旋轉(zhuǎn)；在由永磁體形成的磁通量的相反方向上注入直流電流并且弱化所述永磁體的磁場；基于所述永磁體交流電機(jī)的速度比將所述永磁體交流電機(jī)的速度增加到最大速度，所述速度比定義為所述最大速度與額定速度之間的比例，額定速度對應(yīng)于永磁體交流電機(jī)的額定電壓。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請是主張保護(hù)在2015年1月5日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?2/099,812的優(yōu)先權(quán)的非臨時(shí)申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開大體而言涉及電動(dòng)機(jī)，并且具體而言涉及交流永磁體電動(dòng)機(jī)。

背景技術(shù)

交流電流(AC)電動(dòng)機(jī)依靠通過定子內(nèi)的感應(yīng)繞組的交流電流來造成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。所謂的三相交流電機(jī)包括繞定子在徑向定位的三個(gè)匹配的繞組集合。通過向繞組集合中每一個(gè)供應(yīng)正弦交流電力使得每個(gè)集合接收以120°偏移的交流電流，能在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)賦予大致持續(xù)的扭矩。

不同于有刷直流電機(jī)，交流電機(jī)的輸出速度由發(fā)送至定子繞組的電流的頻率而加以控制。為了控制輸出扭矩和因此速度，可以使用變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)來改變饋送到交流電機(jī)的電流。因?yàn)槎ㄗ永@組的感抗與施加到繞組的頻率成比例，則必需有所增加的電壓來維持繞組內(nèi)相對恒定的電流，和因此相對恒定的輸出扭矩直到電機(jī)的額定速度。額定速度大體上對應(yīng)于額定電壓(通常等于VFD的供電電壓)。超過額定速度，交流電機(jī)的速度可以通過場弱化而增加，如在下文中所討論。此控制算法通常被稱作伏特/赫茲或V/Hz控制。

在某些電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子和定子都包括線圈。在這樣的感應(yīng)電機(jī)中，由定子線圈所感應(yīng)的磁場在轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)感應(yīng)了電流，由于楞次定律，感應(yīng)的電流在轉(zhuǎn)子上造成合成扭矩，因而造成旋轉(zhuǎn)。

在永磁體電機(jī)中，另一方面，轉(zhuǎn)子包括一個(gè)或多個(gè)永磁體。試圖與由定子中的線圈所感應(yīng)的磁場對準(zhǔn)的永磁體在轉(zhuǎn)子上造成了合成扭矩。通過改變磁場的取向，因而可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在高扭矩永磁體電機(jī)中，諸如內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體電機(jī)中，多個(gè)永磁體可以定位于轉(zhuǎn)子的外部上。

VFD通常使用兩種控制方法之一。在伏特/赫茲控制方案中，通過以特定頻率和電壓向定子繞組供應(yīng)交流電力，VFD改變電機(jī)的輸出速度。對于給定的所希望扭矩，電壓通過所謂的“電壓與頻率”或“伏特/赫茲”比例而與頻率成比例地相關(guān)。如在本領(lǐng)域中所理解的，電動(dòng)機(jī)的阻抗包括靜態(tài)阻抗和反向電動(dòng)勢或反電動(dòng)勢。靜態(tài)阻抗由繞組布置和電機(jī)構(gòu)造而確定。在永磁體電機(jī)中，通過永磁體的旋轉(zhuǎn)磁場在電機(jī)繞組中所感應(yīng)的電流形成反電動(dòng)勢。因此，當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，反電動(dòng)勢可忽略。隨著電機(jī)速度增加，反電動(dòng)勢同樣增加，需要向電機(jī)施加額外驅(qū)動(dòng)電壓以便維持充分的電流通過電機(jī)繞組。在傳統(tǒng)上，根據(jù)伏特/赫茲比例施加驅(qū)動(dòng)電壓，在正常操作范圍，伏特/赫茲比例通常是恒定的。在這整個(gè)正常操作范圍，電流保持與轉(zhuǎn)子同相。在特定速度，反電動(dòng)勢電壓達(dá)到或超過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓能力，在這點(diǎn)，修改供應(yīng)到電機(jī)的電流相位以便在永磁體電機(jī)中將負(fù)極性通量注入到永磁體中，有效地減小了它們的磁場和因此反電動(dòng)勢。通過使用閉環(huán)反饋，使用伏特/赫茲的VFD能在變化的條件下保持電機(jī)速度。這種伏特/赫茲的簡單形式可以不允許進(jìn)行準(zhǔn)確扭矩控制。

隨著低成本、高速度微處理器技術(shù)的快速進(jìn)步，利用所謂的向量控制或場定向控制(FOC)模型的VFD已經(jīng)投入使用。在FOC中，在旋轉(zhuǎn)參考系中，供應(yīng)到交流電機(jī)相位的電流被分解成作用于轉(zhuǎn)子上的扭矩和通量分量。因此，這些分量中的每一個(gè)可以受到獨(dú)立控制。供應(yīng)到電機(jī)相位的電流經(jīng)測量或?qū)С霾⑶易儞Q為扭矩通量空間(利用例如Clarke/Park變換)，可以創(chuàng)建閉環(huán)反饋模型以持續(xù)地控制這些分量中每一個(gè)。處理器然后將扭矩和通量分量變換回三相電流。三相電流被饋送到三相逆變器，三相逆變器向電機(jī)中的每個(gè)繞組集合輸出脈沖寬度調(diào)制信號。