CN109121452B - 提高效率的电机和驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种将电机的磁能量返回到电机***的改进的设备和方法。公开了改进的电池***和配置以增强电机的磁能量回收，并且提高电机效率。电源具有第一电极和第二电极。相线圈用于从所述电源接收电能以形成用于向转子传递运动的磁场。电池具有第一电极和第二电极，所述电池的所述第一电极用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述电池的第二电极耦接到所述电源的所述第一电极并且具有与所述电源的所述第一电极的极性相反的极性。

Description

提高效率的电机和驱动电路

技术领域

本发明涉及电机领域，特别是涉及针对改进电机效率并捕获磁场能量的装置、***和方法。

背景技术

电机通常使用相对于定子旋转的转子。许多电动机通过施加到转子的磁场引起转子的运动。这种电机可包括开关磁阻电机、可变开关磁阻电机、感应电机、永磁电机等。

然而，利用磁场来旋转转子的标准电动机由于在磁场中的能量损失而导致损失。这些能量损失可降低这些电机的性能，导致运行效率下降。

需要捕获磁场能量并减少电机中的能量损失的装置、***和方法。

发明内容

本文公开的装置、***和方法被设计为满足对改进的电机效率和磁场能量捕获的需求。

在一个实施例中，公开了一种用于电机的驱动电路，包括具有第一电极和第二电极的电源。相线圈耦接到所述电源的所述第一电极，所述相线圈用于从所述电源接收电能以形成用于向转子传递运动的磁场。开关将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极。电池具有第一电极和第二电极，所述电池的所述第一电极用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述电池的所述第二电极耦接到所述电源的所述第一电极并且具有与所述电源的所述第一电极的极性相反的极性。

在一个实施例中，公开了一种包括转子和具有第一电极和第二电极的电源的电机。定子包括耦接到所述电源的所述第一电极的相线圈，所述相线圈用于从所述电源接收电能以形成用于向所述转子传递运动的磁场。开关将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极。电池具有第一电极和第二电极，所述电池的所述第一电极用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述电池的所述第二电极耦接到所述电源的所述第一电极并且具有与所述电源的所述第一电极的极性相反的极性。

在一个实施例中，公开了一种包括操作具有驱动电路的电机的方法。所述驱动电路包括具有第一电极和第二电极的电源。相线圈耦接到所述电源的所述第一电极，所述相线圈用于从所述电源接收电能以形成用于向转子传递运动的磁场。开关将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极。电池具有第一电极和第二电极，所述电池的所述第一电极用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述电池的所述第二电极耦接到所述电源的所述第一电极并且具有与所述电源的所述第一电极的极性相反的极性。

在一个实施例中，公开了一种用于电机的驱动电路，包括具有第一电极和第二电极的电源。相线圈耦接到所述电源的所述第一电极，所述相线圈用于从所述电源接收电能以形成用于向转子传递运动的磁场。开关将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极。整流器耦接到所述相线圈并且用于对由所述相线圈的所述磁场产生的电流进行整流以产生整流的电流。电力储存装置用于从所述整流器接收整流的电流，并且储存由所述整流的电流产生的能量。

附图说明

参考说明书、权利要求书和附图可以更好地理解本文公开的***、设备和方法的特征和优点，这些也将变得易于理解，其中：

图1示出了根据本公开的实施例的驱动电路的示意图。

图2示出了根据本公开的实施例的驱动电路的操作和输出的测试结果的时间图。

图3A示出了根据本公开的实施例的电机壳体的侧视图。

图3B示出了图3A的电机壳体的沿中线截取的一半的正视图。

图3C示出了图3A的电机壳体沿如图3B的同一中线截取的一半的后视图。

图4示出了根据本公开的实施例的定子的平面图。

图5示出了根据本公开的实施例的定子的布线图的示意图。

图6示出了根据本公开的实施例的转子的平面图。

图7示出了根据本公开的实施例的转子和定子的平面图。

图8示出了根据本公开的实施例的驱动电路的示意图。

图9示出了图8的驱动电路的修改版的示意图。

图10示出了根据本公开的实施例的驱动电路的示意图。

图11示出了根据本公开的实施例的定子的布线图的示意图。

图12示出了根据本公开的实施例的驱动电路的示意图。

图13示出了图12的驱动电路的修改版的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的实施例的驱动电路10的实施例。驱动电路10可用于操作电机。电机可用于产生机械输出。

驱动电路10可包括用于向一个或多个相线圈14a、14b、14c供电的电源12。电源12可包括电池、直流链路或其他形式的电源。最好，电源12被配置为可充电的，并且可包括电池等。在图1所示的实施例中，电源12产生到相线圈14a、14b、14c的DC输入。在其他实施例中，AC输入可以由电源12提供。

电源12包括两个电极。如图1所示，电源12具有相反极性的电极，包括正极16和负极18。正极16可耦接到相线圈14a的电源侧，或异名侧。

相线圈14a可用于具有穿过其中的电流以形成磁场。可以从电源12获取电流，使得相线圈14a从电源12接收电能以形成磁场。相线圈14a可以是定子的一部分并且耦接到定子，并且磁场可用于向转子传递运动。尽管相线圈14a显示为单个线圈，任何数量的线圈或缠绕物可组成相线圈14a。

开关20a可耦接到相线圈14a的开关侧或同名侧。开关20a可将相线圈14a的开关侧或同名侧耦接到电源12的负极18，使得当开关20a闭合时，电流穿过相线圈14a和开关20a到达负极18。开关20a可包括半导体，或机械的、或机电的开关。在使用半导体开关的实施例中，可以使用各种类型的半导体开关，如晶体管、晶闸管、光电池或其他半导体开关。在图1所示的实施例中，可以使用NPN晶体管，该NPN晶体管具有耦接到相线圈14a的集电极和耦接到负极18的发射极。

二极管22a可耦接到相线圈14a的开关侧或同名侧。二极管22a也可连接到开关20a的线圈侧。二极管22a可相对于相线圈14a正向偏置。二极管22a还可用作整流器，以整流由相线圈14a的磁场产生的电流，以产生整流的电流。

电力储存装置可经由二极管22a耦接到相线圈14a的开关侧或同名侧。电力储存装置可包括电池24。电池24可包括两个电极。如图1所示，电池24具有相反极性的电极，包括正极26和负极28。正极26可耦接到相线圈14a，负极28可耦接到电源12的正极16。电池24可包括密封的铅酸电池。在其他实施例中，可使用其他形式的电池，例如镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)、锂离子(Li-ion)、锂离子聚合物(锂离子聚合物)、可重复使用碱性，或其他形式的电池。在电源12包括电池的实施例中，电池可包括密封的铅酸电池。电池还可包括其他形式的电池，例如镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)、锂离子(Li-ion)、锂离子聚合物(Li-ion聚合物)、可重复使用碱性，或其他形式的电池。

另一个电力储存装置可以经由二极管22a耦接到相线圈14a的开关侧或同名侧。电力储存装置可包括电池30。电池30可包括两个极。如图1所示，电池30具有相反极性的电极，包括正极32和负极34。正极32可耦接到相线圈14a，负极34可耦接到电源12的负极18。电池30可包括密封的铅酸电池。在其他实施例中，可使用其他形式的电池，例如镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)、锂离子(Li-ion)、锂离子聚合物(Li-ion聚合物)、可重复使用碱性，或其他形式的电池。

当开关20a闭合时，电流通过相线圈14a流到电源12的负极18。流过相线圈14a的电流形成磁场，该磁场用于向转子传递运动。能量储存在磁场中。当开关20a断开时，电流不再流过开关20a。磁场的能量通过二极管22a传送到电池24。电池24的正极26接收相线圈14a的磁场的能量。电池24两端的所得电压对电池24充电。磁场的能量被传送到电池24并储存在电池24中。磁场的能量也可以通过二极管22a传送到电池30。电池30两端的所得电压对电池30充电。磁场的能量被传送到电池30并储存在电池30中。

当开关20a再次闭合时，电流再次从中流过。当开关20a之后断开时，电池24再次充电。在电池24中储存的能量可输回到线圈14a、14b、14c的操作中，或者可以输入到电源12中。因此，可以将磁场的能量返回到***中。电池30可用作储存在开关20a、20b、20c断开时产生的任何多余能量，以防止损坏电路，并且有用地回收这种能量。

在一个实施例中，可以仅使用电池24。在其他实施例中，也可使用电池30。

电池24的电极28具有与其所连接的电源12的极16相反的极性。在其他实施例中，电池24的每个电极16、18的极性以及电池24的每个电极26、28的极性可以被翻转，使得电池24的电极28保持与其所连接的电源12的电极16相反的极性。

电池24的电极28具有与电源12的电极16相反的极性，该电池24的使用可产生低转矩纹波和软斩波，这提高了效率，如图2的图表所示。

电池24可以被配置为使得电池24两端的电压等于或小于电源12两端的电压。保持电池24的电压等于或小于电源12的电压可提供驱动电路10和电机的改进的效率和操作。可以以一定方式构造电池24，使得电池24的电压保持等于或小于电源12的电压。在电源12是电池的实施例中，可以配置电源12和电池24二者，使得电池24两端的电压小于或等于电源12两端的电压。在一个实施例中，电池24的电压可小于电源12两端的电压。

驱动电路10可用在多相配置的电机中，其中可以依次激活多个线圈以产生所需的电机输出。在图1，可以使用三相激活，且线圈14a、14b、14c依次工作以实现所需的电机输出。相线圈14b可以以与相线圈14a及其相应的开关20a和二极管22a类似的方式耦接到开关20b和二极管22b。相线圈14c可以以与相线圈14a及其相应的开关20a和二极管22a类似的方式耦接到开关20c和二极管22c。

每个相线圈14b、14c可耦接到电池24，以与关于线圈14a所讨论的类似方式对电池24充电。电池24的充电可以以开关20a、20b、20c的顺序操作的顺序发生。每个相线圈14b、14c可耦接到电池30，以与关于线圈14a所讨论的类似方式对电池30充电。电池30的充电可以以开关20a、20b、20c的顺序操作的顺序发生。虽然图1显示为三相配置，在其他实施例中，可以使用更多或更少数量的相。

驱动电路10可以用在开关磁阻电机或可变开关磁阻电机中。线圈14a、14b、14c的激活可以引起转子对相应线圈14a、14b、14c的磁吸引。线圈14a、14b、14c依次的激活可以依次创建转子的磁吸引，使得转子以期望的方式旋转。控制器36可用于按需要依次断开和闭合每个开关20a、20b、20c，以产生所需的转子旋转。控制器36可用于通过对开关20a、20b、20c的操作来控制前进、反向、运行时间和速度控制。控制器36可用于双向的，并且可包括变速控制。控制器36可用于提供柔性速度控制，该柔性速度控制可用于基于不同类型的操作和电机应用来优化操作速度。控制器36可被配置成可编程的，以提供控制器36和对应电机的所需操作。

驱动电路10可用在12/8配置的电机中，意思是使用十二(12)个定子磁极和八(8)个转子磁极。定子可具有圆柱形外周。电机可以是开关磁阻电机或可变开关磁阻电机。在其他实施例中，可以使用其他配置。

图2示出了图1中所示的驱动电路10的操作和输出的测试结果的时间图。图2示出了12/8配置的开关磁阻电机中的驱动电路10的潜在输出和操作，该12/8配置的开关磁阻电机具有圆柱形外周的定子。图2中所示的操作和输出可根据驱动电路10和电机的不同配置和操作而变化。

对于图2中所示的每个图表，横轴示出以毫秒为单位的时间。

最上面的图表示出了通过相应的线圈14a、14b、14c的相电流。最上面的图表的垂直轴示出以安培为单位的相电流。通过每个线圈14a、14b、14c的电流采用相应的线来标记，A相电流以实线示出，B相电流以虚线示出，并且C相电流以点划线示出。例如，C相示出为在激活期间从大约零安培增加到100与140安培之间的范围，然后示出为当相应的开关20c闭合时减小到大约零安培，以切断通过相应线圈14c的电流。C相示出为增加到软斩波周期31a，直到换向结束33a。在相应的软斩波以及B相和A相的换向周期结束之后，发生C相的软斩波31b的另一个周期。发生C相的软斩波周期31b，直到换向结束33b。

中间的图表示出了提供给电池24的电流。中间图表的垂直轴以安培为单位显示电池24的电流。在相应的开关20a、20b、20c闭合的每个示例中，电池电流显示为尖峰35a、35b、35c，以切断通过相应线圈14a、14b、14c的电流。在图2的中间图标中所示的尖峰35a、35b，35c的每个示例中，各线圈14a、14b、14c的磁场能量相应地提供给电池24。

最下面的图表示出了由驱动电路10的转子提供的转矩。最下面的图表的垂直轴示出以牛顿-米为单位的输出转矩。转矩在约1牛顿-米和2牛顿-米之间变化。转矩尖峰37a、37b、37c出现在相应开关20a、20b、20c闭合的每个示例中，以切断通过相应线圈14a、14b、14c的电流。

驱动电路10可导致功率输入到功率输出的电机效率达到96％或更高。在驱动电路10被用于12/8配置的电机的实施例中，其中具有圆柱形外周的定子并且具有大约66毫米(mm)长的转子和定子，大约97.1％的效率可产生在3000转/分钟(RPM)下的4500瓦的输出。在驱动电路10被用于12/8配置的电机的实施例中，其中具有圆柱形外周的定子并且具有大约71毫米长的转子和定子，大约98％的效率可产生在3000转/分钟(RPM)下的1500瓦的输出。在各种功率输出水平(小于和大于4500瓦和1500瓦特)和电机配置中，也可以看到改进的效率。

图3A示出了根据本公开的实施例的电机壳体41的侧视图。电机壳体41可容纳定子和转子。定子和转子可以是12/8配置，定子可具有圆柱形外周。轴43可从壳体41伸出，以用于从转子递送旋转动力。

电机壳体41可与图1中所示的驱动电路10结合使用。电池24、30、电源12和控制器36，可定位在电机壳体41的外部。电连接器45可用于耦接到控制器36。可以利用位置传感器47来确定转子的位置并将这种信息提供给控制器36。位置传感器47可包括旋转变压器、霍尔效应传感器，或其他形式的位置传感器。在其他实施例中，可以不使用位置传感器47。在一个实施例中，电池24、30、电源12和控制器36可以定位在壳体41的内部。在一个实施例中，控制器36可以远程或现场控制电机。

电机壳体41的尺寸可以如下。定子和转子的长度可以大约为60毫米。在一个实施例中，定子和转子的长度可以是66毫米。包括端箍的电机壳体41的长度49可以是大约140毫米。在一个实施例中，长度49可以是138毫米。从电机壳体41向外延伸的轴43的长度51可以是大约50毫米。轴43的直径53可以是大约25毫米。定子的内转子腔的直径55(不包括定子磁极)可以是大约130毫米。

图3B示出了沿着中线截取的电机壳体41的一半的正视图。电机壳体41的外径(两倍参考标记57)可以是大约210毫米。电机壳体41的宽度(两倍参考标记59)可以是大约165毫米。在一个实施例中，电机壳体41的宽度可以是166毫米。用于连接电机壳体41的板的孔的直径61可以是大约11毫米。

图3C示出了沿图3B的中线截取的电机壳体41的一半的后视图。

电机壳体41及其组件的尺寸可根据需要改变。如图3A-3C所示的电机和电机壳体41可以与本申请中公开的任何驱动电路一起使用。

返回参考图1，在一个实施例中，包括电池24或电池30的电力储存装置可包括替代形式的电力储存装置，例如电容器，包括极化电容器。在其他实施例中，可以使用其他形式的电力储存装置。在一个实施例中，电源12可包括替代形式的电源，例如太阳能电池板，或其他形式的电源。

在图1所示的实施例中，电池24的电力返回到***中以用于操作电机。在其他实施例中，电池24或电池30的电力可以取出到外部电源以为外部装置供电。电池24或电池30中的任一个可配置有端子，诸如跳线或其他形式的端子，允许从***中删除，或与单独的装置的链接。在一个实施例中，其中驱动电路10与图3A-3C的电机壳体41一起使用。电池24、30可定位在电机壳体41的外部，并且配置有用于连接外部装置并向外部装置供电的端子。

驱动电路10可以与转子和定子结合使用以产生期望的电机。本公开的范围不限于本文公开的装置和***，但另外还包括提供这些装置和***的方法，以及操作这些装置和***的方法。例如，方法可以包括操作或提供具有驱动电路10的电机。可以操作电机使得电池24的电压小于或等于，或者仅小于电源12的电压。可以操作电机使得电池24的电压保持小于或等于，或者仅小于电源12的电压。可以操作电机使得电池24的电压可变，但仍然小于或等于，或仅小于电源12的电压。该方法可包括操作电机，使得电池24、30中的一个或两个的能量，返回到电源12或返回到线圈14a、14b、14c。

本文讨论的驱动电路、转子和定子不仅可以用在开关磁阻电机或可变开关磁阻电机中，也可用于在其他电机类型中的交流感应电机配置，或者永磁电机配置。

图4示出了定子38的实施例，其可以与本申请中公开的驱动电路一起使用。定子38具有方形外周。方形外周不同于关于图3A-3C所讨论的定子的圆柱形的外周。定子38可包括关于内转子腔65对称地定位的六个定子极40a、40b、40c、40d、40e、40f。定子磁极40a-40f朝向内转子腔65的中心向内突出，每个都具有基本上矩形的形状，且具有面向内转子腔的弯曲表面。一系列孔42a、42b、42c、42d、42e、42f、42g、42h可以定位在内转子腔65和定子38的外周之间的定子周围。孔42a-42h可用于将定子板彼此连接以形成定子38。附加孔44a、44b可用于将定子板彼此连接以形成定子38。

定子38的方形形状可有利地改进将由缠绕在定子磁极40a-40f上的线圈提供的磁场施加到转子。改进的磁通线可以由内转子腔65和方形外周之间的增强的表面积产生。方形外周边也可防止定子板移位，这可降低可能由于线圈的磁场与定子板的连接螺栓的反应引起的噪声。方形外周还可通过减少对电机壳体的需要来降低制造成本和部件数量。转子(图6中所示)磁极间距还可在相位感应轮廓中提供大的最大感应区域，以提供额外的时间来去除电流。

定子38的尺寸可以如下。定子38的宽度46可以是大约10英寸。定子38的高度也可以是大约10英寸。相对的定子磁极之间的直径48或内转子腔65的内径可能大约4.3英寸。在一个实施例中，直径48可以是4.317英寸。内转子腔65的外径50(不包括定子磁极)可以是大约7.2英寸。在一个实施例中，外径50可以是7.250英寸。定子磁极的宽度52可以的大约为1.2英寸。在一个实施例中，宽度52可以是大约1.1760英寸。孔42a-42h的直径54可以是大约0.63英寸。在一个实施例中，直径54可以是大约0.6250英寸。角孔42a、42c、42e、42g的与定子38的外周边的中心偏移56可以是大约0.88英寸。在一个实施例中，偏移56可以是大约0.8750英寸。附加孔44a、44b的直径58可以是大约0.25英寸。

在其他实施例中，定子38的配置或尺寸可根据需要改变。

图5示出了缠绕在定子38的定子磁极上的相线圈60a、60b、60c的实施例。相线圈60a可以缠绕在定子极40a周围。相线圈60a的布线可以连接到相对的定子极40d上的相对线圈。相线圈60b可以缠绕在定子极40b周围。相线圈60b的布线可以连接到相对的定子极40e上的相对线圈。相线圈60c可以缠绕在定子极40c周围。相线圈60c的布线可以连接到相对的定子极40f上的相对线圈。可以对相线圈60a，60b，60c布线，使得每个都按顺序激活，以对于位于内转子腔内的转子形成旋转磁吸引。相线圈60a、60b、60c可在结构和操作上对应于参照图1讨论的相线圈14a、14b、14c。

图6示出了转子62的实施例，转子62可以与本申请中公开的驱动电路一起使用。转子62包括从转子62的中心孔66向外对称地延伸的四个转子极64a、64b、64c、64d。转子62包括八边形中心部分68，且具有从中心部分68向外延伸的t形结构，以形成转子磁极64a-64d。转子磁极64a-64d的外周可具有弯曲形状，该弯曲形状可与定子磁极40a-40f的弯曲形状相匹配。T形结构可包括从定子磁极从中心部分68延伸的方向沿基本垂直的方向延伸的突片。突片可以有利地提供额外的时间来消除电流，并且可以提供与定子磁极40a-40f的大的重叠区域。

转子62的尺寸可以如下。转子66的中心孔的直径70可以是大约1.38英寸。在一个实施例中，直径70可以是1.3750英寸。转子磁极64a-64d外周的直径72(从磁极64a的外表面到磁极64c的外表面，并且磁极64b的外表面到磁极64d的外表面也可以是大约4.3英寸。在一个实施例中，直径72可以是4.3280英寸。

转子磁极64a-64d的宽度74可以是大约为1.67英寸。在一个实施例中，宽度74可以是1.6680英寸。相应转子磁极64a-64d的每个头部的高度76可以是大约为0.49英寸。在一个实施例中，每个头部的高度76可以是0.4908英寸。相应的转子极64a-64d的每个头部与中心部分68的偏移高度78可以是0.31英寸。在一个实施例中，偏移高度78可以是0.3120英寸。

在其他实施例中，转子62的配置或尺寸可以根据需要改变。

在一个实施例中，定子38和相应的转子62的尺寸可以如下。定子38的宽度46可以是大约4英寸。定子38的内径48可以约为1.73英寸。在一个实施例中，内径48可以是1.7268英寸。定子38的外径50可以是大约2.9英寸。转子磁极64a-64d的宽度74可以是大约0.67英寸。在一个实施例中，宽度74可以是0.6672英寸。相应转子极64a-64d的每个磁头的偏移高度78可以是大约0.12英寸。在一个实施例中，相应转子极64a-64d的每个头的偏移高度78可以是大约0.1248英寸。相应转子极64a-64d的每个磁头的偏移高度78可以是大约0.12英寸。转子66的中心孔的直径70可以是大约0.55英寸。转子磁极64a-64d的外周边的直径72可以是大约1.73英寸。在一个实施例中，转子磁极64a-64d的外周边的直径72可以是1.7312英寸。

图7示出了与图6的转子62配合的图4和图5的定子38。如图5所示的相线圈布线没有在图7中示出。转子62定位在定子38的内部转子腔内。转子磁极64a-64d相对于定子极40a-40f定向，使得至少一个转子极偏移定子磁极。在转子62和定子38被用于开关磁阻电机或可变磁阻电机的实施例中，转子磁极与定子磁极中的一个的偏移减小了“锁定”的可能性，“其中转子磁极64a-64d不再按顺序被拖到下一个相应的定子磁极40a-40f。

如图7所示，定子38和转子62及其组合可以与驱动电路10一起使用。基于定子38和转子62的结构，可以产生所得电机的提高的效率。图3A-3C中所示的电机壳体41包可被修改为适应定子38的外周边的结构。如图7所示，定子38和转子62及其组合可以与本申请中公开的任何驱动电路一起使用。

在一个实施例中，相应定子38和转子62的定子和转子磁极的数量可以根据需要增加或减少。在一个实施例中，定子38和转子62可以以12/8配置来使用，有十二个定子磁极和八个转子磁极。这些实施例可以与本申请中公开的任何驱动电路一起使用。

图8示出了根据本公开的实施例的驱动电路80的实施例。驱动电路80可用于操作电机。电机可用于产生机械输出。

驱动电路80可以与图1中所示的驱动电路10类似地配置。然而，驱动电路80仅包括图1中所示的电池24的等同物，并且不包括图1中所示的电池30的等同物。如关于图1所讨论的，在某些实施例中可以使用或不使用等效电池30的存在。

驱动电路80包括具有与关于图1中的电源12所描述的类似的结构和操作的电源82。电源82用于向相线圈84a供电。尽管仅示出为单相线圈84a，但是附加的相线圈可以连接到电源82，在类似的方式下，附加的相线圈14b和14c连接到图1中的电源12。

相线圈84a可具有与关于图1中的相线圈14a所描述的类似的结构和操作。相线圈84a可耦接到电源82的正极，使得相线圈84a从电源82接收电能以形成磁场。相线圈84a可配置成使电流在其中穿过，以形成磁场，这可用于向转子传递运动。

开关86a可具有与关于图1中的开关20a所描述的类似的结构和操作。开关86a可将相线圈84a的开关侧或同名侧耦接到电源82的负极，使得当开关86a闭合时，穿过相线圈84a和开关86a的电流到达电源82的负极。

二极管88a可具有与关于图1中的二极管22a所描述的类似的结构和操作。二极管88a可相对于相线圈84a正向偏置。

电力储存装置可经由二极管88a耦接到相位线圈84a的开关侧或同名侧。电力储存装置可配置为电池90，并且可具有与关于图1所讨论的电力储存装置类似的结构和操作。电池90可包括两个电极。如图8所示，电池90具有相反极性的电极，包括正极92和负极94。正极92可耦接到相线圈84a，并且负极94可耦接到电源82的正极。

尽管仅示出了开关86a和二极管88a，在图8中，与图1的开关20b、20c与二极管22b、22c类似的附加的开关和二极管可耦接到附加的相线圈和电池90，并以与图1的开关20b、20c与二极管22b、22c类似的方式来使用。

包括两个电阻器98、100的换向器96和分压器可用于控制开关86a的断开和闭合。换向器96和分压器可用作控制器的部分，类似于关于图1讨论的控制器36的操作。以与在图1中的控制器36操作开关20b、20c类似的方式，换向器96和分压器也可用于控制图8的附加开关。

主电源开关102可耦接到电源82，并且可用于打开或关闭相线圈84a的电源，或者如果存在的话，电路的附加相线圈。

在操作中，当开关86a闭合时，电流通过相线圈84a流到电源82的负极。流过相线圈84a的电流形成磁场，该磁场用于向转子传递运动。能量储存在磁场中。当开关86a断开时，电流不再流过开关86a。磁场的能量通过二极管88a传送到电池90。电池90两端的所得电压对电池90充电。磁场的能量被传送到电池90并且储存在电池90中。

当开关86a再次闭合时，电流再次从中流过。然后当开关86a断开时，再次对电池90充电。储存在电池90中的能量可输回到线圈84a的操作中，或者可返回到电源82。磁场的能量可相应地返回到***。

电池90的电极94具有与其所连接的电源82的电极相反的极性。与图2中所示的结果类似，电池90的电极94具有与电源82的电极相反的极性，具有该电极94的电池90的使用可产生低转矩纹波和软斩波。

电池90可被配置为使得电池90两端的电压等于或小于电源82两端的电压。保持电池90的电压等于或小于电源82的电压可提供驱动电路80和电机的改进的效率和操作。可以以一定方式构造电池90，使得电池90的电压保持等于或小于电源82的电压。在电源82是电池的实施例中，可配置电源82和电池90二者，使得电池90两端的电压小于或等于电源82两端的电压。在一个实施例中，电池90的电压可小于电源82两端的电压。

如关于图1的驱动电路10所讨论的，可以以多相配置来使用附加相线圈、开关和二极管。可以以与关于驱动电路10及其组件所讨论的类似方式来修改驱动电路80及其组件。

图9示出了图8所示的驱动电路80的变型，其中驱动电路104包括附加的相线圈106a。附加的相线圈106a使其开关侧或同名侧经由二极管88a耦接到电池90。附加相线圈106a的非开关侧或异名侧经由二极管108a耦接到电源82。二极管108a相对于相线圈106a正向偏置。二极管108a可阻止来自电源82的电流穿过相线圈106a。

相线圈106a可被配置为无源，使得相线圈84a产生的磁场在相线圈106a中感应出电流。相线圈106a可用于回收由相线圈84a产生的磁场的能量。在相线圈106a中感应的电流可经由二极管88a传送到电池90。这样，可以造成磁场能量的改进的回收。相线圈106a可以被认为是次级线圈，相位线圈84a可被认为是初级线圈。

相线圈106a可以绕在定子磁极上，且相线圈84a呈双线布置。在其他实施例中，定子磁极上的附加绕组(附加的次级线圈)可用于回收相线圈84a的磁场能量。在使用多个供电的初级相线圈的实施例中(在多相实施例中)，相应的附加次级相线圈(类似于相线圈106a)可用于回收每个相应的主相线圈的磁场能量。

驱动电路104及其组件可以以与关于驱动电路10及其组件所讨论的类似方式进行修改。

图10示出了根据本公开的实施例的驱动电路110的实施例。驱动电路110可用于操作电机。电机可用于产生机械输出。

驱动电路110可以与图1中所示的驱动电路10类似地配置。然而，驱动电路110包括不与电池114耦接的具有同名侧或开关侧的相线圈112a。相反，使用附加的相线圈116a(或次级相线圈)，使得相线圈112a产生的磁场在相线圈116a中感应出电流。相线圈116a可相应地用于回收由相线圈112a产生的磁场的能量。在相线圈116a中感应的电流可以经由二极管121a传送到电池114。这样，可造成磁场能量的改进的回收。在相线圈116a中感应的电流也可经由二极管121a传送到电池118。

驱动电路110包括具有与关于图1中的电源12所描述的类似的结构和操作的电源120。电源120用于向相线圈112a供电。尽管仅示出为单相线圈112a，但是附加的相线圈可以连接到电源120，在类似的方式下，附加的相线圈14b和14c连接到图1中的电源12。

相线圈112a可具有与关于图1中的相线圈14a所描述的类似的结构和操作。相线圈112a可耦接到电源120的正极，使得相线圈1124a从电源120接收电能以形成磁场。相线圈112a可配置成使电流在其中穿过，以形成磁场，这可用于向转子传递运动。

开关122a可具有与关于图1中的开关20a所描述的类似的结构和操作。开关122a可将相线圈112a的开关侧或同名侧耦接到电源120的负极，使得当开关122a闭合时，电流穿过相线圈112a和开关122a到达电源的负极。

二极管121a可具有与关于图1中的二极管22a所描述的类似的结构和操作。二极管121a可相对于相线圈116a正向偏置。二极管123a可耦接在电源120和相线圈116a的异名侧之间。二极管123a可以阻止来自电源120的电流穿过相线圈116a。

电力储存装置可经由二极管121a耦接到相线圈116a的同名侧。电力储存装置可用于电池114，并且可具有与关于图1所讨论的电力储存装置类似的结构和操作。电池114可包括两个电极。如图10所示，电池114具有相反极性的电极，包括正极125和负极127。正极125可耦接到相线圈116a，并且负极127可耦接到电源120的正极。

另一个电力储存装置可经由二极管121a耦接到相线圈116a的开关侧或同名侧。电力储存装置可用于电池118，并且可具有与关于图1所讨论的电力储存装置类似的结构和操作。电池118可包括两个电极。如图10所示，电池118具有相反极性的电极，包括正极126和负极128。正极126可耦接到相线圈116a，并且负极128可耦接到电源120的负极。

尽管在图10中仅示出线圈112a、116a、开关122a以及二极管121a和123a，与图1的线圈14b、14c、开关20b、20c和二极管22b、22c类似的附加线圈、开关和二极管可以以类似的方式使用。附加的次级线圈116a和二极管123a可用于回收相应初级线圈的磁能量。以与关于图1的控制器36所描述的类似方式，控制器可操作开关122a或多个开关。

在操作中，当开关122a闭合时，电流通过相线圈112a流到电源120的负极。二极管123a阻止电流流过相线圈116a。流过相线圈112a的电流形成磁场，该磁场用于向转子传递运动。能量储存在磁场中。当开关122a断开时，电流不再流过开关122a。磁场在次级相线圈116a中感应出电流，该电流通过二极管121a传送以作为能量储存在电池114、118中。电池114两端的所得电压对电池114充电。磁场的能量被传送到电池114并储存在电池114中电池118上的所得电压对电池118充电。磁场的能量被传送到电池118并储存在电池118中。

当开关122a再次闭合时，电流再次从中流过。然后当开关122a闭合时，电池114再次充电。电池118也可以充电。储存在电池114中的能量可以输回到线圈112a的操作中，或者可以输入到电源120中。磁场的能量可相应地返回到***。

电池114的电极127具有与其所连接的电源120的电极相反的极性。与图2中所示的结果类似，电池114的电极127具有与电源120的电极相反的极性，具有该电极127的电池114的使用可产生低转矩纹波和软斩波。

电池114可被配置为使得电池114两端的电压等于或小于电源120两端的电压。保持电池114的电压等于或小于电源120的电压可提供驱动电路110和电机的改进的效率和操作。可以以一定方式构造电池114，使得电池114的电压保持等于或小于电源120的电压。在电源120是电池的实施例中，可配置电源120和电池114二者，使得电池114两端的电压小于或等于电源120两端的电压。在一个实施例中，电池114的电压可小于电源120两端的电压。

如关于图1的驱动电路10所讨论的，可以以多相配置来使用附加的初级相线圈、次级相线圈、开关和二极管。可以以与关于驱动电路10及其组件所讨论的类似方式来修改驱动电路110及其组件。

图11示出了缠绕定子130的定子磁极132a、132b、132c、132d、132e、132f的相线圈84a、84b、84c、106a、106b、106c的实施例。相线圈84a、106a是关于图9所示的主相线圈84a和次相线圈106a示出和描述的那些。相线圈84a，106a可以以双线布置缠绕在定子磁极132a周围。相线圈84a、106a的布线可连接到相对的定子磁极132d上的相对的双线圈。

定子130可以用于多相或者三相绕组，使得使用三对导线(84a和106a；84b和106b；以及84c和106c)。每对可缠绕相应的定子磁极(磁极132a上的84a和106a；磁极132b上的84b和106b；以及磁极132c上的84c和106c)。相线圈的布线可以连接到相对的定子磁极上的相对的双线圈(132d、132e和132f)。每对可包括初级线圈(84a、84b、84c)和次级线圈(106a、106b、106c)，且每个初级线圈的结构和操作类似于关于图9所讨论的初级线圈84a，并且每个次级线圈的结构和操作类似于关于图9所讨论的次级线圈106a。可对相线圈84a、84b、84c布线，使得每个都按顺序激活，以对于位于内转子腔内的转子形成旋转磁吸引。可以对次级相线圈106a、106b、106c布线以回收各个主相线圈84a、84b、84c的磁场的能量。

可以以与关于图11的线圈84a、106a所讨论的类似方式对图10的相线圈112a、116a布线。如关于图11所讨论的，可以提供附加线圈以提供多相或三相绕组。

在其他实施例中，绕组的数量可以比双线绕组增加更多，并且可以包括三股、四股或更多数量的绕组。

以关于图9-11公开的方式，本申请中公开的任何驱动电路可以被修改为包括附加绕组(双线或更大)或次级线圈。在一个实施例中，在图11中示出的相应定子和转子的定子和转子磁极的数量可以根据需要增加或减少。在一个实施例中，定子和转子可以以12/8配置来使用，且有十二个定子磁极和八个转子磁极。这些实施例可以与本申请中公开的任何驱动电路一起使用。

图12示出了根据本公开的实施例的驱动电路134的实施例。驱动电路134可用于操作电机。电机可用于产生机械输出。

驱动电路134可包括用于向一个或多个相线圈(存在于电机控制138内)供电的电源136。电源136可以包括电池(图12中示出了多个电池)、DC链路或其他形式的电源。在图1所示的实施例中，电源136产生到一个或多个相线圈(在电机控制138内)的DC输入。在其他实施例中，AC输入可以由电源136提供。

电源136包括两个电机。如图12所示，电源136具有相反极性的电极，包括正极140和负极142。

正极140可耦接到一个或多个相线圈(在电机控制138内)。一个或多个相线圈中的每个可以以与关于本申请中讨论的任何相线圈所讨论的类似方式耦接到正极140。负极142可以以与关于本申请中讨论的任何相线圈所讨论的类似方式耦接到一个或多个相线圈中的每个。

电机控制器138可包括可以以本申请中讨论的方式配置的转子、定子、相线圈、开关、二极管和控制器。电机控制138可用于提供电能输出144、146。在本申请中讨论的方式下，电能输出144、146可从线圈中的一个的磁场能量中取出。由于由相应线圈的磁场提供的能量的振荡，输出144、146可包括AC电流。

输出144、146可穿过整流器148。整流器148可用于对AC电流进行整流，以提供适合于对电力储存装置150、152、54充电的能量形式。每个电力储存装置150、152、154可包括电容器。在其他实施例中，电力储存装置150、152、154中的每个可包括电池，或其他形式的电力储存装置。可以使用各种类型的电力储存装置的组合。

如图12所示，整流器148可包括全波整流器，或者在其他实施例中，可以包括另一种形式的整流器。

电力储存装置150、152、154可储存穿过整流器148的能量。电力储存装置150、152、154可接收由线圈的磁场产生的能量。电力储存装置150、152、154可从整流器接收整流的电流，并储存由整流的电流产生的能量。电力储存装置150、152、154可将能量传回电源136或返回线圈(在电机控制138中)。在其他实施例中，本文公开的包括图1的驱动电路10的其他驱动电路可被修改为包括例如全波整流器的整流器，以用于对由相线圈的磁场产生的电流进行整流。

可配置电力储存装置150、152、154，使得电力储存装置150两端的电压150、152、154等于或小于电源136两端的电压。保持电力储存装置150、152、154的电压等于或小于电源136的电压可提供驱动电路134和电机的改进的效率和操作。可以以一定方式构造电力储存装置150、152、154，使得电力储存装置150、152、154的电压保持等于或小于电源136的电压。在一个实施例中，电力储存装置150、152、154的电压可小于电源136两端的电压。

图13示出了图12中所示的实施例的变型。在图13所示的实施例中，电源136的正极140耦接到电机控制138的正极输入。电源136的负极142耦接到电动机控制138的负极输入。在由整流器159整流之前，电机控制器的输出144、146穿过变压器158。以这种方式，在由整流器159整流之前，由输出144、146提供的AC电流可以由变压器158改变。类似于关于图12讨论的实施例，整流器159可用于对AC电流进行，以提供适合于对电力储存装置150、152、154充电的能量形式。在图13中，整流器159以二极管示出，在其他实施例中可包括另一种形式的整流器，例如图12所示的全波整流器。在其他实施例中，本文公开的包括图1的驱动电路10的其他驱动电路可被修改为包括用于改变由相线圈的磁场产生的电流的变压器。变压器可向整流器提供变化的电流。

这里公开的驱动电路可以与转子和定子结合使用以产生所需的电机。本公开的范围不限于本文公开的装置和***，但另外还包括提供这些装置和***的方法，以及操作这些装置和***的方法。例如，一种方法可包括操作或提供具有任何驱动电路的电机。可操作电机，使得回收电力储存装置的电压小于或等于或仅小于电源的电压。该方法可包括操作电机，使得电力储存装置(可包括一个或多个电池)的能量返回到电源或返回到线圈中。

本文讨论的驱动电路、转子和定子不仅可用于开关磁阻电机或可变开关磁阻电机，也可用于其他电机类型中的交流感应电机配置或永磁电机配置。

本发明所公开的驱动电路、电机、转子和定子可有效地采用例如太阳能板作为源的电源来离网使用。

任何驱动电路、电机、转子和定子均可用于各种领域，例如除别的以外的工业控制、汽车、消费、办公室、电动自行车、人力车和水泵等。

工业控制领域可包括除别的以外的电源逆变器、数控机床、UPS(不间断电源)、电机控制、运动控制器、机器人和自动化***、电梯、振动给料和切割主轴。

汽车领域可包括除别的以外的线控制动/ABS、主动悬架、座椅和镜控制，以及电子助力转向。

消费领域可包括除别的以外的洗衣机、洗碗机、空调、冰箱和冷冻压缩机、压缩机等。

办公室领域可包括除别的以外的磁带驱动器、打印机、复印机、磁光驱动器等。

抽水场可包括除别的以外的水池、温泉、以及农场(泵送作物)。

本文公开的驱动电路、电机、转子以及和定子和其他部件的特征可被替换、组合或排除以产生期望的结果。

最后，应当理解，尽管通过参考特定实施例突出了本说明书的各个方面，本领域技术人员将容易理解，这些公开的实施例仅说明本文公开的主题的原理。因此，应该理解，所公开的主题绝不限于在本文中描述的特定的方法论、协议和/或试剂等。因此，在不背离本说明书的精神的情况下，可以根据本文的教导对所公开的主题进行各种修改或改变或替换配置。最后，本文使用的术语仅用于描述特定的实施例，并不是为了限制本文所公开的***、设备和方法的范围，该范围仅由权利要求来限定。因此，***、设备和方法不精确地限于如所示和描述的那样。

本文描述了***、设备和方法的某些实施例，包括发明人已知的用于执行这些实施例的最佳模式。当然，对于本领域普通技术人员而言，在阅读上述描述之后，这些描述的实施例的变化将变得明显。发明人期望熟练的工匠适当地采用这种变化，并且发明人希望这些***、设备和方法除了在此详细地描述以外，还要付诸实践。因此，***、设备和方法包括被适当的法律允许的所附权利要求书中所列举的主题的所有修改和等同物。此外，在所有可能的变化中，除非本文另有说明或明显与上下文矛盾，上述实施例的任何组合都包含在***、设备和方法中。

***、设备和方法的替代实施例、元素或步骤的分组不应被解释为限制。每个组的成员可单独或与本文公开的其他组的构件任意组合进行引用和要求。本文预期，组中的一个或多个构件可由于方便和/或专利性原因而被包括或被删除。当出现任何这样的包括或删除时，说明书被视为包含修改后的组，从而满足所附权利要求中使用的所有马库西(Markush)组的书面描述。

除非另有说明，在本说明书和权利要求中使用的表示特征、项目、数量、参数、属性、术语等数字应理解为在所有情况下均由术语“大约”而修改。如本文所使用的，术语“大约”是指获准的特征、项目、数量、参数、属性或术语包括可以改变的近似值。“近似(近似地)”和“实质(实质地)”的术语表示可从所述量变化的量，然而，能够执行本文所讨论的期望操作或过程。

除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，在描述***、设备和方法的上下文(特别是在以下权利要求的上下文)中使用的术语“一”、“一个”、“这个”和类似的指涉物应被解释为既包括单数又包括复数。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，在本文中描述的所有方法可以以任何适当的次序来执行。在本文中提供的任何和所有的例子或示例性语言(例如)的使用仅仅旨在更好地阐明***、设备和方法，并且不对***、设备、方法的范围构成限制，除非另有声明。本说明书中的任何语言都不应被解释为指示对***、设备和方法的实践至关重要的任何非声明的元素。

本说明书中引用和识别的所有专利、专利出版物和其他出版物全部单独和明确地通过引用并入本文，目的是为了描述和公开，例如，在这些出版物中描述的可以与***、设备和方法一起使用的组成和方法论。这些出版物仅在本申请的提交日期之前提供。在此方面，不应当被解释为承认发明人由于先前发明或任何其他原因无权提前进行这种公开。有关这些文件内容的日期或陈述的所有阐述都基于申请人可获得的信息，并不构成对这些文件日期或内容的正确性的任何承认。

Claims (18)

1.一种用于电机的驱动电路，包括：

电源，其具有第一电极和第二电极；

相线圈，其耦接到所述电源的所述第一电极，所述相线圈用于从所述电源接收电能，以形成用于向转子传递运动的磁场；

开关，其将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极；以及

电池，其具有第一电极和第二电极，所述电池的所述第一电极用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述电池的所述第二电极耦接到所述电源的所述第一电极并且具有与所述电源的所述第一电极的极性相反的极性，

其中，所述电池的电压等于或小于所述电源的电压。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述电池的所述第一电极耦接到所述相线圈。

3.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述开关用于当所述开关闭合时将电流从所述相线圈传到所述电源的所述第二电极。

4.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述电池用于将从所述相线圈的所述磁场接收的能量返回到所述电源。

5.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述电池用于当所述开关断开时接收所述相线圈的所述磁场的所述能量。

6.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述电池是第一电池，并且所述驱动电路进一步包括：

第二电池，其具有第一电极和第二电极，所述第二电池的所述第一电极耦接到所述相线圈并且用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述第二电池的所述第二电极耦接到所述电源的所述第二电极并且具有与所述电源的所述第二电极的极性相同的极性。

7.根据权利要求6所述的驱动电路，其中所述第二电池的所述第二电极具有负极性，并且所述电源的所述第二电极具有负极性。

8.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述相线圈是第一相线圈，并且所述驱动电路进一步包括：

第二相线圈，其耦接到所述电源的所述第一电极，并且所述第二相线圈被配置为由所述第一相线圈产生的所述磁场在所述第二相线圈中感应出电流，以及

所述电池的所述第一电极用于接收所述第二相线圈的电流。

9.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述相线圈耦接到所述电机的定子。

10.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述电池的所述第二电极具有负极性，并且所述电源的所述第一电极具有正极性。

11.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述相线圈是第一相线圈，所述开关是第一开关，并且所述驱动电路进一步包括：

第二相线圈，其耦接到所述电源的所述第一电极，所述第二相线圈用于从所述电源接收电能，以形成用于向转子传递运动的磁场；

第二开关，其将所述第二相线圈耦接到所述电源的所述第二电极；

第三相线圈，其耦接到所述电源的所述第一电极，所述第三相线圈用于从所述电源接收电能，以形成用于向转子传递运动的磁场；

第三开关，其将所述第三相线圈耦接到所述电源的所述第二电极；以及

其中，所述电池的第一电极用于接收所述第二相线圈的所述磁场能量和所述第三相线圈的所述磁场能量。

12.根据权利要求11所述的驱动电路，进一步包括控制器，所述控制器用于断开和闭合所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一个。

13.一种电机，包括：

转子；

电源，其具有第一电极和第二电极；

定子，其包括耦接到所述电源的所述第一电极的相线圈，所述相线圈用于从所述电源接收电能，以形成用于向所述转子传递运动的磁场；

开关，其将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极；以及

电池，其具有第一电极和第二电极，所述电池的所述第一电极用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述电池的所述第二电极耦接到所述电源的所述第一电极并且具有与所述电源的所述第一电极的极性相反的极性，

其中，所述电池的电压等于或小于所述电源的电压。

14.一种操作电机的方法，包括：

操作具有驱动电路的电机，所述驱动电路包括：

电源，其具有第一电极和第二电极；

相线圈，其耦接到所述电源的所述第一电极，所述相线圈用于从所述电源接收电能，以形成用于向转子传递运动的磁场；

开关，其将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极；以及

电池，其具有第一电极和第二电极，所述电池的所述第一电极用于接收所述相线圈的所述磁场的能量，所述电池的所述第二电极耦接到所述电源的所述第一电极并且具有与所述电源的所述第一电极的极性相反的极性，

其中，所述操作电机的方法还包括将所述电池的电压维持在小于所述电源的电压。

15.根据权利要求14所述的方法，其中操作所述电机的步骤包括将来自所述电池的能量返回到所述电源。

16.一种用于电机的驱动电路，包括：

电源，其具有第一电极和第二电极；

相线圈，其耦接到所述电源的所述第一电极，所述相线圈用于从所述电源接收电能，以形成用于向转子传递运动的磁场；

开关，其将所述相线圈耦接到所述电源的所述第二电极；

整流器，其耦接到所述相线圈并且用于对由所述相线圈的所述磁场产生的电流进行整流以产生经整流的电流；以及

电力储存装置，其用于从所述整流器接收所述经整流的电流，并且储存由所述经整流的电流产生的能量，

其中，所述电力储存装置两端的电压小于或等于所述电源两端的电压。

17.根据权利要求16所述的驱动电路，其中所述整流器是全波整流器。

18.根据权利要求16所述的驱动电路，进一步包括耦接在所述相线圈和所述整流器之间的变压器，所述变压器用于改变由所述相线圈的所述磁场产生的电流，以产生由所述整流器整流的电流。

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