專利名稱：具有分節(jié)距繞組的磁阻電機(jī)及其驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻電機(jī)和磁阻電機(jī)系統(tǒng)，尤其涉及開關(guān)磁阻電機(jī)及開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)。更具體講，本發(fā)明涉及磁阻電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)和驅(qū)動該電機(jī)的驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
通常，磁阻電機(jī)是這樣的電機(jī)，其中由可動部件向著激磁相繞組的電感為最大的位置的移動趨勢而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在一種類型的磁阻電機(jī)中，相繞組的激勵以一被控頻率產(chǎn)生。這種電機(jī)通常稱為同步磁阻電機(jī)。在另一類型的磁阻電機(jī)中，設(shè)有檢測可動部件(通常稱為“轉(zhuǎn)子”)的位置并用轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)激勵相繞組的電路。這種電機(jī)通常稱為開關(guān)磁阻電機(jī)。本發(fā)明可應(yīng)用于同步和開關(guān)兩種磁阻電機(jī)。
通常的磁阻電機(jī)，尤其是開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)和操作的一般原理已為本領(lǐng)域所知，并已在比如Stephenson和Blake的《開關(guān)磁阻電機(jī)和驅(qū)動器的特性、設(shè)計(jì)和應(yīng)用》(發(fā)表于1993年6月21-24日在德國紐倫堡召開的PCIM’93展覽會上)中作了討論。
大多數(shù)磁阻電機(jī)都包括固定部分，稱為“定子”，定子包括含有許多突出部分(或“定子齒”)的疊片，這些齒限定了多個離散的定子極。繞線線圈(通常為銅)置于定子齒之間的間隙內(nèi)，以形成一相或多相繞組。用于構(gòu)成磁阻電機(jī)的最普通的繞組排列為“單齒”繞組排列，其中每一個定子齒由單個繞線線圈包繞。然后可將多個線圈以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接，以形成一相或多相繞組。


圖1給出了包括六級定子10和四級轉(zhuǎn)子12的傳統(tǒng)的“單齒”磁阻電機(jī)的簡單示例。包含定子的疊片具有限定六個定子極的六個向內(nèi)突出的定子齒13-18。每一個定子齒13-18都由一單獨(dú)的繞線線圈a1、a2、b1、b2、c1和c2包繞，并且，包繞定子齒的線圈電連接，以形成三相繞組A、B和C。線圈的放置由圖1中的圓點(diǎn)和叉表示，其中叉表示正電流流入紙面的繞線部分，而圓點(diǎn)表示正電流流出紙面的繞線部分。在典型的單齒磁阻電機(jī)的操作中，在對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)全程的三分之一的間隔時激磁每一相繞組，以使每一相繞組每隔轉(zhuǎn)子全程時間的三分之一就對正轉(zhuǎn)矩做出貢獻(xiàn)。
例如為圖1所示的單齒磁阻電機(jī)在某些方面受到限制，即，在這種機(jī)器中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)完全是每一個激磁相繞組的自感的函數(shù)。由于繞組的單齒特性，在電機(jī)相位之間沒有互耦合，因而不會因?yàn)橄嗬@組之間的互感的變化而產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩。結(jié)果，帶有單齒繞組的磁阻電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩輸出和效率受到了限制，因?yàn)檫@樣的繞組的有用間隔受到該繞組的自感增加時段的限制。
盡管單齒繞組結(jié)構(gòu)有潛在的限制，那些從事磁阻電機(jī)工作的人們的傳統(tǒng)觀點(diǎn)是，單齒繞組是稱心的，因?yàn)橄嗬@組之間的互感通常來講是不想要的。在有關(guān)磁阻電機(jī)的出版物中披露了固有的偏見，包括A.Hughes et al的《操作模式對VR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度特性的影響》(發(fā)表于1976年7月在英國利茲的利茲大學(xué)召開的步進(jìn)電機(jī)和系統(tǒng)方面的國際會議上)，該文聲稱各相之間的互感減小了帶有標(biāo)準(zhǔn)的單極激磁機(jī)的三相磁阻電機(jī)的可用轉(zhuǎn)矩。
與上述的單齒電機(jī)(其中沒有大的互感，并且產(chǎn)生的所有轉(zhuǎn)矩都是自感的函數(shù))相反，已有人提出將磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)成其中沒有自感，而且轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生完全是各相繞組之間互感變化的函數(shù)。這樣的磁阻電機(jī)采用全節(jié)距繞值結(jié)構(gòu)。通常，全節(jié)距繞組是包括跨越M個定子極的繞組線圈的繞組，其中M是等于相繞組數(shù)的整數(shù)。一種這樣的設(shè)計(jì)是由B.C.Mecrow在他的題為《雙顯極式(doubly salient)磁阻電機(jī)的新型繞組結(jié)構(gòu)》的論文中提出的，該文發(fā)表于1992年10月在德克薩斯州的休斯敦召開的IEEE工業(yè)應(yīng)用協(xié)會年會上。
圖2示出采用所參考的Mecrow的論文中所披露類型的全節(jié)距繞組的磁阻電機(jī)。通常，這種電機(jī)包括六極定子20和四極轉(zhuǎn)子22，它們在結(jié)構(gòu)上基本上等同于圖1的單齒電機(jī)轉(zhuǎn)子10和定子12。圖1的單齒電機(jī)和圖2的全節(jié)距電機(jī)的主要差別在于繞組的放置和排列。在圖3的全節(jié)距電機(jī)中，只有三個繞組線圈a、b和c，每一個線圈都放置于定子內(nèi)，以使磁極間間隙內(nèi)的線圈端部相互偏置180°機(jī)械角度，如所示的六定子極/四轉(zhuǎn)子極設(shè)計(jì)。因?yàn)閳D2的電機(jī)繞組的全節(jié)距特性，實(shí)際上兩個繞組之間的互感變化的結(jié)果便產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。如在Mecrow論文中所解釋的，在這種電機(jī)中，每覆蓋轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)全程的三分之二周期中激勵每相繞組，以使每相繞組都通過兩相繞組之間的互感的變化而貢獻(xiàn)對應(yīng)于每一個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的三分之二周期的正轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)所參照的Mecrow論文，這種全節(jié)距、僅有互感的電機(jī)使電機(jī)形成的電-機(jī)電路的利用更好。Mecrow的全節(jié)距磁阻電機(jī)的各種變型已在P.G.Barrass和B.C.Mecrow和A.C.Clothier的題為《全節(jié)距繞組開關(guān)磁阻驅(qū)動的單極性操作》、《全節(jié)距繞組開關(guān)磁阻和步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)》(IEE學(xué)報(bào)-B，第40卷第1號(1993年1月))，和P.G.Barrass和B.C.Mecrow和A.C.Clothier的題為《全節(jié)距繞組開關(guān)磁阻驅(qū)動器的雙極性操作》(電機(jī)及驅(qū)動國際會議(1995年9月))，以及英國專利GB2,262,843B號的《雙顯極式磁阻電機(jī)》中作了討論。
與單齒-磁阻電機(jī)中的相繞組的電感相比，在全節(jié)距磁阻電機(jī)中的繞組的全節(jié)距特性使各相繞組具有很高的自感。這種較高的自感限制了相繞組電流的變化率，從而限制了相電流從零增加到峰值的速度，因此便限制了峰值轉(zhuǎn)矩值。因此，全節(jié)距電機(jī)的繞組的全節(jié)距特性造成了“高自感負(fù)擔(dān)”，結(jié)果用于給電機(jī)供電的驅(qū)動器必須在可接受的時間內(nèi)大到足以驅(qū)動電流到其所需要值，或者由于由較高自感所造成的對相電流波形的限制而必須犧牲該電機(jī)的性能。
全節(jié)距電機(jī)還有一個缺點(diǎn)是，構(gòu)成用于形成相繞組的全節(jié)距線圈需要大量的端部連接(end turn)的銅。這種大量的末端車圓的銅造成了制造成本的增加，這與繞組中的銅量直接相關(guān)。而且，構(gòu)成這種全節(jié)距繞組所需的相對大量的銅造成了電機(jī)正常運(yùn)行期間電阻或銅損的增加。
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進(jìn)的磁阻電機(jī)，它能克服單齒電機(jī)和全節(jié)距電機(jī)的所提到的和其它限制。
本發(fā)明總述本發(fā)明通過提供一種具有包括多個相繞組的定子的磁阻電機(jī)，克服了傳統(tǒng)的磁阻電機(jī)的所述的和其它的限制，其中每一相繞組包含多個電連接的“分節(jié)距”線圈。該線圈是分節(jié)距，因?yàn)槠渚哂性趩锡X線圈和全節(jié)距線圈的受限的節(jié)距之間的節(jié)距。本發(fā)明的電機(jī)線圈的分節(jié)距特性允許相繞組的自感和相繞組之間的互感都對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出做出貢獻(xiàn)。根據(jù)定子內(nèi)分節(jié)距線圈的位置，相繞組之間的互感可以是對稱的(例如，不同相具有相同極性和形式)或者非對稱的(例如，不具有相同極性和形式)。如果分節(jié)距繞組為非對稱的，提供作為自感和互感的函數(shù)的輸出轉(zhuǎn)矩所必需的激磁電流在三相繞組之間變換形式。如果分節(jié)距繞組是對稱的，提供作為自感和互感的函數(shù)或者僅僅是互感的函數(shù)的輸出轉(zhuǎn)矩所必需的激磁電流對不同相可以是相同形式的給定量。
本發(fā)明也涉及激勵具有如上所述的分節(jié)距繞組的磁阻電機(jī)的方法。
參照下面所述的說明書及其附圖將能理解本發(fā)明的各個方面。
附圖的簡要說明圖1說明傳統(tǒng)的“單齒”磁阻電機(jī)的一個例子。
圖2說明具有全節(jié)距繞組的磁阻電機(jī)。
圖3說明根據(jù)本發(fā)明的具有分節(jié)距繞組的六定子極、四轉(zhuǎn)子極的磁阻電機(jī)。
圖4說明圖3電機(jī)的三相繞組的自感和三相繞組的互感作為轉(zhuǎn)子角位置的函數(shù)。
圖5說明可用于驅(qū)動圖3的電機(jī)的示例性“單相”激磁方案，其中在一給定時間只有一相繞組被激磁。
圖6說明可用于驅(qū)動圖3的電機(jī)的示例性“兩相”激磁方案，其中有兩相繞組同時被激磁。
圖7說明利用圖3的電機(jī)可用于實(shí)施圖6的激磁方案的示例性驅(qū)動器。
圖8說明可用于驅(qū)動圖3的電機(jī)的示例性“三相”激磁方案，其中三相繞組同時被激磁。
圖9說明利用圖1的電機(jī)可用于實(shí)施圖8的三相激磁方案的示例性驅(qū)動器。
圖10說明根據(jù)本發(fā)明的具有分節(jié)距繞組的六定子極、四轉(zhuǎn)子極磁阻電機(jī)的一個替換例子。
圖11說明圖10中電機(jī)的三相繞組的自感和三相繞組之間的互感作為轉(zhuǎn)子角位置的函數(shù)。
圖12說明可用于驅(qū)動圖10的電機(jī)的示例性“單相”激磁方案，其中在一給定時間僅有一相繞組被激磁。
圖13說明可用于驅(qū)動圖10的電機(jī)的示例性“兩相”激磁方案，其中有二相繞組被同時激磁。
圖14說明可用于驅(qū)動圖10的電機(jī)的示例性“三相”激磁方案，其中三相繞組被同時激磁。
圖15說明可用于驅(qū)動圖10的電機(jī)的示例性“三相”激磁方案的替換方式，其中三相繞組被同時激磁。
圖16說明根據(jù)本發(fā)明的具有分節(jié)距繞組的十二定子極、八轉(zhuǎn)子極磁阻電機(jī)的一個例子。
圖17說明根據(jù)本發(fā)明的具有分節(jié)距繞組的十二定子極、八轉(zhuǎn)子極磁阻電機(jī)的一個替換例子。
圖18說明可用于驅(qū)動圖17的磁阻電機(jī)的對稱驅(qū)動器。
在上述附圖中相同的標(biāo)符表示相同的部件。
本發(fā)明的詳細(xì)描述參見附圖，尤其是圖3，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的磁阻電機(jī)30。通常，磁阻電機(jī)30包括限定六個向內(nèi)的定子極的定子32和限定四個向外伸展的轉(zhuǎn)子極的轉(zhuǎn)子34。定子32和轉(zhuǎn)子34可構(gòu)成適當(dāng)材料(比如為鋼)的多疊層形式，并且定子32和轉(zhuǎn)子34疊層的基本結(jié)構(gòu)可采用構(gòu)成這樣的磁阻電機(jī)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來完成。
雖然包含定子32和轉(zhuǎn)子34的疊層可標(biāo)準(zhǔn)化，但電機(jī)30的繞組排列不是。在圖3中有三相繞組A、B和C，每一相繞組由兩個線圈構(gòu)成，以便相繞組A包含線圈a1和a2，相繞組B包含線圈b1和b2，而相繞組C包含線圈c1和c2。構(gòu)成相繞組的兩個繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)連接。在圖3的例子中，包含每一相繞組的線圈并聯(lián)連接。對于具有不同的定子極/轉(zhuǎn)子極組合(例如，N×6/N×4)的電機(jī)來說，包括給定相繞組的線圈可以通過串聯(lián)和并聯(lián)連接的結(jié)合來連接。
如圖3所示的，包含每一個相繞組的線圈不是“單齒”線圈，因?yàn)樗鼈儹h(huán)繞多于一個的定子。此外，包括相繞組的線圈不是全節(jié)距線圈。相反，圖3的實(shí)施例30中的線圈是“分節(jié)距”線圈，其跨越(或定子極)比單個齒線圈多的齒，但比全節(jié)距線圈少的齒。
圖3中電機(jī)30的分節(jié)距線圈的確切安排和方向由圓點(diǎn)和叉表示。用于圖中的一般慣例是，如果將圓點(diǎn)和叉看作箭頭，正電流將從箭頭后端(尾端)流出(叉)并流向箭頭頂點(diǎn)部(圓點(diǎn))。正電流將導(dǎo)致“遵守右手定則”的磁場的產(chǎn)生，即，如果手指順著箭頭以手指尖指向箭頭尖方向，則其北極對應(yīng)于手的拇指所指的方向。這樣，流過線圈a1的正電流所產(chǎn)生的磁場的北極是圖3所示的點(diǎn)箭頭36的方向。從其它線圈的正激磁將建立類似的磁場。
由于包含繞組A、B和C的線圈的分節(jié)距特性，當(dāng)轉(zhuǎn)子34在定子32內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，每一繞組的自感和繞組之間的互感都發(fā)生變化。因此，當(dāng)相繞組適當(dāng)激磁時，可實(shí)現(xiàn)互感和自感都對輸出轉(zhuǎn)矩做貢獻(xiàn)。
圖4說明圖3中電機(jī)30的三相繞組A、B和C的自感LA、LB和LC，以及各相繞組之間的互感Mab、Mbc和Mca，作為轉(zhuǎn)子角位置θr的函數(shù)。圖中也示出了各自感和互感作為轉(zhuǎn)子角位置函數(shù)的導(dǎo)數(shù)。
對于圖3的三相磁阻電機(jī)30，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出可近似由下面的公式表示，公式(1)Tout=12iA2∂LA∂θr+12iB2∂LB∂θr+12iC2∂LC∂θr+iAiB∂MAB∂θr+iBiC∂MBC∂θr+iCiA∂MCA∂θr]]>其中，iA、iB和iC表示流入相繞組A、B和C的電流，而公式中的前三個變量對應(yīng)于總的自感轉(zhuǎn)矩成分，而公式中的后三個變量對應(yīng)于互感轉(zhuǎn)矩成分。
再參照圖4和公式(1)表明，流入圖3的中電機(jī)30的相繞組中的相激磁電流可被控制，以使總的轉(zhuǎn)矩輸出完全是自感轉(zhuǎn)矩結(jié)果，或者完全是互感轉(zhuǎn)矩結(jié)果，或者是兩者的結(jié)合。
圖5示出可用于驅(qū)動圖1的電機(jī)30的一個電流切換方案，其中在一給定時間只有一相繞組被激磁，所有的轉(zhuǎn)矩輸出是自感的結(jié)果。在這個特定的切換方案中，因?yàn)樵谝唤o定時間只有一相繞組被激磁，因此公式(1)中后三個變量中每一個變量中的電流變量中的一個總是為零，這樣此方案中沒有互感轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。
比較圖4和圖5，注意到在圖5的“單相”激磁方案中，每一相繞組僅在相繞組自感增加的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)期間內(nèi)被激磁。例如，參照圖4和圖5，注意到相繞組A的自感在43和46表示的時段內(nèi)增加，這樣，在這些時段內(nèi)在相繞組A中建立電流。同樣，相繞組B的自感在41、44和47表示的時段內(nèi)增加，這樣，在這些時段內(nèi)激磁相B，而相C在42、45和48表示的時段內(nèi)被激磁。
因?yàn)樽愿修D(zhuǎn)矩成分是電流平方的函數(shù)，圖5的單相激磁方式中相繞組中電流的極性并不重要。在這方面，圖5的激磁方案類似于用于繞成標(biāo)準(zhǔn)的“單齒”的開關(guān)磁阻電機(jī)的切換方案。這樣，標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動可用圖3的電機(jī)30。
除了圖5的單相激磁方案之外，同時有兩相繞組被激磁的“兩相”激磁方案可用于提供作為相繞組自感和各相繞組之間互感的結(jié)合的轉(zhuǎn)矩輸出。這種切換方案的電流波形如圖6所示。在此切換方案中，各相繞組在下列期間被激磁(i)其自感增加的旋轉(zhuǎn)期間(即，與用于圖5中方案相同的激磁間隔)；和(ii)可產(chǎn)生正互感轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)期間。
比較圖5和圖6，可以看出部分激磁方案(自感部分)與圖5的單相激磁方案完全重疊。這樣，相A在時段43和46期間內(nèi)被連續(xù)激磁，相B在時段41、44和47期間內(nèi)被連續(xù)激磁，而相C在時段42、45和48期間內(nèi)被連續(xù)激磁。然而，每相繞組另外也在相繞組的激磁產(chǎn)生正互感轉(zhuǎn)矩的時段內(nèi)被激磁。
參照圖6，用相A作為例子，相A在時段43和46期間內(nèi)被激磁以產(chǎn)生“自感”轉(zhuǎn)矩。相A也在時段41、44和47期間內(nèi)被激磁。如在圖4中所表明的，在這些時段內(nèi)，相A和B之間的互感增加(同樣，相A在時段43和46之間被激磁，其間相A和C之間的互感增加)。在相A不激磁的時段內(nèi)(時段42、45和48)，相A繞組的自感下降。這樣，不論激磁電流的極性如何，在此時段內(nèi)對相A繞組的激磁都造成負(fù)轉(zhuǎn)矩成分，由于相A繞組的自感。在圖6的方案中，相A繞組在該相繞組的激磁不產(chǎn)生負(fù)自感轉(zhuǎn)矩的所有時段內(nèi)被激磁。
以類似于相A的激磁方式，相C在其不產(chǎn)生負(fù)自感轉(zhuǎn)矩的每一時段內(nèi)被激磁，包括時段42、45和48及時段43、46和49。
在圖6的兩相方式中相B的相激磁方案類似于對相A和C的激磁方案，其中相B在該相繞組的激磁不產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的所有時段內(nèi)被激磁。然而，由于包含相繞組B的分節(jié)距線圈的確切安排，圖6的激磁方案中相B的激磁與相A和C的激磁有所不同，即，雖然相A和B電流是單向的，相B電流是雙向的并包括正和負(fù)兩種極性的電流。例如，在增加自感的時段內(nèi)(時段41、44和47)，相B激磁電流的極性必須與相A中相電流的極性相同，以獲得正互感轉(zhuǎn)矩成分，因?yàn)樵谶@些時段相A和B之間的互感增加。
然而，在時段42、45和48內(nèi)，相B的自感不變(因而沒有自感轉(zhuǎn)矩輸出)，但相B和相C之間的互感卻在這些時段內(nèi)下降，造成了這些時段內(nèi)相對于轉(zhuǎn)子位置的相C和B之間互感的負(fù)導(dǎo)數(shù)。參照公式(1)，注意到對于負(fù)互感斜率，兩個相互連接的繞組中電流的乘積必須為負(fù)以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。這樣，對于正轉(zhuǎn)矩成分，相B中相電流的極性必須與相C中相電流的極性相反。因此，在時段42、45和48內(nèi)，相B的相激磁電流是圖6中的負(fù)極性。
圖6中特定的兩相切換方案當(dāng)用于圖3的電機(jī)30時，比圖5的單相切換方案能提供更大的轉(zhuǎn)矩輸出，因?yàn)樵谌我唤o定時間的總轉(zhuǎn)矩成分是激磁相繞組的自感和兩個激磁相繞組之間的互感兩者的函數(shù)。然而，這種激磁方案需要對相繞組中的一個采用雙極激磁電流(本例中為繞組B)，這就需要特定類型的驅(qū)動電流。
可與圖3的電機(jī)30結(jié)合以實(shí)施圖6的激磁方案的一個示例性驅(qū)動器示于圖7。圖7示出包括DC總線的示例性驅(qū)動器70，DC總線由上DC至線70+和下DC總線70-形成。在DC總線兩側(cè)提供的DC電壓可由包括電池的適當(dāng)?shù)碾娫椿駻C-DC轉(zhuǎn)換器來提供。濾波電容器(未示出)或其它調(diào)節(jié)裝置可用于存儲供給DC總線的恢復(fù)能量和/或用于穩(wěn)定和調(diào)節(jié)出現(xiàn)在DC總線兩端的DC電壓。
相繞組A和C中的每一個都通過上部功率開關(guān)器件72和下部功率開關(guān)器件73以及上部和下部反饋二極管74和75在DC總線兩端耦合。圖7中相繞組上的圓點(diǎn)對應(yīng)于正極電流將流入的繞組中的點(diǎn)。
功率開關(guān)器件72和73可以是任何適當(dāng)?shù)墓β书_關(guān)器件，而這些裝置的確切結(jié)構(gòu)可根據(jù)驅(qū)動器30所耦合的磁阻電機(jī)的大小和應(yīng)用來變化，以及根據(jù)用于功率開關(guān)器件的開關(guān)信號的特性來變化。然而，這些器件通常是包括雙極結(jié)型晶體管、MOSFETs、IGBTs等的晶體管，或是其它適當(dāng)?shù)墓β书_關(guān)器件，比如機(jī)械開關(guān)。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以從圖7中看出，用于繞組A和C的切換安排允許在相繞組中產(chǎn)生單極電流。具體講，將功率開關(guān)器件73和74啟動到導(dǎo)通狀態(tài)，從而將DC總線兩端出現(xiàn)的DC電壓加到適當(dāng)?shù)南嗬@組，以便使電流在以圓點(diǎn)標(biāo)出的地方流入該相繞組。
用于相繞組A和C的切換安排能夠建立單極電流。因?yàn)殡p極電流必須在相繞組B中建立，以完成圖6的切換方案，因此對該相必須采用不同的切換安排。參照圖7，在此例中用于相B繞組的切換安排是H橋排列，包括兩個上部功率開關(guān)器件76、77和兩個下部功率開關(guān)器件78、79。功率開關(guān)器件76-79的結(jié)構(gòu)可以與前面對于功率開關(guān)器件72和73所討論的結(jié)構(gòu)相同，只是功率開關(guān)器件76-79中的每一個都需要反并聯(lián)反向恢復(fù)二極管，這在某些類型的器件比如MOSFETs中是固有的。這種反并聯(lián)反向恢復(fù)二極管沒有在圖中示出，但如果需要，它們的結(jié)構(gòu)和位置對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講是很明顯的。
通過適當(dāng)激磁與相繞組B相連的功率開關(guān)器件，可在相B繞組中建立雙極性電流。例如，如果將功率開關(guān)器件76和79驅(qū)動到導(dǎo)通狀態(tài)，那么DC總線兩端的DC電壓將以電流流入圖7中的圓點(diǎn)所示的相繞組端部的方式加到相繞組B。這樣，這種狀況造成了相B繞組中正電流的產(chǎn)生。以類似方式，如果將功率開關(guān)器件77和78驅(qū)動到導(dǎo)通狀態(tài)，那么DC總線兩端的反向電壓加到該相繞組，并且電流將流入與圖7中圓點(diǎn)所標(biāo)端部相反的相繞組B的端部，于是在相繞組B中產(chǎn)生負(fù)極性電流。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所看到的，通過作為轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)而激發(fā)驅(qū)動器70的功率開關(guān)器件(例如，通過監(jiān)視轉(zhuǎn)子角位置)，可實(shí)施圖6(甚至圖5)的激磁方案。此外，通過調(diào)制加到功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號(例如，通過脈寬調(diào)制或脈沖頻率調(diào)制)，可以以驅(qū)動器70所連接的電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和/或輸出轉(zhuǎn)矩可控的方式，來控制相繞組中電流的幅度。這種采用驅(qū)動器70的控制方案的實(shí)施也在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本公開文本所啟發(fā)下的能力范圍之內(nèi)，因而在此不再更詳細(xì)地?cái)⑹觥?br> 除上述討論的單相和雙相激磁方案之外，圖3中的電機(jī)也可以“三相”方式被激磁，其中，在一給定時間，所有三相繞組都被激磁。這種三相激磁方案的一個例子示于圖8。
參照圖8，在對應(yīng)于上述“兩相”激磁方案的間隔期間激磁每一相繞組。然而，每一相繞組也在相繞組的自感減小的保持期間被激磁，這樣在保持期間內(nèi)從該相繞組產(chǎn)生負(fù)自感轉(zhuǎn)矩成分。例如，在圖8的切換方案中，相繞組A中時段42、45和48期間內(nèi)被激磁。參照圖4，注意到有相繞組A的自感減小的那些時段，在那些時段內(nèi)從相A產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩成分。然而，在每一個這些時段內(nèi)產(chǎn)生涉及相A的互感成分。
例如，在時段42內(nèi)，相A和C之間的互感為零，而相A和B之間的互感為負(fù)。然而，參照圖8，注意到在此時段內(nèi)相B中電流的極性也是負(fù)的。這樣，在時段42內(nèi)由相A和相B之間的互感所造成的對轉(zhuǎn)矩做出貢獻(xiàn)的凈互感為正值。通過適當(dāng)構(gòu)造包括相繞組的線圈，或通過在此時段內(nèi)適當(dāng)控制流入相繞組A和相繞組B中的電流的幅度，可以保證在時段42期間從相A產(chǎn)生的凈轉(zhuǎn)矩成分為正值。這樣，盡管相A繞組的連續(xù)激磁造成了某些負(fù)自感轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，但由相A的連續(xù)激磁而造成的總的轉(zhuǎn)矩成分為正。以類似的方式，相繞組B和C被連續(xù)激磁，以在每一時段內(nèi)產(chǎn)生凈正轉(zhuǎn)矩。
為保證采用圖8的激磁方案在每一時段在每一相繞組所產(chǎn)生的的凈轉(zhuǎn)矩為正值，流入相繞組中的一個(在本例中為相繞組A)的電流必須連續(xù)并且是單一極性，而流入其它兩相繞組中的電流必須是雙極性的。因此，傳統(tǒng)的單極性驅(qū)動器不能用于根據(jù)圖8所示的切換方案驅(qū)動圖3的電機(jī)30?？捎糜趯?shí)施圖8的三相激磁方案的一個示例性驅(qū)動器示于圖9。
圖9示出包括DC總線91的驅(qū)動器90，DC總線91具有正總線91+和負(fù)總線91-。DC濾波電容器92連接于DC總線之間。因?yàn)橛糜趫D8的激磁方案的相A中的激磁電流為連續(xù)、單極的電流，故相A簡單地連接于DC總線91之間。如果相A繞組中電流的幅度是通過脈寬調(diào)制或其它適當(dāng)技術(shù)控制的，功率開關(guān)器件和反饋二極管(未示出)可設(shè)置成將相A繞組連接到DC總線91。
相繞組B和C中的每一個都通過包括四個安排成H橋結(jié)構(gòu)的功率開關(guān)器件的開關(guān)設(shè)置連接到DC總線。這些開關(guān)器件可以如上述圖7的功率開關(guān)器件76-79的方式操作。特別是，用于驅(qū)動器90的開關(guān)設(shè)置數(shù)目比相繞組數(shù)目少1。
圖3中的磁阻電機(jī)30僅是分節(jié)距繞組用于提供改進(jìn)性能的磁阻電機(jī)的方式的一個例子。利用分節(jié)距繞組的改進(jìn)的磁阻電機(jī)的另一個例子提供于圖10。
圖10示出了三相、六定子極、四轉(zhuǎn)子極磁阻電機(jī)，其定子和轉(zhuǎn)子以前面結(jié)合圖3所述的方式構(gòu)成。以類似于圖3的方式，三相繞組A、B和C中的每一相都包括兩個線圈，每一個線圈都是分節(jié)距線圈。然而，圖10的電機(jī)100的線圈排列方式與圖3的電機(jī)30的線圈排列方式不同之處主要在于，相B和C繞組的線圈以相反的方向設(shè)置于定子中。線圈的確切安排由圖10中所標(biāo)的圓點(diǎn)和叉表示。
圖11示出圖10的電機(jī)100的三相繞組A、B和C的自感和互感作為轉(zhuǎn)子角位置的函數(shù)。比較圖11和圖4可知，三相繞組的自感基本類似于圖3的電機(jī)30，但電機(jī)100的互感與電機(jī)30的互感的不同之處主要在于，電機(jī)100的互感都是負(fù)的。尤其是，電機(jī)100的互感是對稱的，它們有相同的極性和范圍但相位上相差一給定量。
正如圖3的電機(jī)30可以單相模式操作，其中所有的轉(zhuǎn)矩輸出都由三相繞組的自感提供，電機(jī)100也可以這樣。這種用于電機(jī)100的切換方案的一個例子如圖12所示。正如所看到的，用于電機(jī)100的切換方案實(shí)際上等同于圖5所示的用于圖3的電機(jī)30的切換方案。這是因?yàn)榘ㄏ嗬@組的線圈的方向并不明顯影響相繞組的自感。標(biāo)準(zhǔn)的磁阻驅(qū)動器可用于實(shí)施圖12的方案。
圖13示出用于電機(jī)100的兩相切換方案，其中電機(jī)的總轉(zhuǎn)矩輸出是相繞組的自感和相繞組之間的互感兩者的結(jié)果。因?yàn)殡姍C(jī)100互感與電機(jī)30的互感不同，所以用于電機(jī)100的兩相切換方案與用于電機(jī)30的方案不同。具體講，由于電機(jī)100中繞組的特性，兩相切換方案允許相電流“對稱”的程度使三相繞組的激磁電流形式相同但相互隔開一預(yù)定角度量。通常來講，激磁電流可由等于一個定子極節(jié)距的角度量分開。在許多場合下，圖13的對稱兩相激磁方案比圖6的方案易于實(shí)施，因?yàn)榧ご烹娏鞯膶ΨQ特性能允許簡單而廉價的轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換器和簡單而廉價的控制電路。
由于用于圖13的激磁方案中的所有三相繞組的激磁電流都是雙向的，標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)磁阻驅(qū)動器不能用于實(shí)施該切換方案。可采用適當(dāng)?shù)娜?、雙向驅(qū)動器，比如三相全H橋驅(qū)動器。此外，由于該對稱激磁電流類似于標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)電動機(jī)中的激磁電流，通過很少或不用硬件修改就可以采用標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動器來根據(jù)圖12的激磁方案驅(qū)動電機(jī)100。
兩種不同的“三相”激磁方案可用于操作圖10的電機(jī)100，以使其總的轉(zhuǎn)矩輸出由三相繞組之間的互感提供。圖14所示的一個這樣的激磁方案類似于圖8的用于電機(jī)30的激磁方案。在兩個例子中，用于相繞組A的相激磁電流連續(xù)。因?yàn)榘▓D10的電機(jī)100的相B和C的線圈的定向與包括電機(jī)30的相B和C的線圈的定向相反，在相激磁期間任何時候，圖14的激磁方案中電機(jī)100的相繞組B和C的相激磁電流的極性，和圖8的激磁方案中相A和B的相激磁電流的極性相反。利用圖10的電機(jī)100，圖9的驅(qū)動器90可用于實(shí)施圖14的激磁方案。
電機(jī)100的一種替代三相切換方案示于圖15。在此激磁方案中，三相繞組的激磁電流相同但相互之間相差一恒定角度量(在此例中是一個定子極節(jié)距)。任何能夠建立三相雙極性電流的驅(qū)動器(比如全H橋或傳統(tǒng)的感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動器)都可以用于建立圖15中所示的激磁電流。當(dāng)采用圖13的兩相激磁方案時，圖15的三相激磁方案的激磁電流是對稱的，這樣就潛在減小了轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換器和控制電路的復(fù)雜性，否則的話需要實(shí)施非對稱切換方案。
上述圖3和10的六定子極/四轉(zhuǎn)子極電機(jī)只是根據(jù)本發(fā)明的分節(jié)距繞組的樣例。分節(jié)距繞組也可以用于具有不同定子極/轉(zhuǎn)子極組合的磁阻電機(jī)。例如，圖16示出根據(jù)本發(fā)明的具有十二定子極和八轉(zhuǎn)子極的示例性磁阻電機(jī)。
圖16的電機(jī)160具有以前面結(jié)合圖3的電機(jī)30的轉(zhuǎn)子和定子所描述的方式構(gòu)成的十二極定子162和八極轉(zhuǎn)子164。三相繞組A、B和C置于定子162內(nèi)，每一相繞組包含如圖16所示排列的四個分節(jié)距線圈。對于電機(jī)30和100的線圈，包含給定相繞組的線圈可以串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系連接在一起。
圖16的電機(jī)160類似于圖3的電機(jī)30之處在于，按照兩相或三相激方案的電機(jī)的激磁要求類似于與電機(jī)30相連的切換方案所示的非對稱相電流。電機(jī)160的非對稱特性取決于分節(jié)距線圈置于電機(jī)內(nèi)的方式。在圖16的電機(jī)中，線圈置于定子內(nèi)，因此三相繞組之間的互感不對稱。
因?yàn)殡姍C(jī)160的多相激磁在所有的三相繞組中都要求雙極性電流，因此合適的三相雙極性電流驅(qū)動器(例如每相具有四個開關(guān)的三相H橋)可用于驅(qū)動電機(jī)160。
圖17示出為分節(jié)距十二定子極、八轉(zhuǎn)子極電機(jī)170設(shè)計(jì)的替代形式。電機(jī)170具有以實(shí)際上等同于電機(jī)160的方式構(gòu)成的轉(zhuǎn)子和定子，但包含三相繞組的線圈以圖17所說明的不同方式置于定子內(nèi)三相繞組。用在電機(jī)170中的分節(jié)距繞組排列是“對稱”的，因?yàn)榛ジ惺菍ΨQ的(因而可接受兩相和三相激磁方案的激磁電流也是對稱的)。在此方式中，電機(jī)170類似于圖10的電機(jī)100。
正如電機(jī)160一樣，電機(jī)170可按照單相、兩相和三相激磁方案被激磁。每一相具有四個開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的H橋驅(qū)動器可用于驅(qū)動電機(jī)160。而且，因?yàn)殡姍C(jī)170的對稱特性，僅有六個功率開關(guān)器件的對稱逆變器可用于驅(qū)動電機(jī)170。一種具有這樣一個驅(qū)動器的系統(tǒng)示于圖18。
圖18示出具有確定正線181+和負(fù)線181-的DC總線181的對稱驅(qū)動器180。由DC電源182提供DC電壓給DC總線，DC電源182可以是DC電池、AC-DC轉(zhuǎn)換器或其它適當(dāng)?shù)腄C電源。連接于DC總線181的線之間的是上DC電容器183和下DC電容器184。電容器183和184在公共點(diǎn)185連接在一起。一組電源開關(guān)器件186也連接于DC總線之間。每一組電源開關(guān)器件都與磁阻電機(jī)170的三相繞組A、B和C中的一個相連，并且每一組電源開關(guān)器件都包含一個上部電源開關(guān)器件和一個下部電源開關(guān)器件。利用上述的電源開關(guān)器件，包含組186的電源開關(guān)器件可以是晶體管、機(jī)械開關(guān)等。通常，當(dāng)電源開關(guān)器件在非導(dǎo)通狀態(tài)下驅(qū)動時，電源開關(guān)器件也可以提供電流回路。對于特定類型的器件(例如，功率MOSFETs)。由于這類器件所提供的固有的二極管，這種回路是可用的。對于其它類型的器件，有必要在功率開關(guān)器件兩端增加反饋二極管。在圖18的例子中，所示出的包含組186的功率開關(guān)器件由晶體管開關(guān)和二極管組成，但二極管可以是晶體管的固有二極管。
連接到每一組186的兩個功率開關(guān)的結(jié)點(diǎn)的是電機(jī)170的相繞組A、B和C中的一個的一端。三相繞組的另一端以星接方式連接在一起。三相繞組的結(jié)點(diǎn)被引出并電連接到結(jié)點(diǎn)185。
控制器和電流調(diào)節(jié)器188接收表示相繞組中的電流的電流反饋信號和來自轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換器189并代表轉(zhuǎn)子角位置的信號。響應(yīng)于轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換器189的輸出信號和電流反饋信號，控制器188產(chǎn)生選通信號，用于驅(qū)動包含組186的功率開關(guān)器件。開關(guān)信號的確切特性和形式取決于驅(qū)動電機(jī)170所選的激磁方案而變化，并且能夠由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本發(fā)明啟發(fā)下推導(dǎo)出。
對稱驅(qū)動器180可用于驅(qū)動前面所述的圖10的對稱電機(jī)100。
雖然沒有說明，但圖18的驅(qū)動器180可用于驅(qū)動三相繞組的公共連接點(diǎn)懸空而不是連接到公共結(jié)點(diǎn)185的電機(jī)。
在此所圖示和說明的分節(jié)距電機(jī)提供比傳統(tǒng)的單齒和全節(jié)距磁阻電機(jī)更突出的優(yōu)點(diǎn)。尤其是，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成分節(jié)距電機(jī)的成本相比較而言通常比構(gòu)成全節(jié)距或單齒電機(jī)的成本在銅和鋼兩方面都要少。此外，由于自感和互感都用于輸出轉(zhuǎn)矩，因而可得到最小轉(zhuǎn)矩波紋的平滑轉(zhuǎn)矩，并且，轉(zhuǎn)矩輸出的增加帶來了更高的轉(zhuǎn)矩密度。更進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明可用于分節(jié)距電機(jī)的對稱、雙極性激磁方案允許采用標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)電機(jī)脈寬調(diào)制逆變器來驅(qū)動電機(jī)，并且只需很少或不需硬件修改。
上述的幾個示范性實(shí)施例只是通過舉例方式說明的而不是為了限制目的。在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以對在此披露的實(shí)施例和方法進(jìn)行多種修改。例如，本發(fā)明可用于具有各種相、定子極/轉(zhuǎn)子極組合的多種磁阻電機(jī)實(shí)施例，和用于具有與本應(yīng)用實(shí)例中不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁阻電機(jī)。本發(fā)明打算僅由所附的權(quán)利要求書的范圍和精神來限制。
權(quán)利要求
1.一種用于磁阻電機(jī)的定子，所述磁阻電機(jī)限定了多個定子極并包括置于所述定子內(nèi)的多個相繞組，其中，至少一個相繞組包含一分節(jié)距線圈。
2.如權(quán)利要求1所述的定子，其中，所述相繞組包含多個并聯(lián)電連接的分節(jié)距線圈。
3.如權(quán)利要求1所述的定子，其中，每一相繞組包含多個串聯(lián)電連接的分節(jié)距線圈。
4.如權(quán)利要求3所述的定子，其中所述定子限定了六個定子齒，并且其中所述分節(jié)距線圈中的每一個都包繞兩個定子齒。
5.如權(quán)利要求3所述的定子，其中所述定子限定了十二個定子齒，并且其中所述分節(jié)距線圈中的每一個都包繞兩個定子齒。
6.如權(quán)利要求1所述的定子，其中，用于所述相繞組的所述線圈置于所述定子內(nèi)，以使所述各相繞組之間的互感對稱。
7.如權(quán)利要求1所述的定子，其中，用于所述相繞組的所述線圈置于所述定子內(nèi)，以使所述各相繞組之間的互感不對稱。
8.一種磁阻電機(jī)，包括限定多個定子極的定子；限定多個轉(zhuǎn)子極的轉(zhuǎn)子；置于所述定子內(nèi)的相繞組，其中所述相繞組包含多個分節(jié)距線圈。
9.如權(quán)利要求8所述的磁阻電機(jī)，其中，所述定子限定六個定子齒，而所述轉(zhuǎn)子限定四個轉(zhuǎn)子極，并且每個線圈都環(huán)繞兩個定子齒。
10.如權(quán)利要求9所述的磁阻電機(jī)，其中具有三相繞組并且每相繞組都包含兩個分節(jié)距線圈。
11.如權(quán)利要求10所述的磁阻電機(jī)，其中，所述各相繞組之間的互感對稱。
12.如權(quán)利要求8所述的磁阻電機(jī)，其中，所述定子限定十二個定子齒，而所述轉(zhuǎn)子限定八個轉(zhuǎn)子極。
13.如權(quán)利要求12所述的磁阻電機(jī)，其中具有三相繞組，每相繞組都包含四個分節(jié)距線圈，并且其中每個線圈都環(huán)繞兩個定子齒。
14.如權(quán)利要求13所述的磁阻電機(jī)，其中，所述線圈置于所述定子內(nèi)，以使所述相繞組之間的互感對稱。
15.如權(quán)利要求13所述的磁阻電機(jī)，其中，所述線圈置于所述定子內(nèi)，以使所述相繞組之間的互感不對稱。
16.如權(quán)利要求10所述的磁阻電機(jī)，其中，所述各相繞組之間的互感不對稱。
17.一種磁阻電機(jī)系統(tǒng)，包括一磁阻電機(jī)，所述磁阻電機(jī)包含多個相繞組，其中每相繞組都包含多個分節(jié)距線圈；和一功率驅(qū)動器，所述驅(qū)動器具有多個輸出，這些輸出電連接到所述磁阻電機(jī)的所述相繞組。
18.如權(quán)利要求17所述的磁阻電機(jī)系統(tǒng)，其中所述功率驅(qū)動器包含一全H橋驅(qū)動器，其中具有四個與每一個所述驅(qū)動器輸出相連的功率開關(guān)器件。
19.如權(quán)利要求17所述的磁阻電機(jī)系統(tǒng)，其中所述功率驅(qū)動器包含一個半H橋驅(qū)動器，其中具有兩個與每一個所述驅(qū)動器輸出相連的功率開關(guān)器件。
20.一種激磁磁阻電機(jī)的方法，所述磁阻電機(jī)包含多個相繞組，其中每相繞組多個分節(jié)距線圈，所述方法包括激磁所述相繞組中的兩個或多個的步驟，以使對于任何給定的轉(zhuǎn)子位置，在該位置的所述電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出是作為轉(zhuǎn)子位置函數(shù)的至少一個所述繞組的自感的變化的函數(shù)，并且是作為轉(zhuǎn)子位置函數(shù)的至少兩個所述繞組之間的互感的變化的函數(shù)。
21.一種磁阻電機(jī)系統(tǒng)，包括具有多個分節(jié)距相繞組的磁阻電機(jī)；和電連接到所述相繞組的驅(qū)動器，所述驅(qū)動器包含多個開關(guān)設(shè)置，其中每一個開關(guān)設(shè)置都適于提供雙極性激磁電流到所述分節(jié)距相繞組中的一個，并且其中所述開關(guān)設(shè)置的數(shù)目小于所述分節(jié)距相繞組的數(shù)目。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中每一個所述開關(guān)設(shè)置都包含一全H橋。
23.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)設(shè)置的數(shù)目比相繞組的數(shù)目少1。
全文摘要
一種磁阻電機(jī),包括多個相繞組,其中每一相繞組包含多個分節(jié)距線圈。所述磁阻電機(jī)可連接到一驅(qū)動器,所述驅(qū)動器能夠激磁一個、兩個或多個相繞組,以提供由下列各項(xiàng)導(dǎo)出的輸出轉(zhuǎn)矩:(i)相繞組的自感;(ii)相繞組的自感和相繞組之間互感的組合;或(iii)相繞組之間的互感。
文檔編號H02K19/10GK1229535SQ97197653
公開日1999年9月22日 申請日期1997年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月9日
發(fā)明者唐伊凡, 李煜 申請人:埃莫森電器公司