TWI618345B

TWI618345B - Dynamic inductive device with damping function

Info

Publication number: TWI618345B
Application number: TW104122364A
Authority: TW
Inventors: Fu Tzu Hsu
Original assignee: Fu Tzu Hsu; Tu Chieh Sen
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2018-03-11
Also published as: TW201703420A; US9503012B1

Abstract

一種具有阻尼功能的動態電感裝置，包含：一轉子、一定子、三相線圈及一動態阻尼電路。三相線圈設置在轉子及定子其中之一，且彼此相連接而形成具有一中心點及三接點的Y型繞線。動態阻尼電路具有三個與一直流電源並聯的飛輪二極體組及兩阻尼電容。每一飛輪二極體組具有彼此串聯的一第一飛輪二極體及一第二飛輪二極體，各相線圈的接點連接在對應的第一、第二飛輪二極體之間，該兩阻尼電容分別連接在中心點與直流電源的正端之間及中心點與直流電源的負端之間。當轉子相對於定子轉動時，會使三相線圈產生電流而經由其中兩飛輪二極體組對阻尼電容充電，並由阻尼電容將儲存的電力回充至直流電源。

Description

具有阻尼功能的動態電感裝置

本發明是有關於一種電感裝置，特別是指一種具有阻尼功能的動態電感裝置。

習知的三相直流無刷馬達驅動電路，電連接於一直流電源，且在一基本周期內能控制一三相直流無刷馬達轉動，而當該基本周期結束時，該三相直流無刷馬達的三相線圈上會瞬間產生一反電動勢，該反電動勢形成的大電流會對該直流電源產生高壓衝擊，易造成該直流電源的燒毀。此外，習知的三相直流無刷馬達驅動電路並無法將反電動勢回充至直流電源，如此將導致能源的浪費。

因此，本發明之其中一目的，即在提供一種具有阻尼功能的動態電感裝置，有助於將直流無刷馬達的驅動電路所產生的反電動勢之電能回充至直流電源。

於是，本發明具有阻尼功能的動態電感裝置在一些實施態樣中，包含一轉子、一定子、三相線圈，及一動態阻尼電路。該三相線圈設置在該轉子及該定子其中之一，且該三相線圈彼此相連接而形成具有一個中心點及三個接點的Y型繞線。該動態阻尼電路具有三個與一直流電源並聯的飛輪二極體組及兩個阻尼電容。每一飛輪二極體組具有彼此串聯的一第一飛輪二極體及一第二飛輪二極體，每一相線圈的接點連接在對應的該飛輪二極體組的該第一飛輪二極體及該第二飛輪二極體之間，該兩阻尼電容分別連接在該中心點與該直流電源的正端之間，以及該中心點與該直流電源的負端之間。當該轉子相對於該定子轉動時，會使該三相線圈產生電流而經由該其中一飛輪二極體組的第一飛輪二極體，對連接在該直流電源的正端與該中心點之間的該阻尼電容充電，並經由該另一飛輪二極體組的第二飛輪二極體，對連接在該中心點與該直流電源的負端之間的該阻尼電容充電，並由該等阻尼電容將儲存的電力回充至該直流電源。

在一些實施態樣中，該具有阻尼功能的動態電感裝置還包含至少三個設置在該轉子及該定子其中另一的磁鐵，而該三相線圈分別繞設於三個鐵芯，且每一相線圈與其對應的該鐵芯之組合即為一阻尼電感。

在一些實施態樣中，該直流電源為一蓄電池，該動態阻尼電路還具有一與該蓄電池並聯的電解電池，且該動態阻尼電路的該等阻尼電容會先對該電解電池充電，再由該電解電池對該直流電源充電。

在一些實施態樣中，該動態阻尼電路的每一飛輪二極體組的該第一飛輪二極體的陰極連接於該直流電源的正端，該第二飛輪二極體的陰極連接於該第一飛輪二極體的陽極，且其陽極連接於該直流電源的負端。

在一些實施態樣中，該轉子是設於該定子的外圍而環繞該定子旋轉，且該等磁鐵是設置於該轉子，而該等阻尼電感則是設置於該定子。

本發明之功效在於：藉由轉子相對於定子轉動，會使三相線圈產生電流，並對動態阻尼電路的該等阻尼電容充電，然後該等阻尼電容能將儲存的電能順利回充至直流電源。

1‧‧‧直流無刷馬達

11‧‧‧轉子

12‧‧‧定子

13‧‧‧△型三相線圈

2‧‧‧驅動電路

3‧‧‧動態電感裝置

31‧‧‧定子

32‧‧‧轉子

33‧‧‧Y型三相線圈

34‧‧‧鐵芯

35‧‧‧磁鐵

4‧‧‧動態阻尼電路

5‧‧‧轉軸

D1‧‧‧第一飛輪二極體

D2‧‧‧第二飛輪二極體

Cd‧‧‧阻尼電容

Va‧‧‧電解電池

D‧‧‧飛輪二極體

V_DC‧‧‧直流電源

Lu、Lv、Lw‧‧‧線圈

U1、U2、V1、V2、W1、W2‧‧‧線圈

U、V、W‧‧‧接點

Un、Vn、Wn‧‧‧中心接點

U+、V+、W+‧‧‧上開關

U-、V-、W-‧‧‧下開關

Lr、Lt、Ls‧‧‧線圈

R、S、T‧‧‧接點

N‧‧‧中心點

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是本發明具有阻尼功能的動態電感裝置的一實施例及一三相直流無刷馬達的示意圖；圖2是一動態電感裝置示意圖，說明採Y型繞線的三相線圈及其對應的鐵芯設置於一轉子，多個磁鐵設置於一定子；圖3是一電路圖，說明該實施例的一動態阻尼電路及一驅動電路的結構；圖4是一三相線圈繞線示意圖，說明採△型繞線的三相線圈；圖5是一電路動作圖，說明該實施例的驅動電路的驅動方式；圖6是一動態電感裝置示意圖，說明Y型繞線的三相線圈產生電流；及圖7是一電路動作圖，說明該實施例的驅動電路及動態阻尼電路的驅動方式。

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1、圖2與圖3，是本發明具有阻尼功能的動態電感裝置之一實施例，在本實施例中，動態電感裝置3是被一直流無刷馬達1帶動而運作。

該動態電感裝置3包括一定子31、一轉子32、一Y型三相線圈33、三個鐵芯34、四個磁鐵35，及一動態阻尼電路4。具體來說，轉子32能繞定子31旋轉且藉由一轉軸5與該直流無刷馬達1的轉子11相連接，因此，當轉子11轉動時，能透過轉軸5而帶動轉子32旋轉；且較佳地，在實際應用上，轉子32是設於定子31的外圍環繞定子31旋轉。Y型三相線圈33設置於定子31上，且其三相線圈Lr、Lt、Ls彼此相連接而形成具有一個中心點N及三個接點R、S、T的Y型繞線。該等鐵芯34亦設置於定子31上，並分別對應於三相線圈Lr、Lt、Ls，換言之，三相線圈Lr、Lt、Ls是分別繞設於對應的該等鐵芯34(註：由於圖2為本實施例的等效示意圖，因此線圈實際繞設鐵芯的態樣未示出)，且每一相線圈Lr、Lt、Ls與其對應的鐵芯34之組合即為一阻尼電感，該阻尼電感的具體結構及特性已揭露於台灣公告第M470365號專利，一併列入本案參考。而該等磁鐵35為永久磁鐵，並彼此相間隔地設置於轉子32。值得一提的是，三相線圈Lr、Lt、Ls也可以設置在轉子32上，隨轉子32旋轉，並以有刷方式將三相線圈Lr、Lt、Ls產生的電能輸出。

如圖3所示，該動態阻尼電路4包括三個與該直流電源V_DC並聯的飛輪二極體組(為方便說明，以下稱R相飛輪二極體組、S相飛輪二極體組及T相飛輪二極體組)、兩個阻尼電容Cd，及一電解電池Va。其中每一飛輪二極體組具有彼此串聯的一第一飛輪二極體D1及一第二飛輪二極體D2，且該三相線圈Lr、Lt、Ls的接點R、S、T分別連接在相對應的各飛輪二極體組的第一飛輪二極體D1及第二飛輪二極體D2之間。詳細來說，每一飛輪二極體組的第一飛輪二極體D1的陰極電連接於直流電源V_DC的正端，而第二飛輪二極體D2的陰極則電連接於第一飛輪二極體D1的陽極，且其陽極連接於直流電源V_DC的負端。

該兩阻尼電容Cd分別連接在該三相線圈L_r、Lt、Ls的中心點N與該直流電源V_DC的正端之間，以及該中心點N與該直流電源V_DC的負端之間，須說明的是，該等阻尼電容Cd的具體結構及特性已揭露於台灣公告第M477033號專利，一併列入本案參考。而該電解電池Va與該直流電源V_DC並聯，即該電解電池Va的正端與該直流電源V_DC的正端相接，該電解電池Va的負端與該直流電源V_DC的負端相接。在本實施例中，直流電源V_DC為一蓄電池，因此儲存於電解電池Va的電能可回充至該直流電源 V_DC。

參閱圖1與圖4，該直流無刷馬達1包括一轉子11、一定子12、一△型三相線圈13，及一驅動電路2。轉子11能繞定子12旋轉，而△型三相線圈13是設置於定子12上，並採用△型繞線，且其三相線圈Lu、Lv、Lw的頭尾相接而形成有三個接點U、V、W。

再如圖3所示，該驅動電路2能驅動該直流無刷馬達1且與一直流電源V_DC電耦接，並包括三個與該直流電源V_DC並聯的橋臂(為方便說明，以下稱U相橋臂、V相橋臂及W相橋臂)以及六個阻尼電容Cd。其中每一橋臂具有兩飛輪二極體D，且該三相線圈Lu、Lv、Lw的三個接點U、V、W各別連接在相對應的各該橋臂之間。而該等阻尼電容Cd各別對應連接在每一相線圈Lu、Lv、Lw的中心接點Un、Vn、Wn與直流電源V_DC的正端之間，以及中心接點Un、Vn、Wn與直流電源V_DC的負端之間。須說明的是，該直流無刷馬達1的具體結構及實施方式已揭露於台灣公告第M465724號專利，一併列入本案參考。

以下說明本實施例動態電感裝置及三相直流無刷馬達的運作方式。

參閱圖1與圖5，當驅動電路2在一基本周期內，經由U相橋臂和V相橋臂對U相線圈激磁時，U相線圈將產生磁力推動直流無刷馬達1的轉子11運轉。同時轉子11透過轉軸5而帶動該動態電感裝置3的轉子32旋轉。

參閱圖1與圖6，在本實施例中，由於動態電感裝置3的轉子32上設有磁鐵35，而定子31上的三相線圈Lr、Lt、Ls(見圖4)分別繞設於對應的鐵芯34；因此，當動態電感裝置3的轉子32相對於定子31轉動時，會使三相線圈Lr、Lt、Ls產生電流，例如線圈Lr產生電流，其接點R呈正極而中心點N呈負極，而線圈Lt產生電流，其中心點N呈正極而接點T呈負極。搭配參閱圖7，其中線圈Lr的電流會經由R相飛輪二極體組的第一飛輪二極體D1，對連接在直流電源V_DC的正端與中心點N之間的該阻尼電容Cd充電，而線圈Lt的電流會經由T相飛輪二極體組的第二飛輪二極體D2，對連接在中心點N與直流電源V_DC的負端之間的該阻尼電容Cd充電，且該等阻尼電容Cd會先對該電解電池Va充電(因為此時電解電池Va的電壓準位低於直流電源V_DC)，直到電解電池Va的電壓準位高於直流電源V_DC時，電解電池Va即對該直流電源V_DC充電。

然後，如圖7所示，當該驅動電路2的基本周期結束，驅動電路2停止對U相線圈激磁的瞬間，U相線圈會產生反電動勢Vu1、Vu2分別經由U相橋臂及V相橋臂對設在驅動電路2中的阻尼電容Cd充電。

然而，上述反電動勢所產生並儲存在驅動電路2的阻尼電容Cd中的電壓電位通常低於直流電源V_DC，因此阻尼電容Cd無法將儲存其中的電能順利回充至直流電源V_DC，不過，由於本實施例的動態阻尼電路4的該等阻尼電容Cd與驅動電路2的阻尼電容Cd並聯，且動態阻尼電路4在作動過程中，能夠使其中的該等阻尼電容Cd的電壓電位持續高於直流電源V_DC，而將驅動電路2的阻尼電容Cd的電壓電位亦提升至與其同等電位，使得驅動電路2的該等阻尼電容Cd所儲存的電力能順利回充至該直流電源V_DC，以助於省電且將電能回收再利用。須說明的是，驅動電路2產生之反電動勢所形成的電流為高頻的交流電流，而動態阻尼電路4產生的電流為低頻的交流電流，上述交流電透過該等阻尼電容Cd及電解電池Va的作用即可轉換為直流電，且無法逆轉換，如此情況即為本發明的阻尼效應。此外，由電感器的能量公式：(E：電感器儲存能量、L：電感值、I：電流值)可知，當動態電感裝置3產生電流時，會使電流值I上升，進而導致電感值L下降，電感值L的變化即說明本實施例的動態電感裝置3為一種「動態阻尼電感」，因此，雖然其構造類似發電機，例如三相直流無刷馬達之結構，但在本實施例中並非做為發電機使用，因此不會形成額外的負載。

特別要說明的是，本實施例可應用在電動交通載具，例如電動機車上，該直流無刷馬達1即作為一般的驅動馬達使用，而該動態電感裝置3則可設置於輪軸的地方，如此一來，當直流無刷馬達1驅使輪軸轉動時，該動態電感裝置3的轉子32也能跟著轉動，並將動態阻尼電路4的該等阻尼電容Cd及該驅動電路2的該等阻尼電容Cd所儲存的電能順利回充至直流電源V_DC，例如電動機車的蓄電池，以助於增加電動機車的續航力。

值得一提的是，該直流無刷馬達1的驅動電路 2產生之反電動勢提供了電壓，而該動態電感裝置3提供了電流，透過電壓與電流的相乘，即能夠大幅提升電功率，進而使電動機車產生更有力的操控性能。

綜上所述，直流無刷馬達1因為由三相線圈Lu、Lv、Lw所產生的交流型態的反電動勢可循飛輪二極體D形成的放電路徑對該等阻尼電容Cd充電而釋放能量，使驅動電路2不致產生高溫，並使直流電源V_DC不致因遭受高溫而影響其使用壽命。再者，透過該動態電感裝置3的動態阻尼電路4的該等阻尼電容Cd提升該驅動電路2的該等阻尼電容Cd的電位，使該驅動電路2的該等阻尼電容Cd能順利回充至該直流電源V_DC，以助於省電且有效回收電能，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是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。