CN1037058A

CN1037058A - 一种多相双极性无刷直流电动机

Info

Publication number: CN1037058A
Application number: CN 88103213
Authority: CN
Inventors: 李二洙
Original assignee: W S LEE
Current assignee: W S LEE
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1989-11-08

Abstract

在多相双极性无刷直流电动机中取代磁场线圈的永久磁铁作成转子，而电枢用作为定子。绕组绕制在定子上作为独立绕组，换向编码器安装在旋转的转子轴上，传感器接近换向编码器并与驱动电路相连接，因此该电动机可平稳地起动与旋转。

Description

本发明涉及这样一种多相双极性无刷直流电动机，其定子是由电枢构成而转子是由永久磁铁构成的。

如果在这个电动机中定子绕组安排为螺线管绕组，则该电动机产生正弦形转矩波动，故它可作为微电机应用;而如果该电动机定子绕组安排为链型绕组，则该电动机产生梯形转矩波动，因此它可以作为动力电动机应用。

本发明构思采用双极性系统，因此激磁绕组的铜耗能减到最小，由此效率得以增加;并且可做成多相，因此绕组的利用可得以增加，由此使电动机可以设计得紧凑并改善了转矩的波动。并且在这种电动机中，换向编码器及相应于后面描述的换向编码器及光电三极管的传感器部分结构既简单又安全，故使得该电动机的起动及旋转特性能得以改善，再者该电动机具有简单的结构就便于制造，由此也降低了制造成本。

在传统的并激电动机中，因为磁场线圈（激磁线圈）被绕制在定子上以获得有适当的极数，并且与其中电刷相接的线圈绕制在转子上以使转子转动。这样就有以下缺点：当该电动机在使用时，外部物质例如灰尘堵塞于换向器片间或是由于电刷绝缘破坏造成其间的碰接或是电刷的磨损而必须更换新的电刷。

本发明的目的在于为解决上述问题，提供一种多相双极性无刷直流电动机，在其中取代磁场线圈的永久磁铁被用作为转子，绕制在定子上的绕组作为独立的绕组，换向编码器固定地安装在旋转的转子轴上，以及接近转子的传感器与驱动电路相连接，由此该电动机起动及旋转平稳，具有简单的结构且制造成本低。

如果参照以下的附图，考虑到下述典型的实施例的详细描述，就可更好地理解本发明且其他优点及其应用就更容易明白。其附图为：

图1：根据本发明的一种多相双极性无刷直流电动机系统的示意图，其中部分采用方框形式表示;

图2A：根据本发明的速度控制编码器及传感器部分（换向编码器及光电三极管）的分解透视图;

图2B：表示图2A中的元件组装在一起的状态的局部截面图;

图3A：三相四极电动机绕组的各自环形连接图;

图3B：四极转子的布置图;

图3C：三相四极电动机绕组的各自串联展开接线图;

图4A：三相电动机驱动电路的示意图;

图4B：表示转子、换向编码器及光电三极管的结构;

图5A：三相四极电动机的结构示意图;

图5B：四相四极电动机的结构示意图;

图6：图3A、3B及3C的电动机输出转矩波动的波形图;

图7A：位置传感器的位置及这时转矩波动的波形图;

图7B：位置传感器的校正位置及该时的转矩波动的波形图;

图8A：以校正角靠近换向编码器的位置传感器及这时的转矩波动波形图;

图8B：位置传感器靠近换向编码器上的最佳校正位置状态及这时的转矩波动波形图;以及

图9：根据本发明的三极四极电动机的正、反向传感器的布置图。

现在就参照附图将本发明的多相双极性无刷直流电动馐腿缦拢?

优良的无刷直流电动机乃取决于旋转机械部分、换向编码器和光电三极管及其驱动电路是如何构成的。相应地，本发明的无刷直流电动机的构成如图1上的系统图所示，于是如果换向系统由换向编码器及光电三极管感知转子的位置，由此产生一个脉冲，电子换向器则使得与绕组连接的大功率三极管导通，相应地，交变电流流经旋转机械部分，这样就驱动了电动机。

如图2A及2B所示，换向编码器及光电三极管部分是利用将换向编码器2固定在旋转机械部分1的轴11上而转动的，该换向编码器2包括挡光部分21及光检测部分22。

这个换向系统的特征在于它是按每一相独立地布置的，及每相的换向系统并联于一个电压控制器上，每相的线圈上相应地流过方波的交变电流，由此平稳地驱动电动机。

对于利用本发明的原理工作的多相双极性无刷直流电动机的详细说明通过将其分成该无刷直流电动机的基本元件，例如对旋转机械部分、电压控制器等依次来进行描述。

旋转机械部分：

它包括由电枢构成的定子4及永久磁铁构成的转子7，所述旋转机械部分1的转子可以作成2极、4极、6极、8极-或2n极，而所述的定子可作成2、3、4、5、6-或n相。相应地，该极数或相数可根据需要简便地增加或减小，并且该旋转机械部分1的长度、厚度或其形状也可根据需要简便地改型。

如在图3A及图3B中所描绘的，电动机的绕组是接法区别于△或Y型连接的绕组的独立绕组，虽然该电动机的每相线圈形成多相电动机的绕组，但它的结构使得每个线圈的激磁条件总是恒定不变的。

电子换向器：

它的组成如图4A及4B所示，其中的一个组包括与每相线圈相连接的四个大功率三极管Q₁-Q₄，其中与每相线圈连接的两个三极管与一个光电三极管相连接，因此每相设置了二个光电三极管，由此可根据光电三极管的工作确定电流的方向。我们以图4A及4B上三相双激磁电动机的情况作为一个例子加以说明：如果光电三极管PA₁处于换向编码器2的传感区域中，它即产生一个正向脉冲。相应地使三极管Q₁及Q₄导通，便有电流从三极管Q₁流向三极管Q₄。在这种情况下，光电三极管PA₂处于不能使三极管导通的位置。如果光电三极管的位置移动了并使光电三极管PA₂处于换向编码器2的传感区域中，则三极管Q₂及Q₃被导通，故使电流在其反向流动，此时是从三极管Q₂流向三极管Q₃。同样地在该情况下，光电三极管PA₁处于不能使三极管导通的位置上。

相应地，由于相对于一相设置了二个光电三极管，因此只使用了正向脉冲，即可省去脉冲分配装置;并由于每一相的每个光电三极管这样地设置，它使得当转子交替地转过轴角度为30°

（ (2π)/(转子的极数) × 1/(相数) ）

时不能使三极管导通，即可省去防止误触发（Cross-fire）的内部联锁。由于省去了该复杂的逻辑电路，相应地就能构成既安全又简单的电子换向器。

换向编码器及光电三极管

如图1及图4A及4B所示，它的组成为：安装在电机轴一个端部的换向编码器及相对于一相安装二个光电三极管;且它是作成外置型的。以下我们以三相四极型电动机作为其中一例加以说明：

如图5中所示该三相四极型电动机是这样构成的，即换向编码器2具有2个（转子的极数/2）传感区域，且传感区域的宽度相应于轴角度为60度（ (2π)/(转子的极数) × (相数-1)/(相数。) ）。并且，在A-，B-及C-相中的每个光电三极管PA₁、PB₁、PC₁、PA₂、PB₂、及PC₂依次一个挨一个地布置、每个之间距离以轴角度计为30度

（ (2π)/(转子的极数) × 1/(相数) ）。

相应地，A相的光电三极管PA₁及PA₂之间的距离相应于轴角度为90度（2π/转子的极数），B相及C相中光电三极管的情况与A相中相同。现在将对于A相说明换向编码器及光电三极管的工作原理：当光电三极管PA₁产生正向脉冲并将其传送到驱动电路时，所述的距离相应于轴角度为60°;而在相应于轴角度为30°的距离中光电三极管PA₁是不能导通的。同样地，光电三极管PA₂导通的距离也是60°轴角度。相应地，当光电三极管PA₁导通，光电三极管PA₂则不能导通，而当光电三极管PA₂导通时光电三极管PA₁则不能导通。光电三极管PA₁及PA₂均不能导通的距离为30°轴角度。这样构造的换向编码器及光电三极管形成了二相单激磁、三相双激磁、四相三激磁、五相四激磁、六相五激磁-因而可以构成n相（n-1）激磁的电动机，由此体现可产生多相双极性无刷直流电动机。

光电三极管的超前换向

如图7A及7B所示，如果当电动驱动时光电三极管从理论位置到达换向编码器2的传感区域，该光电三极管产生一个脉冲以使三极管“导通”，便在线圈一个给定方向上引起电流的流通。在光电三极管离开换向编码器传感区域的时刻，脉冲的产生便“停止”，于是三极管也被判断且线圈中电流亦终止流通。

由于三极管的时延及储存时间以及线圈的激磁特性，线圈激磁的开始及终止时刻与光电三极管脉冲产生的开始及终止时刻相比较前者滞后了“θ”角度。

此外，利用将光电三极管在与转子旋转方向相反的方向上的超前换向就消除了差转矩区，这就使改善效率成为可能并降低了铜耗。

这时最好是将光电三极管调整到具有“θ”超前换向角度作为电机驱动中最佳位置。因为传感器部分具有外置型式，故可以对光电三极管进行调整。

激磁宽度的调整

如图8A及8B所示，激磁宽度的调整是利用调节光电三极管及换向编码器2之间的距离进行的。激磁宽度并不与光电三极管产生的脉冲宽度相一致。

由于三极管的储存及衰减时间特性以及线圈的激磁特性显然线圈的激磁宽度必然大于光电三极管的脉冲宽度。

相应地如图8A及8B中所示在差转矩区中的激磁使得线圈的铜耗增加，这使得电动机中产生发热，并且降低了效率。为了消除上述的这些缺点，本发明的换向编码器可以利用调节激磁宽度来极大限度地增加效率，使得发热极大限度地减少。

这时，最好是对光电三极管及换向编码器之间的距离进行调整，由于传感器部分是外置型的，在运行中经调整后使电机处于最佳转矩波动位置及最有效的位置上。

正向及反向旋转

如图9所示，利用设置与正向旋转时处于超前位置的一组光电三极管分开的且对称布置的一组光电三极管在反转时使用的传感器部分使可以正向地或反向地旋转。

根据用无接触电磁操作方式选择正向或反向旋转的光电三极管组，即可做到该电动机的正向及反向旋转。

电压调节器

该换向系统可并联于直接的直流电源或从交流整流的直流电源，其如图1所示，因此该电机的结构适用性强。电动机速度的调节是利用调节电压调节器的电压进行的。

上述本发明的效果，尤其是作为动力电动机时现归结如下：

对于换向编码器2按每相布置一对光电三极管，因此除去了信号分配装置及防止误触发（Cross-fire）的内部联锁。因此电路变得既安全又简单。

由于容易使电动机作成多相及多极性，就显著地改善了转矩的波动，由于消除了差转矩区就在很大程度上降低了铜耗，因而电动机的发热也极大程度地下降且改善了效率。

对于每相的独立线圈可以供给最大电流。多相方式使线圈更有效地利用（例如：二相单激磁，三相双激磁，四相三激磁，五相四激磁，六相五激磁，-）故能实现紧凑的设计。电动机效率及转矩波动的改善造成了电机响应速度的相应改善。

利用设置单独的用于正向或反向旋转的传感器部分形成一种超前换向，改善了电动机的旋转运行。安装在具有独立相驱动侧的三极管容量的降低也就降低了制造成本。

Claims

1、一种多相双极性无刷直流电动机包括一个电压调节器，及多个相、每相具有由换向编码器及光电三极管组成的传感器部分、一个激磁线圈及一个电子换向器、它们共同组成互相隔离的多个相，每个相均与一个电压调节器并联，每相具有二个光电三极管，相对于换向编码器设定了要求的激磁宽度及与转子旋转方向相应的电流方向，由此在激磁线圈中可流过双极性电流以允许所述的无刷直流电动机能平稳地起动与驱动。

2、根据权利要求1的电动机，其中传感器部分的换向编码器具有的传感区域其宽度以轴角度计为：

“ (2π)/(转子的极数) × (相数-1)/(相数) ”，

传感区域的数目设为：“转子的极数/2”，其中所述无刷直流电动机可以在由二相单激磁，三相双激磁，四相三激磁，-n相（n-1）激磁形成的一组中选择一种构成，因此提高了线圈的利用及改善转矩波动以允许使所述无刷直流电动机的结构设计得紧凑。

3、根据权利要求1的电动机，其中传感器部分作成外部安装类型的，其中一些光电三极管组是以在与旋转方向相反的方向上用偏离理论位置一个给定的角度的超前换向形式设置的，以使得消除由于三极管时延与储存时间及线圈的激磁特性产生的差转矩区，由此在极大程度上减少铜耗。

4、根据权利要求1的电动机，其中由换向编码器及光电三极管组合构成的传感器部分，利用调节光电三极管与换向编码器之间的距离调节激磁宽度，换向编码器具有的传感区域宽度以轴角度计为：

“ (2π)/(转子的极数) × (相数-1)/(相数) ”，

以便减少铜耗，由此在极大程度上提高电动机的效率，所述调节是在无刷直流电动机工作中移动光电三极管实现的。

5、根据权利要求1的电动机，其中传感器部分包括另外的光电三极管组，它用于反向旋转并与正向旋转用的所述超前位置上的光电三极管组相对称地定位布置，以使得该传感器能正向地或反向地旋转，由此使该无刷直流电机在无接触电磁操作状态下根据正或反向旋转传感器的选择能作正向或反向的旋转。