可變磁阻發電機的製作方法
2023-10-11 23:44:54 2
專利名稱：可變磁阻發電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種作為發電機運行的磁阻電機。具體地說，涉及無需在其相繞組電路中使用活動開關即可產生負載的可變磁阻發電機的運行。
背景技術：
開關磁阻系統的特性和運行在本領域是公知的，例如，在此引入作為參考的作者為Stephenson和Blake的「The characteristics，design andapplication of switched reluctance motors and drives」(PCIM』93，Nürnberg，1993年6月21-24日)一文中對其進行了說明。圖1(a)示意性地出了一個典型的開關磁阻驅動裝置，其中開關磁阻電機12被連接到負載19。直流電源11可以為整流和濾波後的交流電源、電池或某些其它形式的儲電裝置。電源11提供的直流電壓可在電子控制單元14的控制之下由電力變換器13在電機12的相繞組16間轉換。為使電機正確運行，換向必須正確地與轉子的旋轉角度同步，並且通常利用一個轉子位置檢測器15以提供對應於轉子的角位置的信號。轉子位置檢測器15可以採用多種形式，包括軟體算法，並且其輸出也可以用於生成一個速度反饋信號。位置檢測器的存在以及完全取決於轉子的瞬間位置的勵磁策略的使用使得這些電機被描述為「轉子位置轉換」。
已經知道許多不同的能量轉換器的拓撲結構，其中的幾種在前面引用的Stephenson的文章中進行過介紹。圖2中示出了用於多相位系統中的一個相位的最普通的一種結構，其中電機的相繞組16跨過母線26和27與兩個開關21和22串聯。母線26和27被合稱為轉換器的「直流環(DC link)」。將能量恢復二極體23和24連接在繞組上以便在開關21和22打開時繞組上的電流可以流回到直流環。將小阻值電阻28與下面的開關串聯並作為電流換能器進行工作。被稱為「直流環電容器」的電容器25被跨接在直流環間，以發生或衰減所有不能從電源抽出或返回電源的直流聯絡線電流(即所謂的「波紋電流」)的交流分量。實際上，電容器25可以包括若干串聯和/或並聯的電容器，在使用並聯時，某些元件可以分布在整個變流器中。
圖3示出了電機處於電動機模式時，圖2所示電路的兩個運行循環的典型波形。圖3(a)示出了活動開關21和22閉合時，在「導通角」θon處施加的、在導通角θc的持續時間內的電壓。圖3(b)示出了相繞組16中的電流上升到峰值然後輕微地下降。在導通階段的最後，到達「閉合角」θoff，開關斷開，電流傳輸到二極體，並在繞組間加反向環電壓，並因此迫使磁通和電流降到零。在零電流時，二極體停止導通並且電路處於不活動狀態，直至隨後的導通階段的開始。如3(c)所示，直流環上的電流在開關斷開時反向，並且返回的電流代表返回電源的能量。電流波形的形狀隨電機的工作點和所採用的交換策略的不同而不同。正如眾所周知且在，例如前面引用的Stephenson的文章中所描述的那樣，低速運行通常包括用電流斬波來包括峰值電流，不同時斷開開關可以得到通常所知的「穩流(freewheeling)」的工作模式。
正如在本領域所眾所周知的那樣，開關磁阻電機可以運行在發電模式。圖1(b)中示出了一種典型的布置，其中圖1(a)的負載19變成了原動機19』，例如一臺提供機械能的內燃機。電源11變成了電力負載11』，通過電力變換器13接受來自電機12的能量。通常，相電流為電動機模式中的相電流的鏡像(以時間表示)。此類系統在，例如，作者為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頁)中進行了討論。圖4(a)示出了系統處於電動機狀態時的磁通波形和對應的電路波形，而圖4(b)示出了系統處於發電狀態時對應的波形。從圖4(b)中可以看出，在能量返回直流環之前，電機需要建立一「起動(priming)」或磁化磁通(以及支持此磁通所需的電流)。換言之，在直流環能夠將大量機械能轉換回直流環之前，需要從直流環獲取一定的電能以啟動電機。
儘管有許多用於開關磁阻電機的電力變換器的布局，所有這些布局都使用了一定數量的活動開關，這些開關構成了變換器成本的一個顯著的部分。多年來，已進行了大量的努力以減少每相中開關的數量。
發明內容
根據本發明的一個實施例，有用的電功率由可變磁阻電機產生而無需操縱常規的電力開關。磁路中引入了一偏置磁通，所述磁通的幅度隨轉子的位置變化。通過將相電壓限制為低於由偏置磁通在相中另外感應的電壓的幅度，可以實現發電。這樣，無需在電機的電力變換器中存在活動開關，或者雖然具有電力開關但不對其進行操作(因此運行在該模式時，具備現有技術中不具備的效率)，即可實現用於產生電功率的方法和裝置。
偏置磁通和與被限制的電壓關聯的磁通之間磁通的差異表示必須由電流支持的磁通，該電流在相繞組中流動。因此，本發明在電機的該相或每相中都產生電功率。相電壓可以由半導體器件，例如與相連接的二極體或二極體電橋，進行限制。在這樣的系統中，半導體器件還用於將相中電流的流動限制為一個方向，由此產生可用的整流後的電源。限制相電壓的另一種裝置是晶閘管，當然，其整流程度是可以調節的。
磁路中的磁通可以通過將一個或多個線圈磁性耦合至電機的某些或全部相繞組來進行偏置。線圈的激勵可以是恆定的或可變的。另一種偏置磁通的方法是根據與相的關係，布置一永久磁鐵或可磁化的部件。偏置線圈或磁鐵優選地位於與相繞組所在相同的部件上，通常為定子。
本發明具有明顯的優點，它避免了以常規開關磁阻發電機所需的方式提供電力開關。根據本發明，開關磁阻發電機中無需存在常規的電力開關。或者，可以在常規的開關磁阻驅動系統中設定根據本發明的運行模式並暫時用作一系列運行模式之一。例如，用於電動車或混合電動車的驅動器可以包括一個開關磁阻電動機，作為，或部分作為發動機。在這樣的系統中，開關磁阻驅動裝置在適當的時刻被用作發動機的源和發電機這兩者。本發明允許使用同樣的驅動裝置，其電力開關簡單地處於待用狀態，而不是不存在。這可以導致改善的運行效率。
根據本發明的一種特定的形式，提供了一種將可變磁阻電機作為發電機運行的方法，該電機至少具有一個相繞組，所述方法包括建立與該相繞組或至少一個相繞組耦合的偏置磁通；並將相電壓限制為低於由偏置磁通在相中另外感應的電壓的幅度。
本發明還可以擴展到具有帶有至少一個相繞組的第一部分和布置為相對於第一部分運動以產生電功率的第二部分的可變磁阻電機；用於建立與該相繞組或至少一個相繞組耦合的偏置磁通的裝置；以及用於將相電壓限定為低於由偏置磁通在相繞組中另外感應的電壓的幅度的裝置。
初始時相電壓可以被限制為零伏特。如上所述，使用二極體可以方便地完成此操作。此外，二極體還用於將相中電流的流動限制為一個方向，由此提供整流後的輸出電源。這樣的二極體可以是提供，例如，全波整流的整流電路的一部分。
可以通過控制發電機轉速、在至少一個相中形成的偏置磁通，或者跨直流聯絡線的電壓來控制根據本發明的可變磁阻發電機的輸出。
閱讀以下的本發明示例性實施例的詳細說明以及參考附圖，可以清楚地理解本發明的其它方面和優點。其中圖1(a)是作為電動機運行的現有技術的開關磁阻驅動裝置的示意圖；圖1(b)是作為發電機運行的現有技術的開關磁阻驅動裝置的示意圖；圖2是用於圖1(a)或(b)的開關磁阻電機的現有技術的激勵電路；圖3(a)是圖2中示出的電路的相電壓波形；圖3(b)是對應於圖3(a)的相電流波形；圖3(c)是對應於圖3(a)的供電電流波形；圖4(a)和圖4(b)分別示出了電動機和發電機的磁通和電流波形；
圖5示出了根據本發明的一個實施例的發電系統；圖6(a)示出了一個開關磁阻電機的晶片和繞組的示意圖；圖6(b)示出了另一個開關磁阻電機的晶片和繞組的示意圖；圖7示出了相應於本發明的一個實施例的基本電感、磁鏈和電壓波形；圖8示出了相應於本發明的一個實施例的磁鏈、電壓和電流波形；圖9(a)示出了圖5的電路的變形；圖9(b)示出了圖5的電路的進一步的變形；圖10示出了圖5的電路的又一進一步的變形；圖11示出了相應於圖10的運行的一組波形；圖12示出了組合了圖9(a)和10的元件的電路；圖13-15示出了根據不同運行條件相應於圖12的運行的各組波形；圖16(a)和(b)示出了根據本發明的一個方面的可變磁阻發電機的三角形和星形連接。
具體實施例方式
圖5是根據本發明一個實施例的可變磁阻電機系統的一個相的示意圖。系統可以只有一個相也可以是多相的。與圖2的現有技術系統中相同的元件被賦予了相同的標號。此外，該電機具有由恆流源20供電的偏置繞組18。相對於相繞組16，偏置繞組18的磁極性以常規的方式用點表示。偏置繞組中的電流為Ib，相電壓Vph藉助於磁耦合在偏置繞組中感應的電壓Vb可由下式給出Vb＝Vph*Nb/Nph(1)其中Nb偏置繞組18中的匝數，Nph為相繞組16中的匝數。
在物理術語中，偏置繞組可以包括一個跨電機電氣間距(electricalpitch)一半的單個繞組，如圖6(a)，其中示出了具有六個定子極61和四個轉子極64的電機的實例。轉子66被安裝在軸68上以在定子內旋轉。定子極繞有通常串聯或並聯的線圈63以提供三相繞組，所述繞組之一表示為圖5中的16。偏置繞組18包括一個跨越電機直徑兩端的單個線圈65，因此，包圍了沿徑布置的環中一半的極。
或者，如圖6(b)所示，偏置繞組可以包括在全部，或至少某些極上的多個線圈65′，所述每個線圈65′以與同一極上的相繞組16的線圈63相同的方式環繞該極，但線圈65′可以區別於線圈63。線圈65′串聯，以便每個線圈65′中的電流是相同的。在這種情況下，將六個偏置線圈串聯等效於圖6(a)中的單個線圈65。
通過檢查磁通路可以看出，這兩種布置在磁學上類似，將考慮諸如末端繞組的幅度以及電機中的可用空間之類的因素，在它們之間進行選擇。
可以使用其它形式的偏置繞組。例如，繞組可以包括圍繞定子的背鐵的環形繞組，其中圍繞背鐵施加支持偏置磁通的磁動勢。但是，在所有情況中，偏置繞組從電機電氣間距的一半處朝向另一端建立磁通。對於所有這些不同的偏置繞組布置，氣隙處的磁通分布圖是相同的。在一個多相電機中，對於恆定的偏置電流，總的磁通幅度將基本上恆定。作為偏置磁通的替代源，可以使用永久磁鐵代替偏置繞組18，但是這樣的布置缺乏繞組線圈的靈活性，在繞組線圈中可以控制其中的電流。
現在將利用圖5的電路說明電機的運行。為簡化說明，將假設電機是磁線性的。還假設電流源20是理想的，它可以保持偏置電流Ib恆定，與偏置繞組18中感應的任何電壓無關。開關21和22處於斷開狀態。
圖7中示出了相繞組16的電感分布圖。該分布由電機鐵芯的磁幾何形狀限定。由於電感被定義為單位激勵電流的磁鏈，相繞組中的磁通由下式給出並在圖7中示出了對於任意Ib值的磁通Ψph＝LIb(2)接著可以得出，對於恆定電流Ib，磁鏈曲線具有與電感相同的形狀。根據法拉第定律，相繞組中感應的電壓可以推導為Vph＝dΨph/dt＝ωdΨph/dθ (3)其中θ是轉子的角位移，ω是速度，dθ/dt。由於電感分布圖的斜率是分段線性的，感應的電壓具有圖7中示出的矩形形狀。根據等式2和3，電壓的幅度與轉速和偏置電流成比例。隨著電壓的增大，將達電壓等於直流環電壓的(恆定)幅度的一點。通過查看圖5，當負電壓偏移等於直流環電壓時，二極體23、24將變成正向偏壓，因而鉗制了相電壓，這在圖8中示出了。根據等式3，Vph的鉗制將dΨph/dt鉗制為比否則將具有的斜率(如線X所示)更平緩的斜率(如線Y所示)。兩條線之間磁鏈的差異表示必須由二極體中流動的電流支持的磁通，如圖所示。注意，電壓波形和電流波形是不對稱的。
由於沒有使用開關21和22，如果電機未用於電動機模式中，電路可以簡化為如圖9(a)或9(b)所示。這產生了用於可變磁阻發電機的電力變換器，該可變磁阻發電機沒有活動開關將其連接到直流環。直流環電容器25可由只消耗產生的能量的電阻器90替代，使該系統可以用作一個無電刷的制動器。在這種情況下，二極體將電壓的負偏移鉗制為-IR，其初始為零。電容器25也可以由一蓄電池替代。
在本發明的另一實施例中，如圖10所示，二極體23和24被重新連接以代替開關21和22。與前面一樣，可以去掉一個或另一個二極體。該實施例將正向的電壓偏移鉗制為直流環電壓，因此，緩和了增大的磁通的梯度，如圖11所示。在這種情況下，磁鏈從否則將具有的磁鏈減少，所以相繞組中的電流朝相反的方向流動。由於新的磁鏈線降到了電感分布圖的死區之下，電流的形狀與前述的形狀不同。
使用如圖12中所連接的四個二極體可以合併圖8和圖11的電流。這些二極體以單向電橋的形式有效地連接。所以能使用一個標準的元件包用於此任務。
圖13示出了合併後的圖8和11的電流波形以給出直流環中的電流。應注意的是合併電流的操作延遲了圖8中的電流的啟動，並且複合波形在最小電感區部分是不連續的。隨著偏置電流或轉速的增大或隨著直流環電壓的減小，將到達一點，如圖14中所示，在該點之外總是從一對或另一對二極體提供電流。
進一步增大偏移或轉速或進一步減小直流環電壓可以使電機進入一種新的運行模式，在該模式中，電機進入過度狀態。在此方面，它與此處引入作為參考的、在EP 0537761A中公開的常規開關磁阻驅動系統的連續電流模式類似。在達到穩態時(圖15中示出的理想系統忽略了阻尼)，磁通增加所用的時間長度恰好等於減小所用的時間長度，並且從增大到減小的變化點的軌跡跟隨原始磁鏈的減小。由於增大和減小的斜率是完全相同的，可以為任何激勵水平定義工作點。注意，由於電感分布圖相對於水平軸不對稱，兩個二極體中的電流一般仍然是不相等的。此模式是內在穩定的，因為任何擾動將驅動增加的磁鏈線到一較小的值並驅動減小的磁鏈線到一較大的值，由此穩定了系統。
應當注意，上述系統無需軸位置信息，這是由於二極體在電流降低到零時是自換向的。這將進一步節約成本。應當注意，在所示實施例中，在電機的偏置繞組和相繞組之間沒有連接，即它們之間是電隔離的。這可能是一個顯著的安全好處。
應當理解，儘管上述示例使用了系統的一個單相，這純粹是示例性的，以上列出的原理可以應用於任意數量的相以及任意數量的定子極和轉子極的組合。對於具有三個相或更多相的系統，可以使用到直流環的替代連接。例如，對於三相系統，可以使用三角形或星形(Y)連接，分別如圖16(a)和(b)所示。由於相電壓是不對稱的，只有在某些特定條件下，三角形連接中的相電壓之和才等於零，所以通常三角形連接中將存在一循環電流以進行補償。同樣，由於電流是不對稱的，只有在特定條件下，星形連接中的相電流才是相等的，所以通常中性點將移動以對此進行調節。使用這些連接，二極體形成了一個標準的三相電橋，所以，同樣可以使用標準的元件模塊。
本領域的普通技術人員將認識到，相數在三相以上的情況，仍可使用相應的環形和徑向電路。
通常，相控裝置，例如晶閘管或其它可控矽整流器，可用於替換某些或全部二極體以進行進一步程度的控制。儘管這樣的系統將仍然不需要轉子位置信息(因為電流通過零時裝置將關閉)，但其將增加複雜性，這與本發明的簡單性相反。
在運行中，假設原動機將以某個適當的轉速轉動發電機。在啟動發電作用的一個實施例中，控制系統使適當級別的電流流入偏置繞組。然後，在直流環上產生電流，通過調整電機的轉速和/或偏置電流的幅度，可以控制傳輸的功率。本領域的普通技術人員將理解，常規的反饋方法可用於控制輸出。其它實施例可以使用直流環調製。
上述說明是基於受控單向偏置電流Ib。這可能是本發明最有用的實施例，儘管應當注意，可以使用不受控的或交變偏置電流運行。取決於與可變磁阻電機的感應循環周期相比的交變偏置電流的周期長度，相磁鏈的分布圖將具有疊加的調製，其將導致生成的電流的相應的調製。對於相應於相磁鏈的周期的偏置電流周期的特殊情況，可以減少電路中二極體的數量，儘管此好處可能被同步兩個頻率的複雜性所抵消。
儘管圖9、10、12和16的電路省去了用在電動機模式中的活動開關，但很明顯，如果保留所述活動開關，根據本發明和在常規的轉換模式中，無需對電力變換器進行重新配置，該系統可以作為發電機運行。
本領域的普通技術人員將理解，可以在不偏離本發明的情況下，對所公開的布局進行變更。因此，對上述實施例的說明是以實例的方式進行的，並非用於限制的目的。對本領域的普通技術人員來說，顯然可以對布局作出小的修改，而不顯著改變上述的運行。本發明旨在僅由隨後的權利要求書的範圍限定。
權利要求
1.一種將可變磁阻電機作為發電機運行的方法，所述電機至少具有一個相繞組，所述方法包括建立與所述相繞組或至少一個相繞組耦合的偏置磁通；將相電壓限定為低於由偏置磁通在相繞組中另外感應的電壓的幅度。
2.如權利要求1所述的方法還包括將所述相繞組中的電流流動限制為一個方向。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述電流流動由至少一個也用於限定相電壓的二極體限制。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述二極體是全波整流器電路的一部分。
5.如權利要求1至4中任一個所述的方法，其中所述相電流流過一個電阻器。
6.如權利要求1至5中任一個所述的方法，其中通過控制所述偏置磁通來控制電機的電輸出。
7.如權利要求1至6中任一個所述的方法，其中與所述相繞組或至少一個相繞組耦合的偏置磁通由一個或多個偏置線圈建立。
8.如權利要求7所述的方法，其中電機是多相的並且所述一個或多個偏置線圈被布置為與電機的相繞組的一部分耦合。
9.如權利要求7或8所述的方法，其中所述偏置磁通由所述或每個偏置線圈中的恆定電流產生。
10.如權利要求7或8所述的方法，其中所述偏置磁通由所述或每個偏置線圈中的交變電流產生。
11.如權利要求1至10中任一個所述的方法，其中所述電機連接到電力變換器電路。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述電力變換器電路沒有活動開關。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述電力變換器電路包括在所述可變磁阻電機作為發電機運行時保持斷開的活動開關。
14.如前述任一權利要求所述的方法包括通過控制所述電機的轉速來控制所述電機的輸出功率。
15.如前述任一權利要求所述的方法包括通過調整相電壓被限定的幅度來控制所述電機的輸出功率。
16.一種可變磁阻電機，具有帶有至少一個相繞組的第一部分和布置為相對於該第一部分運動以產生電功率的第二部分；用於建立與該相繞組或至少一個相繞組耦合的偏置磁通的裝置；以及用於將相電壓限定為低於由偏置磁通在相繞組中另外感應的電壓的幅度的裝置。
17.如權利要求16所述的電機包括將相繞組中的電流流動限制為一個方向的裝置。
18.如權利要求17所述的電機，其中用於限制的裝置和用於限定的裝置共同包括至少一個二極體。
19.如權利要求18所述的電機，其中所述至少一個二極體與至少一個相繞組串聯。
20.如權利要求19所述的電機，其中所述至少一個二極體是全波整流器電路的一部分。
21.如權利要求16至20中任一個所述的電機，其中用於建立偏置磁通的裝置包括至少一個偏置線圈。
22.如權利要求21所述的電機，其中電機是多相的並且所述偏置線圈被布置為與相的一部分耦合。
23.如權利要求21或22中任一個所述的電機包括對其連接的所述偏置線圈或至少一個偏置線圈進行激勵的恆流源。
24.如權利要求21或22中任一個所述的電機包括連接至所述偏置線圈的交流源。
25.如權利要求16至24中任一個所述的電機被連接至電力變換器電路。
26.如權利要求25所述的發電機，其中所述電力變換器沒有活動開關。
27.如權利要求16至26中任一個所述的發電機包括跨每個相繞組連接的電阻性負載。
全文摘要
一種具有多個相繞組和一個偏置繞組的可變磁阻發電機。通過控制由偏置繞組產生的激勵、電機的轉速或控制直流聯絡線，僅使用二極體的電力變換器可以向直流母線提供電力。
文檔編號H02P9/14GK1518195SQ200410039320
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月19日 優先權日2003年1月27日
發明者S·P·蘭德爾, J·G·馬爾欽凱維奇, S P 蘭德爾, 馬爾欽凱維奇 申請人:開關磁阻驅動有限公司