專利名稱：恒定功率的電氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及恒定功率的電氣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當電機的永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，其在電機的繞組內(nèi)感生反電動勢。當轉(zhuǎn)子加速時，該反電動勢的大小増加。由此變得越來越難以驅(qū)動電流，且由此驅(qū)動功率，至電機中。因此，在電機的功率上的控制變得越來越難。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供一種電氣系統(tǒng)，其包括單相永磁電機和用于驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)順序地勵磁電機的繞組和使其續(xù)流，以在ー跨越至少IOkrpm的速度范圍和在最小和最大電壓之間延伸的勵磁電壓的至少之ー上保持基本上恒定功率，該最小電壓小于最大電壓的80*%。因此，控制系統(tǒng)控制繞組的勵磁和續(xù)流，使得電機的功率在一速度范圍和ー電壓范圍的至少ー個上是恒定的?？刂葡到y(tǒng)可保持恒定輸入功率或恒定輸出功率。但是，優(yōu)選地，電機的效率在該速度范圍和/或電壓范圍上是基本上恒定的，使得輸入功率和輸出功率二者都恒定。在該例中基本上恒定的功率應被理解為表示功率中的變化不大于+/_5%。在下降反電動勢的區(qū)域中，對于給定水平的電流，較少的扭矩被實現(xiàn)。因此，通過使得繞組在該區(qū)域中續(xù)流，可實現(xiàn)更高效的電機。附加地，由于繞組中的反電動勢下降，如果勵磁電壓超過該下降的反電動勢，可出現(xiàn)電流尖峰。通過在下降的反電動勢區(qū)域中使得繞組續(xù)流，電流尖峰可被避免且由此更平滑的電流波形可被實現(xiàn)。優(yōu)選地，該運行速度范圍具有大于60krpm的最小值和大于80krpm的最大值。更優(yōu)選地，最大值大于lOOkrpm。因此,在ー相對高速的范圍內(nèi)可實現(xiàn)恒定的功率?？刂葡到y(tǒng)有利地提前于繞組中的反電動勢的過零ー提前角來勵磁繞組，且在續(xù)流角范圍內(nèi)使得繞組續(xù)流。控制系統(tǒng)則響應馬達的速度的改變而改變提前角和續(xù)流角中的至少ー個，以在該運行速度范圍內(nèi)保持基本上恒定的功率。替換地，或附加地，控制系統(tǒng)響應勵磁電壓的改變而改變提前角和續(xù)流角二者，以在該勵磁電壓范圍內(nèi)保持基本上恒定的功率。當電機的速度變化時，繞組中感生的反電動勢的大小和由此電機的功率也變化。通過響應速度的變化而改變提前角和續(xù)流角至少之一，可實現(xiàn)電機的效率和功率二者的更好控制。特別地，通過響應電機的速度的增加而增加提前角，電流可在更早階段被驅(qū)動至繞組中以補償反電動勢中的增加。同樣地，通過響應速度的增加而減小續(xù)流角，電流可在更長時間段中被驅(qū)動至繞組中以補償反電動勢中的增カロ。因此，不管電機的速度中的變化，可實現(xiàn)相同的功率。響應勵磁電壓的降低，提前角被優(yōu)選地増加且續(xù)流角被優(yōu)選地減小。因此，隨著勵磁電壓降低，電流在更早階段且在更長時間段內(nèi)被驅(qū)動至繞組中，由此補償勵磁電壓的降低。因此，不管勵磁電壓中的下降，可實現(xiàn)相同的功率?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動電機，使得電機跨該速度范圍和/或電壓范圍具有優(yōu)選地至少80%的效率(輸出功率對輸入功率的比)。因此，可實現(xiàn)恒定功率的高效率電氣系統(tǒng)。每個電半周期包括單個驅(qū)動時間段和單個續(xù)流時間段?？刂葡到y(tǒng)則在驅(qū)動時間段勵磁電機的繞組，在續(xù)流時間段使得繞組續(xù)流。電機理想地包括c形定子，繞組繞該定子纏繞。這則簡化了電機的組裝。而且，可實現(xiàn)對于繞組的高填充因數(shù)，以由此降低銅損和改善效率。電機可具有永磁轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有小于IOmm的直徑。因此，可實現(xiàn)相對較小的高速電機。在第二方面，本發(fā)明提供ー種產(chǎn)品，其包括電池組和如前述段落中任一個描述的電氣系統(tǒng)。控制系統(tǒng)則利用電池的電壓勵磁繞組。該控制系統(tǒng)可響應電池組的電壓的改變 而改變繞組被勵磁的時間和/或繞組被續(xù)流的時間。在第三方面，本發(fā)明提供ー種真空吸塵器，其包括如前述段落中任ー個描述的電氣系統(tǒng)。控制系統(tǒng)可改變繞組被勵磁的時間和/或繞組續(xù)流的時間，使得真空吸塵器在一負載范圍內(nèi)保持基本上恒定的吸力。而且，控制系統(tǒng)可改變繞組被勵磁的時間和/或繞組續(xù)流的時間，使得真空吸塵器響應勵磁電壓的改變而保持基本上恒定的吸力。特別地，當勵磁電壓由電池組提供時，控制系統(tǒng)改變勵磁時間和/或續(xù)流時間，使得當電池組放電時真空吸塵器保持基本上恒定的吸力。


為了本發(fā)明可被更容易地理解，本發(fā)明的實施例現(xiàn)在將要參考附圖通過實例而被描述，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的方框圖；圖2是圖I的產(chǎn)品的馬達系統(tǒng)的方框圖；圖3是馬達系統(tǒng)的示意圖；圖4是馬達系統(tǒng)的電流控制器的示意圖；圖5示出電流控制期間的馬達系統(tǒng)的波形；圖6示出當以高速操作時馬達系統(tǒng)的波形；圖7是提前角和續(xù)流角度對勵磁電壓的圖表；以及圖8是真空吸塵器形式的本發(fā)明的產(chǎn)品。
具體實施例方式圖I的產(chǎn)品I包括電源2、用戶接ロ 3、附件4、和馬達系統(tǒng)5。電源2包括電池組，其供應直流電壓給附件4和馬達系統(tǒng)5。電源2可從產(chǎn)品I拆卸，從而產(chǎn)品I可和不同的電池組一起使用。為了本說明的目的，電源2是提供16. 4V直流供電的4芯電池組或者提供24. 6V直流供電的6芯電池。除了提供電源電壓，電源輸出識別信號(identification signal),其對于電池組的類型是獨ー無ニ的。該ID信號采取方波信號的形式，該方波信號具有根據(jù)電池組的類型變化的頻率。在本例子中，4芯電池組輸出具有25赫茲頻率的ID信號(20ms脈沖長度)，而6芯電池組輸出具有50赫茲頻率的ID信號(IOms脈沖長度)。ID信號被電源2持續(xù)輸出直到電源2內(nèi)檢出故障時,例如電池欠壓或者過溫。如下所述，ID信號被馬達系統(tǒng)5使用以識別電源2的類型和定期地檢查電源運行正確。用戶接ロ 3包括電源開關(guān)6和功率模式選擇開關(guān)7。電源開關(guān)6被用于將產(chǎn)品I通電和斷電。響應電源開關(guān)6的閉合，閉合電路被形成在電源2和附件4與馬達系統(tǒng)5每ー個之間。電源模式選擇開關(guān)7被用于控制馬達系統(tǒng)5操作在高功率模式還是低功率模式中。當電源模式選擇開關(guān)7被閉合時，邏輯上的高功率模式信號被輸出到馬達系統(tǒng)5。附件4被可去除地附連至產(chǎn)品I。當附連至產(chǎn)品I并且產(chǎn)品I被供電時，附件4從電源2汲取電カ并且輸出附件信號給馬達系統(tǒng)5。不是每當附件4被附連并且產(chǎn)品I被供電時連續(xù)地汲取電力，附件4可包括電源開關(guān)(未示出)，例如形成用戶接ロ 3的一部分。附件4然后只有當附件電源開關(guān)被閉合時汲取電カ和輸出附件信號?，F(xiàn)在參考圖2和3，馬達系統(tǒng)5包括電馬達8和控制系統(tǒng)9。
馬達8包括ニ極永磁轉(zhuǎn)子17，其相對于定子18旋轉(zhuǎn)，單向繞組19纏繞該定子。定子18是C形狀，其能實現(xiàn)用于繞組19的高填充因數(shù)。相應地，銅損可被減少，藉此改進馬達8的效率?？刂葡到y(tǒng)9包括濾波器模塊10、逆變器(inverter) 11、門驅(qū)動器模塊12、位置傳感器13、電流傳感器14、電流控制器15、和驅(qū)動控制器16。濾波器模塊10鏈接產(chǎn)品I的電源2至逆變器11，且包括并聯(lián)布置的ー對電容器Cl、C2。濾波器模塊10用于減少鏈接至逆變器11的電壓中的脈動。逆變器11包括四個功率開關(guān)Q1-Q4的全橋(ful 1-bridge)，其鏈接電源2至馬達8的繞組19。每個功率開關(guān)QI-Q4是MOSFET，其提供電源2的電壓范圍上的高速切換和良好的效率。但是其它類型的功率開關(guān)可能被使用，例如IGBT或者BJT，特別如果電源2的電壓超過MOSFET的電壓等級時。姆ー開關(guān)Q1-Q4包括反激式ニ極管(flyback diode),其在切換期間保護開關(guān)不受來自于馬達8的反電動勢的電壓尖峰損害。當?shù)谝粚﹂_關(guān)Ql、Q4被閉合時，繞組19被以第一方向勵磁(從左至右的勵磁)，導致電流沿繞組19以第一方向驅(qū)動。當?shù)诙﹂_關(guān)Q2、Q3被閉合時，繞組19被以相反方向勵磁(從右至左的勵磁)，導致電流繞繞組19以相反方向驅(qū)動。由此，逆變器11的開關(guān)Ql-Q可以被控制以在繞組19中換流。除了勵磁繞組19，逆變器11可被控制以使得繞組19續(xù)流(flywheel)。續(xù)流發(fā)生在繞組19被從電源2提供的勵磁電壓斷開時。這可通過斷開逆變器11的所有開關(guān)Q1-Q4而發(fā)生。但是，如果高壓側(cè)開關(guān)Q1、Q3或者低壓側(cè)開關(guān)Q2、Q4在續(xù)流期間被閉合，馬達系統(tǒng)5的效率被改善。通過閉合高壓側(cè)開關(guān)Q1、Q3或者低壓側(cè)開關(guān)Q2、Q4，繞組19中的電流能通過開關(guān)而不是較少效率的反激式ニ極管再循環(huán)。用于本說明的目的，續(xù)流通過閉合低壓側(cè)開關(guān)Q2、Q4 二者實現(xiàn)。但是，應理解續(xù)流可以同樣地通過閉合高壓側(cè)開關(guān)Ql、3或者斷開所有開關(guān)Q1-Q4實現(xiàn)。門驅(qū)動器模塊12響應從驅(qū)動控制器16接收的控制信號S1-S4驅(qū)動逆變器11的開關(guān)Q1-Q4的斷開和閉合。門驅(qū)動器模塊12包括四個門驅(qū)動器20-23，每個門驅(qū)動器響應來自于驅(qū)動控制器16的控制信號S1-S4驅(qū)動各自的開關(guān)Q1-Q4。負責高壓側(cè)開關(guān)Ql、Q3的門驅(qū)動器20、22還附加地響應從電流控制器15接收的過流信號而被驅(qū)動。響應該過流信號，門驅(qū)動器20、22斷開高壓側(cè)開關(guān)Q1、Q3。過流信號優(yōu)先于驅(qū)動控制器16的控制信號SI、S3，從而高壓側(cè)開關(guān)Ql、Q3響應該過流信號被斷開而不管控制信號SI、S3的狀態(tài)。該水平的控制可通過在高壓側(cè)門驅(qū)動器20、22處設(shè)置NOR門被實現(xiàn)。表I總結(jié)了開關(guān)Q1-Q4響應驅(qū)動控制器16的控制信號S1-S4和電流控制器15的過流信號的允許狀態(tài)。由于NOR門在高壓側(cè)門驅(qū)動器20、22的輸入上的操作，高壓側(cè)開關(guān)Q1、Q3被邏輯上低的控制信號SI、S3閉合。
權(quán)利要求
1.一種電氣系統(tǒng)，其包括單相永磁電機和用于驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)順序地勵磁電機的繞組和使繞組續(xù)流，以在ー跨越至少IOkrpm的速度范圍和在最小和最大電壓之間延伸的勵磁電壓范圍的至少ー個上保持基本上恒定功率，該最小電壓小于最大電壓的80%。
2.如權(quán)利要求I所述的電氣系統(tǒng)，其中運行速度范圍具有大于60krpm的最小值和大于80krpm的最大值。
3.如權(quán)利要求2所述的電氣系統(tǒng)，其中最大值大于lOOkrpm。
4.如前述權(quán)利要求中任ー項所述的電氣系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)提前于繞組中的反電動勢的過零ー提前角勵磁繞組，在續(xù)流角范圍內(nèi)使得繞組續(xù)流，且響應電機的速度變化而改變提前角和續(xù)流角中的至少ー個，以在該運行速度范圍內(nèi)保持基本上恒定的功率。
5.如權(quán)利要求4所述的電氣系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)響應電機的速度增加而增大提前角。
6.如權(quán)利要求4或5述的電氣系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)響應電機的速度增加而減小續(xù)流角。
7.如前述權(quán)利要求中任ー項所述的電氣系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)提前于繞組中的反電動勢的過零ー提前角而勵磁繞組，在續(xù)流角范圍內(nèi)使得繞組續(xù)流，且響應勵磁電壓的變化而改變提前角和續(xù)流角，以在該勵磁電壓范圍內(nèi)保持基本上恒定的功率。
8.如前述權(quán)利要求中任ー項所述的電氣系統(tǒng)，其中電氣系統(tǒng)在速度范圍和電壓范圍的至少ー個上具有至少80%的效率。
9.如前述權(quán)利要求中任ー項所述的電氣系統(tǒng)，其中每個電半周期包括單個驅(qū)動時間段和 單個續(xù)流時間段，且該繞組在驅(qū)動時間段中被勵磁和在續(xù)流時間段中被續(xù)流。
10.如前述權(quán)利要求中任ー項所述的電氣系統(tǒng)，其中電氣系統(tǒng)包括c形定子，繞組繞該定子纏繞。
11.如前述權(quán)利要求中任ー項所述的電機,其中電機具有永磁轉(zhuǎn)子,該轉(zhuǎn)子具有小于IOmm的直徑。
12.—種產(chǎn)品,包括電池組和如前述權(quán)利要求中任一項所述的電氣系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)利用電池組的電壓勵磁繞組。
13.ー種真空吸塵器，包括如權(quán)利要求1-12任一項所述的電氣系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求13所述的真空吸塵器，其中控制系統(tǒng)順序地勵磁電機的繞組和使繞組續(xù)流，使得真空吸塵器在ー負載范圍內(nèi)保持基本上恒定的吸力。
15.如權(quán)利要求13或14的真空吸塵器，其中控制系統(tǒng)順序地勵磁電機的繞組和使繞組續(xù)流，從而真空吸塵器響應勵磁電壓的變化而保持基本上恒定的吸力。
16.如權(quán)利要求15所述的真空吸塵器，其中真空吸塵器包括電池組且真空吸塵器在電池組放電時保持基本上恒定的吸力。
全文摘要
一種電氣系統(tǒng)，其包括單相永磁電機和用于驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)順序地勵磁電機的繞組和使其續(xù)流，以在一跨越至少10krpm的速度范圍和在最小和最大電壓之間延伸的勵磁電壓的至少之一上保持基本上恒定功率，該最小電壓小于最大電壓的80％。附加地，真空吸塵器包括該電氣系統(tǒng)。
文檔編號H02P6/14GK102804588SQ201080024791
公開日2012年11月28日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月4日
發(fā)明者A.克洛西爾, T.塞里克 申請人:戴森技術(shù)有限公司