專(zhuān)利名稱(chēng)：兩相式電子開(kāi)關(guān)磁阻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明具體涉及根據(jù)一電子開(kāi)關(guān)磁阻裝置原理的一種電機(jī)，也公知為SR裝置(稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)磁阻)，可用做直流電機(jī)且具有發(fā)電機(jī)的額外的功能。
此裝置的電磁部分(定子)包括偶數(shù)電磁鐵，它們彼此獨(dú)立且以構(gòu)造成連續(xù)控制的兩相而進(jìn)行開(kāi)關(guān)。
這種類(lèi)型的磁阻電機(jī)在國(guó)際申請(qǐng)PCT-R095/00012(WO96/09683)中公知。
此電機(jī)共具有四個(gè)電磁鐵，在直徑方向相對(duì)安裝構(gòu)成電機(jī)的X相和Y相。
此裝置對(duì)一定轉(zhuǎn)數(shù)相對(duì)于重量(W/kg)產(chǎn)生相當(dāng)高的功率，而轉(zhuǎn)數(shù)而某些應(yīng)用場(chǎng)合中很高(例如高于10000轉(zhuǎn)/分)。
本發(fā)明的目的是表明一種簡(jiǎn)單、有效而輕便的磁阻裝置的應(yīng)用類(lèi)型和情況，其中此裝置帶有兩相，適用于在低轉(zhuǎn)數(shù)下需要高功率-重量比的應(yīng)用場(chǎng)合，以及用于傳輸或獲得的扭矩(用于發(fā)電機(jī))較高的場(chǎng)合。
由于其高性能和低重量，此裝置特別適用于汽車(chē)工業(yè)。
它可用做內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)器/發(fā)動(dòng)機(jī)，它還具有用做一輔助驅(qū)動(dòng)裝置的額外功能。在此情況下，轉(zhuǎn)子連有內(nèi)燃機(jī)的飛輪(或成為其一部分)，其中U形磁軛座落在離合器外殼上。
還可以用于機(jī)動(dòng)車(chē)的冷卻風(fēng)扇的風(fēng)扇電機(jī)或家庭中例如用于洗碗機(jī)。
權(quán)利要求1表明了本發(fā)明的方案。
本裝置的電磁部分(定子)設(shè)計(jì)成至少具有6個(gè)磁軛11，磁軛11可能有不同的類(lèi)型，這在此說(shuō)明書(shū)中可見(jiàn)。
每一相磁軛11的數(shù)量和它們的尺寸來(lái)自于優(yōu)化原則，而且經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性也考慮在內(nèi)。
做為一條優(yōu)化原則，使轉(zhuǎn)接頻率選擇成將功率-重量比以及效率對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)為最優(yōu)。磁極的最優(yōu)數(shù)量來(lái)自于頻率和所需的轉(zhuǎn)數(shù)。電子開(kāi)關(guān)SR裝置的定子和轉(zhuǎn)子12具有凸起的磁極。根據(jù)公知的先有技術(shù)，轉(zhuǎn)子磁極121的表面相對(duì)應(yīng)于定子磁極表面111。
定子由單獨(dú)的、隔磁的U形電磁鐵1構(gòu)成，電磁鐵1至少支撐一個(gè)線圈。這些電磁鐵1最好由層疊的U形沖片加工而成。兩個(gè)U形分支的開(kāi)口約與一磁極轉(zhuǎn)子齒121的寬度相同，兩者的角度范圍相當(dāng)于U形分支的角度范圍或相當(dāng)于(一定子磁極)的分支的寬度。
此角度w(開(kāi)關(guān)增量)也為此裝置的預(yù)定的合理的速度決定電磁鐵1的尺寸和數(shù)量或者開(kāi)關(guān)頻率。每個(gè)磁鐵1和轉(zhuǎn)子磁極121構(gòu)成此兩相裝置的有效部件。
圖1示出了在帶有四個(gè)不同區(qū)域A、B、C、D的一個(gè)半圓上(以減少圖的數(shù)量)本發(fā)明帶有轉(zhuǎn)子磁極121的磁軛11的不同的實(shí)施例，都具有相同的開(kāi)關(guān)增量寬度w。如果我們認(rèn)為每一個(gè)這些替換的A-D平均位于圓的整個(gè)圓周上，即平均具有至少6個(gè)磁軛，則可以如下為一個(gè)裝置獲得4種選擇A.一種帶有外部磁軛11的裝置，其中每個(gè)磁軛支撐兩個(gè)線圈。(而且，在此圓弧中，示出了第一相X和第二相Y的定子和轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置，以及相Y′的磁軛11Y′的位置，相Y′屬于與第一裝置相連并從第一裝置中補(bǔ)償W/2以使裝置運(yùn)轉(zhuǎn)更均勻的第二裝置。
每相串聯(lián)至少一個(gè)可控半導(dǎo)體，最好是一個(gè)MOS-FET功率晶體管。
B.一種帶有外以及內(nèi)磁軛11和一槽形轉(zhuǎn)子12的裝置。
C.一種帶有只支撐一個(gè)線圈的外磁軛11的裝置。
D.一種帶有內(nèi)磁軛11的裝置。
性能較好的磁軛(但更昂貴)設(shè)計(jì)成纏繞和截割的鐵心例如用于變壓器的帶式纏繞截割各向異性鐵心。在此情況下，建議不要如圖1那樣設(shè)置磁軛11，(從轉(zhuǎn)動(dòng)的意義上說(shuō)是兩個(gè)U形分支的連續(xù)序列)，而是扭轉(zhuǎn)90°(同時(shí)在兩個(gè)U形分支前通過(guò)也扭轉(zhuǎn)90°的轉(zhuǎn)子磁極)。
磁路的對(duì)稱(chēng)平面則不再是直徑方向，而是軸向。由于U形電磁鐵的相同標(biāo)號(hào)的磁極可以在軸向放在同一側(cè)上，因此在這里提供了一種同極裝置，其轉(zhuǎn)子可以由整塊的鐵制成。
因?yàn)橐粋€(gè)兩相的SR裝置具有很高的扭矩波動(dòng)，因此建議使用兩個(gè)裝置而不是一個(gè)，各具有一半所需的功率，帶有約w/2的角度補(bǔ)償。
但這兩個(gè)裝置可以具有共同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因?yàn)殡姶盆F可以繞轉(zhuǎn)子放置在任何位置，所以可以為兩個(gè)半個(gè)裝置都使用相同的轉(zhuǎn)子12(結(jié)構(gòu)相應(yīng)較寬)。
這意味著整個(gè)電磁鐵數(shù)量的一半分配給帶有兩相X和Y的第一個(gè)半個(gè)裝置，而其余的磁鐵屬于帶有相X′Y′的第二個(gè)半個(gè)裝置。這樣，現(xiàn)有的電磁鐵的四分之一分別分配給每一相。
當(dāng)重迭的轉(zhuǎn)子(121)或定子磁極111選擇成當(dāng)X相的定子-轉(zhuǎn)子磁極彼此相對(duì)應(yīng)時(shí)(齒對(duì)齒的位置)，第二相的定子-轉(zhuǎn)子磁極繞過(guò)角度w設(shè)置(齒對(duì)間隙的位置)，則裝置正確工作。相磁鐵相對(duì)于角度w(＝磁極寬度，＝間隙寬度)的位置如下相 角位置X(0+2n)wY(1+2n)wX′ (0.5×2n)wY′ (1.5+2n)w其中n是一偶數(shù)當(dāng)滿(mǎn)足這些條件時(shí)，電磁鐵1可以以任何方式繞轉(zhuǎn)子放置，而且形狀為一個(gè)圓的扇形，從而可以最優(yōu)地利用現(xiàn)有空間。
下面，我們將檢查一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置，它帶有兩相X和Y和總數(shù)為n的磁軛11，其中使用一與第一裝置相同、帶有繞w/2傾斜設(shè)置的第二裝置，用于平滑扭矩。
驅(qū)動(dòng)磁鐵回路還包括n/2個(gè)U形磁軛11X和n/2個(gè)磁軛11Y，其中這n個(gè)磁軛是相同的。
每個(gè)磁軛具有兩個(gè)朝向轉(zhuǎn)子的磁極111，磁極在當(dāng)電流流過(guò)主線圈112或通過(guò)次級(jí)線圈113時(shí)獲得北或南極。
從圖1可見(jiàn)，當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁極121與磁軛11X的兩個(gè)磁極111X一致時(shí)，其余的磁極111Y與轉(zhuǎn)子磁極121的磁極間隙122相對(duì)。
轉(zhuǎn)子磁極121由一共同的轉(zhuǎn)子磁軛123彼此相連，這樣這些部件僅僅從轉(zhuǎn)子12的層迭片模制而成，它包括具有圓形且?guī)в邪疾鄣臎_壓的電磁鐵片。這些片直接或通過(guò)另外的部件固定到電機(jī)軸52上。線圈(最好是預(yù)制的)壓在U形磁軛上，其中每個(gè)磁軛具有至少一個(gè)主線圈112。這些線圈可以以常規(guī)方式設(shè)計(jì)帶有涂瓷釉的電線，帶有或不帶纏繞體，例如帶有涂黑瓷釉的電線。但是根據(jù)本發(fā)明，最好使用帶式線圈，即由絕緣或非絕緣的銅(或鋁)帶制成。
對(duì)后一種情況，在主線圈帶一側(cè)上覆蓋有比導(dǎo)電帶略寬的絕緣箔115(例如聚脂)，以便在金屬線圈帶的螺旋纏繞的邊之間不會(huì)發(fā)生短路。
一種特別適宜的方法是同時(shí)構(gòu)造主線圈112以及帶有一小截面113的次級(jí)線圈。
在此情況下，具有相同寬度但不同厚度(因此截面不同)的線圈帶一個(gè)纏在另一個(gè)之上，這樣它們由兩個(gè)絕緣箔115、115′分開(kāi)。
兩個(gè)上述的線圈分別壓在并固定在磁軛111的兩個(gè)分支上，在此它們可以如所需打開(kāi)。
如果我們單獨(dú)考慮一個(gè)磁軛11和兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁極121，以及連接這些磁極的磁軛123的部分，而且當(dāng)這兩個(gè)線圈112由電流經(jīng)過(guò)，則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)于圖1中虛線的磁通。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極121不與外磁軛的磁極111Y相對(duì)時(shí)(見(jiàn)圖1)且當(dāng)磁軛11Y固定時(shí)，做為電流通過(guò)的結(jié)果磁極111Y將吸引轉(zhuǎn)子磁極121，從而產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子12繞一角度w轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。
為了控制開(kāi)關(guān)操作(轉(zhuǎn)子位置確認(rèn))，例如使用兩個(gè)分別控制兩個(gè)“一半電機(jī)”的相X、Y和X′，Y′的霍爾傳感器31、31′。
霍爾傳感器由一磁環(huán)32打開(kāi)，磁環(huán)32與轉(zhuǎn)子12一同旋轉(zhuǎn)并具有北極，其角位置和角寬度相應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁極的寬度，或者具有南極，相應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁極之間的間隙。
此傳送磁極可以以標(biāo)記的齒和間隙連到一機(jī)械裝置上。如果在霍爾傳感器(帶有數(shù)字輸出)之前磁鐵盤(pán)32的磁極一個(gè)接一個(gè)移動(dòng)，取決于轉(zhuǎn)子位置一“低”或“高”的邏輯信號(hào)出現(xiàn)在其輸出上。
而且，通過(guò)導(dǎo)通點(diǎn)的變化，做為發(fā)電機(jī)的磁阻裝置可以產(chǎn)生功效。導(dǎo)通點(diǎn)得到補(bǔ)償以使電機(jī)為一部分開(kāi)關(guān)增量w得到電流(用于磁偏置)，這樣產(chǎn)生一個(gè)充足的磁回路(安培轉(zhuǎn)數(shù))。
這樣此裝置經(jīng)過(guò)調(diào)整使得其制動(dòng)以使其吸收通過(guò)電流反向?qū)е卤３职才噢D(zhuǎn)數(shù)的機(jī)械能。位于MOS-FET晶體管中的反向二極管將向電流源提供額外的能量。
當(dāng)磁軛11通過(guò)直流電預(yù)磁化時(shí)可以達(dá)到做為一交流發(fā)電機(jī)的操作，其中一交流電流從例如另一環(huán)繞的交流電流獲取，此交流電流是由于轉(zhuǎn)子磁極在預(yù)磁化的定子磁極之前移動(dòng)使磁通變化而產(chǎn)生的。線圈112和113的控制電路主要包括兩個(gè)功率晶體管、最好是MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管21X、21Y，此兩個(gè)晶體管與主線圈112X或112Y以及電機(jī)外的電流源串聯(lián)相連，見(jiàn)圖3。
線圈112或113X(或Y)位于U形磁軛上，可以串聯(lián)或并聯(lián)，這取決于電機(jī)工作的電壓大小而調(diào)整。
晶體管21X和21Y由帶有互補(bǔ)輸出的霍爾傳感器通過(guò)一簡(jiǎn)單電路控制，這樣如果在霍爾傳感器的直接輸出產(chǎn)生“高”時(shí)，晶體管21X導(dǎo)通，而當(dāng)霍爾傳感器的反相輸出為“高”時(shí)則晶體管21Y導(dǎo)通。
纏繞的磁軛11X和11Y于是交替磁化，這樣在磁極111出現(xiàn)一旋轉(zhuǎn)場(chǎng)使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。
圖3示出一運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)的完整電路，其中線圈112或113旁邊的點(diǎn)表示這些線圈的開(kāi)端；112Y表示例如串聯(lián)或并聯(lián)位于n/2磁軛11X之上的n/2主線圈。
但是在有些情況下(可由一試驗(yàn)選定)，最好使通過(guò)線圈112Y、113Y的電流方向改變即同圖3相比使Y線圈旁邊的點(diǎn)(線圈的開(kāi)端)可以相對(duì)設(shè)置。
這里只需要兩個(gè)耦合的二極管22，二極管22將自感電壓Ua導(dǎo)向次級(jí)線圈113的開(kāi)端。
當(dāng)開(kāi)關(guān)27閉合時(shí)，霍爾傳感器31的直接或互補(bǔ)輸出供有電流并獲得一正電位或如果磁鐵盤(pán)32的北極或南極位于霍爾傳感器31之前時(shí)彼此相連。
霍爾傳感器(例如Allegro公司、UGN 375型)的互補(bǔ)輸出連有晶體管21X、21Y的門(mén)電極，這樣互補(bǔ)輸出在“高”或“低”狀態(tài)交替變化，結(jié)果它們以相同的節(jié)奏導(dǎo)通或關(guān)閉。
當(dāng)斷開(kāi)一線圈而產(chǎn)生的有害的自感電壓如果供入要連續(xù)連接的線圈中則可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N原動(dòng)的有用的效應(yīng)。
如圖4中可見(jiàn)(電機(jī)不帶有次級(jí)線圈113)，這可以借助于兩個(gè)耦合二極管22實(shí)現(xiàn)，此兩個(gè)二極管將當(dāng)斷開(kāi)X線圈而產(chǎn)生的額外的正電壓導(dǎo)向線圈112Y或相反。去耦的二極管23避免了將自感電壓Ua導(dǎo)向電流源的正接頭上。
但是，此電路具有這樣一個(gè)缺點(diǎn)，即自感應(yīng)電壓Ua的電路的閉合由晶體管21或電壓源完成。此缺點(diǎn)可以通過(guò)使用次級(jí)線圈113而避免，這些次級(jí)線圈113位于同一個(gè)磁軛上，見(jiàn)圖3。
自感電壓Ua由線圈112Y(發(fā)電機(jī))產(chǎn)生并進(jìn)入起接收器作用的磁軛11Y的次級(jí)線圈113Y中。
在線圈112Y的額外的自感電壓Ua的協(xié)助下，在線圈113Y產(chǎn)生一有效電流，這樣在磁軛111Y中產(chǎn)生一有用的磁通，其中線圈113Y纏繞在磁軛111Y上。
轉(zhuǎn)子12由上述重復(fù)的電磁作用連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
實(shí)際中最優(yōu)的導(dǎo)通點(diǎn)可由霍爾傳感器31相對(duì)于磁軛11的設(shè)置而定。
電機(jī)的磁和電部件可以固定在一支架5中。此支架可以以不同的方式設(shè)計(jì)；但它主要具有槽51，在其中安裝磁軛11和電機(jī)軸52的軸承54。功率晶體管21、二極管22和23以及其它機(jī)械和電子元件(板、霍爾傳感器等)可以以常規(guī)方式固定在做為一冷卻器的支架5上。
根據(jù)圖1，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極121大約與定子磁極111X一致時(shí)，它們相應(yīng)的主線圈112X斷開(kāi)，這直接導(dǎo)致出現(xiàn)傳至次級(jí)線圈113Y的高自感電壓Ua，其中主線圈112Y由電流源供電。
分配給這些線圈的磁極111Y將快速磁化并能吸引剛離開(kāi)斷開(kāi)的磁軛11X的磁極的轉(zhuǎn)子磁極121。
磁極111X(磁軛11X)以這樣一種方式固定，即當(dāng)這些齒(121)經(jīng)過(guò)磁極111Y最大程度地與之重迭時(shí)，磁極111X開(kāi)始吸引轉(zhuǎn)子的直齒121。當(dāng)磁極111Y的外角直接固定在磁極111Y的外角附近時(shí)(見(jiàn)圖1，部分C)，可以實(shí)現(xiàn)這種情況。
磁軛11的安裝很重要(因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子和纏繞的磁軛之間會(huì)出現(xiàn)小氣隙)，因此必須仔細(xì)處理。
從這里可以看出，磁軛11在兩側(cè)上(與軸相距不同距離)具有凹槽或半圓形凸起116，可以(垂直于圖的平面)安裝到基板57上的對(duì)應(yīng)物55上。
這些對(duì)應(yīng)物表示上述凹槽116的反面形式并成為基板57的一部分。
這樣這些磁軛徑向明確地固定，可以確保與轉(zhuǎn)子12距離相等(氣隙恒定)，因?yàn)檩S承54也座落在基板57之上。帶有這些部件電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
功能模式當(dāng)電機(jī)連到一電壓為Un的電源上時(shí)，由于霍爾傳感器31輸出的信號(hào)水平，一控制電壓施加到晶體管21的門(mén)電極上，主線圈112Y通有電流并從圖1中所示開(kāi)始位置通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)w角至磁極111Y-121一致的一個(gè)位置吸引轉(zhuǎn)子12。這樣它從磁極相對(duì)相Y的相對(duì)位置至一相似的位置，但此次與相X相對(duì)。
在到達(dá)此位置之前，霍爾傳感器31輸出的邏輯水平發(fā)生變化，這樣晶體管21X導(dǎo)通而21Y截止。
上述操作重復(fù)進(jìn)行而轉(zhuǎn)子相對(duì)纏繞的磁軛連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)一特定所需的轉(zhuǎn)數(shù)可以取得很高的性能，而且此裝置簡(jiǎn)單并帶有可使用多次的零件進(jìn)行工作，因此適合于自動(dòng)組裝。
權(quán)利要求
1.一種電子開(kāi)關(guān)式磁阻裝置、尤其是一種電子開(kāi)關(guān)式直流電機(jī)，帶有互相獨(dú)立的U形磁軛，磁軛支撐線圈并顯示磁板，所述磁極通過(guò)一氣隙與一可動(dòng)未纏繞的部分一起工作，所述未纏繞部分具有凸出的磁極，所述凸出的磁極大約具有U形磁軛磁極的尺寸，其中這些磁極的尺寸大約相當(dāng)于兩個(gè)協(xié)同的磁極之間的距離，而U形磁軛與兩個(gè)繞180°電補(bǔ)償?shù)南嘞噙B，所述相通過(guò)至少一個(gè)功率半導(dǎo)體供有電流，而一個(gè)相的去磁能量由一個(gè)二極管傳到另一相上，其特征在于，其可動(dòng)部分(12)移動(dòng)的電磁磁軛(11)的數(shù)量至少為6而固定部分(11)的磁極(111)安裝成來(lái)自與第一相(X)的磁軛(11X)的磁極(111X)重迭的可動(dòng)部分的磁極(121)在隨后相(Y)的相應(yīng)的磁極(111Y)的磁力作用下立即吸過(guò)來(lái)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，磁軛(11)支撐兩個(gè)主線圈(P)以及次級(jí)線圈(S)，它們構(gòu)成兩個(gè)彼此絕緣的平行導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，這里使用由板狀迭片組成的磁軛，分別支撐兩個(gè)線圈。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它具有由金屬帶制成的線圈。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它的設(shè)計(jì)頻率使得為重量特定的傳送功率最大。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它裝有安裝在轉(zhuǎn)子(12)兩側(cè)例如轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)和外側(cè)上的電磁磁軛(11)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，磁軛(11)安裝成磁路的對(duì)稱(chēng)平面為軸向。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它由兩個(gè)并排安裝的裝置有磁性地組成，這兩個(gè)裝置補(bǔ)償約一半的開(kāi)關(guān)增量(w/2)并且有相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，磁軛(11)可以安裝成不均勻且不安裝在繞轉(zhuǎn)子回路的整個(gè)周邊上。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它可以用做內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)器/電功率發(fā)電機(jī)。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它以電機(jī)的方式工作，在可動(dòng)側(cè)以及固定側(cè)其形狀為一個(gè)圓弧段。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，它設(shè)計(jì)成一直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
全文摘要
此開(kāi)關(guān)式磁阻裝置在定子一側(cè)至少具有6個(gè)磁軛(11)。這些磁軛沿圓形設(shè)置且支承線圈(112)。這些磁軛(11)可以放置在轉(zhuǎn)子(12)的內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)。這些彼此隔磁的磁軛與轉(zhuǎn)子(12)的凸出的磁極(121)相互作用。此裝置的兩相(X,Y)由一霍爾傳感器(31)差動(dòng)控制。這樣電路就很簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H02K29/03GK1248353SQ97180778
公開(kāi)日2000年3月22日 申請(qǐng)日期1997年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月20日
發(fā)明者揚(yáng)丘·倫古 申請(qǐng)人:揚(yáng)丘·倫古