CN101442247A - 6相开关磁阻电动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种6相开关磁阻电动机系统，包括开关磁阻电动机、功率电路、角位移传感器和控制电路，其中所述开关磁阻电动机为6相绕组开关磁阻电动机。因此，本发明通过基于传统的3相12/8级电动机系统实现了具有6相的电动机系统，从而在不增加其系统复杂程度下将相数增加2倍，实现了电机运行的转矩脉动大大降低，运转平稳性提高，和噪声降低。

Description

6相开关磁阻电动机系统

技术领域

本发明涉及电动机系统领域，尤其涉及一种6相开关磁阻电动机系统。

背景技术

近年，开关磁阻电动机技术在国内外得到越来越广泛的应用。

开关磁阻电动机系统主要由电动机、功率电路、角位移传感器和控制电路4部分构成。

开关磁阻电动机系统的电动机部分结构型式很多，常用的结构有2相4/2极、3相6/4极、3相12/8极、4相8/6极、5相10/8极。不同的结构型式具有不同的性能特点，并适用于不同的应用场合。一般地说，相数越少，电动机系统的组成各部分的结构就越简单，成本越低，但是其某些功能和性能指标也越低。

其中，2相系统只能做单方向转动，无法适应一般工业应用的要求，因此作为工业用途，开关磁阻电动机系统一般至少需要3相以上的系统。近年来3相12/8极开关磁阻电动机系统得到了广泛应用，下面将介绍3相12/8极开关磁阻电动机系统。

图1所示为现有3相12/8极磁阻电动机系统的电动机示意图。其定子铁芯1上设置有12个凸极，每个凸极上嵌有一个线圈。其中圆周均分的4个凸极上的线圈相连接(可采取串联、并联或混联)构成1相绕组，分别为a、b、c，共3相绕组。图中只画a相绕组，其绕组端为A1、A2，该绕组端A1、A2与其余两相绕组端B1、B2、C1、C2分别接至功率电路(如图2所示)。当功率电路给某相绕组供电时，4个凸极的极性依次为N、S间隔排列。其中转子铁芯2′上设置有8个凸极，且其上无线圈。

图2为现有3相12/8极磁阻电动机系统采用交流电源供电时的功率电路示意图。其中整流元件VP和电解电容器C构成整流电路，图中其余部分为逆变电路，逆变电路由独立的3相半桥电路(a、b、c相)构成，每相半桥电路由2只功率开关元件(如a相的S_A、S_A′)及2只二极管(如a相的V_A、V_A′)构成。当每相的2只功率开关元件导通时，给同一相的电动机绕组供电；当每相的2只功率开关元件断开时，该相绕组断电并通过2只二极管续流。整流电路的作用是将交流电源转换为直流电源，并给逆变电路供电。

当采用直流电源供电时，可省略整流电路中整流元件VP。

图3为现有3相12/8极磁阻电动机系统的角位移传感器结构示意图。其主要由1个与电动机轴同时转动的8齿的齿盘3′和3只装在电动机定子或端盖上的传感元件C1、C2、C3，组成。齿盘3′的齿和槽各占一半齿距T，而3只传感元件C1、C2、C3的间距为T/3。当齿盘3′逆时针转动时，产生出的输出信号如图4所示，所示3路信号间相位互差T/3，将这3路信号送至控制电路，用于控制功率电路的3相半桥电路给电动机的3相绕组供电。

控制电路的主要功能是根据传感器信号产生出控制功率开关元件的控制信号。如图5所示为3相12/8极系统控制电路产生的3路控制信号，其中信号K1用于控制图2中功率开关元件S_A、S_A′，信号K2用于控制S_B、S_B′，信号K3用于S_C、S_C′。

虽然，现有的3相12/8极开关磁阻电动机系统具有的优点是相数较少，成本较低，其主要性能指标，如电动机单位体积的功率、系统效率等也较高；但是，由于其相数较少，转矩脉动和噪声仍然较大。

因此，如果在不增加系统复杂程度和成本的条件下，进一步提高系统性能是十分有意义的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中相数少带来的转矩脉动和噪声大的问题，本发明基于现有3相12/8级电动机系统的基础上提出了一种6相开关磁阻电动机系统，以改善或提高转矩脉动和噪声的性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种6相开关磁阻电动机系统，包括开关磁阻电动机、功率电路、角位移传感器和控制电路，其中所述开关磁阻电动机为6相绕组开关磁阻电动机。

进一步地，所述6相绕组开关磁阻电动机是定转子双凸极，其中所述定子具有12个均嵌有线圈的凸极，所述转子具有10个无线圈的凸极，且，所述定子的任意两个相对的所述凸极上的所述线圈相连接构成1相绕组以获得6相绕组，所述6相绕组中的每相绕组的尾端相连接构成绕组中点M₁，而所述6相绕组中的每相绕组的头部分别接至所述功率电路的6个桥臂上。

进一步地，所述绕组中点M₁为悬空设置或与整流电路的电容裂相中点M相接。

进一步地，所述定子的6相绕组单独通电时，其两端凸极的磁极极性为同极性或异极性。

进一步地，所述功率电路包括逆变电路，所述逆变电路包括有6个桥臂，每一桥臂均包含有一个功率开关元件和一个续流二极管，其中3个桥臂的功率开关元件与直流电源正极相连，二极管与直流电源负极相连；另外3个桥臂的功率开关元件与直流电源负极相连，二极管与直流电源正极相连。

进一步地，所述功率电路为交流供电时，还包括整流电路。

进一步地，所述整流电路具有裂相电容中点M。

进一步地，所述整流电路的裂相电容中点M与外部三相电源的中线N相接。

进一步地，所述角位移传感器包括一个10齿的齿盘以及3个传感元件，所述齿盘其齿和槽各为T/2；且所述3只传感元件的间距为T/3或T/6，其中T为齿盘齿距。

进一步地，所述齿盘为由不同材料构成或者是涂复有不同的透光或反光的材料。

因此，本发明通过基于传统的3相12/8级电动机系统实现了具有6相的电动机系统，从而在不增加其系统复杂程度下将相数增加2倍，由此电动机每转的换向次数随之大幅增加，由24次增加至60次，同时通电的相数增加，实现了电机运行的转矩脉动大大降低，运转平稳性提高，和噪声降低。

附图说明

图1为现有3相12/8极磁阻电动机系统的电动机示意图；

图2为现有3相12/8极磁阻电动机系统的功率电路示意图；

图3为现有3相12/8极磁阻电动机系统的角位移传感器结构示意图；

图4为图7所示角位移传感器的输出波形图；

图5为现有3相12/8极磁阻电动机系统的控制电路输出波形；

图6为本发明6相开关磁阻电动机各相绕组同极设置的示意图；

图7为本发明6相开关磁阻电动机各相绕组异极设置的示意图；

图8为本发明6相开关磁阻电动机绕组示意图；

图9为本发明6相磁阻电动机系统中整流电路无中点的功率电路示意图；

图10为本发明整流电路有中点M但不外接电源时功率电路示意图；

图11为本发明整流电路有中点M且与外部电源零线N相连接时功率电路示意图；

图12为本发明6相磁阻电动机系统的控制电路输出波形。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明基于现有的3相12/8极磁阻电动机系统基础上，在不改变电动机定子凸极和线圈数量的情况下，仅仅改变绕组连接方式实现6相12/10极磁阻电动机系统。如图6所示为本发明电动机各相绕组同极设置的示意图；图7为本发明电动机各相绕组异极设置的示意图。定子铁芯1与现有的3相12/8极电动机的定子铁芯1相同，但是该铁芯1上圆周相对的2个凸极上的线圈相连接(串联或并联)构成1相绕组，分别为a、b、c、d、e、f，共6相绕组，图中只标示出a相绕组，其绕组端为A1、A2，其余5相绕组端分别为B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2，其中A2、B2、C2、D2、E2、F2分别为各相绕组的尾端且相互连接构成中点M₁(如图8所示的6相开关磁阻电动机绕组示意图)，中点M₁可以与功率电路中裂相电容器中点M即整流电路的中点相接(此时，三相电源的中线可以引进接至M点，也可不引进，如图10和11所示)；也可悬空不接(此时，三相电源的中线可不引进。)。6相绕组的头端(A1、B1、C1、D1、E1、F1)分别接至功率电路的6个桥臂。

6相绕组的连接方式如图8所示。在图6中，各相绕组单独通电时，其两端凸极具有相同的磁极性(如A相为2个N极)。在图7中，通过改变各相绕组两端凸极上的线圈的连接方式，使得各相绕组单独通电时，其两端凸极具有相异的磁极性(如A相两端磁极为N、S极相对)。

而转子铁芯2上设置有10个凸极，并且其上无线圈。

图9为本发明整流电路无电容裂相中点的功率电路示意图。其所示整流电路单元与图2所示的现有的整流电路单元相同，为无电容裂相中点M的整流电路。此时整流电路单元不接绕组。

图10为本发明整流电路有电容裂相中点M但不外接三相电源中线时功率电路示意图。图11为本发明整流电路有电容裂相中点M且与外部三相电源中线N相连接时功率电路示意图。当采用交流供电时，功率电路均由整流电路单元和逆变电路单元组成。其中整流电路均采用2只裂相电容器C1、C2，其电容裂相中点M与电动机绕组公共点M₁相连接。所不同的是，图10中，整流电路的电容裂相中点M不外接三相电源中线，图11中，整流电路的电容裂相中点M与外部三相电源中线N相接。

当采用直流电源供电时，省略整流电路中整流元件VP即可。

其中，逆变电路由独立的6个桥臂电路组成，每个桥臂包括1只功率开关元件(分别为S_A、S_B、S_C、S_D、S_E、S_F)和1只二极管(分别为V_A、V_B、V_C、V_D、V_E、V_F)。其中a、c、e相3个桥臂的功率开关元件与直流电源正极相连，闭合时为绕组提供流入的电流，断开时通过二极管续流。b、d、f相的3个桥臂的功率开关元件与直流电源负极相连，闭合时为绕组提供流出的电流，断开时同样通过二极管续流。因此，本发明提供的功率电路同现有的如图2所示的功率电路所采用的功率开关元件和续流二极管数量相同，只是连接方式做了适当的修改。

本发明6相12/10极磁阻电动机系统可以采用与图3所示相类似的现有的角位移传感器，其变化仅仅在于将其齿盘3的8齿改为10齿，且齿盘的齿和槽均占半个齿距T，3只传感元件C1、C2、C3的间距为T/3或T/6，其输出信号如图4所示的信号相同。分析图4所示3路信号可知，其实际上是每T/6产生一次状态变化，因此可以利用该组信号控制功率电路的6个桥臂功率开关元件，给电动机的6相绕组供电。传感元件C1、C2、C3是基于光电、霍尔、电磁或电容等原理的传感元件，齿盘可以为同一材料并采用适当几何形状结构，也可以为由不同材料构成或者是涂复有不同的透光或反光的材料构成。

控制电路的主要功能是根据传感器信号产生出控制功率开关元件的控制信号。如图12所示为本发明6相12/10极系统控制电路产生的6路控制信号，其中3路信号K1、K2、K3与图5完全相同，另外3路信号与前3路信号互差T/2相位(如K1′与K1差T/2)，因此，信号的产生对控制电路而言十分方便。根据图12中6路信号的相位关系，依其相序依次排列为K1、K3′、K2、K1、K3、K2′，因此用K1信号控制图9中功率开关元件S_A，信号K3′控制S_B，信号K2控制S_C，信号K1′控制S_D，信号K3控制S_E，信号K2′控制S_F，便可使本实用新型的6相12/10极系统正常工作。

因此，本发明是在现有的3相12/8极磁阻电动机系统的基础上，基本不增加其复杂程度和成本，实现了6相12/10极开关磁阻电动机系统。在保持电动机定子凸极和线圈数量不变的前提下，仅仅通过改变线圈间的连接方式，将现有的3相12/8极磁阻电动机系统的圆周方向每4个线圈相连接组成1相绕组，改为圆周方向上任意两相对的线圈相连接构成1相绕组，就简便地实现了定子绕组6相结构。同时将转子由8个凸极改为10个凸极。

功率电路通过对现有的功率开关元件和续流二极管改变其连接方式，并通过将角位移传感器的齿盘的8个齿变为10个齿，控制电路在原有3路输出信号的基础上，新增3路相位差为T/2的输出信号。

通过上述改进，本发明实现了将3相12/8极磁阻电动机系统的相数增加1倍，每转换向次数也大幅增加(由24增加至60)，同时通电的相数增加，因此电机运行的转矩脉动大大降低，运转平稳性提高，噪声降低。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种6相开关磁阻电动机系统，包括开关磁阻电动机、功率电路、角位移传感器和控制电路，其特征在于所述开关磁阻电动机为6相绕组开关磁阻电动机。

2、根据权利要求1所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于所述6相绕组开关磁阻电动机是定转子双凸极，其中所述定子具有12个均嵌有线圈的凸极，所述转子具有10个无线圈的凸极，且，所述定子的任意两个相对的所述凸极上的所述线圈相连接构成1相绕组以获得6相绕组，所述6相绕组中的每相绕组的尾端相连接构成绕组中点，而所述6相绕组中的每相绕组的头部分别接至所述功率电路的6个桥臂上。

3、根据权利要求2所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于所述绕组中点为悬空设置或与整流电路的电容裂相中点相接。

4、如权利要求2或3所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于所述定子的6相绕组单独通电时，其两端凸极的磁极极性为同极性或异极性。

5、如权利要求2或3所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于所述功率电路包括逆变电路，所述逆变电路包括有6个桥臂，每一桥臂均包含有一个功率开关元件和一个续流二极管，其中3个桥臂的功率开关元件与直流电源正极相连，二极管与直流电源负极相连；另外3个桥臂的功率开关元件与直流电源负极相连，二极管与直流电源正极相连。

6、如权利要求5所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于：所述功率电路为交流供电时，还包括整流电路。

7、如权利要求6所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于：所述整流电路具有裂相电容中点。

8、如权利要求7所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于：所述整流电路的中点与外部三相电源的中线相接。

9、如权利要求1所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于：所述角位移传感器包括一个10齿的齿盘以及3个传感元件，所述齿盘其齿和槽各为T/2；且所述3只传感元件的间距为T/3或T/6，其中T为齿盘齿距。

10、如权利要求9所述的6相开关磁阻电动机系统，其特征在于：所述齿盘为由不同材料构成或者是涂复有不同的透光或反光的材料。

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