电机与负载特性曲线的同步化的制作方法

专利名称：电机与负载特性曲线的同步化的制作方法
技术领域：
本发明在总体上涉及驱动有可周期性变化输入要求的负载的系统和方法。尤其但不是排他的是，本发明涉及电机的输出特性曲线与该电机所连接的装置的负载特性曲线的同步化。
一种这样类型的机器是开关磁阻电机，近年来，该开关磁阻电机再度被认为能很好地用于可变速用途。开关磁阻电机的设计和操作的普通原理是公知的，并由例如“The Characteristics，Design and Applicationsof Switched Reluctance Motors and Drives”公开，该文献在1993年6月21-24德国纽伦堡的PCIM’93 Conference and Exhibition中由Stephenson和Blake发表，其内容包含于此，以供参考。
开关磁阻电机通常设置成在运动部分(通常称为转子)没有绕组或永磁体。大多数开关磁阻电机的静止部分(称为定子)包括环绕定子极点的线圈，该线圈通常载有单向电流。在一种开关磁阻电机中，环绕相对定子极点的线圈串联或并联连接，以便形成潜在多相开关磁阻电机的一相绕组。通过以预定顺序将电压施加在各相绕组上而产生电机回转扭矩，该预定顺序与转子的角度位置同步，这样，当转子和定子的极点互相接近时，在转子和定子的极点之间形成磁性吸引力。同样，通过使电压脉冲位于循环中极点彼此离开的部分，从而产生发电作用。在典型操作中，每次给开关磁阻电机的相绕组供能，相绕组都将产生磁通量，从而在转子极点上形成吸引力。
开关磁阻电机的最普通形式是旋转的和柱形的，并有内部转子。不过，还已知反结构、线性和分段的电机。本发明可用于不同类型的马达。
为了保持由开关磁阻电机产生的力矩和相关速度，需要仔细控制电压施加到马达的相绕组上的时刻。控制模式有多种，在前述Stephenson的文章中公开了一些控制模式。
不同类型的电机具有作为角度的函数的不同力矩分布特性曲线，通常，当设计人员选择电机以实现特定任务时将受到这些特性曲线(已知或预期)的影响。例如，通常DC电机有非常光滑的扭矩/角度分布(即它们有较低的扭矩波动)，考虑到没有扭矩波动能生产高质量的产品，这些电机例如通常选择为驱动钢厂的辊子或驱动磨床的往复动程。相反，已知单相感应马达有非常高的力矩波动(因为扭矩通过脉冲产生，而不是旋转场)，因此，对于低惯性和对力矩波动敏感的负载用途，该单相感应电机并不能认为是一种很好地选择。
经常用于评价开关磁阻电机的等级的一个评价标准是它所固有的力矩波动峰值，该力矩波动峰值只能在降低平均力矩大小或者提高功率转换器的等级的情况下才能被抑制，提高功率转换器的等级将能够处理比在其它情况所需电流更高的电流。在很多研究者的观点中，这是开关磁阻电机的主要缺点，否则开关磁阻电机能够有更宽的用途。例如，Husain和Ehsani在1994年2月13-17日在Florida，Orlando的Proc of IEEE9th Applied Power Electronics Conference发表的文章“Torque rippleminimization in switched reluctance motor drives by PWM currentcontrol”中的72-77页包括力矩波动机理的详细说明，并介绍了一种使其减小的方法。直到现在还认为力矩波动的原理涉及必须要减小的可变输出。不过，根据已知方法，试图减小力矩波动通常还将减小该马达可获得的平均力矩。
发明概述本发明由所附独立权利要求确定。本发明的一些优选特征分别在从属权利要求中说明。
根据本发明的一个实施例，提供了一种驱动有可周期性变化的输入要求的负载的方法，该方法包括通过有可周期性变化的输出的电马达驱动负载，该可周期性变化的输出包括在其循环中的、小于负载的可变输入要求的峰值的低输出；以及使该马达与负载连接成这样，即负载的峰值输入要求与马达输出循环中的、马达的瞬时输出超过该峰值的区域相对应。
根据本发明的另一实施例，提供了一种通过有可周期性变化的输出的电马达来驱动有可周期性变化的输入要求和有通常可重复的静止位置的负载的方法，该方法包括使马达与负载连接成这样，即该可周期性变化的输出在起动时升高，以便促使负载加速离开静止位置。
本发明不是为了抑制电机例如开关磁阻电机的输出波动，而是提供一种当电机与也有输入(负载)波动或有快速加速的起动要求的负载连接时利用该电机的方法。该峰值负载要求可以布置成基本与电马达的可变输出中更适于满足该要求的区域相对应。因此，在本发明的一种形式中，马达的平均输出实际上可以小于峰值要求，只要负载要求的包迹线由马达输出覆盖。在本发明的另一形式中，马达和负载之间的连接可以布置成在负载起动位置或该位置附近提供峰值输出，以便通过利用马达的输出峰值来促进最初的加速。通过这种重新确定力矩波动的问题的方法，能够更高效和更经济地利用马达，而不需要采用输出波动减小方法。
优选是，马达的输出和负载要求是力矩。还优选是马达的输出循环周期与负载的周期性力矩要求的周期相等，或者能被该力矩要求周期整除。
根据本发明的一种形式，提供了一种起动内燃机的方法，该内燃机有可周期性变化的起动力矩要求，该方法包括使发动机与开关磁阻电机连接，该开关磁阻电机的力矩输出有可周期性变化的波动，且该周期等于起动力矩的周期或者可被该起动力矩的周期整除，且该开关磁阻电机包括小于发动机起动力矩要求中的峰值的低力矩输出；以及将马达和发动机的角度方位布置成使起动力矩要求中的峰值与力矩输出中马达的瞬时力矩大于起动力矩的区域相对应。
根据本发明的另一形式，提供了一种内燃机的起动器系统，该内燃机有可周期性变化的起动力矩要求，该系统包括开关磁阻电机，该开关磁阻电机的力矩输出有可周期性变化波动，该可周期性变化的波动的周期等于起动力矩周期或可以被该起动力矩周期整除，且该开关磁阻电机包括小于发动机所需起动力矩的峰值的低力矩输出，电机与发动机连接成这样，即所需起动力矩中的峰值与力矩输出中马达的瞬时力矩大于起动力矩的区域相对应。
在本发明的还一形式中，提供了一种起动内燃机的方法，该内燃机有可变起动力矩要求，该方法包括使发动机与开关磁阻电机连接，该开关磁阻电机的力矩输出有可周期性变化的波动，且该开关磁阻电机包括峰值输出；将马达和发动机的相对角度方位布置成这样，即马达的起动力矩峰值与发动机静止时的位置相对应或靠近该静止位置。
尤其是，本发明的一个实施例涉及一种开关磁阻电机的操作，该开关磁阻电机与内燃机连接成这样，即开关磁阻电机既可以作为马达来起动发动机，也可以作为发电机由该发动机驱动。
对附图的简要说明通过阅读下面对本发明实施例的详细说明并参考附图，可以了解本发明的其它方面和优点，附图中

图1是与发动机相连的开关磁阻驱动器的示意图；图2是现有技术的用于开关磁阻系统的开关电路；图3(a)、(b)&(c)分别是以单脉冲模式工作的开关磁阻驱动器的电压、相电压和供给电流vs旋转角度的曲线图；图4所示为以单相工作的普通开关磁阻电机在任意角度时的力矩波动；图5所示为3相、6定子极点、4转子极点电机的力矩曲线图；图6表示了原动机的力矩和施加在该原动机上的负载之间的关系；图7所示为内燃机的起动力矩要求；
图8所示为图7的负载分别与磁阻马达的特性曲线的叠加；图9所示为根据本发明的曲线；图10所示为现有技术系统从静止开始加速时的力矩和速度；以及图11所示为根据本发明进行工作的系统的力矩和速度。
对推荐实施例的详细说明作为举例，下面对本发明原理的说明将基于开关磁阻电机和构成负载的内燃机(i.c.)。尽管本发明尤其适用于该组合，但是应当知道，本发明还可以用于其它类型的电机与其它负载。图1示意表示了一种普通的开关磁阻驱动器，其中，开关磁阻电机12通过联轴器17与内燃机19相连。输入DC电源11既可以是电池，也可以是整流和滤波的AC电源。由电源11提供的DC电压通过由电子控制单元14控制的功率转换器13转换成横过马达12的相绕组16。该转换必须与转子的旋转角准确同步，以便该驱动器正确工作，且通常利用转子位置检测器15来提供与转子的角度位置相对应的信号。转子位置检测器15可以有多种形式，其中包括计算软件的形式，且它的输出还可用于产生速度反馈信号。
本发明尤其适合用作内燃机的起动器/发电机，其中，该电机作为马达来使内燃机的曲柄转动，从而起动该内燃机，且它还在内燃机运行时用作发电机。联轴器17为普通的直接联轴器，马达和负载的轴安装在该联轴器上，然后根据后面将介绍的本发明原理进行角度调节。一旦形成正确的角度位置，联轴器17拉紧。保持输出和输入之间的角度整体性(integrity)的装置除了包括联轴器17外，还包括有齿的驱动器和其它分度传输系统，如本领域的技术人员所知。
已知多种不同的功率转换器，它们中的几个在前述Stephenson的文章中公开。多相系统的单相的一种最普通的结构如图2所示，其中，电机的相绕组16与横跨母线26和27的两个开关装置21和22串联连接。母线26和27统称为转换器的“直流传输线”。能量回收二极管23和24与绕组相连，以便当开关21和22断开时允许绕组电流流回直流传输线。称为“直流传输线电容器”的电容器25横过直流传输线连接，以便发出或接收直流传输线电流的交流部分(即所谓的“波纹电流”)，该交流部分不能由供给源发出或返回供给源。实际上，电容器25可以包括几个串联和/或并联的电容器，当采用并联连接时，某些元件可以贯穿转换器分布。通常还包括与底部开关22串联的电流测量电阻器28。
根据定时转换(switching timing)，功率转换器用于使开关磁阻电机作为马达来驱动内燃机19，或者作为发电机而由该内燃机驱动，以便将能量供给功率供给源11。电机的这种重新配置形式是本领域普通技术人员公知的。
图3表示了图2所示电路的电机回转循环的典型波形。图3(a)表示了当开关21和22闭合时在引导角θc期间所施加的电压。图3(b)表示了相绕组16中的电流升高到峰值，然后稍微下降。在引导期间的末期，开关断开，电流转向二极管，使得反向传输线电压作用在绕组上，从而促使流量和电流降低至零。在零电流时，二极管停止传导，电路停止，直到开始后一个引导期。当开关断开时，直流传输线上的电流反向，如图3(c)所示，该返回的电流表示能量返回供给源。电流波形形状根据电机的工作点和所采用的开关方法而变化。例如，如前述Stephenson的文章中所述，低速工作通常涉及采用电流限幅，以便包含峰值电流，且不同时切断开关将产生通常称为“空程”的工作模式。
当供给恒定电流时，由作为马达工作的开关磁阻电机所产生的力矩对于不同角度并不恒定。例如，图4表示了作为角度的函数的、由典型小电机所产生的力矩，其中可清楚看见从一相到另一相的过渡点。在该实例中，电机有6相、12个定子极点和10个转子极点，形成的力矩波动周期为6°，但是具有其它极点数目的电机的总体形状是一样的-只是在电机旋转一周时力矩波动循环的数目改变。图5表示了3相、6定子极点和4转子极点的电机的力矩曲线，该力矩曲线的力矩波动周期为30°。相和极点数目的多种其它组合为本领域公知，它们各有自己的力矩波动周期。
旋转机械负载的力矩分布很少对于不同角度恒定，即使速度较高和/或惯性较大，从而使力矩波动对于原动机来说通常并不明显。不过，当速度较低，例如当负载通过此时加速力矩很小的原动机而从静止开始起动时，负载的力矩波动变得很重要。图6表示了一个任意原动机和负载的力矩在转一周的角度范围内的分布。除A和B两点之间的区域外，原动机的力矩大于负载的力矩。阴影部分区域表示在任意角度的加速力矩，即该力矩可以对原动机和负载的组合惯性进行加速。在角度范围A至B中，负载要求的力矩大于可获得的力矩，因此，曲线之间的差值是减速力矩。由此可见，当原动机在所谓的点C处供能时负载将被加速，并将在点A处获得足够的速度，以便越过减速区域。应当知道，加速力矩区域和减速力矩区域的相对大小确定了系统是否被起动。不过，当首先在区域A至B中供能时，系统将不会旋转，因为负载力矩大于原动机力矩。
图7表示了大于6缸2冲程内燃机的线性化起动力矩曲线。在组合曲线中，6个缸各形成一个“峰值”。该曲线的总体形状是内燃机的典型形状，尽管特定的发动机布置和设计有着特定的峰值数目和特定的峰值形状。所示曲线线性化是为了清楚表示-实际上该曲线有高阶部分，该高阶部分将小的圆角和其它变化形式引入曲线。
图8表示了图7的负载分布与开关磁阻马达的力矩/角度曲线在任意角度的叠加。马达在360°中有12个峰值，这是6静子极点、4转子极点、3相电机的特性曲线。当该马达用作发动机的起动器时，显然，当发动机停在除了靠近其力矩曲线峰值之外的其它任意位置时都能成功起动，但是当该发动机停在靠近其峰值处时起动将失败。
图9所示为图8的马达力矩曲线根据本发明进行叠加，即马达与负载连接成这样，即马达力矩曲线的峰值与负载力矩曲线的峰值对齐或至少基本对齐。该力矩曲线的对齐通过使马达和发动机的轴以正确的角度位置彼此对齐而获得。正确的角度位置既可以通过设计而知，也可以通过对输入和输出力矩曲线的实验测量而知。当采用单独的联轴器时，例如图1中的联轴器17，那么该联轴器安装在轴上，并当该轴处于正确的相对位置时固紧就位。当不采用单独的联轴器时，如果采用配合花键或其它这样的装置，彼此啮合的轴的特征必须分别制成使该轴相对于马达和负载的力矩曲线处于正确的方位。
磁阻电机与内燃机连接的角度方位根据本发明布置，这样，峰值要求落在能进行力矩供给的范围内，并不处于不能提供足够力矩供给的低力矩输出范围内。而且，可以看见，这时在每个转子角度处，马达力矩都超过负载力矩，因此马达能够使发动机从静止状态起动。即使在马达的平均力矩(大约为曲线的最大值与最小值之间的中部)小于负载曲线的峰值时也能起动。而且，因为内燃机循环的“压缩/膨胀”特征，发动机将在预定的一般位置停止，该预定的一般位置由处于朝着上死点升高的压缩冲程中的一个缸的位置而确定。该停止位置将有很小变化，但还是可以预测该一般位置。因此，应当知道，当电机根据本发明与负载连接时，它的输出可以小于在普通实践中所需要的输出，并可以省略使力矩波动光滑的无效成本。
尽管上述实施例以本发明用于旋转装置为例进行介绍，但是本发明通过必要变化，也可以用于线性系统，其中，在负载和原动机中有力的波动，即力作为线性位置的函数而变化。这时，线性马达的力波动的峰值与负载要求的力的峰值对齐。应当知道，根据本发明，通过采用合适的旋转-线性转换器，例如齿条和小齿轮装置，旋转马达的力矩输出可以用于驱动线性负载。类似的，线性马达的力输出可以同样用于驱动旋转负载。
显然，由图8和9可知，当负载变化的周期与马达输出变化的周期相同或是马达输出变化周期的小倍数时，尤其能很好使用本方法。这时，采用本发明的优点是能够减小马达的额定功率。不过，当马达输出变化周期小于负载周期时(例如当采用更多极点数目的电机时)，在所有点上都大于负载的马达输出能够减小。不过，本发明也有其它方面的优点，即在减小使负载速度从零变到预定值所需的加速时间方面，如下面将介绍。
图10表示了负载的力矩要求(曲线A)和马达的力矩输出(曲线B)，其中，马达力矩的变化周期比负载的变化周期小得多。这里负载的周期为180°，马达的周期为7.5°。x轴为时间。负载和马达连接成这样，即在起始位置，马达产生的输出将达到其最小值，在本例中该位置在最小值之前8°。在零时间时激励马达，所产生的力矩恰好足以使负载从静止开始加速。曲线C表示了该系统加速时的速度，0.105秒之后速度为大约400转/分。可以看见，尽管输出的马达力矩循环的某些部分低于该部分的负载，但是系统的惯性能够使负载通过这些凹沟。该效果如速度曲线C明显所示。
图11表示了根据本发明工作的马达和负载的性能。马达连接成这样，即在发动机处于停止的静止位置处时，马达力矩升高到其最大值，在本例中，马达连接成使得该位置在其峰值之前22°。最初可得的加速力矩比图10中大8倍，并还在升高，因此，负载在最初的0.01秒中快速加速。这使得达到400转/分所用的时间大不相同-这时大约为0.074秒-减小了大约30％。因此，本发明提供了一种利用具有可周期性变化的输出的电马达起动负载的方法。通过利用马达输出中所存在的峰值，并通过马达相对于发动机负载的连接来促进加速，低功率马达也可以提供与没有根据本发明连接的较大马达系统相同的初始响应性。该方法不仅能起动内燃机，而且在提供初始力或力矩的其它用途中也同样有用。
本发明的形式通过用于内燃机的起动器/发电机来说明，如图1所示。开关磁阻起动器马达12和发动机19布置成这样，即马达12的力矩输出在发动机静止时升高到峰值。如上所述，对于发动机气缸中的任意一个，内燃机将停止在预定位置，即恰好在压缩上死点之前。这样，在马达处于预定静止位置时，马达的力矩输出必然在升高的力矩输出曲线上。因此，根据本发明，可以在起动时利用处于峰值输出或靠近峰值输出的低额定功率马达。
在不脱离本发明的情况下，技术人员可以对所述结构进行变化。因此，上述几个实施例仅仅作为实例，而不是为了限定。显然，在不明显改变上述操作的情况下，技术人员可以对该结构进行较小变化。本发明只能由下面的权利要求的范围来限定。
权利要求
1.一种驱动有可周期性变化的输入要求的负载的方法，该方法包括通过有可周期性变化的输出的电马达驱动负载，该可周期性变化的输出包括在其循环中的、小于负载的可变输入要求的峰值的低输出；以及使该马达与负载连接成这样，即负载的峰值输入要求与马达输出循环中的、马达的瞬时输出超过该峰值的区域相对应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中输出循环的周期等于输入循环的周期，或者可被输入循环的周期整除。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，峰值输入基本与峰值输出相对应。
4.一种通过有可周期性变化的输出的电马达来驱动有可周期性变化的输入要求和有通常可重复的静止位置的负载的方法，该方法包括使马达与负载连接成这样，即该可周期性变化的输出在起动时升高，以便促使负载加速离开静止位置。
5.根据权利要求1至4中任意一个所述的方法，其中峰值的输入要求和电马达的输出是力矩。
6.根据权利要求5所述的方法，其中输出的周期性可变性涉及马达的转子相对于马达的静子的角度位置变化。
7.根据权利要求1至6中任意一个所述的方法，其中该负载是内燃机，电马达作为起动器马达连接到该发动机上。
8.根据权利要求1至4中任意一个所述的方法，其中负载的输入要求是力。
9.根据权利要求1至5或8中任意一个所述的方法，其中该电马达的输出是力。
10.根据权利要求1至9中任意一个所述的方法，其中该马达是开关磁阻马达。
11.一种用于有可周期性变化的输入要求的负载的驱动系统，该系统包括一电马达，该电马达有可周期性变化的输出，该输出包括在其循环中且小于负载的可变输入要求中的峰值的低输出；以及负载和马达之间的连接布置成这样，即负载的输入要求的峰值基本与马达输出循环中马达的瞬时输出大于负载的区域相对应。
12.根据权利要求11所述的系统，其中输出循环的周期等于输入循环的周期，或者可被输入循环的周期整除。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，峰值输入基本与峰值输出相对应。
14.一种用于驱动有可周期性变化的输入要求和有通常可重复的静止位置的负载的驱动器系统，该系统包括一电马达，该电马达有可周期性变化的输出；马达与负载之间的连接布置成这样，即该可周期性变化的输出在起动时升高，以便促使负载加速离开静止位置。
15.根据权利要求11至14中任意一个所述的系统，其中峰值的输入要求和电马达的输出是力矩。
16.根据权利要求15所述的系统，其中输出的周期性可变性涉及马达的转子相对于马达的静子的角度位置变化。
17.根据权利要求11至16中任意一个所述的系统，其中该负载是内燃机，电马达作为起动器马达连接到该发动机上。
18.根据权利要求11至15中任意一个所述的系统，其中负载的输入要求是力。
19.根据权利要求11至16或18中任意一个所述的系统，其中该电马达的输出是力。
20.根据权利要求11至19中任意一个所述的系统，其中该马达是开关磁阻马达。
21.一种起动内燃机的方法，该内燃机有可周期性变化的起动力矩要求，该方法包括使发动机与开关磁阻电机连接，该开关磁阻电机的力矩输出有可周期性变化的波动，且该周期等于起动力矩的周期或者可被该起动力矩的周期整除，且该开关磁阻电机包括小于发动机起动力矩要求中的峰值的低力矩输出；以及将马达和发动机的角度方位布置成使起动力矩要求中的峰值与力矩输出中马达的瞬时力矩大于起动力矩的区域相对应。
22.一种内燃机的起动器系统，该内燃机有可周期性变化的起动力矩要求，该系统包括开关磁阻电机，该开关磁阻电机的力矩输出有可周期性变化波动，该可周期性变化的波动的周期等于起动力矩周期或可以被该起动力矩周期整除，且该开关磁阻电机包括小于发动机所需起动力矩的峰值的低力矩输出，电机与发动机连接成这样，即所需起动力矩中的峰值与力矩输出中马达的瞬时力矩大于起动力矩的区域相对应。
23.一种起动内燃机的方法，该内燃机有可变起动力矩要求，该方法包括使发动机与开关磁阻电机连接，该开关磁阻电机的力矩输出有可周期性变化的波动，且该开关磁阻电机包括峰值输出；将马达和发动机的相对角度方位布置成这样，即马达的起动力矩峰值与发动机静止时的位置相对应或靠近该静止位置。
24.根据权利要求24所述的方法，其中马达的起动力矩在起动时升高到峰值。
25.一种驱动负载的方法，包括通过有可周期性变化的输出且包括峰值输出的电马达来驱动负载；以及使马达相对于负载连接成这样，即马达的峰值输出基本与负载的峰值输入要求相对应。
全文摘要
一种驱动有可周期性变化的输入要求的负载的方法,该方法包括:通过有可周期性变化的输出的电马达驱动负载,该可周期性变化的输出包括在其循环中的、小于负载的可变输入要求的峰值的低输出;以及使该马达与负载连接成这样,即负载的峰值输入要求与马达输出循环中的、马达的瞬时输出超过该峰值的区域相对应。电机与力矩分布随角度变化的负载连接。该电机连接成这样,即电机的力矩波动与负载的力矩波动同步成这样,即提供了能够在任意角度位置起动的高效驱动器系统。这使得电机的大小能够减小成平均力矩低于负载的负载力矩要求。
文档编号H02K7/00GK1388640SQ0212066
公开日2003年1月1日 申请日期2002年5月24日 优先权日2001年5月24日
发明者查尔斯·R·埃利奥特, 迈克尔·L·麦克莱兰 申请人:开关磁阻驱动有限公司