CN1227010A - 电机 - Google Patents

Abstract

包括设有激励绕组10和电枢绕组11的四极定子2的电机,各个绕组10、11又分成两个紧耦合的绕组22、23或24、25且卷绕成使两个这样的绕组配置于径向相对的定子槽内。无绕组的两极转子(未示明)可于此定子2内转子,设有电路它当有直流电供给于其端子26与27时可激励上述激励绕组24与25。与绕组24与25串联的开关28与29交替地开/关以交替地激励绕组24与25,而由于这两个绕组反向卷绕的结果便于相反方向中产生磁通势。既然此紧耦合的绕组24与25的各个于各自的方向中产生磁通势。各绕组需只在一个方向上为电流激励。从而可以采用较简单的激励电路(图3与图4)。

Description

电机

本发明涉及电机，更具体地涉及到电动机，但又不专限于电动机。

图1示明了一种传统的两相变磁阻电动机，包括：定子2，它具有两对相对设置的朝向内部的凸极3、4，后者则配备有与上述两相相对应的两对激励绕组5、6；转子7，它具有单一的一对相对设置的朝向外部而无绕组的凸极。这四个激励绕组的每一个围绕其相应的凸极卷绕，如图所示，符号Y-Y指绕组对6的各个绕组的两个径向部分，而符号X-X指绕组对5的各个绕组的两个径向相对部分。设有激励电路(未图示)，用来与转子的转动同步地通过激励定子绕组使转子7于定子2内转动，使得由此转子7的上述趋向所发展的转矩把它自己安排在为此绕组所产生的磁场内有最小磁阻的位置，这将在以后作更详细的说明。这样的变磁阻电动机优于传统的绕线式转子电动机之处在于不需要用来将电流供给转子的属磨损性部件的整流电刷。此外的优点是，转子上设有导线以及不需要高成本的永磁铁。

图1(a)与(b)中的符号“+”与“-”表明在图示方位中，转予7被吸引到水平位置或垂直位置的两种激励方式下，电流在绕组中的方向。应知转子7的转动要求交替地激励绕组对5、6而最好是一次只激励一个绕组对5或6，并在这一激励中始终依一个方向给各绕组对5或6供应电流。但是，要想产生有效的转矩，在每转中只能有一半时间使绕组激励到最大，从而这种电动机就不能高效地利用磁路。

作为对比的一种全节距的两相变磁阻电动机，例如描述于J.D.Wale与C.Pollock的“Novel Converter Topologies for aTwo-Phase Switched Reluctonce Motor with Fully PitchedWiudiugs”,IEEE Power Electronics Specialists Confereuce,Braveno,June 1996,pp.1798-1803且如图2所示(图2中用相同的标号标明与图1中相同的部件)，它所包括的两个绕组10与11具有相当于此电动机的极矩两倍的节距，在所示的这一例中即为180°，并相互成90°配置。绕组11可以卷绕成使其在转子7一侧的一部分能充填磁极对3、4两个更邻近的磁极间所界定的定子槽。绕组10具有充填沿径向对峙的定子槽14与15的相应部分。这样，上述两绕组10与11便覆盖住电动机的宽度，且绕组10与11相互成直角。

图2(a)与2(b)示明了对应于转子7的水平位置与垂直位置的此种电动机的另两种激励方式，从图中可以看到，两个绕组10、11是以两种方式激励的，但是绕组10中的电流方向在这两种方式下相同而绕组11中的电流方向在这两种方式下则有变化。由于电流是以两种方式供给于这两个相绕组，且由于各绕组10或11占据了半个总的定子槽区，这样一种系统就能100％地利用它的槽区。这不同于上面所述的一次只激励一个相绕组的情形，其中由传统卷绕的变磁组电动机只实现了50％的利用率。此外，由于在此绕组10中不要求改变电流的方向，此绕组10(可以称之为激励线圈)能够不经任何转换向供给以直流电，这样就能简化所用的激励电路。但是上述绕组11(可以称之为电枢绕组)则必须用与转子位置同步交变的电流激励，以确定为把转子交错地吸引到水平与垂直位置而需要的定子通量所改变的方向。需用交变电流供给于电枢绕组的这种电动机会使激励电路高度复杂和价昂。

在J.R.Surano与C-M Ong的“Yariable Reluctance MotorStructures for LOW-Speed Operation”,IEEE Tronsaetions onIndustry Applilations,Vol32,No.2,March/April 1996,p.p808-815以及英国专利NO.2262843中都公开了全节距的两相变磁阻电动机。英国专利NO.2262843中公开的电动机是三相变磁阻电动机，它所具有的三个绕组必须与转子转动同步地由电流激励，因而这种电动机需用高度复杂的激励电路。

本发明的目的之一在于提供高效且能以低成本生产的新型电机。

根据本发明提供了这样的电机，它包括无绕组的转子以及具有磁极和电枢绕组的定子，这些绕组以对应于一组极距的间距卷绕，此定子还包括场磁铁装置，用来沿横切此电枢绕组产生的磁通势的延伸方向产生一磁通势，所述电机还包括连接这些电枢绕组的电路装置，其中此电枢绕组包括至少两个连接于此电路装置上的紧密耦合的绕组，使得该绕组中的电流这样地与转子的转动同步地变化，即由电流在上述绕组中之一沿一个方向产生的磁通势的周期与电流在另一绕组中沿相反方向产生磁通势的周期相交错。

本发明的特别有利的之处在于电枢绕组是由两个紧耦合的绕组形成，可允许各绕组能用来于在相应方向上产生磁通势，这样就能让各绕组只在一个方向为电流激励，从而能采用较简单的激励电路以使电路部件的个数最少，由此来降低成本。

为了能更全面地理解本发明，下面参考附图进行例示，附图中：

图1与2概示传统的两相变磁阻电动机以及全节距的两相变磁阻电动机，在每种情形下都示明了两种激励方式(a)与(b)；

图2c示明了应用这种电机时的场通量与电枢磁通、反电势与电流的理想化波形；

图3与4概示本发明第一实施例的定子绕组；

图5概示可用于本发明第一实施例的自起动的不对称转子；

图6概示本发明的第二实施例；

图7至14示明用于激励定子绕组的各种电路布置，其中图9表明图8电路布置中4个可控硅的时间图；

图15示明本发明的第三实施例。

图2c示明作为图2中的电动机(或可以是结构类似的发电机)转子7的角度位置θ的函数的恒定场通量φ_f与变电枢磁通φ_a，以及随转子位置变化的电枢反电动势Ea与电枢电流Ia的理想化波形。自然，正始内行的人所熟知的，由于各种扰动的影响，所得的实际波形将显著不同于这些理想化的波形。激励绕组10在工作中接收恒定的激励电流，使得它的通量基本上恒定，而连系电枢绕组11的通量是双极的，在每转动90°即从正的最大变至负的最小，结果在电枢绕组11中感生出矩形波反电动势。这些特点类似于应用传统的4极定子DC机中所观察到的。

要是假定由绕组来观察磁路的磁阻不随转子的位置而变化，正如采用具有大的磁极宽度的转子使得由两个相邻定子磁极搭接部分保持基本上不变(以后将参考图15作说明)所能实现的那样，则场通量φf将保持不变而且不会由此场单独地产生负转矩。于是可以设想与电枢绕组11相连系的通量能随转子的转动而线性地从其最大的正值变化到它最大的负值，而对于此转子的每一转动能完成两个循环。要是进一步假定并非所有的场通量都与电枢绕组11相连系，则需要包括耦合系数k，通过考虑通量相对于时间的变化率，就可以求得电枢绕组11中所感应的电动势的表达式(法拉第定律)。由此可以得出近似矩形的emf(电动垫)波形-图2中所示四极电动机的这种波形的数学表达式在假定转速ω为常数时为如下所示 $E_a=k\frac{4}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\φ}}_f{N}_a\mathrm{\ω}$ 式中Na是电枢绕组11的圈数。

可在上式中代入下面有关场通量的表示式：

式中N_f与I_f是激励线圈10的圈数与电流，R是磁阻，它视作为基本上不因转子的位置而改变。

这样可求得下式：

从此式可以求得转矩T： $T=\frac{E_a{I}_a}{\mathrm{\ω}}$ 其中I_a是电枢绕组11中的电流。

假定此电流波形为矩形波同时假定它与图2A中所示反电动势波形同步以便产生最佳的输出功率，则此转矩可以表示为：

这样，根据上述极其简化了的分析，当磁阻视作基本上是常数时，此转矩即正比于激励电流与电枢电流之积。

通过比较，传统的DC电动机中的反电动势Ea可以表示为：E_a=K_aφ_fω

式中 $K_a=\frac{N_{a}p}{\mathrm{\π}}$ 这里的P表示的是定子的磁极数。

这样，当DC电动机是四极电动机时，反电动势可以表示为 $E_a=\frac{4}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\φ}}_f{N}_a\mathrm{\ω}$ 除了不具有在DC电动机方程中一般不表示的耦合系数K外，类似于电枢绕组11中的反电动势的表示式。

此外，由DC产生的转矩是由下式确定：T=K₀φ_fI₀上式可以展成

此式亦类似于除了不包括耦合系数K外在前面导出的式子。

这一简化的分析结果证明了在此种电机与传统的d.c.机的操作之间有颇多的类似性。

图3所示的第一实施例包括的两相电动机具有设置了激励绕组10和电枢绕组11的四极定子2，各绕组10、11又分成两个绕组22、23成24、25，它们紧密地耦合并卷绕成使此两个绕组的径向相对部分位于径向相对的定子槽内。依据本发明，在相应的发电机内可以设置相似卷绕的定子。

图4示明用于激励电枢绕组24与25的广义电路图。绕组24与25在此电路内被连接，使得供给于端子26和27的直流电依同一方向流过绕组24与25，而因这两个绕组反向卷绕的结果便生成方向相反的磁通势，与绕组24和25串联的开关28和29交替地开关以实现绕组24和25的交替激励，以提供沿相反方向作用的所需的磁通势。应知在发电机中可以设置类似的电路以在端子26与27处提供直流输出。

在应用四极定子2的第一实施例中，转子7可以有两个磁极8(或是六个磁极)，此时如图5所示，转子磁极在形状上可以是不对称的，用以保证不需辅助性起动器而能从静止自己起动。在没有这种转子不对称性时，可以存在转子7的某些位置使转子7在这些位置上不能由简单地激励绕定子组来起动旋转。

图6所示的第二实施例包括一个两相电动机，其中的定子2有八个磁极而转子7有四个磁极(这些磁极虽然图示为对称形式，但通常将是不对称的)。在这种情形下设有四个励磁绕组30、31、32与33和四个电枢绕组34、35、36与37。每个这样的绕组被卷绕成跨接两个极距。电枢绕组34、35、36与37可以连接成对，而每对中的绕组串联或并联在一起，以在图4的激励电路图中形成绕组24和25的等效物。由于与各个绕组34、35、36与37相连系的通量相同，这些绕组可以在此电路中以任何所需的方式连接，只要它们以这样一种方式互连而以两个激励模式沿相反方向产生所需的磁通势即可。通常希望电枢绕组34、35、36、37能相互成对连接在一起来形成图4中的绕组24与25，以使绕组24或25的激励能导致电流流过所有四个电枢槽中。也可以使电枢绕组和/或激励绕组由两根平行的线卷绕成双线形式，以便提供磁性良好的耦合电枢电路。但这样的布置形式会在电枢电路之间导致不希望有的低的隔离电压。

作为选择，也可以只有两个激励绕组例如30与32，每个绕组跨接两个极距但布置成能充填定子2的适当的槽，使得不需用激励绕组31与33。这样一种绕组可以称之为“中间磁极绕组”。类似的布置形式可以用于电枢绕组，在此情形下可以省除绕组34与36，而绕组35与36则可各包括两个紧密耦合的绕组。

图7表明了用于激励第一实施例中电枢绕组24与25的可能的激励电路。在此电路中，二极管40、41与可控硅42、43同各个绕组24、25串联，而在二极管40与可控硅42的互连点和二极管41与可控硅43的互连点之间连接有一整流电容器44。在此电路中，可控硅42与43根据由位置探测器所探测到的转子角度位置相关的定时信号交替地开关，此位置探测器则例如是那种一位光学位置传感器，用光学方法探测位于转子轴上的标记，而得以提供转子每次转过90°时的状态变化。当可控硅42导通时有电流流过绕组24、二极管40与可控硅42期间，响应上述定时信号接通可控硅43，将导致由流过绕组24的电流使电容器44充电，而因此迫使通过可控硅42的电流为零以关闭可控硅42。由于可控硅43的接通而流过绕组25、二极管41与可控硅43的相应电流流动将继续直到可控硅42由再一个定时信号接通而迫使可控硅43关闭为止。二极管40与41防止电容器54通过绕组24与25放电。可控硅42与43的整流在整个速度范围内是于一些固定角度处开始的，这样就形成了一种简单的控制电路。在更先进的电路中，上述角度是可变的。但是，由于在每次开关操作之后电流短时间地流过绕组24与25，这一系统的效率将由于这种电流在两个绕组中所产生的磁通势此时相互抵消而受到损害，这样将严重地减少有效的输出和导致电阻损耗。

图8表明了另一种激励电路，其中取代图7所示的二极管40与41而设有另两个可控硅46与47。此时，导通可控硅43会导致可控硅42强制整流(或是接通可控硅42导致可控硅43强制整流)，而不让电流蓄积于绕组25(或绕组24)，直至可控硅47(或46)导通。图9是表明可控硅46、43与47,42开关的时间图。随着相差α的加大，由于输入给绕组24、25的功率减少，因而转子的转动将趋于减慢。此时，最好是使场绕组10与绕组24、25串联连接，这样，此场绕组中的平均电流也被减小。电容器44可能需由外电路以适当的极性作预充电，以保证这些可控硅于第一个导通循环后有效地整流。

图10表明另一种可能的激励电路，其中可控硅由场效应晶体管取代，具体是由两个功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)50与51取代，这两个MOSFET由适当的开关脉冲交替地开和关。各个MOSFET50或51包括一个集成的续流二极管52或53，使得当各MOSFET关断时，相应绕组中存储的磁能便耦连到其它绕组上并通过另一MOSFET回流。在每个导通期间，通过缩短各MOSFET导通的时间或相应地开关MOSFET，就可实现速度控制。

图11表明的激励电路是图7中电路的改型，其中的场绕组10与电枢绕组24与25串联，可选择的二极管55与场绕组10并联以在此场绕组电流超过电枢电流时带走过剩的电流。不需采取专门的措施来保证与此场和电枢绕组相关的磁通势是相似的，这是因为业已发现即会是这些磁通势存在着不平衡，电动机也能良好地运行。场绕组10可以包括两个紧密耦合的串联或并联的绕组，且不必有与电枢绕组相同的圈数。

图12示明的激励电路是图10中电路的改型，其中的场绕组10与电枢绕组24和25串联，而在场绕组10和绕组24、25之间的互连点处则连接一电容器57，作为对参照前面的附图所述的用一个二极管与场绕组10并联的选择方案。电容器57允许通过场绕组10的电流和通过电枢绕组24、25的电流不同。这时，设置电容器57或与场绕组10并联的二极管是为使此电路正确工作必不可少的，而在图11的电路中这种电容器57或二极管55的设置则是可选择的。依此方式连接的场绕组10与电容器57组合成一滤波器。

图12的场绕组可以设在一整流器的a.c.侧起到滤波器的作用。这时，电枢绕组24与25的激励模式必需随此场绕组中电流方向的换向而颠倒。

电动机中的场绕组10可以由多种方式激励，例如可以如以上所述通过与电枢电路串联或并联或综合这两者。此电枢电路包括电枢绕组24与25以及电枢开关装置两者。通过综合串联与并联，就能设计出具有类似于串联与并联DC电动机特点的电动机。应知要是场绕组10与电枢电路串联，则必须在电枢电流与场电流不相等时设置电流流动通路，此通路是由图11中的二极管55以及由图12中的电容器57提供。当此场绕组与电枢电路并联时，就可增设另外的电路装置来控制场电流从而控制电动机的速度。这样的装置可以是有源的(如开关电路)或无源的(如可变场电阻器)。由于在这样一种并联布置中场电流很小，就可用很低的成本作出这种布置。也可以用控制电动机速度的场绕组来说，同样是可能的。

在上述电机与DC机之间的类似性可以使得这种电机同样理想地用作发电机和电动机。要是此场绕组10被激励，在电枢中感应的电压可以用作交变电压源，而要是将所产生的电枢电压转变为DC电压，则需有如图4所示的相关的电枢电路。此时的开关28与29可以仅仅是能让感应的电枢电压整流的二极管(以二极管的阴极与电枢绕组24、25连接)。开关28与29也可以是MOSFET，如图12中的50与51，它们可选择地可以与转子同步控制以增加56减少所产生的能量，也即达到为升高或降低所产生的电压的目的。

在图12中的电路工作期间，当MOSFET50与51之一关闭时，不存在即时地与无损耗地使能量从一个电枢绕组传送到另一电枢绕组。在实际的电动机中，会有某些能量不被传送到第二电枢绕组。这样，在实际工作中必须设置一缓冲部如电阻器58与电容器59来俘获这一未耦合的能量并防它损伤开关。图13示明了一种可能的改型电路，其中电枢绕组24与25的终端经二极管62与62A连接到充电至高于电源干线电压的电容器59之上。电容器59通过并联的电阻器58放电与排出由于不完善的开关过程而回收的能量。在图13中，所述开关是IGBT60与61，当然也可采用其它类型的开关。

在图13的电路的变形中，缓冲电阻器58也可由全部或部分的场绕组取代。例如，在图14的电路中，此场绕组包括由独立的DC电源所激励的绕组63和用来使缓冲电容器59放电的绕组64。于是，能量便返回到作为部分场激励电路的电动机。

虽然上述的激励电路应用了可控硅或MOSFET开关，但此激励电路可采用任何其它半导体开关或实际上是任何其它类型的开关。在图4的电路中，所示的开关甚至可以是机械式的，安装到电动机的轴上，与电动机位置相同步地开与关。

图15所示第三实施例包括的两相马达中，定子2有八个磁极而转子7有四个磁极，这是图6中实施例的变型，后者中的激励绕组与电枢绕组位于定子2的凹腔槽70中，而转子磁极形成为具有足以搭叠两个相邻定子磁极的大的磁极亮度。这样的布置保证了由绕组所观察的磁路磁阻相对于转子位置近似为常数，因为不论此转子位置为何，在转子与定子两者的磁极间存在着基本上恒定的重叠角。

Claims (14)

1．电机，包括：无绕组的转子，具有磁极与电枢绕组的定子，这些绕组是以对应于一组极距的间距卷绕的，此定子还包括场磁铁装置以在横切此电枢绕组所产生的磁通势的延伸方向中产生磁通势；以及连接到此电枢绕组上的电路装置，其中此电枢绕组包括至少两个连接到此电路装置上的紧密耦合的绕组，使得这至少两个绕组中的电流这样地与所述转子的转动同步地变化，而由电流在上述至少两个绕组之一中产生的在一个方向上的磁通势的周期与电流在另一绕组中产生的在相反方向上的磁通势的周期相交错。

2．权利要求1所述的电机，其中所述场磁铁装置配置成能产生单向磁场。

3．权利要求1或2所述的电机，其中所述场磁铁装置包括永磁铁。

4．权利要求1、2或3所述的电机，其中所述场磁铁装置包括激励绕组，后者具有与一组极距相对应的间距。

5．权利要求4所述的电机，其中所述激励绕组的至少一部分与电枢绕组串联。

6．权利要求4所述的电机，其中所述激励绕组的至少一部分是与前述电枢绕组并联。

7．权利要求5或6所述的电机，其中所述电路装置包括电流旁路装置，可允许电枢绕组与激励绕组中的电流不同。

8．上述任一项权利要求所述的电机，它是发电机，其中所述电路装置适用于在前述转子连续转动之际，响应所述的一个和另一个绕组中电流的产生来提供单相电流输出。

9．权利要求1至7中任一项所述的电机，它是电动机，其中所述电路装置适用来交替地以第一种激励方式将单向电流供给于所述的一个绕组以在所述的一个方向中产生所述磁通势，并以第二种激励方式将单向电流供给于所述另一绕组以在所述相反方向中产生所述磁通势，由此来实现转子的连续转动。

10．权利要求8或9所述的电机，其中所述电路装置包括与所述各绕组串联的相应开关装置，以及用来交替地并与所述转子转动同步地开关上述开关装置的定时装置。

11．权利要求10所述的电机是电动机，其中所述各开关装置包括可控硅，而所述电路装置还包括连接在这些可控硅之间的整流电容器，使得由上述定时装置接通其中一个可控硅能使另一个可控硅强制整流。

12．权利要求11所述的电机，其中所述各开关装置包括两个串联的可控硅，而所述整流电容器则连接在所述两个开关装置的可控硅的互连点之间。

13．权利要求10所述的电机，其中所述各开关装置包括功率晶体管，而所述定时装置适用来交替地导通和截止各晶体管。

14．上述任一项权利要求所述的电机，其中所述场磁铁装置包括激励绕组以及与此激励绕组相连接的用来改变此激励绕组中的电流以控制转子速度的另一电路装置。

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