CN1518195A - 可变磁阻发电机 - Google Patents

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Abstract

一种具有多个相绕组和一个偏置绕组的可变磁阻发电机。通过控制由偏置绕组产生的激励、电机的转速或控制直流联络线，仅使用二极管的电力变换器可以向直流母线提供电力。

Description

可变磁阻发电机
技术领域
本发明涉及一种作为发电机运行的磁阻电机。具体地说，涉及无需在其相绕组电路中使用活动开关即可产生负载的可变磁阻发电机的运行。
背景技术
开关磁阻系统的特性和运行在本领域是公知的，例如，在此引入作为参考的作者为Stephenson和Blake的“The characteristics，design andapplication of switched reluctance motors and drives”(PCIM’93，Nürnberg，1993年6月21-24日)一文中对其进行了说明。图1(a)示意性地出了一个典型的开关磁阻驱动装置，其中开关磁阻电机12被连接到负载19。直流电源11可以为整流和滤波后的交流电源、电池或某些其它形式的储电装置。电源11提供的直流电压可在电子控制单元14的控制之下由电力变换器13在电机12的相绕组16间转换。为使电机正确运行，换向必须正确地与转子的旋转角度同步，并且通常利用一个转子位置检测器15以提供对应于转子的角位置的信号。转子位置检测器15可以采用多种形式，包括软件算法，并且其输出也可以用于生成一个速度反馈信号。位置检测器的存在以及完全取决于转子的瞬间位置的励磁策略的使用使得这些电机被描述为“转子位置转换”。
已经知道许多不同的能量转换器的拓扑结构，其中的几种在前面引用的Stephenson的文章中进行过介绍。图2中示出了用于多相位系统中的一个相位的最普通的一种结构，其中电机的相绕组16跨过母线26和27与两个开关21和22串联。母线26和27被合称为转换器的“直流环(DC link)”。将能量恢复二极管23和24连接在绕组上以便在开关21和22打开时绕组上的电流可以流回到直流环。将小阻值电阻28与下面的开关串联并作为电流换能器进行工作。被称为“直流环电容器”的电容器25被跨接在直流环间，以发生或衰减所有不能从电源抽出或返回电源的直流联络线电流(即所谓的“波纹电流”)的交流分量。实际上，电容器25可以包括若干串联和/或并联的电容器，在使用并联时，某些元件可以分布在整个变流器中。
图3示出了电机处于电动机模式时，图2所示电路的两个运行循环的典型波形。图3(a)示出了活动开关21和22闭合时，在“导通角”θon处施加的、在导通角θc的持续时间内的电压。图3(b)示出了相绕组16中的电流上升到峰值然后轻微地下降。在导通阶段的最后，到达“闭合角”θoff，开关断开，电流传输到二极管，并在绕组间加反向环电压，并因此迫使磁通和电流降到零。在零电流时，二极管停止导通并且电路处于不活动状态，直至随后的导通阶段的开始。如3(c)所示，直流环上的电流在开关断开时反向，并且返回的电流代表返回电源的能量。电流波形的形状随电机的工作点和所采用的交换策略的不同而不同。正如众所周知且在，例如前面引用的Stephenson的文章中所描述的那样，低速运行通常包括用电流斩波来包括峰值电流，不同时断开开关可以得到通常所知的“稳流(freewheeling)”的工作模式。
正如在本领域所众所周知的那样，开关磁阻电机可以运行在发电模式。图1(b)中示出了一种典型的布置，其中图1(a)的负载19变成了原动机19’，例如：一台提供机械能的内燃机。电源11变成了电力负载11’，通过电力变换器13接受来自电机12的能量。通常，相电流为电动机模式中的相电流的镜像(以时间表示)。此类系统在，例如，作者为Radun的“Generating with the switched reluctance motor”一文(Proceedings ofthe IEEE 9th Applied Power Electronics Conference，Orlando，Florida，1994年2月13-17日，41-47页)中进行了讨论。图4(a)示出了系统处于电动机状态时的磁通波形和对应的电路波形，而图4(b)示出了系统处于发电状态时对应的波形。从图4(b)中可以看出，在能量返回直流环之前，电机需要建立一“起动(priming)”或磁化磁通(以及支持此磁通所需的电流)。换言之，在直流环能够将大量机械能转换回直流环之前，需要从直流环获取一定的电能以启动电机。
尽管有许多用于开关磁阻电机的电力变换器的布局，所有这些布局都使用了一定数量的活动开关，这些开关构成了变换器成本的一个显著的部分。多年来，已进行了大量的努力以减少每相中开关的数量。
发明内容
根据本发明的一个实施例，有用的电功率由可变磁阻电机产生而无需操纵常规的电力开关。磁路中引入了一偏置磁通，所述磁通的幅度随转子的位置变化。通过将相电压限制为低于由偏置磁通在相中另外感应的电压的幅度，可以实现发电。这样，无需在电机的电力变换器中存在活动开关，或者虽然具有电力开关但不对其进行操作(因此运行在该模式时，具备现有技术中不具备的效率)，即可实现用于产生电功率的方法和装置。
偏置磁通和与被限制的电压关联的磁通之间磁通的差异表示必须由电流支持的磁通，该电流在相绕组中流动。因此，本发明在电机的该相或每相中都产生电功率。相电压可以由半导体器件，例如：与相连接的二极管或二极管电桥，进行限制。在这样的系统中，半导体器件还用于将相中电流的流动限制为一个方向，由此产生可用的整流后的电源。限制相电压的另一种装置是晶闸管，当然，其整流程度是可以调节的。
磁路中的磁通可以通过将一个或多个线圈磁性耦合至电机的某些或全部相绕组来进行偏置。线圈的激励可以是恒定的或可变的。另一种偏置磁通的方法是根据与相的关系，布置一永久磁铁或可磁化的部件。偏置线圈或磁铁优选地位于与相绕组所在相同的部件上，通常为定子。
本发明具有明显的优点，它避免了以常规开关磁阻发电机所需的方式提供电力开关。根据本发明，开关磁阻发电机中无需存在常规的电力开关。或者，可以在常规的开关磁阻驱动系统中设定根据本发明的运行模式并暂时用作一系列运行模式之一。例如，用于电动车或混合电动车的驱动器可以包括一个开关磁阻电动机，作为，或部分作为发动机。在这样的系统中，开关磁阻驱动装置在适当的时刻被用作发动机的源和发电机这两者。本发明允许使用同样的驱动装置，其电力开关简单地处于待用状态，而不是不存在。这可以导致改善的运行效率。
根据本发明的一种特定的形式，提供了一种将可变磁阻电机作为发电机运行的方法，该电机至少具有一个相绕组，所述方法包括：建立与该相绕组或至少一个相绕组耦合的偏置磁通；并将相电压限制为低于由偏置磁通在相中另外感应的电压的幅度。
本发明还可以扩展到具有带有至少一个相绕组的第一部分和布置为相对于第一部分运动以产生电功率的第二部分的可变磁阻电机；用于建立与该相绕组或至少一个相绕组耦合的偏置磁通的装置；以及用于将相电压限定为低于由偏置磁通在相绕组中另外感应的电压的幅度的装置。
初始时相电压可以被限制为零伏特。如上所述，使用二极管可以方便地完成此操作。此外，二极管还用于将相中电流的流动限制为一个方向，由此提供整流后的输出电源。这样的二极管可以是提供，例如，全波整流的整流电路的一部分。
可以通过控制发电机转速、在至少一个相中形成的偏置磁通，或者跨直流联络线的电压来控制根据本发明的可变磁阻发电机的输出。
附图说明
阅读以下的本发明示例性实施例的详细说明以及参考附图，可以清楚地理解本发明的其它方面和优点。其中：
图1(a)是作为电动机运行的现有技术的开关磁阻驱动装置的示意图；
图1(b)是作为发电机运行的现有技术的开关磁阻驱动装置的示意图；
图2是用于图1(a)或(b)的开关磁阻电机的现有技术的激励电路；
图3(a)是图2中示出的电路的相电压波形；
图3(b)是对应于图3(a)的相电流波形；
图3(c)是对应于图3(a)的供电电流波形；
图4(a)和图4(b)分别示出了电动机和发电机的磁通和电流波形；
图5示出了根据本发明的一个实施例的发电系统；
图6(a)示出了一个开关磁阻电机的芯片和绕组的示意图；
图6(b)示出了另一个开关磁阻电机的芯片和绕组的示意图；
图7示出了相应于本发明的一个实施例的基本电感、磁链和电压波形；
图8示出了相应于本发明的一个实施例的磁链、电压和电流波形；
图9(a)示出了图5的电路的变形；
图9(b)示出了图5的电路的进一步的变形；
图10示出了图5的电路的又一进一步的变形；
图11示出了相应于图10的运行的一组波形；
图12示出了组合了图9(a)和10的元件的电路；
图13-15示出了根据不同运行条件相应于图12的运行的各组波形；
图16(a)和(b)示出了根据本发明的一个方面的可变磁阻发电机的三角形和星形连接。
具体实施方式
图5是根据本发明一个实施例的可变磁阻电机系统的一个相的示意图。系统可以只有一个相也可以是多相的。与图2的现有技术系统中相同的元件被赋予了相同的标号。此外，该电机具有由恒流源20供电的偏置绕组18。相对于相绕组16，偏置绕组18的磁极性以常规的方式用点表示。偏置绕组中的电流为Ib，相电压Vph借助于磁耦合在偏置绕组中感应的电压Vb可由下式给出：
Vb＝Vph*Nb/Nph             (1)
其中Nb偏置绕组18中的匝数，Nph为相绕组16中的匝数。
在物理术语中，偏置绕组可以包括一个跨电机电气间距(electricalpitch)一半的单个绕组，如图6(a)，其中示出了具有六个定子极61和四个转子极64的电机的实例。转子66被安装在轴68上以在定子内旋转。定子极绕有通常串联或并联的线圈63以提供三相绕组，所述绕组之一表示为图5中的16。偏置绕组18包括一个跨越电机直径两端的单个线圈65，因此，包围了沿径布置的环中一半的极。
或者，如图6(b)所示，偏置绕组可以包括在全部，或至少某些极上的多个线圈65′，所述每个线圈65′以与同一极上的相绕组16的线圈63相同的方式环绕该极，但线圈65′可以区别于线圈63。线圈65′串联，以便每个线圈65′中的电流是相同的。在这种情况下，将六个偏置线圈串联等效于图6(a)中的单个线圈65。
通过检查磁通路可以看出，这两种布置在磁学上类似，将考虑诸如末端绕组的幅度以及电机中的可用空间之类的因素，在它们之间进行选择。
可以使用其它形式的偏置绕组。例如，绕组可以包括围绕定子的背铁的环形绕组，其中围绕背铁施加支持偏置磁通的磁动势。但是，在所有情况中，偏置绕组从电机电气间距的一半处朝向另一端建立磁通。对于所有这些不同的偏置绕组布置，气隙处的磁通分布图是相同的。在一个多相电机中，对于恒定的偏置电流，总的磁通幅度将基本上恒定。作为偏置磁通的替代源，可以使用永久磁铁代替偏置绕组18，但是这样的布置缺乏绕组线圈的灵活性，在绕组线圈中可以控制其中的电流。
现在将利用图5的电路说明电机的运行。为简化说明，将假设电机是磁线性的。还假设电流源20是理想的，它可以保持偏置电流Ib恒定，与偏置绕组18中感应的任何电压无关。开关21和22处于断开状态。
图7中示出了相绕组16的电感分布图。该分布由电机铁芯的磁几何形状限定。由于电感被定义为单位激励电流的磁链，相绕组中的磁通由下式给出并在图7中示出了对于任意Ib值的磁通：
Ψph＝LIb                         (2)
接着可以得出，对于恒定电流Ib，磁链曲线具有与电感相同的形状。根据法拉第定律，相绕组中感应的电压可以推导为
Vph＝dΨph/dt＝ωdΨph/dθ       (3)
其中θ是转子的角位移，ω是速度，dθ/dt。由于电感分布图的斜率是分段线性的，感应的电压具有图7中示出的矩形形状。根据等式2和3，电压的幅度与转速和偏置电流成比例。随着电压的增大，将达电压等于直流环电压的(恒定)幅度的一点。通过查看图5，当负电压偏移等于直流环电压时，二极管23、24将变成正向偏压，因而钳制了相电压，这在图8中示出了。根据等式3，Vph的钳制将dΨph/dt钳制为比否则将具有的斜率(如线X所示)更平缓的斜率(如线Y所示)。两条线之间磁链的差异表示必须由二极管中流动的电流支持的磁通，如图所示。注意，电压波形和电流波形是不对称的。
由于没有使用开关21和22，如果电机未用于电动机模式中，电路可以简化为如图9(a)或9(b)所示。这产生了用于可变磁阻发电机的电力变换器，该可变磁阻发电机没有活动开关将其连接到直流环。直流环电容器25可由只消耗产生的能量的电阻器90替代，使该系统可以用作一个无电刷的制动器。在这种情况下，二极管将电压的负偏移钳制为-IR，其初始为零。电容器25也可以由一蓄电池替代。
在本发明的另一实施例中，如图10所示，二极管23和24被重新连接以代替开关21和22。与前面一样，可以去掉一个或另一个二极管。该实施例将正向的电压偏移钳制为直流环电压，因此，缓和了增大的磁通的梯度，如图11所示。在这种情况下，磁链从否则将具有的磁链减少，所以相绕组中的电流朝相反的方向流动。由于新的磁链线降到了电感分布图的死区之下，电流的形状与前述的形状不同。
使用如图12中所连接的四个二极管可以合并图8和图11的电流。这些二极管以单向电桥的形式有效地连接。所以能使用一个标准的元件包用于此任务。
图13示出了合并后的图8和11的电流波形以给出直流环中的电流。应注意的是合并电流的操作延迟了图8中的电流的启动，并且复合波形在最小电感区部分是不连续的。随着偏置电流或转速的增大或随着直流环电压的减小，将到达一点，如图14中所示，在该点之外总是从一对或另一对二极管提供电流。
进一步增大偏移或转速或进一步减小直流环电压可以使电机进入一种新的运行模式，在该模式中，电机进入过度状态。在此方面，它与此处引入作为参考的、在EP 0537761A中公开的常规开关磁阻驱动系统的连续电流模式类似。在达到稳态时(图15中示出的理想系统忽略了阻尼)，磁通增加所用的时间长度恰好等于减小所用的时间长度，并且从增大到减小的变化点的轨迹跟随原始磁链的减小。由于增大和减小的斜率是完全相同的，可以为任何激励水平定义工作点。注意，由于电感分布图相对于水平轴不对称，两个二极管中的电流一般仍然是不相等的。此模式是内在稳定的，因为任何扰动将驱动增加的磁链线到一较小的值并驱动减小的磁链线到一较大的值，由此稳定了系统。
应当注意，上述系统无需轴位置信息，这是由于二极管在电流降低到零时是自换向的。这将进一步节约成本。应当注意，在所示实施例中，在电机的偏置绕组和相绕组之间没有连接，即它们之间是电隔离的。这可能是一个显著的安全好处。
应当理解，尽管上述示例使用了系统的一个单相，这纯粹是示例性的，以上列出的原理可以应用于任意数量的相以及任意数量的定子极和转子极的组合。对于具有三个相或更多相的系统，可以使用到直流环的替代连接。例如，对于三相系统，可以使用三角形或星形(Y)连接，分别如图16(a)和(b)所示。由于相电压是不对称的，只有在某些特定条件下，三角形连接中的相电压之和才等于零，所以通常三角形连接中将存在一循环电流以进行补偿。同样，由于电流是不对称的，只有在特定条件下，星形连接中的相电流才是相等的，所以通常中性点将移动以对此进行调节。使用这些连接，二极管形成了一个标准的三相电桥，所以，同样可以使用标准的元件模块。
本领域的普通技术人员将认识到，相数在三相以上的情况，仍可使用相应的环形和径向电路。
通常，相控装置，例如：晶闸管或其它可控硅整流器，可用于替换某些或全部二极管以进行进一步程度的控制。尽管这样的系统将仍然不需要转子位置信息(因为电流通过零时装置将关闭)，但其将增加复杂性，这与本发明的简单性相反。
在运行中，假设原动机将以某个适当的转速转动发电机。在启动发电作用的一个实施例中，控制系统使适当级别的电流流入偏置绕组。然后，在直流环上产生电流，通过调整电机的转速和/或偏置电流的幅度，可以控制传输的功率。本领域的普通技术人员将理解，常规的反馈方法可用于控制输出。其它实施例可以使用直流环调制。
上述说明是基于受控单向偏置电流Ib。这可能是本发明最有用的实施例，尽管应当注意，可以使用不受控的或交变偏置电流运行。取决于与可变磁阻电机的感应循环周期相比的交变偏置电流的周期长度，相磁链的分布图将具有叠加的调制，其将导致生成的电流的相应的调制。对于相应于相磁链的周期的偏置电流周期的特殊情况，可以减少电路中二极管的数量，尽管此好处可能被同步两个频率的复杂性所抵消。
尽管图9、10、12和16的电路省去了用在电动机模式中的活动开关，但很明显，如果保留所述活动开关，根据本发明和在常规的转换模式中，无需对电力变换器进行重新配置，该系统可以作为发电机运行。
本领域的普通技术人员将理解，可以在不偏离本发明的情况下，对所公开的布局进行变更。因此，对上述实施例的说明是以实例的方式进行的，并非用于限制的目的。对本领域的普通技术人员来说，显然可以对布局作出小的修改，而不显著改变上述的运行。本发明旨在仅由随后的权利要求书的范围限定。

Claims (27)

1.一种将可变磁阻电机作为发电机运行的方法，所述电机至少具有一个相绕组，所述方法包括：
建立与所述相绕组或至少一个相绕组耦合的偏置磁通；
将相电压限定为低于由偏置磁通在相绕组中另外感应的电压的幅度。
2.如权利要求1所述的方法还包括：将所述相绕组中的电流流动限制为一个方向。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述电流流动由至少一个也用于限定相电压的二极管限制。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述二极管是全波整流器电路的一部分。
5.如权利要求1至4中任一个所述的方法，其中所述相电流流过一个电阻器。
6.如权利要求1至5中任一个所述的方法，其中通过控制所述偏置磁通来控制电机的电输出。
7.如权利要求1至6中任一个所述的方法，其中与所述相绕组或至少一个相绕组耦合的偏置磁通由一个或多个偏置线圈建立。
8.如权利要求7所述的方法，其中电机是多相的并且所述一个或多个偏置线圈被布置为与电机的相绕组的一部分耦合。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中所述偏置磁通由所述或每个偏置线圈中的恒定电流产生。
10.如权利要求7或8所述的方法，其中所述偏置磁通由所述或每个偏置线圈中的交变电流产生。
11.如权利要求1至10中任一个所述的方法，其中所述电机连接到电力变换器电路。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述电力变换器电路没有活动开关。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述电力变换器电路包括在所述可变磁阻电机作为发电机运行时保持断开的活动开关。
14.如前述任一权利要求所述的方法包括：通过控制所述电机的转速来控制所述电机的输出功率。
15.如前述任一权利要求所述的方法包括：通过调整相电压被限定的幅度来控制所述电机的输出功率。
16.一种可变磁阻电机，具有带有至少一个相绕组的第一部分和布置为相对于该第一部分运动以产生电功率的第二部分；用于建立与该相绕组或至少一个相绕组耦合的偏置磁通的装置；以及用于将相电压限定为低于由偏置磁通在相绕组中另外感应的电压的幅度的装置。
17.如权利要求16所述的电机包括将相绕组中的电流流动限制为一个方向的装置。
18.如权利要求17所述的电机，其中用于限制的装置和用于限定的装置共同包括至少一个二极管。
19.如权利要求18所述的电机，其中所述至少一个二极管与至少一个相绕组串联。
20.如权利要求19所述的电机，其中所述至少一个二极管是全波整流器电路的一部分。
21.如权利要求16至20中任一个所述的电机，其中用于建立偏置磁通的装置包括至少一个偏置线圈。
22.如权利要求21所述的电机，其中电机是多相的并且所述偏置线圈被布置为与相的一部分耦合。
23.如权利要求21或22中任一个所述的电机包括对其连接的所述偏置线圈或至少一个偏置线圈进行激励的恒流源。
24.如权利要求21或22中任一个所述的电机包括连接至所述偏置线圈的交流源。
25.如权利要求16至24中任一个所述的电机被连接至电力变换器电路。
26.如权利要求25所述的发电机，其中所述电力变换器没有活动开关。
27.如权利要求16至26中任一个所述的发电机包括跨每个相绕组连接的电阻性负载。
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