CN100375375C - 两相式电子开关磁阻电动机或发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种两相式电子开关磁阻电机或发电机，其特征在于，此电机包括两个半个装置，而且此电机包括U形磁轭，设置在一定子上并彼此独立，磁轭支撑线圈并具有两个磁极，转子磁极均匀地在其整个周面上间隔开，其中转子磁极之间的距离相应于其在周向的宽度并且转子磁极在周向的宽度限定一角度w，由此U形磁轭与两相相连，两相带有一电的相补偿180°，而相由至少一个功率半导体供给电流，设置有一个二极管，而定子的电磁磁轭的数量至少为六个或更大的偶数N，提供了第一定子以及第二定子，第一半个装置的U形磁轭设置成在周向相对于第二半个装置的磁轭偏移。该电机电路简单，适用于在低转数下需要高功率-重量比的应用场合，以及用于传输或获得的扭矩较高的场合。
Description
发明的技术领域
本发明具体涉及根据一电子开关磁阻装置原理的一种电机，也公知为SR装置(称为旋转开关磁阻)，可用做直流电机且具有发电机的额外的功能。
发明的背景技术
此装置的电磁部分(定子)包括偶数电磁铁，它们彼此独立且以构造成连续控制的两相而进行开关。
这种类型的磁阻电机在国际申请PCT-R095/00012(WO96/09683)中公知。
此电机共具有四个电磁铁，在直径方向相对安装构成电机的X相和Y相。
此装置对一定转数相对于重量(W/kg)产生相当高的功率，而转数在某些应用场合中很高(例如高于10000转/分)。
从WO90/11641中我们了解到一种电子开关式磁阻电机，其中定子具有不规则间隔的磁极，这些磁极成对组合。但是，转子磁极彼此均匀间隔。定子设置成避免相临的定子磁极对之间出现磁阻路径，从而避免需要高的开关频率。
发明的内容
本发明的目的是表明一种简单、有效而轻便的磁阻装置的应用类型和情况，本发明提供了一种两相式电子开关磁阻电机或发电机，其特征在于，此电机包括两个半个装置，作为两相装置的各一半，彼此独立运转，此两个半个装置设置成在转动时带有补偿角度，而且此电机包括U形磁轭，设置在一定子上并彼此独立，磁轭支撑线圈并具有两个磁极，磁极通过一气隙与一可动的未缠绕转子一起工作，转子具有转子磁极，转子磁极均匀地在其整个周面上间隔开，并具有相应于U形磁轭磁极的表面，其中转子磁极之间的距离相应于其在周向的宽度并且转子磁极在周向的宽度限定一角度w，由此U形磁轭与两相相连，两相带有一电的相补偿180°，而相由至少一个功率半导体供给电流，设置二极管用于将两相中的一相的去磁能量传向两相中的另一相，而定子的电磁磁轭的数量至少为六个或更大的偶数N，提供了带有第一半个装置的U形磁轭的第一定子以及带有第二半个装置的U形磁轭的第二定子，而第一定子的U形磁轭分配给第一相而第二定子的U形磁轭分配给第二相，第一半个装置的U形磁轭设置成在周向相对于第二半个装置的磁轭偏移，该装置适用于在低转数下需要高功率-重量比的应用场合，以及用于传输或获得的扭矩(用于发电机)较高的场合。
由于其高性能和低重量，此装置特别适用于汽车工业。
它可用做内燃机的起动器/发动机，它还具有用做一辅助驱动装置的额外功能。在此情况下，转子连有内燃机的飞轮(或成为其一部分)，其中U形磁轭座落在离合器外壳上。
还可以用于机动车的冷却风扇的风扇电机或家庭中例如用于洗碗机。
这具有以下优点，即，即使对低转数，也会得到高扭矩而不会降低扭矩，这样本发明的磁阻装置特别适用于机动车内燃机的启动器。
附图说明
图1示出本发明的两相式电子开关磁阻电机或发电机的示意图，示出4个不同的实施例A-D，其具备相同的开关增量，但有不同的U形磁轭布置、还有一个磁环和霍尔传感器；
图2是与电机或发动机U形磁轭相关联的线圈的透视图；
图3是用于本发明的控制电路的电路示意图；
图4是用于本发明的支流控制电路的电路示意图。
本装置的电磁部分(定子)设计成至少具有6个磁轭11，磁轭11可能有不同的类型，这在此说明书中可见。
每一相磁轭11的数量和它们的尺寸来自于优化原则，而且经济性和技术性也考虑在内。
做为一条优化原则，使转接频率选择成将功率-重量比以及效率对相应的应用来说为最优。磁极的最优数量来自于频率和所需的转数。
电子开关SR装置的定子和转子12具有凸起的磁极。
根据公知的先有技术，转子磁极121的表面相对应于定子磁极表面111。
定子由单独的、隔磁的U形电磁铁1构成，电磁铁1至少支撑一个线圈。
这些电磁铁1最好由层叠的U形冲片加工而成。两个U形分支的开口约与一磁极转子齿121的宽度相同，两者的角度范围相当于U形分支的角度范围或相当于(一定子磁极)的分支的宽度。
此角度w(开关增量)也为此装置的预定的合理的速度决定电磁铁1的尺寸和数量或者开关频率。每个磁铁1和转子磁极121构成此两相装置的有效部件。
图1示出了在带有四个不同区域A、B、C、D的一个半圆上(以减少图的数量)本发明带有转子磁极121的磁轭11的不同的实施例，都具有相同的开关增量宽度w。
如果我们认为每一个这些替换的A-D平均位于圆的整个圆周上，即平均具有至少6个磁轭，则可以如下为一个装置获得4种选择：
A.一种带有外部磁轭11的装置，其中每个磁轭支撑两个线圈。(而且，在此圆弧中，示出了第一相X和第二相Y的定子和转子磁极的相对位置，以及相Y′的磁轭11Y′的位置，相Y′属于与第一装置相连并从第一装置中补偿W/2以使装置运转更均匀的第二装置。
每相串联至少一个可控半导体，最好是一个MOS-FET功率晶体管。
B.一种带有外以及内磁轭11和一槽形转子12的装置。
C.一种带有只支撑一个线圈的外磁轭11的装置。
D.一种带有内磁轭11的装置。
性能较好的磁轭(但更昂贵)设计成缠绕和截割的铁心例如用于变压器的带式缠绕截割各向异性铁心。在此情况下，建议不要如图1那样设置磁轭11，(从转动的意义上说是两个U形分支的连续序列)，而是扭转90°(同时在两个U形分支前通过也扭转90°的转子磁极)。
磁路的对称平面则不再是直径方向，而是轴向。由于U形电磁铁的相同标号的磁极可以在轴向放在同一侧上，因此在这里提供了一种同极装置，其转子可以由整块的铁制成。
因为一个两相的SR装置具有很高的扭矩波动，因此建议使用两个装置而不是一个，各具有一半所需的功率，带有约w/2的角度补偿。
但这两个装置可以具有共同的机械结构。因为电磁铁可以绕转子放置在任何位置，所以可以为两个半个装置都使用相同的转子12(结构相应较宽)。
这意味着整个电磁铁数量的一半分配给带有两相X和Y的第一个半个装置，而其余的磁铁属于带有相X′Y′的第二个半个装置。这样，现有的电磁铁的四分之一分别分配给每一相。
当重迭的转子(121)或定子磁极111选择成当X相的定子-转子磁极彼此相对应时(齿对齿的位置)，第二相的定子-转子磁极绕过角度w设置(齿对间隙的位置)，则装置正确工作。相磁铁相对于角度w(＝磁极宽度，＝间隙宽度)的位置如下：
相 角位置
X (0+2n)w
Y (1+2n)w
X′ (0.5+2n)w
Y′ (1.5+2n)w
其中n是一偶数
当满足这些条件时，电磁铁1可以以任何方式绕转子放置，而且形状为一个圆的扇形，从而可以最优地利用现有空间。
下面，我们将检查一个简单的装置，它带有两相X和Y和总数为n的磁轭11，其中使用一与第一装置相同、带有绕w/2倾斜设置的第二装置，用于平滑扭矩。
驱动磁铁回路还包括n/2个U形磁轭11X和n/2个磁轭11Y，其中这n个磁轭是相同的。
每个磁轭具有两个朝向转子的磁极111，磁极在当电流流过主线圈112或通过次级线圈113时获得北或南极。
从图1可见，当两个转子磁极121与磁轭11X的两个磁极111Y一致时，其余的磁极111Y与转子磁极121的磁极间隙122相对。
转子磁极121由一共同的转子磁轭123彼此相连，这样这些部件仅仅从转子12的层迭片模制而成，它包括具有圆形且带有凹槽的冲压的电磁铁片。这些片直接或通过另外的部件固定到电机轴52上。线圈(最好是预制的)压在U形磁轭上，其中每个磁轭具有至少一个主线圈112。这些线圈可以以常规方式设计带有涂瓷釉的电线，带有或不带缠绕体，例如带有涂黑瓷釉的电线。但是根据本发明，最好使用带式线圈，即由绝缘或非绝缘的铜(或铝)带制成。
对后一种情况，在主线圈带一侧上覆盖有比导电带略宽的绝缘箔115(例如聚脂)，以便在金属线圈带的螺旋缠绕的边之间不会发生短路。
一种特别适宜的方法是同时构造主线圈112以及带有一小截面113的次级线圈。
在此情况下，具有相同宽度但不同厚度(因此截面不同)的线圈带一个缠在另一个之上，这样它们由两个绝缘箔115、115′分开。
两个上述的线圈分别压在并固定在磁轭111的两个分支上，在此它们可以如所需打开。
如果我们单独考虑一个磁轭11和两个转子磁极121，以及连接这些磁极的磁轭123的部分，而且当这两个线圈112由电流经过，则会产生相应于图1中虚线的磁通。当转子磁极121不与外磁轭的磁极111Y相对时(见图1)且当磁轭11Y固定时，做为电流通过的结果磁极111Y将吸引转子磁极121，从而产生使转子12绕一角度w转动的转矩。
为了控制开关操作(转子位置确认)，例如使用两个分别控制两个“一半电机”的相X、Y和X′，Y′的霍尔传感器31、31′。
霍尔传感器由一磁环32打开，磁环32与转子12一同旋转并具有北极，其角位置和角宽度相应于转子磁极的宽度，或者具有南极，相应于转子磁极之间的间隙。
此传送磁极可以以标记的齿和间隙连到一机械装置上。如果在霍尔传感器(带有数字输出)之前磁铁盘32的磁极一个接一个移动，取决于转子位置一“低”或“高”的逻辑信号出现在其输出上。
而且，通过转换点的变化，做为发电机的磁阻装置可以产生功效。转换点得到补偿以使电机为一部分开关增量w得到电流(用于磁偏置)，这样产生一个充足的磁回路(安培转数)。
这样此装置经过调整使得其制动以使其吸收通过电流反向导致保持安培转数的机械能。位于MOS-FET晶体管中的反向二极管将向电流源提供额外的能量。
当磁轭11通过直流电预磁化时可以达到做为一交流发电机的操作，其中一交流电流从例如另一环绕的交流电流获取，此交流电流是当转子磁极经过预磁化的定子磁极时磁通变化而产生的。
线圈112和113的控制电路主要包括两个功率晶体管、最好是MOSFET场效应晶体管21X、21Y，此两个晶体管与主线圈112X或112Y以及电机外的电流源串联相连，见图3。
线圈112或113X(或Y)位于U形磁轭上，可以串联或并联，这取决于电机工作的电压大小而调整。
晶体管21X和21Y由带有互补输出的霍尔传感器通过一简单电路控制，这样如果在霍尔传感器的直接输出产生“高”时，晶体管21X导通，而当霍尔传感器的反相输出为“高”时则晶体管21Y导通。
缠绕的磁轭11X和11Y于是交替磁化，这样在磁极111出现一旋转场使转子运动。
图3示出一运转的电机的完整电路，其中线圈112或113旁边的点表示这些线圈的开端；112Y表示例如串联或并联位于n/2磁轭11X之上的n/2主线圈。
但是在有些情况下(可由一试验选定)，最好使通过线圈112Y、113Y的电流方向改变即同图3相比使Y线圈旁边的点(线圈的开端)可以相对设置。
这里只需要两个耦合的二极管22，二极管22将自感电压Ua导向次级线圈113的开端。
当开关27闭合时，霍尔传感器31的直接或互补输出供有电流并获得一正电位或如果磁铁盘32的北极或南极位于霍尔传感器31之前时它们接地。
霍尔传感器(例如Allegro公司、UGN375型)的互补输出连有晶体管21X、21Y的门电极，这样互补输出在“高”或“低”状态交替变化，结果它们以相同的节奏导通或关闭。
当断开一线圈而产生的有害的自感电压如果供入要连续连接的线圈中则可以转变为一种原动的有用的效应。
如图4中可见(电机不带有次级线圈113)，这可以借助于两个耦合二极管22实现，此两个二极管将当断开X线圈而产生的额外的正电压导向线圈112Y或相反。去耦的二极管23避免了将自感电压Ua导向电流源的正接头上。
但是，此电路具有这样一个缺点，即自感应电压Ua的电路的闭合由晶体管21或电压源完成。此缺点可以通过使用次级线圈113而避免，这些次级线圈113位于同一个磁轭上，见图3。
自感电压Ua由线圈112Y(发电机)产生并进入起接收器作用的磁轭11Y的次级线圈113Y中。
在线圈112Y的额外的自感电压Ua的协助下，在线圈113Y产生一有效电流，这样在磁轭111Y中产生一有用的磁通，其中线圈113Y缠绕在磁轭111Y上。
转子12由上述重复的电磁作用连续旋转。
实际中最优的转换点可由霍尔传感器31相对于磁轭11的设置而定。
电机的磁和电部件可以固定在一支架5中。
此支架可以以不同的方式设计；但它主要具有槽，在其中安装磁轭11和电机轴52的轴承54。
功率晶体管21、二极管22和23以及其它机械和电子元件(板、霍尔传感器等)可以以常规方式固定在做为一冷却器的支架上。
当转子磁极121大约与定子磁极111X一致时，如图1所示，它们相应的主线圈112X断开，这直接导致出现传至次级线圈113Y的高自感电压Ua，其中主线圈112Y由电流源供电。
分配给这些线圈的磁极111Y将快速磁化并能吸引刚离开断开的磁轭11X的磁极的转子磁极121。
磁极111X(磁轭11X)以这样一种方式固定，即当这些齿(121)经过磁极111Y最大程度地与之重迭时，磁极111X开始吸引转子的直齿121。
当磁极111Y的外边缘直接固定在磁极111Y的外边缘附近时(见图1，部分C)，可以实现这种情况。
磁轭11的安装很重要(因为在转子和缠绕的磁轭之间会出现小气隙)，因此必须仔细处理。
从这里可以看出，磁轭11在两侧上(与轴相距不同距离)具有凹槽或半圆形凸起116，可以(垂直于图的平面)安装到基板57上的对应物55上。
这些对应物表示上述凹槽116的互补形式并成为基板57的一部分。
这样这些磁轭径向明确地固定，可以确保与转子12距离相等(气隙恒定)，因为轴承54也座落在基板57之上。带有这些部件电机运转。
功能模式：
当电机连到一电压为Un的电源上时，由于霍尔传感器31输出的信号水平，一控制电压施加到晶体管21的门电极上，
主线圈112Y通有电流并从图1中所示开始位置通过转动w角至磁极111Y-121一致的一个位置吸引转子12。这样它从磁极相对相Y的相对位置至一相似的位置，但此次与相X相对。
在到达此位置之前，霍尔传感器31输出的逻辑水平发生变化，这样晶体管21X导通而21Y截止。
上述操作重复进行而转子相对缠绕的磁轭连续转动。
本发明的优点在于对一特定所需的转数可以取得很高的性能，而且此装置简单并带有可使用多次的零件进行工作，因此适合于自动组装。
Claims (12)
1.一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，此电动机或发电机由一个两相装置构成，所述两相装置具有两个半个装置，即第一半个装置和第二半个装置，两个半个装置彼此独立运转并设置成在转动时带有补偿角度，而且此两相装置包括U形磁轭(11)，布置在一定子上并彼此独立，这些磁轭支撑线圈并分别具有两个磁极(111)，两个磁极通过一气隙与一可动的未缠绕转子(12)一起工作，所述转子(12)具有转子磁极(121)，所述转子磁极(121)均匀地在其整个周面上间隔开，并且所述转子磁极具有相应于U形磁轭(11)磁极(111)的表面，其中所述转子磁极(121)之间的距离相应于其在周向上的宽度并且转子磁极(121)在周向上的宽度限定了一角度w，由此U形磁轭(11)与X和Y相相连，X和Y相具有一电的相位偏移180°，而X和Y相由至少一个功率半导体(21X，21Y)供给电流，设置二极管(22)用于将X和Y相中的一相的去磁能量传向其中的另一相，定子的电磁U形磁轭(11)的数量至少为六个或更大的偶数N，从而提供了第一半个装置的U形磁轭(11X，11Y)和第二半个装置的U形磁轭(11X′，11Y′)，而第一半个装置中的U形磁轭(11X，11Y)分配给第一半个装置中的X，Y相，而第二半个装置中的U形磁轭(11X′，11Y′)分配给第二半个装置中的X′，Y′相，第一半个装置的U形磁轭(11X，11Y)设置成在周向相对于第二半个装置的磁轭(11X’，11Y’)偏移。
2.如权利要求1所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，U形磁轭(11X，11Y，11X’，11Y’)设置成可以实现以下角度状况，X相的U形磁轭(11X)位于角位置(0+2n)w，Y相的U形磁轭(11Y)位于角位置(1+2n)w，X’相的U形磁轭位于角位置(0.5+2n)w，而Y’相的U形磁轭(11Y’)位于角位置(1.5+2n)w，其中w是磁极宽度，n是一个偶数。
3.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，U形磁轭(11)设置在转子(12)的两侧上。
4.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，U形磁轭不均匀地并且仅仅设置在转子周边的一部分上。
5.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，磁轭(11)安装成磁路的对称平面为轴向。
6.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，所述两个半个装置具有共同的转子。
7.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，所述两个半个装置具有共同的机械结构。
8.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，转换点变化会引起电动机和发电机之间功能的变化。
9.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，定子磁轭由直流电预磁。
10.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，第一和第二半个装置相应地具有第一和第二相线圈(112Y，113Y；112X，113X)，第一相线圈(112Y，113Y)中的电流导通方向与第二相线圈(112X，113X)中的电流导通方向相同或相反。
11.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，包括构造有齿和齿间距的电机转子位置传感磁极(32)。
12.如权利要求1或2所述的一种两相式电子开关磁阻电动机或发电机，其特征在于，电动机的磁轭数量选定成使重量系数和效率达到预定值。
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