控制繞線式轉子同步電機的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及控制繞線式轉子同步電機的系統和方法，并且更具體而言，涉及在轉子內產生過熱時增加繞線式轉子同步電機的額定工作時間而沒有電機的輸出限制的控制繞線式轉子同步電機的系統和方法。也就是說，本公開提供如下的控制繞線式轉子同步電機的系統和方法，該系統和方法通過根據目的可切換的二分化圖配置電流圖，從而根據工作條件選擇性使用電流指令圖，以增加繞線式轉子同步電機的額定工作時間而沒有電機的輸出限制。
【專利說明】
控制繞線式轉子同步電機的系統和方法
技術領域
[0001]本公開涉及控制繞線式轉子同步電機的系統和方法，并且更具體而言，涉及當在轉子內產生過熱時增加繞線式轉子同步電機的額定工作時間而沒有電機的輸出限制的控制繞線式轉子同步電機的系統和方法。
【背景技術】
[0002]該部分的說明僅僅提供關于本公開的背景信息，并且可能不構成現有技術。
[0003]環保車輛(諸如混合動力車輛和電動車輛)作為通過使用驅動電機作為動力源來驅動的車輛具有諸如電動車輛(EV)模式(該模式是只使用驅動電機的動力的純電動車輛模式)和混合動力車輛(HEV)模式(其使用發動機和所驅動電機兩者的旋轉力作為動力)的驅動模式。
[0004]作為被采用為環保車輛的驅動動力源的驅動電機，主要使用永磁式同步電機，但是用于制造永久磁鐵等的稀土(Nd，Dy)金屬在一些國家的存在很有限。因此，考慮到所述稀土金屬非常昂貴，對于可替代永磁式同步電機的繞線式轉子同步電機(WRSM)的研究和發展正在進行中。
[0005]繞線式轉子同步電機的轉子具有如下結構:環氧樹脂模制材料裝載在線圈和末端線圈封蓋(其附接在轉子的兩端之間)之間。
[0006]然而，由于轉子線圈被環氧樹脂模制材料和末端線圈封蓋密封，繞線式轉子同步電機具有如下缺點:由轉子產生的熱(鐵損+銅損)不容易釋放到外面，并且因此轉子的溫度明顯增加。
[0007]因此，由于轉子是一個旋轉體，作為冷卻轉子的方法，不能采用使用冷卻介質的直接冷卻方案(例如，水冷卻等)，而是采用通過在當前定子殼體中形成冷卻通道并且提供冷卻水進行熱傳遞(熱交換)來冷卻轉子的間接冷卻方案。
[0008]但是，因為與永磁式同步電機不同，繞線式轉子同步電機是以將線圈纏繞在轉子芯上的結構來制造的，繞線式轉子同步電機具有如下缺點:由直流(DC)場電流的傳導造成的銅損添加到轉子鐵芯損耗，并且因此，轉子的溫度明顯增加，并且由于轉子的過熱而導致的輸出限制(output limit)頻繁出現在具有更大直流場電流的工作區域中。
[0009]由于轉子的過熱引起的輸出限制會使驅動電機的額定工作時間減少，并且使車輛的動力和驅動性能變差(例如，上坡路動力不足和突然加速驅動限制)。
[0010]關于繞線式轉子同步電機的溫度分布，其中發熱值(heating value)比冷卻值大的轉子線圈部分處的溫度最高。這是因為由于大的線圈阻抗，導致銅損發熱值在場電流傳導過程中增加。
[0011]結果，如示出轉子的額定特征的附圖6的曲線圖所示，可以看出，隨著場電流變大，銅損發熱值變大并且額定工作時間縮短。
[0012]特別地，當輸入15A(安培)或更大的場電流時，由于在轉子線圈部分的與發熱值快速增加相對的冷卻值的不足，熱不會快速消散。結果，額定工作時間立即受到限制。
[0013]結果，由于15A或更大的大場電流用于繞線式轉子同步電機的低速和高扭矩(例如，在長的上坡路上慢速行駛)區域以及高速和高動力(高速快速加速)區域，所以由于轉子在連續工作中的過熱保護，導致出現輸出限制。

【發明內容】

[0014]本公開致力于解決上述與現有技術相關的問題。
[0015]本公開被設計為解決該問題并且本發明致力于提供控制繞線式轉子同步電機的系統和方法，該系統和方法通過根據目的可切換的二化分圖(dualized map)配置電流指令圖以根據工作條件選擇性使用電流指令圖，從而在產生轉子的過熱時，增加繞線式轉子同步電機的額定工作時間而沒有電機的輸出限制。
[0016]在一方面，本公開提供一種控制繞線式轉子同步電機的系統，其包括:逆變器控制單元，包括電流指令圖(current command map)、基于來自電流指令圖的轉子電流指令輸出脈沖寬度調制(PWM)信號的場電流控制器和基于來自電流指令圖的定子電流指令輸出PWM信號的定子電流控制器；以及逆變器電力模塊單元，基于來自場電流控制器和定子電流控制器的最終PWM信號切換電壓，以便將電壓施加到并將電流傳導到電機的定子和轉子上；并且電流指令圖二分化為額定工作電流指令圖和最大效率電流指令圖，當產生轉子的過熱時，可切換額定工作電流指令圖和最大效率電流指令圖。
[0017]在一個實施方式中，該系統可進一步包括電流圖切換單元，接收轉子的當前溫度，以便選擇并將電流指令圖切換為額定工作電流指令圖或最大效率電流指令圖。
[0018]在另一方面，本公開提供一種控制繞線式轉子同步電機的方法，其包括:首先，根據驅動器所需扭矩，在電流指令圖的最大效率電流指令圖中接收扭矩指令T*、電機轉速ω和基準電壓Vdc;在當前轉子溫度等于或小于轉子過熱保護起始溫度時，選擇并維持最大效率電流指令圖，以便為驅動電機的高效控制選擇最大效率電流指令工作點；并且在當前轉子溫度大于轉子過熱保護起始溫度時，將最大效率電流指令圖切換為額定工作電流指令圖，以便選擇額定工作電流指令工作點。
[0019]在一個實施方式中，當選擇并保持最大效率電流指令圖時，從最大效率電流指令圖中輸出轉子場電流指令if*和定子d/q-軸電流指令idq* ;在定子電流控制器中基于定子d/q-軸電流指令idq*順序生成電壓指令(定子Vuvw*)和最終PffM信號，同時在場電流控制器中基于轉子場電流指令if*順序生成電壓指令(場Vf*)和最終PWM信號；以及隨后從場電流控制器和定子電流控制器中將最終PWM信號輸出至逆變器電力模塊單元。
[0020]在另一個實施方式中，當最大效率電流指令圖切換為額定工作電流指令圖時，從額定工作電流指令圖中輸出轉子場電流指令if*和定子d/q-軸電流指令idq* ;在定子電流控制器中基于定子d/q-軸電流指令idq*順序生成電壓指令(定子Vuvw*)和最終PWM信號，同時在場電流控制器中基于轉子場電流指令if*順序生成電壓指令(場Vf*)和最終PWM信號；以及隨后從場電流控制器和定子電流控制器中將最終PWM信號輸出至逆變器電力模塊單元。
[0021]通過本文提供的描述，進一步的應用領域將變得明顯。應該理解，描述和具體的實例旨在說明性的目的，而不旨在限制本公開的范圍。
[0022]通過前面提到的問題解決方法，本發明提供以下效果。
[0023]第一，當產生轉子的過熱時，場電流可減小，并且銅損發熱值可減小而沒有驅動電機的輸出限制，并且繞線式轉子同步電機的額定工作時間可增加。
[0024]第二，可防止由于轉子的過熱可能產生的問題(例如，在產生轉子的過熱時由于輸出限制而不能在長的上坡路上行駛，以及快速加速行駛限制)并且實際駕駛性能(例如，可對駕駛員的意愿和期望做出反映的車輛的響應能力)提高。
[0025]第三，不需要補充和增加單獨的硬件冷卻裝置來防止轉子的過熱，從而抑制電機組件制造成本的升高。
[0026]第四，電機的耐久年限可被提高，因為與現有技術相比轉子的溫度可被降低。
[0027]其他方面和本公開的實施方式在下文中討論。
[0028]應該理解，本文使用的術語“車輛”或“用車輛運載的”或其他類似的術語通常包括機動車輛，諸如客車(包括運動型多用途車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛)、包括各種船只和艦船的船舶、飛行器等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混合動力車輛、氫動力車輛以及其他替代燃料車輛(例如，源自除石油以外的資源的燃料)。如本文中提到的，混合動力車輛為具有兩個或更多個動力源的車輛，例如，汽油動力和電動力車輛。
【附圖說明】
[0029]為了很好地理解本公開，現將參照附圖通過實例的方式描述本公開的各種形式，其中:
[0030]圖1為繞線式轉子同步電機的控制配置圖；
[0031]圖2為其中繞線式轉子同步電機的電流指令圖被二分化的控制配置圖；
[0032]圖3為示出當繞線式轉子同步電機的工作點從最大效率圖工作點切換至額定工作圖工作點時電流指令的位移(displacement)的曲線圖；
[0033]圖4為示出二分化電流指令圖以用于繞線式轉子同步電機的驅動控制的構建過程的流程圖；
[0034]圖5為示出通過使用二分化電流指令圖來控制繞線式轉子同步電機的過程的流程圖；以及
[0035]圖6為示出繞線式轉子同步電機的轉子額定特性的曲線圖。
[0036]應該理解，附圖不一定按比例繪制，而是呈現說明本發明的基本原則的各種優選特征的稍微簡化的表示。本文討論的本發明的具體設計特征(包括例如具體尺寸、方向、位置和形狀)將部分取決于具體目的應用和使用環境。
[0037]在圖中，貫穿附圖的幾個圖，相似的參考標號表示本公開的相同或等同的部分。
[0038]本文所描述的附圖僅出于說明目的，而并不旨在以任何方式限制本公開的范圍。
【具體實施方式】
[0039]在下文中，將詳細參照本公開的各個實施方式，本公開的實例在附圖中示出并描述如下。盡管將結合示例性實施方式對本公開進行描述，但是，將理解的是，本描述并不旨在將本公開限于這些示例性實施方式。相反，本公開旨在不僅涵蓋這些示例性實施方式，而且涵蓋可包括在由所附權利要求限定的本發明的精神和范圍內的各種替代、修改、等同物和其他實施方式。
[0040]在下文中，將參照附圖對本公開的實施方式進行詳細描述。
[0041]圖1為繞線式轉子同步電機的控制配置圖。
[0042]如圖1所示，作為考慮到繞線式轉子同步電機30的轉子過熱現象用于提高額定可操作性的控制系統配置，一種控制繞線式轉子同步電機30的裝置包括逆變器控制單元10和逆變器電力模塊單元(inverter power module unit) 20。
[0043]逆變器控制單元10被配置為包括:3D電流指令圖11 (具有扭矩指令T*、電機轉速ω和基準電壓Vdc作為輸入)、基于來自電流指令圖11的轉子電流指令輸出PffM信號的場電流控制器14和基于來自電流指令圖11的定子電流指令輸出PWM信號的定子電流控制器15ο
[0044]為了驅動繞線式轉子同步電機30，首先，從具有扭矩指令Τ*、電機轉速ω和基準電壓Vdc作為輸入的3D電流指令圖11中選擇定子d/q-軸電流指令idq*和轉子場電流指令 if*。
[0045]隨后，基于來自電流指令圖11的轉子場電流指令if*在場電流控制器14中順序生成電壓指令(場vf*)和最終PWM信號并且將最終PffM信號從場電流控制器14輸出至述逆變器電力模塊單元20。
[0046]同時，基于來自電流指令圖11的定子d/q-軸電流指令idq*在定子電流控制器15中順序生成電壓指令(定子Vuvw*)和最終PffM信號并且將最終PffM信號從定子電流控制器15輸出至逆變器電力模塊單元20。
[0047]因此，逆變器電力模塊單元20基于每個PffM信號切換電壓，結果，電壓被施加、電流被傳導至驅動電機30的定子和轉子，因而輸出需要的電機扭矩。
[0048]電流指令圖被二分化為額定工作電流指令圖(其是場電流最小工作圖)和最大效率電流指令圖(其是基準電流圖)，這些電流圖可根據是否產生轉子的過熱進行切換。
[0049]為此，如圖2所示，具有扭矩指令T*、電機轉速ω和基準電壓Vdc作為輸入的3D電流指令圖被二分化為額定工作電流指令圖12 (其是場電流最小工作圖)和最大效率電流指令圖13 (其是基準電流圖)。
[0050]進一步地，電流圖切換單元16被連接至額定工作電流指令圖12和最大效率電流指令圖13的輸出終端，并且電流圖切換單元16接收轉子的當前溫度以便選擇額定工作電流指令圖12和最大效率電流指令圖13中的一個并將電流指令圖切換為兩者之一。
[0051]因此，電流圖切換單元16主要執行為驅動電機的高效控制選擇最大效率電流指令圖13的控制，以及相反在特定工作條件下(轉子過熱的產生)執行將最大效率電流指令圖13切換為額定工作電流指令圖12(其是場電流最小工作圖)的控制。
[0052]圖3為示出當最大效率電流指令圖13上的最大效率圖工作點切換至額定工作電流指令圖12上的額定工作圖工作點時電流指令在等效扭矩曲線上的位移的曲線圖。
[0053]如圖3所示，當最大效率電流指令圖13上的最大效率圖工作點切換至額定工作電流指令圖12上的額定工作圖工作點時，可以看出場(轉子)電流減小并且定子電流增加。
[0054]也就是說，可以看出，當場電流指令減小時，定子電流會增加以保持同樣的扭矩(輸出)，并且在這種情況下，電機效率稍微降低。
[0055]當產生轉子的過熱時，通過切換額定工作電流指令圖12(其是場電流最小工作圖)，可保持驅動電機所需要的輸出和扭矩，并且場電流可通過銅損發熱值的減少而減少而沒有輸出限制(降低)，并且可保護轉子免于過熱。
[0056]同時，可通過執行電機特性測試來構建將所述電流指令圖二分化為額定工作電流指令圖12 (其是最小工作圖)和最大效率電流指令圖13 (其是基準電流圖)的方法。
[0057]如圖4的流程圖所示，可通過執行電機特性測試(諸如執行每個電流大小和相位角的電流控制)的過程、通過該測試獲取的測試數據測量電機輸出和扭矩的過程、在將測量的電機的最大效率工作點輸入在通用電流圖提取工具(general current mapextract1n tool)中的條件下生成最大效率電流指令圖的過程、以及在將測量的電機的場電流最小工作點輸入通用電流圖提取工具的條件下生成額定工作電流指令圖(其是場電流最小工作圖)的過程，來將電流指令圖二分化為額定工作電流指令圖和最大效率電流指令圖。
[0058]在本文中，使用額定工作電流指令圖和最大效率電流指令圖對繞線式轉子同步電機的操作控制過程將會在下文描述。
[0059]圖5為通過使用二分化電流指令圖來控制繞線式轉子同步電機的過程的流程圖。
[0060]當用于控制繞線式轉子同步電機的3D電流指令圖被二分化為額定工作電流指令圖12(其是場電流最小工作圖)和最大效率電流指令圖13(其是基準電流圖)時，將驅動器所需要的扭矩和操作控制輸入至電流指令圖。
[0061]基于驅動器需要的扭矩的扭矩指令T*、電機轉速ω和基準電壓Vdc首先被輸入在最大效率電流指令圖(其是電流指令圖中的基準電流圖)。
[0062]在這種情況下，在當前轉子溫度等于或小于過熱保護起始溫度時，電流圖切換單元16確定當前工作條件不是特點工作條件(產生轉子的過熱)，從而執行選擇和保持最大效率電流指令圖13，以選擇用于驅動電機的高效控制的最大效率電流指令工作點。
[0063]隨后，基于從最大效率電流指令圖13輸出的轉子場電流指令if*在場電流控制器14中順序生成電壓指令(場Vf*)和最終PffM信號，并且將最終PffM信號從場電流控制器14輸出至述逆變器電力模塊單元20。
[0064]同時，基于從最大效率電流指令圖13輸出的的定子d/q-軸電流指令idq*在定子電流控制器15中順序生成電壓指令(定子Vuvw*)和最終PffM信號，并且將最終PffM信號從定子電流控制器15輸出至逆變器電力模塊單元20。
[0065]因此，逆變器電力模塊單元20基于每個PffM信號切換電壓，結果，電壓和電流被施加到驅動電機30的定子和轉子，因而輸出需要的電機扭矩。
[0066]相反，當電流轉子溫度等于或大于轉子過熱保護起始溫度時，電流圖切換單元16確定當前工作條件是特定工作條件(產生電子的過熱)，從而執行選擇額定工作電流指令圖12(其是場電流最小工作圖)的切換，以選擇額定工作電流指令工作點。
[0067]隨后，基于從額定工作電流指令圖12輸出的轉子場電流指令if*在場電流控制器14中順序生成電壓指令(場Vf*)和最終PffM信號，并且將最終PffM信號從場電流控制器14輸出至逆變器電力模塊單元20。
[0068]同時，基于從額定工作電流指令圖12輸出的定子d/q-軸電流指令idq*在定子電流控制器15中順序生成電壓指令(定子Vuvw*)和最終PffM信號，并且將最終PffM信號從定子電流控制器15輸出至逆變器電力模塊單元20。
[0069]同樣地，逆變器電力模塊單元20基于每個PffM信號切換電壓，結果，電壓和電流被施加到驅動電機30的定子和轉子，因而輸出需要的電機扭矩。
[0070]如此，當產生轉子過熱時，將電流指令圖切換至最大效率電流指令圖或額定工作電流指令圖以便保護轉子免于過熱，同時通過額定工作電流指令圖滿足電機需要的輸出和扭矩，而沒有輸出限制(降低)。
[0071]換句話說，當產生轉子過熱時，在最大效率電流指令圖13上的最大效率圖工作點切換至額定工作電流指令圖12上的額定工作圖工作點時，由于定子電流增加而場(轉子)電流減小，即，由于當場電流指令減小時，為了保持同樣的扭矩(輸出)，定子電流增加，通過額定工作電流指令圖，可保護轉子免于過熱，同時滿足電機需要的輸出和扭矩，而沒有輸出降低。
[0072]本公開的描述本質上僅僅是示例性的，并且因此不脫離本公開的實質的變形都旨在落在本公開的范圍內。這樣的變形不被認為脫離本公開的精神和范圍。
【主權項】
1.一種控制繞線式轉子同步電機的系統，所述系統包括: 逆變器控制單元，包括: 電流指令圖； 場電流控制器，被配置為基于來自所述電流指令圖的轉子電流指令輸出脈沖寬度調制信號，以及 定子電流控制器，被配置為基于來自所述電流指令圖的定子電流指令輸出所述脈沖寬度調制信號；以及 逆變器電力模塊單元，被配置為通過基于來自所述場電流控制器和所述定子電流控制器的最終脈沖寬度調制信號切換電壓來將電壓和電流施加至所述電機的定子和轉子， 其中，所述電流指令圖被二分化為額定工作電流指令圖和最大效率電流指令圖，當產生所述轉子的過熱時，能夠切換所述額定工作電流指令圖和所述最大效率電流指令圖。2.根據權利要求1所述的系統，進一步包括: 電流圖切換單元，被配置為響應于接收到所述轉子的當前溫度，將所述電流指令圖切換為所述額定工作電流指令圖或所述最大效率電流指令圖。3.一種控制繞線式轉子同步電機的方法，所述方法包括如下步驟: 在電流指令圖中的最大效率電流指令圖處，接收取決于驅動器所需扭矩的扭矩指令T*、電機轉速ω和基準電壓Vdc ； 在當前轉子溫度等于或小于轉子過熱保護起始溫度時，選擇并維持所述最大效率電流指令圖，以選擇最大效率電流指令工作點用于驅動電機的高效控制；并且 在所述當前轉子溫度大于所述轉子過熱保護起始溫度時，將所述最大效率電流指令圖切換為額定工作電流指令圖，以選擇額定工作電流指令工作點。4.根據權利要求3所述的方法，其中，選擇并維持所述最大效率電流指令圖包括如下步驟: 從所述最大效率電流指令圖中輸出轉子場電流指令if*和定子d/q-軸電流指令idq* ；在定子電流控制器中基于所述定子d/q-軸電流指令idq*順序生成電壓指令(定子Vuvw*)和最終脈沖寬度調制信號，同時在場電流控制器中基于轉子場電流指令if*順序生成電壓指令(場Vf*)和所述最終脈沖寬度調制信號；以及 將所述最終脈沖寬度調制信號從所述場電流控制器和所述定子電流控制器輸出至逆變器電力模塊單元。5.根據權利要求3所述的方法，其中，將所述最大效率電流指令圖切換為額定工作電流指令圖進一步包括如下步驟: 從所述額定工作電流指令圖中輸出轉子場電流指令if*和定子d/q-軸電流指令idq* ；在定子電流控制器中基于定子d/q-軸電流指令idq*順序生成電壓指令(定子Vuvw*)和最終脈沖寬度調制信號，同時在場電流控制器中基于轉子場電流指令if*順序生成電壓指令(場Vf*)和所述最終脈沖寬度調制信號；以及 將所述最終脈沖寬度調制信號從所述場電流控制器和所述定子電流控制器輸出至逆變器電力模塊單元。6.根據權利要求3所述的方法，其中，當所述最大效率電流指令圖上的所述最大效率電流指令工作點切換至所述額定工作電流指令圖的所述額定工作電流指令工作點時，定子電流增加同時場電流減小。
【文檔編號】H02P29/66GK105846737SQ201510781284
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年11月13日
【發明人】金詠俊
【申請人】現代自動車株式會社