專利名稱：電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
同步電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)于感應(yīng)及DC電動(dòng)機(jī)的固有優(yōu)點(diǎn)。在同步電動(dòng)機(jī)中， 轉(zhuǎn)子的速度準(zhǔn)確地與向同步電動(dòng)機(jī)供應(yīng)電力的系統(tǒng)的頻率成比例。因此， 同步電動(dòng)機(jī)的特征在于，同步電動(dòng)機(jī)在超前功率因數(shù)下以恒定速度(對(duì)于 恒定的電源頻率)運(yùn)行并具有低起動(dòng)電流。這種電動(dòng)機(jī)的效率通常高于其 它電動(dòng)機(jī)類型。同步電動(dòng)機(jī)的電樞通常在電動(dòng)機(jī)的定子或外部環(huán)狀環(huán)上構(gòu)造有一組 AC多相分布式繞組。同樣地，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組通常在轉(zhuǎn)子上發(fā)現(xiàn)，并 且典型地由多于一個(gè)的極對(duì)組成。通常了解的是，用直流激勵(lì)勵(lì)磁磁極。 激勵(lì)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)和方法決定同步電動(dòng)機(jī)的類型。通常，需要單 獨(dú)的激勵(lì)器、集電環(huán)(或滑環(huán))以及電刷。在具有橫過分離定子和轉(zhuǎn)子的空隙設(shè)計(jì)有不同的磁阻路徑以幫助產(chǎn) 生磁阻轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子的同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中消除了激勵(lì)器、集電環(huán)以及電刷。 在轉(zhuǎn)子上沒有激勵(lì)繞組，并且因此不需要激勵(lì)源。定子的電樞繞組接著被 直接從AC電源線供以電力。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)制造時(shí)簡(jiǎn)單且便宜，但無法提供同步電動(dòng)機(jī)的性能。另一 方面，集電環(huán)式同步電動(dòng)機(jī)由于操作需要激勵(lì)器、集電環(huán)和電刷而更加復(fù) 雜和昂貴。這還增加了維修要求，而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上維修較自由。盡管 整流式DC電動(dòng)機(jī)更容易控制且具有極佳的牽引特性，然而整流式DC電動(dòng) 機(jī)具有類似的缺點(diǎn)。無刷同步電動(dòng)機(jī)中消除了集電環(huán)和電刷，但AC無刷 激勵(lì)器結(jié)構(gòu)仍然意味著額外的成本、空間和復(fù)雜性。永磁式同步電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出是最具有吸引力的。然而，高場(chǎng)強(qiáng)的永久磁 鐵的制造及高成本、以及將這些磁鐵連接到轉(zhuǎn)子的過程，尤其是對(duì)于大的機(jī)器，將變成工程挑戰(zhàn)。永久磁鐵的最大場(chǎng)強(qiáng)還受到技術(shù)的現(xiàn)有狀態(tài)的限 制。盡管同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但同步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不是非常有 效，并且對(duì)于相似的性能通常遠(yuǎn)大于集電環(huán)式同步電動(dòng)機(jī)。實(shí)際上，同步 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還沒發(fā)現(xiàn)大量的高于幾千瓦的使用。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)包括 電樞，所述電樞具有布置成形成兩個(gè)各自的電樞相的至少兩個(gè)電樞繞組；位于所述電樞內(nèi)的凸極轉(zhuǎn)子配置，其中轉(zhuǎn)子通過空隙與所述電樞分 離，所述轉(zhuǎn)子被成形及構(gòu)造成使得所述凸極配置通過所述轉(zhuǎn)子與電樞之間 的所述間隙限定較高及較低的磁阻路徑，并且轉(zhuǎn)子進(jìn)一步包括圍繞轉(zhuǎn)子的 凸極的勵(lì)磁繞組，該繞組被構(gòu)造成形成至少一個(gè)極對(duì)，所述勵(lì)磁繞組終止 在選擇電氣開關(guān)中，所述選擇電氣開關(guān)確定所述勵(lì)磁繞組的電氣連續(xù)性， 使得在開關(guān)兩端施加的反向偏置電壓造成勵(lì)磁繞組為開路；以及控制裝置，所述控制裝置被構(gòu)造用于通過經(jīng)由較低磁阻路徑將電壓施 加到連接到勵(lì)磁繞組的電樞相上來調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的磁化，使得被激勵(lì)的電 樞相進(jìn)而通過感應(yīng)在開關(guān)兩端施加反向偏壓，該反向偏置可防止電流在勵(lì) 磁繞組中流動(dòng)，但施加到所述電樞相的電壓會(huì)增加轉(zhuǎn)子中的磁通密度，因 此一旦達(dá)到轉(zhuǎn)子中的預(yù)定通量密度，所述控制裝置就移除所施加的電壓， 使得施加的電壓的移除在開關(guān)兩端將反向電壓感應(yīng)成正向偏壓，從而使電 流在勵(lì)磁繞組中流動(dòng)，該電流可防止所述轉(zhuǎn)子中的通量密度衰減，并且所 述控制裝置被進(jìn)一步構(gòu)造用于通過將電壓施加到不用于激勵(lì)勵(lì)磁繞組的 其它各電樞相來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，使得在任何給定的時(shí)刻，一 個(gè)電樞相可用于磁化勵(lì)磁繞組，同時(shí)其它相用于轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。要理解的是，當(dāng)使電流在勵(lì)磁繞組中流動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組中的選擇開關(guān) 通過有效地捕捉轉(zhuǎn)子中的磁通密度提高了電動(dòng)機(jī)的效率。這使得不再需要 電樞繞組持續(xù)供應(yīng)磁化電流以及轉(zhuǎn)矩電流，而例如現(xiàn)有的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需要 電樞繞組持續(xù)供應(yīng)磁化電流以及轉(zhuǎn)矩電流。進(jìn)一步要理解的是電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)換式回掃原理以磁化轉(zhuǎn)子。所述電樞可以包括多個(gè)成組的有縫的金屬疊片以減少電樞中的渦電 流。所述轉(zhuǎn)子可以包括多個(gè)成組的有縫的金屬疊片以減少轉(zhuǎn)子中的渦電 流。所述選擇開關(guān)可以包括續(xù)流二極管。所述選擇開關(guān)可以包括固態(tài)器 件，例如，晶體管、晶閘管或類似器件。所述控制裝置可以包括微處理器。所述控制裝置可以包括用于控制電 樞相的激勵(lì)的電氣開關(guān)。所述電氣開關(guān)可以包括晶體管。因此，所述電氣開關(guān)可以被布置成H-橋配置。所述控制裝置可以包括用于感測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于電樞相的位置的傳感器， 以在正確的情況下調(diào)節(jié)相的激勵(lì)。所述控制裝置可以被構(gòu)造用于從電樞相電流和電壓特性確定轉(zhuǎn)子的 位置。所述控制裝置可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的速度(例如，高速)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的 通量密度，勵(lì)磁繞組的磁化僅需要充滿轉(zhuǎn)子的非常少的回轉(zhuǎn)，而勵(lì)磁繞組 在低速下在轉(zhuǎn)子的一個(gè)回轉(zhuǎn)期間可能需要充滿多次。所述控制裝置可以被構(gòu)造用于在適當(dāng)?shù)那闆r下將電動(dòng)機(jī)控制作為發(fā) 電機(jī)。電樞相可以致力于磁化勵(lì)磁繞組。因此，電樞相可以致力于電動(dòng)機(jī)中 的轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。 -


現(xiàn)在通過非限制性實(shí)例參照

本發(fā)明，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的徑向橫截面圖； 圖2是圖I的電動(dòng)機(jī)的軸向橫截面圖；圖3是表示電樞相通過較低的磁阻路徑與勵(lì)磁繞組相互作用的電路圖 的示意圖；圖4a和圖4b是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相對(duì)于電樞的不同位置的徑向橫截面圖； 圖5是圖1中所示的電動(dòng)機(jī)的操作期間的不同的勵(lì)磁繞組及電樞繞組 的電流及通量密度的圖表；圖6是控制裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖7是電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步的實(shí)施例的徑向橫截面圖；以及圖8是圖7中所示的電動(dòng)機(jī)的操作期間的電樞繞組電流的圖表。
具體實(shí)施方式
參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)通常由參考符號(hào)10表示。參照?qǐng)D1和圖2，電動(dòng)機(jī)10的外部構(gòu)件由用于保持電樞繞組12的成組的 有縫的鋼疊片ll組成，其中這些構(gòu)件一起構(gòu)成定子13。電樞繞組12進(jìn)一步 被分成構(gòu)成兩個(gè)單獨(dú)相的兩個(gè)單獨(dú)的繞組12.1和12.2。同樣地，在此實(shí)施例中，內(nèi)部構(gòu)件由成組的鋼疊片15組成，其中鋼疊 片15相對(duì)固定到驅(qū)動(dòng)軸16，且勵(lì)磁繞組17終止在為續(xù)流二極管或整流器18 的選擇開關(guān)中，這些構(gòu)件共同構(gòu)成能夠相對(duì)定子13旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子14。要理解的是，為了說明的目的，圖l中顯示參考坐標(biāo)系d-q。轉(zhuǎn)子14關(guān) 聯(lián)于或參考此坐標(biāo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于轉(zhuǎn)子14的凸極配置，直軸線d上的空隙 比正交軸線q上的空隙小很多。磁路沿q軸線的磁阻因此比沿d軸線的磁阻大很多。這是本發(fā)明的重要特征且為構(gòu)成其操作模式整體所必需的。q軸線上的較高磁阻通過轉(zhuǎn)子l4 會(huì)減小轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電樞相的磁耦合，這是理想的。沿q軸線的較大空隙還提 供了用于導(dǎo)致凸極結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁繞組17的空間。要理解的是本發(fā)明通常需要轉(zhuǎn)子14為凸極特性。疊片15的形狀與磁阻 電動(dòng)機(jī)(未示出)的形狀相似，但電動(dòng)機(jī)10不會(huì)影響磁阻轉(zhuǎn)矩；勵(lì)磁繞組 17和二極管18的作用組合直接牽涉到轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。在所顯示的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子14具有一個(gè)極對(duì)，但在其它實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子可以被構(gòu)造成具有多個(gè)極對(duì)。同樣地，定子13在進(jìn)一步的實(shí)施例中可以被構(gòu)造成具有多于兩個(gè)的相位。現(xiàn)在參考圖1中轉(zhuǎn)子14相對(duì)于電樞相繞組12.1和12.2的位置。本發(fā)明的一個(gè)新穎性方面為使轉(zhuǎn)子14的極對(duì)被磁化的方法，即，激勵(lì)勵(lì)磁繞組17 的方法。暫時(shí)忽略勵(lì)磁繞組17的作用；施加到電樞相12.1上的電流將在q 軸線的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)。同樣地，施加到電樞相12.2上的電流將在d軸線 的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)。d軸線上的磁場(chǎng)由于q軸線上的較大磁阻而比q軸線上 的磁場(chǎng)大許多倍。在操作中，在靜止或旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子14的磁場(chǎng)激勵(lì)通過電樞相12.1和12.2 的正確時(shí)序和轉(zhuǎn)換將沿d軸線保持最大而沿q軸線保持最小(實(shí)質(zhì)上為零)。當(dāng)電樞相繞組12.1或12.2的中心軸線與轉(zhuǎn)子14的直軸線d對(duì)準(zhǔn)時(shí)，特定 的電樞繞組則強(qiáng)烈地耦合到勵(lì)磁繞組17。同樣地，當(dāng)電樞相繞組12.1或12.2 的中心軸線與轉(zhuǎn)子14的正交軸線q對(duì)準(zhǔn)時(shí)，特定的電樞繞組則微弱地耦合 到勵(lì)磁繞組17。圖3顯示強(qiáng)烈地耦合到終止在二極管18中的勵(lì)磁繞組17的電樞繞組 12.2的變壓器示圖20的簡(jiǎn)圖。電樞繞組12.2用作變壓器20的初級(jí)線圈，而 勵(lì)磁繞組17用作變壓器20的次級(jí)線圈。要理解的是，變壓器示圖20只有在 電樞相繞組12.2的中心軸線與轉(zhuǎn)子的直軸線d相對(duì)準(zhǔn)(即，強(qiáng)烈耦合)時(shí) 有效。當(dāng)電樞繞組12.2正交于勵(lì)磁繞組17時(shí)，由于各繞組的中心軸線彼此 垂直而不具有變壓器作用。按照慣例，黑點(diǎn)21.1和21.2表示各繞組的"相同"極性。當(dāng)電樞相12.2 的中心軸線與轉(zhuǎn)子的d軸線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，轉(zhuǎn)子14在一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)周期中存在 兩個(gè)位置。在第一位置處，通過閉合開關(guān)22以使正電壓施加到初級(jí)線圈12.2， 二 極管18將如圖3中所示被反向偏置。在第二位置處，轉(zhuǎn)子14通過施加到初 級(jí)線圈12.2的正電壓而旋轉(zhuǎn)180。， 二極管18將被正向偏置(未示出)。就第一位置而言，開關(guān)22閉合，因此將正電壓施加到初級(jí)線圈12.2。 在次級(jí)線圈17中引發(fā)電壓，其中所述次級(jí)線圈將反向偏壓施加到二極管 18，從而可防止電流在次級(jí)繞組17中流動(dòng)。然而，初級(jí)繞組12.2中的磁化 電流并因此使轉(zhuǎn)子疊片15中的磁通密度將會(huì)從零增加或上升，這根據(jù) v = Ldi/dt (1) di = dt.v/L (2)其中V是單位為伏特(V)的所施加的電壓L是單位為亨利(H)的初級(jí)電感 di是單位為安培(A)的電流變化 dt是單位為秒(s)的時(shí)間變化 當(dāng)磁通密度達(dá)到預(yù)定值或所需值時(shí)，開關(guān)22打開。這會(huì)中斷初級(jí)電流，所述初級(jí)電流必須降低到零-電流的變化率di/dt因此為負(fù)值且由公式(1) 導(dǎo)出，初級(jí)繞組兩端的電壓變?yōu)樨?fù)值。因此，次級(jí)繞組17也經(jīng)受通過感應(yīng)反向的電壓，從而造成二極管18 變得被正向偏置并導(dǎo)通。因此造成在次級(jí)繞組17中流動(dòng)的電流將與首先通 過初級(jí)繞組12.2在芯體疊片15中產(chǎn)生的磁通密度成比例。轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組 17中的電流有效地捕捉到芯體疊片15中的磁通密度。要理解的是通過二極管18的正向電壓在次級(jí)繞組17兩端施加的電壓 比初始施加在初級(jí)線圈12.2兩端的電壓低很多。從公式(1)可知這意味 著次級(jí)線圈17的電流的衰減率di/dt并因此使磁通密度的衰減比初級(jí)線圈 12.2的電流的變化率(ramprate)低很多，并因此比磁通密度的變化率低 很多。同樣地，場(chǎng)致磁化的衰減時(shí)間通過施加的電壓的正確選擇以及初級(jí)線 圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)比可以被設(shè)計(jì)為比變化時(shí)間長的數(shù)量級(jí)。例如，典型 施加的電壓可以為300V且二極管的正向電壓可以為1 V，并且由于匝數(shù) 比，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)處于最大磁化下時(shí)，僅需要每15ms變化50us以使場(chǎng)強(qiáng)保 持在其最大值的10%內(nèi)?，F(xiàn)在只考慮圖1的轉(zhuǎn)子14的磁化(未產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩)，并且轉(zhuǎn)子14以一定速 度相對(duì)于定子13旋轉(zhuǎn)。順便述及，無論轉(zhuǎn)子14的直軸線d (具有二極管18 的正確極性)何時(shí)與相12.1或12.2的中心軸線瞬間對(duì)準(zhǔn)以使轉(zhuǎn)子14獲得磁 性"充電"，控制裝置或電力驅(qū)動(dòng)電子裝置(未示出)均會(huì)簡(jiǎn)單地將正確極 性的電壓施加到特定的電樞相12.1或12.2。在啟動(dòng)時(shí)，磁性"充電"時(shí)間將比運(yùn)行的充滿"充電"時(shí)間長十倍，以便 使轉(zhuǎn)子14的磁場(chǎng)初始就達(dá)到其最大值。當(dāng)以高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子14的磁化可 以只需要每幾個(gè)周期再充滿，而以非常低的速度運(yùn)行時(shí)，則可能需要每個(gè) 周期充滿幾次。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，二極管18被用作轉(zhuǎn)子繞組17中的轉(zhuǎn)換 元件。然而，要理解的是可以使用任何類型的與電樞相繞組12.1和12.2的 轉(zhuǎn)換適當(dāng)同步化的轉(zhuǎn)換元件，例如，晶體管、晶閘管、MOSFET和/或類似元件。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解，在開關(guān)式電源中的回掃變壓器(flybacktransformer)的操作中采用如上所述的相似原理。然而，在回掃 變壓器中，能量持續(xù)從初級(jí)繞組輸送到連接到電阻負(fù)載的固定的次級(jí)繞 組，而在電動(dòng)機(jī)10中，回掃原理用于保持相對(duì)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中的磁通密度。 現(xiàn)在考慮電動(dòng)機(jī)10中的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。在磁場(chǎng)中以及垂直于磁場(chǎng)在載流導(dǎo) 體上施加的力由洛倫茲力公式獲得F = 1丄B (3)其中 F是單位為牛頓N的力l是單位為米m的導(dǎo)體長度i是單位為安培A的導(dǎo)體中的電流B是單位為特斯拉T的磁通密度并且電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)矩將從下述公式獲得.-T = Rr=U.B.r (從(3)導(dǎo)出)(4)其中 r是轉(zhuǎn)子半徑T是單位為N.m的轉(zhuǎn)矩F是單位為牛頓N的力 參照?qǐng)Dl，假定轉(zhuǎn)子14被充分地磁化。沿平經(jīng)度方位通過定子芯13的 磁通線19不會(huì)越過電樞相12.2的導(dǎo)體，因此這些導(dǎo)體沒有受到力。然而， 電樞相12.1的導(dǎo)體垂直于且直接位于橫過空隙從定子15橫越到轉(zhuǎn)子14的 磁通線19中并因此受到根據(jù)公式(4)的轉(zhuǎn)矩。由于電樞相繞組12.1的導(dǎo)體被固定在定子13中，并且由于轉(zhuǎn)子14進(jìn)而 受到相對(duì)的反作用，因此轉(zhuǎn)子14將經(jīng)受引起的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。因此，通過在 位于較小的空隙中或d軸線上的定子導(dǎo)體12.1或12.2中流動(dòng)的電流在轉(zhuǎn)子 14中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在操作中，電樞相12.1或12.2隨著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)將交替產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和磁 化電荷。轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流將應(yīng)用于大部分的轉(zhuǎn)子周期，而磁化將占小部分時(shí) 間。具有轉(zhuǎn)子14的適當(dāng)位置檢測(cè)以及電樞相的電流反饋的微處理器控制的 功率晶體管可以實(shí)現(xiàn)相位之間所需的時(shí)序及電流控制。轉(zhuǎn)子14成角度的位置可以直接通過安裝在轉(zhuǎn)子14和反饋電路上的傳感元件來確定。另外，該位置也可以從電樞繞組的電壓及電流特性來間接 確定，這是因?yàn)檫@些受到轉(zhuǎn)子"根據(jù)其成角度的位置而呈現(xiàn)的可變磁阻 (由于直軸線及正交軸線上的空隙的不同)的影響。換句話說，在圖4a中所示的第一轉(zhuǎn)子位置下，電樞相繞組12.1在負(fù)載 電流時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同時(shí)電樞相繞組12.2給轉(zhuǎn)子14中的磁場(chǎng)充電。同樣地， 在圖4b中所示的第二轉(zhuǎn)子位置下，該作用反向且電樞相繞組12.2產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩， 同時(shí)電樞相繞組12.1對(duì)轉(zhuǎn)子14中的磁場(chǎng)充電。圖5中給出對(duì)于特定的旋轉(zhuǎn)方向顯示分別對(duì)于電樞相繞組12.1、 12.2 以及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組17的電流I,2.,、Im和In以及轉(zhuǎn)子14的磁通密度BM在一個(gè) 完整的旋轉(zhuǎn)周期中相對(duì)于時(shí)間的圖表。如所示出地，在完整的周期中，電 樞相電流Im和I,2.2的波形由兩個(gè)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生段和兩個(gè)磁化脈沖組成。要理解的是轉(zhuǎn)子14的旋轉(zhuǎn)方向通過改變電樞相電流I^或I，2.2中的一個(gè)的極性或僅通過交換I^和I^的時(shí)序順序很容易反向。電動(dòng)機(jī)10將通過使電樞相電流I^和I,2.2的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生段的極性反向作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行操作，但是具有與圖5中所示相同的磁化電流脈沖時(shí)序及極性。無論是在正向或反向上發(fā)動(dòng)或發(fā)電，電流的時(shí)序均與轉(zhuǎn)子14的位置同步。圖6中顯示用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)10的控制裝置的電子電路。電動(dòng)機(jī)10的示 意性說明包括顯示的電樞繞組12.1和12.2;轉(zhuǎn)子14、轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組17以 及續(xù)流二極管(free wheeling diode) 18。在所示的實(shí)施例中，DC電源(未示出)向電動(dòng)機(jī)10的主DC總線45.1 和45.2供電。MOSFET晶體管40.1、 40.2、 40,3、 40.4的"H-橋"酉己置用于將 所需的電流轉(zhuǎn)換到電樞相繞組12.1，而MOSFET晶體管42.1、 42.2、 42.3、 42.4的"H-橋"配置用于將所需的電流轉(zhuǎn)換到電樞相繞組12.2。這通過采用脈沖寬度調(diào)制允許正電流極性和負(fù)電流極性的任一相單 獨(dú)地受到控制，并允許單獨(dú)控制電流幅度。微處理器52通過MOSFET驅(qū)動(dòng)器接口50控制MOSFET的轉(zhuǎn)換，并因此直接控制電流I^、 112.2和117的時(shí)序、幅度以及極性。電流傳感器元件41.1、 41.2、 41.3、 41.4通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器54向微處理器52提供反饋信號(hào)，用于電流幅度控制。微處理器需要轉(zhuǎn)子14相對(duì)于定子13的位置，以根據(jù)圖5控制相電流112., 和112.2以及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流117的幅度和時(shí)序。通過利用旋轉(zhuǎn)固定到轉(zhuǎn)子14的 盤30;以及相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的定子固定的四個(gè)光學(xué)反射傳感器31.1、 31.2、 31.3、 31.4顯示轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置的一個(gè)實(shí)例。盤30如圖所示具有彩色(白 色)反射的90。區(qū)段，且其余的270。區(qū)段為非反射。來自光學(xué)傳感器31.1、 31.2、 31.3、 31.4的信號(hào)通過緩沖器或信號(hào)調(diào)節(jié) 元件56返回到微處理器52。通過具有位于光學(xué)傳感器31.2下方的白色反射 元件的如圖所示定位的盤30，例如，通過光學(xué)傳感器31.2返回的信號(hào)將為 數(shù)字"1"，而通過其余傳感器31.1、 31.3、 31.4返回的信號(hào)將為數(shù)字"0"。因 此，微處理器52根據(jù)與轉(zhuǎn)子14的位置同步的圖5控制施加到電樞相繞組 12.1和12.2的電流，其中轉(zhuǎn)子14的位置由通過光學(xué)傳感器31返回的數(shù)字組 合來確定。也可以采用其它的檢測(cè)裝置，例如，磁耦合位置檢測(cè)裝置、直接滑動(dòng) 接觸式幵關(guān)、換向器或類似裝置。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，微處理器52監(jiān)測(cè)用戶界面面板58中所包括的開關(guān)和可變電阻器的狀態(tài)，以起動(dòng)電動(dòng)機(jī)、使電動(dòng)機(jī)停止或改變電動(dòng)機(jī)的方 向。當(dāng)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)10時(shí)，轉(zhuǎn)子14初始完全未被磁化，即，電流117沒有流過 勵(lì)磁繞組17和續(xù)流二極管18。同樣地，無論將電樞繞組12.1或12.2中的哪一個(gè)強(qiáng)烈耦合到轉(zhuǎn)子的勵(lì) 磁繞組17，轉(zhuǎn)子14都必須首先被充分地磁化或"充電"(如每一個(gè)圖3及其 對(duì)應(yīng)的說明)。微處理器52由從傳感器31獲得的信號(hào)確定轉(zhuǎn)子"相對(duì)于電 樞繞組12.1或12.2的方向，并選擇繞組12.1或12.2中的哪一個(gè)強(qiáng)烈耦合到轉(zhuǎn) 子勵(lì)磁繞組17并確定所需的電流方向。微處理器52使所需的MOSFET晶體 管對(duì)從兩個(gè)"H-橋"40和42導(dǎo)通，以將轉(zhuǎn)子14中的磁通密度Bu充電到所需 值。轉(zhuǎn)子14在該過程期間保持靜止。當(dāng)磁通密度達(dá)到所需值時(shí)，激活或充 電的電樞繞組12.1或12.2被斷開。先前的空載電樞繞組12.1或12.2接著被接 通以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。如果合理或輕微的負(fù)載耦合到電動(dòng)機(jī)IO，則電動(dòng)機(jī)10將會(huì) 加速速度，并且電流的時(shí)序和控制將會(huì)類似于圖5中所示。然而，如果負(fù)載對(duì)于電動(dòng)機(jī)10過大，即，鎖定轉(zhuǎn)子14或高慣性負(fù)載，則第一電樞繞組12.1 或12.2將不得不保持充滿轉(zhuǎn)子14的磁通密度B14，同時(shí)第二繞組將不得不 持續(xù)保持供應(yīng)驅(qū)動(dòng)或轉(zhuǎn)矩電流，直到轉(zhuǎn)子14開始轉(zhuǎn)動(dòng)為止，由此兩個(gè)電樞 繞組12.1和12.2將根據(jù)轉(zhuǎn)子14的位置開始交替供應(yīng)轉(zhuǎn)矩電流和磁化電流。上述的大致說明以及工業(yè)制品、繞組和電子裝置為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例。第二實(shí)施例可以通過電樞繞組12.1和12.2來實(shí)現(xiàn)，其中電樞繞組12.1 和12.2始終為轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生繞組，且額外的繞組12.3和12.4位于始終為磁化繞 組的定子中。該實(shí)施例的示意圖在圖7中示出，并且對(duì)應(yīng)的電流圖表在圖8 中示出。圖5中的圖表為可能的電樞電流Im和I,2,2的波形及時(shí)序的一個(gè)實(shí)例。為了簡(jiǎn)單起見，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流部分對(duì)于轉(zhuǎn)子14的四分之一周期或90。機(jī)械 角度作為恒定值示出。這些波形可以被修改以使轉(zhuǎn)矩最佳化并減少諧波， 例如，階梯狀、正弦形或類似波形。電樞電流I^和I。.2的磁化電流脈沖部分的幅度可以比轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生部分的幅度大很多，但脈沖寬度將窄數(shù)百倍或更窄，從而造成磁化電流的平均 值或RMS值遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)矩電流的平均值或RMS值。例如，磁化脈沖RMS值對(duì)于10A的RMS轉(zhuǎn)矩電流值可以僅為0.5A。 因此，磁化脈沖電流與轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流相比在定子繞組12中產(chǎn)生非常少的加熱損失。大部分的磁化損失出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組n中，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組電流117幾乎連續(xù)的處于合理值。要理解的是，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中的最大磁化電流在接近磁飽和時(shí)通常受到 定子繞組的載流容量以及正弦磁化電流的諧波失真限制。永磁式電動(dòng)機(jī)的 最大磁化受到關(guān)于磁力產(chǎn)生的技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)的限制。在此說明的電動(dòng)機(jī)10不會(huì)受到這些缺點(diǎn)的影響，并且以可相比的效率 獲得轉(zhuǎn)子的較高磁化和較高的轉(zhuǎn)矩電流，從而對(duì)于相似尺寸的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 較高的功率密度和轉(zhuǎn)矩。通過使轉(zhuǎn)子H的銅損保持等于定子13的銅損，電動(dòng)機(jī)10的總效率可以被動(dòng)態(tài)最優(yōu)化。微處理器52在整個(gè)速度范圍和可變負(fù)載內(nèi)對(duì)于最佳效率可 以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流以及磁化電流的幅度。應(yīng)該理解，提供實(shí)例用于進(jìn)一步說明本發(fā)明以幫助本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解本發(fā)明，而不意味著實(shí)例被認(rèn)為是不適當(dāng)?shù)叵拗票景l(fā)明的合理范 圍。發(fā)明人認(rèn)為該電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是性能超過同步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和整流式或無刷DC電動(dòng)機(jī)的性能，同時(shí)包含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單及節(jié)省成本的 可制造性。發(fā)明人認(rèn)為該電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是與所有其它的電動(dòng)機(jī)類型相 比具有更高的功率密度和效率。發(fā)明人認(rèn)為該電動(dòng)機(jī)的更進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是 對(duì)于低起動(dòng)電流具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而特別適用于牽引應(yīng)用中。發(fā)明人還認(rèn)為優(yōu)點(diǎn)在于，在具有完整的四象限操作(發(fā)動(dòng)、發(fā)電、正 向及反向)的整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)以最佳效率進(jìn)行的動(dòng)態(tài)速度及轉(zhuǎn)矩控制容易 實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)機(jī)，包括電樞，所述電樞具有布置成形成兩個(gè)各自的電樞相的至少兩個(gè)電樞繞組；位于所述電樞內(nèi)的凸極轉(zhuǎn)子配置，其中所述轉(zhuǎn)子通過空隙與所述電樞分離，所述轉(zhuǎn)子被成形及構(gòu)造成使得所述凸極配置通過所述轉(zhuǎn)子與電樞之間的所述間隙限定較高及較低的磁阻路徑，并且所述轉(zhuǎn)子進(jìn)一步包括圍繞轉(zhuǎn)子的所述凸極的勵(lì)磁繞組，所述繞組被構(gòu)造成形成至少一個(gè)極對(duì)，所述勵(lì)磁繞組終止在選擇電氣開關(guān)中，所述選擇電氣開關(guān)確定所述勵(lì)磁繞組的電氣連續(xù)性，使得在所述開關(guān)兩端施加的反向電壓偏置造成所述勵(lì)磁繞組為開路；以及控制裝置，所述控制裝置被構(gòu)造用于通過經(jīng)由所述較低磁阻路徑將電壓施加到連接到所述勵(lì)磁繞組的電樞相上來調(diào)節(jié)所述勵(lì)磁繞組的磁化，使得被激發(fā)的電樞相進(jìn)而通過感應(yīng)在所述開關(guān)兩端施加反向電壓偏置，該反向電壓偏置可防止電流在所述勵(lì)磁繞組中流動(dòng)，但對(duì)所述電樞相施加的電壓增加了所述轉(zhuǎn)子中的磁通密度，此后，一旦達(dá)到所述轉(zhuǎn)子中的預(yù)定通量密度，所述控制裝置就移除所述施加的電壓，使得施加的電壓的移除將在所述開關(guān)兩端的反向電壓感應(yīng)成正向電壓偏置，從而使電流在所述勵(lì)磁繞組中流動(dòng)，所述電流可防止所述轉(zhuǎn)子中的通量密度衰減，并且所述控制裝置被進(jìn)一步構(gòu)造用于通過將電壓施加到不用于激勵(lì)所述勵(lì)磁繞組的其它各個(gè)電樞相來調(diào)節(jié)所述電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，使得在任何給定的時(shí)刻，一個(gè)電樞相可用于磁化所述勵(lì)磁繞組，同時(shí)其它相用于轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述選擇開關(guān)包括續(xù)流二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述選擇開關(guān)包括固態(tài)電子 器件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述控制裝置 包括微處理器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述控制裝置包括用于控制向所述電樞相施加電壓的電子開關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述控制裝置 包括用于感測(cè)所述轉(zhuǎn)子相對(duì)于所述電樞相的位置的傳感器，以在正確的情 況下調(diào)節(jié)向相施加電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述控制裝置 被構(gòu)造用于從電樞相電流和電壓特性確定所述轉(zhuǎn)子的位置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述控制裝置 根據(jù)所述電動(dòng)機(jī)的速度來調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子中的磁通量密度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，所述控制裝置被構(gòu)造用于在適當(dāng)?shù)那闆r下將所述電動(dòng)機(jī)控制作為發(fā)電機(jī)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，電樞相用于磁化所述勵(lì)磁繞組。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)機(jī)，其中，電樞相用于 所述電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
全文摘要
一種電動(dòng)機(jī)(10)，包括具有至少兩個(gè)電樞相對(duì)繞組(12)的電樞(11)、以及具有終止在選擇電氣開關(guān)中的勵(lì)磁繞組(17)的凸極轉(zhuǎn)子配置(15)，其中所述選擇電氣開關(guān)確定所述勵(lì)磁繞組(17)的電氣連續(xù)性。還包括控制裝置，所述控制裝置被構(gòu)造用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組(17)的磁化，使得在任何給定的時(shí)刻，一個(gè)電樞相對(duì)可用于磁化勵(lì)磁繞組，同時(shí)其它對(duì)用于轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)H02P25/02GK101218740SQ200580050976
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者邁克爾·弗雷德里克·約翰遜 申請(qǐng)人:艾康有限公司