CN103684121A

CN103684121A - 混合电机

Info

Publication number: CN103684121A
Application number: CN201210334374.8A
Authority: CN
Inventors: 霍永樑
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-03-26
Also published as: US20140070750A1; DE102013218197A1

Abstract

一种混合电机，其转子可同时由永磁磁极及感应磁极对构成，当电机本体中定子线圈所产生的磁场，在用以驱动转子中的永磁磁极对时，电机本体以同步电机方式运行；而用以驱动转子中感应磁极对时，电机本体以感应电机方式运行。控制器(B3)根据电机本体运行方式和（或）运行状态，籍改变电机驱动器（B4）中构成独立全桥驱动电路的半桥驱动电路中开关元件的导通顺序和（或）数量，输出幅度上连续或离散的直流或正弦驱动信号,以及改变电机本体的驱动相数。这种由功能选择开关或再加上全桥整流电路构成的能量再生电路，及实现上述功能的电机驱动器及电机本体的混合电机，适用于包含永磁磁极以电磁感应方式把电能转化为机械能的电机。

Description

混合电机

技术领域

本发明涉及同步及感应电机的驱动技术，更具体地说，涉及一种能输出不同相数、相位及形状的幅度上连续或离散的驱动信号的电机驱动器，以及由选择单相或数相独立定子线圈功能的功能选择开关或同时由功能选择开关及全桥整流电路所构成的能量再生电路。

背景技术

电机被广泛使用在各个领域，如机械、石化、电力等，电机一般由定子、转子及机壳等部分构成，按结构及工作原理可被分为直流电机、同步电机及异步电机。近年来，随着日益迅速发展的工业领域，对电机的性能要求越来越高，并随之涌现出很多与电机制造相关的发明。中国专利文献CN101752921A公开了一种用于同步电动机的转子，其中转子包括多个感应导体以及第一永久磁体单元和第二永久磁体单元。在电动机运行过程中，转子首先通过感应电动机原理旋转，然后通过定子的导体和转子的永久磁体之间产生的磁力按照同步速度旋转。中国专利文献CN101562386B公开了一种无刷直流永磁电机，其中电机的驱动电路为3相全桥驱动电路，其可输出6路驱动脉冲，并具有过流保护功能，能够在发生过电流时关闭6路驱动输出。

目前，在新兴领域（如电动汽车、混合动力汽车）上所用的电机系统，大多有加入能量再生电路，用于把电机处于非驱动状态时（即转子由外力带动旋转），或换相时所产生的反向电动势收集再用，以提升电机系统运行效率，中国专利文献CN1237028A公开了一种多功能永磁直流无刷电机，由电机本体、位置传感器、控制电路构成，能实现控制电机各绕组轮流导通，且包含由反向二极管和负载构成的电能回收电路。中国专利文献CN101889382A中公开了一种无刷直流电机，使用了一种给转子绕组供电和停止供电的电路，上述电路是使能量再生至电源的类型，如使用自消弧形元件的电路。

但上述现有电机系统存在以下的不足：1、电机运行方式单一；2、电机驱动器只透过改变驱动信号频率和占空比从而对电机本体进行控制，而不会透过对驱动信号的形状、连续性及电机本体的驱动相数进行控制；3、当电机本体以直流信号驱动时，只被动再生换相时所产生的反向电动势，而不会主动因应电机本体的运行方式和（或）运行状态对该换相时间进行控制，使电机本体以更高的效率运行。4、因上述原因，现有的能量再生电路的效率不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术所存在的缺陷及不足，提供一种具有较高运行效率的混合电机。

为解决上述技术问题，本发明构造了一种混合电机，包括电机本体、电机驱动器及能量再生电路，所述电机本体中的转子由永磁磁极对或同时由永磁磁极对和感应磁极对构成。

所述电机驱动器包括控制器以及至少一个以半桥驱动电路构成的独立全桥驱动电路，以构成独立的单相、3相或其它相数的全桥驱动电路。当电机驱动器中的独立全桥驱动电路数量多于1时，则电机驱动器中的独立全桥驱动电路的组合方式能彼此相同或不相同。同时，所述控制器会根据电机本体的运行方式和（或）运行状态，从而决定输出直流或正弦驱动信号。当电机本体的驱动相数多于1时，则所有的驱动电路均以同一种驱动信号驱动电机本体。

所述独立全桥驱动电路用以驱动由定子线圈所构成的独立的一相或数相，且每一组独立的全桥驱动电路均有用于选择该一相或数相独立定子线圈功能的功能选择开关。当驱动电机本体的驱动相数多于1时，所述控制器会根据驱动信号的数量而调整驱动信号之间的相位差，同时亦会通过电机本体中的转子位置传感器和（或）电流、电压感测电路，侦测电机本体是否能满足负载需求，从而决定会否通过改变单个或数个用于构成独立全桥驱动电路的半桥驱动电路中开关元件的导通顺序和（或）数量，以改变电机本体的驱动相数。上述驱动信号施加到电机定子线圈，而电机定子线圈所产生的磁场用于驱动所述电机本体中转子中的磁极对，当转子中同时含有永磁磁极对和感应磁极对时，电机本体能以感应或同步方式运行，而当转子中只含有永磁磁极对时，电机本体则只能以同步方式运行。

所述控制器会根据电机本体的运行方式和（或）运行状态以决定会否输出幅度上离散的驱动信号。所述离散驱动信号的离散幅度及时间由控制器根据电机本体的运行方式和（或）运行状态所决定。

所述能量再生电路由用以选择一相或数相独立定子线圈功能的功能选择开关或同时由功能选择开关及全桥整流电路构成。所述功能选择开关在所述用以构成单组独立全桥驱动电路的半桥驱动电路全部关闭时由控制器导通，从而收集由电机本体中转子中的永磁体与该单相或数相独立定子线圈相对运动时所产生的电流，以供给电力负载或存储系统利用。

在上述混合电机中，电机驱动器和（或）能量再生电路适用于所有包含永磁磁极，以电磁感应方式将电能转化为机械能的装置。

实施本发明提供的混合电机，采用了一种能输出不同相数、相位及形状的幅度上连续或离散的驱动信号的电机驱动器，以及由选择单相或数相独立定子线圈功能的功能选择开关或同时由功能选择开关及全桥整流电路所构成的能量再生电路。使得电机克服了现有电机运行方式单一的不足，并使得电机驱动器不单只透过改变驱动信号频率和占空比，而且可以透过对驱动信号的形状、连续性及电机本体的驱动相数进行控制，而且，当以直流信号驱动电机本体时，可自动根据电机本体的运行方式和（或）运行状态对该换相时间进行控制，使本发明混合电机中的电机本体可以有更高的运行效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图3至图8，未示出电流及电压反馈电路：

图1a及1b是本发明混合电机实施例的结构方框图；

图2a及2b是本发明混合电机实施例中电机本体的结构示意图；

图3是本发明混合电机实施例中电机驱动器与电机本体第一组合示意图；

图4是本发明混合电机实施例中电机驱动器与电机本体第二组合示意图；

图5是本发明混合电机实施例中电机驱动器与电机本体第三组合示意图；

图6是本发明混合电机实施例中电机驱动器与电机本体第四组合示意图；

图7是本发明混合电机实施例中应用在单相全桥驱动电路的能量再生电路示意图，其中从左到右依次为：直流输出的能量再生电路；交流输出的能量再生电路；同时输出直流和交流的能量再生电路；

图8是本发明混合电机实施例中应用在3相全桥驱动电路的能量再生电路示意图，其中从上到下依次为：同时输出直流和交流的能量再生电路；交流输出的能量再生电路；直流输出的能量再生电路；

图9是本发明混合电机实施例中应用在单相全桥驱动电路及能量再生电路的电流及电压感测电路示意图；

图10是本发明混合电机实施例中应用在3相全桥驱动电路及能量再生电路的电流及电压感测电路示意图；

图11是本发明混合电机实施例的系统工作流程图，a是电机本体运行方式及不同驱动信号的选择流程图，b是改变电机本体驱动相数及输出离散或连续驱动信号的流程图；

图12是本发明混合电机实施例中输出的单相幅度上连续（上）及离散（下）的正弦及直流驱动信号示意图；

图13是本发明混合电机实施例中输出的幅度上连续（上）及离散（下）的3相正弦及直流驱动信号示意图；

具体实施方式

参考附图1a，本发明混合电机实施例中，主要由交流电源B1、直流电源供应器B2、包含控制器B3的电机驱动器B4、电机本体B5、能量再生电路B6及电力负载或储存系统B7组成，其中，交流电源B1与直流电源供应器B2、直流电源供应器B2与电机驱动器B4、电机驱动器B4与电机本体B5、电机本体B5与能量再生电路B6、能量再生电路B6与电力负载或存储系统B7之间均由电力连线P1连接；而直流电源供应器B2、控制器B3、电机本体B5与能量再生电路B6之间由控制总线C1连接。

图1b示出的本发明混合电机实施例，包括直流电源B1、直流电源供应器B2、包含控制器B3的电机驱动器B4、电机本体B5、能量再生电路B6及电力负载或储存系统B7组成，其中，直流电源B1与直流电源供应器B2、电机驱动器B4分别通过电力连线P1连接；电机驱动器B4与电机本体B5、电机本体B5与能量再生电路B6、能量再生电路B6与电力负载或存储系统B7之间均由电力连线P1连接；而直流电源供应器B2、控制器B3、电机本体B5与能量再生电路B6之间由控制总线C1连接。

参考附图2a，本发明混合电机实施例中，第一种电机本体由电机固定部件（M1，M8）、轴承M2、包含感应磁极及永磁磁极对的转子M3或只含有永磁磁极对的转子M4（M3、M4择一），定子铁芯M5、定子线圈M6及转子位置传感器M7构成。其中定子线圈M6中均匀含有6个定子线圈，相邻定子线圈彼此相距60°，每两个相距180°的线圈通过串联构成一相，电机定子的总相数为3，3相可以相互独立，或以星形或角形的方式连接。

参考附图2b，本发明混合电机实施例中，第二种电机本体由电机固定部件（A1，A2，A7）、轴承A3，包含感应磁极及永磁磁极对的转子A5或只含有永磁磁极对的转子A4（A5、A4择一），电机定子A6及转子位置传感器A8构成。其中，定子及定子线圈A6，由图2a中两个第一种电机本体的定子铁芯M5及定子线圈M6通过定子连接部件A7以串接的方式构成，此处，电机定子A6的总相数为6，两个定子中的定子线圈M6，相与相的连接方式能彼此相同或不相同，如一个定子以星形或角形的方式连接，一个以独立的三相方式连接。

上述两种电机本体中可选用的转子有两种：

（1）转子（M4，A4）包含四对永磁磁极，每对磁极相距45°；

（2）转子（M3，A5）包含两对永磁磁极，及两对感应磁极，永磁磁极与感应磁极对相距为45°。

故在本发明混合电机实施例中，一共有4种不同的电机本体组合。而上述4种用于示例的电机本体组合，其转子位置的感测除了能通过上述实施例中的位置传感（M7，A8）获得外，还能透过无传感器的控制方式如磁场定向控制（FOC）获得。

参考附图3至6，本发明混合电机实施例中，在图3中，L1、L2、L3为图1中电机本体B5的三个驱动相，在图3本实例中，每一相由两个相距180°的定子线圈通过串接的方式组成。1A、1B……为控制器所输出的控制信号，故1A至9A，1B至9B与控制器相连。

图1中电机驱动器B4在图3中包含以下元器件：MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)T1至T18、二极管Q1至Q18，构成9组半桥驱动电路以及9组半桥整流电路。T1至T6，Q1至Q6构成1组独立的3相全桥驱动电路以及3相全桥整流电路，而TFS1作为该独立驱动电路的功能选择开关。T7至T14，Q7至Q14可以通过组合开关S1，把由T7至T14所组成的4组半桥驱动电路，组合成两组独立的单相全桥驱动电路，或组合成一组独立的三相全桥驱动电路，以及一个独立的半桥驱动电路。而TFS2和TFS3为该两组独立驱动电路的功能选择开关。T15至T18，Q15至Q18组合成1组独立的单相全桥驱动电路及单相全桥整流电路，而TFS4作为该独立全桥驱动电路的功能选择开关（TFS为功能选择晶体管（Transistor Function Selection）的缩写，故将其命名为功能选择开关）。

图3是图2a所示出的电机本体，以三相连接方式连接到示范性实例电路的示意图；图4以图2a所示出的电机本体，以独立的三相连接方式连接到示范性实例电路的示意图，通过图3和图4，可以看到第一种电机本体的两种连接方式。

类似地，图5是图2b所示出的电机本体，以三相连接方式连接到示范性实例电路的示意图。

图6是图2b所示出的电机本体，同时以三相连接方式及独立的三相连接方式连接到示范性实例电路的示意图。同时，图5与图6的作用为展示出第二种电机本体的两种连接方式。

本发明混合电机实施例中，控制器通过控制电机驱动器中半桥驱动电路的开关元件（在本实例中为MOSFET）的通断，从而对电机本体进行驱动。控制器会根据电机本体的运行方式和（或）运行状态，从而决定输出直流或正弦驱动信号。当电机本体的驱动相数多于1时，控制器会根据驱动信号的数量而调整驱动信号之间的相位差（如：3相正弦驱动信号的相位差为120°，2相正弦驱动信号的相位差为90°或180°等）。同时，控制器会通过电机本体中的转子位置传感器和（或）电流、电压感测电路侦测电机本体是否能满足负载需求，从而决定会否通过改变单个或数个用于构成独立全桥驱动电路的半桥驱动电路中开关元件的导通顺序和（或）数量，以改变电机本体的驱动相数。所述控制器亦会根据电机本体的运行方式和（或）运行状态，从而决定会否输出幅度上离散的驱动信号，而该离散的驱动信号的离散幅度及时间由控制器根据电机本体的运行方式和（或）运行状态决定。当用以构成单组独立全桥驱动电路的半桥驱动电路全部被关闭时，该独立全桥驱动电路的功能选择开关会由控制器导通，把由该独立全桥驱动电路驱动的一相或数相独立的定子线圈由驱动线圈改为感应线圈，以收集电机本体中转子中的永磁体与该一相或数相定子线圈相对运动时所产生的电流，该电流会经过整流电路以及直流稳压器后再次注入直流总线，以再次被电机驱动器利用。

参考附图7，8，为本发明混合电机中能量再生电路，输出直流，交流及交直流电流的组合方式。

图7中，T1至T4组成一组单相全桥驱动电路。L为由单个或数个定子定子线圈通过串联、并联或串并联方式所组成的电机本体的独立的一相。FB为全桥整流电路。TFS，QT1、QT2为选择该电机本体独立的一相功能的功能选择开关。功能选择信号为由控制器输出的控制信号。图7的作用为展示出能量再生电路应用在独立单相全桥驱动电路时的三种组合方式。

图8中，T1至T6组成一组三相全桥驱动电路。L1，L2，L3为由定子线圈所组成的电机本体的独立的3相。Q1至Q6组成一组三相全桥整流电路。TFS，QT1、QT2为选择该电机本体独立的3相功能的功能选择开关。功能选择信号为由控制器输出的控制信号。其作用为展示出能量再生电路应用在独立三相全桥驱动电路时的三种组合方式。

参考附图9，10，电机控制器通过电机本体中的转子位置传感器和（或）电流、电压感测电路，以侦测电机本体是否能满足负载需求。图9中，SR1、SR2为分流电阻，用于感测感测全桥驱动电路（SR1）及能量再生电路（SR2）的电流。R1、R2、C1用于感测L1的电压。图10中，SR1、SR2、SR3、SR4为分流电阻，用于感测感测三相全桥驱动电路（SR1、SR2、SR3）及能量再生电路（SR4）的电流。R1、R2、R3、R4、R5、R6、C1、C2、C3用于感测L1、L2、L3的电压。图9和图10用于补充图3至图8中省略的电流、电压感测电路。

按照本发明的混合电机实施例，可包括上述不同的电机本体、电机驱动器及能量再生电路，它们之间不同的组合均可构成本发明混合电机的不同的实施例。

图11为本发明混合电机系统工作流程图，其中图11a为电机本体运行方式及不同驱动信号的选择流程图，当实施例中电机本体采用的是第一种转子（M4，A4），即只包含永磁磁极对的转子时，电机本体只能以同步电机的方式运行；当实施例中的电机本体采用的是第二种转子（M3，A5），即同时包含永磁磁极及感应磁极对的转子时，控制器会侦测电机本体的运行状态并判断以何种运行方式运行效率会更高，从而决定由定子线圈所产生的磁场用于驱动转子中的感应或永磁磁极对。当电机本体以感应电机方式运行时，电机本体首先依靠同步电机方式启动后，电机驱动器中的控制器会根据电机本体中转子的位置而只驱动转子中的感应磁极对。当电机本体以同步电机方式运行时，控制器会按照驱动4极永磁电机的方式驱动电机本体，故转子中的永磁磁极与感应磁极会同时驱动转子旋转，而由于感应电机的特性，当转子到达同步速度后，转子中的感应磁极将会不再驱动转子旋转。此外，控制器会根据电机本体的运行方式和（或）运行状态，判断以何种驱动信号驱动电机本体效率更高，从而输出直流或正弦驱动信号。由于直流的驱动信号比正弦驱动信号在同样的峰值电流下会产生更大的转矩，但会产生转矩抖动，而这个抖动在电机高速运行时会被转子动能抵消，故直流驱动信号比正弦驱动信号更适合在电机需要高速大扭力的时候驱动电机本体。图11b为改变电机本体驱动相数及输出离散或连续驱动信号的流程图。

参考附图12，当电机驱动器输出单相幅度上离散的正弦或直流驱动信号时，上述驱动信号的每一个周期为360°，控制器会在该驱动信号接近90°及270°时，关闭该用于驱动电机本体的单相全桥驱动电路，同时亦会导通功能选择开关。

参考附图13，当电机本体以3相直流驱动信号驱动时。该3相直流驱动信号的周期同为360°，相位差为60°，并相隔每60°进行1次换相，换相时间的长短，会决定电机转子抖动的程度。当控制器输出幅度上离散的直流驱动信号时，控制器会在接近换相时关闭正在驱动电机本体的半桥驱动电路，并会透过延迟导通及提前关闭其余两相的半桥驱动电路，使控制器关闭该正在驱动电机本体的半桥驱动电路时，该三相全桥驱动电路中的每一个半桥驱动电路均处于关闭状态，而控制器亦会在此时导通该独立驱动电路的功能选择开关。当控制器输出幅度上离散的正弦驱动信号时，控制器会在每相驱动信号接近其峰值时，关闭该三相全桥驱动电路，同时功能选择开关亦会在此时被控制器导通。

本发明提供的一种混合电机包括电机本体B5、电机驱动器B4及能量再生电路B6，其中转子可同时由永磁磁极及感应磁极对构成。当电机本体中定子线圈所产生的磁场，在用以驱动转子中的永磁磁极对时，电机本体以同步电机方式运行；而用以驱动转子中感应磁极对时，电机本体以感应电机方式运行。控制器B3根据电机本体运行方式和（或）运行状态，籍改变电机驱动器B4中构成独立全桥驱动电路的半桥驱动电路中开关元件的导通顺序和（或）数量，输出幅度上连续或离散的直流或正弦驱动信号,以及改变电机本体的驱动相数。这种由功能选择开关或再加上全桥整流电路构成的能量再生电路，及实现上述功能的电机驱动器及电机本体的混合电机，适用于包含永磁磁极以电磁感应方式把电能转化为机械能的电机。

此外，上述的电机驱动器或能量再生电路不仅仅限于用于本实施例中的混合电机，其适用于所有包含永磁磁极，以电磁感应方式把电能转化为机械能的装置。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种混合电机，其特征在于，包括电机本体(B5)、电机驱动器(B4)及能量再生电路(B6)，所述电机驱动器(B4)由独立的全桥驱动电路以及控制器(B3)构成，每个独立的全桥驱动电路用以驱动由定子线圈构成的独立的一相或数相，每个所述独立的全桥驱动电路由数量最小为2的半桥驱动电路构成，以构成独立的单相、3相或其它相数的全桥驱动电路；每一个独立全桥驱动电路中均有用于选择其驱动的独立定子线圈功能的功能选择开关；当所述电机本体（B5）的驱动相数多于1时，控制器(B3)通过电机本体(B5)中的转子位置传感器和（或）电流、电压感测电路侦测电机本体(B5)是否能满足负载需求，从而决定会否通过改变单个或数个用于构成独立全桥驱动电路的半桥驱动电路中开关元件的导通顺序或和（或）数量，以改变所述电机本体（B5）的驱动相数。

2.根据权利要求1所述的混合电机，其特征在于，当所述电机本体（B5）的驱动相数多于1时，各个驱动信号的周期均为360°，所述控制器(B3)根据电机本体(B5)的驱动相数，调整各个驱动信号之间的相位差。

3.根据权利要求1所述的混合电机，其特征在于，所述控制器(B3)根据电机本体(B5)的运行方式和（或）运行状态决定输出直流驱动信号或正弦驱动信号，当用于驱动电机本体(B5)的驱动相数多于1时，各个驱动电路均以同一种驱动信号驱动所述电机本体（B5）。

4.根据权利要求1所述的混合电机，其特征在于，当电机驱动器(B4)中独立单相全桥驱动电路输出单相幅度上离散的直流或正弦驱动信号时，驱动信号的周期为360°，所述控制器（B3）会在该驱动信号接近90°及270°时，关闭所有用于构成该独立单相全桥驱动电路的半桥驱动电路，同时控制器(B3)导通该独立单相全桥驱动电路的功能选择开关。

5.根据权利要求4所述的混合电机，其特征在于，当电机驱动器(B4)中其它相数的单组独立全桥驱动电路输出离散的驱动信号时，控制器(B3)根据用于驱动电机本体(B5)的驱动信号之间的相位差以及电机本体(B5)的运行方式和（或）运行状态，选择最适合的时间关闭所有用于构成该独立全桥驱动电路的半桥驱动电路，同时该独立全桥驱动电路的功能选择开关亦会在此时被控制器导通。

6.根据权利要求4或5所述的混合电机，其特征在于，所述离散的驱动信号的离散幅度及时间由控制器根据电机本体（B5）的运行方式和（或）运行状态决定。

7.根据权利要求1、4或5所述的混合电机，其特征在于，所述功能选择开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管或具有同等功能的部件，用以将单相或数相独立的驱动线圈改为感应线圈，同时，只有当驱动该单相或数相独立定子线圈的独立全桥驱动电路中的半桥驱动电路全部关闭时，控制器（B3）才会导通该独立全桥驱动电路的功能选择开关，以收集转子中的永磁体与该单相或数相独立定子线圈相对运动时所产生的电流，以供给电力负载或存储系统(B7)利用。

8.根据权利要求1－7中任何一项所述的混合电机，其特征在于，所述能量再生电路（B6）由功能选择开关或同时由功能选择开关及全桥整流电路构成,作用于控制器导通功能选择开关时。