CN110476350B - 电机驱动器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动电机和使用电动电机的方法，所述电动电机包括多个感应线圈。所述感应线圈可配置为双向地传导电流。所述感应线圈的端子可耦合至电源总线上的共同节点，所述电源总线耦合至电源。从所述电源总线在第一感应线圈中流动的电流可很大程度上由从第二感应线圈返回至所述电源总线的电流抵消。

Description

电机驱动器及其操作方法

技术领域

本公开整体涉及电动电机。更特别地，本公开涉及电动电机的线圈驱动器电路。

背景技术

在具有线圈绕组作为其定子的一部分的的电动电机(诸如开关磁阻电动电机)中，常见的是，电动电机由三相电源供电并且将AC波形施加至线圈绕组以控制该电机的操作。一些电动电机是利用多个相位创建的，但是创建这种多相位电动电机的显著因素为相位驱动器电子器件的成本。在常规电机中，脉宽调制(PWM)电压控制器(通常以H桥拓扑结构布置以双向地驱动电机线圈)耦合至大电源，并且驱动电机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，需要多个线圈驱动器电路的多相位电机根据现代技术制造是昂贵的。

另外，当以全设计输出功率水平工作时，常规电机通常仅以其最高效率操作。已知的是提供可变输出驱动器电路以允许电机以减小的输出功率水平工作，但电机效率然后由于较小磁场的较低效耦合而显著地减小。因此，为维持合理效率，这种电机必须在其设计点附近的狭窄范围内工作，并且机械齿轮箱和传动系统(甚至一些具有多个电机)必须用于在输出水平的较宽范围内维持效率。这种配置为昂贵的和机械复杂的。

此外，供给至电动电机的显著部分电力通常由泄漏或欧姆损耗消耗。例如，无线形成感应线圈和将电流从电源供给至感应线圈的电线通常促进欧姆损耗，该欧姆损耗削弱了电源效率和冷却。

发明内容

简而言之，特定实施方式涉及一种电动电机，该电动电机包括：电机驱动电路；电源总线，包括共同节点；多个线圈，每个线圈包括耦合至电机驱动器电路的第一端子和耦合至共同节点的第二端子；以及电源，包括耦合至共同节点的第一端子和耦合至电机驱动器电路的第二端子。

另一特定实施方式涉及一种方法，该方法包括：将电压源从电源的第一端子耦合至电源总线的共同节点；以及在多个线圈的每个线圈的第一端子和第二端子之间传导双向电流，该多个线圈的第一端子耦合至电机驱动器电路，并且该多个线圈的第二端子耦合至共同节点。

应当理解，前述实施方式仅为示例实施方式，并且所要求保护的主题不必然地限于这些示例实施方式的任何特定方面。

附图说明

所要求保护的主题在本说明书的结论部分特别地指出并且明确地声明。然而，关于组织和/或操作方法两者，连同其目标、特征、和/或优点，通过在阅读附图的情况下参考以下具体实施方式可最佳地理解，其中：

图1A示意性地示出了一个示例实施例中的具有两个定子部的开关磁阻电机；

图1B为根据实施例的电动电机电路的示意图；

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；

图3示出了根据实施例的图2的电路中的升压信号和降压信号用于引起定子线圈电流变化；

图4示出了一个示例实施例中的两个线圈驱动器电路和伴随的电流的四相位操作；

图5A示意性地示出了一个示例实施例中的形成驱动器电路的一部分的开关电感升压电压转换器电路；

图5B示意性地示出了一个示例实施例中的形成驱动器电路的一部分的开关电感降压电压转换器电路；

图6示意性地示出了一个示例实施例中的驱动器电路；

图7示出了一个示例实施例中的开关磁阻电动电机的端视图；

图8A示出了一个示例实施例中的定子线圈组的六阶段控制操作；

图8B示出了根据一个实施例的用于操作两个定子线圈的电源负载的净电流；

图9示出了相比于仅提供单向电流的配置的由一个示例实施例的双向线圈驱动器电路供电的开关磁阻电机的磁场密度的模拟；

图10A示意性地示出了一个示例实施例中的用于向转子提供相对于定子的旋转位置信息的三个光学传感器在电动电机中的放置；

图10B示出了图10A所示的三个光学传感器的六个可能光学传感器输出的集合；

图11示意性地示出了在两个示例实施例中电机线圈中的磁场极性如何反转的示例；

图12A为一个示例实施例中的包括六个电动电机线圈驱动器电路的驱动器板的示意图；

图12B为根据一个可选实施例的包括六个电动电机线圈驱动器电路的驱动器板的示意图；

图13A和图13B为根据可选实施例的电源和电机线圈之间的电流的曲线图；

图14示意性地示出了包括如图12A和图12B的可选实施例所示的八个驱动器板的开关磁阻电动电机驱动器设备；

图15示意性地示出了在一个示例实施例的方法中所采取的一系列步骤；

图16示意性地示出了一个特定示例实施例中的用于对汽车的车轮供电的一个示例实施例的电机系统；和

图17示意性地示出了其中通过将制动盘适配于机动车中来提供电机系统的示例实施例。

具体实施方式

在下述具体实施例中参考形成其一部分的附图，其中，在整个说明书中，相同标号可指示相同部件，这些部件为等同、类似或相似的。将理解，附图不必然地按比例绘制，诸如出于说明的简便性和/或清楚性。例如，一些方面的维度可相对于其它夸大。另外，应当理解，可利用其它实施例。此外，可做出结构和/或其它变化，而不脱离所要求保护的主题。本说明书中对“所要求保护的主题”的引用是指旨在由一个或多个权利要求或其任何部分所涵盖的主题，并且不必旨在指代完整权利要求集、权利要求集的特定组合(例如，方法权利要求，设备权利要求等)，或特定权利要求。还应当指出，方向和/或参考(例如，诸如上，下，顶部，底部等)可用于有利于附图的讨论，并且不旨在限制所要求保护的主题的应用。因此，下述具体实施方式不视为限制所要求保护的主题和/或等同物。

在本说明书中，对一种实施方式、实施方式、一种实施例、实施例等的引用是指，相对于特定实施方式和/或实施例所描述的特定特征、结构、特性等包括在所要求保护的主题的至少一种实施方式和/或实施例中。因此，例如此类短语在本说明书中各处的出现不必旨在指代相同实施方式和/或实施例，或任何一种特定实施方式和/或实施例。此外，应当理解，所描述的特定特征、结构、特性等能够以各种方式组合于一种或多种实施方式和/或实施例中，并且因此处于预期权利要求范围内。然而，这些和其它问题具有在特定使用上下文中改变的可能性。换句话讲，在本公开中，描述和/或使用的特定上下文提供了关于待得到的合理推论的有益引导；然而，同样，在无进一步限定的情况下，“在该上下文中”指代本公开的上下文。

根据实施例，电动电机包括从电源接收电力的多个感应线圈。形成感应线圈的电线和将电力从电源供给至感应线圈的电线可带来欧姆损耗，该欧姆损耗削弱了电动电机的电力效率并且有助于加热。本文所描述的特定实施方式涉及减少此类欧姆损耗并且由较便宜的布线构造电动电机。

根据实施例，电动电机可包括电机驱动器电路、电源总线(其包括共同节点)，和多个感应线圈。每个感应线圈可包括耦合至电机驱动器电路的第一端子和耦合至共同节点的第二端子。电机还可包括电源，该电源具有耦合至共同节点的第一端子和耦合至电机驱动器电路的第二端子。通过将多个线圈的端子耦合至电源总线上的共同节点，电源可将电力以减小的电流水平(例如，通过维持共同节点处的设定电压)提供至多个线圈。这可使得能够利用较少电线来将电源连接至多个电机线圈，并且可使得与将电力供给至电动电机的线圈相关联的欧姆损耗能够减少。

图1A示意性地示出了一个实施例中的开关磁阻电动电机系统10。电动电机包括转子部12，转子部12被配置成在两个定子部14和16内旋转。转子部被配置成具有形成纵向脊部的十六个转子齿，该纵向脊部径向向外延伸并且沿着转子部的长度运行通过两个定子部14和16。每个定子部被配置成具有形成纵向脊部的二十四个定子齿，该纵向脊部向内延伸并且也沿着每个定子部的长度运行。每个定子齿缠绕有线圈，该线圈包括大量的匝(在该示例中，大约两百个)。在图1A所示的实施例中，在转子齿上不存在线圈，因为通过对定子齿线圈供电所生成的磁场通过这些磁场在转子上的作用而引起电机旋转。

电动电机系统10还包括定子线圈驱动器电路20，定子线圈驱动器电路20被配置成由相关控制电路22控制。电源24耦合至电机的定子线圈驱动器电路和定子线圈两者。因此，在定子线圈和电源24之间以及定子线圈和定子线圈驱动器电路20之间可存在电流。这种布置的意义根据进一步的图的描述将变得显而易见。

图1B示意性地示出了其中电动电机线圈23(例如，定子线圈)的端子在共同节点处耦合至至电源总线26以根据开关磁阻电动电机系统10的特定实施方式从电源24接收电力的实施方式。如下文所讨论，电动电机线圈23可传导在驱动器电路21和电源总线26之间流动的双向电流(例如，如参考图3和图8A所描述)。此外，传导通过不同电动电机线圈23的双向电流可为非同相的。换句话讲，虽然第一电动电机线圈23可从电源总线26汲取电流，但是第二电动电机线圈可将电流供给或返回至电源总线26。如图8A所示，例如，通过定子线圈1和4的电流为非同相的。例如，电流在定子线圈1中流动的方向与电流在定子线圈4中流动的方向相反。因此，在实施例中，将定子线圈1和定子线圈4的端子耦合至电源总线26的共同节点可显著地使得流入和流出共同节点的电流的至少一部分的抵消。虽然电源24可以将电源总线26维持在特定电压(例如，150V DC)，但是通过电线28的净电流可为极小的，电线28将电源连接至电动电机线圈和驱动器电路21。这可使得欧姆损耗能够减少，该欧姆损耗与提供电力以操作开关磁阻电动电机系统10以及利用较少电线和/或电线28的较便宜布线来连接电源24相关联。

图2示意性地示出了根据实施例的与单个定子线圈相关联的定子线圈驱动器电路的特定主要部件。实质上，图2所示的电路可包括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。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，并且开关电感器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器降压电压转换器电路共享存储电容器38。每一个还经由输入节点44连接至定子线圈40，定子线圈40由该电路和电源42驱动。升压开关32和降压开关36的控制信号(即，分别为升压信号和降压信号)可由控制电路生成(其在此由图1A所示的同一控制电路22表示)。

在操作中，图2的示例实施例的升压信号和降压信号由控制电路22以互相排斥方式进行断言以使得能够对定子线圈40供电，并且此外进行双向驱动，其中首先引起电流单向地流过定子线圈(在“升压”操作期间)并且然后相反地流过定子线圈(在“降压”操作期间)。断言使得升压开关32能够闭合(导通)的升压信号使得电源42所提供的电源电压能够施加至定子线圈40。将升压信号断言合适时间段，直至定子线圈中的电流生成充分磁场以用于电机的操作。当升压信号关断(打开升压开关32)时，随着能量从线圈耗散，电流可继续流动(经由升压二极管30)。从定子线圈40所耗散的能量可通过对存储电容器38进行充电来收集。这使存储电容器迅速地升压至静态电压，该静态电压关断线圈中的的电流。

存储在存储电容器38中的该“升压电压”然后可用于在相反方向上激励定子线圈40。当需要时，断言降压信号以引起降压开关36闭合(导通)，并且先前升压电压可在与升压相位的方向相反的方向上施加(经由降压二极管34)至定子线圈40。

图3示出了图2所示电路的循环操作，其中定子线圈电流首先通过升压信号的断言在一个(例如，正)方向上进行驱动，此后定子线圈电流通过降压信号的断言在另一(例如，负)方向上进行驱动。需注意，降压信号的断言不发生，直至定子线圈电流已降至零。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，从而使得切换装置中的电力耗散十分小。如参考图5A、图5B和图6所示的实施例更详细地所讨论，这意味着，较轻质开关(例如，MOSFET，取代更昂贵IGBT)可用作电路中的开关。

本技术相对于驱动电动电机定子线圈的特定优点可从图4看出，图4示出了在一个实施例中驱动两个定子线圈的四相位过程。两个定子线圈各自耦合至共享(DC)电源并且耦合至其自身相应线圈驱动器电路。

在第一相位，两个电机线圈充电，但在相反方向上。第一电机线圈以来自共享电源的第一极性的电流进行充电，并且第二电机线圈以来自第二驱动器电路的存储电容器的第二(相反)极性的电流进行充电。在该图所给出的实施例中，来自电源的1.6A提供至第一线圈，同时来自第二驱动器电路的存储电容器的1.3A经由第二线圈返回至电源。因此，对于净0.3A电源负载，实现了对应于2.9A的总线圈斜升(sum coil ramp up)。

在第二相位，两个电机线圈被放电，同样在相反方向上。第一电机线圈被放电至第一驱动器电路的存储电容器中，并且第二电动电机线圈被放电至共享电源。在该图所给出的示例中，1.6A从第一线圈流入第一驱动器电路的存储电容器，同时来自第二线圈的1.3A返回至电源。因此，对于从-1.3A降至零的净电源负载，实现了2.9A的总线圈斜降。

在第三相位，两个电机线圈被再次充电，但在第一相位的相反方向上。第一电机线圈以来自第一驱动器电路的存储电容器的第二极性的电流进行充电，并且第二电机线圈以来自共享电源的第一极性的电流进行充电。在该图所给出的示例中，来自第一驱动器电路的存储电容器的1.3A经由第一线圈返回至电源，同时来自电源的1.6A被提供至第二线圈。因此，对于净0.3A电源负载，实现了对应于2.9A的总线圈斜升。

最后，在第四相位，两个电机线圈再次被放电。第一电机线圈被放电至共享电源，并且第二电动电机线圈被放电至第二驱动器电路的存储电容器中。在该图所给出的示例中，来自第一线圈的1.3A返回至电源，同时1.6A从第二线圈流入第二驱动器电路的存储电容器。因此，对于从-1.3A降至零的净电源负载，实现了2.9A的总线圈斜降。

在一个实施例中，参考图5A、图5B和图6给出了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中单独地表示，同时开关电感降压电压转换器电路在图5B中单独地表示，并且在图6中示出了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两者的组合驱动器电路。

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，同时存储电容器(CSTORE)由33μF电容器52提供。需注意，除了升压二极管(D1)54之外，该实施例中还提供了两个另外的二极管D2 56和D3 58。升压电压转换器电路耦合至定子线圈60和150V DC电源62。

关于图5B的开关电感降压电压转换器电路，重要的是注意，存储电容器(CSTORE)为如图5A所示的同一33μF电容器52。如图5A和图5B所标记，横穿电容器52所形成的电压可视为图5A的开关电感升压电压转换器电路的输出，并且可视为图5B的开关电感降压电压转换器电路的输入。另外，降压电压转换器电路耦合至同一定子线圈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，该实施例中还提供了两个另外的二极管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合至降压开关(PMOS 64)的栅极的基准电路。该基准电路包括NMOS 72、电阻器74、76和78(R7、R8和R9)、电容器80和82(C2和C3)以及二极管84(D7)。

在该实施例中，参考图6给出完全驱动器电路(以组合配置方式示出了其开关电感升压电压转换器电路和其开关电感降压电压转换器开关)的配置的更多细节。图6的驱动器电路的组件具有与图5A和图5B所示的组件相同的附图标号，因为这些后者独立表示仅单独地示出以强调完全驱动器电路的每个组件所属于的相应部分。

该实施例所提供的各种额外二极管(例如，除了图2所示的升压二极管和降压二极管之外)可用于多种目的，但是它们所起到的整体特定作用是使得切换装置(例如，升压开关50和降压开关64)由极其便宜的MOSFET装置(比如说，取代非常昂贵的IGBT装置)提供，而不论对于电机所需的电机线圈和电源电压的大小(例如，35mH线圈和150V DC电源)。与以这种类型的配置操作电机相关联的大EMF和快速电压变化具有引起损害电压和栅阶的可能性(当认为断开时使它们接通)。因此，这些二极管可用于电路中以提供保护开关的电力阻断。二极管还可用于使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分离，使得一者的操作不具有损害另一者的组件的风险。例如，置于降压电压转换器电路中的PMOS64的任一侧的二极管68和70(D5和D6)的组合可防止从线圈所放电的电流的电力使该PMOS在驱动器电路的操作的“升压”模式期间接通和断开(并且从而不利地影响该升压模式的正确操作，并且具有损害降压电压转换器电路的其它组件的风险)。

需注意，晶体管64被提供为PMOS(如相对于较便宜的NMOS)装置，因为当处于“降压”操作模式并且通过电感(线圈)降压至电源时，电感器(定子线圈60)拉电流通过降压二极管66，从而使开关下降至接地以下的一个二极管。这在将PMOS用于晶体管64时起作用，因为其只在漏极上增加稍微多些压降。NMOS装置原理上可用，但由于前述低于接地的下拉(其将处于NMOS装置的源极上)，将需要额外电路来以低于接地水平提供其栅极电压，因为否则当电感器(定子线圈60)放电时其无法断开。

此外，电路中的二极管提供了整流功能以使摆动(振荡)整流，当从大电感器驱动大电容器时将以其它方式强力地发生该摆动。

电容器80和82(C2和C3)可提供用于抑制电路中的噪声，该噪声可以其它方式影响降压开关(PMOS 64)的栅极的切换稳定性，该晶体管的栅极由于其至存储电容器52的连接(尽管经由二极管70和84(D6和D7))特别地易受此类噪声的影响。电容器80和82还形成基准电路的一部分，该基准电路还显著地包括电阻器74、76和78(R7、R8和R9)以及NMOS晶体管72。该基准电路的提供使得降压信号(BUCK)能够参考接地(GND)并且使得降压开关64的栅极信号能够参考存在于存储电容器52的上侧(如图6所示)的电压。因此，由于设定正确源极-漏极阈值电压(相对于存储电容器上所见的电压)，数字(低电压)BUCK信号的切换能够正确地控制降压开关64的切换。注意，二极管70和84(D6和D7)，电容器80和82(C2和C3)以及电阻器74和76/78(R7和R8/R9)的平行配置使得电路能够在电压和温度变化范围内一致地执行(由于这些组件均在其相应对对于该温度和电压变化将具有的等同响应)。注意，电阻器76和78(R8和R9)逻辑上可视为形成单个电阻器，然后它们在该示例实施例中出于较低成本和大小以及改进的电力耗散的原因提供为两个不同组件。二极管70和84(D6和D7)的提供还减少了需要由基准电路的其余部分提供的栅极压降，从而进一步减少电阻组件的成本，该电阻组件需要明确地提供(因为它们具有较低功率要求)并且允许电压范围更容易地被处理。

图7示意性地示出了一个示例实施例中的定子部的齿状物和转子部的径向视图。在该实施例中，对于定子部的线圈(未示出)的控制被布置成使得6个定子齿组被放置在一起并且对于每组所断言的循环控制序列运行通过六个阶段，对应于该组中的六个定子齿。

该实施例的另一特征(下文参考图12A和图12B更详细地讨论)为，与组中的每个定子线圈相关联的驱动器电路被提供在共享控制电路和单个DC电源的一个板上，使得产生以“降压模式”工作的一个驱动器电路以及以“升压模式”操作的共享相同电源的另一驱动器电路的上述益处。图7还示出了六阶段循环中的一个阶段的快照，其中该实施例中的每组的第一定子线圈(该图中标记1)当前在第一方向(升压模式)上供电，其中定子齿中所诱导的所得磁场径向向内取向向北(N)并且径向向外取向向南(S)，同时该实施例中的每组的第四定子线圈同时相反地供电(降压模式)，使得定子齿中所诱导的磁场径向向内取向向南(S)并且径向向外取向向北(N)。驱动该电动电机的定子线圈以成对相反诱导磁力方式继续，其中在下一阶段，定子齿2和5驱动(相对于彼此相反地)，接着是定子齿3和6，然后是定子齿1和4(在与第一相位相对的磁性配置中)等。

仍参考图7，需注意，转子和定子齿的配置(特别地，它们数量比是2：3)得到这样的布置：当一半的转子齿与对应定子齿直接地对准时，另一半的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中心对准)。对于对准的转子/定子齿对，这意味着，在转子齿和定子齿之间仅存在较小空气间隙(例如，小于0.5mm)，这对应于无切向磁场并且因此没有来自电机的输出电力(零力矩)的径向磁场。相反地，该套六个定子齿集合的其它定子齿与对应转子齿的未对准因此可提供高磁阻和高力矩配置(由于未对准定子/转子齿之间的较大空气间隙(例如，大于1.0mm))。尽管在已知开关磁阻电动电机中，可需要转子齿和定子齿之间的部分重叠以将电机保持于其中磁阻对于可接受效率为低的配置(但力矩仍可实现，尽管以低于可能最大值的水平)，但是本电动电机系统通过提供其中可生成较高力矩(通过未对准定子/转子齿)而且其中使生成未利用的磁场所耗用的能量进行再循环的配置而实现力矩和效率之间的改善权衡，从而改善效率。

图8A示意性地示出了驱动器电路中的升压信号和降压信号的相对定时，该升压信号和降压信号提供了对于每组中的六个定子齿集合的上述控制。可看出对于定子线圈1/4，2/5和3/6的上述控制配对，其中每对的定子线圈始终以相对模式(升压/降压)由驱动器电路来驱动，并且所得电流(该图中的三角形波形)始终具有相对极性。需注意，升压信号和降压信号的断言的起始仅当相应电路中的电流为零(或至少可忽略)时开始，以确保相应驱动器电路的组件未受任何残余相对电流损害。当电动电机被配置成处于完全功率配置时，将图8A所示的系列控制信号施加至图7所示的四组定子线圈的每一者；然而，还可能的是，当这些组的定子线圈的至少一者未被供电时，电动电机以较低功率配置工作。这可通过改变所断言的升压和降压控制信号来实现，该升压和降压控制信号继而可通过适当地关断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，应当注意的是，电机工作的速度因此通过所施加升压和降压信号的定时序列(诸如图8A中)来确定，并且不基于电机工作的特定功率水平。功率水平可通过电流脉冲的大小来确定，该电流脉冲来源于所选升压和降压信号持续时间。因此，例如，对于大致类似功率水平，电机可以两个显著不同速度(例如，500rpm和1000rpm)进行工作。旋转速度与工作功率水平的这种独立性增加了用户关于如何操作电机的选择的显著灵活性，从而借助于定时序列而决定旋转速度并且通过选择进行供电的定子线圈组而决定整体工作功率水平。此外，用户具有对于电机的旋转速度的此类直接和独立控制的事实意味着，在许多情况下，所提供的与传统电动电机相关联的传动或变速装置可免除。

图8B示出了根据图8A的实施例的定子线圈1和4的操作。如从图8A可观察，线圈1处于升压状态同时线圈4处于降压模式操作，并且线圈1处于降压模式操作同时线圈4处于升压模式操作。如所示，线圈1和4的端子耦合至电源总线86的共同节点，电源总线86从电源接收负载电流。当线圈1在升压操作期间从电源总线86汲取1.6A电流时，线圈4可将1.3A电流返回至电源总线86，使得从电源汲取了0.3A的净电流。同样，当线圈4在升压模式操作期间从电源总线86汲取1.6A电流时，线圈1可以降压模式操作将1.3A电流返回至电源总线86，使得从电源汲取了0.3A的净电流。如从图8A可观察，线圈2与线圈5，和线圈3与线圈6可发生类似行为：以第一定子线圈的升压模式操作所汲取的电流很大程度上由以降压模式操作的第二线圈所供给的电流抵消。

图9示出了当以与图7相同的径向表示进行观察时的磁场的模拟，该磁场在示例电动电机的一种操作状态中形成。该模拟(示于左手侧)标记为“双向”并且对应于根据本技术的驱动器电路，该驱动器电路用于在相反方向上同时驱动组中的定子线圈对。为了比较，第二模拟(示于右手侧)标记为“单向”并且对应于其中组中的取代的定子线圈对在相同方向上同时进行驱动的配置。磁场符号(以特斯拉为单位)为定子齿之间的空气间隙中出现的符号。当在空气间隙中测量时，可看出(对于双向情况，通过与单向情况的比较)，所得ON场为约25％以上，顶部OFF场为约小9倍小，并且底部OFF场为小近750倍。所增加ON场增加了力矩，并且所减弱的OFF场减小了拖曳。这是由于双向配置在电动电机(特别地在转子部中)中产生增强磁场的事实，该增强磁场进一步提高了该电机系统的效率。

图10A和图10B示出了用于提供转子部相对于定子部的相对位置信息的光学传感器的用途。图10A示出了三个光学传感器100、102、104，它们与定子齿中的三者对准，并且其大小设定成和校准成使得a)当转子齿与光学传感器和定子齿对准时，仅一个光学传感器记录转子齿的存在，和b)随着转子相对于定子部旋转，光学传感器的至多两个记录转子齿的存在。这种配置意味着，利用仅三个光学传感器(最终得到三位的信息(可能在模数转换之后)，取决于所用传感器的类型)，转子对定子的相对取向可确定在3.75度内(例如，对于该特定16个转子齿/24个定子齿示例配置)。此外，不存在其中关于相对转子-定子位置的信息不可用的中间位置，并且因此，无论电机停止的位置，该电机可始终知道被致动以使电机运行的定子线圈。图10B示出了随着转子相对于定子旋转的对应三个光学传感器输出。

在一些示例配置中，电力通过定子线圈的方向和因此所得磁场的方向可通过对线圈的连接的特定配置而得出。图11示出了其中线圈驱动器电路可用于向一对定子线圈两者提供电力的一种示例配置，该对定子线圈可同时为有源的，但在相反方向上进行激活(在该图中，为一组六个线圈中的第一线圈和第四线圈)。第一线圈和第四线圈的绕组在彼此相对的意义上制成，使得针对由线圈驱动器所提供的电力的一种极性，第一和第四定子齿中的相反取向的磁场产生。其它线圈对(例如，与第五线圈配对的第二线圈，或与第六线圈配对的第三线圈)的定子线圈的绕组可类似地在彼此相对的意义上制成。

图12A示意性地示出了一个示例实施例中的驱动器板。该驱动器板提供为其上布置有六个驱动器电路112、114、116、118、120和112(例如，如图6所示进行配置)、控制电路126以及共享DC电源124的单个集成电路板。控制电路单独地向驱动器电路的每个提供升压和降压控制信号。共享DC电源在与六个驱动器电路相同的板上的提供意味着，电流在该板内的上述(例如，相对于图4)大部分移动(如相反于接通和断开该板)被支持。

在图12A的特定实施方式中，可观察到，定子线圈1至6耦合以通过相关驱动器电路从共享DC电源124接收电力。在此，受控电压可独立地维持于定子线圈1至6的每个的端子之间。用以将电流单独地供给至定子线圈1至6的布线可为用以处理峰值电流(例如，1.6A)的仪表，该峰值电流施加至独立定子线圈，如上文在图4所讨论。如图12B的可选实施方式所示，定子线圈1至6的每个的端子连接至电源总线126处的共同节点。在此，如上文所讨论的图8A和图8B所示，来自电源总线的共同节点的电流(其以升压模式操作施加至一个定子线圈)可很大程度上与通过另一定子线圈以降压模式操作返回至共同节点的电流抵消。因此，从共享DC电源124所供给的净电流可为十分小的，从而通过将电流从电源供给至定子线圈的布线而减少欧姆损耗。在图12B的特定实施方式中，用于将电力供给至六个线圈的布线可从十二个电线(例如，根据图12A的实施例，用于耦合至相应驱动器电路的每个线圈两个电线)减少至八个电线：六个电线将线圈的第一端子耦合至相应驱动器电路，并且两个电线将共同节点连接至电源。对于320mA的图12A的实施例的示例电流汲取，图12B的实施方式可将电流汲取减少180mA，从而使得能够减少33％的欧姆布线损耗。图13A和图13B为示出根据特定实施例的供给至定子线圈的电流的曲线图。图13A的电流曲线图132示出了供给至三个线圈(例如，如图8A所示的线圈1、2和3)上的相位的电流。图13B的电流曲线图134示出了供给至三个线圈(例如，如图8A所示的线圈1、2和3)上的相位的电流，该电流与供给至三个额外线圈(例如，如图8A所示的线圈4、5和6)上的相位的电流相组合(例如，在电源总线的共同节点处)。如可观察，曲线图134所示的电流很大程度上由通过额外三个线圈上的相位所供给/返回的电流抵消。在特定示出的实施例中，曲线图132所示的RMS电流从1050mA RMS下降至曲线图134所示的319mA电流。

曲线图134示出了供给至六个线圈的相位的净电流。其它实施例可涉及供给至12或24个线圈的相位的组合电流(例如，从电源总线上的共同节点)以进一步减少曲线图134所示的电流变化。此外，图12B的特定实施方式可通过将电容器(未示出)耦合于电源总线126和驱动器电路的基准节点之间来进一步修改以使曲线图134所示的电流变化平滑。

图14示意性地示出了一个示例实施例中的完整开关磁阻电动电机驱动器设备130，完整开关磁阻电动电机驱动器设备130包括八个驱动器板132(例如，如图12A和图12B所示进行配置)并且因此被配置成控制48个独立定子齿(存在于图1A所示的实施例电机系统中)。整个控制单元134还形成设备130的一部分并且指示八个驱动器板132的高电平操作，例如，从而当电动电机应在较低功率模式下工作并且当每个独立驱动器板耦合至定子线圈组(例如，每个定子部中的象限)(这些定子线圈可关断以实现该低功率模式)时，引起独立驱动器板暂时关断。然而，重要的是理解，由整体控制134和板控制126所提供的驱动器电路控制的组合使得，首先，任何独立驱动器电路可接通或关断而不考虑其它驱动器电路的操作，其次，由每个驱动器电路所提供的对于每个定子线圈的控制完全独立于由任何其它驱动器电路所提供的对于任何其它定子线圈的控制。因此，电动电机驱动器设备130提供对于至多48个驱动器电路和定子线圈的独立控制，尽管鉴于关于定子线圈组和驱动器电路对的上述讨论，电动电机驱动器设备130可被选择成为由于所产生的益处而紧密地链接一些驱动器电路的操作，并且在此类配置中，提供至各种定子线圈的电力的相位可为相同的。

图15示出了根据一个实施例的在一个示例实施例中所采取的一系列步骤，这些步骤示出两个驱动器电路如何工作。在此，两个驱动器电路可控制相应感应线圈的操作，这些感应线圈在共同节点处耦合至电源总线，如上文所讨论。流程可视为在步骤140处开始，其中在第一相位，开关磁阻电动电机的第一定子线圈通过一个驱动器电路以来自电源总线的第一极性(例如，耦合至电源)的电流进行充电，并且第二定子线圈以来自第二驱动器电路的存储电容器的第二(相对)极性的电流进行充电。在步骤142，在第二相位，两个电机线圈放电，第一定子线圈放电至第一驱动器电路的存储电容器，并且第二电动电机线圈放电至共同节点。在步骤144，在第三相位，两个电机线圈被再次充电，但每个电机线圈处于与第一相位相对的方向上。对第一电机线圈以来自第一驱动器电路的存储电容器的第二极性的电流进行充电，并且对第二电机线圈以来自共同节点的第一极性的电流进行充电。最后，在步骤146，在第四相位，两个电机线圈被再次放电。第一电机线圈被放电至共同节点，并且第二电动电机线圈被放电至第二驱动器电路的存储电容器。

图16示意性地示出了电动车辆(例如，机动车)，其中可发现电动电机系统的示例实施例。车辆150具有各自由其自身电机154驱动的四个轮152。每个电机154由相关联驱动器设备156驱动，并且该四个驱动器设备组的整体控制由中央控制单元158维护。在每个电机154内，设置在每个定子齿上的线圈绕组为铝。在机动车辆的上下文中，这是有益的，因为铝相比于铜为大约轻三倍并且便宜约五倍(按重量计)，从而使得其在每单位面积约便宜十五倍(使得其足够便宜以作为可替换磨损项)。在其它实施例中，设置在每个定子齿上的线圈绕组可为铜，或任何其它合适导电金属。

然而，先前针对定子线圈绕组选择铝通常将已拒绝，因为铝每横截面积的电阻高两倍，并且因为铝相比于铜更迅速地振动疲劳。然而，在根据本技术的电动电机系统中，线圈中所需的电流非常低，并且因此功率损耗(根据I²R)由于较高电阻而不重要。实际上，实际上，R的值越高，L/R时间常数越低，并且因此驱动器电路较快地工作。

此外，电机的低成本和其相对于旋转速度的操作灵活性的组合意味着，在图16所示的示例实施例中，在每个轮提供独立电机而非具有相关联变速和传输的一个中央电机是切合实际的。在每个轮处放置此类“便宜”电机(将铝绕组用于定子线圈)使得电机易于作为可替换项(例如，以制动垫的方式)，并且可实现利用廉价铝的益处。

应当理解，至少部分地由于此处从线圈至转子的磁性能量传递的重要性减弱，此类布置也是可能的。这是由于这一事实：本技术意味着未从线圈磁性地传递至转子的磁性存储能量可恢复并且可重新使用。先前在电机中的线圈和转子之间的空气间隙将必须十分小(例如，几分之一毫米)以维持可接受效率(通过从转子至线圈的良好磁性能量传递)的情况下，由于能量的再循环，关于空气间隙的大小的这种约束对于本电机系统为更宽松的。这继而意味着，由于电机对于更宽松(和变化)空气间隙的更大公差，电机可位于更暴露位置。

实际上，图17示出了示例电机实施例，其中机动车轮160具有制动盘162，制动盘162适于形成电机的一部分。制动垫164通过对制动盘162的选择性摩擦力施加而继续执行通常的制动功能，但制动盘162的外边缘166适于提供电机的转子部分(例如，具有模制翼片或轮辐(spoke)以提供可变磁阻)。周围部分168提供定子部分。这样，将“现有”部件与电机相组合对于车辆整体还具有明显重量减小优点。例如，对于常见车轮组件的其它部件(诸如钢轮辋或制动鼓)进行这种适配。先前开关磁阻电机设计通常将无法耐受这种类型的暴露位置的操作(由于其关于电机中的线圈和转子之间的空气间隙的精密敏感性)，从而例如要求空气间隙小于0.5mm，并且通常不设想较昂贵电机以这种方式的暴露。然而，本技术：a)提供相当较便宜电机系统，使得其自身替换为较不显著成本因素；b)允许较低电流配置，使得其构造较便宜，但更多电阻材料(诸如铝)更切合实际；和c)使所用能量再循环，从而使得改进效率并且使得小精密线圈对于转子空气间隙较不显著，例如，允许空气间隙大于1.0mm。

总之，根据上述描述将理解，本文所描述的电动电机系统和其相关联线圈驱动器电路通过使未使用能量再循环而使得能够使用定子线圈中的强磁场以低净功率输出，该未使用能量未从这些磁场转化成旋转能量。由于这种能力并且还借助于能够禁用定子线圈组，电机可以低至极低输入水平来有效地工作。例如，根据所描述原理所构造的原型750W(1马力)电机在其完全输出速度范围内操作，其中输入功率水平低至15.0W(例如，低于其设计功率水平50倍)。除了以低旋转速度操作电机之外(通过大量的相位和转子齿来促进)，这种能力还允许电机以各种输出水平来有效地工作，这可消除各种系统中对于变速箱和/或传动装置的需求。

尽管在本文参考附图详细地描述了本技术的例示性实施例，但是应当理解，这些技术不限于这些精确实施例，并且在不脱离如附属权利要求书所限定的这些技术的范围的情况下，本领域的技术人员可进行各种变化、添加和修改。例如，在不脱离本技术的范围的情况下，利用独立权利要求的特征可进行从属权利要求的特征的各种组合。

Claims (19)

1.一种电动电机，包括：

电机驱动器电路；

电源总线，所述电源总线包括共同节点，其中所述电源总线用于维持所述共同节点处的直流DC电源电压；

多个线圈，每个线圈包括耦合至所述电机驱动器电路的第一端子和耦合至所述电源总线的第二端子；以及

DC电源，所述DC电源包括耦合至所述共同节点的第一端子和耦合至所述电机驱动器电路的第二端子，

其中流入所述多个线圈中的单个线圈的电流的峰值幅值大于在所述共同节点和所述DC电源之间流动的电流的峰值幅值。

2.根据权利要求1所述的电动电机，还包括将所述DC电源的所述第一端子连接至所述共同节点的至少一个第一电线和将所述共同节点连接至所述线圈的所述第二端子的多个第二电线。

3.根据权利要求1或2所述的电动电机，其中，所述电机包括转子和定子，并且其中，所述多个线圈被形成为所述定子的齿上的绕组。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动电机，其中，所述电机驱动器电路包括多个电容器，用于：响应于从所述共同节点流过所述线圈的电流而存储电荷，并且通过所述线圈将充电电流放电至所述共同节点。

5.根据权利要求4所述的电动电机，其中，所述电容器中的至少一个电容器被配置为响应于升压循环而存储来自从所述共同节点流出的电流的电荷，并且被配置为响应于降压循环而放电以供给流入所述共同节点的电流。

6.根据权利要求5所述的电动电机，其中，所述电容器的所述至少一个电容器还被配置为响应于升压信号的移除而存储来自从所述共同节点流出的电流的电荷。

7.根据权利要求6所述的电动电机，其中，所述多个线圈中的至少一个线圈被配置为响应于所述升压信号的施加而充电并且响应于所述升压信号的移除而放电。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的电动电机，其中，所述多个电容器中的至少第一电容器被配置为响应于从所述共同节点流过第一线圈的第一电流而存储电荷，并且其中，所述多个电容器中的第二电容器被配置为通过第二线圈放电以将第二电流供给至所述共同节点，同时所述第一电流从所述共同节点流出。

9.根据权利要求8所述的电动电机，其中，流入所述共同节点的所述第二电流抵消从所述共同节点流出的所述第一电流的至少一部分。

10. 一种方法，包括：

将电压源从直流DC电源的第一端子耦合至电源总线的共同节点，其中所述电源总线用于维持所述共同节点处的DC电源电压；和

在多个线圈中的每个线圈的第一端子和第二端子之间传导双向电流，所述多个线圈的所述第一端子耦合至电机驱动器电路，并且所述多个线圈的所述第二端子耦合至所述电源总线，

其中，流入所述多个线圈中的单个线圈的电流的峰值幅值大于在所述共同节点和所述DC电源之间流动的电流的峰值幅值。

11. 根据权利要求10所述的方法，其中，在多个线圈中的每个线圈的第一端子和第二端子之间传导所述双向电流还包括：

响应于在所述线圈中在第一方向上流动的所述双向电流而将电荷存储在电容器中；并且

响应于在所述线圈中在第二方向上流动的所述双向电流而使电容器放电。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，将电荷存储在电容器中还包括：响应于升压循环而将来自从所述共同节点流出的电流的电荷存储在所述电容器中的至少一个电容器中，并且其中，使电容器放电还包括：响应于降压循环而使所述电容器中的所述至少一个电容器放电以供给流入所述共同节点的电流。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，将电荷存储在所述电容器中的所述至少一个电容器中还包括：响应于升压信号的移除而将来自从所述共同节点流出的电流的电荷存储在所述电容器中的所述至少一个电容器中。

14. 根据权利要求13所述的方法，还包括：

响应于所述升压信号的施加而使所述多个线圈中的至少一个线圈进行充电；和

响应于所述升压信号的移除而使所述多个线圈中的所述至少一个线圈进行放电。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，将电荷存储在电容器中还包括：响应于从所述共同节点流过所述多个线圈中的第一线圈的第一电流而将电荷存储在所述电容器中的至少第一电容器中，并且其中，所述方法还包括：通过所述多个线圈中的第二线圈使所述电容器中的至少第二电容器进行放电以将第二电流供给至所述共同节点，同时所述第一电流从所述共同节点流出。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，流入所述共同节点的所述第二电流抵消从所述共同节点流出的所述第一电流的至少一部分。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述电压源和所述共同节点之间的电流的峰值幅值小于所述双向电流的峰值幅值的一半。

18.一种控制器装置，包括：

多个第一端子，所述多个第一端子中的每个第一端子适于耦合至多个线圈中的相应一个线圈的第一端子；

一个或多个第二端子，适于耦合至直流DC电源；以及

电机驱动器电路，用于控制在所述一个或多个第二端子与所述多个第一端子中的每个第一端子之间流动的电流，以使得所述多个线圈的第二端子耦合至电源总线，所述电源总线包括共同节点，所述共同节点由所述DC电源维持在一DC电压以用于操作电机，

其中，流入所述多个线圈中的单个线圈的电流的峰值幅值大于在所述共同节点和所述DC电源之间流动的电流的峰值幅值。

19.根据权利要求18所述的控制器装置，其中，所述电机驱动器电路包括多个电容器，用于：响应于从所述共同节点流过所述线圈的电流而存储电荷，并且通过所述线圈将充电电流放电至所述共同节点。

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