電機系統以及操作電機系統的方法與流程

本公開涉及電機系統。更具體地，本公開涉及包括開關磁阻電機的電機系統。

背景技術：

在具有線圈繞組作為電機的定子的部分的電機中，例如，在開關磁阻電機中，電機通常由三相電源來供電并對線圈繞組施加AC波形以控制電機的操作。某些電機已創建有更多的相位，但創建這類多相電機中的重要因素是相驅動器電子器件的成本。在傳統電機中，脈沖寬度調制(PWM)電壓控制器(通常布置有H-橋拓撲以雙向驅動電機線圈)被耦接到大電源，并且驅動電機線圈所需的大電壓和電流可顯著地增加驅動器電路的成本。因此，根據當代技術，制造要求多個線圈驅動器電路的多相電機是昂貴的。

此外，傳統電機通常僅當在全設計輸出功率等級操作時才在它們的最高效率處操作。已知提供可變輸出驅動器電路以允許電機在降低的輸出功率等級處操作，但由于較小磁場的較低效率耦合，電機效率顯著降低。因此，為了維持合理的效率，這類電機必須在其設計點附近的窄范圍內被操作，并且必須使用機械變速箱和傳動系統(甚至某些具有多個電機)以便跨較寬范圍的輸出等級來維持效率。這類配置既昂貴又機械復雜。

技術實現要素：

從第一方面看，本技術提供一種電機系統，包括：開關磁阻電機，該開關磁阻電機包括轉子部分和定子部分，轉子部分包括多個轉子齒并且定子部分包括多個定子齒，定子齒纏繞有相應的線圈，以及線圈驅動器電路，該線圈驅動器電路被耦接到定子齒的線圈以獨立地控制到多個定子齒的每個線圈的電力的相位，其中，定子齒的線圈各自具有電感，該電感吸收由線圈驅動器電路提供給該線圈的電能，并且隨后當該線圈未被線圈驅動器電路有效驅動時，將至少一部分電能釋放回線圈驅動器電路，以及其中，線圈驅動器電路包括電能存儲裝置，該電能存儲裝置存儲從每個線圈的電感被釋放回來的該部分的電能，并且通過存儲在電能存儲裝置中的電能來增大由線圈驅動器電路提供給定子齒的每個線圈的電能。

線圈驅動器電路被布置為獨立地控制到多個定子齒的每個線圈的電力的相位。因此，定子齒的相應線圈的每個線圈可由線圈驅動器電路來獨立地控制。也就是說，每個定子齒線圈被提供有具有其特有相位的電力。這些相位原則上可以是唯一的(即，對于每個定子齒線圈不同)，或在特定配置要求時可在定子線圈間重復。

以前，這樣的電機系統將是不切實際的并且非常昂貴。這是由于如下事實：多個定子齒的相應線圈的獨立控制將要求線圈驅動器電路的復雜性(以及因此，成本)，這將使得電機系統不經濟。然而，本技術的一個方面有利地提供了以利用每個定子齒的電感的方式與定子齒線圈相關聯的線圈驅動器電路，以便由線圈驅動器電路提供給每個線圈的電能通過隨后從線圈被釋放回線圈驅動器電路(并存儲在它的電能存儲裝置中)來至少部分地再循環，以便隨后通過存儲在電能存儲裝置中的電能來增大對線圈的進一步的電能配設。電能存儲裝置可以例如是存儲電容器。

這意味著由線圈驅動器電路汲取以便對定子齒線圈進行供電的電力比在現有技術系統中被顯著得更高效地使用，并且已經發現，實際上，運行電機系統所需的電能的很大一部分電能可以以這種方式再循環。產生的效率使得提供具有多個定子齒的每個線圈的獨立控制的電機系統是實際的。

在某些實施例中，線圈驅動器電路可包括多個可獨立供電的線圈驅動器，每個線圈驅動器耦接到多個定子齒的子集的線圈。可獨立供電的線圈驅動器可以例如是多個被獨立供電的線圈驅動器板，每個線圈驅動器板包括線圈驅動器電路的一個或多個實例，并被連接到多個定子齒的子集的線圈。一組定子齒線圈到每個線圈驅動器(例如，板)的關聯有助于系統中電能的再循環，特別是當多于一個的定子線圈同時被供電但具有相反的極性時。這意味著當一個線圈從驅動器的電源提取電流時，另一個線圈正提供回電流，并且凈效應是來自供給信道(即，驅動成對線圈中的一個線圈的電路)的能量直接進入提取信道(即，對成對線圈中的另一個線圈進行供電的電路)，而不會抽取驅動器的電源中比恢復(至少大多數)關于循環的小損耗必須的能量更多的能量，特別是當電機輸出軸功率要求較低時。在某些實施例中，每個線圈驅動器被耦接到至少6個定子齒的線圈。

在某些實施例中，多個轉子齒和多個定子齒的比率為2∶3。

在某些實施例中，定子部分包括至少12個定子齒。定子部分可以例如具有恰好12個齒。在該示例配置中，并且在轉子齒數對定子齒數的比率為2∶3的實施例中，則存在8個轉子齒。轉子齒對定子齒的2∶3比率為電機的配置提供了特定的對稱性，這使得能夠獲得對電機進行控制的益處。

在某些實施例中，電機的定子部分具有至少24個定子齒，并且可以例如具有恰好24個齒。在該進一步的示例配置中，并且在轉子齒數對定子齒數的比率為2∶3的實施例中，則存在16個轉子齒。

在定子部分包括至少12個定子齒的某些實施例中，該至少12個定子齒可被分組為六個定子齒的集合，其中，六定子齒集合的線圈被配置為被驅動以使得當集合的第一線圈被提供電能時，集合的第二和第三線圈基本上未被提供電能，集合的第四線圈被提供電能，并且集合的第五和第六線圈基本上未被提供電能，其中，集合的第一到第六線圈以相鄰、編號遞增的順序被布置，并且開關磁阻電機被配置為使得集合的第一和第四線圈中所產生的磁場極性相反。轉子齒和定子齒例如為2∶3比率的配置意味著在六個相鄰定子齒的集合中，可能存在兩個定子齒與轉子齒相對準(在某些實施例中，可以是恰好兩個定子齒)，并且隨著轉子在定子內旋轉，與轉子齒相對準的兩個定子齒在六定子齒集合中順序改變。因此，成對地對六定子齒集合的線圈進行供電提供了有效的驅動機制。此外，在集合的兩個線圈被供電以便它們產生的獨立的磁場極性相反的配置中，產生的聯合磁場有效地增強“激活”(活動)齒中的磁場強度并拉動場遠離“關閉”齒，減少了電機上的阻力并提升了效率。

在某些實施例中，六定子齒集合的線圈可被配置為以重復的順序被驅動，其中：首先，集合的第一和第四線圈被提供電能并且集合的第二、第三、第五以及第六線圈基本上未被提供電能；其次，集合的第二和第五線圈被提供電能并且集合的第一、第三、第四以及第六線圈基本上未被提供電能；以及再次，集合的第三和第六線圈被提供電能并且集合的第一、第二、第四以及第五線圈基本上未被提供電能。對集合的成對線圈提供電能的重復順序使得能夠對電機實施靈活控制，其中，電機的旋轉方向可通過所斷言(assert)的電能的極性來確定。

可以以多種方式來實現在同一時間為被供電的成對線圈的每個線圈提供相反極性的電能。在某些實施例中，線圈驅動器電路可被配置為通過利用與它有效驅動集合的第一線圈的極性相反的極性來有效驅動集合的第四線圈，來產生被提供給集合的第四線圈的相反極性的電能。以這種方式，集合的第一和第四線圈可具有彼此基本相同的配置，特別是沿相同方向纏繞，以及此外，具有與線圈驅動器電路的直接連接，并且是由線圈驅動器電路來確定被提供給各個線圈的電能的極性。

在某些實施例中，集合的第四線圈可以以與集合的第一線圈相反的意義纏繞，以產生被提供給集合的第四線圈的相反的多個電能。以這種方式，線圈驅動器電路可被配置為向集合的第一線圈和集合的第四線圈提供相同極性的電能，但第四線圈相對于第一線圈的纏繞方向導致對第一線圈進行供電所感應的磁場與第四線圈所感應的磁場方向相反。

在某些實施例中，開關磁阻電機還可包括開關布置，該開關布置被配置為產生被提供給集合的第四線圈的相反極性的電能。這還提供了一種機制，通過該機制，提供電能的線圈驅動器電路可以提供單一極性的電能，但開關布置可以產生被供給第四線圈的相反的多個電能。

在某些實施例中，開關磁阻電機還可包括三個光學傳感器，該三個光學傳感器相對于六定子齒集合的三個定子齒被定位以檢測轉子齒的位置。這三個光學傳感器利用了下列事實：給定轉子齒數與定子齒數的2∶3比率，可選擇六定子齒集合的三個定子齒(例如，三個相鄰的定子齒)以便在任意給定時間僅一個轉子齒是與三個定子齒中的任一個定子齒相對準的。這因而使得能夠利用僅三個光學傳感器來確定轉子相對于定子的位置，并因而提供相對便宜的位置傳感器布置。

在某些實施例中，三個光學傳感器可被布置為使得總是存在來自三個光學傳感器中的一個或兩個光學傳感器的指示一個或兩個轉子齒與一個或兩個光學傳感器至少部分對準的輸出，并使得不存在來自所有三個光學傳感器的指示三個轉子齒與三個光學傳感器至少部分對準的輸出。因此，相對于轉子齒來調整光學傳感器的尺寸并配置它們的靈敏度以便滿足它們的輸出上的這些約束，意味著可以基于僅3位輸出(即，來自三個光學傳感器的輸出)來高精度地確定轉子相對于定子的位置。例如，在具有24個定子齒的配置中，可在2^1/2度內確定位置。因此，利用僅三個光學傳感器的該布置便可確定精確的旋轉位置信息。

在某些實施例中，轉子齒可被布置為使得當第一轉子齒最靠近纏繞有集合的第一線圈的定子齒時，處于緊鄰第一轉子齒的位置中的另外的轉子齒提供第一轉子齒中所感應的磁場的主要返回路徑。因此，磁場的主要返回路徑相對較短——經由緊鄰位置中的那些另外的轉子齒，而不是經由例如圍繞轉子的另外的轉子齒。這增強了主動要求對電機進行供電的那些區域中的磁場密度。

在某些實施例中，轉子齒和定子齒可相對于彼此在如下配置中被布置，其中，對于轉子部分和定子部分的任意給定相對定向，六定子齒集合中的兩個定子齒(在其它實施例中，最多兩個)可基本上與相應的轉子齒相對準，并且其中，當六定子齒集合中的最多兩個定子齒基本上與相應的轉子齒相對準時，六定子齒集合中的其他定子齒不具有與相應的轉子齒的至少部分對準。該配置意味著對于配置導致的被對準的齒，轉子齒和定子齒之間僅存在相對小的空氣間隙，這對應于低磁阻并因此沒有來自電機的輸出功率(零扭矩)。相反地，六定子齒集合中的其它定子齒與相應的轉子齒的未對準可因此提供高磁阻和高扭矩配置(由于未對準的定子/轉子齒之間的空氣間隙)。將理解的是，在某些開關磁阻電機中，可能要求轉子和定子齒之間的部分重疊以便將電機保持在針對可接受的效率可實現轉矩的配置中。然而，本電機系統通過提供可以生產較高轉矩(通過未對準的定子/轉子齒)并且在生成磁場中所擴展的未被使用的能量得以再循環的配置實現了轉矩和效率之間的經改善的折衷，從而提升了效率。

在某些實施例中，線圈驅動器電路可被選擇性地配置為禁止針對至少一個所選的六定子齒線圈集合進行電能供應。因此，六定子齒線圈集合可被獨立地接通和斷開，并且這使得電機能夠在較低功率模式中操作。在某些實施例中，線圈驅動器電路被選擇性地配置為禁止針對成對所選的六定子齒線圈集合進行電能供應。這也使得電機能夠在較低功率模式中操作。

在某些實施例中，每個定子齒的線圈可纏繞至少100匝。在某些實施例中，每個定子齒的線圈可纏繞至少200匝。該大量繞組匝使得能夠從相對低的電流產生相對高的磁場。可通過使用具有許多(例如，至少100)匝的小直徑線圈導線來實現每個線圈的線圈驅動器所需的較低電流。因此，所提供的線圈電感特別高(與線圈僅纏繞有幾匝更大直徑導線的配置相比)，這是由于線圈電感隨匝繞數目的平方而增加，并且所產生的磁場與匝數乘以電流成正比。因此，對于同一磁場，電流中的4倍減小對應于電感中的16倍增加。電機系統中的定子齒線圈的高電感意味著它們特別適用于存儲能量。在某些實施例中，施加到每個定子齒的線圈的電流小于10A。這可例如通過小直徑導線的高匝數來實現，意味著可以使用相對低的電流。

在某些實施例中，開關磁阻電機包括兩個定子部分，其中，兩個定子部分被布置為沿著開關磁阻電機的縱軸彼此相鄰。

從第二方面看，本技術提供了一種對包括開關磁阻電機的電機系統進行操作的方法，該開關磁阻電機包括轉子部分和定子部分，轉子部分包括多個轉子齒并且定子部分包括多個定子齒，每個定子齒纏繞有相應的線圈，該方法包括以下步驟：控制到多個定子齒的每個線圈的電力的獨立相位；在定子齒的每個線圈的電感中吸收被提供給該線圈的電能；當該線圈未被有效驅動時，從定子齒的每個線圈的電感釋放至少一部分電能；存儲從每個線圈的電感釋放回來的該部分的電能；以及通過所存儲的電能來增大被提供給定子齒的每個線圈的電能。

從第三方面看，本技術提供了一種電機系統，包括：開關磁阻電機，該開關磁阻電機包括轉子部分和定子部分，轉子部分包括多個轉子齒并且定子部分包括多個定子齒，每個定子齒纏繞有相應的線圈；用于控制到多個定子齒的每個線圈的電力的獨立相位的裝置；用于在定子齒的每個線圈的電感中吸收被提供給該線圈的電能的裝置；用于當該線圈未被有效驅動時，從定子齒的每個線圈的電感釋放至少一部分電能的裝置；用于存儲從每個線圈的電感釋放回來的該部分電能的裝置；以及用于通過所存儲的電能來增大被提供給定子齒的每個線圈的電能的裝置。

從第四方面看，本技術提供了一種汽車車輪組件，其中，車輪組件的部件適配于形成第一方面的電機系統中的開關磁阻電機的轉子部分。

在某些實施例中，車輪組件的部件是下列項中的至少一項：制動盤、制動鼓以及輪輞。

從第五方面看，本技術提供了一種電機系統，包括：開關磁阻電機，該開關磁阻電機包括轉子部分和定子部分，轉子部分包括多個轉子齒并且定子部分包括纏繞有相應線圈的多個定子齒；以及線圈驅動器電路，該線圈驅動器電路耦接到定子齒的線圈以控制被提供給每個線圈的電力的相位，其中，線圈驅動器電路包括電能存儲裝置，該電能存儲裝置存儲從每個線圈的電感釋放回來的一部分電能，以及其中，線圈驅動器電路被布置為利用來自電力存儲裝置的能量來增大被提供給每個線圈的電能的相位。

附圖說明

本發明參考如附圖中所示的其中的實施例，通過僅示例的方式將被進一步描述，其中：

圖1示意性地示出了一個示例實施例中的具有兩個定子部分的開關磁阻電機；

圖2示意性地示出了一個示例實施例中的線圈驅動器電路；

圖3示出了使用圖2的電路中的升壓信號和降壓信號來引起定子線圈電流中的變化；

圖4示出了一個示例實施例中的兩個線圈驅動器電路的四相位操作以及產生的電流流動；

圖5A示意性地示出了一個示例實施例中的開關電感升壓電壓轉換器電路，該開關電感升壓電壓轉換器電路形成驅動器電路的部分；

圖5B示意性地示出了一個示例實施例中的開關電感降壓電壓轉換器電路，該開關電感降壓電壓轉換器電路形成驅動器電路的部分；

圖6示意性地示出了一個示例實施例中的驅動器電路；

圖7示出了一個示例實施例中的開關磁阻電機的端部視圖，該示例實施例具有16個轉子齒和24個定子齒；

圖8示出了一個示例實施例中的用于一組6個定子線圈的六階段控制操作；

圖9示出了與僅提供單向電流的配置相比，由一個示例實施例的雙向線圈驅動器電路來供電的開關磁阻電機的磁場密度的模擬；

圖10A示意性地示出了一個示例實施例中的放置3個光學傳感器以提供電機中轉子相對于定子的旋轉位置信息；

圖10B示出了圖10A中所示的三個光學傳感器的六個可能的光學傳感器輸出的集合；

圖11A和11B示意性地示出了兩個示例實施例中的可如何反轉電機線圈中的磁場極性的兩個示例；

圖12示意性地示出了一個示例實施例中的包括6個電機線圈驅動器電路的驅動器板；

圖13示意性地示出了一個示例實施例中的開關磁阻電機驅動器裝置，該開關磁阻電機驅動器裝置包括八個如圖12所示的驅動器板；

圖14示意性地示出了一個示例實施例的方法中所采取的步驟序列；

圖15示意性地示出了一個示例實施例的用于對汽車的車輪進行供電的電機系統；

圖16示意性地示出了示例實施例，其中，電機系統通過對汽車中的制動盤做出改變來提供。

具體實施方式

圖1示意性地示出了一個實施例中的開關磁阻電機系統10。電機包括被配置為在兩個定子部分14和16內旋轉的轉子部分12。轉子部分被配置為具有十六個轉子齒，該十六個轉子齒形成徑向向外延伸、并沿著轉子部分的長度貫穿兩個定子部分14和16的縱向脊。每個定子部分被配置為具有二十四個定子齒，該二十四個定子齒形成向內延伸并還沿著每個定子部分的長度貫穿的縱向脊。每個定子齒纏繞有包括大量匝的線圈——在該實例中，存在大約兩百匝。在圖1所示的實施例中，轉子齒上沒有線圈，這是由于對定子齒線圈進行供電所產生的磁場使得電機通過轉子上的那些磁場的作用來旋轉。

電機系統10還包括定子線圈驅動器電路20，該定子線圈驅動器電路20被配置為由相關聯的控制電路22來控制。電源24被耦接到定子線圈驅動器電路和電機的定子線圈二者。因此，在定子線圈和電源24之間以及在定子線圈和定子線圈驅動器電路20之間可以存在電流流動。通過對其它圖的描述，該布置的重要性將變得顯而易見。

圖2示意性地示出了與單個定子線圈相關聯的定子線圈驅動器電路的主要部件。本質上，圖2所示的電路是開關電感升壓(boost)電壓轉換器電路和開關電感降壓(buck)電壓轉換器電路的組合。開關電感升壓電壓轉換器電路包括升壓二極管30和升壓開關32，并且開關電感降壓電壓轉換器電路包括降壓二極管34和降壓開關36。開關電感升壓電壓轉換器電路和開關電感降壓電壓轉換器電路共享存儲電容器38。每個電壓轉換器電路還經由輸入節點44被連接到由該電路和電源42所驅動的定子線圈40。用于升壓開關32和降壓開關36的控制信號，即，升壓信號和降壓信號，分別由控制電路(這里由如圖1所示的同一控制電路22來表示)生產。

在操作中，圖2的示例實施例的升壓和降壓信號通過控制電路22被互斥地斷言以使得定子線圈40被供電，以及此外，被雙向地驅動，其中，首先使得電流以一個方向流經定子線圈(在“升壓”操作期間)，并且然后以另一方向流經定子線圈(在“降壓”操作期間)。斷言升壓信號以使升壓開關32閉合(導通)使得電源42所提供的電源電壓被施加到定子線圈40。升壓信號被斷言以適當的時間段，直到定子線圈中的電流流產生電機的操作所需的磁場。當升壓信號被斷開、打開升壓開關32時，隨著能量從線圈消散，電流繼續流動(經由升壓二極管30)。通過對存儲電容器38進行充電來收集從定子線圈40消散的該能量。這將存儲電容器快速升壓到靜態電壓，關停線圈中的電流。

存儲在存儲電容器38中的該“經升壓的電壓”然后可用于在相反方向為定子線圈40提供能量。當需要時，降壓信號被斷言以使得降壓開關36閉合(導通)，并且之前經升壓的電壓可以在與升壓階段的方向相反的方向被施加(經由降壓二極管34)到定子線圈40。

圖3示出了圖2所示的電路的周期性操作，其中，通過斷言升壓信號來首先使得定子線圈電流在一個方向(例如，正)被驅動，然后通過斷言降壓信號使得定子線圈電流在另一(例如，負)方向被驅動。注意的是，降壓信號的斷言直到定子線圈電流已降為零時才發生。這意味著在驅動器電路中，當電流低時切換電壓并且當電壓低時切換電流，使得開關設備中的功率消散相當小。如參考圖5A、5B以及6所示的實施例將更詳細地討論的，這意味著相對輕重量的開關(例如，MOSFET，而不是更昂貴的IGBT)可被用作電路中的開關。

本技術關于驅動電機定子線圈的具體優勢可從圖4看出，圖4示出了一個實施例中的驅動兩個定子線圈的四階段過程。兩個定子線圈各自被耦接到共享(DC)電源及其相應的線圈驅動器電路。

在第一階段，兩個電機線圈被充電，但方向相反。第一電機線圈由來自共享電源的第一極性的電流充電，并且第二電機線圈由來自第二驅動器電路的存儲電容器的第二(相反)極性的電流充電。在圖中給出的示例中，來自電源的1.6A被提供給第一線圈，而衍生自第二驅動器電路的存儲電容器的1.3A經由第二線圈被返回到電源。因此，對于凈0.3A電源負載，實現了與2.9A相對應的總線圈斜坡上升。

在第二階段，兩個電機線圈被放電，同樣是在相反方向。第一電機線圈被放電到第一驅動器電路的存儲電容器中，并且第二電機線圈被放電到共享電源。在圖中給出的示例中，1.6A從第一線圈被傳遞到第一驅動器電路的存儲電容器，而1.3A被返回到衍生自第二線圈的電源。因此，對于從-1.3A降到零的凈電源負載，實現了2.9A的總線圈斜坡下降。

在第三階段，兩個電機線圈再次被充電，但與第一階段中的方向相反。第一電機線圈由來自第一驅動器電路的存儲電容器的第二極性的電流充電，并且第二電機線圈由來自共享電源的第一極性的電流充電。在圖中給出的示例中，衍生自第一驅動器電路的存儲電容器的1.3A經由第一線圈被返回到電源，而來自電源的1.6A被提供給第二線圈。因此，對于凈0.3A電源負載，實現了與2.9A相對應的總線圈斜坡上升。

最后，在第四階段，兩個電機線圈再次被放電。第一電機線圈被放電到共享電源，并且第二電機線圈被放電到第二驅動器電路的存儲電容器中。在圖中給出的示例中，1.3A被返回到衍生自第一線圈的電源，而1.6A從第二線圈被傳遞到第二驅動器電路的存儲電容器。因此，對于從-1.3A降到零的凈電源負載，實現了2.9A的總線圈斜坡下降。

現在參考圖5A、5B以及6給出一個實施例中的驅動器電路的配置的更多細節。開關電感升壓電壓轉換器電路在圖5A中被獨立地表示，而開關電感降壓電壓轉換器電路在圖5B中被獨立地表示，并且具有開關電感升壓電壓轉換器電路和開關電感降壓電壓轉換器電路二者的組合驅動器電路在圖6中被示出。

在圖5A的開關電感升壓電壓轉換器電路中，升壓開關由NMOS 50提供，而存儲電容器(CSTORE)由33μF電容器52提供。注意的是，除了升壓二極管(D1)54之外，該實施例還提供另外兩個二極管D2 56和D358。升壓電壓轉換器電路被耦接到定子線圈60和150V DC電源62。

關于圖5B的開關電感降壓電壓轉換器電路，重要的是注意到，存儲電容器(CSTORE)是如圖5A所示的同一33μF電容器52。如圖5A和5B所標記的，跨電容器52所產生的電壓可被視為圖5A的開關電感升壓電壓轉換器電路的輸出，以及圖5B的開關電感降壓電壓轉換器電路的輸入。此外，降壓電壓轉換器電路被耦接到同一定子線圈60和同一150V DC電源62。在圖5B所示的實施例中，降壓開關由PMOS 64提供。除了降壓二極管66(D4)之外，該實施例還提供另外兩個二極管68和70(D5和D6)。最后，圖5B的開關電感降壓電壓轉換器電路還包括耦接到降壓開關(PMOS 64)的柵極的參考電路。該參考電路由NMOS 72、電阻74、76以及78(R7、R8以及R9)、電容器80和82(C2和C3)以及二極管84(D7)組成。

現在參考圖6給出該實施例中的完全驅動器電路的配置的更多細節，示出了開關電感升壓電壓轉換器電路和開關電感降壓電壓轉換器電路的組合配置。圖6的驅動器電路的組件具有與圖5A和5B所示的組件相同的參考標號，這是由于這些后面的分離表示僅被分離地示出以強調完全驅動器電路的每個組件所屬的相應部分。

該實施例中所提供的各種額外的二極管(即，除了圖2所示的升壓和降壓二極管之外)用于多個目的，但總體上他們所扮演的具體角色是使得關鍵的開關器件(升壓開關50和降壓開關64)由非常便宜的MOSFET器件(而不是非常昂貴的IGBT器件)來提供，而不管電機線圈的尺寸和電機所需的電源電壓(例如，35mH線圈和150V DC電源)。與操作具有這類配置的電機相關聯的大EMF和快速電壓變化潛在地引起破壞性電壓和柵極階躍(在應該關閉時將它們打開)，因此在整個電路中使用這些二極管以提供保護開關的電力阻斷。二極管還用于將開關電感升壓電壓轉換器電路與開關電感降壓電壓轉換器電路相分離，以便一個電壓轉換器電路的操作不會損壞另一個電壓轉換器電路的組件。例如，放置在降壓電壓轉換器電路中的PMOS 64的任一側的二極管68和70(D5和D6)的組合在驅動器電路的“升壓”操作模式期間防止從線圈放電的電流流的功率接通或關斷PMOS(并因此不利地影響該升壓模式的正確操作，并且有損壞降壓電壓轉換器電路的這些其他組件的風險)。

注意的是，晶體管64被提供為PMOS(與較便宜的NMOS不同)器件，這是由于當處于“降壓”操作模式并通過電感(線圈)來抵抗電源時，電感器(定子線圈60)通過降壓二極管66提取電流，將那里的開關降低至地電平以下的一個二極管壓降。這在針對晶體管64使用PMOS時起作用，因為它在其漏極上僅添加了很小的額外壓降。原則上可以使用NMOS器件，但由于上述下拉到地電平以下(將在NMOS器件的源極上)，將要求額外的電路來提供它在地電平以下的柵極電壓，否則，在電感器(定子線圈60)被放電時不能將其關斷。

此外，電路中的二極管提供了整流功能以整流震蕩(振鈴)，否則當從大電感器驅動大電容器時將強烈地發生振蕩(振鈴)。

電容器80和82(C2和C3)被提供以抑制電路中的噪聲，否則這些噪聲可能影響降壓開關(PMOS 64)的柵極的開關的穩定性，該晶體管的柵極由于它與存儲電容器52的連接(盡管經由二極管70和84(D6和D7))而特別容易受到這類噪聲的影響。電容器80和82還形成參考電路的一部分，該參考電路尤其還包括電阻74、76以及78(R7、R8以及R9)和NMOS晶體管72。該參考電路的配設使得降壓信號(BUCK)能夠參考地電平(GND)，并且降壓開關64的柵極信號能夠參考存儲電容器52的上側(如圖6所示)出現的電壓。因此，數字(低電壓)BUCK信號的開關能夠通過設置正確的源極-漏極閾值電壓(相對存儲電容器上所看到的電壓)來正確地控制降壓開關64的開關。注意的是，二極管70和84(D6和D7)、電容器80和82(C2和C3)以及電阻74和76/78(R7和R8/R9)的并行配置使得電路能夠跨一系列電壓和溫度變化一致地執行，這是由于成對組件中的每個組件對于溫度和電壓變化將具有等同響應。注意的是，盡管電阻76和78(R8和R9)為了較低成本和尺寸、以及改善的功率消散的緣故而在該示例實施例中被提供為兩個不同的組件，但在邏輯上電阻76和78(R8和R9)可被認為形成單一電阻。二極管70和84(D6和D7)的配設還減少了需要由參考電路的其余部分來提供的柵極壓降，進一步減少了需要被明確地提供的電阻元件的成本(由于它們具有較低的功率要求)，并允許更容易地處理一系列電壓。

圖7示意性地示出了一個示例實施例中的轉子部分和一個定子部分的齒的徑向視圖。在該實施例中，對定子部分的線圈(未示出)的控制被布置為使得成組的6個定子齒已被放在一起，并且所斷言的對每個組的循環控制序列經過六個階段，與該組中的六個定子齒相對應。將參考圖12在下面更詳細地描述的該實施例的進一步的特征是，與組中的每個定子線圈相關聯的驅動器電路在共享控制電路和單個DC電源的一個板上被提供，以便可產生一個驅動器電路在“降壓模式”中操作，而共享同一電源的另一驅動器電路在“升壓模式”中操作的上述益處。圖7還示出了六階段周期中的一個階段的快照，其中，在該實施例中，每個組中的第一定子線圈(圖中標記為1)當前正在第一方向(升壓模式)被供電，其中，定子齒中所感應產生的磁場徑向向內被定向為北(N)并且徑向向外被定位為南(S)，而在該實施例中，每個組中的第四定子線圈同時被反向供電(降壓模式)，以便定子齒中所感應的磁場徑向向內被定向為南(S)并且徑向向外被定位為北(N)。以該成對相反感應磁性的方式繼續驅動該電機的定子線圈，其中，在下一階段定子齒2和5被驅動(彼此相反地)，然后是定子齒3和6，然后是定子齒1和4(與第一階段的磁性配置相反)，等等。

仍參考圖7，注意的是，轉子和定子齒的配置(特別是它們的數目的2∶3比率)產生下列布置，其中，當一半轉子齒直接與相應的定子齒相對準時，另一半轉子齒與定子齒未對準(在該實施例中，與兩個定子齒之間的間隙的中心相對準)。對于對準的成對轉子/定子齒，這意味著在轉子齒和定子齒之間僅存在相對小的空氣間隙(例如，小于0.5mm)，這對應于低磁阻并因此沒有來自電機的輸出功率(零轉矩)。相反地，六定子齒集合的其他定子齒與相應的轉子齒的未對準可因此提供未對準的定子/轉子齒之間的高磁阻和高轉矩配置(這是由于較大的空氣間隙，例如，大于1.0mm)。盡管在已知的開關磁阻電機中，可要求轉子和定子齒之間的部分重疊以便將電機保持在對于可接受的效率磁阻較低，但仍可實現轉矩的配置中——盡管處于低于可能的最大情況的等級，但本電機系統通過提供可生成較高轉矩(通過未對準的轉子/定子齒)并且在生成磁場中所擴展的未被使用的能量得以再循環從而提升了效率的配置實現了轉矩和效率之間改善的折衷。

圖8示意性地示出了驅動器電路中的升壓和降壓信號的相對定時，該升壓和降壓信號提供對每個組中的六定子齒集合的上述控制。可以看出對定子線圈1/4、2/5以及3/6的控制的上述配對，其中，每對的定子線圈通常由驅動器電路在相反的模式(升壓/降壓)中來驅動，并且產生的電流流動(圖中的三角波形)通常是極性相反的。注意的是，開始斷言升壓和降壓信號僅在相應電路中的電流為零(或至少可忽略不計)時開始，以確保相應驅動器電路的組件不被任何殘留的相反電流流所損壞。當電機被配置為處于全功率配置時，圖8所示的控制信號序列被施加到圖7所示的四組定子線圈中的每組定子線圈，然而，當定子線圈組的至少一組未被供電時，電機還可能在較低功率配置中操作。這可通過改變所斷言的升壓和降壓控制信號來實現，改變所斷言的升壓和降壓控制信號可通過在適當時斷開一個或多個驅動器電路或一個或多個驅動器板來實現。此外，應注意的是，電機操作的速度因此由所施加的升壓和降壓信號的時序(例如，在圖8中)而非電機進行操作的特定功率等級來確定。功率等級可由電流脈沖的尺寸來確定，該電流脈沖的尺寸產生于所選的升壓和降壓信號持續時間。因此，例如，對于近似相似的功率等級，電機可在兩個顯著不同的速度(例如，500rpm和1000rpm)操作。旋轉速度相對于操作功率等級的獨立性為如何操作電機的用戶選擇添加了顯著的靈活性，通過時序來指示旋轉速度，并通過對定子線圈組選擇供電來指示總體操作功率等級。此外，用戶具有對電機的旋轉速度的這類直接和獨立的控制的事實意味著在許多情況下可以省去與傳統電機相關聯所提供的傳動裝置或齒輪傳動裝置。

圖9示出了當在與圖7的徑向表示相同的徑向表示中進行觀察時，示例電機的一個操作狀態中所產生的磁場的模擬。這(左手側所示)被標記為“雙向”，并且與根據本技術的用于在相反方向同時驅動組中的成對定子線圈的驅動器電路相對應。為了比較，第二模擬(右手側所示)被標記為“單向”，并且與在相同方向同時驅動組中的成對定子線圈的配置相對應。磁場符號(用特斯拉(Tesla)表示)是定子齒之間的空氣間隙中所發生的。當在空氣間隙中被測量時，可以看出(對于相比于單向情況的雙向情況)，產生的ON場大了大約25％，頂部OFF場小了大約9倍，并且底部OFF場小了幾乎750倍。增加的ON場增加了扭矩，并且減小的OFF場減少了阻力。這是由于雙向配置在電機中(并且特別是在轉子部分中)創建了增強磁場的事實，這還提升了該電機系統的效率。

圖10A和10B示出了使用光學傳感器來提供轉子部分相對于(一個或多個)定子部分的相對位置信息。圖10A示出了與三個定子齒對準定位的三個光學傳感器100、102、104，并且被調整尺寸和校準以便：a)當轉子齒與光學傳感器和定子齒相對準時，僅一個光學傳感器記錄轉子齒的出現，以及b)隨著轉子相對于定子部分進行旋轉，最多兩個光學傳感器記錄轉子齒的出現。該配置意味著可以利用僅三個光學傳感器(最終產生三位信息(可能是在模數轉換之后，取決于所使用的傳感器的類型))來在2.5°(針對該16個轉子齒/24個定子齒示例配置)之內確定轉子對于定子的相對定位。此外，不存在沒有關于相對轉子-定子位置的可用信息的中間位置，并且因此，無論電機停在什么位置，它總能知道激活哪些定子線圈以使得電機運行。圖10B示出了隨著轉子相對于定子進行旋轉，相應的三個光學傳感器輸出。

在某些示例配置中，可通過到線圈的連接的特定配置來實現電力通過定子線圈的方向(以及因此產生的磁場的方向)。圖11A示出了一種示例配置，其中，線圈驅動器電路可被用于向成對定子線圈的兩個定子線圈都提供電力，該兩個定子線圈在同一時間但在相反方向被激活(在附圖中，為六定子線圈組中的第一和第四線圈)。第一和第四線圈的繞組彼此相反，以便對于線圈驅動器所提供的一個極性的電力，在第一和第四定子齒中產生相反定向的磁場。圖11B示出了另一示例配置，其中，與每個定子線圈相關聯地提供額外的開關電路，該額外的開關電路由確定流經線圈的電流的方向的開關控制信號來控制。開關控制信號可由線圈驅動器提供，或例如由控制線圈驅動器的控制電路來提供。

圖12示意性地示出了一個示例實施例中的驅動器板。該驅動器板被提供為單個集成電路板，其上布置有六個驅動器電路112、114、116、118、120以及112(例如，如圖6所示被配置)、控制電路126以及共享DC電源124。控制電路向每個驅動器電路獨立地提供升壓和降壓控制信號。共享DC電源位于與六個驅動器電路相同的板上的配設意味著支持板內(不同于在板上或離開板)電流的上述(例如，關于圖4)主要移動。

圖13示意性地示出了一個示例實施例中的完整開關磁阻電機驅動器裝置130，該完整開關磁阻電機驅動器裝置130包括八個驅動器板132(例如，如圖12所示被配置)并因此被配置為控制48個獨立的定子齒(如圖1中示出的示例電機系統中所展示的)。總體控制單元134還形成裝置130的部分并指示八個驅動器板132的高級操作，例如，當電機應在低功率模式中操作時，以及當每個獨立的驅動器板被耦接到能被斷開以實現該低功率模式的定子線圈集合(例如，每個定子部分中的四分體)時，使得獨立的驅動器板被臨時斷開。然而，重要的是認識到，總體控制134和板控制126所提供的驅動器電路控制的組合使得，首先，任意獨立的驅動器電路可被接通或斷開而不管其它驅動器電路的操作，以及其次，每個驅動器電路所提供的對每個定子線圈的控制完全獨立于任意其他驅動器電路所提供的對任意其他定子線圈的控制。因此，電機驅動器裝置130因此提供對多達48個驅動器電路以及因此定子線圈的獨立控制，盡管根據上面關于定子線圈組和驅動器電路配對的討論，電機驅動器裝置130可被選擇以緊密地鏈接某些驅動器電路的操作(由于其產生的益處)，并且在這樣的配置中，被提供給各個定子線圈的電力的相位可以是相同的。

圖14示出了一個示例實施例中所采取的步驟序列，該步驟序列示出了如何操作兩個驅動器電路。可認為流程在步驟140處開始，其中，在第一階段，開關磁阻電機的第一定子線圈由一個驅動器電路利用來自共享電源的第一極性的電流來充電，并且第二定子線圈利用來自第二驅動器電路的存儲電容器的第二(相反)極性的電流來充電。在步驟142處，在第二階段，兩個電機線圈被放電，第一定子線圈被放電到第一驅動器電路的存儲電容器中，并且第二電機線圈被放電到共享電源。在步驟144處，在第三階段，兩個電機線圈再次被充電，但各自與第一階段的方向相反。第一電機線圈利用來自第一驅動器電路的存儲電容器的第二極性的電流來充電，并且第二電機線圈利用來自共享電源的第一極性的電流來充電。最后，在步驟146處，在第四階段，兩個電機線圈再次被放電。第一電機線圈被放電到共享電源，并且第二電機線圈被放電到第二驅動器電路的存儲電容器中。

圖15示意性地示出了電動車輛，例如，汽車，其中，將找到電機系統的示例實施例。車輛150具有四個車輪152，每個車輪由它自己的電機154來驅動。每個電機154由相關聯的驅動器裝置156來驅動，并且由中央控制單元158來維持四個驅動器裝置的集合的總體控制。在每個電機154內部，每個定子齒上所提供的線圈繞組為鋁。在移動車輛的上下文中，這是有益的，因為鋁比銅輕大約三倍并且便宜大約五倍(以重量計)，使得鋁每面積便宜大約十五倍(使其足夠便宜以作為可更換的磨損件)。在其他實施例中，每個定子齒上所提供的線圈繞組可以為銅，或任意其他適當的導電金屬。

然而，以前通常拒絕選擇鋁作為定子線圈繞組，這是由于每橫截面積鋁的電阻高兩倍，以及鋁比銅更快地振動疲勞。然而，在根據本技術的電機系統中，線圈中所需的電流特別低，因此歸因于較高電阻的功率損耗(根據I²R)較不重要。實際上，較高的R值實際上使得L/R時間常數較低，因此驅動器電路操作更快。

此外，電機的低成本及其相對于旋轉速度的操作靈活性的組合意味著，在圖15所示的示例實施例中，在每個車輪處提供獨立的電機，而不是具有相關聯齒輪傳動裝置和傳動裝置的中央控制電機是實際的。在每個車輪處放置使用定子線圈的鋁繞組的這樣的“便宜”電機使得電機可以是可更換部件(例如，以制動片的方式)，并可實現使用便宜的鋁的益處。

應理解的是，這樣的布置還是可能的，這至少部分是由于這里從線圈到轉子的磁能傳遞的重要性降低。這是由于下列事實：本技術意味著可以恢復或再使用未從線圈被磁性地傳遞到轉子的能量，無論該能量被如何磁性地存儲。之前，電機中的線圈和轉子之間的空氣間隙將必須非常小(例如，幾分之一毫米)以便維持可接受的效率(通過從轉子到線圈的良好磁能傳遞)，而對于本電機系統，對空氣間隙的尺寸的該約束更加寬松，這是由于能量的再循環。進而，這意味著電機可被定位在更加暴露的位置，這是由于它對更加寬松(并且變化)的空氣間隙的較大容忍性。

實際上，圖16示出了示例電機實施例，其中，汽車車輪160具有已被適配于形成電機的部分的制動盤162。制動片164通過對制動盤162的選擇性摩擦應用來繼續執行一般的制動功能，但制動盤162的外緣166已被適配于提供電機的轉子部分(例如，具有模制的翅片或輻條以提供可變磁阻)。周圍部分168提供定子部分。以這種方式組合“現有”組件和電機對于車輛整體還具有明顯的重量減輕優勢。這樣的適配還可例如用于普通車輪組件的其他部件，例如，鋼圈或制動鼓。之前的開關磁阻電機設計通常將不能容忍這類暴露位置中的操作，這是由于他們對于電機中的線圈和轉子之間的空氣間隙的精細靈敏度，例如，要求空氣間隙小于0.5mm，并且通常將不考慮以這種方式暴露相對昂貴的電機。然而，本技術：a)提供相當便宜的電機系統，這使得它自己的更換成為較不重要的成本因素；b)允許較低電流配置，這使得其構造更便宜，但更多的電阻材料(例如，鋁)更實際；以及c)再循環所使用的能量，因此允許提升的效率并且使得精確和較小的線圈對轉子空氣間隙較不重要，例如，允許空氣間隙大于1.0mm。

總之，從上面的描述將理解的是，本文描述的電機系統及其相關聯的線圈驅動器電路使得能夠通過再循環未從那些場被轉換到旋轉能量的未使用的能量，來在低凈功率輸出使用定子線圈中的強磁場。利用該能力并還通過能夠禁用定子線圈組，電機可以在極低的輸入電平有效地操作。例如，根據所描述的原理而構造的原型750W(1HP)電機已經利用低至15W(即，比其設計功率低50倍)的輸入功率等級跨其全范圍的輸出速度而操作。除了在低旋轉速度對電機進行操作(由大量相位和轉子齒來輔助)以外，該能力允許電機在各種各樣的輸出水平高效地操作，這可避免各種系統中對齒輪傳動裝置和/或傳動裝置的需要。

盡管本發明的說明性實施例參考附圖在本文已被詳細描述，將理解的是，本發明不被限制于那些精確的實施例，并且在不脫離如所附權利要求所限定的本發明的范圍的情況下，本領域技術人員在其中可做出各種改變、添加以及修改。例如，在不脫離本發明的范圍的情況下，可以將從屬權利要求的特征與獨立權利要求的特征進行各種組合。