专利名称：开关磁阻电机的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机的控制，更具体但非唯一地，涉及在不需要机械转子位置传感器的情况下对磁通开关(flux switching)电机或发电机的控制。
磁通开关电机可用于诸多应用中，这是因为磁通开关电机在向电机的转子提供电力时不需要使用换向器(commutator)或电刷。由于这些组件会受到明显的磨损，因此非常期望避免使用它们。
在
图1至9中示出了磁通开关电机的工作原理。磁通开关电机2具有转子4，转子4具有一对电极6，8并且被可旋转地装配到具有四个定子齿12，14，16，18的定子10中。缠绕磁场线圈(field coil)20，以使得磁场线圈20的绕组被布置在定子10的直径上对置的槽22，24中。磁场线圈20在其绕组中传送单向电流(其意为向线圈20的绕组施加的电压脉冲的极性不被反转)，槽22中的绕组中的电流方向与槽24中的绕组的电流方向相反。
类似地，与磁场线圈20成直角地布置电枢线圈26，以使得电枢线圈26的绕组被布置在定子的直径上对置的槽28，30中。电枢线圈26在其绕组中传送电流，以使得槽28中的绕组中的电流方向与槽30中的绕组中的电流方向相反。然而，与向磁场线圈20施加的电压相反地，以具有可反转极性的脉冲的形式向电枢线圈26施加电压，其原因将在下文中更详细地解释。
当电流以图1所示的方向(即，进入纸面的A+和F+以及离开纸面的A-和F-)流经磁场线圈20和电枢线圈26时，磁通量如同所示地穿过相对地布置的定子齿14，18之间，其结果是转子4趋向于使其自身沿着磁通量的方向来进行对准。如图2所示，当流经磁场线圈26的电流的方向被反转而流经磁场线圈20的电流的方向保持不变时，通过定子4起作用的合成磁场被改变90度，其结果是磁通量穿过相对地布置的定子齿12，16之间，即，与相对地布置的定子齿14，18成直角。转子仍趋向于使其自身沿着磁通量的方向进行对准，从而导致了转子4经过如图2至5所示的直角的逆时针旋转。
如果流经电枢线圈26的电流的方向再次被反转，同时保持磁场线圈20中的电流方向，则如图6所示，磁通量再次穿过定子齿14，18之间。这导致了转子4经过如图6至9所示的另一直角而逆时针旋转，以恢复到图1所示的布置。因此，这表示了图1至9所示的双极电机2的完整周期。
为了控制转子4相对于定子10的旋转，必须使得电枢线圈26的绕组中的电流方向的反转与转子4相对于定子10的旋转同步。因此，为了控制经过电枢线圈26的电流的切换，现有的磁通开关电机需要具有用于指示转子4的旋转位置的装置。这通常是装配到转子轴上的光位置传感器或磁位置传感器，本领域的技术人员应该熟知其操作，因此在下文中将不再赘述。在制作电机期间需要对这种位置传感器进行非常精确的对准，从而显著地增加了电机的制造成本。
WO 2004/025822公开了一种磁通开关电机，在该磁通开关中可以控制向该电机的电枢线圈施加的电压脉冲的极性切换，而不使用机械转子位置传感器。在图10中示出了这种电机，其具有一对磁场线圈40，42以及一对电枢线圈44，46。每个线圈40，42，44，46具有是定子齿48的节距的两倍的节距，其结果是在一个线圈中产生的磁场延伸通过相邻线圈。这种重叠的结果是在电枢线圈与磁场线圈之间存在显著的互感，该互感取决于转子的旋转位置。这使得可以通过对电枢线圈中的电流所导致的磁场线圈中感生的电压进行监测，来确定转子的旋转位置。
本发明的优选实施例寻求改进这种机器的操作。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于将电能转换为机械能和/或将机械能转换为电能的电机，该电机包括 转子，具有多个转子极(pole)； 定子，用于可旋转地容纳所述转子，并且具有(i)至少一个场磁体设备，用于产生所述转子与所述定子之间的第一磁动势，并且包括至少一个第一电绕组，以及(ii)至少一个电枢磁体设备，包括至少一个第二电绕组，该第二电绕组适用于传送与所述转子相对于所述定子的旋转同步地变化的电流，以产生具有垂直于所述第一磁动势的分量的第二磁动势； 至少一个控制设备，用于对去向或来自所述第二电绕组或每个所述第二电绕组的电流的供应进行控制；以及 至少一个转子位置传感器设备，用于检测至少一个电信号，该至少一个电信号与转子相对于定子的旋转位置相关并且是作为经过相应的第二或第一电绕组的电流的结果而在相应的所述第一或第二电绕组中所感生的，其中至少一个所述转子位置传感器设备包括至少一个除法器设备，用于(i)接收与至少一个所述第一或第二绕组中的电流的变化率相关的至少一个第一电输入信号，(ii)接收与至少一个相应的所述第二或第一绕组两端的电压相关的至少一个相应的第二电输入信号，经过该至少一个相应的所述第二或第一绕组的电流导致了至少一个所述第一电输入信号的至少一部分，以及(iii)向至少一个所述控制设备提供至少一个相应的控制信号，该至少一个相应的控制信号与至少一个所述第一电输入信号和至少一个所述第二电输入信号的比率相关。
本发明基于这样的发现在第一绕组(例如磁场绕组(field winding))两端的电压基本恒定的机器如磁通开关电机中，在第一绕组中流动的电流的变化率与第二绕组(例如电枢绕组)两端的电压的比率提供了对该两个绕组之间的互感的测量，该测量与转子的旋转位置相关并且很大程度上独立于向第二绕组施加的电压，其中该第二绕组磁耦合至该第一绕组，以使得在第二绕组中流动的电流感生了第一绕组中的电压。这提供了使得即使在机器的第二绕组(例如电枢绕组)两端的电压快速变化时、也能够确定取决于转子相对于定子的旋转位置的信息的优点。这从而可以用于控制去向或来自机器的电力供应，以最大化机器的工作效率。然而，本发明还被发现具有以下惊人的优点在某些情况下，当第二绕组两端的电压非常显著地变化时该近似仍然有效，这意味着可以在很大范围的工作条件下容易地控制该机器。
至少一种所述除法器设备可适用于提供数字控制信号。
这提供了以下优点使得能够在诸如微控制器之类的数字控制器中直接使用除法器设备的输出信号，以控制去向或来自该机器的电力的供应。
至少一种所述除法器设备可包括至少一个模数转换器，该模数转换器适用于在其第一模拟输入端子处接收所述第一输入信号并在其基准端子处接收所述第二输入信号。
这提供了以下优点自动提供表示这两个输入信号的比率的数字输出信号，同时避免了执行数值除法以获得第一输入信号和第二输入信号的比率的必要性。
该机器还可包括至少一个电压调节设备，该电压调节设备与至少一个所述模数转换器的基准端子相连，并且适用于接收至少一个所述第一电输入信号。
这提供了允许最大程度地使用模数转换器的可用输入电压范围的优点。
至少一个所述除法器设备可包括第一模数转换器，适用于接收至少一个所述第一电输入信号；至少一个第二模数转换器，适用于接收至少一个所述第二电输入信号；以及数值除法器设备，用于接收来自所述第一模数转换器和第二模数转换器的数字输出信号，并提供与至少一个所述第一电输入信号和至少一个所述第二电输入信号的比率相关的数字输出信号。
转子位置传感器装置可包括至少一个第一感应线圈，适用于磁耦合至在与至少一个所述第二或第一绕组相串联的导体中流动的电流所产生的磁场。
电压调节装置可包括至少一个分压器，该分压器连接在相应的模数转换器的基准端子与地之间，并且具有相应的第一端子，在该第一端子处的电压基本上是向对应的模数转换器施加的基准电压的一半，其中相应的所述第一感应线圈连接在所述第一端子与对应的模数转换器的输入端子之间。
除法器装置可包括至少一个模拟除法器。
这提供了以下优点不必以数值方式执行用于获得第一输入信号与第二输入信号的比率的除法步骤，其结果是可以在不使用昂贵的数字设备的情况下快速获得控制信号。
转子位置传感器装置可适用于确定至少一个所述第一绕组中的电流变化率与至少一个所述第二绕组中的电流变化率的比率。
转子位置传感器装置还可包括至少一个第二感应线圈，适用于耦合至在与至少一个所述第二绕组相串联的导体中流动的电流所导致的磁场。
除法器装置可适用于(i)接收与至少一个磁场绕组中感生的电流的变化率相关的至少一个第一电输入信号，以及(ii)接收与至少一个相应的电枢绕组两端的电压相关的至少一个相应的第二电输入信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制用于将电能转换为机械能和/或将机械能转换为电能的电机的方法，该电机具有转子和定子，该转子具有多个转子极，该定子用于可旋转地容纳所述转子，并且具有(i)场磁体装置，用于产生所述转子与所述定子之间的第一磁动势，并且包括至少一个第一电绕组，以及(ii)电枢磁体装置，包括至少一个第二电绕组，该至少一个第二电绕组适用于传送与所述转子相对于所述定子的旋转同步地变化的电流，以产生具有垂直于所述第一磁动势的分量的第二磁动势，该方法包括 检测至少一个电信号，该至少一个电信号与转子相对于定子的旋转位置相关，并且是作为经过相应的第二或第一电绕组的电流的结果而在相应的所述第一或第二电绕组中所感生的； 接收与至少一个所述第一或第二绕组中的电流的变化率相关的至少一个第一电输入信号； 接收与至少一个相应的所述第二或第一绕组两端的电压相关的至少一个相应的第二电输入信号，经过该至少一个相应的所述第二或第一绕组的电流导致了至少一个所述第一电信号的至少一部分；以及 提供至少一个相应的控制信号，该至少一个相应的控制信号与至少一个所述第一电输入信号和至少一个所述第二电输入信号的比率相关，用于控制去向或来自所述第二电绕组或者每个所述第二电绕组的电流的供应。
该方法还可包括提供数字控制信号。
该方法还可包括将所述第一输入信号输入模数转换器的第一模拟输入端子，并将所述第二输入信号输入所述模数转换器的基准端子。
该方法还可包括确定至少一个所述第一绕组中的电流的变化率和至少一个所述第二绕组中的电流的变化率的比率。
该方法还可包括(i)接收与在至少一个磁场绕组中感生的电流的变化率相关的至少一个所述第一电输入信号，以及(ii)接收与至少一个相应的电枢绕组两端的电压相关的至少一个相应的所述第二电输入信号。
现在将参考附图仅以示例方式而非以任何限定性形式来描述本发明的优选实施例，在附图中 图1至9示出了现有的磁通开关电机的工作原理； 图10是另一种类型的已知磁通开关电机的示意性图示； 图11是使用本发明的磁通开关电机的示意性图示； 图12是用于图11的电机的电力控制器的电路图； 图13a、13b和13c是示出了用于给本发明的实施例的磁通开关电机的电枢绕组提供能量的电路布置的电路图； 图14是用于控制图12的电路的开关定时的控制器的第一实施例的电路图； 图15是示出了互感与图11的电机中的转子角度之间的关系的图示； 图16是示出了针对各个电枢电压，图11的电机的磁场绕组中的互感的电压随着转子角度的变化的图示； 图17是用于控制图11的电路的开关定时的控制器的第二实施例的电路图； 图18是用于控制图11的电路的开关定时的控制器的第三实施例的电路图；以及 图19是磁通开关电机控制系统中的本发明的一个实施例的时序图。
图11中示出了使用本发明的磁通开关电机102。转子104具有四个极，并且被可旋转地装配在具有八个定子齿108、110、112、114、116、118、120、122的定子106中。磁场绕组对124、126以与图10的已知的磁通开关电机相类似的方式分别延伸到两个定子齿110、112和118、120上，以接收单向电流。类似地，电枢绕组对128、130分别延伸到两个定子齿108、110和116、118上，以接收具有可反转极性的电流脉冲。通过受微控制器134控制的反流器(inverter)132，与转子104相对于定子106的旋转同步地切换电枢绕组128、130所传送的电流的极性。微控制器134可被替换为用于产生对于反流器的控制信号从而控制向电枢绕组128、130的电力供应的任意适当设备，例如模拟或数字ASIC(专用集成电路)。
如图12中更详细地示出地，将电枢绕组128、130布置为与磁场绕组124、126相串联，并且从电源136向电枢绕组128、130提供整流的交流电压。反流器132包括两对IGBT开关138、140、142、144，尽管也可使用FET开关。通过闭合开关138、144并断开开关140、142使电流以一个方向在电枢绕组128、130中流动，通过断开开关138、144并闭合开关140、142使电流以另一方向流动。通过微控制器134来控制开关138、140、142、144的切换。
电容器146、148连接在磁场绕组124、126的端子与负电源端子之间。电容器146使得交流电源136提供的整流电压变平滑，以便向磁场绕组124、126施加基本恒定的电压。电容器148防止磁场绕组124、126受到由于切换开关138、140、142、144引起的电压尖脉冲，这也可以通过将晶闸管145与磁场绕组124、126相并联来实现。晶闸管145可被替换为二极管。
可以使用诸多电路布置(反流器)来控制电枢绕组中的双向电流，在图13a至13c中示出了其示例。
图13a示出了使用四个半导体开关和四个二极管的全桥反流器。开关S1和S3的接通允许正电流流过电枢绕组。开关S2和S4的接通允许负电流流过电枢绕组。一旦以任一方向建立了电流，则可以使用附加工作模式，通过该附加工作模式，一个开关和一个二极管在向电枢绕组施加的零电压的情况下进行传导。
图13b示出了另一反流器电路，其中需要与两个电容器相结合的两个半导体开关。这两个电容器形成了相对于这两个电容器之间的节点的双极电源。开关S1的接通允许正电流流过电枢绕组。开关S2的接通允许负电流流过电枢绕组。与每个开关相并联的二极管在对置的开关被断开时对电流进行传导。可选地，每个电枢绕组部分被分离为紧密磁耦合的两个线圈。这两个电枢线圈是以相反的方向来缠绕的，并且可以在适合时被双股缠绕并连接，例如如同参照WO 98/05112的图6所述的一样，以使得每个电枢绕组包括四个线圈，该四个线圈被串联或并联地连接在一起，并且被环绕定子极缠绕，以便在相同的定子槽中容纳相邻线圈的有效(active)部分。然后可以将这两个电枢绕组与另一反流器电路相连，如WO 98/05112中所述的并且在图13c中示出。开关S1的接通允许正电流流过电枢绕组。开关S2的接通给第二电枢绕组提供了能量，并且由于该第二电枢绕组以相反的方式与电源相连，因此该电枢槽中的有效电流是负电流。与每个开关相并联的二极管在对置的开关被断开时对电流进行传导。参照图14，其中示意性地示出了包含磁场绕组和电枢绕组的电机定子106，线圈150磁耦合至传送励磁电流(field current)的导体152，例如磁场绕组124、126之一的导线。结果，在线圈150中感生了与流过磁场绕组124、126的电流的变化率成比例的电压。通过向电枢绕组128、130施加电压脉冲来改变该励磁电流的变化率，并且磁场绕组与电枢绕组之间的磁耦合以下文将更详细说明的方式随转子位置而变化。
线圈150连接在模数转换器(ADC)154的模拟输入端子与分压器156的中点之间，该分压器156连接在ADC 154的基准端子与负电源端子之间。向电枢绕组128、130施加的电压被输入ADC 154的基准端子。由于ADC提供了与其输入信号和基准信号的比率成比例的数字输出信号，因此ADC 154用作提供数字输出信号的除法器，该数字输出信号可被直接输入数字微控制器134，以控制反流器132的切换。
现在将说明图11至14所示的设备的操作。
本发明基于以下发现当磁通开关电机的磁场绕组两端的电压基本恒定时，励磁电流的变化率与电枢电压的比率提供了对电枢线圈与磁场线圈之间的互感的测量，其可用于确定转子的角位置。
具体地，通过下式给出了用于磁通开关电机的电枢绕组的电压va 其中，ia和if分别是电枢电流和励磁电流，Ra是电枢阻抗，La是电枢绕组的自感，Maf是电枢绕组与磁场绕组之间的互感。
类似地，通过下式给出了用于磁场绕组的电压 其中，Rf是磁场绕组的阻抗，Lf是磁场绕组的自感。
如图15所示，图11的电机102中的电枢绕组128、130与磁场绕组124、126之间的互感在所示出的一个电周期(即，转子104相对于定子106的90度旋转)内变化，并且电机的操作取决于向电枢绕组施加的交替的正电压脉冲和负电压脉冲，其在互感的变化率改变正负号时在该点附近改变正负号。
图16示出了在从0度至45度向电枢绕组施加正电压脉冲以及从45度至90度施加负电压脉冲时，磁场绕组124、126中感生的电压如何变化。所施加的正电压导致了电枢电流的正变化率，并且感生了磁场绕组124、126中的电压，该电压遵循图15所示的互感图示。向电枢绕组128、130施加的负电压导致了电枢电流的负变化率，并且感生了磁场绕组124、126中的电压，该电压是图15所示的互感图示的反转。
图16示出了可识别的唯一点，在该唯一点处，磁场绕组124、126中感生的电压在正电枢脉冲和负电枢脉冲二者内从正至负变化，而不管电枢电压的幅度为何。这一点可用于控制反流器132的切换定时。可以通过将线圈150中的表示励磁电流的变化率的测量信号除以在电枢绕组128、130上施加的瞬时电压，来相对于向电枢线圈施加的电源电压的变化而对包含与转子位置相关的信息的信号进行标准化。
本发明基于以下发现由于互感而产生的电压与由于阻抗效应或自感而产生的电压相比要大得多。具体地，依次采用公式1和2的条件，iaRa和ifRf相对于其它条件而言较小；ifdLf/dt和iadLa/dt是由于自感的变化率而产生的电压，并且在磁通开关电机中较小而可以被忽略；以及，由于磁场绕组两端的直流电压，因此Mafdif/dt也较小。
可以如下地对公式1和2进行近似 即， 并且 即， 由于对于给定的工作点而言，vf、La和ifdMaf/dt近似为常量，因此这可以被近似为下式 由于互感取决于转子位置，因此可以理解，可以根据线圈150两端的电压(图14)以及电枢电压来确定取决于互感的信号。
通过向ADC 154的输入端子和基准端子施加这些信号，可以与数值数字除法相比更有成本效益地获得表示电压比率的数字信号，其结果是不需要昂贵的处理器。将上述的公式4和5相结合，并忽略基本恒定的励磁电压，则也可以应用下式 可以通过使用第二线圈来得到励磁电流的变化率与电枢电流的变化率的比率，该第二线圈与传送电枢电流的导体相互耦合，并且用于代替表示电枢电流的信号。
图17示出了包括完全模拟的解决方案的另一实现。两个线圈150和176分别产生与励磁电流的变化率和电枢电流的变化率相关的模拟电压。可以向每个线圈150、176添加偏移电压180、181。可以通过相应的对数放大器182、183来将模拟电压转换为对数值。然后可以使用运算放大器电路184来减去这两个信号的对数，最终反对数电路185产生表示互感和位置的信号，该信号可用于控制电机。
图18中示出了本发明的另一实施例，其中通过相似的附图标记来指示与其它实施例共有的部分。磁场绕组124、126经由开关S1至S4与电枢绕组128、130串联连接，通过微控制器134以与图12的实施例相类似的方式来控制该开关S1至S4的定时。线圈150磁耦合至磁场绕组124、126之一的导体或导线，以便在线圈150中感生与流过磁场绕组124、126的电流的变化率成比例的电压，并且将线圈150两端的电压输入第一模数转换器202。将电枢绕组128、130两端的电压输入第二模数转换器204，并将模数转换器202、204的输出输入到微控制器134，微控制器134执行数值除法处理，以便在导线206上提供输出信号，该输出信号与模数转换器202、204的输出的比率相关，并用于控制开关S1至S4的定时。作为执行数值除法的可替换方案，微控制器可以通过查找存储在适当的ROM存储器(未示出)中的表来执行除法处理。第一模数转换器和第二模数转换器通常可以是单通道模数转换器，并且其中包含多路复用的布置，该布置选择其可能的输入之一来用于转换。
本发明被发现具有以下惊人的优点励磁电流的变化率与电枢电压的比率的近似给出了对磁场绕组与电枢绕组之间的、随转子相对于定子的位置而变化的互感的测量，在某些情况下，当第二绕组两端的电压非常显著地变化时，该近似仍然有效，这意味着可以在很大范围的工作条件下容易地控制该机器。
图19中示出了本发明的另一实施例，其中使用在电机的正常工作期间对通过线圈150获得的励磁电流的变化率与电枢绕组两端的电压的比率的测量，来控制反流器中的开关的定时，从而控制电枢电压脉冲以及电机的速度和扭矩。在图19中，迹线210表示在电枢绕组128、130中流动的电枢电流，迹线211表示在磁场绕组124、126中流动的电流。通过迹线210表示的电枢电流是双极性的，其具有在第一半个图像期间的正的部分和在第二半个图像期间的负的部分。通过迹线211表示的励磁电流总是正电流并且以相同的方向，但是包含显著的波纹分量。该励磁电流中的波纹分量是由于电枢切换的相互作用以及磁场绕组自身两端的电压变化而产生的。本发明的用于确定励磁电流的变化率与电枢电压的比率的方法的应用导致了非常清楚的信号，该信号有很强的位置依赖性，并且在迹线212中示出了该信号。可以看出，在时间217在施加正电枢电压的起点附近，根据本发明的控制设备所产生的、通过图19中的迹线212表示的信号明显是正信号，并且在此之后，该信号在电枢电流脉冲期间减少。因此，该迹线212遵循图16的图形，但是不取决于任何电压，这使得其易于在简单的控制器中使用，以取得转子相对于定子的位置。当转子已经移动了从时间217至时间218的半个电周期时，向电枢绕组128、130施加相反的电压极性，但是本发明的应用导致了信号212在电枢脉冲的起点附近再次变大，并以与图16中的迹线相类似的方式在该脉冲前进时稳定减小，但是不取决于任何电压。在每个电枢电流脉冲的第二部分中，比较不好确定信号212。这是因为该迹线212表示其中磁场绕组与电枢绕组串联连接的磁通开关电机。在电枢电流在每个脉冲期间增加时(从正的意义上讲或从负的意义上讲)，达到电枢电流的幅度等于励磁电流的点。然后该脉冲的剩余部分对于形成了直接电串联电路的电枢绕组和磁场绕组而言在电学上是不相同的。磁场绕组和电枢绕组中的励磁电流的变化率变得相等，并且对于确定转子位置有用的数学公式不再适用。这是通过迹线212的阴影部分来表示的。
现在可以以诸多不同的方式来实现对磁通开关电机的控制，并且将仅以示例方式来描述一种这样的方式。图19中的迹线213示出了当本发明的应用将导致来自与传送励磁电流的导体相耦合的线圈150的可靠的位置依赖信号时的时间。因此，213的较高的部分表示去向模数转换器的定时信号，该模数转换器用于以已经描述的方式来实现模拟信号向数字信号的转换。由于得到的信号的幅度独立于电机的电源电压，因此可以在电枢脉冲215期间确定测量信号与该信号的期望幅度之间的误差，并且可以使用该误差来调整下个电枢脉冲216的定时以及信号213的相关的下次采样时间。如果根据迹线212的测量信号过高，则这指示模数转换器所采用的采样过早。这是可能发生的，因为电机的速度可能已从先前电周期上的速度慢下来。因此可以使用信号212在特定时间相对于期望值的误差来更新对电机速度的估计，并且因此确保了在更适当的时间施加下个电枢脉冲216，以产生最优扭矩。图19的迹线214仅用于演示目的。这是通常从电机轴上的常规的光位置感应设备或磁位置感应设备获得的信号。该信号随等于电机的电子频率的频率而改变状态。该信号在本发明的实施例中是不需要的，并且将被替换为微控制器134中的计数器或定时器，其值通过对信号212的测量来更新，以维持电枢脉冲与转子位置之间的同步。
本领域的技术人员将理解，已仅以示例方式而非任何限定性方式来描述了上述实施例，在不背离由所附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，各种替换和修改是可能的。例如，替代切换流过电枢绕组的电流的极性，可以设置双极电枢绕组，并且可以与转子相对于定子的移动同步地选择电流流过的绕组。此外，可以通过纯模拟分量来获得励磁电流的变化率与电枢电压的比率。这提供了通常可以与数字分量的情况相比更快地确定该比率的优点。此外，可以组合上述各个实施例的特征。例如，参照图17所述的两个线圈150、176可以以与图14的实施例相类似的方式与模数转换器的输入端子和基准端子相连，或者以与图18的实施例相类似的方式经由相应的模数转换器和数值除法器，而替代与包括对数放大器182、183、运算放大器电路184和反对数电路185的模拟除法器相连。
磁通开关电机还可作为发电机而非常成功地工作。虽然已经参照电机操作描述了本发明的实施例的操作，但是显而易见的是，在磁通开关发电机的正常操作中也存在由向电枢绕组施加电压脉冲而导致的、类似的励磁电流变化率。对励磁电流的变化率与电枢绕组两端的电压的比率的测量提供了可用于确定转子的位置从而确定发电机系统的最优操作的信号。
权利要求
1.一种用于将电能转换为机械能和/或将机械能转换为电能的电机，所述电机包括
转子，具有多个转子极；
定子，用于可旋转地容纳所述转子，并且具有(i)至少一个场磁体设备，用于产生所述转子与所述定子之间的第一磁动势，并且包括至少一个第一电绕组，以及(ii)至少一个电枢磁体设备，包括至少一个第二电绕组，所述第二电绕组适用于传送与所述转子相对于所述定子的旋转同步地变化的电流，以产生具有垂直于所述第一磁动势的分量的第二磁动势；
至少一个控制设备，用于对去向或来自所述第二电绕组或每个所述第二电绕组的电流的供应进行控制；以及
至少一个转子位置传感器设备，用于检测至少一个电信号，所述至少一个电信号与所述转子相对于所述定子的旋转位置相关并且是作为经过相应的第二或第一电绕组的电流的结果而在相应的所述第一或第二电绕组中感生的，其中至少一个所述转子位置传感器设备包括至少一个除法器设备，该至少一个除法器设备用于(i)接收与至少一个所述第一或第二绕组中的电流的变化率相关的至少一个第一电输入信号，(ii)接收与至少一个相应的所述第二或第一绕组两端的电压相关的至少一个相应的第二电输入信号，经过所述至少一个相应的所述第二或第一绕组的电流导致了至少一个所述第一电输入信号的至少一部分，以及(iii)向至少一个所述控制设备提供至少一个相应的控制信号，所述至少一个相应的控制信号与至少一个所述第一电输入信号和至少一个所述第二电输入信号的比率相关。
2.根据权利要求1所述的电机，其中至少一个所述除法器设备适用于提供数字控制信号。
3.根据权利要求2所述的电机，其中至少一个所述除法器设备包括至少一个模数转换器，所述模数转换器适用于在所述模数转换器的第一模拟输入端子处接收所述第一输入信号、并在所述模数转换器的基准端子处接收所述第二输入信号。
4.根据权利要求3所述的电机，其中还包括至少一个电压调节设备，所述电压调节设备与至少一个所述模数转换器的基准端子相连，并且适用于接收至少一个所述第一电输入信号。
5.根据权利要求2-4中任一个所述的电机，其中至少一个所述除法器设备包括第一模数转换器，适用于接收至少一个所述第一电输入信号；至少一个第二模数转换器，适用于接收至少一个所述第二电输入信号；以及数值除法器设备，用于接收来自所述第一模数转换器和第二模数转换器的数字输出信号，并提供与至少一个所述第一电输入信号和至少一个所述第二电输入信号的比率相关的数字输出信号。
6.根据前述权利要求中任一个所述的电机，其中至少一个所述转子位置传感器设备包括至少一个第一感应线圈，适用于磁耦合至由与至少一个所述第二或第一绕组相串联的导体中流动的电流所产生的磁场。
7.根据权利要求4-6中任一个所述的电机，其中至少一个所述电压调节设备包括至少一个分压器，所述分压器连接在相应的模数转换器的基准端子与地之间，并且具有相应的第一端子，在所述第一端子处的电压基本上是向对应的模数转换器施加的基准电压的一半，其中相应的所述第一感应线圈连接在所述第一端子与对应的模数转换器的输入端子之间。
8.根据前述权利要求中任一个所述的电机，其中至少一个所述除法器设备包括至少一个模拟除法器。
9.根据前述权利要求中任一个所述的电机，其中至少一个所述转子位置传感器设备适用于确定至少一个所述第一绕组中的电流变化率与至少一个所述第二绕组中的电流变化率的比率。
10.根据权利要求9所述的电机，其中至少一个所述转子位置传感器设备还包括至少一个第二感应线圈，所述至少一个第二感应线圈适用于耦合至由与至少一个所述第二绕组相串联的导体中流动的电流所导致的磁场。
11.根据前述权利要求中任一个所述的电机，其中至少一个所述除法器设备适用于(i)接收与至少一个磁场绕组中的电流的变化率相关的至少一个第一电输入信号，以及(ii)接收与至少一个相应的电枢绕组两端的电压相关的至少一个相应的第二电输入信号。
12.一种控制用于将电能转换为机械能和/或将机械能转换为电能的电机的方法，所述电机具有转子和定子，所述转子具有多个转子极，所述定子用于可旋转地容纳所述转子并且具有(i)至少一个场磁体设备，用于产生所述转子与所述定子之间的第一磁动势，并且包括至少一个第一电绕组，以及(ii)至少一个电枢磁体设备，包括至少一个第二电绕组，所述第二电绕组适用于传送与所述转子相对于所述定子的旋转同步地变化的电流，以产生具有垂直于所述第一磁动势的分量的第二磁动势，所述方法包括
检测至少一个电信号，所述至少一个电信号与转子相对于定子的旋转位置相关，并且是作为经过相应的第二或第一电绕组的电流的结果而在相应的所述第一或第二电绕组中感生的；
接收与至少一个所述第一或第二绕组中的电流的变化率相关的至少一个第一电输入信号；
接收与至少一个相应的所述第二或第一绕组两端的电压相关的至少一个相应的第二电输入信号，经过所述至少一个相应的所述第二或第一绕组的电流导致了至少一个所述第一电信号的至少一部分；以及
提供至少一个相应的控制信号，所述控制信号与至少一个所述第一电输入信号和至少一个所述第二电输入信号的比率相关，用于控制去向或来自所述第二电绕组或每个所述第二电绕组的电流的供应。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括提供数字控制信号。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述第一输入信号输入模数转换器的第一模拟输入端子，并将所述第二输入信号输入所述模数转换器的基准端子。
15.根据权利要求12-14中任一个所述的方法，还包括确定至少一个所述第一绕组中的电流的变化率与至少一个所述第二绕组中的电流的变化率的比率。
16.根据权利要求12-15中任一个所述的方法，还包括(i)接收与在至少一个磁场绕组中的电流的变化率相关的至少一个所述第一电输入信号，以及(ii)接收与至少一个相应的电枢绕组两端的电压相关的至少一个相应的所述第二电输入信号。
全文摘要
公开了一种磁通开关电机(102)。该电机包括转子(104)、定子(106)、磁场绕组(124，126)以及电枢绕组(128，130)。微控制器(134)对向该磁场绕组和电枢绕组的电流供应进行控制。转子位置传感器包括除法器，用于(i)接收取决于至少一个磁场绕组中的电流变化率的输入信号，(ii)接收取决于至少一个电枢绕组两端的电压的输入信号，经过该至少一个电枢绕组的电流导致了该磁场绕组中的至少部分电流，以及(iii)向微控制器(134)提供取决于除法器所接收的输入信号的比率的控制信号。
文档编号H02P25/02GK101341652SQ200680045468
公开日2009年1月7日 申请日期2006年11月1日 优先权日2005年11月3日
发明者查尔斯·波洛克, 海伦·波洛克 申请人:百得有限公司, 电子技术有限公司