专利名称：具有用于相应速度范围的不同绕组配置的多相电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及多相电动机的控制，更具体地涉及每个定子相绕组的重新配置，用以在电动机运转速度范围的各部分中向绕组部分的不同的电路连接通电，由此扩大最优运转效率的范围。
背景技术：
诸如基于微控制器和微处理器的、用于电动机控制的应用以及改进的便携电源的实用性的电子系统的逐渐进步已使得研制用于车辆的高效电动机驱动的研发成为引人注目的要求，如研制内燃机的可行替代物。电动机绕组的电控脉冲式通电提供了电动机性能更灵活性管理的前景。通过对适当的定子绕组控制脉冲宽度、占空因数以及电池电源的转换应用，可获得高度实用的多功能性。
上述同时待审的Maslov等人的相关美国专利申请09/826423确定和提出了对改进的电动机的需要，简化制造并且具有高效和灵活性运行性能。在车辆驱动环境中，非常希望在较宽的速度范围内获得平稳运转，同时在最小的能量消耗下保持高扭矩的输出能力。该同时待审的相关美国申请包括若干电磁极，作为隔离的透磁结构，它们被构造成以径向上相对较薄的环形式的几部分，用以提供有利效果。上述Maslov等人的申请认识到电磁体部分的隔离允许每个磁体铁心段中的磁通量单独集中，与现有技术的实施例相比，实质上没有磁通量损失或者磁通量与其余铁心段相互作用而带来的有害的变压器干涉效应。通过将单个极对构造为独立电磁体，可获得运转上的优势。在转换极对绕组的供电时，该独立极对与其余极对的磁路隔离消除了相邻组的磁通量变压器效应。
上述同时待审的美国专利申请10/173610涉及一种用于多相电动机的控制系统，该系统具有这些结构特征。申请中描述了补偿单相电路特征的控制策略，并提供了更高精确度的控制能力，每相控制回路都与它相对应的绕组和结构密切地匹配。控制参数具体地与每个相应的定子相的特征一致。每一相绕组的连续切换通电由控制器控制，该控制器产生与用于通电相绕组的定子相组件相关的参数一致的信号。
虽然上述申请中描述的电动机具有运转上的优势，但这些电动机和现有技术的电动机不能在较宽的运转速度范围内的所有速度上呈现出一致的高效率，甚至是在不变的负载时也不能。对于固定电动机布局，可用的磁动势(MMF)取决于绕组圈数和通电电流。这里使用的术语“电动机布局”指的是电动机的物理特征，诸如定子铁心的尺寸和磁性、定子绕组的线圈数量和线径(线规)等。可用的磁动势显示出在运转范围内扭矩和速度之间的可变的大体反比关系。作用的通电电流可驱动电动机到达额定运转速度。随着电动机朝该速度加速，扭矩减小，流出驱动电动机的电流因此减少，从而效率升至最高水平。当速度增加超出额定速度时，需要额外的驱动电流，由此牺牲了效率。从而，效率在整个速度范围内是变化的，而且在一个低于最大速度相当多的速度上达到峰值。
不同布局的电动机在不同的速度上达到峰值效率，如图1所示。图1是在具有不同布局的电动机的较宽速度范围内电动机效率-运转速度的图表。图中所描绘的这些布局只是在定子绕组圈数上不同。每条效率曲线都随着速度从零升至一个特定速度时达到峰值，然后朝着零效率减少。曲线A代表带有最大定子绕组圈数的电动机，它呈现出最陡的斜率，在最早的速度V2时达到峰值效率。不过，超过该速度，曲线呈现出一个相似坡度的负斜率。从而，该电动机的运转范围是有限的。电动机在可接受的效率水平(在图1中用X％表示)或在该可接受的效率水平以上运转时所处的速度范围窗口相对较窄。
曲线B-E代表带有连续变少的绕组圈数的电动机。随着绕组圈数减少，最高效率时的电动机运转速度增大。曲线B在速度V3时达到峰值效率，曲线C是速度V4时，曲线D是速度V5时，而曲线E是速度V6时。每个电动机都在不同的电动机运转速度时具有峰值效率，并且没有一种电动机具有在整个电动机运转速度范围内的可接受效率。
在电动机应用中，其中电动机要在较宽的速度范围内被驱动，诸如在车辆驱动环境中，图1指出了不存在理想的单个电动机构造可在整个速度范围内提供一致的高运转效率。例如，在V6以上的速度，曲线A和B显示出零效率。在速度范围的下端，例如V2，曲线C-E显示出比曲线A和B显著更低的效率。
对于机动车辆驱动，运转效率是特别重要的，因为要求延长电池寿命和使用时间，超过使用时间，就需要充电或者更换车载电池。从而，存在对电动机的需要，该电动机能够以更一致的高效率在比现在使用的那些更宽的速度范围内运转。在上述Maslov等人的申请(’030)中提出了这个需要。该申请中所采取的方法是在启动速度和电动机所希望运转的最大速度之间、对于多个相互独占速度范围中的每个范围在动态基础上改变每个定子绕组有效线圈的数量。以类似于图1中示出的方式确定速度范围，对于每个速度范围，选定不同数量的所要通电的电动机定子绕组线圈，以在多个运转速度范围的每个范围中获得最高效率。当速度越过相邻速度范围之间的阈值时，改变通电线圈的数量。每个绕组都包括多个独立串联连接的线圈组，它们由分接头连接分开。在一个单一对应的速度范围内，每个相应分接头经开关连接到通电电源。从而，对每个速度范围，绕组具有不同数量的通电线圈。
在上述同时待审的Gladkov的申请(’053和’058)中描述了另一个方法。每个定子相绕组都以不同于其余定子相绕组中每一个的布局配置。绕组布局的特征在于在每一相的绕组中的线圈总数；和每一相的绕组中线圈的线规。在线圈数的总数或者线规上，每相绕组优选地是在这两个方面都不同于其余相绕组中的每一个绕组。在相绕组的规格尺寸和线圈数的总数彼此成反比关系时，所有相绕组都具有基本相同的总线圈质量。相绕组的通电能做成在从启动速度到电动机所希望运转的最大速度之间的几个运转速度范围中的每个范围内达到最高效率。对于容纳很多相的机器结构，需要为每个速度范围预先确定哪一些相绕组不应有所供电压，以及确定作用在每个剩余相绕组上的预先确定的的电压大小是多少。每个速度范围中所要通电的相绕组的数量、以及独立作用的、预先确定的电压大小可以不同。应当根据所感应到的电动机速度在动态基础上作用预先确定的最优电压。虽然对于一个给定的扭矩，能推导出用于相绕组的预先确定的电压，以在整个电动机运转速度范围内提供最优效率，但是存在很多电动机应用，这些应用要求对变化的电动机速度控制，诸如在机动车辆中。电动机的输出扭矩应当根据与所要求的速度相关的用户输入指令来调节。
还有最优化整个运转速度范围内的效率的需要，以及简化在可变速度和扭矩下根据用户指令控制相绕组电压的需要。
发明内容
本发明实现了上述需要，通过在多个运转速度范围内控制多相电动机，在整个运转范围内都具有最优的运转效率。当本发明应用在包括上述Maslov等人的申请中的隔离独立定子铁心段结构的所有电动机结构构造时，本发明是有效的。通过将每个定子部分的绕组分成通过开关相互连接的多个绕组部分，至少部分地获得优势。在整个电动机运转速度范围内，向所有绕组部分通电，只是对速度范围的各自部分，通过适当的开关以不同的电路配置连接。开关由响应所感应到的电动机速度信号的控制器启动，以便启动对应于所感应到的电动机速度的电动机速度范围部分的适用的开关。从而，确定出启动速度和电动机所希望运转的最大速度之间的多个相互独占的子速度范围，而且对每一个子速度范围，选定一个用于所有定子绕组部分的电路连接的不同配置，并通电。
本发明的又一个优点是电动机绕组配置可以在动态基础上改变，用以使电动机适应在各子速度范围以最大效率工作。除了在各速度范围内重新配置绕组部分外，还可提供控制器，用以在输入口接收变化的用户输入信号，控制器能响应该输入信号来调节电源供给绕组部分的电压大小。
本发明的另一个优点是通过在电路中将绕组的各绕组部分的一端通过至少一个开关连接到同一绕组的每个其余绕组部分上，可实现多个绕组部分配置。例如，每个绕组可包括四个绕组部分，它们在电动机速度范围的三个部分中分别以三个不同的电路配置连接。在速度范围的最低部分，所述的四个绕组部分串联连接，在速度范围的中间部分，四个绕组部分以两个并联连接的绕组部分的形式串联连接，并且在速度范围的最高部分，四个绕组部分并联连接。
各铁心段可包括铁磁材料，该材料成形包括一对定子极。每个定子铁心段可与其余铁心段中的任何一个隔离而不直接接触，铁心段绕转动轴线基本上均匀地间隔开。铁心段的多个绕组部分的每个部分都可在铁心段的两个凸极上形成，或者只在两个凸极中的一个上形成。
对于本领域技术人员而言，从以下详细说明中，本发明另外的优点将变得容易明显，其中只显示和描述了本发明的优选实施例，它们仅作为实施本发明的最优方式考虑。将认识到的是，本发明能够有其它的和不同的实施例，而且本发明的几个细节能够在各个明显方面有修改，而不会背离本发明。因此，应当认为附图和说明书实际上是示意性的，而不是限制性的。
本发明通过实例示出，而不是通过限制，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，在附图中图1是具有不同绕组圈数的、不同的现有电动机在较宽的速度范围中电动机效率-电动机运转速度的图表；图2是可在本发明中使用的转子和定子元件的示例构造；图3A描绘了具有根据本发明构造的绕组部分的定子铁心段；图3B描绘了具有根据本发明构造的绕组部分的替换性定子铁心段；图4A描绘了在第一运转速度范围内铁心段的绕组部分的电路连接；图4B描绘了在第二运转速度范围内铁心段的绕组部分的电路连接；图4C描绘了在第三运转速度范围内铁心段的绕组部分的电路连接；图5是使用如图4A-4C所示连接的绕组部分，在扩大的运转速度范围的电动机效率-电动机运转速度的图表；图6是在图4A-4C所示的布置中用于构造铁心元件的绕组部分的电路图；图7是适用于本发明的电动机控制系统的方块图。
具体实施例方式
图2是可用在本发明中的转子和定子元件的示例构造。这里参照上述Maslov等人的同时待审申请09/826422用于更详细地描述示例性电动机。转子部件20为环形环结构，其具有相互间隔开并且沿圆筒形背板25基本均匀地分布的永磁体21。所述的永磁体21是转子极，沿环形环的内圆周磁极交替分布。转子围绕着定子部件30，转子和定子部件分开一环状径向气隙。定子30包括沿气隙均匀分布的多个相同结构的电磁铁心段。
定子包括七个铁心段，每个铁心段都形成大体U形的磁体结构36，其两极具有面对气隙的表面32。尽管铁心段可构造成容纳在连接极对的一部分上形成的单一绕组，但是极对的铁心柱绕有绕组38。每个定子电磁体铁心结构都是独立的，并与相邻的定子铁心元件磁隔离。定子元件36固定在不透磁的支撑结构上，由此形成了环形环构造。该构造消除了来自相邻的定子极组的变压器漏磁效应的辐射。适合的定子支撑结构(这里未示出，以使有效的电动机元件更清晰可见)可参见前述专利申请。所要理解的是，由于电动机可包括不同数量的铁心段，在每个铁心段中不同数量的极，和/或与示出的相比不同数量的转子磁体，因而附图中的具体结构仅是示例性的。
图3A和3B描绘了在诸如图2所示的两极铁心部分上的替代性绕组构成。尽管每张图只显示了单个铁心段，但是所有定子铁心段都相同地形成。优选地是，每个铁心段的绕组都包括四个部分，以38A-38D标出。每部分都具有两端，这两端可以在各种电路配置中以下述方式连接在其余部分的端部上。在图3A所示的构成中，每个绕组部分包括绕在两个凸极32上的线圈。从而每部分都具有一个在极对的每一极32处可接通的端部接线点。图3A示出了每一极处的端部接线点38A-38D。在图3B所示的构成中，每个绕组部分包括只绕在凸极32之一上的线圈。如图所示，绕组部分38A和38B在两极中的一极上形成，而绕组部分38C和38D则在另一极上形成。
图4A-4C示出了每个铁心段的绕组部分的不同电路配置，用于相应的运转速度范围，该电路配置适用于图3A和3B中的任何一种定子，从而如图5所示，在每个速度范围内都获得了最优的电动机效率。在电动机运转的启动和最低运转速度范围期间，四个绕组部分串联连接，如图4A所示。以这种配置运转产生了类似于图1中的曲线A的效率特性。该曲线代表的效率在速度V2时达到峰值，那以后效率曲线呈现出一个较陡的负斜率。随着速度增大，达到了使绕组部分38A-38D以图4B中的配置重新连接的范围，其中并联连接的绕组部分38A和38B与并联连接的绕组部分38C和38D串联连接。这种配置的效率特征呈现出类似于图1中曲线B的曲线。该曲线在一个比初始速度曲线更高的速度时达到峰值效率，在图5中以V3标出，并具有较平缓的斜率。优选地是，从图4A中的配置到图4B中的配置的过渡出现在相应的效率曲线相交的速度上。如果电动机速度继续增加超出图4B中配置的构造的峰值效率，则绕组部分38A-38D以图4C中的配置重新连接，其中所有绕组部分都是并联连接。这种配置的效率特征呈现出类似于图1中的曲线C的曲线。该曲线具有更平缓的斜率，并在更高的速度时达到峰值效率，在图5中以V4标出。到图4C中的配置的过渡优选地出现在过渡中两种配置的效率曲线相交处的速度上。
以这些绕组部分重新配置的电动机的运转效率性能以图5中的加粗曲线表示。该曲线是所述三条独立曲线的合成，并呈现出在扩大的速度范围内的高效率运转，这不是仅用几个配置中的一个就能达到的。
图6中显示了用于实现图4A-4C中的绕组部分配置的控制电路。绕组部分38A-38D通过可控开关51-59被连接在电源端子50之间，这些开关可包括若干MOSFET或者其它合适的电子设备。开关51-59由控制器44经引线43选择性地启动。控制器具有电动机速度反馈输入，图中未显示。尽管只显示了用于单一定子铁心部件的绕组，但应当理解的是，定子可包括任意数量的铁心元件，并且所示出的电路适用于每一个铁心元件。
绕组部分38A的第一端被直接连接到第一电源端子50。绕组部分38A的第二端被连接到开关51，该开关还连接到绕组部分38B的第一端。开关55连接在绕组部分38A的第二端和绕组部分38B的第二端之间。开关54连接在绕组部分38A的第一端和绕组部分38B的第一端之间。开关52连接在绕组部分38B的第二端和绕组部分38C的第一端之间。开关57连接在绕组部分38B的第二端和绕组部分38C的第二端之间。开关56连接在绕组部分38B的第一端和绕组部分38C的第一端之间。开关53连接在绕组部分38C的第二端和绕组部分38D的第一端之间。开关59连接在绕组部分38C的第二端和绕组部分38D的第二端之间。开关58连接在绕组部分38C的第一端和绕组部分38D的第一端之间。绕组部分38D的第二端连接到另一个电源端子50。
在运转中，电动机启动时，控制器向连接到开关51、52和53的控制端子的引线43输出控制信号，由此将绕组部分38A-38D串联连接在电源端子50之间。电源可通过诸如下述的适应控制系统调节，或者通过任何现有的受控或者未稳压电动机电源调节。当电动机达到第一速度过渡点时，该过渡点根据图5所示的效率曲线确定，控制器将输出的控制信号变成提供给连接到开关52、54、55、58和59的控制端子的引线43。随着这些开关启动，绕组部分38A和38B并联连接，它们的组合与并联连接的绕组38C和38D以串联连接。当电动机达到下一个速度过渡点时，该过渡点由图5中的效率曲线预先确定，控制器将输出的控制信号变成提供给连接到开关54、55、56、57、58和59的控制端子的引线43。随着这些开关启动，所有绕组部分38A-38D都并联连接在电源端子之间。
如上所述，定子绕组部分的重新配置可包括在电动机控制系统内，该系统适于相应所感应到的状态以及用户输入指令来控制各种电动机参数。例如，在车辆驱动应用中，该系统可响应用户输入指令，从而调节电动机速度。在上述Maslov等人的同时待审申请10/173610中公开了这种系统，该系统指示了应用在图6中的电源端子50上的电压-电流图。
图7是诸如上述同时待审申请10/173610所公开的电动机控制系统的方块图，电动机控制系统还包括图3和6中示出的定子绕组特征和控制元件，用于根据本发明的定子绕组部分动态重新配置。多相电动机10包括转子20和定子30，所有元件都以方块代表。方块30可包括绕组部分38A-38D和图6中用于每个定子铁心元件的开关51-59。多相电动机的各相可对应于单个铁心元件或者多个铁心元件。优选地是，在每个速度范围内，所有定子铁心元件的所有绕组部分都经开关51-59以相同的配置连接。这种构思适用于任意数量的相，适于设计出用于特别意图的驱动应用的目的。
供给定子绕组的端子50的通电电流通过电子开关组42来源于直流电源40。该开关组经门驱动器46连接到控制器44。这些开关组的控制方式并不是本发明的特别关注的。如在同时待审申请10/173610中更全面描述的，控制器44可具有一个或者多个用户输入和在运转期间用于所感应到的电动机状态的多个输入。每一相的绕组中的电流可通过多个电流传感器48中相应的一个感应到，将传感器的输出提供给控制器44。控制器可具有多个为此目的的输入，或者，作为可替代的选择，来自电流传感器的信号可多路传输，并连接到一个单一的控制器输入。转子位置传感器47连接到控制器44的另一个输出，用以提供位置信号。位置传感器的输出还可提供给速度近似器50，其将位置信号转换成所要供给控制器44另一输出的速度信号。或者，可利用任何现有的电动机速度反馈装置，用以向控制器提供适当的电动机速度反馈信号。该同时待审申请具体地确定了适于图中所示的每一个元件的共同可用的产品。图中的连线43代表了控制器和开关51-59中每一个开关之间的多条接线，用于定子端部的连接。
在运转中，控制器44对各种输入做出响应，包括电动机速度，以通过开关组42向每个定子铁心元件或者相的端子50提供正确的波形。控制器还对电动机速度做出响应，通过连线43启动开关51-59中适当的开关，以对绕组部分的接线配置，使该配置对应于相应的、包括所感应到的电动机速度的速度范围。这种运转提供了扩大电动机可运转的速度范围的优势，并在整个速度范围内将运转效率提高至最优值。
在本公开中不仅显示和描述了本发明的优选实施例，还显示和描述了本发明多样性的一些实例。所要理解的是，本发明能够在各种其它组合和条件下使用，并能够在这里所述的创造性构思的范围内改变或者修改。例如，定子铁心元件绕组可分成不同数量的部分，并可以设计成以其它的电路布置重新配置，用于相应的、限定不同数量过渡点的子速度范围。另外，定子绕组部分的重新配置可为具有连续的磁性定子铁心的电动机提供类似的优势。
权利要求
1.一种设备，包括多个电动机定子铁心段，每个铁心段都具有一对凸极；多个开关；和在定子每个铁心段上形成的绕组，所述绕组分成通过所述开关相互连接的多个绕组部分；其中，所有绕组部分都在电路中经所选择的开关连接到电源，用于在整个电动机运转的速度范围内向电动机的所有绕组部分供电，并且在运转速度范围的不同部分中，将所述的绕组部分以相应的不同电路配置连接。
2.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括连接到每个开关上的控制器；和电动机速度传感器，用于将所感应到的电动机速度信号提供给控制器；其中，对于与所感应到的电动机速度相对应的电动机速度范围部分，所述控制器对所感应到的电动机速度信号做出响应，以启动相应的开关。
3.如权利要求1所述的设备，其中，在电路中，绕组的每个绕组部分的一端通过至少一个开关连接到同一绕组的其余绕组部分中的每一个。
4.如权利要求3所述的设备，其中，每个绕组包括有四个绕组部分，它们在电动机速度范围的三个部分中分别以三个不同的电路配置连接。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述的四个绕组部分在速度范围的最低部分串联连接，在速度范围的中间部分以两个并联连接的绕组部分的形式串联连接，而在速度范围的最高部分并联连接。
6.如权利要求3所述的设备，其中，所述控制器包括用户输入口，用于接收变化的输入信号；并且所述控制器通过响应在用户输入口所接收到的用户指令信号来调节由电源供给所述绕组部分的电压大小。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述铁心段中的每一个都包括与其余铁心段中的任何一个部分隔离而不直接接触的铁磁材料，所述的铁心段绕转动轴线基本上均匀地间隔开。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述的多个绕组部分中的每一个都在相应铁心段的两个凸极上形成。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述的多个绕组部分中的每一个只在相应铁心段的两个凸极中的一个上形成。
10.在包括多个定子铁心段的电动机中，每个铁心段都具有一对凸极，所述凸极带有多个在其上形成的绕组部分，一种方法包括以下步骤将每个相应铁心段的绕组部分以第一电路配置连接；在将绕组部分以第一电路配置连接的同时，向所有绕组部分通电；感应电动机的速度；当电动机速度处于电动机运转的一个预定范围内时，将每个相应铁心段的绕组部分以第二电路配置重新连接；和在将绕组部分以第二电路配置连接的同时，向所有绕组部分通电。
11.如权利要求10所述的方法，该方法还包括以下步骤输入代表所要求的电动机扭矩输出的信号；和根据在所述输入步骤中的信号输入，调节供给每个配置中绕组部分的电压大小。
12.如权利要求10所述的方法，该方法还包括以下步骤当电动机速度处于电动机运转的另一预定范围内时，将每个相应铁心段的绕组部分以第三电路配置重新连接；和在将绕组部分以第三电路配置连接的同时，给所有绕组部分通电。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述每个相应铁心段的所有绕组部分在第一电路配置中都串联连接，而在第三电路配置中它们是并联连接。
全文摘要
在电动机可希望运转期间的、连续的速度范围内控制多相电动机每一相定子绕组部分的重新配置，以便在整个运转范围中都达到最优的运转效率。在整个电动机运转的速度范围内，向定子元件的所有绕组部分供电，只是对于速度范围的各自部分，通过适当的开关以不同的电路配置连接。开关由控制器启动，该控制器响应所感应到的电动机速度信号。定子绕组部分的重新配置可包括在电动机控制系统内，该系统适于响应所感应到的状态以及用户输入指令来控制各种电动机参数。
文档编号H02P6/14GK1765047SQ200480007904
公开日2006年4月26日 申请日期2004年3月25日 优先权日2003年3月26日
发明者亚历山大·平季科夫, 鲍里斯·A·马斯洛夫, 亚历山大·A·格拉德科夫 申请人:波峰实验室责任有限公司