CN118214226A - 电机控制装置、电机控制方法以及换向器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制装置、电机控制方法以及换向器。电机包括：轴，其插通设置于所述电机；磁体，其产生磁场；线圈绕组，其能够绕所述轴而相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；导电组件，其连接于外部设备；以及换向器，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变。所述换向器包括压电开关。对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。

Description

电机控制装置、电机控制方法以及换向器

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及利用压电开关实现电机内部电流方向切换的新型的电机控制装置、电机控制方法以及换向器。

背景技术

直流电机是人类最早出现的电机。直流电机通过电刷或换向器将线圈绕组产生的交流电转换为连续变化方向的直流电输出，以适应直流电机的工作原理。

另外，目前广泛使用的交流电机需要设置逆变器、由电刷和滑环组成的换向器等，才能输出直流电输出。

发明内容

发明所要解决的问题

现有的换向器中，电刷和滑环在长期运行中磨损严重，维护成本高且寿命有限；而采用逆变器等半导体电子装置虽可改善磨损问题，但其体积、重量及成本限制了其在特定技术领域的应用潜力，尤其是对于电压击穿性能要求较高的场合，传统解决方案难以满足需求。

另外，在特定技术领域(例如储能领域、航空航天领域等)，交流电机因具备逆变器、电刷和滑环等而难以减轻重量，而且沉重的逆变装置对于直流交流并行的电力系统也存在负担。

本发明旨在解决传统直流电机和交流电机中因使用电刷和滑环的磨损问题，并解决半导体微电子控制技术在重量、成本和电压耐受性方面的局限性，以满足储能领域与航空领域对轻量化、高效能电机控制系统的需求。

用于解决问题的方案

本发明的一方面涉及一种电机控制方法，用于控制电机中的电流方向，所述电机包括：轴，其插通设置于所述电机；磁体，其设置在所述轴的周向，并且产生磁场；线圈绕组，其设置在所述轴的周向，能够相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；导电组件，其连接于外部设备；以及换向器，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变，所述电机控制方法的特征在于，所述换向器包括压电开关，对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。

本发明的另一方面涉及一种电机控制装置，用于控制电机中的电流方向，所述电机包括：轴，其插通设置于所述电机；磁体，其设置在所述轴的周向，并产生磁场；线圈绕组，其设置在所述轴的周向，能够相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；导电组件，其连接于外部设备；以及换向器，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变，所述电机控制装置的特征在于，所述换向器包括压电开关，对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。

本发明的另一方面涉及一种换向器，用于在电机中控制电流方向，所述电机包括：轴，其插通设置于所述电机；磁体，其设置在所述轴的周向，并产生磁场；线圈绕组，其设置在所述轴的周向，能够相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；导电组件，其连接于外部设备；以及所述换向器，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变，所述换向器的特征在于，所述换向器包括压电开关，对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。

发明的效果

本发明涉及的电机控制装置、电机控制方法以及换向器适用于各种类型的电机，无需现有的电刷、滑环，有效地解决了磨损问题，能够降低重量从而实现轻量化和小型化。根据本发明的技术，通过对压电元件施加电力来实现对电流方向进行高速切换，能够更加准确且稳定地控制电流方向，也能够方便灵活地实现电流方向的切换。

说明书中的记载仅是示例性和解释性的，并不限制本发明的保护范围。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些示意性的例子，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。

图1是用于说明压电元件动作原理的图，图1的(a)示出在正压电效应情况下的情形，图1的(b)示出在逆压电效应情况下的情形。

图2是用于说明一种压电开关的概要结构和动作原理的图。

图3是用于说明另一种压电开关的概要结构和动作原理的图。

图4是现有的盘式电机内部的概要结构示意图。

图5是用于说明本发明的实施例1涉及的轴向磁通电机的工作原理图，图5的(a)、(b)分别示出线圈绕组切割磁场时的不同情形。

图6是实施例1涉及的盘式电机的线圈绕组的概要结构示意图。

图7是示出实施例1涉及的电机1a的几种概要结构的示意图，图7的(a)、(b)、(c)、(d)分别示出不同的装配样态。

图8是现有的鼠笼电机的概要结构示意图。

图9是示出本发明的实施例2涉及的鼠笼电机的概要结构示意图。

图10是为了说明本发明的换向器的工作原理而将线圈绕组展开后的示意图。

附图标记说明

1(1a、1b)：电机；2：轴、3：磁体；4：线圈绕组；4T：连接部；4L：左臂；4R：右臂；41(41L、41R)：接电构件；411(411LA、411LB、411RA、411RB)：接电端子；5：导电组件；51：导电路径；52(52A、52B)：导电环；6：换向器；61(61LA、61LB、61RA、61RB)：压电开关；611：压电元件。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。而且，在以下的说明中，对于同一构件标注同一附图标记，对于已经说明过的构件适当省略其说明。

<基础原理>

参照图1说明基础原理。如图1所示，压电效应是一种材料物理现象，表现为电能与机械能之间的相互转换，图1的(a)示出在正压电效应情况下的情形，图1的(b)示出在逆压电效应情况下的情形。如图1的(a)所示，在正压电效应的情况下，某些材料在受到外加机械应力(如拉伸、压缩或弯曲)时会产生内部的电极化现象，并因此在材料两端形成可测量的电压。如图1的(b)所示，在逆压电效应的情况下，当对具有压电特性的材料施加电压时，材料会发生形变。

在本发明所涉及的电机控制技术中，换向器使用了包括压电元件的压电开关。这里的压电元件利用逆压电效应原理，即通过向压电元件施加电力使压电元件发生形变从而压电开关会接通和断开，进而实现对电机线圈绕组中电流方向的切换。具体而言，在电机工作过程中，通过对压电元件进行精确控制的电信号输入，可以使得压电元件产生预定的形变，从而改变连接于其上的线圈绕组电流方向，以满足电机正常运转所需的电流换向需求。

<压电开关>

作为利用压电材料的逆压电效应工作的电子开关，压电开关种类繁多，在此仅举出两个例子进行说明，本发明对压电开关的类型没有特别限定。

1.压电陶瓷驱动式压电开关

图2示出这类压电开关的概要结构和工作原理的图，左部示出压电开关的接通状态，右部示出压电开关的断开状态。引线62的一端连接于压电元件的感应层，从引线62的另一端输入电力，来控制压电元件的形变。

结构：这类压电开关通常包括压电元件、具有挠性的延伸臂、在延伸臂的远端设置的触点。延伸臂夹持压电元件，并且对压电元件施加预制应力。

工作原理：在没有向压电元件施加电力的情况下，在延伸臂的远端设置的触点接触，压电开关为接通状态。在向压电元件施加电压的情况下，压电元件会发生形变而整体伸长，从而使压电开关的延伸臂向使触点分离地方向发生挠性形变，因此在延伸臂的远端设置的触点分离，压电开关断开。

需要说明的是，此处的压电元件为压电陶瓷件，此处的压电元件发生形变为长度增长，由延伸臂对压电元件施加预制应力，但并不仅限于此。也可以是，增加弹性元件(例如，线圈绕组弹簧、板簧等)，来施加预制应力。如果在向压电元件施加电力时，压电元件因逆压电效应而发生形变，利用这种形变来使压电开关的触点接触和分离，就能够实现使压电开关进行接通和断开的目的。

2.金属框架内设置压电元件的压电开关

图3示出这类压电开关的概要结构和工作原理的图，左部示出压电开关的接通状态，右部示出压电开关的断开状态。图3中省略了引线的图示。

结构：这类压电开关通常由大致环形的金属框架、压电元件和触点组成。金属框架的中央为用于设置压电元件的中空部分，左右两侧设置有触点。压电元件安装于金属框架的中空部分，在呈大致环形的金属框架竖立放置的情况下从与环形所在平面正交的方向观察时，压电元件的能够因逆压电而发生形变的方向(形变方向)为金属框架的上下方向，压电元件的形变方向与左右两侧的触点的排列方向正交。

工作原理：在没有向压电元件施加电力情况下，两侧的触点之间的间距D为初始间距D0。压电元件在形变方向的长度L为初始长度L0。在对压电元件施加电力情况下，压电元件的长度L增长成为加电长度L1，L1＞L0。由于压电元件的长度L增长，呈大致环形的金属框架发生形变，在上下方向拉伸而在左右方向收缩，因而在金属框架的左右两侧设置的触点之间的间距D缩短成为加电间距D1，D1＜D0。

需要说明的是，此处说明的使压电元件的形变方向与触点的排列方向正交，但并不仅限于此。也可以是，压电元件的形变方向与触点的排列方向一致，即，将压电元件沿左右方向设置。在没有向压电元件施加电力的情况下，压电元件不发生形变，触点分离，压电开关断开。在向压电元件施加电力的情况下，压电元件因逆压电效应而发生形变，长度增长，因而触点接触，压电开关接通。

也就是说，可以通过改变压电开关的设计结构，使得在压电元件因逆压电效应而长度增长时使触点接触或分离，从而使压电开关接通或断开。关于对压电元件的控制，在后详细说明。

【电流控制装置】

以下，举出实施例1、实施例2来说明本发明的技术适用于不同种类的电机时的结构。应当明确，所描述的实施例是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明的技术方案也可以应用于除盘式电机、鼠笼电机以外的其它类型电机。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明实施例保护的范围。

实施例1

本实施例以轴向磁通电机(盘式电机)为例，说明利用具有压电开关的换向器对电机的电流进行控制的装置。轴向磁通电机的特点是磁场沿电机轴线方向分布，从而在垂直于轴的方向上产生较大的力矩。由于轴向磁通电机具有较高的空间利用率和扭矩密度，因此，在需要高功率密度、大扭矩输出的应用场合，如风力发电、电动汽车驱动系统等领域得到了广泛应用。

图4是现有的轴向磁通电机的内部概要结构图，为了便于观察，省略了轴和换向器等。在现有的轴向磁通电机中，线圈绕组与转轴的连接方式是直接连接。由于轴向磁通电机的结构特点，线圈绕组和轴通常是一体的，也就是说，线圈绕组直接缠绕在转轴上，与转轴直接连接。线圈绕组在转动过程中会切割磁感线从而产生感应电动势。为了实现电流方向的连续切换以维持电机持续转动，传统的电机采用机械式换向器来改变线圈绕组中的电流方向，机械式换向器由电刷和滑环组成，电机转动时电刷与滑环滑动接触，电机长期运转后，存在电刷和滑环磨损严重而需要更换的问题。

为了解决上述问题，本发明提出了具有压电开关的电流控制装置及电机。

图5是用于说明本实施例1涉及的轴向磁通电机的工作原理的图，图5的(a)、(b)分别示出线圈绕组4切割磁场时的不同情形。轴向磁通型电机1(本实施例中为电机1a)通常包含轴2、磁体3(永磁体或电磁铁)以及线圈绕组4。为了便于说明，将电机的轴2的延伸方向设为X方向，将铅垂方向设为Y方向，将水平方向设为Z方向。

实施例1中，线圈绕组4所处平面与磁体3所处的平面平行，以轴2的轴向与这些平面正交的方式使轴2插通设置于电机1a，磁场沿轴2的轴向分布。在轴2附近设置有用于与外部设备9电连接的导电组件5，导电组件5包括导电路径51以及至少两个导电环52(本实施例中为导电环52A、52B)。

轴2插通电机1a。至少一个设置有线圈绕组的定子或动子和至少一个设置有磁体的定子或动子以被轴2插通中心的方式设置于轴2，线圈绕组4与磁体3在轴向上隔开间隔的交替配置。

磁体3例如由磁瓦构成。磁瓦通常由永磁材料制成，如稀土永磁体或铁氧体，所述磁瓦分别被塑造成扇形，磁瓦以交替极性的方式固定在定子和/或转子上，形成多个磁极对。

<线圈绕组>

线圈绕组4在轴向磁通电机中通常采用平面式布局，即绕组设计成多层扁平线圈，这些线圈并排贴合在电机内部的支架或者叠片上，形成类似于盘状的结构。线圈绕组可以分布在定子和/或转子上，具体结构取决于电机的设计需求。当电机运行时，线圈绕组随之转动并且相对于磁体进行相对运动，从而实现有效切割磁场，生成电磁力推动电机工作。

由于磁场沿轴向传播，所以线圈绕组需要尽可能多地横截磁力线来增强电磁效应，从而获得较高的转矩密度。此外，为了有效利用空间和提高效率，线圈绕组常被紧凑地排列，并且通过绝缘材料隔开，确保电性能稳定，减少涡流损耗。

图6是实施例1涉及的电机1a的线圈绕组4的结构示意图。在电机1a中，线圈绕组4的形状为扁平型，以便在轴上形成连续的磁场。在本发明中为了提高电机的效率和性能，如图6所示，从轴2的轴向观察时，线圈绕组4呈大致U形。并且，U形的线圈绕组4的开口处的两端彼此靠近，形成类似扇形的结构，这样的形状与磁瓦的形状对应，由此能够实现电机小型化，并增加磁通密度。

U形的线圈绕组4包括：连接部4T、左臂4L、右臂4R。在线圈绕组4的臂部(包括左臂4L、右臂4R)的远离连接部4T的端部设置有接电构件41(包括接电构件41L、41R)，在接电构件41的远离线圈绕组4的端部分别形成有接电端子411(包括接电端子411LA、411LB、411RA、411RB)。接电构件41与后述的导电环52相向，中间隔着换向器6的压电开关61。

具体来说，本实施例1的线圈绕组4在绕轴2的周向分布，轴2与线圈绕组4所处的平面正交。在左臂4L的远离连接部4T的端部设置有接电构件41L，接电构件41L从线圈绕组4的端部突出，沿与线圈绕组4所在平面交叉的方向延伸既定长度，优选为，沿与线圈绕组4所在平面正交的方向(这里为轴向)延伸既定长度。

在接电构件41L的远离线圈绕组4的端部分别形成有接电端子411LA、411LB。在右臂4R的远离连接部4T的端部设置有接电构件41R，接电构件41R从线圈绕组4的端部突出，沿与线圈绕组4所在平面交叉的方向延伸既定长度，优选为，沿与线圈绕组4所在平面正交的方向延伸既定长度。在接电构件41R的远离线圈绕组4的端部分别形成接电端子411RA、411RB。

接电构件41可以与线圈绕组4一体成形，也可以是分别独立的部件并通过熔接等方式将接电构件41接合于线圈绕组4。当转子转动时，线圈绕组4隔着轴向气隙切割磁感线的线圈绕组4能够感应出电动势，进而产生驱动力矩。

线圈绕组4可拆卸地设置于动子和/或转子，由此能够更换线圈绕组4，便于维护和保养。线圈绕组4也可以固定设置于动子或转子，由此能够提高转动时的稳定性，确保安全。只要线圈绕组4能够围绕着轴进行径向布置，可以通过其它固定方式(例如螺纹紧固、嵌合等)将线圈绕组4设置于其它部件(例如未图示的机壳等)，不限定其配置方式。

<导电组件>

图7是示出实施例1涉及的电机1a的几种概要结构的示意图，图7的(a)、(b)、(c)、(d)分别示出不同的装配样态。导电组件5设置于轴2附近，导电组件5包括至少两个导电环52A、52B。优选为，两个导电环52A、52B实质上相同或者互为镜像对称。

以轴2插通两个导电环52A、52B中心的方式设置导电组件5。两个导电环52A、52B在轴向上隔开间隔地设置，并且彼此电绝缘。导电环安装于轴的方式没有特别限定，例如：轴2插通(滚珠)轴承，轴承内圈固定设置于轴2，导电环52隔着绝缘层设置于轴承的外圈的外表面。

这样，轴2能够自由转动，导电环52与轴2在轴向相对固定并且在周向可相对转动，导电环52与轴2电绝缘。导电环52A与接电端子411LA、411RA隔着压电开关61LA而彼此相向，导电环52B与接电端子411LB、411RB隔着压电开关61LB而彼此相向。

沿轴向设置导电路径51A、51B(例如如覆膜铜条、汇流排或者绝缘电缆等)，导电路径51与轴2电绝缘。导电路径51A的一端与导电环52A电连接，另一端与外部设备9电连接。导电路径51B的一端与导电环52B电连接，另一端与外部设备9电连接。

<换向器>

换向器6能够将线圈绕组4与导电组件5电连接，具体来讲，换向器6具备多个压电开关61，压电开关61设置在线圈绕组4的接电端子411与导电组件5的导电环52之间，能够将接电端子411与导电环52电连接。压电开关61中包括压电元件611。

在图7中以线圈绕组4的右臂4R的为例，示出压电开关61、接电端子411、导电环52的装配样态，图7的(a)、(b)、(c)、(d)分别对应四种装配样态。

具体来说，图7的(a)中，轴2插通导电环52A、52B。从轴2起，沿轴2的径向(Y方向)依次设置导电环52A、压电开关61RA、接电端子411RA，压电开关61RA在接通时，压电开关61RA的触点与导电环52A和接电端子411RA接触，将导电环52A与接电端子411RA电连接。同样，从轴2起，沿轴2的径向(Y方向)依次设置导电环52B、压电开关61RB、接电端子411RB，压电开关61RB在接通时，压电开关61RB的触点与导电环52B和接电端子411RB接触，将导电环52B与接电端子411RB电连接。

图7的(b)中，轴2插通导电环52A、52B。沿轴2的轴向(X方向)依次设置接电端子411RA、压电开关61RA、导电环52A，压电开关61RA在接通时，压电开关61RA的触点与导电环52A和接电端子411RA接触，将导电环52A与接电端子411RA电连接。与之相对称地，沿轴2的轴向(X方向)依次设置导电环52B、压电开关61RB、接电端子411RB，压电开关61RB在接通时，压电开关61RB的触点与导电环52B和接电端子411RB接触，将导电环52B与接电端子411RB电连接。

也就是说，压电开关61RA相对于导电环52A设置于X方向的负方向侧，压电开关61RB相对于导电环52B设置于X方向的正方向侧。图7的(c)中，压电开关61RA相对于导电环52A设置于X方向的正方向侧，压电开关61RB相对于导电环52B设置于X方向的正方向侧。图7的(c)中，压电开关61RA相对于导电环52A设置于X方向的负方向侧，压电开关61RB相对于导电环52B设置于X方向的负方向侧。

只要压电开关61设置在导电环52与接电端子411之间并且压电开关61在接通时能够将导电环52与接电端子411电连接即可，设计结构没有特别限定。在图7中以线圈绕组4的右臂4R的为例进行说明，左臂4L与右臂4R可以是结构相同，也可以是结构不同，没有特别限定，例如可以是互为镜像对称。

导电环52安装于轴的方式没有特别限定。例如可以是，轴2插通(滚珠)轴承，轴承内圈固定设置于轴2，导电环52A、52B隔着绝缘层设置于轴承的外圈的外表面。这样，轴2能够自由转动，导电环52A、52B在轴2的轴向相对固定并且在周向可相对转动，导电环52A、52B与轴2电绝缘。

综上，在轴向磁通式的电机1a中，能够以使轴2插通导电环52的方式设置导电环52，在导电环52与接电端子411之间设置换向器6的压电开关61。通过由压电开关61进行接通和断开，使导电环52与接电端子411之间的电连接导通和截止。

实施例2

本发明的压电开关型换向器也能够适用于鼠笼电机。图8是现有的鼠笼电机的概要结构示意图，这种电机主要由定子和转子两部分组成，它们之间有一定的气隙。定子是电机的固定部分，由铁芯和线圈绕组组成。铁芯通常由硅钢片叠压而成，这样做可以减少涡流损失。线圈绕组则缠绕在铁芯上，负责产生磁场。转子是电机的转动部分，由铁芯和线圈绕组构成。鼠笼式转子的线圈绕组是由铜或铝条与短路环焊接而成，形成一个闭合的电路。当旋转磁场作用于转子时，转子导条会切割磁力线，从而在导条中产生感应电流。这些感应电流产生的磁场与旋转磁场相互作用，产生电磁力，从而驱动转子转动。

鼠笼式异步电机具有结构简单、制造成本低、运行可靠等优点，广泛应用于各种工业场合。现有的鼠笼电机主要使用电刷或半导体换向器来控制电流方向。鼠笼电机的线圈绕组两端设有滑环，主要通过电刷和滑环来将线圈绕组与外部设备电连接。现有技术中如图8所示，线圈绕组的两端设有滑环，通过滑环与电刷的组合将线圈绕组与导电路径相连。

本发明的实施例2中，用具有压电开关的换向器代替基于电刷和滑环的换向器，也能够实现控制电流方向的效果。图9是示出本发明的实施例2涉及的鼠笼电机的概要结构示意图。轴2沿线圈绕组4所处的平面延伸，磁场沿与轴2的轴向正交的方向分布。代替电刷和滑环，由具有压电开关61的换向器6将线圈绕组4与导电组件5电连接。在轴2设置有用于与外部设备9电连接的导电组件5，导电组件5包括导电路径51以及至少两个导电环52。

通过设置包括压电开关61的换向器6，线圈绕组4切割磁场产生的电动势，线圈绕组4能够经由换向器6来与外部设备9电连接。具体来说，鼠笼型的电机1b包含轴2、磁体3(永磁体)以及线圈绕组4。

轴2插通电机1b。至少一个设置有线圈绕组的定子或动子和至少一个设置有磁体的定子或动子以被轴2插通中心的方式设置于轴2，线圈绕组4与磁体3在轴2的径向隔开间隔的配置。

磁体3例如由磁瓦构成。磁瓦通常由永磁材料制成，如稀土永磁体或铁氧体，所述磁瓦分别被塑造成弧形薄片，磁瓦以交替极性的方式固定在定子和/或转子上，形成多个磁极对。

线圈绕组4通常是由铝或铜制成的长条状金属导体，并且被嵌入到铁芯的槽内。图9所示，简化后形成环状的线圈绕组4。实施例2中，线圈绕组4包括连接部4T、左臂4L、右臂4R。

在左臂4L的远离连接部4T的端部设置有接电构件41L，接电构件41L从线圈绕组4的端部突出，在线圈绕组4所处的平面延伸既定长度。

在接电构件41L的远离线圈绕组4的端部分别形成有接电端子411A、411B。接电端子411LA与导电环52A相向，接电端子411LB与导电环52B相向。

在右臂4R的远离连接部4T的端部设置有接电构件41R，接电构件41R从线圈绕组4的端部突出，在线圈绕组4所处的平面内延伸既定长度。

在接电构件41R的远离线圈绕组4的端部分别形成接电端子411RA、411R B。接电端子411RA与导电环52A相向，接电端子411RB与导电环52B相向。

接电构件41可以与线圈绕组4一体成形，也可以是分别独立的部件并通过熔接等方式将接电端子接合于线圈绕组4。

当转子转动时，线圈绕组4隔着径向的气隙切割磁感线的线圈绕组能够感应出电动势，进而产生驱动力矩。

同样，沿轴向设置导电路径51A、51B(例如如覆膜铜条、汇流排或者绝缘电缆等)，导电路径51与轴2电绝缘。导电路径51A的一端与导电环52A电连接，另一端与外部设备9电连接。导电路径51B的一端与导电环52B电连接，另一端与外部设备9电连接。

综上，在鼠笼式的电机1b中，能够以使轴2插通导电环52的方式设置导电环，在导电环52与接电端子411之间设置换向器6的压电开关。通过压电开关61进行接通和断开，使导电环52与接电端子411之间的电连接导通和截止。

【电流控制方法】

以下，参照图5、图10，说明本发明涉及的电流控制方法，具体说明电机1分别作为电动机和发电机时的电流控制方法。为了便于什么，将(扇形的或环形的)线圈绕组4展开并进行说明，展开后如图10所示。图10是为了说明本发明的电流控制方法而将线圈绕组展开后的示意图。将线圈绕组4展开后，各部分的相对位置关系，如图10的(a)所示那样。图10的(b)、(c)、(d)中的各部分的相对位置关系与图10的(a)相同，仅是电动势或电流的方向不同。

图10中A表示导电环52A，其经由导电路径51A来与外部装置电连接；B表示导电环52B；其经由导电路径51B(与导电路径51A不同的路径)来与外部装置电连接。

换向器6的配置方式没有特别限定，例如可以是，设置于靠线圈绕组4的一侧，与线圈绕组4同步绕轴转动，压电开关61在规定的定时导通，来使线圈绕组4与导电环52电连接。

换向器6中的压电开关61的配置方式没有特别限定，例如可以是，在断开状态下与导电环52和接电端子411均不接触且不导通；也可以是压电开关61在断开状态下与导电环52和接电端子411中的一方接触并导通，与另一方不接触且不导通。对此没有特别限定。

<发电机>

首先，说明电机1作为发电机运行时的电流控制方法。电机1作为发电机运行时，工作原理基于电磁感应定律。发电机模式下，发电机的主要包括磁体、转子以及线圈绕组。不论是采用永磁体还是通过外部电源激励的线圈绕组产生恒定磁场，该磁场沿电机轴线方向分布。当外力驱动发电机的转子转动时，安装在转子或定子上的扁平或环形线圈绕组结构会沿着轴向磁场方向运动，即切割磁感线。

根据法拉第电磁感应定律，当这些线圈绕组在磁场中转动并切割磁感线时，会在线圈绕组内部感应出电动势，从而生成交流电。这种电动势的大小和方向随转子相对于磁场的位置变化而周期性改变。

本发明涉及的压电开关型换向器6在发电机模式下发挥如下作用。在发电过程中，通过压电元件611发生形变来使压电开关61接通和断开，从而适时切换线圈绕组4中的电流方向，以保证系统能够连续地、高效地将机械转动转化为电能，并保持输出电压的稳定性和连续性。

具体来讲，电机作为发电机工作时，通过转子带动线圈绕组4在轴向磁场中运动产生电磁感应效应，进而将机械能转变为电能。压电元件的应用进一步提高了电机对电流方向切换的精准控制，确保了电能输出的质量和效率。

在电机作为发电机进行工作的情况下，当线圈绕组4转动时，由于磁场沿轴向分布，线圈绕组4会切割磁场产生感应电动势(用虚线箭头表示)。

以下，参照图5、图10具体说明发电机进行工作的过程。其中，图5的(a)与图10的(a)、(b)对应，图5的(b)与图10的(c)、(d)对应。为了便于理解，在图10中将线圈绕组4展开到平面进行图示说明。

如图5的(a)所示，在线圈绕组4沿逆时针方向转动的情况下切割磁力线，N极区域的磁力线垂直于纸面穿出，左臂4L在N极区域切割磁力线时，在左臂4L中产生电动势(如左侧虚线箭头所示)；S极区域的磁力线垂直于纸面穿入，右臂4R在S极区域切割磁力线时，在右臂4R中产生电动势(如右侧虚线箭头所示)。

在换向器6的全部开关均为断开状态时，如图10的(a)所示，虽然线圈绕组4内产生从左向右的感应电动势(如虚线箭头所示)，没有电流流经导电环52A与导电环52B，不会通过导电路径对外发电。

在换向器6的压电开关61LA、61RB中的压电元件611发生形变时，如图10的(b)所示，压电开关61LA接通，从而线圈绕组4的左臂4L的接电端子411LA与导电环52A电连接(如左侧实线箭头所示)。并且，换向器6的压电开关61LB接通，从而线圈绕组4的右臂4R的接电端子411RB与导电环52B电连接(如右侧实线箭头所示)。在该状态下，电流从导电环52A流向导电环52B，经由导电路径51对外发电。

如图5的(b)所示，在线圈沿逆时针方向进一步旋转的情况下切割磁力线，S极区域的磁力线垂直于纸面穿入，线圈绕组4的左臂4L在S极区域切割磁力线时，在左臂4L中产生电动势(如左侧虚线箭头所示)；N极区域的磁力线垂直于纸面穿出，右臂4R在N极区域切割磁力线时，在右臂4R中产生电动势(如右侧虚线箭头所示)。

在换向器6的全部开关均为断开状态时，如图10的(c)所示，虽然线圈绕组4内产生从右向左的感应电动势(如虚线箭头所示)，没有电流流经导电环52A与导电环52B，不会通过导电路径对外发电。

在换向器6的压电开关61LB、61RA中的压电元件611发生形变时，如图10的(d)所示，压电开关61LB接通，从而线圈绕组4的左臂4L的接电端子411LB与导电环52B电连接(如左侧实线箭头所示)。并且，换向器6的压电开关61RA接通，从而线圈绕组4的右臂4R的接电端子411RA与导电环52A电连接(如右侧实线箭头所示)。在该状态下，电流从导电环52A流向导电环52B，经由导电路径51对外发电。

具体到本发明涉及的电机控制方法，在线圈绕组4沿逆时针方向旋转的情况下，电流始终从导电环52A流向导电环52B，由此发电机经由导电路径对外输出直流电。

以上，以轴向磁通发电机为例进行说明，鼠笼发电机的原理也是相同的。参照图9，说明应用了本发明的技术方案的鼠笼发电机的工作原理。

在线圈绕组4切割磁场从而产生从左臂4L向右臂4R的电动势的情况下，当换向器6的压电开关61LA、61RB接通时，电流从导电环52A依次流过压电开关61LA、接电端子411LA、左臂4L、连接部4T、右臂4R、压电开关61RB，流向导电环52B。

与之相对，在线圈绕组4切割磁场从而产生从右臂4R向左臂4L的电动势的情况下，当换向器6的压电开关61RA、61LB接通时，电流从导电环52A依次流过压电开关61RA、接电端子411RA、右臂4R、连接部4T、左臂4L、压电开关61LB，流向导电环52B。

因此，不论线圈绕组4中产生哪个方向的电动势，电流均能够从导电环52A流向导电环52B，经由导电路径51对外部设备9输出直流电。

<电动机>

接下来，说明电机1作为电动机运行时的电流控制方法。电机1作为电动机工作时，其原理基于电磁感应定律和电磁力矩的产生。该类型电动机的磁场沿轴向(即垂直于转子旋转平面的方向)分布，在电动机内部，定子和转子上分别安装有磁体或者通过电流激励产生磁场的线圈绕组，这些磁体或绕组以特定的方式排列，形成轴向的磁场通道。

轴向磁通电动机中的线圈绕组4采用扁平化或者环形盘式布局，它们被固定在定子或转子的圆盘上，并且是沿着轴向磁场方向布置。这样当转子转动时，线圈绕组4能够有效地切割磁感线。

轴向磁通电动机采用了压电开关61作为换向器6的一部分，通过对压电元件611施加电力来使压电开关61接通或断开，由此改变线圈绕组4中电流的方向，确保电机转子每转动到一个合适的角度时，都能保证线圈绕组4产生的电磁力矩始终驱动转子沿同一方向加速或保持匀速旋转。

在电动机运行过程中：当外部电源提供的电流通过线圈绕组4时，根据法拉第电磁感应定律，线圈会在变化的磁场中感应出电动势并形成电流；这些电流形成的闭合回路在线圈运动时会持续地切割轴向磁场，从而产生电磁力矩，推动电机转子开始旋转或加速旋转。压电开关型换向器则适时地控制线圈绕组4中的电流切换，使得不论转子处于何种位置，总是存在促使转子继续顺同一方向旋转的电磁作用力。

因此，轴向磁通电动机利用轴向磁场布局、特殊形状的线圈绕组4以及创新的压电换向技术，高效地将电能转化为机械能，驱动电机平稳、连续地运转。

在电机作为电动机进行工作的情况下，当经由换向器6的压电开关61使线圈绕组4的接电端子411与导电环52电连接时，来自外部电源的电流经由导电路径51而流入线圈绕组4，根据电磁感应定律，线圈绕组4会在轴向磁场中产生感应电动势。线圈绕组4在磁场中运动时会连续地切割磁感线，由此产生的感应电流会产生一个反作用力，即电磁力矩，使电机转子开始转动或者加速转动。

具体到本发明涉及的电机控制方法，用压电开关61来切换线圈绕组4中的电流方向，而线圈绕组4与轴2的关系更多体现在它们共同参与构成电机的整体运行机制，而非物理上的直接连接。因此，在实际应用中，线圈绕组4与轴2之间的电连接与机械传动是通过复杂的电路设计和机械结构来实现的。

以上，以轴向磁通电动机为例进行说明，鼠笼电动机的原理也是相同的。参照图9，说明应用了本发明的技术方案的鼠笼电动机的工作原理。

在外部设备9(这里为外部电源)经由导电路径51对导电环52A、52B施加电压的情况下，当换向器6的压电开关61LA、61RB接通时，电流从导电环52A依次流过压电开关61LA、接电端子411LA、左臂4L、连接部4T、右臂4R、压电开关61RB，流向导电环52B。因此，线圈绕组4中流通从左臂4L向右臂4R的电流。根据电磁感应定律，线圈绕组4会产生磁场，该磁场与周围磁场相互作用，形成磁电动力旋转扭矩，从而使得电动机转动。

与之相对，在外部设备9(这里为外部电源)经由导电路径51对导电环52A、52B施加电压的情况下，当换向器6的压电开关61RA、61LB接通时，电流从导电环52A依次流过压电开关61RA、接电端子411RA、右臂4R、连接部4T、左臂4L、压电开关61LB，流向导电环52LB。因此，线圈绕组4中流通从右臂4R向左臂4L的电流。根据电磁感应定律，线圈绕组4会产生磁场，该磁场与周围磁场相互作用，形成磁电动力旋转扭矩，从而使得电动机转动。

因此，在外部设备9对导电环52A、52B施加直流电压的情况下，通过控制换向器6中的压电开关61，使电流从导电环52A流向导电环52B，并且使线圈绕组4中流通交变电流，由此形成磁电动力旋转扭矩，从而使得电动机连续转动。

【换向器】

本发明涉及的换向器能够用于在电机中控制电流方向，所述电机包括：轴，其插通设置于所述电机；磁体，其设置在所述轴的周向，并产生磁场；线圈绕组，其设置在所述轴的周向，能够相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；导电组件，其连接于外部设备；以及所述换向器，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变，所述换向器的特征在于，所述换向器包括压电开关，对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。

本发明的换向器能够用于制造具有压电开关的新型电机，也能够用于对现有的电机进行升级改造。在用本发明的具有压电开关的换向器代替现有的电机中的具有电刷滑环的换向器时，需要考虑对压电开关611的控制方式。本发明中，对压电开关611的控制可以是自感控制，也可以由未图示的控制部控制。

在换向器6为自感控制的情况下，引线62的一端连接于压电元件611的感应层，另一端被引入所述磁场中。引线62在磁场中的部分沿与磁力线正交的方向延伸。在电机转动时引线62切割磁场从而产生电动势，电动势经由引线传到所连接的压电元件611，电动势为既定值时压电元件611发生机械形变，使压电开关61导通或断开。

在换向器6由控制部控制的情况下，引线62的一端连接于压电元件611的感应层，另一端连接于未图示的控制部。由控制部输出的电信号经由引线62被传到压电元件611，当既定值的电信号施加于压电元件611时，压电元件611发生形变，使压电开关61导通或断开。控制部可以设置于换向器6中，也可以设置于外部设备，也可以独立设置。

本发明涉及的换向器中用压电开关61对电流方向进行切换控制。当使用例如压电促动器、压电陶瓷等压电元件来制造压电开关时，由于压电材料本身工作时无摩擦，理论上有无限的分辨率。虽然实际工作中受电气和机械因素的影响，实际可实现的分辨率有限，但压电元件的响应时间仍可达几微秒，可实现超过10000g的加速度变化率。因此，本发明能够实现对电流的精准控制。

现有的电刷滑环式换向器中，电刷与滑环始终保持面接触，长时间使用后磨损严重。本发明涉及的换向器中的压电开关61进行动作时，开关触点与导电环快速进行机械的接触和分离，可以视为高频率的点接触，可以视为几乎没有磨损，解决了磨损问题。另外，压电材料不会造成磨损也不需要润滑，因此用压电材料制造的压电元件非常适用于真空、高空等环境应用。

本发明举出实施例1、实施例2，说明利用具有压电元件的换向器对电机进行控制的方法和装置。应当明确，本发明所记载的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明的技术方案也可以应用于除盘式电机、鼠笼电机以外的其它类型电机。

Claims (10)

1.一种电机控制装置，用于控制电机(1)中的电流方向，所述电机包括：

轴(2)，其插通设置于所述电机；

磁体(3)，其设置在所述轴的周向，并产生磁场；

线圈绕组(4)，其设置在所述轴的周向，能够相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；

导电组件(5)，其连接于外部设备(9)；以及

换向器(6)，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变，

所述电机控制装置的特征在于，包括所述换向器，

所述换向器包括压电开关(61)，所述压电开关设置为在导通时能够将所述导电组件与所述线圈绕组电连接，

对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。

2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，

所述压电开关包括压电元件(611)和触点，

所述压电元件被施加电力时会发生形变，使所述触点与所述线圈绕组接触或分离，从而使所述压电开关接通和断开。

3.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，

所述换向器还包括引线(62)，所述引线的一端连接于所述压电开关，

经由所述引线向所述压电开关输出电信号，由此对所述压电开关施加电力。

4.根据权利要求3所述的电机控制装置，其特征在于，

所述引线的另一端被引入所述磁场中，

所述引线切割所述磁场时产生电力，并将该电力施加到所述压电开关。

5.根据权利要求3所述的电机控制装置，其特征在于，

所述引线的另一端连接于控制部，

所述控制部经由所述引线向所述压电开关输出电信号，由此对所述压电开关施加电力。

6.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，

所述导电组件包括导电路径(51)和导电环(52)，所述导电环经由所述导电路径连接于所述外部设备，

以所述轴插通所述导电环并且所述轴能够相对于所述导电环而自由转动的方式设置所述导电环。

7.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，

所述线圈绕组的两端分别设置有接电构件(41)，所述接电构件包括至少两个接电端子(411)，所述接电端子与所述导电组件相向设置，

所述换向器能够将所述接电端子与所述导电组件电连接。

8.根据权利要求7所述的电机控制装置，其特征在于，

所述接电端子与所述导电环相向设置，

所述压电开关在接通时将所述接电端子与所述导电环电连接。

9.一种电机控制方法，用于控制电机中的电流方向，所述电机包括：

轴，其插通设置于所述电机；

磁体，其设置在所述轴的周向，并且产生磁场；

线圈绕组，其设置在所述轴的周向，能够相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；

导电组件，其连接于外部设备；以及

换向器，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变，

所述电机控制方法的特征在于，

所述换向器包括压电开关，

对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。

10.一种换向器，用于在电机中控制电流方向，所述电机包括：

轴，其插通设置于所述电机；

磁体，其设置在所述轴的周向，并产生磁场；

线圈绕组，其设置在所述轴的周向，能够相对于所述磁体进行相对运动并切割所述磁场；

导电组件，其连接于外部设备；以及

所述换向器，其能够将所述线圈绕组与所述导电组件电连接，通过对所述线圈绕组中的电流方向进行切换，使得所述导电组件中的电流方向保持不变，

所述换向器的特征在于，

所述换向器包括压电开关，

对所述压电开关施加电力来使所述压电开关接通和断开，由此所述换向器对所述线圈绕组中的电流方向进行切换。