[发明专利]高速比永磁体电机

说明书

本发明提供一种具有高速度比的永磁体电机，其可以排除对于永磁体电机中的齿轮箱或多个绕组的需要。因而可以省略齿轮箱或多绕组配置定子。还提供一种用于操作一件由旋转动力驱动的设备的方法，包括：将永磁体交流电机联接到该件设备的轴，轴适于直接由永磁体交流电机旋转，永磁体交流电机包括定子和转子，转子具有定位于其上的永磁体；将交流电流供应到所述定子；使所述轴旋转；在由永磁体形成的磁通量的相反方向上注入直流电流并且弱化所述永磁体的磁场；基于所述永磁体交流电机的速度比将所述永磁体交流电机的速度增加到最大速度，所述速度比定义为所述最大速度与额定速度之间的比例，额定速度对应于永磁体交流电机的额定电压。

相关申请的交叉引用

本申请是主张保护在2015年1月5日提交的美国临时申请号62/099,812的优先权的非临时申请。

技术领域

本公开大体而言涉及电动机，并且具体而言涉及交流永磁体电动机。

背景技术

交流电流(AC)电动机依靠通过定子内的感应绕组的交流电流来造成转子的旋转。所谓的三相交流电机包括绕定子在径向定位的三个匹配的绕组集合。通过向绕组集合中每一个供应正弦交流电力使得每个集合接收以120°偏移的交流电流，能在转子旋转时赋予大致持续的扭矩。

不同于有刷直流电机，交流电机的输出速度由发送至定子绕组的电流的频率而加以控制。为了控制输出扭矩和因此速度，可以使用变频驱动器(VFD)来改变馈送到交流电机的电流。因为定子绕组的感抗与施加到绕组的频率成比例，则必需有所增加的电压来维持绕组内相对恒定的电流，和因此相对恒定的输出扭矩直到电机的额定速度。额定速度大体上对应于额定电压(通常等于VFD的供电电压)。超过额定速度，交流电机的速度可以通过场弱化而增加，如在下文中所讨论。此控制算法通常被称作伏特/赫兹或V/Hz控制。

在某些电动机中，转子和定子都包括线圈。在这样的感应电机中，由定子线圈所感应的磁场在转子线圈内感应了电流，由于楞次定律，感应的电流在转子上造成合成扭矩，因而造成旋转。

在永磁体电机中，另一方面，转子包括一个或多个永磁体。试图与由定子中的线圈所感应的磁场对准的永磁体在转子上造成了合成扭矩。通过改变磁场的取向，因而可以导致转子旋转。在高扭矩永磁体电机中，诸如内转子永磁体电机中，多个永磁体可以定位于转子的外部上。

VFD通常使用两种控制方法之一。在伏特/赫兹控制方案中，通过以特定频率和电压向定子绕组供应交流电力，VFD改变电机的输出速度。对于给定的所希望扭矩，电压通过所谓的“电压与频率”或“伏特/赫兹”比例而与频率成比例地相关。如在本领域中所理解的，电动机的阻抗包括静态阻抗和反向电动势或反电动势。静态阻抗由绕组布置和电机构造而确定。在永磁体电机中，通过永磁体的旋转磁场在电机绕组中所感应的电流形成反电动势。因此，当电机停止时，反电动势可忽略。随着电机速度增加，反电动势同样增加，需要向电机施加额外驱动电压以便维持充分的电流通过电机绕组。在传统上，根据伏特/赫兹比例施加驱动电压，在正常操作范围，伏特/赫兹比例通常是恒定的。在这整个正常操作范围，电流保持与转子同相。在特定速度，反电动势电压达到或超过电机驱动器的输出电压能力，在这点，修改供应到电机的电流相位以便在永磁体电机中将负极性通量注入到永磁体中，有效地减小了它们的磁场和因此反电动势。通过使用闭环反馈，使用伏特/赫兹的VFD能在变化的条件下保持电机速度。这种伏特/赫兹的简单形式可以不允许进行准确扭矩控制。

随着低成本、高速度微处理器技术的快速进步，利用所谓的向量控制或场定向控制(FOC)模型的VFD已经投入使用。在FOC中，在旋转参考系中，供应到交流电机相位的电流被分解成作用于转子上的扭矩和通量分量。因此，这些分量中的每一个可以受到独立控制。供应到电机相位的电流经测量或导出并且变换为扭矩通量空间(利用例如Clarke/Park变换)，可以创建闭环反馈模型以持续地控制这些分量中每一个。处理器然后将扭矩和通量分量变换回三相电流。三相电流被馈送到三相逆变器，三相逆变器向电机中的每个绕组集合输出脉冲宽度调制信号。