CN103199665B - 无感应器的三相无刷直流马达 - Google Patents

Abstract

一种无感应器的三相无刷直流马达，其包含一定子、一转子及一驱动单元。该定子具有一个第一相线圈组、一个第二相线圈组及一个第三相线圈组，各该线圈组均具有一个线圈电感值，各该线圈电感值具有一个变动率大于15%，该定子具有一个基部及数个磁极件，该磁极件连接该基部并沿该定子的径向延伸，且该磁极件具有一个臂部连接于一个激磁部及该基部之间，该臂部在该定子的圆周方向上的宽度与该激磁部在该定子的圆周方向上的宽度的比率小于35%；该转子具有数个磁极，各该磁极具有一个磁极面朝向该定子；该驱动单元具有一个信号输入/输出埠及一个电源输入端，该信号输入/输出埠连接该定子的第一、第二及第三相线圈组，该电源输入端接收电力以执行该驱动单元的工作。借此，可有效避免该转子在马达启动时发生抖动现象甚或逆转现象，且也可因而进一步缩短启动时间。

Description

无感应器的三相无刷直流马达

技术领域

本发明有关于一种无刷直流马达，特别是一种无设置感应器且可快速测得转子启动位置的三相无刷直流马达。

背景技术

由于无刷直流马达具有高效率的优势，因此多数业者均将其使用在电子产品上。该现有无刷直流马达的启动控制程序通常利用一霍尔感测器的检测，以确定一转子的磁极定位位置，以便后续的驱动控制得以顺畅进行。然而，该有感测器无刷直流马达在一些应用场合中，往往因为环境条件限制而无法使用该霍尔感测器(例如压缩机引起的高热造成该霍尔感测器误动作)，此显著影响该无刷直流马达的启动作业。

有鉴于此，业界目前极力发展用以控制该无刷直流马达的启动程序的无感测器技术，以便克服上述缺点。一般而言，该现有无刷直流马达的无感测器启动方法包含一固定激磁式转子定位步骤及一开回路启动步骤。在该固定激磁式转子定位步骤中，将一定子的线圈以固定激磁电流进行激磁，使一转子定位在一启动定位位置；接着，再进行该开回路顺序启动步骤，使该转子朝一预定方向增速转动。借此，可由上述固定激磁式转子定位步骤及开回路启动步骤等操作程序完成该无刷直流马达的无感测器启动控制。

然而，一般而言，上述现有无刷直流马达的无感测器启动方法将具有以下缺点：当该定子的二组相邻的定子磁极经激磁所产生的磁场方向，与该转子朝向该二定子磁极的二转子磁极的磁场方向相同时，便会发生该定子作用于该转子的推斥合力为零的状况，此即所谓转子位于启动死角的情况。在此情况下，若强制执行该开回路启动步骤，将易于导致该转子发生抖动现象，甚至朝与该预定方向相反的方向旋转，降低该无刷直流马达的启动顺畅性。由于上述缺点并不易于仅通过启动方法的改良而获得改善，因此有必要进一步改良上述的现有无刷直流马达，使其更适用于较新颖的无感测器启动控制方法，以期能将无刷直流马达运用在各种不同条件的使用环境中。

发明内容

本发明目的是提供一种无感应器的三相无刷直流马达，以便于启动马达时精确的检测转子位置，达到防止抖动现象及缩短启动时间的目的。

本发明的技术手段为：一种无感应器的三相无刷直流马达，其包含一定子、一转子及一驱动单元。该定子具有一第一相线圈组、一第二相线圈组及一第三相线圈组，各该线圈组均具有一线圈电感值，各该线圈电感值具有一变动率大于15%，该定子具有一基部及数个磁极件，该磁极件连接该基部并沿该定子的径向延伸，且该磁极件具有一臂部连接于一激磁部及该基部之间，该臂部在该定子的圆周方向上的宽度与该激磁部在该定子的圆周方向上的宽度的比率小于35%；该转子具有数个磁极，各该磁极具有一磁极面朝向该定子；该驱动单元具有一信号输入/输出埠及一电源输入端，该信号输入/输出埠连接该定子的第一、第二及第三相线圈组，该电源输入端接收电力以执行该驱动单元的工作。借此，可有效避免该转子在马达启动时发生抖动现象甚或逆转现象，且也可因而进一步缩短启动时间。

本发明的技术手段另包含：一种无感应器的三相无刷直流马达的定子，其包含一第一相线圈组、一第二相线圈组及一第三相线圈组，各该线圈组均具有一线圈电感值，各该线圈电感值具有一最大值、一最小值及一变动量，该变动量为该最大值及最小值的差值，该变动量相对于该最大值具有一变动率大于15%，该定子具有一基部及数个磁极件，该磁极件连接该基部并沿该定子的径向延伸，且该磁极件具有一臂部连接于一激磁部及该基部之间，该臂部在该定子的圆周方向上的宽度与该激磁部在该定子的圆周方向上的宽度的比率小于35%。

本发明的有益效果在于：借助本发明的定子的各该线圈组U、V、W的线圈电感值的变动率R大于15%，可在本发明较佳实施例的三相无刷直流马达进行无感测器启动时先进行精确的转子位置检测，并根据检测所得的结果精确推估该转子与该定子之间的相对位置关系，进而由该驱动单元直接送出对应于该转子的位置且适于启动该转子的驱动电力。因此，本发明的三相无刷直流马达确实可有效避免该转子在启动时发生抖动现象甚或逆转现象，且也可因而进一步缩短该转子由静止状态加速至一预定转速的暂态启动时间。

附图说明

图1：本发明较佳实施例的无感应器的三相无刷直流马达的系统架构图。

图2：本发明较佳实施例的无感应器的三相无刷直流马达的定子的组合示意图。

图3：三相无刷直流马达的线圈电感值-转子角度的关系曲线图。

图4：本发明较佳实施例的无感应器的三相无刷直流马达的线圈电感值-转子角度的关系曲线图。

主要元件符号说明：

1定子      11基部     12磁极件      121臂部

122激磁部  123线圈    2转子         21N磁极

22S磁极    3驱动单元  31电源输入端  32命令输入端

33信号输入/输出埠     34中性连接端  U第一相线圈组

V第二相线圈组         W第三相线圈组。

具体实施方式

为让本发明上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

请参照图1所示，其绘示本发明较佳实施例的无感应器的三相无刷直流马达的系统架构图。在本实施例中，选择以一外转子式的三相无刷直流马达作为该无刷直流马达，然而本发明的三相无刷直流马达也可选择为内转子式，其中该三相无刷直流马达包含一定子1、一转子2及一驱动单元3。该定子1在电路结构上具有一第一相线圈组U、一第二相线圈组V及一第三相线圈组W，且该第一、第二及第三相线圈组U、V、W的连接形态可由具有一中性接点C的Y接法所构成，其也可由三角型接法所构成。请参照图2所示，其为本发明的定子1的组合示意图。该定子1在形态结构上包含一基部11及数个磁极件12，该数个磁极件12连接于该基部11的外周边，并沿该定子1的径向向外延伸，且各该磁极件12均具有一臂部121、一激磁部122及一线圈123。该臂部121连接该基部11及该激磁部122且沿该定子1的径向延伸，且该臂部121在该定子1的圆周方向上具有一宽度d1；该激磁部122在该定子1的圆周方向上具有一宽度d2；该线圈123缠绕于该臂部121，且该线圈123即用以构成该第一、第二或第三相线圈组U、V、W。

请再参照图1所示，该转子2具有至少一N磁极21及至少一S磁极22，且各该磁极21、22的磁极面均朝向该定子1。该驱动单元3较佳由一驱动IC或具有微控制器（Micro Control Unit）的驱动电路所构成，且该驱动单元3具有一电源输入端31、一命令输入端32及一信号输入/输出埠33。该电源输入端31供接收电力以执行该驱动单元3的工作；该命令输入端32供接收一控制信号CS；该信号输入/输出埠33连接该定子1的各该线圈组U、V、W，以供将流过该第一、第二及第三相线圈组U、V、W的电流输入该驱动单元3，或将该驱动单元3所产生的驱动电力输出至该第一、第二及第三相线圈组U、V、W。当该定子1的线圈组U、V、W的连接形态为具有该中性接点C的Y接法所构成，该驱动单元3另具有一中性连接端34连接该定子1的中性接点C。此外，也可仅由该电源输入端31所接收的电压准位决定该转子2的预定转速，在此情况下也可省略该命令输入端32。

详言之，通过该信号输入/输出埠33，在欲启动该转子2进行转动时，该驱动单元3可送出一测试信号至该定子1的任二相线圈组（例如该第二相线圈组V及第三相线圈组W），并检测未输入该测试信号的另一相线圈组（例如该第一相线圈组U）的感应电动势，进而得知该另一相线圈组的线圈电感值，并以此方法依序获得各该线圈组U、V、W的线圈电感值。其中，由于受到该转子2的各该磁极21、22所产生的磁力影响，自各该第一、第二及第三相线圈组U、V、W所测得的线圈电感值均非呈一定值，而是依该转子2的位置呈现一周期性波形。如图3所示，其即绘示在具有二N磁极21及二S磁极22的转子2所构成的磁场中，该定子1的各该线圈组U、V、W的线圈电感值的周期性变化曲线，其中该变化曲线的纵轴为线圈电感值，而该变化曲线的横轴即为该转子2由0度至180度的角度值。另，在该转子2由180度至360度的范围内，该线圈电感值与该转子2的角度的相对关系与由0度至180度时的相对关系相同。借此，根据所测得的各该线圈组U、V、W的线圈电感值，该驱动单元3可推知该转子2与该定子1的相对位置，进而据以由该信号输入/输出埠33送出适于启动位于此位置的转子2的驱动电力。

承上所述，本发明的三相无刷直流马达的特征在于，该定子1具有下述特性：针对该定子1呈周期性变化的第一、第二及第三相线圈组U、V、W的线圈电感值，各该线圈电感值均具有一最大值Lmax、一最小值Lmin及一变动量，其中该变动量为该最大值Lmax及最小值Lmin的差值，该变动量相对于该最大值Lmax具有一变动率R大于15%，且该变动率较佳为20%至60%。换言之，该变动率R满足下列不等式：

$R=\frac{L\max -L\min }{L\max }>15\%---\left(1\right)$

由于各该线圈电感值的变动率大于15%，故该驱动单元3可在送出驱动电力的前计算得知该转子2在该定子1所构成的磁场之中的明确位置，而不至于因该变动率R过小而发生判断错误的情况。因此，本发明的三相无刷直流马达确实可有效避免该转子2在启动时发生抖动现象甚或逆转现象，且也可缩短该转子2由静止状态加速至该控制信号CS所对应的转速的暂态时间。

承上所述，请再参照图2所示，本发明的定子1的各该线圈组U、V、W的线圈电感值的变动率R的影响因素极多，然其主要可大致归纳由下列三项因素所决定：一、构成该转子2的各该磁极21、22的材质的磁能积（magnetic energy product）；二、该定子1的臂部121的宽度d1；三、该线圈123的匝数。其中，该磁能积较佳大于3兆高奥（MGOe），更佳大于5兆高奥；该臂部121的宽度d1与该激磁部122的宽度d2的比率小于35%，更佳小于23%；该线圈123的匝数较佳大于80匝，更佳大于100匝。请另参照图4所示，其为该转子2的材质的磁能积为5兆高奥、宽度d1与宽度d2的比值为22%及该线圈123的匝数为110匝时，各该线圈组U、V、W的线圈电感值的变化曲线。详言之，该第一相线圈组U的最大值Lmax及最小值Lmin分别为427.6uH及200uH，由(1)式可得：

$R_1=\frac{L\max -L\min }{L\max }=\frac{427.6-200}{427.6}=53.2\%---\left(2\right)$

故该第一相线圈组U的变动率R1为53.2%；该第二相线圈组V的最大值Lmax及最小值Lmin分别为427uH及210.7uH，由(1)式可得：

$R_2=\frac{L\max -L\min }{L\max }=\frac{427-210.7}{427}=50.7\%---\left(3\right)$

故该第二相线圈组V的变动率R2为50.7%；该第三相线圈组W的最大值Lmax及最小值Lmin分别为439.3uH及198uH，由(1)式可得：

$R_3=\frac{L\max -L\min }{L\max }=\frac{439.3-198}{439.3}=54.9\%---\left(4\right)$

故该第三相线圈组W的变动率R3为54.9%。

此外，在该变动率R大于15%的情况下，当将该测试信号输入各该线圈组U、V、W时，该测试信号具有3至4.5mV以上的振幅，以供检测各该线圈组U、V、W的线圈电感值。其中，该测试信号所选择的3至4.5mV的振幅对应于使该转子2进行每秒20至30转的启动转速。同理，在顺利启动该转子2之后，在该转子2以每秒1000转的稳定转速旋转的情况下，该驱动电力具有150mV以上的振幅。

综上所述，借助本发明的定子1的各该线圈组U、V、W的线圈电感值的变动率R大于15%，可在本发明较佳实施例的三相无刷直流马达进行无感测器启动时先进行精确的转子位置检测，并根据检测所得的结果精确推估该转子2与该定子1之间的相对位置关系，进而由该驱动单元3直接送出对应于该转子2的位置且适于启动该转子2的驱动电力。因此，本发明的三相无刷直流马达确实可有效避免该转子2在启动时发生抖动现象甚或逆转现象，且也可因而进一步缩短该转子2由静止状态加速至一预定转速的暂态启动时间。

Claims (4)

1.一种无感应器的三相无刷直流马达，其特征在于包含：

一个定子，具有一个第一相线圈组、一个第二相线圈组及一个第三相线圈组，各该线圈组均具有一个线圈电感值，各该线圈电感值的变动率大于15%，该定子具有一个基部及数个磁极件，该磁极件连接该基部并沿该定子的径向延伸，且该磁极件具有一个臂部连接于一个激磁部及该基部之间，该臂部在该定子的圆周方向上的宽度与该激磁部在该定子的圆周方向上的宽度的比率小于35%；

一个转子，具有数个磁极，各该磁极具有一个磁极面朝向该定子，且构成该转子的材质的磁能积大于3兆高奥；

一个驱动单元，具有一个信号输入/输出埠及一个电源输入端，该信号输入/输出埠连接该定子的第一、第二及第三相线圈组，该电源输入端接收执行该驱动单元的工作的电力。

2.一种无感应器的三相无刷直流马达，其特征在于包含：

一个定子，具有一个第一相线圈组、一个第二相线圈组及一个第三相线圈组，各该线圈组均具有一个线圈电感值，各该线圈电感值的变动率大于15%，该定子具有一个基部及数个磁极件，该磁极件连接该基部并沿该定子的径向延伸，且该磁极件具有一个臂部连接于一个激磁部及该基部之间，该臂部在该定子的圆周方向上的宽度与该激磁部在该定子的圆周方向上的宽度的比率小于35%，该臂部沿该定子的径向延伸，数个线圈缠绕于该数个磁极件的臂部形成该第一、第二及第三相线圈组，且该线圈的匝数大于80；

一个转子，具有数个磁极，各该磁极具有一个磁极面朝向该定子；

一个驱动单元，具有一个信号输入/输出埠及一个电源输入端，该信号输入/输出埠连接该定子的第一、第二及第三相线圈组，该电源输入端接收执行该驱动单元的工作的电力。

3.一种无感应器的三相无刷直流马达的定子，其特征在于包含：一个第一相线圈组、一个第二相线圈组及一个第三相线圈组，各该线圈组均具有一个线圈电感值，各该线圈电感值具有一个最大值、一个最小值及一个变动量，该变动量为该最大值及最小值的差值，该变动量相对于该最大值的变动率大于15%，且该变动率介于20%至60%，该定子具有一个基部及数个磁极件，该磁极件连接该基部并沿该定子的径向延伸，且该磁极件具有一个臂部连接于一个激磁部及该基部之间，该臂部在该定子的圆周方向上的宽度与该激磁部在该定子的圆周方向上的宽度的比率小于35%。

4.一种无感应器的三相无刷直流马达的定子，其特征在于包含：一个第一相线圈组、一个第二相线圈组及一个第三相线圈组，各该线圈组均具有一个线圈电感值，各该线圈电感值具有一个最大值、一个最小值及一个变动量，该变动量为该最大值及最小值的差值，该变动量相对于该最大值的变动率大于15%，该定子具有一个基部及数个磁极件，该磁极件连接该基部并具有臂部沿该定子的径向延伸，数个线圈缠绕于该数个磁极件的臂部形成该第一、第二及第三相线圈组，且该线圈的匝数大于80，且该磁极件具有一个臂部连接于一个激磁部及该基部之间，该臂部在该定子的圆周方向上的宽度与该激磁部在该定子的圆周方向上的宽度的比率小于35%。