專利名稱：開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電機(jī)，特別涉及具有分成段的轉(zhuǎn)子的開關(guān)磁阻電機(jī)。
由這種電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩量取決于在對(duì)準(zhǔn)(亦即轉(zhuǎn)子和定子極對(duì)準(zhǔn))和非對(duì)準(zhǔn)(亦即轉(zhuǎn)子和定子極的最大未對(duì)準(zhǔn))條件下連接各匝激勵(lì)線圈的磁通之間的差值。隨著定子極弧的寬度增加，對(duì)準(zhǔn)的和未對(duì)準(zhǔn)的磁鏈按定子極距的比例增加，但一旦定子極的極弧變得大于相鄰轉(zhuǎn)子極之間間距的一半，即使在未對(duì)準(zhǔn)的條件下，轉(zhuǎn)子極和定子極之間也總是有重疊，這會(huì)引起未對(duì)準(zhǔn)的電感迅速增加。結(jié)果，人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)定子極寬與定子極距之比值約為0.42時(shí)，由這種電機(jī)所產(chǎn)生的峰值轉(zhuǎn)矩增加。
人們?cè)谠噲D克服這種局限性時(shí)，生產(chǎn)出了一種開關(guān)磁阻電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子沒有那些徑向上延伸的極，而是設(shè)置了若干磁性材料的磁性分開的段(segment)，這些段在相鄰定子極之間導(dǎo)向磁通。在這些電機(jī)中，只有很少量的磁通沿直徑跨過轉(zhuǎn)子。這類電機(jī)在“The design of switchedreluctance motors with segmental rotors”，Mecrow，BC，F(xiàn)inch，JW，El-Kharashi，EA & JACK，Proceedings of IECM 2002，InternationalConference on Electrical Machines，25-28 Aug.2002，Brugge，Belgium中作了介紹，該文件被結(jié)合到本申請(qǐng)中作為文獻(xiàn)。
對(duì)于一種簡化配置，其中定子極的弧等于轉(zhuǎn)子段的弧，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)定子極寬度與極距的比值增加到大于0.5時(shí)，由電機(jī)產(chǎn)生的有用轉(zhuǎn)矩持續(xù)增加。然而，同時(shí)，隨著極弧與極距的比值變得更高時(shí)，相鄰定子極之間的縫隙變得更窄，結(jié)果可用來安放繞每個(gè)極的激勵(lì)繞組的空間不足。
US 5,010,267(Lipo)和EP 0504093(Horst)中公開了試圖克服這個(gè)問題的嘗試，其中，每個(gè)載流繞組都具有大于一個(gè)定子極的極距，以致各交替狀態(tài)的繞組(亦即不同時(shí)間通電的繞組)占據(jù)定子極之間相鄰的縫隙。這具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即由任何繞組兩邊所產(chǎn)生的磁通不沿某一個(gè)齒，其結(jié)果是避免了該齒中的磁飽和。然而，這種類型的現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)具有的缺點(diǎn)是，在一個(gè)以上定子極上延伸的繞組必需用長的端部連接進(jìn)行連接，這種情況增加了總的繞組損耗并使電機(jī)占據(jù)更多的空間，這限制了電機(jī)可以用低成本制造的范圍。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例設(shè)法克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種開關(guān)磁阻電機(jī)，該開關(guān)磁阻電機(jī)包括一個(gè)定子，具有多個(gè)在圓周上排列的軟磁材料的定子極；一個(gè)轉(zhuǎn)子，可旋轉(zhuǎn)式安裝在定子內(nèi)部，并具有多個(gè)在圓周上排列的軟磁材料的磁性分開的轉(zhuǎn)子段，其中每個(gè)上述轉(zhuǎn)子段適于在相鄰定子極對(duì)之間導(dǎo)向磁通；及多個(gè)線圈，圍繞交替定子極設(shè)置，并適于輸送電流以便在上述定子極中產(chǎn)生磁通，其中每個(gè)上述線圈圍繞一個(gè)定子極。
通過提供一種配置，其中每個(gè)線圈只圍繞一個(gè)定子極，并且其線圈只設(shè)置在交替極上，可以將被線圈圍繞的交替定子極制得更寬，以便容納纏繞在極上的線圈所產(chǎn)生的磁通。相鄰的極可以制得更細(xì)，以便在定子中產(chǎn)生空間來安放繞組和相鄰的較寬的定子極。因此，這提供的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)可以就其機(jī)械性能來說用比現(xiàn)有技術(shù)能達(dá)到的更小的尺寸制造。而且，由于線圈是短節(jié)距，圍繞一個(gè)定子極，所以端部繞組短。這意味著通常與較長端部繞組有關(guān)的損耗被減至最小，因此能從一給定電機(jī)得到產(chǎn)生較大的輸出。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，沒有兩個(gè)相鄰的上述定子極具有上述線圈。
電機(jī)可以包括多組線圈，以適于在不同時(shí)間具有最大的激勵(lì)作用。
優(yōu)選的是線圈被設(shè)置成沿直徑相對(duì)的線圈對(duì)。
定子極的數(shù)目最好不是轉(zhuǎn)子段數(shù)目的整數(shù)倍。轉(zhuǎn)子段的數(shù)目最好不是定子極數(shù)目的整數(shù)倍。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)轉(zhuǎn)子段在其面向定子的相應(yīng)部分處變寬。通過增加定子極弧和轉(zhuǎn)子段的長度使最大電感位置處的磁阻減至最小。為此，至少一個(gè)上述定子極可以在其面向轉(zhuǎn)子的相應(yīng)部分處變寬。至少一個(gè)上述定子極的變寬部分可以具有一個(gè)在15和45之間，例如20的錐角。
轉(zhuǎn)子8包括一個(gè)無磁鐵芯9。十個(gè)磁性分開的磁性材料轉(zhuǎn)子段10卡緊在鐵芯9內(nèi)的縱向鍵槽中，以便它們?cè)趫A周上排列并通過氣隙11與定子極3，4分開。轉(zhuǎn)子段10被設(shè)置成使來自第一定子極3的磁通朝向一相鄰的第二定子極4或者反之亦然，如圖3(a)中最清楚示出的。為清楚起見，

圖1中的各轉(zhuǎn)子段用陰影線示出。還是為了清楚起見，將無磁鐵芯9的外徑示為小于各轉(zhuǎn)子段的外徑，雖然在實(shí)際上，這些外徑全都落在一共同直徑上，以便產(chǎn)生一光滑的轉(zhuǎn)子表面，從而避免由于不均勻轉(zhuǎn)子表面所形成的間隙而引起的噪音問題。
定子2和轉(zhuǎn)子段10用一堆電鋼片疊層而成，正如常規(guī)電機(jī)那樣。應(yīng)該注意，為保證有效使用疊層材料，所有轉(zhuǎn)子段都可以用定子內(nèi)孔內(nèi)部的材料生產(chǎn)。
轉(zhuǎn)子段10可以用各種已知方法中的任何一種固定在無磁鐵芯9上的適當(dāng)位置，對(duì)任何一種電機(jī)所選擇的方法視這樣一些因素而定，如電機(jī)的最大速度和轉(zhuǎn)矩，環(huán)境條件等。上述方法包括機(jī)械燕尾排列(如圖1所示)；采用止動(dòng)桿，該止動(dòng)桿壓在扇形段上的一個(gè)零件上并用螺栓或其它合適的緊固件固定到鐵芯上；將扇形段模制或鑄造入位等。在裝配轉(zhuǎn)子之后，可以將外面機(jī)加工成產(chǎn)生所希望氣隙的直徑。
定子極隨著它們接近氣隙而變寬，變寬部分的側(cè)面相對(duì)于磁極主體形成一個(gè)20的錐角?？梢园l(fā)現(xiàn)，根據(jù)特定設(shè)計(jì)的參數(shù)，錐角度值在15和45之間是有利的。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D3(a)和3(b)說明電機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)一相中的線圈5被激勵(lì)時(shí)，它們使磁通沿著相應(yīng)的纏繞線圈的第一定子極3。圖3(a)中示意性示出了磁通通路30和31。然后，磁通經(jīng)過相鄰的定子極對(duì)4返回。由于在兩個(gè)極4之間共享磁通返回通路，所以這些極4可以比第一定子極3窄，而不會(huì)引起磁飽和。應(yīng)該注意，磁通通路被限制在被激發(fā)線圈包圍的極的位置。這對(duì)于不需要提供磁動(dòng)勢(shì)來驅(qū)動(dòng)磁通圍繞定子的長背鐵區(qū)或沿直徑跨越轉(zhuǎn)子的電機(jī)來說，是有利的。
當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)子段10與線圈5的一側(cè)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，如圖3(a)所示，一個(gè)第二相鄰的段也與線圈第二側(cè)對(duì)準(zhǔn)。由線圈所產(chǎn)生的磁通的一半從第一定子極3穿過第一轉(zhuǎn)子段10流向相鄰的第二定子極4的其中之一，而上述磁通的另一半穿過第二轉(zhuǎn)子段流向相應(yīng)的相鄰定子極。圖3(a)中示意性地示出了磁力線。這種排列具有使耦合線圈5的磁通最大的效果，并因此是相位的最大電感位置。然而，正如從圖3(b)中可以看到的，當(dāng)轉(zhuǎn)子段10與極3對(duì)準(zhǔn)時(shí)，耦合線圈5的磁通量小得多，因?yàn)楝F(xiàn)在磁通必須跨過兩個(gè)相鄰的轉(zhuǎn)子段以便穿過極4返回?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)子磁通路包括一部分無磁鐵芯9。因此，這是相位的最小電感位置。在最大電感位置(圖3(a))處，從使磁阻最小的觀點(diǎn)來看，其優(yōu)點(diǎn)是使定子極和轉(zhuǎn)子段的極面弧形長度達(dá)到最大。如圖1所示，通過在極的端部處引入一喇叭狀展開部分，定子極3的弧形在氣隙處增加，而沒有隨著發(fā)生的極體寬度增加。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，通過喇叭狀展開極來使磁阻最小導(dǎo)致增加了氣隙附近磁通路的邊緣效應(yīng)，并且最終將導(dǎo)致不能接受的從一個(gè)定子極到另一個(gè)定子極的漏磁通程度。因此，對(duì)相鄰的定子極弧可以擴(kuò)展的程度有一個(gè)敏感的界限。
結(jié)果，當(dāng)線圈被激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子8設(shè)法自身對(duì)準(zhǔn)成圖3(a)所示的對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，正如與圖3(b)的未對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)相反的那樣。因而，通過使三個(gè)相的線圈5、6、7定時(shí)激勵(lì)，可以使轉(zhuǎn)子8在所希望的意義上相對(duì)于定子2產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
例如，從圖3(b)所示的位置，激發(fā)相B將引起朝順時(shí)針方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而激發(fā)相C將產(chǎn)生逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩。如果產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩克服軸12上的負(fù)載，則導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)。然后，勵(lì)磁模式將按在開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員所熟知的方式進(jìn)行。
因此，這種機(jī)器可以利用適合與常規(guī)構(gòu)成的開關(guān)磁阻電機(jī)一起使用的電力變換器和控制系統(tǒng)工作。圖4中示出了包括在本發(fā)明中的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)直流(DC)電源41，該DC電源41可以是一種蓄電池或是整流和濾波的交流(AC)電源。由電源41所提供的DC電壓可以在電子控制單元44的控制下通過一電力變換器43跨過電動(dòng)機(jī)42的相繞組46轉(zhuǎn)換。通常設(shè)置某種形式的電流傳感器48以便產(chǎn)生相電流反饋。轉(zhuǎn)子位置信息由傳感器45提供。
圖5一般性地示出了一種典型的開關(guān)電路，該開關(guān)電路可以用于控制相繞組46激勵(lì)的電力變換器43中。電壓干線56、57一般通稱為DC連接線，而跨接在它們之間的電容器55通稱為DC連接線電容器，上述電容器55的功能是處理DC連接線上的交流電流。當(dāng)開關(guān)51和52閉合時(shí)，相繞組耦合到DC電源上并通電。
當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組按上述方式被激勵(lì)時(shí)，磁路中磁通所建立的磁場(chǎng)產(chǎn)生圓周力，該圓周力如上所述起作用以便將轉(zhuǎn)子極與定子極對(duì)齊。設(shè)置能量返回二極管53和54，以便在通電周期結(jié)束時(shí)向繞組施加反向電壓?？梢园ㄒ粋€(gè)電阻器58來起圖4中電流傳感器48的作用。
由于電機(jī)的線圈是短距式的，亦即只跨過一個(gè)極，所以它們具有短端繞組，如圖2所示，與現(xiàn)有技術(shù)相比，它大大減少了電機(jī)的損耗并能從一給定的電機(jī)體積發(fā)出比迄今為止的情況更大的輸出。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實(shí)施例僅是作為例子說明并且沒有任何限制的意思。例如，盡管上述實(shí)施例對(duì)電動(dòng)機(jī)作了說明，但應(yīng)該理解，本發(fā)明可以同等地涉及各種發(fā)電機(jī)。極和轉(zhuǎn)子形段的數(shù)量可以改變。此外，每一相的線圈可以相互并聯(lián)連接，并且對(duì)每一相可以提供多于或少于兩個(gè)線圈。轉(zhuǎn)子組件可以如此設(shè)計(jì)，以便在定子內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)，或者可以采用所謂的倒置結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子繞定子的外部運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，定子被描述成是一組安裝成從一接連的背鐵部分徑向向內(nèi)延伸的構(gòu)件的磁極輪廓。然而，由于相鄰定子極之間磁通路的性質(zhì)，背鐵只需存在以便局部形成磁通路線。因此，能夠制造一種根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)，其中每個(gè)相鄰的極組都安裝成與它自己磁通路分開。
因此，在不脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求所述范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)磁阻電機(jī)，包括一個(gè)定子，包括多個(gè)在圓周上排列的軟磁材料的定子極；一個(gè)轉(zhuǎn)子，相對(duì)于定子可旋轉(zhuǎn)地安裝，并具有多個(gè)在圓周上排列的軟磁材料的磁性分開的轉(zhuǎn)子段，其中上述每個(gè)轉(zhuǎn)子段都適于在相鄰定子極對(duì)之間導(dǎo)通磁通；及多個(gè)線圈，被設(shè)置在交替的定子極并適于輸送電流，以便在上述定子極中產(chǎn)生磁通，其中上述每個(gè)線圈都圍繞一個(gè)定子極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電機(jī)，其中在相鄰的定子極上不設(shè)置線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電機(jī)，其中線圈限定一組相位，每個(gè)都安置裝成在轉(zhuǎn)子不同位置處具有最大電感。
4.根據(jù)上述任意一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中每一相的線圈都安裝成直徑上相對(duì)的線圈對(duì)。
5.根據(jù)上述任意一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中定子極數(shù)不是轉(zhuǎn)子段數(shù)目的整數(shù)倍。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一個(gè)的電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子段數(shù)不是定子極數(shù)目的整數(shù)倍。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一個(gè)的電機(jī)，其中至少一個(gè)上述定子極具有一個(gè)面向轉(zhuǎn)子的端部，該端部比該極的其余部分寬。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電極，其中至少一個(gè)上述變寬的端部具有一個(gè)在15和45之間，例如20的錐角。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一個(gè)的電機(jī)，其中交替的極是磁性寬的和磁性窄的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電機(jī)，其中所述寬極是窄極磁性寬度的近似一倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的電機(jī)，其中每個(gè)寬極都被一個(gè)線圈環(huán)繞。
12.一種開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置，包括一個(gè)如上述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的電機(jī)，一個(gè)用于使上述電機(jī)每個(gè)線圈選擇性通電的電力變換器和一個(gè)用于控制電力變換器的控制器，因而當(dāng)轉(zhuǎn)子位置相應(yīng)于一個(gè)相繞組最大電感位置時(shí)，所產(chǎn)生的磁通通路包括轉(zhuǎn)子段和一對(duì)相鄰的定子極。
全文摘要
開關(guān)磁阻電機(jī)具有一個(gè)定子，該定子繞其內(nèi)周邊具有一個(gè)交替的寬極和窄極的陣列。線圈只繞寬極纏繞。轉(zhuǎn)子包括軟磁材料的扇形段，這些扇形段安裝在無磁鐵芯上。扇形段在氣隙處如此定比例，以使一個(gè)定子線圈所產(chǎn)生的磁通通過兩個(gè)或兩個(gè)以上扇形段并通過相鄰的窄極返回。該電機(jī)能產(chǎn)生高的輸出。
文檔編號(hào)H02K19/02GK1455492SQ0312221
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2003年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者B·C·梅克勞 申請(qǐng)人:開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)有限公司