CN119678360A - 由电动机和用于控制电动机的装置组成的组件以及用于控制这种组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由用于推进飞行器的电动机(2)以及控制装置(5)组成的组件(1)，电动机(2)包括定子(21)和转子(22)以及至少一个冷却通道(CR)，冷却通道(CR)被构造成供给有热传导流体(F)，控制装置(5)被构造成发出控制指令(O1)以便控制转子(22)的旋转，控制装置(5)还被构造成发出被配置为在定子(21)中生成加热电流的加热指令以便加热热传导流体(F)，该加热电流包括非零的直接分量和实质上为零的二次分量以便在加热期间限制转子(22)的旋转。

Description

由电动机和用于控制电动机的装置组成的组件以及用于控制 这种组件的方法

技术领域

本发明涉及在航空领域内使用的电力推进马达(电动机)的领域。本发明更特别地涉及对电力推进马达(电动机)的冷却。

背景技术

为了减少飞行器对环境的影响，已经提出使用电动机来推进飞行器。气候变化是世界各地许多立法和监管机构成员的主要关注点。各个国家已经、正在或将要采用对碳排放的各种限制。特别是，一个雄心勃勃的标准既适用于新型飞行器，也适用于已经在流通的飞行器，从而要求技术方案的实施方式符合现行法规。近几年来，民用航空一直致力于帮助应对气候变化。

技术研究工作已经导致飞行器的环境性能有了非常显著的改善。申请人在设计和开发的所有阶段都考虑了影响因素，以获得消耗更少能源、更环保且在民用航空中的集成和使用具有适度环境影响的航空元件和产品，以便提高飞行器的能源效率。

因此，申请人一直致力于通过使用尽可能地减少温室气体排放的良性的研发、制造方法和研发、制造工艺来减少其对气候的负面影响，以减少其业务的环境印记。

这项正在进行的研究和开发工作特别侧重于使用电动技术的新一代飞行器马达(电动机)。

众所周知，电动机包括转子，该转子被安装成能够相对于定子旋转。定子由功率模块、特别是DC/AC功率转换器供给电力。这种类型的电动机在运行期间容易发热，并且需要从电动机排出热量以允许可靠运行和长使用寿命。

以已知的方式，电动机包括冷却通道，热传导流体、特别是油在冷却通道中循环以便从电动机提取热量并确保电动机冷却。为了允许最优冷却，热传导流体的温度必须保持在例如高于10℃的预定温度范围内。如果热传导流体的温度太低，则热传导流体的粘度会不允许最优冷却。

在世界上某些寒冷地区中，外部温度可能达到-40℃，并且热传导流体的温度不在预定温度范围内。为了消除该缺点，在现有技术中已经提出在热传导流体储存器和电动机之间安装加热系统，以便在热传导流体被供给到电动机之前加热热传导流体。

这种类型的加热系统具有许多缺点，因为该加热系统增加了在电动机附近所需的总体尺寸并且减小了飞行器的重量。此外，加热系统的存在增加了冷却回路的长度，使得需要使用重量大且体积大的热传导流体驱动泵。

因此，本发明旨在消除这些缺点中的至少一些。

文献FR3080239A1涉及一种用于对用于电动车辆的旋转电机转子的位置传感器的测量误差进行估计和校正的装置和方法。该文献教导了如何预热电动车辆中的冷却回路。

US20070246302A1教导了一种用于预热飞行器的储油器中的油的系统。EP2531328A0教导了一种用于在寒冷环境下加热机器人的方法。

发明内容

本发明涉及一种由用于推进飞行器的电动机以及用于控制电动机的控制装置组成的组件，

电动机包括定子和转子，转子被安装成能够相对于定子移动，电动机包括至少一个冷却回路，冷却回路被构造成供给有热传导流体，热传导流体被构造成从电动机的至少定子收集热量，

控制装置被构造成发出被配置为在电动机的定子中产生控制电流的控制指令以便控制转子的旋转。

控制装置的不同寻常之处在于控制装置被构造成发出被配置为在电动机的定子中产生加热电流的加热指令以便加热热传导流体，加热电流包括非零的直接分量和实质上为零的二次分量以便在加热期间限制转子的旋转。

实质上为零是指在控制转子的旋转的指令期间内小于名义二次分量的5％的值。优选地，由于电动机具有预定的内摩擦扭矩，所以二次分量小于内摩擦扭矩以防止任何旋转。

有利地，由于本发明，电动机仅被供给有直流电流，以便产生热损失而不产生取决于二次电流的扭矩。这些热损失被传递到热传导流体，热传导流体可以被带入到当前温度，在该温度下热传导流体的粘度对于冷却电动机是最优的。由于本发明，不需要提供会增加重量和整体尺寸的附加加热装置。以迂回方式控制电动机以在不提供扭矩的情况下执行加热器功能。

优选地，定子至少部分地延伸到冷却通道中。这允许热传导流体直接收集由定子产生的热量，从而提高热传导流体的温度。在名义操作期间，热传导流体还可以最优地冷却定子。

优选地，热传导流体是油或乙二醇化水。本发明特别有利于这些粘度取决于温度的流体。

根据本发明的一个方面，至少一个动力装置被构造成根据控制指令从电源向至少定子供给控制电流，热传导流体被构造成从动力装置收集热量。有利地，在再加热期间，热量一方面由电动机供给，另一方面由动力装置供给。

优选地，组件包括至少一个温度传感器，温度传感器被构造成测量热传导流体的当前温度，控制装置被构造成发出取决于当前温度的加热指令。以这种方式，将加热指令以及进而加热电流设定为取决于当前温度，以便通过调节获得期望的温度。这样，可以在给定时间内实现最优热传导流体温度。

本发明还涉及一种包括如上文所提出的组件的飞行器。

本发明还涉及一种用于控制如上所述的组件的方法，电动机的冷却通道供给有热传导流体，热传导流体具有当前温度，转子处于静止状态，该方法包括以下步骤：

发出在电动机的定子中生成加热电流的加热指令以便加热热传导流体，加热电流包括非零的直接分量和实质上为零的二次分量以便在加热期间限制转子的旋转。

例如，可以在热传导流体投入使用并且转子旋转之前使用电动机来加热热传导流体。

优选地，冷却回路包括热传导流体驱动泵，该热传导流体驱动泵在加热期间被启动以便按照热传导流体的流率从定子收集热量。

优选地，该方法包括以下步骤：

测量热传导流体的当前温度，

如果热传导流体的当前温度低于预定阈值温度，则发出在电动机的定子中生成加热电流的加热指令以便加热热传导流体，加热电流包括非零的直接分量和实质上为零的二次分量以便在加热期间限制转子的旋转。

优选地，该方法包括以下步骤：

如果热传导流体的当前温度高于或等于预定阈值温度，则发出被配置为在电动机的定子中生成控制电流的控制指令以便控制转子的旋转。

有利地，如果热传导流体具有适于冷却的当前温度，则可以直接启动电动机。

优选地，阈值温度介于5℃和15℃之间，优选约为10℃。

优选地，确定加热指令以便按照至少1℃/秒的速度提高热传导流体的当前温度。

附图说明

通过阅读以举例方式给出的以下描述，参考以非限制性实例的方式给出的附图，能够更好地理解本发明，其中将相同的附图标记给与相似的对象。

图1是根据本发明的一个实施例的一种由电动机以及用于控制电动机的控制装置组成的组件的示意图。

图2是接收控制指令的电动机的示意图。

图3是接收加热指令的电动机的示意图。

图4是根据本发明的另一实施例的一种由电动机以及用于控制电动机的控制装置组成的组件的示意图。

图5是用于实施根据本发明的控制方法的步骤的示意图。

应当注意，附图详细阐述了本发明以便实施本发明，如果需要，附图当然能够用于更好地限定本发明。

具体实施方式

参考图1，示出了根据本发明的组件1，组件1包括允许参与推进飞行器的电动机2。

以公知的方式，如图1所示，电动机2包括定子21和转子22，转子22安装成能够相对于定子21移动。在该实例中，定子21包括多个绕组，当向绕组供给电力时，这些绕组允许产生旋转磁场。绕组可以是同心的或分布式的。优选地，电动机2包括多个凹口，绕组安装在凹口中。

转子22被构造成与定子21磁性地相互作用以驱动定子21旋转。在该实例中，转子22容纳在定子21内部，但不言而喻，相反的情况也是可行的。本发明适用于任何类型的电动机2、特别是永磁同步电机或具有卷绕转子的电机。如图1所示，转子22固定到例如风扇或螺旋桨等一个或多个推进构件。

在该实例中，仍参考图1，定子21、特别是定子21的绕组由电能量源30经由动力装置3供给电力。优选地，电动机2为三相型。优选地，电动机2还被构造成作为发电机操作，以便产生电能以对电能量源30进行再充电。在该实例中，电能量源30是例如电池或燃料电池等DC电源。

还被称为功率电子器件的动力装置3用于控制在转子22中循环的电流以便获得转子22的期望的转速和/或扭矩。动力装置3允许提供DC/AC转换以向定子21供给电力。动力装置3优选包括逆变器，该逆变器包括多个可控开关以便控制在定子21中循环的电流。这样的动力装置3是本领域技术人员已知的，不再详细描述。

仍参考图1，组件1包括控制装置5，控制装置5被构造成向动力装置3发出控制指令O1，以便在电动机2的定子21中生成控制电流I1来控制转子22的旋转。在本实例中，控制装置5经由动力装置3间接地控制电动机2，但不言而喻，在没有动力装置3的情况下，控制装置5也可以直接控制电动机2。控制装置5采用计算机的形式，该计算机被构造成发出控制指令O1并且进而确定定子21中的控制电流I1。

以已知的方式，控制电流I1可以被分解成用于三相电动机2的三个基本电流。根据帕克变换，控制电流I1也可以被分解成直接分量I1d和二次分量I1q。众所周知，直接分量I1d表示热损失，而二次分量I1q表示施加的扭矩。当电压不足时，直接分量I1d也用于速度加速模式。

为了控制电动机2的转子22的扭矩，控制电流I1包括非零的二次分量I1q(名义二次分量I1q)。因此，根据来自飞行器的驾驶员的指令，控制装置5调整控制电流I1的值以获得电动机2的转子22的期望扭矩。因此，直接分量I1d被尽可能地减小以促进扭矩。

电动机2和动力装置3在工作时产生热量。此外，如图1所示，设置冷却回路CR(虚线)以通过使例如油或乙二醇化水/乙二醇水溶液(glycolate water)等热传导流体F循环来从电动机2和动力装置3收集热量。在该实例中，冷却回路CR包括储存有热传导流体F的储存器6以及构造成使热传导流体F在冷却回路CR中循环的泵7。冷却回路CR包括至少一个热交换器8，热交换器8被构造成与例如环境空气流等外部流体Fext交换热传导流体F的热量。在飞行器飞行期间，热交换对于冷却热传导流体F是重要的。

优选地，冷却回路CR包括用于测量热传导流体F的温度的温度传感器9。温度传感器9优选靠近储存器6定位，但不言而喻，温度传感器9可以定位在冷却回路CR中的其他位置。

在电动机2的操作期间，热传导流体F在冷却回路CR中以闭环方式循环，以便先从动力装置3、再从电动机2收集热量，然后在热交换器8中耗散热量。

参照图1，热传导流体F在冷却回路CR中从上游向下游循环。在该实例中，动力装置3定位在电动机2的上游，但动力装置3当然可以定位在下游。同样，也可以向电动机2和动力装置3并行地供给热传导流体F。

根据本发明，参考图2，电动机2包括至少一个冷却通道23，冷却通道23被构造成供给有冷却回路CR的热传导流体F。类似地，动力装置3包括至少一个冷却通道33，冷却通道33被构造成供给有来自冷却回路CR的热传导流体F。

在该实施例中，定子21至少部分地延伸到电动机2的冷却通道23中。这允许收集由定子21在电力供给期间产生的热量。优选地，定子21和转子22浸没在热传导流体F中以允许最优冷却。特别地，定子21的绕组浸没在热传导流体F中。优选地，电动机2的凹口浸没在热传导流体F中。

类似地，动力装置3包括延伸到动力装置3的冷却通道33中的多个部件。由此，如后所示，能够回收向定子21供给电力时由电力装置3产生的热量。优选地，一个或多个部件包括翅片、特别是多个管状翅片以改善与在动力装置3的冷却通道33中循环的热传导流体F的热交换。

根据本发明，电动机2被构造成在电动机2的操作启动之前、即在转子22旋转之前加热热传导流体F。

根据本发明，参考图3，控制装置5被构造成发出被配置为在电动机2的定子21中产生加热电流I2的加热指令O2以便加热位于电动机2的冷却通道23中的热传导流体F。加热电流I2包括非零的直接分量I2d和实质上为零的二次分量I2q以便在加热期间限制转子22的旋转。

实质上为零是指二次分量I2q不足以使转子22旋转以产生推进力。优选地，由于电动机2具有预定的内摩擦扭矩，因此二次分量I2q小于内摩擦扭矩以防止任何旋转。根据优选方面，二次分量I2q小于在控制电动机2时确定的名义二次分量I1q的5％。

因此，加热指令O2确定加热电流I2，加热电流I2通过电动机2的定子21中的焦耳效应产生绝大部分热损失，而不会使转子22旋转并产生扭矩。这是非常有利的，因为允许热传导流体F在操作启动之前被加热。直接分量I2d允许产生电损耗，因此允许产生焦耳效应热能。因此，本发明旨在实现在运行服务之前使热损失最大化并使扭矩最小化的加热，以代替在电动机2处于运行服务中时使热损失最小化并使扭矩最大化。

在图1所示的实例中，动力装置3允许向包括单个定子星形的定子21供给电力以便驱动转子22旋转。然而，如图4所示，本发明也适用于包括第一电源模块31和第二电源模块32的动力装置3，第一电源模块31和第二电源模块32是独立的并且优选是隔离的以便增加冗余性和可靠性。当定子21包括可以独立供给电力的多个定子星形21a、21b时，这样的电源模块31、32是有利的。如图4所示，冷却回路CR允许并行地冷却两个电源模块31、32。

现在，参考图5，提出根据本发明的控制方法的实施方式的实例。

在该实例中，飞行器被存放在例如-40℃下寒冷地区的机场的地面上，并且必须执行飞行(操作服务)。由于外部温度，热传导流体F的当前温度Tf低于预定阈值温度Ts。阈值温度Ts优选介于5℃和15℃之间，并优选约为10℃。

由于根据本发明的控制方法，热传导流体F的当前温度Tf会升高以达到阈值温度Ts，并且因此允许在电动机2运行时、即在电动机2的转子22旋转时最优地收集热量。如上所述，如果热传导流体F的当前温度Tf太低，则热传导流体的粘度会不允许最优冷却。

参照图5，启动泵7以使热传导流体F在冷却回路CR中循环。在初始状态下，不对电动机2进行控制，并且动力装置3不会向定子21供给电流。

该方法包括步骤E1，即测量、特别是借助于温度传感器9测量热传导流体F的当前温度Tf。

如果热传导流体F的当前温度Tf低于阈值温度Ts，则该方法包括步骤E2，即发出在电动机2的定子21中产生加热电流I2的加热指令O2以便加热热传导流体F。实际上，如图3所示，温度传感器9将热传导流体F的当前温度Tf提供给控制装置5，控制装置5发出加热指令O2。该加热指令O2调整动力装置3的开关的位置，以便生成包括非零的直接分量I2d和实质上零的二次分量I2q的加热电流I2，以便在加热期间限制转子22的旋转。二次分量I2q很小使得旋翼22的旋转为零或几乎为零，这避免了在飞行器处于加热阶段时产生推力。

加热电流I2的直接(非零)分量I2d产生定子21的焦耳效应加热，定子21将其热量传递到位于冷却通道23中的与定子21的绕组接触的热传导流体F。在该实例中，直接分量I2d具有大于200A峰值、优选300A峰值的恒定振幅。优选约为10Hz的低频率。这允许产生16千瓦的热损失。因此，大部分电流转化为热损失。

当泵7启动时，热传导流体F在与定子21接触的冷却回路CR中逐渐升温。由于飞行器在地面上，热交换器8具有非常低的外部流体流率Fext。因此，热交换器8仅略微降低热传导流体F的当前温度Tf，特别是小于电动机2提高其当前温度Tf的程度。

与将热传导流体F用于耗散热量的常规操作不同，将热传导流体F用于收集热量并升高其温度。

优选地，该方法包括步骤E3，步骤E3由监测热传导流体F的当前温度Tf以及使加热电流I2的直接分量I2d适应组成以便获得期望的温升。优选地，确定加热指令O2以便按照至少1℃/秒的速度提高热传导流体F的当前温度Tf。这允许快速加热并避免飞行器飞行延误。在该实例中，当前温度Tf在30秒内升高30℃。

仍参考图5，当热传导流体F的当前温度Tf高于或等于阈值温度Ts、例如10℃时。该方法包括发出E4被配置为在电动机2的定子21中产生控制电流I1的控制指令O1以便控制转子22的旋转的步骤(图2)。优选地，控制装置5发出确定具有非零二次分量Iql的控制电流I1的控制指令O1以便允许转子22旋转。

由于本发明，热传导流体F的当前温度Tf逐渐升高以便达到阈值温度Ts。在该阈值温度Ts处，热传导流体F具有用于耗散热量的最优特性、特别是在粘度方面。然后，可以将转子22设定为旋转，并且热传导流体F允许收集在电动机2和动力装置3中由旋转引起的热量。然后，可以发出控制指令O1使得飞行器可以执行其飞行任务。

有利地，如果在启动电动机2之前热传导流体T的当前温度Tf高于或等于阈值温度Ts，则控制装置5不发出加热指令O2并且可以直接启动电动机2。

由于本发明，可以安全且可靠地启动电动机2，而无需添加会增加飞行器重量和总体尺寸的附加设备。有利地，控制装置5允许提供能够使电动机2像电加热器一样操作而不会产生扭矩的加热指令O2。

Claims (9)

1.一种由用于推进飞行器的电动机(2)以及用于控制所述电动机(2)的控制装置(5)组成的组件(1)，

所述电动机(2)包括定子(21)和转子(22)，所述转子(22)被安装成能够相对于所述定子(21)移动，所述电动机(2)包括至少一个冷却回路(CR)，所述冷却回路(CR)被构造成供给有热传导流体(F)，所述热传导流体(F)被构造成从所述电动机(2)的至少所述定子(21)收集热量，

所述控制装置(5)被构造成发出被配置为在所述电动机(2)的所述定子(21)中生成控制电流(I1)的控制指令(O1)以便控制所述转子(22)的旋转，

其特征在于所述控制装置(5)被构造成：

测量所述热传导流体(F)的当前温度(Tf)，

如果所述热传导流体(F)的所述当前温度(Tf)低于5℃和15℃之间的预定阈值温度(Ts)，则发出被配置为在所述电动机(2)的所述定子(21)中生成加热电流(I2)的加热指令(O2)以便加热所述热传导流体(F)，所述加热电流(I2)包括非零的直接分量(I2d)和实质上为零的二次分量(I2q)以便在加热期间限制所述转子(22)的旋转，

如果所述热传导流体(F)的所述当前温度(Tf)高于或等于所述预定阈值温度(Ts)，则发出(E3)被配置为在所述电动机(2)的所述定子(21)中生成控制电流(I1)的控制指令(O1)以便控制所述转子(22)的旋转。

2.根据权利要求1所述的组件(1)，其中所述定子(21)至少部分地延伸到所述冷却通道(23)中。

3.根据权利要求1至2中的一项所述的组件(1)，其中所述热传导流体(F)是油或乙二醇化水。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的组件(1)，包括至少动力装置(3)，所述动力装置(3)被构造成根据所述控制指令(O1)从电源(30)向至少所述定子(21)供给所述控制电流(I1)，所述热传导流体(F)被构造成从所述动力装置(3)收集热量。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的组件(1)，包括至少一个温度传感器(9)，所述温度传感器(9)被构造成测量所述热传导流体(F)的当前温度(Tf)，所述控制装置(5)被构造成发出取决于所述当前温度(Tf)的加热指令(O2)。

6.一种飞行器，包括根据权利要求1至5中的一项所述的组件(1)。

7.一种用于控制根据权利要求1至5中的一项所述的组件(1)的方法，所述电动机(2)的所述冷却通道(23)供给有所述热传导流体(F)，所述热传导流体(F)具有当前温度(Tf)，所述转子(22)处于静止状态，所述方法包括以下步骤：

测量(E1)所述热传导流体(F)的所述当前温度(Tf)，

如果所述热传导流体(F)的所述当前温度(Tf)低于5℃和15℃之间的预定阈值温度(Ts)，则发出(E2)在所述电动机(2)的所述定子(21)中生成加热电流(I2)的加热指令(O2)以便加热所述热传导流体(F)，所述加热电流(I2)包括非零的直接分量(I2d)和实质上为零的二次分量(I2q)以便在加热期间限制所述转子(22)的旋转，

如果所述热传导流体(F)的所述当前温度(Tf)高于或等于所述预定阈值温度(Ts)，则发出(E3)被配置为在所述电动机(2)的所述定子(21)中生成控制电流(I1)的控制指令(O1)以便控制所述转子(22)的旋转。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述阈值温度(Ts)约为10℃。

9.根据权利要求7至8中的一项所述的方法，其中确定所述加热指令(O2)以便按照至少1℃/秒的速度提高所述热传导流体(F)的所述当前温度(Tf)。