CN102751922A - 一种微型永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

微型永磁同步电动机，包括同极数的定子和永磁转子，交流电源经控制电路的开关向定子供电；气隙于每一极下沿转向收窄，使转子各极轴线在自由状态以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿转向偏转一锐角；线性磁性位置传感器安装于转子圆周设定位置以检测转子的极性和位置，控制电路以该设定位置为参照和传感器的输出，确定转子各极永磁磁通的轴线方向；控制电路检测电源供给定子的电压极性以确定在各极产生的主磁通的轴线方向；开关在电动机启动和主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相交为所述锐角时或者电动机运转和主磁通轴线方向与永磁磁通轴线方向相反或接近相反时接通此时的电源半波。该电动机在预定转向启动和运转性能较佳，控制结构简单可靠。

Description

一种微型永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种微型永磁同步电动机，尤其涉及一种直接驱动小功率离心式水泵的微型永磁同步电动机，在国际专利分类表中，分类可属于H02P6/20。

背景技术

传统的直接驱动小功率离心式水泵的微型永磁同步电动机相比异步电动机明显节能节材，但其旋转方向不确定和转矩偏低或运转欠平稳影响了使用效果，现有技术一直为改善该不足而努力，可见于中国发明专利申请公开说明书CN1275257A和中国实用新型专利说明书CN201409107Y。但现有技术这些设计的控制结构偏于复杂，且实际使用效果仍然欠佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种微型永磁同步电动机，可以在预定的旋转方向有较佳的启动和运转性能，而控制结构比较简单。

本发明解决技术问题的技术方案是，一种微型永磁同步电动机，包括：

——同样极数的定子和永磁转子；

——开关，交流电源经该开关向定子供电；

——控制电路，控制开关的通断；

其特征在于：

a)所述定子的绕组按规定绕向接往交流电源；

b)所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度；

c)所述控制电路包括一安装于所述转子圆周设定位置以随时检测所述转子的极性和位置的线性磁性位置传感器，并以该设定位置为参照和按该传感器的输出，确定转子各极穿越气隙的永磁磁通轴线的方向；

d)所述控制电路随时检测外部交流电源供给定子的电压的极性，确定其将在定子各极产生穿越气隙的主磁通轴线的方向，并对交流电源逐个半波进行控制：

——在电动机启动时，所述开关在所述主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时接通此时的交流电源半波；

——在电动机运转时，所述开关在所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向完全相反或接近相反时，接通此时的交流电源半波。

该设计的巧妙之处在于：

——气隙沿设定的旋转方向收窄的设计，使得在电动机启动的一刻，永磁磁通轴线处在沿设定的旋转方向超越主磁通轴线的相反方向一锐角角度；

——在电动机运转时，设计在永磁磁通轴线旋转至主磁通轴线的完全相反或接近相反的方向时接通电源，使主磁通在永磁磁通轴线沿设定的旋转方向稍微超越主磁通轴线的相反方向后出现；

——结果是，在每个电源半波通电期间，按照磁场校直原理，转子磁极即首先被与其最靠近的定子磁极沿旋转方向推斥而靠往极性相反的下一定子磁极，接着受到该下一定子磁极吸引。

其有益的效果是：

——电动机启动和运转中所受到的电磁力均为设定的旋转方向的电磁力，确保按设定旋转方向启动和运转，并减轻了启动和运转的脉动，不会发生转子磁极被与其最靠近的定子磁极吸住而阻滞的情况；

——电磁斥力和吸力均得到利用，提高了启动和运转的平均转矩。

使用线性磁性位置传感器可实现与转子永磁磁通轴线方向的关系接近正弦波的连续输出特性，以其所安装的转子圆周设定位置为参照检测转子的极性和位置，转子的极性和位置均可按传感器的输出和安装位置计算确定。因此，传感器可安装于转子圆周任何位置，可免除现有技术对其安装位置的限定，有利于结构设计。

该技术方案最好设计在电动机运转时，所述开关在所述永磁磁通轴线旋转至与主磁通轴线方向完全相反之前，接通此时的交流电源半波，所提前的时间短于绕组电流滞后电压的时间。由于电动机绕组的感性电流的滞后于电压，该设计可更充分地利用电源电压。

该技术方案的典型设计之一为：

——所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；

——所述开关为双向晶闸管，双向晶闸管主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述定子铁芯二极的水平轴线靠近转子圆周的位置；

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出为最高电平或接近最高电平，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出为最低电平或接近最低电平时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二是为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件的输出电平，且最高电平或接近最高电平时为1而最低电平或接近最低电平时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

该技术方案的典型设计之二为：

——所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；

——所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管的主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述铁芯中心线上方靠近转子圆周的位置；

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在降低时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件输出电平的瞬时值及其变化方向，且当该电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时为1，降低时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明第1实施例微型永磁同步电动机电磁基本结构示意图；

图2是本发明第1、第2、第3实施例微型永磁同步电动机控制电路示意图；

图3是本发明第1实施例微型永磁同步电动机霍尔元件输出特性图；

图4是本发明第2、第3实施例微型永磁同步电动机霍尔元件输出特性图；

图5是本发明第1、第2、第3实施例微型永磁同步电动机控制信号波形图；

图6是本发明第2实施例微型永磁同步电动机电磁基本结构示意图；

图7是本发明第3实施例微型永磁同步电动机电磁基本结构示意图。

具体实施方式

本发明第1实施例和第2实施例微型永磁同步电动机是在诸如中国发明专利申请公开说明书CN1275257A和中国实用新型专利说明书CN201409107Y所述传统的直接驱动小功率离心式水泵的微型永磁同步电动机的基础上改进而成。

本发明第1实施例微型永磁同步电动机电磁基本结构如图1所示，其继承CN1275257A中图1或CN201409107Y中图3和图4所示结构包括：

——定子1，主要由U形铁芯11和绕组12组成；铁芯11上方成形为包围转子2的左右二极——左极111和右极112；绕组12由穿入铁芯11轭部左臂、右臂各1线圈串联或并联而成；

——转子2为永磁转子，径向对称正弦波充磁为N、S二极，插入铁芯11的左极111和右极112之间，并支撑于轴承旋转。

特别设计的机械结构为：

——电动机设定如图示逆时针(沿电动机轴相反方向观察则为顺时针)旋转，左极111与转子2间的气隙的宽度自上而下呈阶梯状收窄，右极112与转子2间气隙的宽度自下而上呈阶梯状收窄，因此在图示自由状态下，转子2二极磁通的轴线21以定子二极的水平轴线113为参照，沿逆时针方向偏转约10°；

——霍尔元件3安装于水平轴线113右侧靠近转子2圆周的位置。

本发明第1实施例微型永磁同步电动机控制电路如图2所示，主要由固定于电动机非轴伸端的印刷电路板组成，该印刷电路板安装有：

——双向晶闸管4，其主电极与绕组12串联后接往交流电源端子5；

——单片机6，其输出电路63接往双向晶闸管4的触发极41；

——由电阻7和二极管8、9以及5V直流电源VDD组成的整形电路，其输入接往交流电源端子5，输出B在交流电源端子5的电压极性为正半波时为1而负半波时为0。输出B接往单片机6的输入电路61；

霍尔元件3的输出接往单片机6的输入电路62。霍尔元件3的输出特性为线性，因而霍尔元件3的输出电平与转子永磁磁通轴线方向的关系为正弦波特性，永磁磁通轴线方向以水平轴线113自左向右的方向为零度时，该特性如图3所示。可见，霍尔元件3的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°时最高——5V，180°时最低——1V。此外，在自由状态下，转子永磁磁通轴线沿逆时针方向偏转10°，当转子永磁N极朝向霍尔元件3时，霍尔元件3的输出电平为4.97V；或当转子永磁S极朝向霍尔元件3时，霍尔元件3的输出电平为1.03V。该特性存储于单片机6中。

按照右手螺旋法则对绕组12的绕向及其往交流电源端子5的连接设计为：交流电源端子5的电压半波为正时，穿越气隙的主磁通轴线的方向于水平轴线113自右向左；半波为负时则自左向右。

因此，在电动机启动时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件输出为4.97V，或者半波为负和霍尔元件输出为1.03V时，主磁通轴线的反向与永磁磁通轴线方向相交为10°；在电动机运转时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件输出为5V，或者半波为负和霍尔元件输出为1V时，主磁通轴线的反向与永磁磁通轴线方向相交为0°。

单片机6内置的软件或硬件控制还包括：

a)对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件3的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平为4.97V和电动机启动时或者到达5V和电动机运转时变为1，当该电平为1.03V和电动机启动时或者到达1V和电动机运转时时变为0；

b)以上述输出A和输出B二者为输入的同或门逻辑控制的输出L与A、B的逻辑关系，如下表；

c)上述L为1时，单片机6的输出电路63向双向晶闸管4的触发极输出电压脉冲，并且该脉冲于所述电压极性半波结束之前下降为零，即其宽度不超出所述电压极性再次转换时刻。

各信号的波形如图5所示：51为交流电源端子5的波形，52为整形电路输出B的波形，31为霍尔元件3的输出电平的波形，32为单片机6内置的软件或硬件对霍尔元件3的输出电平与所述储存的霍尔元件3输出特性比较后的输出A的波形，64为单片机6的输出电路63向双向晶闸管4的触发极输出的电压脉冲的波形。

双向晶闸管4获得上述脉冲后随即导通，交流电源端子5即向绕组12供电，使转子2启动或继续旋转。由于双向晶闸管4的触发极获得的电压脉冲的宽度不超出电压极性再次转换时刻，双向晶闸管4此次半波导通至该半波过零时截止，然后在紧接着的下一半波再次按检测结果进行控制：符合所述条件，即L为1时，将再次导通，否则截止。

本发明第2实施例微型永磁同步电动机电磁基本结构如图6所示(以下叙述对图6中的标记未列举者，均与图1同一标号的意义相同)，其与第1实施例的差异主要在于：

a)霍尔元件3改为安装于铁芯中心线114上方靠近转子圆周的位置，即相当于第1实施例的位置逆时针旋转迁移了90°；

b)由于a)，霍尔元件3的输出电平与转子永磁磁通轴线方向的关系逆时针迁移90°，如图4所示。可见，相同坐标系图4特性曲线相比图3向右平移了90°，霍尔元件3的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°和180°时均为3V(高、低电平的中间值)，但0°时的瞬时值越过3V时升高(前一瞬时值取样为2.9V)，180°时则降低(前一瞬时值取样为3.1V)。

c)由于b)，对第1实施例中单片机6内置的软件或硬件控制中的a)项改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件3的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为3V且越过3V升高时变为1，降低时变为0。

其实，霍尔元件3可安装于任何就机械结构而言更方便的角度靠近转子圆周的位置，只需参照上述a)、b)、c)的办法，按照该位置相对于之前的安装位置沿旋转方向前或向后移的角度，并按照该角度把单片机6原来所储存的霍尔元件3的输出特性相应向右或向左平移，以及按照该迁移后的特性，确定霍尔元件3的输出电平在永磁磁通轴线方向分别为0°和180°时的值及其升降情况，并以该二值及其升降情况作为输出A的比较、判别和输出的依据，对单片机6内置的软件或硬件控制相应修改。例如，若霍尔元件3的安装位置改为相比第1实施例的位置逆时针旋转迁移45°，则：

a)霍尔元件3的输出电平与转子永磁磁通轴线方向的关系即为图3特性曲线相比图3向右平移了45°，霍尔元件3的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°时为4.41V且瞬时值越过4.41V时升高(前一瞬时值取样为4.38V)，为180°时为1.59V且瞬时值越过1.59V时降低(前一瞬时值取样为1.56V)。

b)对第1实施例中单片机6内置的软件或硬件控制中的a)项改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件3的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为4.41V且越过4.41V时升高时变为1；当该电平的瞬时值为1.59V且越过1.59V时降低时变为0。

本发明第3实施例微型永磁同步电动机电磁基本结构如图7所示，是一个圆形的4极微型永磁同步电动机。其与第1、第2实施例的差异主要在于：

a)定子100，由具有4个凸极的圆形铁芯101和绕组102组成，铁芯各极与转子间的气隙的宽度沿逆时针方向渐变收窄，绕组102由各套于一个凸极的4个线圈按4极串联而成；

b)转子200，为径向对称充磁为N、S、N、S的4极永磁转子；

c)霍尔元件300，安装于定子下侧和右侧的二极之间间靠近转子200圆周的位置。

该电动机的控制与实施例2类同，只是转速降低一半，但运转更平稳和噪声振动较小。

上述各实施例在电动机运转时，均设计为在永磁磁通轴线旋转至主磁通轴线的相反方向时接通电源。该设计比较简单可靠。然而，由于绕组的感性电流的滞后于电压，该接通时间可适当提前。该提前是指永磁磁通轴线沿旋转方向旋转至接近主磁通轴线的相反方向时即接通电源。但对该提前应予以限制，只要该提前时间不长于绕组电流滞后于电压的时间即可。可通过测定绕组电流的功率因数确定绕组电流滞后时间。然后，把单片机6中用于与所储存的霍尔元件3的输出特性比较判别的电平瞬时值，修改为按所述电流滞后时间提前的永磁磁通轴线旋转角度(对二极电动机，该角度等于电流功率因数角)在所储存的霍尔元件3的输出特性中对应的电平瞬时值，并参照实施例2所述办法控制，即可实现双向晶闸管4在主磁通轴线与永磁磁通轴线方向接近相反时接通此时的交流电源半波。该设计可有更高的效率，进一步减轻了启动和运转的脉动，并提高启动和运转的平均转矩。但为可靠起见，提前时间最好稍微短些，即留适当的裕量。

例如，若测试绕组电流的功率因数角为45°，所提前的永磁磁通轴线旋转角度可设定为约30°，因此：

对于实施例1电动机，对前述单片机6内置的软件或硬件控制的a)项可修改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件3的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为4.73V且在升高(前一瞬时值取样为4.70V)时变为1，当该电平的瞬时值为1.27V且在降低(前一瞬时值取样为1.30V)时变为0；

对于实施例2电动机，对前述单片机6内置的软件或硬件控制的a)项可修改为：

——对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件3的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平的瞬时值为2.00V且在升高(前一瞬时值取样为1.97V)时变为1，当该电平的瞬时值为4.00V且在降低(前一瞬时值取样为4.03V)时变为0。

在电动机运转时，也可如同在电动机启动时一样，设计在永磁磁通轴线沿旋转方向稍微超越主磁通轴线的相反方向后接通相应的交流电源半波，但电源电压的利用降低，效果相对稍差些。

此外，也可以使用电磁式或光电式位置传感器，可参见《电机工程手册》。

Claims (4)

1.一种微型永磁同步电动机，包括：

——同样极数的定子和永磁转子；

——开关，交流电源经该开关向定子供电；

——控制电路，控制开关的通断；

其特征在于：

a)所述定子的绕组按规定绕向接往交流电源；

b)所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，因而在自由状态下，转子各极的轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度；

c)所述控制电路包括一安装于所述转子圆周设定位置以随时检测所述转子的极性和位置的线性磁性位置传感器，并以该设定位置为参照和按该传感器的输出，确定转子各极穿越气隙的永磁磁通轴线的方向；

d)所述控制电路随时检测外部交流电源供给定子的电压的极性，确定其将在定子各极产生穿越气隙的主磁通轴线的方向，并对交流电源逐个半波进行控制：

——在电动机启动时，所述开关在所述主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时，接通此时的交流电源半波；

——在电动机运转时，所述开关在所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向完全相反或接近相反时，接通此时的交流电源半波。

2.按照权利要求1所述微型永磁同步电动机，其特征在于：在电动机运转时，所述开关在所述永磁磁通轴线旋转至与主磁通轴线方向完全相反之前，接通此时的交流电源半波，所提前的时间短于绕组电流滞后电压的时间。

3.按照权利要求1或权利要求2所述微型永磁同步电动机，其特征在于：

——所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；

——所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述定子铁芯二极的水平轴线靠近转子圆周的位置；

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出为最高电平或接近最高电平，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出为最低电平或接近最低电平时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件的输出电平，且最高电平或接近最高电平时为1而最低电平或接近最低电平时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

4.按照权利要求1或权利要求2所述微型永磁同步电动机，其特征在于：

——所述定子的铁芯为U形铁芯，轭部穿入绕组，上开口成形为供转子插入的二极，所述永磁转子也为二极；

——所述开关为双向晶闸管；双向晶闸管的主电极与所述绕组串联后接往交流电源；

——电动机设定为逆时针旋转，所述铁芯二极的左侧一极与转子间气隙的宽度自上而下收窄，右侧一极与转子间气隙的宽度自下而上收窄，因此在自由状态下，转子永磁磁通轴线以定子铁芯二极的水平轴线为参照，沿逆时针方向偏转一锐角角度；

——所述传感器为霍尔元件，安装于所述铁芯中心线上方靠近转子圆周的位置；

——绕组的绕向及连接使所述电压的半波为正和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时，或者所述电压的半波为负和霍尔元件输出电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在降低时，达到在电动机启动时所述主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，或者在电动机运转时所述主磁通轴线与永磁磁通轴线方向相反或接近相反；

——所述控制电路包括一同或门逻辑控制，该同或门逻辑输入之一为相应于主磁通轴线方向的交流电源供给所述绕组的电压的极性，且正半波时为1而负半波时为0；输入之二为相应于永磁磁通轴线方向的霍尔元件输出电平的瞬时值及其变化方向，且当该电平的瞬时值到达或接近高、低电平的中间值且在升高时为1，降低时为0；

——所述同或门输出为1时，所述控制电路向所述双向晶闸管的触发极输出电压脉冲，脉冲宽度不超出所述电压极性再次转换的时刻。

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