專利名稱：在轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極之間具有不均勻氣隙的磁阻機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種磁阻機構(gòu)，更具體地說，涉及一種在該磁阻電機的轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極之間具有不均勻氣隙的磁阻機構(gòu)。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻馬達(dá)(switched reluctance motor)是一種包括轉(zhuǎn)子和定子的電動馬達(dá)。磁阻馬達(dá)中的轉(zhuǎn)矩是通過轉(zhuǎn)子總是趨于移動到相對于定子的特定位置產(chǎn)生的，該位置使得磁路的磁阻最小，即，使得勵磁定子繞組的電感最大。在開關(guān)磁阻馬達(dá)里設(shè)置有用于檢測轉(zhuǎn)子角位置以及根據(jù)轉(zhuǎn)子位置依次激勵定子繞組各相的電路。
開關(guān)磁阻馬達(dá)為在定子和轉(zhuǎn)子上均設(shè)有磁極的雙凸極馬達(dá)，其中只在定子磁極上設(shè)有繞組。開關(guān)磁阻馬達(dá)的轉(zhuǎn)子不包括換向器、永磁體或者繞組。開關(guān)磁阻馬達(dá)具有多種用途，例如包括用于真空清潔器。
可以通過針對與某個相位相關(guān)的定子磁極的定子繞組以預(yù)定的順序激勵或者施加電流而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子繞組的勵磁一般與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置同步。磁吸引力產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子磁極和與某個相位相關(guān)的勵磁定子磁極之間，從而使得轉(zhuǎn)子磁極對準(zhǔn)勵磁定子磁極移動。
在一般的運轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)開關(guān)磁阻馬達(dá)的定子繞組每次被勵磁的時候，磁通從與某個相位相關(guān)的勵磁定子磁極，經(jīng)由定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極之間的氣隙，然后流通到轉(zhuǎn)子磁極。經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極之間的氣隙而產(chǎn)生的磁通在該氣隙中產(chǎn)生磁場，該磁場使得轉(zhuǎn)子磁極和與某個相位相關(guān)的勵磁定子磁極對準(zhǔn)地移動，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。磁通的大小，以及開關(guān)磁阻馬達(dá)由此而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的大小取決于很多變量，舉例而言，例如轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極的材料的電磁屬性，轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極之間的氣隙長度。
產(chǎn)生的磁通可以分為生成轉(zhuǎn)矩的主磁通以及漏磁通。主磁通是流經(jīng)轉(zhuǎn)子磁極和激勵定子磁極的磁通。所述主磁通產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩趨向于將磁通流經(jīng)的轉(zhuǎn)子磁極和勵磁定子磁極對準(zhǔn)。開關(guān)磁阻馬達(dá)中的漏磁通是不希望的，因為它直接減小了所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。更具體地，漏磁通使得馬達(dá)產(chǎn)生方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，也稱為制動轉(zhuǎn)矩。眾所周知，對轉(zhuǎn)子極面的改造可能影響開關(guān)磁阻馬達(dá)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。


圖1為包括定子和轉(zhuǎn)子的開關(guān)磁阻馬達(dá)的透視圖；圖2為圖1所示的馬達(dá)的截面圖；圖3為圖1所示的馬達(dá)的定子鐵心的剖視圖；圖4為與圖1所示的馬達(dá)的定子相關(guān)的多個繞線管的透視圖，其中所述繞線管包括位于多個繞線管中的每一個的上部的多個導(dǎo)線保持器；圖5為所述馬達(dá)的上殼體單元的俯視圖，所述馬達(dá)包括用于承接定子的多個繞線管中的每一個的上部的多個第二安裝元件；圖6為圖5所示的多個第二安裝元件中的一個的放大透視圖；圖7為定子和上殼體單元在裝配之前的分解透視圖；圖8為裝配后的安裝于上殼體單元的定子的透視圖；圖9為圖1所示的馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的視圖；圖10為置于定子鐵心內(nèi)部區(qū)域中的圖1所示的馬達(dá)轉(zhuǎn)子的剖視圖；圖11為現(xiàn)有技術(shù)的靠近定子磁極的轉(zhuǎn)子磁極的局部放大視圖；圖12為圖1所示的馬達(dá)的靠近定子磁極的轉(zhuǎn)子磁極的局部放大視圖；圖13A-13B為圖1所示的馬達(dá)的轉(zhuǎn)子磁極在其以順時針方向靠近定子磁極時的局部視圖；圖14為圖1所示的馬達(dá)的下殼體單元的俯視圖，根據(jù)一個實施例，所述下殼體單元包括用于承接所述定子的多個繞線管中的每一個的下部的多個第一安裝元件；圖15為安裝于下殼體單元的圖1所示的馬達(dá)的定子的俯透視圖；圖16為安裝于下殼體單元的圖1所示的馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子的俯視圖；圖17為絕緣構(gòu)件的透視圖，根據(jù)另一個實施例，該絕緣構(gòu)件包括用于承接定子的多個繞線管中的每一個的下部的多個第一安裝元件；圖18為圖17所示的絕緣構(gòu)件的俯視圖；圖19為圖17所示的絕緣構(gòu)件的仰視圖；圖20為圖17所示的絕緣構(gòu)件的側(cè)視圖；圖21為圖1所示的馬達(dá)的多個繞線管中的一個的透視圖，該繞線管置于圖17所示的絕緣構(gòu)件的多個第一安裝元件中的一個內(nèi)；圖22示出用于開關(guān)磁阻馬達(dá)的控制電路的方框圖；圖23示出對應(yīng)于圖22所示的方框圖的控制電路的電路圖；圖24示出用于圖22所示的控制電路的光傳感組件的電路圖；圖25示出用于圖22所示的控制電路的電壓調(diào)節(jié)器的電路圖；圖26示出使用圖22所示的控制電路來操縱無刷馬達(dá)的流程圖；圖27A和27B示出用來對向定子繞組的電力供給的開關(guān)和換向進行同步的一些步驟；圖28示出開關(guān)磁阻馬達(dá)在開始的1.5轉(zhuǎn)時的低速模式中的啟動波形；圖29還示出低速模式例行程序下的多個波形；圖30和31示出高速模式例行程序下的波形；圖32示出用于確保接收自開關(guān)磁阻馬達(dá)中轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號的正確性的某些步驟；圖33示出從開關(guān)磁阻馬達(dá)中的轉(zhuǎn)子位置傳感器接收到的三個波形。
具體實施例方式
參見圖1-2，開關(guān)磁阻馬達(dá)10可以構(gòu)造為多個子組件的封裝或者單元，每個子組件可以單獨預(yù)裝配，然后在制造過程期間再組裝到一起。更具體地說，馬達(dá)10可以包括上殼體單元12、下殼體單元13、定子14、轉(zhuǎn)子16、驅(qū)動組件18、第一端蓋20以及第二端蓋22。上殼體單元12和下殼體單元13均可以為環(huán)形形狀，其中第一端蓋20和上殼體單元12相連接，第二端蓋22和下殼體單元13相連接。如圖1-2所示，上殼體單元12、下殼體單元13、定子14、轉(zhuǎn)子16、驅(qū)動組件18、第一端蓋20和第二端蓋22中的每一個都可以被組裝成單一的封裝或者單元。
上殼體單元12可包括多個孔24，其用于承接多個緊固件26，從而在裝配期間將上殼體單元12固定到定子14。但是可以理解的是，上殼體單元12可以采用任何其它合適的方式固定于定子14，舉例而言，例如通過夾具、安裝支架/凸緣，或者類似。
參見圖3，定子14可以構(gòu)造為正方形結(jié)構(gòu)，在定子14的四個角處設(shè)有斜置部分或者斜切部分27。但是可以理解的是，定子14還可以具有其它的結(jié)構(gòu)，舉例而言，例如圓形結(jié)構(gòu)、橢圓形結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)，或者類似。
定子14包括一定子鐵心(stator core)28、多個等間隔的定子磁極30以及置于定子鐵心28上的定子繞組32(圖7-8和10)。定子鐵心28包括限定中心孔34的內(nèi)表面。定子鐵心28可以通過由諸如鋼的鐵磁性材料制成的多個疊片或者疊片結(jié)構(gòu)而模壓或形成。在定子鐵心28中可使用疊片來控制渦流，從而避免定子鐵心28過熱。定子疊片結(jié)構(gòu)可以以傳統(tǒng)的方式疊放并被布置成背對背的結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，多個等間隔的定子磁極30圍繞定子鐵心28沿著周界路徑布置?？梢岳斫獾氖?，定子磁極30和定子鐵心28可以作為一個整體部件形成。在如圖3所示的實施例中，定子14包括從定子鐵心28朝著中心孔34向內(nèi)凸出并且沿著周界間隔開的四個定子磁極30a、30b、30c和30d。定子磁極30a-d可以協(xié)作以限定向內(nèi)開口的槽36，每個所述開口槽36在定子繞制操作期間承接導(dǎo)線線圈。每個定子磁極30a-d包括在其向中心孔34突出的端部處的定子極面38。定子極面38可以大致為凸面形狀。
定子繞組32是傳統(tǒng)的并且例如可以為預(yù)繞制成線圈并置于繞線管39(圖4)上的涂覆聚酯的導(dǎo)線或者磁性導(dǎo)線。
參見圖4，可置于每個定子磁極30上的繞線管39包括前板40a和與前板40a間隔開的后板40b。前板40a和后板40b通過連接構(gòu)件41連接在一起，從而限定延伸穿過繞線管39的開口42。在定子繞組操作期間，可以圍繞多個繞線管39中的每一個的前板40a和后板40b之間的連接構(gòu)件41來繞制定子繞組32。繞線管39用作定子繞組32和定子鐵心28之間的絕緣屏障。然后，包括每定子磁極30大約95匝導(dǎo)線的每個預(yù)繞制的繞線管39圍繞單獨的定子磁極30而放置，從而使每個定子磁極30延伸穿過繞線管39的開口42，同時定子極面38與前板40a的外側(cè)43齊平。結(jié)果，多個預(yù)繞制的繞線管39中的每一個的前板40a和后板40b的側(cè)面均徑向向外延伸進入定子14的槽36。
多個繞線管39中的每一個可以進一步包括位于多個繞線管39中的每一個的后板40b上部處的導(dǎo)線保持器44。如圖4所示，每個導(dǎo)線保持器44可包括位于多個繞線管39中的每一個的后板40b上部對側(cè)的叉狀結(jié)構(gòu)45。每個叉狀結(jié)構(gòu)45包括凹槽46，其用于在定子繞組操作期間，承接置于多個繞線管39的每一個上的定子繞組32的端48。
每個叉狀結(jié)構(gòu)45可進一步包括外部分50和置于外部分50之內(nèi)的內(nèi)部分52。外部分50可以由舉例而言諸如塑料的非導(dǎo)電材料構(gòu)成?？砂ò疾?6的內(nèi)部分52可以由舉例而言諸如金屬的導(dǎo)電材料構(gòu)成。內(nèi)部分52的導(dǎo)電材料用于在導(dǎo)電的內(nèi)部分52和置于多個繞線管39中的每一個上的定子繞組38的端頭48之間提供電連接。
參照圖5-8，示出了馬達(dá)10的上殼體單元12。上殼體單元12包括置于上殼體單元12的內(nèi)部區(qū)域55中的多個上安裝元件54。在裝配期間，多個上安裝元件54中的每一個與置于定子磁極30上的繞線管39的上部接合。多個上安裝元件54用來緊固多個繞線管39中的每一個的上部，以防止其在馬達(dá)運轉(zhuǎn)期間移位。如圖5所示，導(dǎo)線引線56a-d置于多個上安裝元件54的每一個中，并通過連接端子57電連接在一起。更具體地說，導(dǎo)線引線56a通過連接端子57連接到導(dǎo)線引線56c。同樣地，導(dǎo)線引線56b通過連接端子57連接到導(dǎo)線引線56d。如下面將更為詳細(xì)討論的，連接導(dǎo)線引線56a-d的方式使得當(dāng)定子14在裝配期間被安裝于上殼體單元12時，置于定子磁極30a上的定子繞組32與置于定子磁極30c上的定子繞組32并聯(lián)地電連接。同樣地，當(dāng)定子14在裝配期間被安裝于上殼體單元12時，置于定子磁極30b上的定子繞組32與置于定子磁極30d上的定子繞組32并聯(lián)地電連接。
參照圖6，示出了多個上安裝元件54的其中一個的放大透視圖。如圖6所示，圖5中的每一個導(dǎo)線引線56置于上安裝元件54的導(dǎo)體砧座58之中，并被牢固地固定于適當(dāng)位置。導(dǎo)體砧座58在本領(lǐng)域中是眾所周知的，所以在此不作進一步的討論。
圖7為定子14和上殼體單元12在裝配前的分解透視圖。如圖7所示，當(dāng)在裝配期間將定子14安裝到上殼體單元12時，與置于定子磁極30上的繞線管39相關(guān)的多個導(dǎo)線保持器44與多個上安裝元件54相接合。更具體地說，當(dāng)在裝配期間將上殼體單元12安裝到定子14上時，對于與置于每個定子磁極30上的繞線管39相關(guān)的每個導(dǎo)線保持器44，其所關(guān)聯(lián)的叉狀結(jié)構(gòu)45適于匹配地與上殼體單元12的多個上安裝元件54中的每一個接合。采用這種方式，與繞線管39的每個導(dǎo)線保持器44相關(guān)的叉狀結(jié)構(gòu)45與多個上安裝元件54中的每一個接合，從而緊固繞線管39以防止其在馬達(dá)運轉(zhuǎn)期間移位，并且由此消除或者減少了在馬達(dá)運轉(zhuǎn)期間為使繞線管39固定在合適位置而對額外硬件的需要。
在上殼體單元12被安裝到定子14之后，置于多個上安裝元件54中的導(dǎo)線引線56a-d電連接到置于定子磁極30a-d上的定子繞組32。因為導(dǎo)線引線56a和導(dǎo)線引線56c并聯(lián)地電連接，置于定子磁極30a上的定子繞組32和置于定子磁極30c上的定子繞組32并聯(lián)地電連接，以形成一相。同樣地，因為導(dǎo)線引線56b和導(dǎo)線引線56d并聯(lián)地電連接，置于定子磁極30b上的定子繞組32和置于定子磁極30d上的定子繞組32并聯(lián)地電連接，從而形成另外一相。圖8為裝配后的安裝于定子14的上殼體單元12的透視圖。
參見圖9-10，轉(zhuǎn)子16可包括轉(zhuǎn)子鐵心60和多個等間隔的疊片式轉(zhuǎn)子磁極62。轉(zhuǎn)子鐵心60置于中心孔34內(nèi)并與軸64相連(圖1-2)。軸64通過軸承66安裝，用于與定子14同心地旋轉(zhuǎn)。軸64延伸穿過轉(zhuǎn)子鐵心60并與槽盤71相連接。如下文將更詳盡論述的，當(dāng)槽盤71旋轉(zhuǎn)時，就可以確定轉(zhuǎn)子16的角位置。軸64也連接到負(fù)載，例如真空清潔器(未示出)或者其它被驅(qū)動設(shè)備的扇頁。轉(zhuǎn)子鐵心60可以由諸如鋼的鐵磁性材料制成的多個疊片或者疊片結(jié)構(gòu)模壓或形成。轉(zhuǎn)子疊片結(jié)構(gòu)可以采用傳統(tǒng)的方法疊放在一起并被布置成背對背的結(jié)構(gòu)。
如圖9-10所示，多個轉(zhuǎn)子磁極62沿著圍繞轉(zhuǎn)子鐵心60的周界路徑布置。轉(zhuǎn)子磁極62從軸64徑向地向外突出，以便于轉(zhuǎn)子16在定子14的中心孔34中旋轉(zhuǎn)。
公知的是，穿過馬達(dá)10的被激勵定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62之間的氣隙而產(chǎn)生的磁通量，導(dǎo)致被激勵定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62之間的吸引力。該吸引力的大小取決于許多變量，舉例而言，例如，定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62的材料的電磁屬性，以及被激勵定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62之間的氣隙的大小。進一步公知的是，隨著由被激勵定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62形成的磁路的磁阻(相當(dāng)于電阻)減小，被激勵定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62之間的吸引力增大。換句話說，與磁路的氣隙相關(guān)的低磁導(dǎo)率屬性代替了與轉(zhuǎn)子鐵心60相關(guān)的鐵磁材料的高磁導(dǎo)率屬性。通過減小被激勵定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62之間的氣隙尺寸而減小氣隙的磁阻，接著，就可以增大了氣隙中的磁通量密度，從而實現(xiàn)產(chǎn)生最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的角度。此外，通過將氣隙的一部分(即低磁導(dǎo)率介質(zhì))替換為鋼(即高磁導(dǎo)率介質(zhì))，并保持磁場強度不變，就增加了被激勵定子磁極30和轉(zhuǎn)子磁極62之間的氣隙的磁通量密度，這是基于以下方程B＝Hμ(方程1)其中，B為磁通量密度；H為磁場強度；以及
μ為磁導(dǎo)率屬性。
增加氣隙中的磁通量密度(也即增大所述力)就增大了轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)矩，這是基于以下方程轉(zhuǎn)矩＝力×離開軸線的距離(方程2)參照圖11，示出了現(xiàn)有技術(shù)中轉(zhuǎn)子74的轉(zhuǎn)子極面72當(dāng)其以順時針方向接近定子磁極30時的局部放大視圖。如圖11所示，轉(zhuǎn)子極面72可包括第一部分72a和相對于第一部分72a而徑向向內(nèi)形成臺階或者下陷的第二部分72b。在現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)子74旋轉(zhuǎn)期間，臺階狀的第二部分72b就在現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)子74的轉(zhuǎn)子極面72和相應(yīng)的與被激勵定子磁極30相關(guān)聯(lián)的定子極面38之間，形成不均勻的或者臺階狀的氣隙76。轉(zhuǎn)子極面72的第二部分72b相對于第一部分72a的臺階狀或者下陷特征，通過增大所期望旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)距，使得轉(zhuǎn)子10易于沿著一個方向啟動。可以理解的是，通過改變臺階狀或者下陷部分的朝向，就可以使得馬達(dá)10易于沿著相反方向啟動。例如，如果第一部分72a相對于第二部分72b形成臺階或者下陷，馬達(dá)10就朝著相反方向啟動。
參照圖12，示出了根據(jù)本公開的轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)子磁極62當(dāng)其以順時針方向接近定子磁極30時的局部放大視圖。如圖12所示，轉(zhuǎn)子磁極62包括轉(zhuǎn)子極面78，該轉(zhuǎn)子極面78包括第一部分78a和相對于第一部分78a徑向向內(nèi)形成臺階狀或者下陷的第二部分78b。在轉(zhuǎn)子16旋轉(zhuǎn)期間，轉(zhuǎn)子極面78的臺階狀的或者凹陷的第二部分78b，在轉(zhuǎn)子極面78的第二部分78b和相應(yīng)的與被激勵定子磁極30相關(guān)的定子極面38之間，形成不均勻的或者臺階狀的氣隙。結(jié)果是，轉(zhuǎn)子極面78的臺階狀或者下陷的第二部分78b與定子極面38之間的氣隙80大于轉(zhuǎn)子極面78的第一部分78a和定子極面38之間的氣隙80。
因為轉(zhuǎn)子16趨向于朝向使氣隙80最小并進而使電感最大的位置轉(zhuǎn)動，因此在馬達(dá)運轉(zhuǎn)期間，轉(zhuǎn)子極面78的第二部分78b與定子極面38之間的氣隙80(大于轉(zhuǎn)子極面78的第一部分78a與定子極面38之間的氣隙80)確保了轉(zhuǎn)子極面78的前緣總是被吸引到被激勵定子磁極30。
此外，轉(zhuǎn)子極面78的第二部分78b與定子極面38之間的氣隙80(大于轉(zhuǎn)子極面78的第一部分78a與定子極面38之間的氣隙80)確保了轉(zhuǎn)子16只沿一個方向旋轉(zhuǎn)，即，轉(zhuǎn)子16趨向于朝著臺階狀或者下陷部分的方向旋轉(zhuǎn)。例如，如果臺階狀或者下陷部分位于轉(zhuǎn)子極面78的右側(cè)，轉(zhuǎn)子16將趨向于向右或者沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。另一方面，如果所述臺階狀或者下陷部分位于轉(zhuǎn)子極面78的左側(cè)，轉(zhuǎn)子16將趨向于向左或者沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。
轉(zhuǎn)子極面78和定子極面38中的每一個可以限定成弧形，并且轉(zhuǎn)子極面78大約為定子極面38的兩倍大。
根據(jù)本公開的一方面，凸起82位于轉(zhuǎn)子極面78的第二部分78b的前緣，該凸起82離轉(zhuǎn)子極面78的第一部分78a較遠(yuǎn)。凸起82使得轉(zhuǎn)子磁極62的第二部分78b的邊緣處用于磁通量流動的氣隙80最小，從而優(yōu)化了馬達(dá)10的轉(zhuǎn)矩特性。凸起82的構(gòu)成材料和轉(zhuǎn)子16的其余部分相同或者相似，并且凸起82包括第一側(cè)面84和第二側(cè)面86。凸起82的第一側(cè)面84和第二側(cè)面86中的每一個朝著凸起82的端點88漸縮。如圖12所示，凸起82的端點88可以和轉(zhuǎn)子極面78的第一部分78a的周界90相切。更具體地說，凸起82的第一側(cè)面84可以朝向端點88漸縮，從而使第一側(cè)面84略微凹進。作為選擇地，凸起82的第一側(cè)面84可朝向端點88漸縮，從而使第一側(cè)面84呈大致的直線形。
參照圖13A-13B，示出了圖9中的轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)子磁極62在一個相位周期中處于多個角位置時的局部視圖。更具體地說，圖13A-13B表示當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極62以箭頭92所示的順時針方向接近定子磁極30時，轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)子磁極62的局部視圖。為了便于討論，圖13A-13B示出了定子磁極參照線93。
圖13A表示處于相位周期起始點附近的轉(zhuǎn)子16的位置。如圖13A所示，在該位置處，位于轉(zhuǎn)子極面78的第二部分78b邊緣處的凸起82和定子極面38之間的氣隙80，小于轉(zhuǎn)子極面78的第二部分78b的其余部分與定子極面38之間的氣隙。結(jié)果是，凸起82和定子極面38之間的氣隙80處的磁通量密度在該位置處具有最大值，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子16沿箭頭92所指的方向被拉向被激勵定子磁極30。
磁通量尋求使磁阻最小的路徑。所以，由于轉(zhuǎn)子磁極62由磁阻低于空氣的鐵磁性材料構(gòu)成，因此磁通量流經(jīng)轉(zhuǎn)子磁極62和定子磁極30比流經(jīng)氣隙80更加容易。
圖13B示出了，當(dāng)轉(zhuǎn)子16已經(jīng)沿箭頭92所指的方向旋轉(zhuǎn)從而使凸起82的端點88對準(zhǔn)定子磁極參照線93時，轉(zhuǎn)子16的位置。在凸起82經(jīng)過定子磁極參照線93之后，轉(zhuǎn)子16將趨向于被拉向相反的旋轉(zhuǎn)方向，即本實施例中的逆時針方向。但是，轉(zhuǎn)子磁極78的第一部分78a產(chǎn)生的正電動轉(zhuǎn)矩(positive motoring torque)抵消了這種沿相反旋轉(zhuǎn)方向的拉動。因此，轉(zhuǎn)子16繼續(xù)被沿箭頭92所指的方向拉向被激勵定子磁極30。
參照圖14，示出了馬達(dá)10的下殼體單元13的俯視圖。如上所述，下殼體單元13具有大致的圓形形狀。但是可以理解的是，下殼體單元13可以呈其它形狀，舉例而言，例如矩形、正方形或者類似。下殼體單元13包括環(huán)形結(jié)構(gòu)87以及多個下安裝元件96。環(huán)形結(jié)構(gòu)87位于下殼體單元13的內(nèi)區(qū)域98中。如圖14所示，環(huán)形結(jié)構(gòu)87可沿著下殼體單元13的周界走行。
根據(jù)一個實施例，當(dāng)定子14被安裝到下殼體單元13時，多個下安裝元件96的每一個接合一個繞線管39的底部。多個下安裝元件96中的每一個用于緊固繞線管39的底部，以防止其在馬達(dá)運轉(zhuǎn)時移位。
圖15為安裝于下殼體單元13的定子14的俯視透視圖。圖16為安裝于下殼體單元13的定子14的俯視圖，定子14包括帶有預(yù)繞制的定子繞組32的繞線管39。圖16進一步示出了置于定子14的中心孔34中的轉(zhuǎn)子16。
參照圖17-21，示出了一個作為替代的實施例，其中示出了多個下安裝元件96置于絕緣構(gòu)件100之中。在本實施例中，絕緣構(gòu)件100安裝于下殼體單元13。如圖所示，絕緣構(gòu)件100包括環(huán)形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)102，該環(huán)狀結(jié)構(gòu)102具有從其底側(cè)延伸的支件104。但是可以理解的是，環(huán)狀結(jié)構(gòu)102還可以具有其它結(jié)構(gòu)，舉例而言，例如正方形結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)之類。環(huán)狀結(jié)構(gòu)102的每一個支件104在裝配期間接合與下殼體單元13相關(guān)聯(lián)的插座(未示出)。裝配后，每個下安裝元件96接合繞線管39的底部，從而緊固繞線管39的底部以防止其在馬達(dá)運轉(zhuǎn)期間移位。
控制電路的運轉(zhuǎn)用于驅(qū)動馬達(dá)10的驅(qū)動組件18包括控制電路500，下文中將在圖22中對其予以進一步敘述。更具體地，圖22圖示了控制電路500的方框圖，該控制電路500用于通過控制向定子繞組32的電力供給來控制馬達(dá)10的運行?？刂齐娐?00包括將AC輸入功率轉(zhuǎn)換為未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC功率V1的整流器電路502，如下所述，該DC功率V1通過開關(guān)器件518饋入定子繞組32。該DC功率V1還被饋入降壓電路504。所述降壓電路通過光傳感組件508向電壓調(diào)節(jié)器電路506以及微控制器512提供未經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓V2。
光傳感組件508和隨著轉(zhuǎn)子16一起旋轉(zhuǎn)的槽盤71協(xié)同工作，從而監(jiān)控馬達(dá)10的轉(zhuǎn)速。光傳感組件508產(chǎn)生被微控制器512用來測量轉(zhuǎn)子16速度的轉(zhuǎn)子位置信號。微控制器512包括一個或者多個熟知的部件，例如存儲器、CPU、多個寄存器、多個計時器等等。
電壓調(diào)節(jié)器506產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓V4，其被輸入到控制開關(guān)器件518的開關(guān)器件驅(qū)動器514和516。開關(guān)器件518用于控制向定子繞組32輸入的電壓。開關(guān)器件518可以由多種電子開關(guān)機制實現(xiàn)，例如晶體管、晶閘管等。下文中，圖23進一步詳細(xì)地圖示了采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)實現(xiàn)開關(guān)器件518。開關(guān)器件518接收來自于整流器電路502的功率V1，并且根據(jù)從開關(guān)器件驅(qū)動器514和516接收的控制信號向定子繞組32進行電力供給。開關(guān)器件518的控制定子繞組32的功能對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是眾所周知的。下文中，圖23進一步詳細(xì)地圖示了控制電路500的不同部件，同時圖25進一步詳細(xì)地闡釋了電壓調(diào)節(jié)器506的運轉(zhuǎn)。
雖然控制電路500接收120V的AC輸入功率，但是在作為替代的實現(xiàn)中，也可以選擇不同電平的輸入功率。整流器電路502可以是將AC輸入功率轉(zhuǎn)換為未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸出功率的任何一種常用類型的整流器電路，比如橋式整流器。
降壓電路504是傳統(tǒng)的，并可以采用一組降壓電阻器、齊納二極管和電容器來實現(xiàn)。降壓電路504的輸出V2連接到電壓調(diào)節(jié)器506，并且通過光傳感電路508連接到微控制器512。因為所述降壓電路的輸出V2是未經(jīng)調(diào)節(jié)的，可以使用另外一個常見的電壓調(diào)節(jié)器(未示出)將所述未經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓V2轉(zhuǎn)換為輸入到微控制器512的經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓。微控制器512可以采用多種微控制器集成電路中的任何一種實現(xiàn)，比如Z86型的集成電路。
電壓調(diào)節(jié)器506產(chǎn)生15V的DC輸出電壓，用來驅(qū)動開關(guān)器件驅(qū)動器514和516。通過光傳感組件508獲得(source)降壓電路504的輸出。采用這種方式，流向光傳感組件508的供給電流不直接消耗在降壓電路504的降壓電阻中。因此，光傳感組件508還用作最終被輸入到微控制器512的電流的導(dǎo)體。
圖23圖示了控制電路500的一個實現(xiàn)形式，其中開關(guān)器件518由IGBT562-568來實現(xiàn)。IGBT 562-568控制流過定子繞組32的第一相580和第二相582的電流。IGBT 562和564分別連接于第一相580和第二相582的高壓端，并被稱為高壓側(cè)IGBT，而IGBT 566和568分別連接于第一相580和第二相582的低壓端，并被稱為低壓側(cè)IGBT。IGBT 562-568各自接收來自于開關(guān)器件驅(qū)動器514和516的控制輸入信號AHG、ALG、BLG和BHG。在采用IGBT 562-568實現(xiàn)開關(guān)器件518的控制電路的實現(xiàn)中，開關(guān)器件驅(qū)動器514和516可以通過采用多種眾所周知的集成IGBT驅(qū)動電路中的一種來實現(xiàn)，比如International Rectifiers，Inc生產(chǎn)的IR2101S集成電路。
第一開關(guān)器件驅(qū)動器514產(chǎn)生高壓側(cè)輸出AHG和低壓側(cè)輸出ALG以驅(qū)動第一相580。更具體地說，高壓側(cè)輸出AHG用來驅(qū)動高壓側(cè)IGBT 562，而低壓側(cè)輸出ALG用來驅(qū)動低壓側(cè)IGBT 566。第二開關(guān)器件驅(qū)動器516產(chǎn)生高壓側(cè)輸出BHG和低壓側(cè)輸出BLG以驅(qū)動第二相582。更具體地說，高壓側(cè)輸出BHG用來驅(qū)動高壓側(cè)IGBT 564，而低壓側(cè)輸出BLG用來驅(qū)動低壓側(cè)IGBT568。
在控制電路的實現(xiàn)形式中，控制IGBT 562-568的導(dǎo)通和截止的方式允許定子繞組32中由于定子繞組32的磁場衰減引起的電流有足夠的時間釋放掉。例如，對于第一相580來說，當(dāng)IGBT 562截止時，IGBT566仍然要保持足夠時間期間的導(dǎo)通以允許第一相580中的磁場衰減引起的感應(yīng)電流通過IGBT566釋放到地，而不是讓IGBT 562和566同時截止。類似地，對于第二相582，當(dāng)IGBT 564截止時，IGBT568仍然要保持足夠時間周期的導(dǎo)通以允許第二相582中的磁場衰減引起的感應(yīng)電流通過IGBT 568釋放到地而不是讓IGBT564和568同時截止。
輸出526包含AC紋波，其優(yōu)選在被施加到定子繞組32之前被濾波。因此，如圖23所示，輸出526的第一支路被施加于DC總線濾波網(wǎng)絡(luò)560。濾波網(wǎng)絡(luò)560包括二極管DS1、DS2、DS3以及電容器C1A和C1B。濾波網(wǎng)絡(luò)560從輸出功率526的第一支路的正電壓和負(fù)電壓返回支路濾出AC紋波。濾波網(wǎng)絡(luò)560輸出的經(jīng)過濾波的作為結(jié)果的電壓在負(fù)載情況下為120V，并且可以提供大約15安培的持續(xù)電流。
如圖23所示，從濾波網(wǎng)絡(luò)560輸出的作為結(jié)果的DC總線電壓被直接施加于系列開關(guān)(series switching)IGBT 562和564的集電極以及IGBT 566和568的發(fā)射極上。IGBT 562-568接收其各自的來自開關(guān)器件驅(qū)動器514和516的柵極輸入。
圖24圖示光傳感組件508的電路原理圖，光傳感組件508可以由傳統(tǒng)的光傳感器組件實現(xiàn)，比如Honeywell，Inc生產(chǎn)的Honeywell P/N HOA1887-011或者Optek，Inc生產(chǎn)的Optek P/N OPB830W11。光傳感器組件508包括發(fā)光二極管(LED)602和硅光電晶體管604，其中LED602接收來自于降壓電路504的DC輸出電壓。LED 602和光電晶體管604被放置于槽盤71的相反兩側(cè)，該槽盤71與轉(zhuǎn)子16相連接并因此以轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
每次當(dāng)槽盤71的邊緣穿過LED 602和光電晶體管604之間的時候，光電晶體管604產(chǎn)生的信號就從一個電平或狀態(tài)變化到另外一個電平或狀態(tài)。從光電晶體管604輸出的信號被輸入到微控制器512。微控制器512基于計算出的周期計算轉(zhuǎn)子16的速度和位置。利用轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一周的時間周期來計算轉(zhuǎn)子速度是很常見的，在此不作進一步的描述。
圖25圖示了電壓調(diào)節(jié)器506的一個示例性的實現(xiàn)，在該圖示中，電壓調(diào)節(jié)器506采用Philips Semiconductor生產(chǎn)的集成電路TDA3661來實現(xiàn)，不過在作為替代的實現(xiàn)中，也可以采用其它類似的電壓調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)器506被供給的電壓來自于降壓電路504的輸出。電壓調(diào)節(jié)器506的輸出電壓可以通過由電阻器612和614組成的外部電阻分壓器予以調(diào)節(jié)。
由于馬達(dá)10的運行以及控制電路500的持續(xù)工作，控制電路500的溫度非?？赡艽蠓摺榱吮苊鈱刂齐娐?00及其上的各個部件的任何損壞，控制電路500設(shè)計有過熱關(guān)斷特性(thermal shutdown feature)。電壓調(diào)節(jié)器506包括過熱保護裝置616，其測量電壓調(diào)節(jié)器506的溫度，并且當(dāng)溫度一旦達(dá)到諸如150℃的門限水平時就關(guān)斷電壓調(diào)節(jié)器506的輸出電壓。
為了利用電壓調(diào)節(jié)器506的主動過熱關(guān)斷特性，采用一個圓形銅針將電壓調(diào)節(jié)器506的襯底和控制電路500的電路板熱連接。這樣，電壓調(diào)節(jié)器506的襯底密切地跟蹤控制電路500的溫度。IGBT 562-568能夠在高達(dá)175℃的溫度下工作。為了防止過熱，它們被放置得使得它們可以被由馬達(dá)10循環(huán)的空氣所冷卻。但是，如果由于某種原因，例如阻塞、殼體損壞等，流向IGBT 562-568的冷卻空氣喪失，則控制電路的溫度就可能升高到150℃。在這種情況下，電壓調(diào)節(jié)器506就將在過熱保護裝置616的作用下截止。一旦電壓調(diào)節(jié)器506被熱關(guān)斷，給IGBT驅(qū)動器514和516的功率被關(guān)斷，從而給定子繞組32的功率也被關(guān)斷。但是，如下所述，給微控制器512的功率仍然保持導(dǎo)通。
圖26的流程圖650進一步闡釋了在這種過熱關(guān)斷的情況下馬達(dá)10的重啟動。方框652和654表示由過熱保護裝置616對電壓調(diào)節(jié)器506的襯底溫度進行的持續(xù)監(jiān)控。只要門限溫度低于門限水平，過熱保護裝置616就不間斷地監(jiān)控該溫度。
當(dāng)檢測到電壓調(diào)節(jié)器506的襯底溫度處于或者高于門限水平時，過熱保護裝置616就關(guān)斷電壓調(diào)節(jié)器506，進而關(guān)斷馬達(dá)10。一般來說，如果馬達(dá)10的供電開關(guān)保持導(dǎo)通，則一旦過熱保護裝置616檢測到電壓調(diào)節(jié)器506的襯底溫度低于門限時，馬達(dá)10就可以不期望地重啟動。但是，在本系統(tǒng)中，因為微控制器512從未關(guān)斷，微控制器512將不會處于正確的啟動模式，從而造成馬達(dá)10的這種不期望的重啟動。
為了防止馬達(dá)10的這種不期望的重啟動，微控制器512持續(xù)地監(jiān)控馬達(dá)10的速度，并且如果微控制器512檢測到馬達(dá)10的速度不期望地降低，就指示出現(xiàn)了過熱關(guān)斷，那么在方框658中，微控制器512產(chǎn)生一關(guān)斷錯誤例行程序。接下來，在方框660中，微控制器512停止向開關(guān)器件驅(qū)動器提供輸出信號。在方框662中，微控制器512產(chǎn)生故障診斷錯誤代碼，以供馬達(dá)10的制造商或者操作人員隨后進行故障診斷。接下來，如方框664所示，直到馬達(dá)10的整個運行進入下一循環(huán)，即馬達(dá)10的開啟/關(guān)閉開關(guān)先被關(guān)閉再被接通，微控制器512才重新啟動。在方框666，一旦檢測到馬達(dá)10進入下一循環(huán)，微控制器512就以正常的啟動模式恢復(fù)馬達(dá)10的工作，這將在下文中予以進一步的詳細(xì)描述。
馬達(dá)代碼的運行傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻馬達(dá)采用微控制器來控制提供給定子繞組的電力的換向，一旦電路上電，該馬達(dá)都會執(zhí)行同樣的啟動例行程序。但是，如果在馬達(dá)正在高速旋轉(zhuǎn)的時候切斷馬達(dá)電力，然后再快速返回上電狀態(tài)(即，快速循環(huán))，則執(zhí)行同樣的啟動例行程序經(jīng)常會損壞馬達(dá)中的電氣部件。典型地，如果在轉(zhuǎn)速降低到門限轉(zhuǎn)速之前，馬達(dá)沒有被允許慣性滑行一段時間，電路中的IGBT就非常容易損壞。下面將敘述一種運行重啟動例行程序，該例行程序檢測上述電力的快速循環(huán)，并允許轉(zhuǎn)子慣性滑行直到轉(zhuǎn)速降到低于門限速度，以防止損壞IGBT。
如前所述，開關(guān)磁阻馬達(dá)的運行是基于轉(zhuǎn)子16運動到這樣一個位置的趨勢，在該位置一個或多個被激勵定子繞組32的電感最大。換句話說，轉(zhuǎn)子16將趨向于朝著磁路最完整的位置運動。轉(zhuǎn)子16沒有換向器和繞組，僅僅由具有多個不同極性的極面的一疊電學(xué)鋼片組成。但是，有必要知道轉(zhuǎn)子的位置，以接下來用開關(guān)直流電(DC)激勵子繞組32的各相，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和扭矩。
為了使馬達(dá)10正確運轉(zhuǎn)，開關(guān)動作應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地和轉(zhuǎn)子16的旋轉(zhuǎn)角度同步。開關(guān)磁阻馬達(dá)的性能部分地取決于相位激勵相對于轉(zhuǎn)子位置的精確定時。在本實施例中，采用光傳感組件或者光學(xué)斷續(xù)器508形式的轉(zhuǎn)子位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置。
下面結(jié)合圖27和32描述示例性系統(tǒng)的一種可能的工作方式，圖27和32代表一個或者更多個計算機程序的多個部分或者例行程序。用于實現(xiàn)這些例行程序的軟件的主要部分被存儲到控制器512的一個或者多個存儲器中，并且可以采用諸如C、C++、C#、Java等任何高級語言、或者任何低級的匯編或機器語言書寫。通過將計算機程序部分存儲于存儲器中，存儲器的各個部分在物理上和/或結(jié)構(gòu)上根據(jù)計算機程序指令予以配置。但是軟件的各部分可以在分開的存儲位置被存儲并運行。由于執(zhí)行這些步驟的精確位置可以變化而不超出本發(fā)明的范圍，所以下面的附圖沒有提到執(zhí)行相同功能的計算機。
圖27A和27B為流程圖700的兩個部分，該流程圖700描述用于同步供給定子繞組32的電力的開關(guān)或者換向的某些步驟。流程圖700所示的某些或者所有步驟可以被存儲到控制器512的存儲器中。
參見圖27A，流程圖700可以在控制電路上電(方框702)之時開始。接著啟動初始化階段，其中包括初始化硬件、固件和啟動定時器(方框704)。更具體地說，初始化包括每次上電時執(zhí)行的一系列內(nèi)嵌初始化指令。初始化可以進一步可以分為硬件初始化、變量初始化和上電延遲。
一旦上電，則從控制器512內(nèi)的某個特定存儲器位置開始執(zhí)行程序。一般說來，硬件初始化包括一系列指令，這些指令通過分配和配置I/O，定位處理器堆棧、配置中斷的數(shù)量并且啟動多個周期定時器來配置控制器512。變量初始化包括將合理的默認(rèn)值賦值給多個變量，所述變量中的一個為由速度決定的校正變量。此外還存在100ms的上電延遲(方框706)，目的是在驅(qū)動器開通之前給多個電源電容器提供充電的時間。這防止IGBT驅(qū)動器514和516在啟動期間將低壓電源拉低。在該時間延遲期間，IGBT驅(qū)動器的低壓側(cè)被開通并且給自舉電容器充電(方框710)。
在運行中，控制器512使用三個不同的速度例行程序，即低速模式、高速躍變模式和高速模式。但是，一旦初始化完成，控制器512將通過查詢光傳感組件508來確定轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速，以便判斷在激活低速模式之前是否需要運行重啟動例行程序(方框712)。如果在方框714中測定出轉(zhuǎn)子速度大于預(yù)定值S1，舉例而言，例如6800 RPM，則例行程序700將跳轉(zhuǎn)到運行重啟動模式，該模式用于防止在供給馬達(dá)10的電流快速循環(huán)變化后損壞IGBT驅(qū)動器。給馬達(dá)10的電力的快速循環(huán)變化實質(zhì)上是在馬達(dá)10正在運轉(zhuǎn)之時的快速截止/導(dǎo)通(off/on)。運行重啟動例行程序用來防止損壞IGBT驅(qū)動器514、516，因為以高于某個速度對電力進行循環(huán)可能使得低速模式例行程序發(fā)生混亂(下面將予以敘述)，并可能燒毀一個或者多個IGBT 514、516。運行重啟動例行程序用于在電力的快速循環(huán)之后開始一段延遲，這段延遲允許馬達(dá)的轉(zhuǎn)速降低到由控制器512計算出的觸發(fā)角度(firing angle)為固定的那一點，。
從運行重啟動例行程序開始，如果在上電之后在方框714中確定速度大于6800RMP，則例如設(shè)置重試計數(shù)器(方框716)。應(yīng)該注意到的是，作為替換地，可以在初始化時設(shè)置重試計數(shù)器，或者可以在運行重啟動例行程序的另一點處設(shè)置重試計數(shù)器。接著，可以啟動諸如500mS的預(yù)定時間延遲(方框720)。然后轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速被重新采樣(方框722)。如果在方框724中確定轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速仍大于預(yù)定門限S1，那么例行程序?qū)⒃诜娇?30中檢查以確定重試計數(shù)器的值。
如果在方框730中確定重試計數(shù)器不大于1，則可以產(chǎn)生一錯誤信號(方框732)，并且系統(tǒng)可以被關(guān)斷。換句話說，當(dāng)重試計數(shù)器已經(jīng)依序地從20向下計數(shù)到1，將會發(fā)生上述情況。這表明已經(jīng)經(jīng)過了預(yù)定的時間周期。如果在方框730中確認(rèn)重試計數(shù)器大于1，則重試計數(shù)器將被遞減(方框734)，并且例行程序返回方框720，在該處開始另一段延遲。
如果方框724測定出轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速低于門限S1，那么例行程序?qū)⑻D(zhuǎn)以激活低速模式例行程序(方框740)。換句話說，在所公開的實施例中，如果轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速持續(xù)超過門限S1，那么在一段預(yù)定的時間內(nèi)轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速被持續(xù)地重采樣。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易理解的是，可以實現(xiàn)作為替換的檢查方法，以確保在向低速模式跳轉(zhuǎn)之前轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速已經(jīng)降低到了安全的水平。例如，可以執(zhí)行較長的延遲，在該較長延遲中沒有必要使用重試計數(shù)器。也可以采用其它各種技術(shù)。
當(dāng)在方框740中激活低速模式例行程序時，控制器512在啟動期間提供脈寬調(diào)制(PWM)使得定子繞組32的相總是位于轉(zhuǎn)子極面48前面，從而避免隨著轉(zhuǎn)子16的提速而產(chǎn)生大的電流尖峰。一般來說，從來自于編碼器/光傳感器510的信號的狀態(tài)就可以得知啟動時的轉(zhuǎn)子位置。有效地，提供給定子繞組32的每個電流脈沖被斬波為許多短(持續(xù)時間)的電流脈沖，直到轉(zhuǎn)子速度達(dá)到預(yù)定速度。在該點處，完整的脈沖被施加于定子繞組32。在經(jīng)過之前的躍變后，光傳感器躍變在最短的時間周期內(nèi)被查詢、三次去抖(triple debounced)并失效，以便減小輸出信號上產(chǎn)生噪聲的機會。這種技術(shù)將參照圖32將予以更加詳盡的描述。
在低速模式中，電流輸入是按照一定的占空比循環(huán)的，從而在所有情況下限制最大IGBT導(dǎo)通時間(maximum IGBT on time)。此外，存在兩種獨特的換向狀態(tài)來反映光傳感器的當(dāng)前狀態(tài)。
圖28描述了在低速模式下針對轉(zhuǎn)子最初1.5轉(zhuǎn)的啟動波形。波形802表示了來自于光傳感器510的信號。波形804表示相‘A’的高壓側(cè)，波形806表示相‘A’的低壓側(cè)。波形810表示相‘B’的高壓側(cè)，波形812表示相‘B’的低壓側(cè)。圖上進一步描述了了在點814處，給馬達(dá)10的電力被接通。圖27A中的方框706描述的預(yù)定的上電延遲在時刻814和818之間示出。如波形所見，在電力接通的點814處，相‘A’和相‘B’的低壓側(cè)均被導(dǎo)通從而向自舉電容充電。應(yīng)該注意的是，只有在給定相位的低壓側(cè)和高壓側(cè)均被導(dǎo)通的時候，才向相應(yīng)的定子繞組供給全部電流。
圖29也表示了低速模式例行程序下的多個波形。和圖28類似，波形822表示來自光傳感組件508的輸出。波形822表示相‘A’的高壓側(cè)，波形826表示相‘A’的低壓側(cè)。波形830表示相‘B’的高壓側(cè)，波形832表示相‘B’的低壓側(cè)。圖29也表示當(dāng)某相的電力接通時，實際上接通的是一個占空比為36％的脈寬調(diào)制信號。同時調(diào)制高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)被稱為硬斬波。軟斬波為兩側(cè)中的其中一個的切換。在所公開的實施例中，硬斬波被用來最小化上電時的電流突變。從圖29也可以看出，波形的周期長度由于加速而減小。
返回圖27A，在方框740中啟動低速模式例行程序之后，該例行程序接著將檢查以觀察光躍變是否已經(jīng)發(fā)生(方框742)。如果還沒有記錄光躍變，那么產(chǎn)生一個指示啟動問題的錯誤(方框744)。如果在方框742中確定光躍變已經(jīng)發(fā)生，則所述例行程序可以檢查轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速(方框746)。如果在方框748中確定轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速低于預(yù)定門限S1，則所述例行程序返回方框740以繼續(xù)執(zhí)行低速模式例行程序。但是，如果在方框748中確定轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速大于預(yù)定門限S1，則如圖27B所示的例行程序?qū)⒁苿右约せ罡咚佘S變模式例行程序(方框750)。
在所公開的實施例中，預(yù)定的速度門限S1大約為7000 RMP。通過保持和低速模式一致的相導(dǎo)通時間，但是以包括相的預(yù)觸發(fā)在內(nèi)的方式進行切換，高速躍變例行程序就完成了從低速到高速的躍變。加速由于預(yù)觸發(fā)而持續(xù)進行，但是由于固定的導(dǎo)通時間而趨緩，在所公開的實施例中該固定的導(dǎo)通時間大約800uS。截止時間是根據(jù)速度可變的。因為轉(zhuǎn)子16由于預(yù)觸發(fā)而不斷加速，所以截止時間變得越來越短，從而產(chǎn)生占空比更大的周期，這又接著加劇了加速。最終的結(jié)果是，由于加速在緩緩進行，所以失控情況得到控制，同時電流尖峰和轉(zhuǎn)矩尖峰即使沒有消除，也被降低到最小程度。
在方框750中的高速躍變模式之后，所述例行程序然后可以檢查轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速(方框752)。如果在方框754中確定轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速低于第二預(yù)定速度門限S2，則所述例行程序?qū)⒎祷胤娇?50，在該處繼續(xù)執(zhí)行高速躍變模式。如果在方框754中確定轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速大于預(yù)定速度門限S2，所述例行程序?qū)⒓せ罡咚倌Ｊ嚼谐绦?方框760)。
圖30和31示出了描述高速模式例行程序的波形。高速模式例行程序通過預(yù)觸發(fā)算法而被分類，以獲得最大的轉(zhuǎn)速。預(yù)觸發(fā)值可以從經(jīng)驗中獲得，從而在不同的負(fù)載和速度情況下，針對給定的最大目標(biāo)電流提供最大的RPM，例如針對120V AC輸入處的13.8安培。高速模式中的預(yù)觸發(fā)算法可包括一查詢表，該查詢表包含針對三級光傳感器盤超前(three level opticalsensor disk advance)，其有助于啟動的校正。
高速模式例行程序和高速躍變模式之間的基本區(qū)別在于高速躍變模式限制相導(dǎo)通時間，在本公開實施例中大約為800uS。但是，在高速模式中，相導(dǎo)通時間保持為整個周期，其可能到達(dá)大約830uS。切換到100％的占空比引起進一步的加速，其不受檢查并且有可能導(dǎo)致失控。但是存在兩個明顯的穩(wěn)定因素。首先，在高速下難以泵浦和移除通過定子繞組32的電流，從而限制了電力向轉(zhuǎn)子16傳遞。繞組充電時間開始成為周期中的主要部分。其次，負(fù)載隨著轉(zhuǎn)子速度的立方而增大。這對緩和失控狀況具有顯著的效果。所以，當(dāng)高速模式被激活時，只有極小的速度提升或者波動。
圖30示出了與上文所討論的預(yù)觸發(fā)所對應(yīng)的波形。波形840表示從光傳感組件508接收到的信號。波形842表示相‘A’，波形844表示相‘B’。如圖30進一步所示，中斷846產(chǎn)生在光傳感器的下降沿上，并持續(xù)大約200到300uS。圖30中的由850代表的時間可以通過取決于速度的查詢表(SDT)再加一個預(yù)觸發(fā)值獲得。時間周期850還可以代表所謂的相定時超前。SDT優(yōu)化了應(yīng)用中的全程負(fù)載條件下的轉(zhuǎn)矩。
圖31表示了在高速模式下的高壓側(cè)和低壓側(cè)的開關(guān)事件的詳細(xì)情況。和圖29相似，波形860表示從光傳感組件508接收到的信號。波形862表示相‘A’的高壓側(cè)，波形864表示相‘A’的低壓側(cè)。波形866表示相‘B’的高壓側(cè)，波形870表示相‘B’的低壓側(cè)。如圖30所示，時間間隔850代表相定時超前。圖31還圖示了時間周期852，在該時間周期中，低壓側(cè)開關(guān)保持開通一段額外的時間，以易于從定子繞組釋放在電流關(guān)斷之時由定子繞組的磁場衰減產(chǎn)生的電流。在本示例性的實施例中，時間周期852大約為41uS。如圖31所示，在相‘A’和相‘B’中，低壓側(cè)開關(guān)都保持開通一個額外的時間周期852。
在微控制器設(shè)計的背景當(dāng)中，中斷是一個非同步的事件，它使得用戶程序從其當(dāng)前的執(zhí)行回路中立即轉(zhuǎn)換至中斷服務(wù)例行程序(ISR)。中斷的目的在于提供對外部事件進行快速且確定的響應(yīng)，而無需不斷地查詢主前臺程序例行程序。ISR相當(dāng)于操作指令的帶有一個例外的普通子例行程序。也就是說，因為ISR幾乎可以在任何時候被訪問或者調(diào)用，而不依賴于當(dāng)前前臺執(zhí)行回路，所以應(yīng)該特別注意保證它不會反過來影響主程序。
如圖31所示，一旦接收到來自于光傳感組件508的信號的下降沿，周期計時器可以結(jié)合中斷例行程序使用。在所公開的實施例中，周期計時器是一個8位的倒數(shù)計時器，其從0(256)計數(shù)到1，并且自動重載。計時器的分辨率對應(yīng)于中央處理單元582的晶振，近似為10MHz晶振。周期計時器中的一個可以為標(biāo)志計時器1(T1)，它為8位倒數(shù)計時器，從％FF(255)計數(shù)到1，然后停止。T1通過一個64位的預(yù)定標(biāo)器初始化。這樣，其分辨率為51.2uS。表1表示了周期定時器值的一部分。


表1還應(yīng)該注意的是，周期定時器是遞減計數(shù)，而不是遞增的。此外，T0的前兩位含有冗余信息。兩個8位值被合并或者交迭以產(chǎn)生一個真正的14位周期。應(yīng)該理解的是，為了計算周期，T0中的“00”相當(dāng)于256，而不是0。所以最大的計數(shù)大約為13,107uS。計時器有幾毫秒是不運行的，這個時間在計算周期的時候應(yīng)該被考慮進去。
在針對開關(guān)磁阻馬達(dá)的控制電路中存在一個共同的問題，即，噪音被引入電子部件。噪聲問題特別嚴(yán)重的一個地方是在光傳感組件508中。在這里，噪聲是非常不希望出現(xiàn)的，因為它可以導(dǎo)致錯誤地觸發(fā)對供給相繞組的電力進行換向。因為噪聲很難消除，因此有必要確保從光傳感組件508接收到的躍變信號的精確性和合法性。
圖32表示的流程圖900描述了確保從馬達(dá)10中的轉(zhuǎn)子位置傳感器510接收到的信號的合法性的一些步驟。流程圖900所示的某些步驟可以存儲到控制器512的存儲器584中。例行程序900可以用于上述任何速度模式中。
參見圖32，在開啟換向電路中的控制器512和其它任何元件以后，例行程序900可能激活低速模式、高速躍變模式或高速模式中的任意一種(方框901)。例行程序900接下來可以查詢轉(zhuǎn)子位置傳感器(方框902)以確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的第一狀態(tài)。如果方框904中確定轉(zhuǎn)子位置傳感器510的狀態(tài)為真(即，高亮/清晰)，那么就可以啟動時間延遲(方框906)。通過從存儲器584中提取一個或者多個時間常數(shù)可以實現(xiàn)該時間延遲。所述一個或者多個時間常數(shù)中的每一個代表不同數(shù)量的單位，并且每個單位代表一個預(yù)定的時間值。在所公開的實施例中，每個時間單位大約25uS。時間常數(shù)TD1-TD7如表2所示TD1為20個單位TD2為32個單位TD3為28個單位TD4為1個單位TD5為26個單位TD6為32個單位TD7為29個單位表2再次參見圖32，在方框906中啟動時間延遲之后，例行程序900查詢轉(zhuǎn)子位置傳感器或者光傳感組件508(方框910)。如果在方框912中確定轉(zhuǎn)子位置傳感器508為假，所述例行程序?qū)⒎祷胤娇?01中當(dāng)前正在運行的速度例行程序。如果方框912中確定轉(zhuǎn)子位置512的狀態(tài)為真，就可以啟動另外一個延遲(方框914)。接下來，所述例行程序可以查詢轉(zhuǎn)子位置傳感器508(方框916)。如果在方框920中確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的第三個狀態(tài)為假，所述例行程序返回方框900并返回活動的速度例行程序。
但是，如果在方框920中確定轉(zhuǎn)子位置傳感器920的第三個狀態(tài)為真，那么所述例行程序?qū)⒄J(rèn)為轉(zhuǎn)子位置傳感器的真值狀態(tài)為合法的真值信號(方框922)。所述例行程序?qū)⑹瓜唷瓵’導(dǎo)通，使相‘B’關(guān)斷(方框924)。接下來，活動的速度例行程序?qū)⒗^續(xù)運行，并檢查轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速(方框926)。還應(yīng)該注意的是，在前面的防抖躍變被識別(recognize)之后，在時間TD1+TD2+TD3期間所產(chǎn)生的所有光信號的變化都被忽略。這給了光傳感器508時間，從而在另外一個傳感信號被識別之前完全改變狀態(tài)。所有最終被識別的躍變均經(jīng)過三次防抖。這個強制性的防抖算法的結(jié)果是限制了上電重啟速度，該速度通過之前討論過的運行重啟動算法而被修正。
如果在方框904中確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的第一狀態(tài)為假，則在光傳感器被重新查詢(方框932)之前可以啟動一個延遲(方框930)。如果在方框934中確定轉(zhuǎn)子位置傳感器在第一延遲之后的狀態(tài)為真，流程圖900將返回方框901曾經(jīng)啟動的一個速度例行程序。如果在方框934中確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的狀態(tài)為假，所述例行程序?qū)拥诙舆t(方框936)。然后，轉(zhuǎn)子位置傳感器508被第三次查詢(方框940)。如果確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的第三狀態(tài)為真，所述例行程序?qū)⒎祷胤娇?01中的活動的速度例行程序。
但是，如果確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的第三狀態(tài)為假，所述例行程序?qū)⒄J(rèn)為轉(zhuǎn)子位置傳感器的假狀態(tài)為合法的假信號(方框944)。接著，定子繞組32的相‘A’將被關(guān)斷，定子繞組32的相‘B’將被導(dǎo)通(方框946)。然后，活動的速度例行程序?qū)⒗^續(xù)運行，并可以檢測轉(zhuǎn)子16的轉(zhuǎn)速(方框926)。
圖33表示了從轉(zhuǎn)子位置傳感器508接收到的三個波形。波形950表示光電路上的亂真的電噪聲尖峰。波形952表示沒有防抖例行程序的相‘A’和相‘B’的相信號。波形954表示具有防抖例行程序的相‘A’和相‘B’的相信號。
如波形950所示，控制器512記錄多個噪聲峰值956。在波形952中，在958處圖示了多個不期望的相觸發(fā)。發(fā)生這種情況的原因是防抖例行程序未被激活，或者沒有和該相信號一起使用。相反地，波形954圖示了沒有受到來自波形950的、光電路上的噪聲沖擊的干凈的相信號，這是圖32中描述的防抖例行程序作用的結(jié)果。
圖32所示的防抖例行程序900幫助確保任何感測事件不包含任何已經(jīng)被施加于傳感器電路的亂真的電噪聲尖峰。噪聲尖峰一般來說在長度上比三次傳感器讀取的完整周期要短得多，這樣消除了在不止一個讀取事件中讀取到的噪聲。如流程圖900所示，必須連續(xù)檢測到三次真(TRUE)讀取或者三次假(FALSE)讀取，控制器512才能認(rèn)為所讀取的狀態(tài)為合法的。
雖然上述文字詳盡地敘述了本發(fā)明的若干不同的實施例，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的范圍由本專利末尾所闡述的權(quán)利要求書限定。這里的詳盡敘述僅僅是示例性的，并不代表本發(fā)明所有可能的實施例，因為描述所有的實施例即使不是不可能也是不現(xiàn)實的?；蛘卟捎帽炯夹g(shù)，或者采用本專利提交日之后新發(fā)展的技術(shù)，可以實施多個作為替代的實施例，這仍然有可能會落入本發(fā)明限定的權(quán)利要求書的范圍。
因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以采用在此描述和圖示的技術(shù)和結(jié)構(gòu)來進行多種改造和變化。相應(yīng)地，可以理解的是，這里描述的方法和裝置只是用于示例，而并非意在限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁阻機構(gòu)，其包括具有定子鐵心的定子，所述定子鐵心包括中心孔和從所述定子鐵心向內(nèi)延伸的多個定子磁極，每個所述定子磁極具有定子極面；和具有多個轉(zhuǎn)子磁極的轉(zhuǎn)子，每個所述轉(zhuǎn)子磁極具有轉(zhuǎn)子極面，每個所述轉(zhuǎn)子極面具有第一部分；第二部分，其相對于所述第一部分徑向向內(nèi)成臺階狀凹進，從而在所述轉(zhuǎn)子極面和對應(yīng)的定子極面之間形成不均勻的氣隙；和凸起，其位于所述轉(zhuǎn)子極面的第二部分的邊緣處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻機構(gòu)，其中所述凸起位于所述轉(zhuǎn)子極面第二部分的遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)子極面第一部分的邊緣處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻機構(gòu)，其中所述轉(zhuǎn)子極面大約為所述定子極面的兩倍大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻機構(gòu)，其中所述轉(zhuǎn)子極面和所述定子極面中的每一個限定一弧形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁阻機構(gòu)，其中所述凸起包括第一側(cè)面和第二側(cè)面，所述凸起的第一側(cè)面和第二側(cè)面中的每一個朝向所述凸起的端點漸縮。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁阻機構(gòu)，其中，所述凸起的端點和所述轉(zhuǎn)子極面的第一部分的周界相切。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁阻機構(gòu)，其中，所述凸起的第二側(cè)面為凹面或者線形面中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻機構(gòu)，其中，所述凸起由具有高磁導(dǎo)性的鐵磁性材料構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁阻機構(gòu)，其中，所述凸起由鋼構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻機構(gòu)，其中，所述多個定子磁極包括四個定子磁極，并且所述多個轉(zhuǎn)子磁極包括兩個轉(zhuǎn)子磁極。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻機構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)子和所述定子中的每一個包括多個層疊的疊片。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻機構(gòu)，其中，所述磁阻機構(gòu)為開關(guān)磁阻馬達(dá)。
13.一種用于磁阻機構(gòu)的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心；以及從所述轉(zhuǎn)子鐵心向外延伸的多個轉(zhuǎn)子磁極，每個所述轉(zhuǎn)子磁極具有轉(zhuǎn)子極面，每個所述轉(zhuǎn)子極面具有第一部分；第二部分，其相對于所述第一部分徑向向內(nèi)成臺階狀凹進，從而在所述轉(zhuǎn)子極面和相應(yīng)的定子極面之間形成不均勻的氣隙；和凸起，其位于所述轉(zhuǎn)子極面的第二部分的邊緣處。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述凸起位于所述轉(zhuǎn)子極面第二部分的遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)子極面第一部分的邊緣。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述轉(zhuǎn)子極面大約為所述定子極面的兩倍大。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述轉(zhuǎn)子極面和所述定子極面中的每一個限定一弧形。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述凸起包括第一側(cè)面和第二側(cè)面，所述第一側(cè)面和所述第二側(cè)面中的每一個朝向所述凸起的端點漸縮。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述凸起的端點和所述轉(zhuǎn)子極面的第一部分的周界相切。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述凸起的第二側(cè)面為凹面或者線形面中的一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述凸起由具有高磁導(dǎo)性的鐵磁性材料構(gòu)成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的轉(zhuǎn)子，其中，所述凸起由鋼構(gòu)成。
22.一種磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其包括真空清潔器；和安裝于所述真空清潔器中的磁阻機構(gòu)，所述磁阻機構(gòu)包括具有定子鐵心的定子，所述定子鐵心包括中心孔和多個定子磁極，所述定子磁極從所述定子鐵心向內(nèi)延伸，每個所述定子磁極具有定子極面；以及安裝于所述中心孔中的轉(zhuǎn)子，其用于相對于所述定子圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子鐵心以及從所述轉(zhuǎn)子鐵心向外延伸的多個轉(zhuǎn)子磁極，每個所述轉(zhuǎn)子磁極具有轉(zhuǎn)子極面，每個所述轉(zhuǎn)子極面具有第一部分；第二部分，其相對于所述第一部分徑向向內(nèi)成臺階狀凹進，從而在所述轉(zhuǎn)子極面和對應(yīng)的定子極面之間形成不均勻的氣隙；和凸起，其位于所述轉(zhuǎn)子極面的第二部分的邊緣處。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述凸起位于所述轉(zhuǎn)子極面第二部分的遠(yuǎn)離所述轉(zhuǎn)子極面第一部分的邊緣處。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)子極面大約為所述定子極面的兩倍大。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)子極面和所述定子極面中的每一個限定一弧形。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述凸起包括第一側(cè)面和第二側(cè)面，所述第一側(cè)面和所述第二側(cè)面中的每一個朝向所述凸起的端點漸縮。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述凸起的端點和所述轉(zhuǎn)子極面的第一部分的周界相切。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述凸起的第二側(cè)面為凹面或者線形面中的一種。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述凸起由具有高磁導(dǎo)性的鐵磁性材料構(gòu)成。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述凸起由鋼構(gòu)成。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述多個定子磁極包括四個定子磁極，并且所述多個轉(zhuǎn)子磁極包括兩個轉(zhuǎn)子磁極。
32.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述多個定子磁極和所述多個轉(zhuǎn)子磁極中的每一個包括多個層疊的疊片。
33.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁阻機構(gòu)系統(tǒng)，其中，所述磁阻機構(gòu)為開關(guān)磁阻馬達(dá)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁阻機構(gòu)，其包括具有定子鐵心的定子。所述定子鐵心包括中心孔以及多個從定子鐵心向內(nèi)延伸的定子磁極(30)。每個定子磁極(30)包括定子極面(38)。所述磁阻機構(gòu)進一步包括具有多個轉(zhuǎn)子磁極(62)的轉(zhuǎn)子。每個轉(zhuǎn)子磁極包括轉(zhuǎn)子極面(78)。每個轉(zhuǎn)子極面包括第一部分(78a)；第二部分(78b)，其相對于第一部分徑向上向內(nèi)成臺階狀，從而在轉(zhuǎn)子極面(78)和對應(yīng)的定子極面(38)之間形成不均勻的氣隙(80)；和凸起(82)，其位于轉(zhuǎn)子極面(78)的第二部分(78b)的邊緣。
文檔編號A47L5/12GK101015111SQ200580029176
公開日2007年8月8日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者尼爾·N·諾雷爾, 馬克·E·貝克 申請人:肖普瓦克公司