專利名稱：晶體管矩陣轉(zhuǎn)換式磁阻變速電動機驅(qū)動器的制作方法
晶體管矩陣轉(zhuǎn)換式磁阻變速電動機驅(qū)動器
本發(fā)明涉及多相電動機驅(qū)動器，并且更具體地，涉及包括配置 在電子電路矩陣中的線圈磁鐵和晶體管的多相電動機驅(qū)動器。
電子多相電動機廣泛使用在如泵和壓縮機這樣的應(yīng)用中。典型 的多相電動機響應(yīng)由線圈磁鐵選擇產(chǎn)生的磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子或多個轉(zhuǎn) 子。各線圈磁鐵與電動機驅(qū)動器電氣相通，驅(qū)動器選擇性地激勵線 圏磁鐵產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子的磁場。轉(zhuǎn)子驅(qū)動如空氣或液壓液體的流體從 進入到排放。
不利地，當使用這些傳統(tǒng)的電動機驅(qū)動器激勵線圏磁鐵時，由
線圈磁鐵生成磁通量的滿額力(ftill force)作用到轉(zhuǎn)子上。這造成可以 降低效率的抖動類型的轉(zhuǎn)子運動。這在相對低的轉(zhuǎn)子速度上是最明 顯的。例如，如果九線圈磁鐵多相電動機的各線圈磁鐵開啟一秒鐘， 那么轉(zhuǎn)子的一個循環(huán)將用九秒。用于轉(zhuǎn)子在磁辨之間運動的時間可 能僅用十分之一秒。對于其它十分之九秒，轉(zhuǎn)子將停止。這種類 型的電動機驅(qū)動器控制是相對低效的，如同在啟動和停止期間轉(zhuǎn)子 丟失慣性能量(inertial energy)。
典型的電動機驅(qū)動器構(gòu)造成這樣，即各線圈磁鐵連接在兩個晶 體管開關(guān)之間。在一個具有三個線圈磁鐵的示例中，各線圈磁鐵電 氣連接在低側(cè)晶體管和高側(cè)晶體管之間。低側(cè)晶體管連接到負向直 流接地總線(bus ground)且高側(cè)晶體管連接到正向直流總線。為激勵 所選的線圏磁鐵，相關(guān)聯(lián)的低側(cè)和高側(cè)晶體管開啟用以打開電氣連 接。其它包括額外線圈磁鐵的傳統(tǒng)示例要求額外的高側(cè)和低側(cè)晶體 管用于各額外的線圈磁鐵。利用兩個晶體管的各線圏磁鐵成比例地 增加多相電動機驅(qū)動器系統(tǒng)的開銷。
因此，需要對于各線圈磁鐵使用少于 一對晶體管同時更有效地 控制轉(zhuǎn)子運動的電動機驅(qū)動器系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的多相電動機驅(qū)動器包括當由電流激勵時產(chǎn)生磁場 的多個線圈磁鐵，以及與多個線圈磁鐵配置成電子電路的多個開關(guān)。 多個開關(guān)與多個線圏磁鐵電氣相通且各線圈磁鐵與多個開關(guān)中的至 少兩個電氣相通。各開關(guān)與多個線圈磁鐵的多于一個電氣相通。
通過脈沖產(chǎn)生線圏磁鐵的開/合工作循環(huán)，控制器控制轉(zhuǎn)子的速 度和力。通過脈沖產(chǎn)生磁場，可以控制對轉(zhuǎn)子的吸引用以控制轉(zhuǎn)子 的速度和力。隨磁場脈沖長度增加轉(zhuǎn)子施加在管式轉(zhuǎn)子導向件中流 體的力增加。"作用"更長脈沖產(chǎn)生更大的吸引和更多的力。當轉(zhuǎn) 子更遠離開線圏磁鐵時，控制器也傳遞更多的磁場力。與以前已知 的多相電動機和電動機驅(qū)動器比較，這些控制轉(zhuǎn)子的特征提供增加 操作有效性的益處。
本發(fā)明因此提供 一種電動機驅(qū)動器系統(tǒng)，其對于各線圈磁鐵利 用少于 一對晶體管用以更有效地控制轉(zhuǎn)子的運動。


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從下面當前優(yōu)選實施例的詳細描述中，本發(fā)明的各種特征和優(yōu) 點對于本技術(shù)領(lǐng)域這些專業(yè)人員將變得顯而易見。配以詳細描述的
附圖能夠簡述如下。
圖1是示例性管式轉(zhuǎn)換磁阻線性電動機的截面圖。 圖2是示例性管式轉(zhuǎn)換磁阻環(huán)形電動機的截面圖。 圖3是示例性電動機驅(qū)動器構(gòu)造的示意圖。
圖4是電動機驅(qū)動器另一實施例的示意圖。
具體實施例方式
圖1示意了管式轉(zhuǎn)換的磁阻線性電動機10的簡化截面示意圖。
線性電動機10包括管式轉(zhuǎn)子導向件12 ,在其中轉(zhuǎn)子14響應(yīng)由線圏 磁鐵16產(chǎn)生的磁場而運動。線圈磁鐵16由數(shù)字Ml-M9標示并且各 線圈磁鐵16包括兩個串行的北極和南極線圈。在示意位置上，轉(zhuǎn)子 14位于靠近線圈磁鐵Ml處。當M2線圏磁鐵16選擇性地受到激勵 時產(chǎn)生磁場。磁場吸引轉(zhuǎn)子14中的磁性材料使得轉(zhuǎn)子14從圖1示 意的位置運動到與M2線圈磁鐵16對準處。在運動過程中，轉(zhuǎn)子14 使包含在管式電動機導向件12內(nèi)部的流體運動。
圖2示意了管式切換的磁阻環(huán)形(torus)電動機26的簡化截面示 意圖。環(huán)形電動機26構(gòu)成圓環(huán)形，然而橢圓或其它形狀也可以使用。 為進一步理解環(huán)形電動機26，可關(guān)注美國專利申請No. 名為"環(huán) 形幾何結(jié)構(gòu)電動機系統(tǒng)"，其轉(zhuǎn)讓給了該項發(fā)明的受讓人，并且該 專利整體地結(jié)合于本文中。
環(huán)形電動機26包括管式轉(zhuǎn)子導向件12，在其中轉(zhuǎn)子14響應(yīng)由 線圈磁鐵16產(chǎn)生的磁場而運動。通過管式電動機導向件12,線圏磁 鐵16選擇性地受到激勵使轉(zhuǎn)子14運動用以使包含在管式電動機導 向件12內(nèi)部的流體運動。
圖3示意了用來驅(qū)動線性電動機10、環(huán)形電動機26、或其它電 子多相電動機的電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36的簡化示意圖。電動機驅(qū) 動器電路構(gòu)造36包括線圈磁鐵16的電氣矩陣38。線圈磁鐵16與線 圈磁鐵行和列中的電氣連接40相互連接。在顯示的示例中，Ml、 M2和M3線圈磁鐵16形成一行且Ml、 M4和M7線圈磁鐵16形 成一列。
多個晶體管42電氣連接到線圏磁鐵，作為一行44晶體管42和 一列46晶體管42。在行44上的各晶體管42對應(yīng)于線圈磁鐵16列。 C2晶體管42對應(yīng)M2、 M5和M8線圈磁鐵16列。在晶體管42列46 內(nèi)的各晶體管42對應(yīng)線圈磁鐵16的行?？刂破?8控制晶體管42 的操作并選擇性地激勵線圏磁鐵16。
在一個示例中，希望激勵M5線圈磁鐵16?？刂破?8選擇性地 開啟C2晶體管42和R2晶體管42用以完成在正向和負向直流電壓 之間的電氣連接。盡管電路包括九個線圈磁鐵16和六個晶體管42， 其它電路構(gòu)造也是可能的，例如但不限于帶有七個晶體管42的十二 個線圈磁鐵16，帶有九個晶體管42的十八個線圈磁鐵16，帶有八 個晶體管42的十六個線圈磁鐵16,帶有十二個晶體管42的三十六 個線圏磁鐵16,以及帶有十八個晶體管42的八十一個線圈磁鐵16。 不像以前已知的電動機驅(qū)動器電路，電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36提供 對帶有較少數(shù)目晶體管42對的線圈磁鐵16的控制。
圖4示意了另一電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36簡化的示意圖，其包 括具有兩行和三列線圏磁鐵16的電氣矩陣38。不像圖3中示意的 電路，該電路在各行中不包括如在各列中相同數(shù)目的線圈磁鐵16。 這可以提供如同以下將要描述的控制兩個或更多線圏磁鐵16同時操 作或重疊操作的益處。
在電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36中，根據(jù)等式S = 2(N，晶體管42 的數(shù)目與線圏磁鐵16的數(shù)目相關(guān)，其中S等于晶體管的數(shù)目，并且 N等于線圏磁鐵16的數(shù)目。根據(jù)該等式，電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36可 以配置成如在圖3中示例顯示的對稱電氣矩陣38或在圖4中示顯示 的非對稱電氣矩陣38。
與以前已知的電動機驅(qū)動器電路比較，電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36 提供較低平均電流的益處。在一個示例中，已知的電動機驅(qū)動器包 括帶有六個操作在六十安培峰值電流的晶體管的三個線圈磁鐵。每 個晶體管的平均電流是二十安培。帶有十二個晶體管42的三十六個 線圏磁鐵16的示例電氣矩陣38也操作在六十安培的峰值電流。每 個晶體管42的平均電流是十安培。用于示例電氣矩陣38的4交低平 均電流允許利用較小和較便宜的晶體管42。
在另一個電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36示例中，控制器48脈沖激 勵線圏磁鐵16的開/合工作循環(huán)用以控制轉(zhuǎn)子14的速度?？刂破?8
以所選的循環(huán)周期頻率脈沖激厲力所選的線圈磁鐵16。當所選的線圏
磁鐵16受到激勵，磁場吸引轉(zhuǎn)子14并且當所選的線圈磁鐵16斷 開，沒有磁場吸引轉(zhuǎn)子14。 通過脈沖(產(chǎn)生)磁場，可以控制在轉(zhuǎn) 子14上的吸引用以控制轉(zhuǎn)子14的速度和力。
隨磁場脈沖長度增加轉(zhuǎn)子14施加在管式轉(zhuǎn)子導向件12 (圖2)中 流體的力增加。也就是"作用"更長脈沖產(chǎn)生更大的吸引和更多的 力。與以前已知的多相電動機和電動機驅(qū)動器比較，控制轉(zhuǎn)子14的 這種特征提供了增加操作有效性的益處。
在一個操作示例中，所選的脈沖頻率是3.906千赫茲且循環(huán)周 期是256微秒?？刂破?8脈沖(激勵)所選線圈磁鐵16 "開啟"64 微秒且"斷開"256微秒循環(huán)周期的剩余192微秒。若要求更大的 轉(zhuǎn)子速度或力，控制器48脈沖(激勵)所選線圈磁鐵16的例如256微 秒循環(huán)周期的50%, 60%或75%。對于1024微秒的啟動(firing)脈 沖，控制器48重復四次256 ^:秒循環(huán)周期。
在另一個電動機驅(qū)動器電路構(gòu)造36操作示例中，控制器48變 化脈沖時間長度用以控制對轉(zhuǎn)子14的磁場吸引。如已知的，對轉(zhuǎn) 子14的磁場吸引與轉(zhuǎn)子14和產(chǎn)生磁場的線圈磁鐵16之間的距離成 反比。也就是，轉(zhuǎn)子14越靠近線圈磁鐵16磁場吸引越高。因此， 隨著轉(zhuǎn)子14接近線圈磁鐵16以及轉(zhuǎn)子14速度增加，作用力急劇增 加。通過當轉(zhuǎn)子更遠離開線圈磁鐵16時傳遞更多的磁場力，控制器 48控制用于轉(zhuǎn)子14平滑運動的這種作用力。與以前已知的多相電動 機和電動機驅(qū)動器比較，控制轉(zhuǎn)子14的這種特征提供了增加操作效 率的益處。
在另一個操作示例中，控制器48脈沖(激勵)所選線圈磁鐵16 的開/合工作循環(huán)。"作用"工作循環(huán)的長度正比于轉(zhuǎn)子14和所選線 圈磁鐵16之間的距離。也就是當轉(zhuǎn)子14距離所選線圈磁鐵16最遠 時"作用"工作循環(huán)更長，用以產(chǎn)生對轉(zhuǎn)子14更大數(shù)量的磁場吸引。 當轉(zhuǎn)子14更靠近所選的線圈石茲鐵16時，"作用"工作循環(huán)更短，
用以產(chǎn)生對轉(zhuǎn)子14更少的磁場吸引。與以前已知的多相電動機和
電動機驅(qū)動器比較，這提供轉(zhuǎn)子在所選線圈磁鐵16之間平滑運動的益處。
在另一個電動機驅(qū)動器構(gòu)造36示例中，控制器48同時激勵多 個線圈磁鐵16?？刂破?8開啟晶體管42行44中的所選的晶體管 42以及晶體管42列46中的至少兩個所選的晶體管42。這具有激勵 與三個選擇性開啟的晶體管42對應(yīng)的線圈磁鐵16的影響。
在另一個操作示例中，控制器48開啟C2晶體管42和Rl晶體 管42以及R2晶體管42用以激厲力M2和M5線圏磁鐵16(參考圖3)。 這種特征可以提供使多轉(zhuǎn)子14同時或在重疊時間幀內(nèi)運動的優(yōu)點。 在另一個示例中，為了控制需要激勵M2和M5線圈磁鐵16的額外 電流，C2晶體管42控制比其它晶體管42更大容量的電流。
盡管已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領(lǐng)域的普通專業(yè) 人員將會認識到某些改進將落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。鑒于該原因， 應(yīng)該研究以下面的權(quán)利要求確定本發(fā)明的真實范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種多相電動機驅(qū)動器，包括當由電流激勵時產(chǎn)生磁場的多個線圈磁鐵；與所述多個線圈磁鐵配置在電子電路中的多個開關(guān)，所述多個開關(guān)與所述多個線圈磁鐵電氣相通，各線圈磁鐵與至少兩個開關(guān)電氣相通，并且各開關(guān)與多于一個線圈磁鐵電氣相通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動器，其特征在于所述的多個線圈 磁鐵配置在電氣矩陣中，所述的電氣矩陣包括電氣電路列和電氣電 路行，所述的多個開關(guān)包括開關(guān)行，并且所述開關(guān)行的各開關(guān)與所 述的電氣電路列中的一列電氣相通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動器，其特征在于所述的多個開關(guān) 包括開關(guān)列，以及所述的開關(guān)列的各開關(guān)與所述的電氣電路行中的 一行電氣相通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的驅(qū)動器，其特征在于各電氣電路列包括與第一開關(guān)電氣相通的至少兩個線圏磁鐵，并且各電氣電路行包 括與不同于所述的第一開關(guān)的第二開關(guān)電氣相通的至少三個線圏磁鐵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的驅(qū)動器，其特征在于所述的電氣矩陣 包含八個線圈^f茲鐵和六個開關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的驅(qū)動器，其特征在于線圏磁鐵的數(shù)目 N和開關(guān)的數(shù)目S通過等式S-2(lsF)相關(guān)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動器，其特征在于第一對開關(guān)與第 一線圈磁鐵電氣相通，且包括第一對開關(guān)中的一個開關(guān)的第二對開 關(guān)與不同于所述的第一線圏磁鐵的第二線圈磁鐵電氣相通。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于所述的多個線圏磁 鐵沿管式轉(zhuǎn)子導向件間隔開，并且至少一個轉(zhuǎn)子響應(yīng)所述的磁場在 所述的管式轉(zhuǎn)子導向件內(nèi)運動。
9.一種多相電動機，包括 管式轉(zhuǎn)子導向件；沿所述的管式轉(zhuǎn)子導向件間隔開的多個線圈磁鐵，所述的多個線圈磁鐵當電流激勵時產(chǎn)生磁場；響應(yīng)所述的磁場在所述的管式轉(zhuǎn)子導向件內(nèi)運動的轉(zhuǎn)子；以及 與所述的多個線圈磁鐵配置在電氣矩陣中的多個開關(guān)，以及所述的多個開關(guān)的各開關(guān)與所述的電氣矩陣的至少一個電氣電路列或電氣電路4亍電氣相通。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電動機，其特征在于所述的管式轉(zhuǎn) 子導向件包括用于所述的至少一個轉(zhuǎn)子的基本上線性的傳輸路徑。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電動機，其特征在于所述的管式轉(zhuǎn) 子導向件包括用于所述的至少一個轉(zhuǎn)子的環(huán)形傳輸路徑。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電動機，其特征在于所述的多個線 圏磁鐵中每一個均定位于所述的管式轉(zhuǎn)子導向件的外圍上，并且與 所述的多個線圏磁鐵的另 一個基本上間隔開相等距離。
13. —種用于驅(qū)動具有多個線圈磁鐵的多相電動機的方法，當選 擇性地由電流激勵時各線圏磁4夾產(chǎn)生磁場，至少一個轉(zhuǎn)子響應(yīng)磁場 運動，并且多個晶體管協(xié)作用以選擇性地激勵線圏磁鐵，所述的方 法包括控制帶有較少數(shù)目的晶體管對的若干線圈磁鐵；且 激勵線圏磁鐵中的一個用以產(chǎn)生促使轉(zhuǎn)子運動的磁場。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括使用第一對 晶體管激勵第 一 線圈磁鐵以及^f吏用第二對晶體管激勵不同于第 一 線 圏磁鐵的第二線圈磁鐵，其中，笫二對晶體管包括第一對晶體管中 的一個晶體管。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括配置線圈磁 鐵到具有線圈磁鐵電氣行和電氣列的電氣電路矩陣中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于包括以不對稱的 電氣電路矩陣構(gòu)造配置線圈磁鐵。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于包括脈沖輸出所 選線圈磁鐵的開/合工作循環(huán)用以控制至少一個轉(zhuǎn)子速度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于包括在脈沖之間 變化時間長度用以控制作用在至少一個轉(zhuǎn)子上的磁力。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于包括在轉(zhuǎn)子和所 選的線圈磁鐵之間不同距離的 一 定范圍內(nèi)保持作用在至少 一 個轉(zhuǎn)子 上的基本恒定的磁力。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于包括同時激勵多 個線圈磁鐵。
全文摘要
一種包括當由電流激勵時產(chǎn)生磁場的線圈磁鐵的多相電動機驅(qū)動器。線圈磁鐵構(gòu)造在電氣矩陣中。開關(guān)與線圈磁鐵配置在電氣電路中。各線圈磁鐵與至少兩個開關(guān)電氣相通并且各開關(guān)與多于一個線圈磁鐵電氣相通。開關(guān)成對操作用以激勵線圈磁鐵，并且多相電動機驅(qū)動器包括比線圈磁鐵較少數(shù)目的開關(guān)對。
文檔編號H02P25/02GK101103520SQ200680002133
公開日2008年1月9日 申請日期2006年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者R·卡德爾 申請人:薩萊爾公司