КОНТРОЛЛЕР СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАЗДЕЛЕННОЙ ФАЗОЙ Российский патент 2017 года по МПК H02P27/00 H02P23/00 G05F1/00 H02K29/12 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на патент США серийный номер 61/726,550, озаглавленной «Divided Phase AC Synchronous Motor Controller» и поданной 14 ноября 2012 года, полное содержание которой включено сюда путем ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В связи с растущим распространением законов по охране окружающей среды необходимо совершенствовать двигатели различных классов. Например, двигатели для вентиляторов холодильной техники в диапазоне низкой потребляемой мощности, например, 4 - 16 Ватт, которые используются как в коммерческой, так в бытовой холодильной технике, традиционно имеют низкий КПД, например, около 12-26%. Было бы желательно выполнить технологии, направленные на необходимые усовершенствования двигателей различных классов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Схема разделенных фазных обмоток включает в себя разделенные фазные обмотки двигателя, схему силового переключателя, содержащую по меньшей мере один силовой переключатель и схему источника питания постоянного тока - все в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя, и компонент бесперебойного источника питания постоянного тока для предотвращения срыва работы источника питания постоянного тока тогда, когда по меньшей мере один силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии. Компонент бесперебойного источника питания постоянного тока может включать в себя один или более отводов от разделенных фазных обмоток двигателя, электрически соединенных с источником питания постоянного тока, вторичную фазную катушечную обмотку, соединенную с источником питания постоянного тока для подачи питания на источник 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 срыва работы источника питания тогда, когда по меньшей мере один силовой переключатель в схеме силового переключателя включен и находится в проводящем состоянии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показаны фазные обмотки двигателя, разделенные схемой управления, которая расположена в средней точке в фазных обмотках двигателя.

На фиг. 2 показан однофазный двигатель с электронной коммутацией (ECM).

На фиг. 3 показана схема разделенных фазных обмоток.

На фиг. 4 показана схема разделенных фазных обмоток с отводами от катушки разделенной фазной обмотки для источника питания постоянного тока (DC).

На фиг. 5 показана схема разделенных фазных обмоток с резисторами между разделенными фазными обмотками и силовым(и) переключателем(ями).

На фиг. 6 показана схема разделенных фазных обмоток с вторичной обмоткой.

На фиг. 7 показано управление направлением фазного тока во время запуска и непрерывная работа ниже синхронных частот вращения в схеме разделенной фазной обмотки.

На фиг. 8 показано управление направлением фазного тока при синхронной скорости вращения 1800 оборотов в минуту (об/мин) в четырехполюсной схеме разделенных фазных обмоток.

На фиг. 9 показано управление направлением фазного тока при синхронной скорости вращения 3600 оборотов в минуту (об/мин) в двухполюсной схеме разделенных фазных обмоток.

На фиг. 10 показаны периоды зарядки накопительного конденсатора источника постоянного тока.

На фиг. 11 показана схема разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой и одним силовым переключателем.

На фиг. 12 показана схема разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой и одним силовым переключателем.

На фиг. 13 и 13A показана схема разделенных фазных обмоток с вторичной катушкой и одним силовым переключателем.

На фиг. 14 показана схема разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями.

На фиг. 15 показана схема разделенных фазных обмоток с одним силовым переключателем.

На фиг. 16 показана схема разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями, соединенными последовательно.

На фиг. 17 показана схема разделенных фазных обмоток с отводами от катушки разделенной фазной обмотки для источника питания постоянного тока (DC) и двумя силовыми переключателями, соединенными параллельно.

На фиг. 18 показана схема разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями, соединенными параллельно.

На фиг. 19 показана схема разделенных фазных обмоток с отводами от катушки разделенной фазной обмотки для источника питания постоянного тока (DC) и двумя силовыми переключателями, соединенными параллельно.

На фиг. 20 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку переменного тока и вторичную обмотку для создания бесперебойного источника питания постоянного тока.

На фиг. 21 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку переменного тока и вторичную обмотку для создания бесперебойного источника питания постоянного тока, намотанную на один полюс.

На фиг. 22 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток с первичной фазной обмоткой с отводами для создания бесперебойного источника питания постоянного тока.

На фиг. 23 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток с резисторами для создания бесперебойного источника питания постоянного тока.

На фиг. 24 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток со стабилитронами для создания бесперебойного источника питания постоянного тока.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Раскрыты новые и полезные схемы, которые обеспечивают преимущества по сравнению с уровнем техники для управления синхронными бесколлекторными двигателями с постоянными магнитами. Один вариант осуществления настоящего раскрытия включает в себя одну или более схем для двигателя с электронной коммутацией (ECM). Другой вариант осуществления настоящего раскрытия включает в себя одну или более схем для двигателя с экранированным полюсом. В одном аспекте двигатель имеет несколько фаз двигателя (то есть фазные обмотки двигателя) и линейное напряжение между фазами. Фазы двигателя разделены пополам, и как контроллер двигателя для двигателя, так и силовая электроника для двигателя размещаются в "средней точке" или "центральной точке" линейного напряжения между разделенными фазами. Источник питания постоянного тока (DC) (например, для электроники, используемой в контроллере двигателя) также располагается между разделенными фазами. Фазы двигателя обеспечивают ограничение тока и падение напряжения из линий подачи сетевого напряжения до низкого напряжения постоянного тока в источнике питания постоянного тока, тем самым уменьшая число компонентов источника питания постоянного тока и обеспечивая использование низковольтных компонентов для источника питания постоянного тока и для контроллера двигателя.

Системы уровня техники использовали стабилитрон или другой стабилизатор напряжения, соединенный последовательно с силовым переключателем и фазами двигателя, которые ограничивают максимальную мощность двигателя до максимального значения потребляемой мощности стабилитрона. Схемы в настоящем раскрытии позволяют исключить стабилизатор напряжения на основе стабилитрона из первичной цепи тока для фаз двигателя, поэтому стабилизатор напряжения на стабилитроне не располагается последовательно с силовым переключателем и фазами двигателя, что исключает необходимость снижения технических характеристик на потребляемую мощность, которая в противном случае необходима для стабилитрона. Вместо этого, в некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия стабилитрон или другой стабилизатор напряжения располагается параллельно силовому(ам) переключателю(ям).

Схемы в настоящем раскрытии исключают необходимость в устройствах оптической развязки для обеспечения переключения между измерительной/управляющей электроникой контроллера двигателя и силовым переключателем контроллера двигателя. Системы уровня техники имели два нейтральных контрольных значения - одно для измерительной/управляющей электроники и другое для силового переключателя.

Схемы в настоящем раскрытии имеют улучшенное обнаружение фазового угла в сети, которое исключает необходимость в наличии прецизионного измерительного моста сопротивлений, связанного со входом оптической развязки. Таким образом, схемы этого аспекта имеют более точное обнаружение фазового угла в сети.

Схемы в настоящем раскрытии уменьшают различные электрические нейтральные значения для силовых переключателей и контроллера двигателя до одного значения. Это гарантирует, что силовой(ые) переключатель(и) схем согласно этому аспекту будут надежно переходить из полностью "выключенного" состояния в полностью "насыщенное" состояние.

Системы уровня техники, которые включают в себя два переключателя, имеют сложное время полного выключения одного переключателя в течение одного полупериода переменного тока. В схемах в настоящем раскрытии один или более переключателей размещаются за пределами источника питания постоянного тока и схемы контроллера двигателя, что приводит к правильному переключению.

Каждое из этих улучшений не только повышает надежность работы контроллера двигателя, но также служит для повышения суммарного КПД двигателя/контроллера двигателя.

В настоящем раскрытии схемы разделенных фазных обмоток можно использовать в различных двигателях, таких как бесколлекторные двигатели постоянного тока/двигатели с электронной коммутацией (ECM), двигатели с экранированным полюсом, другие синхронные двигатели, двигатели с постоянно включенным конденсатором (PSC) и т.д.

Например, на фиг. 1 показан двигатель 102 с разделенными фазными обмотками 104, 106 двигателя и схема 108 управления двигателем, которая расположена в средней точке 110 разделенных фазных обмоток двигателя. Двигатель 102 включает в себя статор 112 и ротор 114, установленный на валу 116. Ротор 114 установлен с возможностью вращения в конструкции сердечника, такой как конструкция шихтованного сердечника или другая конструкция сердечника. Ротор 114 имеет участок корпуса, который показан в форме цилиндра. Вокруг периферии корпуса расположены дугообразные участки с постоянными магнитами. Один магнитный участок имеет северный магнитный полюс, расположенный рядом с наружной поверхностью ротора, а другой магнитный участок имеет южный магнитный полюс, расположенный рядом с наружной периферией ротора 114. Обмотка или пара обмоток смонтированы на соединительном участке конструкции сердечника. Двигатель 102 также включает в себя переключающее устройство на эффекте Холла, участок которого проходит до смежной периферии ротора 114 для реагирования на полярность магнита соответствующих магнитных участков ротора. В конструкции, как показано, переключатель на эффекте Холла расположен рядом с внешней периферией магнитного участка во время половины каждого оборота ротора 114 и рядом с внешней периферией магнитного участка во время оставшегося периода каждого оборота ротора.

Двигатель 102 может работать при скорости вращения, которая ниже, равна или выше синхронной скорости вращения. Это связано с тем, что ток в частях полупериодов может протекать через фазные обмотки.

Схема разделенных фазных обмоток по фиг. 1 включает в себя входные соединения на выводах L1 и L2, которые во время работы соединены с источником энергии переменного тока (AC), таком как сеть питания переменного тока. Выводы L1 и L2 соединены параллельно последовательной схеме, которая включает в себя разделенные фазные обмотки 104, 106, показанные как соединенные последовательно на концах схемы 108 управления. Например, схема 108 управления может включать в себя схему двухполупериодного диодного мостового выпрямителя, соединенную последовательно с разделенными фазными обмотками 104, 106, и схему силового(ых) переключателя(ей), имеющего(их) один или более переключателей, или другие силовые управляемые переключающие устройства, соединенные с выходом схемы двухполупериодного диодного мостового выпрямителя.

Разделенные фазные обмотки 104, 106 могут иметь бифилярную обмотку или обмотку внахлестку. Источник питания переменного тока имеет вывод L1, подключенный на стороне S1 начала первой обмотки 104. Другой конец обмотки 104, обозначенный F1, соединен с одним из входов схемы 108 управления. Другая входная сторона схемы 108 управления подключена на стороне S2 начала второй разделенной фазной обмотки 106, и сторона конца той же самой разделенной фазной обмотки, обозначенная F2, соединена с входным выводом L2 источника переменного тока.

В качестве другого примера на фиг. 2 показан однофазный ECM, в котором разделены фазные обмотки двигателя, и контроллер двигателя (схема управления двигателем) расположен в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя.

На фиг. 3 показана схема 302 разделенных фазных обмоток для разделения фазных обмоток 304, 306 двигателя (которые в данном документе упоминаются также как фазы двигателя или фазные обмотки) пополам и размещения как контроллера 308 двигателя для двигателя, так и силовой электроники для двигателя, включающей в себя источник 310 питания постоянного тока и схему силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями в "средней точке" или "центральной точке" 314 линейного напряжения между разделенными фазами 304, 306. В примере, показанном на фиг. 3, фазная обмотка двигателя разделена пополам. Допустимо некоторое отклонение от деления пополам, такое как между нулем и плюс/минус 20% от средней точки.

Схема разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 3, включает в себя две разделенные фазные обмотки 304, 306, каждая из которых подключена к сетевому напряжению переменного тока L1 и L2 соответственно. Источник 310 питания постоянного тока электрически подключен к разделенным фазным обмоткам 304, 306, например, на стороне конца первой фазной обмотки 304 и на стороне начала второй фазной обмотки 306. Разделенная фазная обмотка 304, 306 служит для понижения сетевого напряжения переменного тока до напряжения, сравнимого с напряжением источника 310 питания постоянного тока. По этой причине число витков в разделенной фазной обмотке 304, 306 можно выбрать таким образом, чтобы уменьшить сетевое напряжение переменного тока, принимаемое на L1 и L2, до выбранного более низкого напряжения, которое будет принимать источник 310 питания постоянного тока. Разделенная фазная обмотка 304, 306 также предназначена для фильтрации сетевых помех в сетевом напряжении переменного тока, принимаемом на L1 и L2.

Источник 310 питания постоянного тока преобразует низковольтное питание переменного тока, принимаемое из разделенных фазных обмоток 304, 306, в напряжение постоянного тока, предназначенное для питания силовых компонентов, работающих на постоянном токе, схемы разделенных фазных обмоток, включающей в себя контроллер 308 двигателя. Затем источник питания постоянного тока подает питание на контроллер двигателя.

Контроллер 308 двигателя управляет запуском и работой схемы 302 разделенных фазных обмоток. Например, контроллер 308 двигателя управляет запуском, в том числе там, где двигатель представляет собой синхронный двигатель. Контроллер 308 двигателя определяет положение ротора относительно статора. Контроллер 308 двигателя также определяет и контролирует скорость вращения ротора, например, в оборотах в минуту (об/мин), чтобы определить рабочие параметры двигателя, например, в случае, когда двигатель достиг синхронной скорости вращения, и управляет двигателем, основываясь на положении ротора и/или скорости вращения двигателя. В одном примере контроллер 308 двигателя имеет переключатель на эффекте Холла и/или другое устройство для определения положения при вращении, предназначенное для определения положения ротора и/или числа оборотов, или устройство для определения скорости вращения, предназначенное для определения скорости вращения ротора.

Схема 312 силового(ых) переключателя(ей) включает в себя один или более силовых переключателей, такие как один или более полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), тринисторы (SCR), транзисторы или другие переключатели или переключающие устройства. Один или более переключателей представляют собой переключатели, одни из которых выключаются, а другие включаются, когда первые выключаются. Например, в одном полупериоде полупериода переменного тока, первый силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии, тогда как второй переключатель выключен и находится в непроводящем состоянии. В другом полупериоде полупериода переменного тока, второй силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии, тогда как первый переключатель выключен и находится в непроводящем состоянии. В схемах с одним переключателем, переключатель может быть включен и находится в проводящем состоянии и во время одного или более участков полупериода переменного тока.

Схема 312 силового(ых) переключателя(ей) изолирована (снаружи) от источника 310 питания постоянного тока, которая делает схему 302 разделенных фазных обмоток более стабильной по сравнению со схемами, имеющими схему силового(ых) переключателя(ей) внутри (и электрически не изолированную от) источника питания постоянного тока.

Как правило, когда силовой(ые) переключатель(и) схемы включен(ы), имеется только слабое падение напряжения на силовом(ых) переключателе(ях) из-за отрицательного сопротивления силового(ых) переключателя(ей). Поэтому, если входное напряжение для источника питания постоянного тока увеличивается за счет подключения выводов источника питания постоянного тока на обеих сторонах силового переключателя (или силовых переключателей), это приведет к срыву работы источника питания постоянного тока, когда силовой переключатель находится во "включенном" состоянии или не способен принимать питание и питать компоненты схемы, работающие на постоянном токе. Схема 302 разделенных фазных обмоток включает в себя один или более компонентов 316, 318 бесперебойного источника питания постоянного тока, включающих в себя компоненты падения напряжения или компоненты, запитанные непосредственно от источника питания постоянного тока, для создания бесперебойного источника питания постоянного тока. Примеры компонентов 316, 318 бесперебойного источника питания постоянного тока включают в себя отвод от первичной фазной обмотки 304, 306, электрически соединенный с источником 310 питания постоянного тока, вторичную фазную катушечную обмотку, соединенную с источником питания постоянного тока для подачи питания на источник 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), или другие компоненты для создания падения напряжения между первичными разделенными фазными обмотками и схемой силового(ых) переключателя(ей) для предотвращения срыва работы источника питания тогда, когда силовой(ые) переключатель(и) в схеме силового(ых) переключателя(ей) находится/находятся во включенном состоянии и проводящем состоянии. Поэтому схема 302 разделенных фазных обмоток обеспечивает постоянный поток мощности независимо от того, находится ли схема силового(ых) переключателя(ей) во включенном и проводящем состоянии или выключенном и непроводящем состоянии.

Многие синхронные двигатели с электронным управлением имеют схемы, которые обнаруживают прохождение через ноль переменного напряжения, прикладываемого к фазным обмоткам. Эта схема обнаружения прохождения напряжения через ноль посылает сигнал в контроллер 308 двигателя, чтобы определить то, когда двигатель находится на синхронной скорости вращения. Если напряжение питания переменного тока зависит от электрических помех, как правило, вследствие работы другого оборудования в той же самой цепи, эти электрические помехи могут привести к неправильной работе детектора прохождения напряжения через ноль, что влияет на управление двигателем, что обычно проявляется в виде акустического шума в двигателе.

В одном примере схема 302 разделенных фазных обмоток является частью синхронного двигателя. Синхронный двигатель принимает сетевое питание (то есть питание переменного тока) на L1 и L2. В синхронном двигателе использование разделенной фазной обмотки, использующей связанную с ней схему настоящего раскрытия, не зависит от обнаружения прохождения через ноль прикладываемого переменного напряжения для управления двигателем, а скорее обнаруживает полярность напряжения, то есть является ли полярность L2 выше или ниже чем L1 с учетом бесшумной работы даже в том случае, когда в сети переменного тока присутствуют электрические помехи.

Источник питания постоянного тока, показанный на фиг. 3, электрически соединен непосредственно с разделенными фазными обмотками 304, 306. Таким образом, на источник 310 питания постоянного тока подается питание с разделенных фазных обмоток 304, 306 независимо от состояния схемы силового(ых) переключателя(ей).

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 силовой электроники для двигателя, включающая в себя источник 410 питания постоянного тока и схему 412 силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями в "средней точке" или "центральной точке" линейного напряжения между разделенными фазами. Схема 402 разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 4, включает в себя отвод 416, 418 от первичной разделенной фазной обмотки 404, 406, электрически соединенный с источником 410 питания постоянного тока для создания бесперебойного источника питания постоянного тока.

В некоторых схемах, когда двигатель достигает синхронной скорости вращения, один или более силовых переключателей выключаются и тем самым вызывают прекращение подачи низковольтного питания на контроллер. В одном примере путь от одной разделенной фазной обмотки через силовой(ые) переключатель(и) до другой разделенной фазной обмотки становится короче, например, при синхронной скорости вращения, что приводит к тому, что источник питания постоянного тока и контроллер двигателя больше не принимают низковольтное напряжение питания с фазных обмоток, например, в том случае, когда отсутствует конденсатор, удерживающий заряд во время закорачивания, или имеющийся конденсатор больше не обеспечивает удержание достаточного заряда во время закорачивания. Схема 402, показанная на фиг. 4, включает в себя отвод 416, 418 от катушек фазных обмоток 404, 406 для источника 410 питания постоянного тока, поэтому ток из низковольтного источника питания протекает непосредственно от фазных обмоток в источник питания постоянного тока в обход силового(ых) переключателя(ей) ("контроллера разделенной фазы двигателя"). Таким образом, схема, показанная на фиг. 4, гарантирует, что напряжение из низковольтного источника питания подается в источник 410 питания постоянного тока, например, при синхронной скорости вращения.

В одном примере источник 410 питания постоянного тока для контроллера разделенных фаз двигателя образован с помощью стабилитрона и накопительного конденсатора, который принимает электроэнергию во время части периода переменного тока (AC), когда силовой(ые) переключатель(и) выключен(ы). Когда двигатель работает на синхронной скорости вращения, силовой(ые) переключатель(и) постоянно находится(ятся) в проводящем состоянии. Поэтому, величина напряжения, подаваемого на источник питания постоянного тока, равна падению напряжения на переключателе(ях), что может привести к низкому уровню напряжения при использовании полевых транзисторов MOSFET с пониженным сопротивлением канала (RDS(on)).

На фиг. 5 показана другая схема 502 разделенных фазных обмоток для разделения фазных обмоток 504, 506 двигателя пополам и размещения как контроллера 508 двигателя для двигателя, так и силовой электроники для двигателя, включающая в себя источник 510 питания постоянного тока и схему 512 силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями в "средней точке" или "центральной точке" 514 линейного напряжения между разделенными фазами. Схема 502, показанная на фиг. 5, включает в себя резисторы R1 и R2, включенные между фазными обмотками 504, 506 двигателя, и схему 512 силового(ых) переключателя(ей) для поддержания и поэтому сохранения низкого напряжения питания, подаваемого с фазных обмоток на источник 510 питания постоянного тока, и создания бесперебойного источника питания постоянного тока. Таким образом, схема, показанная на фиг. 5, поддерживает низкое напряжение питания, подаваемое на источник 510 питания постоянного тока, например, при синхронной скорости вращения.

На фиг. 6 показана другая схема 602 разделенных фазных обмоток для разделения фазных обмоток 604, 606 двигателя пополам и размещения как контроллера 608 двигателя для двигателя, так и силовой электроники для двигателя, включающая в себя источник 610 питания постоянного тока и схему 612 силового(ых) переключателя(ей) с одним или более силовыми переключателями в "средней точке" или "центральной точке" 614 линейного напряжения между разделенными фазами. Первичная разделенная фазная обмотка 604, 606 ограничивает ток, который может протекать в источнике 610 питания постоянного тока, исключая необходимость в компонентах, ограничивающих ток, которые тратят впустую электроэнергию. Схема 602 разделенных фазных обмоток, показанная на фиг. 6, включает в себя вторичные фазные обмотки 616, 618, электрически соединенные с источником 610 питания постоянного тока для создания бесперебойного источника питания постоянного тока.

В одном примере схема 612 силового(ых) переключателя(ей) включает в себя стабилитрон или другой стабилизатор напряжения и силовой переключатель, соединенные параллельно. Следует отметить, что системы уровня техники включали в себя схема питания, соединенную последовательно с другими компонентами. Так как силовой переключатель соединен параллельно со стабилитроном и не соединен последовательно, он всегда может быть включен. Однако, если силовой переключатель выключен, ток по-прежнему может протекать через стабилитрон.

Схема, показанная на фиг. 6 включает в себя одну или более вторичных обмоток (которые также упоминаются как вторичные обмотки) 616, 618, которые обеспечивают низковольтный источник питания в источнике питания постоянного тока, например, при запуске двигателя. Одна или более вторичных обмоток 616, 618 действуют также как фильтр подавления высокочастотных помех для фильтрации высокочастотных помех из низковольтного питающего напряжения, подаваемого в источник 610 питания постоянного тока.

Вторичную обмотку 616, 618 можно распределить в любом месте, 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, число витков или катушек на одной вторичной обмотке больше, чем на другой вторичной обмотке.

В примере, показанном на фиг. 6, схема 602 разделенных фазных обмоток может отключить электронику, работающую от постоянного тока, в том числе контроллер 608 двигателя, когда двигатель включен и вращается с синхронной скоростью вращения. Таким образом, контроллер 608 двигателя схемы 602 разделенных фазных обмоток определяет скорость вращения двигателя и то, имеет или нет двигатель синхронную скорость вращения. Например, 1800 об/мин может соответствовать синхронной скорости вращения для двигателя с четырьмя полюсами статора (два северных полюса статора и два южных полюса статора). В каждый полупериод переменного тока питание подается на один из магнитных полюсов. Поэтому для подачи питания на четыре магнитных полюса требуется два периода. Таким образом, синхронная скорость вращения равна 1800 об/мин, если двигатель синхронизирован с частотой сети переменного тока. Аналогичным образом, синхронная скорость вращения для восьмиполюсного статора будет составлять 900 об/мин.

На фиг. 7 показано управление направлением фазного тока во время запуска и непрерывной работы ниже синхронных скоростей вращения в схеме разделенных фазных обмоток.

Как показано на фиг. 7, ток будет всегда протекать через обе разделенные фазные обмотки и схему управления в одинаковом направлении. Разделенные фазные обмотки 704, 706, соединенные последовательно со схемой управления, представляют собой одну обмотку со схемой управления, размещенной в средней точке или в центральной точке между разделенными фазными обмотками. Ток и напряжение, которые подаются на разделенные фазные обмотки, будут всегда иметь одинаковое направление в обеих катушках, и магнитная полярность разделенных фазных обмоток будет также одинаковой.

Как будет показано ниже, схема управления может включать в себя схему диодного мостового выпрямителя, чей выход соединен с одним или более силовыми переключателями. Как показано на фиг. 7, если выходные выводы диодного мостового выпрямителя схемы управления закорочены, когда напряжение на выводе L1 является положительным, ток будет протекать только через обмотку 704 и 706 в одном направлении, но с полупериодными приращениями. Если напряжение на выводах L1 и L2 имеет 60 периодов, то выходы схемы диодного мостового выпрямителя в схеме управления будут закорочены только тогда, когда напряжение на выводе L1 будет положительным, и ток будет протекать только в одном направлении и в течение 8 миллисекунд. Ток не будет протекать в течение 8 миллисекунд чередующихся полупериодов. Ток будет протекать в течение других 8 миллисекунд и т.д. Если выход схемы диодного моста схемы управления закорочен, когда напряжение на выводе L2 является положительным, ток будет протекать точно таким же образом. Если закорачивание выхода моста выполняется избирательно, что основано на угловом положении магнитного ротора, непрерывная работа двигателя будет продолжаться. Если выход схемы диодного мостового выпрямителя в схеме управления закорачивается в течение части полупериода избирательно на основании углового положения магнитного ротора, как описано выше, и только тогда, когда напряжение на выводе L1 является положительным, можно реализовать любую желательную скорость вращения, в том числе скорость выше синхронной скорости вращения. Характеристики такого двигателя будут аналогичны двигателю постоянного тока с пульсирующим током, подаваемым на входы. Однако, вместо наличия нескольких силовых переключающих компонентов, обеспечивающих переключение разделенных фазных обмоток, схема разделенных фазных обмоток позволяет использовать тот факт, что переменный ток во взаимодействии с одним силовым переключающим компонентом позволяет выполнить переключение.

На фиг. 8 показан пример управления направлением фазного тока при синхронной скорости вращения 1800 оборотов в минуту (об/мин) в четырехполюсной схеме разделенных фазных обмоток. При синхронной скорости вращения управляемая фаза синхронизирована с частотой на входе сети переменного тока.

На фиг. 9 показан управление направлением фазного тока при синхронной скорости вращения 3600 оборотов в минуту (об/мин) в двухполюсной схеме разделенных фазных обмоток. При синхронной скорости вращения управляемая фаза синхронизирована с частотой на входе сети переменного тока.

На фиг. 10 показан пример периодов зарядки накопительного конденсатора источника питания постоянного тока в схеме разделенных фазных обмоток. Следует отметить связь формы сигнала с формой сигнала, показанной на фиг. 7.

На фиг. 11 показана схема разделенных фазных обмоток с вторичной обмоткой и одним силовым переключателем. Первичная разделенная фазная обмотка ограничивает ток, который может протекать в источнике питания постоянного тока.

Схема 1114 управления управляет переключением для схемы силового(ых) переключателя(ей), основываясь на временной синхронизации входной частоты и положения ротора. Схема 1114 управления управляет запуском и работой схемы разделенных фазных обмоток. Например, схема 1114 управления управляет запуском, в том числе в случае, когда двигатель является синхронным двигателем. Схема 1114 управления определяет положение ротора относительно статора. Схема 1114 управления также определяет и контролирует скорость вращения ротора, например, в оборотах в минуту (об/мин), для определения рабочих параметров двигателя, например, когда двигатель достигает синхронной скорости вращения, и управляет двигателем, основываясь на положении ротора и/или скорости вращения двигателя. В одном примере схема 1114 управления имеет переключатель на эффекте Холла и/или другое устройство определения положения при повороте для определения положения ротора и/или числа оборотов или устройство определения скорости вращения для определения скорости вращения ротора.

В одном примере, схема силового(ых) переключателя(ей) включает в себя стабилитрон 1116 или другой стабилизатор напряжения и силовой переключатель 1108, соединенные параллельно. Следует отметить, что системы уровня техники включали в себя схема питания, соединенную последовательно с другими компонентами. Так как силовой переключатель 1108 соединен параллельно со стабилитроном 1116 и не соединен последовательно, он всегда может быть включен. Однако, если силовой переключатель выключен, ток по-прежнему может протекать через стабилитрон.

Схема, показанная на фиг. 11, включает в себя одну или более вторичных обмоток (которые также упоминаются как вторичные обмотки) 1104, 1106, которые обеспечивают низковольтный источник питания в источнике питания постоянного тока, например, при запуске двигателя. Одна или более вторичных обмоток 1104, 1106 действуют также как фильтр подавления высокочастотных помех для фильтрации высокочастотных помех из низковольтного питающего напряжения, подаваемого в источник питания постоянного тока.

Вторичную обмотку 1104, 1106 можно распределить в любом месте, 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, число витков или катушек на одной вторичной обмотке может быть больше, чем на другой вторичной обмотке.

Способ, которым катушки соединены со схемой через диодный мостовой выпрямитель 1118, обеспечивает протекание тока через катушки только в одном направлении в любой заданный момент времени. Улучшения, которые были сделаны в этом двигателе, значительно улучшают источник питания постоянного тока с логическим управлением, который обеспечивает более надежную логическую схему управления. Вторичные обмотки 1104, 1106 намотаны на катушки двигателя способом, который создает трансформатор, использующий катушки двигателя в качестве первичных обмоток 1110, 1112.

Улучшения, которые были сделаны в этом двигателе и контроллере, значительно улучшают логику управления источником питания постоянного тока, которая обеспечивает более надежную логическую схему управления. Вторичные обмотки намотаны на катушки двигателя способом, который создает трансформатор, использующий катушки двигателя в качестве первичной обмотки. В примере, показанном на фиг. 11, используется коэффициент трансформации 20:1. Пример, показанный на фиг. 11, включает в себя 1000 витков в первичной обмотке двигателя и 50 витков во вторичной обмотке, которые намотаны на одинаковом полюсе статора. Однако можно использовать другие, более высокие или более низкие, коэффициенты трансформации. Отношение витков между первичными обмотками 1110, 1112 двигателя и вторичными обмотками 1104, 1106 может изменяться в зависимости от входного напряжения переменного тока и/или требований к напряжению постоянного тока. Эта схема не только изолирует всю схему постоянного тока от высоких напряжений, возникающих в сети, но также создает несрывающийся источник питания постоянного тока в схеме управления, когда напряжение прикладывается на входах L1 и L2.

Схема силового(ых) переключателя(ей) состоит из 2-х основных компонентов, а именно из двухполупериодного мостового выпрямителя 1118 и MOSFET-силового переключателя 1108. Двухполупериодный мостовой выпрямитель 1118 гарантирует, что отрицательное напряжение не будет подаваться на сток (сверху) силового переключателя 1108. Двухполупериодный мостовой выпрямитель 1118 также гарантирует, что положительное напряжение не будет подаваться на исток (снизу) силового переключателя 1108, поэтому ток может протекать только от стока к истоку силового переключателя 1108 при смещении за счет положительного напряжения на затворе силового переключателя 1108 через резистор R1. В то же самое время, так как на стоке силового переключателя 1108 присутствует положительное напряжение, полученное путем выпрямления напряжения источника питания переменного тока, силовой переключатель 1108 смещается за счет того же самого сигнала напряжения через резистор R1. Диод 1116 защищает затвор силового переключателя 1108, гарантируя, что любое напряжение на затворе силового переключателя 1108 будет выше, чем -0,7 В, так как меньшее напряжение может повредить или вывести из строя силовой переключатель 1108. Резистор R11 и конденсатор C5 используются в качестве "демпфирующей цепочки" для фильтрации импульсных помех или высокочастотных помех. R11 и C5 обеспечивают дополнительную защиту для MOSFET-силового переключателя 1108, особенно в помеховой обстановке.

На фиг. 12 показана схема 1202 разделенных фазных обмоток с вторичной обмоткой 1106 и одним силовым переключателем 1108. Схема, показанная на фиг. 12, включает в себя такую схему силового(ых) переключателя(ей), как и на фиг. 11, и те же самые вторичные обмотки 1104, 1106. Кроме этого, схема 1114А управления, показанная на фиг. 12, включает в себя логическую схему 1204 управления для управления работой двигателя, в том числе через синхронную скорость вращения, схему 1206 выключения логического управления для управления в том случае, когда выключается схема силового(ых) переключателя(ей), и несрывающийся источник 1208 питания постоянного тока для подачи напряжения постоянного тока на логическую схему управления и схему выключения логического управления. Логическую схему 1204 управления и схему 1206 выключения логического управления можно выполнить в виде одной логической схемы управления.

В одном варианте осуществления одна цель этой схемы 1202 с разделенными фазными обмотками состоит в том, чтобы обеспечить синхронную работу двигателя с частотой линии подачи питания переменного тока (например, для 4-х полюсного двигателя 60 Гц - 1800 об/мин и 50 Гц - 1500 об/мин). Без любой схемы управления схема силового(ых) переключателя(ей) будет обеспечивать протекание тока через схему силового(ых) переключателя(ей) так, как если бы пары катушек L1 и L2 были закорочены вместе. Схема управления просто отключает схему силового(ых) переключателя(ей) до тех пор, пока ротор не примет правильное положение в соответствии с линейным напряжением. По этой причине, в одном аспекте схема силового(ых) переключателя(ей) рассчитана для линейного наряжения источника питания переменного тока. Все компоненты схемы управления могут находиться под напряжение логического уровня (VCC). Напряжение логического уровня подается с помощью вторичных обмоток 1104, 1106, которые намотаны на одинаковые полюса, как и первичные обмотки 1110, 1112 двигателя. Вторичные обмотки 1104, 1106 могут быть намотаны на любое число полюсов до тех пор, пока вторичное питание удовлетворяет требованиям логического питания. Поскольку схема управления необходима только для запуска двигателя и доведение его до синхронной скорости вращения, схема выключения логического управления при необходимости используется для выключения основной схемы управления. Схема выключения логического управления является опциональной. Выключая схему управления, схема силового(ых) переключателя(ей) будет обеспечивать полностью сетевое питание для двигателя минус любые потери в схеме силового(ых) переключателя(ей). Это позволит увеличить общий КПД и срок службы компонентов, особенно когда двигатель работает в течение длительных периодов времени.

На фиг. 13 и 13A показана схема разделенных фазных обмоток с вторичной обмоткой и одним силовым переключателем. Схема имеет два входа L1 и L2 сети питания переменного тока, которые во время работы соединены с источником питания переменного тока двигателя.

СИЛОВОЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

Блок силового переключателя состоит из 2-х основных компонентов - двухполупериодного мостового выпрямителя BR1 и MOSFET-силового переключателя Q1. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR1 гарантирует, что отрицательное напряжение не будет подаваться на сток (сверху) силового переключателя Q1. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR1 также гарантирует, что положительное напряжение не будет подаваться на исток (снизу) силового переключателя Q1, поэтому ток может протекать только от стока к истоку силового переключателя Q1 при смещении за счет положительного напряжения на затворе силового переключателя Q1 через резистор R1. Одновременно с этим, так как на стоке силового переключателя Q1 присутствует положительное напряжение, полученное в результате выпрямления переменного сетевого напряжения, силовой переключатель Q1 смещается на тот же самый сигнал напряжения через резистор R1. Диод D5 служит для защиты затвора силового переключателя Q1, гарантируя, что любое напряжение на затворе силового переключателя Q1 будет больше -0,7 В, так как меньшее напряжение может привести к повреждению или выходу из строя силового переключателя Q1. Резистор R11 и конденсатор C5 используются в качестве "демпфирующей цепочки" для фильтрации импульсных помех или высокочастотных помех. R11 и C5 обеспечивают дополнительную защиту для MOSFET-силового переключателя Q1, особенно в помеховой обстановке.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

После того, как питание будет подано на двигатель, и ток будет протекать через фазные обмотки двигателя (первичные обмотки двигателя), на вторичных обмотках (вторичных катушках) появится напряжение таким же образом, как и при работе трансформатора. Значение напряжения на вторичных катушках прямо пропорционально входному напряжению и отношению числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. В примере, показанном на фиг. 11, если входное напряжение на первичных обмотках равно 120 В, и отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки равно 20:1, то расчетное напряжение на вторичных обмотках будет равно приблизительно 6 В минус какие-либо потери. Питание с вторичных катушек подается непосредственно на источник питания постоянного тока. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR2 выпрямляет низковольтное напряжение источника питания переменного тока, подаваемое с вторичных катушек. Двухполупериодный мостовой выпрямитель BR2 может представлять собой низковольтный компонент, основываясь на требованиях к питанию постоянного тока.

Стабилитроны Z1 и Z2 соединены последовательно друг с другом, анод к аноду, и каждый катод соединен с входами источника питания переменного тока двухполупериодного мостового выпрямителя BR2. Данный способ используется для защиты двухполупериодного мостового выпрямителя BR2 от входных напряжений источника питания переменного тока, которые могут превышать максимальное значение для компонента. Отрицательный выходной вывод двухполупериодного мостового выпрямителя BR2 подсоединен к земле схемы, которая также соединена с той же самой землей, как и блок силового переключателя. Положительный выходной вывод двухполупериодного мостового выпрямителя BR2 подсоединен к стабилизатору LDO1 с малым падением напряжения и конденсатору C1. Конденсатор C1 предназначен для сглаживания выпрямленного сигнала источника питания переменного тока, подаваемого на вход стабилизатора LDO1 с малым падением напряжения. На выходе стабилизатора LDO1 с малым падением напряжения можно использовать шунтирующий конденсатор C7 для уменьшения помех в положительной цепи питания постоянного тока (VCC). Кроме этого, на выходе стабилизатора LDO1 с малым падением напряжения можно использовать больший конденсатор C10 для сглаживания положительного напряжения в цепи питания постоянного тока и обеспечения питания во время ситуаций, связанных с некоторым уменьшением напряжения. Конденсаторы C7 и C10 не являются обязательными, но выполнены для повышения надежности и защиты для низковольтных компонентов, работающих на постоянном токе, особенно в помеховой обстановке.

ЛОГИЧЕСКОЕ УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Логическое управляющее устройство управляет переключением для схемы силового(ых) переключателя(ей), основываясь на временной синхронизации частоты на входе линии питания переменного тока и положении ротора. Временная синхронизация частоты на входе сети питания переменного тока воспринимается с использованием буфера переменного тока, который состоит из состоит из биполярных планарных транзисторов (BJT) Q2 и Q3 и диодов D6 и D7. Ток на входе буфера переменного тока ограничивается высокоомным резистором R3. Диод D6 обеспечивает, чтобы напряжение на входе буфера переменного тока не было больше положительного напряжения питания постоянного тока. Диод D7 обеспечивает напряжение на входе буфера переменного тока больше, чем -0,7 Вольт относительно земли питания постоянного тока.

Когда напряжение на входе буфера постоянного тока имеет высокий логический уровень, BJT Q2 смещается, и выходное напряжение на буфере переменного тока имеет также высокий логический уровень. Когда напряжение на входе буфера переменного тока имеет низкий логический уровень, BJT Q3 смещается, и выходное напряжение на буфере переменного тока имеет низкий логический уровень. Выход буфера переменного тока подсоединен к фильтру, состоящему из конденсатора C6 и резистора R13. Фильтр не является обязательным, но обеспечивает защиту и надежную работу в помеховой обстановке.

Полярность магнитов ротора воспринимается с использованием переключателя IC1 на эффекте Холла. Хотя можно использовать и другой переключатель или датчик для восприятия полярности магнитов ротора, и/или положения ротора, и/или для определения скорости вращения и/или для определения числа оборотов ротора переключатель IC1 на эффекте Холла имеет выход с открытым коллектором и поэтому требует повышения напряжения до положительного напряжения цепи постоянного тока (VCC). Резистор R2 обеспечивает повышение напряжения, которое требуется для выхода с открытым коллектором.

Выходной сигнал переключателя IC1 на эффекте Холла и выходной сигнал на буфере переменного тока сравнивается с использованием одной логической схемы XOR IC2. Выходной сигнал XOR IC2 представляет собой разность между переключателем IC1 на эффекте Холла и буфером переменного тока, которая будет смещать MOSFET-силовой переключатель Q1 схемы силового(ых) переключателя(ей). Когда выходной сигнал на переключателе IC1 на эффекте Холла имеет низкий логический уровень, силовой переключатель Q1 будет смещаться только тогда, когда сетевое напряжение переменного тока на входе L1 двигателя будет отрицательным. Когда выходной сигнал переключателя IC1 на эффекте Холла имеет высокий логический уровень, силовой переключатель Q1 будет смещаться только тогда, когда сетевое напряжение переменного тока на входе L1 двигателя будет положительным. Во время запуска двигателя может быть много периодов входного переменного тока, когда только положительные или только отрицательные входные напряжения с входа L1 питания от сети переменного тока будут проходить через силовой переключатель Q1.

При использовании силового переключателя Q1 сигналы могут "срезаться" или отсекаться в любой момент времени, когда напряжение на стоке и на затворе силового переключателя Q1 будет выше напряжения смещения. Например, смотри фиг. 7. Напряжение на затворе силового переключателя Q1 поддерживается на низком логическом уровне, когда выходное напряжение на IC2 XOR имеет высокий логический уровень за счет смещения BJT Q4. Когда BJT Q4 смещен, любой ток, вытекающий из резистора R1, будет шунтировать затвор силового переключателя Q1 и протекать через BJT Q4 от коллектора к эмиттеру, электрически соединяя затвор силового переключателя Q1 со своим истоком, и будет сразу же выключать силовой переключатель Q1.

Когда частота переключателя IC1 на эффекте Холла совпадает с частотой сети переменного тока на входе, двигатель работает синхронно. Если двигатель работает синхронно, схема управления не нужна до тех пор, пока двигатель не выйдет из синхронизации или двигатель не остановится и не перезапустится. Когда частота в стабилизаторе IC3 напряжения воспринимается равной синхронной скорости вращения или выше относительно переключателя IC1 на эффекте Холла, выходное напряжение на IC2 XOR поддерживается на низком логическом уровне через выход с открытым коллектором стабилизатора IC3 напряжения. Если скорость вращения датчика меньше, чем частота сети переменного тока на входе, выход с открытым коллектором стабилизатора IC3 напряжения выключается, что сохраняет выходное напряжение на IC2 XOR неизменным.

Это способ гарантирует, что когда двигатель работает с синхронной скоростью вращения, логическое управление не выключает силовой переключатель Q1. Но в случае, если скорость вращения двигателя становится ниже синхронных скоростей, то логический контроллер будет управлять временной синхронизацией двигателя так, как это он делает во время для запуска. Использование данного способа повышает общий КПД двигателя и предполагаемый срок службы компонентов в схеме.

Внешние компоненты требуются для установки временной синхронизации для стабилизатора IC3 напряжения. Резисторы R4, R5, R6 и R7 могут иметь допуск 1%, поэтому стабилизатор IC3 напряжения работает в пределах точных параметров. Конденсатор C1 работает совместно с резисторами R6 и R7 для установки частоты, при которой будет включаться выход с открытым коллектором стабилизатора IC3 напряжения. Конденсатор C3 используется для внутренней подзарядки в стабилизаторе IC3 напряжения. Конденсатор C4 используется для связи по переменному току входа со стабилизатором IC3 напряжения, поскольку стабилизатор IC3 напряжения будет обнаруживать только частоты, которые имеют прохождение напряжения через ноль. Резистор R8 ограничивает ток связи по переменному току C4 на входе стабилизатора IC3 напряжения.

На фиг. 14 показана схема разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями.

На фиг. 15 показана схема разделенных фазных обмоток с одним силовым переключателем.

На фиг. 16 показана схема разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями, соединенными последовательно. Диоды Dl и D2 представляют собой диоды 1N4003, и диоды D3 и D4 - диоды 1N914. Транзисторы Q3 и Q4 представляют собой транзистор 2N3904. IC1 представляет собой переключатель/датчик IC1 на эффекте Холла. Диоды D5 и D6 используются для увеличения допустимой токовой нагрузки для внутренних диодов в переключателях Q1 и Q2 (d1 и d2), если фазовый ток превышает скорость нарастания тока во внутренних диодах. Конденсаторы C2 и C3 являются опциональными в одном варианте осуществления. Конденсаторы C2 и C3 используются для создания задержки при "включении" переключателей Q1 и Q2 для увеличения в случае необходимости дополнительного времени зарядки конденсатора C1, чтобы гарантировать устойчивое напряжение питания постоянного тока 3,3 В или 5 В для переключателя/датчика IC1 на эффекте Холла в зависимости от выбора устройства для переключателя/датчика IC1 на эффекте Холла. В системах уровня техники постоянное напряжение 5 В было необходимо для включения MOSFET-силового переключателя по логическому уровню напряжения.

Диоды Dl, D2, d1 и d2 выполняют выпрямление переменного тока для источника питания постоянного тока для переключателя/датчика IC1 на эффекте Холла.

Стабилитрон ZD1 обеспечивает стабилизатор напряжения для питания постоянным током переключателя/датчика IC1 на эффекте Холла.

RL обеспечивает ток, ограничивающий источник питания постоянного тока. Его следует устанавливать для ограничения тока до приблизительно 10 мА. переключатель/датчик IC1 на эффекте Холла потребляет ток 6 мА, в том числе ток возбуждения базы для внутреннего транзистора с выходом с выходом с открытым коллектором. Дополнительный постоянный ток будет использоваться для переключателя Q3 и подаваться через "повышающий" резистор R3. Ток коллектор-эмиттер для переключателя Q3 и ток база- и коллектор-эмиттер для переключателя Q4 не подаются источником питания постоянного тока, но подаются с помощью тока, протекающего через фазные обмотки двигателя. Предпочтительно, обеспечить, чтобы транзисторы Q3 и Q4 полностью "выключались" в правильные моменты времени. В одном варианте осуществления предпочтительно, но не обязательно, чтобы переключатели полностью "включались" или входили в насыщение в правильные моменты времени для максимальной эффективности работы.

На фиг. 17 показана схема разделенных фазных обмоток с отводами от катушки разделенной фазной обмотки для источника питания постоянного тока (DC) и двумя силовыми переключателями, соединенными последовательно.

На фиг. 18 показана схема разделенных фазных обмоток с двумя силовыми переключателями, соединенными параллельно.

На фиг. 19 показана схема разделенных фазных обмоток с отводами от катушки разделенной фазной обмотки на источник питания постоянного тока (DC) и два силовых переключателя, соединенных параллельно.

На фиг. 20 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку переменного тока и вторичную обмотку для создания бесперебойного источника питания постоянного тока. В двигателе на фиг. 20, вторичная обмотка намотана на всех полюсах. Однако вторичную обмотку можно намотать только на одном полюсе, на двух полюсах, на трех полюсах или на другом числе полюсов. Вторичная обмотка соединена последовательно с первичной фазной обмоткой в двигателе на фиг. 20. Однако вторичная обмотка может быть также соединена параллельно или путем комбинации последовательных и параллельных соединений. Двигатель, показанный на фиг. 20, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость вращения для двигателя при работе на переменном токе с частотой 60 Гц составляет 1800 об/мин.

На фиг. 21 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток, имеющей первичную фазную обмотку переменного тока и вторичную обмотку для создания бесперебойного источника питания постоянного тока, намотанного только на одном полюсе. Двигатель, показанный на фиг. 21, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость вращения для двигателя при работе на переменном токе с частотой 60 Гц составляет 1800 об/мин.

На фиг. 22 показан двигатель со схемой разделенных фазных обмоток с первичной фазной обмоткой с отводами для создания бесперебойного источника питания постоянного тока. Двигатель, показанный на фиг. 22, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость вращения для двигателя при работе на переменном токе с частотой 60 Гц составляет 1800 об/мин.

Двигатель имеет статор 2204 с 4-мя полюсами 2206-2212 и ротор 2214 с 4-мя магнитами N, S, N, S 2216-2222 напротив статора. Двигатель 2202 имеет вал (центральный круг) 2224 и ярмо ротора (зона между валом и магнитами) 2226. Первичные разделенные фазные обмотки 2228, 2230 подсоединены к источнику питания переменного тока в точках L1 и L2, соответственно. Вторичная обмотка 2232, 2234 подсоединена к источнику питания постоянного тока.

На фиг. 23 показан двигатель со схемой 2302 разделенных фазных обмоток с резисторами 2304, 2306 между разделенными фазными обмотками 2308, 2310 и схемой 2312 силового(ых) переключателя(ей) для создания бесперебойного источника питания постоянного тока. Двигатель на фиг. 23 представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость вращения для двигателя при работе на переменном токе с частотой 60 Гц составляет 1800 об/мин.

На фиг. 24 показан двигатель со схемой 2402 разделенных фазных обмоток со стабилитронами 2404, 2406 между разделенными фазными обмотками 2408, 2410 и схемой 2412 силового(ых) переключателя(ей) для создания бесперебойного источника питания постоянного тока. Двигатель, показанный на фиг. 24, представляет собой четырехполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Синхронная скорость вращения двигателя при работе на переменном токе с частотой 60 Гц составляет 1800 об/мин.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение предусматривает отклонения от конкретных вариантов осуществления, описанных выше. Настоящее изобретение не должно быть ограничено вышеописанными вариантами осуществления, а должно быть ограничено только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к контроллерам синхронных двигателей с разделенными фазами и датчиками положения ротора, содержащим, по меньшей мере, один силовой переключатель с устройством управления и источник питания постоянного тока в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя, снабженный компонентой бесперебойного питания источника. Компонента бесперебойного источника питания постоянного тока содержит, по меньшей мере, один отвод от разделенных фазных обмоток двигателя и предотвращает срыв работы источника питания, когда, по меньшей мере, один силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии. Технический результат состоит в повышении к.п.д. и технологичности. 4 н. и 49 з.п. ф-лы, 24 ил.

1. Схема для двигателя, содержащая:

разделенные фазные обмотки двигателя, разделенные по меньшей мере приблизительно пополам;

источник питания постоянного тока (DC) по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии переменного тока (AC), передаваемой из разделенной фазной обмотки двигателя, и преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока;

схему силового переключателя, содержащую по меньшей мере один силовой переключатель за пределами источника питания постоянного тока по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии переменного тока с разделенных фазных обмоток двигателя; и

компонент бесперебойного источника питания постоянного тока, соединенный с источником питания постоянного тока для предотвращения срыва работы источника питания постоянного тока, когда по меньшей мере один силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии.

2. Схема по п. 1, в которой компонент бесперебойного источника питания постоянного тока содержит по меньшей мере один элемент из группы, состоящей из одного или более резисторов между разделенными фазными обмотками и схемой силового переключателя и одного или более стабилитронов между разделенными фазными обмотками и схемой силового переключателя.

3. Схема по п. 1, в которой компонент бесперебойного источника питания постоянного тока содержит отвод от разделенных фазных обмоток двигателя, электрически соединенных с источником питания постоянного тока для подачи энергии переменного тока в источник питания постоянного тока и шунтирования схемы силового переключателя.

4. Схема по п. 1, в которой компонент бесперебойного источника питания постоянного тока содержит вторичную фазную катушечную обмотку, намотанную относительно разделенных фазных обмоток двигателя и электрически соединенную с источником питания постоянного тока для подачи энергии переменного тока в источник питания постоянного тока и шунтирования схемы силового переключателя.

5. Схема по п. 4, в которой разделенные фазные обмотки двигателя содержат первую разделенную фазную обмотку двигателя и вторую разделенную фазную обмотку двигателя, и вторичная фазная катушечная обмотка распределена равномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками двигателя или неравномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками двигателя.

6. Схема по п. 4, в которой разделенные фазные обмотки двигателя содержат первую разделенную фазную обмотку двигателя и вторую разделенную фазную обмотку двигателя, и вторичная фазная катушечная обмотка распределена полностью на одном полюсе или на более чем одном полюсе статора двигателя.

7. Схема по п. 1, в которой компонент бесперебойного источника питания постоянного тока содержит электрический компонент для создания падения напряжения между разделенными фазными обмотками двигателя и схемой силового переключателя для предотвращения срыва работы источника питания постоянного тока, когда по меньшей мере один силовой переключатель в схеме силового переключателя включен и находится в проводящем состоянии.

8. Схема по п. 1, в которой схема силового переключателя содержит по меньшей мере один стабилитрон, соединенный параллельно по меньшей мере одному силовому переключателю, причем ток протекает через по меньшей мере один стабилитрон при включении и выключении по меньшей мере одного силового переключателя.

9. Схема по п. 1, в которой схема силового переключателя содержит стабилизатор напряжения, соединенный параллельно по меньшей мере одному силовому переключателю, причем ток протекает через стабилизатор напряжения при включении и выключении по меньшей мере одного силового переключателя.

10. Схема по п. 1, в которой схема силового переключателя содержит двухполупериодный мостовой выпрямитель, функционально соединенный с по меньшей мере одним силовым переключателем для предотвращения подачи отрицательного напряжения на сток по меньшей мере одного силового переключателя и для предотвращения подачи положительного напряжения на исток по меньшей мере одного силового переключателя, чтобы ток протекал только от стока к истоку по меньшей мере одного силового переключателя, когда по меньшей мере один силовой переключатель смещен посредством положительного напряжения на затворе по меньшей мере одного силового переключателя.

11. Схема по п. 1, в которой разделенные фазные обмотки двигателя разделены пополам и схема силового переключателя и компонент бесперебойного источника питания постоянного тока расположены по меньшей мере приблизительно в средней точке между разделенными фазными обмотками двигателя.

12. Схема по п. 11, в которой источник питания постоянного тока расположен по меньшей мере приблизительно в средней точке между разделенными фазными обмотками двигателя.

13. Схема по п. 1, в которой источник питания постоянного тока подключен на стороне начала одной из фазных обмоток двигателя и на стороне конца других фазных обмоток двигателя.

14. Схема по п. 1, дополнительно содержащая схему управления для управления схемой силового переключателя.

15. Схема по п. 14, в которой схема управления содержит схему выключения логического управления для выключения схемы управления, когда двигатель работает с синхронной скоростью вращения.

16. Схема по п. 14, в которой источник питания постоянного тока функционально соединен с разделенными фазными обмотками двигателя, схема управления двигателем функционально соединена с источником питания постоянного тока и схема силового переключателя функционально соединена с контроллером двигателя.

17. Схема по п. 1, в которой двигатель содержит ротор и статор, фазные обмотки двигателя принимают сетевое напряжение переменного тока и схема содержит схему управления для выключения схемы силового переключателя, когда ротор имеет установленные положение ротора, полярность магнита ротора или скорость вращения по отношению к сетевому напряжению переменного тока.

18. Схема по п. 17, дополнительно содержащая буфер переменного тока для восприятия частоты сетевого напряжения переменного тока, датчик для восприятия положения ротора и логическую схему для сравнения выходного сигнала буфера переменного тока с выходным сигналом датчика и управления схемой силового переключателя на основании сравниваемых выходных сигналов.

19. Схема по п. 18, в которой логическая схема смещает по меньшей мере один силовой переключатель, когда сравниваемые выходные сигналы имеют одинаковый логический уровень.

20. Схема по п. 1, в которой по меньшей мере один силовой переключатель содержит первый силовой переключатель и второй силовой переключатель, причем первый силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии, тогда как второй силовой переключатель выключен и находится в непроводящем состоянии в одном полупериоде переменного тока, и второй силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии, тогда как первый переключатель выключен и находится в непроводящем состоянии в другом полупериоде переменного тока.

21. Схема по п. 1, в которой по меньшей мере один силовой переключатель содержит по меньшей мере одно из одного силового переключателя, двух силовых переключателей, соединенных последовательно, и двух силовых переключателей, соединенных параллельно.

22. Схема по п. 1, в которой по меньшей мере один силовой переключатель содержит по меньшей мере одно из одного или более полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), одного или более тринисторов (SCR) и одного или более транзисторов.

23. Схема по п. 1, дополнительно содержащая двигатель, причем двигатель выбран из по меньшей мере одного из бесколлекторного двигателя постоянного тока, двигателя с электронной коммутацией, двигателя с экранированным полюсом и двигателя с постоянно включенным конденсатором.

24. Схема по п. 1, дополнительно содержащая двигатель, в которой двигатель может работать с синхронной скоростью вращения, ниже синхронной скорости вращения и выше синхронной скорости вращения.

25. Схема по п. 1, в которой разделенные фазные обмотки двигателя подключены к сетевому напряжению переменного тока.

26. Система для двигателя, содержащая:

фазные обмотки двигателя, разделенные по меньшей мере приблизительно пополам, причем фазные обмотки двигателя принимают энергию переменного тока (AC);

источник питания постоянного тока (DC), подключенный по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии переменного тока, передаваемой из разделенных фазных обмоток двигателя и для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока;

схему силового переключателя, содержащую по меньшей мере один силовой переключатель за пределами источника питания постоянного тока по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя;

контроллер двигателя по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии постоянного тока от источника питания постоянного тока и управления схемой силового переключателя; и

компонент бесперебойного источника питания постоянного тока, соединенный параллельно с источником питания постоянного тока для предотвращения срыва работы источника питания постоянного тока, когда по меньшей мере один силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии.

27. Схема по п. 26, в которой источник питания постоянного тока функционально соединен с разделенными фазными обмотками двигателя, контроллер двигателя функционально соединен с источником питания постоянного тока и схема силового переключателя функционально соединена с контроллером двигателя.

28. Способ для схемы двигателя, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают разделенные фазные обмотки двигателя, разделенные по меньшей мере приблизительно пополам;

обеспечивают источник питания постоянного тока (DC) по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии переменного тока (AC), передаваемой из разделенных фазных обмоток двигателя, и преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока;

обеспечивают схему силового переключателя, содержащую по меньшей мере один силовой переключатель за пределами источника питания постоянного тока по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии переменного тока с разделенных фазных обмоток двигателя; и

обеспечивают компонент бесперебойного источника питания постоянного тока, соединенный с источником питания постоянного тока для предотвращения срыва работы источника питания постоянного тока, когда по меньшей мере один силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии.

29. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для компонента бесперебойного источника питания постоянного тока, по меньшей мере одного элемента из группы, состоящей из одного или более резисторов между разделенными фазными обмотками и схемой силового переключателя и одного или более стабилитронов между разделенными фазными обмотками и схемой силового переключателя.

30. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для компонента бесперебойного источника питания постоянного тока, отвода от разделенных фазных обмоток двигателя, электрически соединенных с источником питания постоянного тока, для подачи энергии переменного тока в источник питания постоянного тока и шунтирования схемы силового переключателя.

31. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для компонента бесперебойного источника питания постоянного тока, вторичной фазной катушечной обмотки, намотанной относительно разделенных фазных обмоток двигателя и электрически соединенной с источником питания постоянного тока для подачи энергии переменного тока в источник питания постоянного тока и шунтирования схемы силового переключателя.

32. Способ по п. 31, дополнительно содержащий обеспечение, для разделенных фазных обмоток двигателя, первой разделенной фазной обмотки двигателя и второй разделенной фазной обмотки двигателя, причем вторичная фазная катушечная обмотка распределена равномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками двигателя или неравномерно между первой и второй разделенными фазными обмотками двигателя.

33. Способ по п. 31, дополнительно содержащий обеспечение, для разделенных фазных обмоток двигателя, первой разделенной фазной обмотки двигателя и второй разделенной фазной обмотки двигателя, причем вторичная фазная катушечная обмотка полностью распределена на одном полюсе или на более чем одном полюсе статора двигателя.

34. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для компонента бесперебойного источника питания постоянного тока, электрического компонента для создания падения напряжения между разделенными фазными обмотками двигателя и схемой силового переключателя для предотвращения срыва работы источника питания постоянного тока, когда по меньшей мере один силовой переключатель в схеме силового переключателя включен и находится в проводящем состоянии.

35. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для схемы силового переключателя, по меньшей мере одного стабилитрона, соединенного параллельно по меньшей мере одному силовому переключателю, причем ток протекает через по меньшей мере один стабилитрон при включении и выключении по меньшей мере одного силового переключателя.

36. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для схемы силового переключателя, стабилизатора напряжения, соединенного параллельно по меньшей мере одному силовому переключателю, причем ток протекает через стабилизатор напряжения при включении и выключении по меньшей мере одного силового переключателя.

37. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для схемы силового переключателя, двухполупериодного мостового выпрямителя, функционально соединенного с по меньшей мере одним силовым переключателем для предотвращения подачи отрицательного напряжения на сток по меньшей мере одного силового переключателя и для предотвращения подачи положительного напряжения на исток по меньшей мере одного силового переключателя так, что ток течет только от стока к истоку по меньшей мере одного силового переключателя при смещении по меньшей мере одного силового переключателя за счет положительного напряжения на затворе по меньшей мере одного силового переключателя.

38. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение разделенных фазных обмоток двигателя, разделенных пополам, при этом схема силового переключателя и компонент бесперебойного источника питания постоянного тока расположены по меньшей мере приблизительно в средней точке между разделенными фазными обмотками двигателя.

39. Способ по п. 38, дополнительно содержащий размещение источника питания постоянного тока по меньшей мере приблизительно в средней точке между разделенными фазными обмотками двигателя.

40. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение источника питания постоянного тока, подключенного на стороне начала одной из фазных обмоток двигателя и на стороне конца другой из фазных обмоток двигателя.

41. Способ по п. 28, дополнительно обеспечивающий схему управления для управления схемой силового переключателя.

42. Способ по п. 41, дополнительно содержащий обеспечение, для схемы управления, схемы выключения логического управления для выключения схемы управления, когда двигатель вращается с синхронной скоростью вращения.

43. Способ по п. 41, в котором источник питания постоянного тока функционально соединен с разделенными фазными обмотками двигателя, схема управления двигателем функционально соединена с источником питания постоянного тока и схема силового переключателя функционально соединена с контроллером двигателя.

44. Способ по п. 28, в котором двигатель содержит ротор и статор и фазные обмотки двигателя принимают сетевое напряжение переменного тока, причем способ дополнительно содержит обеспечение, для схемы, схемы управления для выключения схемы силового переключателя, когда ротор имеет установленные положение ротора, полярность магнитов ротора или скорость вращения по отношению к сетевому напряжению переменного тока.

45. Способ по п. 44, дополнительно содержащий обеспечение буфера переменного тока для восприятия частоты сетевого напряжения переменного тока, датчика для восприятия положения ротора и логической схемы для сравнения выходного сигнала буфера переменного тока с измеренным выходным сигналом устройства и управление схемой силового переключателя на основании сравниваемых выходных сигналов.

46. Способ по п. 45, в котором логическая схема выполняет смещение по меньшей мере одного силового переключателя, когда сравниваемые выходные сигналы имеют одинаковый логический уровень.

47. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для по меньшей мере одного силового переключателя, первого силового переключателя и второго силового переключателя, причем первый силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии тогда, когда второй переключатель выключен и находится в непроводящем состоянии в одном полупериоде переменного тока, и второй силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии тогда, когда первый переключатель выключен и находится в непроводящем состоянии в другом полупериоде переменного тока.

48. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для по меньшей мере одного силового переключателя, по меньшей мере одного из одного силового переключателя, двух силовых переключателей, соединенных последовательно, и двух силовых переключателей, соединенных параллельно.

49. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение, для по меньшей мере одного силового переключателя, по меньшей мере одного из одного или более полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), одного или более тринисторов (SCR) и одного или более транзисторов.

50. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение двигателя, причем двигатель выбирается из по меньшей мере одного из бесколлекторного двигателя постоянного тока, двигателя с электронной коммутацией, двигателя с экранированным полюсом и двигателя с постоянно включенным конденсатором.

51. Способ по п. 28, дополнительно содержащий обеспечение двигателя, в котором двигатель может работать при синхронной скорости вращения, ниже синхронной скорости вращения и выше синхронной скорости вращения.

52. Способ по п. 28, в котором разделенные фазные обмотки двигателя подключены к сетевому напряжению переменного тока.

53. Способ для схемы двигателя, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают фазные обмотки двигателя, разделенные по меньшей мере приблизительно пополам, причем фазные обмотки двигателя принимают энергию переменного тока (AC);

обеспечивают источник питания постоянного тока (DC), подключенный по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии переменного тока, передаваемой из разделенных фазных обмоток двигателя, и для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока;

обеспечивают схему силового переключателя, содержащую по меньшей мере один силовой переключатель за пределами источника питания постоянного тока по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя;

обеспечивают контроллер двигателя по меньшей мере приблизительно в средней точке разделенных фазных обмоток двигателя для приема энергии постоянного тока от источника питания постоянного тока и управления схемой силового переключателя; и

обеспечивают компонент бесперебойного источника питания постоянного тока, соединенный параллельно с источником питания постоянного тока для предотвращения срыва работы источника питания постоянного тока, когда по меньшей мере один силовой переключатель включен и находится в проводящем состоянии.