[发明专利]电动机

说明书

本申请是申请日为2007年7月13日、申请号为200780026507.2、发明名称为“电动机”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及电动机或发电机，还涉及牵引控制系统。

背景技术

已知的电动机系统典型地包括发动机和用于控制发动机功率的控制单元。已知电动机类型包括感应发动机，无刷永磁体发动机，开关磁阻电动机和同步滑环式机器。三相电动机是最常用的电动机类型。

图1所示为一个典型的三相电动机的示意图。该例中，电动机包括三个线圈组(coil set)。每个线圈组产生一个与电动机的三个相位之一相关联的磁场。在更概括性的例子中，N个线圈组可以用于生产N-相电动机。每个线圈组可以包括一个或多个线圈子组，安置在电动机的外围周围。本例中，每个线圈组包括四个这样的线圈子组(coil sub-set)，在图1中，各个线圈组的线圈子组分别标记为14，16和18。如图1所示，线圈子组14，16和18均匀地分布在电动机10的周围以共同产生一个旋转磁场，其中有一个中央转子12，其典型地合并一个或多个永磁体，该转子可以按图中所示箭头C的方向旋转。每个线圈组的线圈子组由图1中所示的连接线24，26和28串联在一起。这样允许各个线圈组的线圈中的电流平衡以产生基本共同的相位。各个线圈组的导线终止在如图1中所示的34，36和38。典型地，各个线圈组的导线的一端连接到一个公共参考终端，而另一端连接到一个切换系统以控制该线圈组的所有线圈中的电流。然后，典型地，各个线圈组的电流控制包括控制一个流过大量线圈的公共电流。

如图2中所示，各个线圈子组可以包括一个或多个线圈(coil)。特别地，图2示例了一个线圈子组14中的线圈24A，24B。在本例中，每个线圈子组有两个线圈。这两个线圈以相反方向缠绕并连接在一起，以使得流进各个线圈的电流基本相同。当转子12的磁极扫过线圈24A，24B，切换线圈24A，24B中的电流可以产生适当的磁场来吸引和排斥转子以保持连续旋转。由两个反向缠绕的线圈24A，24B产生的磁场属于该三相电动机的相同相位。每个安置在电动机10外围周围的第三线圈子组产生一个具有共同相位的磁场。线圈和连接线可能典型地包括围绕在电动机的外围的单根导线(例如铜线)，该导线在适当的位置缠绕成线圈。

对一个三相电动机，切换系统几乎不变地是包括多个开关的三相桥式电路。

包括金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管的典型的功率电子开关具有两种主要的损耗：开关损耗和传导损耗。

开关损耗随着开关速度下降，更快的开关速度还导致电磁干扰(EMI)噪声增加。因为需要更大的开关，开关速度和EMI噪声之间有问题的折衷在更高的功率级别(例如对于更大的发动机)是复合的。同功率开关及其连接系统相关联的电感随着开关的物理尺寸而增加。该电感影响功率设备的开关速度，因而功率设备的开关速度典型地受到其物理尺寸的限制。因此，更高的功率级别必须使用更大的开关，但较大的开关涉及到较慢的开关速度从而带来较大的开关损耗。而且，功率设备的成本大致随着其尺寸的平方而增加。传导损耗也随着功率增加而增加。

包括开关损耗和传导损耗，总损耗大约正比于功率的平方。这给电动机带来严重的热处理问题，因为，例如功率翻倍导致热损耗增长四倍。在设备能处理多少功率下，吸取这一热量而不使设备的温度超过其安全操作级别，成为了限制因素。实际上，现在的大功率设备具有内在的电流处理能力，例如，因为热约束，500A被限定到200A。

考虑一个给定功率级别的传统的三相电动机。如果希望一个更高的功率级别，可以通过产生一个更大直径的电动机来实现。对一个更大的电动机直径，转子的外缘圆周速率在一个给定的角速度下会增加。对一个给定的电源电压，这要求减少电动机线圈的匝数。因为感应电压是转子的外缘圆周速率和线圈匝数的函数。感应电压必定总是保持在或低于电源电压。

然而，减少线圈匝数导致电动机电感下降，因为电动机的电感正比于匝数的平方。

现今几乎所有电动机的电子控制单元运行某种形式的脉冲宽度调制(PWM)电压控制。PWM控制通过用电动机电感平均出一个施加脉冲电压以驱使所需电流流入电动机线圈来工作。使用PWM控制，在一个由功率设备开关特性限定的最小周期内，施加电压在电动机绕组(winding)内进行切换。在此导通周期内，电动机绕组内的电流以一个由其电感和施加电压限定的速度增大。于是要求PWM控制在电流变得太大之前进行切断，从而实现电流的精确控制。