专利名称：微步进磁阻电动机的制作方法
微步进磁阻电动机本发明涉及电动机的控制，尤其是涉及具有微步进位置控制的能力的磁阻电动机的设计和控制。混合步进电动机众所周知有在开环定位模式中操作的能力，转子跟随一序列定子激励脉冲。混合步进电动机通常在简单的开环位置控制系统中在没有任何轴位置反馈的情况下操作。一种普通的混合步进电动机具有50个转子齿和两相绕组。如果在一个相绕组中的正电流被切断且后面是在第二个相绕组中的正电流，转子将移动1.8° (—个全步长)。如果第二个相绕组被断开电源且负电流施加到第一个相绕组，则在相同方向上的另一全步长将出现。每转将有转子的200个分立的全步长或保持转矩位置。保持位置的数量可通过在第一个相绕组被断开电源之前给第二个相绕组通电来加倍。这个“两相开-一相开-两相开”模式称为半步进，每转产生400个步长。通过以小的增量步长增加在第二个相绕组中的电流同时以相似的减量减少在第一个相绕组中的电流，可能实现非常高的开环位置控制，而不需要任何位置传感器。该模式称为微步进，且提供每转50，000个步长的分解力(resolution)的步进电动机被发展。混合步进电动机因此对获得平稳的位置控制是极好的。转子齿的大数量意味着对于电动机的每转，在相绕组中有50个电轮转。步进电动机以3000r/min旋转将需要在2500Hz的每个绕组中的电激励。这导致在磁路中的非常高的损耗，并对产生高频电流的电子控制器产生相当大的挑战。混合步进电动机因此是用于低速精确定位的极好的机器，但通常被限制到小于2000r/min的速度。最初称为单组定子可变磁阻步进电动机的开关磁阻电动机具有凸极定子和转子设计，并可用作大的角步进电动机，其具有以较高的旋转速度操作而在磁路中没有过多的损耗的能力。然而，凸极结构不产生转子齿和定子齿完全对齐的分立位置。当电流激励在一个相绕组和下一个相绕组之间改变时，开关磁阻或可变磁阻步进电动机的转子将倾向于从一个对齐位置移动到下一个对齐位置。不可能使用开环控制方法来将转子保持在相邻定子相绕组的对齐位置之间的中间位置处。因此不可能使用具有根据现有技术的单组定子可变磁阻步进电动机的微步进技术。类似的困难出现在无刷永磁同步电动机中。无刷永磁同步电动机具有在携带相绕组的转子和定子上的磁极。使用无刷永磁同步电动机作为微步进电动机的主要困难由齿槽转矩引起。这是通过永磁转子与叠片式定子结构上的齿之间的交互作用产生的磁阻转矩。 即使使用零定子电流，仍有将倾向于将转子保持在优选位置中的转矩。这个齿槽转矩与定子相电流所产生的电磁转矩相互作用，结果是这样的电动机在微步进模式中的操作产生转子的不稳定定位。电流必须增加以克服齿槽转矩，且接着转子迅速移动到下一齿槽位置。多组定子可变磁阻电动机没有永久磁铁，因此没有任何齿槽转矩。它们也克服单组定子可变磁阻步进电动机的限制。电动机沿着其轴向长度被划分成磁性地隔离的部分 “定子组”，且这些部分中的每个可由单独的绕组激励。不同定子组上的齿相对于其它定子未对齐。转子上的齿通常都布置有相同的定线。当激励依次应用于每个定子组时，转子的保持位置因此移动。因为电动机的定子组被磁性地隔离，每个定子组产生的转矩可按累积的方式施加于轴，且转子可保持在每个定子组的对齐位置之间半途的位置上。该电动机允许大的角步长，因而提供了适合于高速和定位应用的电动机。然而，将三个磁性地隔离的定子放置在同一机器内的复杂结构使电动机比用于给定转矩输出的竞争机器大。本发明的目的是提供单组定子可变磁阻机器，其简单地使用定子上的场磁铁部分以及也在定子上的两个或多个电枢相绕组以具有提供微步进能力的适当功率电子换流器构造，使得一个或多个电枢相绕组电流的幅值的小变化引起转子的角位置的小变化，以产生微步进磁阻机器。根据本发明，提供了微步进磁阻电动机，其包括具有凸定子齿和凸转子齿的单组定子可变磁阻机器，定子还包括由永久磁铁或场绕组或永久磁铁和场绕组的组合产生的场磁铁部分，场磁铁部分位于每个交替的定子齿之间的空间中，并且还包括电枢绕组，每个电枢绕组跨越被连接的两个定子齿以形成至少两个电枢相绕组，电枢相绕组连接到功率电子换流器，用于将正和负电流提供到电枢相绕组，功率电子换流器还能够调节在每个电枢相绕组中的电流的幅值，并能够将可变电流同时提供到至少两个电枢相绕组，使得转子在机器操作的任何部分期间响应于在一个或多个通电的电枢相绕组中的电流的小变化而以小的增量步长旋转。现在将参考下面的附图描述本发明，其中
图1示出具有一个特定的定子激励的根据本发明的电机的转矩与角度的关系曲线.
一入 ，图2示出具有两个不同的定子激励的根据本发明的电机的两条转矩与角度的关系曲线；图3示出现有技术的开关磁阻或单组定子可变磁阻电动机；图4示出开关磁阻电动机的一系列转矩与角度的关系曲线；图5示出具有三个电枢相绕组的根据本发明的微步进磁阻电动机；图6示出根据本发明的三相微步进磁阻电动机的一系列转矩与角度的关系曲线；图7示出具有三个电枢相绕组的根据本发明的另一微步进磁阻电动机；图8和9示出根据本发明的两相微步进磁阻电动机；图10示出根据本发明的五相微步进磁阻电动机；图11示出根据本发明的两相微步进磁阻电动机的功率电子换流器；图12示出根据本发明的三相微步进磁阻电动机的功率电子换流器。图1示出根据本发明的微步进磁阻电机的转矩与角度的关系曲线。该曲线示出在固定的定子激励时由转子上的定子产生的转矩。如果在轴上没有负荷，转子将搁在位置10 处。此时，转矩与角度的关系曲线越过具有负梯度的X轴。如果施加作用于轴上的负荷以减小转矩角，正转矩将由与所施加的负荷转矩相反的定子的静态磁性产生，且转子将占据在位置11处的新的保持位置。如果施加作用于轴上的负荷以增加转矩角，负转矩将由与所施加的负荷转矩相反的定子的静态磁性产生，且转子将占据在位置12处的新的保持位置。图2示出具有两个不同的定子激励的根据本发明的电机的两条转矩与角度的关系曲线。这些曲线说明微步进的原理，并示出在给定的负荷处，转子的保持位置可通过改变定子中的电枢相绕组的激励来从14移动到15。图3示出来自现有技术的三相开关磁阻电动机(单组定子可变磁阻步进电动机)。所示电动机具有在定子2上的12个凸齿1和在转子4上的8个凸齿3。定子齿被缠绕在每个齿周围的线圈磁化。在现有技术的这个实例中，三相开关磁阻电动机、缠绕在分开90°的四个定子齿周围的线圈将连接在一起，以产生每个相绕组。与每个相绕组相关的这四个线圈的通电将产生具有两个南极和两个北极的四极磁场。八个转子齿中最接近于通电定子齿的四个转子齿将被吸引到四个通电定子齿，使转子旋转，直到四个转子齿完全与通电定子齿对齐。另外的旋转通过使其它两相之一的四个定子齿通电来实现，使第二组四个转子齿被吸引到通电定子齿。开关磁阻电动机因此可充当大的角步进电动机，因此在现有技术中被称为单组定子可变磁阻步进电动机。每个全步长的幅值取决于定子上的齿的数量和相绕组的数量。在表1中给出了来自现有技术的一些共同的实例。
相绕组定子齿转子齿转子步长角36430°36815°312815°48615°表1具有由转子使用相绕组激励中的一个变化移动的步长角的单组定子可变磁阻电动机(开关磁阻电动机)的共同配置最近，开关磁阻机器在很多应用中被成功地用作可变速度电动机，因为转子具有非常简单的结构。然而在低速时，转子的移动非常不均勻，转矩到角度特征对于电流和位置是非常非线性地。这使开关磁阻电动机(单组定子可变磁阻电动机)非常不适合于定位应用，特别是在需要小于一个全步长的角运动的场合。为了说明控制开关磁阻电动机的转子从一个保持转矩位置到下一保持转矩位置的问题，可参考图4，其示出当电流从相绕组2中的100%逐渐改变到相绕组1中的100%时图1所示的开关磁阻电动机的转矩与角度的关系曲线。对于100%的相2(图4中的线1 100)没有负荷施加到转子的稳定或保持转矩位置是7. 5°。从这个位置，如果负荷转矩施加到倾向于增加转子角的转子，电动机所产生的转矩是负的，其在将倾向于减小角度并将转子拉回到保持转矩位置的方向上。如果负荷转矩施加到倾向于增加转子角的转子，电动机所产生的转矩是正的，其在将倾向于增加角度并将转子拉回到保持转矩位置的方向上。当在特定激励处的转矩与角度的关系曲线与具有负梯度的X轴交叉时，这相应于对该激励的稳定或保持转矩位置。当转矩与角度的关系曲线穿过保持转矩位置时它的梯度确定保持位置的稳定性，且当转子在保持位置的任一侧移动时，峰值保持转矩或拉出转矩被示为峰值正或负转矩。当相2中的电流增加到70%而相1中的电流增加到30%时，稳定位置只移动大约 0.5°到8°。因此，在相绕组1和相绕组2中的电流的相对比例的大的变化并不导致稳定(停留或保持)位置的逐渐变化。此外，峰值保持转矩现在大约是一相被激励的原始值的 50%。当相1和相2中的电流都是50%时，转矩与角度的关系曲线非常平坦，没有不同的保持位置。当相1中的电流变得大于相2时，转子将移动到稳定位置附近，在该稳定位置处， 转子齿与相绕组1的定子齿对齐。这个位置在22. 5°处，其是远离相绕组2的稳定位置的 15°的一个全步长。这个数据证实，常规开关磁阻机器不能用在半步进或微步进模式中，因为保持位置不能以小的增量步长从第一保持位置逐渐移动到第二保持位置。当用在定位应用中时， 本发明克服了现有技术开关磁阻电动机的这个限制。现在描述包括根据本发明的单组定子可变磁阻电机的微步进磁阻电动机，其对开环定位应用克服了开关磁阻机器的缺点。图5示出了根据本发明的单组定子可变磁阻电机的一个实例。与现有技术可变磁阻步进电动机一样，它也具有没有可按非常低的成本制造的磁铁或绕组的简单转子。与现有技术可变磁阻步进电动机不同，根据本发明的单组定子可变磁阻电动机具有控制机器中的通量的在定子上的场绕组，且机器具有被连接的额外的电枢相绕组，以例如产生两个、三个或五个电枢相绕组。图5所示的示例性微步进磁阻电动机是三相单组定子可变磁阻电动机，并具有携带12个凸齿101的定子100。散布在定子齿之间的定子具有12个槽102。在图3所示的实例中，转子110具有5个凸齿111，而没有绕组或永久磁铁。场绕组F和3个电枢绕组Al、 A2、A3都在定子上。每个绕组设立在两个定子齿上。场绕组F产生6个场磁铁部分。定子的交替的场激励部分将配置有相反的磁性。作为可选方案，根据本发明的单组定子可变磁阻电动机可具有包括场绕组和永久磁铁的场绕组部分，如在GBMM171A中公开的。场磁铁部分也可完全由没有场绕组的永久磁铁提供。三相单组定子可变磁阻电动机的不寻常的定子到转子齿几何结构意味着，当电枢相绕组中的电流使用适当的功率电子控制器改变小的增量时，它可用在保持位置有逐渐的变化的微步进模式中。作为结果，根据本发明的三相单组定子可变磁阻电动机可非常成功地用作开环微步进电动机。图6所示的曲线示出当三个电枢相绕组中的电枢相绕组电流以使每个相绕组的正弦变化与位置对应的激励模式改变时，图5的三相单组定子可变磁阻电动机的转矩与角度的关系曲线。图6示出在每组定子电流处转矩与角度的关系曲线的结果。图6中的每个曲线通过使定子电流激励和因而产生的定子通量矢量前进6° (机械的)、30° (电的)的等量来获得。可看到，每个位置的静止转矩曲线移动相同的6° (机械的)，而没有曲线的形状的任何实质的变化。当激励改变时，拉出转矩被维持在恒定的值处。没有负荷的保持转矩位置是曲线与具有负梯度的X轴交叉的地方。在表2中概述了每转有较小的全步长角和较大的电轮转的根据本发明的其它三相单组定子微步进磁阻电动机。
权利要求
1.一种包括单组定子可变磁阻机器的电机，所述单组定子可变磁阻机器具有凸定子齿和凸转子齿，所述定子还包括由永久磁铁或场绕组或永久磁铁和场绕组的组合产生的场磁铁部分，所述场磁铁部分位于每个交替的定子齿之间的空间中，并且还包括电枢绕组，每个电枢绕组跨越被连接的两个定子齿以形成至少两个电枢相绕组，所述电枢相绕组连接到电源，用于将正和负电流提供到所述电枢相绕组，所述电源还能够将电流同时提供到至少两个电枢相绕组并调节在至少一个电枢相绕组中的电流的幅值，以在机器操作的任何部分期间产生所述转子的增量旋转运动。
2.如权利要求1所述的具有至少两个电枢相绕组的电机，其中定子齿的数量是电枢相绕组的数量的四倍的第一正整数倍。
3.如权利要求2所述的电机，其中转子齿的数量是大于电枢相绕组的数量的两倍的第二正整数倍。
4.如权利要求2所述的电机，其中转子齿的数量是大于电枢相绕组的数量的两倍的第二正整数倍。
5.如权利要求3或权利要求4所述的电机，其中所述第一整数倍和第二整数倍是相同的数字。
6.如权利要求1或权利要求4或权利要求5所述的电机，其中所述电源是具有到每个电枢相绕组的至少一个连接的电子换流器，所述电子换流器能够将电流同时提供到至少两个电枢相绕组，使得转子能够响应于在一个或多个所述电枢相绕组中的电流的小变化以小的增量步长旋转。
7.如权利要求6所述的电机，其中所述电子换流器还包括到所述机器中的至少一个场绕组的连接，使得所述机器中的场电流的量能够与所述电枢相绕组中的电流独立地变化。
8.如权利要求6所述的电机，其中所述电子换流器还包括到所述机器中的至少一个场绕组的连接，使得所述机器中的场电流的量能够与所述电枢相绕组中的电流成比例地变化。
9.如前述权利要求的任一个所述的电机，其中每个电枢相绕组中的电流每个被控制到一个值，使得定子电流的矢量和具有选定的幅值和可控制的角位置。
10.如权利要求1-8所述的电机，其中所述定子具有6个齿，而所述转子具有3个齿，以及有两个电枢相绕组。
11.如权利要求1-8所述的电机，其中所述定子具有8个齿，而所述转子具有5个齿，以及有两个电枢相绕组。
12.如权利要求1-8所述的电机，其中所述定子具有12个齿，而所述转子具有5个齿， 以及有三个电枢相绕组。
13.如权利要求1-8所述的电机，其中所述定子具有12个齿，而所述转子具有7个齿， 以及有三个电枢相绕组。
14.如权利要求1-8所述的电机，其中所述定子具有12个齿，而所述转子具有9个齿， 以及有五个电枢相绕组。
15.如权利要求1-8所述的电机，其中所述定子具有12个齿，而所述转子具有11个齿， 以及有五个电枢相绕组。
16.如任何权利要求所述的电机，其中在所述电枢绕组中流动的电流的至少一个的递增变化用于使所述转子按增量步长旋转以建立旋转，且一旦旋转，所述机器的控制就传递到另一类型的控制器。
17.如任何权利要求所述的电机，其中有q个电枢相绕组，其中使每个电枢相绕组中的电流大约遵循正弦函数，每个连续的电枢相电流的正弦函数之间的相位移等于2 π /q电弧度。
18.如权利要求17所述的电机，其中施加到q个电枢相绕组中的每个的电流能够在机器操作的任何部分期间在等于q个正弦函数的瞬时值的值处被保持为恒定的。
全文摘要
本发明涉及电动机的控制，尤其是涉及具有微步进位置控制的能力的磁阻电动机的设计和控制。根据本发明，提供了具有凸定子齿和凸转子齿的单组定子可变磁阻机器，定子还包括由永久磁铁或场绕组或永久磁铁和场绕组的组合产生的场磁铁部分，并且还包括被连接以形成至少两个电枢相绕组的电枢绕组，电枢相绕组连接到电源或功率电子换流器，用于将正和负电流提供到至少两个电枢相绕组，使得转子响应于在一个或多个电枢相绕组中的电流的小变化而以小的增量步长旋转。
文档编号H02P8/22GK102217189SQ200980139872
公开日2011年10月12日 申请日期2009年8月6日 优先权日2008年8月7日
发明者查尔斯·波洛克, 海伦·波洛克 申请人:泰克尼莱克有限公司