用于牵引电机的集成式高频旋转变压器和分解器 |
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申请号 | CN201210394443.4 | 申请日 | 2012-10-17 | 公开(公告)号 | CN103107010B | 公开(公告)日 | 2016-03-23 |
申请人 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司; | 发明人 | S-J.杨; P.J.萨瓦吉安; C.C.斯坦库; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及用于牵引 电机 的集成式高频旋转 变压器 和分解器,提供了一种集成式 旋转变压器 和分解器以及包括集成式旋转变压器和分解器的电机。所述集成式旋转变压器和分解器可包括,但不限于: 定子 ,其具有外表面和沿着该外表面布置的多个槽;多个感测线圈,该多个感测线圈布置在所述多个槽的至少一部分中; 转子 ,其具有从第一预定厚度变至第二预定厚度的表面;以及 控制器 ,其电联接至所述多个感测线圈,并构造成基于各感测线圈中因所述转子与各自感测线圈相对置的相对厚度引起的 电压 来确定所述转子的 位置 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种集成式旋转变压器和分解器,包括: |
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说明书全文 | 用于牵引电机的集成式高频旋转变压器和分解器技术领域背景技术[0002] 近年来,插电式混合动力车和纯电动车已经变得越来越流行。这些车辆通常使用牵引电机。一些牵引电机具有绕线转子,并使用旋转变压器将电能从固定侧(即,定子)导至旋转侧(即,转子)。当前的牵引电机构造还利用分开的分解器来确定电机转子的角度位置。 [0004] 根据一个实施例,提供了一种集成式的旋转变压器和分解器。所述集成式旋转变压器和分解器可包括,但不限于:定子,其具有外表面和沿着该外表面布置的多个槽;多个感测线圈,该多个感测线圈布置在所述多个槽的至少一部分中;转子,其具有从第一预定厚度变至第二预定厚度的表面;以及控制器,其电联接至所述多个感测线圈,并构造成基于各感测线圈中因所述转子与相应感测线圈相对置的相对厚度引起的电压来确定所述转子的位置。 [0005] 根据另一实施例,提供了一种电机。所述电机可包括,但不限于:接口,其构造成接收交流电;定子,其联接至所述接口,所述定子具有主绕组,并具有外表面和沿着所述外表面布置的多个槽;多个感测线圈,所述多个感测线圈布置在所述多个槽的至少一部分中;转子,其具有定位成与所述定子的第一绕组相对的副绕组,并具有从第一预定厚度变至第二预定厚度的表面;以及控制器,其电联接至所述多个感测线圈,并构造成基于各感测线圈中因所述转子的与相应感测线圈相对置的相对厚度引起的电压来确定所述转子的位置。 [0006] 根据再一实施例,提供了一种设备,所述设备包括,但不限于:转子,其具有正弦上表面,并且在内表面具有凹口;缠绕在所述转子的凹口中的第一绕组;定子,其在外表面上具有凹口,所述定子的外表面定位成与所述转子的内表面相对,所述外表面还包括多个槽;缠绕在所述定子的凹口中的副绕组;缠绕在所述多个槽的至少一部分中的多个感测线圈; 以及控制器,其电联接至所述多个感测线圈,并构造成基于所述多个感测线圈的输出确定所述转子的位置。 [0007] 本发明提供下列技术方案。 [0008] 技术方案1: 一种集成式旋转变压器和分解器,包括: [0009] 定子,其具有外表面和沿着该外表面布置的多个槽; [0010] 多个感测线圈,该多个感测线圈布置在所述多个槽的至少一些中; [0011] 转子,其具有从第一预定厚度变至第二预定厚度的表面;以及 [0012] 控制器,其电联接至所述多个感测线圈,并构造成基于各感测线圈中因所述转子的与相应感测线圈相对的厚度引起的电压来确定所述转子的位置。 [0013] 技术方案2: 如技术方案1的集成式旋转变压器和分解器,其中所述定子包括2P个槽,其中P为所述转子中的极的数目。 [0014] 技术方案3: 如技术方案2的集成式旋转变压器和分解器,其中所述多个感测线圈包括P个感测线圈,并且所述P个感测线圈位于P个相邻的槽中。 [0016] 技术方案5: 如技术方案2的集成式旋转变压器和分解器,其中所述多个感测线圈包括2P个感测线圈,并且所述2P个感测线圈在极对基座上以90度相隔地位于2P个相邻的槽中。 [0017] 技术方案6: 如技术方案2的集成式旋转变压器和分解器,其中所述转子的表面包括具有所述第一预定厚度的P个波峰和具有所述第二预定厚度的P个波谷。 [0018] 技术方案7: 如技术方案5的集成式旋转变压器和分解器,其中所述多个线圈按类型分组,并且相同类型的线圈互联。 [0019] 技术方案8: 一种电机,包括: [0020] 接口,其构造成接收交流电; [0021] 定子,其联接至所述接口,所述定子具有主绕组,并具有外表面和沿着所述外表面布置的多个槽; [0022] 多个感测线圈,所述多个感测线圈布置在所述多个槽的至少一些中; [0023] 转子,其具有定位成与所述定子的第一绕组相对的副绕组,并具有从第一预定厚度变至第二预定厚度的表面;以及 [0024] 控制器,其电联接至所述多个感测线圈,并构造成基于各感测线圈中因所述转子的与相应感测线圈相对的厚度引起的电压来确定所述转子的位置。 [0025] 技术方案9: 如技术方案8的电机,其中所述定子包括2P个槽,其中P为所述转子中的极的数目。 [0026] 技术方案10: 如技术方案9的电机,其中所述多个感测线圈包括P个感测线圈,并且所述P个感测线圈位于P个相邻的槽中。 [0027] 技术方案11: 如技术方案10的电机,其中所述P个线圈在极对基座上定位成90度相隔。 [0028] 技术方案12: 如技术方案9的电机,其中所述多个感测线圈包括2P个感测线圈,并且所述2P个感测线圈在极对基座上以90度相隔地位于2P个相邻的槽中。 [0029] 技术方案13: 如技术方案9的电机,其中所述转子的表面包括具有所述第一预定厚度的P个波峰和具有所述第二预定厚度的P个波谷。 [0030] 技术方案14: 如技术方案12的电机,其中所述多个线圈按类型分组,并且相同类型的线圈互联。 [0031] 技术方案15: 一种设备,包括: [0032] 转子,其具有正弦上表面,并且在内表面具有凹口; [0033] 缠绕在所述转子的凹口中的第一绕组; [0034] 定子,其在外表面上具有凹口,所述定子的外表面定位成与所述转子的内表面相对,所述外表面还包括多个槽; [0035] 缠绕在所述定子的凹口中的副绕组; [0036] 缠绕在所述多个槽的至少一部分中的多个感测线圈;以及 [0037] 控制器,其电联接至所述多个感测线圈,并构造成基于所述多个感测线圈的输出确定所述转子的位置。 [0038] 技术方案16: 如技术方案15的设备,其中所述多个槽沿着所述定子的外表面周期地间隔开。 [0039] 技术方案17: 如技术方案15的设备,其中具有四个感测线圈,所述四个感测线圈缠绕在沿所述定子的外表面的四个相邻槽中。 [0040] 技术方案18: 如技术方案17的设备,其中所述四个感测线圈中的第一个基于所述转子与所述四个感测线圈中的所述第一个相对的正弦上表面的厚度输出第一电压(V1),所述四个感测线圈中的第二个基于所述转子与所述四个感测线圈中的所述第二个相对的正弦上表面的厚度输出第二电压(V2),所述四个感测线圈中的第三个基于所述转子与所述四个感测线圈中的所述第三个相对的正弦上表面的厚度输出第三电压(V3),和所述四个感测线圈中的第四个基于所述转子与所述四个感测线圈中的所述第四个相对的正弦上表面的厚度输出第四电压(V4)。 [0041] 技术方案19: 如技术方案18的设备,其中所述控制器进一步构造成基于由atan2(V1-V2, V3-V4)确定的角度确定所述转子的机械角。 [0042] 技术方案20: 如技术方案19的设备,其中所述控制器进一步构造成基于所述转子的机械角确定所述转子的电角度。 [0043] 该简要介绍用于以简要的形式介绍所选择的概念,在后面的详细描述中将做进一步描述。该简要介绍不意欲确认所要求保护主题的关键特征或本质特征,也不意欲用作确定所要求主题的范围的目的。 附图说明[0045] 图1为根据实施例的具有集成式旋转变压器和分解器的示例性牵引电机的框图; [0046] 图2为根据示例性实施例的可用在图1中所示牵引电机中的示例性定子; [0047] 图3为根据示例性实施例的可用在图1中所示牵引电机中的示例性转子;以及[0048] 图4示出了根据实施例的示例性集成式旋转变压器和分解器。 具体实施方式[0049] 下面的详细描述实质上仅仅是示例性的,不意欲限制该主题或本申请的实施方式以及该实施方式的使用。如本文所使用的,语词“示例性”意味着“用作实例、示例或例子”。本文作为示例描述的所有实施方式都并非必需被认为超过其它实施方案的优选或有利。另外,也不意欲通过前面的技术领域、背景技术、简要介绍或后面的详细描述中存在的任何明示或暗示意见而界定。 [0050] 图1为具有集成式旋转变压器和分解器110的示例性牵引电机100的框图。电机100具有固定侧102和旋转侧104。电机100包括具有电机转子绕组172的电机转子170。 电机定子180电连接至多相逆变器195。电机100还包括具有场绕组182的电机定子180。 牵引电机100也可称为绕组转子同步电机。集成式旋转变压器和分解器110向场绕组182提供无刷电力,并提供控制电机100所必需的转子位置信息。集成式旋转变压器和分解器 110的转子130随电机转子170旋转。因此,转子130和转子170具有相同的角度位置。 [0051] 因为牵引电机100包括集成式旋转变压器和分解器110,所以相对于具有分开的旋转变压器和分解器的牵引电机来讲,可降低牵引电机100的尺寸和成本。集成式旋转变压器和分解器110包括具有主绕组122的定子120和具有副绕组132的转子130。 [0052] 集成式旋转变压器和分解器110的定子120电联接至高频交流(AC)电源160。集成式旋转变压器和分解器110使用主绕组122到副绕组132的磁性联接将电能输送至电机100的转子170。副绕组132中引起的电压被整流电路190转换为DC(整流),并用于供应至电机100的场绕组。 [0053] 为了提供牵引电机100的转子170的机械位置信息,集成式旋转变压器和分解器110包括一系列附加感测线圈140。在一个实施例中,例如,感测线圈140联接至定子120的外表面,并与转子130相邻,如下面进一步详细描述的。每个感测线圈140都电联接至控制器150并输出电压。控制器150构造成从感测线圈140接收电压,并基于接收的电压确定转子130的位置,如下面进一步详细描述的。 [0054] 在一个实施例中,例如,控制器150为处理器。控制器150可为任意类型的处理器。例如,控制器150可为中央处理单元、图形处理单元、数字信号处理器、专用集成电路(例如,分解器-数字转换器)、场可编程门阵列、微控制器、或任何其它类型的处理器或处理器的组合。 [0055] 图2为根据示例性实施例的可用在图1中所示牵引电机100中的示例性定子120。在一个实施例中,例如,定子120为基本圆柱形。定子120还包括沿着定子120外周的凹口,主绕组(未示出)可缠绕在这里。 [0056] 定子120还包括多个槽220。槽220基本上围绕定子120上周周期地布置,在极对基座上相隔90度,每个分解器极对有四个槽。在图2所示实施例中,有8个槽220。定子120中槽220的数量可根据旨在用于集成式旋转变压器和分解器110的分解器功能的极的数量来变化。例如,六极分解器可包括12个槽。每个槽220都通过定子120上表面中的两个缺口形成。感测线圈140可围绕一部分或全部槽220缠绕,如下面进一步详细描述的。 [0057] 在一个实施例中,例如,每个感测线圈140可为绝缘铜线。每个感测线圈140都连接至控制器150。感测线圈140连同控制器150确定转子的位置,如下面进一步详细描述的。感测线圈140的数量对应于分解器130的极的数量。例如,图2中所示定子120可用在四极分解器功能或应用中,且可具有四个或八个感测线圈140。同样,六极分解器可使用六个或12个感测线圈140。感测线圈140缠绕相邻的槽220。如下面进一步详细描述的,通过将感测线圈140设置在四个相邻的槽中,旋转的每个分解器极对都可精确地确定转子130的位置。当感测线圈140缠绕在各槽220中时,根据它们在定子上的位置,根据这种方法将出现四种类型的线圈:(sin), (cos), (-sin), (-cos)。所有同类线圈可例如串行连接,使得向控制器150发送四个电压,不管分解器具有多少个极。 [0058] 图3为根据示例性实施例的可用在图1中所示牵引电机100中的示例性转子130。转子130包括沿着内表面的凹口310。转子的副绕组可缠绕在凹口310中。 [0059] 如图3中所示,转子130具有正弦上表面,该上表面具有变化的厚度或高度。在一个实施例中,例如,转子130的上表面可根据四极分解器的正弦波的两个周期来变化。在其它实施例中,可使用具有不同波浪图案的转子上表面。每个波峰320和波谷330的高度可选择成使得定子120上的感测线圈140输出预定电压,如下面进一步描述的。转子130的波峰320和波谷330的总数对应于旨在用于分解器功能的极的数量。例如,图3中所示转子130用于四极分解器,包括两个波峰和两个波谷。因此,转子每转一圈,转子130的波峰320和波谷330会经过各感测线圈140两次,如下面进一步描述的。 [0060] 尽管上面的描述涉及具有多个槽220的定子120和具有波浪上表面的转子130,但是用于集成式旋转变压器和分解器110的定子和转子的物理特征可翻转。换句话说,定子120可构造成具有波浪上表面,转子130可构造成具有槽220。在另一实施例中,例如,两个芯的极可翻转。换句话说,图2中的芯可为转子,图3中的芯可为定子。 [0061] 图4示出了根据实施例的示例性集成式旋转变压器和分解器110。如图所示,定子120的直径比转子130的直径小。因此,当定子从AC电源160接收高频AC信号时,产生通过定子120和转子130的磁通量。因为转子的上表面是正弦的,所以磁通量未均匀分布。基于转子厚度而变化的磁通量引起各感测线圈140输出与磁通量成比例的电压。换句话说,各组感测线圈140[1] – 140[4]感测的电压与转子130在相应感测线圈140前方(即,相对的)表面积成比例。控制器150基于在各线圈中产生的电压可确定转子130的位置,如下面进一步描述的。 [0062] 当集成式旋转变压器和分解器110用在四极牵引分解器中时,四个感测线圈140[1] – 140[4]的电压遵循下式: [0063] [0064] 其中: [0065] K1和K2为由磁性联接结构定义的常量值; [0066] Vac为应用于主绕组的高频AC电源的电压; [0067] Θr为转子的机械角;和 [0068] P为分解器的极对数目。 [0069] 通过处理这四个电压,控制器150可确定转子的电角度Θe,其中电角度Θe等于机械角Θr的值的P倍。在该实施例中,控制器根据下式确定电角度Θe: [0070] 。 [0071] atan2为双元函数,是反正切函数的变形。对于所有的实变元,x和y不都等于零,atan2(y, x)为平面的正向x轴与其上由坐标(x,y)给定的点之间的弧度角。该角度对于逆时针角度(上半平面,y>0)是正的,对于顺时针角度(下半平面,y<0)是负的。 [0072] 如上所述,各感测线圈140的电压输出与转子130在相应感测线圈140前面(即,相对)的表面积成比例。通过调节转子的厚度,可改变K1和K2的值。因此,转子可构造成使得感测线圈可感测到任何期望的电压。 [0073] 尽管在前面的详细描述中已经展现了至少一个示例性实施例,但是应当清楚,存在大量的变型。还应当清楚,本文所述示例性实施例不意欲以任何方式限制所述主题的范围、应用或构造。相反,前面的详细描述给本领域技术人员提供实施所述实施例的方便路图。应当理解,在不脱离由权利要求定义范围的情形下,可对元件的功能和布置进行各种变化,其范围包括在提交本申请时的已知等效物和可预见到的等效物。 |