本公開涉及電動(dòng)馬達(dá)(motor)。更具體地，此公開涉及用于電動(dòng)馬達(dá)的線圈驅(qū)動(dòng)器電路。

背景技術(shù)：

在具有線圈繞組作為它的定子的一部分的電動(dòng)馬達(dá)中(例如在開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)中)，電動(dòng)馬達(dá)常常由三相電源供電并且對(duì)線圈繞組應(yīng)用AC波形以控制馬達(dá)的操作。一些具有更多相的電動(dòng)馬達(dá)已經(jīng)被創(chuàng)建，但是創(chuàng)建這樣的多相電動(dòng)馬達(dá)的重要因素是相位驅(qū)動(dòng)器電子的成本。在常規(guī)馬達(dá)中，脈寬調(diào)制(PWM)電壓控制器(通常布置有H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以雙向驅(qū)動(dòng)馬達(dá)線圈)被耦合至大型電源，并且驅(qū)動(dòng)馬達(dá)線圈所需的大電壓和大電流可顯著地增加驅(qū)動(dòng)器電路的成本。因此，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)生產(chǎn)要求多個(gè)線圈驅(qū)動(dòng)器電路的多相馬達(dá)是昂貴的。

另外，常規(guī)馬達(dá)通常僅在全設(shè)計(jì)輸出功率電平處操作時(shí)以它們的最高效率操作。提供各種輸出驅(qū)動(dòng)器電路以允許馬達(dá)在降低的輸出功率電平處操作是已知的，但是由于更小磁場(chǎng)的更低效耦合馬達(dá)效率于是被明顯降低。結(jié)果，為了維持合理的效率，這樣的馬達(dá)必須在靠近它們的設(shè)計(jì)點(diǎn)的窄小范圍中操作，并且機(jī)械齒輪箱和傳動(dòng)系統(tǒng)(一些甚至具有多個(gè)馬達(dá))必須被用于在輸出電平的更寬范圍間維持效率。這樣的配置是昂貴并且在機(jī)械上是復(fù)雜的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

從第一方面看，本技術(shù)提供了用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)線圈的驅(qū)動(dòng)器電路，包括：開關(guān)電感升壓電壓變換器電路，該開關(guān)電感升壓電壓變換器電路包括存儲(chǔ)電容器和被布置為與電動(dòng)馬達(dá)線圈耦合的輸入節(jié)點(diǎn)；以及開關(guān)電感降壓電壓變換器電路，該開關(guān)電感降壓電壓變換器電路包括輸入節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)電容器，其中開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的電感在輸入節(jié)點(diǎn)被耦合至電動(dòng)馬達(dá)線圈時(shí)被提供，并且開關(guān)電感升壓電壓變換器電路的輸出是跨越存儲(chǔ)電容器形成的電壓，并且開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的輸入是跨越存儲(chǔ)電容器形成的電壓。

盡管開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路各自分別是已知的，本技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器電路以特定的方式改造和組合這兩個(gè)電路。首先存儲(chǔ)電容器被提供于升壓電壓變換器通常將處于的位置，并且其次升壓電壓變換器的輸出提供了降壓電壓變換器的輸入。確實(shí)，形成開關(guān)電感升壓電壓變換器電路的一部分的存儲(chǔ)電容器也形成開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的一部分，從而使得由升壓電壓變換器電路跨越存儲(chǔ)電容器形成的電壓被配置為提供降壓電壓變換器電路的輸入。

發(fā)明人驚喜地發(fā)現(xiàn)這樣的經(jīng)組合的開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的配置在用于電動(dòng)馬達(dá)線圈的驅(qū)動(dòng)器電路的上下文中具有特定的益處。電動(dòng)馬達(dá)線圈提供升壓電壓變換器電路和降壓電壓變換器電路二者中的開關(guān)電感元件，并且以此方式組合電路允許開關(guān)電路在升壓電壓變換器電路主導(dǎo)時(shí)以一個(gè)方向流經(jīng)電動(dòng)馬達(dá)線圈并且在降壓電壓變換器電路主導(dǎo)時(shí)以相反方向流經(jīng)電動(dòng)馬達(dá)線圈。

此布置具有許多優(yōu)點(diǎn)。如果電動(dòng)馬達(dá)線圈的電感是大電感，將需要大電壓來改變電流流動(dòng)。電流改變的速率由電壓除以電感給出(di/dt＝V/L)，因而當(dāng)對(duì)具有大電感的電動(dòng)馬達(dá)線圈通電時(shí)，一般要求提供高電壓從而快速地開始電流流動(dòng)并且快速地停止電流流動(dòng)。然而，根據(jù)本布置，因?yàn)殡娐吠ㄟ^它的升壓電壓變換器電路的動(dòng)作創(chuàng)建了它自己的高電壓，高電壓僅需要在初始被提供以開始電流流動(dòng)并且自提升電壓被用于停止它。從而，大致上僅需要正常(現(xiàn)有技術(shù))的驅(qū)動(dòng)器電路的一半電源電壓。例如，在具有150V電源和35mH電動(dòng)馬達(dá)線圈的配置中，此電源電壓可被應(yīng)用于線圈以開始它的傳導(dǎo)。當(dāng)電壓從線圈移除時(shí)，電流將隨著能量自線圈消散而繼續(xù)流動(dòng)。通過使用驅(qū)動(dòng)器電路，這一自線圈消散的能量被收集在存儲(chǔ)電容器中。繼續(xù)上文的示例，這快速地將存儲(chǔ)電容器升壓至約300V并且產(chǎn)生的-150V壓差快速地關(guān)斷線圈中的電流。另外，存儲(chǔ)電容器中存儲(chǔ)的提升的電壓然后可用于以相反的方向?qū)€圈充能。降壓電壓變換器電路的操作然后能夠?qū)﹄妱?dòng)馬達(dá)線圈應(yīng)用先前提升的電壓，并且反向驅(qū)動(dòng)電流朝向原始的電源。進(jìn)一步繼續(xù)上文的示例，現(xiàn)在大約300V給出了與150V電源的150V壓差，并快速地驅(qū)升線圈中的電流。為了關(guān)斷它，約300V被移除并且接地連接被施加。因而線圈然后看到-150V并且快速地關(guān)斷。

另外，本驅(qū)動(dòng)器電路的具有組合的開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的布置意味著此驅(qū)動(dòng)器電路不(像許多現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)器電路那樣)用作脈寬調(diào)制(PWM)控制器，這樣它所執(zhí)行的開關(guān)能夠發(fā)生于電流流動(dòng)和開關(guān)電壓為低的時(shí)候，使得驅(qū)動(dòng)器電路中的功率耗散很小。它的具體結(jié)果是：對(duì)于組成驅(qū)動(dòng)器電路的組件來說，其因此可由具有相對(duì)較低速率和容忍度的電路組件來提供，有助于本驅(qū)動(dòng)器電路的總體更低的成本。

在驅(qū)動(dòng)器電路的一些實(shí)施例中，開關(guān)電感升壓電壓變換器電路包括：正向連接輸入節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)電容器的第一電極的升壓二極管；以及被布置為依據(jù)升壓信號(hào)把輸入節(jié)點(diǎn)連接至存儲(chǔ)電容器的第二電極的升壓開關(guān)，并且開關(guān)電感降壓電壓變換器電路包括：把存儲(chǔ)電容器的第二電極正向連接至輸入節(jié)點(diǎn)的降壓二極管；以及被布置為依據(jù)降壓信號(hào)把輸入節(jié)點(diǎn)連接至存儲(chǔ)電容器的第一電極的降壓開關(guān)。此布置的對(duì)稱性提供了支持驅(qū)動(dòng)器電路的雙向特性的均衡布置，其中在每個(gè)方向?qū)Υ鎯?chǔ)電容器到電動(dòng)馬達(dá)線圈(經(jīng)由輸入節(jié)點(diǎn))的耦合的控制由相應(yīng)的升壓信號(hào)和降壓信號(hào)方便地影響。

在一些實(shí)施例中，開關(guān)電感升壓電壓變換器電路還包括把輸入節(jié)點(diǎn)正向連接至升壓開關(guān)的第一連接端的第一升壓電路二極管。以此把來自電動(dòng)馬達(dá)線圈的輸入節(jié)點(diǎn)連接到升壓開關(guān)的第一連接端的方式提供二極管具體地通過把升壓開關(guān)與降壓電壓變換器電路相隔離提供了對(duì)于升壓開關(guān)的一層保護(hù)，從而使得降壓電壓變換器電路的操作對(duì)升壓開關(guān)的破壞的風(fēng)險(xiǎn)被顯著降低。另外，此二極管的配設(shè)大大地減少了電路中“振鈴(即，電流振蕩)”的發(fā)生率。作為這些因素的結(jié)果，可減少升壓開關(guān)的本征回彈性，即升壓開關(guān)可由更小、更脆弱、并因此更便宜的組件提供，因此降低了驅(qū)動(dòng)器電路的總成本。

在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)電感升壓電壓變換器電路還包括把存儲(chǔ)電容器的第二電極正向連接至升壓開關(guān)的第一連接端的第二升壓電路二極管。開關(guān)電感升壓電壓變換器電路中這樣的二極管的配設(shè)可為升壓開關(guān)提供對(duì)于反向電流的額外保護(hù)層，該反向電流可在降壓電壓變換器電路活動(dòng)的時(shí)候發(fā)生于驅(qū)動(dòng)器電路中。

在一些實(shí)施例中，升壓開關(guān)是N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本驅(qū)動(dòng)器電路的配置特別適合用于由相對(duì)較小的開關(guān)器件(例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管)而非更昂貴、更重負(fù)荷的器件(例如，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT))提供的升壓開關(guān)。確實(shí)，在一些實(shí)施例中，升壓開關(guān)可由N型MOSFET提供。與現(xiàn)有技術(shù)的電動(dòng)馬達(dá)線圈驅(qū)動(dòng)器電路相比，本技術(shù)使得驅(qū)動(dòng)器電路能夠由這樣相對(duì)脆弱的組件進(jìn)行開關(guān)。

在一些實(shí)施例中，開關(guān)電感降壓電壓變換器電路還包括把降壓開關(guān)的第一連接端正向連接至輸入節(jié)點(diǎn)的第一降壓電路二極管。類似于上文提到的第一升壓電路二極管，此第一降壓電路二極管保護(hù)降壓開關(guān)免于當(dāng)升壓電壓變換器電路活動(dòng)時(shí)的反向電流的影響并且還防止驅(qū)動(dòng)器電路內(nèi)的振鈴。

在一些實(shí)施例中，開關(guān)電感降壓電壓變換器電路還包括把存儲(chǔ)電容器的第一電極正向連接至降壓開關(guān)的第二連接端的第二降壓電路二極管。此第二降壓電路二極管的配設(shè)進(jìn)一步防止了驅(qū)動(dòng)器電路的開關(guān)電感降壓電壓變換器電路中的振鈴。

在一些實(shí)施例中，降壓開關(guān)是P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。類似于上面關(guān)于由N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供升壓開關(guān)的可能性的評(píng)論，本驅(qū)動(dòng)器電路的配置特別適合用于由相對(duì)較小的開關(guān)器件(例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管)而非IGBT提供的降壓開關(guān)。確實(shí)，在一些實(shí)施例中，降壓開關(guān)可由P型MOSFET提供。

在一些實(shí)施例中，開關(guān)電感降壓電壓變換器電路還包括參考電路，該參考電路被配置為使得降壓信號(hào)參考地連接并且在降壓開關(guān)的柵極提供參考存儲(chǔ)電容器的第一電極處的電壓的柵極電壓。鑒于隨著存儲(chǔ)電容器通過升壓電壓變換器電路和降壓電壓變換器電路的動(dòng)作被充電和放電，存在存儲(chǔ)電容器的第一電極的電壓在相當(dāng)范圍內(nèi)變化的可能性，提供這樣的參考電路是有利的，從而使得降壓開關(guān)(P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的柵極電壓可相對(duì)于存儲(chǔ)電容器的電壓被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置(盡管降壓開關(guān)的本征電壓范圍容忍度潛在地比存儲(chǔ)電容器經(jīng)歷的電壓范圍小的多)，因此降壓開關(guān)能夠在降壓信號(hào)指示這應(yīng)當(dāng)發(fā)生時(shí)正確地進(jìn)行開關(guān)。

在一些實(shí)施例中，參考電路包括被布置為提供與降壓開關(guān)的柵極耦合的第一阻性路徑和第二阻性路徑的分壓器，其中第一阻性路徑把存儲(chǔ)電容器的第一電極連接至降壓開關(guān)的柵極并且第二阻性路徑依據(jù)降壓信號(hào)把降壓開關(guān)的柵極連接至地連接。從而，第一和第二阻性路徑的這一配置提供了以下布置：其中降壓開關(guān)的柵極被耦合至第一和第二阻性路徑匯合的點(diǎn)處提供的電壓，因此通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置第一和第二阻性路徑的阻抗，降壓開關(guān)的柵極可依據(jù)降壓信號(hào)被控制以合適地進(jìn)行開關(guān)。

在一些實(shí)施例中，第二阻性路徑包括被布置為依據(jù)降壓信號(hào)把第二阻性路徑連接至地連接的N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。降壓電壓變換器電路中的此第二晶體管因此可使得降壓信號(hào)能夠被提供為相對(duì)低的電壓數(shù)字信號(hào)，同時(shí)允許降壓開關(guān)的耦合到存儲(chǔ)電容器的操作，存儲(chǔ)電容器然后可處置高很多的電壓。

在一些實(shí)施例中，第一阻性路徑包括把存儲(chǔ)電容器的第一電極正向連接至降壓開關(guān)的柵極的第三降壓電路二極管。此第三降壓電路二極管可與上文提到的第二降壓電路二極管相關(guān)聯(lián)地被提供，從而使得存儲(chǔ)電容器的第一電極通過并行的二極管被耦合至降壓開關(guān)的第二連接端(例如，源連接端)以及降壓開關(guān)的柵連接端二者。第三降壓電路二極管可被配置具有與第二降壓電路二極管相同的配置，結(jié)果可以通過這兩個(gè)二極管的并行響應(yīng)來對(duì)電壓和溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器電路還包括為降壓開關(guān)提供柵極-源極連接的第一降壓電路電容器。此電容器的配設(shè)能夠(具體地通過抑制噪聲的方式)穩(wěn)定降壓開關(guān)的操作，否則該噪聲會(huì)引發(fā)降壓開關(guān)的不希望的開關(guān)。

在一些實(shí)施例中，第一阻性電路還包括與第一阻性路徑的至少一部分并行的第二降壓電路電容器。此第二降壓電路電容器可進(jìn)一步抑制電路中的噪聲并且可具體地被配置為具有與第一降壓電路電容器相似的配置，來允許在它們各自的路徑上對(duì)于電壓和溫度變化的相同補(bǔ)償。

在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器電路還包括被配置為提供升壓信號(hào)和降壓信號(hào)的控制電路，其中控制電路被配置為當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)線圈中的電流流動(dòng)基本為零時(shí)開始對(duì)升壓信號(hào)或降壓信號(hào)的斷言(assertion)。配置驅(qū)動(dòng)器電路從而使得它的開關(guān)切換發(fā)生于電流流動(dòng)基本為零的時(shí)候進(jìn)一步使得驅(qū)動(dòng)器電路的組件(具體地，升壓和降壓開關(guān))能夠由相對(duì)“輕載”(即，脆弱并因此不貴的)器件提供。

在一些實(shí)施例中，控制電路被配置為互斥地?cái)嘌陨龎盒盘?hào)和降壓信號(hào)。這可為驅(qū)動(dòng)器電路的組件提供又一層保護(hù)，從而使得在任何給定時(shí)間處僅開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路中的一者是操作的，并且這二者之間的沖突(具體地關(guān)于電流驅(qū)動(dòng)方向)被避免。

在一些實(shí)施例中，控制電路被配置為把升壓信號(hào)降壓信號(hào)中的每一者斷言為單個(gè)持續(xù)脈沖。這使得提供這些信號(hào)的控制電路能夠由數(shù)字控制器件的相對(duì)簡(jiǎn)單配置來提供。

從第二方面看，本技術(shù)提供了用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)的至少兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈的驅(qū)動(dòng)器板，包括：根據(jù)第一方面的第一驅(qū)動(dòng)器電路，用于驅(qū)動(dòng)至少兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈中的第一電動(dòng)馬達(dá)線圈；以及根據(jù)第一方面的第二驅(qū)動(dòng)器電路，用于驅(qū)動(dòng)至少兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈中的第二電動(dòng)馬達(dá)線圈，其中第一驅(qū)動(dòng)器電路和第二驅(qū)動(dòng)器電路由共享電源供電。將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路同時(shí)位于由共享電源供電的單個(gè)驅(qū)動(dòng)器板上可具有特定益處，最顯著的地方在于當(dāng)由第一和第二驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)的第一和第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被布置為相對(duì)于彼此處于相反操作階段時(shí)，從而使得一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路中相對(duì)于共享電源的電流流動(dòng)與第二驅(qū)動(dòng)器電路中相對(duì)于共享電路的電流流動(dòng)相反，因而電源上的凈電流抽取可被顯著降低，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電流流動(dòng)可在第一驅(qū)動(dòng)器電路和第二驅(qū)動(dòng)器電路之間而非去往或離開驅(qū)動(dòng)器板。

在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器板還包括控制電路，該控制電路被配置為在四個(gè)操作階段中操作驅(qū)動(dòng)器板，其中：在第一操作階段中，第一電動(dòng)馬達(dá)線圈被充以第一極性的電流并且第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被充以第二極性的電流，其中第二極性與第一極性相反；在第二操作階段中，第一電動(dòng)馬達(dá)線圈被放電至第一驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器中并且第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被放電至共享電源；在第三操作階段中，第一電動(dòng)馬達(dá)線圈被充以第二極性的電流并且第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被充以第一極性的電流；并且在第四操作階段中，第一電動(dòng)馬達(dá)線圈被放電至共享電源并且第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被放電至第二驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器中。因此，通過以此方式協(xié)作每個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路的操作，由第一和第二驅(qū)動(dòng)器電路引發(fā)的主要電流流動(dòng)被整合，從而使得主要的電流流動(dòng)在第一和第二驅(qū)動(dòng)器電路之間而非去往或者來自共享電源。例如，在1A電流從電源去往一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路的配置中，另一驅(qū)動(dòng)器電路可同時(shí)把0.75A的電流推送回電源。電源上的凈抽取因此僅是0.25A的電流，然而通過第一驅(qū)動(dòng)器電路和第二驅(qū)動(dòng)器電路用于它們各自的馬達(dá)線圈的相反配置(就操作階段而言)，1.75A的電流在各自的馬達(dá)線圈中流動(dòng)以生成磁場(chǎng)(因此生成電動(dòng)馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩)。最顯著的是，由于線圈能量與電流的平方成比例，這與從電源抽取的能量相比向馬達(dá)線圈輸送了49倍的能量(1.75²/0.25²＝49)。盡管一定程度上違反常識(shí)，應(yīng)當(dāng)記住的是此額外的能量先前已經(jīng)被存儲(chǔ)在馬達(dá)的線圈或者驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器中，并且本技術(shù)提供的驅(qū)動(dòng)器電路使得這能夠在馬達(dá)線圈和存儲(chǔ)電路之間高效地來回移動(dòng)，而非在它在每個(gè)周期的相應(yīng)階段處從電源向馬達(dá)線圈提供“新鮮”的能量。

在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器板被配置為驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)中的六個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈，并且包括六個(gè)相應(yīng)的根據(jù)第一方面的驅(qū)動(dòng)器電路，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路用于驅(qū)動(dòng)六個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈中的相應(yīng)電動(dòng)馬達(dá)線圈，其中控制電路被配置為分成三對(duì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路，其中第一驅(qū)動(dòng)器電路與第四驅(qū)動(dòng)器電路配對(duì)，第二驅(qū)動(dòng)器電路與第五驅(qū)動(dòng)器電路配對(duì)，并且第三驅(qū)動(dòng)器電路與第六驅(qū)動(dòng)器電路配對(duì)，并且其中對(duì)于每對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路，控制電路被配置為同時(shí)對(duì)此對(duì)中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路的升壓信號(hào)以及此對(duì)中的另一驅(qū)動(dòng)器電路的降壓信號(hào)進(jìn)行斷言。以此方式把六個(gè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器電路同時(shí)位于一個(gè)驅(qū)動(dòng)器板上輔助這三對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路之間的協(xié)作，并且對(duì)于在開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)中驅(qū)動(dòng)六個(gè)相鄰的電動(dòng)馬達(dá)線圈是特別有用的。六個(gè)相鄰的電動(dòng)馬達(dá)線圈例如在開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)被配置為具有三：二比例的定子齒和轉(zhuǎn)子齒時(shí)可以是重要的，從而使得對(duì)于六個(gè)相鄰的定子齒(圍繞定子齒纏繞了各自的線圈)，定子中僅兩個(gè)定子齒可與任何給定朝向的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子齒對(duì)準(zhǔn)。因而，對(duì)于這六個(gè)相鄰定子齒的線圈，在任一時(shí)間處它們中剛好兩個(gè)需要功率，并且另外這些可被布置為使得當(dāng)一個(gè)通道(驅(qū)動(dòng)一個(gè)線圈)正在從電源拉取電流時(shí)，另一通道(驅(qū)動(dòng)另一線圈)正在往回提供它，并且凈效果是來自提供通道的能量直接進(jìn)入拉取通道(在相同的驅(qū)動(dòng)器板上)而無需向電源索取除了恢復(fù)在此周期中的百分之幾的損耗所必需的能量之外的更多能量。

在一些實(shí)施例中，控制電路被配置為選擇性地禁用每對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路。盡管電子線圈馬達(dá)將在所有三對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路都被使能時(shí)以最強(qiáng)功率操作，但是所有三對(duì)都工作對(duì)于電動(dòng)馬達(dá)的工作不是必要的，因此電動(dòng)馬達(dá)可在至少一對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路因此被禁用時(shí)操作于低功率配置。

從第三方面看，本技術(shù)提供了包括四個(gè)根據(jù)第二方面的驅(qū)動(dòng)器板的開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器裝置，被配置為彼此獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)中的二十四個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈，并且被配置為根據(jù)操作的至少六個(gè)相位周期中的選定相位來驅(qū)動(dòng)二十四個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈中的每一者。

在一些實(shí)施例中，開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器裝置被配置為選擇性地禁用每個(gè)驅(qū)動(dòng)器板。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器板因此被配置為驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)的二十四個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈中的六個(gè)，因此例如可對(duì)應(yīng)于電動(dòng)馬達(dá)的象限。因而，電動(dòng)馬達(dá)的每個(gè)象限可被選擇性地?cái)嚅_從而以更低功率配置運(yùn)行電動(dòng)馬達(dá)。

在一些實(shí)施例中，開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器裝置包括八個(gè)根據(jù)第二方面的驅(qū)動(dòng)器板，并且被配置為在操作的至少六個(gè)相位周期中驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)中的四十八個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈，其中電動(dòng)馬達(dá)線圈對(duì)由至少六個(gè)相位周期中的相同相位驅(qū)動(dòng)。例如，電動(dòng)馬達(dá)可被配置為具有把電動(dòng)馬達(dá)的縱向長(zhǎng)度分為兩個(gè)部分的兩個(gè)區(qū)分的定子部件。根據(jù)本技術(shù)，四十八個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈中的每一者因此可被分立地進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，然而在一些實(shí)施例中兩個(gè)定子部件被配置為被彼此并行地驅(qū)動(dòng)，從而使得相位周期中的相同相位被應(yīng)用于兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈，這兩個(gè)線圈分別在兩個(gè)定子部件中。

從第四方面看，本技術(shù)提供了操作驅(qū)動(dòng)器電路以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)線圈的方法，包括以下步驟：向電動(dòng)馬達(dá)線圈充以來自電源的第一極性的電流；放電電動(dòng)馬達(dá)線圈至驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器；向電動(dòng)馬達(dá)線圈充以來自驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器的第二極性的電流，第二極性與第一極性相反；以及放電電動(dòng)馬達(dá)線圈至電源。

從第五方面看，本技術(shù)提供了用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)線圈的驅(qū)動(dòng)器電路，包括：用于向電動(dòng)馬達(dá)線圈充以來自電源的第一極性的電流的裝置；用于放電電動(dòng)馬達(dá)線圈至驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器的裝置；用于向電動(dòng)馬達(dá)線圈充以來自驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器的第二極性的電流的裝置，第二極性與第一極性相反；以及用于放電電動(dòng)馬達(dá)線圈至電源的裝置。

從第六方面看，本技術(shù)提供了一種裝置，包括：開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)，該開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)包括轉(zhuǎn)子部件和定子部件，轉(zhuǎn)子部件包括多個(gè)轉(zhuǎn)子齒并且定子部件包括至少12個(gè)定子齒，每個(gè)定子齒被相應(yīng)線圈纏繞；以及用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)的線圈的電動(dòng)馬達(dá)線圈的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器電路，其中馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器電路包括：開關(guān)電感升壓電壓變換器電路，該開關(guān)電感升壓電壓變換器電路包括存儲(chǔ)電容器和被布置為與電動(dòng)馬達(dá)線圈耦合的輸入節(jié)點(diǎn)；以及開關(guān)電感降壓電壓變換器電路，該開關(guān)電感降壓電壓變換器電路包括輸入節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)電容器，其中開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的電感在輸入節(jié)點(diǎn)被耦合至電動(dòng)馬達(dá)線圈時(shí)被提供，并且開關(guān)電感升壓電壓變換器電路的輸出是跨越存儲(chǔ)電容器形成的電壓，并且開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的輸入是跨越存儲(chǔ)電容器形成的電壓。

附圖說明

僅通過示例的方式，本發(fā)明將參照其在附圖中示出的實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步描述，其中：

圖1在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出具有兩個(gè)定子部件的開關(guān)磁阻馬達(dá)；

圖2在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出線圈驅(qū)動(dòng)器電路；

圖3示出了使用圖2的電路中的升壓信號(hào)和降壓信號(hào)來引發(fā)定子線圈電路的變更；

圖4在一個(gè)示例實(shí)施例中示出兩個(gè)線圈驅(qū)動(dòng)器電路的四階段操作以及產(chǎn)生的電流流動(dòng)；

圖5A在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出形成驅(qū)動(dòng)器電路的一部分的開關(guān)電感升壓電壓變換器電路；

圖5B在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出形成驅(qū)動(dòng)器電路的一部分的開關(guān)電感降壓電壓變換器電路；

圖6在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出驅(qū)動(dòng)器電路；

圖7在一個(gè)示例實(shí)施例中示出具有16個(gè)轉(zhuǎn)子齒和24個(gè)定子齒的開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)的端視圖；

圖8在一個(gè)示例實(shí)施例中示出用于6個(gè)定子線圈的群組的六階段控制操作；

圖9示出了對(duì)與僅提供單向電流的配置相比由一個(gè)示例實(shí)施例的雙向線圈驅(qū)動(dòng)器電路供電的開關(guān)磁阻馬達(dá)的磁場(chǎng)密度的仿真；

圖10A在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出3個(gè)光學(xué)傳感器的放置以提供電動(dòng)馬達(dá)中的轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)位置信息；

圖10B示出了圖10A中所示的三個(gè)光學(xué)傳感器的六個(gè)可能的光學(xué)傳感器輸出的集合；

圖11A和11B在兩個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出可如何變換馬達(dá)線圈中的磁場(chǎng)極性的兩個(gè)示例；

圖12在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出包括6個(gè)電動(dòng)馬達(dá)線圈驅(qū)動(dòng)器電路的驅(qū)動(dòng)器板；

圖13在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出包括八個(gè)圖12中所示的驅(qū)動(dòng)器板的開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器裝置；

圖14示意性地示出在一個(gè)示例實(shí)施例的方法中采取的一系列步驟；

圖15示意性地示出一個(gè)示例實(shí)施例的、用于運(yùn)轉(zhuǎn)車子的輪子的馬達(dá)系統(tǒng)；以及

圖16示意性地示出其中在汽車中通過改造剎車盤來提供馬達(dá)系統(tǒng)的示例實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

圖1在一個(gè)實(shí)施例中示意性地示出了開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)10。電動(dòng)馬達(dá)包括被配置為在兩個(gè)定子部件14和16內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件12。轉(zhuǎn)子部件被配置為具有十六個(gè)轉(zhuǎn)子齒，它們形成向外軸向延伸并且沿轉(zhuǎn)子部件通過定子部件14和16二者的長(zhǎng)度延伸的縱向脊柱。每個(gè)定子部件被配置為具有二十四個(gè)定子齒，它們形成向內(nèi)延伸并且也沿每個(gè)定子部件的長(zhǎng)度延伸的縱向脊柱。每個(gè)定子齒被纏繞以包括高數(shù)量的圈數(shù)的線圈-在此實(shí)例中存在約200圈。在圖1所示的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子齒上沒有任何線圈，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)定子齒線圈通電生成的磁場(chǎng)使得馬達(dá)通過那些磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上的動(dòng)作而旋轉(zhuǎn)。

電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)10還包括定子線圈驅(qū)動(dòng)器電路20，其被配置為由相關(guān)聯(lián)的控制電路22控制。電源24耦合到馬達(dá)的定子線圈驅(qū)動(dòng)器電路和定子線圈二者。這樣，在定子線圈和電源24之間以及在定子線圈和定子線圈驅(qū)動(dòng)器電路20之間均存在電流流動(dòng)。此布置的重要性將從其它圖示的描述中變得清楚。

圖2示意性地示出了與單個(gè)定子線圈相關(guān)聯(lián)的定子線圈驅(qū)動(dòng)器電路的基本組件。實(shí)質(zhì)上，圖2中所示的電路是開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的組合。開關(guān)電感升壓電壓變換器電路包括升壓二極管30和升壓開關(guān)32，并且開關(guān)電感降壓電壓變換器電路包括降壓二極管34和降壓開關(guān)36。開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路共享存儲(chǔ)電容器38。每個(gè)電路還經(jīng)由輸入節(jié)點(diǎn)44連接至由此電路和電源42驅(qū)動(dòng)的定子線圈40。升壓開關(guān)32和降壓開關(guān)36的控制信號(hào)(即，分別為升壓信號(hào)和降壓信號(hào))由控制電路(這里，由圖1中所示的相同控制電路22表示)生成。

在操作中，圖2的示例實(shí)施例的升壓和降壓信號(hào)由控制電路22互斥地?cái)嘌砸允沟枚ㄗ泳€圈40被通電，并進(jìn)而被雙向驅(qū)動(dòng)，其中電流首先被引發(fā)沿一個(gè)方向流經(jīng)定子線圈(在“升壓”操作期間)并且然后沿另一方向流經(jīng)定子線圈(在“降壓”操作期間)。斷言升壓信號(hào)以使得升壓開關(guān)32閉合(傳導(dǎo))使得由電源42提供的電源電壓被供應(yīng)至定子線圈40。升壓信號(hào)被斷言合適的時(shí)段直至定子線圈中的電流流動(dòng)正在生成馬達(dá)的操作所需要的磁場(chǎng)。當(dāng)升壓信號(hào)被關(guān)斷時(shí)，斷開升壓開關(guān)32，隨著能量從線圈消散，電流繼續(xù)流動(dòng)(經(jīng)由升壓二極管30)。自定子線圈40消散的此能量通過對(duì)存儲(chǔ)電容器38充電而被收集。這將存儲(chǔ)電容器快速升壓至關(guān)閉線圈中的電流的靜電壓。

存儲(chǔ)電容器38中存儲(chǔ)的這個(gè)“升高的電壓”然后可用于在相反方向?qū)Χㄗ泳€圈40充能。當(dāng)需要這樣做時(shí)，降壓信號(hào)被斷言以使得降壓開關(guān)36閉合(傳導(dǎo))并且先前升高的電壓可以與升壓階段相反的方向(經(jīng)由降壓二極管34)被應(yīng)用至定子線圈40。

圖3示出了圖2中所示的電路的周期操作，其中通過對(duì)升壓信號(hào)的斷言，定子線圈電流首先被使得在一個(gè)(例如，正向)方向驅(qū)動(dòng)，此后定子線圈電流被使得通過對(duì)降壓信號(hào)的斷言而在另一(例如，負(fù)向)方向被驅(qū)動(dòng)。注意，對(duì)降壓信號(hào)的斷言并不發(fā)生直至定子線圈電流已經(jīng)降低至零。這意味著在驅(qū)動(dòng)器電路中電壓在電流較低時(shí)切換并且電流在電壓較低時(shí)切換，使得開關(guān)器件的功率消耗非常小。如將參考圖5A、圖5B和圖6示出的實(shí)施例更詳細(xì)地描述的那樣，這意味著相對(duì)輕載的開關(guān)(例如，MOSFET而非更昂貴的IGBT)可被用作電路中的開關(guān)。

本技術(shù)關(guān)于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)定子線圈的特定優(yōu)點(diǎn)可見于圖4，其在一個(gè)實(shí)施例中示出了四階段過程，兩個(gè)定子線圈通過此四階段過程而被驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)定子線圈各自耦合至共享的(DC)電源以及它們自己的相應(yīng)線圈驅(qū)動(dòng)器電路。

在第一階段，兩個(gè)馬達(dá)線圈被充電，但是以相反的方向被充電。第一馬達(dá)線圈被充以來自共享電源的第一極性的電流，并且第二馬達(dá)線圈被充以來自第二驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器的第二(相反)極性的電流。在圖中給出的示例中，來自電源的1.6A被提供給第一線圈，而自第二驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器得出的1.3A經(jīng)由第二線圈返回至電源。作為凈0.3A電源負(fù)荷的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了與2.9A對(duì)應(yīng)的總線圈斜升。

在第二階段，兩個(gè)馬達(dá)線圈再次以相反的方向被放電。第一馬達(dá)線圈被放電至第一驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器，并且第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被放電至共享電源。在圖中給出的示例中，1.6A自第一線圈被傳遞至第一驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器，而源自第二線圈的1.3A被返回至電源。作為凈電源負(fù)荷從-1.3A回落到零的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了2.9A的總線圈斜降。

在第三階段，兩個(gè)馬達(dá)線圈再次被充電，但是以與第一階段相反的方向被充電。第一馬達(dá)線圈被充以來自第一驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器的第二極性的電流，并且第二馬達(dá)線圈被充以來自共享電源的第一極性的電流。在圖中給出的示例中，自第一驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器得出的1.3A經(jīng)由第一線圈返回至電源，而來自電源的1.6A被提供給第二線圈。作為凈0.3A電源負(fù)荷的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了與2.9A對(duì)應(yīng)的總線圈斜升。

最后在第四階段，兩個(gè)馬達(dá)線圈再次被放電。第一馬達(dá)線圈被放電至共享電源，并且第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被放電至第二驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器。在圖中給出的示例中，源自第一線圈的1.3A被返回至電源，而1.6A自第二線圈被傳遞至第二驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器。作為凈電源負(fù)荷從-1.3A回落到零的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了2.9A的總線圈斜降。

現(xiàn)在參考圖5A、圖5B和圖6給出一個(gè)實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)器電路的更詳細(xì)配置。開關(guān)電感升壓電壓變換器電路在圖5A中單獨(dú)示出，而開關(guān)電感降壓電壓變換器電路在圖5B中單獨(dú)示出，并且具有開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和開關(guān)電感降壓電壓變換器電路二者的組合驅(qū)動(dòng)器電路在圖6中示出。

在圖5A的開關(guān)電感升壓電壓變換器電路中，升壓開關(guān)由NMOS 50提供，而存儲(chǔ)電容器(CSTORE)由33uF電容器52提供。注意除了升壓二極管(D1)54之外，在此實(shí)施例中還提供了兩個(gè)其它二極管D256和D358。升壓電壓變換器電路被耦合至定子線圈60和150V DC電源62。

對(duì)于圖5B的開關(guān)電感降壓電壓變換器電路，重要的是注意存儲(chǔ)電容器(CSTORE)是與圖5A中示出的電容器相同的33uF電容器52。如圖5A和5B中標(biāo)注的那樣，跨越電容器52形成的電壓可被視為圖5A的開關(guān)電感升壓電壓變換器電路的輸出以及圖5B的開關(guān)電感降壓電壓變換器電路的輸入。另外，降壓電壓變換器電路被耦合至相同的定子線圈60和相同的150V DC電源62。在圖5B中示出的實(shí)施例中，降壓開關(guān)由PMOS64提供。除了降壓二極管66(D4)之外，在此實(shí)施例中還提供了兩個(gè)其它二極管68和70(D5和D6)。最終圖5B的開關(guān)電感降壓電壓變換器電路還包括耦合至降壓開關(guān)(PMOS 64)的柵極的參考電路。此參考電路由NMOS 72，電阻器74、76和78(R7、R8和R9)，電容器80和82(C2和C3)，以及二極管84(D7)組成。

現(xiàn)在參考圖6給出此實(shí)施例中的全驅(qū)動(dòng)器電路的更詳細(xì)配置，該全驅(qū)動(dòng)器電路示出它的開關(guān)電感升壓電壓變換器電路和它的開關(guān)電感降壓電壓變換器電路。圖6的驅(qū)動(dòng)器電路的組件具有與圖5A和5B中示出的組件相同的標(biāo)號(hào)，因?yàn)檫@些后面的分離表示僅僅為了強(qiáng)調(diào)全驅(qū)動(dòng)器電路的每個(gè)組件所屬的相應(yīng)部分而被分離地示出。

在此實(shí)施例中提供的各種額外的二極管(即，除了圖2中示出的升壓二極管和降壓二極管之外)用于多種目的，但是總的來說，它們所扮演的具體角色是使得關(guān)鍵的開關(guān)器件(升壓開關(guān)50和降壓開關(guān)64)能夠(不論馬達(dá)線圈的尺寸以及馬達(dá)所需的電源電壓(例如，35mH線圈和150V DC電源))由非常便宜的MOSFET器件(而非例如更加昂貴的IGBT器件)提供。與操作具有此類配置的馬達(dá)相關(guān)聯(lián)的大EMF和快速電壓變化具有引發(fā)破壞性的電壓和柵極階躍(gate-step)(當(dāng)應(yīng)當(dāng)關(guān)斷的時(shí)候把它們開啟)的可能性，所以這些二極管在電路中用于提供保護(hù)開關(guān)的功率阻斷。二極管還用來把開關(guān)電感升壓電壓變換器電路與開關(guān)電感降壓電壓變換器電路分離，從而使得一者的操作不會(huì)有損壞另一者的組件的風(fēng)險(xiǎn)。例如，降壓電壓變換器電路中放置在PMOS 64的兩邊的二極管68和70(D5和D6)的組合防止自線圈放出的電流流動(dòng)的功率在驅(qū)動(dòng)器電路的操作的“升壓”模式期間閉合和斷開此PMOS(因此不利地影響此升壓模式的正確操作并且具有損壞降壓電壓變換器電路的其它組件的風(fēng)險(xiǎn))。

注意，晶體管64被提供為PMOS(與更便宜的NMOS相對(duì))器件，因?yàn)楫?dāng)處于操作的“降壓”模式并且通過電感(線圈)降壓至電源時(shí)，電感(定子線圈60)通過降壓二極管66拉取電流，這將那里的開關(guān)拉低至低于地電平的一個(gè)二極管壓降。這在使用PMOS用于晶體管64時(shí)工作，因?yàn)樗鼉H僅在它的漏極添加一點(diǎn)更多的壓降。原則上可使用NMOS器件，但是因?yàn)樯厦嫣岬降?將在NMOS器件的源極上)拉低至低于地電平，將需要額外的電路來把它的柵極電壓置于低于地電平，因?yàn)榉駝t的話當(dāng)電感(定子線圈60)放電時(shí)它不會(huì)被斷開。

另外，電路中的二極管提供了整流功能以對(duì)振蕩(振鈴(ringing))進(jìn)行整流，否則在從大電感器驅(qū)動(dòng)大電容器時(shí)會(huì)強(qiáng)烈地出現(xiàn)振蕩。

電容器80和82(C2和C3)被提供以抑制電路中的噪音，否則噪音會(huì)影響降壓開關(guān)(PMOS 64)的柵極的開關(guān)的穩(wěn)定性，由于晶體管的柵極(雖然經(jīng)由二極管70和84(D6和D7))到存儲(chǔ)電容器52的連接，此晶體管的柵極對(duì)于這樣的噪音特別敏感。電容器80和82還形成參考電路的一部分，該參考電路特別地還包括電阻器74、76和78(R7、R8和R9)和NMOS晶體管72。此參考電路的配設(shè)使得降壓信號(hào)(BUCK)能夠參考地電平(GND)并且使得降壓開關(guān)64的柵極信號(hào)能夠參考在存儲(chǔ)電容器52的上側(cè)(如圖6中所示)呈現(xiàn)的電壓。因而，數(shù)字(低電壓)BUCK信號(hào)的開關(guān)能夠通過(相對(duì)于存儲(chǔ)電容器上看到的電壓)設(shè)置正確的源極-漏極閾值電壓來正確地控制降壓開關(guān)64的開關(guān)。注意，二極管70和84(D6和D7)、電容器80和82(C2和C3)以及電阻器74和76/78(R7和R8/R9)的并行配置使得電路能夠因?yàn)樗鼈兊母髯詫?duì)中的這些組件中的每一者將對(duì)于此溫度和電壓變化具有同等響應(yīng)而跨越電壓和溫度變化的范圍一致地執(zhí)行。注意，電阻器76和78(R8和R9)在邏輯上可被視為形成單個(gè)電阻器，盡管在此示例實(shí)施例中由于更低的成本和尺寸以及改善的功率消耗的原因被提供為兩個(gè)不同的組件。二極管70和84(D6和D7)的配設(shè)還降低了需要由參考電路的剩余部分提供的柵極壓降，進(jìn)一步降低了需要明確提供的阻性組件的成本(因?yàn)樗鼈兙哂懈偷墓β室?并且允許電壓范圍被更容易地處置。

圖7在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出了轉(zhuǎn)子部件和一個(gè)定子部件的齒的軸向視圖。在此實(shí)施例中，對(duì)定子部件的線圈(未示出)的控制被布置為使得6個(gè)定子齒的群組被放在一起，并且在每個(gè)群組上斷言的周期控制序列運(yùn)行于六個(gè)階段，與此群組中的六個(gè)定子齒相對(duì)應(yīng)。此實(shí)施例的其它特征(要在下文參考圖12更詳細(xì)地描述)是與群組中的每個(gè)定子線圈相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器電路被置于共享控制電路和單個(gè)DC電源的一個(gè)板上，從而使得能夠獲得上文提到的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路操作于“降壓模式”同時(shí)共享相同電源的另一驅(qū)動(dòng)器電路操作于“升壓模式”的益處。圖7還示出了六個(gè)階段周期中的一個(gè)階段的快照，其中每個(gè)群組中的第一定子線圈(圖中標(biāo)注為1)在此實(shí)施例中當(dāng)前正以第一方向(升壓模式)被通電(其中，定子齒中感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸向向內(nèi)朝北(N)并且軸向向外朝南(S))，同時(shí)每個(gè)群組中的第四定子線圈同時(shí)在此實(shí)施例中正被相反地(降壓模式)通電，從而使得定子齒中感應(yīng)的磁場(chǎng)軸向向內(nèi)朝南(S)并且軸向向外朝北(N))。繼續(xù)以此成對(duì)的相反感應(yīng)磁性方式驅(qū)動(dòng)此電動(dòng)馬達(dá)的定子線圈，其中在下一階段處，定子齒2和5被(彼此相反地)驅(qū)動(dòng)，隨后是定子齒3和6，隨后是定子齒1和4(以與第一階段相反的磁性配置)等等。

仍然參考圖7，注意轉(zhuǎn)子齒和定子齒的配置(具體地，它們的數(shù)目的比例為2：3)產(chǎn)生一種布置，其中當(dāng)一半的轉(zhuǎn)子齒與對(duì)應(yīng)的定子齒直接對(duì)準(zhǔn)時(shí)，另一半轉(zhuǎn)子齒不與定子齒對(duì)準(zhǔn)(在此實(shí)施例中與兩個(gè)定子齒之間的間隙中央對(duì)準(zhǔn))。對(duì)于對(duì)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子/定子齒對(duì)，這意味著在轉(zhuǎn)子齒和定子齒之間僅存在相對(duì)細(xì)小的空氣間隙(例如，小于0.5mm)，這對(duì)應(yīng)于低磁阻并因而沒有來自馬達(dá)的輸出功率(零轉(zhuǎn)矩)。相反，該組六個(gè)定子齒中的其它定子齒與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒的不對(duì)準(zhǔn)因此可提供高磁阻以及高轉(zhuǎn)矩配置(由于未對(duì)準(zhǔn)的定子/轉(zhuǎn)子齒之間較大的空氣間隙，例如大于1.0mm)。盡管在已知的開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)中，可需要轉(zhuǎn)子齒和定子齒之間的局部重疊從而保持馬達(dá)處于一種配置(其中磁阻較低用于可接受的效率，但是仍然可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩(盡管處于低于最大可能值的水平))，本電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)通過提供以下配置來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和效率之間的折中：其中可(通過未對(duì)準(zhǔn)的定子/轉(zhuǎn)子齒)生成更高的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)生成磁場(chǎng)所花費(fèi)的未被用到的能量被回收，因此提高了效率。

圖8示意性地示出了驅(qū)動(dòng)器電路中的升壓信號(hào)和降壓信號(hào)的相對(duì)時(shí)序，其提供對(duì)每個(gè)群組中的六個(gè)定子齒的集合的上述控制?？梢钥闯鰧?duì)上文提到的對(duì)定子線圈1/4、2/5和3/6的控制的配對(duì)，其中每對(duì)的定子線圈一直由驅(qū)動(dòng)器電路以相對(duì)的模式(升壓/降壓)驅(qū)動(dòng)并且產(chǎn)生的電流流動(dòng)(圖中的三角波形)一直具有相反的極性。注意，對(duì)升壓和降壓信號(hào)的斷言的啟動(dòng)僅始于相應(yīng)電路中的電流為零(或者至少可忽略)時(shí)，以確保相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器電路的組件不被任何殘余的相反電流流動(dòng)破壞。當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)被配置為處于全功率配置時(shí)圖8中示出的控制信號(hào)的序列應(yīng)用于圖7中示出的四組定子線圈中的每一組，然而當(dāng)定子線圈的群組中的至少一個(gè)群組未被通電時(shí)電動(dòng)馬達(dá)操作于更低功率配置也是可能的。這可通過改變被斷言的升壓和降壓控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，而信號(hào)的改變可進(jìn)而通過適當(dāng)?shù)財(cái)嚅_一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路或一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器板來實(shí)現(xiàn)。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，馬達(dá)操作的速度因此通過所應(yīng)用的升壓和降壓信號(hào)的時(shí)序序列(如圖8中)來確定而不是基于馬達(dá)操作的具體功率水平來確定。功率水平可通過當(dāng)前脈沖的大小來確定，脈沖的大小源自所選取的升壓和降壓信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。因而，例如對(duì)于大約相似的功率水平，馬達(dá)可以兩個(gè)顯著不同的速度(例如，500rpm和1000rpm)操作。這種轉(zhuǎn)速與操作功率水平的獨(dú)立增加了用戶對(duì)于如何操作馬達(dá)的選擇的顯著靈活性，通過時(shí)序序列的方式指示轉(zhuǎn)速并且通過選取哪些定子線圈的群組通電來指示總操作功率水平。此外，用戶對(duì)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速具有如此直接和獨(dú)立的控制的事實(shí)表示在許多情形中，與傳統(tǒng)電動(dòng)馬達(dá)相關(guān)聯(lián)地提供的運(yùn)轉(zhuǎn)或傳動(dòng)裝置可被免除。

圖9示出了當(dāng)在與圖7相同的軸向展示中查看示例電動(dòng)馬達(dá)時(shí)對(duì)在示例電動(dòng)馬達(dá)的一個(gè)操作狀態(tài)中出現(xiàn)的磁場(chǎng)的仿真。這(示出在左手側(cè))被標(biāo)注為“雙向”并且對(duì)應(yīng)于根據(jù)本技術(shù)用于同時(shí)以相反方向驅(qū)動(dòng)群組中的定子線圈對(duì)的驅(qū)動(dòng)器電路。為了比較，第二仿真(示出在右手側(cè))被標(biāo)注為“單向”并且對(duì)應(yīng)于其中替代地以相同方向同時(shí)驅(qū)動(dòng)群組中的定子線圈對(duì)的配置。磁場(chǎng)標(biāo)示(以特斯拉為單位)是在定子齒之間的空氣間隙中形成的磁場(chǎng)。當(dāng)在空氣間隙中測(cè)量時(shí)，可以看出(對(duì)于與單向情形的比較的雙向情形)產(chǎn)生的ON(接通)場(chǎng)大約多出25％，并且頂部的OFF(關(guān)斷)場(chǎng)大約小9倍并且底部OFF場(chǎng)強(qiáng)幾乎小750倍。增加的ON場(chǎng)增加了轉(zhuǎn)矩并且減少的OFF場(chǎng)降低了阻力。這是由于雙向配置創(chuàng)建了電動(dòng)馬達(dá)中(具體地，轉(zhuǎn)子部件中)的加強(qiáng)磁場(chǎng)的事實(shí)，這進(jìn)一步提高了此馬達(dá)系統(tǒng)的效率。

圖10A和10B示出了光學(xué)傳感器的使用以提供轉(zhuǎn)子部件相對(duì)于(一個(gè)或多個(gè))定子部件的相對(duì)位置信息。圖10A示出了與三個(gè)定子齒對(duì)準(zhǔn)放置的三個(gè)光學(xué)傳感器100、102、104，這些傳感器被尺寸設(shè)計(jì)和校正為使得：a)當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與光學(xué)傳感器和定子齒對(duì)準(zhǔn)時(shí)，僅一個(gè)光學(xué)傳感器登記轉(zhuǎn)子齒的存在；以及b)隨著轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子部件旋轉(zhuǎn)，至多兩個(gè)光學(xué)傳感器登記轉(zhuǎn)子齒的存在。這一配置意味著通過利用僅三個(gè)光學(xué)傳感器(最終產(chǎn)生三比特的信息(可能在模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換之后)，取決于使用的傳感器的類型)，轉(zhuǎn)子對(duì)于定子的相對(duì)朝向可被確定為在2.5°之內(nèi)(針對(duì)此16轉(zhuǎn)子齒/24定子齒的示例配置)。另外，不存在沒有關(guān)于相對(duì)轉(zhuǎn)子-定子位置的信息可用的中間位置，這樣不論馬達(dá)停止于什么位置，它總是能夠知道要激活哪些定子線圈以使得馬達(dá)運(yùn)行。圖10B示出了隨著轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)的三個(gè)光學(xué)傳感器輸出。

在一些示例配置中，通過定子線圈的電能的方向——因而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向——可由到線圈的連接的具體配置帶來。圖11A示出了一個(gè)示例配置，其中線圈驅(qū)動(dòng)器電路可被用于向在某時(shí)是活躍的但是以相反方向被激活的定子線圈對(duì)中的二者提供功率(在圖中，這是六個(gè)線圈的群組中的第一和第四線圈)。第一和第四線圈的繞組已經(jīng)被制成彼此相反的含義，從而對(duì)于由驅(qū)動(dòng)器電路提供的一種極性的電能，在第一和第四定子齒中產(chǎn)生相對(duì)朝向的磁場(chǎng)。圖11B示出了另一示例配置，其中提供了與每個(gè)定子線圈相關(guān)聯(lián)的額外開關(guān)電路，該額外開關(guān)電路由確定通過線圈的電流流動(dòng)的方向的開關(guān)控制信號(hào)所控制。開關(guān)控制信號(hào)可由線圈驅(qū)動(dòng)器提供或者例如由控制線圈驅(qū)動(dòng)器的控制電路提供。

圖12在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出驅(qū)動(dòng)器板。此驅(qū)動(dòng)器板被提供為單個(gè)集成電路板，其中六個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路112、114、116、118、120和122(例如，被配置為如圖6所示)，控制電路126和共享DC電源124被布置在其上?？刂齐娐藩?dú)立地向每個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路提供升壓和降壓控制信號(hào)。與六個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路在同一板上的共享DC電源的配設(shè)意味著支持上文(例如，參考圖4)所述的在板內(nèi)部(相對(duì)的去往和離開板)的大多數(shù)電流移動(dòng)。

圖13在一個(gè)示例實(shí)施例中示意性地示出完整的開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器裝置130，該驅(qū)動(dòng)器裝置包括八個(gè)驅(qū)動(dòng)器板132(例如被配置為如圖12中所示)，因而被配置為控制48個(gè)分立的定子齒(如圖1中所示的示例馬達(dá)系統(tǒng)中呈現(xiàn)的那樣)?？偪刂茊卧?34也形成裝置130的一部分并且命令八個(gè)驅(qū)動(dòng)器板132的高層次操作，例如當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)應(yīng)當(dāng)操作于較低功率模式并且當(dāng)每個(gè)分立的驅(qū)動(dòng)器板被耦合至能夠被斷開以影響此低功率模式的一組定子線圈時(shí)，使得分立的驅(qū)動(dòng)器板被暫時(shí)斷開。然而，重要的是要認(rèn)識(shí)到由總控制134和板控制126提供的驅(qū)動(dòng)器電路控制的組合使得：首先任何分立的驅(qū)動(dòng)器電路能夠被閉合或斷開而不管其它驅(qū)動(dòng)器電路的操作，其次由每個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路提供的對(duì)每個(gè)定子線圈的控制完全獨(dú)立于由任何其它驅(qū)動(dòng)器電路提供的對(duì)任何其它定子線圈的控制。因而，電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器裝置130因此提供對(duì)高達(dá)48個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路及由此的定子線圈的分立控制，盡管在關(guān)于定子線圈的群組和驅(qū)動(dòng)器電路對(duì)的以上論述的啟示下鑒于所產(chǎn)生的益處可選擇緊密地聯(lián)合一些驅(qū)動(dòng)器電路的操作并且在這樣的配置中被提供給各個(gè)定子線圈的電能的階段可以是相同的。

圖14示出了在一個(gè)示例實(shí)施例中采取的一系列步驟，這些步驟示出了如何操作兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路。流程可被考慮開始于步驟140，其中在第一階段中開關(guān)磁阻電動(dòng)馬達(dá)的第一定子線圈被一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路充以來自共享電源的第一極性電流并且第二定子線圈被充以來自第二驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器的第二(相反)極性電流。在步驟142處，在第二階段中，兩個(gè)馬達(dá)線圈均被放電，第一定子線圈被放電至第一驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器中并且第二電動(dòng)馬達(dá)線圈被放電至共享電源。在步驟144處，在第三階段中，兩個(gè)馬達(dá)線圈均再次被充電，每個(gè)線圈以與第一階段相反的方向被充電。第一馬達(dá)線圈被充以來自第一驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器的第二極性電流并且第二馬達(dá)線圈被充以來自共享電源的第一極性電流。最終在步驟146處，在第四階段中，兩個(gè)馬達(dá)線圈均再次被放電。第一馬達(dá)線圈被放電至共享電源并且第二馬達(dá)線圈被放電至第二驅(qū)動(dòng)器電路的存儲(chǔ)電容器中。

圖15示意性地示出電動(dòng)車輛(比如說，機(jī)動(dòng)車)，在其中存在電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的示例實(shí)施例。車輛150具有四個(gè)輪子152，每個(gè)輪子由它們自己的馬達(dá)154驅(qū)動(dòng)。每個(gè)馬達(dá)154由相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器裝置156驅(qū)動(dòng)，并且對(duì)于四個(gè)驅(qū)動(dòng)器裝置的集合的總體控制由中央控制單元158維護(hù)。在每個(gè)馬達(dá)154內(nèi)，每個(gè)定子齒上提供的線圈繞組是鋁。在移動(dòng)車輛的上下文中，這是有益的因?yàn)殇X大約比銅輕三倍并且大約便宜五倍(按重量計(jì)算)，這使得它每一面積大約更便宜十五倍(使得它足夠便宜成為可更換的損耗件)。在其它實(shí)施例中，每個(gè)定子齒上提供的線圈繞組可以是銅，或者任何其它適合的傳導(dǎo)材料。

然而，先前選擇鋁用于定子線圈繞組一般會(huì)被拒絕，因?yàn)殇X的每橫截面積的電阻要比銅高二倍并且因?yàn)樗啾茹~對(duì)于震動(dòng)疲勞的更快。然而，在根據(jù)本技術(shù)的電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)中，線圈中需要的電流尤其低因而由于更高的阻抗帶來的功率損耗(根據(jù)I²R)影響不大。實(shí)際上更高值的R確實(shí)使得L/R時(shí)間常數(shù)更慢，所以驅(qū)動(dòng)器電路操作地更快。

另外，馬達(dá)的低成本和它對(duì)于轉(zhuǎn)速的操作的靈活性的組合意味著在圖15中所示的示例實(shí)施例中在每個(gè)輪子處提供分立的馬達(dá)而非提供具有相關(guān)聯(lián)的齒輪和傳動(dòng)的一個(gè)中央馬達(dá)是可實(shí)踐的。在每個(gè)輪子處通過使用鋁繞組用于定子線圈來放置如此“便宜”的馬達(dá)使得馬達(dá)可接近于可替換的物件(比如說剎車盤的形式)并且能夠?qū)崿F(xiàn)使用便宜的鋁的益處。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到這樣的布置也至少部分是可能的，因?yàn)檫@里從線圈到轉(zhuǎn)子的磁能傳輸?shù)闹匾宰內(nèi)?。這是由于以下事實(shí)：本技術(shù)意味著不論什么未被從線圈磁性傳輸至轉(zhuǎn)子的磁性存儲(chǔ)能量能夠被恢復(fù)并且被重復(fù)使用。先前馬達(dá)中的線圈和轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙將不得不非常小——例如，零點(diǎn)幾毫米——從而維持可接受的效率(通過從轉(zhuǎn)子到線圈的良好的磁能傳輸)，由于能量的回收，這一對(duì)于空氣間隙的尺寸的約束對(duì)于本馬達(dá)系統(tǒng)是更加松弛的。轉(zhuǎn)而這意味著馬達(dá)能夠被放置在更加暴露的位置，因?yàn)樗鼘?duì)于更加松弛的(并且變化的)空氣間隔的更大容忍度。

圖16確實(shí)示出了其中機(jī)動(dòng)車輪160具有被改造以形成馬達(dá)的一部分的剎車盤162的示例馬達(dá)實(shí)施例。剎車片164繼續(xù)通過對(duì)剎車盤162的選擇性摩擦施加來執(zhí)行正常的剎車功能，但是剎車盤162的外緣166已經(jīng)被改造為提供馬達(dá)的轉(zhuǎn)子部分(例如，具有模制的鰭或輻條以提供可變磁阻)。周圍的部分168提供定子部件。以此方式組合“存在的”組件與馬達(dá)對(duì)于車輛整體也具有明顯的減輕重量的優(yōu)點(diǎn)。這樣的改造例如還可對(duì)一般的車輪裝置的其它組件(例如，鋼圈或者剎車鼓)做出。在先的開關(guān)磁阻馬達(dá)設(shè)計(jì)通常不能夠容忍此類暴露位置的操作，因?yàn)樗鼈儗?duì)于馬達(dá)中的線圈和轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙的精細(xì)靈敏度(例如要求空氣間隙小于0.5mm)并且以此方式對(duì)相對(duì)昂貴的馬達(dá)的暴露正常不會(huì)被想到。然而本技術(shù)：a)提供相對(duì)便宜許多的馬達(dá)系統(tǒng)，這使得它自身的替換是較不顯著的成本因素；b)允許更低的電流配置，這使得它利用更便宜但是更有阻性的材料(例如，鋁)的構(gòu)造更加實(shí)用；以及c)對(duì)使用的能量進(jìn)行回收，因此允許提升的效率并且使得線圈到轉(zhuǎn)子的精確和細(xì)小的空氣間隙較不重要，例如允許空氣間隙大于1.0mm。

總之，從上面的描述中將認(rèn)識(shí)到：本文描述的電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)和它的關(guān)聯(lián)的線圈驅(qū)動(dòng)器電路通過回收未被那些磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)能量的未使用能量來使能以低凈功率輸出使用定子線圈中的強(qiáng)磁場(chǎng)。利用這個(gè)能力以及另外借助于能夠禁用定子線圈的群組，馬達(dá)能夠以極其低的輸入電平高效地操作。例如，根據(jù)所述原理構(gòu)造的原型750W(1HP)馬達(dá)已經(jīng)利用低至15W的輸入功率電平(即，比它的設(shè)計(jì)功率低50倍)在它的輸出速度的全范圍間操作。除了以低轉(zhuǎn)速操作馬達(dá)(通過大量的階段和轉(zhuǎn)子齒)之外，這一能力允許馬達(dá)在多種輸出水平處高效地操作，這可減輕各種系統(tǒng)中對(duì)于齒輪箱和/或傳動(dòng)裝置的需求。

盡管本文已經(jīng)參考附圖詳細(xì)論述了發(fā)明的描述性實(shí)施例，但要理解的是發(fā)明不限于那些精確實(shí)施例，并且在不背離所附權(quán)利要求定義的發(fā)明的范圍的情況下在其中可產(chǎn)生各種改變、添加和修改。例如，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出從屬權(quán)利要求的特征與獨(dú)立權(quán)利要求的特征的各種組合。