CN101197553A - 开关型磁阻设备的控制 - Google Patents

Abstract

开关型磁阻设备的绕组，由可以提供双极激发的转换器提供。应用于绕组的激发图形取决于设备中定子和转子的数量并且被选择以在转子磁极中生成单极激发。这依次减少了转子中的损失，该损失在另外的情况下将由双极的激发引起。该设备也可提供适于在其运行速度范围内的不同部分提供最佳性能的激发图形。

Description

开关型磁阻设备的控制

技术领域

本发明涉及一种控制磁阻设备的方法。特别但不仅仅涉及使用减少转子铁耗的激发图形来控制开关型磁阻设备的运转。

背景技术

开关型磁阻系统的特征与运行为本领域技术人员所公知，并可描述为例如由Stephenson和Blake在1993年六月的第21至24期的纽伦堡(Nürnberg)PCIM’93发表的“The characteristics，design and application of switchedreluctance motors and drives”，结合于此作为参考。图1(a)为典型的开关磁阻驱动器的示意图，其中开关型磁阻设备12连接至负载19。直流(DC)电源11可以是整流过滤(rectified and filtered)交流(AC)电源或电池组或其它形式的电源存储设备。由电源11供应的DC电压通过电子控制单元14控制下的电力转换器13进行跨接设备12的相绕组16的开关。所述开关必须被正确地同步到转子的转动角以使驱动器正确运行，并且典型地使用转子位置检测器15来提供与转子角坐标一致的信号。转子位置检测器15可以采用多种形式，包括一种软件算法，并且转子位置检测器15的输出也可以用于产生速率反馈信号。位置检测器的存在和完全取决于转子的瞬时位置的激发(通常称做“励磁”)策略的使用导致这些设备具有“转子位置开关的”的一般性描述。该设备以双倍凸极为特征，也就是说，如上述Stephenson的论文所述，所述设备在定子和转子上均有磁性凸极。

许多不同的电源转换器拓扑结构已被熟知，其中的一些已在上述Stephenson的论文中进行讨论。其中一个最常见的结构是图2中所示的多相系统的单个相位，其中设备的相绕组16与跨接母线26和27的两个开关装置21和22串联。母线26和27一起被描述为转换器的“DC线路”。能量恢复二极管23和24与绕组连接以使当开关21和22开启时允许绕组电流回流到DC线路。低阻电阻28与较低的开关串联以作为电流感测电阻。被称为“DC线路电容器”的电容器25跨接DC线路以提供或汇集DC线路电流的所有交流分量(也就是所谓的“纹波电流”)，所述DC线路电流不能从电源中得到或返回到电源。实际上，电容器25可以包括数个串联和/或并联连接的电容器，在使用并联连接时，一些元件的分配可能遍及整个转换器。

图3显示的是当设备处于电机运行模式时图2所示电路的运行周期的典型波形。图3(a)显示的是当开关21和22关闭时，在导电角θ。的持续期间内应用在“开角”θ_on的电压，从而激发一个相位。绕组的磁通量是电压的时间积分，并且在理想的零绕组电阻情况下如图所示的向上线性地倾斜。如图3(b)所示，相绕组16的电流上升到顶点，然后微微下降。在导通周期的末端，达到“关角”θ_off，开关开启，电流流向二极管，产生跨接绕组的反向线路电压，并由此迫使通量和电流下降到零。在零点通量和零点电流，二极管停止传导，电路处于非活动状态直到导通周期开始。当开关开启时DC线路中的电流反向，如图3(c)所示，并且返回电流代表电能回到电源。电流波形形状的变化取决于设备的运行点和采用的开关策略。如众所周知的和已经描述的，例如，上述Stephenson论文中引用的，低速运行通常包括利用电流切断来包含电流峰值，而不同时地关闭开关提供通常被称为“自由(freewheeling)”的运行模式。

如本领域技术人员所公知，开关型磁阻设备可以在发电模式运转。图1(b)所示为典型的布置，其中图1(a)的负载19变为提供机械能量的原动力19’，而电源11变为电力负载11’，电力负载11’通过电力转换器13从电力设备12接受净能。通常地，相电流是电机模式相电流的镜象(时间上)。这样的系统在例如由Radun在1994年2月第13至17期的佛罗里达州奥兰多第九届IEEE输入功率电子技术会议记录发表的名为“Generating with theswitched reluctance motor”一文中已进行谈论，结合于此作为参考。图4(a)显示了当系统为电机模式时的通量波形和相应的电流波形，而图4(b)显示了发电时相应的波形。从图4(b)可以看出，设备在能量回到DC线路之前需要“启动”或建立磁通量(以及必要的支持该通量的电流)。

尽管有许多用于开关型磁阻设备的电力转换器的拓扑结构，所有这些拓扑结构都使用某些数量的有源开关，并且这些开关代表了转换器成本的重要部分。为发展经济成本电路已经花费了很多努力。从以上说明和图形可以获悉，电流仅仅需要在相绕组中以一个方向流动，也就是说，“单极”激发即可满足全部需要。然而，如果交变的(或双极的)激发可以实现，那也是可以使用的，因为由设备产生的扭矩与绕组中电流方向无关。EPA0886370(Turner)结合于此作为参考，它公开了一种使用开关装置的半桥组件产生设备相绕组的双极激发的方法。类似地，EPA1398870(Tankard)结合于此作为参考，它公开了一种使用用于电机运行和发电的不等额定开关产生设备的双极激发的方法。

磁阻设备运行中的损失可以分为三类：

“电”损失，表现为绕组的热量(也常被认为是I²R损失)；

“磁”损失，表现为定子和转子的磁电路中铁的热量(也常被称作“铁”损失)；

“机械”损失，通常包括与转子在周围空气中运行相关的空气阻力和在转子轴承的摩擦损失。

所有这些损失产生的热量必须通过适当的方式消散掉。有时，自然对流和发散足够排除由损失产生的热量，并在必须的限制内保持设备温度，所述限制为：在其它情况下需要使用更多的结构冷却方法来排除热量。

针对高速的设备，存在冷却方面的特别问题。出于对机械应力和转子动力学的考虑，重要的是保持转子尽可能地小，但是这样通常会导致转子中较高的损耗密度。为了将高速下空气阻力损失保持在易控制的水平，转子经常在半真空环境运转，但是这样又增加了消除转子铁损的困难，因为对流热交换已经不存在。开关型磁阻设备在这种环境中有特别的优势，因为它们没有转子线圈，由此没有相关的“电”损失。然而，它们有磁转子损耗，仍然需要小心管理。

发明内容

本发明由所附独立权利要求限定。本发明的优选特征在各个从属权利要求中列出。

至少有一些在开关型磁阻设备中减少转子损耗的实施例。

根据实施例，提供了一种操作磁阻设备的方法，该磁阻设备具有由定子限定的定子磁极，定子具有被设置为至少三个独立激发相位的绕组；以及由转子限定的转子磁极。该方法包括：激发绕组，从而每一转子磁极的通量都是单极的，用以在转子磁极与被激发的定子磁极基本上对准时对绕组进行连续地激发。

定子磁极的数量可以改变，但只能按照一些实施例被限定为每个相位有2n个被激发，其中n是正整数。在一些实施例中，设备具有奇数相位。例如设备具有三个相位、六个定子磁极和四个转子磁极。这可能用于一个极性的电压的两个激发脉冲和另一极性的两个激发脉冲的相位激发图形。

在另一实例中，设备具有四个相位、八个定子磁极和六个转子磁极，以及一个极性的三个相位激发脉冲和之后另一极性的三个激发脉冲。

本发明不局限于三个和四个相位，设备可具有q个相位(q＝3或更多)，其中定子绕组的激发图形被设置，从而被选择的相位根据若干个大于或小于q的激发的一个极性来激发，然后根据同样数量的激发的另一极性来激发。例如，可用q-1个激发的一个极性来激发，并且根据之后的q-1个激发的另一极性来激发。

虽然公开的实施例在转子磁极中使用单极通量，相位也可以被激发，从而在定子中的通量是双极的。

当设备运转时改变定子磁极的激发顺序是可能的。

在一些实施例中，激发会导致被激发的定子磁极的极性在相邻磁极之间交替变化。

定子磁极的激发图形可以是成组的，从而同极性的定子磁极是相邻的。有益的是，激发图象可以在设备运转时改变。

实施例公开的内容还涉及一种磁阻设备的运转方法，该方法包括根据相位的激发极性的第一图象来激发定子磁极，当设备运转时改变图象，并且根据相位的激发极性的第二图象来激发绕组。

操作方法可特别有利地应用于双倍凸极设备。

附图说明

本发明的其他特征和优点将在下面实施例的详细说明和参考附图中进行详细描述。其中：

图1(a)为现有技术中开关型磁阻驱动器以电机模式运行时的示意图；

图1(b)为现有技术中开关型磁阻驱动器以发电模式运行时的示意图；

图2为现有技术中用于图1的开关型磁阻设备的一个相位的激发电路；

图3(a)为图2中所示电路的相电压和通量波形图；

图3(b)为对应于图3(a)的相电流波形图；

图3(c)为对应于图3(a)的电源电流波形图；

图4(a)和图4(b)分别显示了电机模式和发电模式的通量和电流波形图；

图5为开关型磁阻设备的迭片和绕组的示意图；

图6为三相设备的通量波形图；

图7为双极反馈(bipolar-fed)三相设备的通量波形图；

图8(a)为根据一个实施方式的通量波形图；

图8(b)为示例设备在一个转子位置的磁通路径；

图8(c)为图8(b)的设备在另一个转子位置的磁通路径；

图9为另一个公开的实施方式的通量波形图；

图10为适用于实施方式的电力转换器的一部分；

图11为三相设备的连接图解；以及

图12为三相设备的另一连接图解。

具体实施方式

图5为典型的开关型磁阻设备的剖面示意图。定子60由由具有适当磁化能力的钢铁制成的一堆迭片组成，每一迭片都具有若干同样的磁性凸极61(这里为6个)。定子磁极被对称地分配在迭片的内面。每个磁极带有一个跨距单个磁极的线圈63。类似地，转子66由由具有磁化能力的钢铁制成的一堆迭片组成，每一迭片都具有若干同样的磁性凸极64(这里为4个)。转子磁极被对称地分配在迭片的外面。转子被安装在轴68上以允许在定子内部中心旋转。转子上没有绕组。当定子和转子磁极被定位时，在它们之间存在一个小的缝隙。

典型地，完全对置的线圈被串联或并联地连接在一起，以形成相位绕组。在图5中，与定子磁极相关的六个定子线圈A和A’，B和B’，C和C’可被连接在一起以提供三个独立的相位绕组。典型地，该设备的转子磁极(4个)的数量比定子磁极的数量少两个。在本领域中这种设置常被用做6/4三相设备。

许多变化都是公知的。相位的数量可以根据改变定子磁极(N_s)的数量而改变：基本原则是相位数量最多可以是定子磁极数量的一半，即(N_s/2)。转子磁极的数量(N_r)也可以改变：通常为(N_r＝N_s62)以实现所谓的“游标尺”的效果，但是，对于特定的应用，可以是其他的数量。其他的设置由基本的磁极联合而产生，例如，8/6，乘以一整数可实现16/12、24/18，...等。这类设备的相位感应周期是此(或每个)相位的感应变化周期，例如，当转子磁极和有各自相关定子磁极是完全对准时，在最大量之间。单个相位的相位感应周期被等于360/(q*N_r)的角度所代替，其中q是相位的数量。该角度也被称为步进角ε，是设备的重要属性。线圈不需要被放置在设备的每个磁极上，并且建议为例如具有在交替磁极上的线圈的设备进行设置。然而，所有这些不同的设置利用了这类设备的基本特性，即，具有线圈环绕单个磁极的双倍凸极结构导致随转子位置而变的相位感应。这样的结果导致迭片的一个或多个部分中的通量也随角度而变。如果相位由图3所示的“方形”脉冲激发提供，则迭片的不同部分的通量将大大不同。

这些波形的形状最初由Lawrenson PJ；Stephenson，JM；Blenkinsop，PT；Corda，J；和Fulton，NN在1980年7月的IEE Proc卷127，页表B，编号4的第253至265页的名为：“Variable-speed switched reluctance motors”的论文中发表，结合于此作为参考。该论文描述了类似于图5所示的三相，6/4设备，其中每个线圈A，B&C被连接以产生一个极性的通量，而线圈A’，B’和C’被连接以产生另一极性的通量。该设备的通量波形如图6所示。这些波形显示的是设备在单脉冲图形匀速运转时的基本波形。所应用的相电压是在某些自由转角上的恒定电压。

每个定子磁极在转子的每个完整旋转周期内经历四个不定向通量脉冲。在磁极之间的定子磁芯部分(即背铁)受制于通量波形，该通量波形由在其两侧的定子磁极的极性所确定。在磁极A和B、B和C、A’和B’、B’和C’之间的定子磁芯部分每个都具有如图6中“定子磁芯通量(1)”所示的交替波形，单个波形可以被适当的替换或反向。波形的细节取决于外加电压的宽度是显而易见的，例如，当一个相位的断开点与下一个相位的接入点相符，两个峰值将形成一个平坦的顶部。在极性相反的定子磁极之间的部分，即C到A’和C’到A，具有如图6中“定子磁芯通量(2)”所示的波形。相反的是，该波形是单极的，并很少取决于激发的细节。就邻接激发的相位，在这部分波形时间没有变化，在稳态没有相关的铁损。

每个转子磁极的波形都具有如图6中“转子磁极通量”所示的双极图形，即由高次谐波调谐的每转一次(once-per-revolution)低频形状。转子的磁芯与转子磁极延伸的范围分开。转子磁芯被激发时具有在磁极之间的通量。每个转子磁芯部分具有相同的通量波形，如图6中“转子磁芯通量”所示，尽管它比转子磁极通量波形更为复杂，也具有与具有有效高次谐波的低频图形相同的特性。通过观察，可以得出当转子处于稳态时，不具有可导致非时变波形的相位激发的宽度。因而，转子磁芯的通量的时间变化导致在转子迭片中的“磁”损失，与控制系统需要的激发宽度无关。

对应的波形可以根据设备或高或低的相位数量由基本磁极的结合得出，例如，4/2用于2相位，8/6用于4相位等等，但是可以发现在每种情况下，转子磁极中的双极通量和转子磁芯都导致磁损失。这是由于每个转子磁极在转子旋转周期期间面对具有两个极性的定子磁极。

开关型磁阻设备的双极激发已被建议在某些场合下使用。例如，上面引用的Turner的专利公开了具有交替极性的交替激发块。在图7中，显示了定子磁极通量图形。这些正如期望的那样，存在具有加倍转子速度频率的交替图形。转子磁极通量图形的频率也增加，并具有三倍转子速度。两个转子磁芯通量部分具有相同的波形(尽管相位彼此替换)，但是其基本频率以三分之一增加。这些变化的实际效果是转子中的铁损大大地增加。

发明人已经知道转子磁极的通量图形可能与现有技术中公开的由应用于定子的适当的激发图形而产生不定向的通量图形相反。这种图案的一种推导方式是从所需的转子通量图形开始并回到定子激发。这一过程在图8中进行例示，其显示了用于6/4，三相系统的激发。

由于要求转子磁极通量为单极的，对于每两个相邻的磁极被当作起始点，如图8(a)在转子磁极通量(1)80和转子磁极通量(2)82所示。磁极具有通量，在电机或发电模式中移入并穿过与被激发的定子基本在一直线上的位置上时，该磁极在此意义上是“活动的”。图8(b)显示的是当转子基本上与相位A和标准磁通轨迹在一直线上时设备沿着转子磁极64，穿过转子磁芯并且沿着另一转子磁极64’，并且围绕图中由虚线的标识的定子。由于几何的对称和相位绕组，相对的磁路部分将具有同样的波形(有时会极性相反)。例如，转子磁极64’将具有与磁极64同样的通量波形，但是它会是反向的。图8(b)显示了转子中的磁路中重要的部分，即，转子磁极80的躯壳；转子磁芯90和92的两个相邻部分；以及当被激发时被吸引到相位B的转子磁极82。由于几何学和存在的磁对称，基于这四个部分就足够描述所有其他转子部分的通量图形。

由于转子磁极中的通量已经作为起始点，产生转子磁极通量(1)80的激发图形可被确定并显示为图8(a)中的外加电压(1)84。类似地，相邻磁极82的激发被导出并在外加电压(2)86示出。通过将这两个图形结合，可以确定外加电压88的总量。

激发图形需要的单个相位现由具有极性85的两个激发和随后具有另一极性87的两个激发组成。然而，这还不能限定总体图形，因为图形的相移也必须是指定的。从图8(a)中可以看出，在每个相位的激发波形之间的相移从图6中所示的常规设备值+ε变为-2ε，即从+30°变为-60°。

当转子从图8(b)所示的位置转到图8(c)所示的位置(这种情况下，转子上的箭头为顺时针方向)，并在两种可能情况下显示于图8(a)底部的转子轴68的一侧时，转子磁芯通量图形现在可以通过该转子磁极通量来确定。通过比较转子在两个位置之间移动时90部分的通量方向，可以看出来自磁极部分的通量与90部分方向相同。这可以在图8(a)的头两个通量脉冲看出。整体波形可以由贯穿转子的完整旋转周期的每个通量脉冲的类似考虑进行构造。可以看出转子磁芯通量(1)90的波形现在是单极的(与图6和图7所示的现有技术相反)，具有小的成阶波纹。该波形的相关转子损耗与现有技术中传统的双极激发相比大大减少。

通过比较当转子在两个位置间移动时92部分的通量方向，可以看出来自磁极部分的通量与92部分的方向相反。这在图8(a)的头两个通量脉冲示出。完整波形可以如前所述进行构造，并可以看出转子磁芯通量(2)92具有6倍转子转速的基本频率，但是与正弦形式相差不远，所以会具有相对少的谐波。这与图6中现有技术的多谐波波形完全不同，对于导电角的特定值，也会减少铁损失。因此，转子磁芯中的通量是常规单极通量和双极通量的混合物。通过利用转子磁极中单极通量的转子铁耗的总的减少大大地简化了冷却转子的任务。

本发明不局限于三相系统。图9显示的是8/6四相系统相应的波形图。步进角ε是360/(q*N_r)＝15°(与三相系统的30°相反)，所以转子的一个旋转需要24步。所示的三个转子磁极通量波形94，96，98采用6个转子磁极。如前所述，产生每一个该类单极通量所需的激发极性可以通过检查来确定，然后合并在一起提供总的外加电压100。相位A，需要一个极性102的三个脉冲，以及随后的反向极性104的三个脉冲(与图8的用于三相系统的两个脉冲块相反)。四个波形的位移是-3ε。

图9也显示了转子磁芯通量(1)和(2)图形106和108。对于三相系统，一个磁芯截面带有具有小的成阶波纹的单极通量，而其他两个部分的图形有偏移。需注意的是，具有单极转子磁极通量的系统的转子通量图形与那些具有相同极数的定子的通量图形和单极定子磁极通量图形相同，即，四相8/6设备的转子通量图形相当于三相6/4设备的定子的通量图形。

通过介绍正确图形和相移的双极激发，转子磁极和磁芯中的通量波形可以被操控以提供具有减小的基本频率和/或减少的谐波含量的图形，从而减少转子的磁损耗。图10中显示了用于如图5中所示的磁阻设备的双极运转的适当的电路，图中显示了由电源V_DC和DC线路电容器140供电的多相转换器电路的一个相脚(phase leg)。设备的相位绕组130连接到由四个开关110-113和四个二极管118-121组成的全桥中。开关对和二极管通常在两个开关和两个二极管的预装配模块中有效，如图中虚线122和123所示，因而便于电桥的装配。在某些情况下，具有全部八个装置完全桥接为一个模块。双极的激发从其他的变换器电路生效，例如，如上面引用的Turner专利中所公开的。

现在描述利用双极激发的另一个优点。这种类型电机的每个相位绕组通常由完全相反的线圈连接(串联或并联)组成，使通量与转子交叉，回路围绕定子。通量的方向，即绕组的极性是选择的问题，但可以选择，从而相邻相位具有相同的极性，如图11的三相设备。线圈已被连接，从而如果正电压依次被施加于A、B & C，定子磁极将具有环绕定子的成组极性NNNSSS。图12显示了一个替换方案，其中相位B的极性被反转，提供了交替的NSNSNS图形。对于第一阶，这样的设置是等效的，但是每个具有第二阶的优点。可以看出NNNSSS的设置具有四个“背铁”部分，在它们的任何一侧都具有相同极性的磁极，以及两个相反极性的磁极部分。该设置具有根据这种构造得来的图6的定子通量图形。定子磁芯通量(2)的单极波形的相关铁耗较低，所以在高速时，其导电角较宽，这种连接通常会具有低损耗和由此带来的高效率。

对于成组NNNSSS连接，相位的磁平衡依赖“背铁”部分的磁线性度。这可能会存在于高速运行的相对低的通量级中，而不会存在于当所有的磁路部分都变为磁饱和时的低速、高扭矩的情况中。这导致相位利用不再是相同的磁路，因此从相位输出的扭矩不再是相等的，并且相电流也是不平衡的。这导致低频图形被叠加在整个转矩脉动上并且可产生多余的噪声。

交替的NSNSNS连接的对称导致每个背铁部分是相同的，因此在低速时消除了相位不对称的问题。然而在高速时将导致较高的损失，因为单极波形已不存在，被双极波形所取代。

设计者因此可以选择定子磁极的极性采用哪种成组或交替顺序。NNNSSS连接在高速时可达到最高的效率。NSNSNS连接在低速高负荷情况下可减少相位不平衡。相同的考虑适用于五相和七相设备。这些情况不会出现在相位为偶数的相同范围内，因为不可能将相位设置为提供具有交变极性的交变磁极。

但是，如果提供双极的相位是可行的，则可能在图形之间进行选择并且在任何时候根据运行的需要而生成任一个图形。例如，设备可以在运行期间通过简单地将施加到相位B的激发的极性反向来从NNNSSS顺序改变到NSNSNS顺序。因此设备可以在给定速度和/或负载范围时以最好地连接来运转。在低速时它可以以NSNSNS运转以获得最好的输出扭矩，而在以可能花费它大部分使用年限的高速时可以以NNNSSS运转。

本领域技术人员应当理解本发明所公开的方案的变化不会背离本发明。因此，上述个别的实施例的说明不应理解为对本发明的限制。本领域技术人员应当清楚对本发明的方案的细微修改对以上描述的运行方式也不会带来显著的变化。本发明仅限于所附权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种操作磁阻设备的方法，该磁阻设备具有由定子限定的定子磁极以及由转子限定的转子磁极，所述定子具有被设置为至少三个独立激发相位的绕组；所述方法包括：对绕组进行激发，从而在每个转子磁极中的通量都是单极的，用以当转子磁极与被激发的定子磁极基本上对准时对绕组进行连续地激发。

2.根据权利要求1所述的方法，其中每个相位有2n个定子磁极被激发，其中n是正整数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述设备具有六个定子磁极、四个转子磁极和三个单独激发相位，每个相位的激发图形包含具有一个极性的两个激发脉冲以及具有另一极性的两个激发脉冲。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述相位的激发图形之间的相移是所述设备的步进角的两倍。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述设备具有八个定子磁极，六个转子磁极和四个单独激发相位，每个相位的激发图形包含具有一个极性的三个激发脉冲以及具有另一极性的三个激发脉冲。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述相位的激发图形之间的相移是所述设备的步进角的三倍。

7.根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的方法，其中所述设备具有q个相位，q＝3或更多，其中定子绕组的激发图形被设置，从而所选择的相位对于若干个大于或小于q的激发根据一个极性来激发，并接着对于同样数量的激发根据另一极性来激发。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所选择的相位对于q-1个激发根据一个极性来激发，并对于后续的q-1个激发根据另一极性来激发。

9.根据前述任一项权利要求所述的方法，所述方法包括对相位进行激发，从而在定子磁极中的通量是双极的。

10.一种操作磁阻设备的方法，该方法包括根据相位的激发极性的第一图形来激发定子磁极，当设备运转时改变激发图形，并且根据相位的激发极性的第二图形来激发绕组。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述激发图形根据设备的速度而改变。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述图形在定子磁极的交替的极性和相同极性的定子磁极组之间改变。

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