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包括電源和負載間的電氣絕緣的機電致動和/或發電系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380055209.1

申請日:

2013.10.14

公開號:

CN104919682A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||專利申請權的轉移IPC(主分類):H02K 7/18登記生效日:20160524變更事項:申請人變更前權利人:希斯巴諾-蘇莎公司變更后權利人:雷比諾電力系統變更事項:地址變更前權利人:法國科隆布變更后權利人:法國布拉尼亞克|||實質審查的生效 IPC(主分類):H02K 7/18申請日:20131014|||公開
IPC分類號: H02K7/18; B64C11/44; H01F38/18; H02K11/00 主分類號: H02K7/18
申請人: 希斯巴諾-蘇莎公司
發明人: C·杜瓦爾
地址: 法國科隆布
優先權: 1260139 2012.10.24 FR
專利代理機構: 上海專利商標事務所有限公司31100 代理人: 顧嘉運
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380055209.1

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.07.03|||2016.06.15|||2015.11.04|||2015.09.16

法律狀態類型:

授權|||專利申請權、專利權的轉移|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及包括AC旋轉電子機器(130)的致動器或發電機設備,該AC旋轉電子機器(130)具有用于將電能傳遞至所述機器的定子的端子的電連接(122,124),該設備的特征在于,該連接包括變壓器(122)。

權利要求書

權利要求書
1.  一種包括AC旋轉電子機器(130;230;330a,330b;440a,440b)的設備,所述AC旋轉電子機器具有用于將AC電能傳遞至所述機器的定子的端子的電連接(122,124;222,224;322,324;422,424),所述設備的特征在于:所述連接包括變壓器(122;222;322;422)且所述電子機器允許零速度下的扭矩以便經所述變壓器傳遞的AC電能的幫助來被伺服控制。

2.  如權利要求1所述的設備,其特征在于,所述機器(130;230;330a,330b;440a,440b)是同步機器,且其中所述機器(130;230;330a,330b;440a,440b)包括阻尼電路或阻尼條。

3.  如權利要求1所述的設備,其特征在于,所述機器(130;230;330a,330b;440a,440b)是異步機器。

4.  如權利要求1到3的任一項所述的設備,其特征在于,所述變壓器(122;222;322;422)是旋轉變壓器。

5.  如權利要求1到4的任一項所述的設備,包括控制單元(110),所述控制單元(110)被配置成經由所述變壓器用矢量控制和/或標量控制對所述機器進行伺服控制。

6.  如權利要求1到5的任一項所述的設備,還包括至少一個第二AC旋轉電子機器(330a,330b),所述第二AC旋轉電子機器(330a,330b)具有用于將電壓施加于所述第二機器的定子的端子的電連接(322,324),所述第二機器的連接包括變壓器(322),所述設備還包括用于致動兩個不同目標系統的兩個機械連接(340a,340b),每個機械連接都是通過兩個機器中的相應一個。

7.  如權利要求1到5的任一項所述的設備,還包括至少一個第二機器(440a,440b),所述第二機器(440a,440b)具有用于將電壓施加于所述第二機器的定子的端子的電連接(422,424),所述第二機器的連接包括變壓器(422),所述設備還包括兩個機械連接(441a,441b)以及同步鏈接(442),每個機械連接用于通過兩個機器中的相應一個進行致動,所述同步鏈接(442)用于同步所述兩個機械連接。

8.  如權利要求1到5的任一項所述的設備,還包括第二變壓器(523),所述第二變壓器(523)用于將電能傳遞至所述轉子的端子。

9.  如權利要求1到5的任一項所述的設備,包括配置單元(1031),所述配置單元(1031)用于修改所述變壓器的主變壓器和次級變壓器之間的電壓或電流比率。

10.  一種具有可變間距葉片的推進引擎,所述引擎包括根據權利要求1到9的任一項所述的設備,所述設備被設置以致動所述引擎的至少一個葉片,且其中所述變壓器是將電能從所述引擎的非旋轉區域(A)傳遞至所述引擎的旋轉區域(B)的旋轉變壓器。

11.  一種包括根據權利要求10的推進引擎的無涵道槳扇。

12.  一種包括權利要求1到9的任一項所述的設備的機載電網。

說明書

說明書包括電源和負載間的電氣絕緣的機電致動和/或發電系統
技術領域和現有技術
本發明涉及交流電(AC)旋轉電子機器的領域。這種機器具體包括異步電動機或感應機器,以及同步電動機或發電機。這種電子機器傳遞電壓或者由電壓供電,該電壓可以是單相或三相的、或更少見的為雙相的。在電動機或發電機操作中,存在由通過施加電能而達到的扭矩和旋轉速度表征的工作點。
由于功率電子學變得可用,可以使用使電子機器在其整個扭矩/速度利用范圍上被控制的控制器轉換器。
當電動機和/或發電機以及控制器轉換器相對于彼此移動時,已知利用移動觸點,一般是旋轉觸點,諸如滑環組件。這例如應用于噴氣式飛機,例如其中需要動態控制葉片間距的無涵道槳扇:用作葉片樞軸的電機自身繞引擎的軸旋轉、并且由外部控制器轉換器來控制,該外部控制器轉換器使電子機器中可能通過將機械能轉化為電能來執行制動并且通過將電能轉化為機械能來執行致動。連接經由滑環組件來提供。
對于相對于其控制器轉換器而旋轉的電子機器,在冷卻觸點以及在需要維持觸點時遇到難題。旋轉觸點具有有限的壽命,其程度使得電氣致動尚未取代基于旋轉接頭的液壓致動系統,液壓致動系統自身也有其他弱點,特別是泄漏風險。控制器轉換器有時甚至被安裝于運動參考系中以避免對于在靜態參考系和運動參考系之間發送功率控制的需要,但導致其他困難,諸如位于約束條件下的電子設備的加速老化,約束條件諸如振動、離心力和潛在的高溫,還導致與傳遞控制信號有關的困難。
發明內容
為了解決這些問題,本發明提供了一種包括AC旋轉電子機器的致動 器或發電機設備,該AC旋轉電子機器具有用于將電能傳遞至機器定子的端子的電連接,該設備的特征在于該連接包括變壓器。因而,取決于電子機器是在電動機模式中還是在發電機模式中工作這可用于將電子機器與AC電源或負載電隔離。變壓器可用于利用其電流或電壓變換比對電能進行附加整型,并且因此其可使得功率轉換器得以簡化或者能使其適用于電動機,反之亦然。
本發明可以在機載電網中實現,例如飛機電網。因此,可能對輔助電源裝置(APU)渦輪的啟動電動機供電,以便通過基于本文檔中描述的原理使用變壓器來啟動它。根據相同的原理,為啟動目的,也可能對渦輪噴氣式飛機的主渦輪機的啟動電動機供電。
借助于本發明,通過磁耦合將電子機器與源電隔離或者與其電負載電隔離。
機器可以是異步機器或者它可以是包括阻尼電路或阻尼條的同步機器,在后一情況下,盡管有在零速度下伺服控制扭矩中所涉及的約束條件,還是可能通過變壓器來實現這一點。
有利的是,變壓器可以是具有適用于優化控制器轉換器和/或電動機的特定變壓比率的變壓器。
有利的是,變壓器可以是旋轉變壓器,該情況下它可以取代在滑環組件中找到的那種動觸點,或者它可以取代基于旋轉接頭的液壓旋轉致動器系統。
變壓器能夠避免將控制器轉換器置于旋轉區域(旋轉區域也可以是高溫區域)中,同時還避免提供特定冷卻的需求,并同時使目標系統在旋轉期間或者在靜止時被致動。變壓器和電動機可以彼此間隔。
設備可以包括被配置成執行矢量控制和/或伺服控制的控制單元。因此,電動機控制命令可能在沒有使變壓器飽和,提供關于那些命令滿足特定的標準,特別是使電壓除以頻率的比率V/f最小的情況下而極大地變化。
在一實施例中,設備具有至少一個第二AC電子機器,其具有用于使其由一源電力供電的電連接,該源向定子的端子施加電壓,第二電動機的 連接包括變壓器,設備還包括用于致動兩個不同目標系統的兩個機械連接,每個機械連接都通過兩個電動機中的相應一個來致動。
在還有另一實施例中,設備具有至少一個第二AC電子機器,其具有用于使其由一源電力供電的電連接,該源向定子的端子施加電壓,設備還包括兩個機械連接,每個機械連接都由兩個電動機中的相應一個來致動,設備還包括用于同步這兩個機械連接的同步鏈接。
在還有另一實施例中,致動器或發電機設備還包括用于將電能傳遞至轉子的端子的第二變壓器。這能夠改變到機器的電力,例如,取決于它是否啟動或者它是否在穩態條件下旋轉。
設備還可能包括用于修改主變壓器和次級變壓器之間的電壓或電流比的配置單元。
本發明被應用于具有可變間距葉片的推進引擎,并且包括上述的致動器設備,該致動器設備被設置以致動引擎的至少一個葉片,其中變壓器是將電力從在引擎工作時不在旋轉的電子機器區域傳遞至正在旋轉的區域的旋轉變壓器。在電子機器的發電機操作中,旋轉變壓器或用于將電力從旋轉區域傳遞至非旋轉區域、或用于控制電能作為電子機器中熱能的耗散。引擎可以是具有無涵道槳扇的噴氣式發動機。
本發明還提供了包括上述致動器或發電機設備的機載電網。
附圖簡述
以下參照通過圖示給出的附圖描述了本發明。
圖1示出按照現有技術供電和控制的電動機。
圖2示出按照現有技術、應用于圖1電動機的矢量控制的示例。
圖3示出圖2矢量控制對圖1電動機的轉子的效應。
圖4示出按照本發明供電和控制的電動機。
圖5示出本發明一實施例。
圖6示出按照本發明、應用于圖4電動機的矢量控制的示例。
圖7示出圖6矢量控制對圖4或圖5的電動機的轉子的效應。
圖8示出本發明的變化實施例。
圖9示出本發明的另一變化實施例。
圖10和11示出本發明的兩個其他實施例。
本發明的詳細描述
圖1示出現有技術致動器設備,更一般而言是能量轉換器設備,該設備包括具有電連接20的AC電動機30,電連接20用于施加和取得來自源10的AC電力并將其施加至設備的定子。電連接20包括至少兩個導體電纜,電纜數量是所使用的AC電力的類型的函數,所使用的AC電力的類型可以特別是是單相、三相或六相。對于三相電力,定子可以用星形連接或三角形連接連至電連接。電動機具有機械連接40,機械連接40連至電動機的轉子用于致動目標系統50。
源10一般包括控制器轉換器,其在電連接20之前的最后一個組件用于控制在控制電子設備所定義的頻率下的電壓或電流。
除了導體電纜以外,電連接20還可具有與滑環或摩擦環耦合的一組刷型旋轉拾取器。
電動機30可以是異步的、同步的、直流的(DC)或壓電的電動機。對于異步的機器,電動機可以使用恒定的V/f比(電壓除以頻率)下的標量控制來控制,或者在頻率低時,用恒定的E/f比(電動勢(emf)除以頻率)來控制。
對于異步的機器,圖2示出在現有技術中在電動機的轉子被鎖定時由源10施加于電動機30的矢量控制的示例。圖2a的圖表示出所施加的電壓的頻率,圖2b的圖表示出所施加的電壓的分量,圖2c的圖表示出這兩個值的比率。所示的順序具有三個連續階段:首先是對于50伏的一個電壓分量開始而在10V(另一分量為零)穩定的DC通量階段;其次是較高電壓下的階段,其分量為35V,對于接近1的V/f比以2.7赫茲(Hz)交替(忽略乘法因子);最后是較低電壓和頻率下的階段,其V/f比為8。
圖3示出轉子上的這一控制的效應。圖3a的圖表示出轉子受到的通量 分量,圖3b的圖表示出轉子中始發的扭矩。圖3c的圖表是圖3b的圖表的一部分的放大。
在通量階段的應用期間,電動機30的轉子受到具有一幅度的定向通量,該幅度自0韋伯(Wb)開始并且快速變為在1.1Wb處確立(對于分量之一,另一分量為零)。此后,通量保持恒定,直到第三階段結束。扭矩在第一階段期間為零,在第二階段期間上升至37牛頓米(Nm),并且在第三階段期間為弱,處于1Nm至2Nm。圖3c的圖表示出扭矩自第二階段開始起0.1秒(s)內確立。
在圖2c中可見,在將V/f維持在具有恒定數量級的值的同時產生低扭矩是困難的。
圖4示出本發明的致動器設備,更一般而言是能量轉換器設備。它包括與圖1所示類似的元件,參考符號遞增100。因此,設備包括具有電連接的AC電動機130,該電連接用于將AC電力施加至電動機定子的端子,該電力由源110傳遞。電連接具有由至少兩個導體電纜組成的區段120以及類似由多個并行電纜組成的區段124,導體電纜的數量取決于所使用的AC電力的類型,并行電纜的數量是所使用的電子機器的類型的函數。這兩個區段通過隔離變壓器122連接在一起,區段120連至主變壓器122,區段124連至次級變壓器122。主變壓器和次級變壓器122彼此電隔離。對于三相電源,定子以星形連接或三角形連接連至區段124。電動機具有機械連接140,機械連接140連至電動機的轉子用于致動目標系統150。
如上所述,源110一般、但不總是包括具有在電連接120之前的最后元件的控制器轉換器,該最后元件由以控制電子設備所定義的頻率產生AC電壓的轉換器構成。電連接120的導體電纜連接至在二極管、晶體管和無源濾波器之間的轉換器的輸出節點,這些元件在被致動時產生AC電壓。
除了導體電纜以外,區段120和124可以包括耦合至摩擦環或滑環以獲取測量信號的具有包括刷型在內的類型的一組旋轉拾取器。重要的是,在變壓器和電動機130之間,即在區段124中,沒有供電電子設備。電壓及其頻率的波形在此區段中一直保持不變,不像其幅度可能變化(變壓器 的變壓率、電壓降、等等)。
圖5示出本發明一實施例,例如適用于無涵道槳扇的結構。電動機230包括定子231和轉子232,定子231和轉子232通過可能包括一組或多組齒輪的一個或多個鏈接140起作用以致動單個目標系統250,在該例中,目標系統250為動態地改變風扇葉片的間距的系統。定子231在參考系B中是靜止的,參考系B相對于飛機主體或引擎的機艙205而旋轉,飛機主體或發動機的機艙205構成靜止的參考系A,例如,參考系B連至引擎的旋轉軸200。目標系統250構成經由旋轉鏈接260相對于參考系B(或旋轉軸)旋轉運動的參考系C。
電動機230可以是異步機器,電動機230由并行電纜224進行AC供電,并行電纜224直接連至旋轉變壓器222的次級變壓器222a,旋轉變壓器222的主變壓器222b在參考系A中靜止,例如,靜止安裝于引擎的機艙205上。
在圖4和5的實施例中,在構成改進的變化實施例中,變壓器122或222可以被設有具有厚度相對于其臂而言尺寸過大的外部環,用于避免在以低速度或零速度施加命令的情況下鐵磁材料的飽和。對于常規設計而言,旋轉變壓器中的氣隙面積通常自一開始增加,以便限制磁化電流。
這尤其為了控制電動機130或230的目的而完成,但不僅為了該目的而完成,電動機130或230為異步機器。
因此,通過將變壓器122或222的重量增加少至約10%,由于環的這種過大尺寸,變壓器可以接受比在高頻率下控制電動機所需的比率大三倍的比率V/f,并且可以在不使其內核在以低速度施加命令時變得飽和的情況下來這樣做。無需增加變壓器的臂的重量。
圖6示出施加于異步電動機的矢量控制,該異步電動機以圖4和5所示方式供電并且基于與該配置兼容的控制策略,借此通量至少部分作為扭矩設定點的函數被伺服控制。
圖6a的圖表示出所施加的電壓的頻率,圖6b的圖表示出所施加的電壓的分量,圖6c的圖表示出這兩個值之間的比率。所示的順序具有三個連 續階段:首先是處于零電壓的階段;然后是具有快速上升至35伏的分量以及開始于高值并且快速穩定于10伏的分量的所施加的電壓的階段,對于接近0.7的比率V/f以約2.7赫茲(Hz)交替(忽略乘法因子);接著最后是較低電壓和頻率下的階段,其比率V/f接近0.4。
圖7示出該命令對轉子的效應。圖7a的圖表示出轉子所受到的通量分量,圖7b示出轉子中產生的扭矩。圖7c的圖表構成圖7b的圖表的一部分的放大。
盡管施加該命令,但電動機130的轉子在第一階段期間受到零通量,通量然后在第二階段期間快速上升至大于1Wb(對于分量之一,另一分量為零),并且快速降低至0.4Wb,此后通量保持恒定直到第三階段結束(另一分量保持為零)。扭矩在第一階段期間為零,在第二階段期間高達約37Nm,并且在第三階段期間低至約1Nm或2Nm。圖7c的圖表示出該扭矩自第二階段開始起0.1秒處確立,僅比圖3所示的控制的相應階段慢一點點。
圖6b示出根據所提出的策略,可能控制低扭矩而同時保持具有一數量級的比率V/f,該數量級小于或等于與電子機器的標稱操作相對應的比率V/f。
圖8示出包括兩個異步電動機330a和330b、兩個目標系統350a和350b以及變壓器322(例如,旋轉變壓器)的第二實施例。在該實施例中,兩個電動機直接用相同的電壓和相同的頻率來供電,并且事先保證在穩態條件之前的瞬態條件期間、考慮到相應電動機的特征、來自目標系統的相反扭矩總是小于最大可能的扭矩。鏈接340a和340b存在于電動機的轉子以及相應的目標系統之間。具有分支連接的電纜對電動機330a的定子以及電動機330b的定子兩者供電,但是在變壓器322和電動機330a的定子之間沒有供電電子設備,在變壓器322和電動機330b的定子之間也沒有供電電子設備。
圖9示出圖8實施例的變化實施例,其中相應的元件被賦予再加100的參考標號,且其中兩個電動機440a和440b僅致動一個目標系統或者多個同步的目標系統450。同步鏈接442首先存在于輸出鏈接441a和441b 之間,每個輸出鏈接對應于電動機之一的轉子,其次同步鏈接443致動目標系統450。同步鏈接可以與電動機的出口、與步降傳動裝置或者與目標系統相關聯。
圖10示出包括在電動機模式或發電機模式中工作的同步電子機器530的本發明一實施例,同步電機530具有定尺寸的阻尼條或者定尺寸的阻尼線圈的啟動器激勵繞組531,以使異步啟動變得可能(也稱為感應啟動)。這使得即使同步電動機530不在旋轉也能獲得與啟動器激勵繞組相連的目標系統550中的扭矩。
同步機器530的電樞532設置于參考系B中,同步電機530的啟動器激勵繞組531設置于參考系C中。在目標系統550和啟動器激勵繞組531之間存在鏈接和/或步降傳動裝置。
啟動命令由AC源510通過旋轉變壓器522發送至機器530的電樞532。這在參考系A和B之間構成接口,源510處在參考系A中。
一旦電子機器530和目標系統550旋轉,則由AC源511供電的第二旋轉變壓器523就用于用DC對啟動器激勵繞組531供電(經由存在于變壓器523和啟動器激勵繞組531之間的連接上的無源旋轉整流器528)并隨后允許其改變為同步工作模式。
用于對電樞532供電的旋轉變壓器522自身由AC源510供電,并且具有比用于對啟動器激勵繞組531供電的旋轉變壓器523要高的電力,啟動器激勵繞組531本身由AC源511供電。
若必要,則可能增加在對電動機進行伺服控制時沒有任何作用的開關527(接觸器、中繼器、斷流器、絕緣開關等等),該開關被設置在變壓器522和電樞532之間。如上所述,伺服控制僅發生在電源的參考系A中。
具有用于啟動器激勵繞組的第二變壓器的該實施例也應用于上述的其他實施例。
在所述的全部實施例中,體系結構就電力而言是可逆的,換言之,在參考系A中可能恢復在參考系B中產生的電能。與電動機類型相對的這一發電機類型的工作模式也使得制動目標系統(250、或350a、350b、450或 550,視情況而定)成為可能。
在某種程度上獲得該制動功能的另一種方式可以是將機械能作為電子機器的轉子中的熱能進行耗散(若其是異步類型),或者在同步機器具有阻尼條時作為阻尼條中的熱能進行耗散。
圖11示出在機載電網中使用本發明的伺服控制原理的示例。
第一種可能性是使用通過DC/AC電力轉換器1020起作用的DC電壓源1010來對變壓器1030的主變壓器供電,在次級電壓器中產生AC電壓用于用異步啟動來對電子機器1040進行伺服控制。
以可逆方式,電子機器1040可以成為發電機,從而對DC電壓源1010供電。
該配置的優點在于能使用變壓器1030來通過使用配置單元1031來修改電壓比(n3/n1)或電流比(n1/n3),從而避免使用升壓型或降壓型DC/AC轉換器,該升壓型或降壓型DC/AC轉換器會具有可能又重又大并且不是很可靠的無源元件。
而且,如果電子機器1040具有啟動器發電機類型,則為了使其能作為電網的發電機工作,其中點(neutral)在常規上連至機載電網的接地端以便使其安全。
在啟動時,在電子機器的端子處直接使用啟動器轉換器使其有必要將DC源的中點或電子機器的中點與電網的接地端隔離。若沒有電隔離,則電流會經由電網的接地端出現在兩個中點之間。
對于本發明,電隔離由變壓器1030提供。
附加實施例可以包括使用發電機作為AC源1015。于是,使用AC/AC電力轉換器來取代DC/AC轉換器1020。為了優化AC/AC轉換器,AC/AC轉換器可由簡單的AC/DC轉換器(例如,無源整流器)連同被適當定尺寸的上述DC/AC轉換器(例如,具有H橋或半橋的三相反相器)組成以便確保兼容性。
如果變壓器的第一變壓比率不合適,則可能在變壓器的同一磁性電路上使用另一初級電路,或者甚至串聯地關聯第二電路以便獲得適當的變壓 比n3/n2或n3/(n2+n1)。如上所述,電隔離可能避免必須要將中點和接地端隔開。
配置單元1050也互換各個電子機器1040和1041或者僅僅隔離電子機器1040以使其能作為發電機工作并且對電網供電成為可能。
對于包括靜止變壓器的這一組配置獲得以下優點:電子機器與電壓源電隔離,并且可能修改變壓比率,變壓比率可用于適配電壓。
以上描述了各個實施例,使得或者可能經由變壓器對一個或多個電動機進行伺服控制和整流、或者可能經由變壓器對一個或多個電動機進行制動而無須控制。在變壓器和電動機之間沒有有源的致動器。在旋轉區域中不需要有任何供電電子設備或控制電子設備。規定變壓器的類型(單相、三相、等等)可以是所使用的電動機的類型(單相、三相、等等)以及用于啟動電動機的設備(若有)的類型的函數。如上所述,取決于環境,電子機器可以在發電機模式中工作。可能有多個串聯的變壓器以便在源和能量用戶之間傳遞能量。也可以有多個旋轉電子機器(兩個或更多個),該多個旋轉電子機器經由該變壓器或多個變壓器由一能量用戶供電或者對能量用戶供電。
本發明不限于所述的實施例,但擴展到在權利要求范圍內的任何變化實施例。

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