专利名称：开关磁阻电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关磁阻电机。
背景技术：
一般的开关磁阻电机具有定子和转子皆为凸极的磁性结构。此外，定子具有围绕定子集中缠绕的线圈，并且转子仅由铁芯形成而不采用任何激励装置(例如绕组、永久磁体等)以具有优秀的价格竞争力。进一步地，借助采用功率半导体元件和位置传感器的转换器，速度可变的开关磁阻电机可以稳定地产生持续的扭矩，并且可以根据用于各种应用所要求的性能容易地进行控制。尽管开关磁阻电机由于简单的转子结构而价格便宜，但是该开关磁阻电机具有多个问题该开关磁阻电机采用由半导体开关构成的转换器以产生磁阻扭矩，增加了整个系统的成本，并且将包括能够进行快速处理的昂贵的控制电路以为了恰当地在快速驱动中恰当地完成进行控制，需要包括能够进行快速处理的昂贵的控制电路。主要应用在清洁器、电动工具等领域中主要使用的通用电机采用简单机械结构的换向器和电刷，而不是使用转换器和位置传感器以产生扭矩，由于具有价格便宜的电机结构而非通过控制改进性能的优点，因此在上述领域中已经得到广泛使用。但是，在通用电机中，线圈围绕转子和定子缠绕，导致材料成本的增加以及转子的铜损(copper loss)。因此， 在要求高效率的高端模式中使用通用电机较为困难。图I是根据现有技术的开关磁阻电机的结构示意图。该开关磁阻电机100(在图I 中只显示开关磁阻电机100的一个相位)包括转子110、形成有定子电极121的定子120， 以及围绕定子电极121缠绕的线圈130，并且在定子电极121和转子110之间产生引力以旋转转子110。此外，当多个相绕组围绕多个定子电极缠绕时，定子电极的相绕组一个接一个地被激励以产生扭矩，从而旋转转子。在这种情况下，由于要求转子的位置反馈，因此需要位置传感器，并且同时要求由功率半导体元件形成的转换器来根据转子的位置对定子的绕组施加电流。而且，需要安装在其中的具有数字信号处理器(DSP)的控制器、微控制单元 (MCU)等以实现复杂快速地处理。如上所述，因为根据现有技术的开关磁阻电机必要地包括用于驱动的转换器、控制器以及位置传感器，因而可能无法通过低成本实现，由于复杂的技术结构，在设计中开关磁阻电机具有较小的自由度，并且具有较高的出现故障或出错的可能性。
发明内容
本发明致力于提供一种开关磁阻电机，在该开关磁阻电机中通过使用换向器和电刷而不使用转换器和位置传感器来产生实现机械换相的扭矩，从而能够通过简单的机械结构以低成本实现。而且，本发明致力于提供一种开关磁阻电机，在该开关磁阻电机中，通过改变换向器和电刷的位置和弧形角来控制对电机性能具有直接影响的提前角和闭合角，从而能够根据最佳操作点(最大功率、最大扭矩等)完成设计，并且通过使用设计方法来控制在两对定子电极中分别产生的正扭矩区域以改变叠加的扭矩，从而能够实现减少扭矩波动(torque ripple)的设计。而且，本发明致力于提供一种开关磁阻电机，在该开关磁阻电机中包括有连接到每个相位线圈的瞬态电压抑制器(transient voltage suppressions) (TVSs)并且储存在电感中能量通过瞬态电压抑制器消耗为热量，以防止产生反扭矩并且产生强制换相。根据本发明的第一优选实施方式提供一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括 转子；换向器，该换向器连接到所述转子的两端；电刷，该电刷通过所述转子的旋转与所述换向器机械接触；定子，该定子具有固定在所述定子上的所述电刷并且具有缠绕有线圈的定子电极；其中，所述电刷以与彼此相对的所述定子电极的连接轴线成提前角的方式移动并安装。所述提前角可以为位于施加电压和电感增加之间的区域，并且可以通过所述换向器和所述电刷的弧形角控制闭合角和电压施加周期。围绕所述定子电极缠绕的所述线圈可以分别为A相绕组和B相绕组。所述开关磁阻电机还可以包括瞬态电压抑制器，每个瞬态电压抑制器连接到所述 A相绕组和所述B相绕组的两端。分别连接到A相绕组和B相绕组的两对电刷中的一对电刷可以连接到电源，并且另一对电刷可以连接到所述线圈。所述闭合角可以定义为d = X+2Y，其中X表示所述电刷的弧形角，Y表示所述换向器的弧形角。所述定子和所述转子可以为凸极式(salient pole type)。
图I是根据现有技术的开关磁阻电机的结构示意图2是根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的结构示意图3是根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的电路示意图4是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示电感的
图表；图5是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示施加电压的图表；图6是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据换向器和电刷的位置表示设置提前角和闭合角的使用状态示意图；图7是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据A相位线圈激励的使用
4状态不意图；图8是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据A相位和B相位的线圈激励的使用状态示意图；图9是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据A相位变换后B相位线圈激励的使用状态示意图。
具体实施例方式通过参考附图对实施方式的以下描述，本发明的各种目的、特征和优点将显而易见。本说明书和权利要求书中的术语和词语不应当被解释为限于典型含义或词典中的定义，而应当基于规则被解释为与本发明的技术范围相关的含义和概念，根据所述规则， 发明人能够合适地定义术语的概念来最恰当地描述他或她所知道的实施本发明的最佳方法。通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将更为清楚地得到理解。在说明书中在所有附图中给部件添加附图标记，需要注意的是，即使该部件显示在不同的附图中，相同的附图标记也表示相同的部件。此外，当可以确定与本发明相关的已知技术的详细描述会使本发明的主旨模糊时，将省略该具体的描述。以下，结合附图将详细描述根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机。图2是根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的结构示意图。如图2中显示，开关磁阻电机200设置为包括转子210、换向器220a和220b、电刷230a,230b,230c和230d、 线圈240a和240b,以及定子250。更具体地说，换向器220a和220b连接于转子的两端并且相互之间短路。在该结构中，转子连接于两个换向器220a和220b，以使转子的中心轴线与两个换向器220a和220b的中心轴线相一致。此外，定子250和转子210为凸极式。而且，电刷230a、230b、230c和230d设置为两对并且固定于定子250上，其中每对电刷彼此相对，定子250包括两对定子电极(stator poles) 251,其中每对定子电极彼此相对。两对相位线圈240a和240b分别围绕定子电极缠绕。通过转子210的旋转使电刷与换向器220机械接触。此外，电刷230a、230b、230c 和230d以与彼此相对的定子电极的连接轴线的逆时针方向成提前角a的方式移动并安装。通过上述结构，与转子210具有相同轴线的换向器220a和220b与转子210 —起旋转。当换向器220a和220b位于如线圈240a所示的A相绕组应当被激励的位置时，换向器220a和220b分别与电刷230a和230b机械接触以使电流流动，并且当换向器220a和 220b位于如线圈240b所示的B相绕组应当被激励的位置时，换向器220a和220b分别与电刷230c和230d机械接触以使电流流动。图3是根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的电路示意图。如图3中所示， 根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机包括瞬态电压抑制器(TVSs) 260a和260b，该瞬态电压抑制器连接到开关S和每个相位的缠绕线圈240a和240b之间，开关S由位于换向器和电刷之间的电连接操作。此外，储存在电感中的能量通过瞬态电压抑制器260a和260b 消耗为热量，以防止反扭矩产生并且产生强制换相。
以下，将详细描述设置为如上所述根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的结构和工作原理。图4是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示电感的图表；图5是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示施加电压的图表；图6是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据换向器和电刷的位置表示设置提前角和闭合角的使用状态示意图。如图4至图6中所示，因为感应特性，在施加电压时将不会立即达到所需要的电流值，并且在断开电压时电流将不会立即消失。因此，重要之处在于设计提前角a以形成电流，以及设计闭合角以在最小感应周期中形成反扭矩之前断开电压。据此可以起到现有技术中位置传感器和转换器的作用。更具体地，
TV/3 .、 1 .2 dL(0)Τ(Θ, I) = -I ^—
2 (W ’其中T表示扭矩，Θ表示转子的位置，i表示相电流，以及L表示电感。正如从上面的方程可以理解到的，扭矩由产生的电流以及电感的变化率决定。因此，提前角表示位于施加电压和电感增加之间的区域，电压由提前角a施加，然后电感增加，以使正扭矩区域形成。电压施加周期(该电压施加周期为闭合角d)由电刷的弧形角X以及换向器的弧形角Y控制。因此，闭合角定义为d = X+2Y，其中X表示电刷的弧形角以及Y表示换向器的弧形角。以下，将详细描述根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的扭矩的产生以及换相。图7是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据A相位线圈激励的使用状态示意图；图8是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据A相位和B相位的线圈激励的使用状态示意图；图9是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据A 相位变换后的B相位线圈激励的使用状态示意图。如图7至图9中所示，换向器220a和220b分别与电刷230a和230b接触，以使电压施加于换向器上并且电流流入线圈240a中，该线圈240a为A相位。在这种情况下，因为施加的电压为变电流电压，施加于换向器220a和220b两端的电压可以具有不同的特性，换言之，(+)电压可以施加于换向器220a并且(-)电压施加于换向器220b,或者(-)电压可以施加于换向器220a并且(+)电压施加于换向器220b。此外，可以通过直流电压替代交流电压操作根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机。换向器220a和220b顺时针旋转以与上/下以及左/右电刷230a、230b、230c和 230d全部接触。A相位线圈240a和B相位线圈240b同时被激励，然后产生换相。此外， 当换向器220a和220b旋转以与上/下以及左/右电刷230a、230b、230c和230d断开时， 储存在A相位磁路中的能量通过瞬态电压抑制器260a消耗为热量，以使在反扭矩区域之前产生A相位的换相。通过上述结构,控制电流的激励和续流(freewheeling)以产生持续的正扭矩而不是反扭矩，并且控制在两对定子电极中分别产生的正扭矩区域以改变叠加的扭矩，从而能够实现减少扭矩波动的设计。如图9中所示，当换向器220a和220b只与上/下电刷230c和230d接触时，A相位和B相位都被激励并且产生B相位的换相。此外，当换向器220a和220b与上/下电230c和230d断开时，储存在B相位磁路中的能量通过瞬态电压抑制器260b消耗为热量，以使在反扭矩区域之前产生B相位的换相。图7至图9显示了转子从O度到180度的旋转周期中的过程，并且转子从180度到360度的旋转周期中参考图7至图9重复如上所述的过程。通过上述结构，在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中，通过换向器和电刷的弧形角控制提前角和闭合角，并且储存在电感中的能量通过瞬态电压抑制器消耗为热量，从而能够防止产生反扭矩。根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机，通过使用换向器和电刷而不是使用转化器和位置传感器产生实现机械换相的扭矩，从而能够通过简单的机械结构以低成本实现。此外，通过改变换向器和电刷的位置和弧形角而控制对电机具有直接影响的提前角和闭合角，从而能够根据最佳操作点(最大效率、最大扭矩等)完成设计，并且使用设计方法控制在两对定子电机中分别产生的正扭矩区域以改变叠加的扭矩，从而能够实现减少扭矩波动的设计。而且包括有连接于每个相位线圈的瞬态电压抑制器(TVSs)，储存在电感中能量通过瞬态电压抑制器消耗为热量，以防止产生反扭矩并且产生强制换相。尽管为了示例目的公开了本发明的优选实施方式，这些实施方式用于具体解释本发明，然而根据本发明的开关磁阻电机并不限于此，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离附带的权利要求所公开的本发明的范围和精神的前提下，各种修改、增加和替换都是可能的。因此，这些修改、增加和替换也应该理解为落入本发明的范围内。
权利要求
1.一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括转子；换向器，该换向器连接到所述转子的两端；电刷，该电刷通过所述转子的旋转与所述换向器机械接触；定子，该定子具有固定在所述定子上的所述电刷并且具有缠绕有线圈的定子电极； 其中，所述电刷以与彼此相对的所述定子电极的连接轴线成提前角的方式移动并安装。
2.根据权利要求I所述的开关磁阻电机，其中，所述提前角为位于施加电压和电感增加之间的区域。
3.根据权利要求I所述的开关磁阻电机，其中，闭合角和电压施加周期由所述换向器和所述电刷的弧形角控制。
4.根据权利要求I所述的开关磁阻电机，其中，围绕所述定子电极缠绕的所述线圈分别为A相绕组和B相绕组。
5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机，其中，所述开关磁阻电机还包括瞬态电压抑制器，每个瞬态电压抑制器连接到所述A相绕组和所述B相绕组的两端。
6.根据权利要求4所述的开关磁阻电机，其中，分别连接到A相绕组和B相绕组的两对电刷中的一对电刷连接到电源，另一对电刷连接到所述线圈。
7.根据权利要求3所述的开关磁阻电机，其中，所述闭合角定义为d= X+2Y，其中X表示所述电刷的弧形角，Y表示所述换向器的弧形角。
8.根据权利要求I所述的开关磁阻电机，其中，所述定子和所述转子为凸极式。
全文摘要
本发明公开了一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括转子；换向器，该换向器连接到所述转子的两端；电刷，该电刷通过所述转子的旋转与所述换向器机械接触；定子，该定子具有固定到所述定子上的所述电刷并且具有缠绕有线圈的定子电极；其中，所述电刷以与彼此相对的所述定子电极的连接轴线成提前角的方式移动并安装，其中所述提前角为位于施加电压和电感增加之间的区域，并且通过所述换向器和所述电刷的弧形角控制闭合角和电压施加周期。
文档编号H02K27/00GK102594073SQ201110309929
公开日2012年7月18日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年1月10日
发明者尹太镐, 李致雨, 裵汉京 申请人:三星电机株式会社