CN101356716A

CN101356716A - 恒定功率无刷dc电动机和发电机

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Publication number: CN101356716A
Application number: CNA2006800509320A
Authority: CN
Inventors: 李玉宰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: US20100052451A1; CN101356716B; KR100815429B1; WO2007069859A1; US7884580B2; KR20070063055A

Abstract

本发明涉及一种恒定功率无刷DC电动机和使用该电动机的发电机，并且具体涉及一种恒定功率无刷DC电动机以及使用该电动机的发电机，其能够在负载波动时稳定地发电。由于定子按照相和极并联缠绕，因此电动机实现了能够以低电压产生高功率，并且由于定子绕组不进行互连，因此实现了自动化生产，从而降低了成本并且能够大规模生产。相应地，使用上述电动机构成的发电机提供高效率功率。

Description

恒定功率无刷DC电动机和发电机

技术领域

本发明涉及恒定功率无刷DC电动机和使用该电动机的发电机，并且具体涉及恒定功率无刷DC电动机和使用该电动机的发电机，其能够在负载波动时稳定地发电。

背景技术

作为利用外部电力产生旋转动力的机器，通常的电动机选择性地并且相应地包括场磁体和电枢中的任意一种，以便在定子和转子之间产生旋转磁场或者感应电。这种电动机普遍并且广泛地应用在需要动力的整个工业中。

按照电功率的种类，电动机分成DC电动机和AC电动机。DC电动机包括他励电动机、并励电动机、复励电动机、以及串励电动机。AC电动机包括感应电动机、同步电动机、以及换向电动机。

在DC电动机中，无刷DC(BLDC)电动机具有包括降低噪声和延长寿命在内的优点，这是因为它与常规有刷DC电动机不同，它不具有机械触点。因此，BLDC电动机广泛地用作工业机器、家电产品、运输机器等的电动机。

在BLDC电动机中，将孔传感器用作转子的位置传感器，以便控制施加到定子绕组的电流相对于转子的极的相位，其中该转子是永磁体。

发明内容

技术问题

在常规电动机中，在DC电动机中，电刷和换向器会被腐蚀。在电力电动机中，6000rmp或者更高的高速旋转是不可能的，它的结构复杂，并且价格昂贵。

此外，在AC逆变器电动机中，起动转矩非常低，控制器昂贵，并且不可能实现恒定功率。在成本、尺寸和重量上都较差的磁阻电动机中，控制器昂贵，并且不可能实现恒定功率。

技术方案

本发明提供了一种恒定功率无刷DC电动机和使用该电动机的发电机，其结构简单并且制造容易，从而降低了生产成本，并且其能够产生均匀的功率，从而在负载波动时仍能使功率稳定。

本发明还提供了一种恒定功率无刷DC电动机和使用该电动机的发电机，其通过使用产生均匀功率的恒定功率无刷DC电动机所构成的发电机来提供更稳定的功率。

根据本发明的一个方面，提供了一种使用恒定功率无刷DC电动机的发电机，该电动机包括：定子，其按照相和极被单独并联缠绕并且被配置成n相，其中每个绕组线圈连接到n个全H桥的每个桥上，而不互连，并且所述n个全H桥并联连接到直流电源；转子，其被构成为允许磁通集中在励磁区中；换向编码器，其包括感应区和非感应区，其中所述换向编码器外置在轴的一端上；以及多个光传感器，其中在每一相上设置两个光传感器，并且所述两个光传感器连接到每相的半H桥，用于导通/关断每个半H桥。所述转子是通过层叠具有多个空间(vacant space)的片构成的，其中多个条形永磁体穿过所述层叠的片；所述换向编码器被构成为形成感应区的间隔以使得a个光传感器能够感应，从而根据所述感应区的间隔来使得n相中的a(即，1＜a≤n-1)相被励磁，其中所述感应区的轴角(shaft angle)由公式1确定，所述换向编码器中的感应区的数量由转子极数的1/2确定，并且所述传感器盘上的各个光传感器的位置间隔由公式2确定，使得n相中的a相一直被励磁，并且b(即，b＝n-a)相一直不被励磁；并且所述定子还包括位于缠绕了所述绕组的绕组孔之间的干扰防护槽，其中感应绕组和发电绕组以各种比率(rate)控制的绕组间隔通过所述绕组孔而缠绕，缠绕在定子周围的感应绕组和发电绕组两者被用作发电绕组，布置导电线，并且将动力源设置在位于转子中心的轴上来旋转所述转子，从而将由转子的旋转所产生的感应电流引导到连接到所述发电绕组的导电线上。

公式1

公式2

有益效果

在本发明的上述恒定功率无刷DC电动机中，由于定子按照相和极并联缠绕，因此电动机实现了能够以低电压产生高功率。由于定子绕组不进行互连，因此实现了自动化生产，从而降低了成本并且能够大规模生产。由于磁通集中在转子的区域上，使得转子的无源磁通对应于定子的有源磁通，因此永磁体的转子实现了高功率电动机。由于转子的极数、尺寸和形状没有限制，因此可以自由设计长的电动机或者薄烤饼型电动机，以便用于各种用途。

同时，使用完全正弦波或者完全方波的常规电动机在极改变区中产生制动转矩、反电动势(EMF)、电抗(感抗和容抗)、以及谐波。由于这些导致电动机中的铁耗和铜耗，影响控制器，并且在电动机中产生热量，因此需要冷却系统，并且电动机的效率恶化。然而，在本发明的电动机中，由于在位于极改变区中的相中没有输入电流，因此解决了常规电动机的所有问题，这样不需要冷却系统，并且电动机的效率得到提高。

此外，由于定子和转子是通过层叠相同的硅钢片形成的，因此磁通密度或者磁导率在定子和转子之间相同。因此，电流和转矩的特性良好，并且电流和速度的关系特性同样良好，这使得在所有的速度范围内具有恒定功率特性以及相似的效率。

此外，由于在每相的绕组线圈中输入部分方波，因此总转矩是线性转矩图，即便每相实现了方波转矩图也是如此。因此，没有转矩纹波出现并且电动机平滑启动并且旋转。

因此，由于根据本发明的发电机使用上述恒定功率无刷DC电动机的永磁体，因此提供了高效率和稳定的电功率。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特点和优点将变得更加显而易见，在附图中：

图1是本发明的恒定功率无刷DC电动机的方框图；

图2的示意性透视图示出了恒定功率无刷DC电动机的实例；

图3是根据本发明的发电机中的转子和定子的平面图；

图4是根据本发明的发电机中的定子的平面图；

图5是根据本发明的发电机中的转子的平面图；

图6示出了恒定功率无刷DC电动机中的定子绕组的实例；

图7示出了恒定功率无刷DC电动机中的极性控制电路；

图8示出了当在恒定功率无刷DC电动机中三相被励磁时产生的动力转矩；

图9示出：在恒定功率无刷DC电动机中三相的间隔被提前换向；

图10示出：在恒定功率无刷DC电动机中五相的间隔被提前换向；

图11的曲线示出了恒定功率无刷DC电动机的恒定功率特性；

图12示出了使用恒定功率无刷DC电动机的电力发电机中的定子绕组的位置；

图13的方框图示出了使用恒定功率无刷DC电动机的天然发电机的实例；以及

图14的方框图示出了使用恒定功率无刷DC电动机的循环发电机的实例。

<附图的基本元件说明>

10：BLDC电动机 20：DC电源

30：电力开关 40：控制信号输入单元

50：速度控制器 60：PWM控制器

70：极性控制器 80：驱动单元

100：电动机主体 102：同一个轴

110：定子 111：绕组孔

112：干扰防护槽 120：转子

121：永磁体 122：空间

130：换向编码器 131：圆盘

132：感应区 133：感应盘

PA1～PE2：光传感器 140：控制编码器

200：发电机 200′：电力/发电机

200″：电力负载 200a：集电器

200b：变压器

200c：输电器/配电器

200d：高/低压负载

200e：电力存储系统 300：动力源

300′：电池 310：充放电控制器

400：AC负载 500：换向器/充电器

600：DC负载 700：开关单元

具体实施方式

现在，将在下文中参照附图对本发明进行更全面地描述，在附图中，示出了本发明的优选实施例。

如图1所示，DC电动机的整个系统包括BLDC电动机10、DC电源20和电力开关30、控制信号输入单元40、速度控制器50、脉宽调制(PWM)控制器60、极性控制器70、以及驱动单元80。

DC电源20对商用交流电流进行换向，以将其转换成所要使用的直流电流，或者它被实现为电池，从而提供直流电流V+以及V-给电力开关30。电力开关30根据驱动单元80的驱动信号导通/关断开关器件，从而将DC电源20的功率传送到无刷DC电动机10的定子感应绕组。

由于电力开关30用于将直流功率施加到定子绕组上，因此它可能随电动机的类型而变化，也就是说，随定子绕组的相数而变化。例如，在本发明的实施例中，示出并描述了具有五相的定子绕组。

此外，需要四个开关器件Q1、Q2、Q3和Q4来驱动一相。由于这些开关器件连接成“H”形，因此将它称作“H桥”。电力开关30包括多个H桥，并且开关器件可以是晶体管、IGBT、MOSFET、FET以及类似的器件。

输入单元40提供指令信号，以便通过操作者的操作来指示电动机的转速。PWM控制器60根据输入单元40的指令值和速度控制器50的控制信号来产生控制电动机转速的PWM信号。

基于闭环控制，速度控制器50从BLDC电动机10接收控制编码器信号，并将速度控制信号发送给PWM控制器60。极性控制器70从BLDC电动机10接收光传感器信号，并将该光传感器信号发送到驱动单元80。驱动单元80接收极性控制器70的光传感器信号和PWM控制器60的PWM信号，并提供驱动信号来控制电力开关30的开关器件。

根据本发明的BLDC电动机10可依据定子相数以及转子极数的应用需求而自由配置。然而，在本实施例中，例如，定子具有五相，转子具有六个极，也就是说，三个N极，三个S极。

本发明的BLDC电动机10具有多相：2、3、4、5、6、……、n相。将BLDC电动机10配置成具有2、3、4、5、……、a(1＜a≤n-1)个励磁相以及2、3、4、5、……、b(b＝n-a)个未励磁相，在励磁相和未励磁相之间交替，从而进行启动和旋转。

如图2到图5所示，BLDC电动机包括具有定子110和转子120的电动机主体100、连接到同一个轴102上的转子120的换向编码器130、以及控制编码器140。

在本发明的实施例中，换向编码器130和控制编码器140外置在转子的轴102的位于电动机主体后部上的支架外侧的一侧上，以至于换向编码器130和控制编码器140与转子120一起旋转。

此外，换向编码器130包括具有感应区和非感应区的圆盘131、以及具有光传感器PA1到PE2的传感器盘133。传感器盘133设置在支架的周围。

传感器盘133可调节地位于执行提前换向(advanced commutation)的位置上。

如图所示，控制编码器140包括形成在圆盘中的开口，使得光传感器发射脉冲通过这些开口。取决于电动机的速度控制或位置控制的特性，可以适当地确定开口的大小和所形成的这些开口的分隔角。

如图3和图4所示，BLDC电动机的定子110通过层叠大量的硅钢片而形成。绕组孔111形成在每个片中。如图6所示，定子绕组缠绕在定子孔中。

如图4和图6所示，对于具有5相、6个极的定子110的绕组，形成了三十个绕组孔111。五相A、B、C、D和E中的每一相被独立并联缠绕。在必要时，适当地交替缠绕感应绕组和发电绕组。

也就是说，感应绕组与发电绕组的比例是可以变化的，例如，1∶1、1∶2、2∶1等。

此外，通过切割每个绕组部分而在定子110中形成干扰防护槽112，以防止由绕组感应的磁场影响另一绕组，也就是说，防止绕组间相互干扰。

转子120是通过将多个条形永磁体121穿过片平面并且层叠多个薄片而构造的。

此外，在转子120中形成多个空间122。通过使用非磁彀的鸽尾形支架，将形成转子120的这些片相互连接，其中转子120是通过层叠大量薄片形成的。

如图7所示，换向编码器130包括具有感应区132和非感应区的圆盘131、以及其上附着了光传感器PA1到PE2的传感器盘133。

圆盘131的感应区132和非感应区根据定子的相数、转子的极数以及励磁相的数量来确定。在与转子的轴102一起旋转的同时，圆盘131导通感应区132中的光传感器使得对应的定子绕组被励磁，并且关断非感应区中的光传感器使得对应的定子绕组不被励磁。

具体而言，在本发明中，对感应区的大小进行适当控制，以便允许n相中仅有a相被励磁。

此外，在本发明中，每相都具有光传感器对PA1和PA2；PB1和PB2；……以及PE1和PE2，并且每相可操作地连接到换向编码器130上。

一对光传感器和一相中的另一对光传感器彼此按照转子的极之间的间隔角相互隔开。按照相之间的间隔角依次设置每相中的每对光传感器。

当相数是n时，n对光传感器(也就是说，2n个光传感器)感应转子的位置。将光传感器的感应信号传送到电力开关30，以指示流入定子绕组的电流方向和间隔，使得电动机启动并旋转。

如图7所示，本发明中的电力开关30包括五个全H桥，并且根据来自换向编码器130的光传感器的信号来导通/关断对应的开关元件Q1到Q20。

具体而言，在图7中，A相的H桥包括开关元件Q1和Q4以及开关元件Q2和Q3，开关元件Q1和Q4由来自光传感器PA1的信号导通/关断，而开关元件Q2和Q3由来自光传感器PA2的信号来导通/关断。A相的定子绕组连接在开关元件之间，如图所示。B相的H桥包括开关元件Q5和Q8以及开关元件Q6和Q7，开关元件Q5和Q8由来自光传感器PB1的信号来导通/关断，而开关元件Q6和Q7由来自光传感器PB2的信号来导通/关断。B相的定子绕组连接在开关元件之间，如图所示。同样连接C相到E相的H桥。

在换向编码器130的传感器盘133中，对应于A相的一对光传感器PA1和PA2以预定间隔设置，而对应于B相的一对光传感器PB1和PB2分别紧邻光传感器PA1和PA2设置。同样连接光传感器PC1、PD1、PE1、……、PC2、PD2和PE2。

光传感器对感应转子的极。当光传感器PA1感应转子的N极时，光传感器PA2必须被设置成感应转子的S极。类似地。将光传感器设置成防止一对光传感器同时导通。具体而言，本发明通过使得n相中的励磁相的数量为n-1或者更少并且对提前换向的光传感器的位置进行适当控制而改进了性能。

图7的实施例示出了：五相中的三相被励磁。在依次设置成感应N极的光传感器PA1到PE1中，光传感器PA1、PB1和PC1在感应区中导通，以便导通A相的H桥中的开关元件Q1和Q4、B相的H桥中的开关元件Q5和Q8、C相的H桥中的开关元件Q9和Q12，使得剩余的开关元件关断。

相应地，电流按照如图所示的箭头方向流入A相、B相和C相的定子绕组。

在根据本发明实现换向编码器130的过程中，将位于感应区132中的光传感器的数量确定为转子极数的一半(1/2)。在感应区的间隔中，也就是说，轴角由公式1确定。

公式1

相应地，由于在具有5相、6个极的电动机中仅有3相被励磁，因此感应区的轴角是36°。

在图7中，当一相被励磁时，连接到一相的半H桥的开关元件Q1和Q4的光传感器PA1以及连接到该相的其它H桥的开关元件Q2和Q3的光传感器PA2分别位于不同极的相同位置上。因此，当该电路通电时，该相的光传感器PA1位于感应区中，从而发射正脉冲，使得半H桥的开关元件Q1和Q4导通以使定子绕组通电。从而，由开关元件Q1和Q4形成环路的对应定子绕组被励磁。

在转子120旋转时，半H桥的开关元件Q1和Q4的导通间隔与换向编码器130的感应区的宽度相同。

也就是说，半H桥的开关元件Q1和Q4的励磁间隔是36°的轴角。在轴角是24°(60°减去36°)时，光传感器PA1和PA2位于非感应区中，使得一相的H桥的开关元件Q1、Q4、Q2和Q3全部关断。然后，与光传感器PA1类似，随着换向编码器130旋转，光传感器PA2导通开关元件Q2和Q3，使得该相单独通电，以启动和旋转转子120。

光传感器设置在图7的传感器盘133上的位置间隔(°)由公式2确定。

公式2

相应地，由于图7中的光传感器的数量是10，因此位置间隔是12°。每相的两个光传感器之间的间隔是360°/转子极数，而光传感器PA1和PA2之间的间隔是60°。

如图所示，在具有5相、6个极的电动机中，三相一直被励磁，而两相一直未被励磁。这里，每相的励磁间隔由公式3确定，而每相的非励磁间隔由公式4确定。

公式3

公式4

相应地，每相的励磁电角度是108°，而未励磁电角度是72°。

图8示出了在具有5相、6个极的电动机中的从每个光传感器发送的脉冲、输入电流的方向、以及转矩的间隔和轮廓。

根据换向编码器130的感应区132的间隔，线圈由一间隔与每个光传感器发送的脉冲的间隔相同的电流通电，从而产生转矩。输入部分为方波的电流，并且输出方波转矩的功率。

相应地，在具有5相、6个极的电动机中，三相一直被励磁，而两相一直未被励磁，并且总转矩是线性转矩图。

在具有多相和多极的电动机中，根据换向编码器中的感应区的间隔来确定将要被励磁的相数。

相应地，这样配置本发明的电动机，使得多相中的一相或多相不被励磁，这是因为需要提前换向来解决在极性改变区中出现的所有问题并使得高速旋转平滑执行。

在电动机将电能转换成动能时，包括以下时刻：使定子线圈通电励磁从而使得有源磁通能够产生磁动势的时刻、以及高速旋转的转子的无源磁通被操作的时刻。由于有源磁通在时间上延迟于无源磁通，因此需要提前换向来使得这些时刻相互一致。

图9示出了根据本发明另一实施例的具有8相、6个极的电动机，其中仅有五相被励磁，图10示出了具有8相、6个极的电动机，其中仅有三相被励磁。

与图10的电动机相比，图9的电动机以更高的速度旋转。这样，在构成超高速电动机时，极性控制器70将每个光传感器设置得提前，并且微处理器执行超前传感器的电子组合变化，从而根据速度来执行逐级提前换向。

图11示出了恒定功率无刷DC电动机中的转矩和速度的关系。

如图所示，本发明的DC电动机具有以下功率特性，即转矩与速度的关系不变。

此外，本发明的DC电动机具有顺时针(CW)旋转能力和逆时针(CCW)旋转能力，从而提供了双向操作。

也就是说，当极性控制器70对每相中的双光传感器执行电子组合变化时，电动机平滑地启动，并且从正方向旋转到反方向，或者从反方向旋转到正方向。当光传感器的电子组合变化在5/1000秒内频繁执行时，平滑地激活了双向操作。此外，本发明的电动机可以实现成直线形状。

如图12到图14所示，构成了使用上述电动机的发电机。

图12示出了使用根据本发明的恒定功率无刷DC电动机的发电机。将缠绕在定子周围的绕组用作发电线圈，在定子绕组中设置导电线，并且在感应线圈中设置电源单元，从而构成发电机。

在图13中，在本发明所应用的一个或多个恒定功率无刷DC电动机中，将缠绕在定子110周围的绕组用作发电线圈。导电线设置在发电线圈上，以连接负载400和600。动力源300设置在位于转子120的中心的轴102上。

当驱动位于转子的轴102上的动力源300以使得转子120旋转时，感应出磁力。利用所感应的磁力，在定子的发电线圈中感应出电流。将该电流通过导电线提供给负载或者集电器200a、换向器/充电器500、以及变压器200b。

可以将风力或者水力用作动力源，使用由风力或水力旋转的双向推进器等，从而构成天然发电机。

在图14中，一个或多个电源单元(即，电池300′)连接到电力发电机的感应线圈上，以便提供电功率，使得在感应线圈中产生循环磁场。利用该循环磁场，转子120旋转，并且在缠绕于定子110周围的发电线圈中，感应出由转子120的旋转所产生的感应电流，并将其引导到导电线上。

换向器或者放大器对被引导的电流进行换向或者放大，以便将其提供给期望负载。该电流中的一些被提供给电源单元，该电源单元是电源，也就是进行存储以使得感应线圈再次被励磁的电池300′，从而构成循环发电机。

在循环发电机中，不仅可使用交流负载400和直流负载600，而且还可使用电力负载200″。

尽管已经参照其示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，可以在不脱离由下列权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下进行各种形式和细节上的改变。

Claims

1、一种使用恒定功率无刷DC电动机的发电机，包括：

所述电动机，其包括：

定子，其按照相和极被单独并联缠绕并且被配置成n相，其中每个绕组线圈连接到n个全H桥的每个桥上，而不互连，并且所述n个全H桥并联连接到直流电源；

转子，其包括位于所述转子的中心的轴，其中所述转子被构成为允许磁通集中在励磁区中；

换向编码器，其包括感应区和非感应区，其中所述换向编码器外置在所述轴的一端上；以及

多个光传感器，其中在每一相上设置两个光传感器，并且所述两个光传感器连接到每相的半H桥，用于导通/关断每个半H桥，

其中，

所述转子是通过层叠具有多个空间的片构成的，其中多个条形永磁体穿过所述层叠的片；

所述换向编码器被构成为形成所述感应区的间隔以使得a个光传感器能够感应，从而根据所述感应区的所述间隔来使得n相中的a(即，1＜a≤n-1)相被励磁，其中所述感应区的轴角由公式1确定，所述换向编码器中的所述感应区的数量由所述转子的极数的一半(1/2)确定，并且传感器盘上的每个光传感器的位置间隔由公式2确定，使得所述n相中的所述a相一直被励磁而b(即，b＝n-a)相一直不被励磁；并且所述定子还包括位于缠绕了所述绕组的绕组孔之间的干扰防护槽，其中感应绕组和发电绕组以各种比率控制的绕组间隔通过所述绕组孔而交替缠绕，将导电线布置到缠绕在所述定子周围的绕组的所述发电绕组上，并且在为所述发电绕组布置的所述导电线中，感应出由所述感应绕组的电源所引起的所述转子的旋转所产生的所述定子的感应电流，

公式1

公式2

2、如权利要求1所述的发电机，其中布置所述导电线，使得缠绕在所述定子周围的所述感应绕组和所述发电绕组全部是发电绕组，并且将包括由风或水流旋转的双向推进器的动力源安装在位于所述转子的中心的轴上，以旋转所述转子，使得在连接到所述发电绕组的所述导电线中，感应出由所述转子的所述旋转所产生的感应电流。

3、如权利要求1所述的发电机，其中所述导电线位于缠绕在所述定子周围的绕组中的所述发电绕组上，并且一个或多个电源单元设置在所述感应绕组上，以便提供功率来产生循环磁场并使所述转子旋转，使得将由所述转子的旋转所产生的感应电流引导到缠绕于所述定子周围的所述发电绕组上，并且通过进一步包括用于将输出电换向成直流电流的换向器、一个或多个用于充电的充电器、用于控制所述充电器充放电的充放电控制器、以及用于控制所述充电器与所述电源单元的电路连接的开关单元，将由所述转子的旋转所产生的所述感应电流用于电力负载、AC负载和DC负载。