CN1495992A - 用于开关磁阻电机的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于开关磁阻电机的电路，其中通过具有四个有源开关的相电路激励开关磁阻电机，这些开关优先是MOSFET开关，并且以桥式结构设置。这些开关能够在第一方向和第二方向上传导电流并且能够作为二极管运行。在从监测改变到发电和从发电改变到监测时流经相绕组的电流的方向反向。根据能量输送和能量返回电流设置开关的额定值。

Description

用于开关磁阻电机的电路
技术领域
本发明涉及用于开关磁阻电机(尤其是那些要求在监测模式和发电模式中运行的电机)的高效操作的电路。
背景技术
一般地说，磁阻电机是这样的一种电机：通过使它的可动部件移到使磁路的磁阻最小(即激励绕组的电感最大)的位置的趋势产生转矩。在一些形式中，提供电路以检测转子的角位置并按照转子的位置函数激励相绕组。这种类型的磁阻电机通常称为开关磁阻电机，并且它可以作为电动机或发电机运行。这种开关磁阻电机的特征也是十分公知的，例如描述在Stephenson和Blake的“TheCharacteristics，Design and Application of Switched ReluctanceMotors and Drives”(PCIM’93，Nüinberg，21-24 1993年6月)中，在此以引用参考的方式将其结合在本申请中。该文献详细地描述了一起产生周期性地改变相绕组电感的特性的开关磁阻电机的特征。在本领域中十分公知的是，通过简单地改变绕组激励的时序而不需要改变在相绕组中流动的电流的方向，这种电机就可以运行在监测模式或发电模式。
附图1所示为连接到负载19的常规的开关磁阻驱动系统的主要部件。输入直流电源11可以是电池或整流且滤波的交流电源，并且在幅值上可以是固定的或可变化的。在某些公知的驱动器中，电源11包括谐振电路，该谐振电路产生在0和预定的值之间快速变化的直流电压以允许功率开关的零电压切换。在电子控制单元14的控制下通过功率变换器13使通过电源11提供的直流电压在电动机12的相绕组上切换。必须使切换正确地与驱动器的适当操作的转子旋转角度同步。转子位置检测器15或位置检测算法输送表示转子的角位置的信号。
在开关磁阻电机中的相绕组的激励取决于转子角位置的检测。通过参考附图2和3可以解释这些，附图2和3所示为作为电动机运行的磁阻电机的开关。附图2一般性地示出了根据箭头22接近定子磁极21的转子磁极20。如附图2所示，完整的相绕组16的一部分23缠绕在定子磁极21的周围。在激励相绕组16在定子磁极21周围的部分23时，在转子上施加力，这个力趋向于将转子磁极20推向与定子磁极21对齐。附图3一般性地示出了在控制相绕组16(包括在定子磁极21周围的部分23)的激励的功率转换器13中的典型的开关电路。电压总线36，37一般称为直流线路环节，而在它们之上的电容器35称为直流线路环节电容器，它的功能是处理在直流线路环节上的交流电流。在开关31和32闭合时，相绕组耦合到直流功率的电源并被供电。在以上文所描述的方式对开关磁阻电机的相绕组进行激励时，通过在磁路中的磁通量建立的磁场产生了所述的切向力，这个力将转子磁极推向与定子磁极对齐。
一般地，如下地对相绕组进行激励以实现转子旋转。在转子的开始的角位置(称为“接通角”，θon)上，控制器14提供开关信号以接通开关器件31和32。在开关器件31和32接通时，相绕组耦合到直流线路环节，由此使在该电机中建立的磁通增加。该磁通在气隙中产生了作用于转子磁极以产生监测转矩的磁场。在该电机中的磁通受到磁动势(mmf)的支持，通过从直流电源11经开关31和32和相绕组23的电流提供该磁动势。通常利用电流反馈并通过快速地切换开关器件31和/或32中的一个或两个截断电流而斩波来控制相电流的幅值。附图4(a)所示为在电流截断在两个固定电平之间的斩波操作模式中的典型电流波形，在监测模式中，接通角θon通常选择为如下的转子位置：在转子上的极间空间的中线与定子磁极的中线对齐，但也可以是其它的角度。附图4(a)所示为相绕组的理想化的磁阻分布形式。
在许多系统中，相绕组保持连接到直流线路环节(或者如果应用斩波则断续地连接)直到转子旋转以使它达到称为“空转角为θfw的角度。在转子到达对应于空转角(例如在附图2中的所示的位置)的角位置时，一个开关(例如开关31)切断。因此，流经相绕组的电流将继续流动，但现在仅流经一个开关(在本实例中为开关32)，并仅流经一个二极管33/34(在本实例中为开关34)。在空转周期中，在相绕组上的电压降较小时，磁通量仍然基本保持恒定。电路保持在这种空转状态直到转子旋转到称为“切断角”θoff的角位置(例如，在转子磁极的中线与定子磁极的中线对齐时)。在转子到达切断角时，开关31和32切断并且在相绕组23中的电流开始流经二极管33和34。然后二极管33和34将直流电压从直流线路环节反向地施加，使在电机中的磁通量(由此使相电流)降低。
在本领域公知的是，使用其它的开关角度和其它的电流控制条件。类似地，迭片几何结构、绕组拓扑结构和开关电路的许多其它的结构配置在本领域中也是公知的，其中的一些结构配置在上文引用的Stephenson和Blake的论文中讨论过。
在电机的速度上升时，电流上升到斩波电平的时间更小，并且驱动器通常运行在“单脉冲”的操作模式。在这种模式中，接通、空转和切断角都选择为例如速度和负载转矩的函数。某些系统并不使用空转的角度周期，即同时接通和切断开关31和32。附图4(b)所示为在空转角为0时的典型的单脉冲电流波形。十分公知的是可以预先确定接通、空转和切断角的数值并以适合的格式存储以便控制系统在需要时检索，或者可以实时地计算或推导。
附图5(a)所示为在监测的过程中典型的单脉冲操作点的电流和磁通波形。注意，在电压一施加给在θon的相绕组时电流和磁通就开始上升。电压以传导角θc施加。在切断角θoff下，在线圈上电压反向时磁通梯度反向，在磁路中不存在涡流的情况下，电流和磁通同时到达0。这个附图所示为0电阻的理想情况，因此上升和下降时间相等。附图5(b)所示为相应的发电点的波形，其中在附图5(a)的波形的时间上波形是镜像。
注意，在开关中和在二极管中的电流一般不同。例如，在附图5(a)的监测模式中，开关电流远大于二极管电流——实际上均方根(rms)值可能是二极管电流的均方根值的三倍。相反，在附图5(b)的发电模式中，二极管电流具有更大的值。之后如果要求驱动器在监测和发电模式中提供大致相同的输出，则开关和二极管的额定值必须大致相同。
就器件本身的冷却或驱动器的总体效率来说，将在开关和二极管中与电流相关的损失保持在它们的热运行极限之内是很重要的。在400V 3-相电源中运行并产生几十或几百千瓦的工业驱动器中，器件损失大致在总的输入功率的3％之下。然而，在低压驱动器中，器件损失可能是输入功率的10％或更大。
解决这种问题的一个方案是使用具有更大的硅面积的器件，这将有限程度地改善这种情况，虽然损害了该器件的尺寸和成本。然而，这对开关主要还是有益的，因为二极管的电压降特征是常数值(例如，1.0V)或者常数加上电流函数项(例如，0.5V+0.05i)。在二极管电流相对较小时，在监测模式中这不会成为太大的问题。然而，在发电模式中更大的电流通常产生损失，它对于有效的操作是一个严重的缺陷。
可以以可控硅元件替代二极管，如附图6所示，但在这种情况下没有优势，原因有两点。第一，可控硅元件的开关时序绝对严格，因为可控硅元件需要在对应的主开关断开的瞬间激发。因为与该器件关联的有限开关次数的缘故(一般为10-20微秒级，取决于它的尺寸)，它非常难以确保在所有的时间上都正确地激发。第二，即使克服了第一缺陷，在可控硅元件上的电压降也将大于它替代的二极管，这导致了更大而不是更小的器件损失。
由于相同的原因或其它的原因，也排除了使用其它类型的开关。例如，集成栅双极晶体管(IGBT)可以考虑，因为它比可控硅元件具有更小的器件损失，但通过IGBT替换二极管将会不能工作，因为在IGBT上的反向电压将会破坏它。
已经公知的是，对于开关磁阻驱动器，使用在工业标准模块中可用的IGBT和二极管的标准结构。例如，Miller等人的论文“Starter-alternator for hybrid electric vehicle：Comparison ofinduction and variable reluctance machines and drives”(Proceedings of the 1998 IEEE Industry Applications SocietyAnnual Meeting，12-15 Oct 1998，St Louis，Missouri，Vol 1，pp 513-523)描述了在附图7中再现的IGBT和二极管的设置。在该文论的517页第2栏中描述了这种电路的使用。在相传导的一个周期中，IGBT SA & SD用作开关，并且回程二极管是DB和DC。IGBT SB和SC都偏压到切断状态。在随后的相传导的周期中，IGBT SC & SB用作开关，并且回程二极管是DA和DD。IGBT SA和SD都偏压到切断状态。完成这些以使电流在连续的周期上在相绕组中以相反的方向流动，由此减小了在相邻相之间的互耦，如在第518页第1栏下半部分所描述。虽然这实现了该作者所追求的高转矩输出，但是它是非常昂贵的方案，并且每相要求8个器件。
欧洲专利申请No.0886370也公开了一种开关电路，在这种开关中半桥模块连接在电压干线之间。二极管连接在每个开关上以朝正干线导通。相电流交替循环地或循环群地反向。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于开关磁阻驱动器的有效且经济的电路，该电路能够在监测和发电模式中运行。
根据本发明提供一种用于开关磁阻驱动器的激励电路，该激励电路包括将相绕组连接到电源的多个开关，该多个开关包括用于将电流输送给相绕组和将电流返回到电源的第一组和第二组，该第一组和第二组的开关能够在第一和第二方向上传导电流，并且第一组和第二组能够处理不同的峰值电流。
可取的是，该激励电路被设置成：在监测模式中通过第一组将电流输送给相绕组并提供通过第二组将电流返回到该电源的通路，在发电模式中通过第二组将电流输送给相绕组并通过第一组将电流返回到该电源。在监测模式中在相绕组中的电流的方向一般与在发电模式中在相绕组中电流的方向相反。
可取的是，至少一个开关能够作为二极管运行，例如该开关可以具有固有的集成反向二极管。例如，适合的开关的实例是MOSFET，尤其是增强层MOSFET。每个开关可以是MOSFET。
在优选的实施方式中，提供四个开关，并且第一组包括两个开关，这两个开关具有比形成第二组的其余的两个开关更高的额定值(即，能够对付更高的峰值电流)。激励电路可以包括连接在相绕组的第一端和第一电压干线之间的第一开关、连接在相绕组的第一端和第二电压干线之间的第二开关、连接在相绕组的第二端和第一电压干线之间的第三开关和连接在相绕组的第二端和第二电压干线之间的第四开关，第一和第四开关形成了第一组。第二组可以包括第二和第三开关。
在本发明的进一步方面中提供了一种包括电机的开关磁阻驱动器，该电机具有形成多个转子磁极的转子、形成多个定子磁极的定子和用于激励两个或更多个磁极的至少一个相绕组，该开关磁阻驱动器包括激励电路，该激励电路包括将相绕组连接到电源的多个开关，该多个开关包括第一组和第二组，该激励电路被设置成：在监测模式中通过第一组将电流输送给相绕组并提供通过第二组将电流返回到该电源的通路，在发电模式中通过第二组将电流输送给相绕组并通过第一组将电流返回到该电源，第一组和第二组能够处理不同的峰值电流。
可取的是，在监测模式中在相绕组中的电流的方向与在发电模式中在相绕组中的电流的方向相反。
在本发明的进一步方面中提供了一种控制包括电机的开关磁阻驱动器的方法，该电机具有形成多个转子磁极的转子、形成多个定子磁极的定子和用于激励两个或更多个磁极的至少一个相绕组，该开关磁阻驱动器包括激励电路，该激励电路包括将相绕组连接到电源的多个开关，该多个开关包括第一组和第二组，该方法包括：在监测模式中通过第一组将电流输送给相绕组并通过第二组将电流返回到该电源，在发电模式中通过第二组将电流输送给相绕组并通过第一组将电流返回到该电源。
附图说明
本发明可以以多种方式实施，参考附图现在通过举例描述某些
实施方式，在附图中：
附图1所示为开关磁阻驱动系统的主要部件；
附图2所示为接近定子磁极的转子磁极的示意图；
附图3所示为在功率转换器中控制附图1的电机的相绕组的激励的典型开关电路；
附图4(a)和4(b)所示分别为以截断和单脉冲模式运行的开关磁阻驱动器的典型电流波形；
附图5(a)和5(b)所示分别为监测和发电模式的电流和磁通波形；
附图6所示为激励相绕组的变型电路；
附图7所示为每相使用8个器件的已有技术的激励电路；和
附图8所示为根据本发明的一种实施例的激励电路。
具体实施方式
本发明利用某些开关能够在两个方向上传导电流并且至少暂时可起二极管作用的特征的优点。例如，金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)具有所要求的特征。这些特征在本领域中十分公知并且包含在标准文本(例如，“Power Semiconductor Applications”，Philips Semiconductors，April 1991)中。增强层MOSFET是可使用的优选的开关。
如附图8所示，激励开关磁阻电机的激励电路的一种实施例具有四个有源开关MA、MB、MC和MD，这些开关优先是MOSFET开关，并且以桥式结构设置在相绕组16的周围。这些开关能够在第一方向和第二方向上传导电流并且能够作为二极管运行。在从监测改变到发电和从发电改变到监测时流经相绕组16的电流的方向反向。根据能量输送和能量返回电流设置开关的额定值。
首先假设该驱动器运行在监测模式中。开关MA和MD起激励开关以激励绕组的作用。在传导周期的结尾，根据是否使用空转断开一个或两个开关。虽然MOSFET MB和MC没有接通，但是该装置的体二极管开始作为常规的二极管作用并将电流传导给电源。在这一点上，允许器件MA和/或MD足够长的时间以完全切断，激励开关MB和MC，由此允许它们通过在该器件中的主电流传送沟道传导电流。该器件保持导通直到该电流已经降低到零。
器件MB和MC由此作为常规的二极管作用。因为MOSFET的传导损失小于相同的额定值的二极管的传导损失，因此这个电路比它的常规等效电路的效率更高。
现在假设该驱动器运行在发电模式中。该电路可以以上文概述的方式完全相同的方式运行，并且时控的激励与下降电感一致。因为激励电流现在较小，因此MA和MD都会处于使用中。相反，现在通过MB和MC输送更大的电流，MB和MC的额定值必须能够输送这种更大的电流。
然而，由于该电路是对称的，并且由于在磁阻电机中的转矩大小仅仅取决于磁通量的幅值而不取决于它的方向，因此可以使MOSFET的作用反向，由此使在相绕组中的电流的方向反向。该电机的输出不变，但MB和MC现在起开关的作用以输送(更小的)激励电流，而MA和MD起二极管的作用，输送(更大的)能量返回电流。
通过产生这种相电流方向反向，可以看出MB和MC现在输送更小的电流，而不管驱动器正在监测还是正在发电。因此可以减小这两个器件的额定值。例如，在监测和发电两种模式中额定值为2kW的驱动器中，这些器件的额定值可以减小到其它两个开关的25％，这表明它是非常节省的。因此，上文描述的这个电路和操作方法实现了减小成本和增加效率的双重好处。
虽然本说明书的描述仅提及MOSFET型的开关，但是希望本发明扩展到包括在将来研究出来的在电流反向时也能够起开关和二极管作用的其它开关。本发明特别可延伸到那些能够在第一方向和在第二方向上传导电流并能够作为二极管运行的开关。
将会认识到，本发明可应用到具有任何数量的相和磁极的任何开关磁阻电机和任何迭片几何结构中。类似地，本发明可应用到移动部件(通常成为“转子”)线性地行进的直线电机中。因此，普通技术人员将会理解的是在不脱离本发明的前提下可以使用所公开的结构的变型。因此，上文通过以非限制性的举例描述了几种实施例。但希望仅以下文附加的权利要求界定本发明。

Claims (17)

1.一种用于开关磁阻驱动器的激励电路，该激励电路包括将相绕组连接到电源的多个开关，该多个开关包括用于将电流输送给相绕组和将电流返回到电源的第一组和第二组，该第一组和第二组的开关能够在第一和第二方向上传导电流，并且第一组和第二组能够处理不同的峰值电流。
2.根据权利要求1所述的激励电路，其中激励电路被设置成：在监测模式中通过第一组将电流输送给相绕组并提供通过第二组将电流返回到该电源的通路，在发电模式中通过第二组将电流输送给相绕组并通过第一组将电流返回到该电源。
3.根据权利要求1或2所述的激励电路，其中在监测模式中在相绕组中的电流的方向与在发电模式中在相绕组中电流的方向相反。
4.根据权利要求1、2或3所述的激励电路，其中至少一个开关能够作为二极管运行。
5.根据权利要求4所述的激励电路，其中至少一个开关具有固有的集成反向二极管。
6.根据权利要求4或5所述的激励电路，其中至少一个开关包括MOSFET。
7.根据前述任何权利要求所述的激励电路，其中开关包括增强层MOSFET开关。
8.根据前述任何权利要求所述的激励电路，其中提供四个开关，并且第一组包括两个开关，这两个开关具有比形成第二组的其余的两个开关更高的额定值。
9.根据前述任何权利要求所述的激励电路，其中激励电路包括连接在相绕组的第一端和第一电压干线之间的第一开关、连接在相绕组的第一端和第二电压干线之间的第二开关、连接在相绕组的第二端和第一电压干线之间的第三开关和连接在相绕组的第二端和第二电压干线之间的第四开关，第一和第四开关形成了第一组。
10.根据权利要求9所述的激励电路，其中第二和第三开关形成了第二组。
11.根据前述任何权利要求所述的激励电路，其中每个开关是MOSFET。
12.一种包括电机的开关磁阻驱动器，该电机具有形成多个转子磁极的转子、形成多个定子磁极的定子和用于激励两个或更多个磁极的至少一个相绕组，该开关磁阻驱动器包括激励电路，该激励电路包括将相绕组连接到电源的多个开关，该多个开关包括第一组和第二组，该激励电路被设置成：在监测模式中通过第一组将电流输送给相绕组并提供通过第二组将电流返回到该电源的通路，在发电模式中通过第二组将电流输送给相绕组并通过第一组将电流返回到该电源，第一组和第二组能够处理不同的峰值电流。
13.根据权利要求12所述的开关磁阻驱动器，其中在监测模式中在相绕组中的电流的方向与在发电模式中在相绕组中的电流的方向相反。
14.一种控制包括电机的开关磁阻驱动器的方法，该电机具有形成多个转子磁极的转子、形成多个定子磁极的定子和用于激励两个或更多个磁极的至少一个相绕组，该开关磁阻驱动器包括激励电路，该激励电路包括将相绕组连接到电源的多个开关，该多个开关包括第一组和第二组，该方法包括：在监测模式中通过第一组将电流输送给相绕组并通过第二组将电流返回到该电源，在发电模式中通过第二组将电流输送给相绕组并通过第一组将电流返回到该电源。
15.基本如在此参考附图所描述的一种激励电路。
16.基本如在此参考附图所描述的一种开关磁阻驱动器。
17.基本如在此参考附图所描述的一种运行开关磁阻驱动器的方法。
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