专利名称：采用双联电压源的开关磁阻驱动系统的操作的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关磁阻驱动系统，特别涉及在具有有限的电容量的供电系统上以有限的负载循环操作的这样的系统。
已知许多不同的转能器布局技术，其中几种讨论于上述的Stephenson的论文中。图2示出最常见的用于多相系统的单相的布置的一个，其中电机的相绕组16与横跨汇流排26和27的两开关装置21和22串联连接。汇流排26和27被共同称为换能器的“DC中继线”。能量再生式二极管连接于该绕组以使绕组电流在打开开关21和22时可以流回DC中继线。电容器25，所谓“DC中继线电容器”横跨DC中继线连接于电源或减弱任何的DC中继线电流中的交流成分(即所谓“波纹电流”)，其不可能从电源中取得或返回电源。实际上，电容器25可以包括几个串联和/或并联的电容器，并且当采用并联连接时，一些元件可以通过整个换能器来配置。
图3示出对图2中所示的电路的一个操作周期的典型的波形。图3(a)示出在关闭开关21和22时为了导电角θc的持续时间所施加的电压。图3(b)示出在相绕组16中的电流，其渐升至一峰值然后稍微下降。在导电周期的终点时，打开各开关并将电流传至各二极管，接入反向的中继线电压横跨绕组并从而迫使磁通量和电流降为零。在零电流时，各二极管中断导电并且电路是不起作用的直到下一导电周期开始为止。当打开各开关时DC中继线上的电流反向，如图3(c)中所示，并且该返回的电流代表可以使能量返回电源。一开关磁阻电机允许能量返回电源电路的这种能力具有优点。例如，US 5705918公开了一种发电机，其可以从一高电压汇流排向一低电压汇流排传送能量以便提高发电效率，该文件在此引入作为参考。
开关磁阻驱动系统的电流波形的形状的变化取决于电机的操作点和采用的切换对策。众所周知并描述于例如上述Stephenson的论文，低速操作一般涉及采用电流斩波以保持峰值电流，并且非同步切断各开关以给出一般称之为“惯性滑行”的操作模式。
开关磁阻驱动系统通常由电网电源来驱动。然而，一些驱动系统由于安装在例如船只或汽车设备上并没有与公共电源固定连接。在这些情况下，该系统通常由一交流发电机供电，该交流发电机由矿物燃料点燃的原动机驱动。通常提供一蓄电池来储备足够的能量以便启动原动机和供给超过交流发电机容量的负载量。当有充足的发电容量而高于系统负载所需要之时由交流发电机对该蓄电池再次充电。
采用上述的交流发电机/蓄电池系统时，必然要在投资费用、重量与性能之间采取折衷办法。虽然设计者希望有一个系统能够满足任何的或全部的负载而不降低系统上的电压，但这只能通过提高蓄电池和/或交流发电机的容量才能做到。这增加了系统的投资费用和重量，其又导致增加的运行费用和/或降低的船只或车辆的动态性能。当以大负载间歇操作时出现一特殊的问题，当系统已供给易受电压波动影响其他的负载时尤其如此。例如，车辆或舱室采用白炽灯丝照明是众所周知的易受电压波动影响的负载并且实际上在另一负载接通同一电源汇流排时为了产生微弱的灯光这是通用的。其中在载荷具有例如说几秒钟接通的负载循环接着是几十秒钟的断开时，就可能刺激眼睛。
按照本发明的第一方面，提供了一种开关磁阻驱动系统，包括一转子、一具有一绕组的定子和一控制器，该控制器具有用来选择性地连接第一和/或第二电压源中之任一个的装置以便向绕组供电，和一在绕组与第二电压源之间的能量返回通路以便在利用第一电压源供电给绕组时可以将被传送的能量从绕组返回第二电压源，从而给第二电压源充电。
这种驱动系统的一优点是由绕组传送能量来给间歇使用的第二电压源充电。
第二电压源可以大于第一电压源。优选地是，给第二电压源充电到一预定值，例如，为第一电压源的两倍或三倍。
第一和第二电压源可以串联或并联连接。第一和第二电压源可以各自包括横跨它的并联连接的一电容器。
能量返回通路可以包括一二极管，其连接在绕组的一端与第二电压源之间使得可以从绕组向第二电压源传送能量。
用于选择性连接第一和/或第二电压源中之任一个以便向绕组供电的装置可以包括一对并联设置的开关，第一开关连接在绕组与第一电压源之间而第二开关连接在绕组与第二电压源之间，以便当打开第一开关和关闭第二开关时，第二电压源可用于向绕组供电。可以设置一第三开关用以将绕组连接于第一和第二电压源两者的共同终端。
用于选择性连接第一和/或第二电压源中之任一个以便向绕组供电的装置可以包括一切换开关，其可操作至一个连接第一电压源的位置以向绕组供电并可操作至另一连接第二电压源的位置以向绕组供电。绕组可以连接在一对开关之间并与它们串联。
按照本发明的另一方面，提供了操作开关磁阻驱动系统的方法，该驱动系统包括一转子和一具有一绕组的定子，该方法包括将第一电压源连接于驱动系统以便向绕组供电；将第一电压源横跨绕组接通和断开；当第一电压源被断开时从绕组向第二电压源传送能量，从而给第二电压源充电，并且选择性连接第二电压源以便向绕组供电。
优选地是，传送能量的步骤持续到给第二电压源充电到一预定值为止，优选该预定值高于第一电压源的电压定额，例如为第一电压源的两倍或三倍。
第一和第二电压源可以串联或并联连接，第一和第二电压源可以各自包括一横跨它的并联连接的电容器。
传送能量的步骤可以包括经由一能量返回通路将能量从绕组传向第二电压源，该返回通路包括一二极管，该二极管连接在绕组的一端与第二电压源之间使得可以从绕组向第二电压源传送能量。
绕组可以与一对开关串联连接并位于它们之间并且开关步骤可以包括在打开与关闭位置之间切换该对开关。
该方法还可以包括在第二电压源被充电到预定水平时的检测。优选地是，该方法包括变更开关步骤以便在充电到一预定的水平时减少返回第二电压源的能量。
图9为用于图8的电机的多相型式的电路。
图4的电机可以以一空载的模式在较低的速度下并且利用常规的开关21和22从第一电压源V1取得小的电流来操作。每当打开这两开关时，返回的电流就流入第二电源V2和/或其电容器29。因此，经过几个操作循环以后，电源V2的电压升到某预定的值，优选高于V1的值，典型地高于V1两倍或三倍。那时电机可以或者关掉或者以在循环结束时返回很小的能量的方式来操作，如将描述如下。当要求电机在高功率下操作时，用开关28代替开关21，从而由第二较高的电压源V2驱动电机。这是在电子控制装置14的控制下实现的。当电机由V2驱动时，没有取自V1的电流并因此没有线26上的电压干扰。
虽然以上说明了当电机由V1供电时其处于空载的模式，但应该理解这不必需是这种情况。例如，可以将电机用来驱动第一较低的负载，同时给V2充电，当增大负载时，电机则可以由V2供电并操作以便驱动该增大的负载。另一方面，当电机由V1供电时电机的转子可以是固定的，并且给V2充电。在这种情况下，电机在充电周期中可以利用单相或同时用多个相操作。当要求电机驱动一负载时，则可以连通V2以便供电给电机以驱动该负载。在任一情况下，负载可以固定连接于电机的转子或如有必要和当要求时提供一离合器用以将转子连接于负载。
图4的装置可方便地用于车辆来间歇地驱动一风扇。在这种情况下，车辆的蓄电池用作V1以给电机供电并给另一电源V2充电，从而提供驱动一风扇的足够的功率。作为该应用的具体实例，用来提供照明和其他的辅助负载的标准12V汽车蓄电池用作V1而一小型的额定为例如说标称36V的附加蓄电池用作V2。在一空载速度，例如说在额定速度的15％时，电机由V1供电。在这个阶段中，当电机空转时，由从绕组16向V2传送的能量给蓄电池V2充电。当风扇需要加速到和在高速下操作时，供电量需要增加而可将蓄电池V2接入操作。
还有一个没有从图4中直接显示的优点。对于常规的电路，各开关额定功率必须能应付与最大功率相关的峰值电流。然而，当由较高电压源V2操作时，对于同样的功率输出所需的峰值电流有相应的降低。由于开关21只用于空载的模式，其也可以具有小的额定功率。这种在开关额定功率上的降低可以用来弥补附加的开关、电容器和电源的成本。
虽然图4只示出一单相，但应该理解其原理可以用于多相布置。在这种情况下，电路只需将开关、二极管和绕组加倍而电容器和电压源对所有的相仍可是共用的。一用于两相电机的换能器电路的实例示于图5中。
为实现本发明的另一电路示于图6中。在这种情况下，电路具有串联连接的第一和第二电压源V1和V2。在两电压源V1与V2之间是一输出终端52，以便电机利用的电压可以或者是V1的输出或者是V1和V2的组合输出。为了在两种输出之间切换，设置一切换开关50。连接在开关50与DC汇流排的负端的是一电容器25。与电容器25并联的是一系列按第一开关21、一绕组16和第二开关22的顺序的组合。连接在第一开关21与绕组16之间的是一二极管24的一端，其在其另一端连接于DC汇流排的负线，二极管24实现从负线27向绕组16的上端传导电流。
连接在第二开关22与绕组16的下端之间的是一二极管23的一端，其在其另一端连接于第二电压源V2的正端，以便从绕组16向第二电压源V2传导电流。以这种方式，一能量返回通路设置在绕组16与第二电压源V2之间。连接在二极管23的上端与下DC中继线之间的是一电容器29，其实际上是横跨第一和第二电压源两者连接的。
图6的电机可以在较低速度下操作，或者以如上所述的固定模式操作，以便通过利用切换开关50连接横跨电机的V1并利用常规的开关21和22从第一电压源V1取得小电流。每当打开各常规开关时，返回的电流经由二极管23流入第二电压源V2和/或其电容器29。因此，经过几个操作循环以后，电压源V2的电压升到某预定值，它可以高于V1的。当要求电机在高功率下操作时，切换开关50换向连接横跨绕组16的V1和V2的组合输出，从而由较高的组合电压驱动电机。在车辆的情况下切换开关50的判断将通过常规的引擎控制系统根据车辆的需要来做出。在其他一些情况下可采用相应的控制装置达到同样的作用并且可以例如结合于
图1的控制器14中。
应该指出，对于图6的电路，当电机在低和高电压两者下操作时电压源V1必须供电流给绕组16，尽管这比在低电压下峰值功率所需的电流小得多。
图6只示出一单相，但应该理解其原理可以用于多相布置。在这种情况下，电路只需将开关、二极管和绕组加倍而电容器和电压源对所有的相仍可是共用的。一用于两相电机的换能器电路的实例示于图7中。
图8示出本发明实施的另一系统。该系统类似于图6和7的装置，只是第一和第二电压源V1和V2分别并联设置。然而，该装置可以分别操作两电压源，从而在电机在满功率下操作时较低电压源V1并不必要供给额外的电流。
图8只示出一单相，但应该理解其原理可以用于多相布置。在这种情况下，电路只需将开关、二极管和绕组加倍而电容器和电压源对所有的相仍可是共用的，如图9中所示。关于图6至9所示的装置只需要一个切换开关50而与电机中的相数无关。
关于图6至9所示的装置，电容器25在操作切换开关50时突然受到电压上的变化，而可能使电容器和开关受到压力和/或引起对电压源的干扰。这个问题可以通过将电容器25的上连接端移到终端52来解决。这可以使电容器的连接远离开关21和22，而将不希望有的漏电感引入切换通路。这可以通过将电容器25分成两个或更多个元件来解决较大的电容器连接于终端52并将其尺寸确定成应付较低频率的成分；而一个或多个较小的电容器接近于各开关连接，其尺寸确定只用于吸收较高频率的成分，并且在操作开关时对电路有小得多的冲击。
上述实例中的V1可以是任何适合的电源例如一蓄电池。V2可以是任何适合的储电装置，例如，一蓄电池或一电容器或超级电容器。
本领域中的那些技术人员应易于理解，虽然图4～9中所示的电路采用一共同的负轨，但将它们重新组合使具有一共同的正轨以达到同样的作用是一个常规的问题。
关于上述的每一个电路，有可能调节传送给高电压源使其充电的能量。在一些应用中有可能将电机作为一发电机来操作，在那种情况下可以采用常规的开关磁阻电机控制，发电输入高电压源并从较低电压源取得激励。然而，在大多数情况下将不可能将电机用作发电机，因为将没有机械能源。然而仍然有可能通过采用上述技术从较低电压源给较高电压源以有效地充电。该技术是基于这样的认识，即可以在断开时刻回收的能量的量与储存在电机的磁场中的能量密切相关。由于开关角度是在使用者的控制下，可以选择适当的角度以改变在电机中储存的能量的量并从而改变回收于电源的能量。一般来说，比按常规用来最大驱动效率的角度“较迟的”角度将回收更多的能量。
当电源V2被充电到要求的水平时(其可以由电压监测器或由集成传送给它的电荷量来检测)，适当的是改变切换对策以采用可以使电机操作但只是与断开时的很小的储存的能量相联系之角度。这样做的一个方法是采用一较短的导电角度(或许在循环中相当早的)接着是一长周期的惯性滑行。这可以通过跨过绕组和装置的电压降迫使磁通量下降。或者，可以只关闭电机或可以由V2使电机操作一短时间以降低储存的能量。
本发明提供一种电路和操作方法，其可以使开关磁阻机械作为一电机在有限的电容量、低电压汇流排上以空载模式操作，同时给高电压源充电。高电压源接着可以用于使机械在高功率下操作一短时间而对低电压汇流排很少或没有干扰。这是有利的。
本发明的另一用途是为常规的驱动系统的应急操作提供一高功率模式，或用蓄电池或用电网供电。
技术人员应该理解公开的装置的变型是可能的而并不背离本发明。因此，以上通过实例描述了几个实施方案并且不限于如此。技术人员应该明白可以对装置进行次要的修改而对上述操作没有重要的变化。本发明拟只由以下权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种开关磁阻驱动系统，包括一转子，一具有绕组的转子，以及一控制器，其具有用来选择性地连接第一和/或第二电压源中之任一个以便向绕组供电的装置，和一在绕组与第二电压源之间的能量返回通路以便在利用第一电压源供电给绕组时可以将能量从绕组传送给第二电压源，从而给第二电压源充电。
2.按照权利要求1所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于，给第二电压源充电到一预定值，优选大于第一电压源的，例如为第一电压源的两倍或三倍。
3.按照权利要求1或2所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于第一和第二电压源串联设置。
4.按照权利要求1或2所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于第一和第二电压源并联设置。
5.按照上述权利要求中任一项所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于第一和第二电压源各自包括一横跨它的并联连接的电容器。
6.按照上述权利要求中任一项所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于，能量返回通路包括一二极管，其连接在绕组的一端与第二电压源之间使得可以从绕组向第二电压源传送能量。
7.按照上述权利要求中任一项所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于，用于选择性连接第一和/或第二电压源中之任一个以便向绕组供电的装置包括并联设置的第一开关和第二开关，第一开关在使用中连接在绕组与第一电压源之间而第二开关在使用中连接在绕组与第二电压源之间，以便当打开第一开关和关闭第二开关时，第二电压源用于向绕组供电。
8.按照权利要求7所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于，设置一第三开关用以将绕组连接于第一和第二电压源两者的共同终端。
9.按照权利要求7所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于，用于选择性连接的装置还包括用于操纵第一、第二或第三开关的控制装置。
10.按照权利要求1至6的任一项所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于，用于选择性连接第一和/或第二电压源中之任一个以便向绕组供电的装置包括一切换开关，其可操作至一个连接第一电压源的位置以向绕组供电并可操作至另一连接第二电压源的位置以向绕组供电。
11.按照权利要求10所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于绕组连接在一对开关之间并与它们串联。
12.按照上述权利要求中任一项所述的开关磁阻驱动系统，还包括一探测器用以在第二电压源被充电到一预定水平时的检测。
13.按照权利要求12所述的开关磁阻驱动系统包括在第二电压源被充电到预定水平时用于变更驱动系统的操作的装置以便减少传送给第二电压源的能量。
14.按照上述权利要求中任一项所述的开关磁阻驱动系统，其特征在于该驱动系统是多相驱动系统。
15.开关磁阻驱动系统的操作方法，该驱动系统包括一转子和一具有一绕组的定子，该方法包括将第一电压源连接于驱动系统以便向绕组供电；将第一电压源横跨绕组接通和断开；当第一电压源被断开时从绕组向第二电压源传送能量，从而给第二电压源充电，并且选择性连接第二电压源以便向绕组供电。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，给第二电压源充电到一预定值，优选该预定值高于第一电压源的电压定额，例如为第一电压源的两倍或三倍。
17.按照权利要求15或16所述的方法，其特征在于第一和第二电压源串联设置。
18.按照权利要求15和16所述的方法，其特征在于第一和第二电压源并联设置。
19.按照权利要求15至18任一项所述的方法，其特征在于第一和第二电压源各自包括一横跨它的并联连接的电容器。
20.按照权利要求15至19任一项所述的方法，其特征在于，传送能量的步骤包括经由一能量返回通路将能量从绕组传向第二电压源，该返回通路包括一二极管，该二极管连接在绕组的一端与第二电压源之间使得可以从绕组向第二电压源传送能量。
21.按照权利要求15至20任一项所述的方法，其特征在于，绕组与一对开关串联连接并位于它们之间并且开关步骤包括在打开与关闭位置之间切换该对开关。
22.按照权利要求15至21任一项所述的方法包括在第二电压源被充电到一预定水平时的检测。
23.按照权利要求22所述的方法，包括变更开关步骤以便在充电到一预定水平时减少传向第二电压源的能量。
全文摘要
一种开关磁阻驱动系统在空载周期中由第一电压源(V1)供电,其中它向第二电压源(V2)传送能量。机械接着由第二电源(V2)在高功率下操作,从而在机械在高功率下操作时第一电源(V1)并不必要供给所需的电流。该驱动系统能够调节传送给第二电源(V2)的能量的量。
文档编号H02P9/00GK1356766SQ0113942
公开日2002年7月3日 申请日期2001年11月23日 优先权日2000年11月23日
发明者迈克尔·保罗·汤克德 申请人:开关磁阻驱动有限公司