СИСТЕМА И СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ТОРМОЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК H02P3/14 B60L7/10 B60L7/14 B60W20/14 

[0001] Настоящее изобретение в целом относятся к электрическим двигателям, а в частности к системе рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя и способу рекуперации энергии торможения.

[0002] Традиционные приводы электрических двигателей, например, приводы бесщеточных двигателей с постоянными магнитами, приводятся в действие посредством шины питания, подаваемого при относительно постоянном уровне напряжения. Как показано на фиг. 1, традиционная цепь 10 управления приводом электрического двигателя содержит регулятор 12 напряжения, конденсатор 14 звена постоянного тока, регулятор 16 двигателя, датчик 20 и электрический двигатель 22 с постоянными магнитами. Как известно из уровня техники, двигатель 22 содержит ротор и статор. Кроме того, двигатель 22 имеет любую из однофазной, двухфазной, 3-фазной или другой конфигурации, в которой количество фаз соответствует статору двигателя, имеющему такое же количество обмоток.

[0002a] В US 4,761,600 описана система управления динамическим торможением для двигателя с переменным током, питаемого от регулируемого напряжения, инвертер переменной частоты, который регулирует скорость двигателя.

[0003] Как показано на фиг. 1, регулятор 12 напряжения регулирует входное напряжение, V_{ОСНОВНОЕ}, с получением отрегулированного фиксированного выходного напряжения, V_ЗВЕНА, которое в настоящем документе также называется фиксированным напряжением звена постоянного тока. Фиксированное напряжение звена постоянного тока имеет постоянный уровень напряжения, V_ЗВЕНА, и хранится в конденсаторе 14 звена постоянного тока. После последовательности запуска во время работы цепи 10 управления приводом электрического двигателя, регулятор 12 напряжения работает так, чтобы поддерживать на фиксированном уровне напряжения звена постоянного тока в конденсаторе 14 звена постоянного тока.

[0004] В ответ на независимые входные сигналы управления двигателем (например, входные сигналы управления циклической нагрузкой) УСКОРЕНИЕ/ЗАМЕДЛЕНИЕ, регулятор 16 двигателя работает так, чтобы вызвать ускорение или замедление двигателя 22. Для ускорения двигателя 22, входные сигналы управления УСКОРЕНИЕ/ЗАМЕДЛЕНИЕ обеспечивают выдачу управляющего сигнала по сигнальной линии 26 на регулятор 16 двигателя. Регулятор 16 двигателя соединен между конденсатором 14 звена постоянного тока на входе регулятора и двигателем 22 на выходе регулятора. Регулятор 16 двигателя выдает отрегулированный ток двигателя, I_{ДВИГАТЕЛЯ}, на двигатель 22. В частности, отрегулированный ток двигателя подается на внутренние обмотки двигателя (не показаны) для обеспечения ускорения или замедления двигателя 22 в зависимости от полярности отрегулированного тока двигателя.

[0005] Цепь 10 управления приводом электрического двигателя дополнительно содержит датчик 20, выполненный с возможностью обнаружения характеристики двигателя 22 во время работы двигателя 22 и с возможностью выдачи сигналов датчика по сигнальной линии 28. Например, двигатель 22 может содержать бесщеточный двигатель, а регулятор 16 двигателя может содержать регулятор тока и коммутационные переключатели. В данном примере датчик 20 может содержать датчики Холла, которые выдают сигналы, характеризующие обратную ЭДС и фазовый ток, т.е. для использования контроллером двигателя (не показан). Сигналы датчика Холла используются контроллером двигателя (не показан) для управления последовательностью коммутации коммутационных переключателей регулятора 16 двигателя при подаче энергии на обмотки двигателя, как известно из уровня техники. Еще в одном варианте реализации регулятор 16 двигателя может содержать коммутационные переключатели, которыми управляют таким образом, чтобы объединить функции регулятора двигателя и коммутационные функции.

[0006] Во время вращения двигателя 22 каждая обмотка статора двигателя вырабатывает напряжение, известное как обратная электродвижущая сила или обратная ЭДС (также называемая ОЭДС). Полярность обратной ЭДС зависит от направления вращения, которая может отличаться от полярности основного напряжения, подаваемого на обмотки статора. Прямая разница между напряжением, подаваемым на обмотку статора, и обратной ЭДС воздействует на импеданс обмотки для определения величины тока на обмотке и скорости ее изменения. Одним из факторов, влияющим на величину вырабатываемой обратной ЭДС, является угловая скорость или скорость ротора двигателя. По мере увеличения скорости увеличивается величина обратной ЭДС.

[0007] Как показано на фиг. 1, управление переключением регуляторов осуществляется непрерывно в отношении регулятора 12 напряжения и регулятора 16 двигателя во время работы двигателя, т.е. ускорения или замедления. При замедлении двигатель 22 продолжает вращаться в том же направлении, но с замедлением. Когда двигатель 22 замедляется, двигатель выступает в роли генератора. Для начала замедления регулятор 16 двигателя регулирует напряжение, подаваемое на обмотку статора, для получения значения, которое ниже обратной ЭДС. Отрицательная разница в импедансе обмотки вызывает обратный ток, который течет обратно от двигателя 22 в конденсатор 14 звена через регулятор 16 двигателя. Иными словами, величина обратной ЭДС повышается регулятором 16 для подачи тока обратно по цепи посредством отрицательного тока. Следует отметить, что замедление также может происходить тогда, когда заданный крутящий момент двигателя (и соответствующий ток) является положительным, но не достаточен для преодоления нагрузки механического крутящего момента на валу двигателя. В таком случае рекуперации мощности не происходит, поскольку ток все еще является положительным, то есть поступает в двигатель.

[0008] Как описано выше, регулятор 12 напряжения в цепи 10 управления приводом электрического двигателя регулирует входное напряжение, V_{ОСНОВНОЕ}, с получением отрегулированного фиксированного напряжения звена постоянного тока, V_ЗВЕНА. Напряжение звена постоянного тока, V_ЗВЕНА, регулируют так, чтобы оно было постоянным, т.е. по существу постоянным напряжением, энергия которого аккумулируется в конденсаторе 14 звена постоянного тока. Соответственно, регулятор 12 напряжения функционирует так, чтобы поддерживать постоянным напряжение звена постоянного тока. Однако поскольку регулятор 12 напряжения предназначен для поддержания постоянным напряжения звена постоянного тока и поскольку регулятор 12 напряжения выполнен с возможностью передачи мощности только в одном направлении, возникает проблема, заключающаяся в том, что регулятор 12 напряжения не способен уменьшать напряжение звена постоянного тока, если произойдет выброс напряжение звена повышается до более высокого уровня, чем регулируемый постоянный фиксированный уровень. Следует отметить, что для большинства источников питания для приводов двигателей типично, что регулятор 12 и связанный с ним источник входной мощности является однонаправленным преобразователем мощности. Иными словами, регулятор 12 может передавать электрическую мощность только в одном направлении. По этой причине, а также с целью минимизации размера используемых компонентов, необходимо минимизировать пиковые входящие токи регулятора 12, даже при значительных колебаниях потребной мощности для двигателя при изменении скорости двигателя. С целью обеспечения более плавного изменения потребной входной мощности требуется устройство хранения энергии, такое как конденсатор звена постоянного тока, выполненное с возможностью хранения и выдачи энергии, примерно эквивалентной той, что связана с разницей между кинетической энергией двигателя и нагрузкой при различных скоростях, возникающих при использовании привода двигателя. Это применимо к системам, в которых требуется, чтобы скорость двигателя изменялась в достаточной степени быстро для того, чтобы замедление (т.е. торможение) происходило достаточно быстро, а пассивное замедление за счет только нагрузки является недостаточным, и поэтому в этом случае требуется дополнительный отрицательный крутящий момент, подаваемый цепями привода двигателя.

[0009] На фиг. 2, показан графический вид 30 смоделированного напряжения звена, отрегулированного до фиксированного значения, также показана скорость двигателя, а также выходной ток усиления сигнала в функции от времени, для цепи 10 управления приводом электрического двигателя по фиг. 1. Напряжение звена постоянного тока, V_ЗВЕНА, в функции от времени обозначено ссылочной позицией 32, при этом амплитуда напряжения звена (в вольтах (В)) изображена на вертикальной шкале в верхней правой части фигуры. Скорость двигателя в функции от времени обозначена ссылочной позицией 34, при этом амплитуда скорости двигателя (в тысячах оборотов в минуту (тыс. Об/мин)) изображена на вертикальной шкале в центральной левой части фигуры. Выходной ток усиления сигнала (т.е. ток, выдаваемый посредством регулятора 12 напряжения), в функции от времени обозначен ссылочной позицией 36, при этом сила тока (в амперах (А)) изображена на вертикальной шкале в нижней правой части фигуры. Наконец, время (в секундах (с)) представлено по горизонтальной оси в нижней части фигуры. На графике изображена смоделированная работа двигателя после последовательности действий, выполняемых при его пуске между интервалом времени, находящимся непосредственно перед 1,4 с, и непосредственно после 2,4 с.

[0010] Как изображено, напряжение звена отрегулировано до фиксированного напряжения и, в частности, до 46 В. Как правило, имеют место незначительные изменения или колебания напряжения звена с течением времени в результате обратной ЭДС во время замедления двигателя. Иными словами, приблизительно на 1,3 с двигатель начинает замедляться от приблизительно 48 тыс. об/мин до 10 тыс. об/мин в течение приблизительно 1,52 с. Во время данного периода времени замедления напряжение звена (следует отметить, что шкала напряжения звена изображена на верхней правой стороне графика) увеличивается с 46 В до приблизительно 52 В. Незначительное увеличение напряжения звена (т.е. увеличение менее, чем на 10-13 процентов) в основном обусловлено отводом отрицательного тока обратно в конденсатор звена во время замедления двигателя, в функции от емкости конденсатора звена.

[0011] По прошествии 1,52 с двигатель начинает ускорение от 10 тыс. об/мин до 48 тыс. об/мин приблизительно на 1,85 с. Во время данного периода времени ускорения, напряжение звена (следует отметить, что шкала напряжения звена изображена на верхней правой стороне графика) снижается с 52 В до 46 В. Снижение напряжения звена (т.е. снижение менее, чем приблизительно на 10-13 процентов) обусловлено предварительно сохраненным избыточным током, который теперь отводится в двигатель 22 из конденсатора 14 звена для ускорения двигателя, тогда как регулятор 12 напряжения регулирует напряжение звена для того, чтобы оно равнялось фиксированному напряжению 46 В. Показано, что выходной ток регулятора 12 напряжения, передаваемый во время регулировки напряжения звена и ускорения двигателя, должен составлять до 6,5 А.

[0012] Как описано выше в отношении цепи 10 управления приводом электрического двигателя, по фиг. 1, во время замедления двигателя регулятор 16 двигателя функционирует так, что происходит поглощение тока из двигателя 22 и закачка тока в конденсатор 14 звена, тем самым возвращая энергию в конденсатор звена. При условии, что напряжение конденсатора звена уже отрегулировано до постоянного значения посредством регулятора 12 напряжения, конденсатор 14 должен обладать достаточной емкостью для хранения избыточного заряда; в противном случае, напряжение конденсатора звена резко увеличится значительно выше заданной точки отрегулированного напряжения с превышением максимально допустимого значения напряжения конденсатора. В результате, конденсатор 14 звена должен обладать достаточной избыточной емкостью для поглощения и сохранения дополнительного тока, генерируемого двигателем во время замедления. Необходимость в избыточной емкости представляет собой недостаток, поскольку конденсатор должен быть выполнен более крупным. Это представляет собой дополнительный недостаток в вариантах устройств имеющих жесткие рамки физических размеров, где преимущественно используются печатные платы или полезная площадь устройства.

[0013] Как станет ясно из описания, представленного ниже в настоящем документе, электрическая емкость звена цепи 10 управления приводом электрического двигателя, по фиг. 1, приблизительно в пять раз (5х) больше, чем электрическая емкость звена в цепи управления приводом электрического двигателя в системе рекуперации энергии торможения по фиг. 3, согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Кроме того, накопительный конденсатор цепи 10, по фиг. 1, физически более чем в два раза (2х) больше (т.е. более чем на 100 процентов (100%) больше), чем накопительный конденсатор цепи, по фиг. 3, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.

[0014] Таким образом, желательно обеспечить улучшенный способ и устройство для преодоления проблем, имеющих место в уровне техники.

[0015] Варианты реализации настоящего изобретения, преимущественно, улучшают эффективность и мощность регулятора тока двигателя в контроллере привода электрического двигателя, за счет реализации интеллектуальной схемы регулировки подачи напряжения на регулятор. Кроме того, варианты реализации настоящего изобретения особенно полезны там, где требуется эффективное функционирование, особенно в оборудовании, питаемом от батареи. В частности, варианты реализации полезны в оборудовании, питаемом от батареи, которое должно использовать компактные средства рекуперации энергии для обеспечения продолжительного срока службы батареи. Кроме того, несмотря на то, что варианты реализации особенно полезны для устройств, работающих от батареи, варианты реализации также применимы к любому устройству или реализации системы, питаемой от источника питания.

[0016] В соответствии с одним вариантом реализации, система рекуперации энергии торможения для электрического двигателя содержит первый регулятор, устройство хранения энергии, второй регулятор, средства обнаружения и контроллер. Первый регулятор содержит вход для приема входного напряжения и выход для выдачи напряжения звена постоянного тока. Например, первый регулятор может содержать регулятор с режимом переключения с внутренним контуром управления, реализованный в качестве по меньшей мере одного из регулятора тока и регулятора напряжения для воздействия на регулировку напряжения звена постоянного тока. Устройство хранения энергии соединено с выходом первого регулятора. Второй регулятор содержит вход, соединенный с устройством хранения энергии, и выход для выдачи сигнала привода двигателя на электрический двигатель. Средства обнаружения обнаруживают характеристику электрического двигателя, работающего исходя из сигнала привода двигателя. Контроллер выполнен с возможностью приема обнаруженной характеристики и выдачи сигнала управления энергией на первый регулятор в ответ на обнаруженную характеристику. Сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере от одного из (i) скорости двигателя и (ii) обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики. Кроме того, первый регулятор выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока с целью поддержания по существу постоянного баланса энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.

[0017] В соответствии еще с одним аспектом, в отношении системы, по существу постоянное значение содержит изменение, которое менее, чем величина изменения, обусловленная изменяющейся скоростью в общей энергии, содержащейся по меньшей мере в одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя. В других вариантах реализации меру по существу постоянного значения определяют в соответствии с требованиями заданной реализации или применения электрического двигателя.

[0018] Еще в одном аспекте, скорость двигателя содержит по меньшей мере первую скорость и вторую скорость, которая меньше, чем первая скорость, причем (i) при реагировании на сигнал управления энергией, определенный для первой скорости, напряжение звена постоянного тока содержит первый уровень напряжения, и (ii) при реагировании на сигнал управления энергией, определенный для второй скорости, напряжение звена постоянного тока содержит второй уровень напряжения, который выше, чем первый уровень напряжения.

[0019] В соответствии еще с одним аспектом, сигнал управления энергией содержит составляющую, выбранную из группы, состоящей из (i) заданного значения регулятора напряжения, определенного в соответствии с таблицей соответствия значений скорости электрического двигателя и напряжения звена постоянного тока, (ii) заданного значения регулятора напряжения, определенного динамическим образом в соответствии с функцией преобразования скорости электрического двигателя в значение напряжения звена постоянного тока при управлении энергией, и (iii) алгоритма, который функционирует для минимизации общего количества накопленной энергии, необходимой устройству хранения энергии заданного диапазона скоростей двигателя.

[0020] Еще в одном варианте реализации, первый регулятор содержит по меньшей мере один из повышающего преобразователя и понижающего преобразователя, причем сигнал управления энергией содержит сигнал заданного значения регулировки функции от скорости двигателя или обратной ЭДС. Еще в одном варианте реализации первый регулятор дополнительно содержит регулятор напряжения, который содержит повышающий преобразователь и понижающий переключатель, соединенный с повышающим преобразователем, причем контроллер дополнительно выдает сигнал обеспечения на регулятор напряжения сигнал вольтодобавки, в ответ на который понижающий переключатель подает входное напряжение на повышающий преобразователь.

[0021] В соответствии еще с одним вариантом реализации, второй регулятор содержит регулятор двигателя, который содержит регулятор тока и коммутационные переключатели, и причем при реагировании на управляющие сигналы регулятора двигателя, принятые регулятором двигателя, (i) регулятор тока подает ток на коммутационные переключатели и (ii) коммутационные переключатели выдают фазозависимые сигналы привода двигателя на электрический двигатель. Фазозависимые сигналы привода двигателя могут содержать один из трапецеидальных сигналов привода двигателя и синусоидальных сигналов привода двигателя.

[0022] Еще в одном варианте реализации средства обнаружения содержат по меньшей мере один из элементов, выбранных из группы, состоящей из датчиков Холла, оптических кодовых датчиков, датчиков угла поворота, датчиков тока и датчиков обратной ЭДС двигателя.

[0023] Еще в одном аспекте наклон зависящего от времени профиля напряжения звена постоянного тока и наклон зависящего от времени профиля скорости двигателя или обратной ЭДС, синхронизированного с зависящим от времени профиля напряжения звена постоянного тока, по существу соответствуют друг другу с противоположным знаком, плюс или минус, во время периодов ускорения двигателя и периодов замедления двигателя.

[0024] В соответствии еще с одним вариантом реализации, система содержит электрический двигатель, причем электрический двигатель содержит один элемент, выбранный из группы, состоящей из бесщеточного электрического двигателя и электрического двигателя со щетками. В соответствии еще с одним аспектом, бесщеточный электрический двигатель дополнительно содержит один элемент, выбранный из группы, состоящей из однофазного двигателя, двухфазного двигателя, 3-фазного двигателя и 12-фазного двигателя. В соответствии с еще одним аспектом, электрический двигатель образует часть узла нагнетания воздуха для медицинского устройства для искусственной вентиляции легких, которое содержит лопастное колесо, выполненное с возможностью создания потока воздуха, и причем по меньшей мере одна из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя дополнительно содержит по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии одного или более элементов из группы, состоящей из электрического двигателя, лопастного колеса и любой другой подсоединенной части с вращательным или линейным движением. Еще в одном аспекте электрический двигатель образует часть ходовой части автотранспортного средства, которая содержит силовую передачу и колеса, и причем по меньшей мере одна из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя дополнительно содержит по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии одного или более элементов из группы, состоящей из электрического двигателя, силовой передачи, колес и любой другой подключенной части с вращательным или линейным движением.

[0025] В соответствии еще с одним вариантом реализации, медицинское устройство для искусственной вентиляции легких, содержащее систему рекуперации энергии торможения для электрического двигателя, содержит: узел нагнетания воздуха, который содержит электрический двигатель и лопастное колесо, выполненное с возможностью создания потока воздуха; первый регулятор, содержащий вход для приема входного напряжения, и выход для выдачи напряжения звена постоянного тока; устройство хранения энергии, соединенное с выходом первого регулятора; второй регулятор, содержащий вход, соединенный с устройством хранения энергии, и выход для выдачи сигнала привода двигателя на электрический двигатель; средства обнаружения характеристики электрического двигателя, функционирующие в ответ на сигнал привода двигателя; и контроллер для приема обнаруженной характеристики и выдачи сигнала управления энергией на первый регулятор в ответ на обнаруженную характеристику. Сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере от одного из (i) скорости двигателя и (ii) обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики. Первый регулятор выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока с целью поддержания по существу постоянного баланса энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.

[0026] В соответствии еще с одним аспектом, медицинское устройство для искусственной вентиляции легких дополнительно содержит первый регулятор, содержащий по меньшей мере один из повышающего преобразователя и понижающего преобразователя, и причем сигнал управления энергией содержит сигнал заданного значения регулировки в функции от скорости двигателя или обратной ЭДС. Еще в одном аспекте медицинское устройство для искусственной вентиляции легких дополнительно содержит первый регулятор, дополнительно содержащий регулятор напряжения, который содержит повышающий преобразователь и понижающий переключатель, соединенный с повышающим преобразователем, причем контроллер дополнительно выдает с на регулятор напряжения сигнал вольтодобавки, в ответ на который, понижающий переключатель обеспечивает подачу входного напряжения на повышающий преобразователь.

[0027] В соответствии еще с одним другим вариантом реализации, способ рекуперации энергии с циклической нагрузкой включает: обеспечение преобразователя, содержащего вход для приема мощности от источника питания и выход для выдачи отрегулированной выходной мощности; обеспечение емкости хранения энергии, соединенной с выходом преобразователя; обеспечение регулятора нагрузки, содержащего вход, соединенный с емкостью хранения энергии, и выход для (i) выдачи приводной энергии на циклическую нагрузку в ответ по меньшей мере на положительную команду цикла на регулятор нагрузки, и (ii) приема возвращенной энергии от циклической нагрузки в ответ по меньшей мере на отрицательную команду цикла на регулятор нагрузки; обнаружение, посредством датчика энергии нагрузки, характеристики циклической нагрузки, функционирующей в ответ на приводную энергию; и прием, посредством контроллера, обнаруженной характеристики и выдачу, посредством контроллера, сигнала управления энергией на преобразователь в ответ на обнаруженную характеристику, причем сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере от одного переменного во времени параметра циклической нагрузки, определенного посредством обнаруженной характеристики; и причем преобразователь выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией для динамической регулировки выходной мощности для поддержания по существу постоянного баланса энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере кинетической энергии циклической нагрузки и (b) энергии, хранящейся в емкости хранения энергии.

[0028] Согласно одному аспекту способа, рекуперация энергии с циклической нагрузкой содержит рекуперацию энергии торможения с электрическим двигателем. Этап обеспечения преобразователя дополнительно включает обеспечение первого регулятора, содержащего вход для приема входного напряжения и выход для выдачи напряжения звена постоянного тока. Этап обеспечения емкости хранения энергии дополнительно содержит обеспечение устройства для хранения энергии, соединенного с выходом первого регулятора. Этап обеспечения регулятора нагрузки дополнительно включает обеспечение второго регулятора, содержащего вход, соединенный с устройством хранения энергии, и выход для выдачи сигнала привода двигателя на электрический двигатель. Этап обнаружения дополнительно включает обнаружение характеристики электрического двигателя, работающего исходя из сигнала привода двигателя. Наконец, этап приема дополнительно включает прием, посредством контроллера, обнаруженной характеристики и выдачу, посредством контроллера, сигнала управления энергией на первый регулятор в ответ на измеренную характеристику, причем сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере одного из (i) скорости двигателя и (ii) обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики, и причем первый регулятор выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока с целью поддержания по существу постоянного баланса энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.

[0029] В соответствии еще с одним вариантом реализации способа, электрический двигатель образует часть одного элемента, выбранного из группы, состоящей из (i) медицинского устройства для искусственной вентиляции легких, которое содержит лопастное колесо, выполненное с возможностью создания потока воздуха, и причем по меньшей мере одна из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя дополнительно содержит по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии одного или более элементов из группы, состоящей из электрического двигателя, лопастного колеса и любой другой подключенной части с вращательным или линейным движением, и (ii) автотранспортного средства, которое содержит силовую передачу и колеса, и причем по меньшей мере одна из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя дополнительно содержит по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии одного или более элементов из группы, состоящей из электрического двигателя, силовой передачи, колес и любой другой подключенной части с вращательным или линейным движением.

[0030] Дополнительные преимущества и достоинства станут поняты специалисту в данной области техники после прочтения и понимания следующего подробного описания.

[0031] Варианты реализации настоящего изобретения могут принимать форму различных компонентов и схем размещения компонентов, а также различных этапов и порядков выполнения этапов. Следовательно, чертежи предназначены для иллюстрации различных вариантов реализации и их не следует рассматривать в качестве ограничения вариантов реализации. На фигурах чертежей подобные ссылочные обозначения относятся к подобным элементам. Кроме того, следует отметить, что фигуры могут быть представлены не в масштабе.

[0032] Фиг. 1 представляет собой вид блок-схемы цепи управления приводом электрического двигателя, известной из уровня техники;

[0033] Фиг. 2 представляет собой смоделированный графический вид напряжения звена, отрегулированного до фиксированного значения, скорости двигателя, а также выходного тока усиления сигнала в функции от времени, для цепи управления приводом электрического двигателя по фиг. 1;

[0034] Фиг. 3 представляет собой вид блок-схемы системы рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;

[0035] Фиг. 4 представляет собой смоделированный графический вид напряжения звена, отрегулированного в функции от скорости двигателя или обратной ЭДС, скорости двигателя и выходного тока усиления сигнала в функции от времени, системы рекуперации энергии торможения по фиг. 3, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;

[0036] Фиг. 5 представляет собой вид блок-схемы системы рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя, в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения;

[0037] Фиг. 6 представляет собой вид блок-схемы системы рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя, которая дополнительно содержит иллюстрацию передачи и рекуперации энергии, в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения;

[0038] Фиг. 7 представляет собой вид блок-схемы системы рекуперации энергии для цепи управления циклической нагрузкой, в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения.

[0039] Варианты реализации настоящего изобретения и его различные признаки и преимущественные особенности разъяснены более полно со ссылкой на неограничивающие примеры, которые описаны и/или изображены на чертежах, а также подробно описаны далее в описании. Следует отметить, что признаки, изображенные на чертежах, выполнены не в масштабе, и признаки одного варианта реализации могут быть реализованы с другими вариантами реализации, что будет ясно специалисту в данной области техники, если иное явным образом не указано в настоящем документе. Описание общеизвестных компонентов и технологий обработки может быть опущено во избежание излишнего загромождения вариантов реализации настоящего изобретения. Примеры, используемые в настоящем документе, предназначены лишь для упрощения понимания того, каким образом варианты реализации настоящего изобретения могут быть реализованы на практике, а также для обеспечения специалисту в данной области техники возможности их практической реализации. Следовательно, примеры в настоящем документе не следует рассматривать в качестве ограничения объема вариантов реализации настоящего изобретения, который определен исключительно прилагаемой формулой изобретения и применимым законодательством.

[0040] Следует понимать, что варианты реализации настоящего изобретения не ограничены конкретной методологией, протоколами, устройствами, оборудованием, материалами, приложениями и т.д., описанными в настоящем документе, поскольку они могут быть различными. Следует также понимать, что терминология, используемая в настоящем документе, используется с целью описания лишь конкретных вариантов реализации, и не предназначена для ограничения объема заявленных вариантов реализации. Следует отметить, что используемые в настоящем документе и в прилагаемой формуле изобретения грамматические формы единственного числа включают ссылку на множественное число, если контекстом явным образом не указано иное.

[0041] Если иное не определено, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют одинаковые значения, что будет главным образом ясно специалисту в области техники, к которой принадлежат варианты реализации настоящего изобретения. Описаны предпочтительные способы, устройства и материалы, несмотря на то, что на практике или при испытании вариантов реализации могут быть использованы любые способы и материалы, подобные или эквивалентные тем, которые описаны в настоящем документе.

[0042] Как будет описано в настоящем документе, система рекуперации энергии торможения для электрического двигателя содержит первый регулятор, устройство хранения энергии, второй регулятор, датчик для обнаружения характеристики электрического двигателя и контроллер. Первый регулятор содержит вход для приема входного напряжения V_{ОСНОВНОЕ} и выход для выдачи напряжения звена постоянного тока, V_ЗВЕНА, (об/мин). Устройство хранения энергии соединено с выходом первого регулятора. Второй регулятор имеет вход, соединенный с устройством хранения энергии, и выход для выдачи сигнала привода двигателя на электрический двигатель. Датчик выполнен с возможностью обнаружения характеристики электрического двигателя, функционирующего в ответ на сигнал привода двигателя. В ответ на прием и обработку обнаруженной характеристики, контроллер выдает сигнал управления энергией СУЭ (об/мин) на первый регулятор в ответ на обнаруженную характеристику, причем сигнал управления энергией СУЭ (об/мин) содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере от одного из (i) скорости двигателя и (ii) обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики. В ответ на сигнал управления энергией, первый регулятор выполнен с возможностью динамической регулировки напряжения звена постоянного тока V_ЗВЕНА (об/мин) с целью поддержания по существу постоянного баланса энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.

[0043] Варианты реализации системы и способа рекуперации энергии торможения, описанные в настоящем документе, преимущественно, обеспечивают очень компактные средства хранения рекуперированной энергии торможения двигателя. Кроме того, варианты реализации обеспечивают средства для доставки выбросов мощности за пределы емкости основного источника мощности для улучшенной производительности.

[0044] Как может быть ясно из описания, представленного в настоящем документе, раскрыты многочисленные варианты реализации, которые включают источник электрической энергии локального и переменного напряжения переменного тока с хранением. Раскрыт регулятор напряжения, который принимает электрическую энергию из источника для выдачи выходного отрегулированного напряжения с переменным заданным значением, которое задано переменным во времени опорным значением Vr(t) выходного напряжения, и конденсатор для хранения энергии, принимающий отрегулированное выходное напряжение.

[0045] Кроме того, варианты реализации включают цепь регулятора привода бесщеточного двигателя, которая отводит энергию в двух направлениях для ускорения или замедления двигателя; и двигатель, который принимает приводную мощность, выходной ток от цепи регулятора привода двигателя, и содержащий ротор с известным вращательным моментом J и переменным во времени профилем ω(t) скорости. Кроме того, варианты реализации включают регулятор напряжения, который в качестве входных данных принимает обнаруженный профиль ω(t) скорости и выводит опорное Vr(t) значение выходного напряжения с уровнем, определенным алгоритмом эффективности использования энергии. Алгоритм эффективности использования энергии выполняет передаточную функцию для управления опорным значением Vr(t) напряжения таким образом, чтобы поддерживать постоянной общую энергию системы, которая представлена суммой (i) энергии в аккумулирующем конденсаторе звена постоянного тока и (ii) энергии, содержащейся во вращательном моменте ротора. Кроме того, коэффициенты алгоритма также отрегулированы так, чтобы минимизировать общую емкость, требуемую для конденсатора звена постоянного тока, для обеспечения работы в диапазоне ожидаемых скоростей ω(t) двигателя.

[0046] Авторы настоящего изобретения выявили по меньшей мере два замысла, которые включают (i) регулировку напряжения звена постоянного тока в функции от оборотов двигателя в минуту; и (ii) активную регулировку напряжения звена постоянного тока в качестве переменного во времени и динамического заданного значения Vr(t) для поддержания постоянного уравнения баланса энергии:

E_T = E_K+ E_V = ½ J·ω(t)² + ½ C·Vr(t)² ,

где E_Т - общая энергия в системе, Е_K - общая кинетическая энергия системы (например, в системе медицинского устройства для искусственной вентиляции легких или устройстве для искусственной вентиляции легких общая кинетическая энергия содержит по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии двигателя плюс лопастного колеса), E_V - энергия, накопленная в конденсаторе С, J - вращательный момент инерции двигателя плюс лопастного колеса, ω(t) -вращательная угловая скорость, и Vr(t) - отрегулированное напряжение конденсатора.

[0047] Как будет ясно из описания, представленного в настоящем документе, электрическая мощность, подаваемая батареей, автономным импульсным источником питания или другими традиционными средствами, регулируется цепью регулятора напряжения для подачи на конденсатор для хранения энергии динамически отрегулированного напряжения V_ЗВЕНА звена постоянного тока. В одном варианте реализации напряжение V_ЗВЕНА звена постоянного тока подают на вход цепи привода двухквадратного бесщеточного двигателя, выполненную с возможностью возврата в конденсатор для хранения энергии большей части кинетической энергии двигателя во время замедления. Напряжение V_ЗВЕНА звена постоянного тока дополнительно регулируют цепью регулятора (т.е. первым регулятором), а в одном варианте реализации - цифровой логической схемой для удовлетворения уравнению, которое поддержит по существу постоянной сумму кинетической энергии ротора и энергии, хранящейся в конденсаторе, вычисленной цепью управления (т.е. контроллером) на основе обнаруженных оборотах двигателя в минуту или обратной ЭДС двигателя.

[0048] Ссылаясь далее на фиг. 3, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, система 50 рекуперации энергии торможения для привода электрического двигателя (например, приводов двигателя на постоянных магнитах) включает приведение электрического двигателя в действие посредством шины подачи питания с напряжением, уровень которого активно регулируется в функции от оборотов двигателя в минуту. Как показано на фиг. 3, система 50 рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя содержит регулятор 52 напряжения, конденсатор 54 звена постоянного тока, регулятор 56 двигателя, контроллер 58, датчик 60 и электрический двигатель 62 с постоянными магнитами. Регулятор 56 двигателя содержит одну или более из (i) ступени регулировки, скомбинированной с отдельной ступенью коммутации, и (ii) комбинированной ступени, которая регулирует привод двигателя с помощью тех же переключателей, что используются для коммутации. Контроллер 58 содержит одно или более из микропроцессора, микроконтроллера, программируемой пользователем вентильной матрицы (ППВМ), интегральной схемы, компонентов дискретной аналоговой или цифровой схемы, аппаратного обеспечения, программного обеспечения, прошивки или любой их комбинации, для выполнения различных функций, описанных в настоящем документе, также в соответствии с требованиями к реализации и/или применению представленной рекуперации энергии торможения.

[0049] В одном варианте реализации электрический двигатель 62 содержит ротор (не показан) и статор (не показан). Кроме того, двигатель 62 имеет любую из однофазной, двухфазной, 3-фазной, 12-фазной или другую конфигурацию, в которой количество фаз соответствует статору двигателя, имеющему такое же количество обмоток. Еще в одном варианте реализации двигатель 62 может содержать электрический двигатель со щетками. Еще в одном варианте реализации электрический двигатель образует часть ходовой части электрического транспортного средства, которое содержит силовую передачу и колеса, и причем вращательная и/или линейная кинетическая энергия электрического двигателя также содержит вращательную и/или линейную кинетическую энергию одного или более элементов из группы, состоящей из электрического двигателя, силовой передачи и колес электрического транспортного средства. Еще в одном варианте реализации электрический двигатель может представлять собой двигатель из синхронных подклассов постоянного или переменного тока с постоянными магнитами (ПМ). Синхронный двигатель с ПМ постоянного тока в основном характеризуется фазовой обратной ЭДС, которая изменяется с трапецеидальной формой волны по мере вращения двигателя, по сравнению с синхронным двигателем с ПМ переменного тока, который в основном характеризуется фазовой обратной ЭДС, которая изменяется с синусоидальной формой волны по мере вращения двигателя. Еще в одном варианте реализации электрический двигатель содержит по меньшей мере один из линейного двигателя и роторного двигателя, при этом напряжением звена управляют в функции от скорости двигателя.

[0050] Еще в одном другом варианте реализации коммутационная цепь (например, часть регулятора двигателя) может представлять собой один из синхронных подклассов постоянного или переменного тока. Синхронная коммутационная цепь постоянного тока в основном характеризуется применяемым фазовым напряжением, которое изменяется с трапецеидальной формой волны по мере вращения двигателя, по сравнению с синхронной коммутационной цепью переменного тока, которая в основном характеризуется средним применяемым фазовым напряжением, которое изменяется с синусоидальной формой волны по мере вращения двигателя.

[0051] Еще в одном варианте реализации комбинация коммутационной цепи и бесщеточного двигателя может быть заменена двигателем на постоянных магнитах постоянного тока с щетками, к которому подводится мощность только посредством двух входных проводов, а электронные компоненты коммутационной цепи заменены схемой контактов коммутационного коммутатора и щетками внутри двигателя с постоянными магнитами с щетками. В данном варианте реализации отрегулированное напряжение V_ЗВЕНА (об/мин) соответствует напряжению, примененному к двум входным проводам двигателя с постоянными магнитами постоянного тока с щетками.

[0052] Ссылаясь на фиг. 3, первый регулятор может содержать регулятор с режимом переключения с цепью внутреннего управления, реализованный в качестве по меньшей мере одного из регулятора с режимом тока и режимом напряжения для воздействия на регулировку напряжения звена постоянного тока. В варианте реализации по фиг. 3, первый регулятор показан в качестве регулятора напряжения. Регулятор 52 напряжения регулирует входное напряжение V_{ОСНОВНОЕ} с получением динамически отрегулированного выходного напряжения, V_ЗВЕНА (об/мин), в функции от скорости двигателя. Отрегулированное выходное напряжение V_ЗВЕНА (об/мин) также называется в настоящем документе как напряжение звена постоянного тока с управляемой скоростью. Напряжение звена постоянного тока с управляемой скоростью содержит уровень напряжения, который изменяется динамическим образом в диапазоне напряжения, определенном в соответствии с конкретными требованиями заданной системы рекуперации энергии торможения. Например, напряжение звена постоянного тока с управляемой скоростью V_ЗВЕНА (об/мин) отрегулировано динамическим образом для изменения между первым напряжением и вторым напряжением, которое превышает первое напряжение, для заданного динамического диапазона напряжения. В одном варианте реализации отрегулированное напряжение изменяется от первого напряжения, составляющего 45 В, до второго напряжения, составляющего 80 В, с динамическим диапазоном, составляющим 35 В. Напряжение звена постоянного тока с управляемой скоростью хранится в конденсаторе 54 звена постоянного тока.

[0053] При работе выполняют пусковую последовательность для преодоления инерции и ротор двигателя начинает вращаться. После последовательности пусковых операций во время работы системы 50 рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя, регулятор 52 напряжения функционирует для динамического изменения уровня напряжения звена постоянного тока на конденсаторе 54 звена постоянного тока в ответ на сигналы управления энергией, выданные контроллером 58 по сигнальной линии 74. Как будет описано далее в настоящем документе, сигналы управления энергией (т.е. обозначенные СУЭ (об/мин) на фиг. 3) являются функцией от скорости двигателя. Иными словами, напряжение звена постоянного тока заставляют изменяться в функции от оборотов двигателя в минуту.

[0054] В ответ на независимые управляющие входные данные (например, управляющие входные данные для циклических нагрузок) УСКОРЕНИЕ/ЗАМЕДЛЕНИЕ, регулятор 56 двигателя работает с целью ускорения или замедления двигателя 62. Для ускорения двигателя 62, управляющие входные данные УСКОРЕНИЕ/ЗАМЕДЛЕНИЕ выдает управляющий сигнал по сигнальной линии 76 на регулятор 56 двигателя. Регулятор 56 двигателя соединен между конденсатором 54 звена постоянного тока на входе регулятора и двигателем 62 на выходе регулятора. Регулятор 56 двигателя выдает отрегулированный ток двигателя, I_{ДВИГАТЕЛЯ}, на двигатель 62. В частности, отрегулированный ток двигателя подает ток на внутренние обмотки двигателя (не показаны) для обуславливания ускорения или замедления двигателя 62 в зависимости от полярности отрегулированного тока двигателя. Еще в одном варианте реализации, несмотря на то, что это не показано на фиг. 3, контроллер 58 может быть выполнен с возможностью выдачи сигналов управления на регулятор 56 двигателя по сигнальной линии 76 в ответ на управляющий входной сигнал УСКОРЕНИЕ/ЗАМЕДЛЕНИЕ или подобные входные сигналы.

[0055] Система 50 рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя дополнительно содержит датчик 60, выполненный с возможностью обнаружения характеристики двигателя 62 во время работы двигателя и с возможностью выдачи сигналов датчика на контроллер 58 по сигнальной линии 78. Например, двигатель 62 может содержать бесщеточный электрический двигатель, а регулятор 56 двигателя может содержать регулятор тока и коммутационные переключатели. В одном варианте реализации датчик 60 может содержать датчики Холла, которые выдают сигналы на контроллер 58 по сигнальной линии 78. Несмотря на то, что на фиг. 3 изображен только один датчик 60 и одна сигнальная линия 78, другие варианты реализации могут включать более одного датчика 60 и более одной сигнальной линии 78. В одном варианте реализации сигналы датчика Холла используются контроллером двигателя (не показан) для управления последовательностью коммутации коммутационных переключателей регулятора 56 двигателя при подаче энергии на обмотки двигателя, как известно из уровня техники. Кроме того, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, сигналы датчика Холла используются контроллером 58 для определения скорости двигателя, а также для выдачи сигнала управления энергией, в функции от оборотов двигателя в минуту, как описано далее в настоящем документе. Еще в одних вариантах реализации датчик 60 может также включать, например, один или более из оптических кодовых датчиков, датчиков угла поворота, датчиков тока, датчиков обратной ЭДС двигателя или т.п. для выдачи одного или более сигналов по сигнальной линии 78 на контроллер 58, полезных для определения скорости или обратной ЭДС двигателя.

[0056] Во время вращения двигателя 62 каждая обмотка статора двигателя генерирует напряжение обратной ЭДС. Как описано ранее, полярность данной обратной ЭДС зависит от направления вращения, которая может отличаться от полярности основного напряжения, примененного к обмоткам статора. Внезапная разница между напряжением, примененным к обмотке статора, и обратной ЭДС воздействует на импеданс обмотки для определения величины тока обмотки и ее ускорения при разгоне или замедлении. Одним фактором, влияющим на величину вырабатываемой обратной ЭДС, является угловая скорость или скорость статора двигателя. По мере увеличения скорости увеличивается величина обратной ЭДС.

[0057] Как показано на фиг. 3, управление переключением регуляторов осуществляется непрерывно в отношении регулятора 52 напряжения и регулятора 56 двигателя во время работы двигателя, т.е. ускорения или замедления. При замедлении двигатель 62 продолжает вращаться, но с замедлением. Когда двигатель 62 замедляется, двигатель выступает в роли генератора. Для начала замедления регулятор 56 двигателя регулирует напряжение, применяемое к обмотке статора, до значения, которое ниже обратной ЭДС. Отрицательная разница в импедансе обмотки вызывает обратный ток, который течет обратно от двигателя 62 в конденсатор 54 звена через регулятор 56 двигателя. Иными словами, напряжение обратной ЭДС повышается регулятором 56 для накачивания тока обратно по цепи посредством отрицательного тока. Следует отметить, что замедление также может происходить тогда, когда заданный крутящий момент двигателя (и соответствующий ток) является положительным, но не достаточен для преодоления нагрузки механического крутящего момента на вал. В таком случае регенерация мощности не происходит, поскольку ток все еще является положительным, то есть в двигателе.

[0058] Кроме того, в случае цикличной нагрузки, на которую направлены варианты реализации настоящего изобретения, заданный крутящий момент двигателя также включает отрицательный заданный крутящий момент двигателя. Когда заданный крутящий момент двигателя (и соответствующий ток) является отрицательным, двигатель замедляется, поскольку ток (отрицательный) отводится из двигателя и в конденсатор 14 звена.

[0059] Как описано выше, регулятор 52 напряжения регулирует входное напряжение V_{ОСНОВНОЕ} с получением динамически отрегулированного выходного напряжения, V_ЗВЕНА (об/мин), в функции от скорости двигателя. Напряжение звена постоянного тока с управляемой скоростью V_ЗВЕНА (об/мин) хранится в конденсаторе 54 звена постоянного тока. Регулятор 52 напряжения работает так, чтобы динамически изменять уровень напряжения звена постоянного тока на конденсаторе 54 звена постоянного тока в ответ на сигналы управления энергией, выданные контроллером 58 по сигнальной линии 74.

[0060] В результате, поскольку работа регулятора 62 напряжения приводит к динамическому изменению напряжения звена постоянного тока V_ЗВЕНА (об/мин) в функции от скорости двигателя, проблема, описанная выше в настоящем документе со ссылкой на регулятор 12 напряжения традиционной цепи 10 управления приводом электрического двигателя, который не способен снижать напряжение звена постоянного тока, так что напряжение звена должно увеличиваться до более высокого уровня, чем отрегулированный постоянный фиксированный уровень, с успехом преодолена. Выходное напряжение V_ЗВЕНА с фиксированным постоянным уровнем на регуляторе 12 напряжения традиционной цепи 10 управления приводом электрического двигателя без преимущества функционирует, предполагая, что в конденсаторе постоянно должно храниться достаточно энергии для ускорения двигателя, без учета того, ускорился ли уже двигатель или нет. Это означает, что если двигатель уже ускорился, конденсатор, после последующего замедления, затребует двойной размер емкости для хранения энергии для накапливания энергии торможения, которая по существу содержится в кинетической энергии двигателя при максимально допустимой скорости.

[0061] В отличие от этого, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, заданное значение уровня напряжения звена намеренно модифицируется в функции от оборотов двигателя в минуту. Например, при высоких оборотах, двигатель уже ускорился и для целей ускорения требуется небольшой запас энергии в конденсаторе или же не требуется вовсе. При низких оборотах, наоборот, двигатель уже замедлился и только лишь это количество энергии для последующего ускорения должно быть сохранено. Таким образом, система рекуперации энергии торможения предвосхищает и заранее готовит место в конденсаторе звена постоянного тока для энергии торможения двигателя, подлежащей возврату в конденсатор звена. Это, преимущественно, выполняется за счет управления, посредством регулятора динамически изменяемого уровня выходного напряжения, напряжением звена в функции от оборотов двигателя в минуту.

[0062] В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, три параметра, учитываемые системой рекуперации энергии торможения, включают напряжение звена, ток регулятора двигателя и напряжение двигателя (т.е. обратная ЭДС). Первый фактор, напряжение звена, намеренно выполнен зависимым от оборотов двигателя в минуту. Второй фактор, ток регулятора двигателя, управляется в функции от желаемого крутящего момента заданного варианта применения двигателя. Иными словами, независимые управляющие входные данные могут стремиться увеличить и снизить скорость двигателя и, таким образом, ток на двигатель увеличен, так что двигатель будет ускоряться, или понижен, так что двигатель будет замедляться, соответственно. Третий фактор, напряжение двигателя, зависящее от скорости, является фиксированным свойством заданного двигателя. Когда заданный двигатель работает при высокой скорости, обратная ЭДС двигателя будет проявлять более высокое напряжение. Когда заданный двигатель работает при низкой скорости, обратная ЭДС двигателя будет проявлять более низкое напряжение.

[0063] В отношении вариантов реализации настоящего изобретения, напряжение звена постоянного тока намеренно регулируют так, что амплитуда напряжение звена перемещается в направлении, противоположном напряжению двигателя. Иными словами, по мере увеличения оборотов двигателя в минуту, напряжение звена постоянного тока регулируют для понижения, даже если само напряжение двигателя повышается. Как указано выше, регулятор 56 двигателя (т.е. его часть, регулирующая ток) управляется посредством независимого управляющего входа в зависимости от того, что должен выполнить двигатель 62, т.е. ускориться или замедлиться. По мере ускорения двигателя 62, от более низкой скорости до более высокой скорости, напряжение двигателя увеличивается от более низкого напряжения до более высокого напряжения, и напряжение звена постоянного тока регулируют для снижения посредством регулятора 52 напряжения и наоборот.

[0064] Иными словами, в одном варианте реализации задание крутящего момента двигателя представляет собой независимый управляющие входные данные. Если двигатель 52 работает при 1А и необходимо увеличить ток до 2А, то часть регулятора тока, содержащаяся в регуляторе 56 двигателя, управляется любым рабочим циклом, который необходим его соответствующим коммутационным переключателям для обеспечения прохождения 2А по двигателю. В одном варианте реализации контроллер двигателя (не показан) выдает соответствующие управляющие сигналы рабочего цикла на регулятор 56 двигателя по сигнальной(ым) линии(ям) 76. В ответ на прохождение 2А по его обмоткам, двигатель 62 генерирует больший крутящий момент в зависимости от углового момента его ротора и вала, и ускорится. По мере ускорения двигателя, увеличение об/мин будет обнаружено контроллером 58 посредством подходящей электронной схемы обнаружения, аппаратного обеспечения, программного обеспечения, прошивки и др. Как указано выше, контроллер 58 содержит одно или более из микропроцессора, микроконтроллера, программируемой пользователем вентильной матрицы (ППВМ), интегральной схемы, компонентов дискретной аналоговой или цифровой схемы, аппаратного обеспечения, программного обеспечения, прошивки или любой их комбинации, для выполнения различных функций, описанных в настоящем документе, также в соответствии с требованиями к реализации и/или применению представленной рекуперации энергии торможения.

[0065] В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, увеличение числа оборотов двигателя в минуту приводит в результате к снижению заданного значения регулировки напряжения звена постоянного тока. В то же время, напряжение двигателя естественным образом увеличивается как функция от числа оборотов в минуту. Как отмечено в настоящем документе, характеристика двигателя представляет собой обратную ЭДС, которая остается постоянной для двигателя. Напряжение двигателя пропорционально обратной ЭДС, умноженной на число оборотов двигателя в минуту.

[0066] Вновь ссылаясь на фиг. 3, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, контроллер 58 принимает одну или более обнаруженных характеристик посредством датчика 60 и сигнальной(ых) линии(й) 78 и выдает сигнал управления энергией на регулятор 52 напряжения в ответ на обнаруженную характеристику, т.е. СУЭ (об/мин). Сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере одного из (i) скорости двигателя и (ii) обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики. Первый регулятор 52 напряжения выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией СУЭ (об/мин) для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока V_ЗВЕНА с целью поддержания по существу постоянного баланса энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя 62 и (b) энергии, хранящейся в конденсаторе 54 звена (т.е. устройстве хранения энергии). Таким образом, заданное значение вывода регулятора напряжения модифицируют в функции от числа оборотов двигателя в минуту, т.е. напряжения звена постоянного тока V_ЗВЕНА (об/мин).

[0067] На фиг. 4, показан графический вид 80 смоделированного напряжения звена, динамически отрегулированного в зависимости от оборотов двигателя в минуту, также показана скорость двигателя, а также выходной ток усиления сигнала в функции от времени, для системы 50 рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя по фиг. 3. Напряжение звена постоянного тока V_ЗВЕНА (об/мин) изображено в виде функции зависимой от времени и обозначено ссылочной позицией 82, при этом амплитуда напряжения звена (в вольтах (В)) изображена на вертикальной шкале в верхней правой части фигуры. Скорость двигателя в функции от времени обозначена ссылочной позицией 84, при этом амплитуда скорости двигателя (в тысячах оборотов в минуту (тыс. об/мин)) изображена на вертикальной шкале в центральной левой части фигуры. Выходной ток усиления сигнала (т.е. ток, выданный посредством регулятора 52 напряжения), в функции от времени обозначен ссылочной позицией 86, при этом сила тока (в амперах (А)) изображена на вертикальной шкале в нижней правой части фигуры. Наконец, время (в секундах (с)) изображено по горизонтальной оси в нижней части фигуры. На графике изображено моделирование работы двигателя после последовательности пусковых операций между интервалом времени, находящимся непосредственно перед 1,4 с, и непосредственно после 2,4 с.

[0068] Как изображено на фиг. 4, напряжение 28 звена динамическим образом регулируют для изменения функции от оборотов двигателя в минуту, и в частности, для изменения между 45В и 80В. Иными словами, приблизительно при 1,3 с, скорость 84 двигателя составляет 48 тыс. об/мин и снижается до 10 тыс. об/мин приблизительно на 1,5 с. Во время этого временного периода замедления, напряжение 82 звена (следует отметить, что шкала напряжения звена изображена в верхней правой части графика) увеличивается с 45В до 80В. Существенное увеличение напряжения 82 звена (т.е. увеличение приблизительно на 77 процентов или более) обусловлено (i) отрицательным током, отведенным обратно в конденсатор 54 звена, и (ii) динамическим образом отрегулированным напряжением звена V_ЗВЕНА (об/мин) во время замедления двигателя, также в функции от емкости конденсатора 54 звена.

[0069] По прошествии 1,5 с двигатель начинает ускорение от 10 тыс. об/мин до 48 тыс. об/мин приблизительно на 1,81 с. Во время данного периода времени замедления напряжение 82 звена (следует отметить, что шкала напряжения звена изображена на верхней правой стороне графика) снижается с 80 В до 45 В. Снижение напряжения 82 звена (т.е. снижение приблизительно на 10 или более процентов) обусловлено заранее сохраненным избыточным током, который теперь отводится в двигатель 62 из конденсатора 54 звена для ускорения двигателя, тогда как регулятор 52 напряжения динамическим образом регулирует напряжение 82 звена для того, чтобы оно изменялось в функции от числа оборотов двигателя в минуту, и в частности, чтобы оно изменялось от 80 В до 45 В. Показано, что выходной ток регулятора 52 напряжения должен составлять до 2,9 А с уменьшением во время регулировки напряжения звена в функции от оборотов двигателя в минуту и ускорения двигателя 62.

[0070] Все еще ссылаясь на фиг. 4, можно наблюдать, что наклон зависящего от времени профиля напряжения 82 звена постоянного тока и наклон зависящего от времени профиля скорости 84 двигателя или обратной ЭДС, синхронизированного с зависящим от времени профиля напряжения звена постоянного тока, по существу соответствуют друг другу с противоположным знаком, плюс или минус, во время периодов ускорения двигателя (т.е. положительный наклон скорости двигателя) и периодов замедления двигателя (т.е. отрицательный наклон скорости двигателя).

[0071] Как описано выше в отношении системы 50 рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя по фиг. 3, во время замедления двигателя регулятор 56 двигателя функционирует для устранения тока из двигателя 62 и закачки тока в конденсатор 54 звена, тем самым возвращая энергию в конденсатор звена. При условии, что напряжение конденсатора звена динамическим образом отрегулировано в функции от числа оборотов двигателя в минуту посредством регулятора 52 напряжения, конденсатор 54 должен только обладать достаточной емкостью для хранения избыточного заряда; поскольку напряжение конденсатора звена не будет резко увеличиваться избыточно выше заданной точки динамическим образом отрегулированного напряжения в функции от числа оборотов двигателя в минуту. Преимущественно, работа регулятора 52 напряжения для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока в функции от числа оборотов двигателя в минуту делает возможным управление скачками напряжения регулятором напряжения. В результате, конденсатор 54 звена должен обладать только достаточной избыточной емкостью для поглощения и сохранения дополнительного тока, генерируемого двигателем во время ускорения. Обеспечение только достаточной избыточной емкости представляет собой преимущество, поскольку конденсатор может быть выполнен в меньшем физическом размере. Это представляет собой дополнительное преимущество в вариантах применения устройства с критическими ограничениями физических размеров, где преимуществом пользуется печатная плата или полезная площадь устройства.

[0072] В сравнении, электрическая емкость звена цепи 10 управления приводом электрического двигателя, по фиг. 1, приблизительно в пять раз (5х) больше, чем электрическая емкость звена в цепи управления приводом электрического двигателя в системе рекуперации энергии торможения по фиг. 3, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения. Кроме того, накопительный конденсатор 14 цепи 10 по фиг. 1, физически более чем в два раза (2х) больше (т.е. более чем на 100 процентов (100%) больше), чем накопительный конденсатор 54 цепи по фиг. 3, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.

[0073] Ссылаясь теперь на фиг. 5, на ней показан вид блок-схемы системы рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя, в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Вариант реализации, изображенный на фиг. 5, подобен показанному и описанному в настоящем документе в отношении варианта реализации по фиг. 3, со следующими отличиями. В варианте реализации, изображенном на фиг. 5, регулятор 52 напряжения содержит по меньшей мере один из повышающего преобразователя и понижающего преобразователя, а сигнал 74 управления энергией СУЭ (об/мин) содержит сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) повышающего преобразователя в функции от скорости двигателя или обратной ЭДС. Еще в одном варианте реализации регулятор 52 напряжения содержит повышающий преобразователь 88 и понижающий переключатель 90, соединенный с повышающим преобразователем 88. Кроме того, контроллер 58 дополнительно выдает сигнал 92 вольтодобавки на регулятор 52 напряжения, причем в ответ на сигнал вольтодобавки понижающий переключатель 90 выдает входное напряжение V_{ОСНОВНОЕ} на повышающий преобразователь 88. Следует отметить, что хотя повышающий преобразователь и понижающий переключатель были описаны для регулятора напряжения, другие топологии также возможны, в соответствии с требованиями заданной реализации рекуперации энергии торможения. Например, может существовать большое количество потенциальных топологий преобразователя, которые могут быть использованы для выполнения регулятора напряжения, такого как одноконтактный основной индукторный преобразователь (ООИП), повышающий преобразователь, понижения/повышения, понижения, обратноходовой преобразователь, прямоходовой преобразователь и другие.

[0074] Все еще ссылаясь на фиг. 5, регулятор 56 двигателя содержит регулятор 94 тока и коммутационные переключатели 96. Кроме того, контроллер двигателя (не показан) выдает управляющие сигналы регулятора двигателя по сигнальным линиям 76 на регулятора 94 тока и коммутационные переключатели 96. В ответ на управляющие сигналы регулятора двигателя, (i) регулятор 94 тока подает ток на коммутационные переключатели 96, и (ii) коммутационные переключатели 96 выдают фазозависимые сигналы привода двигателя по сигнальным линиям 98 на электрический двигатель 62. Еще в одном варианте реализации, фазозависимые сигналы привода двигателя содержат один из трапецеидальных сигналов привода двигателя и синусоидальных сигналов привода двигателя.

[0075] Ссылаясь на фиг. 3-5, скорость двигателя может содержать по меньшей мере первую скорость и вторую скорость, которая меньше первой скорости. В ответ на сигнал управления энергией СУЭ (об/мин), определенный для первой скорости, регулятор 52 напряжения регулирует напряжение звена постоянного тока V_ЗВЕНА (об/мин) для того, чтобы оно имело первый уровень напряжения. В ответ на сигнал управления энергией СУЭ (об/мин), определенный для второй скорости, регулятор 52 напряжения регулирует напряжение звена постоянного тока V_ЗВЕНА (об/мин) для того, чтобы оно имело второй уровень напряжения, которые выше первого уровня напряжения. В одном варианте реализации сигнал управления энергией СУЭ (об/мин) содержит заданное значение 100 регулятора напряжения, определяемое в соответствии с таблицей 102 соответствия значений скорости электрического двигателя и напряжения звена постоянного тока. В одном варианте реализации, значения для таблицы соответствия содержат интерполированные значения, приведенные в таблице, смоделированной для удовлетворения уравнению

I_C = C·dV/dt,

где

I_C - бросок тока,

С - емкость, а

dV/dt - контролируемая скорость повышения напряжения конденсатора.

Кроме того, значения могут быть отрегулированы для смодулированных и протестированных эффектов потери энергии, а также предполагаемого допускаемого отклонения значения конденсатор и изменений с течением времени. Один пример таблицы соответствия значений скорости (тыс. об/мин) и напряжения (V_DC), в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, показан на фиг. 5 и 6. Другие массивы значений скорости и напряжения возможны, в соответствии с конкретными требованиями заданной реализации рекуперации и управления энергией торможения.

[0076] Еще в одном варианте реализации сигнал управления энергией СУЭ (об/мин) содержит заданное значение 100 регулятора напряжения, определяемое динамическим образом в соответствии с передаточной функцией управления энергией значений для скорости электрического двигателя с получением значения напряжения звена постоянного тока. Скорость двигателя может быть определена контроллером 58 посредством подходящего модуля 104 обнаружения скорости в ответ на обнаруженную(ые) датчиком 60 характеристику или характеристики двигателя. Модуль 104 обнаружения скорости может содержать одно или более из аппаратного обеспечения, программного обеспечения, прошивки и/или их комбинаций. Еще в одном варианте реализации передаточная функция управления энергией может содержать алгоритм с коэффициентами, реализация которого обеспечивает минимизацию общей емкости для хранения энергии, требуемой для конденсатора 54 звена (т.е. устройства хранения энергии) для заданного диапазона скоростей двигателя.

[0077] На фиг. 6 показан вид блок-схемы системы рекуперации энергии торможения для цепи управления приводом электрического двигателя, в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Вариант реализации по фиг. 6, подобен показанному и описанному в настоящем документе в отношении вариантов реализации по фиг. 3 и 5, со следующими отличиями. В варианте реализации по фиг. 6, двигатель содержит 3-фазный бесщеточный двигатель блока вентилятора. Блок вентилятора выполнен с возможностью создания воздушного потока, например, медицинского устройства для искусственной вентиляции легких. Сигнал управления энергией СУЭ (об/мин) содержит заданное значение 100 регулятора напряжения, определяемое, например, посредством таблицы 102 соответствия или в соответствии с передаточной функцией управления энергией значений скорости двигателя с получением значения напряжения звена постоянного тока. Скорость двигателя может быть определена контроллером 58 посредством модуля 104 обнаружения скорости в ответ на обнаруженную(ые) характеристику или характеристики двигателя. В варианте реализации, датчики Холла (не показаны), встроенные в двигатель 62, выдают сигналы Холла для обнаруженных характеристик. Кроме того, сигнал управления энергией СУЭ (об/мин), который содержит заданное значение 100 регулятора напряжения, выдается на контроллер 106 повышения, который содержит одно или более из аппаратного обеспечения, программного обеспечения, прошивки и/или их комбинаций. Контроллер 106 вольтодобавки выполнен с возможностью переключения МОП-затвора ступени 88 вольтодобавки регулятора 52 напряжения, в соответствии с заданным рабочим циклом, в ответ на сигнал управления энергией СУЭ (об/мин). Цепь 108 обратной связи обеспечивает возможность проведения контроллером 106 вольтодобавки динамически регулируемого управления напряжением звена постоянного тока. Кроме того, контроллер 58 дополнительно выдает сигнал вольтодобавки по сигнальной линии 92 для переключения МОП-затвора понижающей ступени 90 регулятора 52 напряжения. В ответ на сигнал вольтодобавки, МОП-затвор понижающей ступени 90 (или понижающего переключателя) выдает входное напряжение V_{ОСНОВНОЕ} на ступень 88 вольтодобавки (или повышающий преобразователь).

[0078] На верхней части фиг. 6 схематически показано управление энергией в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Энергию торможения рекуперируют путем управления током возврата (т.е. торможения) во время замедления двигателя. Восстановленная энергия (т.е. в том числе энергия ротора) идет на заряд конденсатора напряжения V_ЗВЕНА (т.е. энергию конденсатора) для хранения энергии. В настоящих вариантах реализации, используемая сохраненная энергия конденсатора может быть охарактеризована выражением:

,

Где

E_C - используемая сохраненная энергия конденсатора,

С - емкость,

V_pk - пиковое напряжение конденсатора V_ЗВЕНА, а

V_min - минимальное напряжение конденсатора V_ЗВЕНА..

Из данного выражения понятно, что оптимальное сохранение энергии происходит при относительно сильных колебаниях V_ЗВЕНА.

[0079] Сохранение доступной энергии торможения оптимизируется за счет предполагаемого хранения энергии для торможения и ускорения, а также за счет модуляции напряжения звена конденсатора V_ЗВЕНА в функции от числа оборотов в минуту для удовлетворения следующего отношения:

,

где

С - емкость,

V - напряжение конденсатора,

J - угловой момент инерции двигателя плюс лопастного колеса (например, в отношении реализации медицинского устройства для искусственной вентиляции легких), а

ω - угловая скорость вращения.

В одном варианте реализации средства рекуперации энергии торможения для электрического двигателя встроены в медицинское устройство для искусственной вентиляции легких, содержащее двигатель вентилятора, при этом вышеуказанное выражение является представлением баланса энергии ротора.

[0080] В соответствии еще с одним вариантом реализации, способ рекуперации энергии торможения в электрическом двигателе включает:

обеспечение первого регулятора, содержащего вход для приема входного напряжения, и выход для выдачи напряжения звена постоянного тока;

обеспечение устройства хранения энергии, соединенного с выходом первого регулятора;

обеспечение второго регулятора, содержащий вход, соединенный с устройством хранения энергии, и выход для выдачи сигнала привода двигателя на электрический двигатель;

обнаружение, с помощью датчика, характеристики электрического двигателя, функционирующее в ответ на сигнал привода двигателя; и

прием обнаруженной характеристики посредством контроллера.

Способ дополнительно включает выдачу, посредством контроллера, сигнала управления энергией СУЭ (об/мин) на первый регулятор в ответ на обнаруженную характеристику. Сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере от одного из (i) скорости двигателя и (ii) обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики. Кроме того, первый регулятор выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока, с тем чтобы поддерживать по существу постоянным баланс энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.

[0081] Еще в одном варианте реализации, способ дополнительно включает формирование электрическим двигателем части ходовой части транспортного средства с электрическим или гибридным двигателем, которое содержит силовую передачу и колеса. По меньшей мере одна из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя дополнительно содержит по меньшей мере одну из вращательной или линейной кинетической энергии одного или более элементов из группы, состоящей из электрического двигателя, силовой передачи, колес автотранспортного средства и любой другой присоединенной вращательной или линейной подвижной части (например, кинетическую энергию, связанную с линейной скоростью массы движущегося транспортного средства).

[0082] Из описания, представленного в настоящем документе, может быть явным образом понятно, что варианты реализации могут быть использованы в любом месте, где используется привод ускорения/замедления двигателя, в одном или более конденсаторах которого хранится компактная рекуперированная энергия торможения. Одним использованием для вариантов реализации настоящего изобретения является приведение в действие двигателя вентилятора в медицинском устройстве для искусственной вентиляции легких, при котором ритмичное дыхание пациента требует частого ускорения и замедления двигателя. Варианты реализации настоящего изобретения обеспечивают возможность уменьшения размера конденсаторов для хранения энергии в применяемых для медицинского устройства для искусственной вентиляции легких (при этом размер конденсаторов для хранения энергии для применений вентиляторов из уровня техники, как правильно, был больше), а также использования меньшей пиковой входной мощности. Варианты реализации настоящего изобретения также могут быть полезны в применениях двигателя с профилями периодически изменяющейся скорости, таких как электрическое транспортное средство с топливным элементом, использующее суперконденсаторы для увеличения потребностей в пиковой мощности, и электрогидравлическое искусственное сердце, использующее вращательное лопастное колесо, приводимое в действие гидравлическое жидкостью для сжатия диафрагм насоса.

[0083] В случае транспортного средства, которое использует электрический двигатель, такое как электрическое или гибридное транспортное средство, общая кинетическая энергия системы может содержать кинетическую энергию скорости транспортного средства при перемещении по дороге, в добавление по меньшей мере к вращательной и линейной кинетической энергии двигателя плюс силовой передачи и колес. Следовательно, уравнение баланса энергии будет следующим:

E_T = E_K+ E_V = ½ ∑(J·ω(t)²) + ½ M·V(t)² + ½ C·Vr(t)²,

где

М - масса транспортного средства,

V - скорость транспортного средства при перемещении по дороге,

ω и J - соответственно скорость вращения и угловой момент инерции каждого из двигателя вращения и других компонентов силовой передачи, а

½ Σ(J·ω(t)²) - результирующая сумма всех вращательных кинетических энергий в силовой передаче.

[0084] Ссылаясь теперь на фиг. 7, показан вид блок-схемы системы 150 рекуперации энергии для циклической нагрузки (например, циклической нагрузки, управляемой посредством цепи управления циклической нагрузкой (не показана)), в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Вариант реализации, изображенный на фиг. 7, подобен показанному и описанному в настоящем документе в отношении вариантов реализации, изображенных на фиг. 3, 5 и 6, со следующими отличиями. В варианте реализации, по фиг. 7, система 150 рекуперации энергии для циклической нагрузки содержит управление нагрузкой посредством источника входной мощности, который питается на уровне, который активным образом регулируют в функции от циклической характеристики нагрузки, которая накапливает энергию циклическим образом. Цепь управления циклической нагрузкой (не показана) выполнена с возможностью управления нагрузкой (например, механической, электрической, гидравлической или тепловой) циклической характеристики, которая сохраняет энергию циклическим образом. Данная энергия может изменяться вместе с состоянием нагрузки и может представлять собой кинетическую энергию, если нагрузка колеблется, или магнитную, если нагрузка представляет собой обмотку магнита, или потенциальной, если нагрузка представляет собой абсолютную высоту (например, элеваторы резервуаров давления) или любую другую форму энергии, которая может быть сохранена в нагрузке циклическим образом.

[0085] Как показано на фиг. 7, система 150 рекуперации энергии для цепи управления циклической нагрузкой содержит источник 151 мощности, преобразователь 152, емкость 154 для хранения энергии, регулятор 156 нагрузки, контроллер 158, датчик 160 энергии нагрузки и нагрузку 162, обладающую циклической характеристикой (например, циклическую нагрузку). Преобразователь 152 регулирует входную мощность от источника 151 мощности до динамически отрегулированной выходной мощности в функции от одной или более циклической характеристики нагрузки. Выходная мощность управляемой циклической характеристики сохраняется в емкости 154 для хранения энергии. Преобразователь 152 функционирует для динамического изменения уровня энергии в емкости 154 для хранения энергии в ответ на сигналы управления энергией, выдаваемые контроллером 158 по сигнальной(ым) линии(ям) 174. Контроллер 158, изображенный на фиг. 7, подобен контроллеру 58, изображенному на фиг. 3, 5 и 6. Кроме того, датчик 160 энергии нагрузки может содержать любой подходящий датчик или датчики для выдачи одного или более сигналов по сигнальной линии 178 на контроллер 158, полезных для определения циклической характеристики нагрузки 162. В ответ на независимые управляющие входные данные (например, управляющие входные данные циклической нагрузки, соответствующие циклу (+) и/или циклу (-)) от цепи управления циклической нагрузкой (не показана) регулятор 156 нагрузки функционирует для циклической передачи циклической нагрузки 162 по положительному (+) или отрицательному (-) циклу по сигнальной линии 176.

[0086] Источник 151 мощности используют для извлечения мощности для ее подачи на нагрузку 162, извлекая эту мощность, предпочтительно, равномерно, в соответствии с практическим применением. Извлечение мощности равномерным образом желательно для минимизации пиков мощности в отношении относительной мощности, извлеченной из источника 151 мощности. Кроме того, это минимизирует размер и воздействие на компонент источника мощности, независимо от типа энергии, используемой нагрузкой (т.е. электрическая, гидравлическая, энергия крутящего момента, линейного движения и т.д.).

[0087] Проблема, решаемая вариантом реализации, изображенным на фиг. 7, заключается в буферизации желаемого источника равномерной мощности путем заполнения емкости для хранения энергии посредством преобразователя, которым управляют таким образом, чтобы поддерживать общую энергию системы по существу постоянной. То есть сумма сохраненной энергии циклической нагрузки и энергии, сохраненной в емкости для энергии, поддерживается постоянной. Иными словами, управление энергией удовлетворяет выражению:

Энергия системы = Энергия нагрузки + Энергия в емкости = По существу постоянная.

[0088] Для выполнения этого, система 150 рекуперации энергии для цепи управления циклической нагрузкой обнаруживает, посредством датчика 160 энергии нагрузки и контроллера 158, параметр циклической нагрузки, который обеспечивает информацию о сохраненной энергии в нагрузке. После этого, контроллер 158 обрабатывает информацию об энергии для управления зарядкой емкости для энергии таким образом, чтобы минимизировать емкость, требуемую емкостью для энергии, для своего функционирования. В случае конденсатор, контроллер управляет напряжением; для обмотки - током; для емкости для хранения энергии в быстровращающемся роторе - скоростью; для гидравлического резервуара - давлением; для гидроэлектрической емкости - уровнем воды. Преимущественно, система 150 рекуперации энергии минимизирует предельные флуктуации уровня входной мощности из источника 151 мощности, который, кроме того, может лишь подавать мощность, но не поглощать ее. Кроме того, система 150 рекуперации энергии, преимущественно, управляет сохранением энергии в резервуаре 154 таким образом, чтобы минимизировать флуктуации источника энергии и оптимизировать емкость резервуара.

[0089] Несмотря на то, что только лишь несколько иллюстративных вариантов реализации было подробно описано выше, специалисту в данной области техники будет несложно понять, что возможен широкий ряд модификаций иллюстративных вариантов реализации без существенного выхода за рамки новых решений и преимуществ вариантов реализации настоящего изобретения. Например, варианты реализации настоящего изобретения могут быть, преимущественно, использованы в любом приводе двигателя, который требует периодического ускорения и замедления. Кроме того, варианты реализации настоящего изобретения могут быть, преимущественно, использованы в любой схеме привода циклической нагрузки, которая управляет нагрузкой циклической характеристики, которая сохраняет энергию циклическим образом. Кроме того, варианты реализации настоящего изобретения также применимы к другим устройствам, которые преобразуют электрическую энергию в линейное движение, например, линейные двигатели. Линейные двигатели, особенно предназначенные для промышленных применений, почти всегда двигаются с колебательными движениями (исключения составляют некоторые аттракционы с горками и поезда на магнитной подвеске). Электрические линейные двигатели функционируют подобно «размотанным» вращательным электрическим двигателям и доступны в тех же подтипах, что и индуктивный двигатель, двигатель на постоянных магнитах, двигатель с переменным током, двигатель с постоянным током, двигатель с щетками, бесщеточные двигатели, синусоидальные двигатели и т.д., а принципы хранения энергии и приведения в действие по существу являются такими же, как описано в настоящем документе. Следовательно, предполагается, что все такие модификации включены в объем вариантов реализации настоящего изобретения, определенный в следующих пунктах формулы изобретения. Предполагается, что в пунктах формулы изобретения части, представленные в форме «средство-плюс-функция», охватывают структуры, описанные в настоящем документе, в качестве таких, которые выполняют указанную функцию и не только структурные эквиваленты, но также и эквивалентные структуры.

[0090] Кроме того, любые ссылочные обозначения, заключенные в скобки, в одном или более пунктах формулы изобретения не следует считать ограничением пунктов формулы изобретения. Термин «содержащий» и «содержит», а также подобные, не исключает наличия элементов или этапов, отличающихся от перечисленных в любом пункте формулы изобретения или во всем описании. Ссылка на элемент в единственном числе не исключает ссылки на такие элементы во множественном числе, и наоборот. Один или более вариантов реализации настоящего изобретения могут быть реализованы посредством аппаратного обеспечения, содержащего несколько разных элементов, и/или посредством подходящим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения на устройство, в котором перечислено несколько средств, несколько из этих средств могут быть реализованы одним и тем же элементом аппаратного обеспечения. Сам по себе тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть с успехом использована.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, питающихся от батарей. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности работы системы. Система (50) рекуперации энергии торможения для электрического двигателя (62) содержит первый регулятор (52), устройство (54) хранения энергии, второй регулятор (56), датчик (60) и контроллер (58). Первый регулятор (52) выдает напряжение звена постоянного тока на устройство (54) хранения энергии. Второй регулятор (56) соединен с устройством хранения энергии и выдает сигнал привода двигателя на электрический двигатель (62). Датчик (60) обнаруживает рабочую характеристику электрического двигателя. Контроллер (58) выдает на первый регулятор сигнал (74) управления энергией, который содержит переменный во времени сигнал в функции от (i) скорости двигателя и/или (ii) обратной ЭДС, определенной посредством обнаруженной характеристики, причем первый регулятор (52) динамически регулирует напряжение звена постоянного тока, с тем чтобы поддерживать по существу постоянным баланс энергии, который содержит сумму (a) вращательной и/или линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система (50) рекуперации энергии торможения электрического двигателя (62), содержащая:

первый регулятор (52), имеющий вход для приема входного напряжения и выход для выдачи напряжения звена постоянного тока;

устройство (54) хранения энергии, соединенное с выходом первого регулятора (52);

второй регулятор (56), имеющий вход, соединенный с устройством (54) хранения энергии, и выход для выдачи сигнала привода двигателя на электрический двигатель (62); и

средства (60) обнаружения характеристики электрического двигателя (62), функционирующего в ответ на сигнал привода двигателя;

отличающаяся тем, что дополнительно содержит

контроллер (58) для приема обнаруженной характеристики и выдачи сигнала (74) управления энергией на первый регулятор (52) в ответ на обнаруженную характеристику,

причем сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере от одного из параметров, включающих (i) скорость двигателя и (ii) обратную ЭДС, определенную посредством обнаруженной характеристики, а

первый регулятор (52) выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока с тем, чтобы поддерживать по существу постоянным баланс энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.

2. Система (50) по п. 1, в которой по существу постоянное значение содержит изменение, которое меньше, чем обусловленная изменяющейся скоростью величина изменения общей энергии, включающей по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя.

3. Система (50) по п. 1, в которой скорость двигателя содержит по меньшей мере первую скорость и вторую скорость, которая меньше, чем первая скорость,

причем также (i) при реагировании на сигнал (74) управления энергией, определяемый для первой скорости, напряжение звена постоянного тока имеет первый уровень напряжения и (ii) при реагировании на сигнал управления энергией, определяемый для второй скорости, напряжение звена постоянного тока имеет второй уровень напряжения, который выше, чем первый уровень напряжения.

4. Система (50) по п. 1, в которой сигнал (74) управления энергией содержит одно, выбранное из группы, состоящей из:

(i) заданного значения регулятора напряжения, определяемого в соответствии с таблицей соответствия значений скорости электрического двигателя и напряжения звена постоянного тока,

(ii) заданного значения регулятора напряжения, определяемого динамическим образом в соответствии с передаточной функцией управления энергией для преобразования скорости электрического двигателя в значение напряжения звена постоянного тока, и

(iii) алгоритма, реализация которого обеспечивает минимизацию общей емкости, необходимой для устройства хранения энергии для заданного определенного диапазона скоростей двигателя.

5. Система (50) по п. 1, в которой первый регулятор (52) содержит по меньшей мере один из повышающего преобразователя и понижающего преобразователя (88), а сигнал (74) управления энергией содержит сигнал заданного значения регулировки в функции от скорости двигателя или обратной ЭДС.

6. Система (50) по п. 5, в которой первый регулятор (52) дополнительно содержит регулятор напряжения, который содержит повышающий преобразователь (88) и понижающий переключатель (90), соединенный с повышающим преобразователем (88),

причем контроллер (58) дополнительно выполнен с возможностью выдачи на регулятор напряжения сигнала (92) вольтодобавки, в ответ на который понижающий переключатель (90) обеспечивает подачу входного напряжения на повышающий преобразователь (88).

7. Система (50) по п. 1, в которой второй регулятор (52) содержит регулятор двигателя, который содержит регулятор (94) тока и коммутационные переключатели (96),

причем в ответ на управляющие сигналы регулятора двигателя, принятые регулятором (52) двигателя, (i) регулятор (94) тока подает ток на коммутационные переключатели (96) и (ii) коммутационные переключатели (96) выдают фазозависимые сигналы привода двигателя на электрический двигатель (62).

8. Система (50) по п. 7, в которой фазозависимые сигналы привода двигателя содержат одно из трапецеидальных сигналов привода двигателя и синусоидальных сигналов привода двигателя.

9. Система (50) по п. 1, в которой средства (60) обнаружения содержат по меньшей мере одно, выбранное из группы, состоящей из датчиков Холла, оптических кодовых датчиков, датчиков угла поворота, датчиков тока и датчиков противодействующей ЭДС двигателя.

10. Система (50) по п. 1, в которой наклон зависящего от времени профиля напряжения звена постоянного тока и наклон зависящего от времени профиля скорости двигателя или обратной ЭДС, синхронизированного с зависящим от времени профиля напряжения звена постоянного тока, по существу соответствуют друг другу с противоположным знаком, плюс или минус, во время периодов ускорения двигателя и периодов замедления двигателя.

11. Система (50) по п. 1, которая дополнительно содержит

электрический двигатель (62), который содержит двигатель, выбранный из группы, состоящей из бесщеточного электрического двигателя и электрического двигателя со щетками.

12. Система (50) по п. 1, в которой электрический двигатель (62) образует часть узла нагнетания воздуха для медицинского устройства для искусственной вентиляции легких, которое содержит лопастное колесо, выполненное с возможностью создания потока воздуха,

причем по меньшей мере одна из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя (62) также включает по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии одного или более из группы компонентов, содержащей электрический двигатель, лопастное колесо и любую другую подключенную часть с вращательным или линейным движением.

13. Система (50) по п. 1, в которой электрический двигатель (62) образует часть ходовой части автотранспортного средства, которое содержит силовую передачу и колеса,

причем по меньшей мере одна из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя (62) также включает по меньшей мере одну из вращательной и линейной кинетической энергии одного или более компонентов из группы, состоящей из электрического двигателя, силовой передачи, колес и любой другой подключенной части с вращательным или линейным движением.

14. Медицинское устройство для искусственной вентиляции легких, содержащее:

нагнетательный узел, который содержит электрический двигатель (62) и лопастное колесо, выполненное с возможностью создания потока воздуха; и

систему (50) рекуперации энергии торможения для электрического двигателя (62) по п. 1.

15. Способ рекуперации энергии торможения для электрического двигателя (62), включающий:

обеспечение первого регулятора (52), имеющего вход для приема входного напряжения и выход для выдачи напряжения звена постоянного тока;

обеспечение устройства (54) хранения энергии, соединенного с выходом первого регулятора (52);

обеспечение второго регулятора (56), имеющего вход, соединенный с устройством (54) хранения энергии, и выход для выдачи сигнала привода двигателя на электрический двигатель;

обнаружение характеристики электрического двигателя (62), работающего исходя из сигнала привода двигателя;

отличающийся тем, что он дополнительно включает

прием посредством контроллера (58) обнаруженной характеристики и выдачу посредством контроллера сигнала (74) управления энергией на первый регулятор (52) в ответ на обнаруженную характеристику,

причем сигнал управления энергией содержит переменный во времени сигнал в функции по меньшей мере от одного из параметров, включающих (i) скорость двигателя и (ii) обратную ЭДС, определенную посредством обнаруженной характеристики, а

первый регулятор (52) выполнен с возможностью реагирования на сигнал управления энергией для динамической регулировки напряжения звена постоянного тока с тем, чтобы поддерживать по существу постоянным баланс энергии, который содержит сумму (a) по меньшей мере одной из вращательной и линейной кинетической энергии электрического двигателя и (b) энергии, хранящейся в устройстве хранения энергии.