CN101997377A - 一种多相绕组永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路 - Google Patents

一种多相绕组永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路 Download PDF

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    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Abstract

本发明涉及一种多相绕组永磁无刷直流电动机，包括转子、设置在该转子外的定子、设置在该定子上的多相定子绕组、至少一对永磁体及多个转子位置传感器，其中，多相定子绕组顺次均匀设置在永磁体中相邻的两个永磁体的中心轴线之间的定子圆周的内表面上；转子位置传感器的数目与多相定子绕组的相数相同，对应多相定子绕组中的每相定子绕组的磁路中心设置有转子位置传感器；永磁体上磁感应强度降低部分的宽度小于多相定子绕组的相间宽度；本发明避免了磁感应强度降低区域对转矩受力的影响，使电枢(定子绕组)反电势相对转速为稳定值，有效的避免了转矩脉动现象的发生，且其结构简单，易于维护。

Description

一种多相绕组永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路
技术领域
本发明属于机电技术领域，具体涉及一种多相绕组永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路。
背景技术
现有绕组定子的绕组绕组通常为三相结构或互成30°电角度的两套三相结构，在永磁体磁极交接处，由于气隙磁感应强度降低，通电绕组接近或进入磁感应强度降低的区段时，就会出现转矩脉动，转矩脉动影响了无刷电机的控制精度和伺服性能，同时会引起电机的振动和噪声。目前是通过斜槽、分数槽、PWM-ON-PWM以及文献(王宇飞.多相永磁无刷电动机系统仿真及分析.微特电机，2005年第10期)提到的两套三相绕组互隔30°电角度的方式来改善或降低转矩脉动，其结果是有降低效率等副作用，但不能消除转矩脉动的问题，
发明内容
为了消除现有电机中的转矩脉动的问题，本发明提供了一种多相
绕组永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路，其能够完全消除转矩脉动的问题。
本发明的技术解决方案是：一种多相绕组永磁无刷直流电动机，包括转子、设置在该转子外的定子、设置在该定子上的多相定子绕组、至少一对永磁体及多个转子位置传感器，其特征在于：所述多相定子绕组顺次均匀设置在所述永磁体中相邻的两个永磁体的中心轴线之间的定子圆周的内表面上；所述转子位置传感器的数目与所述多相定子绕组的相数相同，对应所述多相定子绕组中的每相定子绕组的磁路中心设置在定子上转子位置传感器；所述永磁体上磁感应强度降低部分的宽度小于所述多相定子绕组的相间宽度。
本发明的多相绕组永磁无刷直流电动机的工作控制方法，主要在于控制器根据各相位置传感器的电平信号控制各相定子绕组的通断，具体是电平由低变高的位置传感器所在相的绕组保持截止，并且与该相相邻欲进入磁感应强度降低区域的相的绕组截止，其余各相导通。通过该控制方式，使磁感应强度降低区域的相以及接近或进入该区域的相不导通，而离开该区域的相导通，通过避开换相磁感应强度的降低区段，使反电势相对转速为稳定值，从而避免转矩脉动现象的发生。
为了实现本发明的多相绕组永磁无刷直流电动机的控制，本发明提供了一种六相桥式控制电路，适用于六相绕组永磁无刷直流电动机的控制，该电路主要包括控制器、自举电路和绕组电路，绕组电路通过桥式驱动电路接入控制器，其中，绕组电路主要包括多相绕组，其主要特点是每相绕组的同名端与相邻绕组的异名端电连接且连接且同时连接至公共接点，该公共接点为理想零点。
由于本发明的多相绕组永磁无刷直流电动机中磁感应强度降低区域的宽度小于绕组的相间宽度，并且本发明的控制方式中使磁感应强度降低区域的相以及接近或进入该区域的相不导通，而离开该区域的相导通，从而使得换向磁感应强度降低区域(磁极交接处)无导电绕组，避免了磁感应强度降低区域对转矩受力的影响，使电枢(定子绕组)反电势相对转速为稳定值，有效的避免了转矩脉动现象的发生；且其结构简单，易于维护。
附图说明
图1是本发明的多相绕组永磁无刷直流电动机结构示意图；
图2是六相绕组永磁无刷直流电动机的结构示意图；
图3是六相绕组永磁无刷直流电动机的各相反电势、转子转子位置传感器和各相绕组导通对应时序图；
图4是六相绕组永磁无刷直流电动机控制电路示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明提供的多相绕组永磁无刷直流电动机，包括转子、设置在
该转子外的定子2、设置在该定子2上的多相定子绕组3及设置在该多相定子绕组3外的转子位置传感器4，其中，转子包括非磁性转子体1和嵌套在该非磁性转子体1外的转子铁心5，该转子铁心5上嵌套有至少一对永磁体6；多相定子绕组3顺次均匀设置在永磁体6中相邻的两个永磁体6的中心轴线之间的定子2的圆周的内表面上；多相定子绕组3中的每相绕组的磁路中心处均设置有一转子位置传感器4，且该转子位置传感器4只设置在一个磁极内。
为了避免在永磁体磁极交接处，由于气隙磁感应强度降低，通电绕组接近或进入磁感应强度降低的区段时，产生转矩脉动，本发明的构思是，多相绕组永磁无刷直流电动机在工作过程中，控制器根据各相转子位置传感器的电平信号控制各相定子绕组的通断，具体是电平由低变高的转子位置传感器所在相的绕组保持截止，并且与该相相邻欲进入磁感应强度降低区域的相截止，其余各相导通，使磁感应强度降低区域的相以及接近或进入该区域的相不导通，而离开该区域的相导通，通过避开换相磁感应强度的降低区段，使电枢(定子绕组)的反电势相对转速为稳定值，从而避免转矩脉动现象的发生，为此，本发明将永磁体6上磁感应强度降低部分的宽度小于多相定子绕组3的相间宽度。
参见图2、3，以六相绕组永磁无刷直流电动机为例，设该六相绕组分别是A、B、C、D、E和F这六相定子绕组，且沿定子圆周顺时针顺次均匀设置(图3中以每项绕组所对应的转子位置传感器体现六相绕组的位置，且图3中所示的转子位置传感器均设置在同一个区域内，该区域是由6个永磁体均分定子铁心所形成的6个夹角为60°(机械角度)的区域；每个区域内的定子绕组均是六相，且沿定子圆周顺时针顺次设置，每组绕组间隔30°电角度。)，电机运行过程中，假设A相已进入磁感应强度降低的区域，当A相转子位置传感器的电平从低变高时，F相定子绕组开始导通，B相定子绕组开始不导通，A相定子绕组保持不导通，C、D、E保持导通。当B相传感器电平从低变高时，A相开始导通，C相开始不导通，B相保持不导通，D、E、F保持导通。
同时，为了实现理想化的方波气隙磁场，本发明选用横截面为梯形的永磁体6，且永磁体6较窄的一端靠近多相定子绕组3设置即满足永磁体6上磁感应强度降低部分的宽度小于多相定子绕组3的相间宽度。
此外，本发明的定子为无槽结构，定子绕组还可以采用方形空心线，方形线有利于提高气隙的利用率，空心线的空心可通过油循环散热。
参见图4，该六相绕组永磁无刷直流电动机的控制电路，主要包括控制器、自举电路、绕组电路和转子位置传感器电路，其主要特点是相邻相的绕组的同名端与异名端电连接即每相绕组的同名端与相邻绕组的异名端电连接且连接至为理想零点的公共接点。具体是A相同名端、B相非同名端、C相同名端、D相非同名端、E相同名端、F相非同名端连接到公共接点，可实现类似Y型接法的动态对称。
控制电机转速可采用PWM方式，其调制频率随当前速度与目标速度的差的增大而增大，有利于PWM的调制和回馈制动。
同样可以在六相绕组永磁无刷直流电动机的基础上，根据实际需要设计制造12相绕组永磁无刷直流电动机，其设计构思、原理和机械结构及其控制方式均与六相绕组永磁无刷直流电动机的相同。

Claims (7)

1.一种多相绕组永磁无刷直流电动机，包括转子、设置在该转子外的定子、设置在该定子上的多相定子绕组、至少一对永磁体及多个转子位置传感器，其特征在于：所述多相定子绕组顺次均匀设置在所述永磁体中相邻的两个永磁体的中心轴线之间的定子圆周的内表面上；所述转子位置传感器的数目与所述多相定子绕组的相数相同，对应所述多相定子绕组中的每相定子绕组的磁路中心设置有转子位置传感器；所述永磁体上磁感应强度降低部分的宽度小于所述多相定子绕组的相间宽度。
2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述转子包括非磁性转子体和嵌套在该非磁性转子体外的转子铁心，所述永磁体嵌套在该转子铁心中且沿该转子铁心的圆周均匀设置。
3.根据权利要求2所述的电动机，其特征在于：所述永磁体的横截面是梯形的，且其较窄的一端靠近所述多相定子绕组，该端的宽度小于所述多相定子绕组的相间宽度。
4.根据权利要求1或2或3所述的电动机，其特征在于：所述多相定子绕组是6相或12相。
5.根据权利要求4所述的多相绕组永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述多相定子绕组为6组时，所述永磁体为三对，将转子铁心均分成6个夹角为60°的区域，每一区域对应的定子圆周的内表面上设置该6组多相定子绕组，每组绕组间隔30°电角度。
6.一种多相绕组永磁无刷直流电动机的控制方法，其特征在于：通过控制器根据各相转子位置传感器的电平信号控制各相定子绕组的通断，具体是电平由低变高的转子位置传感器所在相的绕组保持截止，并且与该相相邻的欲进入磁感应强度降低区域的相的绕组截止，其余各相导通。
7.一种六相桥式多相绕组永磁无刷直流电动机的控制电路，主要包括控制器、自举电路和绕组电路，绕组电路通过自举电路接入控制器；绕组电路主要包括多相绕组，其特征在于：每相绕组的同名端与相邻绕组的异名端电连接且同时连接至为理想零点的公共接点。
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