專利名稱：多相電機繞組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)電機，尤其涉及用于多相電機的繞組電路結(jié)構(gòu)以及使用最小的控制狀態(tài)數(shù)目對多相電機所進(jìn)行的控制。
背景技術(shù)：
上述共同未決的專利申請描述了為車輛開發(fā)高效電機驅(qū)動以作為可行的替代方案取代內(nèi)燃機的前景。電機繞組的電子控制脈沖激勵為更靈活地操控電機特性提供了前景。通過控制脈沖寬度、占空比以及將電池電源可切換地施加到適當(dāng)?shù)亩ㄗ永@組上，可以獲得多種優(yōu)越的功能。在許多電機申請中，車輛驅(qū)動環(huán)境僅僅是一個例子，非常期望能在寬泛的速度范圍上實現(xiàn)平穩(wěn)運行，并同時保持高轉(zhuǎn)矩輸出能力且節(jié)省能源。
上述共同未決申請中描述的電機結(jié)構(gòu)配置都致力于這些目標(biāo)。電磁鐵芯部分可以配置為隔離的環(huán)孔狀可透磁結(jié)構(gòu)，以增強磁通密度。隔離的電磁鐵芯部分可允許磁芯中的單個磁通密度具有最小的磁通損耗或具有對其他電磁體組件的最小有害變壓器干擾效應(yīng)。
圖1是示出了例如在共同未決申請第09/826,422號中所公開的電機的轉(zhuǎn)子和定子部件，其所公開的內(nèi)容作為參考包含于此。轉(zhuǎn)子組件10是環(huán)孔狀結(jié)構(gòu)，具有沿著圓柱形支承板14大體均勻分布的永磁體12。該永磁體是轉(zhuǎn)子磁極，該磁極沿著該環(huán)孔的內(nèi)圓周按磁極性交替變化。支承板可以由可透磁材料構(gòu)成，用作相鄰永磁磁極12之間的磁通回路。轉(zhuǎn)子包圍定子組件20，轉(zhuǎn)子和定子組件被環(huán)形徑向氣隙分隔。定子20包括多個沿該氣隙均勻分布的具有相同結(jié)構(gòu)的電磁鐵芯部分。每個鐵芯部分包括一個通常為U形的磁結(jié)構(gòu)24，該磁結(jié)構(gòu)形成兩個具有面對該氣隙的表面26的磁極。繞組28卷繞在磁極對的繞組支架上?？蛇x地，構(gòu)造鐵芯部分，以容納在連接磁極對的部分上所形成的單個繞組。每個定子電磁鐵芯結(jié)構(gòu)與相鄰定子鐵芯部件相分離，并且與相鄰定子鐵芯部件磁性隔離。該定子部件24被固定到不透磁的支撐結(jié)構(gòu)(未示出)上，由此形成環(huán)孔狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)消除了來自相鄰定子極組的離散變壓器磁通效應(yīng)。
上述申請?zhí)枮?0/173,610的申請描述了為實現(xiàn)對這些電機的各種應(yīng)用的精確控制而設(shè)計的電機控制策略。雖然通常的控制系統(tǒng)假設(shè)整個電機具有均勻的參數(shù)值，但是在那個申請中可以認(rèn)識到獨立結(jié)構(gòu)部件的引入會在不同的定子部件間引起電路參數(shù)例如相電阻、相自感等等的變化。由此電機控制涉及匯合與電流反饋部件相連接的非線性前饋補償。將每個定子鐵芯部分作為單個相進(jìn)行單獨控制，根據(jù)與用于激勵相繞組的定子相元件相關(guān)的控制參數(shù)組，響應(yīng)控制器所產(chǎn)生的控制信號，對每一組相繞組進(jìn)行激勵。在所示的示例性的七相電機中，需要分別對所有七個狀態(tài)進(jìn)行有源控制。
圖2和3中示出了根據(jù)申請?zhí)枮?0/173,610的申請的控制方法。通過由直流電源40所提供的驅(qū)動電流經(jīng)由電子開關(guān)組42來可切換地激勵定子相繞組。該開關(guān)組通過柵極驅(qū)動器46連接到控制器44?？刂破?4具有一個或多個用戶輸入和多個用于在運行期間所檢測到的電機狀態(tài)的輸入。每個相繞組中的電流由多個電流傳感器48中相應(yīng)的一個電流傳感器來檢測，該電流傳感器48的輸出提供給控制器44。為此，該控制器可以具有多個輸入，或者可選地，可以將來自電流傳感器的信號進(jìn)行多路復(fù)用并且連接到單個控制器輸入上。轉(zhuǎn)子位置傳感器46連接到控制器44的另一個輸入上以向其提供位置信號。該位置傳感器的輸出也被施加到速度近似器50上，該速度近似器將位置信號轉(zhuǎn)換為速度信號，以便將該速度信號施加到控制器44的另一個輸入上。
順序控制器可以包括微處理器或等效微控制器，例如TexasInstrument的數(shù)字信號處理器TMS320LF2407APG。開關(guān)組可以包括多個MOSFET H型橋，例如International Rectifier的IRFIZ48N-ND。柵極驅(qū)動器可以包括Intersil的MOSFET柵極驅(qū)動器HIP4082IB。位置傳感器可以包括任何已知的傳感裝置，例如霍耳效應(yīng)器件(AllegroMicrosystems的92B5308)、巨磁電阻(GMR)傳感器、電容性旋轉(zhuǎn)傳感器、簧片開關(guān)、包含非晶傳感器的脈沖有線傳感器、分解器、光傳感器等等?；舳?yīng)電流傳感器例如F.W.Bell SM-15可以用作電流傳感器48。速度檢測器50提供所檢測到的位置信號的時間導(dǎo)數(shù)的近似值。
圖3是用于單個定子鐵芯部件繞組的開關(guān)組和驅(qū)動器的部分電路圖。定子相繞組28連接到具有四個FET的橋式電路中。可以使用任何各種已知的電子開關(guān)元件，例如雙極性晶體管，來控制驅(qū)動電流按適當(dāng)?shù)姆较蛄飨蚨ㄗ永@組28。FET53和FET55串聯(lián)跨接在電源兩端，同樣，F(xiàn)ET54和FET56也如此連接。定子繞組28連接在兩個串聯(lián)的FET電路的連接節(jié)點之間。柵極驅(qū)動器46響應(yīng)從順序控制器44所接收到的控制信號以將觸發(fā)信號施加到FET的柵極端子上。FET53和56同時被觸發(fā)，從而使電機電流向一個方向流動。為了使電流向反方向流動，則同時觸發(fā)FET54和55。可選地，可以將柵極驅(qū)動器46集成到順序控制器44中。
如上示出和所述的特定電路僅僅是各種可選的電機激勵電路中的代表。然而，每個相都具有允許對每個相的狀態(tài)進(jìn)行有源控制的相關(guān)的切換和驅(qū)動電路。對于多相電機來說，對這些用于每一相的電路的復(fù)制以及所增加的電路實際狀態(tài)和功能的復(fù)雜性不僅昂貴且難以承受。因此需要一種對多相電機進(jìn)行有效控制并同時能夠降低可控狀態(tài)的數(shù)目。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實現(xiàn)了上述需要，并同時保持了例如在共同未決申請中所公開的分離且鐵磁隔離的單個定子鐵芯部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。實現(xiàn)了可控狀態(tài)數(shù)目的減少并同時保持了高精度的可控性。
使用多相無刷永磁電機可以獲得上述優(yōu)點，所述多相無刷永磁電機具有定子，所述定子為每一相裝配有至少一個繞組，所述繞組在多個接合點處彼此固定地連接。電源通過受控的電機激勵電路連接到多個端子上，所述端子連接到相應(yīng)的接合點上，端子的數(shù)目小于電機的相數(shù)，并因此，小于接合點的數(shù)目。電機激勵電路由中央處理器適當(dāng)?shù)乜刂?。因此，避免了為每一相?fù)制相同的激勵電路。
可以通過如下方法獲得上述結(jié)構(gòu)，即以三角形(Δ形)連接結(jié)構(gòu)配置第一組繞組，同時所述結(jié)構(gòu)的相鄰繞組在所述多個接合點中相應(yīng)的一個接合點處相互連接，以及以星形(Y形)結(jié)構(gòu)連接的第二組繞組，所述星形結(jié)構(gòu)的各端點連接到所述多個接合點中相應(yīng)的接合點上。所述星形結(jié)構(gòu)的一個端點可以連接到不與端子直接相連的那個接合點上。由于本發(fā)明適用于各種相數(shù)的電機，因此第一組和第二組相繞組的數(shù)目也是可變的。在所示的優(yōu)選實施例中，電機包括七相，三角形結(jié)構(gòu)包括帶有五個接合點的五相繞組，星形結(jié)構(gòu)包括兩相繞組，星形的一個繞組支架直接連接在一個接合點和連接其他星形繞組的中心節(jié)點之間。在該實施例中，僅有四個接合點直接連接到相應(yīng)的電源端子。第一電阻元件可以跨接在星形結(jié)構(gòu)的兩個相繞組上，而第二電阻元件可以連接在星形結(jié)構(gòu)的中心節(jié)點和一個接合點之間。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，在電機中，定子進(jìn)一步包括多個彼此鐵磁隔離的鐵磁鐵芯部分，每一鐵芯部分具有形成在其上的一個相應(yīng)的相繞組。每一鐵芯部分包括多個磁極，每個磁極穿過徑向氣隙面對轉(zhuǎn)子。相數(shù)等于定子鐵芯數(shù)，并且每個相繞組卷繞在相應(yīng)的一個定子鐵芯上。然而可以理解，具有許多定子鐵芯部分的電機可以具有多個與相應(yīng)的相相關(guān)的鐵芯部分繞組。
根據(jù)本發(fā)明的電機可以由電機激勵電路所控制，所述電機激勵電路將定子繞組連接到電源，用以向繞組提供受控的激勵電流，電機激勵電路具有多個電源輸出端子，其數(shù)目小于接合點的數(shù)目。連接到電機激勵電路上的中央處理器，對電機繞組激勵而進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤ｋ姍C激勵電路可以包括連接到每個電源輸出端子的一組受控開關(guān)。提供監(jiān)測裝置用于監(jiān)測多個定子相繞組中的每一個定子相繞組的電流，并且將這些監(jiān)測裝置連接到所述中央處理器以提供電流反饋信號。
通過以下具體的描述本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易理解本發(fā)明附加的優(yōu)點，其中僅僅示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，簡單地說明了為實施本發(fā)明而設(shè)計的最佳方式?？梢悦靼?，在不背離本發(fā)明的情況下，本發(fā)明能夠是其他的和不同的實施例，并且在各種顯而易見的方面對多個細(xì)節(jié)進(jìn)行修改是可能的。因此，附圖和說明書在本質(zhì)上都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是示例性的，而并非限制性的。


本發(fā)明通過在附圖中的實例闡釋本發(fā)明，而不是要對本發(fā)明進(jìn)行限制，并且其中相同的附圖標(biāo)記代表相似的部件，其中圖1是示出了應(yīng)用于本發(fā)明的電機的轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)部件的示意圖。
圖2是示出了例如在共同未決申請10/173,6l0中所公開的電機控制系統(tǒng)的方框圖。
圖3是示出了例如在共同未決申請10/173,610中所公開的單個定子鐵芯部件繞組的開關(guān)組和驅(qū)動器的部分電路圖。
圖4是示出了本發(fā)明的各種電流波形的時序圖。
圖5是示出了代表七相電機的本發(fā)明具體實施例的定子繞組電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖6是示出了將圖5的實施例合并到根據(jù)本發(fā)明的電機控制系統(tǒng)中的框圖。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的圖6的框圖的一種變形。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的圖6的框圖的另一種變形。
具體實施例方式
如上所述，圖1是七狀態(tài)機即七相無刷電機的例子，每一個鐵磁隔離的鐵芯部件都對應(yīng)一個相應(yīng)的相，該鐵芯部件具有形成在其上的一個繞組。該機器需要對相應(yīng)的七相在七個狀態(tài)下進(jìn)行有源控制。根據(jù)本發(fā)明，配置相繞組以使得僅需對四個狀態(tài)進(jìn)行有源控制，從而為所有七相提供受控的定子繞組激勵?？梢悦黠@減少電子設(shè)備的尺寸和成本，同時現(xiàn)在只需要較少數(shù)量的電子設(shè)備即可獲得與對所有七個狀態(tài)分別進(jìn)行有源控制相同的機械轉(zhuǎn)矩、速度和功率特性。
具有七個均分相的電流控制無刷電機可以由以下七個電流矢量表示Ia＝|I|·(1+i0)Ib＝|I|·(0.62+i0.78)Ic＝|I|·(-0.22+i0.97)Id＝|I|·(-0.9+i0.43)Ie＝|I|·(-0.9-i0.43)If＝|I|·(-0.22-i0.97)Ig＝|I|·(0.62-i0.78)或者以矩陣形式表示為如下表達(dá)式矢量 可以定義為I→=IaIbIcIdIeIfIg=|I|·10.62-0.22-0.9-0.9-0.220.62+i00.780.970.43-0.43-0.97-0.78]]>可以通過如下變換減小到四個狀態(tài)I1I2I3I4=-1.0-1.0-1.01.00.01.01.01.01.00.00.0-1.00.0-1.0000.0-1.01.00.00.0001.00.00.01.00.0·IaIbIcIdIeIfIg]]>上述矩陣處理得到了I1、I2、I3和I4的如下數(shù)值I1I2I3I4=|I|·-1.9-i3.081.9+i2-i0.871.95i]]>或者可以以極坐標(biāo)的形式將上述電流表示為I1I2I3I4=|I|·3.62·ej(-121.7)2.76·ej(46.4)0.87·ej(-90)1.95·ej(90)]]>圖4示出了由四種狀態(tài)電流的電流波形所疊加成的七相電流的電流波形的時序圖。圖5示出了七相繞組28a-28g的電路結(jié)構(gòu)，其中通過施加所示的四種狀態(tài)電流的波形而獲得波形如圖4所示的七個均衡的相電流。五個相繞組28a、28e、28d、28f和28c固定地串聯(lián)在五個接合點處從而形成三角形結(jié)構(gòu)。相繞組28b和28g是星形結(jié)構(gòu)的一部分，該結(jié)構(gòu)固定地連接到三角形結(jié)構(gòu)的相繞組之間相應(yīng)的接合點上。每一個相繞組28b和28g的末端都一起連接到中央節(jié)點。相繞組28b和28g的另一端分別連接到相繞組28a和相繞組28c之間的接合點以及相繞組28d和相繞組28f之間的接合點上。中央節(jié)點經(jīng)電阻元件R1連接到相繞組28a和相繞組28e之間的接合點上。所示出的電阻元件R2連接在相繞組28g的引出端和相繞組28c和28f之間的接合點之間。這些電阻元件用以消除或減小由于繞組間的相互作用而可能出現(xiàn)的環(huán)流(或多個環(huán)流)。R1和R2的值可以設(shè)置為符合期望的設(shè)備性能，并且在許多情況下可以省略。在后一情形中，中央節(jié)點直接連接到三角形接合點上。電源端子T1-T4連接到三角形結(jié)構(gòu)的五個接合點中的四個上，用以提供波形如圖4所示的四種狀態(tài)電流I1-I4。對電機電源進(jìn)行控制來提供上述狀態(tài)電流將會產(chǎn)生圖示的均衡的相電流波形。
圖6示出了對圖5中的定子結(jié)構(gòu)的相繞組進(jìn)行激勵的電機控制系統(tǒng)。為了避免插圖中不必要的混淆，僅僅詳細(xì)示出了對于理解本發(fā)明所必不可少的那些部件。直流電源40通過電機激勵電路42向電機定子供電。優(yōu)選地，激勵電路42包括并聯(lián)跨接在電源兩端的多對開關(guān)。每一個開關(guān)對包括一個上橋臂MOSFET開關(guān)54，其與下橋臂MOSFET開關(guān)56串聯(lián)。開關(guān)對的數(shù)目等于連接到電機繞組的受控電源輸出的數(shù)目，在所示的實施例中是四個。將在每個串聯(lián)連接的開關(guān)對之間的接合點連接到電源端子T1-T4中相應(yīng)的一個電源端子上。柵極電極連接到控制器44上，并單獨由控制器輸出的控制信號觸發(fā)。電流傳感器48位于每一個相繞組通路中，用以向該控制器提供電流反饋信號。
控制器44，位置傳感器46和各電流傳感器可以包括在如上述申請?zhí)枮?0/173,610的申請中所公開的各部件。正如那個申請中所描述的，由控制器所接收的電機反饋信號為執(zhí)行算法提供了充分的數(shù)據(jù)，從而向為每一相繞組提供激勵的開關(guān)組輸出控制信號。在圖6的系統(tǒng)中，響應(yīng)在全部七相繞組中所監(jiān)測到的電流，控制器向四對開關(guān)輸出控制信號。根據(jù)上述的矩陣變換，控制器在四個輸出電源連接中獲得了電流的等效反饋，并由此向所述開關(guān)提供控制信號。因此，本發(fā)明將所需的開關(guān)以及相關(guān)的電路從二十八個(每相四個)顯著地減小到了八個。由于柵極驅(qū)動器數(shù)目的減少，因此在電路中獲得額外的效率。
圖7和8示出了圖6的實施例的變形，且二者在電流傳感器的數(shù)目和布置方面有所不同。在圖7的實施例中，電流傳感器48被連接到與相應(yīng)的開關(guān)組連接的每個電源輸出上。所檢測到的四個電流信號被傳送到控制器的各個輸入上。在圖8的實施例中，一個電流傳感器48連接到電池引線中的一個上。將所檢測到的電池電流輸入到控制器中。在這些實施例中，基于上述矩陣的適當(dāng)算法被存儲在控制器中，用于將控制信號輸出到為每個相繞組提供激勵的開關(guān)組上。
可以理解的是，本發(fā)明的電機可以在結(jié)構(gòu)配置很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。盡管已經(jīng)示例并描述了七相電機，但是當(dāng)可以導(dǎo)出適當(dāng)?shù)南嚯娏魇噶亢妥儞Q時，本發(fā)明并不局限于特定的相數(shù)。對于多相電機而言，可以實現(xiàn)額外的節(jié)約。此外，本發(fā)明不要求在單個定子鐵芯部件的磁極對上形成每個相繞組。即，本發(fā)明也適用于具有分布在多個磁極周圍的相繞組的多相電機。
權(quán)利要求
1.一種多相無刷電機包括轉(zhuǎn)子，其包括多個永磁體；定子，其包括多個繞組，每個繞組對應(yīng)于一個相應(yīng)的電機相，所述多個繞組在多個接合點處彼此固定地連接；以及多個端子，其連接到受控電源；其中所述的多個端子的數(shù)目小于電機的相數(shù)，并且每個端子直接連接到所述多個接合點中相應(yīng)的一個接合點上。
2.如權(quán)利要求1所述的多相無刷電機，其中所述端子數(shù)目小于所述接合點數(shù)目。
3.如權(quán)利要求1所述的多相無刷電機，其中所述多個繞組包括以三角形結(jié)構(gòu)連接的第一組繞組，所述結(jié)構(gòu)的相鄰繞組在所述多個接合點中相應(yīng)的一個接合點處連接；以及以星形結(jié)構(gòu)連接的第二組繞組，所述星形結(jié)構(gòu)的端點連接到所述多個接合點中相應(yīng)的一個接合點上。
4.如權(quán)利要求3所述的多相無刷電機，其中所述多個接合點中的連接到星形結(jié)構(gòu)端點的那個接合點不直接連接到端子。
5.如權(quán)利要求3所述的多相無刷電機，其中所述電機包括七相，所述三角形結(jié)構(gòu)包括帶有五個接合點的五個相繞組，所述星形結(jié)構(gòu)包括兩個相繞組，并且只有四個接合點直接連接到相應(yīng)的端子上。
6.如權(quán)利要求5所述的多相無刷電機，進(jìn)一步包括跨接在三角形結(jié)構(gòu)其中一個相繞組兩端的第一電阻元件，和連接在所述星形結(jié)構(gòu)的中心節(jié)點和其中一個接合點之間的第二電阻元件。
7.如權(quán)利要求1的多相無刷電機，其中定子進(jìn)一步包括多個彼此鐵磁隔離的鐵磁鐵芯部分，每一鐵芯部分具有形成于其上的相應(yīng)的相繞組。
8.如權(quán)利要求7的多相無刷電機，其中每個鐵芯部分包括多個磁極，每個磁極穿過氣隙面對所述轉(zhuǎn)子。
9.如權(quán)利要求7的多相無刷電機，其中所述相數(shù)等于定子鐵芯的數(shù)目并且每個相繞組卷繞在相應(yīng)的其中一個定子鐵芯上。
10.一種多相無刷電機系統(tǒng)包括電機，包括永磁轉(zhuǎn)子和定子，所述定子包括多個繞組，每個繞組對應(yīng)于一個相應(yīng)的電機相，所述多個繞組在多個接合點處彼此固定地連接；電機激勵電路，其將定子繞組連接到電源，用以向所述繞組提供受控的激勵電流，所述電機激勵電路具有多個電源輸出端子，其數(shù)目小于接合點的數(shù)目；以及中央處理器，其連接到所述電機激勵電路并對其進(jìn)行控制；其中每個所述電源輸出端子直接連接到所述多個接合點中相應(yīng)的一個接合點上。
11.如權(quán)利要求10的多相無刷電機，其中所述多個繞組包括以三角形結(jié)構(gòu)連接的第一組繞組，所述結(jié)構(gòu)中的各相鄰繞組在所述多個接合點中相應(yīng)的一個接合點處連接；以及以星形結(jié)構(gòu)連接的第二組繞組，所述星形結(jié)構(gòu)中的端點連接到所述多個接合點中相應(yīng)的一個接合點上。
12.如權(quán)利要求11的多相無刷電機，其中所述電機包括七相，所述三角形結(jié)構(gòu)包括帶有五個接合點的五個相繞組，所述星形結(jié)構(gòu)包括兩個相繞組，并且只有四個接合點直接連接到相應(yīng)的端子，由此所述七相電機被四個受控電源輸出所控制。
13.如權(quán)利要求11的多相無刷電機，其中所述定子進(jìn)一步包括多個彼此鐵磁隔離的鐵磁鐵芯部分，每一鐵芯部分具有一個形成于其上的相應(yīng)的相繞組。
14.如權(quán)利要求11的多相無刷電機，其中所述電機激勵電路包括一組連接到每個電源輸出端子的受控開關(guān)。
15.如權(quán)利要求11的多相無刷電機，進(jìn)一步包括監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測多個定子相繞組中的每一個定子相繞組的電流，所述監(jiān)測裝置連接到所述中央處理器，用以向其提供電流反饋信號。
16.如權(quán)利要求12的多相無刷電機，進(jìn)一步包括電流監(jiān)測器，其連接到每一個激勵電路電源輸出端子上并且連接到所述中央處理器上，用以向所述中央處理器提供電流反饋信號。
17.如權(quán)利要求11的多相無刷電機，進(jìn)一步包括與電池串聯(lián)連接的電流監(jiān)測器，其連接到所述中央處理器，用以向所述中央處理器提供電流反饋信號。
全文摘要
一種多相永磁無刷電機具有定子，所述定子為每一相配備至少一個繞組，所述繞組在多個接合點處彼此固定地連接。電源通過受控的電機激勵電路連接到多個端子上，所述端子連接到相應(yīng)的接合點上，其中端子的數(shù)目小于電機的相數(shù)。電機激勵電路被中央處理器適當(dāng)?shù)乜刂?。實現(xiàn)可控狀態(tài)數(shù)目的減少并同時保持了高精度的可控性。因此，避免了為每一相復(fù)制相同的激勵電路。
文檔編號H02K3/28GK1871763SQ200480031268
公開日2006年11月29日 申請日期2004年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月10日
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