专利名称：单相电子换向电动机系统及其方法
电子换向电动机(ECM)是一种在其转子上具有永磁铁的电动机。该电动机的定子包括绕线式绕组，当它用电流激磁时与永磁式转子相互作用，根据电流相对于磁铁极性的方向产生正的或负的转矩。当转子在一个方向上运行时，磁铁极性相对定子绕组交替变化，故为了保持恒定的转矩方向，必须同步地改变定子电流的方向。定子的供电是由具有实质控制转矩方向、转矩值及轴速度的机构的晶体三极管逆变器控制的。
定子绕组被分配成称为相的组，每个相利用类似的但有相移的交变电流激磁。三相定子是最普通的。单相定子由于逆变器中元件的减少得以节约成本，但是单相电机从静止开始起较为困难。
用于ECM逆变器的传统交流变直流的输入部分是二极管整流器。这种电路具有三个主要的缺点缺少直流电压降到零的控制，输入谐波电流大及交流功率因数低。使用脉宽调制(PWM)的交流/直流变换器的多种方案可提供低的输入谐波电流及单位功率因数。但是它们需要由其二极管整流电压值来提升输入的交流电压。
在现有技术中用于控制电路的一种方案便是使用小型隔离变压器。当需要控制作用时，用一种交流电压、通常是供电电压逻辑电平的方波供给小型变压器的初级，变压器的次级输出再被整流及供给到电源开关的控制极上。电压电平的移动是由变压器初级与次级绕组间的离来保持的。
高压集成电路用于桥式逆变器(例如International整流器IR2110)的控制极控制，但是它们需要两个控制极电压中较低者仅为高于地电位的一个阈值电压值。而在这种ECM驱动电路中，一个控制极电压要明显地低于地电位。
本发明的一个目的为提供一种低成本的电子换向电动机。本发明的另一目的是提供一种具有单相及单绕组的电子换向电动机，它从静止开始起动无需起动绕组。本发明的又一目的是提供一种具有可变速度控制和/或可变转矩控制的单相单绕组电子换向电动机。本发明的又一目的是提供一种利用可控直流母线电压驱动的电子换向电动机，以使谐波电流减到最小及提供高的交流功率因数。本发明的又一目的是提供一种避免需要使用隔离变压器的电子换向电动机。本发明又一目的是提供一种具有峰值电流控制的电子换向电动机。本发明的另一目的是提供一种仅需用两个电源开关的电子换向电动机。本发明又一目的是提供由一个分压器中的直流母线驱动的电子换向电动机。本发明另一目的是提供一种响应电动机转子的传感位置工作在所需速度或转矩下的单相单绕组电动机。本发明的又一目的是提供一种由直流母线电压逆变成交流电流方波供给绕组而驱动的单相单绕组电子换向电动机。本发明的另一目的是提供一种使用迟滞带电流调节的单相单绕组电子换向电动机。本发明的又一目的是提供一种具有起动脉冲系列及当电机速度大于预定值时具有工作脉冲系列的一种单相单绕组电子换向电动机。本发明的另一目的是提供一种由使用电流限制和/或电流调节的串联电容器驱动的单相单绕组电子换向电动机。本发明又一目的是提供一种由在电源中具有倍压器输入并仅具有两个电源开关及两个电容器以及在其之间连接绕组单元驱动的单相单绕组电动机。本发明另一目的是提供具有可拆卸齿端部的定子以便更有效绕制绕组的一种电子换向电动机。
本发明的另一目的是提供对具有单相、单绕组及仅使用两个电源开关的电动机的一种操作方法。本发明的又一目的是提供在所需速度或转矩下操作单相、单绕组电子换向电动机的一种方法。
本发明包括一个设有一个转子及一个直流母线的电动机。并设有将直流母线提供的电压分压的装置，及两个开关串联地跨接在直流母线上。一个绕组的一端连接于两开关之间而另一端连接于分压装置。还设有传感转子位置的装置。以及对位置传感装置作响应控制开关交替地在相反方向上向绕组提供直流电流，以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。
本发明还包括一种电动机，它包括一个转子;一个具有带有第一及第二端的绕组的定子及提供直流电压的一个电压源;将直流电压分成第一直流电压及与第一直流电压极性相反的第二直流电压的装置;传感转子位置的装置;响应位置传感装置，选择地提供给绕组的第一及第二端第一直流电压使转子在预定方向上旋转，及选择地供给绕组的第一端及第二端第二直流电压使转子在所需速度或转矩下在预定方向上旋转的装置。
本发明还包括一种电动机，它包括一个转子;一个直流母线;两个串联地跨接在母线上的开关;两个串联地跨接在母线上的电容器;及一个其一端连接于两开关之间另一端连接于两电容器之间的绕组;对转子位置传感的装置;响应位置传感装置，控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。
本发明还包括一种电动机，它包括一个转子;一个直流母线;仅两个串联地跨接在母线上的电源开关;一个其一端连接于两开关之间另一端连接于母线的绕组及具有连接于直流母线的一端及连接于绕组的另一端的交流电源;控制开关向绕组供给电流以便使绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。本发明还可包括传感转子位置的装置，及其中控制装置响应位置传感装置及代表电动机所需速度或转矩的一个输入信号。
本发明还包括一种电动机，它包括一个转子;一个直流母线，两个串联地跨接在母线上的开关;两个串联地跨接在母线上的电容器;一个其一端连接于两开关之间另一端连接于两电容器之间的绕组;及一个具有连接于直流母线的一端及连接于绕组的另一端的交流电源;控制开关向绕组供给电流以便使绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。本发明还可包括传感转子位置的装置，及其中控制装置响应位置传感装置及代表电动机所需转速或转矩的一个输入信号。
本发明还包括一种单相单绕组电子换向电动机，它包括一个转子;一个具有确定用于接收转子的孔径的面的多个齿的定子，这些定子齿的面及转子确定了它们之间的空气隙，每个定子齿的每个面相对于定子每个齿的中心线确定了一种不对称的空气隙;及在定子上的一个绕组;选择地向绕组供电使转子在所需速度或转矩下旋转的装置，由此当绕组不被供电时，非对称空气隙使转子停到一个预定位置上，该位置不对应于零转矩起动位置。
本发明还包括一种电动机，它包括一个转子;一个直流母线;仅两个串联地跨接在母线上的电源开关;及一个其一端连接于两开关之间而另一端连接于母线的绕组;传感转子位置的装置;响应位置传感器，控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。
本发明还包括一种操作电动机的方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;仅两个串联地跨接在母线上的电源开关;及一个其一端连接于两开关之间而另一端连接于母线的绕组。该方法包括以下步骤传感转子的位置;及响应传感的位置控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
本发明还包括一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;使直流母线提供的电压分压的装置;两个串联地跨接在直流母线上的开关;及一个其一端连接在两开关之间而另一端连接于分压装置的绕组。该方法包括下列步骤传感转子的位置;及响应传感转子的位置控制开关在相反的方向上交替地向绕组供给直流电流，其中绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
本发明还包括一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子，一个具有设有第一及第二端绕组的定子;一个提供直流电压的电压源及将该直流电压分成第一直流电压及与第一直流电压极性相反的第二直流电压的装置。该方法包括下列步骤传感转子的位置;选择地提供给绕组的第一及第二端第一直流电压以响应传感的位置使转子在预定方向上旋转;选择地提供给绕组的第一及第二端第二直流电压以响应传感的位置使转子在所需的速度或转矩下在预定的方向上旋转。
本发明还包括一种操作电动机的方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;两个串联地跨接于母线上的开关;两个串联地跨接于母线上的电容器;及一个其一端连接于两开关之间而另一端连接于两电容器之间的绕组。该方法包括以下步骤传感转子位置;响应传感的转子位置，控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
本发明还包括一种操作电动机的方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;仅两个串联地跨接于母线的电源开关;及一个其一端连接于两开关之间而另一端连接于母线的绕组。该方法包括以下步骤在直流母线及绕组之间提供交流电压;及响应该交流电压控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生使转子旋转的磁场。
本发明还包括一种操作电动机的方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;两个串联地跨接在母线上的开关;两个串联地跨接在母线上的电容器;及一个其一端连接于两开关之间而另一端连接于两电容器之间的绕组。该方法包括以下步骤在直流母线及绕组之间提供交流电压;及响应该交流电压控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生使转子旋转的磁场。
本发明还包括一种电动机，它包括一个转子;一个直流母线;仅两个串联地跨接于母线的电源开关;一个相对于转子磁不对称的定子;一个其一端连接在两开关之间而另一端连接于母线的定子绕组;及控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生在所需转速或转矩下使转子旋转的磁场的装置。本发明还可包括传感转子位置装置，及其中控制装置响应位置传感装置及代表所需转子速度或转矩的一个输入信号。
本发明的另外目的及特征将在以下所述的部分中阐明。
图1为使用四个电源开关控制单相单绕组电动机的一个现有技术电路;
图2A为本发明的仅有两个电源开关及一个电容式电压分压器的单相单绕组电子换向电动机(ECM)的电路概图;
图2B为用图2A的电路对多个并联电动机绕组供电的电路概图，其中每个绕组仅用两个电源开关控制;
图3A是具有电源中的电压倍压器输入及仅具有两个电源开关及两个电容器以及连接于它们之间的绕组单元的单相绕组电动机的电路概图;
图3B表示用图3A的电路时多个并联电动机绕组供电的电路概图，其中每个绕组仅用两个电源开关控制;
图4表示一个用于使电动机转子、例如本发明的单相ECM的转子停止在优选位置上的带凹口定子的部分纵向切面平面图;
图5A-5B为表示具有凹口定子的单相单绕组电动机稳态运行时电子特性的曲线图;
图6A-6C共同表示对单相单绕组电动机供电及控制的电路的电路图部分;
图7为作为控制电压、单一的相移因数输入的一个库克直流/直流变换器与一个单相ECM组合的方框图;
图8为图7电路的部分电路概图;
图9-11为单相ECM的电源开关控制极电路一个优选实施例的电路概图;
图12A-D表示无母线调节的图2A电路的起动特性的波形图;
图13A-D表示无母线调节的图3A电路的起动特性的波形图;
图14A-D表示图3A的单相ECM恒速特性的波形图;
图15A-D及图16A-D表示具有母线控制的图3A的单相ECM的起动特性的波形图;
图17表示由于图3A的单相ECM起动加速时的母线控制对RPM(每分钟转数)随时间变化的影响;
图18表示取走定子端部用于接收一种电动机例如本发明的单相ECM电动机的线架式绕组的定子齿的纵向切面平面图;
图19表示一种电动机例如本发明的单相ECM的、具有相隔联锁定子端部的一个定子的部分透视图;
图20表示一种电动机例如本发明的单相ECM的、具有整体模压或联合挤压圆环形式的可拆卸定子端部的一个定子;
图21A-21B表示一种电动机例如本发明的单相ECM中绕组的纵向切面平面图，该绕组是用改型方法绕制的用于改进组装效率。
在各附图中相对应的标号表示相对应的部件。
现在参照图1，该图表示用于向一个单相单绕组电动机供电的现有技术的电路100。电路100包括四个电源开关102，104，106及108，用来控制电动机(未示出)的定子上单相绕组110中流过的电流。电源开关102，104，106及108由传统的定时电路分别经过端子112，114，116及118控制。当电源开关102及108被导通，电源开关104及106则被关断，以使得电流自端子120至端子122地流过绕组110。当电源开关104及106被导通，则电源开关102及108被关断，以使得电流在与以上相反的方向上自端子122至端子120地流过绕组110。电源通过一个外部交流电源124，一个附加滤波电感126，一个整流桥128及一个滤波电容器130施加到电源开关上。虽然电路100能有效地向单相绕组电动机供电及控制它，但其需要四个电源开关及相应增加成本的控制电路。
图2A表示控制一个单相单绕组电动机的本发明一个优选实施例的电路150。最好使用这样的一种电动机例如用于在一个燃烧室、如用于HVAC系统的气体炉中形成风流的风扇驱动电动机。电路150包括由端子152及154确定的一个直流母线。该直流母线152，154包括一个传统的整流桥156及一个滤波电感158。因此直流母线152，154将来自一交流电源160的交流电转化为向电路150其余部件供电的直流电流。
一对电容器162及164串联地跨接在母线152，154上。一对开关166及168也串联地跨接在直流母线152，154上。反馈二极管(flybackdiode)172及174分别地跨接在开关166及168上。单相单绕组电动机的单绕组170的一端通过一个精密电阻183连接到电容器162和164之间的端子184上，而其另一端连接到电源开关166及168之间的端子186上。电源开关166及168分别通过线178及180由一控制器176控制。控制器176与一个用于传感电动机永磁转子的角度位置的位置传感器182相连接。位置传感器182可以是任何传统的装置，例如霍耳效应装置。精密电阻183被加以选择，以使得由控制器176通过导线(未示出)可以监控电流，以便调节电动机的相电流。
在工作中，电容器162和164将出现在直流母线152，154上的电压进行分压。电容器162和164最好大小相等，以使得来自直流母线152及154的电压被在它们中间分压成大致相等。电容器的大小是电动机输入功率和确定波动电流率的电容器品质的函数。当控制器176导通电源开关168时，电源开关166被打开。电源开关168的导通使正电压从电容器164经过绕组170形成从端子184经绕组流到端子186的正向电流。此外，正向电流也从直流母线152，154经过端子152，电容器162，端子184，绕组170，端子186，电源开关168及端子154供给绕组170。当控制器176导通电源开关166时，电源开关168则被断开。电源开关166的导通使正电压从电容器162经过绕组170形成从端子186经过绕组流到端子184的正向电流。此外，正向电流也从直流母线152，154经过端子152，电源开关166，端子186，绕组170，端子184，电容器164及端子154供给绕组170。因此，电源开关166及168的控制即控制了流经绕组170的电流方向，因而就控制了定子产生出的磁场的方向。因为控制器176通过位置传感器182知道了转子的位置，所以控制器176控制定子中的磁场会引起转子的旋转。更具体地，控制器176选择地供给绕组170的第一和第二端以第一直流电压，使转子在一个预定方向上旋转，并且也选择地供给绕组170的第一和第二端以第二直流电压，使转子在同样预定的方向上旋转。
图2B表示连接到多个并联绕组中电路的母线条152，154及由图2A的电容器162和164提供的分压器。每个绕组电路包括各自的单个绕组170A-C。电能通过母线条152，154，电容器162及164，和电源开关166A-C及168A-C供给绕组170A-C。控制器176分别通过导线178A-C及180A-C控制这些电源开关。利用控制电源开关，控制器176控制通过绕组170A-C的电流，因而也就控制了在电动机定子中感生的磁场。控制器176也与位置传感器182相连接，用于传感转子的位置，如以上参照图2所描述的，控制器176鉴于转子的已知位置对定子中的磁场进行控制，以便使转子旋转。
图3A表示本发明用于控制一个单相单绕组电动机的一个优选实施例的电路200。该电路200的电源输入装置使用了电压倍压器输入，电路200包括一个由端子210和212确定的直流母线。该直流母线210，212通过一交流电源202，一滤波电感204，及一对整流器206和208接收电能。一对电容器214及216串联地跨接在直流母线210，212上。一对电源开关218和220也串联地跨接在直流母线210，212上。反馈二极管228和230各自跨接在电源开关218和220上。单相单绕组电动机的单绕组222的一端通过一个精密电阻223连接到电容器214和216中间的一个中心抽头端子224上，其另一端连接到电源开关和反馈二极管图腾柱(totem-pole推拉式输出电路)的电源开关218和220之间的端子226上。交流电源202的一端也连接到端子224上。电源开关218和220由控制器232分别通过导线234和236控制。控制器232也连接到传感电动机转子角度位置的位置传感器238上。位置传感器238可以为任何传统的装置，例如霍耳效应装置，一种传感绕组或机械式位置传感器。对精密电阻223作出选择以使得由控制器232通过导线(未示出)可监控电流，以便调节电动机相电流。
图3A的电源输入布置被称为一种“倍压器”输入，因为导体对导体的母线电压将为峰值交流线电压的两倍。当交流线电压大于上导体的电压时，电流将自该线流经上方输入二极管及上方母线电容器，使上方母线电容器充电。类似地，当交流线电压比下导体的电压负时，电流将自该线流经下方输入二极管及下方母线电容器，使下方母线电容器充电。
当控制器232导通电源开关220时，电源开关218保持断开。电源开关220的导通使正电压从电容器216连接到绕组222上形成从端子224流经绕组222到端子226的正向电流。此外，正向电流还从直流母线210，212经由端子210，电容214，端子224，绕组222，端子226，电源开关220及端子212供电给绕组222。当控制器232导通电源开关218时，电源开关220保持断开。电源开关218的导通使正电压从电容器214连接到绕组222上形成从端子226流经绕组222到端子224的正向电流。此外，正向电流还从直流母线210，212经由端子210，电源开关218，端子226，绕组222，端子224，电容器216及端子212供电给绕组222。因此，对电源开关218和220的控制可控制流过电动机绕组(MW1)222的电流方向，因而就控制了由定子感生的磁场的方向。因为控制器232通过位置传感器238了解到转子的位置，故控制器232可控制定子中的磁场引起转子的旋转。更具体地，控制器232选择地将第一直流电压供给绕组222的第一及第二端，使转子在一预定方向上旋转，并且也选择地将第二直流电压供给绕组222的第一及第二端，使转子在一同样方向上旋转。
通常，需要电流调节，例如利用迟滞带或峰值调节器执行的。在迟滞带调节中，当电流达到最大正向或最大负向值(迟滞带的上电平时，则从目前导通的电源开关上去除控制极信号，迫使电流流过图腾柱反向端中的反馈二极管。这种作用能有效地将一反向电压施加到绕组上，并使电流释放。同样，在电流释放作用时，电流流经反向电容器，并且是在使该反向电容器充电的方向上流过电流。当电动机电流足够地释放了(到达迟滞带的低电平)，相应的电源开关重新被加上门信号，则电动机电流被补充。这种电流调节作用使电动机中电流保持为一个大致恒定的值，尤其是当迟滞带的上及下电平之间的差值小时更是如此。在峰值调节中，当达到一预定峰值电流及此后导通一预定时间时，使电流关断。
电动机相电流的调节最好需要利用某些装置进行电流测量。一种经济的电流测量方式是对精密电阻上的电压降进行测量，如上所述，该精密电阻与电动机的相串联。该精密电阻最实际的位置是设在电动机相线脚的下端，精密电阻的一端与母线的中心抽头224相连接，如图3A中所示。取母线中心抽头作为“地”，并使所有的其它控制电路参照该接地点，则就会变得方便些。母线的上导体，即就是上方母线电容器的上侧，具有大的正电压;而母线的下导体，即就是下方电容器的下端，具有大的负电压。对上方电源开关必须施加在其控制极上一个高于上方导体的阈值电压才会被控制导通，而对下方电源开关必须施加在其控制极上一个高于下方导体的阈值电压才会被控制导通。
图3B表示与多个并联绕组电路相连接的母线条210，212及图3A中的电容器214及216。每个绕组电路包括各自的单绕组222A-C。电能经由母线条210，212，电容器214及216，及电源开关218A-C和220A-C供给绕组222A-C。控制器232分别经过导线234A-C和236A-C控制电源开关。利用控制电源开关，控制器232控制流过绕组222A-C的电流，因此也就控制了电动机定子中感生的磁场。控制器232也与用来传感转子位置的位置传感器238相连接。如以上参照图3A所述的，控制器232鉴于转子的已知位置对定子中磁场进行控制，以使得转子旋转。
设计单相单绕组电动机的一个因素涉及到起动时的潜在问题。由定子齿形成的磁凸极引起了“齿槽效应”或“齿槽”转矩并迫使永磁转子停转，或在特定位置上“停车”。在单绕组级别的电动机中，停止位置可能与起动时零机是转矩产生的位置相重合，该转矩使得起动电动机产生困难。
在一个优选实施例中，本发明利用在磁设计中导入磁不对称性迫使永磁转子的停止位置离开机电转矩的零点，从而克服了潜在起动问题。正如该领域中技术人员了解的，一个定子具有多个带有确定用于接收转子的孔径的表面的齿。在定子齿表面和转子齿之间确定了一个空气隙。在本发明中，在定子齿中冲有不对称气隙或凹口，这引起了定子和转子之间空气隙磁阻的不对称性。这种磁不对称性引起转子停止在一个新位置中。例如图4表示的定于齿250具有一个不对称气隙或凹口252，用于在转子磁铁254及定子齿250之间提供非对称的空气隙磁阻。
在电动机的一个优选实施例中，由基于线状磁路逼近法的磁场计算来确定转子的停止位置及起动转矩。使用该逼近法，转子磁铁254及空气隙的周围被分成多个线区256，这些线区是具有相等圆周间距但不同径向长度的空间单元，其径向长度依赖于磁几何图形中线区的位置。对于每个线区256，确定出空气隙及转子磁铁254的磁路长度。然后解出用于永磁铁的经典磁路方程以便获得得每个线区中的磁通密度及磁能量。在位置Q＝α上的磁链利用下式在所有线区上的累加加以计算
类似地，在位置Q＝α上的磁能量利用在线区上类似的累加加以计算。适用于方程式1，图4专门地表示一个六极电机中对于给定转子位置确定在定子齿250及转子磁铁254之间的线区256的边界。在转子位置的常规增量处进行磁场计算。由数字处理产生出磁链、磁能量、磁链微分及齿槽转矩的周期波形。对磁链微分及齿槽转矩的典型计算结果在图5A及5B中给出。转子的停止位置258及260也表示在图5A及5B中。表示在图5A中的停止位置258和260发生在齿槽转矩波形的负斜率与水平轴相交处。该停止位置是在没有任何外部电的或机械激励时转子将会达到停止的位置。停止位置在图5B的磁通微分波形上的投射点表示可得到的成正比的起动转矩258和260，因为机电转矩与磁链的微分乘以绕组电流成正比。由图5B中的磁通链微分图形可以看到在起动时当转子开始转动时由位置258及260可得到相当可观的转矩。
图6A-6C在一起包括本发明的电路300的概要电路图。电路300更具体地包括根据本发明构成的电子换向电动机的电气元件。具有标号900至999的图6A-6C中的配线端子表示这些图中所示元件间的电连接。在以下的描述中，假定所有的900系列的配线端子无需进一步讨论地均已被连接起来。
如将会注意到的，在图6A-6C中的元件号相应于图3A中的元件号。尤其是，图6A的虚线302中所示的电路相应于图3A中电路200的电源202及滤波电感204。将会看到，电路300还包括一对整流器206和208;一个由端子210及端子212确定的直流母线;一对串联地跨接于直流母线210，212上的电容器214和216;一对串联地跨接在直流母线210，212上的电源开关218和220;一个单绕组222，其一端连接在电容器214和216之间的端子224上，另一端连接在电源开关218和220之间的端子226上;及一对分别跨接在电源开关218和220上的反馈二极管228和230。这些电路元件中每个的结构及工作与图3A中相同标号的电路元件相对应。
电路300进一步包括一对分别跨接在电容器214和216上的附加电阻304和306。如果电容器214和216形成过充电，则附加电阻304和306安全地使过充电消耗掉。这可能发生在例如当起动时如果发生转子锁定状态时。作为替换，也可使用有源装置例如开关控制电阻来消耗过充电。
电路300还包括在图6B中虚线308中所示的双向分路。分路308串联在中心抽头端子224及端子226之间的绕组222上。由此分路308可测量流过绕组222的电流。分路308具有多个作分功率耗损的电阻。分路308经由一对导线309A和309B连接到一对比较器312和314上。比较器312和314还经由插脚7及虚线318中的相应电路与来自微处理机316的电流参照电平相连接。利用改变插脚7上的PWM占空比，电流参照值可以在0至2.5V间变化(取决于定值电阻R3，R37，R69的值)。比较器312及314经由导线320将信号输出到一个D触发器322上。触发器322还通过导线323连接到虚线324中所示的一个40微秒的单触发电路上。触发器322的输出经由导线326输送到一个NAND门328上，及经由导线336输送到一个NAND门330上。该触发器322的输出还经由导线336被微处理机316的插脚3检测到。微处理机316通过插脚11及20控制单触发器324。单触发器324包括一个连接在微处理机316及比较器312和314的输出之间的二极管325，从而微处理器316检测比较器的输出。一个过电流状态将使C15拉到零值。微处理机316还分别通过导线338及340与NAND门328和330的输入相连接。
NAND门328，329及330分别控制图6C的虚线331和333中所示的驱动电路。驱动电路331和333分别使电源开关218和220导通及关断。驱动电路331及333包括电平移动电路及一个箝位电路，以使得NAND门328和330的输出由此能控制电源开关。驱动电路331和333还各包括一晶体管332和334，它们分别受电平移动电路332LS及334LS的控制，用以使电源开关提供更好的关断性能。将会注意到，电源开关218是一个P型沟道晶体管而电源开关220是一个N型沟道晶体管。因此驱动电路331及333是彼此互补的。类似地，NAND门328是在与驱动电路331连接前经由NAND门329反相的。
电路300还包括一个与微处理机316经由插脚17相连接的霍耳效应装置238。霍耳效应装置238设置在转子附近的定子上，因此微处理机318可知道转子的角度位置。电路300还包括一个晶体342及相关的电阻及电容器，用以整定微处理机316的工作频率。电路300还包括一个包含在图6A的虚线344中的电源电路，用于提供电压抽头VB2，VB3及VCC对微处理机316及电路300的另外元件供电。电路300还包括一个表示在图6B的虚线343中的电源开通复位电路。复位电路343在电源开启后复位电动机并在预定的时间间隔中保持最小电平。复位电路343通过导线347与微处理机316相连接用于发出复位信号。复位电路343还与图6C中的箝位器349相连接，用于当需要复位时导通电源开关218重新起动电动机。最后，微处理机316包括一组插脚1，2，18及19，用于使由绕组222驱动的电动机控制与使用电动机的系统的其它工作条件相联系。微处理机316的插脚2例如可提供用于转速计的输出以指示转子上检测的转速RPM。插脚1，18及19例如可提供用于系统的输出用来整定合适的工作范围，转矩，或所需的电动机每分钟转数。这些插脚中的一个可接收代表所需电动机速度或转矩的输入信号，在该情况下微处理机316构成控制电动机速度或转矩的装置用来响应所代表的输入信号。在该情况下，微处理机316改变开关218及220的换向速率以便响应如输入信号所指示的所需速度或转矩。
在工作中，微处理机316控制通过绕组222的电流。当微处理机316决定出电流应在一个特定的方向上流过绕组222一个给定的时间间隔，它使相应于适合的电源开关218或220的NAND门328或330启动该给定的时间。然后直流电流在以下换向电路的控制下被换向及供给绕组222给定的时间间隔，该换向电路包括微处理机316，电流参考电路318，单触发电路324，比较器312及314，及触发器322。电路300的直流换向允许电流流过绕组222直到绕组电流值超过由电流参考电路318设定的电流参考值为止。然后电流被关断40微秒的时间间隔。然后电流重新被导通直到绕组电流值再次超过由电流参考电路318设定的电流参考值时为止。接着有另外40微秒的延时，如此下去直到微处理机316发出信号电流在给定方向上流过绕组的给定时间已经结束。
更具体地，微处理机316通过霍耳效应装置238检测转子的位置。微处理机316还通过插脚7及电流参考电路318设定电流参考值。微处理机316还通过插脚11及20控制单触发电路324。基于转子的位置，微处理机决定是否一个电源开关应该被导通。如果，例如电源开关218应被导通时，则微处理机利用通过导线336发送逻辑高电平启动NAND门。其次，供给绕组222的电流必须被换向。因此，来自分路308导线309A及309B上的信号(它相应于流过绕组222的电流)由比较器312和314与来自R37及C16的由电阻网络311偏置及定标的电流参考电路318设定的值相比较。比较器312比较由分路上的负电压所指示的流过N型沟道(开关220)中的电流，而比较器314比较由分路上的正电压所指示的流过P型沟道(开关218)中的电流。附加电容器C7，C17及C18可用来降低电路噪音。网络311中的电阻及电容器的数值被示在下列表Ⅰ中。
元件值的表ⅠR380.6K0.1W1%R40.21/8W5%R5127K0.1W1%R60.21/8W5%R74.02K0.1W1%R84.02K0.1W1%R10127K0.1W1%R111K0.1W5%R1227K0.1W5%R28127K0.1W1%R364.02K0.1W1%R3739.2K0.1W1%R484.02K0.1W1%R6980.6K0.1W1%R70127K0.1W1%C70.001μFC15270pFC1610μF16vC17270pFC18270pF如果每一个电平均为低，则比较器通过导线320及通过时间常数电路R11，C7发出信号使触发器322置位。触发器322的高输出使NAND门328具有低输出，该低输出通过驱动电路331使电源开关218导通。电源开关218将保持导通，直到或是微处理机316利用截止NAND门使其关断，或是当绕组222中的电流值在设定时间外超出由电流参考电路318整定的电平时为止。当微处理机316关断了电源开关218，它将保持关断直到微处理机316再次启动NAND门328为止。当电源开关218因为绕组电流超过了参考电平被关断时，该开关接着保持关断，因为单触发器324延时40微秒。触发器322在40微秒间隔时间结束时发出一个新的逻辑电平1并使电流在给定方向上重新开始。这个周期重复下去直到微处理机316使NAND门328截止为止，由此发出信号电流在给定方向上流过绕组的时间间隔已经结束。微处理机316由此控制流过绕组222的电流方向使定子中感应出磁场并使转子旋转。
经过驱动电路333及NAND门330对电源开关220的控制与上述对于电源开关218的描述是极为相似的。当到达导通电源开关218的时间时，微处理机316通过导线340启动NAND门330。然后电容器311A和311B使流过绕组222的电流电平对时间积分并且比较器312和314将该积分信号与由电流参考电路318整定的电流电平相比较。当该积分信号小于参考值时，触发器322发出逻辑1信号给NAND门330，于是使电源开关220导通。然后电流流过绕组，直到积分信号超过参考信号为止。这使得触发器322的输出瞬变为逻辑0，它使电源开关220关断。然后单触发器324延时27-30微秒以使音频噪音减至最小。接着触发器322发出另一逻辑电平1给NAND门330使电源开关220再导通另一个周期。这个过程重复下去，直到微处理机316使NAND门300截止时为止，于是就结束了在给定方向上电流流过绕组222的周期。
可以用软件操作图6B中微处理机316。软件包括了起动电动机及保持工作速度的软件。简言之，电动机的控制是由霍耳周期建立的，霍耳周期开始于霍耳效应装置238的输出。然后在标记为TINPO变量下的一个16位计数器计200微秒时间间隔的数，该计数时间发生在最近的霍耳信号后直到下一个发生的霍耳信号为止。对于最近的霍耳周期的TINPO计数被省略成标记为TINPS的变量。这就给出了完成一个霍耳周期所用的时间量。一旦知道了一个霍耳周期所用的时间，就知道了转子的转速RPM及对于给定TINPO计数的转子位置。以例子的方式来说明它如果当转子在给定位置时需要关断绕组222时，对于该位置的TINPO计数被计算出来，并当计算的TINPO计数被达到时使绕组关断。作为一个侧面，8个最不重要及最重要的TINPO位被分别规定为TINPOL和TINPOH。该L/H的标志也应用于另外的16位计算器变量。
如果TINPO超过极限，则转子已停留在一个位置中过久。如果转子停留在一个位置中一个预定的时间间隔，则微处理机将进入一个锁定转子子程序，它使任何过充电电容器放电并在指示再起动前提供一个延时。在工作中，起动开始于转子的头四个整转。这些转中的每个转被分割成两个180度部分。霍耳效应装置238识别这八个180度部分中的每个。在每一部分时，正的换向电流在除该部分的头五毫秒外的所有时间中以相应方向提供给绕组222。该五毫秒延时允许两毫秒用于绕组222中现有的电流衰减，及提供附加三毫秒作为安全系数以防止“电流急剧通过”绕组222。在基本上所有的八个180度部分期间都提供电流以便提供附加的起动转矩。
在转子转了头四个完整转以后，微处理机316仅允许换向直流电流在每个后续180度部分的头半部分或90度期间流过绕组222。这个过程被连续下去直到转子速度达到接近1300RPM。利用在该时间中仅在可得到的时间间隔的一半期间中提供电流，使电动机产生的转矩下降了，这合乎要求地平缓了电动机的速度/转矩曲线。换言之，它降低了在低RPMS(每分钟转数)时的转矩以便大致匹配了在高RPMS时能得到的转矩。就开关而言，当一接收到霍耳信号时，与电流流过绕组222的所需方向相对应的电源开关218或220就被开通，而当TINPO达到TINPS/2时开关被关断。
在转子速度超过1300RPM后，微处理机316通过使用在微处理机316存储器中的存储表确定绕组222的开通和关断时间。为了进入表格，微处理机316首先计算表格指针OFFDELTA及导通时间(ONTIME)，如下式所示OFFDELTA＝TINPS/2-12(2)ONTIME＝TINPS/2-12(3)因此，当TINPS等于24或25时表指针等于零。这相当于转子的RPM约为6000。后面的表格数值相当于转子的较低RPM值，它们由微处理机根据所需的速度或转矩来执行。表格中最后的值相当于转子RPM约为1300，低于该值接着进行上述的自动操作，绕组在每个霍耳周期的一半供电。利用TINPS除以2计算表指针，表的精确度降低了但是表的规模也下降为二分之一，它只需要一半的存储器。
在表指针OFFDELTA被计算后，微处理机316从存储的关断时间表中检索一个相应于OFFDELTA的值。然后微处理机316将OFFTIM变量置成等于所检索的值。接着微处理机316从导通时间表中检索一个相应于表指针ONTIME的数值。然后微处理机316计算导通时间，如下式所示ADVTIM＝TINPS+导通表数值(4)
应注意到，大部分导通表中的数值为负数。因此，计算出的ADVTIM将在下一霍耳效应信号前的一个时刻提供来用于相应电源开关的导通。在转子速度高于1300RPM时必须用此方式提前绕组222的换向，以使得磁场能及时地在定子中建立，以便在适当的方向上在转子上产生力。当转子的速度上升时，表的数值提供换向角度增加的提前量以便使转子在高速时输出更大的转矩。
鉴于上述情况，可以看到，可以利用改变关断及导通表中的表值使一个给定电动机用不同的速度和转矩曲线来编程。此外，利用从以上为起动工作设置的那些值中选择不同的导通及关断点，也可对达到所需速度所需的起动转矩及时间作出编程。
一种具有二极管整流器的库克(CuK)直流/直流变换器结构可用于本发明的单相电子换向交流电动机(ECM)系统的输入侧。利用控制变换器的占空比可以调节供给该ECM系统的直流电压。作为其结果，电流指令与整流过的交流电源电压同相，提供了输入交流电流具有单一的相移系数。
根据本发明这一构思的系统600以方框图的形式表示在图7上，而其电路概图描绘在图8中。该系统600包括一个标准的电磁干扰(EMI)滤波器602，一个二极管桥式整流器604，一个库克直流变直流变换器电路606，一个方波直流变交流逆变器控制器608及一个串联连接的电子换向电动机(ECM)610。其方波逆变器控制器608从一个ECM控制器612接收电动机转子角度和电动机电流反馈信号以便与电动机反电势同步地控制逆变器控制器608的开关控制极。电动机电流反馈可提供给ECM控制器612作为电流限制，但是在常规工作中在一个给定半周期中逆变器将不使用电流斩波，因为逆变器608的输入电压受到控制并将减少电流斩波的需要。同样，焦耳传感器614可用来提供给控制器612一个表示转子磁通位置的信号。
直流/直流变换器控制器616接收直流电压反馈及电动机电压指令信号。电动机电压大致正比于电动机速度并且当总体外部环路例如空气流被设置时该信号可用作指令信号。提供了一个与输入电压同相并具有相同波形的信号，以便对直流/直流变换器606的占空比进行控制以保持正弦的输入电流波形，该电流波形的基波是和线电压同相的。
图8表示图7的电路概图。EMI滤波器602是一个由标号C1-C3，L1及Z1表示的标准电容器，电感及电压箱位电路。二极管整流桥604包括二极管D1-D4。直流变交流的逆变器608是包括电容器C5，C6及固态MOSFET开关Q2和Q3的单相中点抽头式电容器电路。因为库克变换器606的电压反相特性，因此MOSFET开关Q2和Q3如图所示地连接。库克变换器606由一对耦合电感L1A和L1B，电容器C4，开关Q1及二极管D5组成。对开关Q1导通时间的控制可控制和调节出现在电容器C5和C6上的直流电压。
ECM控制器612使用安装了霍耳传感器614的电动机以便获得与电动机磁通同步的信号。该位置信号可利用一个锁相环(未示出)修正以得到一个交替的开关Q2和Q3的控制极驱动信号。设置了一个电动机电流传感器即电阻R1，其绝对值与一个电流限定信号相比较。如果电动机电流超过了电流限定值，则开关Q2和Q3利用脉宽调制对电动机电流“斩波”，以便维持它在电流限定值上。在常规工作中，将对直流电压(Edcl)进行控制而不需要电动机电流的斩波。
库克变换器控制器606包括与电动机电压指令信号相比较的一个直流电压反馈信号(Edcl)，第二信号(Edc2)为整流的交流电压，它被提供来产生与输入电压同相的正弦波形信号。它也用作为UC3854控制器606中的一个电源电压变化的正馈信号。设置电流传感器R2来反馈真实直流电流。用脉宽调制输出信号控制开关Q1。
应用库克变换器606作为电子换向电动机(ECM)驱动的直流/直流输入级具有以下的优点单一的输入相移系数，降低了峰值输入电流，降低了谐波输入电流，用于输入到逆变器的可调节直流输出电压，因为降低了PWM故减少了逆变器中的开关损耗，可工作在115V或230V输入电压上并仍可提供从零到接近300V的可调整电压。
这个方案使用了库克电路结构作为用于ECM610的可调节速度驱动输入级的一种降压和升压直流/直流变换器。使用了库克变换器的降压/升压转换特性可使ECM系统600工作在或是115V或是230V单相交流电源上，而无需变换或选择合适的输入端子。当提供230V交流电源时，变换器606工作在降压模式上以提供从零到接近300伏的可调节直流电压。当提供115V交流电源时，变换器606开始工作为降压变换器而然后作为升压变换器，使变换器606可提供从零到接近300伏的可调直流电压。
使用中心抽头母线逆变器的单相电子换向电动机(ECM)需要来自控制电路两个不同电压电平上的电源开关控制信号。使用光隔离器的电平移动控制信号电路可用来完成对于这种ECM逆变器结构的电源开关控制。
用于单相ECM654的使用中心抽头母线逆变器656并具有光隔离器控制电路652的一种电源电路650被描绘在图9中。直流母线(+VBUS，-VBUS)用相同的母线电容器658，660被分压成一半，电动机相绕组的一端连接于母线656的中心抽头662上。电动机相绕组的另一端则连接于串联地跨接在母线656上的一对电源开关672，664的中点。由此ECM654可被交替控制上方及下方电源开关672，674产生的交变电流激磁。两个反馈二极管676，678提供电动机的电流通路直到电流有反向地流到相关电源开关的合适方向上为止。
对电动机相电流的调节最好需要利用某些装置测量电流。一种经济的电流测量方式是利用对串联在电动机相中精密电阻680上的电压降的测量。一种精密电阻的实际位置是在电动机相线脚的下端，精密电阻680的一端与母线656的中心抽头662相连接，如图9中所示。取母线中心抽头652作为“地”，并使所有的其它控制电路参照该接地点，则就会变得方便些。母线656的上导体成为具有大的正电压，称为+VBUS。而母线656的下导体成为具有大的负电压，称为-VBUS。对于上方电源开关672必须施加在其控制极上一个高于+VBUS的阈值电压才会被控制导通，而对于下方电源开关674必须施加在其控制极上一个高于-VBUS的阈值电压才会被控制导通。对于典型的母线电压及阈值电压值来说，下方电源开关674的控制极电压仍为一个大的负电压。
需要有两种不同的控制极电压，这两种电压均相对地电位有很大的移动，因此需要电位移动电路。
这里所描述的控制极电路提供了一种取代变压器类型的控制极电路。在本发明中应用光隔离器来获得电压电平移动。图10描绘出用于下方电源开关674的控制极电路。对电源开关控制极提供的电荷被存储在储能电容器660中，当下方控制极信号被施加到光隔离器控制电路模块652的发光二极管OD3上时，该电荷就被施加到控制极上。流经OD3的电流使OD3将光发射到光敏三极管OT3的基极上，使OT3导通。当OT3导通时，场效应推挽管Q1-Q2的栅极被迫为低电位，来自660的电荷通过Q1使电源开关导通。相反地，当希望从电源开关上移去控制信号时，将下方控制极的信号移去，发光二极管OD3停止导通，光敏三极管OT3停止导通，场效应推挽管对Q1-Q2的栅极由提升电阻Rpu升高电位，则通过Q2从电源开关的控制极(即栅极)拉出电荷。
必须对储能电容器660重新充电，当电动机端子700(即开关对672，674的中点)在正向相电流导通时经过上方电源开关676被提升到上导体电位(+VBUS)，或是在反向相电流导通时经上方反馈二极管676被提升到上导体电位(+VBUS)时可进行该重新充电。当在重新充电模式时，在控制模块中的发光二极管OD2将被导通。这使得光敏三极管OT2导通，则储能电容器660通过从上导体，阻塞二极管704，限流电阻Rc11，光敏三极管OT2及经电容器660到负导体的路径充电。限流电阻Rc11的值很小以便使电容器660快速充电。当电容器660上的电压升高到齐纳二极管702的电压值加上发光二极管OD1的正向压降时，则电流经过齐纳二极管702流通由此使电容660的电压被箝位。该箝位电压被设计为电源开关674的栅极阈值电压。通过齐纳二极管702导电的电流也流经发光二极管OD1，它使控制模块中的光敏三极管OT1导通。这个作用是使控制模块中的发光二极管OD2的导通停止，这又使光敏三极管OT2停止导电。预先被光敏三极管OT2分流的限流电阻Rc12现在被置于重新充电的电路中，Rc12的值大得足够使流过齐纳二极管702的电流限制在安全值上。当储能电容器660上的电压下降到低于箝位电平时，在齐纳二极管-OD1支路中的电流停止导通，OT1关断，OD2导通，OT2导通，大电阻Rc12被旁路，则储能电容器660经由小电阻Rc11被快速地再充电。
阻塞二极管704能在下方电源开关674导通时使再充电电路与电动机相端子断开，因为这时电动机相端子被降到近似于负导体的电位。当下方电源开关674被关断时将会引起电容器660的再充电，因为电动机相端子这时会立即地连通到上导体上，起初电流通过上方反馈二极管676导通，然后通过上电源开关672导通。当下方电源开关674导通时不会发生再充电，并在此期间，电荷从储能电容器660中排出形成流经包括光敏三极管OT3及其提升电阻Rpu支路中的电流。为了防止储能电容器660上的电压降低到电源开关674的阈值以下，必须提供一个合理的充电工作频率。
对于上方电源开关672的栅极信号电路表示在图11中，它与图10相似，但不同的是它连接在上导体+VBUS及电动机相端子之间。当由于或是通过下方反馈二极管678的导通或是通过下方电源开关674的导通使电动机相端子拉到下导体电位上时，进行再充电。
当驱动电路最初供电时，两个充电电路彼此相通地同时导通。本发明该电路的一个革新是变换限流电阻值从而能快速再充电的技术。
在电动机起动操作时会发生本发明所提出的一个问题。编写了一个计算机程序来对这里所公开的一些电路的电动态特性作模拟计算。该模拟计算机也被编入了涉及转子惯性，摩擦力，机电转矩，齿槽转矩及负载转矩的机械动态特性。电磁分析计算的转子仃止位置也被编入作为一个初始条件。图12A-D表示用图2A中电路供电及控制的一个单相单绕组电子换向电动机的起动特性。图12A-D中的每个描绘了给定特性参数对时间波形。其体地，图12A表示轴速度对时间的函数，图12B表示相电流相对时间的函数，图12C表示电源及母线电压相对时间的函数，及图12D表示轴作用转矩相对时间的函数。可以看到，图2A中分开的直流母线152、154具有如图12C中表示的电压，在起动时它变得不平衡并从电动机极交流电源两者上断开。该不平衡是作为上述电流调节作用的结果发生的。电动机都必须滑行直到电动机极性反向被获得为止，假设具有足够的角动量能使转子通过齿槽转矩中的恢复作用。
图13A-D表示用图3A中的电路供电及控制的一个单相单绕组电子换向电动机的起动特性。这些波形也是由计算机模拟计算得来的。在时间零点时，电动机的仃止位置是任意选择的，以至于需要如图13B所示的第二波形描绘的负的电动机电流来产生如图13D所示的第四波形描绘的正轴向转矩。
施加在电动机上的转矩及负载惯性产生了轴速度的加速，如图13A所示的第一波形所描绘的。在负电动机电流期间，在下方母线电容器上的电荷重复地由线路充电，而上方母线电容器作为前述电流调节作用的后果变成过充电。最后，轴运动使转子到达需要用正向电流产生正向转矩的位置;这个过渡被描绘在图13B所示的波形图中。在过渡时刻，上方电容器电压从其标称工作电压156V充电到280V，如图13C所示。在电动机相电流变化到正方向以后，下方电容器变成过充电，虽然过充电程度小些，它仍是作为电流调节作用的后果。当电动机加速时，越来越小的电容器过充电能被观察到，最后获得到图14A-D中所示的恒速工作。起动操作的一个重要结论是母线电容器看来应该具有超过额定值的耐压能力，它仅用于持续几毫秒的时间。
图14A-D表示利用图3A中的电路在恒速运行时控制单相单绕组电子换向电动机工作的各种波形。这些波形是由计算机模拟程序获得的。图14A表示电动机相电流的波形，它被刚刚描述的电流调节作用整形成接近方波形状。该交变的电动机电流与交变的磁场方向相互作用，产生一个单方向的轴转矩，描绘在图14B所示的第二波形图中。由图14C所示的第三波形描绘了交流电源(即线电压)(VAC)及直流母流的上导体电压+VBUS及下导体电压-VBUS。这些导体电压漂移一定的量值，这是由于响应被吸收或被供给的电动机电流及被供给的线电流。线电压超过导体电压的时刻能清楚地看出，在这些时刻中，电流从线路流出，如图14D所示的第四波形中描绘的。重要的是应注意到导体电压没有超过峰值线电压一个明显的数值，因此，为了设定母线电容器电压额定值，因此，为了设定母线电容器电压额定值，规定电压额定值等于线电压的峰值(在此例中为2]]>×110＝156V)是合适的。母线电容器典型在以设定的恒定工作电压定为额定值并具有稍微增大的短时冲击电压。适用于这里例子的一种商用标准是160V的工作电压及200V的冲击电压。若将母线电容器设定在大于所需的电压上是不经济的，因为电容器的体积和价格随着电压额定值而增加。
使用中心抽头母线逆变器的单相电子换向电动机(ECM)在起动操作期间将会遭受到大的过电压，这需要超过额定值的母线电容器因而是不经济的。在本发明的一个实施例中，母线电压调节技术阻止了过电压并允许使用常规额定值母线电容器。需进一步考虑的是由意外事故引起的元件破坏性故障。如果轴系统因为某原因被堵住，例如在负载时因碎物形成堵转时，图3A线路中的一个电容器持续地被过充电到达介电损坏点。
本发明的一个实施例使用迟滞带调节器对每个母线电容器阻止其过充电。迟滞带的上电平可简便地设定在母线电容器的冲击电压值上，而其上电平将设定在某个较小的值上。当达到上方带电平时，控制作用使电动机电流反向，这迫使电容器放电，当电容器电压放电到迟滞带的低电平时，则恢复原来的电流方向。
本发明的调节及控制操作描绘在图15A-D的波形图中并且延续到图16A-D。迟滞带其上电平整定在200V而其下电平整定在175V。如前所述，电动机电流的起始方向是负的，这引起了上电容器的过充电。当上电容器的电压达到上迟滞带电平时，控制作用使电动机的电流方向反向到正方向，并使上母线电容器开始放电。不利的是，电流的反射也引起转矩反向并使轴速度下降。一旦上电容电压下降到下迟滞带电平时，则被恢复到原来的电流方向(到负电流)，并使轴速度重新上升，而上电容电压再次向上充电。该控制作用被重复多次，尽管由于每次母线调节作用引起施加负的转矩，但是具有正的净转矩，它使轴有整体的正向加速。
轴的运动使转子到达需要正电流产生正转矩的位置上，在图15A-D的波形图中为0.155秒时。下方母线电容器立即地开始过充电，当调节作用施加在下电容器上时，电动机电流方向从正反向到负。与以上相似地，下电容器放电并与此同时转矩反向引起轴速度下降。当下母线电容器的电压下降到下迟滞带电平时，则恢复到原来的电流方向(到正电流)，并且一切重复下去。
由母线调节作用产生的小的净正转矩使得轴加速度明显地小于没有母线调节时应有的加速度。但是，最后在一个足够大的速度下，母线调节变成不再需要了，则轴加速度可呈现其自然速率。图17表示具有及不具有母线调节时轴加速度之间的比较。母线调节约在200RPM时仃止，由母线调节引起的延迟小于半秒钟。应当考虑，母线调节器可用运算放大器比较器及逻辑门来实现，或如果导体电压利用A/D转换器数字化时采用微处理机软件实现。
对于用于本发明电动机的定子的结构，图4中表示了典型凸极ECM电动机定子的一部分。这种电机的一个特点是定子齿250具有相当窄的部分251及一个宽的端部255，用于将磁力线扩散到转子磁铁254及定子齿250之间的能量转换空气隙区域上。鉴于定子齿250的形状，传统绕制磁极的方法是围绕定子齿将导线“穿缝”所需的圈数。这种方法的缺点是产生的绕组具有随机的特征，在绕制中的绝缘铜线股具有许多成角度的交叉。这就形成了绕组中空间利用率低。此外，在相邻定子齿的绕组之间必须留有空间以便使绕线机部件能够进入。再者，绕组不能被紧密地绕制以免使导体或围绕导体的绝缘有拉伸或断裂的危险。因此，传统的绕线方法仅能利用定子铁芯横截面上有效空间的百分之三十四左右。
本发明利用在安装绕制的绕组时能取下定子齿250的端部255来解决该问题。即将绕制的绕组绕在一个传统的高速线圈架绕组绕线机上。这种绕组典型地以规则的方式被绕制，除去各层的端部外没有交叉。这就提供了对填放导体的绕组横截面积的更好利用。如果使用方导线时甚至更大的导体区域能被填放，这如同在较大的电动机中通常使用的，因为在用线架绕线时方导线的定向是很容易被控制的。在绕好以后，绕组被滑放到定子齿的窄部分251上。例如，图18表示一个从其上取走定子端部的定子齿400。在传统高速线架绕组机上绕好的绕组402已被滑放到齿400上。另外的绕组404及406被分别围放在相邻的定子齿408及410上。
对于图19中将定子端部412再装到定子齿400上，可以作成与磁槽楔相似的叠片磁极端部并将它们单个地装到每个极上。但是这时很耗时间并由此是昂贵的。作为一种替换，本发明考虑使用一种具有交替模压或挤压粉末铁/塑料混合部分及与其相连接的非磁性塑料部分的圆环。图19表示这样一种结构的一部分。图19包括夹在一个圆环中，其两端是联锁用的一个非磁性塑料部分414及联锁用的另一非磁性塑料部分416的定子端部412。这些非磁性塑料部分与另外的定子端部(未示出)及另外交替的塑料非磁性部分(未示出)相联锁直到形成一个完整的圆环为止。作为使用多个联锁件来安装定子端部412的一种变型，图20中表示一种整体模压的或联合挤压的圆环418。整体环418包括多个交替的粉末铁/塑料混合物定子端部420及非磁性塑料部分422。整体环418保持了定子端部420的间隔距离。一旦绕组被置位到定子齿400周围时，整体环418就被滑入到其位置上，并使用传统的定位技术用适合的锁件定位。对于图20中所示定子424的所有齿因此可用一个简单的操作来完成。
在本发明范围内增加定子空间利用率的另一个设计表示在图21A中。在图21A中，绕组426的每个绕制得使它们的形状与磁轭及定子齿的形状相一致。另一种改进表示在图21B中，这里多个绕组428和430被绕成具有梯形横截面。该梯形形状能使绕组428和430在有效空间中被套放。宽底的绕组430首先被插放在交替隔着的齿400上，接着将窄底的绕组428插放在其余的齿上。对绕组的电连接可以经过定子424一端上的线路板作出。
也可考虑定子采用共同被转让的、未决的美国专利申请系号为07/863900，申请日为1992年4月6日，题为“整体式电动机及控制”中描述的形式，它的整个公开内容结合于此作为参考。具体地是考虑，本发明的电动机可包括一个具有单个线架绕组级的C形构架。本发明的电动机比上述申请中的电动机能提供更大的功率，因为本发明的电动机与中心抽头结构相比是使用的整体绕组级。同时本发明的电动机使用了更长的叠片及更大的永磁铁。
鉴于以上的描述，可以看到本发明的诸项目的已被实现并且其它的有利结果亦被达到。
在不偏离本发明范围情况下可在上述结构上及方法上作出各种变化，以上描述及附图所示的所有内容应被看作解释性的而非限制的意义。
权利要求
1.一种电动机，包括一个转子；一个直流电母线；对直流母线供电电压的分压装置；串联地跨接在直流母线上的两个开关；其一端连接在开关之间而另一端连接在分压装置上的一个绕组；用于传感转子位置的装置；及响应位置传感装置用于控制开关交替地在相反的方向上向绕组提供直流电流的装置，其中绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
2.一种电动机，包括一个转子;一个具有设有第一和第二端的绕组的定子;一个提供直流电压的电压源;一个将直流电压分成第一直流电压及与第一直流电压极性相反的第二直流电压的装置;用以传感转子位置的装置;响应位置传感装置，用于选择地提供给绕组的第一和第二端第一直流电压以使转子在预定方向上旋转，及选择地提供给绕组第一和第二端第二直流电压以使转子在所需速度或转矩下在预定方向上旋转的装置。
3.一种电动机，包括一个转子;一个直流母线;两个串联地跨接于母线的开关;两个串联地跨接于母线的电容器;一个其一端连接在两开关中间而另一端连接在两电容器中间的绕组;用于传感转子位置的装置;及响应位置传感装置，用于控制开关提供绕组电流，以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。
4.一种电动机，包括一个转子;一个直流母线;仅为两个串联地跨接于母线上的电源开关;一个其一端连接在两开关中间的而另一端连接到母线上的绕组;一个具有一端连接于直流母线而另一端连接于绕组的交流电源;及用于控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。
5.根据权利要求4的电动机，其特征在于传感转子位置的装置，及其中控制装置响应位置传感装置及代表所需电动机速度或转矩的一输入信号。
6.一种电动机，包括一个转子;一个直流电母线;两个串联地跨接于母线的开关;两个串联地跨接于母线的电容器;一个其一端连接于两开关中间而另一端连接于两电容器中间的绕组;一个具有一端连接于直流母线而另一端连接于绕组的交流电源;及用于控制开关向绕组提供电流以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。
7.根据权利要求6的电动机，其特征在于传感转子位置的装置，及其中控制装置响应位置传感装置及代表所需电动机速度或转矩的一输入信号。
8.一种单相单绕组电子换向电动机，包括一个转子;一个定子，它具有设有确定用于接收转子的孔径的面的多个齿，定子齿的面及转子确定了它们之间的空气隙，每个定子齿的每个面确定了相对于定子每个齿中心线的不对称空气隙;一个定子上的绕组;及开关装置，用以选择地向绕组供电以使转子在所需速度或转矩下旋转，其中当绕组不被供电时，不对称空气隙使转子停到一个预定位置上，该位置不对应于零转矩起动位置。
9.一种电动机，包括一个转子;一个直流母线;仅为两个串联地跨接于母线上的电源开关;一个其一端连接在两开关中间的而另一端连接到母线上的绕组;用于传感转子位置的装置;及用于响应位置传感装置，控制开关向绕组提供电流，以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场的装置。
10.根据权利要求9的电动机，其特征在于进一步包括向直流母线提供直流电流的装置。
11.根据权利要求10的电动机，其特征在于直流供电装置包括一个交流电源，用于对交流电源整流的装置，用于将整流电压转换为直流母线母线电压的装置，用于选择地逆变直流母线电压向绕组提供交流方波的装置。
12.根据权利要求11的电动机，其特征在于变换器装置包括一个库克(Cuk)直流/直流变换器及一个控制器，由此响应直流母线电压及直流电流以及由整流装置提供的电压。
13.根据权利要求12的电动机，其特征在于进一步包括一个电子换向电动机控制器用于控制两个电源开关的控制极，该控制装置包括控制电动机速度/转矩的装置以响应代表它们的输入信号。
14.根据权利要求9的电动机，其特征在于直流供电装置包括一个中心抽头母线逆变器，它具有连接到两个电源开关并经由这两个电源开关连接到绕组一端及具有连接到绕组另一端的中心抽头的上导体及下导体。
15.根据权利要求14的电动机，其特征在于中心抽头母线逆变器包括一个单相交流电压源，该电压源具有连接于中心抽头的第一端子及连接于上及下导体的第二端子。
16.根据权利要求9的电动机，其特征在于还包括两个通过中心抽头串联地跨接在母线上的电容器，其中使得中心抽头连接在两个电容器的中间，并包括调节供给电容器电流的装置。
17.根据权利要求16的电动机，其特征在于控制装置包括一个迟滞带调节器。
18.根据权利要求9的电动机，其特征在于控制装置包括当电动机速度低于一预定值时提供给开关一个起动脉冲系列的装置，及当速度大于该预定值时提供一组工作脉冲的装置。
19.根据权利要求9的电动机，其特征在于控制装置包括测量绕组电流的装置，及响应该电流测量装置交替地使开关断开及导通的装置。
20.根据权利要求19的电动机，其特征在于还包括两个串联地跨接在母线上的电容器，并使绕组的一端连接在两开关的中间，而另一端连接在两电容器之间。
21.根据权利要求19的电动机，其特征在于包括产生用于一个开关的第一控制电压的装置，及产生用于另一开关的第二控制极电压的装置，其中第二控制极电压不同于第一控制极电压。
22.根据权利要求20的电动机，其特征在于还包括与一个电容器相串联的第一限流装置，及与另一电容器相串联的第二限流装置。
23.根据权利要求22的电动机，其特征在于每个限流装置包括一个用以选择地向电容器提供电流的一个光控制开关，及与该光控制开关并联的旁通装置用以当光控制开关断开时限制供给电容器的电流。
24.根据权利要求23的电动机，其特征在于包括与每个电容器并联的限压装置，用以限制提供给电容器的电压幅值。
25.根据权利要求9的电动机，其特征在于其中控制装置包括使开关的换向角度提前的装置。
26.根据权利要求9的电动机，其特征在于其中控制装置包括检测绕组中电流的装置，及响应检测电流对开关作脉宽调制(PWM)的装置。
27.一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;仅是两个串联地跨接在母线上的电源开关;及一个其一端连接在两开关中间的而另一端连接在母线上的绕组;所述方法包括下述步骤传感转子位置;及响应传感的装置以控制开关向绕组提供电流，以使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
28.一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;对直流母线供电电压的分压装置;两个串联地跨接在直流母线上的开关;及一个具有连接于两开关之间的一个端及连接于分压装置上的另一端的绕组;所述方法包括下列步骤;传感转子的位置;及响应传感的位置以控制开关在相反的方向上对绕组交替地提供电流，其中该绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
29.一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子;一个具有设有第一及第二端的绕组的定子;一个提供直流电压的电压源;将直流电压分成第一直流电压及与第一直流电压极性相反的第二直流电压的装置;所述方法包括下列步骤传感转子位置;选择地提供给绕组的第一及第二端第一直流电压以响应传感的位置并使转子在给定方向上旋转;选择地提供给绕组的第一及第二端第二直流电压以响应传感的位置并使转子在所需速度或转矩下在给定方向上旋转。
30.一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;两个串联地跨接在母线上的开关;两个串联地跨接在母线上的电容器;及一个其一端连接于两开关之间而另一端连接于两电容器之间的绕组;所述方法包括下列步骤传感转子位置;及响应传感的转子位置，控制开关提供通过绕组的电流以使得该绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
31.一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;仅为两个串联地跨接在母线上的电源开关;及一个其一端连接于两开关之间另一端连接于母线上的绕组;所述方法包括下列步骤在直流母线及绕组之间提供一个交流电压;及响应该交流电压，控制开关对绕组提供电流以使得该绕组产生使转子旋转的磁场。
32.一种电动机的操作方法，该电动机包括一个转子;一个直流母线;两个串联地跨接在母线上的开关;两个串联在跨接在母线上的电容器;一个其一端连接于两开关之间另一端连接于两电容器之间的绕组;所述方法包括下列步骤在直流母线及绕组之间提供一个交流电压;及响应该交流电压，控制开关对绕组提供电流以使得该绕组产生使转子旋转的磁场。
33.一种电动机，包括一个转子;一个直流母线;仅为两个串联地跨接在母线上的电源开关;一个相对于转子磁不对称的定子;一个定子上的绕组，其一端连接于两开关之间而另一端连接于母线上;及控制开关向绕组提供电流的装置，以便使得绕组产生在所需速度或转矩下使转子旋转的磁场。
34.根据权利要求33的电动机，其特征在于包括用于传感转子位置的装置，及其中控制装置响应位置传感装置及代表转子所需速度或转矩的输入信号。
35.根据权利要求33的电动机，其特征在于其中定子包括多个齿，每个齿具有一个基部及一个可拆下的端部，由此可在端部未装到基部上时将绕组放置在基部之间的定子上，然后端部可被装到基部上。
36.根据权利要求35的电动机，其特征在于其中端部为位于转子及齿基部之间的可拆卸圆环的一部分。
全文摘要
一种电动机包括一个转子，一个直流母线及仅为两个串联地跨接在母线上的电源开关。一个绕组的一端连接在两开关之间，而另一端连接两个电容器之间。转子的位置用霍耳器件传感，利用选择地控制开关元件向绕组提供电流来控制电动机的速度或转矩，以便产生在所需速度或转矩上使转子旋转的磁场。一个倍压器，库克直流/直流变换器，或另外的调节装置可用来向电动机供电。定子具有可拆卸的不对称齿端部，以使绕组效率提高并可避免电动机停止在零转矩起动位置上。
文档编号F23N5/18GK1096404SQ9410214
公开日1994年12月14日 申请日期1994年2月22日 优先权日1993年2月22日
发明者D·M·艾尔德曼, R·K·霍伦贝克, J·戴, G·B·克里曼, S·R·麦克明, C·M·施蒂芬斯, F·G·特恩布尔 申请人:通用电气公司