CN102868343A - 六相直流方波永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六相直流方波永磁无刷电机，该六相直流方波永磁无刷电机包括控制器、自举绕组驱动电路、激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组以及无刷电机体；控制器分别通过自举绕组驱动电路以及激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组接入无刷电机体。本发明提供了一种能够提供等同有位置传感器的无刷电机的换相效果、六相完全消除转矩脉动、结构简单以及便于加工的六相直流方波永磁无刷电机。

Description

六相直流方波永磁无刷电机

技术领域

本发明属于机电技术领域，涉及一种六相直流方波永磁无刷电机，尤其涉及一种六相无位置传感器的直流方波无槽永磁无刷电机。

背景技术

在现有三相无刷电机的无位置传感器转子位置检测中，通过测量不通电绕组的磁极交界的正中心时刻，然后延时30°电角度进行换相，而30°电角度与电机转速相关，往往根据转速大小计算延时时间，实施换相。如因负载引起的速度不规律变化，计算的延时时间就不准确，特别是低速甚至堵转情况下，换相精确更是难以保证。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能够提供等同有位置传感器的无刷电机的换相效果、六相完全消除转矩脉动、结构简单以及便于加工的六相直流方波永磁无刷电机。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种六相直流方波永磁无刷电机，其特殊之处在于：所述六相直流方波永磁无刷电机包括控制器、自举绕组驱动电路、激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组以及无刷电机体；所述控制器分别通过自举绕组驱动电路以及激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组接入无刷电机体。

上述激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组包括六组相同的激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路；所述每组激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路分别对应接入无刷电机体。

上述激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路包括对中电源、光耦隔离激励脉冲源、第一电机相电压钳位电路、第二电机相电压钳位电路以及电枢电感测量对称比较电路；所述对中电源、光耦隔离激励脉冲源、第一电机相电压钳位电路、第二电机相电压钳位电路以及电枢电感测量对称比较电路依次并联；所述控制器接入光耦隔离激励脉冲源；所述第一电机相电压钳位电路以及第二电机相电压钳位电路并联后接入无刷电机体。

上述对中电源包括电源输入端、接地端、第一电阻、第二电阻、稳压管以及电容；所述电源输入端通过第一电阻分别接入稳压管以及电容；所述稳压管以及电容并联后通过第二电阻接入接地端；

所述光耦隔离激励脉冲源包括第一光电耦合器、第三电阻、第四电阻、第一三极管以及第二三极管；所述第三电阻通过第一光电耦合器接入控制器；所述第一电阻依次通过第四电阻以及第一光电耦合器接入第二电阻；所述第一电阻依次通过第一三极管以及第二三极管接入第二电阻；所述第一三极管与第四电阻并联；所述第二三极管与第一光电耦合器并联；

所述第一电机相电压钳位电路包括第二二极管、第三二极管以及第五电阻；所述第五电阻通过第二二极管与第一电阻相连；所述第五电阻通过第三二极管与第二电阻相连；所述第五电阻分别接入第一三极管以及第二三极管；

所述第二电机相电压钳位电路包括第六电阻、第四二极管以及第五二极管；所述第六电阻的一端接入第五电阻，另一端分别通过第四二极管以及第五二极管对应接入第一电阻以及第二电阻；

所述电枢电感测量对称比较电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一运算放大器、第二运算放大器以及第二光电耦合器；所述第六电阻通过第七电阻接入第一运算放大器的正向输入端；所述第一电阻通过第九电阻接入第一运算放大器的负向输入端；所述第一运算放大器的输出端通过第八电阻接入第一运算放大器的正向输入端；所述第一运算放大器的输出端依次通过第十四电阻以及第二光电耦合器接入第二运算放大器的输出端；所述第六电阻通过第十二电阻接入第二运算放大器的正向输入端；所述第二电阻通过第十一电阻接入第二运算放大器的负向输入端；所述第二运算放大器的输出端通过第十三电阻接入第二运算放大器的正向输入端；所述第就电阻通过第十电阻与第十一电阻相连。

上述无刷电机体包括无槽定子、方波永磁转子以及定子绕组；所述无槽定子套接在方波永磁转子外部；所述定子绕组设置在无槽定子与方波永磁转子之间并固定在无槽定子的内壁上；所述定子绕组与方波永磁转子之间设置有缝隙。

上述定子绕组包括绝缘骨架以及电枢导体；所述电枢导体镶嵌在绝缘骨架上；所述绝缘骨架固定在无槽定子的内壁上。

上述电枢导体是截面为矩形的导线；所述截面为矩形的导线双层交错镶嵌在绝缘骨架上。

上述方波永磁转子包括花键管轴、花键磁极骨架、磁靴以及永磁体；所述花键磁极骨架通过花键环绕设置在花键管轴的外部；所述永磁体通过磁靴固定在花键磁极骨架上。

上述永磁体采用阶梯式梯形永磁体径向内大外小圆周均布在磁靴上，通过磁靴与花键磁极骨架固定。

上述无刷电机体还包括设置在方波永磁转子上的风冷装置；所述风冷装置包括外部风冷装置以及内部风冷装置；所述外部风冷装置是设置在花键管轴内部与花键管轴的轴向方向相并行的通风管；所述内部风冷装置包括设置在方波永磁转子上的窄缝、设置在花键磁极骨架上的并与窄缝相贯通的细缝；所述细缝通过窄缝与定子绕组和方波永磁转子之间所形成的缝隙相贯通。

本发明的优点是：

本发明所提供的六相无位置传感器的直流方波无槽永磁无刷电机的工作原理及控制方法，主要在于控制器根据转子位置控制各相定子绕组的通断，实现进入磁感应强度降低区域的绕组相断电，当断电的绕组相处于磁极交界的正中心时，离开的相邻相通电，进入的相邻相断电，这样六相可以完全消除转矩脉动问题。本发明为了消除现有无位置传感器三相无刷电机从不通电绕组到达磁极交界的正中心，延时30°电角度进行换相难以精确实现的问题，能够提供等同有位置传感器的无刷电机的换相效果；并且六相完全消除转矩脉动；双层矩形导线的一体式定子绕组使气隙减小，结构简单；阶梯式梯形永磁体方波永磁转子更好实现了方波磁场、更好的受力效果、便于加工、节约材料。由于本发明的六相无位置传感器的直流方波永磁无刷电机中磁感应强度降低区域的宽度小于六相绕组的相绕组宽度，永磁体N、S极的宽度大于转子与定子之间气隙的二倍，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通电，而完全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）的绕组不通电，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的产生，且避免了位置传感器的可靠性问题。

附图说明

图1是本发明所提供的六相直流方波永磁无刷电机的电路原理图；

图2是基于本发明所产生的磁场与激励脉冲、电枢电压、信号反馈时序图；

图3是基于本发明的换相时序图；

图4.1是本发明所采用的方波永磁转子以及无槽定子结构示意图；

图4.2是图4.1中A所示结构的局部放大示意图；

图5.1是本发明所提供的无刷电机剖视结构示意图；

图5.2是图5.1的B-B相视图；

图6是本发明所提供的无刷电机整体结构示意图；

其中：

1-无槽定子；2-磁体；3-磁靴；4-花键磁极骨架；5-绝缘骨架；6-电枢导体；7-缝隙；8-窄缝；9-细缝；10-花键管轴；11-方波永磁转子。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种六相直流方波永磁无刷电机，该六相直流方波永磁无刷电机包括控制器、自举绕组驱动电路、激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组以及无刷电机体；控制器分别通过自举绕组驱动电路以及激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组接入无刷电机体。

激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组包括六组相同的激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路；每组激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路分别对应接入无刷电机体。

激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路包括对中电源、光耦隔离激励脉冲源、第一电机相电压钳位电路、第二电机相电压钳位电路以及电枢电感测量对称比较电路；对中电源、光耦隔离激励脉冲源、第一电机相电压钳位电路、第二电机相电压钳位电路以及电枢电感测量对称比较电路依次并联；控制器接入光耦隔离激励脉冲源；第一电机相电压钳位电路以及第二电机相电压钳位电路并联后接入无刷电机体。

如图1所示，R1、R2、D1、C1提供对中电源，R1、R2电阻值相等；R3、G1、R4、T1、T2为光耦隔离激励脉冲源；D2、D3、R5为电机相电压钳位电路，保护激励脉冲源电路，R5兼有电感值测量电阻功能；R6、D4、D5为电机相电压钳位电路，保护电枢电感电流对称比较电路；电枢电感测量对称比较电路由R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、A1、A2、G2组成，R9、R10、R11为运放A1、A2提供正负比较基准，R9、R11电阻值相等，被检测电感所表征的电压进入中心电位的区域时，光耦导通向控制器发出过零信号，正、负激励脉冲结束时刻与这种过零信号上升或下降沿的时间间隔的差异程度反应了不通电绕组离磁极分界中线的距离，通过控制器确认并发出电枢驱动或换相信号。

对中电源包括电源输入端、接地端、第一电阻、第二电阻、稳压管以及电容；电源输入端通过第一电阻分别接入稳压管以及电容；稳压管以及电容并联后通过第二电阻接入接地端；

光耦隔离激励脉冲源包括第一光电耦合器、第三电阻、第四电阻、第一三极管以及第二三极管；第三电阻通过第一光电耦合器接入控制器；第一电阻依次通过第四电阻以及第一光电耦合器接入第二电阻；第一电阻依次通过第一三极管以及第二三极管接入第二电阻；第一三极管与第四电阻并联；第二三极管与第一光电耦合器并联；

第一电机相电压钳位电路包括第二二极管、第三二极管以及第五电阻；第五电阻通过第二二极管与第一电阻相连；第五电阻通过第三二极管与第二电阻相连；第五电阻分别接入第一三极管以及第二三极管；

第二电机相电压钳位电路包括第六电阻、第四二极管以及第五二极管；第六电阻的一端接入第五电阻，另一端分别通过第四二极管以及第五二极管对应接入第一电阻以及第二电阻；

电枢电感测量对称比较电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一运算放大器、第二运算放大器以及第二光电耦合器；第六电阻通过第七电阻接入第一运算放大器的正向输入端；第一电阻通过第九电阻接入第一运算放大器的负向输入端；第一运算放大器的输出端通过第八电阻接入第一运算放大器的正向输入端；第一运算放大器的输出端依次通过第十四电阻以及第二光电耦合器接入第二运算放大器的输出端；第六电阻通过第十二电阻接入第二运算放大器的正向输入端；第二电阻通过第十一电阻接入第二运算放大器的负向输入端；第二运算放大器的输出端通过第十三电阻接入第二运算放大器的正向输入端；第就电阻通过第十电阻与第十一电阻相连。

参见图4.1、图4.2以及图6，为了实现本发明的方波永磁转子、无槽定子结构，定子绕组采用内外双层矩形导线，并与绝缘骨架固连为一体，以提高电枢导线截面、减小径向厚度；方波永磁转子采用阶梯式梯形永磁体径向内大外小圆周均布，使得转子外径处的永磁体宽度大于二倍气隙尺寸，磁力线的最短路径为穿过定子绕组，就减少了漏磁，实现更理想的方波磁场；永磁体的梯形阶梯有利镶嵌，避免楔形力，其结构简单，多个永磁体大小头间隔并排排列，阶梯完全重合，大小头边相齐，用矩形磁钢便可方便、节约下料；永磁体整体的梯形结构使永磁电机的永磁磁极中间磁回路路径长与磁极厚度厚相对应，可以改善磁场均匀程度；而永磁体的阶梯结构没有实质损坏梯形结构的磁场均匀强度、没有过多增加加工工作量，而改善了工艺及实用性。

具体而言，无刷电机体包括无槽定子1、方波永磁转子11以及定子绕组；无槽定子1套接在方波永磁转子11外部；定子绕组设置在无槽定子1与方波永磁转子11之间并固定在无槽定子1的内壁上；定子绕组与方波永磁转子11之间设置有缝隙7。

定子绕组包括绝缘骨架5以及电枢导体6；电枢导体6镶嵌在绝缘骨架5上；绝缘骨架5固定在无槽定子1的内壁上。电枢导体6是截面为矩形的导线；截面为矩形的导线双层交错镶嵌在绝缘骨架5上。方波永磁转子11包括花键管轴10、花键磁极骨架4、磁靴3以及永磁体2；花键磁极骨架4通过花键环绕设置在花键管轴10的外部；永磁体2通过磁靴3固定在花键磁极骨架4上。永磁体2采用阶梯式梯形永磁体2径向内大外小圆周均布在磁靴3上，通过磁靴3与花键磁极骨架4固定。

参见图5.1以及图5.2，为了实现本发明的风冷，永磁转子设计了二路风冷方式，一路是离心式内循环，另一路是轴向外循环。内循环是在转子转动时，通过转子窄缝靠离心力使风吹向定子绕组上、在顺着定子与转子间隙分别流向二个端盖、再被吸入转子内循环孔…以此循环，将热量带向端盖、花键管轴；轴向外循环是外部风循环，它可以将花键管轴温度降低，内、外独立各自循环，避免水、杂质、腐蚀性气体对定子绕组、转子永磁体、绝缘体的破坏。为了实现本发明的花键磁极骨架，如图5所示，花键磁极骨架与花键管轴通过花键连接，可使花键磁极骨架的窄缝加工简单，并方便分别选择更合适的材料。

具体而言，本发明所采用的无刷电机体还包括设置在方波永磁转子11上的风冷装置；风冷装置包括外部风冷装置以及内部风冷装置；外部风冷装置是设置在花键管轴10内部与花键管轴10的轴向方向相并行的通风管；内部风冷装置包括设置在方波永磁转子11上的窄缝8、设置在花键磁极骨架4上的并与窄缝8相贯通的细缝9；细缝9通过窄缝8与定子绕组和方波永磁转子11之间所形成的缝隙7相贯通。

本发明将永磁转子的磁极交界的正中心称为零点，六相定子绕组换相时刻与不通电绕组过零时刻相同，无须延时30度电角度而直接换相的确切控制，与电机速度无关。

本发明的六相无位置传感器的直流方波无槽永磁无刷电机的工作原理及控制方法，主要在于控制器根据转子位置控制各相定子绕组的通断，实现进入磁感应强度降低区域的绕组相断电，当断电的绕组相处于磁极交界的正中心时，离开的相邻相通电，进入的相邻相断电，这样六相可以完全消除转矩脉动问题。本发明的关键是通过激励脉冲下的不通电绕组的电感量测量电路，其实施例，如图1所示。控制器通过对正、负激励脉冲下电枢电感对称程度判断转子位置，并提供电枢驱动控制。

为了实现本发明的控制，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、自举绕组驱动电路、激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路。

由于本发明的六相无位置传感器的直流方波永磁无刷电机中磁感应强度降低区域的宽度小于六相绕组的相绕组宽度，永磁体N、S极的宽度大于转子与定子之间气隙的二倍，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通电，而完全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）的绕组不通电，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的产生，且避免了位置传感器的可靠性问题。

为了实现本发明的转子位置检测，磁场、激励脉冲、电枢电压、信号反馈时序图，如图2所示。从控制器发出的正、负激励脉冲A1的结束开始，接收的A2上升或下降沿时刻的回零时刻至，这二段时间的一致性程度，就是转子换相时间的远近，时间相等即为零点的换相时刻。这里激励脉冲的频率、宽度可灵活通过控制器软件调整，转子位置的判定是以时间的一致程度通过控制软件给出。启动前电机静止时，转子位置通过对六相电感量逐一测量，得出完全处于零点的一相或不完全处在零点的二相及这二相定量位置。这种方法简单、确切、灵活，比位置传感器更能细致测得转子的位置，这在启动前的静止测量转子位置时就能显现出来其优势，这种测量方法效果类似旋转变压器转子位置测量。

当电机从静止启动到速度增加，反电动势随着增加，不通电绕组的反电动势离零点位置越远越大，淹没了激励脉冲信号，不通电绕组的反电动势靠近零点位置时反电动势越来越小，到达零点位置时反电动势为零，不会影响转子位置换相时刻的判断。本发明的换相时序，如图3所示。

Claims (10)

1.一种六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述六相直流方波永磁无刷电机包括控制器、自举绕组驱动电路、激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组以及无刷电机体；所述控制器分别通过自举绕组驱动电路以及激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组接入无刷电机体。

2.根据权利要求1所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路组包括六组相同的激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路；所述每组激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路分别对应接入无刷电机体。

3.根据权利要求2所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述激励脉冲下的不通电绕组电感值检测电路包括对中电源、光耦隔离激励脉冲源、第一电机相电压钳位电路、第二电机相电压钳位电路以及电枢电感测量对称比较电路；所述对中电源、光耦隔离激励脉冲源、第一电机相电压钳位电路、第二电机相电压钳位电路以及电枢电感测量对称比较电路依次并联；所述控制器接入光耦隔离激励脉冲源；所述第一电机相电压钳位电路以及第二电机相电压钳位电路并联后接入无刷电机体。

4.根据权利要求3所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：

所述对中电源包括电源输入端、接地端、第一电阻、第二电阻、稳压管以及电容；所述电源输入端通过第一电阻分别接入稳压管以及电容；所述稳压管以及电容并联后通过第二电阻接入接地端；

所述光耦隔离激励脉冲源包括第一光电耦合器、第三电阻、第四电阻、第一三极管以及第二三极管；所述第三电阻通过第一光电耦合器接入控制器；所述第一电阻依次通过第四电阻以及第一光电耦合器接入第二电阻；所述第一电阻依次通过第一三极管以及第二三极管接入第二电阻；所述第一三极管与第四电阻并联；所述第二三极管与第一光电耦合器并联；

所述第一电机相电压钳位电路包括第二二极管、第三二极管以及第五电阻；所述第五电阻通过第二二极管与第一电阻相连；所述第五电阻通过第三二极管与第二电阻相连；所述第五电阻分别接入第一三极管以及第二三极管；

所述第二电机相电压钳位电路包括第六电阻、第四二极管以及第五二极管；所述第六电阻的一端接入第五电阻，另一端分别通过第四二极管以及第五二极管对应接入第一电阻以及第二电阻；

所述电枢电感测量对称比较电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一运算放大器、第二运算放大器以及第二光电耦合器；所述第六电阻通过第七电阻接入第一运算放大器的正向输入端；所述第一电阻通过第九电阻接入第一运算放大器的负向输入端；所述第一运算放大器的输出端通过第八电阻接入第一运算放大器的正向输入端；所述第一运算放大器的输出端依次通过第十四电阻以及第二光电耦合器接入第二运算放大器的输出端；所述第六电阻通过第十二电阻接入第二运算放大器的正向输入端；所述第二电阻通过第十一电阻接入第二运算放大器的负向输入端；所述第二运算放大器的输出端通过第十三电阻接入第二运算放大器的正向输入端；所述第就电阻通过第十电阻与第十一电阻相连。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述无刷电机体包括无槽定子、方波永磁转子以及定子绕组；所述无槽定子套接在方波永磁转子外部；所述定子绕组设置在无槽定子与方波永磁转子之间并固定在无槽定子的内壁上；所述定子绕组与方波永磁转子之间设置有缝隙。

6.根据权利要求5所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述定子绕组包括绝缘骨架以及电枢导体；所述电枢导体镶嵌在绝缘骨架上；所述绝缘骨架固定在无槽定子的内壁上。

7.根据权利要求6所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述电枢导体是截面为矩形的导线；所述截面为矩形的导线双层交错镶嵌在绝缘骨架上。

8.根据权利要求7所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述方波永磁转子包括花键管轴、花键磁极骨架、磁靴以及永磁体；所述花键磁极骨架通过花键环绕设置在花键管轴的外部；所述永磁体通过磁靴固定在花键磁极骨架上。

9.根据权利要求8所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述永磁体采用阶梯式梯形永磁体径向内大外小圆周均布在磁靴上，通过磁靴与花键磁极骨架固定。

10.根据权利要求9所述的六相直流方波永磁无刷电机，其特征在于：所述无刷电机体还包括设置在方波永磁转子上的风冷装置；所述风冷装置包括外部风冷装置以及内部风冷装置；所述外部风冷装置是设置在花键管轴内部与花键管轴的轴向方向相并行的通风管；所述内部风冷装置包括设置在方波永磁转子上的窄缝、设置在花键磁极骨架上的并与窄缝相贯通的细缝；所述细缝通过窄缝与定子绕组和方波永磁转子之间所形成的缝隙相贯通。

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