專利名稱：使用相位定時提前的無刷直流電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電動機，具體地說，涉及包括相位定時提前的無刷直流電動機。
現(xiàn)有技術無刷直流電動機被認為是在給定的體積和重量下其轉矩和功率容量最高的直流電動機。其理由之一是由于使用稀土永磁體產生沒有損耗的強磁場，它在給定的電機繞組輸入電流下產生相對恒定的轉矩。雖然這一特性對許多工業(yè)應用非常有用，但是在某些應用中，如果能對轉矩/電流特性進行修正，將是非常有利的。對于地面交通的驅動系統(tǒng)就是這樣。
因為許多電動車輛具有有限的電源，所以長期來感到需要一種具有恒功率特性的電動機，以便最大限度地利用其特定的電池并使用于驅動車輛所需的電子設備最小。本發(fā)明提供了一種裝置，用來產生這一所需的特性，并且使對原有的無刷直流驅動系統(tǒng)的費用影響最小。
近來在美國、歐洲和日本對大氣質量的關心已經在車輛的高效率電驅動系統(tǒng)領域掀起了活動的高潮。雖然這種活動大部分集中于電池技術，但有足夠多的資金花在車輛系統(tǒng)的其它方面的改進上，以便從現(xiàn)有的有限的電池技術得到最佳的性能。
已經看到的作為對車輛的效率有重大影響的一個方面是驅動系統(tǒng)。用于電動車輛的驅動系統(tǒng)可以包括一個或多個電動機，和驅動輪相連的某些形式的機械傳動，以及用來向電動機輸送功率的電子控制和電源裝置。有許多可用于這一目的的不同的電動機技術，以及為實現(xiàn)所需結果而采用的許多電子裝置和控制方法。
對于一種車輛而言特定技術的選擇取決于幾個因素費用，效率，體積，重量，平衡性等等。目前，電動車輛電動機的主要競爭對手是異步電動機(感應電機)和同步電動機(永磁電機)。這兩類電機都需要用于產生供電動機運行的可變頻率和幅值的三相交流波形的電子裝置。
普遍認為永磁無刷電動機比感應電動機的效率高且重量輕，但是永磁無刷電動機的固有的在恒電流下有恒轉矩的特性在應用于電動車輛時被認為是一個缺點。
一般的車輛要求具有高的起動轉矩值以便快速地使車輛加速，并要求對于斜坡地區(qū)具有足夠的可爬坡性。在最高速度時，車輛需要較小的轉矩(或者可利用的功率是有限的)，而對于在正常路面上巡航，這是已經能夠滿足要求了。電動車輛的這些所需的特性和具有恒功率特性的電動機能很好地配合。
在電機控制的課題上為了獲得恒功率特性已經發(fā)表了許多文章。大部分文章都假定施加的驅動電流或電壓是正弦波，并且控制電壓和電流的主要作用是控制電流相對于轉子磁通矢量的相位關系，使得電流在電機內引起磁通量的凈減少，從而實現(xiàn)恒功率運行。雖然這種方法已經表明效果不錯，也能通過分析被很好地理解，但本發(fā)明還是提供了另外一種方法，它更為簡單并比上述方法可降低成本。
本發(fā)明的概述因而，本發(fā)明的目的在于克服上述的缺點。具體地說，本發(fā)明的目的在于在高速運行期間維持恒功率消耗。
本發(fā)明的另一個目的在于使電機的諧波損失全面地減少。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種系統(tǒng)，其中在較高的速度運行范圍內沒有脈寬調制損失。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種系統(tǒng)，它具有和車輛及其相關的電池特性密切配合的系統(tǒng)特性。
如上所述，本發(fā)明提供一種無刷電動機和驅動系統(tǒng)，包括(a)無刷直流電動機，包括具有三個相繞組的定子，以及和所述定子相應地設置的、具有在其上形成的磁性裝置的轉子；(b)檢測器，用于檢測所述轉子相對于所述定子的位置，并根據所述位置產生位置信號；(c)開關放大器，用來按照控制信號選擇性地向所述各相繞組的相應繞組提供電流；(d)用來接收所述位置信號、并按照所述位置信號產生所述控制信號的裝置，所述裝置包括用于產生所述控制信號的脈寬調制裝置。
本發(fā)明的其它特點、優(yōu)點和目的在閱讀最佳實施例的說明之后會看得更加清楚。
附圖的簡短說明

圖1是本發(fā)明的無刷電動機和驅動系統(tǒng)的示意圖；圖2是本發(fā)明的開關放大器的電路圖；圖3說明在本發(fā)明的無刷直流電機中由轉子的永磁體所產生的磁場分布；圖4是在電機的定子中產生的反電動勢的相位圖；圖5是用于開關放大器操作的開關時序圖；圖6是在不同速度下電機輸出功率對無刷電動機的相位提前的關系曲線；圖7是在不同速度下，電機的銅損對相位提前的關系曲線；圖8是在相位提前期間，開關放大器的開關元件中的電流導通情況；圖9說明相位提前系統(tǒng)的操作；圖10說明常規(guī)的驅動裝置的設計要點；圖11說明本發(fā)明的相位提前驅動系統(tǒng)的設計要點。
最佳實施例的說明參看圖1，本發(fā)明的無刷電動機系統(tǒng)包括三相線繞永磁體電動機10，脈寬調制的三相六級驅動裝置20，和向驅動裝置20輸出位置信號的低分辨率轉子位置檢測器30(例如3個數(shù)字型霍爾效應磁傳感器陣列)。驅動裝置20從位置信號中導出換向信號。驅動裝置20包括一個邏輯電路或處理器22，它包括一個脈寬調制器(PWM)，換向控制器以及在邏輯電路或處理器22內部的電路或軟件程序，所述電路或軟件程序能夠使低分辨率位置檢測器30反饋的位置信號(換向信號)發(fā)生時間偏移。邏輯電路或處理器22可以包括用來產生控制信號的硬件電路，或包括可以被合適地編程的微處理器裝置。驅動裝置20還包括開關放大器24，它由來自邏輯電路或處理器22的輸出所控制，并有選擇地向電機10的各個繞組供給電流。驅動裝置由直流電壓源供電，直流電壓可以用許多方式獲得，其中包括但并不限于電池、整流的交流市電電壓、整流的來自交流發(fā)電機的交流電壓、來自直流發(fā)電機的電壓，來自太陽能光電池陣列的電壓或任何其它型式的電源。
轉子位置檢測器30用于檢測電機磁體產生的磁場。另外，也可以用一個單獨的磁性器件和轉子相連，檢測裝置30可以檢測這單獨的磁性器件，從而產生和主電機轉子磁場相同的磁位置信息。另外，轉子位置檢測器可以是數(shù)字式光檢測型的，它按照連接于轉子上的光遮斷器檢測光源。
更詳細地說，無刷電機10包括定子12和轉子16。定子包括三相繞組(其中每相標號分別為A，B和C)。轉子含有沿其圓周設置的永磁體18，用于產生磁通。最好把磁體表面安裝于轉子上，也可以包括釹鐵硼磁體。如果該系統(tǒng)要在高溫下使用，則磁體最好由釤鈷合金制成。轉子可以包括實心鋼質旋轉返回通路，從而提供低成本結構。按另外方式，轉子也可以包括層疊鐵磁材料的旋轉返回通路以便降低轉子損失?；蛘撸D子可以包括非晶磁材料旋轉返回通路，以便降低轉子損失。
圖3說明在電機10內只由轉子的永磁體產生的磁場的磁場分布。本發(fā)明的驅動系統(tǒng)可以用于電動車輛，例如具有一個不可調整的傳動裝置，以便把電機速度降低到所需的車輛速度。
現(xiàn)在參見圖3，定子12包括許多齒14。轉子16借助于空氣隙G和定子12隔開。轉子16具有一個形成在其上的表面安裝的永磁鐵18。如同本領域技術人員所理解的，當轉子在定子內旋轉時，在定子12的各個繞組內產生反電動勢(EMF)。圖4說明在A，B和C每個繞組內相對于中性點所產生的各個反電勢的波形。由圖4可以看出，反電勢EMF趨向于呈現(xiàn)大體上的正弦波形。
圖2說明開關放大器24的開關的結構。參看圖2，每個端子A，B和C(以及A’，B’和C’)接收來自邏輯電路或處理器22的開關控制信號。開關放大器24包括許多開關元件25a，25b和25c，以及開關元件26a，26b和26c。Vin表示輸入到開關放大器24的電壓。開關元件25a，25b和25c最好是IGBT器件，下開關元件26a，26b和26c則是MOSFET器件。此外，所有開關元件可以是MOSFET(對于低電壓操作)器件或IGBT器件，或是任何其它合適的開關器件。最好用MOSFET器件制成下開關26a，26b和26c，從而在較高的開關頻率下提供較低的PWM開關損失。開關放大器通過端子28a，28b和28c連接于電機10的各個繞組。開關放大器24包括電流傳感器27a和27b，它們可以是霍爾效應型傳感器。
放大器24可以產生三相交流矩形波而不是正弦波，以便簡化控制并降低開關損失。
圖5說明用于開關放大器的開關結構的一個例子。即，當邏輯電路或處理器22把輸入波形A供給端子A，把輸入波形A’供給端子A’時，供給A繞組的合成電流波形表示為A相電流。顯然，A相電流基本上是正弦的，并有意地設計成和在定子繞組中產生的反電勢相類似的波形。對于B相和C相，除去相位不同之外，開關波形圖應該類似于圖5。
這種驅動裝置的結構的思路是使在所有運行方式下把系統(tǒng)損失減至最小。在低速運行期間，這時永磁電機10的反電勢小于電源的平均直流輸入電壓，該驅動裝置使得三相橋的上開關(25a，25b和25c)中的單獨一個導通1/3電周期(即交流電特性的120°角)，并在這期間使三個下開關(26a，26b和26c)中的一個工作。這一操作的凈效果是，電流被驅動進入電機線路A，B，C中的一個(見圖1)，并通過另外的電機線路中的一根線返回放大器。這一模式隨定子和轉子的相對位置而改變，從而在電機的360度電角的周期內形成6個不同的模式，因而稱為6步驅動。在這一期間內，只有一個開關由于PWM作用而有開關損失，這便大大減少了半導體損失，并且加在電機上的電壓基本上和位置檢測器中心同相。
當電動機的速度接近于使產生的反電勢和施加的直流電壓相同的程度時，放大器向電動機提供電流的能力減小，這使得在這一速度下的轉矩減小，最終使速度受到限制。在此狀態(tài)下，PWM操作已經達到100％的占空比，由于這一效果，基本上消除了在放大器和電動機中的全部最終損失，相位提前電路或算法使所需的上開關或下開關按照6步操作的要求提前導通。該提前導通的效果是使在相應的電機繞組上的交流電壓的值小于所加的直流電壓時就把直流電壓加到電機繞組上。這使得有一個電流給繞組“預充電”，而這時轉子的位置還處于這個流過的電流還不能產生足夠的轉矩的情況。當轉子轉到所產生的反電勢已經超過施加的直流電壓時，即使現(xiàn)在由于對電機電感施加的負電壓而使電流正在減小，在該繞組中的電流已經上升到能產生足夠大的轉矩的值。結果是，較為標準的無刷直流電動機的速度范圍可被明顯地擴展，從而實現(xiàn)所需的恒功率特性而不需顯著地增加費用。
圖6說明在電動機轉子的不同速度下所需的相位提前角與電動機輸出功率的關系，曲線中表示的信息最好被存儲在邏輯電路或處理器22中，供在電機驅動期間使用。從圖可清楚地看出，隨著電機速度的增加，電機的輸出功率與相位提前角的關系曲線基本上呈直線。
不過，由圖7說明的在不同的速度下電機的銅損對相位角的關系可見，在繞組中確實產生一些功率損耗。例如，參見圖6，為了在4000RPM的轉速下獲得40KW的輸出，必須利用30度的相位提前角。再參看圖7，顯然，當在轉子速度為4000RPM下利用30度的相位提前角時，電機中產生的銅損大約為1.8KW。
圖8說明對于一個特定繞組電機電流和開關放大器的開關元件導通與截止之間的關系。由圖可見，在電流的第一部分期間，二極管D2導通，在電流的第二部分期間，晶體管Q1導通。電流曲線的下半部分可被類似地說明。
圖9說明相位提前系統(tǒng)的運行。由圖可見，Tmax代表最大轉矩，Nmax代表永磁體轉子的最大轉子速度，Nbase代表反電勢等于輸入電壓時的轉子速度，K是Nmax除以Nbase所得的常數(shù)。參見圖9，在第一速度范圍內，電機只運行在脈寬調制方式下；在第二范圍，電機運行在脈寬調制和相位提前方式下，這一運行繼續(xù)到脈寬調制的占空比達到100％。此后，在第三范圍，轉矩以拋物線方式減小，但在整個范圍內功率保持常數(shù)。因而，在同樣的功率下可以達到最大速度。
和常規(guī)驅動裝置相比，這具有很大優(yōu)點，參照圖10和11可被清楚地說明。
圖10說明常規(guī)驅動裝置的設計特點。在圖中，100表示電機的去磁化極限，200表示間歇運行熱極限，300代表連續(xù)運行熱極限。圖10的虛線代表常規(guī)驅動的特性曲線。由圖可清楚地看出，如果需要電流In用于在連續(xù)操作的極限附近運行電機，那么實際上需要2倍的電流(2In)來達到間歇操作的門限。
與此相反，參見圖11，本圖說明本發(fā)明的相位提前驅動的設計特點。由圖可清楚地看出，通過向電機僅僅提供電流In便可以達到間歇熱極限。此外，即使電機的速度增加，功率也保持恒定，盡管產生的轉矩減小。
本發(fā)明使用的相位提前定時比磁場減弱系統(tǒng)更為有利，例如
1.本發(fā)明可以使用廉價的低分辨率的轉子位置檢測器。
2.本發(fā)明使用簡單的轉子設計，不需要凸極或強電樞反應，這減少了由非基波的電力驅動電流分量而引起的轉子的發(fā)熱。
3.本發(fā)明提供一種簡單的放大器設計，由于在任何給定時間的期間內只有6個開關元件中的一個進行脈寬調制(PWM)，并且在恒功率操作期間不進行脈寬調制，因而大大減少了所引起的損耗。此外，因為低的電樞反應因而不需要產生正弦波，這便大大地簡化了控制器，并可以采用低分辨率的位置檢測器。
這一技術對于低電感(小于1mH)的電機尤其有用。
這樣，總的說來，本發(fā)明的驅動系統(tǒng)可以包括永磁直流電動機；能夠產生頻率和幅值可變的三相交流波形的電子開關放大器；低分辨率檢測器，它能夠測定轉子對電機定子的相對位置從而實現(xiàn)電機的6步換向；以及電路或軟件算法，它可以調整來自電動機并被送到電子設備的換向信號的時間以便實現(xiàn)相位提前而達到恒功率運行。
以上對本發(fā)明的主題進行了說明，應當理解，在上述技術的范圍內，本發(fā)明可以有許多替代、改型和改變。
權利要求書按照條約第19條的修改1.一種無刷電動機和驅動系統(tǒng)，包括(a)無刷直流電動機，包括具有三個相繞組的定子，以及和所述定子相應設置的轉子，在轉子上形成有磁性裝置；(b)檢測器，用于檢測所述轉子相對于所述定子的位置，并根據檢測到的位置產生位置信號；(c)開關放大器，用來按照控制信號有選擇地向所述各相繞組的相應繞組提供電流；(d)發(fā)生裝置，用來接收所述位置信號、以便按照所述位置信號產生所述控制信號，所述發(fā)生裝置包括脈寬調制裝置，用來產生所述控制信號；和相位提前裝置，用來在所述無刷電動機的至少一種運行方式期間把所述控制信號相位定時提前一個相位提前量，所述相位提前量是所述無刷電動機的轉速和所需的輸出功率的函數(shù)。
2.如權利要求1所述的無刷電動機和驅動系統(tǒng)，其特征在于其中所述的開關放大器包括6個開關元件，它們這樣地排列，使得所述電機的每個相繞組具有兩個與其相關的開關元件。
3.如權利要求1所述的無刷電動機和驅動系統(tǒng)，其特征在于，其中所述相位提前裝置包括在至少一種所述運行方式期間運行的裝置，用于按照所述轉速來選擇所述的相位提前量，從而把所述輸出功率維持在恒定值。
4.如權利要求1所述的無刷電動機和驅動系統(tǒng)，其特征在于，其中所述的位置信號指明所述轉子的所述位置，所述的發(fā)生裝置根據所述轉子的所述位置而產生所述的控制信號。
權利要求
1.一種無刷電動機和驅動系統(tǒng)包括(a)無刷直流電動機，它包括具有三個相繞組的定子，以及和所述定子對應設置的轉子，在轉子上形成有磁性裝置；(b)檢測器，用來檢測所述轉子相對于所述定子的位置并根據檢測到的位置產生位置信號；(c)開關放大器，用來按照控制信號有選擇地向所述各相繞組的相應繞組提供電流；(d)用來接收所述位置信號、并按照所述位置信號產生所述控制信號的裝置，所述裝置包括用來產生所述控制信號的脈寬調制裝置。
2.如權利要求1所述的無刷電動機和驅動系統(tǒng)，其特征在于，其中的所述的開關放大器包括6個開關元件，它們這樣排列，使得所述電動機的每相繞組具有兩個相關的開關元件，并且所述裝置在所述無刷電動機的至少一種運行方式期間運行以便對所述控制信號進行相位提前控制。
全文摘要
一種無刷直流電動機(10)的驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用脈寬調制裝置(20)和相位定時提前，以便在高轉速期間維持恒功率輸出。該裝置非常適合于驅動電動車輛之類的裝置上的無刷電機(10)。
文檔編號H02P6/14GK1157065SQ95194730
公開日1997年8月13日 申請日期1995年6月30日 優(yōu)先權日1994年7月1日
發(fā)明者C·康比耶, J·F·盧茨 申請人:獨特運動有限公司