CN109286350A - 电动车、车轮、开关磁阻电机及其电流的控制方法 - Google Patents

电动车、车轮、开关磁阻电机及其电流的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动车、车轮、开关磁阻电机及其电流的控制方法，该控制方法包括：在驱动时段，通过控制器同时控制第一开关管和第二开关管间歇性导通；或者控制第一开关管持续导通，并控制第二开关管间歇性导通，以调节绕组的驱动电流的大小；在续流时段，通过控制器控制第一开关管持续关闭，并以脉宽调制方式控制第二开关管间歇性导通，以调节绕组的续流电流的大小；根据电流总和控制驱动电流和续流电流，以使电流总和保持预设范围。该开关磁阻电机的电流波动小，进而力矩的波动小；由于前一相的续流电流较大，而导通相的驱动电流较小，因此导通相的绕组所产生的磁场强度弱，进而减小噪声。

Description

电动车、车轮、开关磁阻电机及其电流的控制方法
技术领域
本发明涉及电机的技术领域，涉及一种电动车、车轮、开关磁阻电机及其电流的控制方法。
背景技术
发明人在实践中发现，传统开关磁阻电机在转子齿与定子齿对齐时，绕组所产生的电感不变，即电感的变化率为零，此时开关磁阻电机的力矩为零，而力矩需要从零变化到正常值，因此导致开关磁阻电机的力矩波动大。
传统开关磁阻电机在转子齿即将开始对上定子齿时，此时转子齿尖和定子齿尖相对，此时绕组电流较大，所产生的磁场迅速增强，其磁感应线密集拥挤在转子齿尖和定子齿尖上，使铁分子发出噪声，导致传统开关磁阻电机的噪声大。
发明内容
为了解决现有技术中的力矩波动大和噪声大的问题，本发明提供一种开关磁阻电机的电流的控制方法，开关磁阻电机以及利用该开关磁阻电机的车轮和电动车。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种开关磁阻电机的电流的控制方法，开关磁阻电机包括定子、开关驱动电路以及电流检测电路，其中所述定子设置有至少三个定子组件，所述至少三个定子组件分别包括绕组，所述电流检测电路用于检测流经所述至少三个定子组件的所述绕组的电流总和，所述开关驱动电路包括控制器以及分别与所述至少三个定子组件对应的至少三个开关模块，每一所述开关模块包括与对应的所述定子组件的绕组串联的第一开关管和第二开关管，所述控制方法包括：
在驱动时段，通过所述控制器同时控制所述第一开关管和第二开关管间歇性导通；或者控制所述第一开关管持续导通，并控制第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的驱动电流的大小；
在续流时段，通过所述控制器控制所述第一开关管持续关闭，并控制第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的续流电流的大小；
根据所述电流总和控制所述驱动电流和所述续流电流，以使所述电流总和保持预设范围。
其中，所述控制方法进一步包括：
通过所述控制器控制所述至少三个定子组件所对应的所述驱动时段的相位差为2π/N，其中所述N为所述至少三个定子组件的数量。
其中，所述控制方法进一步包括：
通过所述控制器控制所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠。
其中，所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠为π/N。
其中，在所述驱动时段时，所述驱动时段长为2π/3；在所述续流时段时，所述续流时段长为π/3。
为解决上述技术问题，本发还提供一种开关磁阻电机，其包括定子、开关驱动电路以及电流检测电路，其中所述定子设置有至少三个定子组件，所述至少三个定子组件分别包括绕组，所述电流检测电路用于检测流经所述至少三个定子组件的所述绕组的电流总和，所述开关驱动电路包括控制器以及分别与所述至少三个定子组件对应的至少三个开关模块，每一所述开关模块包括与对应的所述定子组件的绕组串联的第一开关管和第二开关管；其中：
在驱动时段，所述控制器同时控制所述第一开关管和第二开关管间歇性导通；或者控制所述第一开关管持续导通，并控制所述第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的驱动电流的大小；
在续流时段，所述控制器控制所述第一开关管持续关闭，并控制第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的续流电流的大小；
所述开关驱动电路进一步根据所述电流总和控制所述驱动电流和所述续流电流，以使所述电流总和保持预设范围
其中，每一所述开关模块进一步包括第一续流二极管和第二续流二极管，其中所述第一开关管的第一连接端连接所述电源的正极、所述第一开关管的第二连接端连接对应的所述定子组件的所述绕组的第一端、所述第二开关管的第一连接端连接对应的所述定子组件的所述绕组的第二端，所述第二开关管的第二连接端连接所述电源的负极，所述第一续流二极管的正极连接对应的所述定子组件的所述绕组的第二端，所述第一续流二极管的负极连接所述电源的正极，所述第二续流二极管的正极连接所述电源的负极，所述第二续流二极管的负极连接对应的所述定子组件的所述绕组的第一端。
其中，所述控制器控制所述至少三个定子组件所对应的所述驱动时段的相位差为2π/N，其中所述N为所述至少三个定子组件的数量。
其中，所述控制器控制所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠。
其中，所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠为π/N。
其中，在所述驱动时段时，所述驱动时段长为2π/3；在所述续流时段时，所述续流时段长为π/3。
其中，所述开关磁阻电机进一步包括转子，所述至少三个定子组件沿所述定子的轴向分段设置，每一所述定子组件进一步分别包括沿所述定子的周向周期性设置且由定子槽彼此间隔的多个定子齿，所述绕组绕设于所述定子齿上，其中所述至少三个定子组件的定子齿沿所述定子的周向依次错开预设角度。
其中，所述至少三个定子组件的定子齿的数量和宽度相同，所述预定角度为T1/N，其中所述T1为所述定子齿的角度周期，所述N为所述至少三个定子组件的数量。
其中，所述电流检测电路包括具有一开口的环形铁芯以及磁场传感器，所述至少三个定子组件的所述绕组进一步分别绕设于所述环形铁芯上，所述磁场传感器设置于所述环形铁芯的开口处。
为解决上述技术问题，本发还提供一种车轮，车轮采用轮毂电机驱动，所述轮毂电机采用上述实施例中任一项所述开关磁阻电机结构。
为解决上述技术问题，本发还提供一种电动车，所述电动车为纯电动或混合动力车，所述电动车采用上述实施例中任一项所述开关磁阻电机结构。
与现有技术相比，在驱动时段，通过控制器同时控制第一开关管和第二开关管间歇性导通；或者控制第一开关管持续导通，并控制第二开关管间歇性导通，以调节绕组的驱动电流的大小；在续流时段，通过控制器控制第一开关管持续关闭，并以脉宽调制方式控制第二开关管间歇性导通，以调节绕组的续流电流的大小；根据电流总和控制驱动电流和续流电流，以使电流总和保持预设范围；由于前一相在续流时段，导通相在驱动时段，续流电流和驱动电流之和保持恒定，因此开关磁阻电机的电流波动小，进而力矩的波动小；由于前一相的续流电流较大，而导通相的驱动电流较小，因此导通相的绕组所产生的磁场强度弱，进而减小噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，也属于本发明保护范畴。
图1是本发明第一实施例的开关磁阻电机的立体示意图；
图2是图1中开关磁阻电机的分解示意图；
图3是外定子内转子的三相开关磁阻电机的立体示意图；
图4是图1中A相绕组绕设在第一定子齿的结构示意图；
图5是图1中第一定子齿、第二定子齿和第三定子齿的结构示意图；
图6是图1中转子齿的中心与第一定子齿的中心重合的磁力线示意图；
图7是图1中第一定子齿与转子槽对齐的结构示意图；
图8是图1中转子齿与第一定子齿位置错开的磁力线示意图；
图9是图1中开关磁阻电机正常工作的电感曲线的示意图；
图10是开关磁阻电机的转子齿设有削角的结构示意图；
图11是开关驱动电路的电路图；
图12是开关磁阻电机的工作原理的时序图；
图13是电流检测电路的结构示意图；
图14是本发明第五实施例的开关磁阻电机的工作原理的时序图；
图15是位置传感器的结构示意图；
图16是本发明第一实施例的开关磁阻电机的电流的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-2所示，本发明提供第一实施例的开关磁阻电机，该开关磁阻电机10包括定子11和转子12，其中定子11沿轴向分段设置有至少三个定子组件，每一定子组件包括沿定子11的周向周期性设置且由定子槽彼此间隔的多个定子齿以及绕设在定子齿上的绕组，即多个定子齿沿着定子11的周向周期性设置，并且与多个定子槽彼此间隔。
举例来说，本实施例的开关磁阻电机具体可为三相开关磁阻电机，该三相开关磁阻电机可为外转子内定子的三相开关磁阻电机。如图2所示，定子11沿轴向分段设置有三个定子组件，分别为A相定子组件111、B相定子组件112和C相定子组件113。在其他实施例中，开关磁阻电机可为外定子内转子的三相开关磁阻电机30，如图3所示。
如图2所示，A相定子组件111包括多个第一定子齿131，多个第一定子齿131与多个第一定子槽134彼此间隔。如图4所示，A相定子组件111进一步包括绕设在第一定子齿131上的A相绕组137，在A相绕组137施加驱动电流时，A相绕组137会产生磁极，进而形成磁场。
B相定子组件112包括多个第二定子齿132和绕设在第二定子齿132上的B相绕组，多个第二定子齿132与多个第二定子槽135彼此间隔；C相定子组件113包括多个第三定子齿133和绕设在第三定子齿133上的C相绕组，多个第三定子齿133与多个第三定子槽136彼此间隔。其中，B相绕组绕设在第二定子齿132上和C相绕组绕设在第三定子齿133上与A相绕组137绕设在第一定子齿131上的结构相同，不再赘述。
至少三个定子组件的定子齿沿着定子11的周向依次错开预设角度，以使得转子12能够在依次施加于至少三个定子组件的绕组上驱动电流所产生的磁场的作用下连续转动，即在至少三个定子组件的绕组上依次施加驱动电流，转子12在绕组所产生的磁场的作用下连续转动。具体地，第二定子齿132和第一定子齿131沿着定子的周向依次错开预设角度，第三定子齿133和第二定子齿132沿着定子的周向依次错开预设角度；当A相定子组件111、B相定子组件112和C相定子组件113依次施加驱动电流，在A相绕组137产生的磁场、B相绕组产生的磁场和C相绕组产生的磁场的作用下，转子12连续转动。
本实施例的A相定子组件111包括绕设在第一定子齿131上的A相绕组137，B相定子组件112包括绕设在第二定子齿132上的B相绕组，C相定子组件113包括绕设在第三定子齿133上的C相绕组，因此每个定子组件均设置同一相绕组，相对于传统的开关磁阻电机的定子设置多相绕组，由于同一相绕组的匝数比多相绕组的匝数少，因此能够减少A相绕组、B相绕组和C相绕组的匝数，进而降低开关磁阻电机10的铜耗，降低成本。
其中，至少三个定子组件的定子齿的数量和宽度相同，具体地，多个第一定子齿131的数量、多个第二定子齿132的数量和多个第三定子齿133的数量相同，并且第一定子齿131的宽度、第二定子齿132的宽度和第三定子齿133的宽度相同。因此，A相定子组件111、B相定子组件112和C相定子组件113的加工工艺相同。
预设角度可为T1/N，其中T1为定子齿的电角度周期，N为至少三个定子组件的数量。该定子齿的电角度周期为2π/M，其中M为定子齿的数量，即该至少三个定子组件的定子齿沿着定子11的周向依次错开的角度为机械角度。
如图5所示，第二定子齿132和第一定子齿131错开的预设角度为T1/N，其中第一定子齿131的角度周期T1为2π/M，N为3，因此第二定子齿132和第一定子齿131错开的角度为2π/3M。例如，第一定子齿131的数量M为6，则第二定子齿132和第一定子齿131错开的预设角度为2π/3M＝20°。由于相邻的两个第一定子齿131之间为一个角度周期，因此第二定子齿132和第一定子齿131错开1/3齿距，相当于第二定子齿132和第一定子齿131错开的电角度为120°，该齿距可为相邻两个第一定子齿131的距离。
此外，第三定子齿133和第二定子齿132错开的预设角度为2π/3M，即第三定子齿133和第二定子齿132错开1/3齿距。第一定子齿131和第三定子齿133错开的预设角度为2π/3M，即第一定子齿131和第三定子齿133错开1/3齿距。
如图2所示，转子12包括沿转子12的周向周期性设置且由转子槽122彼此间隔的多个转子齿121，即多个转子齿121沿着转子12的周向周期性设置，并且与多个转子槽122彼此间隔。转子齿121的数量与定子齿的数量相同，并且转子齿121的宽度小于定子槽的宽度。
本实施的转子12可采用一体设置，转子12沿着轴向的长度大于或者等于定子11沿着轴向的长度，该定子11沿着轴向的长度可为A相定子组件111沿着轴向的长度、B相定子组件112沿着轴向的长度以及C相定子组件113沿着轴向的长度之和，以使转子12能够覆盖A相定子组件111、B相定子组件112和C相定子组件113。
在其他实施例中，转子12可以采用分段设置，例如转子与A相定子组件、B相定子组件和C相定子组件对应设置为三段，三段转子的转子齿沿轴向对齐。
其中，转子齿121的数量分别与第一定子齿131的数量、第二定子齿132的数量和第三定子齿133的数量均相同，在转子齿121的中心与第一定子齿131的中心重合时，如图6所示。
图6是在开关磁阻电机的16个第一定子齿131和16个转子齿121对齐时测量开关磁阻电机的磁力线，该开关磁阻电机的磁场通过磁力线T来表示。由于定子11分段设置A相定子组件111、B相定子组件112和C相定子组件113，因此A相绕组137产生的磁力线T、B相绕组产生的磁力线和C相绕组产生的磁力线互不干扰，即A相绕组137、B相绕组和C相绕组的互感为零。此外，A相绕组137产生的磁力线T不会纠缠交叉，因此A相绕组137的每磁极产生的磁力线T闭合回路位于该磁极的极距内，即A相绕组的每磁极产生的磁力线T不会跨越相邻磁极的中线，传统磁阻电机三相绕组存在互感，通电相的电流会产生互相影响，电枢反应的非线性非常严重，并且产生难以克服的原理性转矩波动，而本发明提供的开关磁阻电机由于每个定子组件是独立的，每个定子组件的绕组都是同一相绕组，所以不存在互感，因此从原理上克服了因互感造成的转矩波动。请参考图6，相对于传统的三相开关磁阻电机的定子组件设置三相绕组，每磁极产生的磁力线必须跨越3个极距，即传统三相开关磁阻电机的任何磁极产生的磁力线回路的长度都是本实施例的每磁极产生的磁力线回路的长度的3倍，磁阻较大，绕组产生的最大电感较小，但本实施例的每磁极产生的磁力线T被约束在该磁极的极距之内，磁阻小，进而A相绕组137产生的电感大。B相绕组和C相绕组在施加驱动电流时所产生的磁力线回路与A相绕组在施加驱动电流时所产生的磁力线T回路相同，不再赘述。
其中，开关磁阻电机的绕组系数的计算公式为：
其中，传统的三相开关磁阻电机可以采用的定子齿数Zd和转子齿数Zz满足：Zz/Zd可以为4/6或8/6；以及整数倍8/12、6/12、12/18、24/18、16/24和32/24等等，根据上述公式可得绕组系数均为0.866。也即由于传统的三相开关磁阻电机的三相沿圆周120°分布，导致绕组系数为0.866。而本实施例的开关磁阻电机10的定子齿数Zd和转子齿数Zz相等，根据上述公式可得绕组系数为1。
因此，本实施例的开关磁阻电机10属于极距为180°电角度的整距和整数槽电机，该开关磁阻电机10的绕组系统为1，相对于传统的三相开关磁阻电机的绕组系数为0.866，本实施例的绕组的利用率提高了1.155倍，实现绕组利用率最大化，进而提高开关磁阻电机10的效率和输出的力矩。
本发明提供第二实施例的开关磁阻电机，用于设置开关磁阻电机的齿槽参数，其在第一实施例的开关磁阻电机基础上进行描述。如图7所示，本实施例定子槽的宽度与定子齿的宽度比为1:0.95-0.85，定子齿的宽度与转子齿的宽度比为1:1.05-0.95。
以第一定子齿131和转子齿121为例进行说明，如图7所示，第一定子槽134的宽度与第一定子齿131的宽度比可为1:0.95-0.85，即第一定子齿131的宽度小于第一定子槽134的宽度，进而保证第一定子槽134拥有足够的空间设置A相绕组137。例如：第一定子槽134的宽度与第一定子齿131的宽度比可为1：0.85；第一定子槽134的宽度与第一定子齿131的宽度比可为1：0.9；第一定子槽134的宽度与第一定子齿131的宽度比可为1：0.95。相应地，第二定子槽135的宽度与第二定子齿132的比可为1:0.95-0.85，第三定子槽136的宽度与第三定子齿133的比可为1:0.95-0.85。
第一定子齿131的宽度与转子齿121的宽度比为1:1.05-0.95。其中，第一定子齿131的宽度与转子齿121的宽度比可为1：1，即转子齿121的宽度与第一定子齿131的宽度相同，定子齿的宽度与转子齿121的宽度相同。第一定子齿131的宽度与转子齿121的宽度比可为1：0.95，即转子齿121的宽度小于第一定子齿131的宽度；第一定子齿131的宽度与转子齿121的宽度比可为1：1.05，即转子齿121的宽度大于第一定子齿131的宽度，并且转子齿121的宽度小于第一定子槽134的宽度。相应地，第二定子齿132的宽度与转子齿121的宽度比为1:1.05-0.95，第三定子齿的宽度与转子齿121的宽度比为1:1.05-0.95。
本实施例通过设置定子槽的宽度与定子齿的宽度比为1:0.95-0.85，定子齿的宽度与转子齿的宽度比为1:1.05-0.95，能够使得开关磁阻电机的电感曲线随着转子齿的位置呈三角波形变化，如图9所示，并且电感曲线的变化率大。
其中，转子12与定子11之间的气隙可为0.1mm～3mm，定子槽的宽度与转子齿121的宽度的差值为气隙的8-12倍，其中定子槽的宽度为定子槽的槽口宽度，转子齿121的宽度为转子齿121顶部的宽度。即第一定子槽134的宽度与转子齿121的宽度的差值为气隙的8-12倍，第二定子槽135的宽度与转子齿121的宽度的差值为气隙的8-12倍，第三定子槽134的宽度与转子齿121的宽度的差值为气隙的8-12倍。
更进一步，转子12和定子11之间的气隙为0.15mm～2mm，定子槽的宽度与转子齿121的宽度的差值可为气隙的10倍，即定子槽的宽度比转子齿121的宽度大1.5mm-20mm。其中，第一定子槽134的宽度、第二定子槽135的宽度和第三定子槽134的宽度均比转子齿121的宽度大1.5mm-20mm。
本实施所揭示的气隙可以为1mm，此时定子槽的宽度比转子齿121的宽度大10mm。
请进一步参见图8，图8是在开关磁阻电机的16个第一定子齿131和16个转子齿121位置错开时测量开关磁阻电机的磁力线，此时第一定子槽134尚未与转子齿121完全对齐，由于第一定子槽134和转子齿121之间的间隙较大，例如第一定子槽134的宽度比转子齿121的宽度大10mm。由于磁力线T不会纠缠交叉，并且在受到相邻的磁力线的挤压作用，该磁力线T只能通过当前第一定子槽134和转子齿121之间的间隙形成闭合回路，而该间隙非常大，因此磁阻大，导致A相绕组137产生的电感小。在第一定子槽134与转子齿121完全对齐时，无法检测到磁力线T。
本实施例的开关磁阻电机在正常工作时，A相定子组件的电感曲线如图9所示，该电感曲线呈三角波形变化。在转子齿121的中心与第一定子槽134的中心重合，即对应于第一电角度a1时，A相绕组产生的电感最小；在转子齿121的中心与第一定子齿131的中心重合，即对应于第二电角度a2时，A相绕组产生的电感最大，电感比可以达到21.25，而传统的三相开关磁阻电机的电感比只能达到2.5-4.5左右。由于开关磁阻电机的输出力矩电感比高意味大，电机的输出力矩就大，也即提高了电机的功率密度。
本实施例的定子齿的数量可为奇数，即第一定子齿131和第一定子槽134的总数为2N，其中N为自然数。因此第一定子齿131的数量和第一定子槽134的数量均可为奇数，能够避免齿谐波的自然谐振，例如第一定子齿131的数量为3，第一定子槽134的数量为3。相对比传统开关磁阻电机的定子齿的数量为偶数个，本实施例的开关磁阻电机能够根据不同的转速和不同力矩选择第一定子齿131的数量和第一定子槽134的数量，能够适应不同的场合，提高开关磁阻电机的实用性。
本发明提供第三实施例的开关磁阻电机，其在第二实施例的开关磁阻电机的基础上进行描述。如图10所示，本实施例中的转子齿121的齿尖设置有一削角123，削角123可以为弧形削角，该削角123的深度D小于0.8mm，削角123的长度L小于转子齿121的宽度；具体地，削角123的长度L小于转子齿121的宽度的1/3，能够大幅度减小电机的噪声。在其他实施例中，转子齿121的齿尖还可以设置为倒角，其中倒角的半径小于1mm。
本实施例的第一定子齿131、第二定子齿132和第三定子齿的齿尖结构与上述转子齿121的齿尖结构相同，不再赘述。
本发明提供第四实施例的开关磁阻电机，其在第一实施例的开关磁阻电机的基础上进行描述。如图11所示，开关磁阻电机进一步包括开关驱动电路21，开关驱动电路21连接直流电源Us和至少三个定子组件的绕组上，即开关驱动电路21连接直流电源Us、A相绕组、B相绕组和C相绕组上。
开关驱动电路21用于周期性依次在至少三个定子组件所对应的驱动阶段相绕组上施加驱动电流，至少三个定子组件的驱动时段的相位彼此错开，即在A相定子组件111的驱动阶段，开关驱动电路21在A相定子组件111施加驱动电流；在B相定子组件112的驱动阶段，开关驱动电路21在B相定子组件112施加驱动电流；在C相定子组件113的驱动阶段，开关驱动电路21在C相定子组件113施加驱动电流。相应地，A相定子组件111、B相定子组件112和C相定子组件113的驱动时段的相位彼此错开。
其中，开关驱动电路21进一步在至少三个定子组件对应的驱动时段后续的续流时段释放至少三个定子组件的绕组上存储的能量，以形成续流电流。即在A相定子组件111的驱动时段后续的续流时段，开关驱动电路21用于释放A相绕组上存储的能量，形成A相绕组的续流电流；在B相定子组件112的驱动时段后续的续流时段，开关驱动电路21用于释放B相绕组上存储的能量，形成B相绕组的续流电流；在C相定子组件113的驱动时段后续的续流时段，开关驱动电路21用于释放C相绕组上存储的能量，形成C相绕组的续流电流。
开关驱动电路21包括控制器23以及分别与至少三个定子组件对应的至少三个开关模块，每一开关模块分别包括第一开关管、第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管，其中第一开关管的第一连接端连接电源的正极、第一开关管的第二连接端连接对应的定子组件的绕组的第一端、第二开关管的第一连接端连接对应的定子组件的绕组的第二端，第二开关管的第二连接端连接电源的负极，第一续流二极管的正极连接对应的定子组件的绕组的第二端，第一续流二极管的负极连接电源的正极，第二续流二极管的正极连接电源的负极，第二续流二极管的负极连接对应的定子组件的绕组的第一端。其中，第一开关管和第二开关管与对应的定子组件的绕组串联连接。
具体地，开关驱动电路21包括控制器23、与A相定子组件111对应的第一开关模块24、与B相定子组件112对应的第二开关模块25以及与C相定子组件113对应的第三开关模块26。第一开关模块24包括第一开关管V1、第二开关管V2、第一续流二极管D1和第二续流二极管D2，第二开关模块25包括第一开关管V3、第二开关管V4、第一续流二极管D3和第二续流二极管D4，第三开关模块26包括第一开关管V5、第二开关管V6、第一续流二极管D5和第二续流二极管D6。
其中，至少三个定子组件所对应的驱动时段的相位差为2π/N，其中N为至少三个定子组件的数量。A相定子组件111的驱动时段和B相定子组件112的驱动时段的相位差为2π/3，即电角度120°，B相定子组件112的驱动时段和C相定子组件113的驱动时段的相位差为电角度120°。
如图12所示，本实施例A相定子组件111的驱动时段为电角度0°-120°，A相定子组件111的续流时段为电角度120°-180°；B相定子组件112的驱动时段为电角度120°-240°，B相定子组件112的续流时段为电角度240°-300°；C相定子组件113的驱动时段为电角度240°-360°，C相定子组件113的续流时段为电角度360°-420°。其中，各定子组件的续流时段与下一被驱动的定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠，即A相定子组件111的续流时段与B相定子组件112的驱动时段的相位部分重叠为120°-180°，B相定子组件112的续流时段与C相定子组件113的驱动时段的相位部分重叠为240°-300°。
在驱动时段，控制器23以脉宽调制方式同时控制第一开关管和第二开关管间歇性导通，由此调节驱动电流的大小。该脉宽调制方式可为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，在A相定子组件111的驱动时段时，控制器23通过PWM信号同时控制第一开关管V1和第二开关管V2导通或者关闭。控制器23在A相绕组产生的电感最小时发送PWM信号至第一开关管V1和第二开关管V2；在第一开关管V1和第二开关管V2同时导通时，直流电源Us在A相定子组件111施加驱动电流；在第一开关管V1和第二开关管V2同时关闭时，直流电源Us停止在A相定子组件111施加驱动电流，能够避免驱动电流过大。控制器23在A相绕组产生的电感最大时停止发送PWM信号至第一开关管V1，第一开关管V1关闭，A相定子组件111进入续流时段。在其他实施例，脉宽调制方式可以采用正弦波信号。
在续流时段，控制器23控制第一开关管持续关闭，并以脉宽调制方式控制第二开关管间歇性导通，由此调节续流电流的大小。在A相定子组件111的续流时段时，控制器23可以控制直流电源Us停止工作，A相绕组、第二开关V2和第二续流二极管D2形成回路，进而释放A相绕组上存储的能量。控制器23通过PWM信号控制第二开关管间歇性导通，以调节A相绕组的续流电流的大小。
如图13所示，开关磁阻电机进一步包括与开关驱动电路21连接的电流检测电路27，该电流检测电路27用于检测流经至少三个定子组件的绕组的电流总和，即电流检测电路27用于检测流经A相绕组、B相绕组以及C相绕组的电流总和，电流总和为i＝ia+ib+ic，ia为流经A相绕组的电流，ib为流经B相绕组的电流，ic为流经C相绕组的电流。
电流检测电路27包括具有一开口的环形铁芯271以及磁场传感器272，至少三个定子组件的绕组分别绕设在环形铁芯271上，磁场传感器272设置于环形铁芯271的开口处。其中，环形铁芯271可为C形铁芯，A相绕组、B相绕组以及C相绕组分别绕设在环形铁芯271上，以分别在环形铁芯271上形成线圈L1、线圈L2和线圈L3。各个定子组件的绕组在环形铁芯271上绕设的匝数相同，即线圈L1的匝数、线圈L2的匝数和线圈L3的匝数相同。其中，磁场传感器272可为线性霍尔电流传感器。本实施例的开关磁阻电机仅需要一个磁场传感器272检测流经A相绕组、B相绕组以及C相绕组的电流总和，因此减少传感器数量，降低开关磁阻电机的成本。在其他实施例中，电流检测电路27可以设置为采用磁平衡式电流传感器。
开关驱动电路21根据电流检测电路27所检测的电流总和i分别对各绕组的驱动电流和续流电流进行控制，以使得电流总和保持预设范围。具体地，开关驱动电路21根据电流总和i分别对A相绕组的驱动电流和续流电流、B相绕组的驱动电流和续流电流、C相绕组的驱动电流和续流电流进行控制，以使得电流总和i保持稳定。
在A绕组的续流时段，控制器23根据电流检测电路27所检测的电流总和i通过PWM信号同时控制第一开关管V3和第二开关管V4导通或者关闭，以直流电源Us在B相定子组件112施加驱动电流，并且电流总和i保持稳定，如图12所示。
B绕组在驱动时段和续流时段的工作原理和C绕组在驱动时段和续流时段的工作原理与A绕组在驱动时段和续流时段的工作原理相同，不再赘述。
本实施例的开关驱动电路21根据电流检测电路27所检测的电流总和i分别对各绕组的驱动电流和续流电流进行控制，以使得电流总和保持预设范围，因此本实施的开关磁阻电机具有伺服电机的特性；由于开关磁阻电机的输出力矩稳定，进而降低开关磁阻电机的力矩波动和噪音。
本发明提供第五实施例的开关磁阻电机，其于第四实施例的开关磁阻电机的不同之处在于：如图14所示，控制器23控制第一开关持续导通，并且以脉宽调制方式控制第二开关管间歇性导通，由此调节驱动电流的大小。即在A相定子组件111的驱动时段时，控制器23控制第一开关V1持续导通，通过PWM信号控制第二开关管V2间歇性导通。
本发明提供第五实施例的开关磁阻电机，其于第四实施例的开关磁阻电机的基础上进行描述：如图15所示，开关磁阻电机进一步包括与开关驱动电路21连接的位置传感器28，位置传感器28用于测量开关磁阻电机10中转子12与定子11之间的相对位置，以使得开关驱动电路21根据转子12与定子11之间的相对位置改变通电状态，即开关驱动电路21根据每一定子组件的最大电感和最小电感改变通电状态，以驱动开关磁阻电机工作。其中，位置传感器28包括磁编码器或者光编码器。
本发明提供一实施例的开关磁阻电机的电流的控制方法，本实施例的控制方法在第四实施例所揭示的开关磁阻电机的基础上进行描述。如图16所示，该控制方法包括：
S161：在驱动时段，通过控制器23同时控制第一开关管和第二开关管间歇性导通；或者控制第一开关管持续导通，并控制第二开关管间歇性导通，以调节绕组的驱动电流的大小；
S162：在续流时段，通过控制器23控制第一开关管持续关闭，并控制第二开关管间歇性导通，以调节绕组的续流电流的大小；
S163：根据电流总和i控制驱动电流和续流电流，以使电流总和i保持预设范围。
在步骤S161中，进一步通过控制器23控制至少三个定子组件所对应的驱动时段的相位差为2π/N，其中N为至少三个定子组件的数量。即A相定子组件111的驱动时段和B相定子组件112的驱动时段的相位差为2π/3，即电角度120°，B相定子组件112的驱动时段和C相定子组件113的驱动时段的相位差为电角度120°。
通过控制器23控制定子组件的续流时段与下一被驱动的定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠，其中定子组件的续流时段与下一被驱动的定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠为π/N。即A相定子组件111的续流时段与B相定子组件112的驱动时段的相位部分重叠为120°-180°，B相定子组件112的续流时段与C相定子组件113的驱动时段的相位部分重叠为240°-300°，如图12所示。
其中，在A相定子组件111的驱动时段时，通过控制器23以脉宽调制方式同时控制第一开关管V1和第二开关管V2导通或者关闭。即通过控制器23在A相绕组产生的电感最小时发送PWM信号至第一开关管V1和第二开关管V2；在第一开关管V1和第二开关管V2同时导通时，直流电源Us在A相定子组件111施加驱动电流；在第一开关管V1和第二开关管V2同时关闭时，直流电源Us停止在A相定子组件111施加驱动电流，能够避免驱动电流过大。
通过控制器23在A相绕组产生的电感最大时停止发送PWM信号至第一开关管V1，第一开关管V1关闭，A相定子组件111进入续流时段，进入步骤S162。
在步骤S162中，在A相定子组件111的续流时段时，通过控制器23控制直流电源Us停止工作，并且控制第一开关管V1持续关闭，并以脉宽调制方式控制第二开关管V2间歇性导通，以使A相绕组、第二开关V2和第二续流二极管D2形成回路，进而释放A相绕组上存储的能量，以调节A相绕组的续流电流的大小。
同时，通过控制器23控制B绕组的第一开关管V3和第二开关管V4导通或者关闭，以直流电源Us在B相定子组件112施加驱动电流，其中，通过步骤S161的控制方式控制B绕组的第一开关管V3和第二开关管V4，在此不再赘述。
在步骤S163中，通过开关驱动电路21从电流检测电路27获取电流总和i，并且根据电流总和i控制驱动电流和续流电流，以使电流总和i保持预设范围。其中控制驱动电流的方法可采用步骤S161，控制续流电流的方法可采用步骤S162。
本实施例的脉宽调制方式可以为方波脉宽调制或者正弦波脉宽调制。其中，上述实施例的PWM信号为方波脉宽调制。
在本发明中，A相绕组产生的电感最小，具体可为转子齿121与第一定子槽134完全对齐时；A相绕组产生的电感最大，具体可为转子齿121与第一定子齿131完全对齐时。
本实施例由于前一相在续流时段，导通相在驱动时段，即A相绕组在进入续流时段时，B相绕组在进入驱动时段；A相的续流电流和B相的驱动电流之和保持恒定，因此开关磁阻电机的电流波动小，即开关磁阻电机的电流总和波动小，进而力矩的波动小。由于前一相的续流电流较大，而导通相的驱动电流较小，即A相的续流电流较大，B相的驱动电流较小；因此导通相的绕组所产生的磁场强度弱，即B相绕组所产生的磁场强度弱，进而减小噪声。
本发明还提供一种车轮，该车轮采用开关磁阻电机驱动，而该开关磁阻电机为如前实施例中所述的开关磁阻电机。
优选地，该车轮可以包括轮毂式开关磁阻电机，即利用轮毂式开关磁阻电机驱动，该轮毂式开关磁阻电机为外转子内定子的电机结构。
进一步地，本发明还提供一种电动车，该电动车可以为电动汽车、电动摩托车或者电动自行车等。该电动车为纯电动或混合动力车，该电动车的车轮采用开关磁阻电机驱动，该开关磁阻电机也为如前实施例中所述的开关磁阻电机。优选的，该电动车的驱动轮可采用上述实施例中的车轮结构，即车轮包括轮毂式开关磁阻电机，利用轮毂式开关磁阻电机驱动车轮转动。
需要说明的是，本发明实施例提供的开关磁阻电机的应用场景不限于电动汽车，还可以作为船舶、大型机械等驱动用电机。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上对本发明实施例所提供的开关磁阻电机及电动车和车轮进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (16)

1.一种开关磁阻电机的电流的控制方法，其特征在于，所述开关磁阻电机包括定子、开关驱动电路以及电流检测电路，其中所述定子设置有至少三个定子组件，所述至少三个定子组件分别包括绕组，所述电流检测电路用于检测流经所述至少三个定子组件的所述绕组的电流总和，所述开关驱动电路包括控制器以及分别与所述至少三个定子组件对应的至少三个开关模块，每一所述开关模块包括与对应的所述定子组件的绕组串联的第一开关管和第二开关管，所述控制方法包括：
在驱动时段，通过所述控制器同时控制所述第一开关管和第二开关管间歇性导通；或者控制所述第一开关管持续导通，并控制第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的驱动电流的大小；
在续流时段，通过所述控制器控制所述第一开关管持续关闭，并以控制第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的续流电流的大小；
根据所述电流总和控制所述驱动电流和所述续流电流，以使所述电流总和保持在预设范围。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括：
通过所述控制器控制所述至少三个定子组件所对应的所述驱动时段的相位差为2π/N，其中所述N为所述至少三个定子组件的数量。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括：
通过所述控制器控制所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠为π/N。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在所述驱动时段时，所述驱动时段长为2π/3；在所述续流时段时，所述续流时段长为π/3。
6.一种开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机包括定子、开关驱动电路以及电流检测电路，其中所述定子设置有至少三个定子组件，所述至少三个定子组件分别包括绕组，所述电流检测电路用于检测流经所述至少三个定子组件的所述绕组的电流总和，所述开关驱动电路包括控制器以及分别与所述至少三个定子组件对应的至少三个开关模块，每一所述开关模块包括与对应的所述定子组件的绕组串联的第一开关管和第二开关管；其中：
在驱动时段，所述控制器同时控制所述第一开关管和第二开关管间歇性导通；或者控制所述第一开关管持续导通，并控制所述第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的驱动电流的大小；
在续流时段，所述控制器控制所述第一开关管持续关闭，并控制第二开关管间歇性导通，以调节所述绕组的续流电流的大小；
所述开关驱动电路进一步根据所述电流总和控制所述驱动电流和所述续流电流，以使所述电流总和保持预设范围。
7.根据权利要求6所述的开关磁阻电机，其特征在于，每一所述开关模块进一步包括第一续流二极管和第二续流二极管，其中所述第一开关管的第一连接端连接所述电源的正极、所述第一开关管的第二连接端连接对应的所述定子组件的所述绕组的第一端、所述第二开关管的第一连接端连接对应的所述定子组件的所述绕组的第二端，所述第二开关管的第二连接端连接所述电源的负极，所述第一续流二极管的正极连接对应的所述定子组件的所述绕组的第二端，所述第一续流二极管的负极连接所述电源的正极，所述第二续流二极管的正极连接所述电源的负极，所述第二续流二极管的负极连接对应的所述定子组件的所述绕组的第一端。
8.根据权利要求6所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述控制器控制所述至少三个定子组件所对应的所述驱动时段的相位差为2π/N，其中所述N为所述至少三个定子组件的数量。
9.根据权利要求8所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述控制器控制所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠。
10.根据权利要求9所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述定子组件的续流时段与下一被驱动的所述定子组件的驱动时段的相位至少部分重叠为π/N。
11.根据权利要求6所述的开关磁阻电机，其特征在于，在所述驱动时段时，所述驱动时段长为2π/3；在所述续流时段时，所述续流时段长为π/3。
12.根据权利要求6所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机进一步包括转子，所述至少三个定子组件沿所述定子的轴向分段设置，每一所述定子组件进一步分别包括沿所述定子的周向周期性设置且由定子槽彼此间隔的多个定子齿，所述绕组绕设于所述定子齿上，其中所述至少三个定子组件的定子齿沿所述定子的周向依次错开预设角度。
13.根据权利要求12所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述至少三个定子组件的定子齿的数量和宽度相同，所述预定角度为T1/N，其中所述T1为所述定子齿的角度周期，所述N为所述至少三个定子组件的数量。
14.根据权利要求6所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述电流检测电路包括具有一开口的环形铁芯以及磁场传感器，所述至少三个定子组件的所述绕组进一步分别绕设于所述环形铁芯上，所述磁场传感器设置于所述环形铁芯的开口处。
15.一种车轮，其特征在于，所述车轮采用轮毂电机驱动，所述轮毂电机为权利要求6-14任一项所述的开关磁阻电机。
16.一种电动车，其特征在于，所述电动车为纯电动或混合动力车，所述电动车包括如权利要求6-14任一项所述的开关磁阻电机。
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