CN114467252B

CN114467252B - 线圈剩余能量捕获系统

Info

Publication number: CN114467252B
Application number: CN202180004746.8A
Authority: CN
Inventors: 蓝·哥登
Original assignee: Lan Gedeng
Current assignee: Lan Gedeng
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2024-02-06
Anticipated expiration: 2041-05-04
Also published as: AU2021281698B2; WO2021237272A1; CN114467252A; AU2021281698A1; US20220376644A1

Abstract

节能和可持续发展已成为当今各个行业的热门话题。对比具有可靠固定电源的应用来说，电动车辆的电动运输应用始终追求更高的能量效率。因此，已经进行了大量的研究和开发工作来追求能量效率，诸如重新设计电动机本身和/或使用电子技术。本发明利用电子技术来追求更高的效率。为了证明这种思路和解决方案，为此建立了用2相和3相PMBLDC电动机的2个样机。它们揭示了从电枢捕获剩余能量并将其送回可充电电源而不影响由开关方式驱动的电动机的运行的方法。实施简单且价廉。通过回收剩余能量，延长了电池系统的运行时间，实现了更高的能量效率。在经济和环境领域，效益巨大，且不限于这些领域。

Description

线圈剩余能量捕获系统

技术领域

本发明涉及通过在电动机运行的同时从电线圈、即电枢，捕捉剩余能量并将其送回到可充电电源来提高电动机的能量效率。这样，可以节能并延长电源运行时间。大量工作已经实施来提高效率，如新设计电动机本身和/或使用电子技术。本发明属于实现更高效率的电子技术。

背景技术

电动机无处不在！几乎所看到的所有机械运动主要都是由AC（交流）或DC（直流）电动机来驱动的。

电动机都是关于磁体和磁性的：电动机使用磁体来产生运动。所有磁体的基本定律是：吸引或排斥。如果具有两个磁棒，其端部标记为“北”和“南”，那么北端将吸引南端，反之亦然。在电动机内部，交替这些吸引和排斥产生旋转运动。

本发明涉及永磁无刷直流（PMBLDC）电动机。在电动机内部，电枢用于产生电磁体，并且其北极和南极取决于流过其线圈的电流的方向。另一方面，场磁体是永磁体（根据应用，场磁体也可以是电磁体）。

为了保持转子旋转，电枢需要通过改变电流的方向（这被称为换向）产生旋转磁场，以拉动转子的一侧，同时推动另一侧。换向可以机械地、利用电刷附接到转子或者电子地进行。后者（无刷）广泛用于现代电动机换向系统中。

换向基本上是对电枢中的一组绕组进行系统地开关通电，使得磁场在一个方向上逐步旋转，步长越小，旋转越平滑。根据物理学定律，以这种开关驱动方式在电枢中生成两种反电动势（BEMF）：一种是由于定子与转子之间的相对运动生成；而另一种是由于突然切断绕组中的电流生成，这种驱动是通过PWM进行的。前者由互感引起，而后者则由电枢绕组内的自感引起。BEMF的这两个分量都是基于物理学上的相同原理（即电枢中变化的磁通量）生成。两者感应的BEMF始终对抗电枢中的磁通量的变化。尽管如此，它们在波形和时间出现方面是不同的。首先，由互感生成的波形在绕组中表现为平滑的正弦波形。通常，其振幅低于电源电压，除非电动机由诸如惯性力或制动力的外力驱动（此时，电动机成为发电机，这在本发明中不涉及）。另一方面，绕组中自感生成的波形在切断电流的瞬间以电压的高尖峰出现。换言之，它以数字形式而不是连续波形出现的。这就是本发明的兴趣所在，我们称其为电枢中的剩余能量，在整个上下文中也称为BEMF。高电压尖峰由于绕组中磁通量的突然崩塌而引起。峰值电压可能比电源电压高出几倍。如果不加以控制或抑制，则可能导致但不限于系统中的损害，诸如在触点处导致电弧、降低系统寿命、生成干扰、损坏电子电路。

BEMF是一种物理现象，无法被消除，但是可以被控制以防止损坏，或者对于某些特定应用是期望的，开关式电源（SMPS）就是这种应用的一个典型示例。在电动机应用中，该BEMF是不期望的，并且需要防止。抑制BEMF的目的是防止出现高电压尖峰并以可控方式耗散剩余能量。这种防止在大电流应用中是至关重要的。有许多方法来实施这一点，其中一种方法是简单地连接与绕组反向偏置并联的所谓续流二极管。当连接电源电压时，二极管被反向偏置并且有效地脱离电路。当开关断开时，崩塌的磁场产生相反极性的BEMF，因此使二极管导通。换言之，反向偏置的二极管提供了供电流继续遵循的回路。二极管在抑制BEMF方面做得非常有效，并且将电压箝位到大约一伏左右。因为正向电压降为大约一伏，所以二极管所耗散的功率低。因此，大部分功率以热的方式耗散在电枢的绕组中。

显然，断电时段期间绕组中的剩余能量既无助于操作也是不期望的，换言之，剩余能量是运行电动机的副产物。另外，剩余能量有损于系统。

现在，本发明将BEMF变为有用，同时消除损坏系统的风险。

首先，查看可以捕获多少BEMF的能量。从物理学可知，存储在绕组中的能量为：

其中，E是以焦耳为单位的能量，L是以亨利为单位的电感，I是以安培为单位的电流。在绕组中存储的能量的量是刚好在开关断开之前的时刻的能量的量。处理线圈中电流的一种简单方法是记住电流无法迅速改变，电感越高，改变越慢。换言之，尽管电回路断开，电流仍将保持在线圈内部流动。这就是本发明要捕捉的剩余能量。

在绕组中存储的能量与电感和电流的平方成比例，这意味着电流是主导因素。因此，高电流应用比低电流应用产生更多的这种副产物。许多工业应用具有高达数百或数千安培的高电流，这意味着涉及更多的能量。例如，比方说100 mH且电流为100 A的绕组，在绕组中存储的能量将为500焦耳，这仅仅是在一个换向周期，由此可见这是一个大浪费。如果可以找到一种方法来捕获绕组中的剩余能量并且重新使用（或者送回电源以延长供电或者送到其他可充电电源），则显然效益巨大。这在电动车辆应用中变得至关重要。带着这种思路，发明人好奇且不知疲倦地想出了这种创新的方法，因为电枢中的这种能量可被捕获并累积到能量存储装置中并再次送回到电源。

图1中示出了操作思路。电源（1）驱动PMBLDC电动机（2）；电路（3）捕捉BEMF能量并传递到存储装置（4）；当达到阈值时，控制器（7）命令开关导通，并将存储的能量传递到可充电电池（6）或返回到电源（1）。

现在，查看使用电容器的能量存储侧。从物理学可知，存储在电容器中的总能量为：

其中，E是以焦耳为单位的能量，C是以法拉第为单位的电容，V是电容器中的伏特。例如，在值为10000 uF的10伏的电容器中存储的总能量是5焦耳。在电容器中存储的能量与电容器中的电容和电压的平方成比例。电压是所存储能量的主导因素。本发明的目标是在断电时段期间捕获BEMF能量并将其送回电源，而既不影响电动机的正常操作，也不从电源汲取额外的能量。这样，本发明的电路可以真正回收BEMF能量并延长电源的运行时间，实现更高的效率。

发明内容

节能和可持续发展已成为当今各个行业的热门话题。对比具有可靠固定电源的应用来说，电动移动应用（诸如电动车辆）始终追求更高的能量效率。因此，已经在各个方面（诸如电动机结构设计和/或电子技术）进行了大量的研究和开发工作来提高能量效率。本发明揭示了利用电子技术从电枢捕获剩余能量并将其送回可充电电源的方法。简而言之，本发明的系统就像位于漏水管下面的桶，收集漏水并在桶满时倒回到蓄水池。本发明以使用2相和3相PMBLDC电动机的2个样机为例揭示了思路和可行解决方案。通过回收剩余能量，延长了电池系统的运行时间，实现了更高的能量效率。在经济和环境领域，效益巨大，本发明申请的PMBLDC电动机可以是在电动车辆（诸如电动自行车、小型摩托车和汽车）中使用的电动机，但不限于这些领域。

附图说明

将参考附图更详细地描述本发明的实施例，从附图中可以取得另外的特征、实施例和优点。所有波形图都不是按比例，而是用于定性分析的目的。

图1是与本发明的系统协作的功能图，系统包括：电源电池（1）；电动机（2）；剩余能量捕获器（3）；能量存储装置（4）；能量传递开关（5）；接收可充电电池（6）；以及控制器（7）。

图2是与本发明的电路协作的2相PMBLDC电动机的示意图。

图3是2相PMBLDC电动机的MOSFET（M1、M2）的栅极端子上的电压波形和BEMF。

图4是与本发明的电路协作的“Y”形配置的3相PMBLDC电动机的示意图。

图5是“Y”形配置的3相PMBLDC电动机的6步驱动序列及其关联的BEMF波形。

图6是示出了充电操作的输出级波形。

具体实施方式

图1中示出了该创新的功能操作。电源（1）驱动电动机（2）。这到目前为止是简单的。在电动机（2）运行时，连接到电动机（2）的绕组的捕获部件（3）捕获剩余能量并传递到存储装置（4）。控制器（7）监测存储装置（4）中的能量水平，并且根据设置的滞后来命令开关（5）导通，从而将部分能量传递到可充电电源（6）或电源（1）。该滞后对于避免开关（5）的不稳定操作是重要且必要的。所存储的能量有两种选择：传递到电源（1）或传递到接收电池（6）。

为了以实用的方式实施如上思路，作为第一示例，已经使用流行的2相PC PMBLDC电动机低侧驱动来构建样机，以证明图2所示的思想。

使用6 W和12 V规格的PC PMBLDC电动机来模拟运行的电动机。该PC PMBLDC电动机的结构是具有永磁体的外转轮型转子，并且定子具有4个磁极，这些磁极缠绕有4个线圈，2个线圈串联连接，这形成绕组（L1、L2）。绕组（L1、L2）的一端一起连接到电源，而另一端连接到MOSFET（M1、M2）的D管脚。一些电动机可以具有与绕组（L1、L2）连接的反向偏置续流二极管。在这种情况下，只需要将现有二极管的阴极重新连接到电容器（C1），如图2所示。

图3例示了与MOSFET（M1、M2）有关的输出波形，并且BEMF出现在MOSFET（M1、M2）的漏极端子处。上面的两条迹线是栅极端子处的电压，而底部的迹线是所产生的BEMF。BEMF在MOSFET（M1、M2）截止的时刻以高尖峰电压出现。如果这些电压尖峰不受控制，那么系统可能被损坏。续流二极管（D1、D2）连接到存储电容器（C1），该电容器吸收突发能量并将电平平滑到电容器（C1）处的电压。这种配置达到一举多得的目的。

该PC PMBLDC电动机的正常操作为：通过从内置有霍尔传感器的现有电路生成的脉冲序列驱动MOSFET（M1、M2），从而仅为绕组（L1、L2）通电，因此电流在绕组（L1、L2）中流动。MOSFET（M1、M2）以所谓的“先断开后导通”方式操作，以避免混淆状态，这已由现有电路完成。到目前为止，与在图2中的PC风扇侧看到的普通的PC PMBLDC电动机操作和驱动电路没有差别。

现在，查看本发明电路侧。如所看到的，本发明充当电动机运行系统的便携式装置。如图3所示，续流二极管（D1、D2）连接到存储电容器（C1）和绕组（L1、L2）。电压比较器（U1）监测电容器（C1）处的电压，并且一旦达到电容器（C1）中的阈值电平就将变为“高”，以驱动晶体管（Q1）导通。这又驱动P沟道MOSFET（M3）将存储在电容器（C1）中的电能传递到可充电电池（V2）。存储电容器（C1）中要传递到电池（V2）的能量部分由利用一对电阻器（R3、R4）设置的滞后确定。当电容器（C1）处的电压降到阈值电平以下时，比较器（U1）将变为“低”，从而关断晶体管（Q1），这样做使得P沟道MOSFET（M3）将可充电电池（V2）与系统隔离。该对电阻器（R1、R2）形成分压器，以供连接到反相管脚的参考（Ref）与之比较。二极管（D3）将防止电流从接收电源（V2）流回到系统。

在电动机最初开始运行时，将有额外的电流被汲取以对存储电容器（C1）充电。然而，与电动机的长期运行相比，忽略该额外的汲取。一种解决方案是通过其它手段有意地保持存储电容器（C1）处的电压高于电源电压。

接下来，图5示出了该剩余能量回收系统的三个输出波形的操作，顶部迹线是充电到可充电电池电源（V2）的电压，中间迹线是电容器（C1）的电压电平，并且下部迹线是比较器（U1）的输出波形。在该系统的充电周期期间，对可充电电池电源（V2）进行脉冲充电，并且电容器（C1）的电压电平在滞后间隙内变化。

为了扩展对其它类型电动机的覆盖，作为另一示例，已经使用流行的PMBLDC 3相电动机构建了第二样机来证明适用性，这在图4上示出。该PC 3相PMBLDC电动机的结构也是具有永磁体的外转轮型转子，并且定子具有6个磁极，这些磁极缠绕有6个绕组，该6个绕组成对为3个，从而形成彼此分开120°的绕组（L1-L3）。接线连接为“Y”形，并且由3个半桥电路所生成的6步波形驱动。与第一示例相同，系统被分成两部分，即现有的3相电动机驱动系统和便携式发明电路。像往常一样，不需要关注3相电动机部分，而是将现有的电子控制系统保留原样。

现在，分析该3相电动机上的操作。参考图5，总是有两个绕组通电，而一个绕组处于用“/”标记的浮动状态，此时，BEMF发生并将被6个二极管（D1-D6）中的一个二极管捕获。二极管（D1-D6）被配置为3相全桥整流器，该整流器将交替的BEMF波形转换为DC，以供电容器（C1、C2）存储，参见图5。电容器（C1、C2）串联连接，并且它们的公共端连接到三个绕组（L1-L3）的公共电路点（公共端）。其余配置与第一示例中提及的2相PMBLDC电动机配置完全相同。

现在，转到本发明的过程，参考示意图图4，在开始时，电路点（U）为高而电路点（W）为低，并且电路点（V）浮动。在步骤1中，电流从电路点（U）流到电路点（W），从而为绕组（L1、L2）通电。在步骤2中，电路点（W）浮动，V为低，现在电流从U流到V，从而为绕组（L1和L3）通电。同时，中断绕组（L2）中的电流，并且感应的BEMF使二极管（D3）导通，从而对电容器（C1）充电，并且电流返回到电路点（公共端），从而形成供剩余电流继续遵循的闭合回路。当电流流出绕组并返回到电路点（公共端）时，其它绕组遵循与绕组（L2）相同的方式对电容器（C1）充电，从而对电容器（C1）充电。当电路点（U、V、W）从低状态转变到浮动状态时，发生电流流出绕组（L1-L3）的情况。感应的BEMF经由二极管（D1-D3）对电容器（C1）充电。

现在，查看电流流入绕组的情况。在步骤3中，电路点（U）浮动，绕组（L1）中的电流由于BEMF而继续流入电路点（公共端）中，从而经由二极管（D4）对电容器（C2）充电，并返回到电路点（U）。具有流入的电流的其他绕组分别经由D5和D6对C2充电，返回到电路点（W、V）。当电路点（U、V、W）从高状态转变到浮动状态时，发生电流流入绕组（L1-L3）的情况。感应的BEMF经由二极管（D4-D6）对电容器（C2）充电。可以看到，电容器（C1、C2）每转充电3次。电容器（C1、C2）串联连接，作为电容器（C1、C2）处的电压之和的电压输出连接到用电阻器（R1、R2）形成的分压器。其余配置和操作与第一示例完全相同。

所有这些配置具有相同的特征（简单、成本低且易于实施），可以被设计为便携式单元或集成到现有系统中。另外，这些配置既不影响电源也不从电源汲取额外的能量；因为它们在绕组的电气回路与电源断开时执行回收功能。此外，当电动机系统变为发电机（通过机械运动力（诸如惯性力）发生）时，系统也可以通过电枢中的互感捕捉电能，只要BEMF电压高于电源电压即可。从充电电池的观点来看，这是一种明显的脉冲充电方法。众所周知，脉冲充电方法具有优于恒定充电方法的优点。

Claims

1.一种线圈剩余能量捕获系统，包括：

捕获单元，其被配置为当由脉宽调制（PWM）驱动的电线圈与电源断开时捕获自感BEMF（SBEMF）能量, 自感BEMF（SBEMF）是电线圈中的剩余能量；能量存储单元，其被配置为累积所述SBEMF能量；开关单元，其被配置为将所述能量存储单元所存储的能量的一部分输出到可充电电源；以及控制单元，其被配置为将累积电压电平与阈值电平进行比较，通过预设的滞后量来控制所述开关单元将所述存储单元中的所述能量的所述部分传输到可充电电源。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电线圈处于由PWM信号控制的低侧驱动方式，其中，所述捕获单元包括二极管，所述二极管被配置为其阳极连接到所述电线圈，而其阴极连接到所述能量存储单元，以此捕获所述SBEMF能量，同时防止从所述存储单元到所述电源的回流。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述二极管同时执行两项功能，即，抑制在断开电力时段期间由所述线圈中的所述SBEMF能量引起的高电压尖峰，同时将所述SBEMF能量捕捉到所述存储单元。

4.根据前述权利要求2或3所述的系统，其中，与所述二极管具有相同配置的二极管应用于多个线圈中的每个线圈，只要所述二极管处于通过PWM信号控制的低侧驱动方式即可。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量存储单元包括电容器，其被配置为使其正端子连接到所述二极管的阴极端子并使其负端子接地，以累积所述SBEMF能量。

6.根据权利要求2所述的系统，适应所述线圈为由3个半桥驱动的“Y”形的情况，所述半桥包括由PWM信号控制的6个开关组，其中，所述捕获单元包括3对串联连接的二极管，并且所述二极管的公共端连接到“Y”的各个端子，而其阳极和阴极连接在一起，从而形成分别连接到所述存储单元的正端子和负端子的两个阳极点和阴极点，同时，其中，所述存储单元包括串联连接的两个电容器，所述两个电容器的公共端连接到“Y”的所述公共端，并且所述电容器的正端子连接到所述捕获单元的所述阴极，负端子连接到所述捕获单元的所述阳极，这样在所述线圈的“Y”形配置中捕捉所述SBEMF能量的全波，从而获得更高的捕捉效率。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关单元包括开关部件，其是MOSFET、晶体管或可控开关。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元包括电压比较器，其是运算放大器，以根据计算的滞后量来控制所述开关单元将所述能量存储单元存储的能量的一部分传递到可充电电源，以此来执行有别于低电流恒定充电方法的高电流脉冲充电操作，从而实现有效充电结果，并且防止电力从所述可充电电源回流。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述电线圈是具有至少2相的电动机的电枢，其中，PMBLDC电动机被配置为由PWM信号低侧驱动。

10.根据权利要求1或6所述的系统，其中，所述电线圈是被配置为“Y”形的3相PMBLDC电动机的电枢，由PWM信号控制的3个半桥驱动。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述PMBLDC电动机是在电动车辆中使用的电动机。