TW201601421A - 開關磁阻式電動機、磁阻馬達的驅動電路及磁阻馬達 - Google Patents

Abstract

一種開關磁阻式電動機，包括：重疊繞設在一磁阻馬達的定子上的一第一繞組及一第二繞組，第一繞組包含呈△型接線的三相線圈，該第二繞組包含呈Y型接線的三相線圈，三個與一電容電池並聯的橋臂，第一繞組的三相線圈分別對應電耦接在兩兩相鄰橋臂之間，三個阻尼電容分別與第二繞組的三相線圈對應並聯以構成三個諧振電路，當相鄰兩個橋臂被導通，電耦接在其間的該線圈會被電容電池的電壓激磁，當相鄰兩個橋臂不導通，電耦接在其間的該線圈將消磁，並使與其相對應的該諧振電路發生諧振，而產生一諧振電流經由一三相橋式整流電路對電容電池充電。

Description

開關磁阻式電動機、磁阻馬達的驅動電路及磁阻馬達

本發明是有關於一種磁阻馬達，特別是指一種具有雙繞組磁阻馬達的開關磁阻式電動機。

參閱圖1，習知一種磁阻馬達1主要包括一定子11及一設於定子11內的轉子12。定子11具有八個凸極A、A’、B、B’、C、C’、D、D’，以及繞設在該八個凸極上的四相繞組，每一相繞組具有串聯的一第一線圈L₁及一第二線圈L₂，其分別繞設在定子11的兩個徑向相對的凸極上。而轉子12具有六個凸極a、a’、b、b’、c、c’。

再參見圖2所示，是習知一種磁阻馬達1的驅動電路2，其與一直流電源Vdc電耦接，並具有四個與直流電源Vdc並聯的橋臂21~24，每一橋臂各別對應連接定子11的四相繞組，並具有一與相對應的該相繞組的一端電耦接的上開關Qu、一與相對應的該相繞組的另一端電耦接的下開關Qn、一反向電耦接在該相繞組的一端與直流電源Vdc的負端之間的第一二極體D₁，以及一反向電耦接在該相繞組的另一端與直流電源Vdc的正端之間的第二二極體 D₂。

驅動電路2是採分相激磁方式對磁阻馬達1的A、B、C、D四相繞組依序激磁，亦即在一基本周期內會控制其中一橋臂，例如圖3所示之A相橋臂的上開關Qu及下開關Qn導通，使A相繞組的第一線圈L₁及第二線圈L₂與直流電源Vdc導接，使其所繞設的凸極A、A’產生磁力吸引轉子12之凸極a、a’朝定子11的凸極A’A’方向移動，如圖1所示，然後使A相橋臂的上開關Qu及下開關Qn不導通，再接著使B相橋臂的上開關Qu及下開關Qn導通，讓B相繞組的第一線圈L₁及第二線圈L₂與直流電源Vdc導接，使其所繞設的凸極B、B’產生磁力吸引轉子12之凸極b、b’朝定子11的凸極B、B’方向移動，再接著以相同方式依序對C、D相繞組激磁，就能驅動轉子12順時針運轉，反之，若依序對D、C、B、A相繞組激磁，就能驅動轉子12逆時針運轉。

然而如圖4所示，當驅動電路2在上述基本周期結束，而控制例如A相橋臂的上開關Qu及下開關Qn-不導通時，A相繞組之第一線圈L₁及第二線圈L₂上會瞬間產生一反電動勢e1及e2，該等反電動勢e1及e2形成的大電流會循著反向並聯在A相繞組的兩端與直流電源Vdc的正、負端之間的第一及第二二極體D₁、D₂對直流電源Vdc放電，而對直流電源Vdc產生高壓衝擊，易造成直流電源Vdc因瞬間輸入電流過大而過熱燒燬。

因此，本發明的目的，在於提供一種可將驅動過程中於線圈繞組上產生的反電動勢回收再利用的開關磁阻式電動機及磁阻馬達的驅動電路。

於是本發明一種開關磁阻式電動機，包括一磁阻馬達及一驅動電路。該磁阻馬達具有一定子及一轉子，該定子具有重疊繞設的一第一繞組及一第二繞組，該第一繞組包含呈△型接線的三相線圈，且該第二繞組包含呈Y型接線的三相線圈；該驅動電路與該磁阻馬達電耦接，以驅動該磁阻馬達，並包含：一電容電池，提供一直流電壓；三個與該電容電池並聯的橋臂，每一橋臂具有串接的一上開關及一下開關，該上開關的一端與該電容電池的一正端電耦接，該下開關的一端與該電容電池的一負端電耦接，且該第一繞組的三相線圈分別對應電耦接在兩兩相鄰橋臂之間，且每一相線圈的兩端各別與兩個相鄰橋臂的該上開關與該下開關的一接點電耦接；三個阻尼電容，分別與該第二繞組的該三相線圈對應並聯，以構成三個諧振電路；以及一與該三個諧振電路電耦接的三相橋式整流電路；當相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關被導通，電耦接在相鄰兩個橋臂之間的該相線圈會與該電容電池導接，而被該直流電壓激磁並驅動該轉子轉動，且當其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關不導通，電耦接在相鄰兩個橋臂之間的該相線圈將因該直流電壓消失而消磁，並使與該相線圈相對應的該諧振電路發生諧振，而產生一諧振電流經由該三相橋式整流電路對該電容電池充 電。

再者，本發明一種磁阻馬達的驅動電路，該磁阻馬達具有一定子及一轉子，該定子具有重疊繞設的一第一繞組及一第二繞組，該第一繞組包含呈△型接線的三相線圈，且該第二繞組包含呈Y型接線的三相線圈；該驅動電路包括：一電容電池，提供一直流電壓；三個與該電容電池並聯的橋臂，每一橋臂具有串接的一上開關及一下開關，該上開關的一端與該電容電池的一正端電耦接，該下開關的一端與該電容電池的一負端電耦接，且該第一繞組的三相線圈分別對應電耦接在兩兩相鄰橋臂之間，每一相線圈的兩端各別與兩個相鄰橋臂的該上開關與該下開關的一接點電耦接；三個阻尼電容，分別與該第二繞組的該三相線圈對應並聯，以構成三個諧振電路；及一三相橋式整流電路，與該三個諧振電路電耦接；當相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關被導通，電耦接在相鄰兩個橋臂之間的該相線圈會與該電容電池導接，而被該直流電壓激磁並驅動該轉子轉動，且當其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關不導通，電耦接在相鄰兩個橋臂之間的該相線圈將因該直流電壓消失而消磁，並使與該相線圈相對應的該諧振電路發生諧振，而產生一諧振電流經由該三相橋式整流電路對該電容電池充電。

較佳地，上述該驅動電路還包含數量與該上開關及該下開關對應，並分別與該上開關及該下開關反向並聯的飛輪二極體。

較佳地，上述該阻尼電容是工作頻率界於300~1000Hz的無極性中頻電容。

此外，本發明一種磁阻馬達，包括：一定子，一轉子，重疊繞設在該定子上的一第一繞組及一第二繞組，該第一繞組包含呈△型接線的三相線圈，且該第二繞組包含呈Y型接線的三相線圈，以及三個阻尼電容，分別與該第二繞組的該三相線圈對應並聯，以構成三個諧振電路。

較佳地，該阻尼電容是工作頻率界於300~1000Hz的無極性中頻電容。

本發明藉由在磁阻馬達的定子上重疊繞設呈△型接線的第一繞組以及呈Y型接線的第二繞組，並在第二繞組的三相線圈分別對應並聯一阻尼電容，構成三個諧振電路，使得當第一繞組的某一相線圈被驅動電路激磁後再度消磁時，該相線圈因消磁產生的反電動勢能使與該相線圈相對應的該諧振電路發生諧振，而產生諧振電流並經由三相橋式整流電路對電容電池充電，而將三相線圈上產生的反電動勢有效回收再利用，達到延長電容電池的供電時間的功效。

3‧‧‧磁阻馬達

31‧‧‧定子

32‧‧‧轉子

33‧‧‧第一繞組

34‧‧‧第二繞組

35、36、37‧‧‧諧振電路

4‧‧‧驅動電路

41‧‧‧電容電池

42、43、44‧‧‧橋臂

45‧‧‧三相橋式整流電路

46、47、48‧‧‧二極體電路

A、A’、B、B’、C、C’‧‧‧凸極

a、a’、b、b’‧‧‧凸極

U1、V1、W1‧‧‧線圈

U2、V2、W2‧‧‧線圈

Cd‧‧‧阻尼電容

U+、U-、V+、V-、W+、W-‧‧‧開關

D‧‧‧飛輪二極體

Du+、Du-、Dv+、Dv-、Dw+、Dw-‧‧‧二極體

R、S、T‧‧‧接點

U、V、W‧‧‧接點

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一習知磁阻馬達正面剖視示意圖，說明習知磁阻馬達的正面結構； 圖2是一電路圖，說明習知磁阻馬達的驅動電路與定子的四相繞組對應電耦接的關係；圖3是一電路圖，說明習知磁阻馬達的驅動電路其中一橋臂使某一相繞組與直流電源導接的狀態；圖4是一電路圖，說明圖3的橋臂使某一相繞組不與直流電源導接時，該相繞組上產生一反電動勢；圖5是本發明磁阻馬達的一較佳實施例的正面剖視示意圖，說明本實施例的磁阻馬達的正面結構；圖6是一電路示意圖，說明本實施例的第一繞組與第二繞組的接線方式與相對位置關係；圖7是一電路圖，說明本實施例的驅動電路與磁阻馬達的第一繞組及第二繞組的對應電耦接關係；圖8是一波形圖，說明本實施例的諧振電路發生諧振時，產生的一諧振電流波形；及圖9是一等效電路圖，說明本實施例的諧振電路產生的諧振電流如何對電容電池充電。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖5至圖7所示，本發明開關磁阻式電動機的一較佳實施例主要包括一磁阻馬達3及一與磁阻馬達3電耦接，以驅動磁阻馬達3的驅動電路4。

磁阻馬達3具有一定子31及一設於定子31的內圈的轉子32，且如圖5所示，本實施例的定子具有六個 平均排列的三相凸極A、A’、B、B’、C、C’，以及重疊繞設在該等三相凸極A、A’、B、B’、C、C’上的一第一繞組33及一第二繞組34，其中第一繞組33繞設在三相凸極A、A’、B、B’、C、C’的內圈，第二繞組34繞設在三相凸極A、A’、B、B’、C、C’的外圈。

且如圖6所示，第一繞組33包含呈△型接線的三相線圈U1、V1、W1，第二繞組34包含呈Y型接線的三相線圈U2、V2、W2，其中線圈U1、U2重疊繞設在定子31的兩個徑向相對的凸極A、A’上、線圈V1、V2重疊繞設在定子31的兩個徑向相對的凸極B、B’上、線圈W1、W2重疊繞設在定子31的兩個徑向相對的凸極C、C’上。而本實施例的轉子32則具有四個平均排列的凸極a、a’、b、b’、c、c’。且較佳地，第一繞組33的三相線圈U1、V1、W1和第二繞組34的三相線圈U2、V2、W2的匝數相同。

且如圖7所示，本實施例的驅動電路4與磁阻馬達3電耦接，以驅動磁阻馬達3，並包含一電容電池41、三個與電容電池41並聯的橋臂42、43、44，三個阻尼電容Cd(參見圖6)以及一三相橋式整流電路45。其中電容電池41主要提供一直流電壓Vdc做為驅動磁阻馬達3的動力來源，且電容電池41具有電流吞吐量大的特性，可承受最大50安培/小時的電流。

該等橋臂42、43、44分別具有一上開關U+、V+、W+、一與各該上開關U+、V+、W+對應串接的下開關 U-、V-、W-，以及與上開關U+、V+、W+及下開關U-、V-、W-反向並聯的飛輪二極體D。該等上開關U+、V+、W+的一端與電容電池41的一正端電耦接，該等下開關U-、V-、W-的一端與電容電池41的一負端電耦接。且第一繞組33的三相線圈U1、V1、W1分別對應電耦接在兩兩相鄰橋臂之間，亦即線圈U1的一端與橋臂42的上開關U+和下開關U-的一接點R電耦接，線圈U1的另一端與橋臂43的上開關V+和下開關V-的一接點S電耦接，線圈V1的一端與橋臂43的上開關V+和下開關V-的接點S電耦接，線圈V1的另一端與橋臂44的上開關W+和下開關W-的一接點T電耦接，且線圈W1的一端與橋臂44的上開關W+和下開關W-的接點T電耦接，線圈W1的另一端與橋臂42的上開關U+和下開關U-的接點R電耦接。此外，該等上開關U+、V+、W+和下開關U-、V-、W-是採用功率電晶體。

該三個阻尼電容Cd分別與第二繞組34的三相線圈U2、V2、W2對應並聯，而構成三個諧振電路35、36、37。且較佳地，阻尼電容Cd是工作頻率界於300~1000Hz的無極性中頻電容。而且，諧振電路35、36、37的諧振頻率與驅動電路4的一開關切換頻率有關，亦即該開關切換頻率是由諧振電路35(36、37)中的線圈U2(V2、W2)及阻尼電容Cd決定，且應等於或接近於諧振電路35、36、37的諧振頻率。換句話說，驅動電路4的開關切換頻率就是能讓諧振電路35、36、37發生諧振的頻率。且較佳地，開關切換頻率大約為400Hz。

三相橋式整流電路45與該三個諧振電路35、36、37電耦接，其包含三對與電容電池41並聯的二極體電路46、47、48，且諧振電路35的一端與二極體電路46中的二極體Du+和二極體Du-的一接點U電耦接，諧振電路36的一端與二極體電路47中的二極體Dv+和二極體Dv-的一接點V電耦接，且諧振電路37的一端與二極體電路48中的二極體Dw+和二極體Dw-的一接點W電耦接。

且在本實施例中，驅動電路4是一切換(開關)式控制器，它是採分相激磁方式對磁阻馬達3的第一繞組33的三相線圈U1、V1、W1依序激磁，亦即驅動電路4在一基本周期內會控制相鄰兩個橋臂導通，例如令橋臂42的上開關U+與橋臂43的下開關V-導通，使電容電池41與電耦接在上開關U+與下開關V-之間的線圈U1導接，而輸出直流電壓Vdc對線圈U1激磁，以將電能轉換成磁能，讓定子A、A’產生磁力吸引轉子32之凸極a、a’分別朝定子41的凸極A、A’方向移動，然後讓上開關U+及下開關V-不導通，再接著令橋臂43的上開關V+及橋臂44的下開關W-導通，使電容電池41的直流電壓Vdc對電耦接在上開關V+與下開關W-之間的線圈V1激磁，讓定子B、B’產生磁力吸引轉子32之凸極b、b’分別朝定子41的凸極B、B’方向移動，然後再讓上開關V+及下開關W-不導通，再接著以相同方式對線圈W1激磁，如此反覆操作，即能驅動轉子32反時針轉動；反之，若驅動電路4依序對定子C、B、A上的線圈W1、V1、U1激磁，就能驅動轉子32順時 針轉動。

特別是，當電耦接在相鄰兩個橋臂，例如橋臂42、43之間的線圈U1被直流電壓Vdc激磁後，當線圈U1與直流電壓Vdc不導接而消磁時，線圈U1會因磁能突然消失而產生電能，亦即產生一反電動勢，此時，由於驅動電路4的開關切換頻率恰等於或者接近於與線圈U1對應設置的諧振電路35的諧振頻率，因此諧振電路35將感應到該反電動勢提供的能量而發生自由諧振，並如圖8所示，產生一諧振電流經由三相橋式整流電路45對電容電池41充電。亦即，此時三相橋式整流電路45的一等效電路如圖9所示，其相當於一全波整流電路。因此，當諧振電流為正值，且阻尼電容Cd被諧振電流順向充電後的電壓大於電容電池41的電壓時，阻尼電容Cd即會經由二極體Dv+→電容電池41→二極體Du-→阻尼電容Cd構成的一放電迴路，對電容電池41充電，而當諧振電流為負值，且阻尼電容Cd被諧振電流反向充電後的電壓大於電容電池41的電壓時，阻尼電容Cd則會經由二極體Du+→電容電池41→二極體Dv-→阻尼電容Cd構成的一放電迴路，對電容電池41充電。

因此，同理，當線圈V1、W1被激磁後再消磁時，與其相對應的諧振電路36、37亦會產生諧振並輸出諧振電流，並經由三相橋式整流電路45對電容電池41充電。藉此，即可將線圈U1、V1、W1上因消磁時產生的反電動勢有效回收再利用，而達到延長電容電池41的供電時間 的功效。

綜上所述，本實施例藉由在磁阻馬達3的定子31上重疊繞設呈△型接線的第一繞組33以及呈Y型接線的第二繞組34，並在第二繞組34的三相線圈U2、V2、W2分別對應並聯一阻尼電容Cd，構成三個諧振電路35、36、37，使得當第一繞組33的某一相線圈U1(V1、W1)被驅動電路4激磁後再度消磁時，該相線圈U1(V1、W1)因消磁產生的反電動勢能使與該相線圈U1(V1、W1)相對應的該諧振電路35(36、37)發生諧振，而產生諧振電流並經由三相橋式整流電路45對電容電池41充電，而將三相線圈U1、V1、W1上產生的反電動勢有效回收再利用，且達到延長電容電池41的供電時間的功效，確實達成本發明之功效與目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧磁阻馬達

32‧‧‧轉子

33‧‧‧第一繞組

34‧‧‧第二繞組

35、36、37‧‧‧諧振電路

U1、V1、W1‧‧‧線圈

U2、V2、W2‧‧‧線圈

Cd‧‧‧阻尼電容

U+、U-、V+、V-、W+、W-‧‧‧開關

R、S、T‧‧‧接點

U、V、W‧‧‧接點

Claims (8)

1. 一種開關磁阻式電動機，包括：一磁阻馬達，具有一定子及一轉子，該定子具有重疊繞設的一第一繞組及一第二繞組，該第一繞組包含呈△型接線的三相線圈，且該第二繞組包含呈Y型接線的三相線圈；及一驅動電路，與該磁阻馬達電耦接，以驅動該磁阻馬達，並包含：一電容電池，提供一直流電壓；三個與該電容電池並聯的橋臂，每一橋臂具有串接的一上開關及一下開關，該上開關的一端與該電容電池的一正端電耦接，該下開關的一端與該電容電池的一負端電耦接，且該第一繞組的三相線圈分別對應電耦接在兩兩相鄰橋臂之間，且每一相線圈的兩端各別與兩個相鄰橋臂的該上開關與該下開關的一接點電耦接；三個阻尼電容，分別與該第二繞組的該三相線圈對應並聯，以構成三個諧振電路；及一三相橋式整流電路，與該三個諧振電路電耦接；當相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關被導通，電耦接在相鄰兩個橋臂之間的該相線圈會與該電容電池導接，而被該直流電壓激磁並驅動該轉子轉動，且當其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關不導通，電耦接在相鄰兩個橋臂 之間的該相線圈將因該直流電壓消失而消磁，並使與該相線圈相對應的該諧振電路發生諧振，而產生一諧振電流經由該三相橋式整流電路對該電容電池充電。
2. 如請求項1所述的開關磁阻式電動機，其中該驅動電路還包含數量與該上開關及該下開關對應，並分別與該上開關及該下開關反向並聯的飛輪二極體。
3. 如請求項1所述的開關磁阻式電動機，其中該阻尼電容是工作頻率界於300~1000Hz的無極性中頻電容。
4. 一種磁阻馬達的驅動電路，該磁阻馬達具有一定子及一轉子，該定子具有重疊繞設的一第一繞組及一第二繞組，該第一繞組包含呈△型接線的三相線圈，且該第二繞組包含呈Y型接線的三相線圈；該驅動電路包括：一電容電池，提供一直流電壓；三個與該電容電池並聯的橋臂，每一橋臂具有串接的一上開關及一下開關，該上開關的一端與該電容電池的一正端電耦接，該下開關的一端與該電容電池的一負端電耦接，且該第一繞組的三相線圈分別對應電耦接在兩兩相鄰橋臂之間，每一相線圈的兩端各別與兩個相鄰橋臂的該上開關與該下開關的一接點電耦接；三個阻尼電容，分別與該第二繞組的該三相線圈對應並聯，以構成三個諧振電路；及一三相橋式整流電路，與該三個諧振電路電耦接；當相鄰兩個橋臂其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下 開關被導通，電耦接在相鄰兩個橋臂之間的該相線圈會與該電容電池導接，而被該直流電壓激磁並驅動該轉子轉動，且當其中一橋臂的上開關與另一橋臂的下開關不導通，電耦接在相鄰兩個橋臂之間的該相線圈將因該直流電壓消失而消磁，並使與該相線圈相對應的該諧振電路發生諧振，而產生一諧振電流經由該三相橋式整流電路對該電容電池充電。
5. 如請求項4所述的磁阻馬達的驅動電路，其中該驅動電路還包含數量與該上開關及該下開關對應，並分別與該上開關及該下開關反向並聯的飛輪二極體。
6. 如請求項4所述的磁阻馬達的驅動電路，其中該阻尼電容是工作頻率界於300~1000Hz的無極性中頻電容。
7. 一種磁阻馬達，包括：一定子；一轉子；重疊繞設在該定子上的一第一繞組及一第二繞組，該第一繞組包含呈△型接線的三相線圈，且該第二繞組包含呈Y型接線的三相線圈；及三個阻尼電容，分別與該第二繞組的該三相線圈對應並聯，以構成三個諧振電路。
8. 如請求項7所述的磁阻馬達，其中該阻尼電容是工作頻率界於300~1000Hz的無極性中頻電容。