CN103609005B - 由带有电子控制元件的无刷直流电机构成的电机总成 - Google Patents

Abstract

一种电机总成（101），包括带有电子控制元件（103）的无刷直流电机（102），所述电子控制元件包括至少两个用于测量来自无刷直流电机（102）转子上磁极的磁通量的磁场传感器。磁场传感器用于测定转子的角度位置，以达到根据所述测得的角度位置控制所述无刷直流电机电流的目的。无刷直流电机是一种外转子电机（102），包括内定子（104）和外转子（105），外转子包括外围（106）和内侧（107），永久磁铁（108、109、110和111）以固定间隔沿内侧（107）分布以提供磁极。磁场传感器（112和113）相互间以一定间隔设在外围（106）的附近，用于测量内侧（107）上永久磁铁（108、109、110和111）放射状地漏过外转子（105）的磁通量。

Description

由带有电子控制元件的无刷直流电机构成的电机总成

技术领域

本发明涉及一种由带有电子控制元件的无刷直流电机构成的电机总成。

背景技术

在使用电动机的很多应用中，都要求电动机转子能平稳转动，因此也就要求能精确控制转子电流和电流波形。若要充分实现所述精确控制，需要能准确地检测出转子的角度位置。传统的电动机通常使用角度传感器或角度解算器和配套的电子器件来测定角度位置。角度传感器检测机械运动并将检测到的运动转换成电信号。光脉冲传感器和绝对角度传感器为常用的两种角度传感器。

若要实现对电流的精确控制和使无刷直流电机（即转子上带永久磁铁和电子换向器的交流电机）平稳转动，需要使用准确的检测器来检测转子和电子换向器的角度位置。例如US2010/0090633 A1揭露了一种由带转轴的无刷直流电机、与电机连接并位于转轴外部的电子控制器和固定在转轴上以便在转轴带动下在与轴正交的平面内转动或带动轴转动的双极永久磁铁构成的电机总成。另外，该电机总成还包括X-Y霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器由电子控制器承载，设在磁铁附近。当磁铁在电机转轴的带动下转动时，霍尔效应传感器产生磁场的正弦和余弦分量。电子控制器还包括根据所述正弦和余弦分量测定电机角度位置的装置和换向逻辑电路。电路板上位于电机总成转轴一端正上方的控制器高度集成了多种功能：内部模拟数字转换器、驱动功率放大器用的脉冲宽度调制寄存器、内部通信端口和所有电动机控制所需的RAM内存器和非易失性闪存。

EP 1 099 092 B1揭露了一种无刷电动机及其控制方法。所述电动机包括转子、带若干个磁极的感测元件、第一和第二霍尔效应传感器（所述霍尔传感器的感应平面与感测元件表面垂直，用于测量与感测元件相切的方向上磁极的磁通量），其中一个感测元件和第一和第二霍尔效应传感器与转子相对位置固定不变。霍尔效应传感器用于输出测量信号，以便来自第一和/或第二传感器的至少一个输出信号在转子的每个转动位置处均为线性信号，其中测量信号用于测定一个电周期内转子的绝对转动位置；电机根据转子解码位置进行控制。

US 7 579 799 B2揭露了一种转子角度位置测量系统、角度位置测量方法和电动机控制方法。该系统具有转子总成和传感器组件，其中，转子总成由若干个环状分布的电动机磁极的磁域构成，传感器组件具有至少两个以指定的相对角度分开设置的霍尔效应装置。传感器组件设计用于根据与电动机磁极的磁域轴向转动相应的磁通量变化产生若干个输入信号。位置测量组件设计用于对所述输入信号进行处理以产生转换的正弦参考信号。正弦参考信号有至少一个偏置标度因数和振幅标度因数。通过处理所述输入信号以产生与转子角度位置的近似测量结果一致的位置估计信号，来确定错误项。然后，对错误项进行处理，可得到精确的转子角度位置测量结果。

此外，US 6 906 494 B2揭露了一种用于驱动带转子（转子带磁铁）的电动机的电动机控制器。电动机控制器包括磁通量检测器，用于检测来自磁极的磁通并获得磁极信号；位置信号转换器，用于根据磁极信号确定转子位置；微分器，用于根据位置信号转换器的输出确定速度信号；速度控制器，用于通过对速度信号和预定指导速度进行比较输出指令信号；脉冲宽度调制控制器，用于根据指令信号对电动机进行脉冲宽度调制驱动。脉冲宽度调制控制器以正弦波形驱动电动机，其中，磁极信号为相位差是90°的两相正弦波信号。

现有技术中带无刷电机和集成电子控制器的电机总成的缺点是，体积通常很庞大笨重，不适合在很多场合中使用。其中一个原因是，传统无刷直流电机一般产生的转矩相当小，这就意味着必须选用较大规格的电动机，否则要使用变速箱以使电动机输出足够大的转矩。另外一个原因是，很多现有技术的电机总成的设计都要求采用结构复杂且非常占用空间的测量设备（通常设在电动机的转轴末端）以便测量转子的角度位置，和/或笨重的电子控制元件，这就显著增加了电机总成的长度或规模。

发明内容

为此，本发明的首要目的是提供一种结构特别紧凑、带无刷直流电机和电子控制元件的电机总成，这种电机总成提供了输出扭矩、功率体积比和效率等方面的性能实质上的更佳表现，以及相比现有技术中的电机总成，价格非常低。

第一个目的通过根据权利要求1的电机总成实现，该电机总成包括带有电子控制元件的无刷直流电机，该电子控制元件包括至少两个用于测量来自无刷直流电机转子上磁极的磁通量的磁场传感器，其中，磁场传感器用于根据磁通量的测量结果测定转子的角度位置，以达到根据转子的角度位置控制无刷电机电流的目的；其中，无刷直流电机是一种外转子电机，包括内定子和外转子，其中外转子包括外围和内侧，永久磁铁以固定间隔沿内侧分布以提供磁极；其中，至少两个磁场传感器相互间以一定间隔设在外围的附近，用于测量内侧上永久磁铁放射状地漏过外转子的磁通量。

由于本发明的电机总成采用带磁场传感器的集成电子控制元件来测定无刷直流电机转子的角度位置，并且本发明是一种外转子电机，才得以实现结构紧凑、电机性能优越、价格非常便宜的这样一种电机总成。由于采用外转子电机，本发明的电机总成可提供足够高的扭矩，因此无需使用变速箱，使得本发明设计简单、价格便宜、外形尺寸较小。此外，由于采用外转子电机，本发明的电机总成能够获得非常高的效率，产生较高的输出功率和消耗较少的能量。由于采用磁场传感器和外转子电机组合设置的方式，通过测量径向漏出外转子（外指相对定子）的磁通量即可测定转子的角度位置，简化了整个测量设备，电子控制器结构也更紧凑，因此本发明的电机总成相对其电机性能来说，可制成很小的外形尺寸。

附图说明

以下结合附图，对本发明的若干具体实施例（仅作为示例）对进行详细说明：

图1为本发明电机总成的剖视图，所示为电机总成的结构和工作原理；

图2为本发明一个优选实施例的电机总成的部分分解立体图；及

图3为图2中组装好的电机总成的另一立体图。

具体实施方式

以下参考附图对本发明的若干实施例进行详细说明。图1为本发明电机总成横截面的示意图。图2为本发明一个优选实施例的电机总成的部分分解立体图，而图3为图2中组装好的电机总成。

电机总成101包括带有电子控制元件103的无刷直流电机102。无刷直流电机也可以定义为用带有永久磁铁（设于转子上）和电子换向器的交流电机。

电子控制元件103包括至少两个用于测量来自无刷直流电机102转子上磁极的磁通量的磁场传感器。磁场传感器用于根据磁通量的测量结果测定转子的角度位置，以达到根据转子的角度位置控制无刷直流电机电流的目的，

根据本发明的无刷直流电机为外转子电机102。这种无刷直流电机最近几年普遍用在模型飞机中，已经在商业上获得应用。外转子电机102包括内定子104和外转子105。图1中斜线区SI、S2和S3表示定子的铜线绕组。外转子105包括外围106和内侧107，并带若干永久磁铁108、109、110和111（如图1中黑底加白点区域所示）。

在本发明的电机总成的优选实施例中，上述磁场传感器包括至少两个固定不动的霍尔传感器112和113，最好使用线性霍尔传感器。从现有技术的说明中，可明显了解到霍尔传感器因常用在无刷直流电机控制系统中已为人们所熟知，因此此处不再赘述。但是，本发明实施例也可以设计成采用其它类型的磁场传感器，如磁阻传感器、磁致收缩传感器或磁通门传感器。在本发明的电机总成中，传感器的尺寸最好比较小，设置几个或者不设置任何活动件，这是为什么优选使用霍尔效应传感器或磁阻传感器的原因。

本发明的电机总成中，永久磁铁108、109、110和111以固定间隔沿外转子的内侧107分布以提供前述磁极，其中，上述至少两个磁场传感器112和113相互间以一定间隔设在外围106的附近，用于测量转子内侧107上永久磁铁108、109、110和111放射状地漏过外转子105的磁通量。

由于本发明的电机总成中采用磁场传感器和外转子电机转子上永久磁铁的组合测量设备，通过测量径向漏出外转子（外指相对定子）的磁通量即可测定上述的角度位置，简化了整个测量设备，电子控制元件结构也更紧凑。此外，尤其因为采用了霍尔传感器，测量设备能提供准确度约为±1°的测量结果，并达到了约0.1°的分辨率。

外转子电机的外转子105的内侧107上设置偶数个永久磁铁108、109、110和111。永久磁铁每隔一个北极向内，每隔一个南极向内。因此，外转子中磁极最少数量可为两个，两个磁极构成一个电周期。外转子电机中磁极数越多，该外转子电机中的电周期就越多。从几何角度来说，电周期等于（360°除以磁极数量）乘以2，用度（°）表示。

在本发明的一个优选实施例中，外转子电机102的外转子105上设置超过6个磁极。通过这种布置，电周期将小于30°，从几何角度来说，可以在电周期内以至少90°的间隔设置两个固定不动的磁场传感器112和113，这样磁场传感器不用离转子太远。

在本发明的电机总成的特别优选的实施例中，两个磁场传感器112和113之间的距离约对应着无刷直流电机102的电周期内90°的位移，优选精确为电周期内的90°位移。用这种方式布置磁场传感器，传感器的各个正弦信号也间隔90°，这就意味着一个信号的导数为0，另一个信号的导数在最大值。由于转子角度位置的准确度由信号的导数确定，因此该实施例可提供尽可能高的测量分辨率，从而能对电机总成工作实现非常精确的控制。

磁场传感器112和113优选设计用于根据漏磁通量的测量结果产生正弦和余弦信号，其中电子控制元件103包括至少一个微处理器114（见图2），所述微处理器设计用于读取和转换测量信号并根据测量信号计算无刷直流电机102的电周期内外转子105的角度。微处理器114优选设计成使用反三角函数和校准曲线计算转子角度。

在另一个优选实施例中，磁场传感器112和113设计用于根据漏磁通量的测量结果产生测量信号，其中电子控制元件103包括至少一个微处理器114，所述微处理器114用于读取所述测量信号并根据测量信号估计无刷直流电机102的电周期内外转子105的角度位置。微处理器114使用反三角函数来估计所述角度位置,具体实施方法优选查表法和插值法。。微处理器114优选设计成进一步使用校准曲线估计角度位置，以提高估计的准确度。

本发明的电机总成中的集成电子控制元件主要分为三个功能：1）磁场传感器的关联信号处理；2）传感器信号转换成角度，进一步计算出应供给定子中每一个电极的电流；3）功率电子器件为电极提供电流。电子控制元件还提供反馈功能，以便偏离转子角度位置设定点时，总有恢复力矩作用在转子上。

在本发明的一个优选实施例中，电子控制元件包括至少一个与外转子105外围106正切的平面电路板115，其中所述至少两个磁场传感器112和113安装在该电路板115上。这种布置简化了安装过程，电机总成在轴向上长度很短。

在本发明特别优选的一个实施例中，所述至少两个磁场传感器112和113、所述至少一个带必要软件的微处理器114、所述至少一个电路板115和电子控制元件103中其它部件共同构成了控制系统，其中控制系统和无刷直流电机集成在同一个外壳116中。根据本发明，这种布置使控制系统能集成在电机总成中，结构非常紧凑。

在一个优选实施例中，本发明的电机总成外壳116包括至少一个铝侧面117，所述电路板115安装在该铝侧面的背面上，其中铝侧面117能够作为散热凸缘和电动机盖。本发明电机总成设置一个或多个这样的铝侧面（优选挤压成型）能够确保电路板具有良好的散热效果，电路板上的电子元件不会过热。

在本发明特别优选的一个实施例中，所示至少两个磁场传感器112和113、所述至少一个微处理器114和控制器系统中所有其它元件设置在同一个电路板115上。这种布置简化了安装过程，降低了生产成本，使本发明的电机总成能够具有尽可能小的外形尺寸。

在本发明电机总成的一个优选实施例中，集成在电机总成101中的控制系统构成了用于控制外转子105位置、速度或加速度的反馈控制系统。

本发明的电机总成的无刷直流电机102优选设置一个输出轴118，其中外壳116上设置一个供输出轴穿过的孔119。

电机总成外部可设置至少一个可视信号装置120和121，用于显示外转子105角度位置相关的信号，会很有利。在图1至图3所示的电机总成中，外部设置红色灯120和绿色灯121，分别用于以适当的方式显示转子的瞬时角度位置，这在调节电子控制元件时，会很有利。

为使本发明的电机总成能够用作伺服电机或类似电机，集成控制系统优选设计成能够与提供角度位置、速度或加速度设定点的主控制系统通信。

为此，在一个优选实施例中，电机总成101设置至少一个通信端口122供连接外部设备。该数据通信端口可根据任何适用的标准接口设计，并用于在本发明电机总成和外部控制测量或诊断系统之间进行通信。

下表1为市售的带含编码器的无刷直流电机和集成位置控制器的传统型电机总成与附图中所示的本发明的电机总成范例的一些参数的对照表。

表1

参数：	采用传统技术的市售电机总成	本发明的电机总成范例
			尺寸	120x33x53，495克	80x60x70，600克
效率	70%	85%
			功率（最大）	60（270）W	100（400）W
扭矩（最大）	54（218）mNm	600（1100）mNm
			速度	12000 rpm	4000 rpm
价格	6000 SEK（店铺内）	生产成本约600-800 SEK

从上表中可明显看出，与比采用传统技术的市售电机总成相比，本发明的电机总成范例在该实施例中虽然重量稍重，体积稍大，但能产生大得多的扭矩（大于11倍），输出功率更高，效率也更高。若要产生和本发明范例一样大的扭矩，采用传统技术的电机总成就需要设置齿轮箱，这样相比表1中本发明的电机总成，该齿轮箱将会使得其尺寸和重量大大增加，并会降低速度和效率。

可以想象，本发明的电机总成的这些优点可应用到很多不同的领域。比如，用本发明的电机总成代替自动化应用中的步进电机，以改装车床和铣床等手工生产机器。在这种应用中，本发明的电机总成以相同或更低的价格提供更高的性能，非常有竞争力。用本发明的电机总成代替步进电机还有其它优点，如反馈定位、速度和输出功率更大、高速下扭矩较大、无振动、仅在必要时才消耗功率、外形尺寸更小、重量更轻。

以上参考附图对本发明的若干实施例进行了详细的说明。应该理解的是，所述实施例和图中的细节应仅作为示例，在以下权利要求书的范围内还可能具有很多其它实施方式。

Claims (8)

1.一种电机总成(101)，包括带有电子控制元件(103)的无刷直流电机(102)，所述电子控制元件(103)包括至少两个用于测量来自所述无刷直流电机(102)转子上磁极的磁通量的磁场传感器，所述磁场传感器用于根据所述磁通量的测量结果测定所述转子的角度位置，以达到根据所述转子的角度位置控制所述无刷电机电流的目的，

-其中，所述无刷直流电机为外转子电机(102)，包括内定子(104)和外转子(105)，所述外转子(105)包括外围(106)和内侧(107)，并设置

-偶数个永久磁铁(108、109、110，111)；所述偶数个永久磁铁(108、109、110，111)以固定间隔沿所述内侧(107)分布以提供磁极；

-所述至少两个磁场传感器(112和113)相互间以一定间隔设在所述外围(106)的附近，用于测量所述内侧(107)上偶数个永久磁铁(108、109、110，111)放射状地漏过外转子(105)的磁通量，

-所述电子控制元件(103)包括至少一个沿着所述外转子(105)的外围(106)的切线方向导向的平面电路板(115)，

-其中，所述至少两个磁场传感器(112，113)安装在该电路板(115)上，

-其中，所述至少两个磁场传感器(112和113)用于根据漏磁通量的测量结果产生测量信号，其中所述电子控制元件(103)包括至少一个微处理器(114)，所述微处理器(114)用于读取所述测量信号并根据所述测量信号估计无刷直流电机(102)的电周期内外转子(105)的角度位置，

-其中，所述微处理器(114)、所述至少两个磁场传感器(112，113)、所述电路板(115)和电子控制元件(103)中其它部件构成了控制系统，以及

-其中，包括在控制系统中的元件设置在同一个电路板(115)上；

所述微处理器(114)使用反三角函数来估计所述角度位置，具体实施方法为查表法和插值法。

2.根据权利要求1所述的电机总成，其特征在于，所述外转子电机(102)的外转子(105)上设置超过6个磁极。

3.根据权利要求1或2所述的电机总成，其特征在于，其中至少两个磁场传感器(112，113)之间的距离对应着无刷直流电机(102)的电周期内90°的位移。

4.根据权利要求1所述的电机总成，其特征在于，所述微处理器(114)优选进一步使用校准曲线来估计角度位置，以提高估计的准确度。

5.根据权利要求1所述的电机总成，其特征在于，所述控制系统和所述无刷直流电机集成在同一个外壳(116)中。

6.根据权利要求5所述的电机总成，其特征在于，所述外壳(116)包括至少一个铝侧面(117)，所述电路板(115)安装在该铝侧面的背面上，其中铝侧面(117)能够作为散热凸缘和电动机盖。

7.根据权利要求5所述的电机总成，其特征在于，其中集成在电机总成(101)中的控制系统构成了用于控制外转子(105)位置、速度或加速度的反馈控制系统。

8.根据权利要求1所述的电机总成，其特征在于，电机总成(101)设置至少一个通信端口(122)供连接外部设备。