电机系统以及操作电机系统的方法
阅读：457发布：2022-01-12
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1.一种电机系统，包括：
开关磁阻电机，所述开关磁阻电机包括转子部分和定子部分，所述转子部分包括多个转子齿并且所述定子部分包括多个定子齿，所述定子齿缠绕有相应的线圈；以及线圈驱动器电路，所述线圈驱动器电路耦接到所述定子齿的线圈以独立地控制到所述多个定子齿的每个线圈的电力的相位；
其中，所述定子齿的线圈各自具有电感，所述电感吸收由所述线圈驱动器电路提供给所述线圈的电能，并且随后当所述线圈未被所述线圈驱动器电路有效驱动时，将至少一部分所述电能释放回所述线圈驱动器电路；
以及其中，所述线圈驱动器电路包括电能存储装置，所述电能存储装置存储从每个线圈的所述电感释放回来的所述部分的电能，并且通过存储在所述电能存储装置中的电能来增大由所述线圈驱动器电路提供给所述定子齿的每个线圈的电能。
2.如权利要求1所述的电机系统，其中，所述线圈驱动器电路包括多个可独立供电的线圈驱动器，每个线圈驱动器耦接到所述多个定子齿的子集的线圈。
3.如权利要求2所述的电机系统，其中，每个线圈驱动器被耦接到至少6个定子齿的线圈。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的电机系统，其中，所述多个转子齿和所述多个定子齿的比例为2∶3。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的电机系统，其中，所述定子部分包括至少12个定子齿。
6.如权利要求5所述的电机系统，其中，所述至少12个定子齿被分组为六定子齿集合，其中，六定子齿集合的线圈被配置为被驱动以使得当所述集合的第一线圈被提供电能时，所述集合的第二和第三线圈基本上未被提供电能，所述集合的第四线圈被提供电能，并且所述集合的第五和第六线圈基本上未被提供电能；
其中，所述集合的所述第一线圈到第六线圈以相邻、数字递增的顺序被布置，并且所述开关磁阻电机被配置为使得所述集合的所述第一线圈和第四线圈中所产生的磁场极性相反。
7.如权利要求6所述的电机系统，其中，所述六定子齿集合的线圈被配置为以重复的顺序被驱动，其中：
首先，所述集合的所述第一线圈和第四线圈被提供电能并且所述集合的所述第二线圈、第三线圈、第五线圈以及第六线圈基本上未被提供电能；
其次，所述集合的所述第二线圈和第五线圈被提供电能并且所述集合的所述第一线圈、第三线圈、第四线圈以及第六线圈基本上未被提供电能；以及
再次，所述集合的所述第三线圈和第六线圈被提供电能并且所述集合的所述第一线圈、第二线圈、第四线圈以及第五线圈基本上未被提供电能。
8.如权利要求6或7所述的电机系统，其中，所述线圈驱动器电路被配置为通过利用与其有效驱动所述集合的所述第一线圈的极性相反的极性来有效驱动所述集合的所述第四线圈，来产生被提供给所述集合的所述第四线圈的相反极性的电能。
9.如权利要求6或7所述的电机系统，其中，所述集合的所述第四线圈以与所述集合的所述第一线圈相反的意义缠绕，以产生被提供给所述集合的所述第四线圈的相反极性的电能。
10.如权利要求6或7所述的电机系统，其中，所述开关磁阻电机还包括开关布置，所述开关布置被配置为产生被提供给所述集合的所述第四线圈的相反极性的电能。
11.如权利要求1-10中的任一项所述的电机系统，其中，所述开关磁阻电机还包括三个光学传感器，所述三个光学传感器相对于六定子齿集合的三个定子齿被定位以检测转子齿的位置。
12.如权利要求11所述的电机系统，其中，所述三个光学传感器被布置为使得总是存在来自所述三个光学传感器中的一个或两个光学传感器的输出，该输出指示一个或两个转子齿与所述一个或两个光学传感器的至少部分对准，并使得从不存在来自所有三个所述光学传感器的输出，该输出指示三个转子齿与所述三个光学传感器的至少部分对准。
13.如权利要求6-10中的任一项所述的电机系统，或当引用权利要求6时如权利要求
11-12中的任一项所述的电机系统，其中，所述转子齿被布置为使得当第一转子齿最靠近缠绕有所述集合的所述第一线圈的定子齿时，处于紧邻所述第一转子齿的位置中的另外的转子齿提供所述第一转子齿中所感应的磁场的主要返回路径。
14.如权利要求6-10中的任一项所述的电机系统，或当引用权利要求6时如权利要求
11-13中的任一项所述的电机系统，其中，所述转子齿和所述定子齿相对于彼此在如下配置中被布置，其中，对于所述转子部分和所述定子部分的任意给定相对定向，所述六定子齿集合中的最多两个定子齿基本上与相应的转子齿相对准，并且其中，当所述六定子齿集合中的所述最多两个定子齿基本上与相应的转子齿相对准时，所述六定子齿集合中的其他定子齿不具有与相应的转子齿的至少部分对准。
15.如权利要求1-14中的任一项所述的电机系统，其中，所述线圈驱动器电路被选择性地配置来禁止针对至少一个所选的六定子齿线圈集合的电能供应。
16.如权利要求15所述的电机系统，其中，所述线圈驱动器电路被选择性地配置以禁止针对成对的所选的六定子齿线圈集合的电能供应。
17.如权利要求1-16中的任一项所述的电机系统，其中，每个定子齿的线圈缠绕至少
100匝。
18.如权利要求1-17中的任一项所述的电机系统，其中，被施加到每个定子齿的线圈的电流小于10A。
19.如权利要求1-18中的任一项所述的电机系统，其中，所述开关磁阻电机包括两个定子部分，其中，所述两个定子部分被布置为沿着所述开关磁阻电机的纵轴彼此相邻。
20.一种对包括开关磁阻电机的电机系统进行操作的方法，所述开关磁阻电机包括转子部分和定子部分，所述转子部分包括多个转子齿并且所述定子部分包括多个定子齿，每个定子齿缠绕有相应的线圈，所述方法包括以下步骤：
控制针对所述多个定子齿的每个线圈的电力的独立相位；
在所述定子齿的每个线圈的电感中吸收被提供给所述线圈的电能；
当所述线圈未被有效驱动时，从所述定子齿的每个线圈的电感释放至少一部分电能；
存储从每个线圈的电感释放回来的所述部分的电能；以及
通过所存储的电能来增大被提供给所述定子齿的每个线圈的电能。
21.一种汽车车轮组件，其中，所述车轮组件的部件适配于形成如权利要求1-19中的任一项所述的所述电机系统中的所述开关磁阻电机的所述转子部分。
22.如权利要求21所述的汽车车轮组件，其中，所述车轮组件的所述部件为下列项中的至少一项：制动盘、制动鼓以及轮辋。
23.一种电机系统，包括：
开关磁阻电机，所述开关磁阻电机包括转子部分和定子部分，所述转子部分包括多个转子齿并且所述定子部分包括缠绕有相应线圈的多个定子齿；以及
线圈驱动器电路，所述线圈驱动器电路耦接到所述定子齿的所述线圈以控制被提供给每个线圈的电力的相位；
其中，所述线圈驱动器电路包括电能存储装置，所述电能存储装置存储从每个线圈的电感释放回来的一部分所述电能，以及其中，所述线圈驱动器电路被布置为利用来自所述电能存储装置的能量来增大被提供给每个线圈的电能的相位。
电机系统以及操作电机系统的方法
技术领域
背景技术
[0002] 在具有线圈绕组作为电机的定子的部分的电机中，例如，在开关磁阻电机中，电机通常由三相电源来供电并对线圈绕组施加AC波形以控制电机的操作。某些电机已创建有更多的相位，但创建这类多相电机中的重要因素是相驱动器电子器件的成本。在传统电机中，脉冲宽度调制(PWM)电压控制器(通常布置有H-桥拓扑以双向驱动电机线圈)被耦接到大电源，并且驱动电机线圈所需的大电压和电流可显著地增加驱动器电路的成本。因此，根据当代技术，制造要求多个线圈驱动器电路的多相电机是昂贵的。
[0003] 此外，传统电机通常仅当在全设计输出功率等级操作时才在它们的最高效率处操作。已知提供可变输出驱动器电路以允许电机在降低的输出功率等级处操作，但由于较小磁场的较低效率耦合，电机效率显著降低。因此，为了维持合理的效率，这类电机必须在其设计点附近的窄范围内被操作，并且必须使用机械变速箱和传动系统(甚至某些具有多个电机)以便跨较宽范围的输出等级来维持效率。这类配置既昂贵又机械复杂。发明内容
[0004] 从第一方面看，本技术提供一种电机系统，包括：开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括转子部分和定子部分，转子部分包括多个转子齿并且定子部分包括多个定子齿，定子齿缠绕有相应的线圈，以及线圈驱动器电路，该线圈驱动器电路被耦接到定子齿的线圈以独立地控制到多个定子齿的每个线圈的电力的相位，其中，定子齿的线圈各自具有电感，该电感吸收由线圈驱动器电路提供给该线圈的电能，并且随后当该线圈未被线圈驱动器电路有效驱动时，将至少一部分电能释放回线圈驱动器电路，以及其中，线圈驱动器电路包括电能存储装置，该电能存储装置存储从每个线圈的电感被释放回来的该部分的电能，并且通过存储在电能存储装置中的电能来增大由线圈驱动器电路提供给定子齿的每个线圈的电能。
[0005] 线圈驱动器电路被布置为独立地控制到多个定子齿的每个线圈的电力的相位。因此，定子齿的相应线圈的每个线圈可由线圈驱动器电路来独立地控制。也就是说，每个定子齿线圈被提供有具有其特有相位的电力。这些相位原则上可以是唯一的(即，对于每个定子齿线圈不同)，或在特定配置要求时可在定子线圈间重复。
[0006] 以前，这样的电机系统将是不切实际的并且非常昂贵。这是由于如下事实：多个定子齿的相应线圈的独立控制将要求线圈驱动器电路的复杂性(以及因此，成本)，这将使得电机系统不经济。然而，本技术的一个方面有利地提供了以利用每个定子齿的电感的方式与定子齿线圈相关联的线圈驱动器电路，以便由线圈驱动器电路提供给每个线圈的电能通过随后从线圈被释放回线圈驱动器电路(并存储在它的电能存储装置中)来至少部分地再循环，以便随后通过存储在电能存储装置中的电能来增大对线圈的进一步的电能配设。电能存储装置可以例如是存储电容器。
[0007] 这意味着由线圈驱动器电路汲取以便对定子齿线圈进行供电的电力比在现有技术系统中被显著得更高效地使用，并且已经发现，实际上，运行电机系统所需的电能的很大一部分电能可以以这种方式再循环。产生的效率使得提供具有多个定子齿的每个线圈的独立控制的电机系统是实际的。
[0008] 在某些实施例中，线圈驱动器电路可包括多个可独立供电的线圈驱动器，每个线圈驱动器耦接到多个定子齿的子集的线圈。可独立供电的线圈驱动器可以例如是多个被独立供电的线圈驱动器板，每个线圈驱动器板包括线圈驱动器电路的一个或多个实例，并被连接到多个定子齿的子集的线圈。一组定子齿线圈到每个线圈驱动器(例如，板)的关联有助于系统中电能的再循环，特别是当多于一个的定子线圈同时被供电但具有相反的极性时。这意味着当一个线圈从驱动器的电源提取电流时，另一个线圈正提供回电流，并且净效应是来自供给信道(即，驱动成对线圈中的一个线圈的电路)的能量直接进入提取信道(即，对成对线圈中的另一个线圈进行供电的电路)，而不会抽取驱动器的电源中比恢复(至少大多数)关于循环的小损耗必须的能量更多的能量，特别是当电机输出轴功率要求较低时。在某些实施例中，每个线圈驱动器被耦接到至少6个定子齿的线圈。
[0009] 在某些实施例中，多个转子齿和多个定子齿的比率为2∶3。
[0010] 在某些实施例中，定子部分包括至少12个定子齿。定子部分可以例如具有恰好12个齿。在该示例配置中，并且在转子齿数对定子齿数的比率为2∶3的实施例中，则存在8个转子齿。转子齿对定子齿的2∶3比率为电机的配置提供了特定的对称性，这使得能够获得对电机进行控制的益处。
[0011] 在某些实施例中，电机的定子部分具有至少24个定子齿，并且可以例如具有恰好24个齿。在该进一步的示例配置中，并且在转子齿数对定子齿数的比率为2∶3的实施例中，则存在16个转子齿。
[0012] 在定子部分包括至少12个定子齿的某些实施例中，该至少12个定子齿可被分组为六个定子齿的集合，其中，六定子齿集合的线圈被配置为被驱动以使得当集合的第一线圈被提供电能时，集合的第二和第三线圈基本上未被提供电能，集合的第四线圈被提供电能，并且集合的第五和第六线圈基本上未被提供电能，其中，集合的第一到第六线圈以相邻、编号递增的顺序被布置，并且开关磁阻电机被配置为使得集合的第一和第四线圈中所产生的磁场极性相反。转子齿和定子齿例如为2∶3比率的配置意味着在六个相邻定子齿的集合中，可能存在两个定子齿与转子齿相对准(在某些实施例中，可以是恰好两个定子齿)，并且随着转子在定子内旋转，与转子齿相对准的两个定子齿在六定子齿集合中顺序改变。因此，成对地对六定子齿集合的线圈进行供电提供了有效的驱动机制。此外，在集合的两个线圈被供电以便它们产生的独立的磁场极性相反的配置中，产生的联合磁场有效地增强“激活”(活动)齿中的磁场强度并拉动场远离“关闭”齿，减少了电机上的阻力并提升了效率。
[0013] 在某些实施例中，六定子齿集合的线圈可被配置为以重复的顺序被驱动，其中：首先，集合的第一和第四线圈被提供电能并且集合的第二、第三、第五以及第六线圈基本上未被提供电能；其次，集合的第二和第五线圈被提供电能并且集合的第一、第三、第四以及第六线圈基本上未被提供电能；以及再次，集合的第三和第六线圈被提供电能并且集合的第一、第二、第四以及第五线圈基本上未被提供电能。对集合的成对线圈提供电能的重复顺序使得能够对电机实施灵活控制，其中，电机的旋转方向可通过所断言(assert)的电能的极性来确定。
[0014] 可以以多种方式来实现在同一时间为被供电的成对线圈的每个线圈提供相反极性的电能。在某些实施例中，线圈驱动器电路可被配置为通过利用与它有效驱动集合的第一线圈的极性相反的极性来有效驱动集合的第四线圈，来产生被提供给集合的第四线圈的相反极性的电能。以这种方式，集合的第一和第四线圈可具有彼此基本相同的配置，特别是沿相同方向缠绕，以及此外，具有与线圈驱动器电路的直接连接，并且是由线圈驱动器电路来确定被提供给各个线圈的电能的极性。
[0015] 在某些实施例中，集合的第四线圈可以以与集合的第一线圈相反的意义缠绕，以产生被提供给集合的第四线圈的相反的多个电能。以这种方式，线圈驱动器电路可被配置为向集合的第一线圈和集合的第四线圈提供相同极性的电能，但第四线圈相对于第一线圈的缠绕方向导致对第一线圈进行供电所感应的磁场与第四线圈所感应的磁场方向相反。
[0016] 在某些实施例中，开关磁阻电机还可包括开关布置，该开关布置被配置为产生被提供给集合的第四线圈的相反极性的电能。这还提供了一种机制，通过该机制，提供电能的线圈驱动器电路可以提供单一极性的电能，但开关布置可以产生被供给第四线圈的相反的多个电能。
[0017] 在某些实施例中，开关磁阻电机还可包括三个光学传感器，该三个光学传感器相对于六定子齿集合的三个定子齿被定位以检测转子齿的位置。这三个光学传感器利用了下列事实：给定转子齿数与定子齿数的2∶3比率，可选择六定子齿集合的三个定子齿(例如，三个相邻的定子齿)以便在任意给定时间仅一个转子齿是与三个定子齿中的任一个定子齿相对准的。这因而使得能够利用仅三个光学传感器来确定转子相对于定子的位置，并因而提供相对便宜的位置传感器布置。
[0018] 在某些实施例中，三个光学传感器可被布置为使得总是存在来自三个光学传感器中的一个或两个光学传感器的指示一个或两个转子齿与一个或两个光学传感器至少部分对准的输出，并使得不存在来自所有三个光学传感器的指示三个转子齿与三个光学传感器至少部分对准的输出。因此，相对于转子齿来调整光学传感器的尺寸并配置它们的灵敏度以便满足它们的输出上的这些约束，意味着可以基于仅3位输出(即，来自三个光学传感器的输出)来高精度地确定转子相对于定子的位置。例如，在具有24个定子齿的配置中，可在21/2度内确定位置。因此，利用仅三个光学传感器的该布置便可确定精确的旋转位置信息。
[0019] 在某些实施例中，转子齿可被布置为使得当第一转子齿最靠近缠绕有集合的第一线圈的定子齿时，处于紧邻第一转子齿的位置中的另外的转子齿提供第一转子齿中所感应的磁场的主要返回路径。因此，磁场的主要返回路径相对较短——经由紧邻位置中的那些另外的转子齿，而不是经由例如围绕转子的另外的转子齿。这增强了主动要求对电机进行供电的那些区域中的磁场密度。
[0020] 在某些实施例中，转子齿和定子齿可相对于彼此在如下配置中被布置，其中，对于转子部分和定子部分的任意给定相对定向，六定子齿集合中的两个定子齿(在其它实施例中，最多两个)可基本上与相应的转子齿相对准，并且其中，当六定子齿集合中的最多两个定子齿基本上与相应的转子齿相对准时，六定子齿集合中的其他定子齿不具有与相应的转子齿的至少部分对准。该配置意味着对于配置导致的被对准的齿，转子齿和定子齿之间仅存在相对小的空气间隙，这对应于低磁阻并因此没有来自电机的输出功率(零扭矩)。相反地，六定子齿集合中的其它定子齿与相应的转子齿的未对准可因此提供高磁阻和高扭矩配置(由于未对准的定子/转子齿之间的空气间隙)。将理解的是，在某些开关磁阻电机中，可能要求转子和定子齿之间的部分重叠以便将电机保持在针对可接受的效率可实现转矩的配置中。然而，本电机系统通过提供可以生产较高转矩(通过未对准的定子/转子齿)并且在生成磁场中所扩展的未被使用的能量得以再循环的配置实现了转矩和效率之间的经改善的折衷，从而提升了效率。
[0021] 在某些实施例中，线圈驱动器电路可被选择性地配置为禁止针对至少一个所选的六定子齿线圈集合进行电能供应。因此，六定子齿线圈集合可被独立地接通和断开，并且这使得电机能够在较低功率模式中操作。在某些实施例中，线圈驱动器电路被选择性地配置为禁止针对成对所选的六定子齿线圈集合进行电能供应。这也使得电机能够在较低功率模式中操作。
[0022] 在某些实施例中，每个定子齿的线圈可缠绕至少100匝。在某些实施例中，每个定子齿的线圈可缠绕至少200匝。该大量绕组匝使得能够从相对低的电流产生相对高的磁场。可通过使用具有许多(例如，至少100)匝的小直径线圈导线来实现每个线圈的线圈驱动器所需的较低电流。因此，所提供的线圈电感特别高(与线圈仅缠绕有几匝更大直径导线的配置相比)，这是由于线圈电感随匝绕数目的平方而增加，并且所产生的磁场与匝数乘以电流成正比。因此，对于同一磁场，电流中的4倍减小对应于电感中的16倍增加。电机系统中的定子齿线圈的高电感意味着它们特别适用于存储能量。在某些实施例中，施加到每个定子齿的线圈的电流小于10A。这可例如通过小直径导线的高匝数来实现，意味着可以使用相对低的电流。
[0023] 在某些实施例中，开关磁阻电机包括两个定子部分，其中，两个定子部分被布置为沿着开关磁阻电机的纵轴彼此相邻。
[0024] 从第二方面看，本技术提供了一种对包括开关磁阻电机的电机系统进行操作的方法，该开关磁阻电机包括转子部分和定子部分，转子部分包括多个转子齿并且定子部分包括多个定子齿，每个定子齿缠绕有相应的线圈，该方法包括以下步骤：控制到多个定子齿的每个线圈的电力的独立相位；在定子齿的每个线圈的电感中吸收被提供给该线圈的电能；当该线圈未被有效驱动时，从定子齿的每个线圈的电感释放至少一部分电能；存储从每个线圈的电感释放回来的该部分的电能；以及通过所存储的电能来增大被提供给定子齿的每个线圈的电能。
[0025] 从第三方面看，本技术提供了一种电机系统，包括：开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括转子部分和定子部分，转子部分包括多个转子齿并且定子部分包括多个定子齿，每个定子齿缠绕有相应的线圈；用于控制到多个定子齿的每个线圈的电力的独立相位的装置；用于在定子齿的每个线圈的电感中吸收被提供给该线圈的电能的装置；用于当该线圈未被有效驱动时，从定子齿的每个线圈的电感释放至少一部分电能的装置；用于存储从每个线圈的电感释放回来的该部分电能的装置；以及用于通过所存储的电能来增大被提供给定子齿的每个线圈的电能的装置。
[0028] 从第五方面看，本技术提供了一种电机系统，包括：开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括转子部分和定子部分，转子部分包括多个转子齿并且定子部分包括缠绕有相应线圈的多个定子齿；以及线圈驱动器电路，该线圈驱动器电路耦接到定子齿的线圈以控制被提供给每个线圈的电力的相位，其中，线圈驱动器电路包括电能存储装置，该电能存储装置存储从每个线圈的电感释放回来的一部分电能，以及其中，线圈驱动器电路被布置为利用来自电力存储装置的能量来增大被提供给每个线圈的电能的相位。附图说明
[0029] 本发明参考如附图中所示的其中的实施例，通过仅示例的方式将被进一步描述，其中：
[0030] 图1示意性地示出了一个示例实施例中的具有两个定子部分的开关磁阻电机；
[0031] 图2示意性地示出了一个示例实施例中的线圈驱动器电路；
[0033] 图4示出了一个示例实施例中的两个线圈驱动器电路的四相位操作以及产生的电流流动；
[0034] 图5A示意性地示出了一个示例实施例中的开关电感升压电压转换器电路，该开关电感升压电压转换器电路形成驱动器电路的部分；
[0035] 图5B示意性地示出了一个示例实施例中的开关电感降压电压转换器电路，该开关电感降压电压转换器电路形成驱动器电路的部分；
[0036] 图6示意性地示出了一个示例实施例中的驱动器电路；
[0037] 图7示出了一个示例实施例中的开关磁阻电机的端部视图，该示例实施例具有16个转子齿和24个定子齿；
[0038] 图8示出了一个示例实施例中的用于一组6个定子线圈的六阶段控制操作；
[0039] 图9示出了与仅提供单向电流的配置相比，由一个示例实施例的双向线圈驱动器电路来供电的开关磁阻电机的磁场密度的模拟；
[0040] 图10A示意性地示出了一个示例实施例中的放置3个光学传感器以提供电机中转子相对于定子的旋转位置信息；
[0041] 图10B示出了图10A中所示的三个光学传感器的六个可能的光学传感器输出的集合；
[0042] 图11A和11B示意性地示出了两个示例实施例中的可如何反转电机线圈中的磁场极性的两个示例；
[0043] 图12示意性地示出了一个示例实施例中的包括6个电机线圈驱动器电路的驱动器板；
[0044] 图13示意性地示出了一个示例实施例中的开关磁阻电机驱动器装置，该开关磁阻电机驱动器装置包括八个如图12所示的驱动器板；
[0045] 图14示意性地示出了一个示例实施例的方法中所采取的步骤序列；
[0046] 图15示意性地示出了一个示例实施例的用于对汽车的车轮进行供电的电机系统；
[0047] 图16示意性地示出了示例实施例，其中，电机系统通过对汽车中的制动盘做出改变来提供。
具体实施方式
[0048] 图1示意性地示出了一个实施例中的开关磁阻电机系统10。电机包括被配置为在两个定子部分14和16内旋转的转子部分12。转子部分被配置为具有十六个转子齿，该十六个转子齿形成径向向外延伸、并沿着转子部分的长度贯穿两个定子部分14和16的纵向脊。每个定子部分被配置为具有二十四个定子齿，该二十四个定子齿形成向内延伸并还沿着每个定子部分的长度贯穿的纵向脊。每个定子齿缠绕有包括大量匝的线圈——在该实例中，存在大约两百匝。在图1所示的实施例中，转子齿上没有线圈，这是由于对定子齿线圈进行供电所产生的磁场使得电机通过转子上的那些磁场的作用来旋转。
[0049] 电机系统10还包括定子线圈驱动器电路20，该定子线圈驱动器电路20被配置为由相关联的控制电路22来控制。电源24被耦接到定子线圈驱动器电路和电机的定子线圈二者。因此，在定子线圈和电源24之间以及在定子线圈和定子线圈驱动器电路20之间可以存在电流流动。通过对其它图的描述，该布置的重要性将变得显而易见。
[0050] 图2示意性地示出了与单个定子线圈相关联的定子线圈驱动器电路的主要部件。本质上，图2所示的电路是开关电感升压(boost)电压转换器电路和开关电感降压(buck)电压转换器电路的组合。开关电感升压电压转换器电路包括升压二极管30和升压开关32，并且开关电感降压电压转换器电路包括降压二极管34和降压开关36。开关电感升压电压转换器电路和开关电感降压电压转换器电路共享存储电容器38。每个电压转换器电路还经由输入节点44被连接到由该电路和电源42所驱动的定子线圈40。用于升压开关32和降压开关36的控制信号，即，升压信号和降压信号，分别由控制电路(这里由如图1所示的同一控制电路
22来表示)生产。
22来表示)生产。
[0051] 在操作中，图2的示例实施例的升压和降压信号通过控制电路22被互斥地断言以使得定子线圈40被供电，以及此外，被双向地驱动，其中，首先使得电流以一个方向流经定子线圈(在“升压”操作期间)，并且然后以另一方向流经定子线圈(在“降压”操作期间)。断言升压信号以使升压开关32闭合(导通)使得电源42所提供的电源电压被施加到定子线圈40。升压信号被断言以适当的时间段，直到定子线圈中的电流流产生电机的操作所需的磁场。当升压信号被断开、打开升压开关32时，随着能量从线圈消散，电流继续流动(经由升压二极管30)。通过对存储电容器38进行充电来收集从定子线圈40消散的该能量。这将存储电容器快速升压到静态电压，关停线圈中的电流。
[0052] 存储在存储电容器38中的该“经升压的电压”然后可用于在相反方向为定子线圈40提供能量。当需要时，降压信号被断言以使得降压开关36闭合(导通)，并且之前经升压的电压可以在与升压阶段的方向相反的方向被施加(经由降压二极管34)到定子线圈40。
[0053] 图3示出了图2所示的电路的周期性操作，其中，通过断言升压信号来首先使得定子线圈电流在一个方向(例如，正)被驱动，然后通过断言降压信号使得定子线圈电流在另一(例如，负)方向被驱动。注意的是，降压信号的断言直到定子线圈电流已降为零时才发生。这意味着在驱动器电路中，当电流低时切换电压并且当电压低时切换电流，使得开关设备中的功率消散相当小。如参考图5A、5B以及6所示的实施例将更详细地讨论的，这意味着相对轻重量的开关(例如，MOSFET，而不是更昂贵的IGBT)可被用作电路中的开关。
[0054] 本技术关于驱动电机定子线圈的具体优势可从图4看出，图4示出了一个实施例中的驱动两个定子线圈的四阶段过程。两个定子线圈各自被耦接到共享(DC)电源及其相应的线圈驱动器电路。
[0055] 在第一阶段，两个电机线圈被充电，但方向相反。第一电机线圈由来自共享电源的第一极性的电流充电，并且第二电机线圈由来自第二驱动器电路的存储电容器的第二(相反)极性的电流充电。在图中给出的示例中，来自电源的1.6A被提供给第一线圈，而衍生自第二驱动器电路的存储电容器的1.3A经由第二线圈被返回到电源。因此，对于净0.3A电源负载，实现了与2.9A相对应的总线圈斜坡上升。
[0056] 在第二阶段，两个电机线圈被放电，同样是在相反方向。第一电机线圈被放电到第一驱动器电路的存储电容器中，并且第二电机线圈被放电到共享电源。在图中给出的示例中，1.6A从第一线圈被传递到第一驱动器电路的存储电容器，而1.3A被返回到衍生自第二线圈的电源。因此，对于从-1.3A降到零的净电源负载，实现了2.9A的总线圈斜坡下降。
[0057] 在第三阶段，两个电机线圈再次被充电，但与第一阶段中的方向相反。第一电机线圈由来自第一驱动器电路的存储电容器的第二极性的电流充电，并且第二电机线圈由来自共享电源的第一极性的电流充电。在图中给出的示例中，衍生自第一驱动器电路的存储电容器的1.3A经由第一线圈被返回到电源，而来自电源的1.6A被提供给第二线圈。因此，对于净0.3A电源负载，实现了与2.9A相对应的总线圈斜坡上升。
[0058] 最后，在第四阶段，两个电机线圈再次被放电。第一电机线圈被放电到共享电源，并且第二电机线圈被放电到第二驱动器电路的存储电容器中。在图中给出的示例中，1.3A被返回到衍生自第一线圈的电源，而1.6A从第二线圈被传递到第二驱动器电路的存储电容器。因此，对于从-1.3A降到零的净电源负载，实现了2.9A的总线圈斜坡下降。
[0059] 现在参考图5A、5B以及6给出一个实施例中的驱动器电路的配置的更多细节。开关电感升压电压转换器电路在图5A中被独立地表示，而开关电感降压电压转换器电路在图5B中被独立地表示，并且具有开关电感升压电压转换器电路和开关电感降压电压转换器电路二者的组合驱动器电路在图6中被示出。
[0060] 在图5A的开关电感升压电压转换器电路中，升压开关由NMOS 50提供，而存储电容器(CSTORE)由33μF电容器52提供。注意的是，除了升压二极管(D1)54之外，该实施例还提供另外两个二极管D2 56和D358。升压电压转换器电路被耦接到定子线圈60和150V DC电源62。
[0061] 关于图5B的开关电感降压电压转换器电路，重要的是注意到，存储电容器(CSTORE)是如图5A所示的同一33μF电容器52。如图5A和5B所标记的，跨电容器52所产生的电压可被视为图5A的开关电感升压电压转换器电路的输出，以及图5B的开关电感降压电压转换器电路的输入。此外，降压电压转换器电路被耦接到同一定子线圈60和同一150V DC电源62。在图5B所示的实施例中，降压开关由PMOS 64提供。除了降压二极管66(D4)之外，该实施例还提供另外两个二极管68和70(D5和D6)。最后，图5B的开关电感降压电压转换器电路还包括耦接到降压开关(PMOS 64)的栅极的参考电路。该参考电路由NMOS 72、电阻74、76以及78(R7、R8以及R9)、电容器80和82(C2和C3)以及二极管84(D7)组成。
[0062] 现在参考图6给出该实施例中的完全驱动器电路的配置的更多细节，示出了开关电感升压电压转换器电路和开关电感降压电压转换器电路的组合配置。图6的驱动器电路的组件具有与图5A和5B所示的组件相同的参考标号，这是由于这些后面的分离表示仅被分离地示出以强调完全驱动器电路的每个组件所属的相应部分。
[0063] 该实施例中所提供的各种额外的二极管(即，除了图2所示的升压和降压二极管之外)用于多个目的，但总体上他们所扮演的具体角色是使得关键的开关器件(升压开关50和降压开关64)由非常便宜的MOSFET器件(而不是非常昂贵的IGBT器件)来提供，而不管电机线圈的尺寸和电机所需的电源电压(例如，35mH线圈和150V DC电源)。与操作具有这类配置的电机相关联的大EMF和快速电压变化潜在地引起破坏性电压和栅极阶跃(在应该关闭时将它们打开)，因此在整个电路中使用这些二极管以提供保护开关的电力阻断。二极管还用于将开关电感升压电压转换器电路与开关电感降压电压转换器电路相分离，以便一个电压转换器电路的操作不会损坏另一个电压转换器电路的组件。例如，放置在降压电压转换器电路中的PMOS 64的任一侧的二极管68和70(D5和D6)的组合在驱动器电路的“升压”操作模式期间防止从线圈放电的电流流的功率接通或关断PMOS(并因此不利地影响该升压模式的正确操作，并且有损坏降压电压转换器电路的这些其他组件的风险)。
[0064] 注意的是，晶体管64被提供为PMOS(与较便宜的NMOS不同)器件，这是由于当处于“降压”操作模式并通过电感(线圈)来抵抗电源时，电感器(定子线圈60)通过降压二极管66提取电流，将那里的开关降低至地电平以下的一个二极管压降。这在针对晶体管64使用PMOS时起作用，因为它在其漏极上仅添加了很小的额外压降。原则上可以使用NMOS器件，但由于上述下拉到地电平以下(将在NMOS器件的源极上)，将要求额外的电路来提供它在地电平以下的栅极电压，否则，在电感器(定子线圈60)被放电时不能将其关断。
[0065] 此外，电路中的二极管提供了整流功能以整流震荡(振铃)，否则当从大电感器驱动大电容器时将强烈地发生振荡(振铃)。
[0066] 电容器80和82(C2和C3)被提供以抑制电路中的噪声，否则这些噪声可能影响降压开关(PMOS 64)的栅极的开关的稳定性，该晶体管的栅极由于它与存储电容器52的连接(尽管经由二极管70和84(D6和D7))而特别容易受到这类噪声的影响。电容器80和82还形成参考电路的一部分，该参考电路尤其还包括电阻74、76以及78(R7、R8以及R9)和NMOS晶体管72。该参考电路的配设使得降压信号(BUCK)能够参考地电平(GND)，并且降压开关64的栅极信号能够参考存储电容器52的上侧(如图6所示)出现的电压。因此，数字(低电压)BUCK信号的开关能够通过设置正确的源极-漏极阈值电压(相对存储电容器上所看到的电压)来正确地控制降压开关64的开关。注意的是，二极管70和84(D6和D7)、电容器80和82(C2和C3)以及电阻74和76/78(R7和R8/R9)的并行配置使得电路能够跨一系列电压和温度变化一致地执行，这是由于成对组件中的每个组件对于温度和电压变化将具有等同响应。注意的是，尽管电阻76和78(R8和R9)为了较低成本和尺寸、以及改善的功率消散的缘故而在该示例实施例中被提供为两个不同的组件，但在逻辑上电阻76和78(R8和R9)可被认为形成单一电阻。二极管70和84(D6和D7)的配设还减少了需要由参考电路的其余部分来提供的栅极压降，进一步减少了需要被明确地提供的电阻元件的成本(由于它们具有较低的功率要求)，并允许更容易地处理一系列电压。
[0067] 图7示意性地示出了一个示例实施例中的转子部分和一个定子部分的齿的径向视图。在该实施例中，对定子部分的线圈(未示出)的控制被布置为使得成组的6个定子齿已被放在一起，并且所断言的对每个组的循环控制序列经过六个阶段，与该组中的六个定子齿相对应。将参考图12在下面更详细地描述的该实施例的进一步的特征是，与组中的每个定子线圈相关联的驱动器电路在共享控制电路和单个DC电源的一个板上被提供，以便可产生一个驱动器电路在“降压模式”中操作，而共享同一电源的另一驱动器电路在“升压模式”中操作的上述益处。图7还示出了六阶段周期中的一个阶段的快照，其中，在该实施例中，每个组中的第一定子线圈(图中标记为1)当前正在第一方向(升压模式)被供电，其中，定子齿中所感应产生的磁场径向向内被定向为北(N)并且径向向外被定位为南(S)，而在该实施例中，每个组中的第四定子线圈同时被反向供电(降压模式)，以便定子齿中所感应的磁场径向向内被定向为南(S)并且径向向外被定位为北(N)。以该成对相反感应磁性的方式继续驱动该电机的定子线圈，其中，在下一阶段定子齿2和5被驱动(彼此相反地)，然后是定子齿3和6，然后是定子齿1和4(与第一阶段的磁性配置相反)，等等。
[0068] 仍参考图7，注意的是，转子和定子齿的配置(特别是它们的数目的2∶3比率)产生下列布置，其中，当一半转子齿直接与相应的定子齿相对准时，另一半转子齿与定子齿未对准(在该实施例中，与两个定子齿之间的间隙的中心相对准)。对于对准的成对转子/定子齿，这意味着在转子齿和定子齿之间仅存在相对小的空气间隙(例如，小于0.5mm)，这对应于低磁阻并因此没有来自电机的输出功率(零转矩)。相反地，六定子齿集合的其他定子齿与相应的转子齿的未对准可因此提供未对准的定子/转子齿之间的高磁阻和高转矩配置(这是由于较大的空气间隙，例如，大于1.0mm)。尽管在已知的开关磁阻电机中，可要求转子和定子齿之间的部分重叠以便将电机保持在对于可接受的效率磁阻较低，但仍可实现转矩的配置中——尽管处于低于可能的最大情况的等级，但本电机系统通过提供可生成较高转矩(通过未对准的转子/定子齿)并且在生成磁场中所扩展的未被使用的能量得以再循环从而提升了效率的配置实现了转矩和效率之间改善的折衷。
[0069] 图8示意性地示出了驱动器电路中的升压和降压信号的相对定时，该升压和降压信号提供对每个组中的六定子齿集合的上述控制。可以看出对定子线圈1/4、2/5以及3/6的控制的上述配对，其中，每对的定子线圈通常由驱动器电路在相反的模式(升压/降压)中来驱动，并且产生的电流流动(图中的三角波形)通常是极性相反的。注意的是，开始断言升压和降压信号仅在相应电路中的电流为零(或至少可忽略不计)时开始，以确保相应驱动器电路的组件不被任何残留的相反电流流所损坏。当电机被配置为处于全功率配置时，图8所示的控制信号序列被施加到图7所示的四组定子线圈中的每组定子线圈，然而，当定子线圈组的至少一组未被供电时，电机还可能在较低功率配置中操作。这可通过改变所断言的升压和降压控制信号来实现，改变所断言的升压和降压控制信号可通过在适当时断开一个或多个驱动器电路或一个或多个驱动器板来实现。此外，应注意的是，电机操作的速度因此由所施加的升压和降压信号的时序(例如，在图8中)而非电机进行操作的特定功率等级来确定。功率等级可由电流脉冲的尺寸来确定，该电流脉冲的尺寸产生于所选的升压和降压信号持续时间。因此，例如，对于近似相似的功率等级，电机可在两个显著不同的速度(例如，
500rpm和1000rpm)操作。旋转速度相对于操作功率等级的独立性为如何操作电机的用户选择添加了显著的灵活性，通过时序来指示旋转速度，并通过对定子线圈组选择供电来指示总体操作功率等级。此外，用户具有对电机的旋转速度的这类直接和独立的控制的事实意味着在许多情况下可以省去与传统电机相关联所提供的传动装置或齿轮传动装置。
500rpm和1000rpm)操作。旋转速度相对于操作功率等级的独立性为如何操作电机的用户选择添加了显著的灵活性，通过时序来指示旋转速度，并通过对定子线圈组选择供电来指示总体操作功率等级。此外，用户具有对电机的旋转速度的这类直接和独立的控制的事实意味着在许多情况下可以省去与传统电机相关联所提供的传动装置或齿轮传动装置。
[0070] 图9示出了当在与图7的径向表示相同的径向表示中进行观察时，示例电机的一个操作状态中所产生的磁场的模拟。这(左手侧所示)被标记为“双向”，并且与根据本技术的用于在相反方向同时驱动组中的成对定子线圈的驱动器电路相对应。为了比较，第二模拟(右手侧所示)被标记为“单向”，并且与在相同方向同时驱动组中的成对定子线圈的配置相对应。磁场符号(用特斯拉(Tesla)表示)是定子齿之间的空气间隙中所发生的。当在空气间隙中被测量时，可以看出(对于相比于单向情况的双向情况)，产生的ON场大了大约25％，顶部OFF场小了大约9倍，并且底部OFF场小了几乎750倍。增加的ON场增加了扭矩，并且减小的OFF场减少了阻力。这是由于双向配置在电机中(并且特别是在转子部分中)创建了增强磁场的事实，这还提升了该电机系统的效率。
[0071] 图10A和10B示出了使用光学传感器来提供转子部分相对于(一个或多个)定子部分的相对位置信息。图10A示出了与三个定子齿对准定位的三个光学传感器100、102、104，并且被调整尺寸和校准以便：a)当转子齿与光学传感器和定子齿相对准时，仅一个光学传感器记录转子齿的出现，以及b)随着转子相对于定子部分进行旋转，最多两个光学传感器记录转子齿的出现。该配置意味着可以利用仅三个光学传感器(最终产生三位信息(可能是在模数转换之后，取决于所使用的传感器的类型))来在2.5°(针对该16个转子齿/24个定子齿示例配置)之内确定转子对于定子的相对定位。此外，不存在没有关于相对转子-定子位置的可用信息的中间位置，并且因此，无论电机停在什么位置，它总能知道激活哪些定子线圈以使得电机运行。图10B示出了随着转子相对于定子进行旋转，相应的三个光学传感器输出。
[0072] 在某些示例配置中，可通过到线圈的连接的特定配置来实现电力通过定子线圈的方向(以及因此产生的磁场的方向)。图11A示出了一种示例配置，其中，线圈驱动器电路可被用于向成对定子线圈的两个定子线圈都提供电力，该两个定子线圈在同一时间但在相反方向被激活(在附图中，为六定子线圈组中的第一和第四线圈)。第一和第四线圈的绕组彼此相反，以便对于线圈驱动器所提供的一个极性的电力，在第一和第四定子齿中产生相反定向的磁场。图11B示出了另一示例配置，其中，与每个定子线圈相关联地提供额外的开关电路，该额外的开关电路由确定流经线圈的电流的方向的开关控制信号来控制。开关控制信号可由线圈驱动器提供，或例如由控制线圈驱动器的控制电路来提供。
[0073] 图12示意性地示出了一个示例实施例中的驱动器板。该驱动器板被提供为单个集成电路板，其上布置有六个驱动器电路112、114、116、118、120以及112(例如，如图6所示被配置)、控制电路126以及共享DC电源124。控制电路向每个驱动器电路独立地提供升压和降压控制信号。共享DC电源位于与六个驱动器电路相同的板上的配设意味着支持板内(不同于在板上或离开板)电流的上述(例如，关于图4)主要移动。
[0074] 图13示意性地示出了一个示例实施例中的完整开关磁阻电机驱动器装置130，该完整开关磁阻电机驱动器装置130包括八个驱动器板132(例如，如图12所示被配置)并因此被配置为控制48个独立的定子齿(如图1中示出的示例电机系统中所展示的)。总体控制单元134还形成装置130的部分并指示八个驱动器板132的高级操作，例如，当电机应在低功率模式中操作时，以及当每个独立的驱动器板被耦接到能被断开以实现该低功率模式的定子线圈集合(例如，每个定子部分中的四分体)时，使得独立的驱动器板被临时断开。然而，重要的是认识到，总体控制134和板控制126所提供的驱动器电路控制的组合使得，首先，任意独立的驱动器电路可被接通或断开而不管其它驱动器电路的操作，以及其次，每个驱动器电路所提供的对每个定子线圈的控制完全独立于任意其他驱动器电路所提供的对任意其他定子线圈的控制。因此，电机驱动器装置130因此提供对多达48个驱动器电路以及因此定子线圈的独立控制，尽管根据上面关于定子线圈组和驱动器电路配对的讨论，电机驱动器装置130可被选择以紧密地链接某些驱动器电路的操作(由于其产生的益处)，并且在这样的配置中，被提供给各个定子线圈的电力的相位可以是相同的。
[0075] 图14示出了一个示例实施例中所采取的步骤序列，该步骤序列示出了如何操作两个驱动器电路。可认为流程在步骤140处开始，其中，在第一阶段，开关磁阻电机的第一定子线圈由一个驱动器电路利用来自共享电源的第一极性的电流来充电，并且第二定子线圈利用来自第二驱动器电路的存储电容器的第二(相反)极性的电流来充电。在步骤142处，在第二阶段，两个电机线圈被放电，第一定子线圈被放电到第一驱动器电路的存储电容器中，并且第二电机线圈被放电到共享电源。在步骤144处，在第三阶段，两个电机线圈再次被充电，但各自与第一阶段的方向相反。第一电机线圈利用来自第一驱动器电路的存储电容器的第二极性的电流来充电，并且第二电机线圈利用来自共享电源的第一极性的电流来充电。最后，在步骤146处，在第四阶段，两个电机线圈再次被放电。第一电机线圈被放电到共享电源，并且第二电机线圈被放电到第二驱动器电路的存储电容器中。
[0076] 图15示意性地示出了电动车辆，例如，汽车，其中，将找到电机系统的示例实施例。车辆150具有四个车轮152，每个车轮由它自己的电机154来驱动。每个电机154由相关联的驱动器装置156来驱动，并且由中央控制单元158来维持四个驱动器装置的集合的总体控制。在每个电机154内部，每个定子齿上所提供的线圈绕组为铝。在移动车辆的上下文中，这是有益的，因为铝比铜轻大约三倍并且便宜大约五倍(以重量计)，使得铝每面积便宜大约十五倍(使其足够便宜以作为可更换的磨损件)。在其他实施例中，每个定子齿上所提供的线圈绕组可以为铜，或任意其他适当的导电金属。
[0077] 然而，以前通常拒绝选择铝作为定子线圈绕组，这是由于每横截面积铝的电阻高两倍，以及铝比铜更快地振动疲劳。然而，在根据本技术的电机系统中，线圈中所需的电流特别低，因此归因于较高电阻的功率损耗(根据I2R)较不重要。实际上，较高的R值实际上使得L/R时间常数较低，因此驱动器电路操作更快。
[0078] 此外，电机的低成本及其相对于旋转速度的操作灵活性的组合意味着，在图15所示的示例实施例中，在每个车轮处提供独立的电机，而不是具有相关联齿轮传动装置和传动装置的中央控制电机是实际的。在每个车轮处放置使用定子线圈的铝绕组的这样的“便宜”电机使得电机可以是可更换部件(例如，以制动片的方式)，并可实现使用便宜的铝的益处。
[0079] 应理解的是，这样的布置还是可能的，这至少部分是由于这里从线圈到转子的磁能传递的重要性降低。这是由于下列事实：本技术意味着可以恢复或再使用未从线圈被磁性地传递到转子的能量，无论该能量被如何磁性地存储。之前，电机中的线圈和转子之间的空气间隙将必须非常小(例如，几分之一毫米)以便维持可接受的效率(通过从转子到线圈的良好磁能传递)，而对于本电机系统，对空气间隙的尺寸的该约束更加宽松，这是由于能量的再循环。进而，这意味着电机可被定位在更加暴露的位置，这是由于它对更加宽松(并且变化)的空气间隙的较大容忍性。
[0080] 实际上，图16示出了示例电机实施例，其中，汽车车轮160具有已被适配于形成电机的部分的制动盘162。制动片164通过对制动盘162的选择性摩擦应用来继续执行一般的制动功能，但制动盘162的外缘166已被适配于提供电机的转子部分(例如，具有模制的翅片或辐条以提供可变磁阻)。周围部分168提供定子部分。以这种方式组合“现有”组件和电机对于车辆整体还具有明显的重量减轻优势。这样的适配还可例如用于普通车轮组件的其他部件，例如，钢圈或制动鼓。之前的开关磁阻电机设计通常将不能容忍这类暴露位置中的操作，这是由于他们对于电机中的线圈和转子之间的空气间隙的精细灵敏度，例如，要求空气间隙小于0.5mm，并且通常将不考虑以这种方式暴露相对昂贵的电机。然而，本技术：a)提供相当便宜的电机系统，这使得它自己的更换成为较不重要的成本因素；b)允许较低电流配置，这使得其构造更便宜，但更多的电阻材料(例如，铝)更实际；以及c)再循环所使用的能量，因此允许提升的效率并且使得精确和较小的线圈对转子空气间隙较不重要，例如，允许空气间隙大于1.0mm。
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