用于操作电动机的方法和装置与流程

本技术一般涉及电动机。具体地，本技术涉及用于控制电动机的方法和装置。

背景技术：

已知一种开关磁阻电动机系统，其具有某些不期望的特性，诸如大的噪声剖面(noiseprofile)或大的峰值电源电流要求。本公开试图提供用于改进的电动机系统的技术。

技术实现要素：

根据第一技术，提供一种电动机，包括：

定子，包括多个定子齿，每个定子齿具有安装在其上的定子线圈；

转子，包括多个转子齿，该转子被布置成在电动机操作期间相对于所述定子旋转，使得转子齿中的一个或多个与定子齿中的一个或多个周期性地重叠；以及

控制电路，用于在给定时间段期间激励定子齿的子集的定子线圈，以在该给定时间段内吸引转子齿与该子集中的每个定子齿对准，

其中，控制电路被配置为在子集中的至少一个定子齿与相应的转子齿重叠之前的该给定时间段的一部分期间激励该至少一个定子齿的定子线圈。

根据第二种技术，提供了一种用于电动机的电路，包括：

驱动电路，用于选择性地激励具有多个定子齿的定子的定子线圈，每个定子齿具有安装在其上的所述定子线圈；以及

控制电路，用于使得驱动电路在给定时间段期间激励定子齿的子集的定子线圈，以在该给定时间段内吸引相应的转子齿与子集中的每个定子齿对准，

其中，控制电路被配置为使得驱动电路在子集中的至少一个定子齿与相应的转子齿重叠之前的给定时间段的一部分期间激励该至少一个定子齿的定子线圈。

根据第三种技术，提供了一种操作电动机的方法，包括：

选择性地激励具有多个定子齿的定子的线圈，每个定子齿具有安装在其上的所述线圈，选择性地激励包括：

在给定时间段期间激励定子齿的子集的定子线圈，以在该给定时间段内吸引相应的转子齿与子集中的每个定子齿对准，

其中，在该至少一个定子齿与相应的转子齿重叠之前的给定时间段的一部分期间激励在子集中的至少一个定子齿的定子线圈。

附图说明

仅通过举例的方式，参考附图中所示的实施例进一步描述本技术，其中：

图1示出了根据实施例的开关磁阻电动机系统；

图2示意性地示出了根据实施例的驱动电路的示例部分；

图3示出了根据实施例的驱动电路部分的示例操作；

图4示出了根据实施例的示例布置，其中两个驱动电路部分被成对布置；

图5示出了根据实施例的转子和定子的径向视图；

图6a、6b和6c示出了在示例性电动机系统的操作期间一组定子齿和相邻转子齿的近视径向视图；以及

图7a、7b和7c示出了在齿弧的不同阶段用于定子线圈激励的转子齿上的合力。

具体实施方式

图1示出了根据实施例的开关磁阻电动机系统100。电动机包括转子102和定子104。转子102被布置成相对于定子104旋转。转子102包括多个转子齿106。转子齿106包括从转子102径向向外延伸的突起。在图1描绘的实施例中，每个转子齿106沿转子102的长度延伸。在图1描绘的实施例中，转子102具有16个转子齿106。在替代实施例中，定子可以具有多于或少于16个转子齿106。

定子104包括多个定子齿108。定子齿108包括从定子104径向向内延伸的突起。在图1描绘的实施例中，每个定子齿沿定子104的长度延伸。在图1描绘的实施例中，定子104具有24个定子齿108。在替代实施例中，定子可以具有多于或少于24个定子齿。每个定子齿被构造成具有安装在其上的定子线圈110。例如，每个定子线圈110可以缠绕在相应的定子齿108上。每个定子线圈通常可以包括大量的匝数，例如，200。

在图1描绘的实施例中，为了清楚起见，仅示出了安装有定子线圈110的单个定子齿。然而，在实践中，定子齿中的许多或全部可以具有这种安装在其上的定子线圈。在图1描绘的实施例中，未示出安装在转子齿106上的线圈。在替代实施例(未示出)中，转子线圈可以以类似的方式安装到每个转子齿106上。

电动机系统100还包括用于激励相应的定子线圈110的驱动电路112以及用于控制驱动电路112并由此控制供应给定子线圈110的电力的控制电路114。在一些实施例中，控制电路114可被认为包括驱动电路112。

图2示意性地示出了根据实施例的用于向给定定子线圈110供电的驱动电路112的示例部分200。在图2中，给定定子线圈被示意性地表示为电感202。驱动电路200可以被视为包括电压升压部分和电压降压部分的混合开关电感电压转换器。驱动电路200的电压升压部分包括升压二极管204和升压开关206。驱动电路200的电压降压部分包括降压开关208和降压二极管210。驱动电路200的电压升压部分和电压降压部分两者都利用存储电容器212。

升压开关206和降压开关208可由控制电路114分别通过升压控制信号216和降压控制信号218电子地控制。在实施例中，升压开关206和降压开关208可以各自包括基于晶体管的开关元件。在操作中，升压控制信号216和降压控制信号218互斥地断言以使得定子线圈202以双极方式被供电，其中电流被使得首先沿一个方向流过定子线圈(即，在升压操作期间)，然后沿相反方向流过定子线圈(即，在降压操作期间)。

在升压操作期间，使用驱动电路200的电压升压部分。当升压控制信号216被断言时，升压开关206被使得导通(即，闭合)，并且电源电压被施加在由电感202表示的定子线圈上。这使得电流从电源流过定子线圈，从而在定子线圈处产生磁场。当升压控制信号216被关断(即，未被断言)时，升压开关206停止导通(即，断开)。然而，由于定子线圈的电感202，电流将继续流过定子线圈一段时间。在这段时间期间，流过定子线圈的电流经由升压二极管204流入存储电容器212。因此，在这段时间期间从定子线圈消耗的能量由存储电容器212收集。这将存储电容器212升压到关断定子线圈中的电流的电压电平。此后，存储在存储电容器212中的电荷可用于在驱动电路200的降压操作期间沿相反方向激励定子线圈。

在降压操作期间，使用驱动电路200的电压降压部分。当降压控制信号218被断言时，降压开关208被使得导通(即，闭合)，并且存储电容器212的电压被施加到定子线圈。这使得电流沿相反方向从存储电容器212流过定子线圈，从而在相反极性的定子线圈处产生磁场。当降压控制信号218被关断(即，未被断言)时，降压开关208停止导通(即，断开)。同样，由于定子线圈的电感202，电流将继续流过定子线圈一段时间。在这段时间期间流过定子线圈的电流经由降压二极管210流入电源。

图3示出了驱动电路部分200的示例操作以及通过相应定子线圈110产生的结果电流。图300示出了升压控制信号216随时间的电压(标记为vboost)。图301示出了降压控制信号218随时间的电压(标记为vbuck)。图304示出了在相同的时间段内在相应定子线圈110中产生的结果电流(标记为icoil)。如前所述，升压控制信号216和降压控制信号218由控制电路114互斥地断言。在实施例中，控制电路114被配置为仅在定子线圈中的电流归零(或接近零)时对升压控制信号216和降压控制信号218进行断言。以这种方式，驱动电路部分200中的电压仅在电流低时才被切换，并且定子线圈中的电流仅在电压低时才被切换。这具有确保升压开关206和降压开关208的功耗要求较小的效果，这意味着可以使用相对低成本的开关元件(例如，mosfet)(代替例如更昂贵的高功率igbt)。

如图3所示，驱动电路在此时间段期间的操作可以在概念上分为四个阶段。在阶段1期间，升压控制信号216被断言，使得电流在第一方向上流过定子线圈(示出为图304上的正电流)。在阶段2期间，升压控制信号216被移除。然而，由于定子线圈的电感，电流继续在第一方向上流过线圈一段时间，给存储电容器212充电。在阶段3期间，降压控制信号218被断言，使得电流在第二(相反)方向上流过定子线圈(示出为图304上的负电流)，给存储电容器212放电。在阶段4期间，降压控制信号218被移除。然而，由于定子线圈的电感，电流继续在第二方向上流过线圈一段时间，流入电源。

如图1所述，电动机系统100的定子104包括多个定子齿108，每个定子齿108具有安装在其上的定子线圈110。在实施例中，电动机系统100的驱动电路112包括多个驱动电路部分200，每个驱动电路部分200被布置成驱动定子线圈110中的一个不同的定子线圈或定子线圈110的子集。

图4示出了示例布置，其中，两个驱动电路部分200a、200b成对地布置有共享电源302，以分别驱动定子线圈110a和110b。通过这样成对地布置驱动电路部分200a、200b，控制电路114可以被配置为调度提供给每个驱动电路200的升压控制信号216和降压控制信号218，使得由驱动电路部分200a、200b中的一个从共享电源302吸取的电力被该对中的另一个驱动电路部分200a、200b返回给电源的电力抵消。例如，控制电路114可以对该对中的一个驱动电路部分200a、200b断言升压控制信号，同时对该对中的另一个驱动电路部分200a、200b断言降压控制信号。以这种方式，在操作期间由两个驱动电路从电源吸取的净电力被显著降低。

例如，当驱动电路部分200a处于升压操作时，使电流从共享电源302流入定子线圈100a，并最终对驱动电路部分200a的存储电容器充电。同时，驱动电路部分200b处于降压操作；电流从驱动电路部分200b的存储电容器流出，并被使得经由定子线圈100b以相反方向流回共享电源302。类似地，当驱动电路部分200b处于升压操作时，使电流从共享电源302流入定子线圈100b，并最终对驱动电路部分200b的存储电容器充电。同时，驱动电路部分200a处于降压操作；电流从驱动电路部分200a的存储电容器流出，并经由定子线圈100a以相反方向流回共享电源302。该对驱动电路部分200a、200b的这种平衡操作的净效应是共享电源302上显著减小的电源电流负载。

图5示出了示例性电动机系统100的转子102和定子104的径向视图。由于转子齿106的数量与定子齿108的数量的比率(在该示例中为2：3)，可以看出每三个定子齿可以同时与转子齿对准，而每两个转子齿与定子齿对准。为了在转子102中引起运动，安装在电动机的定子齿108上的各个定子线圈110被依次激励，以吸引相邻或附近的转子齿106朝向该定子齿的位置。

由于图5中描绘的示例性电动机系统100的旋转对称性，可以看出每三个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置。换句话说，在图3中被标记为“a”的每个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置。类似地，被标记为“b”的每个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置，并且被标记为“c”每个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置。因此，可以看出，在电动机系统100的正常操作期间，每三个定子齿108的定子线圈110应大约同时被激励，以便促进转子102的旋转。

为了提供上述的成对布置，选择安装在定子齿108上的成对的定子线圈110，其中定子齿108是三个分开的齿的倍数(即，它们在图5中用相同的字母标记)。对于其中转子齿106的数量与定子齿108的数量的比率不是2：3的电动机系统，需要不同的齿选择布置。例如，可以选择使得定子齿108是邻近的成对的定子线圈110。替代地，可以选择其中定子齿108是相对的或者是某种其他布置的成对的定子线圈110。

此外，可以布置定子线圈110的群组，其包含安装到每个相对位置的定子齿108的定子线圈对(即，标记为“a”的对、标记为“b”的对、和标记为“c”的对)。例如，在图5中，布置了定子线圈110的四个群组(被标记为群组1-4)，其中每个群组包含与每个相对位置的定子齿108相对应的一对定子线圈。每个群组中的定子线圈可以用在共享电路板上提供的控制电路和/或驱动电路来控制，或者使用共享电源。使用这种布置，可以有效地平衡由每个群组吸取的电流。这种布置还允许针对每个群组的控制序列在其他群组上被重复。在图5描绘的实施例中，群组1-4包括安装到相邻定子齿108的定子线圈110。在替代实施例中，可以使用不同的定子线圈选择。可能的替代选择包括其中成对的定子线圈被安装到定子104上彼此相对的定子齿的上述布置，或者选择其中每个群组中的定子线圈110更均匀地分布于定子104的群组。

图6a、图6b、和6c示出了在示例性电动机系统100的操作期间群组1中的定子齿108和相邻转子齿106的近视径向视图。为了便于在以下描述中引用，群组1的六个定子齿108已标记有数字1至6。为了使转子102旋转，安装在电动机的定子齿108上的各个定子线圈110的升压和降压操作的时序相对于彼此偏移，如下面进一步描述的。

在图6a中描绘的初始位置中，转子齿106与群组1中标记为1和4的定子齿对准。为了引起转子的逆时针旋转，安装到被标记为3和6的定子齿108的一对定子线圈110被控制电路112和相应的驱动电路114激励。这在相应的定子线圈110中建立磁场，如图6a所示。在被标记为3的定子齿中感应的磁场被定向为径向向内为北(n)，而在被标记为6的定子齿中感应的磁场被定向为径向向内为南(s)。这是由于该对中的一个线圈在升压模式下被驱动而该对中的另一个线圈在降压模式下被驱动。由于在被标记为3和6的定子齿108中感应的磁场，磁力将最近的转子齿106吸引到这两个定子齿中的每一个，如图6a中的箭头所示。

由于这些力，转子齿被吸引朝向与被标记为3和6的定子齿108对准，如图6b所示。为了使转子进一步旋转，安装到被标记为2和5的定子齿108的一对定子线圈110然后被激励。这在相应的定子线圈110中建立磁场，如图6b所示。由于在被标记为2和5的定子齿108中感应的磁场，磁力将最近的转子齿106吸引到这两个定子齿中的每一个，如图6b中的箭头所示。

由于这些力，转子齿被吸引朝向与被标记为2和5的定子齿108对准，如图6c所示。为了使转子进一步旋转，安装到被标记为1和4的定子齿108的一对定子线圈110然后被激励。这在相应的定子线圈110中建立磁场，如图6c所示。由于在被标记为1和4的定子齿108中感应的磁场，磁力将最近的转子齿106吸引到这两个定子齿中的每一个，如图6c中的箭头所示。由于这些力，转子齿被吸引朝向与被标记为1和4的定子齿108对准。

这使转子102移动到与图6a中描绘的位置等同的位置，但每个转子齿106都逆时针移位了一个位置。因此，可以重复定子线圈110的这种激励模式以继续转子102的旋转。类似地，可以在电动机系统中定子线圈110的其他群组上重复相同的激励模式。

虽然在图6a、6b和6c中在定子齿108中感应的磁场以特定的极性(即，南北方向)示出，但这可以不同地布置。例如，选择哪个定子线圈110来用升压或降压操作供电可以与图6a、6b或6c中任一个所示的布置相反。在一些实施例中，一些定子线圈110上的绕组方向可以相反，从而允许成对的两个线圈产生相同的磁极性，一个是使用降压操作产生的，一个是使用升压操作产生的。在一些实施例中，每个磁场的极性还可以随着激励序列的迭代而变化。例如，在每个序列之后，每个磁场的极性可以反转以用于下一个序列。

图7a至7c示出了在齿弧的不同阶段用于定子线圈激励的转子齿106上的合力。齿弧包括转子齿106在从与一个定子齿110对准到与下一个定子齿110对准时可占据的位置范围。在电动机100操作期间，转子齿106将在给定时间段期间穿过该齿弧，其中该给定时间段与转子102的速度成比例。定子线圈110在齿弧中的某点处被激励，以吸引转子齿106在该时间段内与相应的定子齿对准。

在传统的电动机系统中，当相应的定子齿108与最近的转子齿106至少部分地重叠时，定子线圈110被激励，如图7a所示。这种重叠可以被认为是转子齿106和定子齿108之间的同轴重叠。然而，从图7a中的力箭头可以看出，在这种情况下所产生的吸引力的主要分量相对于电动机为径向。传统的电动机在该区域中进行操作，因为在重叠期间，定子线圈110的电感显著更高。例如，根据实施方式，与没有重叠时相比，完全对准时的差可以在二到四倍的范围内。这种较高的电感成比例地减少了电源需要传送的电流量。因此，在传统的电动机中，只有在重叠期间激励每个定子线圈才能确保了在吸引转子齿时达到高功率密度。

通过利用本文所描述的电动机系统的属性，可以在齿弧的时间段期间调整对定子线圈110的激励的时序，以实现某些特性。如图7b所示，通过在齿弧的初期期间激励定子线圈110，可以看出得到的转子齿106和定子齿108之间的吸引力的径向分量被减小。在传统的电动机系统中避免了这种操作，因为在重叠之外的操作显著降低了定子线圈的电感，从而这将对电源产生更大的峰值功率需求并显著降低了电源处的功率密度。然而，以上描述的驱动电路部分200的平衡配对和能量回收属性使提前定子线圈激励的时序变得可行；在定子线圈110提供的使得能够进行非重叠操作的必要较高电流非重叠操作，不需要来自电源的成比例的较高电流，因为峰值被抵消。换句话说，线圈处的较低功率密度不会转换为电源处的较低功率密度。使用该减小径向扭矩的技术还可以减小电动机系统100在操作期间产生的可听噪声，因为在转子齿106的预期运动方向上提供了较大的力分量。

因此，根据一些实施例，电动机系统100中至少一个定子线圈110的激励的时序被配置为在定子齿108与相应的转子齿106重叠之前发生。在一些实施例中，通过以这种方式提前定子线圈激励的时序，对该定子线圈110的激励既可以在定子齿108与相应的转子齿106重叠之前开始和结束。换句话说，在这些实施例中，定子线圈110在定子齿108与相应的转子齿106至少部分地重叠时的给定时间段的一部分期间不会被激励。

在一些实施例中，可以在随后的时间段中重复该提前时序操作，以进一步改进电动机系统的某些特性。例如，在随后的时间段中，在相应的定子齿108与相应的转子齿106重叠之前的该时间段的一部分期间，可以激励另一个定子线圈110。在一些这样的实施例中，所有定子线圈110都在相应的定子齿108与相应的转子齿106重叠之前在它们各自的齿弧中的某点处被激励。

从图7c中可以看出，定子线圈110可以在齿弧中的某一个点处被激励，该点在该时间段中的较早位置处。从图7c中的力箭头可以看出，在齿弧的这一点上，合力的径向分量被进一步减小。在这种情况下，所施加的电力的无功(reactive)分量被进一步增加，从而进一步减小功率密度。然而，可以看出，在齿弧期间存在定子线圈110可以在其处被激励的若干位置，这通过实施例实现。

在一些布置中，电动机系统100中的不同定子线圈110可以在该时间段期间的不同相对时间处被激励。以这种方式，可以减小电动机系统100的电源所经历的峰值负载，因为它在一定程度上分散在该时间段内。在一些实施例中，在该时间段期间相对较早发生的对一个定子线圈110的激励与在该时间段期间相对较晚发生的对第二定子线圈110的激励不重叠。换句话说，在这些实施例中，两个定子线圈110被激励的时间段部分是不重叠的。在一些实施例中，在该时间段期间相对较晚发生的对定子线圈110的激励可以发生在齿弧中定子齿108与相应的转子齿106重叠的一点处。在替代实施例中，在该时间段期间相对较晚发生的对定子线圈110的激励可以发生在齿弧中定子齿108与相应的转子齿106不重叠的一点处。

然而，在上文中已经关于单个定子线圈110描述了时序操作，实际上，由于(先前描述的)转子102和定子104中的旋转对称性，这些技术也可以应用于定子线圈110的其数量大于一个的子集。这允许控制电路114成组地控制定子线圈110，从而允许稍微简化控制电路114。在一些实施例中，在描述定子齿108和转子齿106之间的重叠的情况下，其可以包括转子齿106和相应定子齿108的定子线圈110之间的重叠。在替代实施例中，重叠仅涉及转子齿106和定子齿108自身之间的重叠，并且不包括与相应的定子线圈110的重叠。

在一些实施例中，可以提供被配置为使得控制电路根据前述方法控制电动机的计算机软件。这种计算机软件可以以计算机程序产品的形式来提供，包括非暂态存储介质。