專利名稱：微步進磁阻電動機的制作方法
微步進磁阻電動機本發(fā)明涉及電動機的控制，尤其是涉及具有微步進位置控制的能力的磁阻電動機的設計和控制?；旌喜竭M電動機眾所周知有在開環(huán)定位模式中操作的能力，轉子跟隨一序列定子激勵脈沖。混合步進電動機通常在簡單的開環(huán)位置控制系統(tǒng)中在沒有任何軸位置反饋的情況下操作。一種普通的混合步進電動機具有50個轉子齒和兩相繞組。如果在一個相繞組中的正電流被切斷且后面是在第二個相繞組中的正電流，轉子將移動1.8° (—個全步長)。如果第二個相繞組被斷開電源且負電流施加到第一個相繞組，則在相同方向上的另一全步長將出現(xiàn)。每轉將有轉子的200個分立的全步長或保持轉矩位置。保持位置的數(shù)量可通過在第一個相繞組被斷開電源之前給第二個相繞組通電來加倍。這個“兩相開-一相開-兩相開”模式稱為半步進，每轉產(chǎn)生400個步長。通過以小的增量步長增加在第二個相繞組中的電流同時以相似的減量減少在第一個相繞組中的電流，可能實現(xiàn)非常高的開環(huán)位置控制，而不需要任何位置傳感器。該模式稱為微步進，且提供每轉50，000個步長的分解力(resolution)的步進電動機被發(fā)展?；旌喜竭M電動機因此對獲得平穩(wěn)的位置控制是極好的。轉子齒的大數(shù)量意味著對于電動機的每轉，在相繞組中有50個電輪轉。步進電動機以3000r/min旋轉將需要在2500Hz的每個繞組中的電激勵。這導致在磁路中的非常高的損耗，并對產(chǎn)生高頻電流的電子控制器產(chǎn)生相當大的挑戰(zhàn)?；旌喜竭M電動機因此是用于低速精確定位的極好的機器，但通常被限制到小于2000r/min的速度。最初稱為單組定子可變磁阻步進電動機的開關磁阻電動機具有凸極定子和轉子設計，并可用作大的角步進電動機，其具有以較高的旋轉速度操作而在磁路中沒有過多的損耗的能力。然而，凸極結構不產(chǎn)生轉子齒和定子齒完全對齊的分立位置。當電流激勵在一個相繞組和下一個相繞組之間改變時，開關磁阻或可變磁阻步進電動機的轉子將傾向于從一個對齊位置移動到下一個對齊位置。不可能使用開環(huán)控制方法來將轉子保持在相鄰定子相繞組的對齊位置之間的中間位置處。因此不可能使用具有根據(jù)現(xiàn)有技術的單組定子可變磁阻步進電動機的微步進技術。類似的困難出現(xiàn)在無刷永磁同步電動機中。無刷永磁同步電動機具有在攜帶相繞組的轉子和定子上的磁極。使用無刷永磁同步電動機作為微步進電動機的主要困難由齒槽轉矩引起。這是通過永磁轉子與疊片式定子結構上的齒之間的交互作用產(chǎn)生的磁阻轉矩。 即使使用零定子電流，仍有將傾向于將轉子保持在優(yōu)選位置中的轉矩。這個齒槽轉矩與定子相電流所產(chǎn)生的電磁轉矩相互作用，結果是這樣的電動機在微步進模式中的操作產(chǎn)生轉子的不穩(wěn)定定位。電流必須增加以克服齒槽轉矩，且接著轉子迅速移動到下一齒槽位置。多組定子可變磁阻電動機沒有永久磁鐵，因此沒有任何齒槽轉矩。它們也克服單組定子可變磁阻步進電動機的限制。電動機沿著其軸向長度被劃分成磁性地隔離的部分 “定子組”，且這些部分中的每個可由單獨的繞組激勵。不同定子組上的齒相對于其它定子未對齊。轉子上的齒通常都布置有相同的定線。當激勵依次應用于每個定子組時，轉子的保持位置因此移動。因為電動機的定子組被磁性地隔離，每個定子組產(chǎn)生的轉矩可按累積的方式施加于軸，且轉子可保持在每個定子組的對齊位置之間半途的位置上。該電動機允許大的角步長，因而提供了適合于高速和定位應用的電動機。然而，將三個磁性地隔離的定子放置在同一機器內(nèi)的復雜結構使電動機比用于給定轉矩輸出的競爭機器大。本發(fā)明的目的是提供單組定子可變磁阻機器，其簡單地使用定子上的場磁鐵部分以及也在定子上的兩個或多個電樞相繞組以具有提供微步進能力的適當功率電子換流器構造，使得一個或多個電樞相繞組電流的幅值的小變化引起轉子的角位置的小變化，以產(chǎn)生微步進磁阻機器。根據(jù)本發(fā)明，提供了微步進磁阻電動機，其包括具有凸定子齒和凸轉子齒的單組定子可變磁阻機器，定子還包括由永久磁鐵或場繞組或永久磁鐵和場繞組的組合產(chǎn)生的場磁鐵部分，場磁鐵部分位于每個交替的定子齒之間的空間中，并且還包括電樞繞組，每個電樞繞組跨越被連接的兩個定子齒以形成至少兩個電樞相繞組，電樞相繞組連接到功率電子換流器，用于將正和負電流提供到電樞相繞組，功率電子換流器還能夠調(diào)節(jié)在每個電樞相繞組中的電流的幅值，并能夠將可變電流同時提供到至少兩個電樞相繞組，使得轉子在機器操作的任何部分期間響應于在一個或多個通電的電樞相繞組中的電流的小變化而以小的增量步長旋轉。現(xiàn)在將參考下面的附圖描述本發(fā)明，其中

圖1示出具有一個特定的定子激勵的根據(jù)本發(fā)明的電機的轉矩與角度的關系曲線.
一入 ，圖2示出具有兩個不同的定子激勵的根據(jù)本發(fā)明的電機的兩條轉矩與角度的關系曲線；圖3示出現(xiàn)有技術的開關磁阻或單組定子可變磁阻電動機；圖4示出開關磁阻電動機的一系列轉矩與角度的關系曲線；圖5示出具有三個電樞相繞組的根據(jù)本發(fā)明的微步進磁阻電動機；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的三相微步進磁阻電動機的一系列轉矩與角度的關系曲線；圖7示出具有三個電樞相繞組的根據(jù)本發(fā)明的另一微步進磁阻電動機；圖8和9示出根據(jù)本發(fā)明的兩相微步進磁阻電動機；圖10示出根據(jù)本發(fā)明的五相微步進磁阻電動機；圖11示出根據(jù)本發(fā)明的兩相微步進磁阻電動機的功率電子換流器；圖12示出根據(jù)本發(fā)明的三相微步進磁阻電動機的功率電子換流器。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的微步進磁阻電機的轉矩與角度的關系曲線。該曲線示出在固定的定子激勵時由轉子上的定子產(chǎn)生的轉矩。如果在軸上沒有負荷，轉子將擱在位置10 處。此時，轉矩與角度的關系曲線越過具有負梯度的X軸。如果施加作用于軸上的負荷以減小轉矩角，正轉矩將由與所施加的負荷轉矩相反的定子的靜態(tài)磁性產(chǎn)生，且轉子將占據(jù)在位置11處的新的保持位置。如果施加作用于軸上的負荷以增加轉矩角，負轉矩將由與所施加的負荷轉矩相反的定子的靜態(tài)磁性產(chǎn)生，且轉子將占據(jù)在位置12處的新的保持位置。圖2示出具有兩個不同的定子激勵的根據(jù)本發(fā)明的電機的兩條轉矩與角度的關系曲線。這些曲線說明微步進的原理，并示出在給定的負荷處，轉子的保持位置可通過改變定子中的電樞相繞組的激勵來從14移動到15。圖3示出來自現(xiàn)有技術的三相開關磁阻電動機(單組定子可變磁阻步進電動機)。所示電動機具有在定子2上的12個凸齒1和在轉子4上的8個凸齒3。定子齒被纏繞在每個齒周圍的線圈磁化。在現(xiàn)有技術的這個實例中，三相開關磁阻電動機、纏繞在分開90°的四個定子齒周圍的線圈將連接在一起，以產(chǎn)生每個相繞組。與每個相繞組相關的這四個線圈的通電將產(chǎn)生具有兩個南極和兩個北極的四極磁場。八個轉子齒中最接近于通電定子齒的四個轉子齒將被吸引到四個通電定子齒，使轉子旋轉，直到四個轉子齒完全與通電定子齒對齊。另外的旋轉通過使其它兩相之一的四個定子齒通電來實現(xiàn)，使第二組四個轉子齒被吸引到通電定子齒。開關磁阻電動機因此可充當大的角步進電動機，因此在現(xiàn)有技術中被稱為單組定子可變磁阻步進電動機。每個全步長的幅值取決于定子上的齒的數(shù)量和相繞組的數(shù)量。在表1中給出了來自現(xiàn)有技術的一些共同的實例。
相繞組定子齒轉子齒轉子步長角36430°36815°312815°48615°表1具有由轉子使用相繞組激勵中的一個變化移動的步長角的單組定子可變磁阻電動機(開關磁阻電動機)的共同配置最近，開關磁阻機器在很多應用中被成功地用作可變速度電動機，因為轉子具有非常簡單的結構。然而在低速時，轉子的移動非常不均勻，轉矩到角度特征對于電流和位置是非常非線性地。這使開關磁阻電動機(單組定子可變磁阻電動機)非常不適合于定位應用，特別是在需要小于一個全步長的角運動的場合。為了說明控制開關磁阻電動機的轉子從一個保持轉矩位置到下一保持轉矩位置的問題，可參考圖4，其示出當電流從相繞組2中的100%逐漸改變到相繞組1中的100%時圖1所示的開關磁阻電動機的轉矩與角度的關系曲線。對于100%的相2(圖4中的線1 100)沒有負荷施加到轉子的穩(wěn)定或保持轉矩位置是7. 5°。從這個位置，如果負荷轉矩施加到傾向于增加轉子角的轉子，電動機所產(chǎn)生的轉矩是負的，其在將傾向于減小角度并將轉子拉回到保持轉矩位置的方向上。如果負荷轉矩施加到傾向于增加轉子角的轉子，電動機所產(chǎn)生的轉矩是正的，其在將傾向于增加角度并將轉子拉回到保持轉矩位置的方向上。當在特定激勵處的轉矩與角度的關系曲線與具有負梯度的X軸交叉時，這相應于對該激勵的穩(wěn)定或保持轉矩位置。當轉矩與角度的關系曲線穿過保持轉矩位置時它的梯度確定保持位置的穩(wěn)定性，且當轉子在保持位置的任一側移動時，峰值保持轉矩或拉出轉矩被示為峰值正或負轉矩。當相2中的電流增加到70%而相1中的電流增加到30%時，穩(wěn)定位置只移動大約 0.5°到8°。因此，在相繞組1和相繞組2中的電流的相對比例的大的變化并不導致穩(wěn)定(停留或保持)位置的逐漸變化。此外，峰值保持轉矩現(xiàn)在大約是一相被激勵的原始值的 50%。當相1和相2中的電流都是50%時，轉矩與角度的關系曲線非常平坦，沒有不同的保持位置。當相1中的電流變得大于相2時，轉子將移動到穩(wěn)定位置附近，在該穩(wěn)定位置處， 轉子齒與相繞組1的定子齒對齊。這個位置在22. 5°處，其是遠離相繞組2的穩(wěn)定位置的 15°的一個全步長。這個數(shù)據(jù)證實，常規(guī)開關磁阻機器不能用在半步進或微步進模式中，因為保持位置不能以小的增量步長從第一保持位置逐漸移動到第二保持位置。當用在定位應用中時， 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術開關磁阻電動機的這個限制?，F(xiàn)在描述包括根據(jù)本發(fā)明的單組定子可變磁阻電機的微步進磁阻電動機，其對開環(huán)定位應用克服了開關磁阻機器的缺點。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的單組定子可變磁阻電機的一個實例。與現(xiàn)有技術可變磁阻步進電動機一樣，它也具有沒有可按非常低的成本制造的磁鐵或繞組的簡單轉子。與現(xiàn)有技術可變磁阻步進電動機不同，根據(jù)本發(fā)明的單組定子可變磁阻電動機具有控制機器中的通量的在定子上的場繞組，且機器具有被連接的額外的電樞相繞組，以例如產(chǎn)生兩個、三個或五個電樞相繞組。圖5所示的示例性微步進磁阻電動機是三相單組定子可變磁阻電動機，并具有攜帶12個凸齒101的定子100。散布在定子齒之間的定子具有12個槽102。在圖3所示的實例中，轉子110具有5個凸齒111，而沒有繞組或永久磁鐵。場繞組F和3個電樞繞組Al、 A2、A3都在定子上。每個繞組設立在兩個定子齒上。場繞組F產(chǎn)生6個場磁鐵部分。定子的交替的場激勵部分將配置有相反的磁性。作為可選方案，根據(jù)本發(fā)明的單組定子可變磁阻電動機可具有包括場繞組和永久磁鐵的場繞組部分，如在GBMM171A中公開的。場磁鐵部分也可完全由沒有場繞組的永久磁鐵提供。三相單組定子可變磁阻電動機的不尋常的定子到轉子齒幾何結構意味著，當電樞相繞組中的電流使用適當?shù)墓β孰娮涌刂破鞲淖冃〉脑隽繒r，它可用在保持位置有逐漸的變化的微步進模式中。作為結果，根據(jù)本發(fā)明的三相單組定子可變磁阻電動機可非常成功地用作開環(huán)微步進電動機。圖6所示的曲線示出當三個電樞相繞組中的電樞相繞組電流以使每個相繞組的正弦變化與位置對應的激勵模式改變時，圖5的三相單組定子可變磁阻電動機的轉矩與角度的關系曲線。圖6示出在每組定子電流處轉矩與角度的關系曲線的結果。圖6中的每個曲線通過使定子電流激勵和因而產(chǎn)生的定子通量矢量前進6° (機械的)、30° (電的)的等量來獲得。可看到，每個位置的靜止轉矩曲線移動相同的6° (機械的)，而沒有曲線的形狀的任何實質的變化。當激勵改變時，拉出轉矩被維持在恒定的值處。沒有負荷的保持轉矩位置是曲線與具有負梯度的X軸交叉的地方。在表2中概述了每轉有較小的全步長角和較大的電輪轉的根據(jù)本發(fā)明的其它三相單組定子微步進磁阻電動機。
權利要求
1.一種包括單組定子可變磁阻機器的電機，所述單組定子可變磁阻機器具有凸定子齒和凸轉子齒，所述定子還包括由永久磁鐵或場繞組或永久磁鐵和場繞組的組合產(chǎn)生的場磁鐵部分，所述場磁鐵部分位于每個交替的定子齒之間的空間中，并且還包括電樞繞組，每個電樞繞組跨越被連接的兩個定子齒以形成至少兩個電樞相繞組，所述電樞相繞組連接到電源，用于將正和負電流提供到所述電樞相繞組，所述電源還能夠將電流同時提供到至少兩個電樞相繞組并調(diào)節(jié)在至少一個電樞相繞組中的電流的幅值，以在機器操作的任何部分期間產(chǎn)生所述轉子的增量旋轉運動。
2.如權利要求1所述的具有至少兩個電樞相繞組的電機，其中定子齒的數(shù)量是電樞相繞組的數(shù)量的四倍的第一正整數(shù)倍。
3.如權利要求2所述的電機，其中轉子齒的數(shù)量是大于電樞相繞組的數(shù)量的兩倍的第二正整數(shù)倍。
4.如權利要求2所述的電機，其中轉子齒的數(shù)量是大于電樞相繞組的數(shù)量的兩倍的第二正整數(shù)倍。
5.如權利要求3或權利要求4所述的電機，其中所述第一整數(shù)倍和第二整數(shù)倍是相同的數(shù)字。
6.如權利要求1或權利要求4或權利要求5所述的電機，其中所述電源是具有到每個電樞相繞組的至少一個連接的電子換流器，所述電子換流器能夠將電流同時提供到至少兩個電樞相繞組，使得轉子能夠響應于在一個或多個所述電樞相繞組中的電流的小變化以小的增量步長旋轉。
7.如權利要求6所述的電機，其中所述電子換流器還包括到所述機器中的至少一個場繞組的連接，使得所述機器中的場電流的量能夠與所述電樞相繞組中的電流獨立地變化。
8.如權利要求6所述的電機，其中所述電子換流器還包括到所述機器中的至少一個場繞組的連接，使得所述機器中的場電流的量能夠與所述電樞相繞組中的電流成比例地變化。
9.如前述權利要求的任一個所述的電機，其中每個電樞相繞組中的電流每個被控制到一個值，使得定子電流的矢量和具有選定的幅值和可控制的角位置。
10.如權利要求1-8所述的電機，其中所述定子具有6個齒，而所述轉子具有3個齒，以及有兩個電樞相繞組。
11.如權利要求1-8所述的電機，其中所述定子具有8個齒，而所述轉子具有5個齒，以及有兩個電樞相繞組。
12.如權利要求1-8所述的電機，其中所述定子具有12個齒，而所述轉子具有5個齒， 以及有三個電樞相繞組。
13.如權利要求1-8所述的電機，其中所述定子具有12個齒，而所述轉子具有7個齒， 以及有三個電樞相繞組。
14.如權利要求1-8所述的電機，其中所述定子具有12個齒，而所述轉子具有9個齒， 以及有五個電樞相繞組。
15.如權利要求1-8所述的電機，其中所述定子具有12個齒，而所述轉子具有11個齒， 以及有五個電樞相繞組。
16.如任何權利要求所述的電機，其中在所述電樞繞組中流動的電流的至少一個的遞增變化用于使所述轉子按增量步長旋轉以建立旋轉，且一旦旋轉，所述機器的控制就傳遞到另一類型的控制器。
17.如任何權利要求所述的電機，其中有q個電樞相繞組，其中使每個電樞相繞組中的電流大約遵循正弦函數(shù)，每個連續(xù)的電樞相電流的正弦函數(shù)之間的相位移等于2 π /q電弧度。
18.如權利要求17所述的電機，其中施加到q個電樞相繞組中的每個的電流能夠在機器操作的任何部分期間在等于q個正弦函數(shù)的瞬時值的值處被保持為恒定的。
全文摘要
本發(fā)明涉及電動機的控制，尤其是涉及具有微步進位置控制的能力的磁阻電動機的設計和控制。根據(jù)本發(fā)明，提供了具有凸定子齒和凸轉子齒的單組定子可變磁阻機器，定子還包括由永久磁鐵或場繞組或永久磁鐵和場繞組的組合產(chǎn)生的場磁鐵部分，并且還包括被連接以形成至少兩個電樞相繞組的電樞繞組，電樞相繞組連接到電源或功率電子換流器，用于將正和負電流提供到至少兩個電樞相繞組，使得轉子響應于在一個或多個電樞相繞組中的電流的小變化而以小的增量步長旋轉。
文檔編號H02P8/22GK102217189SQ200980139872
公開日2011年10月12日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權日2008年8月7日
發(fā)明者查爾斯·波洛克, 海倫·波洛克 申請人:泰克尼萊克有限公司