电机驱动器及其操作方法与流程

本公开涉及电动机。更具体地，本公开涉及用于电动机的线圈驱动电路。

背景技术：

在具有线圈绕组作为其定子的一部分的电动机中，例如在开关磁阻电动机中，电动机通常由三个阶段的电源供电并且将AC波形施加到线圈绕组以控制电机的操作。已经创造了一些具有更多阶段的电动机，但是制造这种多个阶段的电动机的重要因素是阶段驱动电子设备的成本。在传统电机中，脉冲宽度调制(PWM)电压控制器(通常布置有H桥拓扑以双向驱动电机线圈)耦合到驱动电机线圈所需的大电源以及大电压和电流，可以显著增加驱动电路的成本。因此，根据现有技术，需要多个线圈驱动电路的多个阶段的电机的制造成本很高。

此外，传统电机通常仅在以全设计输出电源电平操作时以其最高效率操作。已知提供可变输出驱动电路以允许电机以降低的输出电源电平操作，但是由于较小磁场的较小有效耦合，电机效率随后显著降低。因此，为了保持合理的效率，这些电动机必须在其设计点附近的狭窄范围内操作，并且必须使用机械变速箱和传动系统(甚至一些具有多个电机)以在更宽的输出电平范围内保持效率。这种配置既昂贵又机械复杂。

技术实现要素：

本文描述的至少一个示例提供了一种装置，包括：

电动机，包括转子和定子，转子包括多个转子齿，并且定子包括多个定子齿，以及

驱动电路，用于驱动电动机，驱动电路包括：

升压转换器，包括电荷存储元件并且耦合到多个定子齿中的至少一个上的线圈绕组的第一端子；和

降压转换器，包括所述电荷存储元件并且耦合到多个定子齿中的至少一个上的线圈绕组的所述第一端子，

其中，升压转换器和降压转换器的电感元件由多个定子齿中的至少一个的所述线圈绕组提供，

并且其中，电荷存储元件以电源节点为基准，该电源节点用于将线圈绕组的第二端子耦合到电源。

本文描述的至少一个示例提供了一种用于驱动电动机的线圈绕组的电动机驱动电路，包括：

升压转换器，包括电荷存储元件和输入节点，输入节点被布置为耦合到电动机的线圈绕组的第一端子；以及

降压转换器，包括所述电荷存储元件和所述输入节点，

其中，当输入节点耦合到电动机的线圈绕组时，提供升压转换器和降压转换器的电感，

其中，升压转换器的输出是在电荷存储元件的两端产生的电压，并且降压转换器的输入是在电荷存储元件的两端产生的电压，

并且其中，电荷存储元件以电源节点为基准，其中，电源节点被布置为将线圈绕组的第二端子耦合到电源。

本文描述的至少一个示例提供了一种操作驱动电路以驱动电动机的方法，包括：

切换升压转换器，所述升压转换器包括电荷存储元件并且耦合到电动机的多个定子齿中的至少一个上的线圈绕组的第一端子，以将线圈绕组的第一端子连接到电源的接地节点，其中，电源的电源节点耦合到线圈绕组的第二端子；

切换降压转换器，降压转换器包括所述电荷存储元件并且耦合到线圈绕组的所述第一端子，以将线圈绕组的第一端子连接到电荷存储元件，其中，升压转换器和降压转换器的电感元件由多个定子齿中的至少一个的所述线圈绕组提供；

以及使得电荷存储元件以电源节点为基准。

附图说明

仅通过示例的方式，参考如附图中示出的特定示例，进一步描述本发明，其中：

图1示例性地示出了在一个示例中具有两个定子部分的开关磁阻电机；

图2示例性地示出了在一个示例中的线圈驱动电路；

图3示出了在图2的电路中使用升压信号和降压信号以引起定子线圈电流的变化；

图4示出了在一个示例中两个线圈驱动电路的四个阶段操作以及产生的电流流动；

图5A示例性地示出了在一个示例中形成驱动电路的部分的开关电感升压电压转换电路；

图5B示例性地示出了在一个示例中形成驱动电路的部分的开关电感降压电压转换电路；

图6示例性地示出了在一个示例中的驱动电路；

图7示出了一个示例中的具有16个转子齿和24个定子齿的开关磁阻电动机的端视图；

图8示出了在一个示例中的6个定子线圈的组的六个阶段控制操作；

图9示出了与仅提供单向电流的配置相比较，由一个示例的双向线圈驱动电路供电的开关磁阻电机的磁场密度的模拟；

图10A示例性地示出了在一个示例中的三个光学传感器的放置，以提供转子相对定子在电动机中的旋转位置信息；

图10B示出了图10A中所示的三个光学传感器的六个可能的光学传感器输出的组；

图11A和图11B示例性地示出了可以如何反转电机线圈中的磁场极性的两个示例；

图12示例性地示出了在一个示例中包括六个电动机线圈驱动电路的驱动板；

图13示例性地示出了在一个示例中包括如图12所示的八个驱动板的开关磁阻电动机驱动装置；

图14示例性地示出了在一个示例的方法中采取的一系列步骤；

图15示例性地示出了用于为汽车车轮供电的一个示例的电机系统；

图16示例性地示出了通过在汽车中调整制动盘来提供电机系统的一个示例；

图17示例性地示出了在其中电荷存储元件是以电源为基准的示例中的线圈驱动电路；

图18A示例性地示出了在其中电荷存储元件是以电源为基准的一个示例中形成驱动电路的部分的开关电感升压电压转换电路；

图18B示例性地示出了在其中电荷存储元件是以电源为基准的一个示例中形成驱动电路的部分的开关电感降压电压转换电路；

图19示例性地示出了在其中电荷存储元件是以电源为基准的一个示例中的驱动电路；

图20和图21示例性地示出了在其中电荷存储元件是以电源为基准的示例中的驱动电路，并且提供了进一步的保护电源电容器和电源二极管；

图22和图23示出了在其中电荷存储元件是以接地为基准的示例中的电源电流随时间的变化；

图24和图25示出了在其中电荷存储元件是以电源为基准的一个示例中的电源电流随时间的变化；以及

图26和图27示例性地示出了三相布置的两个示例，一个具有共用的以电源为基准的存储电容器，并且一个具有针对每个阶段的单独存储电容器。

具体实施方式

在一些示例中，存在一种装置，包括：

电动机，包括转子和定子，转子包括多个转子齿，并且定子包括多个定子齿，以及

驱动电路，用于驱动电动机，该驱动电路包括：

升压转换器，包括电荷存储元件并且该电荷存储元件耦合到多个定子齿中的至少一个上的线圈绕组的第一端子；以及

降压转换器，包括所述电荷存储元件并且该电荷存储元件耦合到多个定子齿中的至少一个上的线圈绕组的所述第一端子，

其中，升压转换器和降压转换器的电感元件由多个定子齿中的至少一个的所述线圈绕组提供，

并且其中，以电源节点为基准的电荷存储元件用于将线圈绕组的第二端子耦合到电源。

如下面更详细描述的，本文讨论的技术提供了一种用于电动机线圈的驱动电路内的组合开关电感升压电压转换电路和开关电感降压电压转换电路的配置。在该上下文中，虽然更传统的期望可能是对于电路中以接地节点为基准的电荷存储元件，已经建立了另一种可选配置，其使得电荷存储元件以电源节点为基准。在驱动电路的操作中，其特征在于具有“升压阶段”和“降压阶段”，已经发现通过这种布置可以改善驱动电路的一些配置，因为其将电源切断到降压阶段，并且降压阶段自动再充电。因为电感元件附接到电源节点而不是接地节点，并且此处电荷存储元件也附接到电源节点而不是接地节点，所以整个降压阶段在电荷存储元件和电感元件之间的紧密环路中转储电荷，并且不再涉及电源。因此，当在降压阶段中从电荷存储元件对电感元件进行充电时，电流不再流到电源，并且然后在降压阶段中电感元件被放电，电荷从其来源处流回电荷存储元件。

这还允许电荷存储元件的尺寸(并且因此特别是成本)减小，因为电荷存储元件总是偏置在电源电压处。如上所述，这种以电源为基准的电荷存储元件意味着电源不参与涉及电荷存储元件的任何电流，因为每当电荷存储元件充电或放电时都会绕过电源，从而可以减少电荷存储元件的尺寸。与以接地为基准的电荷存储元件的实例不同，电感元件电流与电源电流不匹配。已经认识到这种布置可能具有其他后果，例如这可能妨碍双向操作(例如，用于能量恢复制动)，但这不是所有电机应用(例如，为泵和鼓风机提供的那些)的关键特征。

在一些示例中，该装置还包括电源二极管，该电源二极管在正向方向上将电源节点耦合到线圈绕组的第二端子。例如，这种电源二极管可以采用真正二极管的形式，或者也可以说由被布置为开关的晶体管来提供，与电源一起放置，可以阻止电流流回电源。在这样的示例中，当驱动电路试图将电流驱动回到电源(其仅发生在降压电感器放电时)时，电压然后在电源二极管的“下游”节点(在本文中也称为“本地电源”节点)处建立。也可以防止再生。随着该本地电源处的电压增加，一些电流将被驱动回电荷存储元件，部分地为电荷存储元件进行充电。

在一些配置中，保留存储在本地电源处的电能可能具有导致相对高的本地电压的可能性，并且因此，在一些示例中，该装置还包括跨越电源二极管的电源电容器。这种电源电容器可以吸收这种额外的本地电流并且降低这种本地电源电压的电平。在一些示例中，在类似的可选配置中，该装置还包括电源电容器，该电源电容器将线圈绕组的第二端子耦合到电源的相对于电源节点的相对侧上的接地节点。

如上所述，取决于特定配置，并且特别是提供或不提供额外的保护二极管，在一些示例中，电源是双向电源。在其他示例中，电源是单向电源。

在一些示例中，该装置包括两个进一步的驱动电路以驱动电动机，其中，驱动电路和两个进一步的驱动电路耦合到电动机的三个独立线圈绕组，其中，驱动电路和两个进一步的驱动电路共用电源，并且其中，驱动电路和两个进一步的驱动电路被布置为相对于彼此以三个阶段的布置进行操作。在这种三个阶段的布置中，在电路中使得电荷存储元件以电源节点为基准可以导致大约一半的电源电流被抽取，并且相应的电荷存储元件仅需要大约一半的尺寸(与以接地节点为基准的等效布置相比较)。

在一些示例中，升压转换器还包括：二极管，耦合到线圈绕组和电荷存储元件的第一电极；以及开关，被布置为将线圈绕组连接到电源的相对于电源节点的相对侧上的接地节点。因此，基本上这样的示例以升压二极管和升压开关形式提供了开关电感升压电压转换电路的两个关键组件。

在一些示例中，降压转换器还包括：二极管，耦合到线圈绕组和电源的相对于电源节点的相对侧上的接地节点；以及开关，被布置为根据降压信号将线圈绕组连接到电荷存储元件的第一电极。类似于前一段中描述的升压布置，因此这样的示例以降压二极管和降压开关形式提供了开关电感降压电压转换电路的两个关键组件。

在一些示例中，存在一种用于驱动电动机的线圈绕组的电机驱动电路，包括：

升压转换器，包括电荷存储元件和输入节点，输入节点被布置为耦合到电动机的线圈绕组的第一端子；以及

降压转换器，包括所述电荷存储元件和所述输入节点，

其中，当输入节点耦合到电动机的线圈绕组时，提供升压转换器和降压转换器的电感，

其中，升压转换器的输出是在电荷存储元件两端产生的电压，并且降压转换器的输入是在电荷存储元件两端产生的电压，

并且其中，电荷存储元件以电源节点为基准，其中，电源节点被布置为将线圈绕组的第二端子耦合到电源。

在一些示例中，存在一种操作驱动电路以驱动电动机的方法，包括：

切换升压转换器，该升压转换器包括电荷存储元件并且电荷存储元件耦合到电动机的多个定子齿中的至少一个上的线圈绕组的第一端子以将线圈绕组的第一端子连接到电源的接地节点，其中，电源的电源节点耦合到线圈绕组的第二端子；

切换降压转换器，该降压转换器包括所述电荷存储元件并且电荷存储元件耦合到所述线圈绕组的第一端子以将线圈绕组的第一端子连接到电荷存储元件，其中，升压转换器和降压转换器的电感元件由多个定子齿中的至少一个的所述线圈绕组提供；

以及使得电荷存储元件以电源节点为基准。

在一些示例中，提供了一种用于驱动电动机线圈的驱动电路，包括：开关电感升压电压转换电路，该开关电感升压电压转换电路包括存储电容器和输入节点，该输入节点被布置为耦合到电动机线圈；以及开关电感降压电压转换电路，该开关电感降压电压转换电路包括输入节点和存储电容器，其中，当输入节点耦合到电动机线圈时，提供开关电感升压电压转换电路的电感和开关电感降压电压转换电路的电感，并且开关电感升压电压转换电路的输出是在存储电容器两端产生的电压，并且开关电感降压电压转换电路的输入是在存储电容器两端产生的电压。

虽然开关电感升压电压转换电路和开关电感降压电压转换电路各自是已知的，但是本技术的驱动电路以特定方式调整和组合这两者。首先提供存储电容器，其中升压电压转换器的输出通常是用于降压电压转换器的输入，并且其次，升压电压转换器的输出提供用于降压电压转换器的输入。实际上，形成开关电感升压电压转换电路的部分的存储电容器也形成开关电感降压电压转换电路的部分，使得由升压电压转换电路在存储电容器两端产生的电压被配置为提供用于降压电压转换电路的输入。

发明人惊奇地发现，在用于电动机线圈的驱动电路的上下文中，组合的开关电感升压电压转换电路和开关电感降压电压转换电路的这种配置可以是特别有益的。电动机线圈在升压电压转换电路和降压电压转换电路中提供开关电感元件，并且以这种方式组合电路允许当升压电压转换电路占主导地位时，开关电流在一个方向上流过电动机线圈，并且当降压电压转换电路占主导地位时，开关电流以相反的方向流过电动机线圈。

这种布置具有各种优点。如果电动机线圈的电感很大，则将需要大电压来改变电流。电流变化率由电压除以电感(di/dt＝V/L)给出，并且因此，在为具有大电感的电动机线圈进行供电时，通常需要提供高电压以便启动电流快速流动和停止电流快速流动。然而，根据本布置，由于电路通过其升压电压转换电路的作用来产生其自身的高电压，因此仅需要初始提供高电压以启动电流流动并且使用自升压电压来停止电流流动。因此，对于第一近似，仅需要正常(现有技术)驱动电路的电源电压的一半。例如，在具有150V电源和35mH电动机线圈的配置中，该电源电压可以被施加到线圈以使得其开始导电。当从线圈移除电压时，电流将随着能量从线圈消散而继续流动。使用驱动电路，从线圈消散的该能量被收集在存储电容器中。继续上面的示例，这可以快速将存储电容器提升到大约300V，并且产生的-150V的差分可以快速关闭线圈中的电流。此外，存储在存储电容器中的升压电压随后可用于沿相反方向激励线圈。然后，降压电压转换电路的操作可以将先前提升的电压施加到电动机线圈，并将电流驱动回到原始电源。此外，继续上述示例，大约300V现在为150V电源提供150V差分，并快速驱动线圈中的电流。为了关闭线圈，大约300V被移除并且采用接地连接。因此，线圈随后看到-150V并被快速关闭。

此外，本驱动电路的布置具有组合的开关电感升压电压转换电路和降压电压转换电路意味着该驱动电路不用作脉冲宽度调制(PWM)控制器(如许多现有技术的驱动电路那样)，并且因此，当流过的电流和开关电压低时，其可以进行切换，使得驱动电路中的功耗很小。其特定结果是用于构成驱动电路的组件，因此可以由具有相对低的额定值和容差的电路组件提供该驱动电路，有助于本驱动电路的整体较低成本。

在驱动电路的一些示例中，开关电感升压电压转换电路包括：升压二极管，该升压二极管在正向方向上连接输入节点和存储电容器的第一电极；以及升压开关，该升压开关被布置为根据升压信号将输入节点连接到存储电容器的第二电极，并且开关电感降压电压转换电路包括：降压二极管，该降压二极管在正向方向上将存储电容器的第二电极连接到输入节点；以及降压开关，该降压开关被布置为根据降压信号将输入节点连接到存储电容器的第一电极。这种布置的对称性提供了支持驱动电路的双向特性的平衡布置，其中，通过相应的升压和降压信号有利地实现了对在每个方向上(通过输入节点)将存储电容器耦合到电动机线圈的控制。

在一些示例中，开关电感升压电压转换电路还包括第一升压电路二极管，该第一升压电路二极管在正向方向上将输入节点连接到升压开关的第一连接。以这种方式提供二极管，该二极管将来自电动机线圈的输入模式连接到升压开关的第一连接，特别是通过将升压开关与降压电压转换电路隔离来为升压开关提供保护电平，使得通过降压电压转换电路的操作损坏升压开关的风险显著降低。而且，这种二极管的提供大大减少了电路中“振铃”(即，电流振荡)的发生。由于这些因素，可以降低升压开关的固有弹性，即升压开关可以由更小、更弱且因此更便宜的组件来提供，因此降低了驱动电路的总成本。

在一些示例中，开关电感升压电压转换电路还包括第二升压电路二极管，该第二升压电路二极管在正向方向上将存储电容器的第二电极连接到升压开关的第一连接。在开关电感升压电压转换电路中提供这种第二二极管可以为升压开关提供额外的保护电平，以防止当降压电压转换电路有效时可能在驱动电路中发生的反向电流。

在一些示例中，升压开关是N型场效应晶体管。本驱动电路的配置特别适合于由相对小的开关器件(例如，场效应晶体管)而不是更昂贵、更重负载的器件(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT))提供的升压开关。实际上，在一些示例中，升压开关可以由N型MOSFET提供。与现有技术的电动机线圈驱动电路相比，本技术使得驱动电路能够通过这种相对较弱的组件进行切换。

在一些示例中，开关电感降压电压转换电路还包括第一降压电路二极管，该第一降压电路二极管在正向方向上将降压开关的第一连接连接至输入节点。类似于上述第一升压电路二极管，当升压电压转换电路有效时，该第一降压电路二极管保护降压开关免受反向电流的影响，并进一步防止驱动电路内的振铃。

在一些示例中，开关电感降压电压转换电路还包括第二降压电路二极管，该第二降压电路二极管在正向方向上将存储电容器的第一电极连接到降压开关的第二连接。该第二降压电路二极管的提供进一步防止了驱动电路的开关电感降压电压转换电路中的振铃。

在一些示例中，降压开关是P型场效应晶体管。类似于关于通过N型场效应晶体管来提供升压开关的可能性的上述评论，本驱动电路的配置特别适合于由相对小的开关器件(例如，场效应晶体管)而不是IGBT提供的降压开关。在一些示例中，降压开关可以由P型MOSFET提供。

在一些示例中，开关电感降压电压转换电路还包括参考电路，该参考电路被配置为使得降压信号以接地连接为基准并且在降压开关的栅极处提供栅极电压，该栅极电压以存储电容器的第一电极处的电压为基准。鉴于存储电容器通过升压电压转换电路和降压电压转换电路的动作进行充电和放电，存储电容器的第一电极的电压可能在相当大的范围内变化，提供这样的参考电路是有利的，使得降压开关(例如，P型场效应晶体管)的栅极电压可以相对于存储电容器的电压被适当地设置，尽管降压开关的固有电压范围容差可能远小于存储电容器所经历的电压范围，但是当降压信号指示应该发生这种情况时，降压开关可以因此正确地开关。

在一些示例中，参考电路包括分压器，该分压器被布置为提供耦合到降压开关的栅极的第一和第二电阻路径，其中，根据降压信号，第一电阻路径将存储电容器的第一电极连接到降压开关的栅极，并且第二电阻路径将降压开关的栅极连接到接地连接。因此，第一和第二电阻路径的这种配置提供了如下布置，其中，降压开关的栅极耦合到在第一和第二电阻路径相交的点处提供的电压，并且因此，通过适当地设置第一和第二电阻路径的电阻，可以根据降压信号来控制降压开关的栅极以适当地开关该降压开关。

在一些示例中，第二电阻路径包括N型场效应晶体管，其被布置为根据降压信号将第二电阻路径连接到接地连接。因此，降压电压转换电路中的该第二晶体管可以使降压信号能够作为相对低电压的数字信号被提供，同时允许降压开关操作耦合到存储电容器，然后其可以处理更高的电压。

在一些示例中，第一电阻路径包括第三降压电路二极管，该第三降压电路二极管在正向方向上将存储电容器的第一电极连接到降压开关的栅极。该第三降压电路二极管可以与上述第二降压电路二极管相关联地提供，使得存储电容器的第一电极通过并联二极管耦合到降压开关的第二连接(例如，源极连接)和降压开关的栅极连接。第三降压电路二极管可以被配置为与第二降压电路二极管具有相同的配置，并且因此，可以通过这两个二极管的并联响应来补偿电压和温度变化。

在一些示例中，驱动电路还包括第一降压电路电容器，该第一降压电路电容器为降压开关提供栅极源极连接。提供该电容器可以稳定降压开关的操作，特别是通过抑制噪声，否则噪声可能导致降压开关的不期望的开关。

在一些示例中，第一电阻路径还包括与第一电阻路径的至少一部分并联的第二降压电路电容器。该第二降压电路电容器可以进一步抑制电路中的噪声，并且可以特别地被配置为具有与第一降压电路电容器类似的配置，以允许在它们各自的路径上对电压和温度变化进行相等的补偿。

在一些示例中，驱动电路还包括控制电路，该控制电路被配置为提供升压信号和降压信号，其中，控制电路被配置为当电动机线圈中的电流基本上为零时开始断言升压信号或降压信号。对驱动电路进行配置使得其在电流基本为零时进行切换，进一步使得驱动电路的组件进行切换，并且特别是由相对“轻量”(即，薄并且因此便宜)的器件提供的升压和降压开关进行切换。

在一些示例中，控制电路被配置为以互斥方式断言升压信号和降压信号。这可以为驱动电路的组件提供进一步的保护，使得开关电感升压电压转换电路和开关电感降压电压转换电路中的仅一个在任何给定时间是可操作的，并且避免两者之间发生冲突(特别是关于当前的驱动方向)。

在一些示例中，控制电路被配置为将升压信号和降压信号中的每一个断言为单个连续脉冲。这使得提供这些信号的控制电路能够由数字控制器件的相对简单的配置来提供。

在一些示例中，提供了一种驱动板，该驱动板用于驱动开关磁阻电动机的至少两个电动机线圈，包括：根据第一方面的第一驱动电路，用于驱动至少两个电动机线圈的第一电动机线圈；以及根据第一方面的第二驱动电路，用于驱动至少两个电动机线圈的第二电动机线圈，其中，第一驱动电路和第二驱动电路由共用电源进行供电。在单个驱动板上的共同定位的两个驱动电路由共用电源进行供电可以是特别有益的，最值得注意的是，当由第一和第二驱动电路进行驱动的第一和第二电动机线圈被布置为处于彼此相对的操作阶段时，使得在一个驱动电路中相对于共用电源的电流流动与第二驱动电路中相对于共用电源的电流流动相反，并且因此可以显著减少电源上的净电流消耗，因为大部分电流可以在第一驱动电路和第二驱动电路之间流动而不在驱动板之上或之外流动。

在一些示例中，驱动板还包括控制电路，该控制电路被配置为在四个操作阶段中对驱动板进行操作，其中：在第一操作阶段中，第一电动机线圈利用第一极性电流进行充电，并且第二电动机线圈利用第二极性的电流进行充电，其中，第二极性与第一极性相反；在第二操作阶段中，第一电动机线圈被放电到第一驱动电路的存储电容器中，并且第二电动机线圈被放电到共用电源；在第三操作阶段中，第一电动机线圈利用第二极性的电流进行充电，并且第二电动机线圈利用第一极性电流进行充电；以及在第四操作阶段中，第一电动机线圈被放电到共用电源，并且第二电动机线圈被放电到第二驱动电路的存储电容器中。因此，通过以这种方式协调每个驱动电路的操作，由第一和第二驱动电路引起的主要电流流动是协调的，使得主要电流在第一和第二驱动电路之间流动而不是流动至共用电源并且从共用电源流动出来。例如，在其中1A的电流从电源至一个驱动电路的配置中，另一驱动电路可以同时将0.75A的电流推回到电源中。因此，电源上的净消耗仅为0.25A的电流，并且然而，通过用于其相应的电动机线圈的第一驱动电路和第二驱动电路的相反配置(根据操作阶段)，1.75A的电流在相应的电动机线圈中流动以产生磁场(并且因此产生电动机的输出转矩)。最值得注意的是，由于线圈能量与电流的平方成比例，因此输出到电机线圈的能量比从电源提取的能量多49倍(1.75²/0.25²＝49)。虽然有点违反直觉，但应该记住，这种额外的能量先前已经存储在电机的线圈或驱动电路的存储电容器中，并且由本技术提供的驱动电路使得能够有效地将其在电机线圈和存储电路之间来回移动，而不是在其各自阶段的每个周期处从电源向电机线圈提供“新鲜”能量。

在一些示例中，驱动板被配置为驱动开关磁阻电动机的六个电动机线圈，并且包括根据第一方面的六个相应的驱动电路，每个驱动电路用于驱动六个电动机线圈的相应电动机线圈，其中，控制电路被配置为驱动三对(其中，第一驱动电路与第四驱动电路配对，第二驱动电路与第五驱动电路配对，并且第三驱动电路与第六驱动电路配对)中的六个驱动电路，并且其中，对于每对驱动电路，控制电路被配置为同时将该对中的一个驱动电路的升压信号与该对中的另一驱动电路的降压信号进行断言。以这种方式将六个相应的驱动电路共同定位在一个驱动板上有利于三对驱动电路之间的协调，并且对于驱动开关磁阻电动机中的六个相邻电动机线圈特别有用。六个相邻的电动机线圈可能是重要的，例如，当开关磁阻电动机被配置为具有3：2的定子齿与转子齿的比率时，使得对于六个相邻的定子齿(缠绕在其相应的线圈附近)对于定子中转子的任何给定方向，只有两个定子齿与转子齿对齐。因此，对于这六个相邻的定子齿的线圈，它们中的正好两个在任何时候都需要电源而且它们可以被布置为使得当一个通道(驱动一个线圈)从电源拉动电流时，另一通道(驱动另一个线圈)将电流提供回来，并且净效应是从通道直接提供至拉动通道(在同一驱动板上)中的能量，而不需要获取用于比在该周期中恢复几个百分点的损失所必需的能量更多的能量的电源。

在一些示例中，控制电路被配置为选择性地禁用每对驱动电路。尽管在启用所有三对驱动电路的情况下电动机线圈将最有效地操作，但是并非在所有三对驱动电路都可操作时电动机才可以操作，并且因此，当一对驱动电路中的至少一个被禁用时，电动机可以在较低功率配置下操作。

在一些示例中，提供了一种开关磁阻电动机驱动装置，该装置包括根据第二方面的四个驱动板，四个驱动板被配置为彼此独立地驱动开关磁阻电动机的二十四个电动机线圈，并且被配置为相对于操作的至少六个阶段周期的选定阶段来驱动二十四个电动机线圈中的每一个。

在一些示例中，开关磁阻电动机驱动装置被配置为选择性地禁用每个驱动板。因此，每个驱动板被配置为驱动开关磁阻电动机的二十四个电动机线圈中的六个，并且因此例如，可以对应于电动机的象限。因此，可以选择性地关断电动机的每个象限，以便以较低电源配置来操作电动机。

在一些示例中，开关磁阻电动机驱动装置包括根据第二方面的八个驱动板，并且八个驱动板被配置为在操作的至少六个阶段周期中驱动开关磁阻电动机的四十八个电动机线圈，其中，电动机线圈对以至少六个阶段周期的相同阶段进行驱动。例如，电动机可以被配置为具有两个不同的定子部分，将电动机的纵向长度分为两部分。根据本技术，因此可以单独地控制和驱动四十八个电动机线圈中的每一个，然而在一些示例中，两个定子部分被配置为彼此并联驱动，使得阶段周期的相同阶段适用于每个定子部分中的两个电动机线圈、一个电动机线圈。

在一些示例中，提供了一种操作驱动电路以驱动电动机线圈的方法，包括以下步骤：利用来自电源的第一极性电流对电动机线圈进行充电；将电动机线圈放电到驱动电路的存储电容器中；利用来自驱动电路的存储电容器的第二极性电流对电动机线圈进行充电，第二极性与第一极性相反；以及将电动机线圈放电到电源。

在一些示例中，提供了一种用于驱动电动机线圈的驱动电路，包括：用于利用来自电源的第一极性电流对电动机线圈进行充电的装置；用于将电动机线圈放电到驱动电路的存储电容器中的装置；用于利用来自驱动电路的存储电容器的第二极性电流对电动机线圈进行充电的装置，第二极性与第一极性相反；以及用于将电动机线圈放电到电源的装置。

在一些示例中，提供了一种装置，包括：开关磁阻电动机，该开关磁阻电动机包括转子部分和定子部分，转子部分包括多个转子齿，并且定子部分包括至少12个定子齿，每个定子齿缠绕有相应的线圈；以及电机驱动电路，该电机驱动电路用于驱动开关磁阻电动机的线圈的电动机线圈，其中，电机驱动电路包括：开关电感升压电压转换电路，该开关电感升压电压转换电路包括存储电容器和被布置为耦合到电动机线圈的输入节点；以及开关电感降压电压转换电路，该开关电感降压电压转换电路包括输入节点和存储电容器，其中，当输入节点耦合到电动机线圈时，提供开关电感升压电压转换电路的电感和开关电感降压电压转换电路的电感，并且开关电感升压电压转换电路的输出是在存储电容器两端产生的电压，并且开关电感降压电压转换电路的输入是在存储电容器两端产生的电压。

现在参考附图描述一些特定示例。

图1示例性地示出了在一个示例中的开关磁阻电动机系统10。电动机包括转子部分12，转子部分12被配置为在两个定子部分14和16内旋转。转子部分被配置为具有十六个转子齿，这些转子齿形成径向向外延伸的纵向脊，并且沿着转子部分的长度延伸穿过两个定子部分。每个定子部分被配置为具有二十四个定子齿，这些定子齿形成向内延伸的纵向脊，并且还沿着每个定子部分的长度延伸。每个定子齿缠绕有包括大量匝数的线圈，在该实例中约为200匝。在图1所示的示例中，转子齿上没有线圈，因为通过为定子齿线圈进行供电而产生的磁场使得电动机通过转子上的那些磁场的作用而旋转。

电动机系统10还包括定子线圈驱动电路20，定子线圈驱动电路20被配置为由相关的控制电路22进行控制。电源24耦合到定子线圈驱动电路并且耦合到电动机的定子线圈。这样，在定子线圈和电源24之间以及定子线圈和定子线圈驱动电路20之间可以存在电流流动。这种布置的重要性将从其他附图的描述中变得显而易见。

图2示例性地示出了与单个定子线圈相关联的定子线圈驱动电路的主要组件。实质上，图2中所示的电路是开关电感升压电压转换电路和开关电感降压电压转换电路的组合。开关电感升压电压转换电路包括升压二极管30和升压开关32，并且开关电感降压电压转换电路包括降压二极管34和降压开关36。开关电感升压电压转换电路和开关电感升压电压转换电路共用存储电容器38。每个电路还通过输入节点44连接到定子线圈40，定子线圈40由该电路和电源42进行驱动。用于升压开关32和降压开关36的控制信号(即，升压信号和降压信号)分别由控制电路(其由与图1中所示相同的控制电路22表示)产生。

在操作中，图2的示例的升压和降压信号以控制电路22的互斥方式被断言，以使定子线圈40被供电，并且此外被双向驱动，其中，首先使电流一路流过定子线圈(在“升压”操作期间)，并且然后使电流另一路流过定子线圈(在“降压”操作期间)。对升压信号进行断言以使升压开关32闭合(导通)使得由电源42提供的电源电压被施加到定子线圈40。升压信号被断言一段合适的时间，直到电流在定子线圈中的流动为电动机的操作产生了所需的磁场。当升压信号被关断时，打开升压开关32，当能量从线圈消散时，电流继续(通过升压二极管30)流动。通过对存储电容器38进行充电，从定子线圈40消散的能量被收集。这快速地将存储电容器升压到静态电压，该静态电压关闭线圈中的电流。

然后，存储在存储电容器38中的该“升压电压”可用于沿相反方向对定子线圈40进行激励。当需要时，降压信号被断言以使降压开关36闭合(导通)，并且先前的升压电压可以以与升压阶段的方向相反的方向(通过降压二极管34)施加到定子线圈40。

图3示出了图2所示电路的循环操作，其中，首先定子线圈电流通过升压信号的断言在一个(例如，正)方向上被驱动，然后定子线圈电流通过降压信号的断言在另一(例如，负)方向上被驱动。注意，在定子线圈电流降至零之前，不会发生降压信号的断言。这意味着当电流为低时驱动电路电压被开关，并且当电压为低时电流被开关，使得开关器件中的电源消散非常小。如将参考图5A、图5B和图6中所示的示例更详细地讨论的，这意味着可以使用相对轻量的开关(例如，MOSFET，而不是更昂贵的IGBT)作为电路中的开关。

可以从图4中看出关于对电动机定子线圈进行驱动的本技术的特定优点，图4示出了在一个示例中的四个阶段过程，通过四个阶段过程来驱动两个定子线圈。两个定子线圈中的每一个耦合到共用(DC)电源并且耦合到其自身相应的线圈驱动电路。

在第一阶段中，两个电动机线圈被充电，但方向相反。第一电动机线圈利用来自共用电源的第一极性电流进行充电，并且第二电动机线圈利用来自第二驱动电路的存储电容器的第二(相反)极性电流进行充电。在图中给出的示例中，来自电源的1.6A被提供给第一线圈，而来自第二驱动电路的存储电容器的1.3A经由第二线圈返回到电源。由于净电源负载为0.3A，实现了对应于2.9A的总线圈斜升。

在第二阶段中，两个电动机线圈再次以相反的方向被放电。第一电动机线圈被放电到第一驱动电路的存储电容器中，并且第二电动机线圈被放电到共用电源。在图中给出的示例中，1.6A从第一线圈传递到第一驱动电路的存储电容器，而1.3A从第二线圈返回到电源。由于净电源负载从-1.3A下降到零，因此实现了总线圈斜降为2.9A。

在第三阶段中，两个电动机线圈再次以与第一阶段相反的方向被充电。第一电动机线圈利用来自第一驱动电路的存储电容器的第二极性电流进行充电，并且第二电动机线圈利用来自共用电源的第一极性电流进行充电。在图中给出的示例中，源自第一驱动电路的存储电容器的1.3A经由第一线圈返回到电源，而来自电源的1.6A被提供给第二线圈。由于净电源负载为0.3A，实现了对应于2.9A的总线圈斜升。

最后，在第四阶段中，两个电动机线圈被再次放电。第一电动机线圈被放电到共用电源，并且第二电动机线圈被放电到第二驱动电路的存储电容器中。在图中给出的示例中，1.3A从第一线圈返回到电源，而1.6A从第二线圈传递到第二驱动电路的存储电容器。由于净电源负载从-1.3A下降到零，因此实现了总线圈斜降为2.9A。

现在参考图5A、图5B和图6给出在一个示例中的驱动电路的配置的更多细节。开关电感升压电压转换电路在图5A中被单独表示，而开关电感降压电压转换电路在图5B中被单独表示，并且具有开关电感升压电压转换电路和开关电感降压电压转换电路的组合驱动电路在图6中示出。

在图5A的开关电感升压电压转换电路中，升压开关由NMOS 50来提供，而存储电容器(CSTORE)由33μF电容器52来提供。注意，在该示例中除了升压二极管(D1)54之外，还提供了两个进一步的二极管D2 56和D3 58。升压电压转换电路耦合到定子线圈60和150V DC电源62。

关于图5B的开关电感降压电压转换电路，重要的是要注意，存储电容器(CSTORE)是与图5A中所示相同的33μF电容器52。如图5A和图5B中标记的，电容器52两端产生的电压可以被视为图5A的开关电感升压电压转换电路的输出，并且可以被视为图5B的开关电感降压电压转换电路的输入。此外，降压电压转换电路耦合到相同的定子线圈60和相同的150V DC电源62。在图5B所示的示例中，降压开关由PMOS 64来提供。在该示例中除了降压二极管66(D4)之外，还提供了两个进一步的二极管68和70(D5和D6)。最后，图5B的开关电感降压电压转换电路还包括耦合到降压开关(PMOS 64)的栅极的参考电路。该参考电路由NMOS 72，电阻器74、76和78(R7、R8和R9)，电容器80和82(C2和C3)以及二极管84(D7)组成。

现在参考图6给出该示例中的完整驱动电路的配置的更多细节，其中以其组合配置的方式示出了其开关电感升压电压转换电路以及其开关电感降压电压转换电路。图6的驱动电路的组件具有与图5A和图5B中所示的组件相同的附图标记，因为后面这些单独的表示仅被单独示出以强调完整驱动电路的每个组件所属的相应部分。

在该示例中提供的各种进一步的二极管(即，除了图2中所示的升压和降压二极管之外)用于许多目的，但总体而言它们扮演的特定角色是使得关键开关器件(升压开关50和降压开关64)能够由非常便宜的MOSFET器件(而不是比如说更昂贵的IGBT器件)来提供，不管电机线圈的尺寸和电机所需的电源电压(例如，35mH线圈和150V DC电源)。与操作具有这种配置的电机相关联的大EMF和快速电压变化有可能造成破坏性电压和栅极步进(当应该断开时将其导通)，因此这些二极管在整个电路中用于提供对开关进行保护的电源阻断。二极管还用于将开关电感升压电压转换电路与开关电感降压电压转换电路分开，使得一个转换电路的操作不会有损害另一转换电路的组件的风险。例如，在降压电压转换电路中放置在PMOS 64两侧的二极管68和70(D5和D6)的组合防止在驱动电路的“升压”操作模式期间从线圈放电的电流的电源使得该PMOS导通和断开(并且因此不利地影响该升压模式的正确操作并且有损坏降压电压转换电路的其他组件的风险)。

注意，晶体管64被提供为PMOS(与较便宜的NMOS相反)器件，因为当处于“降压”操作模式并且通过电感(线圈)对电源进行降压时，电感器(定子线圈60)通过降压二极管66拉动电流，将开关降至地下一个二极管压降。这在将PMOS用于晶体管64时起作用，因为PMOS仅在其漏极上增加了一点压降。原则上可以使用NMOS器件，但由于上述下拉到地下(可能在NMOS器件的源极上)，将需要额外的电路来提供低于地电平的栅极电压，因为否则当电感器(定子线圈60)放电时其不能被断开。

另外，电路中的二极管提供了整流功能以整流振荡(振铃)，否则当从大电感器驱动大电容器时将强烈地发生振荡。

提供电容器80和82(C2和C3)以抑制电路中的噪声，否则噪声可能影响降压开关(PMOS 64)的栅极的开关的稳定性，该晶体管的栅极由于其与存储电容器52的连接(尽管通过二极管70和84(D6和D7))而特别容易受到这种噪声的影响。电容器80和82也形成参考电路的一部分，该参考电路特别地还包括电阻器74、76和78(R7、R8和R9)以及NMOS晶体管72。该参考电路的提供使得降压信号(BUCK)能够以接地(GND)为基准，并且降压开关64的栅极信号以存储电容器52的上侧(如图6所示)上存在的电压为基准。因此，通过设置正确的源极-漏极阈值电压(相对于到存储电容上看到的电压)，数字(低电压)降压信号的开关能够正确地控制降压开关64的开关。请注意，二极管70和84(D6和D7)、电容器80和82(C2和C3)以及电阻器74和76/78(R7和R8/R9)的并联配置使得电路能够在电压和温度变化的范围内始终如一地执行，由于其相应对中的每个这些组件将对温度和电压变化的等效响应。注意，逻辑上可以认为电阻器76和78(R8和R9)形成单个电阻器，但是在该示例中，由于低成本和尺寸以及改善的电源消耗而被提供为两个不同的组件。提供二极管70和84(D6和D7)还减少了需要由参考电路的其余部分提供的栅极压降，进一步降低了需要明确提供的电阻组件的成本(因为它们具有较低的电源要求)并允许更容易地处理电压的范围。

图7示例性地示出了在一个示例中的转子部分和一个定子部分的齿的径向视图。在该示例中，对定子部分的线圈(未示出)的控制被布置为使得6个定子齿的组被放在一起并且在每个组上方断言的循环控制序列经过六个阶段，对应于该组中的六个定子齿。下面参考图12更详细地讨论的该示例的其他特征在于，与一组中的每个定子线圈相关联的驱动电路被提供在一个(共用控制电路和单个DC电源的)板上，从而可以导致如下的上述益处：共用相同电源的一个驱动电路在“降压模式”中操作，而另一驱动电路在“升压模式”中操作。图7还示出了六个阶段周期的一个阶段的快照，其中在该示例中，每组中的第一定子线圈(在图中标记为1)当前正在沿第一方向被供电(升压模式)，其中，所得到的在定子齿中感应的磁场朝向径向向内的北(N)和径向向外的南(S)，而在该示例中，每组中的第四定子线圈同时被相反地供电(降压模式)，使得在定子齿中感应的磁场朝向径向向内的南(S)和径向向外的北(N)。以这种成对的相反感应磁性方式来继续驱动该电动机的定子线圈，其中在下一阶段，定子齿2和5被驱动(相对于彼此相反)，接着是定子齿3和6，接着是定子齿1和4(与第一阶段的磁性配置相反)，依此类推。

仍然参考图7，注意转子和定子齿的配置(特别是其数量比为2：3)产生如下布置，其中，当一半转子齿与相应的定子齿直接对齐，另一半转子齿与定子齿不对齐时(在该示例中与两个定子齿之间的间隙的中心对齐)。对于一对对齐的转子/定子齿，这意味着在转子齿和定子齿之间仅存在相对小的气隙(例如，小于0.5mm)，这对应于低磁阻并且因此没有从电机输出电源(零转矩)。相反地，该组六个定子齿的其他定子齿与相应的转子齿的不对齐可以因此在未对齐的定子/转子齿之间提供高磁阻和高转矩配置(由于更大的气隙，例如大于1.0mm)。虽然在已知的开关磁阻电动机中，可能需要转子和定子齿之间的部分重叠，以便将电机保持在其中磁阻低于可接受效率的配置中，但是仍然可以实现转矩(尽管在低于可能的最大值的水平下)，本电动机系统通过提供其中可以产生更高转矩的配置(通过未对齐的定子/转子齿)来实现转矩和效率之间的改进折衷，而且，在产生不会被使用的磁场中消耗的能量被再循环，从而提高效率。

图8示例性地示出了在驱动电路中的升压和降压信号的相对时序，该驱动电路提供对每组中的六个定子齿的组的上述控制。可以看出上面提到的对定子线圈1/4、2/5和3/6进行控制的对，其中，每对定子线圈总是由相反模式(升压/降压)的驱动电路进行驱动并且产生的电流流动(图中的三角波形)总是相反的多个。注意，升压和降压信号的断言的开始仅在相应电路中的电流为零(或至少可忽略)时开始，以确保相应驱动电路的组件不被任何残留的相反电流流动所损坏。当电动机被配置为完整电源配置时，图8中所示的控制信号序列应用于图7中所示的四组定子线圈中的每一组，但是电动机也可以在当至少一组定子线圈未通电时以较低电源配置操作。这可以通过改变断言的升压和降压控制信号来实现，这反过来可以通过在适当时断开一个或多个驱动电路或一个或多个驱动板来实现。另外，应该注意的是，电动机操作的速度因此由施加的升压和降压信号的时间序列(例如图8)确定，而不是由电机操作的特定电源电平确定。电源电平可以由(由所选升压和降压信号持续时间产生的)电流脉冲的大小确定。因此，例如，对于大致相似的电源电平，电动机可以以两种显著不同的速度(例如，500rpm和1000rpm)操作。旋转速度与操作电源电平的这种独立性为用户选择如何操作电机增加了显著的灵活性，通过选择哪组定子线圈进行供电，通过时间序列和总操作电源电平来指示转速。此外，用户对电机的转速具有这种直接和独立的控制的事实意味着在许多情况下可以省去与传统电动机相关联地提供的传动装置或变速器。

图9示出了当在与图7的径向表示相同的径向表示中观察时在示例性电动机的一个操作状态中产生的磁场的模拟。该模拟(在左侧示出)被标记为“双向”并且对应于根据本技术的驱动电路，其用于在相反方向上同时驱动组中的定子线圈对。为了比较，第二模拟(在右侧示出)被标记为“单向”并且对应于如下配置：其中，在相同方向上同时驱动组中的定子线圈对。磁场符号(特斯拉)是在定子齿之间的气隙中发生的。当在气隙中测量时，可以看出(针对双向实例，与单向实例相比)，所产生的ON场大约大25％，顶部OFF场小约9倍，并且底部OFF场几乎小750倍。增加的ON场增加了转矩，并且减少的OFF场减少了阻力。这是因为双向配置在电动机中(并且特别是在转子部分中)产生加强磁场的事实，这进一步提高了该电机系统的效率。

图10A和10B示出了使用光学传感器来提供转子部分相对于(一个或多个)定子部分的相对位置信息。图10A示出了在位置上与三个定子齿对齐的三个光学传感器100、102、104，并且尺寸和校准使得：a)当转子齿与光学传感器和定子齿对齐时，仅一个光学传感器记录转子齿的存在，以及b)当转子相对于定子部分旋转时，至多两个光学传感器记录转子齿的存在。这种配置意味着只有三个光学传感器(可能在模数转换后，根据所用传感器的类型，最终产生三位信息)，转子与定子的相对方向可以确定在2.5°以内(对于这16个转子齿/24个定子齿的示例性配置)。此外，没有中间位置，其中没有关于转子-定子的相对位置信息是可用的，并且因此，无论电机在哪个位置停止，都可以知道哪些定子线圈被激活以使电机运转。图10B示出了当转子相对于定子旋转时相应的三个光学传感器输出。

在一些示例性配置中，通过定子线圈的电源的方向(以及因此产生的磁场的方向)可以通过与线圈的连接的特定配置来实现。图11A示出了一个其中线圈驱动电路可用于向定子线圈对提供电源的示例性配置，该定子线圈对一次有效但在相反方向上被激活(在图中其为六个线圈的组中的第一和第四线圈)。第一和第四线圈的缠绕以彼此相反的方式进行，使得对于由线圈驱动器提供的电源的一个极性，在第一和第四定子齿中产生相反取向的磁场。图11B示出了其中与每个定子线圈相关联地提供进一步的开关电路的另一示例性配置，该开关电路由开关控制信号来控制，该开关控制信号确定流过线圈的电流的方向。该开关控制信号可以由线圈驱动器来提供，或者例如由控制线圈驱动器的控制电路来提供。

图12示例性地示出了在一个示例中的驱动板。该驱动板被提供为单个集成电路板，其上布置有六个驱动电路112、114、116、118、120和112(例如，如图6所示进行配置)，控制电路126和共用DC电源124。控制电路分别向每个驱动电路提供升压和降压控制信号。在与六个驱动电路相同的板上提供共用DC电源意味着支持上述(例如，关于图4)板内(而不是板上和板外)的大部分电流的移动。

图13示例性地示出了在一个示例中的完整开关磁阻电动机驱动装置130，其包括八个驱动板132(例如，如图12所示进行配置)并且因此被配置为控制48个单独的定子齿(如图1示出的示例性电机系统中所示)。整体控制单元134还形成装置130的一部分并且指示八个驱动板132的高电平操作，例如当电动机应在较低电源模式下操作时以及当每个单独的驱动板耦合到(可以被断开的)一组定子线圈(例如，每个定子部分中的象限)时，使得各个驱动板被暂时断开，以实现该低电源模式。然而，重要的是要理解，由整体控制单元134和板控制电路126提供的驱动电路控制的组合使得首先可以导通或断开任何单独的驱动电路，而不管其他驱动电路的操作，并且其次是由每个驱动电路提供的对每个定子线圈的控制完全独立于由任何其他驱动电路提供的对任何其他定子线圈的控制。因此，电动机驱动装置130因此提供对多达48个驱动电路的单独控制，并且因此提供对定子线圈的单独控制，但是鉴于上述关于定子线圈组和驱动电路对的讨论，由于产生的益处，可以选择将某些驱动电路的操作紧密联系起来，并且在这种配置中，提供给各种定子线圈的电源的阶段可以是相同的。

图14示出了在一个示例中采用的一系列步骤，示出了如何操作两个驱动电路。可以认为该流程在步骤140处开始，其中，在第一阶段中，开关磁阻电动机的第一定子线圈由一个驱动电路利用来自共用电源的第一极性电流进行充电，并且第二定子线圈利用来自第二驱动电路的存储电容器的第二(相反)极性电流进行充电。在步骤142处，在第二阶段中，两个电机线圈被放电，第一定子线圈被放电到第一驱动电路的存储电容器中，并且第二电动机线圈被放电到共用电源中。在步骤144处，在第三阶段中，两个电机线圈被再次充电，但是每个电机线圈都以与第一阶段相反的方向被充电。第一电机线圈利用来自第一驱动电路的存储电容器的第二极性电流进行充电，并且第二电动机线圈利用来自共用电源的第一极性电流进行充电。最后在步骤146处，在第四阶段中，两个电机线圈被再次放电。第一电机线圈被放电到共用电源，并且第二电动机线圈被放电到第二驱动电路的存储电容器中。

图15示例性地示出了电动车辆(例如，汽车)，其中将找到电动机系统的示例。车辆150具有四个车轮152，每个车轮由其自身的电机154来驱动。每个电机154由相关联的驱动装置156来驱动，并且四个驱动装置组的整体控制由中央控制单元158来保持。在每个电机154内，设置在每个定子齿上的线圈绕组为铝。在移动车辆的情况下，这是有益的，因为铝比铜轻约三倍并且便宜(按重量计)约五倍，使其每单位面积便宜约十五倍(使其便宜到足以成为可更换的磨损物品)。在其他示例中，设置在每个定子齿上的线圈绕组可以是铜、或任何其他合适的导电金属。

以前，用于定子线圈绕组的铝的选择无论如何通常会被拒绝，因为每横截面积的铝的电阻是铜的两倍，并且因为铝比铜更容易振动。然而，在根据本技术的电动机系统中，线圈中所需的电流特别低，并且因此由于较高的电阻而导致的电源损耗(根据I²R)意义不大。实际上，R的较高值实际上使得L/R时间常数较低，并且因此驱动电路操作得更快。

此外，电机的低成本和其相对于转速的操作灵活性的组合意味着在图15所示的示例中在每个车轮处提供单独的电机是实用的，而不是在每个车轮处提供具有相关联的变速器和传动装置的一个中央电机。在每个车轮处放置这种“便宜”的电机(该电机使用铝制定子线圈绕组)使得电机可以能够(例如，以制动衬垫的方式)作为可替换的物品，并且可以实现使用廉价铝的好处。

应该理解的是，这种布置也是可能的，至少部分地是由于磁能从线圈这里传递到转子的重要性降低。这是因为事实上本技术意味着可以回收和重复使用不会从线圈磁性传递到转子的任何磁性存储能量。以前，电机中的线圈和转子之间的气隙必须非常小(例如，几分之一毫米)，以便保持可接受的效率(通过从转子传递到线圈的良好磁能)，对于当前的电机系统，由于能量的再循环，这种对气隙的尺寸的限制更加宽松。反过来，这意味着电机可以定位在更加暴露的位置中，因为它对更松弛(和变化)的气隙具有更大的容差。

实际上，图16示出了示例性电机示例，其中汽车车轮160具有制动盘162，该制动盘162适于形成电机的一部分。制动衬垫164通过施加到制动盘162的选择性摩擦来继续执行通常的制动功能，但是制动盘162的外边缘166已经适于提供电机的转子部分(例如，具有模制的翅片或辐条以提供可变的磁阻)。周围部分168提供定子部分。以这种方式将“现有”组件与电机进行组合，对于整个车辆而言也具有明显的减轻重量的优点。例如，也可以对普通车轮组件的其他组件(例如，钢制轮辋或制动鼓)进行这种调整。先前的开关磁阻电机设计通常不能容忍在这种暴露位置中的操作，因为它们对于电动机中的线圈和转子之间的气隙具有良好的灵敏度，例如要求气隙小于0.5mm，并且通常将不会考虑以这种方式暴露相对昂贵的电机。然而，本技术：a)提供相当便宜的电机系统，这使得其自身的替换成本成为不太重要的因素；b)允许较低电流配置，这使得其结构更便宜，但更多电阻材料(例如，铝)更实用；以及c)循环使用的能量，从而允许提高效率并且使得精确且小的线圈到转子的气隙不太重要，例如，允许气隙大于1.0mm。

总之，从以上描述中将可以理解，本文描述的电动机系统及其相关联的线圈驱动电路通过回收未从那些场转化为旋转能量的未使用能量，能够在低净电源输出下使用定子线圈中的强磁场。利用这种能力并且进一步通过能够禁用定子线圈组的方式，电机可以有效地操作到极低的输入电平。例如，根据所述原理构造的原型750W(1HP)电机已在其整个输出速度范围内并且输入电源电平低至15W(即，比其设计电源低50倍)操作。除了在低转速下操作电机(由大量阶段和转子齿促进)之外，这种能力允许电机在各种输出电平下有效地操作，这可以避免对变速箱和/或各种系统中的传动装置的需求。

图17示例性地示出了与单个定子线圈相关联的定子线圈驱动电路的一个示例的主要组件，其将被识别为图2中所示的电路的变型。实际上，图17中的电路的组件与图2所示的电路的组件是相同的，起到与图2中所示的组件相同的作用，并且给出相同的附图标记。因此，为简洁起见，在此省略对这些组件的重复描述。图17的电路与图2的电路之间的区别在于，在图17中，存储电容器38以电源节点而不是接地节点为基准。因为定子线圈40附接到电源节点而不是接地节点，并且这里的存储电容器38也附接到电源节点而不是接地节点，所以整个降压阶段在存储电容器38和定子线圈40之间的紧密环路中转储电荷，并且不再涉及电源42。因此，当定子线圈40在降压阶段中从存储电容器38被充电时，电流不再流到电源42，并且然后定子线圈40在降压阶段中被放电，电荷从其来源处流回存储电容器38。

这还允许存储电容器38的尺寸(并且因此特别是成本)减小，因为存储电容器38总是偏置在电源电压处。如上所述，这种以电源为基准的存储电容器38意味着电源不参与涉及存储电容器38的任何电流，因为每当存储电容器38正在充电或放电时就绕过电源，从而允许其尺寸减小。与以接地为基准的存储电容器38的实例不同，定子线圈电流与电源电流不匹配。

图18A、图18B和图19类似地示出了在一个示例中的驱动电路的配置的进一步细节，其又分别是图5A、图5B和图6的示例的相同变型，即其中存储电容器(CSTORE)52是以电源节点为基准的(而不是如图5A、图5B和图6的示例中的以接地为基准)。图18A、图18B和图19中的电路的组件再次与图5A、图5B和图6中所示的组件相同，起到与图5A、图5B和图6中所示的组件相同的作用，并给出相同的附图标记。因此，为简洁起见，在此省略对这些组件的重复描述。

图20示出了图17的示例的变型，在图20中增加了电源二极管200和电源电容器202。提供电源二极管200以阻止电流流回电源42。因此，当驱动电路试图将电流驱动回电源42时(仅发生在降压电感器放电时)，电压然后在电源二极管的“下游”节点(本文也称为“本地电源”节点)处积累。随着该本地电源处的电压增加，一些电流将被驱动回到存储电容器38，部分地对其进行充电。因为保持存储在本地电源节点处的电能可以导致相对高的本地电压，所以图20的电路还包括跨越电源二极管202的电源电容器202。该电源电容器202可以吸收该额外的本地电流并降低这种本地电源电压的电平。图21示出了类似的可选配置，其中，电源电容器204将本地电源节点(即，线圈绕组的端子)耦合到电源的相对于电源节点的相对侧上的接地节点。

图22-图25讨论了电荷电流随时间的变化，其中在相应的升压和降压阶段中在电荷存储元件以接地为基准的示例(图22和图23)和电荷存储元件以电源为基准的示例(图24和图25)之间进行比较。图22示出为具有第一升压阶段，其中，首先从电源对电源线圈(电感器)进行充电，并且然后将电源线圈放电到电容器中。然后是随后的降压阶段，其中，首先从电容器对电源线圈(电感器)进行充电，并且然后将电源线圈放电到电源中。可以看出电感电流与电源电流相匹配。

图23示出了两个线圈驱动器(每个线圈驱动器具有以接地为基准的电荷存储元件)可以如何从共用电源彼此异相运行，使得净线圈驱动电源电流可以在很大程度上被抵消，只留下净电机输出电源作为电源消耗。如上参考图22所述，实线对应于用于第一线圈驱动器的电流曲线。虚线对应于与第一线圈驱动器异相180度操作的第二线圈驱动器的电流曲线。当第一线圈驱动器处于升压阶段时，第二线圈驱动器处于降压阶段，反之亦然。

转到图24，在线圈驱动器(其中，电荷存储元件以电源为基准)的示例中示出了电源电流随时间的变化。如图22中的示例所示，存在第一升压阶段，其中，首先从电源对电源线圈(电感器)进行充电，并且然后将电源线圈放电到电容器中。然而，电容器以电源为基准意味着当电源线圈被放电到电容器中时没有电源电流，并且这可以看作直接降至零。相反，接着是随后的降压阶段，其中，首先从电容器对电源线圈(电感器)进行充电，并且然后将电源线圈放电到电源中。同样，电容器以电源为基准意味着当电源线圈从电容器进行充电时没有电源电流，并且可以看到电源电流保持为零。当电源线圈最终放电到电源中时，并且可以看到电源电流在放电到零之前迅速达到峰值。总的来说，可以看出电源不再参与任何涉及电容器的电流，每当电容器正在充电或放电时就绕过电源。这里(与图22相反)电感电流不再与电源电流相匹配。

现在考虑图25，可以看出图23中所示的电流的多通道抵消不再可能。图25示出了两个线圈驱动器(每个线圈驱动器具有以电源为基准的电荷存储元件)如何从共用电源彼此异相运行，不会导致净线圈驱动电源电流被抵消。本质上，电流流动的错误部分隐藏在电源之外，导致电流的不连续和增加。实线和虚线表示两个线圈驱动器的电源电流曲线，并且在右侧，用虚线表示净电源电流。注意，仅为了清楚说明而采用电流(特别是来自两个线圈驱动器曲线的净电源电流的)迹线的小偏移，使得可以看到两条线。事实上，净电源电流应该直接覆盖其他线(虚线和实线)。

因此，可以发现以电源为基准的存储电容器特别适用于成对的多个阶段电源电流的抵消较少受到关注的布置中，例如在三个阶段的系统的示例中，当与传统的以接地为基准的存储电容相比时，它可以通过双向电源直接将电流减少一半(以及降低存储电容器的成本)。对于单向电源，电流进一步降低，但是由于在“本地电源”上需要额外的电源电容器(如上所述)，因此电容器成本不会降低。图26和图27示出了三个阶段的配置的两个示例。图26示出了共用以电源为基准的存储电容器，而图27示出了用于每个阶段的单独存储电容器，其中，每个存储电容器都以相同的电源节点为基准。

尽管本文已经参考附图详细描述了本发明的示例性示例，但是应该理解，本发明不限于那些精确的示例，并且本领域技术人员在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下可以在其中实现多种改变、添加和修改。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用独立权利要求的特征对从属权利要求的特征进行各种组合。