CN101436810B - 一种永磁交流电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁交流电动机，绕在定子上的电磁线圈分为绕线方向相反的正向线圈和反向线圈，这两组线圈同组同相串联连接；电动机内设有鉴相逻辑开关电路，电源的正半周电流输入正向线圈，负半周电流输入反向线圈，鉴相逻辑开关电路上设有用于检测永磁转子的转动位置的霍尔开关集成电路，利用N型半导体开关器件和P型半导体开关器件将交流电的正半周和负半周进行分割并控制，使其分别在正向线圈和反向线圈导流励磁形成旋转磁场，驱动永磁转子运转。它可减少电机铁损铜损，提高电能利用率，电机起动电流小，起动转矩大，体积小，结构简单，调速效率高，范围广，便于提高产品的性能，它同时具有了交流电动机和永磁直流无刷电动机的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流电动机，具体说是及一种永磁交流电动机。
背景技术
目前，在现有的工业制造领域中，电动机起到了相当重要的作用，它能有效的将电能迅速转化为工业生产所需的机械能，大大推动了工业技术的发展。然而，在能源日益短缺的当今社会环境下，电机却消耗了电网的过半电能，如日常生活中广泛应用的电风扇、风机等大部分时间均在效率较低的中速档及效率低的慢速档工作，而且不少机器、机械设备经常在空载或轻载的工作状态下运转，浪费了大量的电能，所以，电动机节能技术的应用正日益受到人们的重视，人们正想方设法的研究更为高效节能的电动机。
纵观现有技术的电动机，其按电源种类分为直流电动机和交流电动机。直流电动机大多均发展为永磁无刷结构，其虽有效率高、调速方便、起动转矩大的优点，但其只能在直流电路中工作；而交流电动机克服了直流电动机的不足之处，其结构简单，制造成本低，但是，交流电动机的起动与运转必须存在短路铜环以获得短路电流，使其产生转子磁场，然而这期间必然存在铜损和铁损，增大了电机电能损耗，并且这类电机在轻载、空载时，效率较低，调速难度大。
后来，为综合上述电机的优点，有人研制出永磁交流电动机。例如是中国专利ZL200510069824.5公开的永磁交流无刷电动机，它只是把在电机其它结构上作改进，使其成为永磁电动机，它只是简单的提及到采用电子换向来解决的问题----相位的换向问题，它却没有深入解释公开相位的换向问题，人们无从考究它是否真正意义上的永磁交流电动机；而且，该结构的永磁交流电动机的结构复杂，制造成本相对较高。本申请人认为有必要研制一种既具有交流电动机的优点，也具有永磁直流电动机优点、结构更为简单、电能利用效率更高的永磁交流电动机。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能有效减少铁损铜损、电能利用率高、起动电流小、启动转矩大、体积小、结构简单、便于调速的永磁交流电动机。
本发明的发明目的是这样实现的：一种永磁交流电动机，包括设置有若干磁极的定子及装有电机轴的永磁转子，定子的每一磁极上绕有电磁线圈，永磁转子在定子的磁场力作用下带动电机轴转动，其特征在于：所述绕在定子磁极上的电磁线圈为绕线方向相反的正向线圈和反向线圈，正向线圈或反向线圈同组同相串联连接；所述永磁交流电动机内设有与交流电源连接的鉴相逻辑开关电路，交流电源的电流正半周输电端与正向线圈的输入端电连接，交流电的电流负半周输电端与反向线圈的输入端电连接，鉴相逻辑开关电路上设有带磁场N极信号检测输出脚与磁场S极信号检测输出脚的霍尔开关集成电路，霍尔开关集成电路用于检测永磁转子的转动位置，霍尔开关集成电路的磁场N极信号检测输出脚与磁场S极信号检测输出脚中至少一只输出脚既与N型半导体开关器件的基极电连接，又与电压比较器的反相端连接，N型半导体开关器件的集电极与正向线圈的输出端连接，电压比较器的输出端与P型半导体开关器件的基极电连接，P型半导体开关器件的集电极与反向线圈的输出端电连接，N型半导体开关器件的发射极、P型半导体开关器件的发射极及电压比较器的同相端分别均分别与交流电源的负半周输电端电连接，使得电源的正半周输电端、正向线圈及N型半导体开关器件构成交流电的正半周输电通路，电源的负半周输电端、P型半导体开关器件及反向线圈构成交流电的负半周输电通路，期间，正半周输电通路和负半周输电通路上均设有导通方向与电流流向相同的二极管，以将正半周电流与负半周电流分开传输。
所述正半周输电通路上的二极管设于电源正半周输电端与正向线圈的输入端之间；负半周输电通路上的二极管设于反向线圈的输出端与电源负半周输电端之间。
所述正半周输电通路上的二极管设于N型半导体开关器件的集电极与电磁线圈的输出端之间；负半周输电通路上的二极管设于P型半导体开关器件的集电极与电磁线圈的输出端之间接。
所述N型半导体开关器件的基极与电压比较器的反相端共同联接并通过正反转开关与霍尔开关集成电路的磁场N极信号检测输出脚或与磁场S极信号检测输出脚连接。
所述正向线圈和反向线圈为规格相同的电磁线圈。
本发明是一种新型的、真正意义上的永磁交流电动机，它具有以下优点：
本发明将定子的电磁线圈绕制成方向相反的正向线圈和反向线圈，并且，通过霍尔开关集成电路检测转子的位置，相应地利用N型半导体开关器件和P型半导体开关器件将交流电的正半周和负半周进行分割并加以控制，使其分别在正向线圈和反向线圈导流励磁，其所产生的磁场在定子磁极上进行合成并与转子位置构成旋转磁场，驱动永磁转子的运转。它可根据永磁转子的位置灵活巧妙地控制定子磁场的换向，定子磁场直接、快速地驱动永磁转子，避免额外的磁场电路，减少铁损铜损，提高电能的利用率，而且，其起动电流小，起动转矩大，体积小，结构简单，也方便产品采用各种的调速手段，调速效率高，范围广，便于更进一步提高产品的性能。本永磁交流电动机同时具有了交流电动机和永磁直流无刷电动机的优点，制造成本低，便于产品生产推广。
附图说明
图1为本发明的结构原理剖面图(以实施例1的初始状态为例进行标记)。
图2为本发明的控制原理方框图。
图3为本发明实施例1的鉴相逻辑开关电路图。
图4为本发明实施例1的永磁转子、定子及霍尔开关集成电路的位置图。
图5为本发明实施例2的鉴相逻辑开关电路图。
图6为本发明实施例2中，永磁转子与定子的初始位置图。
图7为本发明实施例2中，永磁转子转过1/4周后，永磁转子与定子的位置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例为三相交流电动机的的实施例子。
根据图1至图4所示，本发明所述的永磁交流电动机，包括设置有若干磁 极的定子1及装有电机轴的永磁转子2，定子1、永磁转子2、电机轴、轴承、支架及外壳构成了永磁电机的主体。本实施例中永磁转子2为四极永久磁钢制成，定子1为六极结构，定子1主体由硅钢片叠加而成，硅钢片冲成带有磁槽的环形冲片，定子1的每一磁极的磁槽上绕有电磁线圈，永磁转子2在定子1的磁场力作用下带动电机轴转动。本发明所述绕在定子1磁极上的电磁线圈为绕线方向相反的正向线圈和反向线圈。在本实施例中，A1与B1、A2与B2、A3与B3为三组绕线方向相反的正向线圈和反向线圈，各自安装在定子的每个磁极上，正向线圈和反向线圈各自连接成星形结构，同组线圈同相串联，且各自的规格相同。
本永磁交流电动机内设有鉴相逻辑开关电路，鉴相逻辑开关电路与交流电源连接并由交流电源供电，其中，鉴相逻辑开关电路的前端设置由相应的供电适配电路。交流电源的电流正半周输电端与正向线圈A1、A2、A3连接的星形中心端连接，作为正半周电流的输入端；交流电源的电流负半周输电端与反向线圈B1、B2、B3连接，汇集到星形中心端输出，作为负半周电流的输入端。
鉴相逻辑开关电路上设有霍尔开关集成电路IC2、IC3、IC4，霍尔开关集成电路IC2、IC3、IC4上带磁场N极信号检测输出脚(以下简称为霍尔开关的2脚)与磁场S极信号检测输出脚(以下简称为霍尔开关的3脚)，本例中三组霍尔开关集成电路分别控制每组电磁线圈。霍尔开关集成电路IC2、IC3、IC4为安装永磁转子2的附近，用于检测永磁转子2的转动位置，它输入的是磁感应强度，输出的是电信号。在具体的工作过程中，将霍尔开关集成电路IC1的电源正极(标记为1脚)和电源负极(标记为4脚)按照使用说明接入电路以获得供电，当永磁转子2的N极靠近霍尔开关集成电路时，霍尔开关的2脚就会输出正电压；而当永磁转子2转动，N极离开、S极靠近霍尔开关集成电路时，霍尔开关的3脚就会输出正电压。
在三相供电的技术方案中，霍尔开关集成电路IC2、IC3、IC4的磁场N极信号检测输出脚(2脚)与磁场S极信号检测输出脚(3脚)中至少一只输出脚既与N型半导体开关器件的基极电连接，又与电压比较器的反相端连接，期间，三个霍尔开关集成电路的连接脚必须同一输出脚，电压比较器为双电压比较器，N型半导体开关器件采用正电压导通的NPN型三极管。
在本实施例中，霍尔开关集成电路IC2、IC3、IC4的磁场N极信号检测 输出脚(2脚)各自均与N型半导体开关器件VN3、VN4、VN5的基极电连接，又各自均与电压比较器1/2IC3、1/2IC4、1/2IC5的反相端连接。N型半导体开关器件VN3、VN4、VN5的集电极与正向线圈A1、A2、A3的输出端连接，电压比较器1/2IC3、1/2IC4、1/2IC5的输出端分别与P型半导体开关器件VP3、VP4、VP5的基极电连接，P型半导体开关器件VP3、VP4、VP5的集电极分别与反向线圈B1、B2、B3的输出端电连接，期间，P型半导体开关器件VP3、VP4、VP5采用负电压导通的PNP型三极管。N型半导体开关器件VN3、VN4、VN5的发射极、P型半导体开关器件的发射极VP3、VP4、VP5及电压比较器1/2IC3、1/2IC4、1/2IC5的同相端分别均分别与交流电源的负半周输电端电连接，使得电源的正半周输电端、正向线圈A1、A2、A3及N型半导体开关器件VN3、VN4、VN5构成交流电的正半周输电通路，电源的负半周输电端、P型半导体开关器件VP3、VP4、VP5及反向线圈B1、B2、B3构成交流电的负半周输电通路，期间，正半周输电通路和负半周输电通路上均设有导通方向与电流流向相同的二极管，二极管本身具有单向导电性，实现将正半周电流与负半周电流分开传输。在磁过程中，交流电的正半周只从N型半导体开关器件流经，不会从P型半导体开关器件上逆流通过，同样的，交流电的负半周也只从P型半导体开关器件流经，不会从N型半导体开关器件上逆流通过。
在设计生产过程中，根据交流电机的不同技术要求可选用不同的半导体开关器件，半导体开关器件可为功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率模块(IPM)，其中：N型功率晶体管为NPN功率晶体管，例如是NPN三极管，P型功率晶体管为PNP功率晶体管，例如是PNP三极管；N型功率场效应管为N沟场效应管，P型功率场效应管为P沟场效应管；半导体开关模块则包括N型半导体开关模块和，P型半导体开关模块。
期间，因为一个霍尔开关集成电路控制一组电磁线圈，故霍尔集成开关的电信号输出脚只需用一只即可，实施例图中，使用了霍尔开关的2脚。为了实现电机的正反转，N型半导体开关器件的基极与电压比较器的反相端共同联接并通过正反转开关K1与霍尔开关集成电路的磁场N极信号检测输出脚连接，使用过程中，只需将霍尔开关的2脚切换成3脚工作，即可实现电机反转。
在实际的生产中，鉴相逻辑开关电路可整体安装在电机内的印刷电路板 上，更便于批量化生产。
本实施例的详细工作过程为：
假设电机的初始状态如图4所示，此时，永磁转子2的N极靠近霍尔开关集成电路IC2，霍尔开关的2脚输出正电压，此电压被送至N型半导体开关器件VN3，使得N型半导体开关器件VN3导通，每相交流电的正半周流经二极管VD1或VD3或VD5、正向线圈A1及N型半导体开关器件VN3所在的正半周输电通道，对永磁转子2施加了旋转力矩；此时，霍尔开关的2脚输出的正电压同样被送至电压比较器1/2IC3的反相端，同样由于反相端的电压大于同相端的比较电压，使得电压比较器1/2IC3输出负电压，进而驱动P型半导体开关器件VP3，使得P型半导体开关器件VP3导通，每相交流电的负半周电流流经P型半导体开关器件VP3和反向线圈B1形成负半周输电通道，由于反向线圈B1与正向线圈A1反向绕制，在负半周电流的作用下，其产生的磁场力方向与正半周的磁场力方向一致，该周期的负半周电流同样对永磁转子2施加旋转力矩，若永磁转子2旋转角度不够1/6周，则仍是霍尔开关集成电路IC2控制电磁线圈A1、B1继续在电流的正半周和负半周工作。在交流电的输电过程中，每相电流均存在120度的相位差角，在上述输电相位A工作时，当该相电流的正半周在正向线圈工作时，可能其它相位(B相或C相)相应的负半周电流在反向线圈工作，每一半周的工作均在相应的二极管及开关器件控制下工作，但根据本发明中线圈的绕制特性，它们产生的磁场方向均一致。直至永磁转子2旋转了1/6圈，此时永磁转子2的N极靠近另一霍尔开关集成电路IC3，而霍尔开关集成电路IC3则控制电磁线圈A2、B2在电流的正半周和负半周工作，同理，直至永磁转子2再旋转了第二个1/6圈后，则换作霍尔开关集成电路IC4则控制电磁线圈A3、B3在电流的正半周和负半周工作，如此循环，实现驱动电动机转动。
实施例2
如图5和图7所示，本实施例为单相交流电动机的的实施例子。
本实施例与实施例1基本原理结构相同，相同之处省略不说，其对电路进行改进，只采取了一组电磁线圈和一个霍尔开关集成电路IC1，详细如下：
该实施例中，本实施例中永磁转子2为四极永久磁钢制成，定子1为四极结构，四极的定子1上，每极均绕上绕线方向相反的正向线圈L1和反向线圈L2，正向线圈L1和反向线圈L2为规格相同的电磁线圈。
鉴相逻辑开关电路上设有霍尔开关集成电路IC1，霍尔开关集成电路IC1上带磁场N极信号检测输出脚(以下简称为霍尔开关的2脚)与磁场S极信号检测输出脚(以下简称为霍尔开关的3脚)，霍尔开关集成电路IC1为一个并安装在永磁转子2的附近，用于检测永磁转子2的转动位置，它输入的是磁感应强度，输出的是电信号。在具体的工作过程中，将霍尔开关集成电路IC1的电源正极(标记为1脚)和电源负极(标记为4脚)按照使用说明接入电路以获得供电，当永磁转子2的N极靠近霍尔开关集成电路IC1时，霍尔开关的2脚就会输出正电压；而当永磁转子2转动，N极离开、S极靠近霍尔开关集成电路IC1时，霍尔开关的3脚就会输出正电压。期间，只需将与霍尔开关的2脚和3脚的连接线调转，即可实现电机反转。
在本实施例中，霍尔开关集成电路IC1的两只输出脚均既与N型半导体开关器件的基极电连接，又与电压比较器的反相端连接。N型半导体开关器件的集电极与正向线圈L1的输出端连接，电压比较器的输出端与P型半导体开关器件的基极电连接，P型半导体开关器件的集电极与反向线圈L2的输出端电连接。N型半导体开关器件的发射极、P型半导体开关器件的发射极及电压比较器的同相端分别均分别与交流电源的负半周输电端电连接，使得电源的正半周输电端、电磁线圈、N型半导体开关器件及电源的负半周输电端构成交流电的正半周输电通路，电源的负半周输电端、电压比较器、P型半导体开关器件、电磁线圈流及电源的正半周输电端构成交流电的负半周输电通路。
本实施例的详细工作过程为：
假设电机的初始状态如图6所示，此时，永磁转子2的N极靠近霍尔开关集成电路IC1，霍尔开关的2脚输出正电压，此电压被送至N型半导体开关器件VN1，使得N型半导体开关器件VN1导通，交流电第一周期的正半周流经正向线圈L1、二极管VD7及N型半导体开关器件VN1所在的正半周输电通道，此时，由于P型半导体开关器件VP1和二极管VD10的阻流作用，该周期的正半周电流不会流经反向线圈L2，对永磁转子2施加了旋转力矩；随后，交流电进入负半周，此时，正电压同样被送至电压比较器1/2IC1的反相端，同样由于反相端的电压小于同相端的比较电压，使得电压比较器1/2IC1输出负电压，进而驱动P型半导体开关器件VP1，使得P型半导体开关器件VP1导通，该周期的负半周电流流经P型半导体开关器件VP1和反向线圈L2形成负半周输电通道，由于反向线圈L2通以负半周电流，所以其所产生的磁场力方向与正半 周时一样，该周期的负半周电流同样对永磁转子2施加旋转力矩，在这一周电流内，此时，由于N型半导体开关器件VN1和正向二极管VD7的阻流作用，该周期的负半周也不会流经正向线圈L1，若永磁转子2旋转角度不够1/4周，则仍是霍尔开关集成电路IC1控制VN1和VP1使得电磁线圈L1、L2继续在电流的正半周和负半周工作，直至永磁转子2刚好旋转了1/4圈，此时永磁转子2的N极远离霍尔开关集成电路IC1，而永磁转子2的S极即将靠近霍尔开关集成电路IC1。
当永磁转子2旋转1/4周后，永磁转子2的S极靠近霍尔开关集成电路IC1，霍尔开关的3脚输出正电压，使得N型半导体开关器件VN2导通，该周期的正半周电流流经反向线圈L2、二极管VD9和N型半导体开关器件VN2，此时，定子1的磁场较上一周期反向，继续对永磁转子2施加旋转力矩，该正半周电流不会流经正向线圈L1；随后，交流电反向输出负半周电流，此时，霍尔开关的3脚输出的电压使得电压比较器1/2IC2输出负电压，该负电压，使得P型半导体开关器件VP2导通，交流电的负半周从P型半导体开关器件VP2和二极管VD8流经正向线圈L1，定子1磁场同样对永磁转子2施加旋转力矩，若永磁转子未旋转完成第二个1/4圈时，永磁转子2均在霍尔开关集成电路IC1控制VN2和VP2使得电磁线圈L1、L2继续在电流的正半周和负半周工作，当永磁转子2刚好又旋转了1/4圈，此时永磁转子2的S极离开霍尔开关集成电路IC1，而永磁转子2的N极靠近霍尔开关集成电路IC1，往下的运转情况将会重复上述的两种模式，如此循环，永磁转子2即可持续转动。
综上所述，本发明的永磁交流电动机，鉴于上述的原理结构，它不再需要额外的励磁起动线圈，具有能减少铁损铜损、电能利用率高、起动电流小、启动转矩大、体积小、结构简单的优点，使用者可结合本鉴相逻辑开关电路来控制N型或P型半导体开关器件的导通时间，便可实现电机的调速。本发明不限制于上述的实施例，电机的供电相数及定转子的电磁极数均可根据本技术方案推理得到，根据本发明原理所得的永磁交流电动机应属于本发明的合理衍生，也应属于本专利的保护范围。
Claims (5)
1.一种永磁交流电动机，包括设置有若干磁极的定子及装有电机轴的永磁转子，定子的每一磁极上绕有电磁线圈，永磁转子在定子的磁场力作用下带动电机轴转动，其特征在于：所述绕在定子磁极上的电磁线圈为绕线方向相反的正向线圈和反向线圈，正向线圈或反向线圈同组同相串联连接；所述永磁交流电动机内设有与交流电源连接的鉴相逻辑开关电路，交流电源的电流正半周输电端与正向线圈的输入端电连接，交流电的电流负半周输电端与反向线圈的输入端电连接，鉴相逻辑开关电路上设有带磁场N极信号检测输出脚与磁场S极信号检测输出脚的霍尔开关集成电路，霍尔开关集成电路用于检测永磁转子的转动位置，霍尔开关集成电路的磁场N极信号检测输出脚与磁场S极信号检测输出脚中至少一只输出脚既与N型半导体开关器件的基极电连接，又与电压比较器的反相端连接，N型半导体开关器件的集电极与正向线圈的输出端连接，电压比较器的输出端与P型半导体开关器件的基极电连接，P型半导体开关器件的集电极与反向线圈的输出端电连接，N型半导体开关器件的发射极、P型半导体开关器件的发射极及电压比较器的同相端均分别与交流电源的负半周输电端电连接，使得电源的正半周输电端、正向线圈及N型半导体开关器件构成交流电的正半周输电通路，电源的负半周输电端、P型半导体开关器件及反向线圈构成交流电的负半周输电通路，期间，正半周输电通路和负半周输电通路上均设有导通方向与电流流向相同的二极管，以将正半周电流与负半周电流分开传输。
2.根据权利要求1所述的永磁交流电动机，其特征在于：所述正半周输电通路上的二极管设于电源正半周输电端与正向线圈的输入端之间；负半周输电通路上的二极管设于反向线圈的输出端与电源负半周输电端之间。
3.根据权利要求1所述的永磁交流电动机，其特征在于：所述正半周输电通路上的二极管设于N型半导体开关器件的集电极与电磁线圈的输出端之间；负半周输电通路上的二极管设于P型半导体开关器件的集电极与电磁线圈的输出端之间接。
4.根据权利要求1所述的永磁交流电动机，其特征在于：所述N型半导体开关器件的基极与电压比较器的反相端共同联接并通过正反转开关与霍尔开关集成电路的磁场N极信号检测输出脚或与磁场S极信号检测输出脚连接。
5.根据权利要求1所述的永磁交流电动机，其特征在于：所述正向线圈和反向线圈为规格相同的电磁线圈。
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