КОНТРОЛЛЕР СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАЗДЕЛЕННЫМИ ФАЗАМИ
CONTROLLER OF ALTERNATING-CURRENT SYNCHRONOUS MOTOR WITH SEPARATED PHASES

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет патентной заявки США № 62/034,909 под названием Divided Phase AC Synchronous Motor Controller, поданной 8 августа 2014 г., содержание которой в полном объеме включено в данное описание в порядке ссылки. Данная заявка родственна патентной заявке США № 14/080,785 под названием Divided Phase AC Synchronous Motor Controller, поданной 14 ноября 2013 г., которая испрашивает приоритет патентной заявки США № 61/726,550 под названием Divided Phase AC Synchronous Motor Controller, поданной 14 ноября 2012 г., содержание которой в полном объеме включено в данное описание в порядке ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0004] Ввиду все более широкого принятия законов об охране окружающей среды, требуются улучшения различных классов двигателей. Например, двигатели вентиляторов охлаждения в диапазоне низкой мощности, например, от 4 до 16 Вт, используемые на рынках коммерческих и домашних холодильников, традиционно имеют низкий КПД, например, примерно 12%-26%. Желательно обеспечить технологии для обеспечения улучшений, необходимых в разных классах двигателей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Схема разделенных фазных обмоток включает в себя разделенные фазные обмотки двигателя, схему силового переключателя, содержащую, по меньшей мере, один силовой переключатель и схему питания постоянного тока (DC) все в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя, и неколлапсирующий компонент блока питания DC для предотвращения коллапсирования блока питания DC, когда, по меньшей мере, один силовой переключатель включен и проводит электрический ток. Неколлапсирующий компонент блока питания DC может включать в себя, например, одно или более из ответвлений от разделенных фазных обмоток двигателя, электрически соединенных с блоком питания DC, вторичную фазную катушечную обмотку, соединенную с блоком питания DC для обеспечения питания блока питания, один или более резисторов между разделенными фазными обмотками и схемой силового переключателя, один или более стабилитронов между разделенными фазными обмотками и схемой силового переключателя, и/или электрический компонент для создания падения напряжения между разделенными фазными обмотками двигателя и схемой силового переключателя для предотвращения коллапсирования блока питания, когда, по меньшей мере, один силовой переключатель в схеме силового переключателя включен и проводит электрический ток.
[0006] В одном примере, схема фазных обмоток для двигателя включает в себя, по меньшей мере, две фазные обмотки, образующие одну половину фазных обмоток двигателя схемы и, по меньшей мере, две другие фазные обмотки, образующие другую половину фазных обмоток двигателя схемы. Блок питания постоянного тока (DC) располагается, по меньшей мере, приблизительно в средней точке фазных обмоток двигателя для приема энергии переменного тока (AC), переносимой из одной или более из фазных обмоток, и преобразования энергии AC в энергию DC. Схема силового переключателя первого каскада содержит, по меньшей мере, один силовой переключатель вне блока питания DC и электрически соединена, по меньшей мере, приблизительно в средней точке между фазными обмотками на каждой половине схемы. Схема силового переключателя второго каскада содержит, по меньшей мере, один другой силовой переключатель вне блока питания DC и электрически соединена, по меньшей мере, приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток для приема энергии AC из разделенных фазных обмоток двигателя. Неколлапсирующий компонент блока питания DC предотвращает коллапсирование блока питания DC, когда, по меньшей мере, один силовой переключатель или, по меньшей мере, один другой силовой переключатель включен и проводит электрический ток.
[0007] В другом примере, схема для двигателя содержит, по меньшей мере, две фазные обмотки, образующие одну половину фазных обмоток двигателя схемы и, по меньшей мере, две другие фазные обмотки, образующие другую половину фазных обмоток двигателя схемы. Блок питания постоянного тока (DC), по меньшей мере, приблизительно в средней точке фазных обмоток двигателя принимает энергию переменного тока (AC), переносимую из одной или более из фазных обмоток и преобразует энергию AC в энергию DC. Схема силового переключателя первого каскада содержит, по меньшей мере, один силовой переключатель вне блока питания DC и электрически соединена, по меньшей мере, приблизительно в средней точке между, по меньшей мере, двумя из фазных обмоток на каждой половине схемы. Схема силового переключателя второго каскада содержит, по меньшей мере, один другой силовой переключатель вне блока питания DC и электрически соединена, по меньшей мере, приблизительно в средней точке фазных обмоток для приема энергии AC от фазных обмоток двигателя. Контроллер двигателя управляет схемой силового переключателя первого каскада и схемой силового переключателя второго каскада. Контроллер двигателя электрически соединен в, по меньшей мере, одной из (i) по меньшей мере, приблизительно в средней точке фазных обмоток и (ii) по меньшей мере, приблизительно в средней точке между, по меньшей мере, двумя из фазных обмоток на каждой половине схемы. Неколлапсирующий компонент блока питания DC соединен с блоком питания DC для предотвращения коллапсирования блока питания DC, когда, по меньшей мере, один силовой переключатель или, по меньшей мере, один другой силовой переключатель включен и проводит электрический ток.
[0008] В другом примере, двигатель имеет множественные фазы двигателя (т.е. фазные обмотки двигателя) и подвод линейного напряжения через фазы. Фазы двигателя разделены на четыре части (четверти или квадранты), причем две фазные обмотки двигателя образуют одну половину фазных обмоток двигателя схемы, и две другие фазные обмотки двигателя образуют другую половину фазных обмоток двигателя схемы. Контроллер двигателя для двигателя и силовое электронное оборудование для двигателя располагаются в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фаз и/или в средней точке или центре между двумя разделенными фазами двигателя на каждой половине схемы (например, в ʺчетвертной точкеʺ). Блок питания постоянного тока (DC) (например, для электронного оборудования, используемого в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазами, между двумя половинами разделенных фаз и/или в средней точке или центре между двумя разделенными фазами двигателя на каждой половине схемы. Фазы двигателя обеспечивают ограничение тока и падение напряжения из линий подачи линейного напряжения до низкого напряжения DC для блока питания DC, что позволяет уменьшить количество компонентов блока питания DC и позволяет использовать низковольтные компоненты для блока питания DC и для контроллера двигателя.
[0009] В другом примере, фазы двигателя разделены на четыре части (четверти или квадранты), причем две фазные обмотки двигателя образуют одну половину фазных обмоток двигателя схемы, и две другие фазные обмотки двигателя образуют другую половину фазных обмоток двигателя схемы. Контроллер двигателя для двигателя имеет два каскада, причем первый каскад контроллера двигателя располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя, и второй каскад контроллера двигателя располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя. Силовое электронное оборудование для двигателя имеет два каскада, причем первый каскад силового электронного оборудования располагается в средней точке или центре между двумя разделенными фазными обмотками двигателя на каждой половине фазных обмоток двигателя (например, в ʺчетвертной точкеʺ), и второй каскад силового электронного оборудования также располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя. Блок питания постоянного тока (DC) (например, для электронного оборудования, используемого в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазными обмотками двигателя, между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя и/или в средней точке или центре между двумя разделенными фазными обмотками двигателя на каждой половине фазных обмоток двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Фиг. 1 демонстрирует фазные обмотки двигателя, разделенные со схемой управления, расположенной в средней точке в фазных обмотках двигателя.
[0011] Фиг. 2 демонстрирует однофазный электронно-коммутируемый двигатель (ECM).
[0012] Фиг. 3 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток.
[0013] Фиг. 4 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с ответвлением от катушки с разделенными фазными обмотками на блок питания постоянного тока (DC).
[0014] Фиг. 5 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с резисторами между разделенными фазными обмотками и силовым(и) переключателем(ями).
[0015] Фиг. 6 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой.
[0016] Фиг. 7 демонстрирует управление направлением фазного тока в ходе пуска и непрерывной работы на скоростях ниже синхронной в схеме разделенных фазных обмоток.
[0017] Фиг. 8 демонстрирует управление направлением фазного тока на синхронной скорости 1800 оборотов в минуту (об/мин) в четырехполюсной схеме разделенных фазных обмоток.
[0018] Фиг. 9 демонстрирует управление направлением фазного тока на синхронной скорости 3600 оборотов в минуту (об/мин) в двухполюсной схеме разделенных фазных обмоток.
[0019] Фиг. 10 демонстрирует периоды зарядки накопительного конденсатора питания DC.
[0020] Фиг. 11 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой и одним силовым переключателем.
[0021] Фиг. 12 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой и одним силовым переключателем.
[0022] Фиг. 13 и 13A демонстрируют схему разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой и одним силовым переключателем.
[0023] Фиг. 14 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями.
[0024] Фиг. 15 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с одним силовым переключателем.
[0025] Фиг. 16 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с двумя последовательно соединенными силовыми переключателями.
[0026] Фиг. 17 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с ответвлением от катушки с разделенными фазными обмотками на блок питания постоянного тока (DC) и двумя последовательно соединенными силовыми переключателями.
[0027] Фиг. 18 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с двумя параллельно соединенными силовыми переключателями.
[0028] Фиг. 19 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с ответвлением от катушки с разделенными фазными обмотками на блок питания постоянного тока (DC) и двумя параллельно соединенными силовыми переключателями.
[0029] Фиг. 20 демонстрирует двигатель со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку AC и вторичную обмотку для создания неколлапсирующего блока питания DC.
[0030] Фиг. 21 демонстрирует двигатель со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку AC и вторичную обмотку для создания неколлапсирующего блока питания DC, намотанную на один-единственный полюс.
[0031] Фиг. 22 демонстрирует двигатель со схемой разделенных фазных обмоток с ответвлением от первичной фазной обмотки для создания неколлапсирующего блока питания DC.
[0032] Фиг. 23 демонстрирует двигатель со схемой разделенных фазных обмоток с резисторами для создания неколлапсирующего блока питания DC.
[0033] Фиг. 24 демонстрирует двигатель со схемой разделенных фазных обмоток со стабилитронами для создания неколлапсирующего блока питания DC.
[0034] Фиг. 25-34 демонстрируют схемы разделенных фазных обмоток с четырьмя катушками и двумя каскадами для силового электронного оборудования.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0035] Раскрыты новые и полезные схемы, которые обеспечивают преимущества над уровнем техники для управления синхронными бесщеточными двигателями на постоянных магнитах. Один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя одну или более схем для электронно-коммутируемого двигателя (ECM). Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя одну или более схем для двигателя с экранированным полюсом. Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя одну или более схем для других типов двигателей.
[0036] В одном аспекте, двигатель имеет множественные фазы двигателя (т.е. фазные обмотки двигателя) и подвод линейного напряжения через фазы. Фазы двигателя делятся пополам, и контроллер двигателя для двигателя и силовое электронное оборудование для двигателя располагаются в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между разделенными фазами. Блок питания постоянного тока (DC) (например, для электронного оборудования, используемого в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазами. Фазы двигателя обеспечивают ограничение тока и падение напряжения из линий подачи линейного напряжения до низкого напряжения DC для блока питания DC, что позволяет уменьшить количество компонентов блока питания DC и позволяет использовать низковольтные компоненты для блока питания DC и для контроллера двигателя.
[0037] Предыдущие системы использовали стабилитрон или другой регулятор напряжения, расположенный последовательно с силовым переключателем и фазами двигателя, которые ограничивали максимальную мощность двигателя значением максимальной мощности стабилитрона. Схемы в настоящем изобретении исключают регулятор напряжения на основе стабилитрона из первичного пути тока для фаз двигателя таким образом, что регулятор напряжения на основе стабилитрона не располагается последовательно с силовым переключателем и фазами двигателя, что устраняет необходимость в снижении указания мощности иначе необходимого для стабилитрона. Вместо этого, стабилитрон или другой регулятор напряжения располагается параллельно с силовым(и) переключателем(ями) в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения.
[0038] В другом аспекте, двигатель имеет множественные фазы двигателя (т.е. фазные обмотки двигателя) и подвод линейного напряжения через фазы двигателя. Фазы двигателя разделены на четыре части (четверти или квадранты), причем две фазные обмотки двигателя образуют одну половину фазных обмоток двигателя схемы, и две другие фазные обмотки двигателя образуют другую половину фазных обмоток двигателя схемы. Контроллер двигателя для двигателя и силовое электронное оборудование для двигателя располагаются в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фаз и/или в средней точке или центре между двумя разделенными фазами двигателя на каждой половине схемы. Блок питания постоянного тока (DC) (например, для электронного оборудования, используемого в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазами, между двумя половинами разделенных фаз и/или в средней точке или центре между двумя разделенными фазами двигателя на каждой половине схемы. Фазы двигателя обеспечивают ограничение тока и падение напряжения из линий подачи линейного напряжения до низкого напряжения DC для блока питания DC, что позволяет уменьшить количество компонентов блока питания DC и позволяет использовать низковольтные компоненты для блока питания DC и для контроллера двигателя.
[0039] В одном примере, фазы двигателя разделены на четыре части (четверти или квадранты), причем две фазные обмотки двигателя образуют одну половину фазных обмоток двигателя схемы, и две другие фазные обмотки двигателя образуют другую половину фазных обмоток двигателя схемы. Контроллер двигателя для двигателя имеет два каскада, причем первый каскад контроллера двигателя располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя, и второй каскад контроллера двигателя располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя. Силовое электронное оборудование для двигателя имеет два каскада, причем первый каскад силового электронного оборудования располагается в средней точке или центре между двумя разделенными фазными обмотками двигателя на каждой половине фазных обмоток двигателя (т.е. в ʺчетвертной точкеʺ) и второй каскад силового электронного оборудования также располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя. Блок питания постоянного тока (DC) (например, для электронного оборудования, используемого в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазными обмотками двигателя, между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя и/или в средней точке или центре между двумя разделенными фазными обмотками двигателя на каждой половине фазных обмоток двигателя.
[0040] Например, блок питания DC располагается с первым каскадом, когда блок питания DC обеспечивает питание первого каскада контроллер двигателя в ʺчетвертной точкеʺ. Однако блок питания DC, в принципе, можно рассматривать как находящийся в ʺсредней точкеʺ фазных обмоток двигателя, поскольку, когда силовое электронное оборудование первого каскада (каскада 1) получает питание, и силовое электронное оборудование второго каскада (каскада 2) не получает питания, блок питания DC находится в середине активных катушек (активные фазные обмотки двигателя) и две другие фазные обмотки (катушки) двигателя в этот момент времени неактивны. Две активные катушки ограничивают ток. Когда второй каскад получает питание одновременно с первым каскадом, катушки первого каскада соединены параллельно с катушками во втором каскаде.
[0041] Схемы в настоящем изобретении устраняют необходимость в оптроне для обеспечения переключения между электронным оборудованием регистрации/управления контроллера двигателя и силовым переключателем контроллера двигателя. Предыдущие системы имела два опорных значения нейтрали, одно для электронного оборудования регистрации/управления и одно для силового переключателя.
[0042] Схемы в настоящем изобретении имеют усовершенствованное определение фазового угла линии, устраняющее необходимость в мосте сопротивлений высокой точности, подключенном к входу оптрона. Таким образом, схемы этого аспекта имеют более точное определение фазового угла линии.
[0043] Схемы в настоящем изобретении сводят разные значения электрической нейтрали для силовых переключателей и контроллера двигателя к одному значению. Это гарантирует, что силовой(ые) переключатель(и) схем в этом аспекте будет(ут) надежно переходить из состояния полного ʺотключенияʺ к состоянию полного насыщения.
[0044] Предыдущие системы, которые включали в себя два переключателя, имеют трудность времени полного отключения одного переключателя в течение одной половины периода AC. В схемах, отвечающих настоящему изобретению, один или более переключателей располагаются вне схемы блока питания DC и контроллера двигателя, что приводит к правильному переключению.
[0045] Каждое из этих усовершенствований не только повышает надежность работы контроллера двигателя, но и служит для повышения КПД двигателя в комбинации с контроллером двигателя.
[0046] Схемы разделенных фазных обмоток в настоящем изобретении можно использовать в различных двигателях, например, бесщеточных двигателях DC/электронно коммутируемых двигателях (ECM), двигателях с экранированным полюсом, других синхронных двигателях, конденсаторных двигателях с постоянно включенным конденсатором (PSC) и т.д.
[0047] Например, фиг. 1 демонстрирует двигатель 102 с разделенными фазными обмотками 104, 106 двигателя и схему 108 управления двигателя, расположенную в средней точке 110 в разделенных фазных обмотках двигателя. Двигатель 102 включает в себя статор 112 и ротор 114, смонтированный на валу 116. Ротор 114 смонтирован для вращения в конструкции с сердечником, например, многослойной конструкции с сердечником или другой конструкции с сердечником. Ротор 114 имеет часть корпуса, которая показана в форме цилиндра. По периферии корпуса располагаются части постоянных магнитов дугообразной формы. Северный магнитный полюс магнитной части располагается рядом с наружной поверхностью ротора, и южный магнитный полюс магнитной части располагается рядом с внешней периферией ротора 114. Одна или более обмоток или пар обмоток смонтированы на соединительной части конструкции с сердечником. Двигатель 102 также включает в себя переключающее устройство на основе эффекта Холла, часть которого доходит до периферии ротора 114 для реагирования на магнитную полярность соответствующих магнитных частей ротора. В показанной конструкции переключатель на основе эффекта Холла располагается рядом с внешней периферией магнитной части в течение половины каждого оборота ротора 114 и рядом с внешней периферией магнитной части в течение оставшейся половины каждого оборота ротора.
[0048] Двигатель 102 может работать ниже, на или выше синхронной скорости. Это объясняется тем, что доли полупериодов могут течь через фазные обмотки.
[0049] Схема разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 1, включает в себя входные соединения на выводах L1 и L2, соединенных с источником энергии переменного тока (AC) в ходе эксплуатации, например, линейному напряжению AC. Выводы L1 и L2 соединены через последовательную схему, которая включает в себя разделенные фазные обмотки 104, 106, показанные соединенными последовательно через схему 108 управления. Например, схема 108 управления может включать в себя двухполупериодный выпрямитель, выполненный по схеме диодного моста, последовательно соединенный с разделенными фазными обмотками 104, 106 и схемой силового(ых) переключателя(ей), имеющей один или более переключателей или другие силовые управляемые устройства переключения, соединенные с выходом двухполупериодного выпрямителя, выполненного по схеме диодного моста.
[0050] Разделенные фазные обмотки 104, 106 могут быть намотаны по бифилярной или спиральной ленточной схеме. Вывод L1 источника питания переменного тока соединен с начальной стороной S1 первой обмотки 104. Другой конец обмотки 104, обозначенный F1, соединен с одним из входов схемы 108 управления. Другая входная сторона схемы 108 управления присоединена к начальной стороне S2 второй разделенной фазной обмотки 106, и конечная сторона той же разделенной фазной обмотки, обозначенной F2, присоединен к входному выводу L2 источника питания AC.
[0051] В порядке другого примера, фиг. 2 демонстрирует однофазный ECM 202, в котором фазные обмотки двигателя разделены, и контроллер двигателя (схема управления двигателя) располагается в средней точке в разделенных фазных обмотках двигателя.
[0052] На фиг. 3 показана схема 302 разделенных фазных обмоток для разделения фазных обмоток 304, 306 двигателя (также именуемых здесь фазами двигателя или фазными катушками) двигателя пополам и размещения, как контроллера 308 двигателя для двигателя, так и силового электронного оборудования для двигателя, включающего в себя блок 310 питания DC и схему 312 силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями, в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральная точкаʺ 314 в подводе линейного напряжения между разделенными фазами 304, 306. В примере, приведенном на фиг. 3, фазная обмотка двигателя разделена пополам. Допустимо некоторое отклонение от разделения пополам, например, от нуля до плюс/минус 20% от серединной точки.
[0053] Схема 302 разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 3, включает в себя две разделенные фазные обмотки 304, 306, каждая из которых соединена с линией L1 и L2 напряжения AC соответственно. Блок 310 питания DC электрически соединен с разделенными фазными обмотками 304, 306, например, на конечной стороне первой фазной обмотки 304 и начальной стороне второй фазной обмотки 306. Разделенная фазная обмотка 304, 306 действует для снижения линейного напряжения AC до напряжения, совместимого с блоком 310 питания DC. Таким образом, количество обмоток в разделенной фазной обмотке 304, 306 можно выбирать для снижения линейного напряжения AC, принятого на L1 и L2 до выбранного более низкого напряжения, подаваемого на блок 310 питания DC. Разделенная фазная обмотка 304, 306 также действует для фильтрации шума из линейного напряжения AC, принятого на L1 и L2.
[0054] Блок 310 питания DC преобразует энергию низкого напряжения AC, принятую из разделенных фазных обмоток 304, 306 в напряжение DC, предназначенное для обеспечения питания компонентов, работающих на постоянном токе, схемы разделенных фазных обмоток, включающих в себя контроллер 308 двигателя. Затем блок 310 питания DC подает энергию на контроллер 308 двигателя.
[0055] Контроллер 308 двигателя управляет пуском и работой схемы 302 разделенных фазных обмоток. Например, контроллер 308 двигателя управляет пуском, в том числе, когда двигатель является синхронным двигателем. Контроллер 308 двигателя определяет положение ротора относительно статора. Контроллер 308 двигателя также определяет и отслеживает скорость ротора, например, в оборотах в минуту (об/мин), для определения рабочих параметров двигателя, например, когда двигатель достигает синхронной скорости, и управляет двигателем на основании положения ротора и/или скорости двигателя. В одном примере, контроллер 308 двигателя имеет переключатель на основе эффекта Холла и/или другое устройство определения вращения для определения положения ротора и/или устройство определения числа оборотов или скорости для определения скорости ротора.
[0056] Схема 312 силового(ых) переключателя(ей) включает в себя один или более силовых переключателей, например, один или более полевых транзисторов на основе структуры металл-оксид-полупроводник (MOSFET), однооперационных тринисторов (SCR), транзисторов или других переключателей или переключающих устройств. Один или более переключателей включены или отключены, или один из них включен, тогда как другой отключен. Например, в одном полупериоде периода AC, первый силовой переключатель включен и проводит электрический ток, тогда как второй переключатель отключен и не проводит электрический ток. В другом полупериоде периода AC, второй силовой переключатель включен и проводит электрический ток, тогда как первый переключатель отключен и не проводит электрический ток. В схемах с одним переключателем, переключатель может включаться и проводить электрический ток или отключаться и не проводить электрический ток в течение одной или более частей периода AC.
[0057] Схема 312 силового(ых) переключателя(ей) изолирована от (вне) блока 310 питания DC, что делает схему 302 разделенных фазных обмоток более устойчивой, чем схемы, имеющие схему силового(ых) переключателя(ей) в блоке питания DC (и не изолированную от него).
[0058] Когда силовой(ые) переключатель(и) схемы включен(ы), существует лишь незначительное падение напряжения на силовом(ых) переключателе(ях) вследствие небольшого сопротивления силового(ых) переключателя(ей). Поэтому, если входное напряжение для блока питания DC развивается путем подключения выводов блока питания DC к обеим сторонам силового переключателя (или силовых переключателей), это приведет к коллапсированию блока питания DC (т.е. снижению напряжения DC от блока питания DC до уровня напряжения, меньшего или равного произведению сопротивления включенного переключателя и тока через силовой(ые) переключатель(и), которое близко к нулю), когда силовой переключатель находится во ʹвключенномʹ состоянии или не способен принимать энергию и обеспечивать питание DC-компонентов схемы.
[0059] Например, если силовой переключатель напрямую подключен параллельно блоку питания DC или параллельно стороне DC мостового выпрямителя и в отсутствие одного или более компонентов, последовательно соединенных с силовым переключателем для создания падения напряжения, когда силовой переключатель проводит электрический ток или ʹвключенʹ, проводящий силовой переключатель ʹзакорачиваетʹ или соединяет друг с другом положительный и отрицательный выводы мостового выпрямителя для блока питания DC, что приводит к коллапсу напряжения DC (приводит к снижению напряжения DC до уровня, меньшего или равного произведению сопротивления включенного переключателя и тока через силовой переключатель, которое близко к нулю). Поскольку сопротивление включенного силового переключателя чрезвычайно низко или обычно составляет порядка миллиом, напряжение DC очень близко к нулю.
[0060] Схема 302 разделенных фазных обмоток включает в себя один или более неколлапсирующих компонентов 316, 318 блока питания DC (компоненты для предотвращения снижения напряжения DC от блока питания DC до или ниже произведения сопротивления включенного переключателя и тока через силовой(ые) переключатель(и), которое близко к нулю), включающих в себя компоненты, обеспечивающие падение напряжения, или компоненты, получающие питание непосредственно от блока питания DC, для создания неколлапсирующего блока питания DC. Примеры неколлапсирующих компонентов 316, 318 блока питания DC включают в себя ответвление от первичной фазной обмотки 304, 306, электрически соединенной с блоком 310 питания DC, вторичную фазную катушечную обмотку, соединенную с блоком питания DC для обеспечения питания блока питания, резисторы между разделенными фазными обмотками и схемой 312 силового(ых) переключателя(ей), один или более стабилитронов между разделенными фазными обмотками и схемой силового(ых) переключателя(ей), ненасыщаемый полупроводник или другой резистивный компонент между разделенными фазными обмотками и схемой 312 силового(ых) переключателя(ей), где сопротивление достаточно велико для создания значительного падения напряжения, и где это падение напряжения приводит к тому, что блок питания DC при включенном переключателе или другие компоненты создают падение напряжения между первичными разделенными фазными обмотками и схемой силового(ых) переключателя(ей) для предотвращения коллапсирования блока питания DC, когда силовой(ые) переключатель(и) в схеме силового(ых) переключателя(ей) включен(ы) и проводит(ят) электрический ток. Таким образом, схема 302 разделенных фазных обмоток обеспечивает постоянный переток энергии независимо от того, включена ли схема силового(ых) переключателя(ей) и проводит ли она электрический ток, или отключена и не проводит электрический ток.
[0061] Многие синхронные двигатели с электронным управлением имеют схемы, которые обнаруживают пересечение нуля напряжения AC, подаваемого на фазные обмотки. Эта схема обнаружения пересечения нуля отправляет сигнал на контроллер 308 двигателя для определения, когда двигатель работает на синхронной скорости. Если в напряжении питания AC сохраняется электрический шум, обычно, обусловленный другим оборудованием, работающим в той же схеме, этот электрический шум может приводить к неправильной работе детектора пересечения нуля, негативно влияющей на управление двигателя, что обычно проявляется как акустический шум в двигателе.
[0062] В одном примере, схема 302 разделенных фазных обмоток входит в состав синхронного двигателя. Синхронный двигатель принимает энергию на линии (то есть, питание AC с током и напряжением) на L1 и L2. Синхронный двигатель, использующий разделенную фазную обмотку, использующую соответствующую схему настоящего изобретения, не опирается на обнаружение пересечения нуля подаваемого напряжения AC для управления двигателем, но вместо этого обнаруживает полярность напряжения, т.е., больше ли полярность на L2, чем на L1, или меньше, обеспечивая бесшумную работу, даже когда в питании AC присутствует электрический шум.
[0063] Блок 310 питания DC, показанный на фиг. 3, электрически соединен напрямую с разделенными фазными обмотки 304, 306. Таким образом, блок 310 питания DC получает питание от разделенных фазных обмоток 304, 306 независимо от состояния схемы 312 силового(ых) переключателя(ей).
[0064] На фиг. 4 показана другая схема 402 разделенных фазных обмоток для разделения фазных обмоток 404, 406 двигателя пополам и размещения, как контроллера 408 двигателя для двигателя, так и силового электронного оборудования для двигателя, включающего в себя блок 410 питания DC и схему 412 силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями, в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ 414 в подводе линейного напряжения между разделенными фазами. Схема 402 разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 4, включает в себя ответвление 416, 418 от первичной разделенной фазной обмотки 404, 406, электрически соединенной с блоком 410 питания DC для создания неколлапсирующего блока питания DC (блока питания DC, в котором напряжение DC не снижается до или ниже произведения сопротивления схемы силового(ых) переключателя(ей) и тока через схему силового(ых) переключателя(ей), которое близко к нулю).
[0065] В некоторые схемы, когда двигатель достигает синхронной скорости, один или более силовых переключателей отключаются и, таким образом, энергия низкого напряжения прекращает перетекать в контроллер двигателя. В одном примере, путь от одной разделенной фазной обмотке через силовой(ые) переключатель(и) к другой разделенной фазной обмотке закорачивается, например, на синхронной скорости. Это приводит к тому, что блок питания DC и контроллер двигателя больше не принимает низкое напряжение питания от фазных обмоток, например, в случае отсутствия конденсатора для поддержания заряда в ходе короткого замыкания, или когда конденсатор, который присутствует, недостаточно велик для поддержания достаточного заряда в ходе короткого замыкания. Схема 402, показанная на фиг. 4, включает в себя ответвление 416, 418 от катушек фазных обмоток 404, 406 на блок 410 питания DC таким образом, что ток питания низкого напряжения течет напрямую от фазных обмоток на блок питания DC, в обход силового(ых) переключателя(ей) для контроллера 408 двигателя (ʺконтроллера двигателя с разделенными фазамиʺ). Таким образом, схема 402, показанная на фиг. 4, гарантирует, что низкое напряжение питания поступает на блок 410 питания DC, например, на синхронной скорости.
[0066] В одном примере, блок 410 питания DC для контроллера двигателя с разделенными фазами образован стабилитроном и накопительным конденсатором, который принимает энергию в течение части периода переменный ток (AC), когда силовой(ые) переключатель(и) отключен(ы). Когда двигатель работает на синхронной скорости, силовой(ые) переключатель(и) постоянно проводит(ят) электрический ток. Поэтому величина напряжения, подаваемого на блок питания DC, равна падению напряжения на переключателе(ях), что может приводить к низкому напряжению при использовании мощных MOSFET с низким сопротивлением во включенном состоянии (RDS(on)).
[0067] На фиг. 5 показана другая схема 502 разделенных фазных обмоток для разделения фазных обмоток 504, 506 двигателя пополам и размещения, как контроллера двигателя 508 для двигателя и силовое электронное оборудование для двигателя, включающее в себя блок 510 питания DC и схему 512 силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями, в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ 514 в подводе линейного напряжения между разделенными фазами. Схема 502, показанная на фиг. 5, включает в себя резисторы R1 и R2 между фазными обмотками 504, 506 двигателя и схему 512 силового(ых) переключателя(ей) для поддержания и, таким образом, сохранения низкого напряжения блока питания, подаваемого от фазных обмоток на блок 510 питания DC и создания неколлапсирующего блока питания DC (блока питания DC, в котором напряжение DC не снижается до или ниже произведения сопротивления схемы силового(ых) переключателя(ей) и тока через схему силового(ых) переключателя(ей), которое близко к нулю). Таким образом, схема, показанная на фиг. 5, поддерживает низкое напряжение питания на блоке 510 питания DC, например, на синхронной скорости.
[0068] На фиг. 6 показана другая схема 602 разделенных фазных обмоток для разделения фазных обмоток двигателя 604, 606 двигателя пополам и размещения, как контроллера 608 двигателя для двигателя и силовое электронное оборудование для двигателя, включающее в себя блок 610 питания DC и схему 612 силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями, в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ 614 в подводе линейного напряжения между разделенными фазами. Первичная разделенная фазная обмотка 604, 606 ограничивает ток, который может течь в блок 610 питания DC, таким образом, избавляя от необходимости в компонентах ограничения тока, которые расходуют энергию. Схема 602 разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 6, включает в себя вторичную фазную обмотку 616, 618, электрически соединенную с блоком 610 питания DC для создания неколлапсирующего блока питания DC (блока питания DC, в котором напряжение DC не снижается до или ниже произведения сопротивления включенного(ых) силового(ых) переключателя(ей) и тока через силовой(ые) переключатель(и), которое близко к нулю).
[0069] В одном примере, схема 612 силового(ых) переключателя(ей) включает в себя стабилитрон или другой регулятор напряжения и параллельно подключенный силовой переключатель. В то же время, предыдущие системы включали в себя силовую схему, последовательно соединенную с другими компонентами. Поскольку силовой переключатель соединен со стабилитроном параллельно и не последовательно, он всегда может быть включен. Однако, если силовой переключатель отключен, ток может продолжать течь через стабилитрон.
[0070] Схема, показанная на фиг. 6, включает в себя одну или более вторичных катушек (также именуемых вторичной обмоткой) 616, 618, которые обеспечивают низкое напряжение питания для блока 610 питания DC, например, в момент пуска двигателя. Одна или более вторичных катушек 616, 618 также действуют как фильтр высокочастотного шума для отфильтровывания высокочастотного шума из напряжения малой мощности, подаваемого на блок 610 питания DC.
[0071] Вторичная обмотка 616, 618 может распределяться как угодно, например, равномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками 604, 606, все на одном полюсе, или неравномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками, например, большее количество витков или катушек на одной вторичной обмотке, чем на другой вторичной обмотке.
[0072] В примере, приведенном на фиг. 6, схема 602 разделенных фазных обмоток может отключать электронное оборудование DC, включающее в себя контроллер 608 двигателя, когда двигатель включен и работает на синхронной скорости. Таким образом, контроллер 608 двигателя схемы 602 разделенных фазных обмоток определяет скорость двигателя и работает ли двигатель на синхронной скорости или нет. Например, 1800 об/мин может быть синхронной скоростью для двигателя с четырьмя полюсами статора (двумя северными полюсами статора и двумя южными полюсами статора). В течение каждого полупериода энергия AC поступает на один из магнитных полюсов. Поэтому подача энергии на четыре магнитных полюса занимает два периода. Таким образом, синхронная скорость равна 1800 об/мин, если двигатель синхронизирован с линейным AC. Аналогично, синхронная скорость для восьмиполюсного статора будет равна 900 об/мин.
[0073] Фиг. 7 демонстрирует управление направлением фазного тока в ходе пуска и непрерывной работы на скоростях ниже синхронной в схеме 702 разделенных фазных обмоток.
[0074] Как показано на фиг. 7, ток всегда будет течь через обе разделенные фазные обмотки 704, 706 и схему 708 силового(ых) переключателя(ей) в одном и том же направлении. Разделенные фазные обмотки 704, 706, будучи соединены последовательно со схемой 708 силового(ых) переключателя(ей), представляют одну обмотку со схемой 708 силового(ых) переключателя(ей), расположенной в средней точке или центральной точке между разделенными фазными обмотками. Ток и напряжение, подаваемые на разделенные фазные обмотки, всегда будут иметь одно и то же направление через обе катушки, и, аналогично, магнитная полярность разделенных фазных обмоток будет одинаковой.
[0075] Как рассмотрено ниже, схема управления может включать в себя выпрямительную схему на основе диодного моста, выход которого соединен с один или более силовых переключателей. Как показано на фиг. 7, если выходные выводы выпрямителя на основе диодного моста схемы 708 силового(ых) переключателя(ей) закорачивается при положительном напряжении на выводе L1, ток будет течь через обмотку 704, 706 только в одном направлении, но с полупериодными приращениями. Если напряжение на выводах L1 и L2 имеет 60 периодов, то выходы схемы выпрямителя на основе диодного моста в схеме управления будут закорачиваться только при положительном напряжении на выводе L1, и ток будет течь только в одном направлении и в течение 8 миллисекунд. Но ток будет течь в течение 8 миллисекунд в перемежающиеся полупериоды. Затем ток будут течь в течение других 8 миллисекунд и т.д. Если выход схемы диодного моста схемы управления закорачивается при положительном напряжении на выводе L2, то энергия будет перетекать таким же образом. Если закорачивание выхода моста осуществляется выборочно, то есть на основании углового положения магнитного ротора, будет обеспечиваться непрерывное действие двигателя. Если выход схемы выпрямителя на основе диодного моста в схеме управления выборочно закорачивается в течение доли полупериода на основании углового положения магнитного ротора, как описано выше, и только при положительном напряжении на выводе L1, то можно обеспечить любую желаемую скорость, в том числе скорости выше синхронной скорости. Характеристики такого двигателя будут аналогичны характеристикам двигателя DC, на входы которого подается пульсирующий ток. Однако, вместо того, чтобы осуществлять переключение разделенных фазных обмоток с помощью множественных силовых переключающих компонентов, в схеме разделенных фазных обмоток используется тот факт, что переключение можно осуществлять с помощью переменного тока совместно с одним силовым переключающим компонентом.
[0076] Фиг. 8 демонстрирует пример управления направлением фазного тока на синхронной скорости 1800 оборотов в минуту (об/мин) в четырехполюсной схеме разделенных фазных обмоток. На синхронной скорости, управляемая фаза синхронизируется с входом линии AC.
[0077] Фиг. 9 демонстрирует управление направлением фазного тока на синхронной скорости 3600 оборотов в минуту (об/мин) в двухполюсной схеме разделенных фазных обмоток. На синхронной скорости, управляемая фаза синхронизируется с входом линии AC.
[0078] Фиг. 10 демонстрирует пример периодов зарядки накопительного конденсатора блока питания DC в схеме разделенных фазных обмоток. Обратите внимание на корреляцию с формой волны на фиг. 7.
[0079] Фиг. 11 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток 1102 с вторичной катушкой 1104, 1106 и одним силовым переключателем 1108. Первичная разделенная фазная обмотка 1110, 1112 ограничивает ток, который может течь в блок питания DC.
[0080] Схема 1114 управления управляет переключением для схемы 1115 силового(ых) переключателя(ей) на основании хронирования входной частоты и положения ротора. Схема 1114 управления управляет пуском и работой схемы разделенных фазных обмоток. Например, схема 1114 управления управляет пуском, в том числе, когда двигатель является синхронным двигателем. Схема 1114 управления определяет положение ротора относительно статора. Схема 1114 управления также определяет и отслеживает скорость ротора, например, в оборотах в минуту (об/мин), для определения рабочих параметров двигателя, например, когда двигатель достигает синхронной скорости, и управляет двигателем на основании положения ротора и/или скорости двигателя. В одном примере, схема 1114 управления имеет переключатель на основе эффекта Холла и/или другое устройство определения вращения для определения положения ротора и/или устройство определения числа оборотов или скорости для определения скорости ротора.
[0081] в одном примере, схема 1115 силового(ых) переключателя(ей) включает в себя стабилитрон 1116 или другой регулятор напряжения и параллельно соединенный с ним силовой переключатель 1108. В то время как предыдущие системы включали силовой переключатель, последовательно соединенный с другими компонентами. Поскольку силовой переключатель 1108 параллельно соединен со стабилитроном 1116 и не последовательно, он всегда может быть включен. Однако, если силовой переключатель отключен, ток может продолжать течь через стабилитрон.
[0082] Схема, показанная на фиг. 11, включает в себя одну или более вторичных катушек (также именуемых вторичной обмоткой) 1104, 1106, которые обеспечивают низкое напряжение питания для блока питания DC, например, в момент пуска двигателя. Одна или более вторичных катушек 1104, 1106 также действуют как фильтр высокочастотного шума для отфильтровывания высокочастотного шума из напряжения малой мощности, подаваемого на блок питания DC.
[0083] Вторичная обмотка 1104, 1106 может распределяться как угодно, например, равномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками 1110, 1112, все на одном полюсе, или неравномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками, например, большее количество витков или катушек на одной вторичной обмотке, чем на другой вторичной обмотке.
[0084] Способ, которым катушки соединены со схемой через выпрямитель 1118 на основе диодного моста, позволяет току течь через катушки в одном-единственном направлении в любой данный момент времени.
[0085] Усовершенствования, внесенные в этот двигатель и контроллер, значительно улучшили логический блок питания DC, тем самым обеспечив более надежную схему логического управления. Вторичные катушки 1104, 1106 намотаны с катушками двигателя способом, который позволяет создать трансформатор, использующий катушки двигателя в качестве первичных катушек 1110, 1112. В примере, показанном на фиг. 11, используется коэффициент трансформации 20:1. Пример, приведенный на фиг. 11, включает в себя 1000 витков для каждой первичной катушки двигателя и 50 витков для каждой вторичной катушки, намотанных на один и тот же полюс статора. Однако можно использовать другие коэффициенты трансформации, более высокие или более низкие. Коэффициент трансформации между первичными катушками 1110, 1112 двигателя и вторичными катушками 1104, 1106 может изменяться в зависимости от входной мощности AC и/или требуемой мощности DC. Эта схема не только изолирует все цепи DC от высоких напряжений из линии, но и создает неколлапсирующий блок питания DC для схемы 1114 управления, когда энергия подается на входы L1 и L2.
[0086] Схема 1115 силового(ых) переключателя(ей) имеет двухполупериодный мостовой выпрямитель 1118 помимо силового переключателя 1108 на основе MOSFET. Двухполупериодный мостовой выпрямитель 1118 гарантирует, что отрицательное напряжение не будет подаваться на сток (верхний электрод) силового переключателя 1108. Двухполупериодный мостовой выпрямитель 1118 также гарантирует, что положительное напряжение не будет подаваться на исток (нижний электрод) силового переключателя 1108 благодаря чему, ток может течь только от стока к истоку силового переключателя 1108 при подаче положительного напряжения смещения на затвор силового переключателя 1108 через резистор R1. Одновременно с подачей положительного выпрямленного напряжения AC на стоке силового переключателя 1108, силовой переключатель 1108 смещается тем же сигналом напряжения через резистор R1. Диод 1116 защищает затвор силового переключателя 1108 гарантируя, что любое напряжение на затворе силового переключателя 1108 будет больше, чем -0,7 В, поскольку любое меньшее значение приведет к повреждению или разрушению силового переключателя 1108. Резистор R11 и конденсатор C5 используются в качестве ʺсглаживающего фильтраʺ для отфильтровывания переходных сигналов или высокочастотного шума. R11 и C5 обеспечивают добавочную защиту силового переключателя 1108 на основе MOSFET, в особенности, в зашумленных средах.
[0087] Фиг. 12 демонстрирует схему 1202 разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой 1104, 1106 и одним силовым переключателем 1108. Схема, показанная на фиг. 12, включает в себя такую же схему силового(ых) переключателя(ей), как показана на фиг. 11, и такие же вторичные катушки 1104, 1106. Кроме того, схема 1114A управления, показанная на фиг. 12, включает в себя схему 1204 логического управления для управления работой двигателя, в том числе, сквозной синхронной скоростью, схему 1206 отключения логического управления для управления, когда схема силового(ых) переключателя(ей) отключена, и неколлапсирующий блок 1208 питания DC для подачи питания DC на схему логического управления и схему отключения логического управления. Схема 1204 логического управления и схема 1206 отключения логического управления могут быть выполнены как единая схема логического управления.
[0088] В одном варианте осуществления, схема 1202 разделенных фазных обмоток служит для того, чтобы двигатель работал синхронно с частотой линии питания AC (например, для 4-полюсного двигателя, 60 Гц=1800 об/мин и 50 Гц=1500 об/мин). В отсутствие схемы управления, схема силового(ых) переключателя(ей) позволила бы току течь, как в случае, когда пары L1 и L2 катушек закорочены совместно через схему силового(ых) переключателя(ей). Схема управления отключает схему силового(ых) переключателя(ей), пока ротор не достигнет правильного положения в соответствии с линейным напряжением. По этой причине, в одном аспекте, схема силового(ых) переключателя(ей) приспособлена для линейного напряжения питания AC. Все компоненты схемы управления могут находиться под напряжением логического уровня (VCC).
[0089] Питание логики осуществляется от вторичных катушек 1104, 1106, которые намотаны на те же полюсы, что и первичные катушки 1110, 1112 двигателя. Вторичные катушки 1104, 1106 могут быть намотаны на любое количество полюсов при условии, что вторичное питание удовлетворяет требуемой мощности логики. В одном примере, схема управления требуется только для пуска двигателя и доведения его до синхронной скорости, и схема отключения логического управления, в необязательном порядке, включается для отключения главной схемы управления. Схема отключения логического управления является необязательной. Благодаря отключению схемы управления, схема силового(ых) переключателя(ей) подает на двигатель полную мощность на линии за минусом любых потерь в схеме силового(ых) переключателя(ей). Это повышает полный КПД и увеличивает срок службы компонентов, в особенности, при длительной работе двигателя.
[0090] Фиг. 13 и 13A демонстрируют схему разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой и одним силовым переключателем. Схема имеет два входа L1 и L2 линейного питания AC, которые соединены с источником питания AC в ходе эксплуатации двигателя.
[0091] Схема силовых переключателей
[0092] Схема силового(ых) переключателя(ей) имеет двухполупериодный мостовой выпрямитель BR1 и силовой переключатель Q1 на основе MOSFET. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR1 гарантирует, что отрицательное напряжение не будет подаваться на сток (верхний электрод) силового переключателя Q1. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR1 также гарантирует, что положительное напряжение не будет подаваться на исток (нижний электрод) силового переключателя Q1 благодаря чему, ток может течь только от стока к истоку силового переключателя Q1 при подаче положительного напряжения смещения на затвор силового переключателя Q1 через резистор R1. Положительное выпрямленное напряжение AC присутствует на стоке силового переключателя Q1, силовой переключатель Q1 смещается тем же сигналом напряжения через резистор R1. Диод D5 защищает затвор силового переключателя Q1, гарантируя, что любое напряжение на затворе силового переключателя Q1 будет больше, чем -0,7 В, поскольку любое меньшее значение приведет к повреждению или разрушению силового переключателя Q1. Резистор R11 и конденсатор C5 используются в качестве ʺсглаживающего фильтраʺ для отфильтровывания переходных сигналов или высокочастотного шума. R11 и C5 обеспечивают добавочную защиту силового переключателя Q1 на основе MOSFET, в особенности, в зашумленных средах.
[0093] Блок питания DC
[0094] Когда питание подается на двигатель, и ток течет через фазные обмотки двигателя (первичные катушки двигателя), энергия существует на вторичных обмотках (вторичные катушки) таким же образом, как при работе трансформатора. Значение напряжения на вторичных катушках прямо пропорционально входному напряжению и коэффициенту трансформации от первичных катушек к вторичным катушкам. Согласно примеру на фиг. 11, если напряжение, подаваемое на первичные катушки, равно 120 В и коэффициент трансформации от первичных катушек к вторичным катушкам равен 20:1, то можно вычислить, что напряжение на вторичных катушках будет составлять приблизительно 6 В за минусом любых потерь. Энергия из вторичных катушек подается напрямую от вторичных катушек на блок питания DC. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR2 выпрямляет низкое напряжение питания AC от вторичных катушек. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR2 может быть маломощным компонентом, исходя из требований к питанию DC.
[0095] Стабилитроны Z1 и Z2 соединены друг с другом последовательно анод к аноду, и катод каждого из них соединен с соответствующим входом питания AC двухполупериодного мостового выпрямителя BR2. Этот способ соединения используется для защиты двухполупериодного мостового выпрямителя BR2 в случае, когда входное напряжение питания AC превышает максимально допустимое значение для компонента. Отрицательный выход двухполупериодного мостового выпрямителя BR2 соединен с заземлением схемы, которое также соединено с тем же заземлением, что и блок силового переключателя. Положительный выход двухполупериодного мостового выпрямителя BR2 соединен с регулятором LDO1 защиты от перенапряжения и конденсатором C1. Конденсатор C1 предназначен для сглаживания выпрямленного сигнала питания AC, поступающего на вход регулятора LDO1 защиты от перенапряжения. Блокировочный конденсатор C7 можно использовать на выходе регулятора LDO1 защиты от перенапряжения для снижения шума на положительной шине DC (VCC). Кроме того, более крупный конденсатор C10 можно использовать на выходе регулятора LDO1 защиты от перенапряжения для сглаживания на положительной шине DC и обеспечения питания в некоторых случаях низкого напряжения. C7 и C10 не являются обязательными, но предусмотрены для обеспечения дополнительной надежности и защиты низковольтных компонентов DC, в особенности, в зашумленной среде.
[0096] Схема логического управления/контроллер двигателя
[0097] Схема логического управления (контроллер двигателя) управляет переключением для схемы силового(ых) переключателя(ей) на основании хронирования входной частоты линейного питания AC и положения ротора. Хронирование входной частоты линейного питания AC регистрируется с использованием буфера AC, который состоит из биполярных транзисторов (BJT) Q2 и Q3 и диодов D6 и D7. Ток на входе буфера AC ограничивается резистором R3 с высоким номиналом. Диод D6 гарантирует, что входное напряжение на буфере AC не превышает положительного напряжения питания DC. Диод D7 гарантирует, что входное напряжение на буфере AC больше -0,7 В относительно заземления питания DC.
[0098] Когда входное напряжение на буфере AC является логически высоким, BJT Q2 смещается, и выходное напряжение буфера AC также является логически высоким. Когда входное напряжение на буфере AC является логически низким, BJT Q3 смещается, и выходное напряжение буфера AC является логически низким. Выход буфера AC соединен с фильтром, состоящим из конденсатора C6 и резистора R13. Фильтр не является обязательным, но обеспечивает защиту и надежность в зашумленных средах.
[0099] Полярность магнита ротора регистрируется с использованием переключателя IC1 на основе эффекта Холла. В то же время, для регистрации полярность магнита ротора и/или положение ротора и/или определения скорости и/или определения оборотов ротора можно использовать другой переключатель или регистрирующее устройство. Переключатель IC1 на основе эффекта Холла является выход с открытым коллектором и, таким образом, требует подтягивания к положительной шине DC (VCC). Резистор R2 обеспечивает подтягивание, необходимое для выхода с открытым коллектором.
[00100] Выходное напряжение переключателя IC1 на основе эффекта Холла и выходное напряжение буфера AC сравниваются с использованием единой логической схемы XOR IC2. Выходной сигнал XOR IC2 является разностью между выходными сигналами переключателя IC1 на основе эффекта Холла и буфера AC, которая будет смещать силовой переключатель Q1 на основе MOSFET схемы силового(ых) переключателя(ей). Когда выходной сигнал переключателя IC1 на основе эффекта Холла является логически низким, силовой переключатель Q1 будет смещаться только когда напряжение питания AC на входе L1 двигателя отрицательно. Когда выходное напряжение переключателя IC1 на основе эффекта Холла является логически высоким, силовой переключатель Q1 будет смещаться только когда напряжение питания AC на входе L1 двигателя положительно. В момент пуска двигателя могут существовать множественные периоды входного AC, где через силовой переключатель Q1 будут проходить либо только положительные, либо только отрицательные входные токи от входа L1 питания AC.
[00101] С использованием силового переключателя Q1, формы волны можно ʺобрезатьʺ или отключать в любой момент, когда напряжение на стоке и затворе силового переключателя Q1 выше напряжения смещения. См., например, фиг. 7. На затворе силового переключателя Q1 поддерживается логически низкий уровень, когда выходной сигнал XOR IC2 является логически высоким за счет смещения BJT Q4. При подаче смещения на BJT Q4, любой ток, текущий из резистора R1, будет обходить затвор силового переключателя Q1 и течь от коллектора к эмиттеру BJT Q4, электрически соединяющего затвор силового переключателя Q1 с его истоком и будет отключать силовой переключатель Q1.
[00102] Когда частота переключателя IC1 на основе эффекта Холла совпадает с частотой входного питания AC, двигатель работает синхронно. Если двигатель работает синхронно, схема управления не требуется, либо пока двигатель не выпадает из синхронизма, либо пока двигатель не остановится и не запустится повторно. Когда регулятор IC3 напряжения регистрирует синхронную скорость или более высокую скорость из переключателя IC1 на основе эффекта Холла, выходной сигнал XOR IC2 поддерживается логически низким через выход с открытым коллектором регулятора IC3 напряжения. Когда регулятор IC3 напряжения регистрирует меньшую скорость, чем скорость входного питания AC, выход с открытым коллектором регулятора IC3 напряжения отключается, из-за чего выходной сигнал XOR IC2 будет оставаться неизменным.
[00103] Этот способ гарантирует, что, когда двигатель работает на синхронной скорости, силовой переключатель Q1 не отключается логическим управлением. Однако если двигатель замедляется до скоростей ниже синхронной, то логический контроллер будет управлять хронированием двигателя, как он это делает для пуска. Использование этого способа повышает общий КПД двигателя и предполагаемый срок эксплуатации компонентов в схеме.
[00104] Внешние компоненты используются для задания хронирования для регулятора IC3 напряжения. Резисторы R4, R5, R6 и R7 могут иметь допуск 1%, благодаря чему, регулятор IC3 напряжения действует в точных параметрах. Конденсатор C1 действует совместно с резисторами R6 и R7 для задания частоты, на которой выход с открытым коллектором регулятора IC3 напряжения будет включаться. Конденсатор C3 используется для внутреннего генератора подкачки заряда в регуляторе IC3 напряжения. Конденсатор C4 используется для связывания по переменному току входа с регулятором IC3 напряжения, поскольку регулятор IC3 напряжения будет обнаруживать только частоты, которые имеют пересечение нулевого напряжения. Резистор R8 ограничивает ток в конденсатор C4 связывания по переменному току на входе регулятора IC3 напряжения.
[00105] Фиг. 14 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями.
[00106] Фиг. 15 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с одним силовым переключателем.
[00107] Фиг. 16 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с двумя последовательно соединенными силовыми переключателями. Диоды D1 и D2 являются диодами 1N4003, и диоды D3 и D4 являются диодами 1N914. Транзисторы Q3 и Q4 являются 2N3904. IC1 является переключателем/датчиком на основе эффекта Холла. Диоды D5 и D6 используются для повышения допустимой токовой нагрузки для внутренних диодов в переключателях Q1 и Q2 (d1 и d2), если фазный ток превышает номинальный прямой ток внутренних диодов. Конденсаторы C2 и C3 используются для создания задержки ʹвключенияʹ для переключателей Q1 и Q2 для добавления дополнительного времени зарядки для конденсатора C1 при необходимости гарантировать непрерывное питание 3,3 В или 5 В для холловского переключателя/датчика IC1, в зависимости от выбора устройства для холловского переключателя/датчика IC1. В предыдущих системах 5 В требовалось для включения силового переключателя MOSFET логического уровня. В одном варианте осуществления конденсаторы C2 и C3 являются необязательными.
[00108] Диоды D1, D2, d1 и d2 осуществляют выпрямление энергии AC для блока питания DC для холловского переключателя/датчика IC1.
[00109] Стабилитрон ZD1 обеспечивает регулятор напряжения для блока питания DC холловского переключателя/датчика IC1.
[00110] RL обеспечивает ограничение тока для блока питания DC. В одном примере, он задается так, чтобы приблизительно ограничивать ток величиной 10 мА. Холловский переключатель/датчик IC1 использует постоянный ток 6 мА, включающий в себя ток возбуждения базы для выходного транзистора с внутренним открытым коллектором. Дополнительный постоянный ток будет использоваться для включения переключателя Q3 и подается через подтягивающий резистор R3. Ток от коллектора к эмиттеру для переключателя Q3 и ток от базы и коллектора к эмиттеру для переключателя Q4 не обеспечивается блоком питания DC, но обеспечивается током через фазные обмотки двигателя. Предпочтительно гарантировать, что транзисторы Q3 и Q4 полностью ʹотключеныʹ в надлежащие моменты времени. В одном варианте осуществления предпочтительно гарантировать, что переключатели полностью ʹвключеныʹ или находятся в состоянии насыщения в надлежащие моменты времени для максимальной эксплуатационной эффективности.
[00111] Фиг. 17 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с ответвлением от катушки с разделенными фазными обмотками на блок питания постоянного тока (DC) и двумя последовательно соединенными силовыми переключателями.
[00112] Фиг. 18 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с двумя параллельно соединенными силовыми переключателями.
[00113] Фиг. 19 демонстрирует схему разделенных фазных обмоток с ответвлением от катушки с разделенными фазными обмотками на блок питания постоянного тока (DC) и двумя параллельно соединенными силовыми переключателями.
[00114] Фиг. 20 демонстрирует двигатель 2002 со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку AC 2004 и вторичную обмотку 2006 (т.е. одну или более вторичных катушек) для создания неколлапсирующего блока питания DC. В двигателе, показанном на фиг. 20, вторичная обмотка 2006 намотана на все полюсы. Однако вторичная обмотка 2006 можем быть намотана только на один полюс, два полюса, три полюса или другое количество полюсов. В двигателе 2002, показанном на фиг. 20, вторичная обмотка соединена последовательно с первичной фазной обмоткой 2004. Однако вторичная обмотка 2006 также может быть соединена параллельно или совместно последовательно и параллельно. Двигатель, показанный на фиг. 20, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость для двигателя при работе на 60 Гц AC равна 1800 об/мин.
[00115] Фиг. 21 демонстрирует двигатель 2102 со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку AC 2104 и вторичную обмотку 2106 (т.е. одну или более вторичных катушек) для создания неколлапсирующего блока питания DC, намотанную на один-единственный полюс. Двигатель 2102, показанный на фиг. 21, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость для двигателя при работе на 60 Гц AC равна 1800 об/мин.
[00116] Фиг. 22 демонстрирует двигатель 2202 со схемой разделенных фазных обмоток с ответвлением от первичной фазной обмотки для создания неколлапсирующего блока питания DC. Двигатель 2202, показанный на фиг. 22, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость для двигателя при работе на 60 Гц AC равна 1800 об/мин.
[00117] Двигатель имеет статор 2204 с 4 полюсами 2206-2212 и ротор 2214 с 4 магнитами N, S, N, S 2216-2222, обращенными к статору. Двигатель 2202 имеет вал (центральный круг) 2224 и заднее железо 2226 ротора (область между валом и магнитами). Первичные разделенные фазные обмотки 2228, 2230 соединены с блоком питания AC на L1 и L2, соответственно. Вторичная обмотка 2232, 2234 соединена с блоком 2236 питания DC.
[00118] Фиг. 23 демонстрирует двигатель со схемой разделенных фазных обмоток 2302 с резисторами 2304, 2306 между разделенными фазными обмотками 2308, 2310 и схемой 2312 силового(ых) переключателя(ей) для создания неколлапсирующего блока питания DC. Двигатель, показанный на фиг. 23, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость для двигателя при работе на 60 Гц AC равна 1800 об/мин.
[00119] Фиг. 24 демонстрирует двигатель со схемой разделенных фазных обмоток 2402 со стабилитронами 2404, 2406 между разделенными фазными обмотками 2408, 2410 и схемой 2412 силового(ых) переключателя(ей) для создания неколлапсирующего блока питания DC. Двигатель, показанный на фиг. 24, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость для двигателя при работе на 60 Гц AC равна 1800 об/мин.
[00120] Схемы, показанные на фиг. 25-34, демонстрируют схемы разделенных фазных обмоток, которые можно использовать с одним или более двигателями, например, одним или более двигателями, описанными здесь. Эти схемы включают в себя фазные обмотки двигателя для двигателя, которые разделены на четыре части, причем две фазные обмотки двигателя образуют одну половину фазных обмоток двигателя схемы, и две другие фазные обмотки двигателя образуют другую половину фазных обмоток двигателя схемы. Благодаря добавлению соединения между двумя фазными обмотками (катушками) двигателя в каждой половине фазных обмоток двигателя от контроллера двигателя/схемы управления двигателя, двигатель может работать, используя для пуска только 2 из 4 катушек. Это полезно для пуска, поскольку снижается общий импеданс катушек двигателя, что увеличивает ток и крутящий момент. Поскольку ток растет, КПД может снижаться до или ниже выбранного допустимого процента. Схемы разделенных фазных обмоток обеспечивают, в некоторых вариантах осуществления, пусковой крутящий момент при низких входных напряжениях.
[00121] Согласно схеме, показанной на фиг. 25, схема 2502 разделенных фазных обмоток имеет четыре разделенные фазные обмотки 2504-2510 двигателя. Две фазные обмотки 2504-2506 двигателя образуют одну половину 2512 фазных обмоток двигателя схемы 2502, и две другие фазные обмотки 2508-2510 двигателя образуют другую половину 2514 фазных обмоток двигателя схемы. Контроллер 2516 двигателя для двигателя имеет два каскада, причем первый каскад (каскад 1) 2518 контроллера двигателя располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ 2520 в подводе линейного напряжения между двумя половинами 2512-2514 разделенных фазных обмоток 2504-2510 двигателя, и второй каскад (каскад 2) 2522 контроллера двигателя располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя.
[00122] Силовое электронное оборудование для двигателя имеет два каскада, причем схема силового(ых) переключателя(ей)/силовое электронное оборудование 2524 первого каскада (каскада 1) располагается в средней точке или центре 2526, 2528 между двумя разделенными фазными обмотками 2504-2506 и 2608-2610 двигателя, соответственно, на каждой половине 2512-2514 фазных обмоток двигателя (т.е. в ʺчетвертной точкеʺ). Схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 активирует первую (L1) и четвертую (L4) катушки 2504, 2510. Схема 2524 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 может представлять собой, например, один или более переключателей, например, один или более MOSFET или других переключателей, и управляться контроллером 2518 двигателя каскада 1.
[00123] Схема силового(ых) переключателя(ей) /силовое электронное оборудование 2530 второго каскада (каскада 2) располагается в ʺсредней точкеʺ 2520 в подводе линейного напряжения между двумя половинами 2512, 2514 разделенных фазных обмоток 2504-2510 двигателя. Схема 2530 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 активирует вторую (L2) и третью (L3) катушки 2506-2508. Схема 2530 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 может представлять собой, например, один или более переключателей, например, одно или более твердотельных реле (SSR), счетверенных твердотельных реле (QSSR) или других переключателей, и управляться контроллером 2518 двигателя каскада 2. Блок 2532 питания постоянного тока (DC) (например, для электронного оборудования, используемого в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазными обмотками 2504-2510 двигателя, между двумя половинами 2512-2514 разделенных фазных обмоток двигателя и/или в средней точке или центре 2526-2528 между двумя разделенными фазными обмотками 2504-2506 или 2508-2510 двигателя на каждой половине 2512, 2514 фазных обмоток двигателя.
[00124] Схема 2502 разделенных фазных обмоток включает в себя один или более неколлапсирующих компонентов 2534, 2536 блока питания DC (компоненты для предотвращения снижения напряжения DC от блока питания DC до или ниже произведения сопротивления включенного переключателя и тока через силовой(ые) переключатель(и), которое близко к нулю), включающих в себя компоненты, обеспечивающие падение напряжения, или компоненты, получающие питание непосредственно от блока питания DC, для создания неколлапсирующего блока питания DC. Примеры неколлапсирующих компонентов 2534, 2536 блока питания DC включают в себя ответвление от одной или более из первичных фазных обмоток 2504-2510, электрически соединенных с блоком 2532 питания DC, ответвление от наружных первичных разделенных фазных обмоток (катушки L1 и катушки L4) 2504 и 2510, электрически соединенных с блоком 2532 питания DC, вторичную фазную катушечную обмотку, соединенную с блоком питания DC для обеспечения питания блока питания, вторичную фазную катушку, электрически подключенную между наружными первичными разделенными фазными обмотками (катушкой L1 и катушкой L4) 2504 и 2510 и блоком 2532 питания DC, резисторы между разделенными фазными обмотками и одной или более из схем силового(ых) переключателя(ей), один или более резисторов между первой и второй разделенными фазными обмотками (катушкой L1 и катушкой L2) и один или более резисторов между третьей и четвертой разделенными фазными обмотками (катушкой L3 и катушкой L4) 2506 и 2508, где блок питания DC также электрически соединен с одной стороны между первой и второй разделенными фазными обмотками (катушкой L1 и катушкой L2) и с другой стороны между третьей и четвертой разделенными фазными обмотками (катушкой L3 и катушкой L4), один или более стабилитронов между разделенными фазными обмотками и одной или более из схем силового(ых) переключателя(ей), один или более стабилитронов между первой и второй разделенными фазными обмотками (катушкой L1 и катушкой L2) и один или более стабилитронов между третьей и четвертой разделенными фазными обмотками (катушкой L3 и катушкой L4), где блок питания DC также электрически соединен с одной стороны между первой и второй разделенными фазными обмотками (катушкой L1 и катушкой L2) и с другой стороны между третьей и четвертой разделенными фазными обмотками (катушкой L3 и катушкой L4), ненасыщаемый полупроводник или другой резистивный компонент между разделенными фазными обмотками и одной или более из схем силового(ых) переключателя(ей) (например вместо одного или более вышеупомянутых резисторов или диодов), где сопротивление достаточно велико для создания значительного падения напряжения, и где это падение напряжения приводит к тому, что блок питания DC при включенном переключателе или другие компоненты создают падение напряжения между первичными разделенными фазными обмотками и одной или более из схем силового(ых) переключателя(ей) для предотвращения коллапсирования блока питания DC, когда силовой(ые) переключатель(и) в схеме силового(ых) переключателя(ей) включен(ы) и проводит(ят) электрический ток. Таким образом, схема 2502 разделенных фазных обмоток обеспечивает постоянный переток энергии независимо от того, включена ли схема силового(ых) переключателя(ей) и проводит ли она электрический ток, или отключена и не проводит электрический ток.
[00125] Фиг. 26 и 27 демонстрируют примеры схем 2602 и 2702 разделенных фазных обмоток, где одна или более вторичных катушек (также именуемые вторичной обмоткой) электрически соединены с блоком питания DC для обеспечения питания блока питания DC и создания неколлапсирующего блока питания DC (блока питания DC, в котором напряжение DC не снижается до или ниже произведения сопротивления включенного(ых) переключателя(ей) и тока через силовой(ые) переключатель(и), которое близко к нулю). Одна или более вторичных катушек обеспечивают низкое напряжение питания для блока 2632 питания DC, например, в момент пуска двигателя. Одна или более вторичных катушек также действуют как фильтр высокочастотного шума для отфильтровывания высокочастотного шума из напряжения малой мощности, подаваемого на блок питания DC.
[00126] Согласно фиг. 26, схема 2602 разделенных фазных обмоток имеет четыре разделенные фазные обмотки 2604-2610 двигателя. Две фазные обмотки 2604-2606 двигателя образуют одну половину 2612 фазных обмоток двигателя схемы 2602, и две другие фазные обмотки 2608-2610 двигателя образуют другую половину 2614 фазных обмоток двигателя схемы. Логика управления/контроллер 2616 двигателя для двигателя имеет два каскада, причем первый каскад (каскад 1) 2618 контроллера двигателя располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ 2620 в подводе линейного напряжения между двумя половинами 2612-2614 разделенных фазных обмоток 2604-2610 двигателя, и второй каскад (каскад 2) 2622 контроллера двигателя также располагается в ʺсредней точкеʺ или ʺцентральной точкеʺ в подводе линейного напряжения между двумя половинами разделенных фазных обмоток двигателя.
[00127] Силовое электронное оборудование для двигателя имеет два каскада, причем схема силового(ых) переключателя(ей) /силовое электронное оборудование 2624 первого каскада (каскада 1) располагается в средней точке или центре 2626, 2628 между двумя разделенными фазными обмотками 2604-2606 и 2608-2610 двигателя, соответственно, на каждой половине 2612-2614 фазных обмоток двигателя (т.е. в ʺчетвертной точкеʺ). Схема 2618 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 активирует первую (L1) и четвертую (L4) катушки 2604, 2610. Схема 2624 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 может представлять собой, например, один или более переключателей, например, один или более MOSFET или других переключателей, и управляться контроллером 2218 двигателя каскада 1. В одном примере, схема 2618 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 включает в себя один или более стабилитронов или другой регулятор напряжения и параллельно подключенный силовой переключатель. В то же время, предыдущие системы включали в себя силовую схему, последовательно соединенную с другими компонентами. Поскольку силовой переключатель соединен с одним или более стабилитронами параллельно и не последовательно, он всегда может быть включен. Однако, если силовой переключатель отключен, ток может продолжать течь через стабилитрон.
[00128] Схема 2630 силового(ых) переключателя(ей)/силовое электронное оборудование второго каскада (каскада 2) располагается в ʺсредней точкеʺ 2620 в подводе линейного напряжения между двумя половинами 2612, 2614 разделенных фазных обмоток 2604-2610 двигателя. Схема 2630 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 электрически соединена с внутренними первичными разделенными фазными обмотками (второй катушкой L2 и третьей катушкой L3) 2606 и 2608, и схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 активирует вторую (L2) и третью (L3) катушки. Схема 2630 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 может представлять собой, например, один или более переключателей, например, одно или более твердотельных реле (SSR), счетверенных твердотельных реле (QSSR) или других переключателей, и управляться контроллером двигателя каскада 2 2618.
[00129] В одном примере, показанном на фиг. 26, схема 2602 разделенных фазных обмоток может отключать один или более из электронного оборудования DC, например, каскад 1 контроллера 2618 двигателя, когда двигатель включен и работает на синхронной скорости. Таким образом, каскад 1 контроллера 2618 двигателя определяет скорость двигателя и работает ли двигатель на синхронной скорости или нет. Например, 1800 об/мин может быть синхронной скоростью для двигателя с четырьмя полюсами статора (двумя северными полюсами статора и двумя южными полюсами статора). В течение каждого полупериода энергия AC поступает на один из магнитных полюсов. Поэтому подача энергии на четыре магнитных полюса занимает два периода. Таким образом, синхронная скорость равна 1800 об/мин, если двигатель синхронизирован с линейным AC. Аналогично, синхронная скорость для восьмиполюсного статора будет равна 900 об/мин.
[00130] Блок 2632 питания постоянного тока (DC) (например, для электронного оборудования, используемого в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазными обмотками 2604-2610 двигателя, между двумя половинами 2612-2614 разделенных фазных обмоток двигателя и/или в средней точке или центре 2626-2628 между двумя разделенными фазными обмотками 2604-2606 или 2608-2610 двигателя на каждой половине 2612, 2614 фазных обмоток двигателя. Первичная разделенная фазная обмотка 2604-2610 ограничивает ток, который может течь в блок 2632 питания DC, таким образом, избавляя от необходимости в компонентах ограничения тока, которые расходуют энергию.
[00131] Схема 2602 разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 26, включает в себя вторичные катушки 2634, 2636 (также именуемые вторичной обмоткой или вторичной фазной обмоткой) электрически подключенные между наружными первичными разделенными фазными обмотками (катушкой L1 и катушкой L4) 2604 и 2610 и блоком 2632 питания DC для создания неколлапсирующего блока питания DC (блока питания DC, в котором напряжение DC не снижается до или ниже произведения сопротивления включенного(ых) переключателя(ей) и тока через силовой(ые) переключатель(и), которое близко к нулю). Катушки 2634, 2636 вторичной фазной обмотки обеспечивают низкое напряжение питания для блока 2632 питания DC, например, в момент пуска двигателя. Одна или более вторичных катушек 2634, 2636 также действуют как фильтр высокочастотного шума для отфильтровывания высокочастотного шума из напряжения малой мощности, подаваемого на блок 2632 питания DC. Вторичные катушки 2634, 2636 могут распределяться как угодно, например, равномерно между первой и четвертой разделенными фазными обмотками 2604, 2610, на одной или более из первой, второй, третьей и четвертой разделенных фазных обмоток 2604-2610, все на одном полюсе, или неравномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками, например, большее количество витков или катушек на одной вторичной обмотке, чем на другой вторичной обмотке.
[00132] Фиг. 27 демонстрирует схему 2702 разделенных фаз, аналогичную схеме 2602 разделенных фазных обмоток, показанной на фиг. 6. Однако схема 2702 разделенных фаз, показанная на фиг. 27, демонстрирует двухполупериодный мостовой выпрямитель, переключатель MOSFET и диод для схемы 2624A силового(ых) переключателя(ей) каскада 1. Схема 2702 разделенных фаз также демонстрирует конкретные значения для некоторых компонентов, в том числе, 435 витков, 30AWG для разделенных фазных обмоток (катушек) 2604A-2610A, и 70 витков, 30AWG для вторичных катушек 2634A-2336A.
[00133] Согласно фиг. 26 и 27, в одном аспекте, во время пуска действует только схема 2630 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1. Когда двигатель достигает синхронной скорости, логика управления/контроллер 2616 двигателя отключает схему 2624 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 и включает схему 2630 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2. Контроллер 2618 двигателя каскада 1 управляет направлением протекания тока через катушки на основании положения ротора. В одном примере, более точное время переключения является фактором для пуска. Схема 2630 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 либо включена, либо отключена, и не использует положение ротора для определения направления протекания тока.
[00134] Как показано в примере, приведенном на фиг. 26 и 27, схема 2624 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 соединена между наружный фазной обмоткой (катушкой L1) 2504 и внутренней фазной обмоткой (катушкой L2) 2506 на одной стороне 2512 схемы и между другой наружной фазной обмоткой (катушкой L5) 2510 и другой внутренней фазной обмоткой (катушкой L3) 2508 на одной стороне 2514 схемы. Схема 2624 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 формирует путь тока для двух наружных фазных обмоток (катушки L1 и катушки L4) 2604, 2610. Фазные обмотки 2604, 2610 могут иметь несколько разных конфигураций в зависимости от применения двигателя. Схема 2624 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 также может быть выполнена с возможностью подачи питания на три фазные обмотки 2604-2610 или только на одну из фазных обмоток в соответствии с требованиями к пусковому крутящему моменту и мощности.
[00135] Когда схема 2624 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 отключена, и схема 2630 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 включена, формируется путь тока для всех четырех фазных обмоток 2604-2610. Поскольку схема 2630 силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 имеет более низкую скорость переключения, чем схема 2624 силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 при пуске, для схемы силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 можно использовать такой компонент, как реле или твердотельное реле, что требует меньше деталей, чем если бы для схемы силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 использовался силовой переключатель типа MOSFET.
[00136] Если поставлена цель снижения стоимости, может быть полезно построить эквивалентную схему с использованием более дешевых дискретных компонентов. В одной из описанных ниже схем дискретные компоненты хорошо себя ведут в отношении диапазона напряжения, диапазона тока, падения напряжения и скорости переключения. Ее также можно построить с такими же или меньшими затратами, чем твердотельное реле, которое удовлетворяет тем же требованиям к мощности.
[00137] Фиг. 28 и 29 демонстрируют примеры активных элементов для схем силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 и каскада 2. Для каскада 1 (пускового), активные элементы для схемы 2602A силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 изображены на фиг. 28 и включают в себя двухполупериодный мостовой выпрямитель 2802 и MOSFET 2804. Схема 2602A силового(ых) переключателя(ей) каскада 1 также имеет стабилитрон 2806, подключенный параллельно MOSFET 2804. Ток течет через стабилитрон 2806 при отпирании и запирании MOSFET 2804. Фазные обмотки (катушки) 2604A, 2610A для каскада 1 (фиг. 28) соединены с двухполупериодным мостовым выпрямителем 2802 таким образом, чтобы двигатель работал сбалансированно. Подача питания на две соседние фазные обмотки (катушки) может тянуть ротор сильнее в одну сторону, и это может приводить к чрезмерной нагрузке на схему, конструкцию двигателя или обе. В зависимости от того, как намотаны полюсы и как полюсы выровнены с ротором, может потребоваться конфигурировать разные катушки для пуска, поскольку наибольший крутящий момент развивается при пуске. Фазные обмотки (катушки), соединенные в несбалансированной конфигурации при наибольшем крутящем моменте двигателя может приводить к чрезмерной нагрузке на схему, конструкцию двигателя или обе. Для каскада 2, активные элементы для схемы силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 2630A изображены на фиг. 29 и включают в себя SSR или QSSR. Хотя можно использовать другое реле или другой переключатель.
[00138] Фиг. 30A-30B демонстрируют другой пример схемы разделенных фазных обмоток 3002, 3002A для двигателя в виде принципиальной схемы. Схема имеет два линейных входа LI1 или Line_in1 и LI2 или Line_in2, которые соединены с источником питания AC в ходе эксплуатации двигателя. Аналогично схемам, показанным на фиг. 25-29, схемы, показанные на фиг. 30A-30B, включают в себя фазные обмотки двигателя, которые разделены на четыре части, причем две фазные обмотки L1, L2 двигателя образуют одну половину 3004 фазных обмоток двигателя схемы, и две другие фазные обмотки L3, L4 двигателя образуют другую половину 3006 фазных обмоток двигателя схемы.
[00139] Она также включает в себя одну или более вторичных фазных катушечных обмоток L1-1, L4-1 (фиг. 30A) или L1-1, L3-1 (фиг. 30B), электрически соединенных с блоком питания DC для обеспечения питания блока питания и создания неколлапсирующего блока питания DC (блока питания DC, в котором напряжение DC не снижается до или ниже произведения сопротивления включенного(ых) переключателя(ей) и тока через силовой(ые) переключатель(и), которое близко к нулю). Одна или более вторичных фазных обмоток (катушек) (также именуемые вторичной обмоткой) обеспечивают низкое напряжение питания для блока питания DC, например, в момент пуска двигателя. Одна или более вторичных фазных обмоток (катушек) также действуют как фильтр высокочастотного шума для отфильтровывания высокочастотного шума из напряжения малой мощности, подаваемого на блок питания DC. Вторичная обмотка может распределяться как угодно, например, равномерно между первой (L1) и четвертой (L4) разделенными фазными обмотками, все на одном полюсе, или неравномерно между первой (L1) и четвертой (L4) разделенными фазными обмотками, например, большее количество витков или катушек на одной вторичной обмотке, чем на другой вторичной обмотке. Вторичная обмотка может распределяться где-либо, равномерно или неравномерно, между любыми из первой (L1), второй (L2), третьей (L3) и четвертой (L4) разделенными фазными обмотками.
[00140] Схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 1
[00141] Блок силового переключателя имеет двухполупериодный мостовой выпрямитель BR1 и MOSFET Q1. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR1 гарантирует, что отрицательное напряжение не будет подаваться на сток (вверху) MOSFET Q1, и гарантирует, что положительное напряжение не будет подаваться на исток (внизу) MOSFET Q1, благодаря чему, ток может течь только от стока к истоку MOSFET Q1 при подаче положительного напряжения смещения на затвор MOSFET Q1 через резистор R1 или отдельную схему возбуждения затвора. В примере, приведенном на фиг. 31, одновременно с подачей положительного выпрямленного напряжения AC на стоке MOSFET Q1, MOSFET Q1 смещается тем же сигналом напряжения через резистор R1. Диод D1 защищает затвор MOSFET Q1 гарантируя, что любое напряжение на затворе MOSFET Q1 будет больше, чем -0,7 В, поскольку любое меньшее значение приведет к повреждению или разрушению или ухудшению характеристик MOSFET Q1. В вышеописанном примере, затвор возбуждается, по существу, стоковым напряжением. В конфигурации вышеупомянутого типа, когда MOSFET Q1 получает питание, сигнал возбуждения затвора коллапсирует, вынуждая MOSFET Q1 работать, как при наибольшем сопротивлении от стока к истоку (Rds (on)). С увеличением сопротивления, падение напряжения на MOSFET Q1 также увеличивается, что непосредственно обусловлено энергией, подаваемой на разделенные фазные обмотки (катушки) двигателя (L1-L4). Добавление простой схемы возбуждения затвора повышает напряжение на затворе MOSFET Q1 и снижает Rds (on). Пример возбудителя затвора, использующего описанные здесь дискретные компоненты, показан на фиг. 32. Резисторы R1 и R12, стабилитрон Z1 и диоды D1 и D2 образуют простой возбудитель затвора.
[00142] Согласно фиг. 30A-30B, конденсатор может быть подключен между затвором MOSFET Q1 и истоком MOSFET Q1 для поддержания уровня напряжения DC. Поскольку входы возбудителя затвора соединены с другой стороной разделенных фазных обмоток (катушек) двигателя, существует разность потенциалов, приблизительно равная (входному линейному напряжению)/(количество активных катушек). В примере, приведенном на фиг. 32, если входное линейное напряжение равно 120 В, поскольку существуют 2 активные катушки, имеющие равные значения, напряжение на каждом входе возбудителя затвора составляет приблизительно 120/2=60 В.
[00143] Стабилитрон Z1 будет регулировать более высокие напряжения должен иметь значение в диапазоне нормальной работы MOSFET. Стабилитрон Z1 будет регулировать величину напряжения, равную номинальному напряжению стабилитрона; напряжения выше номинального напряжения стабилитрона падают на стабилитроне. Стабилитрон Z1 может действовать как регулятор напряжения. В этом случае, напряжение регулируется в пределах рабочего напряжения MOSFET Q1.
[00144] В конфигурации наподобие примера, приведенного на фиг. 31, падение напряжения на MOSFET Q1 может составлять около 5 В или просто быть достаточным для поддержания смещения MOSFET Q1. В примере, приведенном на фиг. 32, падение напряжения на MOSFET Q1 может быть меньше 1 В.
[00145] Схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 2
[00146] Схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 предназначена для обеспечения максимально эффективной работы двигателя. Поскольку в течение 1 периода входного сигнала требуется, чтобы каскад 2 редко производил отключение и включение или включение и отключение, для его работы достаточно очень простой конструкции. Единственный входной сигнал, который должен поступать от логики управления/контроллера двигателя каскада 1, это входной сигнал синхронного отключения, SYNC SD. Входной сигнал SYNC SD используется для отключения MOSFET Q1 каскада 1 путем подтягивания его затвора к его истоку. Входной сигнал SYNC SD также используется для включению схемы силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 при условии, что двигатель работает синхронно с входной частотой. В иллюстративной схеме, показанной на фиг. 30A-30B, входной сигнал SYNC SD является логически высоким для пуска. Когда время периода для частоты на входе регулятора IC2 напряжения на ножке 1 совпадает с постоянной времени, установленной конденсатором C4 и резистором R7, входной сигнал SYNC SD подтягивается к логически низкому транзитному выходу и выходу с открытым коллектором. При условии, что синхронная скорость регистрируется регулятором IC2 напряжения, входной сигнал SYNC SD является логически низким. В случае высокой нагрузки на двигатель или когда двигатель по какой-либо другой причине ʺвыпадает из синхронизмаʺ, входной сигнал SYNC SD будет переключаться обратно с логически низкого уровня на логически высокий. Каскад 2 (например, схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 2) будет отключаться, и каскад 1 (например, схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 1) будет работать до тех пор, пока не будет зарегистрирована синхронная скорость. Поскольку для работы каскада 1 необходимо, чтобы входной сигнал SYNC SD был логически высокий, и для работы каскада 2 необходимо, чтобы входной сигнал SYNC SD был логически низким, в примерах, показанных на фиг. 30A-30B, каскад 1 и каскад 2 не могут одновременно получать питание.
[00147] Фиг. 33 демонстрирует вариант схемы силового(ых) переключателя(ей) каскада 2, где используется твердотельное реле (SSR) SSR1 с изолированным входом и триачным выходом. Эта конфигурация требует только 2 компонентов. На анод входного LED SSR поступает положительное напряжение VCC через токоограничительный резистор R2. На катод входного LED SSR поступает входной сигнал SYNC SD. Когда входной сигнал SYNC SD переключается на логически низкий уровень, формируется путь для тока через входной LED, и SSR включается. Аналогично, когда входной сигнал SYNC SD является логически высоким, путь для тока через входной LED отсутствует, и SSR отключается.
[00148] Фиг. 34 демонстрирует схему, где SSR схемы силового(ых) переключателя(ей) заменено дискретными компонентами. Схема, показанная на фиг. 34, действует весьма аналогично схеме силового(ых) переключателя(ей) каскада 1. Одно отличие состоит в том, что схема силового(ых) переключателя(ей) обычно отключается для каскада 2, поскольку между стоком переключателя Q2 и базой переключателя Q6 подключен резистор R14 с высоким номиналом. При наличии положительного напряжения на стоке переключателя Q2, переключатель Q6 получает питание, обеспечивая короткое замыкание между затвором переключателя Q2 и его истоком, что приводит к отключению переключателя Q2. Другое отличие состоит в том, что вход схемы силового(ых) переключателя(ей) изолирован вентилем ISO1. Вход вентиля ISO1 работает так же, как вход ранее описанного SSR (SSR1), и выход является открытым коллектором. Когда входной сигнал SYNC SD переключается на логически низкий уровень, питание поступает на выход вентиля ISO1, из-за чего база переключателя Q6 подключается к его эмиттеру, что приводит к отключению переключателя Q6. Когда переключатель Q6 отключен, переключатель Q2 будет работать при наличии на затворе переключателя Q2 положительного напряжения, превышающего порог. Еще одно отличие состоит в том, что конденсатор C2 может иметь более высокий номинал, поскольку схема силового(ых) переключателя(ей) каскада 2 не требует столь быстрого переключения. Увеличение номинала конденсатора C2 позволяет обеспечить более простой вариант схемы возбуждения затвора (диод D1 и резистор R6).
[00149] Специалистам в данной области техники очевидно, что изобретение допускает вариации раскрытых выше конкретных вариантов осуществления. Изобретение не подлежит ограничению вышеописанными вариантами осуществления, но определяется нижеследующей формулой изобретения.