專利名稱：一種由雙電源電壓供電的轉(zhuǎn)換磁阻電機的操作的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由雙電壓供電的轉(zhuǎn)換磁阻電機的操作，特別是對于內(nèi)燃機完成啟動和發(fā)電功能的那些轉(zhuǎn)換磁阻電機的操作。
通常帶有內(nèi)燃機的車輛裝有單獨的電機一個用來啟動發(fā)動機，一個用來發(fā)電以重新對啟動電池充電和向車輛上的輔助電氣負載供電。啟動機一般從車輛上攜帶的蓄電池供電。12伏特電池通常用于私人汽車和小型工業(yè)車輛，而6伏特系統(tǒng)一直用于摩托車，及24伏特系統(tǒng)通常用在較大的工業(yè)車輛上。盡管在原理上，對制造哪種蓄電池沒有特別限制，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)把選擇限制為以上提到的那些是經(jīng)濟的。
如果車輛比如說是私人汽車，則由輔助設(shè)備(例如風(fēng)擋雨刷、通風(fēng)扇、座椅調(diào)節(jié)器、加熱器等)帶來的電氣負載較小，并因此要求向這些負載供電且把電池保持在充電狀態(tài)從而能重新啟動發(fā)動機的發(fā)電機也較小，一般約為啟動機電動機的大小的60％。通常發(fā)電機在繞車輛布置的一根電氣母線上發(fā)電，以向電氣負載供電和為電池提供充電。
盡管電機一般能以電動模式和發(fā)電模式工作，但通常沒有發(fā)現(xiàn)，把啟動和發(fā)電工作相結(jié)合以允許他們由一個電機執(zhí)行是成本有效的。這是因為兩個電機一般在這樣的速度和負載上操作啟動機必須以較低發(fā)動機速度，比如高至600轉(zhuǎn)/分，提供峰值功率，而發(fā)電機必須在遍及寬速度范圍，比如700至6000轉(zhuǎn)/分上工作，并且能夠在該范圍的大部分上提供最大功率。結(jié)果是兩個電機勢必在結(jié)構(gòu)上相差很遠。
然而，伴隨著電氣負載增大的趨勢，特別是在較大車輛上，發(fā)電機尺寸在不斷增大，所以產(chǎn)生的發(fā)電機重量對尋求把啟動和發(fā)電功能結(jié)合成單個電機的方法起到了刺激作用。有助于這種雙重角色的一種類型的電機是轉(zhuǎn)換磁阻電機，因為它發(fā)電經(jīng)濟，而且本來就很牢固，且能在寬速度范圍上操作。授予Sundstrand、在此引入作為參考的美國專利5489810和5493195，描述了轉(zhuǎn)換磁阻電機用作用于航空發(fā)動機的啟動機/發(fā)電機的一些方面。
一般地說，磁阻電機是一種其中轉(zhuǎn)矩通過這樣一種趨勢產(chǎn)生的電機其可運動部分運動到一個其中磁路磁阻最小、即其中勵磁繞組的電感最大化的位置。在一種類型的磁阻電機中，相繞組的激勵出現(xiàn)在受控制頻率下。這種類型一般稱作同步磁阻電機，并且它可以作為電動機或發(fā)電機工作。在一種第二類型的磁阻電機中，提供用來檢測轉(zhuǎn)子的角位置、和作為轉(zhuǎn)子位置函數(shù)的激勵相繞組的電路。這種第二類型的磁阻電機一般稱作轉(zhuǎn)換磁阻電機，并且它也可以是一個電動機或一個發(fā)電機。這種轉(zhuǎn)換磁阻電機的特性是熟知的，并且例如在此引入作為參考的Stephenson和Blake的“轉(zhuǎn)換磁阻電動機和驅(qū)動器的特性、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用”，PCIM’93，Nurnberg，1993年6月21-24日中描述。本發(fā)明一般應(yīng)用于磁阻電機，特別是既作為電動機又作為發(fā)電機的轉(zhuǎn)換磁阻電機。


圖1表示一種典型轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動系統(tǒng)的主要元件。輸入直流電源11是一個電池，或者例如是整流和濾波的交流電源。由電源11提供的直流電壓跨過電機12的相繞組16由一個功率變換器13在電子控制單元14的控制下轉(zhuǎn)換。某種形式的電流檢測17一般用來提供從相繞組至控制器的電流反饋。轉(zhuǎn)換對于驅(qū)動的適當(dāng)操作必須正確地與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動同步。一個轉(zhuǎn)子位置檢測器15一般用來供給與轉(zhuǎn)子的角位置相對應(yīng)的信號。轉(zhuǎn)子位置檢測器15的輸出也可以用來產(chǎn)生一個速度反饋信號。
轉(zhuǎn)子位置檢測器15可以具有多種形式，例如它可以具有如圖1示意表示的硬件形式、或在通過在此引入作為參考的EP-A-0573198(Ray)中描述的由驅(qū)動系統(tǒng)的其他監(jiān)視參數(shù)計算該位置的軟件算法的形式。在某些系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置檢測器15能包括一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到一個其中要求功率變換器13中的裝置的不同轉(zhuǎn)換布置的位置時，該傳感器提供改變狀態(tài)的輸出信號。
在轉(zhuǎn)換磁阻電機中的相繞組的激勵主要取決于轉(zhuǎn)子角位置的準確檢測。來自轉(zhuǎn)子位置檢測器15的準確信號的重要性，可以通過參照圖2和3來解釋，圖2和3表明作為電動機工作的磁阻電機的轉(zhuǎn)換。
圖2一般表示按照箭頭22接近一個定子極21的一個轉(zhuǎn)子極20。如圖2中所示，一個完整相繞組16的一部分23繞定子極21纏繞。如上面討論的那樣，當(dāng)激勵繞定子極21的相繞組16的該部分時，一個力將作用在轉(zhuǎn)子上，傾向于把轉(zhuǎn)子極20拉成與定子極21對準。
圖3一般表示在功率變換器13中的典型轉(zhuǎn)換電路，功率變換器13控制包括繞定子極21的部分23的相繞組16的激勵。當(dāng)開關(guān)31和32閉合時，相繞組聯(lián)接到直流電源上，并且被激勵。轉(zhuǎn)換電路的多種其他配置在先有技術(shù)中是已知的這些的一些在以上引用的Stephenson和Blake的論文中討論。
一般地說，按如下激勵相繞組以實現(xiàn)轉(zhuǎn)予的轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)子的第一角位置(叫作“接通角”θON)處，控制器14提供轉(zhuǎn)換信號，以接通轉(zhuǎn)換裝置31和32。當(dāng)轉(zhuǎn)換裝置31和32處于通時，把相繞組聯(lián)接到直流母線上，使增大的磁通建立在電機中。該磁通在氣隙中產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子極上以產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩的磁場。在電機中的磁通由磁動勢(mmf)支持，該磁動勢由從直流電源流經(jīng)開關(guān)31和32及相繞組23的電流提供。在一些控制器中，采用電流反饋，并且借助于通過快速地把轉(zhuǎn)換裝置31和/或32的一個或兩個接通或斷開把電流斬波，來控制相電流的數(shù)值。圖4(a)表示在斬波操作模式中的典型電流波形，其中在兩個固定值之間把電流斬波。在監(jiān)視操作中，常常把接通角θON選擇成其中轉(zhuǎn)子上的極間空間的中線與定子極的中線對準的轉(zhuǎn)子位置，但也可以是一些其他角度。
在多種系統(tǒng)中，相繞組保持連接到直流母線上(或者如果采用斬波，則間斷地連接)，直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到所謂的“空轉(zhuǎn)角”θFW。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達與空轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的一個角位置(圖2中所示的位置)時，關(guān)斷開關(guān)之一，例如31。因此，流經(jīng)相繞組的電流將繼續(xù)流動，但現(xiàn)在僅流經(jīng)開關(guān)的一個(在該例子中為32)和僅流經(jīng)二極管33/34的一個(在該例子中為34)。在空轉(zhuǎn)時段期間，跨過相繞組的電壓降較小，并且磁通基本上保持恒定。電路保持在這種空轉(zhuǎn)狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到稱作“斷開角”θOFF的一個角位置(例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子極的中心線與定子極的中心線對準時)。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達斷開角時，兩個開關(guān)31和32都斷開，并且在相繞組23中的電流開始流經(jīng)二極管33和34。二極管33和34然后以反向施加來自直流母線的直流電壓，使電機中的磁通(并因此使相電流)減小。
隨著電機的速度升高，對于電流升高到斬波值有較短的時間，并且驅(qū)動器通常運行在“單脈沖”操作模式中。在該模式中，把接通、空轉(zhuǎn)和斷開角度選擇為例如速度和負載轉(zhuǎn)矩的函數(shù)。一些系統(tǒng)不使用空轉(zhuǎn)角時段，即開關(guān)31和32同時接通和斷開。圖4(b)表示其中空轉(zhuǎn)角是零的這種單脈沖電流波形的一個典型。眾所周知，接通、空轉(zhuǎn)及斷開角度的值能預(yù)定，并且以適當(dāng)格式存儲，以便當(dāng)需要時由控制系統(tǒng)檢索，或者能實時計算或推導(dǎo)。
在用于車輛的電氣系統(tǒng)，特別是其中電氣負載較大的那些的一種改進，是使用一根高壓母線向這些負載供電。用于這樣的車輛的已知結(jié)構(gòu)使用在24與600伏特之間的母線電壓。這些較高電壓的使用提供了一種更有效的系統(tǒng)，因為對于給定功率，電流隨母線電壓升高而減小。然而，這立即帶來這樣一個問題啟動和發(fā)電功能是否由一個電機完成，因為用來啟動車輛的蓄電池不可能高于24伏特。如果以常規(guī)方式由低壓電池驅(qū)動，則設(shè)計成在高壓下工作的電機將不能產(chǎn)生作為啟動機電動機必需的功率。一種已知的方案是把一個升壓變換器插入在電池與電機之間，以把電池電壓轉(zhuǎn)換成至少接近車輛的高母線電壓的電壓。這允許電機對于啟動和發(fā)電工作都在相同的電壓下操作，因而避免了把電機設(shè)計成對于兩個相差很遠的電壓操作的困難，雖然以提供升壓變換器為代價。用于轉(zhuǎn)換磁阻電機的這樣一種布置表示在圖5中，其中為了方便起見僅表示電機的一相。電池38向一種已知類型的升壓變換器36供電，以提供一根由其以常規(guī)方式激勵電機繞組的高壓直流母線。升壓變換器的效率是它必須達到的電壓的函數(shù)。例如，把電壓從24升高到300 V且具有10kW左右的輸出功率的升壓變換器，將具有80％量級的效率。損耗由蓄電池供給，并且可能因此減小可用來啟動發(fā)動機的能量的量。另外，升壓變換器的成本與其功率值成比例，并且該成本可能非常顯著。因此，常規(guī)方案具有效率低和成本高的缺點。
本發(fā)明的一個目的至少在于，通過由雙電壓向轉(zhuǎn)換磁阻電機供電減輕與先有技術(shù)相關(guān)的一些問題。
本發(fā)明在從屬權(quán)利要求中定義。一些最佳特征在從屬權(quán)利要求中講述。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供有一種在導(dǎo)通時段期間激勵轉(zhuǎn)換磁阻電機的相繞組的方法，該方法包括把能量以一個第一電壓供給到繞組；以后在相同的導(dǎo)通時段內(nèi)，以一個第二電壓把能量供給到繞組。
提供一種在導(dǎo)通時段期間能由兩個電壓操作的電機的電路，因此當(dāng)適當(dāng)時通過使用導(dǎo)通時段中的低電壓，提供減小升壓變換器的負載系數(shù)和額定值的機會。本發(fā)明的一個實施例消除了對升壓變換器的需要。因而，如果沒有完全消除，則通過在導(dǎo)通時段內(nèi)低電壓的適當(dāng)使用，也能使升壓變換器是一個低額定值單元。這對于與較重負載有關(guān)的由低電源電壓運行轉(zhuǎn)換磁阻電機是一種成本有效的方案。
本發(fā)明能以各種方式付諸實施，現(xiàn)在借助于參照附圖通過例子將描述其一些，其中圖1表示一種轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動系統(tǒng)的主要元件；圖2表示一個轉(zhuǎn)子極接近一個定子極的示意圖；圖3表示在一個變換器中控制圖1的電機相繞組的激勵的典型轉(zhuǎn)換電路；圖4(a)和圖4(b)表明分別工作在斬波和單脈沖模式中的一個轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動器的典型電流波形；圖5表示一個由低壓電池向圖3的直流母線供電的升壓變換器；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的一種變換器電路；圖7表示由本發(fā)明的一種操作方法產(chǎn)生的相繞組電流波形；圖8表示由本發(fā)明的第二種操作方法產(chǎn)生的相繞組電流波形；圖9表示消除上向變換器的一種另外的電路；圖10表示提供電池隔離的一種另外的電路；及圖11表示本發(fā)明用作用于內(nèi)燃機的啟動機電動機/發(fā)電機的電路。
本發(fā)明使用不同的電壓在轉(zhuǎn)換磁阻電機的勵磁周期期間向其繞組供電?？紤]其中磁阻電機在汽車中裝配成一個啟動機電動機/發(fā)電機的情形。作為一個發(fā)電機，一般對于在預(yù)定功率輸出和高車輛母線電壓下的連續(xù)工作來確定它。對于啟動功能，電機需要較高母線電壓驅(qū)動它，但是可用的電池電壓一般較低。而先有技術(shù)變換器電路要求大負載率升壓變換器在整個啟動時段期間提供較高母線電壓以驅(qū)動電機，當(dāng)適當(dāng)時，本發(fā)明的電路僅使用電池電壓來驅(qū)動電動機。如果真正需要它，則然后能使用一個較小型的升壓變換器。這能通過各種電路實現(xiàn)，對于多相電機的一相其一種最佳形式表示在圖6中。每個其他相也跨過電池連接，并且在提供VDC的電源電壓干線之間。對于圖1和6公用的這些電路元件已經(jīng)給出類似的標號。
用于轉(zhuǎn)換磁阻電機的轉(zhuǎn)換電路具有每相兩個開關(guān)的類型，盡管能使用的其他開關(guān)配置是已知的。該電路帶有一個直流鏈，在該實施例中，該直流鏈帶有一個直流鏈電容器44，從直流鏈電容器44由上部和下部開關(guān)31、32向電機繞組供電。為了說明方便起見這里使用‘上部開關(guān)’和‘下部開關(guān)’，而不指示任何必要的位置意義。
直流對直流升壓變換器40這里起一個向直流鏈供電的升壓變換器的作用。閘流管42的陰極連接到繞組16、二極管34的陰極和上部開關(guān)31的接點上。一個低壓電池38連接在負電壓干線與閘流管42的陽極與至變換器40的功率輸入之間的接點之間。例如在汽車中，低電壓電池是用于輔助電氣裝置的主電氣存儲裝置。轉(zhuǎn)換磁阻電機12是用于內(nèi)燃機的啟動機電動機。由于把電機設(shè)計成向較高電壓母線上發(fā)電(如上面描述的那樣)，那么它也需要這種較高電壓，以提供轉(zhuǎn)動發(fā)動機必需的轉(zhuǎn)矩。
一種操作方法如下?？刂粕龎鹤儞Q器40，以便以常規(guī)方式從電池38向直流鏈供給能量。在對于相繞組16的導(dǎo)通時段的開始處(該開始點按常規(guī)方式確定)，開關(guān)31和32閉合，把高直流母線電壓施加到相繞組上。磁通，并因而電流升高，直到由控制電路采取某一進一步的動作。因而，電池初始經(jīng)升壓變換器40以高壓供給要求的能量。圖7表示如果使用繼電器式磁滯型電流控制器產(chǎn)生的電流波形。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，能使用多種不同類型的電流控制器。為了說明起見，磁滯型是便利的。也要理解，為了清晰起見已經(jīng)放大了波形圖的部分。當(dāng)在來自變換器的高壓下電流達到在點A處的上限時，斷開上部開關(guān)31，并且電流繞相繞組16、下部開關(guān)32和下部二極管34回路續(xù)流。另外，能斷開下部開關(guān)32，并且電流繞相繞組16、上部開關(guān)31和上部二極管33續(xù)流。不管哪個開關(guān)斷開，電流都相當(dāng)緩慢地下降(隨磁通在跨過繞組和裝置的電壓降的影響下衰減)，直到它達到在點B處的下限。
在從點A至點B的過渡期間，電流(及因此磁通)位于可接受的范圍內(nèi)。已經(jīng)認識到，一旦在導(dǎo)通時段期間達到該范圍，則為了把電流控制在該范圍內(nèi)完全高壓不是絕對必要的。因而，如果需要，則現(xiàn)在致動開關(guān)，以保證是上部開關(guān)斷開而下部開關(guān)閉合。然后起動閘流管42，并且只有電池電壓直接施加到相繞組16上，避免了變換器的使用和其低效率。該電池電壓的大小相對于跨過相繞組和裝置的組合電壓降是有意義的如電池電壓大于該電壓降，則磁通和電流將升高，雖然比當(dāng)從直流鏈供給時它上升的要慢得多；如果電池電壓小于電壓降，則磁通和電流將下降，雖然比當(dāng)續(xù)流時它上升的要慢。在電流將升高的基礎(chǔ)上畫出圖7。假定電流升高，那么它將最終達到在點C處的上磁滯極限，在這里有操作的選擇。
在第一種方法中，上部開關(guān)31現(xiàn)在可以再次閉合，以切斷(換向)閘流管42，并且使下部開關(guān)32斷開，允許電流繞開關(guān)31、繞組16和二極管33續(xù)流。
一種第二方法簡短地閉合上部開關(guān)31、以換向閘流管42，并且然后再次斷開它，允許電流繞開關(guān)32、繞組16和二極管34續(xù)流。由這些方法任何一種產(chǎn)生的相電流波形表示在圖7中，其中把單相導(dǎo)通時段定義為在上部和下部開關(guān)31、32在θON處接通與在θOFF處斷開之間的角度。
能交替地使用這兩種方法，以在兩個開關(guān)之間分享續(xù)流工作并且平衡其熱能率。然而就這兩種方法而論，閘流管突然反向偏置，并且將承受電流相對于時間的高變化率(di/dt)，要求高級裝置，可能帶有另外的緩沖元件。另外，電池電流是不連續(xù)的，對于給定功率導(dǎo)致較高峰值電流。
一種在點C處的第三操作方法是簡單地斷開開關(guān)32，從而電流繼續(xù)從電池流經(jīng)繞組，但現(xiàn)在路經(jīng)二極管33至直流鏈電容器34。這把能量轉(zhuǎn)移到直流鏈電容器，重復(fù)升壓變換器40的動作。磁通，并因此電流，相對于(VDC-VBatt)衰減。如果電池電壓VBatt與鏈電壓VDC相比較小，則衰減率將類似于單獨由VDC產(chǎn)生的。該方法的優(yōu)點在于，閘流管不需要換向，并因此電流從電池連續(xù)地抽出。然而，在下部開關(guān)上的負載率增大，因為當(dāng)開關(guān)31總是斷開而只使用32時，不可能使兩個開關(guān)31和32的負載率相等。該方法除點C后的部分下降得更陡之外，產(chǎn)生與圖7類似的電流波形。
一種第四方法是象以前那樣通過閉合開關(guān)31且然后斷開兩個開關(guān)來換向閘流管42，從而把存儲在繞組中的能量轉(zhuǎn)移到直流鏈電容器(如當(dāng)每相兩個開關(guān)電路按常規(guī)操作時的情形)。然而，這種方法重新引起間斷電池電流的缺點。
可以發(fā)現(xiàn)，順序使用這些選擇的兩種或多種的組合是有益的，因為能量轉(zhuǎn)移選擇，即第三和第四方法，將保持直流鏈電容器充電，并且進一步降低升壓變換器的負載率，而依次使用的其他兩種選擇，即第一和第二方法，將在兩個開關(guān)之間分享續(xù)流負載率，這在發(fā)熱方面是有益的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到，把控制方案布置成，例如使用能量轉(zhuǎn)移模式，直到電容器達到一定閾值電壓，然后使用續(xù)流直到電容器電壓再次下降，只是程序問題。
以上描述的斬波程序繼續(xù)，直到這樣的時刻轉(zhuǎn)子運動到斷開角θOFF，并且已不希望轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生來自該相。在該點處能使用上述的第三或第四方法來使相繞組失電。如果使用方法三，則當(dāng)電流達到零時閘流管自然換向。當(dāng)以這樣一種方式操作時，閘流管從點B為通，直到電流消失，并且它能是相當(dāng)“慢”的裝置(即具有‘變換器’級)。就任一種方法而論，在導(dǎo)通時段的末端處至直流鏈的能量轉(zhuǎn)移進一步減小升壓變換器上的負載率。
操作電路的第五方法在這些情形下是有益的其中電池電壓稍大于跨過閘流管42、繞組16和下部開關(guān)32的組合電壓降。在該情形下，磁通僅緩慢地增大，并且電流可以緩慢地增大，或者可以在繞組的反emf的作用下被迫下降。這參照圖8描述。繞組象以前那樣通過閉合上部和下部開關(guān)在θON處連接到高壓電源上。當(dāng)電流達到一個預(yù)定值ip時，斷開上部開關(guān)，并且通過起動閘流管42施加電池電壓。如表示的那樣，電流起先慢慢地上升，而最終由反emf被迫下降。最好通過使用上述第三方法在θOFF處切斷它。對于技術(shù)人員顯然，通過改變電源從高電壓變到低電壓和θOFF點處的值，能得到各種電流波形。然而，關(guān)于所有這些波形的優(yōu)點在于，大大地減小了轉(zhuǎn)換動作，導(dǎo)致較低的轉(zhuǎn)換損失和較小的噪聲。如以前那樣，減小了變換器的額定值，能使尺寸和成本減小。
以上描述一直基于需要一個升壓變換器以起動和保持直流鏈的假設(shè)。然而，如果初始激勵需要的功率量較小，或者如果在激勵電動機之前的短時間延遲是可接收的，那么可以取消升壓變換器。該實施例表示在圖9中，其中等效于圖6的元件給出類似的標號。
初始激勵能通過兩種方法實現(xiàn)。首先，通過起動閘流管42和開關(guān)32，能把電池電壓單獨用來升高繞組電流。如果電池具有足夠的容量，則繞組的激勵最終達到一個足夠值。此后，把使用以上第三或第四方法的繞組的轉(zhuǎn)換用來起動和保持直流鏈。這將是適當(dāng)?shù)?，條件是電路電阻足夠小，這一般是對于大電機的情形。第二，通過起動閘流管42和重復(fù)地斷開和閉合開關(guān)32，能起動直流鏈44，因而把繞組16用作本身對于技術(shù)人員是已知的升壓器布局的電感器部分。一旦直流鏈已經(jīng)達到一個適當(dāng)電壓，就如上述的那樣對于五種方法的任一種能進行操作。
將會理解，盡管沒有高壓鏈存在時能初始驅(qū)動電機，但當(dāng)電機速度升高時需要高壓鏈，因為較低的電池電壓不能夠在可用的縮短周期時間內(nèi)把電流升高到要求值。因此，在沒有升壓變換器時，最好帶有一個起動和保持直流鏈的機構(gòu)。
應(yīng)該注意，用來通過電壓升高起動和/或保持直流鏈的相繞組，不必是處于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生位置的相繞組，因為能使用在最大或最小電感位置中的相。一般地說，最好使用最小電感區(qū)域，因為它在較寬轉(zhuǎn)子角度上延伸，每單位磁通產(chǎn)生較大電流，并且不會產(chǎn)生對電機的任何有害轉(zhuǎn)矩干擾。
另外，技術(shù)人員將會認識到，兩個或多個或所有的相可以同時用來起動或保持直流鏈。
如果保留升壓變換器，則由上述本發(fā)明導(dǎo)致的減小的負載率，可以允許升壓變換器減小到近似與一般從直流鏈重新向電池充電使用的降壓變換器相同的額定值。在這種情況下，有可能用一個直流對直流變換器來代替升壓變換器，該直流對直流變換器是雙向的，在電機作為啟動機操作時起從電池供電的升壓變換器的作用，而當(dāng)電機作為發(fā)電機時起重新向電池充電的降壓變換器的作用。
圖10表示本發(fā)明的另一個實施例，其中一個第二閘流管46引入到直流母線的底部線中，以從直流鏈電容器44至電池38導(dǎo)通，因而能夠使電池與高壓電源隔離。在實際中，第二閘流管簡單地與第一個同時起動。第二閘流管幾乎能相當(dāng)于一個機械開關(guān)，例如由常規(guī)啟動機電動機所采用的電磁驅(qū)動開關(guān)。
圖6、9和10把閘流管表示為用來把電池連接到相繞組上的裝置。技術(shù)人員將會理解，能使用其他類型的開關(guān)，例如MOSFET、柵極關(guān)斷閘流管(GTO)等，盡管每種需要提供適當(dāng)?shù)臇艠O或驅(qū)動電路。除在第四方法中外，閘流管特別合適，因為它本身在相時段的末端處換向。它具有相當(dāng)?shù)偷耐顟B(tài)壓降，并且能容許大的峰值電流。一般認為它是最便宜形式的半導(dǎo)體開關(guān)。
上面描述了，對于相同的效果，結(jié)合多個不同控制方法能使用本發(fā)明。本發(fā)明允許在轉(zhuǎn)換磁阻電機中在導(dǎo)通時段期間在不同時刻，跨過相繞組或每個相繞組連接兩個不同的電壓。以這種方式，本發(fā)明的電路能用作用于內(nèi)燃機的組合啟動機電動機/發(fā)電機的部分。這樣一種系統(tǒng)表明在圖11中。內(nèi)燃機50能用在汽車、摩托車中，或者作為諸如壓縮機裝置之類的固定設(shè)備的部分。電池38是發(fā)動機電池。使轉(zhuǎn)換磁阻電動機12轉(zhuǎn)動，并且被發(fā)動機50轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)啟動機和發(fā)電機模式。在驅(qū)動軸與發(fā)動機之間的機械連接示意表示在圖11中。
因而，盡管按照電動操作已經(jīng)解釋了上面給出的說明性實施例，但應(yīng)該理解，激勵順序同樣能應(yīng)用于發(fā)電操作。而且，應(yīng)該認識到，本發(fā)明能與任何類型的磁阻電機一起使用。它能用在帶有任何數(shù)量的相，包括一相的轉(zhuǎn)換磁阻系統(tǒng)中。本發(fā)明決不限于用于說明的每相兩個開關(guān)的變換器電路，因為能使用多種先有技術(shù)的變換器電路。一些其他的已知轉(zhuǎn)換布局在PCIM’93論文中提及。對于技術(shù)人員其他同樣是熟知的。同樣，上面對電池的參考不排除其他能量存儲裝置的使用，如超電容器、或不是能量存儲裝置的電源的使用。例如，能代之以使用一個變壓器(或其他交流電源)的整流輸出。電流的監(jiān)視能通過監(jiān)視諸如跨過繞組的電壓之類的另一個電機參數(shù)來代替。因而，通過例子進行實施例的以上描述，而不是為了限制的目的。本發(fā)明打算僅由隨后的權(quán)利要求書的精神和范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種用于帶有至少一個可激勵相繞組的轉(zhuǎn)換磁阻電機的變換器電路，該電路包括一個第一電能源，用來以一個第一電壓向相繞組供給能量；第一開關(guān)裝置，可操作成把第一電能源連接到繞組上；一個第二電能源，用來以一個第二電壓供給能量；及第二開關(guān)裝置，可操作成把第二電能源連接到相繞組上；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中第二電能源帶有正和負終端，并且第二開關(guān)裝置包括一個可操作的閘流管，以從電能源的正終端至繞組導(dǎo)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中第二開關(guān)裝置進一步包括一個另外的可操作開關(guān)，以從繞組至電能源的負終端導(dǎo)通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中另外一個開關(guān)是一個閘流管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的電路，其中第二電能源是一個電氣存儲裝置，例如一個電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的電路，其中第一電能源包括一個用來保持其電壓的電容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的電路，包括一個帶有一個布置成接收第二電壓的輸入和一個連接到第一電能源上的輸出的變換器，該變換器是可操作的以從第二電壓轉(zhuǎn)換到第一電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的電路，其中第二電壓低于第一電壓。
9.一種轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動器，包括帶有一個定子、至少一個相繞組和根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項所述的變換器電路的一個磁阻電機。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動器，其中第一開關(guān)裝置包括一個每相兩個開關(guān)的開關(guān)電路。
11.一種操作根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動器、以在導(dǎo)通時段期間跨過至少一個相繞組依次施加兩個電壓的方法，該方法包括致動第一開關(guān)裝置，以跨過相繞組施加第一電壓；監(jiān)視電機的一個參數(shù)，以控制電機的輸出；當(dāng)監(jiān)視的參數(shù)達到一個預(yù)定值時，致動第二開關(guān)裝置，以把第二電壓施加到繞組上，從而跨過繞組的電壓相對于第一值減小。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中電機的監(jiān)視參數(shù)是繞組電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中根據(jù)磁滯控制來控制電機的輸出，當(dāng)監(jiān)視的參數(shù)達到一個預(yù)定值時把第二電壓施加到繞組上，以在導(dǎo)通時段期間把電流保持在一個預(yù)定帶內(nèi)。
14.根據(jù)從屬于權(quán)利要求10的權(quán)利要求11或12所述的方法，其中每相兩個開關(guān)的開關(guān)電路包括一個連接在第一電能源與相繞組一端之間的上部開關(guān)、一個連接在第一電能源與相繞組的另一端之間的下部開關(guān)；和分別與上部和下部開關(guān)及相繞組的每一個并聯(lián)連接的再循環(huán)二極管，第二開關(guān)裝置包括一個連接在第二電能源與繞組的一端之間的開關(guān)，該方法包括當(dāng)電機的參數(shù)達到一個上限值時，脫開上部和下部開關(guān)的一個以使電流在相繞組中衰減。
15.根據(jù)從屬于權(quán)利要求10的權(quán)利要求11至13中的任何一項所述的方法，其中每相兩個開關(guān)的開關(guān)電路包括一個連接在第一電能源與相繞組一端之間的上部開關(guān)、一個連接在第一電能源與相繞組的另一端之間的下部開關(guān)；和分別與上部和下部開關(guān)及相繞組的每一個并聯(lián)連接的再循環(huán)二極管，第二開關(guān)裝置包括一個連接在第二電能源與繞組的一端之間的開關(guān)，該方法包括當(dāng)電機的參數(shù)達到一個上限值時，使上部和下部開關(guān)都脫開以使電流在相繞組中衰減。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中上部和下部開關(guān)在導(dǎo)通時段內(nèi)的每個衰減間隔期間被交替地脫開，或者在依次導(dǎo)通時段期間被交替地脫開。
17.根據(jù)權(quán)利要求14、15或16所述的方法，其中當(dāng)參數(shù)在導(dǎo)通時段內(nèi)達到一個較低值時，致動第二開關(guān)裝置以把第二電壓施加到繞組上。
18.根據(jù)權(quán)利要求14或16所述的方法，其中通過斷開下部開關(guān)使電流衰減，從而第二能源經(jīng)上部開關(guān)轉(zhuǎn)移到第一電能源。
19.根據(jù)權(quán)利要求14或16所述的方法，其中通過閉合上部開關(guān)且然后打開上部和下部開關(guān)使電流衰減，從而存儲在繞組中的能量經(jīng)再循環(huán)二極管轉(zhuǎn)移到第一電能源。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，使用權(quán)利要求15的方法與權(quán)利要求18或19的方法相結(jié)合，以在導(dǎo)通時段期間保持第一電能源的第一電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求14至20任一項所述的方法，其中致動第二開關(guān)裝置，以在導(dǎo)通時段開始時跨過相繞組連接第二電壓。
22.根據(jù)權(quán)利要求14至20任一項所述的方法，其中通過致動第二開關(guān)裝置、和重復(fù)地致動下部開關(guān)裝置，升高第一電能源的電壓。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中在該相導(dǎo)通時段之外升高第一電能源的電壓。
24.根據(jù)從屬于權(quán)利要求6的權(quán)利要求9或10所述的轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動器，其中變換器是一個雙向直流對直流變換器，提供在其輸出處的第二電壓至第一電壓的升壓轉(zhuǎn)換、和在其輸入處第一電壓至第二電壓的降壓轉(zhuǎn)換。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的轉(zhuǎn)換磁阻驅(qū)動器，建造和布置成一個內(nèi)燃機啟動機/發(fā)電機。
26.一種在導(dǎo)通時段期間激勵轉(zhuǎn)換磁阻電機的相繞組的方法，包括以一個第一電壓向繞組供給能量；依次在同一導(dǎo)通時段內(nèi)以一個第二電壓向繞組供給能量。
全文摘要
一種轉(zhuǎn)換磁阻電機,在激勵周期期間從兩個電壓源供電。較高電壓是例如從低電壓蓄電池和一個升壓變換器得到的常規(guī)母線電壓。較低電壓直接從電池供給。較高電壓僅在激勵周期部分期間供給電機,在剩余的激勵周期期間較低電壓電源直接向電機供給能量。這減小了升壓變換器的負載率,并且增大了整個驅(qū)動器的效率。一種電路操作方法允許升壓變換器的取消。
文檔編號F02N11/04GK1267952SQ00104388
公開日2000年9月27日 申請日期2000年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月23日
發(fā)明者彼得·R·馬耶斯, 保爾·D·韋伯斯特 申請人:開關(guān)磁阻驅(qū)動有限公司