TWI497875B

TWI497875B - 電動機的充磁電路裝置

Info

Publication number: TWI497875B
Application number: TW102105788A
Authority: TW
Inventors: Min Fu Hsieh; Fu Sheng Pai; Mi Ching Tsai; Shyh Jier Huang; Ying Rong Chen; Yi Ping Wang
Original assignee: Univ Nat Cheng Kung
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2015-08-21
Also published as: TW201434241A

Description

電動機的充磁電路裝置

本創作是一種電路裝置，特別是指電動機的充磁電路裝置。

電動機主要包含轉子與定子，其中現有轉子包含有磁鐵式轉子，在電動機組裝的過程中，因轉子的強力磁性容易吸附鐵粉等雜物，故有組裝上的困難。為改善前述缺點，現有一種轉子充磁技術，利用不具磁性的轉子先組裝於定子中，當電動機組裝完成後，利用外部的充磁電路裝置對三相線圈施加電流，各個線圈即產生磁場以對轉子進行充磁，當轉子充磁後，即具有磁鐵的特性。由於轉子在組裝的過程中不具磁性，故可有效簡化組裝的難度。

請參考圖8所示，現有充磁電路裝置包含有一升壓變壓器41、一整流器42、一隔離開關43、一電容器44、一電子開關45、一驅動電路46、一第一輸出端401與一第二輸出端402。其中電動機50具有Y接的第一~第三線圈51~53，該些線圈51~53分別具有第一端與第二端，第二端共同電性連接以作為一中性點(N)，第一端分別作為供連接外部電源的輸入端。

該升壓變壓器41的一次側經由該隔離開關43 連接到市電(AC/IN)，該整流器42的輸入端電連接該升壓變壓器41的二次側，該電容器44具有一第一端與一第二端，分別電連接該整流器42的兩輸出端，且該第一端經由該電子開關45連接到第一輸出端401，該第二端連接到第二輸出端402，該驅動電路46電連接該電子開關45。

由於充磁電路裝置僅提供兩個輸出端401、402，又該些線圈51~53具有三個輸入端，現有作法是將其中兩個線圈並聯，例如將第一與第二線圈51、52的第一端共同連接到第一輸出端401，使第一與第二線圈51、52形成並聯，而第三線圈53的第一端連接到第二輸出端402。如此一來，就可以將充磁電路裝置連接到電動機的線圈51~53。

當該隔離開關43導通時，該驅動電路46控制該電子開關45截止，該升壓變壓器41從市電(AC/IN)接收一交流電壓，並提高該交流電壓的振幅，該整流器42將交流電壓整流為一直流電壓後，對該電容器44充電。當該電容器44之電壓建立後，該隔離開關43中斷市電(AC/IN)與升壓變壓器41，該驅動電路46係控制該電子開關45導通，此時，該電容器44與該些線圈51~53形成一電流迴路，讓電容器44一次性地放電，以使電容器44對線圈51~53輸出充磁電流。

然而，由於第一與第二線圈51、52為並聯連接，使得通過第一、第二線圈51、52之電流I₁ 、I₂ 低於通過第三線圈53的電流I₃ ，因此第三線圈53產生的磁場必定大於第一、第二線圈51、52產生的磁場。對於轉子來說，轉子從該些線圈51~53感應到的磁場不均勻，導致充磁後轉子的磁場失真。

本創作的主要目的是提供一種電動機的充磁電路裝置，期以改善已知充磁電路裝置因無法提供均勻充磁電流給電動機的三相線圈而導致轉子磁性失真的問題。

本創作之充磁電路裝置包含有三個充磁單元，分別供連接電動機的Y接三相線圈以提供平均的充磁電流給各相線圈，各充磁單元具有至少一充磁模組，該充磁模組包含：一諧振電路，連接該線圈以提供該充磁電流；一電子開關，連接該諧振電路且具有一控制端；以及一驅動電路，連接該電子開關的控制端，該驅動電路係控制該電子開關的導通週期以調整該充磁電流的大小。

根據本創作的充磁電路裝置，係利用三個充磁單元分別連接三相線圈，以分別對三相線圈輸出均勻的充磁電流，當充磁電流通過三相線圈後，三相線圈即產生均勻的磁場對電動機中的轉子進行充磁，讓電動機的轉子充磁後具有均勻的磁性，有效克服已知充磁電路裝置無法提供均勻的充磁電流給三相線圈而導致轉子磁性的失真問題。

10‧‧‧充磁單元

11‧‧‧充磁模組

111‧‧‧第一充磁模組

112‧‧‧第二充磁模組

113‧‧‧第N充磁模組

12‧‧‧諧振電路

120‧‧‧輸出開關

13‧‧‧驅動電路

20‧‧‧電動機

21‧‧‧第一線圈

22‧‧‧第二線圈

23‧‧‧第三線圈

31‧‧‧隔離開關

32‧‧‧整流電路

401‧‧‧第一輸出端

402‧‧‧第二輸出端

41‧‧‧升壓變壓器

42‧‧‧整流器

43‧‧‧隔離開關

44‧‧‧電容器

45‧‧‧電子開關

46‧‧‧驅動電路

50‧‧‧電動機

51‧‧‧第一線圈

52‧‧‧第二線圈

53‧‧‧第三線圈

圖1：本創作充磁電路裝置連接電動機線圈示意圖。

圖2：本創作充磁模組的電路圖。

圖3：當電子開關導通時，該充磁模組的等效電路圖。

圖4：當電子開關截止時，該充磁模組的等效電路圖。

圖5a~5f：該充磁模組諧振時，各電感器與電容器的電流與極性動作示意圖。

圖6：電子開關、輸出電壓、第二電容器端電壓、第一電感器電流與第二電感器電流的波形圖。

圖7：本創作串聯的充磁模組電路方塊圖。

圖8：現有充磁電路裝置的電路圖。

請參考圖1所示，本創作包含有三個充磁單元10，分别供連接電動機20中Y接的三相線圈21~23以提供平均的充磁電流給各相線圈21~23。三相線圈21~23分別為第一~第三線圈21~23，該些線圈21~23分別具有第一端與第二端，第二端共同電性連接以作為一中性點(N)，第一端分別作為供連接外部電源的輸入端。

請參考圖2所示，各充磁單元10具有一個或多個串聯的充磁模組11，該充磁模組11包含有一諧振電路12、一電子開關Q與一驅動電路13。

以第一線圈21為例，該諧振電路12連接第一線圈21以提供充磁電流，諧振電路12包含有一第一電容器C1、一第一電感器L1、一第二電容器C2與一第二電感器L2。

該第一電容器C1可為超電容器(super capacitor)。該第一電容器C1具有一第一端與一第二端，其第二端連接該第一線圈21的第二端。

該第一電感器L1具有一第一端與一第二端，其第一端連接第一電容器C1的第一端。

該第二電容器C2具有一第一端與一第二端，分別連接該第一電感器L1的第二端與第一電容器C1的第二端。

該第二電感器L2具有一第一端與一第二端，其第一端連接第一電感器L1的第二端，第二電感器L2的第二端經由一輸出開關120連接第一線圈21的第一端，該輸出開關120可為功率電晶體、固態電驛或是傳統電磁繼電器。該第二電感器L2的第二端與第一電容器C1的第二端作為諧振單元12的輸出端，以產生一輸出電壓(Vout)給第一線圈21，當電流通過第一線圈21時，第一線圈21對應產生充磁的磁場。

該電子開關Q包含有一第一端、一第二端與一控制端，其第一、第二端分別連接該第二電容器C2的第一端與第二端而與該第二電容器C2並聯。該電子開關Q可為功率電晶體，其閘極(Gate)作為該控制端，汲極(Drain)作為該第一端，源極(Source)作為該第二端。

該驅動電路13連接該電子開關Q的控制端，該驅動電路13係控制該電子開關Q的導通週期，而透過該些電感器L1、L2與電容器C1、C2之諧振特性以控制充磁電流的大小。

請參考圖2所示，該第一電容器C1可經由一隔離開關31連接一整流電路32的輸出端，該整流電路32的輸入端電連接市電(AC/IN)，當該隔離開關31導通時，該輸出開關120中斷諧振電路12與第一線圈21的連接，該整流電路32將市電(AC/IN)的交流電源整流成為直流電源，以對該第一電容器C1進行充電。

當第一電容器C1完成充電後，該隔離開關31中斷市電(AC/IN)與整流電路32的連接，而該輸出開關120轉為導通，該驅動電路13控制該電子開關Q的導通週期，讓第一電容器C1所儲存的電能通過諧振電路21的諧振動作傳送到第一線圈21，當第一線圈21接收諧振電路21的輸出電流時，第一線圈21對應產生磁場以對轉子進行充磁動作。前述諧振動作說明如下：根據第一、第二電感器L1、L2與第二電容器C2的極性方向可將每一導通週期細分為第一~第六區間t1~t6。

請參考圖3、5a與圖6所示，於第一區間t1中，該驅動電路13控制該電子開關Q為導通，該第二電容器C2之兩端形成短路，第二電容器C2的兩端電壓(Vds)為零，此時該諧振電路12的等效電路如圖3所示，該諧振電路12沒有諧振動作。如圖3所示，該第一電容器C1與第一電感器L1形成一迴路，該第一電容器C1的端電壓等效於一輸入電壓(Vi)，該第二電感器L2與第一線圈21形成另一迴路，兩迴路互相獨立，該第一電感器L1係接收第一電容器C1的電能而儲能，使第一電感器L1的電流(IL1)上升，該第二電感器L2則釋放電能給該第一線圈21，使第二電感器L2的電流(IL2)及諧振電路12的輸出電壓(Vout)遞減。

於後續之第二~第六區間t2~t6中，該驅動電路13控制該電子開關Q截止，該諧振電路12的等效電路如圖4所示，該諧振電路12開始諧振，諧振頻率為：

請參考圖5b與圖6，於第二區間t2中，該電子開關Q剛截止，第二電容器C2開始儲能，使得第二電容器C2的端電壓(Vds)逐漸提升，該第一電感器L1仍從第一電容器C1儲能，該第二電感器L2仍釋放電能給該第一線圈21，因此第一電感器L1的電流(IL1)維持上升，且第二電感器L2的電流(IL2)及諧振電路12的輸出電壓(Vout)在第二區間t2中維持遞減，直到第二電感器L2的電流(IL2)及輸出電壓(Vout)遞減至一最小值。

請參考圖5c與圖6，於第三區間t3中，第二電容器C2、第一電感器L1與第二電感器L2儲能，故第二電容器C2的端電壓(Vds)維持遞增，第一與第二電感器I1、L2的電流(IL1、IL2)遞增，直到第一電感器L1的電流(IL1)達到一最大值。

請參考圖5d與圖6，於第四區間t4中，該第二電容器C2與第二電感器L2儲能，該第一電感器L1釋能，因此輸出電壓(Vout)與第二電容器C2的端電壓(Vds)遞增，第一電感器L1的電流(IL1)遞減，第二電感器L2的電流(IL2)遞增，直到第二電容器C2的端電壓(Vds)達到一最大值。

請參考圖5e與圖6，於第五區間t5中，該第二電容器C2與第一電感器L1釋能，第二電感器L2儲能，因此輸出電壓(Vout)持續遞增，第二電容器C2的端電壓(Vds)遞減，第一電感器L1的電流(IL1)遞減，第二電感器L2的電流(IL2)遞增，直到第二電感器L2的電流(IL2)與輸出電壓(Vout)達到一最大值，其中輸出電壓(Vout)的最大值為第一電容器C1、第一電感器L1與第二電感器L2電壓的總和。

請參考圖5f與圖6，於第六區間t6中，該第一電感器L1、第二電感器L2、第一電容器C1與第二電容器C2對第一線圈21釋能，此時輸出電壓(Vout)從最大值開始下降，當第一電感器L1的電流(IL1)降到最低時，完成一個導通週期。

當完成一次充磁動作後，該輸出開關120中斷諧振電路12與第一線圈21的連接，而該隔離開關31轉為導通，以再次對第一電容器C1進行充電，當第一電容器C1完成充電後，即可進行下一次的充磁動作。

由於電動機之三相線圈21~23分別連接到充磁模組11，又充磁模組11可分別藉由驅動電路13控制電子開關Q的導通週期，使各諧振電路12輸出到各線圈21~23的充磁電流一致，藉此讓該些線圈21~23產生均勻的磁場以對轉子進行充磁，讓充磁後轉子的磁場均勻化而不致失真。

本創作捨棄先前技術中使用升壓變壓器對電解電容器進行升壓，而是利用諧振電路12的諧振特性，令輸出電壓(Vout)為輸入電壓(Vi)的數倍大(例如6、7倍大) 以產生充磁過程中所需的瞬間大電流；又本創作的第一電容器C1使用超電容器作為主要的儲能元件，超電容器電容量為現有電解電容器電容量的數萬倍，且超電容器具有高功率密度、等效串聯電阻低、快速充放電、充放電循環壽命長及瞬間釋放大電流等優點，因此現有電解電容器的電容量顯得相對受到限制，本創作超電容器不僅大量減少儲能系統之體積與重量，更能增加充磁效能和延長本創作的使用壽命。

是以，本創作不使用變壓器可讓充磁電路裝置的整體體積變小，且本創作使用超電容器係儲存更高的電能，使本創作之體積變小且儲能增大，故能有效提升能量密度，達到高能量的儲存電能與放電目的。

以上所述係使用單一個充磁模組11對線圈施加電流為例。請參考圖7所示，於另一實施例中，該充磁單元10可具有多個充磁模組11，該些充磁模組11分別定義為第一~第N充磁模組111~113，N為大於或等於2的整數。

以第一線圈21為例，該第一充磁模組111中第二電感器L2的第二端連接該第一線圈21的第一端，該第N充磁模組113中第一電容器C1的第二端連接該第一線圈21的第二端，該第N充磁模組113中第二電感器L2的第二端連接第N-1充磁模組中第一電容器C1的第二端，使該些充磁模組形成串聯結構，該第一充磁模組111中第二電感器L2的第二端與第N充磁模組113中第一電容器C1的第二端作為諧振單元10的輸出端，以產生輸出電壓 (Vout)給第一線圈21。

是以，本創作藉由每個充磁模組12中諧振電路12的諧振特性，令各諧振電路12的輸出電壓(Vout)為本身輸入電壓(Vi)的數倍大，且本創作可視電動機的需求串聯適當的充磁模組12數量以構成充磁單元10，讓各充磁單元10對各線圈21~23輸出的充磁電流可分別對應調整，因此本創作適用於各種規格的電動機，例如馬力越大的電動機可串聯較多的充磁模組11，較多的充磁模組11可提供較大的充磁電流給各線圈21~23，供線圈21~23產生較大的磁場以對轉子進行充磁。

再者，本創作中驅動電路13控制電子開關Q之切換頻率略低於諧振電路12的諧振頻率f_res ，使得本創作充磁電路裝置的等效阻抗為電容性，可與受充磁電動機中各線圈21~23之電感性形成匹配，故有助降低整體充磁電路之阻抗，進而得提高充磁電流。

10‧‧‧充磁單元

20‧‧‧電動機

21‧‧‧第一線圈

22‧‧‧第二線圈

23‧‧‧第三線圈

Claims

一種電動機的充磁電路裝置，包含有三個充磁單元，分別供連接電動機的Y接三相線圈以提供平均的充磁電流給各相線圈，各充磁單元包含有串聯的第一~第N充磁模組，N為大於或等於2的整數，各充磁模組包含：一諧振電路，連接該線圈以提供該充磁電流，該諧振電路包含有：一第一電容器，具有一第一端與一第二端；一第一電感器，具有一第一端與一第二端，其第一端連接第一電容器的第一端；一第二電容器，具有一第一端與一第二端，分別連接該第一電感器的第二端與第一電容器的第二端；以及一第二電感器，具有一第一端與一第二端，其第一端連接第一電感器的第二端；一電子開關，並聯於該第二電容器且具有一控制端；以及一驅動電路，連接該電子開關的控制端，該驅動電路係控制該電子開關的導通週期以調整該充磁電流的大小；其中，該第一充磁模組中第二電感器的第二端連接該線圈；該第N充磁模組中第一電容器的第二端連接該線圈，該第N充磁模組中第二電感器的第二端連接第N-1充磁模組中第一電容器的第二端。
如請求項1所述電動機的充磁電路裝置，該第一電容器為超電容器。
如請求項1或2所述電動機的充磁電路裝置，該第一充磁模組中第二電感器的第二端經由一輸出開關連接該線圈。