CN1038728A - 带有电子换向的电动马达，特别是用于驱动—排出流体的机器，尤其是装有这样马达的头发干燥器 - Google Patents

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Abstract

马达包括带有永久磁体的转子(2)和定子(3)围绕在转子周围，包括备有磁阻凸片(9，10)在停止时将转子(2)置于一个能保证马达发动的位置。磁阻凸片(9，10)相对于定子(3)线圈的磁轴(A)是对称的，包括槽口(4)，至少其中一些是用于安装定子(3)的一个线圈，以保证得到最大绕组系数。

Description

本发明涉及一种带有电子换向的电动马达，其型式包括：
一转子，它包括永久磁铁，它们是如此布设以确定一个磁转子轴;
一个定子，它包围转子并包括要用直流电供给的线圈并确定一磁定子轴;
换向装置的提供是用于适宜地将线圈中的电流的方向换向，这样在转子上由定子作用的电磁转矩总是作用在同一方向上。
提供转子位置敏感装置以控制上述换向装置并将线圈中的电流方向换向，及
在该定子中还进一步备有磁阻凸片（reluctance    Pads）使转子置于个停止位置从而保证马达的起动。
本发明特别涉及这样一个马达，其中定子的线圈是串联连接的并在数量上是减少的，特定的均匀的4个，而换向装置包括减少数目的晶体管，特定的是4个晶体管形成一个双桥。
在许多申请中需要旋转驱动，目前采用的是所谓的“通用”马达。这种马达简单，对于予定的输出体积小，可在相对高速运转，通常高于5000rpm，这对于用于驱动，诸如风扇，鼓风机，特别是头发吹干燥这样的气流装置是特别有价值的。
然而，包括整流子和刷子这样通用马达的型式与这些部件的缺点是这些元件的磨损，由于很坏的换向火花腐蚀，阻碍物的产生和它产生的噪音。
电子换向马达使其能够省去通用马达的整流子和刷子，但通常包括相对昂贵的部件，这些相当大地增加了马达的价格。
还有，到目前为止，人们认为电子换向马达，带有磁阻凸片，除了在相当低的旋转速度例如量级在2000rpm之外是不能正确产生功效的，人们相信，在高速，特别是高于5000rpm，对于这样一个带有电子换向的马达，因为在这些速度上磁阻力矩的主要对抗效应，不再能正确产生功效。
本发明的目的是，首先是完成一个带有电子换向的电动马达，其型式是上面已确定的能够像通用马达一样高速度地旋转，具有很好的输出，对于一个给定的输出，能减少容积，并保持结构简单和经济。
根据本发明，带有上边确定型式的电子换向电动马达的特征在于：
定子包括由齿状物在定子整个内侧周围有规律的间隔上分开的偶数槽口;
磁阻凸片相对于磁定子轴是对称的，并由两径向上相对着的两组齿和槽口形成，不属于磁阻凸片的齿具有比属于磁阻凸片的齿的长度较小的长度;和
定子的一些线圈适放在磁阻凸片的槽口，而其余的适放在不属于磁阻凸片的槽口，这样，定子的线圈是置于垂直于定子磁轴的径向平面，使其能提高其绕组系数。
相对于定子磁轴的磁阻凸片的对称有助于事实上减少磁力矩的剩动效应。以及允许在高速情况下具有满意的力矩，绕组系数的改善使其可能提高马达输出。
最好，磁阻凸片轴相对于定子线圈的磁轴偏置约45°。
定子内直径约为20mm和齿的总高度约为7.7mm，磁阻凸片的凿和不属于这些凸片的凿之间的长度差是近似地为十分之三毫米。
每一磁阻凸片可有约为100°的角度宽度。
定子可包括16个槽口和16个齿，每一个磁阻凸片具有径向相对着的五个齿和四个槽口而其余的齿形成两个径向相对着的具有降低长度的三个齿的组，适放在磁阻凸片的两个槽口里的线圈放到这些凸片的角端头，而另外两个定子线圈被适放在两直接邻近的槽口上，该槽口并不是磁阻凸片的部分。
对于有足够的轴向长度的定子，特别是对于长度大于20mm，定子的槽口最好是相对于母线倾斜一个予定的角度，以这样的方式减少电磁力矩上的齿的谐波效应。
有利点是，转子是由基于稀土的磁体装备的，特别是钐钴合金，这些磁体可有一园瓦片的形状，它含有一园柱部分，其中心角是在110°和140°之间，并特别是在125°附近。
对于转子位置的敏感装置可以包括一方面是类似于园盘的器件，它被固锁在转子的轴上并包括相对不同的区域，特定的是亮区和暗区，另一方面安设一光电敏感器以接受发生在这些区域的亮度信号以产生一电信号，用于控制在线圈中电流方向的转换。
器件，园盘或类物可包括两暗区，它们尾随着端部，在转子旋转的方向上是径向相对着并在角度上是锁定的，敏感器对应于所希望的换向次数。
有利点是，一暗区延伸超过90°，而小于180°而另一个暗区延伸小于90°，亮区是在暗区间扩展。
提供出一合适的逻辑电路以控制定子线圈里电流的适当方向，因此所得到的转子的旋转总是在所希望的方向上，马达停止时取决于由敏感器所觉察到的是暗区或是亮区。
一般在，光电敏感器包括一放射器，特别是红外辐射。
不同之处是，对于转子的位置敏感装置包括设-霍耳效应的敏感器，以产生一电信号用于控制在线圈中电流方向的转换，相应于至少由四件，诸如园盘或类物所载有的磁体通道，该器件是锁定在转子的轴上。
根据本发明所具有的电子换向马达的旋转速度可以是13000rpm的量级。
这样的马达的特别重要的应用是涉及到排出流体的驱动机械，特别是气态流体，诸如鼓风机，成扇，或特别是头发吹干器，在此马达的起动特别是零载荷（实际上是零力矩的阻抗下起动）是有效的。
本发明也涉及到用于排出流体，特别是气态流体，并特别是头发吹干器或手吹干器，一般是便携式的，其特征在于如上面所规定的，它是由电子换向马达所装备起来的。
基于上面的说明，本发明包括一定数量的其他布量，可借助于典型的实施例详细地结合附图加以描述，但是并不受此限制。
图1是具有电子换向马达的草图。
图2是根据本发明马达的正视图。
图3是沿图2中的Ⅲ-Ⅲ线断面被旋转90°时定子的模断面视图。
图4是示出定子的齿和槽口的不同实施例。
图5是定子线圈的布设图。
图6用于决定绕组系数的图。
图7是示出以点划线表示的电磁力矩，以虚线表示磁阻力矩，以实线表示马达的阻抗力矩，作为旋转角的函数的变化图。
图8是图示说明转子和园盘锁定在该转子上的轴，以及与该盘连结的光电发射器和敏感器。
图9是示出了图8中的园盘由鼓来替代的不同的实施例。
首先说到图1，有关对电子换向的电动马达做了一些标记。
马达1包括转子2，是由永磁体给出，以及围绕转子的定子3以及包括槽口4（看图2），在槽口里安装有线圈5，它是以直流供电并确定出定子的磁体轴A，在以下说明中，设想定子轴A是水平的并包括一参考轴，人们知道实际上该轴的方向可以是不同的。
在所述的说明实施例中，定子2包括单一的主控制绕组，是由四个线轴5，6，7和8以串联连结而形成的。
转子的磁体确定了转子的磁体轴线△。
当定子的磁体轴线A和转子的磁体轴线△间的角θ不为零时，上升到约为Kπ时，在定子和转子间出现电磁力矩，该力矩趋于把转子的磁体轴线与定子轴线相一致。
对于在定子线圈中的给出的流动方向，对θ从零度化到π，电磁力矩设想是正的。
当θ从π变化到2π时，为使施加在转子上的电磁力矩保持同一方向，定子绕组中的电流方向借助于换向装置C可以换向。
定子中电流流动的再次换向必须发生在当θ超出2π之值时。
总之，对于θ＝0和π之值达到接近于2Kπ时电流的换向得以控制。
所得到的电磁力矩有一整流正弦波的过程，就是说，负的交流用正的交流来替代。
换向装置C包括四个晶体管K1，K2，K3，K4在直流电源电压端之间形成双桥路，晶体管图示演示在简单开关的形式中，开关K1K3串联连结到电源端之间，对开关K2和K4也是一样。定子绕组以其每一端部连结到两开关间的中间点上。
这些开关的控制是这样进行的，当K2，K3断开时，K1，K4同时合上，对于该连结，在定子的绕组中电流是以一个方向流动，为获得电流在相反方向上流动，同时合上开关K2，K3以及保证开关K1K4断开。
开关的控制是电装置D以传感到定子2的角度位置得以保证的。装置D，正如后来说明的那样，包括一与之锁定在转子轴的如园盘这样的器件相结合起的电传感器，该器件包括暗区和亮区。
典型实施例是特别简单的，与设想的目标相一致的，因为定子仅包括单一绕组以及换向装置只包括四个开关晶体管。
在这样的马达中，对于每一Kπ电磁力矩就消失，这样，如果转子在这样的位置能停住，转子在以后将不再起动。
为避免这样的不利点，在定子中给出了两个磁组凸片，在转子停止时将其停在一个位置上，在这里马达的起动将能保证。磁阻现象趋于把转子2放置在一位置上，在这里空气间隙最小。这样凸片迅速地趋向相对于定子内侧表面的里侧，对于每一次转子的停止，它被固定在这些凸片的轴线上。
当转子2旋转时，这种磁阻凸片的存在引起磁力矩的出现，该力矩具有电磁力矩的双频率，它是与磁阻力矩相结合起来的。
根据本发明，为使带有电子换向的电动马达最佳化并特别是改变其输出，允许其在高速旋转，磁阻凸片9，10（见图2）是相对于定子线圈的轴A对称装备的，它包括4个槽，至少它们一部分作为安装至少一个定子线圈3，为了能保证最大的绕组系数。
以此方式运转，在理想功效的马达上，磁阻偶合的对抗效应减少了，这个磁阻偶合使在所希望的方向上的运转得到了最大的使用;进而，由于使用了在磁阻凸片中备有的槽口，线圈可置于垂直于定子磁轴A的径向平面的附近，这将在下边进一步详述，提高了绕组系数并使其能够提高马达的输出。
如图2中所看到的，磁阻凸片9，10的轴F偏置一角α，最好是相对于定子轴的磁轴A等于45°。
定子3包括4个槽口的偶数，由齿11分开，以有规律的间隔分布在定子整个内园周。
磁阻凸片9，10是由两径向相对着的齿11和槽口4形成。不属于磁阻凸片的齿11具有长度1沿径向方向它略小于属于凸片9和10的齿的长度L。
每一个磁阻凸片沿角最好是在80°和120°之间延伸，最有利地是接近100°。
如图2中示出的说明实施例，定子3包括16个槽口4和16个齿11。每一个磁阻凸片如图2中所能看到的是由一组5个齿11和4个槽口形成的。5个齿的每一组基本上在100°的范围延伸。两组以径向相对着。
长度1的6个剩下的齿形成另外两个径向上相对着的组。
定子绕组是由4个线圈串联缠绕形成的，包括2个线圈5，6，安装在朝向凸片一个角端所置于的磁阻凸片的两槽口中，即对凸片9的上端和对于凸片10的下端，而定子的另外两个线圈7和8安装在紧密邻近槽口4，它是不属于磁阻凸片的。
在用于吹干手的电动马达的更加具体的实施例中，定子的内径为20mm量级，齿11的高L接近7.7mm，长度L-1的差是在 3/10 mm（0.3mm）量级，转子的外径是在19mm量级。
绕组系数Kbob相应于所有电动力矩矢量总和的比率，电动力是由具有N·E乘积的各种线圈产生的，这里N是所有串联相连结的线圈中的总圈数，E是由每一个线圈产生的电动力的幅度。
图5中已示出了4个线圈的位置，相应于图2中的定子，在它们之间有角度间隔，定子的磁轴是该图5中的水平轴，线圈5和6的中间平面之间的锐角β与线圈7和8中的中间平面存在的角相等。在图2中示出的例子，如在图5中所示，这个角β＝22.50（即360°/16）。在图2的说明实施例中线圈5和8的中间平面之间的角γ＝110°，此值已在图5中示出。
当电流从图中的平面从后向前流动时，线圈中电流的方向已用箭头示出（中心点的园圈）而箭头的尾部（其中带有XS的园圈）表示相反的方向。
由各种线圈产生的电动力的矢量总合示于图6。线圈都是具有同样数目的匝数和相同的直径，这样由每一线圈产生的电动力幅度相同。
由线圈7产生的电动力已示于图6中，如矢量
Figure 891035567_IMG2
是从上向下垂直，线圈8的电功力是由矢量
Figure 891035567_IMG3
表示，具有如 同样的标准，但相对于
Figure 891035567_IMG5
偏置一个角β。由线圈5产生的电动力是由矢量
Figure 891035567_IMG6
表示，与上面的矢量有同样的标准，但相对于矢量 形成一角为（γ-π）。最后，由线圈6产生的电动力是由矢量 表示，与前进有相同的标准，但与矢量 形成一个角度。结果，电动力是由矢量 表示。在该例子中，其中角β是22.5°和角γ是110°，矢量 的标准是等于基本矢量标准的3.6倍。因此，绕组系数是Kbob＝3.6/4＝0.9，这相当于一个很好的绕组系统。由这样的事实说明;如图5所见到的线圈，直径实际上是径向的，它们的中间平面接近垂直于定子磁轴A的平面。
当定子的厚度，即沿其轴的尺寸是相对地大，例如大于20mm，如图4部分地示出，可备有槽口4，它们相对于形成定子内表面的园柱体母线是倾斜一予定角度，这样可以减少在电磁力矩上的齿谐波效应。在图3中的情况下，槽口与这些母线平行。
为获得倾斜角δ，定子薄片层以理想的量一个一个角度地偏置，这些薄片层的堆积构成该定子。
用磁体12，13装备的转子2（见图2）是基于稀土，特定的磁体是基于钐钴，每一个磁体具有园瓦片的形状。它具有柱体部分，其中心角是在110°和140°之间，最好接近125°，磁体的外表面曲率半径基本上与定子的内表面的半径相等。
磁体12和13是固定的，特别地用胶粘，两个径向相对着，转子的软铁心14的磁极端是张开的。
图7是根据本发明所用马达获得的力矩示图。这个曲线是从0°到180°角度已表示的，即角度区对应于力矩的周期。
力矩在纵座标上给出，纵座标的刻度应由10-3Nm相乘以该例中获得的力矩的值。（转子长15mm;定子内径20mm）。
点划线15表示由定子电磁场与转子磁场相互作用产生的电磁力矩中的变化。
曲线16，以点虚线的形式表示，电磁力矩中的变化。
总力矩中的变化是由实线的曲线17表示，它是以上两曲线的相加得到的。
从此图7中可清楚地看到电磁力矩对于角度区是正的，其中磁阻力矩是微小或是负的，而当电磁力矩是很大正值时磁阻力矩是负的。这样，根据本发明，与电磁力矩相结合的磁阻力矩导致总力矩的波动约是一个平均值，相应于平行横座标轴的直线是相对小的变化，而相应于此直线18的力矩的平均值是相对高的。
磁阻力保持良好，以保证转子2置于停止位置。
见图8，可以看到装置D对转子2的位置敏感、包括装置19，如园盘20或类似物，在转子2的轴上锁定并包括不同的对比区域，特别是亮区或暗区，特别是白色区或黑色区。在这里的例子中，园盘20包括两个黑区或21，22两个扇形，其尾部21a，22a在转子旋转的方向中（在图8中是顺时针方向）是径向相对着的。
扇形21沿等于最大90°的角度延伸，在图8的情况中，扇形21的角是在60°的量级，扇形22是在大于90°或小于180°角的角上延伸;在图8的情况下，扇形22在约160°的角上延伸。
两个暗扇形21，22是由两个亮部分23，24分隔的。
端21a，22a是以这样的方式角度锁定的，以相应于理想的转换次数，即，它们被锁定转子2的磁轴上。
装置D进一步包括光电敏感器25，它包括一个红外辐射发射器指向园盘20的扇形，和一个接受器，对由辐射撞击园盘扇形的反回的辐射敏感。
敏感器25的发射器束是以一角度锁定在定子的磁轴上。该单元是这样布置的，当辐射落在暗扇形上如21，22时，反回到敏感器25的接收器的辐射不足以在此接收器的输出上产生信号;相反，当发射出的辐射落在亮部分时如23，24上时，敏感器25的接收器在其输出上发射一信号，例如相应于逻辑电平“1”。这个信号用来控制定子线圈中的电流方向的换向，敏感器25最好是与控制装置26相联合以使线圈中的电流换向生效，它只是用于引导由敏感器25产生的信号界限。引导界限相应于光束的通道，该光是在敏感器25发射器中起源，从诸如暗扇形21或22到亮区，装置26可包括单稳定电路，是由敏感器的信号引导界限触发。
转子的停止位置是由磁阻凸片在约180°的地方限定。
为保证转子在理想的旋转方向上起动，电流必须在定子的线圈5，6，7，8中的一个方向或另一个方向上流动，这取决于转子停止时的位置。
图8中示出的暗区21和22的结合在其能够区分转子南极S是否在停止时是在上或在下，如图8所示，当转子停止时敏感器25看到暗区22，而相反如果北极N在停止时位于底部，敏感器将见到亮部24。
逻辑电路27与敏感器25相结合的控制马达起动时线圈5-8中的电流在适当方向，这取决于信号是否在敏感器25输出上，当马达停止时，对应于逻辑“0”）如果在停止时敏感器25见到扇形22即为此情况）或相应于逻辑“1”（当停止时敏感器25见到区段24，即为此情况）。
由于马达起动要保证在理想的方向上，换向能正常产生。
图9示出不同的实施例，其中装置19不是如图8中的情况包括一个园盘，而是包括一个园鼓20a，在转子的轴上分劈开，该园鼓的园柱壁28的外表面上有暗和亮区段。此敏感器25是对准该壁28的而又径向地与其分隔，如图中所示。
暗和亮区段的布局，及整个装配的功能与图8一起描述的那些相似。
不同处是替代图8所提供的4个区段21-24，园盘20可只包括二个区（或区段），一个是黑或暗和另一个是亮。
可采用二个功率晶体管，替代图1中备有的4个，与一个中点电压源结合。
可选择光敏感器以允许使用其信号的引导和尾随端以连续控制这两功率晶体管的饱和。
在另一个变形中，用布置的敏感器来控制晶体管，用于电流换向，它是一个霍尔效应敏感器，其功耗比光敏感器小，而且对污染不敏感。至少将一个磁体固定在附属于转子的园盘上，当此磁体在它之前通过时，霍尔效应敏感器触发。
本发明使获得一个带有电子换向能在高速旋转，特别是在13，000rpm量级的马达成为可能，对于给定的功率减少了体积，而又特别无噪音和可靠。这样的马达特别适于排出气流的机器，更特别适于携带或固定的头发干燥器。

Claims (16)

1、带有电子换向的电动马达包括：
一个转子(2)它包括永久磁体(12，13)，安置得使其确定一个磁转子轴；
和一个定子(3)围绕在转子周围，包括线圈(5，6，7，8)准备供给直流电，及确定一个磁定子轴(A)，
换向装置(C)的提供是用于在线圈中果断地将电流方向换向，这样由在转子(2)上的定子(3)作用的电磁力矩合是作用在同一方向，
装置(D)对转子的位置敏感，它的提供是用于控制换向装置(C)的，并将在线圈中的电流方向换向，
磁阻凸片(9，10)还装备在定子(3)中，用于将转子(2)在停止时置于某个位置，其中将保证马达的起动，
其特征在于所述定子(3)包括一个偶数数目的槽口(4)，由齿(11)在定子(3)的整个内园周以规则的间隔分开，
所述磁阻凸片(9，10)相对于磁定子轴(A)是对称的，并由两组槽口和齿径向相对地形成，不属于磁阻凸片的齿具有的长度(1)小于属于磁阻凸片的齿的长度(L)
所述定子的线圈(5，6，7，8)安装在磁阻凸片(9，10)的槽口中的部分(5，6)，对于不属于磁阻凸片的槽口中的其余部分，这样所述定子线圈(5，6，7，8)被置于垂直于定子的磁轴(A)的径向平面的附近，从而提高了绕组系数(Kbob)。
2、如权利要求1所确定的电动马达，其特征在于所述定子的线圈（5，6，7，8）在数量上减少了，特别是等于4个，并是串联连接的，而所述给向装置（C）包括数目减少量的晶体管，特定为4个晶体管（K1，K2，K3，K4）形成双桥。
3、如权利要求1所确定的电动马达，其特征为磁阻凸片（9，10）的轴相对于定子（3）的线圈的磁轴（A）偏置45°。
4、如权利要求1所确定的电动马达，其特征为不属于磁阻凸片（9，10）的齿（11）的长度（1）比属于磁阻凸片的齿的长度小约 3/10 mm，对于齿的总高（L）约为7.7mm，定子（3）的内直径约20mm，转子（2）的外径是在19mm的量级。
5、如权利要求3确定的马达，其特征为每一个磁阻凸片（9，10）具有约100°的角的长度。
6、如权利要求3确定的马达，其特征为定子（3）包括16个槽口（4）和16个齿（11），每一个磁阻凸片（9，10）包括5个齿和4个槽口并径向地相对着，6个剩下的齿形成径向相对着的两组并具有减少了的长度（1），两个线圈（5，6）安装在磁阻凸片的两个槽口内，它们是位于朝向这些凸片的一个角端的，而定子的另外两个线圈（7，8）是安装在两个紧靠下边的槽口内。
7、如权利要求1所确定的马达，其特征为定子（3）的槽口是用相对于母线倾斜予定的角（δ），这样以减少在电磁力矩上齿的谐波的效应。
8、如权利要求1所确定的马达，其特征为转子（2）是用基于稀土的永久磁体（12，13）来装备的。
9、如权利要求8所确定的马达，其特征为永久磁体（12，13）具有园瓦片形，其中心角是在110°和140°之间。
10、如权利要求1所确定的马达，其中对转子（2）位置敏感的的装置（D）一方面包括一个在转子（2）轴杆上锁定装置（19）和包括一不同的对比区，另一方面包括布设一个以接收从上述区（21，22，23，24）发出的光信号的光敏感器（25）并产生电信号用来控制线圈中电流的换向，其特征在于它包括控制装置（26）能够确定定子线圈（5，6，7，8）中电流换向的方向，该方向只由敏感器产生的信号的界限的引导，包括一引导界限相应于在敏感器25前面的从暗扇形（21，22）到亮区段（23，24）的通道。
11、如权利要求10所确定的马达，其中装置19包括两暗扇形（21，22），其尾端，在转子的转动方向中是径向相对着并在角度上是锁定的，如敏感器（25）同样的方式，与理想的转向次数相一致。
12、如权利要求11所限定的马达，其中暗扇形（22）延伸大于90°和小于180°而其它的暗扇形（21）至少延伸90°，亮区段（23，24）在暗扇形之间延伸。
13、如权利要求11所限定的马达，其中用于检测转子（2）停止位置和确定定子（3）线圈中电流要给的方向，这样转子相同转动方向将永久占优势，备有逻辑电路（27）以控制定子线圈中电流的适当的方向，当马达是在停态时，取决于由敏感器（25）是否观察到扇形（22）或亮区段24。
14、如权利要求1所确定的马达，其中转子的速度是在13000rpm量级。
15、根据上述任一权利要求马达的应用，驱动-排出流体，特别是气体的机器，它们是头发干燥器，鼓风机，电扇或类似物。
16、头发干噪器，特别是手提式的，其特征为装有上述1到14权利要求的马达。
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