磁通开关电机的励磁电路和控制方法技术

一种用于励磁开关电机（１４）的励磁电路（１０）。该电路包括跨接耦合到整流桥的ＤＣ侧的低值薄膜电容器。根据由微控制器（１８）控制的ＰＷＭ控制方案和单脉冲控制方案，多个电子开关被布置在Ｈ桥结构中以用于切换流过电机电枢绕组的电流。启动二极管跨接放置在电机磁场绕组上，并且在电机的启动阶段完成之后，电子切换启动二极管使其与电路脱离。电路通过磁场绕组在启动过程中实施电枢能量回流，来促进电机更加匀速和快捷地启动。使用薄膜电容器提高了电路的功率因数，有助于消除将谐波引入到交流电压源，并且有助于减轻电磁干扰（ＥＭＩ）。当切断电机电源时，通过反向换向使电机迅速停止。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
励磁开关电机的励磁电路和控制方法
本专利技术涉及电机励磁电路，具体涉及一种励磁开关电机的用于控制电机启动和运行的励磁电路和控制方法。
技术介绍
励磁开关电机的特征在于未卷绕的凸极转子和定子上的两组整节距绕组，其中一组是主要承载单向电流的磁场绕组，另一组是由双向电流励磁并且电枢绕组极性由转子位置决定的电枢绕组。励磁开关电机可以广泛而方便地应用于很多领域，其应用范围包括各种大型家用设备和电动工具。例如可在桌式锯、斜切锯和其它要求输出功率大于几个马力的工具中使用励磁开关电机。由于省去了交直流两用机中拥有的电刷和传统的换向器，励磁开关电机特别有利于应用于电锯等电动工具中。由于省去了电刷以及电刷与换向器之间的机械接触，从而能够制造高度防尘的密闭电机，否则灰尘能够影响传统的交直流两用机的电刷和换向器的运转。同时，因为克服了由于使用换向器和电刷用于电机换向时产生的磨损，励磁开关电机的寿命也较长，并且很少需要定期修理或保养。目前通常使用一对电子开关来实现励磁开关电机的换向，这对电子开关受各种形式的控制器的控制。控制器可以通过控制一个或多个电枢绕组中的一个电枢绕组中的电流方向或双线电枢绕组的不同部分的电流方向的方式来控制电机换向。当切断电子开关时，许多传统的换向电路需要用缓冲电路来提供电流通路并且使电机换向。但是，每当将电流切换到从一个电枢绕组或者双线绕组的一部分中流过时，这样的一个缓冲电路将不得不消耗掉大量的功率，这些-->消耗掉的功率称之为耗散功率。同时，这种换向控制方案中铜的利用率也非常低。目前励磁开关电机的励磁电路的另一个典型特点是在励磁电路的整流部分输出端跨接了一个铝电解电容器，以处理电机换向时出现的暂态瞬变和获得稳定的直流电压。如果没有这个被称为大电容器的铝电解电容器，从静止状态起动励磁开关电机可能会非常慢而且不匀速。另外，如果没有这个大电容器，电机将需要令人无法忍受的长时间才能达到其工作速度。在很多具体应用中，例如电动工具中的桌式锯或斜切锯，使用者不希望在使用这些工具前不得不等待数秒钟或者更长时间才让电机达到工作速度。这个大电容还导致了较低的功率因数，其典型值为0.75～0.70，而较低的功率因数减小了电机从电流保护分支电路吸收的功率。同时，大电容相对来说较大并且在印刷电路板上占据相当大的空间，并且具有一定的寿命限制(典型的大约是2,000小时)。遇到波动时，大电容还容易出现故障，因此特别不适用于电动工具。而且，大电容并不能缓解交流(AC)电源中的谐波效应。目前在美国将谐波引入到AC电源中不是一个严重的问题，但是在欧洲这将是一个非常严重的问题，因此在设计欧洲使用的电机的励磁电路时，这是一个必须考虑的因素。因此，特别需要提供一种用于励磁开关电机的励磁电路，该励磁开关电机通过布置多个电子开关和使用一个开关控制方案以在电枢绕组中提供电流回流来实现对电机的电子换向。本专利技术一个相关目的是通过使用刚刚所述的开关控制方案和电子开关布置而省略传统的缓冲电路。本专利技术的另一个目的是提供一种用于励磁开关电机的励磁电路，该励磁开关电机使用一个相对较小的薄膜电容器，而不是传统的大电容器，该薄膜电容器跨接在励磁电路的滤波部分的输出端。使用薄膜电容器而不使用传统的铝电解电容器除了可以显著地减少可能由电路引回到AC电源的谐波以外，还将显著地提高电路的功率因数，并且还有利于减轻电磁干扰(EMI)。-->本专利技术的另一个目的是提供一种用于励磁开关电机的励磁电路，该励磁开关电机使用一个开关电路，可通过控制该开关电路来影响电机电枢绕组的反向换向，使得当关闭励磁开关电机时，电机能够迅速地停止。当励磁开关电机应用在例如桌式锯、斜切锯、旋转锤等各种电动工具中时，也特别需要这种特性。
技术实现思路
上述目的和其它目的是根据本专利技术优选实施例的一种用于励磁开关电机的励磁电路实现的。该励磁电路包括开关电路，该开关电路由多个和励磁开关电机的电枢绕组一起设置在H-桥布置中的电子开关装置组成。至少选择具有旁路元件(比如二极管)的电子开关中的一个，使电枢电流在电机换向期间能够回流。这省去了对传统的缓冲电路的需要，并且改进了电机的转矩/速度性能。励磁电路还包括薄膜电容器，而不是传统的大电容器。薄膜电容器跨接在电路滤波部分的输出端。薄膜电容器显著地提高了电路的功率因数，同时也减少了引入到给励磁电路供电的AC电源中的谐波。励磁电路还包括一个用于控制电子开关装置的开关状态的控制器。在一个优选的组成当中，该控制器由实施脉冲宽度调制(PWM)控制方案的微处理器组成，该控制方案结合单脉冲控制，用于控制施加到电子开关的开关信号的占空因数。使用该控制器和一个PWM控制方案进一步可以实现变化的转矩/速度曲线，这样使得一个单独的励磁开关电机的工作特性可以被用在不同的应用中，而绝对无需对电机本身作调整。仅对与控制器一起使用的软件进行修改，使得电机转矩/速度曲线适合于特定的一种或多种工具(电机将被用在这些工具中)最适宜的电机特性。通过此后的详细描述可以清楚地知道本专利技术的进一步应用领域。应当理解，在简述本专利技术的优选实施例的同时所提供的详细的描述和特定的范例，仅用于说明的目的而不能作为对本专利技术范围的限制。-->附图说明根据详细说明和附图可以更容易理解本专利技术，其中： 图1是本专利技术一优选实施例的励磁电路的简化框图；图2是基于图1的本专利技术一实施例的H～桥开关电路图；图2a是可选择的将二极管从所跨接的磁场绕组上移开的电路示意图；图3是位置传感器输出信号和电机产生的反电动势图，并且还阐明了所使用的PWM开关信号中的超前；图4a～4d是与转子位置传感器输出波形有关的PWM开关信号图，以简化的方式阐明了在不同的运行起动模式中，占空因数是随着电机速度而变化的函数；图4e是和电机速度有关的单脉冲开关信号图；图5是本专利技术系统采用的和电机速度有关的典型的PWM占空因数曲线图；图6是和电机速度有关的PWM占空因数整体包络线图；和图7是和起动过程中AC线电压有关的PWM占空因数调节图。具体实施方式下述对优选实施例的说明仅仅作为示例，并不用于限制本专利技术及其应用或使用。如图1所示，图1中所示的系统10主要由励磁开关电机14和与励磁开关电机14有关的电源开关电路12组成。电机14由传统的具有多磁极定子的励磁开关电机组成，并且在一个优选组成中是4极、1个整节距磁场绕组和1个整节距电枢绕组，其中磁场绕组和电枢绕组的匝数可以变化，但是在一个优选的组成中，电机14由每个线圈具有40匝的磁场绕组和每个线圈具有20匝的电枢绕组组成。在一个优选的组成当中，作为将电枢绕组排列成平行两部分的结果，定子具有一对顺向磁极。-->电机14还具有转子，转子的转动位置由位置传感器16监测。位置传感器16的输出信号施加到控制器18，例如控制器18可为一微处理器。可以使用多个机械开关向控制器18输入信息从而用信号通知控制器不同的操作过程，比如操纵开/关触发开关20a启动电机14。控制器18生成施加到驱动电路22的开关信号，而驱动电路22的输出则用来控制电源/开关电路12的开关元件，从而实现将励磁开关电机14电子换向。人们期望系统10能够应用于多种电动工具中，而其中一种特别的工具是桌式锯/斜切锯相结合。这种工具中典型的包括多个外部开关，而外部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁电路，包括：整流电路，用于将交流输入信号转换成整流交流信号；Ｈ桥开关电路，用于响应所述的整流交流输出，并且耦合到所述的电枢绕组的两端；电枢能量恢复电容器，耦合 到所述开关电路的输出上；所述Ｈ桥开关电路包括多个旁路元件，用于允许电枢电流在所述电机的操作起动阶段，通过所述Ｈ桥电路中所选择的开关元件和所述电枢绕组回流；和控制器，用于控制所述Ｈ桥电路的每个所述开关元件的接通和断开的切换。

【技术特征摘要】
US 2001-8-6 60/310,3821、一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁电路，包括：整流电路，用于将交流输入信号转换成整流交流信号；H桥开关电路，用于响应所述的整流交流输出，并且耦合到所述的电枢绕组的两端；电枢能量恢复电容器，耦合到所述开关电路的输出上；所述H桥开关电路包括多个旁路元件，用于允许电枢电流在所述电机的操作起动阶段，通过所述H桥电路中所选择的开关元件和所述电枢绕组回流；和控制器，用于控制所述H桥电路的每个所述开关元件的接通和断开的切换。2、如权利要求1所述的励磁电路，进一步包括：跨接耦合到所述磁场绕组的半导体，用于能量回流；和在所述电机的操作起动阶段被所述控制器所控制的开关元件，用于切换所述跨接耦合到所述磁场绕组上的半导体。3、如权利要求2所述的励磁电路，其中所述开关元件包括用于回流磁场能量的继电器。4、如权利要求1所述的励磁电路，其中所述旁路元件包括飞轮二极管。5、如权利要求1所述的励磁电路，其中在所述操作起动阶段，所述控制器提供脉冲宽度调制(PWM)开关信号至所选择的所述开关元件。6、如权利要求1所述的励磁电路，其中当关闭所述电机时，所述控制器控制所述H桥开关电路实现制动作用。7、如权利要求1所述的励磁电路，进一步包括一电容介于10μfd～15μfd之间的薄膜电容器，薄膜电容器跨接耦合到所述整流电路的输出上。8、一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁电路，所述励磁电路包括：整流电路，用于接收交流输入信号，并且在一对直流总线上生成整流交流信号；H桥开关电路，耦合到所述直流总线，所述电枢绕组被耦合到所述H桥开关电路的多个开关元件中的所选择开关元件之间；电枢恢复电容器，跨接耦合到所述直流总线，并且跨接在所述开关电路上；所述H桥开关电路，包括多个旁路元件，用于允许电枢电流在所述电机的操作起动阶段通过所述电枢绕组回流；和控制器，用于产生开关信号来控制所述H桥开关电路，所述控制器产生脉冲宽度调制(PWM)开关信号用于控制所选择的开关元件。9、如权利要求8所述的励磁电路，进一步包括跨接耦合在所述直流总线上的薄膜电容器。10、如权利要求8所述的励磁电路，进一步包括在所述电机的操作起动阶段跨接耦合到所述磁场绕组上的电流旁路元件。11、如权利要求10所述的励磁电路，其中所述的旁路元件包含二极管，在所述操作起动阶段在所述磁场绕组上选择性地切换跨接所述二极管以提供电流通路。12、如权利要求11所述的励磁电路，进一步包括响应所述控制器以选择性地切换跨接在所述绕组上所述的二极管的继电器。13、如权利要求8所述的励磁电路，当关闭所述电机时，其中所述控制器控制所述H桥电路以执行再生制动动作。14、一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁方法，所述方法包括：从交流电源提供交流输入信号；使用整流器接收所述交流输入信号，并在一对直流总线上产生整流交流信号；使用H桥开关电路可操作地将所述电枢绕组跨接耦合至所述电枢绕组，来有选择地指引所述整流交流信号的电流流过所述电枢绕组；使用和所述H桥电路有关的多个旁路元件来允许所述电流在所述电机的操作起动阶段，回流流过所述电枢绕组；使用控制器控制所述H桥来操作所述电机；和使用电枢能量恢复电容器，在操作所述电机时，跨接耦合到所述H桥开关电路来存储电枢能量。15、一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁方法，所述方法包括：交流电源提供交流输入信号；整流所述交流输入信号以产生整流交流信号；施加所述整流交流信号至和所述电枢绕组有关的开关电路，以交替地切换流过所述电枢绕组的电枢电流的方向；和所述开关电路一起使用多个旁路元件，来允许所述电枢电流在切换流过所述电枢绕组的所述电枢电流的方向时，回流流过所述电枢绕组；使用控制器来控制所述开关电...

【专利技术属性】
技术研发人员：包纳普拉萨德V戈蒂，理查德托马斯沃尔特，威廉F希尔夏，
申请(专利权)人：布莱克和戴克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]