CN103684134B - 一种用于无刷直流电机的位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于无刷直流电机的位置传感器，其包括邻近而设的定子部分以及转子部分，其中，所述定子部分，固定设置在所述无刷直流电机中，其包括激励源、激励线圈以及同心分布的M个定子感应线圈，M为定子相数；所述转子部分，包括与所述无刷直流电机中的转轴相固定的转子印刷电路板，其上设置有转子感应线圈；所述M个定子感应线圈以及所述转子感应线圈共轴，且均沿圆周方向均匀分布有N个凸出扇叶，N为所述无刷直流电机的永磁体转子极对数，每个所述凸出扇叶的角度α为180/N度，所述M个定子感应线圈相互之间在圆周方向上的空间分布夹角β为360/(N·M)度。

Description

一种用于无刷直流电机的位置传感器

技术领域

本发明涉及一种位置传感器，尤其涉及一种用于无刷直流电机的位置传感器，主要解决电机转子位置的检测，实现电机控制电路的换相。

背景技术

随着各种行业对直流电机寿命和能效的要求不断提高，现在无刷直流电机的应用也就越来越广泛，同时也对无刷直流电机的性能和成本提出了更加高的要求。无刷直流电机转子的位置传感器技术是其整个技术链条中的核心技术之一。采用不同的位置传感器技术也就在一定程度上决定了电机的性能，现在无刷直流电机位置传感器技术主要有如下几种：

1.光电传感器技术。光电传感器由定子上的光电耦合开关和转子上的带孔遮光板组成。利用红外发光二极管作为光源，当光通过遮光板的小孔打到光电耦合开关上时，光电耦合开关产生电脉冲信号，控制器利用该位置信号实现换相。缺点是结构复杂，体积大，安装精度要求高。

2.霍尔传感器技术。将霍尔元件安装在定子特征位置上，转子上永磁体（或者是额外安装的磁环）经过霍尔元件时，霍尔元件输出高低电平信号。控制器利用该信号完成换相。缺点是加工工艺复杂，元器件易碎，产品耐振性差，对使用环境的温度有一定的限制。

3.电磁传感器技术。由镶嵌有高频导磁材料的铝合金圆盘转子和带有主副开口变压器的定子组成。当铝合金圆盘上的高频导磁区转到开口变压器上时，形成闭合变压器，在主绕组激励下，副绕组产生感应电动势。控制器利用感应电动势确定电机转子位置实现换相。缺点：制造工艺复杂，安装难度高，体积和重量增加。

4.无位置传感器技术。利用电机定子上三相线圈在转动时产生的反电动势确定电机的位置。在启动阶段，因为电机没有旋转，反电动势电压很低无法被检测，所以一般采用定位、强制启动、同步、正常运行的几个步骤实现电机的工作。缺点：启动成功率受外部负载变化的影响很大，启动电流波动大，对瞬间的堵转或者转速变化适应能力差，自恢复时间长。

因此，亟待一种能够克服上述现有技术缺陷的位置传感器。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种通过激励、感应的方式检测电机转子位置的位置传感器。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种用于无刷直流电机的位置传感器，其包括邻近而设的定子部分以及转子部分，其中，

所述定子部分，固定设置在所述无刷直流电机中，其包括激励源、激励线圈以及同心分布的M个定子感应线圈，M为定子相数；

所述转子部分，包括与所述无刷直流电机中的转轴相固定的转子印刷电路板，其上设置有转子感应线圈；

所述M个定子感应线圈以及所述转子感应线圈共轴，且各感应线圈均沿圆周方向均匀分布有N个凸出扇叶，N为所述无刷直流电机的永磁体转子极对数，每个所述凸出扇叶的角度α为180/N度，所述M个定子感应线圈相互之间在圆周方向上的空间分布夹角β为360/(N·M)度。

优选地，在本发明中，所述定子部分被整合于所述无刷直流电机的控制器印刷电路板中。

优选地，在本发明中，所述激励线圈包裹所述M个定子感应线圈。

优选地，在本发明中，所述激励线圈与所述M个定子感应线圈同轴。

优选地，在本发明中，所述M为3，N为4。

本发明的第二方面提供一种无刷直流电机，具有如前所述的位置传感器，其中，所述定子部分被整合于所述无刷直流电机的控制器印刷电路板中。

基于上述设置，本发明在转子上装有感应线圈，在定子上装有激励线圈和以及感应线圈。激励线圈发出高频激励信号，转子上的感应线圈会因为受到的激励产生交变电流，感应线圈上的交变电流产生交变磁场，该交变磁场又会激励定子上的感应线圈产生交变的反电动势信号。由于转子在不同的位置上，对于定子的感应线圈激励的强度不一样，那么在感应线圈上产生的感应电动势幅值也是不一样的。由此，通过比较感应线圈上的感应电动势幅值，就可以确定电机转子的位置。将交变的高频感应电动势信号进行放大、滤波、整流、均值化的方式得到幅值信号，通过比较器或者AD信号采样得到三相幅值信息，得到转子的位置后，实现电机的换相

由此，本发明采用电磁感应原理，通过激励，感应的方式检测转子的位置，其具备如下优点：1.可靠性高；2.成本低；3.结构简单；4.安装方便；5.寿命长；6.体积小，重量轻；7.不影响电机电气性能。

附图说明

图1为本发明一优选实施例所提供的传感器转子部分的结构示意图；

图2为本发明一优选实施例所提供的传感器定子部分的结构示意图；

图3为本发明一优选实施例所提供的无刷直流电机的轴向爆炸图；

图4为本发明一优选实施例所提供的无刷直流电机的总装图；

图5为本发明一优选实施例所提供的无刷直流电机的原理图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例以及附图进一步阐述本发明具有的优点。

以下所揭示的优选实施例，均以永磁体转子极对数M为4对，定子相数N为3为例予以说明。

请参见图1，图2，分别示出本发明一优选实施例所提供的位置传感器100的转子部分10以及定子部分20。

转子部分10由转子印刷电路板11以及转子感应线圈IR1组成。该转子印刷电路板11具有一中心孔12，用于与无刷直流电机的转轴（未示出）相固定连接。转子感应线圈IR1围绕该中心孔12而设，且沿圆周方向上均匀设置有4个凸出扇叶。根据α=180/N可知，每个凸出扇叶的角度α为45度，且相邻的两个凸出扇叶之间的夹角也为45度。

定子部分20包括激励源21、激励线圈A以及同心分布的3个定子感应线圈IS1、IS2、IS3。这3个定子感应线圈IS1-IS3与转子感应线圈IR1相同，也分别沿圆周方向上均匀设置有4个凸出扇叶。同样，根据α=180/N可知，这3个定子感应线圈IS1-IS3中的每个凸出扇叶的角度α为45度，且每个线圈中相邻的两个凸出扇叶之间的夹角也为45度。另外，根据β=360/(N·M)可知，这3个定子感应线圈IS1-IS3相互之间在圆周方向上的空间分布夹角β为30度，即如图2所示，线圈IS1顺时针旋转30度到达线圈IS2的位置，再顺时针旋转30度则到达线圈IS3的位置。

在该定子部分20中，激励线圈A设置在3个定子感应线圈IS1-IS3的外侧且与它们同心，且与激励源21相连接。

请参见图3、图4，分别示出本发明另一优选实施例所提供的无刷直流电机30。如图3所示，从左至右依次为控制器印刷电路板31、安装有位置传感器转子部分10的转轴32、定子电枢及绕组33、安装有永磁体转子34的转子外壳35。其中，控制器印刷电路板31具有一中心通孔36，其允许转轴32穿过其中，位置传感器的定子部分20则围绕该中心通孔36铺设在该控制器印刷电路板31上。控制器印刷电路板31与传感器转子部分10，即转子印刷电路板11相邻且同轴而设。这就使得定子部分20中的3个定子感应线圈IS1-IS3与转子感应线圈IR1共轴。

在本优选实施例中，感应线圈IR1、IS1、IS2、IS3均为印刷电路板上的铜膜布线。

由此可见，该优选实施例所提供的传感器结构简单，体积小、重量轻，便于安装在现有的无刷直流电机当中，而且不会对电机的电气性能产生影响，并且可靠性高。

基于上述位置传感器以及无刷直流电机的设置，以下将结合图5介绍该优选实施例的工作情况。本发明的架构如图5所示，位置传感器中定子部分20的激励线圈A发出频率为4.3MHz的交变激励电磁场（图中虚线箭头所示）。转子部分10中转子印刷电路板11上布置的转子感应线圈IR1受到交变激励电磁场的激励，由于自身形成回路，转子感应线圈IR1产生交变电流。交变电流在转子感应线圈IR1凸出位置产生交变磁场（图中虚线箭头所示），该交变磁场激励3个定子感应线圈IS1、IS2、IS3产生感应电动势U1、U2、U3如图2所示，凸起部位的交变磁场由于在空间上与定子感应线圈IS1、IS2、IS3的相对位置各不一样，则感应电动势U1、U2、U3的幅值大小不一样。将感应电动势U1、U2、U3信号通过放大、整流、均值化处理后得到幅值信息V1、V2、V3。如果将电机转子旋转90度（对应机械角坐标轴），那么对应360度电角度（对应电角度坐标轴），幅值信息V1、V2、V3在电角度360度上的曲线。通过对比V1、V2、V3的大小，就能找到30度、90度、150度、210度、270度、330度等特征电角度。将幅值信息V1、V2、V3传给控制器，控制器计算出特征电角度，这样控制器就可以依赖这些特征电角度对电机进行换相，如此电机就可以旋转启动了。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种用于无刷直流电机的位置传感器，其特征在于，包括邻近而设的定子部分以及转子部分，其中，

所述定子部分，固定设置在所述无刷直流电机中，其包括激励源、激励线圈以及同心分布的M个定子感应线圈，M为定子相数，其中所述激励线圈设置于所述M个定子感应线圈的外侧且与所述M个定子感应线圈同心，并与所述激励源连接；

所述转子部分，包括转子印刷电路板，与所述无刷直流电机中的转轴相固定，其上设置有转子感应线圈；

所述M个定子感应线圈以及所述转子感应线圈共轴，且各感应线圈均沿圆周方向均匀分布有N个凸出扇叶，N为所述无刷直流电机的永磁体转子极对数，每个所述凸出扇叶的角度α为180/N度，所述M个定子感应线圈相互之间在圆周方向上的空间分布夹角β为360/(N·M)度。

2.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述定子部分被整合于所述无刷直流电机的控制器印刷电路板中。

3.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述激励线圈包裹所述M个定子感应线圈。

4.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述激励线圈与所述M个定子感应线圈同轴。

5.如权利要求1所述的位置传感器，其特征在于，所述M为3，N为4。

6.一种无刷直流电机，具有如权利要求1-5中任一项所述的位置传感器，其中，所述定子部分被整合于所述无刷直流电机的控制器印刷电路板中。