CN1421066A - 使用开关的磁路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电磁回路，其中线圈缠绕在前向(顺时针)和反向(逆时针)，半导体开关安装在各线圈之前，通过控制电流，使得无感应线变成交变磁通的极性转换点。因此，利用电能能够获得高扭矩的机械动力。

Description

使用开关的磁路
技术领域
本发明涉及包括在电机中的、具有围绕铁磁材料缠绕的线圈的芯型电磁体的磁路，或仅有缠绕的线圈的无芯电磁体的磁路，本发明特别涉及，带有两个或多个电磁线圈的电路和磁路，以及感应交变磁通的方法，其中一个线圈顺时针(S向)缠绕，另一个线圈逆时针(Z向)缠绕，并且提供一种一个方向的直流串联(series)控制方法，它是利用这样一种现象，即，在各个方向上缠绕的线圈之前安装的半导体开关器件或超导开关器件的控制下，电流流过时，磁的极性根据缠绕方向改变。
背景技术
迄今使用的交变磁通感应方法是，由于在电枢线圈中感应的磁通的磁链的改变，产生正弦波形的交变电动势的方法，其中，通过机械力旋转安装在轴上的场系统，在电枢中交变感应场系统的磁通，并且通过向在电机或其他磁路中缠绕的线圈的两端，交变地施加电压产生的引力和斥力获得机械动力。
上述获得的电压或施加电压方法被称为交流电(AC)。下面参照常规变压器的电路的图1，附加具体说明。
重复一个交变开关的方法，其中在缠绕铁磁材料的芯1周围的线圈2和3中，以一定周期在“A”方向将直流电压(DC)施加到输入端4，然后切断，在切断后立即在“B”方向向相反的输入端施加DC电压。因此，从输出终端6和7产生一个交变的电动势。
通过交变开关的方法施加电压，要求施加高电压，以获得高力矩的旋转力，因为除了线圈材料的电阻外，由于与在电流流动的方向相反流动的电流的抵消产生电抗，即无功电阻(交流电阻)，按频率值成比例地阻止施加电流。
在理论中，阻抗被分成材料电阻R和电抗X，后者根据频率明显改变。并且电抗被分成感抗和容抗。在材料的电阻为R，电感为L和电容为C串联时，阻抗用下面的公式表示：
Z＝R+jX＝R+j(XL-XC)＝R+j(ωL-1/ωC)和 | Z | = R 2 + X 2 = R 2 + ( ωL - 1 / ωC ) 2 [ ohm ]
在上述公式中，如果没有频率变化可以感应交变磁通，则电抗项jX消除，使得仅存在材料电阻R。
但是，作为常规施加电压方法的图2中的推挽式变换器能够通过施加DC电压，从输出终端3，获得交变的电磁力，但是在两端的实时开关控制有困难，因为通过开关公共接地线圈，电流流到连接左侧开关的线圈和连接右侧开关的线圈，以产生交变的电磁力，并且降低能量效率，因为除了由于空载时间产生电压和电流的相位差外，在两个开关都导通时，由于电流抵消(collision)电流切断，并且安装在两侧的两个开关突然开和断获得交变的电动势时，由于电流惯性产生阻止电流流动的电抗。
下面通过图2详细说明。
如图2a所示，如果S1开关24在S2开关25截止状态导通，则形成电流，其中电源23的正电压，从公共地线26向与S1开关相连的线圈部分21，并沿S1开关24到电压源23的负电压，在“C”方向施加。
此时，在输出线圈3的两端出现如图2b所示的电流波形27，并且反之，如果S1开关24截止，S2开关25导通，则形成电流，其中DC电源23的正电压从公共地线26向与S1开关相连的线圈部分22，并沿S2开关25到电源23的负电压施加，以致在线圈3两端出现图2b中示出的电流波形。
在重复上述过程时，由于互感在输出线圈3两端产生交变的电动势。在用数字逻辑公式说明时，推挽式变换器可以作为异或(XOR)型的组合逻辑型开关电路加以说明。
但是，这样的开关电源的输入方法，在施加到使用铁心的电磁体或变压器时，互感出现变形，这是由于磁性材料的瞬时饱和，以及在所有开关导通时由于电流抵消电流不被传导，这是由于在开关24和25的开关时间差引起的两个开关电流的峰值之间出现的不平衡引起的，并且能量的损耗增加，这是由于互感引起的磁材料的漏感和在交换N和S极时出现的磁滞损失。
特别是，因为这个方法仅通过并联结构控制方法能够实现，所以在各个相上施加电流时，比串联结构的控制方法需要大得多的电流；因为散热量与电流量成比例地增加，所以电源损耗量增加，并且热变成功能降低的一个原因。
另外，如图3所示的驱动两个电源型的两相混合电机的变换器的方法，其目的是，通过向电机施加在额定电压上的电压快速提高电流，由于快速的顺时针(CW)和逆时针(CCW)的转换的开关晶体管的导通和截止，输入到电枢的瞬时输入改变。
即，从电源31施加24V电压的状态，在晶体管(TR3)35-1和晶体管(TR4)35-2交替开关之下，通过导通晶体管(TR1)33-1(在晶体管(TR2)33-2截止时)引起顺时针的(CW)旋转，相反，在晶体管(TR5)35-3和晶体管(TR6)35-4交替开关之下，通过截止晶体管(TR1)33-1引起逆时针的(CCW)旋转。
在顺时针和逆时针转换时，在6.3V电源32的支持下，通过快速增加电流，这个电路的特征提高了响应能力。
但是，驱动电路的问题是，向已经以低电压工作的相又施加高电压，并且不能够使得电流效率最大化，因为该电路基于并联电压输入型在各相之间的驱动控制方法中工作。
同时，图4a和4b是三相180度导电型电机变换器的电路图，说明根据顺序控制获得旋转磁场的方法。
在图4a中，如果按照在图4b的时间顺序表，S1开关42-1、S5开关42-3和S4开关42-5导通，以通过开关电源41获得旋转磁场，则沿与VA节点45相连的V相线圈43-1施加一半电压，其余电压，即，其余一半电压沿连接到VC节点47的W相线圈43-3施加。
这些电压在公共接地的中性点44组合在一起，通过与U相线圈43-2相连的VB节点46，沿S4开关42-5，流到负端，使得产生初始旋转磁场。
另外，如果根据下一个开关顺序(从60到120度电角)通过未示出的门驱动电路，截止S5开关42-3，而S1开关42-1、S4开关42-5和S6开关42-6导通，则电源41的电压沿S1开关42-1，通过与VA节点相连的V相线圈43-1，在共同连接的中性点44被分开，电源41的一半电压沿与U相线圈43-2相连的VB节点46施加到S4开关42-5，到达电源负端，并且其余的一半电压沿与W相线圈43-3相连的VC节点47到达S6开关42-6，然后返回到电压负端，从而引起第二阶段的旋转磁场。
根据图4b的顺序重复开关，以致获得旋转动力。
但是，在一半电压通过，经由已经导通的S5开关42-3和VC节点47和与各相相连的中性点44连接的W相线圈43-3，以获得第一阶段(在时间顺序表中的0度到60度之间的电角)旋转磁场时，和在S5开关42-3截止时，突然导通S6开关42-6，以经由与U相线圈43-2相连的VB节点沿S4开关42-5返回负端，和第二阶段(时间顺序表的60到120电角)时，这个驱动方法在改变电压的流动时，引起在电压之间的抵消。
即，如果S5开关42-3截止，S6开关42-6导通，则电压经由与S1开关42-1和VA节点45相连的V相线圈43-1到达中性点，并且到达中性点的电压被分成它的一半。在第一阶段，一半电压在电压前进的方向施加到U相线圈43-2，其余一半电压在第一阶段的电压前进的反方向，施加到W相线圈43-3，与通过第一阶段开关前进的电压抵消，以致抵消成为阻止电流流动的因素。为了降低这个干扰，在开关时以空载时间进行开关，它仅防止装置的损坏，而不能够防止阻碍产生电压、电流和电流流动的相差的无功电阻。
因此，在高速旋转中，这引起电压增加。
图4b是在现有技术中使用的电机的变换电路的控制角和实时开关的顺序表，它是为了解释空载时间50示出的。
在此顺序表中，当改变成U+相48和U+相49时，即，在各相中的正和负之间改变极性时，要求空载时间，这是由于与相反的电动势抵消和确定驱动是否稳定和装置是否被要求的空载时间的状态破坏。
因此，这样的驱动方法分变换器结构是组合的逻辑开关电路，在串连驱动中有困难，不考虑由于频率变化引起电抗，在驱动中仅将电刷型电机改变成电子型。
发明内容
开发本发明的目的是为了解决上述问题，所以本发明的目的是通过构成具有不同的缠绕方向的多个线圈，或在单一、三相和多相中的多个线圈，即使电流仅在一个方向流动(直流，串联)，通过控制降低电抗，用感应的交变磁通获得动力和电动势。
本发明的另一个目的是提供一种三重电源信号，它是向带有“或”型组合逻辑开关电路的磁路施加电压获得的。
本发明的另一个目的是，通过相对于在使用铁磁材料的磁路中的无感应点升高和降低磁通密度(B)，降低磁滞损失。
本发明的另一个目的是，通过在开关时出现的直流特征，提供一种新的极转换点，利用根据线圈的缠绕方向出现的不同磁滞曲线，正电压和负电压仅在一个方向施加到在不同的方向缠绕的线圈上。
本发明的另一个目的是用相串联驱动电路的结构获得电流的最大效率。
为了到达上述目的，根据本发明的一个特征，包括电路和磁路的电磁回路具有：开关控制单元，包括磁路和用于控制串联的各相的“或”组合逻辑开关控制电路；和直流交变磁通感应单元，用于在DC特征的m波形中感应交变的磁通，所述m波形是通过在无感应线或点附近新出现的极转换点上，交替和同时导通各开关的方式施加上的。
在开关控制单元中，磁路的一个线圈是顺时针缠绕的(S向)，另一个线圈是逆时针缠绕的(Z向)。如果在顺时针(S)缠绕的线圈前安装的半导体开关或超导开关被导通(另一个半导体开关截止)，则直流电压源的正电压，沿S方向施加到连接到线圈的端部的二极管或防止反向偏流的装置，然后返回到DC电压源的负端，从而在磁路中感应N极磁通。如果在Z向线圈前安装的半导体开关或超导开关被导通(另一个半导体开关或超导开关截止)，则直流源的正电压沿Z方线圈施加到连接到线圈的端部的二极管或防止反向偏流的装置，然后返回到DC电压源的负端，从而在磁路中感应S极磁通。如果在S向和Z向的线圈前的半导体开关或超导开关同时被导通，则电压在两个方向施加，使得在线圈中不发生感应出现中性区。与在线圈后安装的二极管或防止反向偏流装置的输出端连接的公共连接节点上，与输入的电流量相同的DC电流量返回到DC源的负端。
在交变磁通感应单元中，连接到彼此相反地缠绕的线圈中的S向线圈的半导体开关或超导开关被导通(Z向线圈的半导体开关截止)，以施加电压，电流在导通的时间从中性线在正向增加到希望的量，并且，在增加到希望的量后，与时间坐标平行地保持。此时，如果在S向线圈和Z向线圈前连接的半导体开关或超导开关都导通，则在S向线圈中的电流下降到它的一半，并且一半电流在Z向线圈中流动，以致在各线圈中在磁性材料中不发生感应。在这个状态，如果在S向的线圈前连接的半导体开关或超导开关截止，则在Z向的线圈中的电流增加。重复上述的开关过程，在与交变电流(AC)波形不同地，在DC特征的中性线上或下形成，S和Z向线圈的施加电压的曲线，使得在施加的电压的一半的点附近出现无感应点或线。
附图说明
参照附图的优选实施例的的详细说明将使得本发明的上述目的和其他优点更明了。
图1是感应交变磁通的现有技术电路图；
图2a是现有技术推挽式变换器的结构图；
图2b是现有技术推挽式变换器的输出波形图；
图3是现有技术两个电源型的两相混合电机的变换器电路结构图；
图4a是现有技术电机变换器电路结构图；
图4b是现有技术电机的变换器电路时间顺序表；
图5是本发明实施例磁路绕组和开关的结构透视图；
图6a是本发明另一实施例开关电路图；
图6b是图6a的开关电路施加电压开关时间图；
图6c是本发明另一实施例磁通波形图；
图7a是本发明又一实施例的开关电路图；
图7b是本发明又一实施例的顺序图。
具体实施方式
下面说明本发明实施例的工作原理和其结构。
图5是本发明实施例磁路绕组和开关的结构透视图。在电源Vs51的电压施加到由在铁磁性导体56(芯)上缠绕的各线圈或仅由线圈5455(无芯)构成的磁路的状态中，如果S1开关52导通和S2开关53截止，则电流在一个方向流到(顺时针)线圈54，使得在导体56中感应S极的磁通。
相反，如果S1开关52截止和S2开关53导通，则电流在另一个S方向流到(逆时针)线圈55，使得在导体56中感应N极的磁通。如果S1开关52和S2开关53都导通，则具有不同的缠绕方向的线圈54和55不在磁路56中感应磁通，引起磁通感应的电流，经由在公共连接节点59返回到电源51，所述节点59是通过连接二极管57和58或防止反向偏流的装置的引线形成的。
在这样的结构中，不管感应的交变的磁通如何，电压仅在直流特征方向中施加，这是通过在在组中的各线圈(线圈是用一个或多个线缠绕)的两端上交替开关，施加电流的方法。这个方法具有的优点是，能量损失显著降低，这是由于除了电抗外的磁滞损失较小，因为它比感应交变磁通的方法，在线圈中具有较小的电抵消和磁滞。
下面说明根据本发明实施例的结构。
如图6a和6b所示，如果在“E”方向施加电源51的电压的状态下，用未示出的顺序控制的门驱动电路，导通S1开关62和截止S2开关62，按照图6b的施加电压曲线61-1施加电压，则经由顺时针缠绕并与S1开关61相连的线圈54，沿二极管57或防止反向偏流的装置，电压在“F”方向返回到电源51，感应N极磁通。如果S1和S2开关61和62都导通，按照相对于图6b的新的施加电压的变化线63的图6c电压降低曲线64降低，则施加到S1开关61的一半电压，在图6a的S2开关62中，一半电压按照图6c的电压升高曲线65上升，并且经由图6a中的顺时针缠绕的线圈54和逆时针缠绕的线圈55，沿二极管57和58或防止反向偏流的装置，电压在“F”方向返回到电源51，从而感应无感应磁通。
如果在图6a中仅S1开关61截止，S2开关62继续导通的，则按照图6b中的对S2开关的施加电压曲线62-1施加的电压，经由逆时针缠绕的线圈55，沿二极管57或防止反向偏流的装置，在“F”方向返回电源51，从而获得S极磁通。
在铁芯56中感应从上述获得磁通，并通过在次级线圈3中的交变磁通产生交变电动势。
图6b是以开关为基础的电源施加曲线。X坐标表示时间的改变，Y坐标表示电流增加和降低的变化。如曲线所示，根据本发明实施例供给电压的方法显示出，根据相对于施加电压变化线63施加m形波形电压，感应交变磁通的方法，而不是相对于电源的中性线66的交变施加电压方法，其中所示线63是在中性线66的上部上新形成的。
即，呈现出出一种新获得交变磁通的变换方法，也就是，基于图6a的S1开关61的图6b的施加电压曲线61-1和基于图6a的S2开关62的图6b的施加电压曲线62-1继续，以根据相对于施加电压变化线63(磁通无感应线)的顺序，导通和截止相应开关。
通过控制图6c的施加电压开关方法，呈现出的三个64、65和66，或多个输出磁通波形，用于增加和降低电压的变压器或信号发生器的交变电动势，并且作为另一种用途，在附加引起涡流的磁路和高频开关控制单元时，能够用作，基于感应加热的热发生器。
图7a是根据本发明另一个实施例的电机的三相变换器电路图。其中，构成的电路使得，通过整流在直流整流单元72中的交流电压源71的电压，沿电压分布连接节点，电压到达各开关，如果通过用门驱动电路控制开关，使得开关S1、S3和S5导通，开关S2、S4和S6截止，则在磁路的线圈75-1、75-3和75-5中感应N极的磁通。同时，如果开关S1、S3和S5截止，开关S2、S4和S6导通，则在磁路的线圈75-2、75-4和75-6中感应S极的磁通。
另外，如果开关S1、S3和S5和开关S2、S4和S6都导通，则不管施加的电压，在磁路的线圈75-1、75-3、75-5、75-2、72-4和75-6中不感应磁通。
因为磁通改变是根据无感应极变化线发生，所以本发明提供一种变换器电路，它构成得是，根据直流/串联轨迹(rail)型的开关施加电压方法，基于交变磁通的感应，产生机械动力，所述开关施加电压方法不同于现有技术的引起相对于交流电中性线的磁通改变的方法。
图7b是本发明另一个实施例的电机4极3相控制的时间顺序图表。下面参照图7a和7b详细说明本发明另一个实施例。
在图7a中，如果交流电压源71的电压在整流单元71中被整流为DC电压，整流DC沿电压分布连接节点73施加到各开关，则在脉冲振幅调制(PAM)，或脉冲宽度调制(PWM)，和按照图7b的A+相的施加电压顺序在0-94度时PAM和PWM组合方式中，根据图7b的顺序，被施加到图7a所示的S1开关74-1。
在上述方法中，如果在0到64度(85)相对于图7a的S4开关74-4施加，图7b的B相电压，和在0到34度(86)相对于图7a的S5开关74-5施加，图7b的C+相电压，则在与相应各相相连的开关终端的线圈中的电流，在铁磁材料的磁路中感应磁通，引起开始的驱动后，经由对于相应相的二极管76-5或防止反向偏流的装置，返回到电源71，然后，如果在86到184度(82)相对于图7a的S2开关74-2施加图7b的A相电压，在56到154度(84)相对于图7a的S3开关74-3施加图7b的B+相电压，和在26到124度(87)相对于图7a的S3开关74-6施加图7b的C+相电压，则在与相应各相相连的开关终端的线圈中的电流，在铁磁材料的磁路中感应磁通，经由对于C相的二极管76-6或防止反向偏流的装置，返回到电源71，从而继续驱动。
同时，鉴于顺序控制结构，图4b中的现有技术的4极电机具有与90度相对应的180度的机械角和电角，但是因为，在超前于参考角(在180度导电型中的0、90、180、和270度和在120度导电型中的0、120、和240度)的一些度数，实现了实际的电压输入，并考虑到这样的情况，即，改变极性的下一次开关操作时的空载时间，以及由于反电动势在滞后于参考角的一些度数才输入电压，以致，在产生电压和电流之间的相差的空载时间的延长的时间中电压的施加是中断的。为了克服此问题，必须用功率因数补偿电路等强化电源效率。
但是，在图7的本发明的实施例中，增加了在90度的机械角和180度的电角超前和滞后的4度(根据设计规范能够改变无感应角)。
即，在图7b的极性转换的改变电压时和在下一个极性转换的施加A向电压时，在A+相的施加电压的顺序时间中，比顺序参考角，长出数度的施加电压后截止开关，在顺序参考角前数度导通开关，这便在A+相和A-向之间产生电压重叠施加区域83。
这个区域是无感应带(新施加电压改变线63)，并且如图6b所示，施加电压曲线61是相对于这个带形成的。
因此，根据本发明的一个实施例，作为直流轨迹型的极性转换电压施加方法的施加电压方法，不在电压和电流之间产生相差，因为在操作当中电压不中断，在图6b所示的m形波形施加电压方法中，通过操作的两个或多个开关，感应交变磁通，所述方法是基于在中性线上或下形成的无感应线上的施加电压转换线周围的DC电源，而不是在基于在中性线周围AC施加电压的交变磁通感应方法中感应磁通，与现有技术的变换器驱动方法所不同的是，作为DC特征，而不是AC特征，的施加电压方法，不同于由于频率转换的交变磁通感应方法，没有由于电场产生的感抗。
工业应用
根据本发明构成的电路具有下面的效果。
因为磁极的交叉点存在在本发明提出的无感应线上，不用AC单元，而是用DC单元能够感应交变磁通，获得磁通的引力或斥力，能够大量降低频率引起的电抗，以在低电压传导高电流，特别是，因为在电机中的无感应点具有的优点是，它能够降低由于极性改变的振动、由于铁磁材料磁滞的铁损失，并且DC特征的施加电压的方法在电压和电流之间无相差，能够降低由于相差(功率因数)的能量损失。
另外，因为本发明的开关单元的施加电压方法能够构成串联电路，与并联电路比，本发明具有提高电流效率的明显效果。

Claims (1)

1.一种磁路，其中磁路的一个线圈是顺时针缠绕的，另一个线圈是逆时针缠绕的，按照顺序开关在各线圈前级安装的各开关，包括：
变换器的开关控制装置，用于根据各相的“或”型组合逻辑开关控制，进行直流/串联多向控制，其中，变换器电路构成为，当DC电压沿一个或另一个线圈，经由连接到线圈的端部的反向偏流防止装置，返回到它的电源的负端时，感应N极磁通、S极磁通，或无感应；和
交变磁通感应单元，用于在按照DC特征的m形的波形感应交变磁通，所述的m形波形是在无感应线或无感应点附近呈现的极转换点上，使得各开关交替地导通，和同时导通的方式施加上的，其中如果根据极性转换点的顺序，各开关交替地导通，或各开关都导通，所述无感应线或无感应点形成在中性带的上或下部分上的施加的电压的一半的点上。
CN01807364A 2000-03-29 2001-03-28 使用开关的磁路 Pending CN1421066A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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