CN1069793C - 电机 - Google Patents
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Abstract
一种电机，包括一个转子和一个定子，一个供检测转子相对定子位置的转子位置变换器。可顺序激励相绕组来驱动转子。转子位置变换器由激励一个或多个绕组来供电，从而取消了需要为转子位置变换器提供一个附加电源。
Description
本发明涉及一种电机，并且特别涉及电机的一种位置检测器。本发明虽然不是唯一地但是特别适用于转接式磁阻(SR)电机。
转接式磁阻电机的一般设计和操作原理为周知。例如，在PCIM 93Conference and Exhibition at N①rnberg，Germany，June 21-24，1993上由Stephenson和Blake提交的“The Characteristics，Design andApplications of Switched Reluctance Motors and Drives”中对此作了讨论。
转接式磁阻驱动***是一种可变速驱动***，它包括一个在低功率控制电子设备的控制下由一个功率电子转换器供电的转接式磁阻电机。该电动机在定子和转子上都有凸磁极，典型地各定子磁极绕有一个励磁线圈。这些定子线圈分组形成一相或多相绕组。绕组中的电流典型地由功率电子开关接通和断开。将会理解，该磁阻电机能同样良好地操作为一台电动机或一台发电机。
图1表示典型的三相SR电机的示意图，该电机有六个定子磁极和四个转子磁极。带有绕组A和A(A相)的径向对置磁极由绕组的布置确定为具有相对的磁性极化。B相和C相类似地形成。
绕组中电流的转接定时按照定子和转子磁极的相对角位置来控制。这个相对位置可以由一个转子位置变换器(RPT)来控测，该转子位置变换器由一个旋转部件和几个向控制电子设备供给信号的静止传感器所组成。
本领域技术人员将会认识到，有许多已知形式的RPT，例如包括在EP0630097中所示形式的RPT。
RPT用来保证使相绕组的电流在适当旋转角处接通和断开。图2说明一种典型***，它由一个旋转带槽圆盘和三个由圆盘的旋转来转接的光传感器所组成。
RPT典型地由位于转子上的一个叶片组成，叶片断开一个或多个带槽光开关，带槽光开关则各包括一个发光二极管(LED)和一个光电晶体管。典型地，为了使带槽开关操作，必须向LED供给约10-20mA的电流。
图3表示用于转接式磁阻电机的典型转换器电路的一部分。整流桥8从单相交流电源4向直流链路6供电。一个直流链路电容器5起平滑直流链路的电压作用。
图3还表示了向LED供给电流的一种已知布置。所示布置为“电阻性降低器”型，通常用于为低成本应用，如洗衣机，真空吸尘器，洗碗机等所设计的驱动***中。一个带槽光开关一般地以10表示，并且包括一个LED12和一个协作光电晶体管14。光电晶体管14沿线16向一个任何已知适当形式的控制***输出一个信号，以便按照该RPT信号控制绕组中电流的转接。LED12的供电流由串联连接到直流总线的一个电阻器或多个电阻器18提供。
在为120VAC公用电源所设计的***中，供给20mA的LED电流在电阻器18中引起超过3W的标称耗散。在为230VAC电源所设计的***中，标称耗散增加到6W以上。供应3W或6W额定电阻器则占用了宝贵的印刷电路板面积，并且增加了电子***的热耗散要求。此外，尤其在家庭应用中，这样的***一般要求例如在100VAC与132VAC之间变化的宽供电范围内操作。当(固定)电阻器18用来向LED 12供给电流时，电流大小会偏离最佳值作相当大变化。实际上通常必须使用具有相当大功率额定值的常规功率电阻器，以便在家庭应用市场中为产品的规模经营获得检验证书，从而进一步增加了成本。因此，将会看到在光开关10的常规电源布置中呈现各种问题。
本发明的一个目的是避免或至少缓和以上提出的一些问题。
按照本发明，提供一种电机，其包括一个定子部件和一个活动部件，一个设置在定子部件或活动部件上的电流可激励装置，以相对定子部件可激励驱动活动部件，以及一个附加电流驱动部件，其中在一个含有电流可激励装置的公共电流通路中设置电流驱动部件。电流驱动部件可以包括相对定子部件用来检测活动部件位置的位置传感器的一个或全部元件。
结果，位置传感器不要求一个专用独立电源。
该电机可以在一个含有电流可激励装置的公共电流通路中包括一个第一电压设定装置，以在传感器的电流驱动部分两端之间设定大致恒定的电压。结果，主电源额定值改变不影响位置传感器，因此能够降低功率耗散，并且对应地允许使用低功率额定电阻器。可以与第一电压设定装置并联设置一个第二电压装置，例如一个电容器或一个电容器和一个电阻器串联。第一电压设定装置可以包括一个齐纳二极管。该齐纳二极管在导通时为位置传感器提供一个恒定参考电压。当齐纳二极管截止时，电容器大致维持恒定电压直到齐纳二极管再次导通。
该电机可以包括多相电机，其有与各相有关联的相应电流可激励装置，其中在一个含有各电流可激励装置的公共电流通路中设置位置传感器的电流可驱动部件。结果，位置传感器由逐相来激励，允许使用低值电容器。
按照本发明，还提供一种向电机中电流可驱动部件供给电流的方法，该电机包括一个定子部件和一个活动部件，以及一个与定子部件或活动部件关联的电流可激励装置，以相对定子部件可激励驱动活动部件。电流可驱动部件可以包括相对定子部件用于检测活动部件位置的位置传感器的全部或一部分。该方法可以包括把电流可激励装置转接到续流状态，以及把续流电流的一部分转接到电流可驱动装置。结果，使用了可激励装置例如电动机绕组中存储能量的一部分。在电机的最初起动阶段可以执行该方法步骤。
结果，对电流驱动部件，例如位置传感器无需专用独立电源。
图1表示典型的三相转接式磁阻电机的示意图；
图2表示用于转接式磁阻电机的现有技术转子位置变换器；
图3表示用于带槽光开关的常规电源；
图4表示用于转接式磁阻驱动***一相的常规功率转换器电路；
图5表示按照本发明的功率转换器电路；
图6a表示当电机在斩波方式时转接式磁阻电机一相的典型绕组电流波形；
图6b表示在本发明的一个实施例中与图6a绕组电流对应的齐纳二极管的电流波形；
图6c表示对于图6a和图6b电流波形的时标；
图6d表示LED电源电压；
图7a表示当电机在单相方式时转接式磁阻电机一相的典型绕组电流波形；
图7b表示对应图7a的齐纳二极管电流波形；
图7c表示LED电源电压；以及
图8表示按照本发明的另一个实施例的功率转换器电路。
本发明通过使用电动机绕组中存储能量的一部分解决了与现有技术布置有关的问题，该部分能量或在续流回路中循环，或在SR电机的操作在能量返回阶段期间返回到直流总线以对LED供电。
图4表示用于转接式磁阻电动机一相绕组20的常规“每相两个开关”的功率转换器电路。该电路包括相绕组20，串联“上”开关28和“下”开关24，它们连接在直流链路之间。可以包括一个电流测量电阻器30，典型地邻接0V干线，以提供一种低成本测量电流方法。二极管22和26连接在相绕组端头与直流链路的相对干线之间。当两个开关28和24都闭合时，电压施加在相绕组上。磁通量是施加电压的时间积分，开始在与相绕组关联的磁路中增加，并且电流从电源中吸取以支持这个磁通量。如果两个开关一起断开，电流继续流通，但是现在流过二极管并返回直流链路。二极管的作用是使绕组两端之间的电压反向，以便使磁通量(因此也使电流)衰变到零。这个衰变通常称为循环的“能量返回”部分。然而，如果一个开关(比方说28)在另一个开关之前断开，施加在绕组两端之间的电压只包括绕组和电阻器30两端之间的电阻压降及开关24和二极管26的导通压降。由于这个电压很小，磁通量衰变得非常慢，因此电流在环绕由绕组20，开关24，电阻器30和二极管26所形成的回路中循环时也衰变得很慢。这个循环通常称为“续流”，并且由于各种理由可以加以使用，包括控制灵活性，降低噪声等本领域已知的所有方面。开关24，28例如可以是功率晶体管，如双极晶体管，绝缘栅场效应晶体管，功率金属氧化硅场效应晶体管等，它们由大量已知方法中的任何一种方法来控制。
图5表示按照本发明的一个功率转换器电路，其中结合了除图4以外的元件，以为LED 12提供一种电源。
参考图6a，示出了用图4电路可得到的相绕组20的典型绕组电流波形。在第一步，通过闭合两个开关24和28以经过绕组20从正电压线到零电压线建立直流通路，使绕组20快速激励到例如4A的值。如图6a可见，电流iw快速增加到4A值。为了使电流近似方波脉冲，电流于是被“斩波”。斩波操作包括重复断开和闭合开关24，28中的一个或另一个，例如开关28。当开关28断开时，绕组20中流通的电流继续在续流通路中通过闭合开关24和二极管26在一个“零电压”回路中循环。如图6a电流曲线可见，电流iw缓慢衰变。当开关28再一次闭合时，电流快速增加到先前4A值，在这点开关28再次断开。可见通过重复这些步骤即得到图6a所示波形。这个斩波操作允许在绕组20激励期间的希望时段内使电流保持在平均电平。为了使绕组20去激，两个开关24和28都断开，强迫电流流过两个二极管22，26并且快速衰变，将能量返回给电源。
现在参考图5，按照本发明的一个实施例的电路允许在循环的续流部分的能量返回期间，以绕组20中能量的一部分对LED 12供电。在适当的地方，使用了如图4相同的参考标号。除LED 12外，该电路还包括各种如下作更详细叙述的附加元件，它们连接在第二二极管26与零电压线之间。
附加元件包括一个齐纳二极管40(在本例，额定值为5V)，连接在第二二极管26与零电压电源线之间。在第二二极管26与零电压电源线之间还与齐纳二极管40并联连接一个电阻器R1(在本例为10ohms)和一个电容器C的串联组合。LED 12和与其串联的电阻器R2(在本例为220ohms)也与电容器C并联连接在电阻器R1与零电压电源线之间。在本例电容器C的值为1000μF。
在操作中，当两个开关24，28都闭合并且绕组20中的电流快速增加时，二极管26防止了电流流过LED和关联元件。当开关28断开时，电流以续流状态流过电阻器30和二极管26。齐纳二极管40为反向偏置，因此使齐纳二极管40与第二二极管26之间点的电压保持在恒定值，在本例为5V。电容器C由此通过电阻器R1充电到这个值，并且电流同时通过电阻器R1和R2流过LED 12，以便使LED 12操作在希望的电流水平下。当开关28再次闭合，通过齐纳二极管和二极管26的电流降到零。然而，电容器C起一个上举电容器作用，它在LED两端之间部分放电并且保持LED电流。
该电路的操作可以从图6b至图6d所示波形得到最好地理解，其中如上所讨论，图6a示出了绕组电流波形。图6b示出了对应的齐纳二极管电流iz。为了说明起见，假定齐纳二极管为理想的(即它没有漏泄电流)并且电容器为理想的。当两个开关24，28都闭合并且绕组电流增加到4A时，齐纳二极管电流为零。在第一斩波步骤当开关28断开时，齐纳二极管电流跃变到4A，然后缓慢衰变。当开关28再次闭合时齐纳二极管电流降到零且绕组电流增加，并且在下一个斩波步骤重复该图形。当两个开关24，28在点M都断开时，通过绕组20的电流开始经过二极管22和26及齐纳二极管快速衰变。
绕组电流脉冲的通-断周期在图6例子中表示为接通4ms及断开8ms，以便齐纳二极管40在几乎1/3时间内导通。图6d表示对应的LED电源电压Vc。如所看见，LED电源电压在绕组激励时大致保持在最大值5V，当齐纳二极管电流在斩波期间短暂降到零时，上举电容器C保持LED电源电压。当绕组20去激并且齐纳二极管电流降到零时，因为有电容器C所以LED电源电压只缓慢衰变。例如，在对该电容器使用1000μF值时，在绕组再次激励以前该电源电压降低约0.2V。因此，将会看到，一旦电动机在操作中，LED电源电压就保持在大致5V。
本领域技术人员将会理解，图5中电阻器R1的主要功能是限制流入电容器的初始冲击电流。如果电容器有足够额定值，那么可以省略R1。然而将会一般地发现，就其允许大大降低电容器的费用来说，结合R1则使成本低。
在起动电动机时，为了在电动机开始操作以前起动***并向LED 12提供电流，必须激励电动机绕组20。已知各种起动***的布置。例如，参考US 5,539,293，在应用编码位置传感器布置的***中，使用一种起动顺序以通过激励所选择定子磁极使转子按预定位置取向来定位处在已知位置的转子。用于这样***的激励电流可以用来在电动机开始操作以前对LED 12提供电流。选择地，绕组20可以用一个在电动机中产生可忽略转矩的低水平电流来激励。一旦起动顺序对LED 20建立了所要求的电流，电动机就能按常规操作，至LED 20的电流如上所讨论那样，每当绕组去激时就由周期性地对储能电容器充电来得到保持。该***还可以用来为任何可能有此需要的电路，例如模拟比较器提供一个负电源电压(齐纳二极管偏置的结果)。图5中接线44表示可以在何处连接这样其它电路。
图6a所示绕组电流波形例如为洗衣机驱动***在中速如洗衣方式下操作时的典型波形。图7a至图7c表示高速下操作，其中齐纳二极管40在约33％的时间内导通。当两个开关24，28再一次都闭合时，如图7a所示使绕组20激励，如图7b所示使齐纳二极管电流iz保持为零。在这个方式下不发生斩波，并且一旦达到希望的转子位置就简单地再次断开开关24，28，并使绕组电流再次衰变到零。在所示实施例中，绕组被激励约0.2ms并且电流在0.2ms相等时间内再次衰变到零。绕组电流在绕组20再被激励以前在又一个0.2ms内保持为零。如图7b可见，齐纳二极管电流在0.2ms以后接通，并且随绕组电流一起在又一个0.2ms以后衰变返回到零。在电流流过齐纳二极管时齐纳二极管电压保持为恒定5V。参考图7c，当电流流过齐纳二极管40时，LED电源电压(Vc)保持为5V，而当齐纳二极管电流为零时，由于有电容器C所以使LED电源电压(Vc)缓慢衰变，直到电流再次通过齐纳二极管40为止。再对1000μF的电容来说，在齐纳二极管电流为零时电压衰变约8mV，因此保持在足够维持适当电流流过LED 12的水平。
虽然已经与控制方式结合叙述了电路的操作，其中相绕组20中的电流在其循环期间降到零，但是如EP 0534761 B1所述，还可能在循环期间电流不降到零的***上实现本发明。
用图8所示电路可以降低上举电容器C的值。示出了一台三相电动机，包括绕组20a，20b和20c。除相应常规元件外(对应图4所示布置的二极管22a，22b，22c和26a，26b，26c，开关24a，24b，24c和28a，28b，28c，以及电阻器30a，30b，30c)，各绕组20a，20b，20c还与相应的齐纳二极管40a，40b，40c和电阻器R1a，R1b和R1c关联。各相通过R1连接到一个公共LED 12，电阻器R2和并联电容C，以便依次使用各绕组20a，20b，20c中的电流对LED 12供电。结果，电容器C只需要足够高值以在各相斩波期间使LED保持在适当电压，而不需要在一个给定断开期间保持适当电压。当然，这个***是以附加元件如齐纳二极管40b，40c和电阻器R1b，R1c为代价实现的。此外，二极管50a，50b，50c连接在各电阻器R1a，R1b，R1c与电阻器R2和电容器C之间，以防止电流在绕组20a，20b，20c之间流通。
将会理解，虽然上述***是参考转接式磁阻电动机来讨论的，但是它同样适用于发电机或实际上任何具有可激励绕组并且对另一个电路要求一个电源的适当电机。
将会进一步理解，以上讨论的齐纳二极管40和电容器C布置可以用任何适当电路来代替。齐纳二极管40的具体作用是它在LED 12和电阻器R1及R2两端之间保持恒定电压，允许可控制的恒定电流流过LED。电容器C的具体作用是在齐纳二极管40截止的这些时间内使电压大致保持为恒定。
虽然本发明已经连同以上讨论的说明性实施例作了叙述，但是本领域技术人员将会认识到，在不违反本发明范围的情况下可以作出许多改变。例如，本发明适用于倒装电机，其中定子在电机的中心而转子安排为绕定子的外侧旋转。并且，本发明适用于直线电机及旋转电机。术语转子对于直线电机来说通常用来描述活动部件。这里所使用的术语转子意指包含直线电机的这样活动部件。
虽然以上讨论涉及在RPT中向LED提供电流。但是将会理解，可以使用电动机绕组中存储能量的一部分以驱动其它电流可驱动部件。
因此，以上几个实施例的叙述只作为举例，并不是为了限定目的。本发明规定为只由下列权利要求的范围来限定。
Claims (11)
1.一种电机，包括一个定子部件和一个活动部件，一个设置在定子部件或活动部件上的电流可激励装置，以相对定子部件可激励驱动活动部件，以及一个附加电流驱动部件，其特征在于，在一个含有电流可激励装置的公共电流通路中设置电流驱动部件。
2.如权利要求1所述的电机，其特征在于电流驱动部件包括相对定子部件用来检测活动部件位置的位置传感器的全部或一个元件。
3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于还在一个含有电流可激励装置的公共电流通路中包括一个第一电压设定装置，用于在电流可驱动部件两端之间设定大致恒定的电压。
4.如权利要求3所述的电机，其特征在于与第一电压设定装置并联设置一个第二电压设定装置。
5.如权利要求3所述的电机，其特征在于第一电压设定装置包括一个齐纳二极管。
6.如权利要求4所述的电机，其特征在于第二电压设定装置包括一个电容器，或串联的电容器和电阻器，或串联的电容器和电阻器和二极管。
7.如权利要求1所述的电机，其特征在于包括一个多相电机，其有与各相有关联的相应电流可激励装置，其中在一个含有各电流可激励装置的公共电流通路中设置电流驱动元件。
8。一种向电机中电流可驱动部件提供电流的方法，该电机包括一个定子部件和一个活动部件，以及一个与定子部件或活动部件有关联的电流可激励装置，以相对定子部件可激励驱动活动部件，其中在一个含有电流可激励装置的公共通路中设置电流驱动部件，该方法包括激励电流可激励装置的步骤，其特征在于还包括使电流通过电流可激励装置驱动电流可驱动部件的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于电流可驱动部件包括相对定子部件用来检测活动部件位置的位置传感器的全部或一个元件。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于还包括把电流可激励装置转接为续流状态，以及对电流可驱动装置使用部分续流电流。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于在电机最初起动阶段期间执行该方法步骤。
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