一種光電式非計算機控制的開關磁阻電機的製作方法

2023-07-19 10:36:01

專利名稱：一種光電式非計算機控制的開關磁阻電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於非接觸式位置傳感器的開關磁阻電機，特別是光電式開關磁 阻電機，屬於無需電腦程式控制的開關磁阻電機。
背景技術：
傳統的開關磁阻電機(SRM)都是在電腦程式控制下運轉的。這種SRM由電機本 體和開關磁阻電機的控制器(SRD)構成，其中電機本體包括電機和轉子位置傳感器，SRD包 括計算機控制器和功率輸出裝置。通常轉子位置傳感器是光柵傳感器。光柵的疏密度越高， 控制精度就越高，但對計算機運算速度的要求就越高。雖然在傳統的SRM的之中也有像光電開關元件這樣的非接觸式位置或角度傳感 器，但這些傳感器是屬於SRM的轉子位置傳感器。SRD需要轉子位置傳感器提供轉子位置信 息，以便計算機控制器能夠在適當的時機對電機的繞組進行電流的通斷控制。傳統的SRM自上世紀70年代被發明以來，以其很高的機電效率和寬闊的效率平臺 獲得了極高的聲譽，被視為節能降耗的利器，其多樣性的控制方式也被視為未來電動機的 發展方向。SRM在工業動力和車輛牽引方面的應用尤其令人矚目，但由于振動和噪聲等原 因，至今不能得以廣泛應用。通常在穩定轉速下的SRM運轉得令人非常滿意，而一旦運轉條件改變，很容易造 成電機劇烈振動，產生強烈的噪聲，同時電機轉矩輸出劇烈變化，最終不得不將SRM斷電， 然後再重新啟動。同樣的問題是，如果電機啟動的轉速增加太快，電機仍然會陷入強烈的振 動之中，因此幾乎所有SRD控制下的SRM，都具有軟啟動功能。有許多公開的技術文章試圖揭示SRM這種現象的實質，但都未能解決問題。比較 經典的解釋是，電機的轉子在運轉中的徑向拉力與電機結構彈性匹配不利，周期性的徑向 拉力導致電機在運轉中的振動，並因此認為SRM的振動是不可避免的。還有人指出，相繞組續流時間過長，導致在定轉子磁極對正之後，相繞組中仍然有 磁場能轉化的電流，並認為這是SRM振動的主要原因。但經本發明人研究發現，電機轉速劇變才是使電機陷入振動以至於難以自拔的基 本原因。因為SRD是在轉速穩定的前提下，對轉子的位置進行前向差值，以便在規定的延後 時刻到來時，能夠在預定的轉子位置下對指定的繞組進行通斷控制。如果SRM的轉速發生 劇烈變化，預計的位置就會發生誤差。比如，如果發生轉速驟降，那麼在預定時刻下發生的 SRD控制就會導致控制位置提前，反之就會出現控制位置延後。控制位置提前將導致繞組 電流增大，致使電磁能轉化而來的續流延續時間過長，造成剎車力矩；同樣，控制位置延後 也會使關斷角延至磁極對正之後，從而導致剎車力矩；更嚴重的控制位置錯誤將導致開磁 阻電機的失步，同樣會產生巨大的剎車力矩。剎車力矩的存在使得SRM在360°之內產生多 次正負交替的轉矩波動，這是造成SRM振動和噪聲的根本原因。另外，轉速驟變所導致的轉矩劇烈抖動，卻反過來加劇轉速的急劇變化，從而造成 這種振動現象的正反饋，使SRM無法自行脫離振動的狀態。
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問題原因的進一步深究自然是由於計算機控制系統具有一定的操作延遲性。因為 位置採樣和控制輸出屬於計算機控制器的兩個不同的操作進程，計算機控制器不可能在同 一時刻做兩件事情，因此SRD具有必須在一個很短的預定時間之後才能實施控制行為的特 點。這就是計算機控制系統的離散型。因此說計算機控制系統的離散性才是導致SRM振動 問題的根本。既然如此，開發非計算機控制的SRM的想法就自然而然地產生了。中國專利1《自控式磁阻電機》(申請號01225951. 9)敘述了一種多電刷控制的磁 阻電機。該電機為每一相繞組配備了一個電刷，但其所述的內容還僅僅是一個發明思想，尚 未構成一個完整的技術方案。另外這種電機似乎與普通直流電機一樣，僅能採用直流調壓 的控制方式對電機的輸出進行調控。中國專利2《組合式分組控制磁阻電機》(申請號02292519. 8)敘述了一種光電控制 的兩相磁阻電機。該發明人認為SRM的振動是由續流時間過長導致的。該技術方案採用探測 轉子位置的光電開關直接驅動定子繞組，雖然有可能解決SRM的振動問題，但卻喪失了 SRD對 SRM的多種多樣的控制方式。該專利如同中國專利1 一樣，與傳統的SRM相比沒有競爭力。中國專利3《磁阻電機與自控式光耦開關及運動控制、結構阻尼及運動》(申請號 200710103675. 9A)所描述的方案在中國專利2的基礎上做了改進。中國專利3以三相6_4 極磁阻電機為例，不再像專利2那樣在兩極轉子的側面粘貼反光條，而是採用了與傳統光 電式轉子位置傳感器一樣的遮光片，只不過在遮光片的不同徑圓上，設置了 14 25個位置 標識孔及2個透光缺口，並採用多達12個光電對管，以適應電機正反轉的需要。有趣的是， 該電機還採用以電位器調整光電發射管的光線強度，以控制開關電子管的基極電流的技術 方案，以便對這種電機的轉速進行控制。即使中國專利3所述的磁阻電機具有正反轉和調速能力，但也不可能像傳統的 SRM那樣，通過調整導通角和導通時刻來改善電機的運轉狀態。而且採用調整開關電子管基 極電流的方式將導致開關損耗過大，因此這類電機的效率和效率平臺都將遠遠不如傳統的 SRM，用這種磁阻電機來替代傳統的SRM也就無從談起了。本發明人在2007年7月，提出了中國專利4《單刷換向器在磁阻電機和直流永磁 轉子電機中的應用》(申請號200710143834. 8)，即採用單刷換向器驅動SRM。該發明提出 了以單刷換向器作為轉子位置傳感器，同時可以替代傳統的SRD的技術方案。2009年1月，本發明人又提出了中國專利5《一種直流換向器式雙凸極磁阻電機》 (申請號200910000999. 9)，完備了專利5所提出的方案，使電刷驅動的SRM具有和計算機 程序控制的SRM完全相似的控制方式。但專利5在調整導通角方面，只能做到在最大導通 角的50% a 100%範圍內調整。為了能夠獲得0 ^ 100%的調整範圍，本發明在中國專利4和5的換向器和電刷 技術基礎上，發明了利用非接觸式位置傳感器，特別是光電開關，實現中國專利5控制思想 的技術。這也是一種革命性的變革，因為這畢竟可以避免電刷和換向器維護的煩擾，使非計 算機控制的SRM具有更加多樣化的、更廣泛的應用前景。

發明內容
本發明公開了一種採用非接觸式位置傳感器作為信號發生器的SRM技術方案，尤其是以光電開關作為信號發生器的SRM的控制方案。這種SRM由電機本體和信號控制器構成；信號控制器由信號發生器和功率輸出 單元構成，其中信號發生器由開關盤、傳感器盤構成；具有實時調整功能的本發明SRM，其 信號發生器還包括調整機構；傳感器盤上設置有非接觸式的位置或角度傳感器，功率輸出 單元由功率開關管組及其觸發控制電路構成，功率輸出單元與傳統的SRD功率輸出部分相 當，其特徵在於開關盤隨轉軸旋轉，開關盤上具有信號開區域，其餘為信號關區域；信號開區域具有一定的角程，且其角程與電機繞組的導通角相等；信號開區域的位置在開關盤上均勻分布，且其數量與轉子極數相等；傳感器盤上設置了非接觸式傳感器，非接觸式傳感器的數量等於電機的相數，或 等於相數的倍數；傳感器盤可以繞轉軸做相對於定子繞組的位置做調整性運動，非接觸式傳感器在 傳感器盤上的位置分布與電機相繞組的分布相關；每個非接觸式傳感器都在功率輸出單元中有其對應的相繞組功率開關管，且其開 關狀態與最終可以唯一地決定這個相繞組功率開關管的導通或截止；當開關盤上的信號開區域轉到某非接觸式傳感器的位置時，該非接觸式傳感器導 通，使對應的相繞組功率開關管導通；當信號開區域轉過某非接觸式傳感器的位置時，該非 接觸式傳感器截止，使對應的相繞組功率開關管截止；調整信號開區域的大小相當於調整傳統SRM的導通角，調整傳感器盤相對於定子 繞組的角位置相當於調整傳統SRM的開通角。除此之外，還可以依靠兩個獨立的調整機構分別調整信號開區域的大小和傳感 器盤相對於定子繞組的位置，以事先預製地或實時地調整信號開區域的位置和角程。為此， 其開關盤由定開關體和動開關體組成，可以通過動開關體調整機構調整開關盤信號開區域 的角程，以達到調整導通角的目的，其特徵在於定開關體僅隨轉軸轉動，而動開關體不僅可以隨轉軸轉動，還可以在其調整機構 控制下繞轉軸相對於定開關體做位置調整性運動；兩個開關體沿軸向比鄰安裝，且其上各有數量與轉子極數相等且均勻分布的信號 開全域；兩個開關體信號開全域的交錯疊置，形成信號開區域；當動開關體在其調整機構 驅動下調整位置時，信號開區域的角程發生變化。再者，還可以將信號開區域的位置和角程按一定的函數關係關聯起來，採用一個 調整機構聯動地調整信號開區域的位置和角程，其特徵在於將傳感器盤的位置與信號開區域的大小，事先擬合出一個相關曲線，並將這個曲 線以角度與軸向位移的相關形式，表達在信號開區域調整機構上；當調整傳感器盤的位置時，傳感器盤的轉動角度帶動信號開區域調整機構做相應 的運動，使信號開區域調整機構在其作用下發生相應的軸向位移，從而帶動信號開區域的 角程做相應的變化，使傳感器盤的位置與信號開區域角程的對應關係完全再現事先確定的 曲線關係。上述非接觸式傳感器可以是採用霍爾、磁阻(MR)、電感、電容或渦電流等技術原理
5製成的非接觸式位置或角度傳感器。採用不同的傳感器將導致開關盤上信號開區域的材質 不同。作為非計算機控制的SRM的特例，光電式SRM所用的傳感器是光電對管，其傳感器盤 就是光電盤，其上設置的非接觸式傳感器就是光電對管，其開關盤上就是遮光碟，其信號開 區域就是透光區域。


圖1是本發明光電式SRM第一實施例遮光碟的示意圖；圖2是本發明光電式SRM第一實施例光電盤和遮光碟的工作原理示意圖；圖3是本發明光電式SRM光電控制電路的示意圖；圖4是本發明光電式SRM第一實施例光電開關控制下繞組通斷電的電流波形；圖5是本發明光電式SRM第二實施例遮光片組的構造示意圖；圖6是本發明光電式SRM第三實施例的遮光碟和光電盤的工作原理示意圖。其中1.遮光碟；11.定遮光片；111.定遮光片透光缺口 ； 12.動遮光片；121.動遮光片 透光缺口 ；13.遮光碟透光區域；2.光電盤；21.光電對管；211.光電對管發射管；212.光 電對管接收管；22.光電盤軸向凸輪；221.凸輪的函數曲面；3.轉軸；4.驅動電路；41.功
率開關管；42.續流二極體。
優選實施例本發明的各種實施例在調整機構上與本發明人的中國發明5中採用的動電刷和 定電刷的調整機構可以完全相同。本發明的所有實施例主要陳述關於信號發生器的工作原 理部分，而不再贅述調整機構的細節。本發明的優選實施例是採用光電管作為傳感器的光電式SRM。其中針對調整機構 的不同分為三種不同的優選實施例。這種光電式磁阻電機，由電機本體和光電控制器構成，光電控制器由光電信號發 生器和功率輸出單元構成；功率輸出單元由功率開關管組及其觸發控制電路構成，功率輸 出單元與傳統的SRD功率輸出部分相當；光電信號發生器由遮光碟、光電盤構成；遮光碟上 有一定角程的透光區域，其特徵在於透光區域的數量與轉子的極數相等，透光區域的角程與磁阻電機相繞組的導通角 相等；光電盤上設置的光電對管的數量，與電機相數相等；光電盤可以繞轉軸相對於定子繞組做位置調整性的運動。光電式SRM的光電管就是前述本發明非計算機控制SRM的非接觸式傳感器，其光 電控制器就是信號控制器，其光電信號發生器就是信號發生器，遮光碟就是開關盤，光電盤 就是傳感器盤，透光區域就是信號開區域。光電式SRM的實施例全都是針對四相8-6極的光電式SRM，其他相數和極數的光電 式SRM可以根據本發明所述的原理和傳統開關磁阻電機的公知技術推理而來。第一優選實施例是光電式SRM的遮光碟和光電盤的位置都是固定不變的，也就是 說，這種光電式SRM是應用於有限調速類應用場合的，它只能藉助直流斬波調壓的方式進行調速。圖1示意了第一實施例遮光碟的構造。在遮光碟1外緣上，沿其周向均勻分布著具有一定角程的透光區域13。所述透光 區域13的角程，就是透光區域13對轉軸3的角投影的數值，也就是按遮光碟1的轉動方向， 遮光碟1上透光區域13的前緣對轉軸3的連線，與透光區域13後緣對轉軸3的連線夾角 的數值。透光區域13的角程與電機繞組的導通角相等。遮光碟1中心的扁方孔構造，決定了遮光碟1隻能隨具有軸端扁方的轉軸3轉動， 還有軸端螺母可以制止遮光碟的沿軸向運動。對於8-6極電機，轉子的極數為6，因此透光區域13的數量也是6。對於同樣是4 相的16-12極電機，轉子的極數是12，那麼透光區域13的數量就是12。而對於3相的6_4 極SRM，轉子的極數是4，透光區域13的數量就是4 ；對於5相的10_8極SRM，轉子的極數是 8，透光區域的數量就是8。也就是說透光區域13的數量與轉子的極數相等。圖2示意了光電盤和遮光碟的工作原理，也就是本發明光電信號發生器的工作原理。光電盤2上設置了光電對管21 ；光電對管21的數量等於電機定子相數。對於四 相的8-6極SRM電機，光電對管21的最小數量等於4。每個光電對管在光電盤上的位置分 布與其相應的相繞組的位置分布相關。對於四相的8-6極SRM電機，共有八個繞組，各自相對於轉軸呈45°角分置與定子 上。由於8-6電機上兩個位置相對的繞組屬於同一相，因此光電對管可以按圖2所示的方 案排列。對於6-4極的SRM，相數為3，光電對管最小數為3，相繞組共6個，各自呈60°角 相鄰分布，因此光電對管在光電盤上的分布，就是三個光電對管各自呈60°角相鄰的形式。光電對管21的數量也可以等於相數的倍數，但出於等效原則和最低成本的考慮， 光電對管21的數量應等於電機定子的相數。當光電盤2繞轉軸相對於定子繞組做位置調整時，繞組的開通角θ 1和關斷角θ 2 同時同量地變化。當光電盤2的轉動使Θ1和θ 2的值向減小的方向變化時，電機轉速提 高。但這種提高有個限度。當光電盤在改變電機轉速的調整方向上發生位置超調時，SRM將 發生失步，使SRM轉向立即發生逆轉。圖3示意了本發明第一實施例的光電控制電路。該圖中並不包括功率電路的限流
直ο沿光電對管發射管211的光軸，在遮光碟1的對面設置著該光電對管的接收管 212。通常光電對管21採用槽式光電對管，其槽寬應當能容納下遮光碟1的厚度。當遮光碟1隨轉軸轉動時，光電對管的發射管211發出的持續光線，經遮光碟1上 的透光區域調製後成為具有位置信息的光信號，被光電接收管212接收。光電對管的接收 管212的輸出信號，經限位和限流元件的作用後，與功率輸出單元的功率開關器件41的控 制端相連。功率輸出單元件通常採用IGBT、功率達林頓開關管或其他高功率開關電子管。 對於IGBT來說，其控制端就是柵極，對於功率達林頓開關管來說，其控制極就是基極。因此，光電對管的接收管212，其導通或截止的狀態最終可以唯一地決定一個相繞組功率開關 管的導通或截止。功率開關管截止時，磁場能量以續流的形式轉化為電流，經續流二極體42 返回電源正極。也就是說，當遮光碟1上的透光區域13轉到某光電管接收管212的位置時，該光 電接收管212導通，與之相應的相繞組的功率開關管導通；當遮光碟1上的透光區域13轉 過某光電管接收管212的位置，該光電接收管212截止，與之相應的相繞組的功率開關管截止。針對非計算機控制的SRM來說，這種非計算機控制的SRM由電機本體和信號控制 器構成；信號控制器由信號發生器和功率輸出單元構成，其中信號發生器由開關盤、傳感器 盤構成；具有實時調整功能的本發明SRM，其信號發生器還包括調整機構；傳感器盤上設置 有非接觸式的位置或角度傳感器，功率輸出單元由功率開關管組及其觸發控制電路構成， 功率輸出單元與傳統的SRD功率輸出部分相當，其特徵在於開關盤隨轉軸旋轉，開關盤上具有信號開區域，其餘為信號關區域；信號開區域具有一定的角程，且其角程與電機繞組的導通角相等；信號開區域的位置在開關盤上均勻分布，且其數量與轉子極數相等；傳感器盤上設置了非接觸式傳感器，非接觸式傳感器的數量等於電機的相數，或 等於相數的倍數；傳感器盤可以繞轉軸做相對於定子繞組的位置做調整性運動，非接觸式傳感器在 傳感器盤上的位置分布與電機相繞組的分布相關；每個非接觸式傳感器都在功率輸出單元中有其對應的相繞組功率開關管，且其開 關狀態與最終可以唯一地決定這個相繞組功率開關管的導通或截止；當開關盤上的信號開區域轉到某非接觸式傳感器的位置時，該非接觸式傳感器導 通，使對應的相繞組功率開關管導通；當信號開區域轉過某非接觸式傳感器的位置時，該非 接觸式傳感器截止，使對應的相繞組功率開關管截止；調整信號開區域的大小相當於調整傳統SRM的導通角，調整傳感器盤相對於定子 繞組的角位置相當於調整傳統SRM的開通角。由於本發明第一實施例的光電式SRM，其透光區域13的角程和光電盤2的位置都 是固定的，因此只能在電機出廠前，按照應用的需求，事先調整好二者的數值或狀態。在圖4a中，電流波形所表達的本發明第一實施例的樣本導通角是22°，其中開通 角是-4°，關斷角是18°。如果要使開通角θ 1和關斷角θ 2達到圖4b的狀態，即開通角θ 1 = -6°，關斷 角Θ2 = 15°，除了在出廠前事先設置，或者在現場臨時更改設置之外，還可以採用本發明 第二實施例的可實時調控方案。圖5是本發明光電式SRM第二實施例遮光片組的構造示意圖。圖中的遮光碟1是由兩個遮光片構成的，其中一個定遮光片11僅隨轉軸3轉動， 而另一個動遮光片12不但可以隨轉軸3轉動，還可以在動遮光片調整機構的控制下，繞轉 軸3相對於定遮光片11做位置調整性運動；兩個遮光片沿軸向比鄰安裝，其上各有透光缺 口 111和121 ；兩個遮光片透光缺口 111和121的交錯疊置，形成透光區域13 ；當動遮光片 12在其調整機構驅動下調整位置時，兩個遮光片透光缺口 111和121的交疊部分發生變化，
8致使透光區域13的角程發生變化。定遮光片11的中心部位採用的是扁方孔構造，以便與轉軸3的軸端扁方構造相匹 配，使定遮光片11僅隨轉軸3轉動。另有軸端螺母限制了定遮光片11的軸向自由度。而 動遮光片12的中心部位採用圓孔構造，因而可以相對於轉軸3和定遮光片11做獨立的轉 動。動遮光片調整機構可以驅動動遮光片12繞轉軸3相對於定遮光片11的獨立轉動，其 轉動的幅度和方向由動遮光片調整機構的運動幅度和方向決定。一般動遮光片12的最大 轉動幅度為繞組的最大導通角。也就是說，這種構造的遮光片組可以輸出的導通角範圍，可 以達到0 100%最大導通角的範圍。可以通過光電盤調整機構調整光電盤2的位置，以達到調整繞組通電時刻和反轉 的目的，此時光電盤調整機構使光電盤2繞轉軸3做位置調整性運動。優先選用的兩個調整機構的方案是沿軸向運動的調整機構控制透光區域的大 小，沿周向運動的調整機構控制光電盤的位置。對於光電式SRM和非計算機控制SRM來說，前者的動遮光片對應於後者的動開關 體，前者的的定遮光片對應於後者的定開關體，前者的透光缺口對應後者的信號開全域。因此對於非計算機控制SRM來說，通過調整機構分別調整信號開區域和傳感器盤 的位置，其特徵在於開關盤是由兩個開關體構成的，其中一個定開關體僅隨轉軸轉動，而另一個動開 關體既可以隨轉軸轉動，還可以在其調整機構控制下繞轉軸相對於定開關體做位置調整性 運動；兩個開關體沿軸向比鄰安裝，且其上各有數量與轉子極數相等且均勻分布的信號開 全域；兩個開關體信號開全域的交錯疊置，形成信號開區域；當動開關體在其調整機構驅 動下調整位置時，信號開區域的角程發生變化。可以通過傳感器盤調整機構調整傳感器盤的位置，以達到調整繞組通電時刻和反 轉的目的，其特徵在於通過傳感器盤調整機構使傳感器盤繞轉軸做位置調整性運動。本發明光電式SRM的第二種實施例和中國專利5的相關實施例，都是將導通角與 導通時刻由兩個獨立的調整機構進行分別調整，已達到最佳的控制目的。當SRM進入振動 狀態而難以自拔時，可以直接通過增大開通角或減小關斷角的方法減小續流強度，使SRM 自振動狀態中解脫出來。關於開通角和關斷角的取值問題，如圖4所述。對於已知的負載或簡單的控制，可以採用本發明第一實施例和中國專利5的第一 實施例的方式，在SRM出廠前，或者在現場事先按需求固定透光區域和光電盤的位置。除此 而外，還可以採用本發明光電式SRM的第三種實施例的方案，即利用軸向凸輪將光電盤調 整機構的轉角與透光區域調整機構的軸向位移關聯起來的方案。光電盤與軸向凸輪固定連接，軸向凸輪通過凸輪頂杆驅動透光區域調整機構。將 光電盤的位置與透光區域的大小，根據負載的性質和控制目標事先擬合出一個相關曲線或 函數關係，並將這個曲線或函數關係以角度與軸向位移的相關形式，表達在軸向凸輪上。當 調整光電盤的位置時，光電盤的轉動角度帶動軸向凸輪轉過相應的角度，使透光區域調整 機構的頂杆盤在軸向凸輪的作用下發生相應的位移，帶動透光區域的角程做相應的變化， 使光電盤的位置與透光區域角程的對應關係完全再現事先確定的曲線關係。圖6是本發明第三種優選實施例的遮光片組和光電盤以及一種聯合調整機構的 示意圖。圖中的軸向凸輪22與光電盤2固定聯在一起，並可以隨光電盤做相對於定子繞組的轉動。軸向凸輪22具有軸向函數曲面。該函數曲面在軸向上表達了透光區域與光電盤 位置的聯動關係，以使調整機構發生符合要求的軸向運動。這種軸向函數曲面在軸向凸輪 上通常多達數個，以便於調整機構在被驅動於軸向運動時保持平衡。除軸向凸輪之外，還可以採用機電形式表達透光區域與光電盤的位置的關係，光 電盤的轉動角度作為輸入參數，通過計算機控制系統驅動透光區域調整機構，其特徵在於 以光電盤位置變化角度為輸入參數，通過電腦程式按預定函數關係的計算，得到透光區 域調整機構在軸向運動所需的方向和距離，以齒條或直線電機，向透光區域調整機構傳遞 軸向運動。對於非計算機控制的SRM來說，傳感器盤與軸向凸輪相連，軸向凸輪通過凸輪頂 杆驅動信號開區域調整機構，其特徵在於將傳感器盤的位置與信號開區域的大小，事先擬 合出一個相關曲線，並將這個曲線以角度與軸向位移的相關形式，表達在信號開區域調整 機構上；當調整傳感器盤的位置時，傳感器盤的轉動角度帶動信號開區域調整機構做相應 的運動，使信號開區域調整機構在其作用下發生相應的軸向位移，從而帶動信號開區域的 角程做相應的變化，使傳感器盤的位置與信號開區域角程的對應關係完全再現事先確定的 曲線關係。另外，還可以將傳感器盤的轉動角度作為輸入參數，通過計算機控制系統驅動信 號開區域調整機構，其特徵在於以傳感器盤位置變化角度為輸入參數，通過電腦程式按 預定函數關係的計算，得到信號開區域調整機構在軸向運動所需的方向和距離，以齒條或 直線電機，向信號開區域調整機構傳遞軸向運動。上述三種優選實施例均是本發明應用光電開關作為非接觸傳感器的一個特例。但 前述三個實施例所採用的技術方案，完全可以用於以霍爾元件為基礎的磁控式SRM的方案。所述磁控式SRM，可以採用霍爾傳感器作為信號源。磁控式SRM由電機本體和磁信 號控制器構成，磁信號控制器由磁信號發生器和功率輸出單元構成；功率輸出單元由功率 開關管組及其觸發控制電路構成，功率輸出單元與傳統的SRD功率輸出部分相當；磁信號 發生器由永磁體盤、霍爾盤構成；永磁體盤上有一定角程的有磁區域，設定某一極性的有 磁區域為磁信號開區域，而另一極性的有磁區域或無磁區域就是磁信號關區域，其特徵為 磁信號開區域在永磁體盤上均勻分布，且其數量與轉子的極數相等，磁信號開區域的角程 與磁阻電機相繞組的導通角相等，霍爾盤上設置的霍爾元件的數量，與電機相數相等，霍爾 盤可以繞轉軸相對於定子繞組做位置調整性的運動。每個霍爾元件，其導通或截止的狀態最終可以唯一地決定一個相繞組功率開關管 的導通或截止；當永磁體盤上的磁信號開區域轉到某霍爾元件的位置，該霍爾元件導通，與 之相應的相繞組的功率開關管導通；當永磁體盤上的磁信號開區域轉過某霍爾元件的位 置，該霍爾元件截止，與之相應的相繞組的功率開關管截止。 相對於光電式SRM第二實施例來說，磁控式SRM有蔽磁片與動遮光片對應，而永磁 體盤則對應定遮光片。另外還有蔽磁片的調整機構。蔽磁片是由順磁材料製成的，其比鄰 永磁體盤，安裝於其靠近霍爾元件的一側，並使其可以繞轉軸相對於永磁體盤做位置調整 性運動，以改變霍爾元件可感知的有磁區域的大小。其上開有數量與轉子極數相等的透磁 缺口。蔽磁片上透磁缺口的角程與永磁體盤上有磁區域的角程交疊之後，形成有磁區域；當蔽磁片在其調整機構驅動下調整位置時，有磁區域的角程發生變化。同理，磁控式SRM也有與光電式SRM相似的第三種實施例的方案，其技術特徵可以 做到實際上與光電式SRM各組件對應相似的程度。在傳統的SRM上，無論是選用光電式的轉子位置傳感器還是磁控式的轉子位置傳 感器，或是其他非接觸式傳感器技術的轉子位置傳感器，主要是根據成本和可靠性因素考 慮的，其各種非接觸式傳感器技術下應該使用什麼樣相應類型的開關盤，可以由公知技術 推理而出，而實時地或預先地確定開關盤的信號開區域的大小才是本發明的技術思想之
ο藉此，還可以構建出基於其他非接觸式傳感器的費計算機控制的SRM。比如基於電 容式的、電感式的、渦電流等非接觸傳感器。憑藉上述三個優選實施例，已經使非計算機控制的SRM具有與傳統SRM完全相同 的控制方式，並避免了傳統SRM的振動和噪聲，這就為這種非計算機控制的SRM替代傳統的 SRM打下了理論基礎。以光電式SRM的工藝簡單及效率高的優勢，以及光電式乃至磁控式 SRM無需維護的特點，這種非計算機控制的SRM不但可以大規模地替代直流串激電機、直流 他勵電機等直流有刷電機，甚至可以相當程度地替代交流異步電機。
1權利要求
一種光電式開關磁阻電機，由電機本體和光電控制器構成，光電控制器由光電信號發生器和功率控制器構成，光電信號發生器由遮光碟、光電盤構成，遮光碟上有一定角程的透光區域，其特徵為透光區域的數量與轉子極數相等。
2.如權利要求1所述的光電式開關磁阻電機，其特徵在於透光區域的角程與電機相 繞組的導通角相等。
3.如權利要求2所述的光電式開關磁阻電機，光電盤上設置了光電對管，功率控制器 由功率開關管及其觸發控制電路構成，功率控制器與傳統的SRD功率輸出部分相當，其特 徵在於每個光電對管的接收管，其導通或截止的狀態最終可以唯一地決定一個相繞組功 率開關管的導通或截止；當遮光碟上的透光區域轉到光電管接收管位置，光電接收管導通， 與之相應的相繞組的功率開關管導通；當遮光碟上的透光區域轉過光電管接收管位置，光 電接收管截止，與之相應的相繞組的功率開關管截止。
4.如權利要求3所述的光電式開關磁阻電機，其特徵在於光電對管的數量與定子磁 極的相數相等。
5.如權利要求2和3所述的光電式開關磁阻電機，其遮光碟由定遮光片和動遮光片組 成，可以通過動遮光片調整機構調整透光區域的角程，以達到調整導通角的 目的，其特徵在 於遮光碟是由兩個遮光片構成的，其中一個定遮光片僅隨轉軸轉動，而另一個動遮光片既 可以隨轉軸轉動，還可以在其調整機構控制下繞轉軸相對於定遮光片做位置調整性運動； 兩個遮光片沿軸向比鄰安裝，且其上各有數量與轉子極數相等且均勻分布的透光缺口 ；兩 個遮光片透光缺口的交錯疊置，形成透光區域；當動遮光片在其調整機構驅動下調整位置 時，透光區域的角程發生變化。
6.如權利要求4所述的光電式開關磁阻電機，可以通過光電盤調整機構調整光電盤的 位置，以達到調整繞組通電時刻和反轉的目的，其特徵在於通過光電盤調整機構使光電盤 繞轉軸做位置調整性運動。
7.如權利要求5和6所述的光電式開關磁阻電機，動遮光片和光電盤都在其各自的調 整機構驅動下做位置調整運動，其特徵在於沿軸向運動的調整機構控制透光區域的大小， 沿周向運動的調整機構控制光電盤的位置。
8.如權利要求5、6和7所述的光電式開關磁阻電機，光電盤與軸向凸輪相連，軸向凸 輪通過凸輪頂杆驅動透光區域調整機構，其特徵在於將光電盤的位置與透光區域的大小， 事先擬合出一個相關曲線，並將這個曲線以角度與軸向位移的相關形式，表達在軸向凸輪 上；當調整光電盤的位置時，光電盤的轉動角度帶動軸向凸輪轉過相應的角度，使透光區域 調整機構的頂杆盤在軸向凸輪的作用下發生相應的位移，帶動透光區域的角程做相應的變 化，使光電盤的位置與透光區域角程的對應關係完全再現事先確定的曲線關係。
9.如權利要求8所述的光電式開關磁阻電機，光電盤的轉動角度作為輸入參數，通過 計算機控制系統驅動透光區域調整機構，其特徵在於以光電盤位置變化角度為輸入參數， 通過電腦程式按預定函數關係的計算，得到透光區域調整機構在軸向運動所需的方向和 距離，以齒條或直線電機，向透光區域調整機構傳遞軸向運動。
全文摘要
光電式開關磁阻電機由電機本體、光電控制器構成，光電控制器由光電信號發生器和功率輸出單元構成，其中功率輸出單元與傳統的開關磁阻電機的功率輸出部分相當。光電信號發生器由遮光碟和光電盤構成，其中遮光碟上的透光區域個數等於轉子極數，透光區域的角程等於相繞組導通角，光電盤上的光電對管數量等於電機相數。本發明的三個優選實施例由簡至繁地提出了對透光區域和光電盤位置的三種處理方案，以便能夠在光電式開關磁阻電機上完美再現傳統開關磁阻電機的導通角和導通時刻的控制方式。
文檔編號H02P6/16GK101958627SQ20091015797
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月20日 優先權日2009年7月20日
發明者馮魯民 申請人:馮魯民