專(zhuān)利名稱(chēng)：電機(jī)與負(fù)載特性曲線(xiàn)的同步化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明在總體上涉及驅(qū)動(dòng)有可周期性變化輸入要求的負(fù)載的系統(tǒng)和方法。尤其但不是排他的是，本發(fā)明涉及電機(jī)的輸出特性曲線(xiàn)與該電機(jī)所連接的裝置的負(fù)載特性曲線(xiàn)的同步化。
一種這樣類(lèi)型的機(jī)器是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，近年來(lái)，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)再度被認(rèn)為能很好地用于可變速用途。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)和操作的普通原理是公知的，并由例如“The Characteristics，Design and Applicationsof Switched Reluctance Motors and Drives”公開(kāi)，該文獻(xiàn)在1993年6月21-24德國(guó)紐倫堡的PCIM’93 Conference and Exhibition中由Stephenson和Blake發(fā)表，其內(nèi)容包含于此，以供參考。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)通常設(shè)置成在運(yùn)動(dòng)部分(通常稱(chēng)為轉(zhuǎn)子)沒(méi)有繞組或永磁體。大多數(shù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的靜止部分(稱(chēng)為定子)包括環(huán)繞定子極點(diǎn)的線(xiàn)圈，該線(xiàn)圈通常載有單向電流。在一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中，環(huán)繞相對(duì)定子極點(diǎn)的線(xiàn)圈串聯(lián)或并聯(lián)連接，以便形成潛在多相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的一相繞組。通過(guò)以預(yù)定順序?qū)㈦妷菏┘釉诟飨嗬@組上而產(chǎn)生電機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩，該預(yù)定順序與轉(zhuǎn)子的角度位置同步，這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的極點(diǎn)互相接近時(shí)，在轉(zhuǎn)子和定子的極點(diǎn)之間形成磁性吸引力。同樣，通過(guò)使電壓脈沖位于循環(huán)中極點(diǎn)彼此離開(kāi)的部分，從而產(chǎn)生發(fā)電作用。在典型操作中，每次給開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組供能，相繞組都將產(chǎn)生磁通量，從而在轉(zhuǎn)子極點(diǎn)上形成吸引力。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的最普通形式是旋轉(zhuǎn)的和柱形的，并有內(nèi)部轉(zhuǎn)子。不過(guò)，還已知反結(jié)構(gòu)、線(xiàn)性和分段的電機(jī)。本發(fā)明可用于不同類(lèi)型的馬達(dá)。
為了保持由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)生的力矩和相關(guān)速度，需要仔細(xì)控制電壓施加到馬達(dá)的相繞組上的時(shí)刻?？刂颇Ｊ接卸喾N，在前述Stephenson的文章中公開(kāi)了一些控制模式。
不同類(lèi)型的電機(jī)具有作為角度的函數(shù)的不同力矩分布特性曲線(xiàn)，通常，當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇電機(jī)以實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)時(shí)將受到這些特性曲線(xiàn)(已知或預(yù)期)的影響。例如，通常DC電機(jī)有非常光滑的扭矩/角度分布(即它們有較低的扭矩波動(dòng))，考慮到?jīng)]有扭矩波動(dòng)能生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，這些電機(jī)例如通常選擇為驅(qū)動(dòng)鋼廠(chǎng)的輥?zhàn)踊蝌?qū)動(dòng)磨床的往復(fù)動(dòng)程。相反，已知單相感應(yīng)馬達(dá)有非常高的力矩波動(dòng)(因?yàn)榕ぞ赝ㄟ^(guò)脈沖產(chǎn)生，而不是旋轉(zhuǎn)場(chǎng))，因此，對(duì)于低慣性和對(duì)力矩波動(dòng)敏感的負(fù)載用途，該單相感應(yīng)電機(jī)并不能認(rèn)為是一種很好地選擇。
經(jīng)常用于評(píng)價(jià)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的等級(jí)的一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是它所固有的力矩波動(dòng)峰值，該力矩波動(dòng)峰值只能在降低平均力矩大小或者提高功率轉(zhuǎn)換器的等級(jí)的情況下才能被抑制，提高功率轉(zhuǎn)換器的等級(jí)將能夠處理比在其它情況所需電流更高的電流。在很多研究者的觀(guān)點(diǎn)中，這是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的主要缺點(diǎn)，否則開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)能夠有更寬的用途。例如，Husain和Ehsani在1994年2月13-17日在Florida，Orlando的Proc of IEEE9th Applied Power Electronics Conference發(fā)表的文章“Torque rippleminimization in switched reluctance motor drives by PWM currentcontrol”中的72-77頁(yè)包括力矩波動(dòng)機(jī)理的詳細(xì)說(shuō)明，并介紹了一種使其減小的方法。直到現(xiàn)在還認(rèn)為力矩波動(dòng)的原理涉及必須要減小的可變輸出。不過(guò)，根據(jù)已知方法，試圖減小力矩波動(dòng)通常還將減小該馬達(dá)可獲得的平均力矩。
發(fā)明概述本發(fā)明由所附獨(dú)立權(quán)利要求確定。本發(fā)明的一些優(yōu)選特征分別在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種驅(qū)動(dòng)有可周期性變化的輸入要求的負(fù)載的方法，該方法包括通過(guò)有可周期性變化的輸出的電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，該可周期性變化的輸出包括在其循環(huán)中的、小于負(fù)載的可變輸入要求的峰值的低輸出；以及使該馬達(dá)與負(fù)載連接成這樣，即負(fù)載的峰值輸入要求與馬達(dá)輸出循環(huán)中的、馬達(dá)的瞬時(shí)輸出超過(guò)該峰值的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種通過(guò)有可周期性變化的輸出的電馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)有可周期性變化的輸入要求和有通?？芍貜?fù)的靜止位置的負(fù)載的方法，該方法包括使馬達(dá)與負(fù)載連接成這樣，即該可周期性變化的輸出在起動(dòng)時(shí)升高，以便促使負(fù)載加速離開(kāi)靜止位置。
本發(fā)明不是為了抑制電機(jī)例如開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的輸出波動(dòng)，而是提供一種當(dāng)電機(jī)與也有輸入(負(fù)載)波動(dòng)或有快速加速的起動(dòng)要求的負(fù)載連接時(shí)利用該電機(jī)的方法。該峰值負(fù)載要求可以布置成基本與電馬達(dá)的可變輸出中更適于滿(mǎn)足該要求的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。因此，在本發(fā)明的一種形式中，馬達(dá)的平均輸出實(shí)際上可以小于峰值要求，只要負(fù)載要求的包跡線(xiàn)由馬達(dá)輸出覆蓋。在本發(fā)明的另一形式中，馬達(dá)和負(fù)載之間的連接可以布置成在負(fù)載起動(dòng)位置或該位置附近提供峰值輸出，以便通過(guò)利用馬達(dá)的輸出峰值來(lái)促進(jìn)最初的加速。通過(guò)這種重新確定力矩波動(dòng)的問(wèn)題的方法，能夠更高效和更經(jīng)濟(jì)地利用馬達(dá)，而不需要采用輸出波動(dòng)減小方法。
優(yōu)選是，馬達(dá)的輸出和負(fù)載要求是力矩。還優(yōu)選是馬達(dá)的輸出循環(huán)周期與負(fù)載的周期性力矩要求的周期相等，或者能被該力矩要求周期整除。
根據(jù)本發(fā)明的一種形式，提供了一種起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的方法，該內(nèi)燃機(jī)有可周期性變化的起動(dòng)力矩要求，該方法包括使發(fā)動(dòng)機(jī)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)連接，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的力矩輸出有可周期性變化的波動(dòng)，且該周期等于起動(dòng)力矩的周期或者可被該起動(dòng)力矩的周期整除，且該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)包括小于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩要求中的峰值的低力矩輸出；以及將馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)的角度方位布置成使起動(dòng)力矩要求中的峰值與力矩輸出中馬達(dá)的瞬時(shí)力矩大于起動(dòng)力矩的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一形式，提供了一種內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)器系統(tǒng)，該內(nèi)燃機(jī)有可周期性變化的起動(dòng)力矩要求，該系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的力矩輸出有可周期性變化波動(dòng)，該可周期性變化的波動(dòng)的周期等于起動(dòng)力矩周期或可以被該起動(dòng)力矩周期整除，且該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)包括小于發(fā)動(dòng)機(jī)所需起動(dòng)力矩的峰值的低力矩輸出，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接成這樣，即所需起動(dòng)力矩中的峰值與力矩輸出中馬達(dá)的瞬時(shí)力矩大于起動(dòng)力矩的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
在本發(fā)明的還一形式中，提供了一種起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的方法，該內(nèi)燃機(jī)有可變起動(dòng)力矩要求，該方法包括使發(fā)動(dòng)機(jī)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)連接，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的力矩輸出有可周期性變化的波動(dòng)，且該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)包括峰值輸出；將馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)角度方位布置成這樣，即馬達(dá)的起動(dòng)力矩峰值與發(fā)動(dòng)機(jī)靜止時(shí)的位置相對(duì)應(yīng)或靠近該靜止位置。
尤其是，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的操作，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)連接成這樣，即開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)既可以作為馬達(dá)來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以作為發(fā)電機(jī)由該發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
對(duì)附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明通過(guò)閱讀下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明并參考附圖，可以了解本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1是與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)器的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的用于開(kāi)關(guān)磁阻系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電路；圖3(a)、(b)&(c)分別是以單脈沖模式工作的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)器的電壓、相電壓和供給電流vs旋轉(zhuǎn)角度的曲線(xiàn)圖；圖4所示為以單相工作的普通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在任意角度時(shí)的力矩波動(dòng)；圖5所示為3相、6定子極點(diǎn)、4轉(zhuǎn)子極點(diǎn)電機(jī)的力矩曲線(xiàn)圖；圖6表示了原動(dòng)機(jī)的力矩和施加在該原動(dòng)機(jī)上的負(fù)載之間的關(guān)系；圖7所示為內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)力矩要求；
圖8所示為圖7的負(fù)載分別與磁阻馬達(dá)的特性曲線(xiàn)的疊加；圖9所示為根據(jù)本發(fā)明的曲線(xiàn)；圖10所示為現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)從靜止開(kāi)始加速時(shí)的力矩和速度；以及圖11所示為根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行工作的系統(tǒng)的力矩和速度。
對(duì)推薦實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明作為舉例，下面對(duì)本發(fā)明原理的說(shuō)明將基于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和構(gòu)成負(fù)載的內(nèi)燃機(jī)(i.c.)。盡管本發(fā)明尤其適用于該組合，但是應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明還可以用于其它類(lèi)型的電機(jī)與其它負(fù)載。圖1示意表示了一種普通的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)器，其中，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)12通過(guò)聯(lián)軸器17與內(nèi)燃機(jī)19相連。輸入DC電源11既可以是電池，也可以是整流和濾波的AC電源。由電源11提供的DC電壓通過(guò)由電子控制單元14控制的功率轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成橫過(guò)馬達(dá)12的相繞組16。該轉(zhuǎn)換必須與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確同步，以便該驅(qū)動(dòng)器正確工作，且通常利用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15來(lái)提供與轉(zhuǎn)子的角度位置相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15可以有多種形式，其中包括計(jì)算軟件的形式，且它的輸出還可用于產(chǎn)生速度反饋信號(hào)。
本發(fā)明尤其適合用作內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)器/發(fā)電機(jī)，其中，該電機(jī)作為馬達(dá)來(lái)使內(nèi)燃機(jī)的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起動(dòng)該內(nèi)燃機(jī)，且它還在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)用作發(fā)電機(jī)。聯(lián)軸器17為普通的直接聯(lián)軸器，馬達(dá)和負(fù)載的軸安裝在該聯(lián)軸器上，然后根據(jù)后面將介紹的本發(fā)明原理進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。一旦形成正確的角度位置，聯(lián)軸器17拉緊。保持輸出和輸入之間的角度整體性(integrity)的裝置除了包括聯(lián)軸器17外，還包括有齒的驅(qū)動(dòng)器和其它分度傳輸系統(tǒng)，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知。
已知多種不同的功率轉(zhuǎn)換器，它們中的幾個(gè)在前述Stephenson的文章中公開(kāi)。多相系統(tǒng)的單相的一種最普通的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，電機(jī)的相繞組16與橫跨母線(xiàn)26和27的兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置21和22串聯(lián)連接。母線(xiàn)26和27統(tǒng)稱(chēng)為轉(zhuǎn)換器的“直流傳輸線(xiàn)”。能量回收二極管23和24與繞組相連，以便當(dāng)開(kāi)關(guān)21和22斷開(kāi)時(shí)允許繞組電流流回直流傳輸線(xiàn)。稱(chēng)為“直流傳輸線(xiàn)電容器”的電容器25橫過(guò)直流傳輸線(xiàn)連接，以便發(fā)出或接收直流傳輸線(xiàn)電流的交流部分(即所謂的“波紋電流”)，該交流部分不能由供給源發(fā)出或返回供給源。實(shí)際上，電容器25可以包括幾個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)的電容器，當(dāng)采用并聯(lián)連接時(shí)，某些元件可以貫穿轉(zhuǎn)換器分布。通常還包括與底部開(kāi)關(guān)22串聯(lián)的電流測(cè)量電阻器28。
根據(jù)定時(shí)轉(zhuǎn)換(switching timing)，功率轉(zhuǎn)換器用于使開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)19，或者作為發(fā)電機(jī)而由該內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，以便將能量供給功率供給源11。電機(jī)的這種重新配置形式是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。
圖3表示了圖2所示電路的電機(jī)回轉(zhuǎn)循環(huán)的典型波形。圖3(a)表示了當(dāng)開(kāi)關(guān)21和22閉合時(shí)在引導(dǎo)角θc期間所施加的電壓。圖3(b)表示了相繞組16中的電流升高到峰值，然后稍微下降。在引導(dǎo)期間的末期，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電流轉(zhuǎn)向二極管，使得反向傳輸線(xiàn)電壓作用在繞組上，從而促使流量和電流降低至零。在零電流時(shí)，二極管停止傳導(dǎo)，電路停止，直到開(kāi)始后一個(gè)引導(dǎo)期。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，直流傳輸線(xiàn)上的電流反向，如圖3(c)所示，該返回的電流表示能量返回供給源。電流波形形狀根據(jù)電機(jī)的工作點(diǎn)和所采用的開(kāi)關(guān)方法而變化。例如，如前述Stephenson的文章中所述，低速工作通常涉及采用電流限幅，以便包含峰值電流，且不同時(shí)切斷開(kāi)關(guān)將產(chǎn)生通常稱(chēng)為“空程”的工作模式。
當(dāng)供給恒定電流時(shí)，由作為馬達(dá)工作的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)所產(chǎn)生的力矩對(duì)于不同角度并不恒定。例如，圖4表示了作為角度的函數(shù)的、由典型小電機(jī)所產(chǎn)生的力矩，其中可清楚看見(jiàn)從一相到另一相的過(guò)渡點(diǎn)。在該實(shí)例中，電機(jī)有6相、12個(gè)定子極點(diǎn)和10個(gè)轉(zhuǎn)子極點(diǎn)，形成的力矩波動(dòng)周期為6°，但是具有其它極點(diǎn)數(shù)目的電機(jī)的總體形狀是一樣的-只是在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)力矩波動(dòng)循環(huán)的數(shù)目改變。圖5表示了3相、6定子極點(diǎn)和4轉(zhuǎn)子極點(diǎn)的電機(jī)的力矩曲線(xiàn)，該力矩曲線(xiàn)的力矩波動(dòng)周期為30°。相和極點(diǎn)數(shù)目的多種其它組合為本領(lǐng)域公知，它們各有自己的力矩波動(dòng)周期。
旋轉(zhuǎn)機(jī)械負(fù)載的力矩分布很少對(duì)于不同角度恒定，即使速度較高和/或慣性較大，從而使力矩波動(dòng)對(duì)于原動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)通常并不明顯。不過(guò)，當(dāng)速度較低，例如當(dāng)負(fù)載通過(guò)此時(shí)加速力矩很小的原動(dòng)機(jī)而從靜止開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，負(fù)載的力矩波動(dòng)變得很重要。圖6表示了一個(gè)任意原動(dòng)機(jī)和負(fù)載的力矩在轉(zhuǎn)一周的角度范圍內(nèi)的分布。除A和B兩點(diǎn)之間的區(qū)域外，原動(dòng)機(jī)的力矩大于負(fù)載的力矩。陰影部分區(qū)域表示在任意角度的加速力矩，即該力矩可以對(duì)原動(dòng)機(jī)和負(fù)載的組合慣性進(jìn)行加速。在角度范圍A至B中，負(fù)載要求的力矩大于可獲得的力矩，因此，曲線(xiàn)之間的差值是減速力矩。由此可見(jiàn)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)在所謂的點(diǎn)C處供能時(shí)負(fù)載將被加速，并將在點(diǎn)A處獲得足夠的速度，以便越過(guò)減速區(qū)域。應(yīng)當(dāng)知道，加速力矩區(qū)域和減速力矩區(qū)域的相對(duì)大小確定了系統(tǒng)是否被起動(dòng)。不過(guò)，當(dāng)首先在區(qū)域A至B中供能時(shí)，系統(tǒng)將不會(huì)旋轉(zhuǎn)，因?yàn)樨?fù)載力矩大于原動(dòng)機(jī)力矩。
圖7表示了大于6缸2沖程內(nèi)燃機(jī)的線(xiàn)性化起動(dòng)力矩曲線(xiàn)。在組合曲線(xiàn)中，6個(gè)缸各形成一個(gè)“峰值”。該曲線(xiàn)的總體形狀是內(nèi)燃機(jī)的典型形狀，盡管特定的發(fā)動(dòng)機(jī)布置和設(shè)計(jì)有著特定的峰值數(shù)目和特定的峰值形狀。所示曲線(xiàn)線(xiàn)性化是為了清楚表示-實(shí)際上該曲線(xiàn)有高階部分，該高階部分將小的圓角和其它變化形式引入曲線(xiàn)。
圖8表示了圖7的負(fù)載分布與開(kāi)關(guān)磁阻馬達(dá)的力矩/角度曲線(xiàn)在任意角度的疊加。馬達(dá)在360°中有12個(gè)峰值，這是6靜子極點(diǎn)、4轉(zhuǎn)子極點(diǎn)、3相電機(jī)的特性曲線(xiàn)。當(dāng)該馬達(dá)用作發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)器時(shí)，顯然，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停在除了靠近其力矩曲線(xiàn)峰值之外的其它任意位置時(shí)都能成功起動(dòng)，但是當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)停在靠近其峰值處時(shí)起動(dòng)將失敗。
圖9所示為圖8的馬達(dá)力矩曲線(xiàn)根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行疊加，即馬達(dá)與負(fù)載連接成這樣，即馬達(dá)力矩曲線(xiàn)的峰值與負(fù)載力矩曲線(xiàn)的峰值對(duì)齊或至少基本對(duì)齊。該力矩曲線(xiàn)的對(duì)齊通過(guò)使馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)的軸以正確的角度位置彼此對(duì)齊而獲得。正確的角度位置既可以通過(guò)設(shè)計(jì)而知，也可以通過(guò)對(duì)輸入和輸出力矩曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量而知。當(dāng)采用單獨(dú)的聯(lián)軸器時(shí)，例如圖1中的聯(lián)軸器17，那么該聯(lián)軸器安裝在軸上，并當(dāng)該軸處于正確的相對(duì)位置時(shí)固緊就位。當(dāng)不采用單獨(dú)的聯(lián)軸器時(shí)，如果采用配合花鍵或其它這樣的裝置，彼此嚙合的軸的特征必須分別制成使該軸相對(duì)于馬達(dá)和負(fù)載的力矩曲線(xiàn)處于正確的方位。
磁阻電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)連接的角度方位根據(jù)本發(fā)明布置，這樣，峰值要求落在能進(jìn)行力矩供給的范圍內(nèi)，并不處于不能提供足夠力矩供給的低力矩輸出范圍內(nèi)。而且，可以看見(jiàn)，這時(shí)在每個(gè)轉(zhuǎn)子角度處，馬達(dá)力矩都超過(guò)負(fù)載力矩，因此馬達(dá)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)。即使在馬達(dá)的平均力矩(大約為曲線(xiàn)的最大值與最小值之間的中部)小于負(fù)載曲線(xiàn)的峰值時(shí)也能起動(dòng)。而且，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)循環(huán)的“壓縮/膨脹”特征，發(fā)動(dòng)機(jī)將在預(yù)定的一般位置停止，該預(yù)定的一般位置由處于朝著上死點(diǎn)升高的壓縮沖程中的一個(gè)缸的位置而確定。該停止位置將有很小變化，但還是可以預(yù)測(cè)該一般位置。因此，應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)電機(jī)根據(jù)本發(fā)明與負(fù)載連接時(shí)，它的輸出可以小于在普通實(shí)踐中所需要的輸出，并可以省略使力矩波動(dòng)光滑的無(wú)效成本。
盡管上述實(shí)施例以本發(fā)明用于旋轉(zhuǎn)裝置為例進(jìn)行介紹，但是本發(fā)明通過(guò)必要變化，也可以用于線(xiàn)性系統(tǒng)，其中，在負(fù)載和原動(dòng)機(jī)中有力的波動(dòng)，即力作為線(xiàn)性位置的函數(shù)而變化。這時(shí)，線(xiàn)性馬達(dá)的力波動(dòng)的峰值與負(fù)載要求的力的峰值對(duì)齊。應(yīng)當(dāng)知道，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)采用合適的旋轉(zhuǎn)-線(xiàn)性轉(zhuǎn)換器，例如齒條和小齒輪裝置，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的力矩輸出可以用于驅(qū)動(dòng)線(xiàn)性負(fù)載。類(lèi)似的，線(xiàn)性馬達(dá)的力輸出可以同樣用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)負(fù)載。
顯然，由圖8和9可知，當(dāng)負(fù)載變化的周期與馬達(dá)輸出變化的周期相同或是馬達(dá)輸出變化周期的小倍數(shù)時(shí)，尤其能很好使用本方法。這時(shí)，采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠減小馬達(dá)的額定功率。不過(guò)，當(dāng)馬達(dá)輸出變化周期小于負(fù)載周期時(shí)(例如當(dāng)采用更多極點(diǎn)數(shù)目的電機(jī)時(shí))，在所有點(diǎn)上都大于負(fù)載的馬達(dá)輸出能夠減小。不過(guò)，本發(fā)明也有其它方面的優(yōu)點(diǎn)，即在減小使負(fù)載速度從零變到預(yù)定值所需的加速時(shí)間方面，如下面將介紹。
圖10表示了負(fù)載的力矩要求(曲線(xiàn)A)和馬達(dá)的力矩輸出(曲線(xiàn)B)，其中，馬達(dá)力矩的變化周期比負(fù)載的變化周期小得多。這里負(fù)載的周期為180°，馬達(dá)的周期為7.5°。x軸為時(shí)間。負(fù)載和馬達(dá)連接成這樣，即在起始位置，馬達(dá)產(chǎn)生的輸出將達(dá)到其最小值，在本例中該位置在最小值之前8°。在零時(shí)間時(shí)激勵(lì)馬達(dá)，所產(chǎn)生的力矩恰好足以使負(fù)載從靜止開(kāi)始加速。曲線(xiàn)C表示了該系統(tǒng)加速時(shí)的速度，0.105秒之后速度為大約400轉(zhuǎn)/分?？梢钥匆?jiàn)，盡管輸出的馬達(dá)力矩循環(huán)的某些部分低于該部分的負(fù)載，但是系統(tǒng)的慣性能夠使負(fù)載通過(guò)這些凹溝。該效果如速度曲線(xiàn)C明顯所示。
圖11表示了根據(jù)本發(fā)明工作的馬達(dá)和負(fù)載的性能。馬達(dá)連接成這樣，即在發(fā)動(dòng)機(jī)處于停止的靜止位置處時(shí)，馬達(dá)力矩升高到其最大值，在本例中，馬達(dá)連接成使得該位置在其峰值之前22°。最初可得的加速力矩比圖10中大8倍，并還在升高，因此，負(fù)載在最初的0.01秒中快速加速。這使得達(dá)到400轉(zhuǎn)/分所用的時(shí)間大不相同-這時(shí)大約為0.074秒-減小了大約30％。因此，本發(fā)明提供了一種利用具有可周期性變化的輸出的電馬達(dá)起動(dòng)負(fù)載的方法。通過(guò)利用馬達(dá)輸出中所存在的峰值，并通過(guò)馬達(dá)相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的連接來(lái)促進(jìn)加速，低功率馬達(dá)也可以提供與沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明連接的較大馬達(dá)系統(tǒng)相同的初始響應(yīng)性。該方法不僅能起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，而且在提供初始力或力矩的其它用途中也同樣有用。
本發(fā)明的形式通過(guò)用于內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)器/發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)明，如圖1所示。開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)器馬達(dá)12和發(fā)動(dòng)機(jī)19布置成這樣，即馬達(dá)12的力矩輸出在發(fā)動(dòng)機(jī)靜止時(shí)升高到峰值。如上所述，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的任意一個(gè)，內(nèi)燃機(jī)將停止在預(yù)定位置，即恰好在壓縮上死點(diǎn)之前。這樣，在馬達(dá)處于預(yù)定靜止位置時(shí)，馬達(dá)的力矩輸出必然在升高的力矩輸出曲線(xiàn)上。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以在起動(dòng)時(shí)利用處于峰值輸出或靠近峰值輸出的低額定功率馬達(dá)。
在不脫離本發(fā)明的情況下，技術(shù)人員可以對(duì)所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行變化。因此，上述幾個(gè)實(shí)施例僅僅作為實(shí)例，而不是為了限定。顯然，在不明顯改變上述操作的情況下，技術(shù)人員可以對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行較小變化。本發(fā)明只能由下面的權(quán)利要求的范圍來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)有可周期性變化的輸入要求的負(fù)載的方法，該方法包括通過(guò)有可周期性變化的輸出的電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，該可周期性變化的輸出包括在其循環(huán)中的、小于負(fù)載的可變輸入要求的峰值的低輸出；以及使該馬達(dá)與負(fù)載連接成這樣，即負(fù)載的峰值輸入要求與馬達(dá)輸出循環(huán)中的、馬達(dá)的瞬時(shí)輸出超過(guò)該峰值的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中輸出循環(huán)的周期等于輸入循環(huán)的周期，或者可被輸入循環(huán)的周期整除。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，峰值輸入基本與峰值輸出相對(duì)應(yīng)。
4.一種通過(guò)有可周期性變化的輸出的電馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)有可周期性變化的輸入要求和有通?？芍貜?fù)的靜止位置的負(fù)載的方法，該方法包括使馬達(dá)與負(fù)載連接成這樣，即該可周期性變化的輸出在起動(dòng)時(shí)升高，以便促使負(fù)載加速離開(kāi)靜止位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一個(gè)所述的方法，其中峰值的輸入要求和電馬達(dá)的輸出是力矩。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中輸出的周期性可變性涉及馬達(dá)的轉(zhuǎn)子相對(duì)于馬達(dá)的靜子的角度位置變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一個(gè)所述的方法，其中該負(fù)載是內(nèi)燃機(jī)，電馬達(dá)作為起動(dòng)器馬達(dá)連接到該發(fā)動(dòng)機(jī)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一個(gè)所述的方法，其中負(fù)載的輸入要求是力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5或8中任意一個(gè)所述的方法，其中該電馬達(dá)的輸出是力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一個(gè)所述的方法，其中該馬達(dá)是開(kāi)關(guān)磁阻馬達(dá)。
11.一種用于有可周期性變化的輸入要求的負(fù)載的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一電馬達(dá)，該電馬達(dá)有可周期性變化的輸出，該輸出包括在其循環(huán)中且小于負(fù)載的可變輸入要求中的峰值的低輸出；以及負(fù)載和馬達(dá)之間的連接布置成這樣，即負(fù)載的輸入要求的峰值基本與馬達(dá)輸出循環(huán)中馬達(dá)的瞬時(shí)輸出大于負(fù)載的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中輸出循環(huán)的周期等于輸入循環(huán)的周期，或者可被輸入循環(huán)的周期整除。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，其中，峰值輸入基本與峰值輸出相對(duì)應(yīng)。
14.一種用于驅(qū)動(dòng)有可周期性變化的輸入要求和有通?？芍貜?fù)的靜止位置的負(fù)載的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一電馬達(dá)，該電馬達(dá)有可周期性變化的輸出；馬達(dá)與負(fù)載之間的連接布置成這樣，即該可周期性變化的輸出在起動(dòng)時(shí)升高，以便促使負(fù)載加速離開(kāi)靜止位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中峰值的輸入要求和電馬達(dá)的輸出是力矩。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中輸出的周期性可變性涉及馬達(dá)的轉(zhuǎn)子相對(duì)于馬達(dá)的靜子的角度位置變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16中任意一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中該負(fù)載是內(nèi)燃機(jī)，電馬達(dá)作為起動(dòng)器馬達(dá)連接到該發(fā)動(dòng)機(jī)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任意一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中負(fù)載的輸入要求是力。
19.根據(jù)權(quán)利要求11至16或18中任意一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中該電馬達(dá)的輸出是力。
20.根據(jù)權(quán)利要求11至19中任意一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中該馬達(dá)是開(kāi)關(guān)磁阻馬達(dá)。
21.一種起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的方法，該內(nèi)燃機(jī)有可周期性變化的起動(dòng)力矩要求，該方法包括使發(fā)動(dòng)機(jī)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)連接，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的力矩輸出有可周期性變化的波動(dòng)，且該周期等于起動(dòng)力矩的周期或者可被該起動(dòng)力矩的周期整除，且該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)包括小于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩要求中的峰值的低力矩輸出；以及將馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)的角度方位布置成使起動(dòng)力矩要求中的峰值與力矩輸出中馬達(dá)的瞬時(shí)力矩大于起動(dòng)力矩的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
22.一種內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)器系統(tǒng)，該內(nèi)燃機(jī)有可周期性變化的起動(dòng)力矩要求，該系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的力矩輸出有可周期性變化波動(dòng)，該可周期性變化的波動(dòng)的周期等于起動(dòng)力矩周期或可以被該起動(dòng)力矩周期整除，且該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)包括小于發(fā)動(dòng)機(jī)所需起動(dòng)力矩的峰值的低力矩輸出，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接成這樣，即所需起動(dòng)力矩中的峰值與力矩輸出中馬達(dá)的瞬時(shí)力矩大于起動(dòng)力矩的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
23.一種起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的方法，該內(nèi)燃機(jī)有可變起動(dòng)力矩要求，該方法包括使發(fā)動(dòng)機(jī)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)連接，該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的力矩輸出有可周期性變化的波動(dòng)，且該開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)包括峰值輸出；將馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)角度方位布置成這樣，即馬達(dá)的起動(dòng)力矩峰值與發(fā)動(dòng)機(jī)靜止時(shí)的位置相對(duì)應(yīng)或靠近該靜止位置。
24.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中馬達(dá)的起動(dòng)力矩在起動(dòng)時(shí)升高到峰值。
25.一種驅(qū)動(dòng)負(fù)載的方法，包括通過(guò)有可周期性變化的輸出且包括峰值輸出的電馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載；以及使馬達(dá)相對(duì)于負(fù)載連接成這樣，即馬達(dá)的峰值輸出基本與負(fù)載的峰值輸入要求相對(duì)應(yīng)。
全文摘要
一種驅(qū)動(dòng)有可周期性變化的輸入要求的負(fù)載的方法,該方法包括:通過(guò)有可周期性變化的輸出的電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)負(fù)載,該可周期性變化的輸出包括在其循環(huán)中的、小于負(fù)載的可變輸入要求的峰值的低輸出;以及使該馬達(dá)與負(fù)載連接成這樣,即負(fù)載的峰值輸入要求與馬達(dá)輸出循環(huán)中的、馬達(dá)的瞬時(shí)輸出超過(guò)該峰值的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。電機(jī)與力矩分布隨角度變化的負(fù)載連接。該電機(jī)連接成這樣,即電機(jī)的力矩波動(dòng)與負(fù)載的力矩波動(dòng)同步成這樣,即提供了能夠在任意角度位置起動(dòng)的高效驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。這使得電機(jī)的大小能夠減小成平均力矩低于負(fù)載的負(fù)載力矩要求。
文檔編號(hào)H02K7/00GK1388640SQ0212066
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月24日
發(fā)明者查爾斯·R·埃利奧特, 邁克爾·L·麥克萊蘭 申請(qǐng)人:開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)有限公司