專利名稱：低噪聲的加熱、通風和/或空氣調(diào)節(jié)(hvac)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉^J^熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包 括^f吏用一個或者多個例如吹風機的空氣移動部件的HVAC系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本部分的描述僅僅提供與本發(fā)明相關(guān)的背景信息，并且可能不構(gòu)成現(xiàn) 有技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中已知各種用于提供加熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié)(HVAC) 的環(huán)境控制系統(tǒng)。許多這樣的系統(tǒng)使用一個或者多個空氣移動部件，包括 吹風機(例如空氣處理器和循環(huán)風扇)、冷卻風扇、通風導引等。這些空 氣移動部件通常由電動機驅(qū)動。盡管單速和多速電動機有時候用于驅(qū)動空 氣移動部件，近年來，離散速度的電動機已經(jīng)大部分被變速電動機所取代。在HVAC系統(tǒng)中用于驅(qū)動空氣移動部件的變速電動機，通常使用方波 激勵和控制技術(shù)(有時稱為"6步，，換向)。通常，這種變速電動機使用 方波控制信號來控制對電動機的三相繞組施加正負直流電壓。在任何給定 時間，正的直流電壓施加到相繞組之一，負的直流電壓施加到另一個相繞 組，而不激勵或"斷開，，第三個相繞組(未激勵的相繞組通常不是真正的 斷開，而是"飛"到保護二極管(catch diode)或者其他用于耗散剩余繞 組電流的設(shè)備)。通過隨后(并且突然地)在這三相繞組中旋轉(zhuǎn)正負直流 電壓的施加，形成旋轉(zhuǎn)的磁場，這導致電動枳減轉(zhuǎn)以驅(qū)動空氣移動部件。圖1示出了使用已知的方波換向技術(shù)在電動機中產(chǎn)生的相電流(圖1 中移動了電流分支，以清晰示出所有三相電流)。由于這種相繞組突然轉(zhuǎn) 換的方式，且其中一相繞組在任何時刻都未激勵，因此獲得的相電流是不連續(xù)的。如圖1中所示，每相電流在每個周期的約三分之一的時間內(nèi)為零 電壓電平。如圖2所示，已知的方波換向技術(shù)和獲得的不連續(xù)的相電流導致較高 的齒槽效應轉(zhuǎn)矩、以及較高的運行轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)矩諧波。這又將在電動機 和任何使用該電動機的HVAC系統(tǒng)中產(chǎn)生不希望的聲學噪聲和震動。由于 這些原因，許多現(xiàn)有的HVAC電動機利用機械阻尼材料將可旋轉(zhuǎn)組件(也 稱作轉(zhuǎn)子)耦合到電動機軸上，以減少噪聲和震動。并且，已知的方波換向技術(shù)被認為是相對低效的，且會在電動機上產(chǎn) 生大約百分之二 (2% )的效率損耗。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個實例， 一種加熱、通風和/或空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系 統(tǒng)包括系統(tǒng)控制器、電動機控制器、空氣移動部件和永久磁體電動機，該 電動機具有靜止組件、與該靜止組件磁耦合關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)組件、以及耦 合至空氣移動部件的軸。電動機控制器配置為響應于從系統(tǒng)控制器接收一 個或多個控制信號進行正弦波換向，以在永久磁體電動機中產(chǎn)生驅(qū)動空氣 移動部件的連續(xù)相電流。根據(jù)本發(fā)明的另一個實例，提供了一種方法，用于響應于控制信號驅(qū) 動加熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)的空氣移動部件。該HVAC 系統(tǒng)包括永久磁體電動機，該電動機具有靜止組件和與該靜止組件磁耦合 關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)組件?？尚D(zhuǎn)組件在驅(qū)動時與空氣移動部件耦合關(guān)聯(lián)。所述 方法包括接收至少一個來自系統(tǒng)控制器的控制信號，以及響應于從系統(tǒng)控 制器接收的控制信號，進行正弦波換向，以在永久磁體電動機中產(chǎn)生驅(qū)動 空氣移動部件的連續(xù)相電流。根據(jù)本發(fā)明的另一個實例， 一種用于加熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié) (HVAC)系統(tǒng)的吹風組件包括電動機控制器、吹風機、以及永久磁體 電動機，該電動機具有靜止組件、與該靜止組件磁耦合關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)組 件、以及耦合到吹風機的軸。電動機控制器配置為響應于從系統(tǒng)控制器接收的一個或多個控制信號進行正弦波換向，以在永久磁體電動機中產(chǎn)生驅(qū) 動吹風才幾的連續(xù)相電流。根據(jù)本發(fā)明的另 一個實例， 一種用于HVAC系統(tǒng)的電動機和控制器組 件包括電動機控制器，所述控制器配置為接收一個或多個來自HVAC系 統(tǒng)控制器的控制信號，并且當空氣移動部件在驅(qū)動中與永久磁體電動才幾耦 合關(guān)聯(lián)時，所述控制器響應于接收的控制信號，進行正弦波換向，以在永 久磁體電動機中產(chǎn)生驅(qū)動空氣移動部件的連續(xù)相電流。通過這里提供的描述，其他應用領(lǐng)域?qū)⒆兊蔑@而易見。可以理解，所 述說明和具體實例僅僅用于示例的目的，并不限定本發(fā)明的范圍。
下述附圖僅僅用于示例目的，并不以任何方式限定本發(fā)明的范圍。 圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的在方波換向控制下在變速電動機中產(chǎn)生的不 連續(xù)的相電流；圖2示出了在方波換向控制下的現(xiàn)有技術(shù)的變速HVAC電動機的較高 的齒槽效應轉(zhuǎn)矩；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于驅(qū)動HVAC系統(tǒng)的空氣移動部 件的方法的框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的具有電動機和用于驅(qū)動空氣移動部 件的電動機控制器的HVAC系統(tǒng)的才匡圖；圖5示出使用正弦波換向技術(shù)在圖4的永久磁體電動機中所產(chǎn)生的連 續(xù)的基本正弦的相電流；圖6示出了在正弦波換向控制下的圖4所示的永久磁體電動機的較低 的齒槽效應轉(zhuǎn)矩；圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的HVAC吹風才幾組件的框圖；以及 圖8是圖7所示控制器運行的無傳感器矢量控制圖的框圖。
具體實施方式
下面的iJL明只是示例性的，并不限定本發(fā)明的范圍，也不限定其潛在 的應用和使用。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種方法，用于響應于控制信號，驅(qū)動加熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)的空氣移動部件。該HVAC 系統(tǒng)包括永久磁體電動機，該電動機具有靜止組件(定子)和與該靜止組 件》茲耦合關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)組件(轉(zhuǎn)子)。可旋轉(zhuǎn)組件在驅(qū)動時與空氣移動部 件耦合關(guān)聯(lián)。如圖3所示，所述方法300包括接收至少一個來自系統(tǒng)控制 器的控制信號(框302)，以及響應于從系統(tǒng)控制器接收的該控制信號， 進行正弦波換向，以在永久磁體電動機中產(chǎn)生驅(qū)動空氣移動部件的連續(xù)相 電流(框304)。在HVAC系統(tǒng)中使用正弦波換向具有多個優(yōu)點，包括減 小永久磁體電動機的運行轉(zhuǎn)矩脈動，特別是與使用方波換向技術(shù)的現(xiàn)有電 動機相比。結(jié)果，HVAC系統(tǒng)產(chǎn)生的聲學噪聲同樣降低?，F(xiàn)在參考圖4描述實施圖3的方法300的系統(tǒng)的一個實例。然而，可 以理解，在不脫離本發(fā)明的范圍下，也可使用其他系統(tǒng)實施圖3所述的方 法。如圖4所示，系統(tǒng)400包括系統(tǒng)控制器402、電動機控制404、永久磁 體電動機406、和空氣移動部件410。永久磁體電動機406包括軸408、靜 止組件412和可旋轉(zhuǎn)組件414?？尚D(zhuǎn)組件414與靜止組件412磁耦合。 可旋轉(zhuǎn)組件414在這個特定實例中通過軸408耦合到空氣移動部件，以驅(qū) 動空氣移動部件410的旋轉(zhuǎn)。電動機控制器404配置為響應于從系統(tǒng)控制器402接收的一個或者多 個(模擬或者數(shù)字的)控制信號，進行正弦波換向，以在電磁電動機406 中產(chǎn)生用于驅(qū)動空氣移動部件410的連續(xù)相電流。如圖4所示，電動機控 制器404耦合到系統(tǒng)控制器402 ，以直接接收來自系統(tǒng)控制器402的控制 信號。例如，該控制信號可表示電動機406希望轉(zhuǎn)矩或速度。可選地是， 控制信號可表示空氣移動部件410產(chǎn)生的希望氣流。對于圖4所示的特定實施例，電動機控制器404配置為利用矢量控制 來進行正弦波換向，以保證在永久》茲體電動機中產(chǎn)生的連續(xù)相電流是基本正弦的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到，使用矢量控制技術(shù)(其涉及轉(zhuǎn)換到不 同的參考系)通常要求確定轉(zhuǎn)子位置。這可以使用傳感器或者無傳感器的 技術(shù)來實現(xiàn)。在空氣移動部件410是^JKL機、并且電動枳i控制器404配置為在恒定 空氣流模式運行的情況下(也稱作恒定立方英尺每分鐘(CFM)模式，在 該模式中控制吹風機以提供希望的氣流水平)，矢量控制結(jié)構(gòu)在永久磁體 電動機運行范圍內(nèi)提供基本恒定的轉(zhuǎn)矩。因此，恒定氣流控制規(guī)則不需要 解決轉(zhuǎn)矩的變化，所述轉(zhuǎn)矩變化可能隨著速度的變化等而發(fā)生。而且，由 于矢量控制結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應，基本沒有與恒定氣流控制回路的相互作用。 關(guān)于利用矢量控制(以及下文描述的速度、轉(zhuǎn)矩和恒定氣流控制方案)的 無傳感器控制技術(shù)和正弦波換向的其他細節(jié)在2005年12月2日提交的美 國申請ll/293,743和ll/293,744和美國專利6,326,750和6，756，757中描述， 其整體內(nèi)容在此引用作為參考?？諝庖苿硬考?10可以是^LK機，例如空氣處理器或者循環(huán)風扇、室 內(nèi)或者室外的冷卻風扇、通風導引等。然而，應當理解，在不脫離本發(fā)明 范圍下，其他類型的空氣移動部件也可在驅(qū)動中與可旋轉(zhuǎn)組件414耦合關(guān) 聯(lián)。并且，系統(tǒng)控制器402可以是恒溫器、與恒溫器通信的附加控制模塊、 或者用于HVAC系統(tǒng)400的獨立控制器。在圖4的實施例中，永久磁體電動機406是可變速的無刷永久磁體 (BPM)電動機，例如，具有分段定子的反電磁場(反emf) BPM電動機。 然而，應當理解，在不脫離本發(fā)明范圍下，其他類型的永久磁體電動機(包 括在轉(zhuǎn)子或定子上具有嵌入》茲體或者表面磁體的電動機，具有分段或不分 段定子的電動機和分離速度電動機)也可使用。在圖4的具體實施例中，靜止組件412包括三相繞組(未示出)，并 且，電動機控制器404配置為同時激勵所有三相繞組。圖5示出了在靜止 組件412的三相繞組中產(chǎn)生的連續(xù)且基本正弦的相電流(在圖5中移動電 流分支，以清楚地示出所有三相電流。)。相電流連續(xù)是因為它們每個基 本不具有零電壓周期。在圖5中所示的相電流也不是完全正弦的，由于其中，在電動機的反emf中存在諧波。如果需要，電動機控制器404可配置 為(使用現(xiàn)有技術(shù))產(chǎn)生連續(xù)相電流，其消除在永久磁體電動機的反emf 中的諧波的影響。關(guān)于消除反emf中的諧波的影響的更多細節(jié)在上述引用的申請和專利中公開。通過在電動機控制器404中使用正弦波換向，與現(xiàn)有技術(shù)中使用的方 波換向技術(shù)相比，提高了電動機406 (因此以及系統(tǒng)400)的效率。并且， 因為在永久磁體電動機中產(chǎn)生的連續(xù)相電流，獲得的運行轉(zhuǎn)矩基本無轉(zhuǎn)矩 脈動，而轉(zhuǎn)矩脈動會產(chǎn)生聲學噪聲和震動。結(jié)果，在如圖4所示的特定實 施例中，可旋轉(zhuǎn)組件414未使用阻尼材料地耦合到軸408。從而，與要求 用阻尼材料減少聲學噪聲的電動^MU比，7Jc久磁體電動機406的制造成本 降低。然而，應該理解，在不脫離本發(fā)明范圍下，如果需要，仍可使用阻 尼材料。另外，圖4所示的電動才幾406，如圖6所示獲得了相對小的齒槽效應 轉(zhuǎn)矩，特別是與圖2所示在方波換向控制下現(xiàn)有技術(shù)的電動機的齒槽效應 轉(zhuǎn)矩相比。這也有助于減少HVAC系統(tǒng)中的聲學噪聲和震動。圖7示出了圖4的HVAC系統(tǒng)的具體實施例，其中空氣移動部件是吹 風機。在圖7的實施例中，系統(tǒng)控制器標明為"PC或者場"應用。圖8 提供了由圖7中所示的處理器印刷電路板(PCB)進行的無傳感器矢量控 制的框圖。在不脫離本發(fā)明范圍下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可對上面描述的 示例實施例和實施進行各種改變。從而，在上面描述中包括或者在相應附 圖中示出的所有內(nèi)容都應是示例性的，而不是限定性的。
權(quán)利要求
1.一種用于加熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié)(HVAC)的系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制器、電動機控制器、空氣移動部件、以及永久磁體電動機，該電動機具有靜止組件、與該靜止組件磁耦合關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)組件、以及耦合到所述空氣移動部件的軸，其中，所述電動機控制器被配置為，響應于從所述系統(tǒng)控制器接收的一個或多個控制信號進行正弦波換向，以在永久磁體電動機中產(chǎn)生用于驅(qū)動所述空氣移動部件的連續(xù)相電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的HVAC系統(tǒng)，其中，所述靜止組件包括多個相 繞組，并且所述電動機控制器被配置為同時激勵所有相繞組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的HVAC系統(tǒng)，其中，所述連續(xù)相電流是基本正 弦的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述可旋轉(zhuǎn)組件未使用阻 尼材料地耦合到所述軸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述空氣移動部件是^K機。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述空氣移動部件是通風 導引。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述空氣移動部件是冷卻 風扇。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述永久磁體電動機是無 刷永久磁體(BPM)電動機。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的HVAC系統(tǒng)，其中，所述BPM電動機;l^電動 勢BPM電動機。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)控制器包括恒 溫器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，至少一個來自所述系統(tǒng) 控制器的控制信號表示空氣移動部件的希望氣流。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，至少一個來自所述系統(tǒng) 控制器的控制信號表示所述永久磁體電動機的希望轉(zhuǎn)矩或速度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述電動機控制器被配 置為利用矢量控制進^f亍正弦波換向。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的HVAC系統(tǒng)，其中，所述電動機控制器被 配置為利用無傳感器矢量控制進行正弦波換向。
15. 根據(jù)權(quán)利要求3的HVAC系統(tǒng)，其中，所述電動機控制器被配 置為產(chǎn)生連續(xù)相電流，其消除在所述永久磁體電動機的反電動勢中的諧波 成分的影響。
16. —種用于加熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)的吹風機 組件，所述吹風機組件包括電動機控制器、吹風機、以及永久磁體電動 機，所述永久磁體電動機具有靜止組件、與該靜止組件磁耦合關(guān)聯(lián)的可 旋轉(zhuǎn)組件、和耦合到所述^X機的軸，其中，所述電動機控制器被配置為， 響應于從系統(tǒng)控制器接收的一個或多個控制信號進行正弦波換向，以在所 述永久磁體電動機中產(chǎn)生用于驅(qū)動所述吹風4幾的連續(xù)相電流。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的吹風機組件，其中，所述電動機控制器被配 置為利用無傳感器矢量控制進行正弦波換向。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的吹風機組件，其中，所述電動機控制器被配 置為產(chǎn)生連續(xù)相電流，其消除所述永久磁體電動機的反電動勢中的諧波成 分的影響。
19. 一種用于響應于控制信號驅(qū)動用于加熱、通風和/或空氣調(diào)節(jié) (HVAC)的系統(tǒng)的空氣移動部件的方法，所述HVAC系統(tǒng)包括永久磁體電動機，該電動機具有靜止組件和與該靜止組件磁耦合關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)組 件，所述可旋轉(zhuǎn)組件在驅(qū)動時與所述空氣移動部件耦合關(guān)聯(lián)，所述方法包 括，從系統(tǒng)控制器接收至少一個控制信號，以及響應于從所述系統(tǒng)控制器 接收的至少一個控制信號，進行正弦波換向，以在所述永久/f茲體電動機中 產(chǎn)生用于驅(qū)動所述空氣移動部件的連續(xù)電流。
20，根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，所述空氣移動部件是吹風機，并且其中，所述接收包括接收表示所述吹風機的希望氣流、所述永久磁體 電動機的希望轉(zhuǎn)矩、或者所述永久磁體電動機的希望速度的至少一個控制 信號。
全文摘要
一種加熱、通風和/或者空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制器、電動機控制器、空氣移動部件和、永久磁體電動機，該電動機具有靜止組件、與該靜止組件磁耦合關(guān)聯(lián)的可旋轉(zhuǎn)組件、和耦合到所述空氣移動部件的軸。電動機控制器配置為響應從系統(tǒng)控制器接收的一個或多個控制信號進行正弦波換向，以在永久磁體電動機中產(chǎn)生驅(qū)動空氣移動部件的連續(xù)相電流。通過使用正弦波換向(與方波換向?qū)Ρ?，可顯著減少HVAC系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲和震動。
文檔編號H02P6/10GK101237208SQ20081000941
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月1日
發(fā)明者A·E·伍德沃德, J·G·馬爾欽凱維奇, M·E·卡里爾, M·I·亨德森, P·B·夏希 申請人:艾默生電氣公司