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马达驱动器和操作马达驱动器的方法与流程

文档序号:11935741
马达驱动器和操作马达驱动器的方法与流程

本公开涉及电动马达(motor)。更具体地,此公开涉及用于电动马达的线圈驱动器电路。



背景技术:

在具有线圈绕组作为它的定子的一部分的电动马达中(例如在开关磁阻电动马达中),电动马达常常由三相电源供电并且对线圈绕组应用AC波形以控制马达的操作。一些具有更多相的电动马达已经被创建,但是创建这样的多相电动马达的重要因素是相位驱动器电子的成本。在常规马达中,脉宽调制(PWM)电压控制器(通常布置有H桥拓扑结构以双向驱动马达线圈)被耦合至大型电源,并且驱动马达线圈所需的大电压和大电流可显著地增加驱动器电路的成本。因此,根据当前技术生产要求多个线圈驱动器电路的多相马达是昂贵的。

另外,常规马达通常仅在全设计输出功率电平处操作时以它们的最高效率操作。提供各种输出驱动器电路以允许马达在降低的输出功率电平处操作是已知的,但是由于更小磁场的更低效耦合马达效率于是被明显降低。结果,为了维持合理的效率,这样的马达必须在靠近它们的设计点的窄小范围中操作,并且机械齿轮箱和传动系统(一些甚至具有多个马达)必须被用于在输出电平的更宽范围间维持效率。这样的配置是昂贵并且在机械上是复杂的。



技术实现要素:

从第一方面看,本技术提供了用于驱动电动马达线圈的驱动器电路,包括:开关电感升压电压变换器电路,该开关电感升压电压变换器电路包括存储电容器和被布置为与电动马达线圈耦合的输入节点;以及开关电感降压电压变换器电路,该开关电感降压电压变换器电路包括输入节点和存储电容器,其中开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路的电感在输入节点被耦合至电动马达线圈时被提供,并且开关电感升压电压变换器电路的输出是跨越存储电容器形成的电压,并且开关电感降压电压变换器电路的输入是跨越存储电容器形成的电压。

尽管开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路各自分别是已知的,本技术的驱动器电路以特定的方式改造和组合这两个电路。首先存储电容器被提供于升压电压变换器通常将处于的位置,并且其次升压电压变换器的输出提供了降压电压变换器的输入。确实,形成开关电感升压电压变换器电路的一部分的存储电容器也形成开关电感降压电压变换器电路的一部分,从而使得由升压电压变换器电路跨越存储电容器形成的电压被配置为提供降压电压变换器电路的输入。

发明人惊喜地发现这样的经组合的开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路的配置在用于电动马达线圈的驱动器电路的上下文中具有特定的益处。电动马达线圈提供升压电压变换器电路和降压电压变换器电路二者中的开关电感元件,并且以此方式组合电路允许开关电路在升压电压变换器电路主导时以一个方向流经电动马达线圈并且在降压电压变换器电路主导时以相反方向流经电动马达线圈。

此布置具有许多优点。如果电动马达线圈的电感是大电感,将需要大电压来改变电流流动。电流改变的速率由电压除以电感给出(di/dt=V/L),因而当对具有大电感的电动马达线圈通电时,一般要求提供高电压从而快速地开始电流流动并且快速地停止电流流动。然而,根据本布置,因为电路通过它的升压电压变换器电路的动作创建了它自己的高电压,高电压仅需要在初始被提供以开始电流流动并且自提升电压被用于停止它。从而,大致上仅需要正常(现有技术)的驱动器电路的一半电源电压。例如,在具有150V电源和35mH电动马达线圈的配置中,此电源电压可被应用于线圈以开始它的传导。当电压从线圈移除时,电流将随着能量自线圈消散而继续流动。通过使用驱动器电路,这一自线圈消散的能量被收集在存储电容器中。继续上文的示例,这快速地将存储电容器升压至约300V并且产生的-150V压差快速地关断线圈中的电流。另外,存储电容器中存储的提升的电压然后可用于以相反的方向对线圈充能。降压电压变换器电路的操作然后能够对电动马达线圈应用先前提升的电压,并且反向驱动电流朝向原始的电源。进一步继续上文的示例,现在大约300V给出了与150V电源的150V压差,并快速地驱升线圈中的电流。为了关断它,约300V被移除并且接地连接被施加。因而线圈然后看到-150V并且快速地关断。

另外,本驱动器电路的具有组合的开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路的布置意味着此驱动器电路不(像许多现有技术驱动器电路那样)用作脉宽调制(PWM)控制器,这样它所实行的开关能够发生于电流流动和开关电压为低的时候,使得驱动器电路中的功率耗散很小。它的具体结果是:对于组成驱动器电路的组件来说,其因此可由具有相对较低速率和容忍度的电路组件来提供,有助于本驱动器电路的总体更低的成本。

在驱动器电路的一些实施例中,开关电感升压电压变换器电路包括:正向连接输入节点和存储电容器的第一电极的升压二极管;以及被布置为依据升压信号把输入节点连接至存储电容器的第二电极的升压开关,并且开关电感降压电压变换器电路包括:把存储电容器的第二电极正向连接至输入节点的降压二极管;以及被布置为依据降压信号把输入节点连接至存储电容器的第一电极的降压开关。此布置的对称性提供了支撑驱动器电路的双向特性的均衡布置,其中在每个方向对存储电容器到电动马达线圈(经由输入节点)的耦合的控制由相应的升压信号和降压信号方便地影响。

在一些实施例中,开关电感升压电压变换器电路还包括把输入节点正向连接至升压开关的第一连接端的第一升压电路二极管。以此把来自电动马达线圈的输入节点连接到升压开关的第一连接端的方式提供二极管具体地通过把升压开关与降压电压变换器电路相隔离提供了对于升压开关的一层保护,从而使得降压电压变换器电路的操作对升压开关的破坏的风险被显著降低。另外,此二极管的配设大大地减少了电路中“振铃(即,电流振荡)”的发生率。作为这些因素的结果,可减少升压开关的本征回弹性,即升压开关可由更小、更脆弱、并因此更便宜的组件提供,因此降低了驱动器电路的总成本。

在一个实施例中,开关电感升压电压变换器电路还包括把存储电容器的第二电极正向连接至升压开关的第一连接端的第二升压电路二极管。开关电感升压电压变换器电路中这样的二极管的配设可为升压开关提供对于反向电流的额外保护层,该反向电流可在降压电压变换器电路活动的时候发生于驱动器电路中。

在一些实施例中,升压开关是N型场效应晶体管。本驱动器电路的配置特别适合用于由相对较小的开关器件(例如,场效应晶体管)而非更昂贵、更重负荷的器件(例如,绝缘栅双极型晶体管(IGBT))提供的升压开关。确实,在一些实施例中,升压开关可由N型MOSFET提供。与现有技术的电动马达线圈驱动器电路相比,本技术使得驱动器电路能够由这样相对脆弱的组件进行开关。

在一些实施例中,开关电感降压电压变换器电路还包括把降压开关的第一连接端正向连接至输入节点的第一降压电路二极管。类似于上文提到的第一升压电路二极管,此第一降压电路二极管保护降压开关免于当升压电压变换器电路活动时的反向电流的影响并且还防止驱动器电路内的振铃。

在一些实施例中,开关电感降压电压变换器电路还包括把存储电容器的第一电极正向连接至降压开关的第二连接端的第二降压电路二极管。此第二降压电路二极管的配设进一步防止了驱动器电路的开关电感降压电压变换器电路中的振铃。

在一些实施例中,降压开关是P型场效应晶体管。类似于上面关于由N型场效应晶体管提供升压开关的可能性的评论,本驱动器电路的配置特别适合用于由相对较小的开关器件(例如,场效应晶体管)而非IGBT提供的降压开关。确实,在一些实施例中,降压开关可由P型MOSFET提供。

在一些实施例中,开关电感降压电压变换器电路还包括参考电路,该参考电路被配置为使得降压信号参考地连接并且在降压开关的栅极提供参考存储电容器的第一电极处的电压的栅极电压。鉴于随着存储电容器通过升压电压变换器电路和降压电压变换器电路的动作被充电和放电,存在存储电容器的第一电极的电压在相当范围内变化的可能性,提供这样的参考电路是有利的,从而使得降压开关(P型场效应晶体管)的栅极电压可相对于存储电容器的电压被适当地设置(尽管降压开关的本征电压范围容忍度潜在地比存储电容器经历的电压范围小的多),因此降压开关能够在降压信号指示这应当发生时正确地进行开关。

在一些实施例中,参考电路包括被布置为提供与降压开关的栅极耦合的第一阻性路径和第二阻性路径的分压器,其中第一阻性路径把存储电容器的第一电极连接至降压开关的栅极并且第二阻性路径依据降压信号把降压开关的栅极连接至地连接。从而,第一和第二阻性路径的这一配置提供了以下布置:其中降压开关的栅极被耦合至第一和第二阻性路径汇合的点处提供的电压,因此通过适当地设置第一和第二阻性路径的阻抗,降压开关的栅极可依据降压信号被控制以合适地进行开关。

在一些实施例中,第二阻性路径包括被布置为依据降压信号把第二阻性路径连接至地连接的N型场效应晶体管。降压电压变换器电路中的此第二晶体管因此可使得降压信号能够被提供为相对低的电压数字信号,同时允许降压开关的耦合到存储电容器的操作,存储电容器然后可处置高很多的电压。

在一些实施例中,第一阻性路径包括把存储电容器的第一电极正向连接至降压开关的栅极的第三降压电路二极管。此第三降压电路二极管可与上文提到的第二降压电路二极管相关联地被提供,从而使得存储电容器的第一电极通过并行的二极管被耦合至降压开关的第二连接端(例如,源连接端)以及降压开关的栅连接端二者。第三降压电路二极管可被配置具有与第二降压电路二极管相同的配置,结果可以通过这两个二极管的并行响应来对电压和温度变化进行补偿。

在一些实施例中,驱动器电路还包括为降压开关提供栅极-源极连接的第一降压电路电容器。此电容器的配设能够(具体地通过抑制噪声的方式)稳定降压开关的操作,否则该噪声会引发降压开关的不希翼的开关。

在一些实施例中,第一阻性电路还包括与第一阻性路径的至少一部分并行的第二降压电路电容器。此第二降压电路电容器可进一步抑制电路中的噪声并且可具体地被配置为具有与第一降压电路电容器相似的配置,来允许在它们各自的路径上对于电压和温度变化的相同补偿。

在一些实施例中,驱动器电路还包括被配置为提供升压信号和降压信号的控制电路,其中控制电路被配置为当电动马达线圈中的电流流动基本为零时开始对升压信号或降压信号的断言(assertion)。配置驱动器电路从而使得它的开关切换发生于电流流动基本为零的时候进一步使得驱动器电路的组件(具体地,升压和降压开关)能够由相对“轻载”(即,脆弱并因此不贵的)器件提供。

在一些实施例中,控制电路被配置为互斥地断言升压信号和降压信号。这可为驱动器电路的组件提供又一层保护,从而使得在任何给定时间处仅开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路中的一者是操作的,并且这二者之间的冲突(具体地关于电流驱动方向)被避免。

在一些实施例中,控制电路被配置为把升压信号降压信号中的每一者断言为单个持续脉冲。这使得提供这些信号的控制电路能够由数字控制器件的相对简单配置来提供。

从第二方面看,本技术提供了用于驱动开关磁阻电动马达的至少两个电动马达线圈的驱动器板,包括:根据第一方面的第一驱动器电路,用于驱动至少两个电动马达线圈中的第一电动马达线圈;以及根据第一方面的第二驱动器电路,用于驱动至少两个电动马达线圈中的第二电动马达线圈,其中第一驱动器电路和第二驱动器电路由共享电源供电。将两个驱动器电路同时位于由共享电源供电的单个驱动器板上可具有特定益处,最显著的地方在于当由第一和第二驱动器电路驱动的第一和第二电动马达线圈被布置为相对于彼此处于相反操作阶段时,从而使得一个驱动器电路中相对于共享电源的电流流动与第二驱动器电路中相对于共享电路的电流流动相反,因而电源上的净电流抽取可被显著降低,因为大多数电流流动可在第一驱动器电路和第二驱动器电路之间而非去往或离开驱动器板。

在一些实施例中,驱动器板还包括控制电路,该控制电路被配置为在四个操作阶段中操作驱动器板,其中:在第一操作阶段中,第一电动马达线圈被充以第一极性的电流并且第二电动马达线圈被充以第二极性的电流,其中第二极性与第一极性相反;在第二操作阶段中,第一电动马达线圈被放电至第一驱动器电路的存储电容器中并且第二电动马达线圈被放电至共享电源;在第三操作阶段中,第一电动马达线圈被充以第二极性的电流并且第二电动马达线圈被充以第一极性的电流;并且在第四操作阶段中,第一电动马达线圈被放电至共享电源并且第二电动马达线圈被放电至第二驱动器电路的存储电容器中。因此,通过以此方式协作每个驱动器电路的操作,由第一和第二驱动器电路引发的主要电流流动被整合,从而使得主要的电流流动在第一和第二驱动器电路之间而非去往或者来自共享电源。例如,在1A电流从电源去往一个驱动器电路的配置中,另一驱动器电路可同时把0.75A的电流推送回电源。电源上的净抽取因此仅是0.25A的电流,然而通过第一驱动器电路和第二驱动器电路用于它们各自的马达线圈的相反配置(就操作阶段而言),1.75A的电流在各自的马达线圈中流动以生成磁场(因此生成电动马达的输出转矩)。最显著的是,由于线圈能量与电流的平方成比例,这与从电源抽取的能量相比向马达线圈输送了49倍的能量(1.752/0.252=49)。尽管一定程度上违反常识,应当记住的是此额外的能量先前已经被存储在马达的线圈或者驱动器电路的存储电容器中,并且本技术提供的驱动器电路使得这能够在马达线圈和存储电路之间高效地来回移动,而非在它在每个周期的相应阶段处从电源向马达线圈提供“新鲜”的能量。

在一些实施例中,驱动器板被配置为驱动开关磁阻电动马达中的六个电动马达线圈,并且包括六个相应的根据第一方面的驱动器电路,每个驱动器电路用于驱动六个电动马达线圈中的相应电动马达线圈,其中控制电路被配置为分成三对驱动六个驱动器电路,其中第一驱动器电路与第四驱动器电路配对,第二驱动器电路与第五驱动器电路配对,并且第三驱动器电路与第六驱动器电路配对,并且其中对于每对驱动器电路,控制电路被配置为同时对此对中的一个驱动器电路的升压信号以及此对中的另一驱动器电路的降压信号进行断言。以此方式把六个相应的驱动器电路同时位于一个驱动器板上辅助这三对驱动器电路之间的协作,并且对于在开关磁阻电动马达中驱动六个相邻的电动马达线圈是特别有用的。六个相邻的电动马达线圈例如在开关磁阻电动马达被配置为具有三:二比例的定子齿和转子齿时可以是重要的,从而使得对于六个相邻的定子齿(围绕定子齿缠绕了各自的线圈),定子中仅两个定子齿可与任何给定朝向的转子的转子齿对准。因而,对于这六个相邻定子齿的线圈,在任一时间处它们中刚好两个需要功率,并且另外这些可被布置为使得当一个通道(驱动一个线圈)正在从电源拉取电流时,另一通道(驱动另一线圈)正在往回提供它,并且净效果是来自提供通道的能量直接进入拉取通道(在相同的驱动器板上)而无需向电源索取除了恢复在此周期中的百分之几的损耗所必需的能量之外的更多能量。

在一些实施例中,控制电路被配置为选择性地禁用每对驱动器电路。尽管电子线圈马达将在所有三对驱动器电路都被使能时以最强功率操作,但是所有三对都工作对于电动马达的工作不是必要的,因此电动马达可在至少一对驱动器电路因此被禁用时操作于低功率配置。

从第三方面看,本技术提供了包括四个根据第二方面的驱动器板的开关磁阻电动马达驱动器装置,被配置为彼此独立地驱动开关磁阻电动马达中的二十四个电动马达线圈,并且被配置为根据操作的至少六个相位周期中的选定相位来驱动二十四个电动马达线圈中的每一者。

在一些实施例中,开关磁阻电动马达驱动器装置被配置为选择性地禁用每个驱动器板。每个驱动器板因此被配置为驱动开关磁阻电动马达的二十四个电动马达线圈中的六个,因此例如可对应于电动马达的象限。因而,电动马达的每个象限可被选择性地断开从而以更低功率配置运行电动马达。

在一些实施例中,开关磁阻电动马达驱动器装置包括八个根据第二方面的驱动器板,并且被配置为在操作的至少六个相位周期中驱动开关磁阻电动马达中的四十八个电动马达线圈,其中电动马达线圈对由至少六个相位周期中的相同相位驱动。例如,电动马达可被配置为具有把电动马达的纵向长度分为两个部分的两个区分的定子部件。根据本技术,四十八个电动马达线圈中的每一者因此可被分立地进行控制和驱动,然而在一些实施例中两个定子部件被配置为被彼此并行地驱动,从而使得相位周期中的相同相位被应用于两个电动马达线圈,这两个线圈分别在两个定子部件中。

从第四方面看,本技术提供了操作驱动器电路以驱动电动马达线圈的方法,包括以下步骤:向电动马达线圈充以来自电源的第一极性的电流;放电电动马达线圈至驱动器电路的存储电容器;向电动马达线圈充以来自驱动器电路的存储电容器的第二极性的电流,第二极性与第一极性相反;以及放电电动马达线圈至电源。

从第五方面看,本技术提供了用于驱动电动马达线圈的驱动器电路,包括:用于向电动马达线圈充以来自电源的第一极性的电流的装置;用于放电电动马达线圈至驱动器电路的存储电容器的装置;用于向电动马达线圈充以来自驱动器电路的存储电容器的第二极性的电流的装置,第二极性与第一极性相反;以及用于放电电动马达线圈至电源的装置。

从第六方面看,本技术提供了一种装置,包括:开关磁阻电动马达,该开关磁阻电动马达包括转子部件和定子部件,转子部件包括多个转子齿并且定子部件包括至少12个定子齿,每个定子齿被相应线圈缠绕;以及用于驱动开关磁阻电动马达的线圈的电动马达线圈的马达驱动器电路,其中马达驱动器电路包括:开关电感升压电压变换器电路,该开关电感升压电压变换器电路包括存储电容器和被布置为与电动马达线圈耦合的输入节点;以及开关电感降压电压变换器电路,该开关电感降压电压变换器电路包括输入节点和存储电容器,其中开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路的电感在输入节点被耦合至电动马达线圈时被提供,并且开关电感升压电压变换器电路的输出是跨越存储电容器形成的电压,并且开关电感降压电压变换器电路的输入是跨越存储电容器形成的电压。

附图说明

仅通过示例的方式,本发明将参照其在附图中示出的实施例进行进一步描述,其中:

图1在一个示例实施例中示意性地示出具有两个定子部件的开关磁阻马达;

图2在一个示例实施例中示意性地示出线圈驱动器电路;

图3示出了使用图2的电路中的升压信号和降压信号来引发定子线圈电路的变更;

图4在一个示例实施例中示出两个线圈驱动器电路的四阶段操作以及产生的电流流动;

图5A在一个示例实施例中示意性地示出形成驱动器电路的一部分的开关电感升压电压变换器电路;

图5B在一个示例实施例中示意性地示出形成驱动器电路的一部分的开关电感降压电压变换器电路;

图6在一个示例实施例中示意性地示出驱动器电路;

图7在一个示例实施例中示出具有16个转子齿和24个定子齿的开关磁阻电动马达的端视图;

图8在一个示例实施例中示出用于6个定子线圈的群组的六阶段控制操作;

图9示出了对与仅提供单向电流的配置相比由一个示例实施例的双向线圈驱动器电路供电的开关磁阻马达的磁场密度的仿真;

图10A在一个示例实施例中示意性地示出3个光学传感器的放置以提供电动马达中的转子相对于定子的旋转位置信息;

图10B示出了图10A中所示的三个光学传感器的六个可能的光学传感器输出的集合;

图11A和11B在两个示例实施例中示意性地示出可如何变换马达线圈中的磁场极性的两个示例;

图12在一个示例实施例中示意性地示出包括6个电动马达线圈驱动器电路的驱动器板;

图13在一个示例实施例中示意性地示出包括八个图12中所示的驱动器板的开关磁阻电动马达驱动器装置;

图14示意性地示出在一个示例实施例的方法中采取的一系列步骤;

图15示意性地示出一个示例实施例的、用于运转车子的轮子的马达系统;以及

图16示意性地示出其中在汽车中通过改造刹车盘来提供马达系统的示例实施例。

具体实施方式

图1在一个实施例中示意性地示出了开关磁阻电动马达系统10。电动马达包括被配置为在两个定子部件14和16内旋转的转子部件12。转子部件被配置为具有十六个转子齿,它们形成向外轴向延伸并且沿转子部件通过定子部件14和16二者的长度延伸的纵向脊柱。每个定子部件被配置为具有二十四个定子齿,它们形成向内延伸并且也沿每个定子部件的长度延伸的纵向脊柱。每个定子齿被缠绕以包括高数量的圈数的线圈-在此实例中存在约200圈。在图1所示的实施例中,转子齿上没有任何线圈,因为通过对定子齿线圈通电生成的磁场使得马达通过那些磁场在转子上的动作而旋转。

电动马达系统10还包括定子线圈驱动器电路20,其被配置为由相关联的控制电路22控制。电源24耦合到马达的定子线圈驱动器电路和定子线圈二者。这样,在定子线圈和电源24之间以及在定子线圈和定子线圈驱动器电路20之间均存在电流流动。此布置的重要性将从其它图示的描述中变得清楚。

图2示意性地示出了与单个定子线圈相关联的定子线圈驱动器电路的基本组件。实质上,图2中所示的电路是开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路的组合。开关电感升压电压变换器电路包括升压二极管30和升压开关32,并且开关电感降压电压变换器电路包括降压二极管34和降压开关36。开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路共享存储电容器38。每个电路还经由输入节点44连接至由此电路和电源42驱动的定子线圈40。升压开关32和降压开关36的控制信号(即,分别为升压信号和降压信号)由控制电路(这里,由图1中所示的相同控制电路22表示)生成。

在操作中,图2的示例实施例的升压和降压信号由控制电路22互斥地断言以使得定子线圈40被通电,并进而被双向驱动,其中电流首先被引发沿一个方向流经定子线圈(在“升压”操作期间)并且然后沿另一方向流经定子线圈(在“降压”操作期间)。断言升压信号以使得升压开关32闭合(传导)使得由电源42提供的电源电压被供应至定子线圈40。升压信号被断言合适的时段直至定子线圈中的电流流动正在生成马达的操作所需要的磁场。当升压信号被关断时,断开升压开关32,随着能量从线圈消散,电流继续流动(经由升压二极管30)。自定子线圈40消散的此能量通过对存储电容器38充电而被收集。这将存储电容器快速升压至关闭线圈中的电流的静电压。

存储电容器38中存储的这个“升高的电压”然后可用于在相反方向对定子线圈40充能。当需要这样做时,降压信号被断言以使得降压开关36闭合(传导)并且先前升高的电压可以与升压阶段相反的方向(经由降压二极管34)被应用至定子线圈40。

图3示出了图2中所示的电路的周期操作,其中通过对升压信号的断言,定子线圈电流首先被使得在一个(例如,正向)方向驱动,此后定子线圈电流被使得通过对降压信号的断言而在另一(例如,负向)方向被驱动。注意,对降压信号的断言并不发生直至定子线圈电流已经降低至零。这意味着在驱动器电路中电压在电流较低时切换并且电流在电压较低时切换,使得开关器件的功率消耗非常小。如将参考图5A、图5B和图6示出的实施例更详细地描述的那样,这意味着相对轻载的开关(例如,MOSFET而非更昂贵的IGBT)可被用作电路中的开关。

本技术关于驱动电动马达定子线圈的特定优点可见于图4,其在一个实施例中示出了四阶段过程,两个定子线圈通过此四阶段过程而被驱动。两个定子线圈各自耦合至共享的(DC)电源以及它们自己的相应线圈驱动器电路。

在第一阶段,两个马达线圈被充电,但是以相反的方向被充电。第一马达线圈被充以来自共享电源的第一极性的电流,并且第二马达线圈被充以来自第二驱动器电路的存储电容器的第二(相反)极性的电流。在图中给出的示例中,来自电源的1.6A被提供给第一线圈,而自第二驱动器电路的存储电容器得出的1.3A经由第二线圈返回至电源。作为净0.3A电源负荷的结果,实现了与2.9A对应的总线圈斜升。

在第二阶段,两个马达线圈再次以相反的方向被放电。第一马达线圈被放电至第一驱动器电路的存储电容器,并且第二电动马达线圈被放电至共享电源。在图中给出的示例中,1.6A自第一线圈被传递至第一驱动器电路的存储电容器,而源自第二线圈的1.3A被返回至电源。作为净电源负荷从-1.3A回落到零的结果,实现了2.9A的总线圈斜降。

在第三阶段,两个马达线圈再次被充电,但是以与第一阶段相反的方向被充电。第一马达线圈被充以来自第一驱动器电路的存储电容器的第二极性的电流,并且第二马达线圈被充以来自共享电源的第一极性的电流。在图中给出的示例中,自第一驱动器电路的存储电容器得出的1.3A经由第一线圈返回至电源,而来自电源的1.6A被提供给第二线圈。作为净0.3A电源负荷的结果,实现了与2.9A对应的总线圈斜升。

最后在第四阶段,两个马达线圈再次被放电。第一马达线圈被放电至共享电源,并且第二电动马达线圈被放电至第二驱动器电路的存储电容器。在图中给出的示例中,源自第一线圈的1.3A被返回至电源,而1.6A自第二线圈被传递至第二驱动器电路的存储电容器。作为净电源负荷从-1.3A回落到零的结果,实现了2.9A的总线圈斜降。

现在参考图5A、图5B和图6给出一个实施例中驱动器电路的更详细配置。开关电感升压电压变换器电路在图5A中单独示出,而开关电感降压电压变换器电路在图5B中单独示出,并且具有开关电感升压电压变换器电路和开关电感降压电压变换器电路二者的组合驱动器电路在图6中示出。

在图5A的开关电感升压电压变换器电路中,升压开关由NMOS 50提供,而存储电容器(CSTORE)由33uF电容器52提供。注意除了升压二极管(D1)54之外,在此实施例中还提供了两个其它二极管D256和D358。升压电压变换器电路被耦合至定子线圈60和150V DC电源62。

对于图5B的开关电感降压电压变换器电路,重要的是注意存储电容器(CSTORE)是与图5A中示出的电容器相同的33uF电容器52。如图5A和5B中标注的那样,跨越电容器52形成的电压可被视为图5A的开关电感升压电压变换器电路的输出以及图5B的开关电感降压电压变换器电路的输入。另外,降压电压变换器电路被耦合至相同的定子线圈60和相同的150V DC电源62。在图5B中示出的实施例中,降压开关由PMOS64提供。除了降压二极管66(D4)之外,在此实施例中还提供了两个其它二极管68和70(D5和D6)。最终图5B的开关电感降压电压变换器电路还包括耦合至降压开关(PMOS 64)的栅极的参考电路。此参考电路由NMOS 72,电阻器74、76和78(R7、R8和R9),电容器80和82(C2和C3),以及二极管84(D7)组成。

现在参考图6给出此实施例中的全驱动器电路的更详细配置,该全驱动器电路示出它的开关电感升压电压变换器电路和它的开关电感降压电压变换器电路。图6的驱动器电路的组件具有与图5A和5B中示出的组件相同的标号,因为这些后面的分离表示仅仅为了强调全驱动器电路的每个组件所属的相应部分而被分离地示出。

在此实施例中提供的各种额外的二极管(即,除了图2中示出的升压二极管和降压二极管之外)用于多种目的,但是总的来说,它们所扮演的具体角色是使得关键的开关器件(升压开关50和降压开关64)能够(不论马达线圈的尺寸以及马达所需的电源电压(例如,35mH线圈和150V DC电源))由非常便宜的MOSFET器件(而非例如更加昂贵的IGBT器件)提供。与操作具有此类配置的马达相关联的大EMF和快速电压变化具有引发破坏性的电压和栅极阶跃(gate-step)(当应当关断的时候把它们开启)的可能性,所以这些二极管在电路中用于提供保护开关的功率阻断。二极管还用来把开关电感升压电压变换器电路与开关电感降压电压变换器电路分离,从而使得一者的操作不会有损坏另一者的组件的风险。例如,降压电压变换器电路中放置在PMOS 64的两边的二极管68和70(D5和D6)的组合防止自线圈放出的电流流动的功率在驱动器电路的操作的“升压”模式期间闭合和断开此PMOS(因此不利地影响此升压模式的正确操作并且具有损坏降压电压变换器电路的其它组件的风险)。

注意,晶体管64被提供为PMOS(与更便宜的NMOS相对)器件,因为当处于操作的“降压”模式并且通过电感(线圈)降压至电源时,电感(定子线圈60)通过降压二极管66拉取电流,这将那里的开关拉低至低于地电平的一个二极管压降。这在使用PMOS用于晶体管64时工作,因为它仅仅在它的漏极添加一点更多的压降。原则上可使用NMOS器件,但是因为上面提到的(将在NMOS器件的源极上)拉低至低于地电平,将需要额外的电路来把它的栅极电压置于低于地电平,因为否则的话当电感(定子线圈60)放电时它不会被断开。

另外,电路中的二极管提供了整流功能以对振荡(振铃(ringing))进行整流,否则在从大电感器驱动大电容器时会强烈地出现振荡。

电容器80和82(C2和C3)被提供以抑制电路中的噪音,否则噪音会影响降压开关(PMOS 64)的栅极的开关的稳定性,由于晶体管的栅极(虽然经由二极管70和84(D6和D7))到存储电容器52的连接,此晶体管的栅极对于这样的噪音特别敏感。电容器80和82还形成参考电路的一部分,该参考电路特别地还包括电阻器74、76和78(R7、R8和R9)和NMOS晶体管72。此参考电路的配设使得降压信号(BUCK)能够参考地电平(GND)并且使得降压开关64的栅极信号能够参考在存储电容器52的上侧(如图6中所示)呈现的电压。因而,数字(低电压)BUCK信号的开关能够通过(相对于存储电容器上看到的电压)设置正确的源极-漏极阈值电压来正确地控制降压开关64的开关。注意,二极管70和84(D6和D7)、电容器80和82(C2和C3)以及电阻器74和76/78(R7和R8/R9)的并行配置使得电路能够因为它们的各自对中的这些组件中的每一者将对于此温度和电压变化具有同等响应而跨越电压和温度变化的范围一致地实行。注意,电阻器76和78(R8和R9)在逻辑上可被视为形成单个电阻器,尽管在此示例实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为两个不同的组件。二极管70和84(D6和D7)的配设还降低了需要由参考电路的剩余部分提供的栅极压降,进一步降低了需要明确提供的阻性组件的成本(因为它们具有更低的功率要求)并且允许电压范围被更容易地处置。

图7在一个示例实施例中示意性地示出了转子部件和一个定子部件的齿的轴向视图。在此实施例中,对定子部件的线圈(未示出)的控制被布置为使得6个定子齿的群组被放在一起,并且在每个群组上断言的周期控制序列运行于六个阶段,与此群组中的六个定子齿相对应。此实施例的其它特征(要在下文参考图12更详细地描述)是与群组中的每个定子线圈相关联的驱动器电路被置于共享控制电路和单个DC电源的一个板上,从而使得能够获得上文提到的一个驱动器电路操作于“降压模式”同时共享相同电源的另一驱动器电路操作于“升压模式”的益处。图7还示出了六个阶段周期中的一个阶段的快照,其中每个群组中的第一定子线圈(图中标注为1)在此实施例中当前正以第一方向(升压模式)被通电(其中,定子齿中感应产生的磁场轴向向内朝北(N)并且轴向向外朝南(S)),同时每个群组中的第四定子线圈同时在此实施例中正被相反地(降压模式)通电,从而使得定子齿中感应的磁场轴向向内朝南(S)并且轴向向外朝北(N))。继续以此成对的相反感应磁性方式驱动此电动马达的定子线圈,其中在下一阶段处,定子齿2和5被(彼此相反地)驱动,随后是定子齿3和6,随后是定子齿1和4(以与第一阶段相反的磁性配置)等等。

仍然参考图7,注意转子齿和定子齿的配置(具体地,它们的数目的比例为2:3)产生一种布置,其中当一半的转子齿与对应的定子齿直接对准时,另一半转子齿不与定子齿对准(在此实施例中与两个定子齿之间的间隙中央对准)。对于对准的转子/定子齿对,这意味着在转子齿和定子齿之间仅存在相对细小的空气间隙(例如,小于0.5mm),这对应于低磁阻并因而没有来自马达的输出功率(零转矩)。相反,该组六个定子齿中的其它定子齿与对应的转子齿的不对准因此可提供高磁阻以及高转矩配置(由于未对准的定子/转子齿之间较大的空气间隙,例如大于1.0mm)。尽管在已知的开关磁阻电动马达中,可需要转子齿和定子齿之间的局部重叠从而保持马达处于一种配置(其中磁阻较低用于可接受的效率,但是仍然可实现转矩(尽管处于低于最大可能值的水平)),本电动马达系统通过提供以下配置来实现转矩和效率之间的折中:其中可(通过未对准的定子/转子齿)生成更高的转矩,同时生成磁场所花费的未被用到的能量被回收,因此提高了效率。

图8示意性地示出了驱动器电路中的升压信号和降压信号的相对时序,其提供对每个群组中的六个定子齿的集合的上述控制。可以看出对上文提到的对定子线圈1/4、2/5和3/6的控制的配对,其中每对的定子线圈一直由驱动器电路以相对的模式(升压/降压)驱动并且产生的电流流动(图中的三角波形)一直具有相反的极性。注意,对升压和降压信号的断言的启动仅始于相应电路中的电流为零(或者至少可忽略)时,以确保相应驱动器电路的组件不被任何残余的相反电流流动破坏。当电动马达被配置为处于全功率配置时图8中示出的控制信号的序列应用于图7中示出的四组定子线圈中的每一组,然而当定子线圈的群组中的至少一个群组未被通电时电动马达操作于更低功率配置也是可能的。这可通过改变被断言的升压和降压控制信号来实现,而信号的改变可进而通过适当地断开一个或多个驱动器电路或一个或多个驱动器板来实现。另外,应当认识到,马达操作的速度因此通过所应用的升压和降压信号的时序序列(如图8中)来确定而不是基于马达操作的具体功率水平来确定。功率水平可通过当前脉冲的大小来确定,脉冲的大小源自所选取的升压和降压信号的持续时间。因而,例如对于大约相似的功率水平,马达可以两个显著不同的速度(例如,500rpm和1000rpm)操作。这种转速与操作功率水平的独立增加了用户对于如何操作马达的选择的显著灵活性,通过时序序列的方式指示转速并且通过选取哪些定子线圈的群组通电来指示总操作功率水平。此外,用户对马达的转速具有如此直接和独立的控制的事实表示在许多情形中,与传统电动马达相关联地提供的运转或传动装置可被免除。

图9示出了当在与图7相同的轴向展示中查看示例电动马达时对在示例电动马达的一个操作状态中出现的磁场的仿真。这(示出在左手侧)被标注为“双向”并且对应于根据本技术用于同时以相反方向驱动群组中的定子线圈对的驱动器电路。为了比较,第二仿真(示出在右手侧)被标注为“单向”并且对应于其中替代地以相同方向同时驱动群组中的定子线圈对的配置。磁场标示(以特斯拉为单位)是在定子齿之间的空气间隙中形成的磁场。当在空气间隙中测量时,可以看出(对于与单向情形的比较的双向情形)产生的ON(接通)场大约多出25%,并且顶部的OFF(关断)场大约小9倍并且底部OFF场强几乎小750倍。增加的ON场增加了转矩并且减少的OFF场降低了阻力。这是由于双向配置创建了电动马达中(具体地,转子部件中)的加强磁场的事实,这进一步提高了此马达系统的效率。

图10A和10B示出了光学传感器的使用以提供转子部件相对于(一个或多个)定子部件的相对位置信息。图10A示出了与三个定子齿对准放置的三个光学传感器100、102、104,这些传感器被尺寸设计和校正为使得:a)当转子齿与光学传感器和定子齿对准时,仅一个光学传感器登记转子齿的存在;以及b)随着转子相对于定子部件旋转,至多两个光学传感器登记转子齿的存在。这一配置意味着通过利用仅三个光学传感器(最终产生三比特的信息(可能在模拟到数字转换之后),取决于使用的传感器的类型),转子对于定子的相对朝向可被确定为在2.5°之内(针对此16转子齿/24定子齿的示例配置)。另外,不存在没有关于相对转子-定子位置的信息可用的中间位置,这样不论马达停止于什么位置,它总是能够知道要激活哪些定子线圈以使得马达运行。图10B示出了随着转子相对于定子旋转的对应的三个光学传感器输出。

在一些示例配置中,通过定子线圈的电能的方向——因而产生的磁场的方向——可由到线圈的连接的具体配置带来。图11A示出了一个示例配置,其中线圈驱动器电路可被用于向在某时是活跃的但是以相反方向被激活的定子线圈对中的二者提供功率(在图中,这是六个线圈的群组中的第一和第四线圈)。第一和第四线圈的绕组已经被制成彼此相反的含义,从而对于由驱动器电路提供的一种极性的电能,在第一和第四定子齿中产生相对朝向的磁场。图11B示出了另一示例配置,其中提供了与每个定子线圈相关联的额外开关电路,该额外开关电路由确定通过线圈的电流流动的方向的开关控制信号所控制。开关控制信号可由线圈驱动器提供或者例如由控制线圈驱动器的控制电路提供。

图12在一个示例实施例中示意性地示出驱动器板。此驱动器板被提供为单个集成电路板,其中六个驱动器电路112、114、116、118、120和122(例如,被配置为如图6所示),控制电路126和共享DC电源124被布置在其上。控制电路独立地向每个驱动器电路提供升压和降压控制信号。与六个驱动器电路在同一板上的共享DC电源的配设意味着支撑上文(例如,参考图4)所述的在板内部(相对的去往和离开板)的大多数电流移动。

图13在一个示例实施例中示意性地示出完整的开关磁阻电动马达驱动器装置130,该驱动器装置包括八个驱动器板132(例如被配置为如图12中所示),因而被配置为控制48个分立的定子齿(如图1中所示的示例马达系统中呈现的那样)。总控制单元134也形成装置130的一部分并且命令八个驱动器板132的高层次操作,例如当电动马达应当操作于较低功率模式并且当每个分立的驱动器板被耦合至能够被断开以影响此低功率模式的一组定子线圈时,使得分立的驱动器板被暂时断开。然而,重要的是要认识到由总控制134和板控制126提供的驱动器电路控制的组合使得:首先任何分立的驱动器电路能够被闭合或断开而不管其它驱动器电路的操作,其次由每个驱动器电路提供的对每个定子线圈的控制完全独立于由任何其它驱动器电路提供的对任何其它定子线圈的控制。因而,电动马达驱动器装置130因此提供对高达48个驱动器电路及由此的定子线圈的分立控制,尽管在关于定子线圈的群组和驱动器电路对的以上论述的启示下鉴于所产生的益处可选择紧密地联合一些驱动器电路的操作并且在这样的配置中被提供给各个定子线圈的电能的阶段可以是相同的。

图14示出了在一个示例实施例中采取的一系列步骤,这些步骤示出了如何操作两个驱动器电路。流程可被考虑开始于步骤140,其中在第一阶段中开关磁阻电动马达的第一定子线圈被一个驱动器电路充以来自共享电源的第一极性电流并且第二定子线圈被充以来自第二驱动器电路的存储电容器的第二(相反)极性电流。在步骤142处,在第二阶段中,两个马达线圈均被放电,第一定子线圈被放电至第一驱动器电路的存储电容器中并且第二电动马达线圈被放电至共享电源。在步骤144处,在第三阶段中,两个马达线圈均再次被充电,每个线圈以与第一阶段相反的方向被充电。第一马达线圈被充以来自第一驱动器电路的存储电容器的第二极性电流并且第二马达线圈被充以来自共享电源的第一极性电流。最终在步骤146处,在第四阶段中,两个马达线圈均再次被放电。第一马达线圈被放电至共享电源并且第二马达线圈被放电至第二驱动器电路的存储电容器中。

图15示意性地示出电动车辆(比如说,机动车),在其中存在电动马达系统的示例实施例。车辆150具有四个轮子152,每个轮子由它们自己的马达154驱动。每个马达154由相关联的驱动器装置156驱动,并且对于四个驱动器装置的集合的总体控制由中央控制单元158维护。在每个马达154内,每个定子齿上提供的线圈绕组是铝。在移动车辆的上下文中,这是有益的因为铝大约比铜轻三倍并且大约便宜五倍(按重量计算),这使得它每一面积大约更便宜十五倍(使得它足够便宜成为可更换的损耗件)。在其它实施例中,每个定子齿上提供的线圈绕组可以是铜,或者任何其它适合的传导材料。

然而,先前选择铝用于定子线圈绕组一般会被拒绝,因为铝的每横截面积的电阻要比铜高二倍并且因为它相比铜对于震动疲劳的更快。然而,在根据本技术的电动马达系统中,线圈中需要的电流尤其低因而由于更高的阻抗带来的功率损耗(根据I2R)影响不大。实际上更高值的R确实使得L/R时间常数更慢,所以驱动器电路操作地更快。

另外,马达的低成本和它对于转速的操作的灵活性的组合意味着在图15中所示的示例实施例中在每个轮子处提供分立的马达而非提供具有相关联的齿轮和传动的一个中央马达是可实践的。在每个轮子处通过使用铝绕组用于定子线圈来放置如此“便宜”的马达使得马达可接近于可替换的物件(比如说刹车盘的形式)并且能够实现使用便宜的铝的益处。

应当认识到这样的布置也至少部分是可能的,因为这里从线圈到转子的磁能传输的重要性变弱。这是由于以下事实:本技术意味着不论什么未被从线圈磁性传输至转子的磁性存储能量能够被恢复并且被重复使用。先前马达中的线圈和转子之间的空气间隙将不得不非常小——例如,零点几毫米——从而维持可接受的效率(通过从转子到线圈的良好的磁能传输),由于能量的回收,这一对于空气间隙的尺寸的约束对于本马达系统是更加松弛的。转而这意味着马达能够被放置在更加暴露的位置,因为它对于更加松弛的(并且变化的)空气间隔的更大容忍度。

图16确实示出了其中机动车轮160具有被改造以形成马达的一部分的刹车盘162的示例马达实施例。刹车片164继续通过对刹车盘162的选择性摩擦施加来实行正常的刹车功能,但是刹车盘162的外缘166已经被改造为提供马达的转子部分(例如,具有模制的鳍或辐条以提供可变磁阻)。周围的部分168提供定子部件。以此方式组合“存在的”组件与马达对于车辆整体也具有明显的减轻重量的优点。这样的改造例如还可对一般的车轮装置的其它组件(例如,钢圈或者刹车鼓)做出。在先的开关磁阻马达设计通常不能够容忍此类暴露位置的操作,因为它们对于马达中的线圈和转子之间的空气间隙的精细灵敏度(例如要求空气间隙小于0.5mm)并且以此方式对相对昂贵的马达的暴露正常不会被想到。然而本技术:a)提供相对便宜许多的马达系统,这使得它自身的替换是较不显著的成本因素;b)允许更低的电流配置,这使得它利用更便宜但是更有阻性的材料(例如,铝)的构造更加实用;以及c)对使用的能量进行回收,因此允许提升的效率并且使得线圈到转子的精确和细小的空气间隙较不重要,例如允许空气间隙大于1.0mm。

总之,从上面的描述中将认识到:本文描述的电动马达系统和它的关联的线圈驱动器电路通过回收未被那些磁场转换为转动能量的未使用能量来使能以低净功率输出使用定子线圈中的强磁场。利用这个能力以及另外借助于能够禁用定子线圈的群组,马达能够以极其低的输入电平高效地操作。例如,根据所述原理构造的原型750W(1HP)马达已经利用低至15W的输入功率电平(即,比它的设计功率低50倍)在它的输出速度的全范围间操作。除了以低转速操作马达(通过大量的阶段和转子齿)之外,这一能力允许马达在多种输出水平处高效地操作,这可减轻各种系统中对于齿轮箱和/或传动装置的需求。

尽管本文已经参考附图详细论述了发明的描述性实施例,但要理解的是发明不限于那些精确实施例,并且在不背离所附权利要求定义的发明的范围的情况下在其中可产生各种改变、添加和修改。例如,在不背离本发明的范围的情况下可以做出从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的各种组合。

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