CN104272567B - 无刷直流电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷直流电机包括彼此间隔一距离定位在圆形结构上的多个磁体和每个围绕静态的螺线管壳体设置的多个螺线管，其中所述螺线管壳体被构造成具有空穴部分，当包括所述多个磁体的圆形结构绕其轴线旋转时，所述多个磁体能够穿过所述空穴部分。

Description

无刷直流电机
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机(BLDC)。
背景技术
在无刷直流电机的最简单的概念形式中(如图1所示)，BLDC电机由永磁体1(转子)构成，所述永磁体1(转子)围绕其对称轴线自由旋转，所述永磁体1由至少三个由螺线管绕组2构成的固定电磁体(定子)的布置包围，所述固定电磁体围绕转子轴线相对于彼此以120°定位。每个螺线管通过由开关控制算法确定的定时和极性操作的一组电子开关3通过向所述螺线管施加DC(直流)电压而通电。
如果电磁体被用适当的定时和极性通电，所述电磁体相对于转子磁体1的S-N轴线方向产生具有适当的强度和方向的磁场，并且这个磁场在永磁体上产生导致转子转动的扭矩。该算法根据转子的实际角度位置在任何给定时刻确定开关所需要的操作顺序，所述位置通过一个或多个传感器确定，所述传感器通常是霍尔效应类型的传感器(在附图中通过附图标记4表示)，所述传感器感测转子的磁场。安置在壳体5内的电机的操作被控制器6控制。
在图1的简单概念形式中，足以每次将两个磁体适当通电以产生将保持转子转动的任意方向的旋转磁场。实际上，为了得到连续平滑的扭矩值，BLDC电机被使用用于定子的多个绕组和用于转子的具有交替N-S极的若干磁体实施。
在现有技术中已知有两种基本的BLDC电机结构：内转子结构(图2a)，其中定子绕组包围转子并且被固定到电机的壳体，以及外转子结构(图2b)，其中定子螺线管被固定到电机的芯部内，并且由转子磁体包围。在现有技术实施方式中，BLDC电机遭受以下缺点：对于固定的电源电压，随着电机速度增加，电机能够提供的扭矩有所减小。这个不期望的效果是产生寄生电压的结果，所述寄生电压被称为反EMF(电动势)电压。
因为在定子的螺线管与由转子的永磁体产生的磁场之间有相对运动，反电动势是在很大程度上以与发电机工作相同的方式在定子内产生的电压。由永磁体产生的磁场线随着转子旋转而旋转。因此，进入每个通电螺线管的横截面区域的磁场线的投影(沿着螺线管轴线的方向)随着时间而改变。这个磁场线的投影总和的量被称为通过螺线管的“磁通量”。通过楞次感应定律，变化的磁通在螺线管内产生感应电压(在这个方面，电机与发电机一样作用)。这个感应电压的值与磁通变化率成比例地增加，并且因此感应电压的值随着电机的旋转速度增加而增加，并且感应电压的极性与由电源外部施加的原始电压相反。因此，施加到定子的每个通电螺线管的总有效电压随着转子的角速度增加而减小(总有效电压等于不变的外部电源电压减去感应的反电动势)。由于施加的总电压减小，流入定子的螺线管的电流也减小，这最终导致由电机提供的扭矩的减小。因此，电机能够输送的最大扭矩随着旋转速度增加而减小。为了减小在高速下的反扭矩，需要增加电源电压，这在许多情况下不能够实现。
产生反电动势的另一不利的副作用在于，对于固定的电源电压，因为反电动势然后更低并且施加到螺线管的总电压更高，在螺线管内流动的电流在较低旋转速度下更高。遵循在开始时(当没有运动并且因此没有磁通改变并且没有反电动势时)，电机驱动最高电流。由于电源电压显著高于在最终速度下施加到螺线管的总电压，然后，在运动开始时，得到显著高于稳态工作电流的电流峰值。这样的不期望的过电流峰值甚至可能导致螺线管损坏或者电源过载，并且有时必须通过增加保护装置或者通过电流控制能力的过量设计而处理。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种无刷直流电机，所述无刷直流电机包括在圆形结构上定位成彼此间隔一定距离的多个磁体，和每个围绕固定螺线管壳体提供的多个螺线管，其中所述螺线管壳体被构造成具有空穴部分，当包括所述多个磁体的圆形结构绕其轴线旋转时，所述多个磁体能够穿过所述空穴部分。磁体相对于螺线管的运动是沿着螺线管的轴线方向准线性的。词语“准线性”指的是表明当磁体进入螺线管的壳体时，磁体的运动相对于螺线管的轴线几乎是线性的。当然，由于磁体被定位在圆形路径上，该运动不能够是完全线性的，并且因此采用词语“准线性”。当在相邻的永磁体之间设置间隔件时，所述间隔件应该由高磁导率材料制成。
如将对本领域技术人员明显的，根据电机的具体设置，能够提供不同数量的永磁体和螺线管。根据本发明的一个实施例，螺线管的数量等于永磁体的数量，并且根据本发明的另一实施例，螺线管的数量能够大于或者小于永磁体的数量。
本发明的无刷电机应该设有适合于确定永磁体相对于螺线管的位置的一个或多个传感器。应进一步提供控制器，所述控制器适合于允许响应于由一个或多个传感器关于磁体相对于螺线管的位置的确定而将电流供应到螺线管。
在本发明的一个实施例中，永磁体和定位在所述永磁体之间的高磁导率材料单独或者与一个或多个结构环一起形成电机的转子，所述转子被(例如通过带齿元件)机械地连接到动力传递装置。
在另一方面，本发明涉及一种用于操作无刷直流电机的方法，所述方法包括使得多个磁体相对于多个螺线管沿着螺线管的轴线方向以准线性运动而运动。
附图说明
在附图中：
图1示意性地示出现有技术的电机；
图2(a)和图2(b)示出用于无刷电机的两种现有技术结构；
图3示意性地示出根据本发明的一个实施例的电机的结构；
图4示出由两个相邻的永磁体产生的场；
图5是根据本发明的一个实施例的转子的示意图；
图6示出根据本发明的一个示例性实施例的装配状态下的电机；
图7是图6的电机的俯视图；
图8是图6的电机的侧视图；
图9示出图6的电机的运动；
图10示出在图6的电机中与图5的转子相关联的环元件；
图11是图6的电机的分解视图；
图12(b)和图12(c)是图6的电机的中心部(a)的横截面视图；
图13示出图5的转子的永磁体在图10的底部环上的连接；
图14示出在螺线管壳体在转子组件上的装配；
图15示出可替代的转子结构；和
图16示出为了使得EMF最小，在螺线管内侧的磁体的磁极位置。
具体实施方式
本发明涉及一种新型的BLDC电机结构，所述电机结构导致反电动势水平的大幅减小，因此产生不论转子的角速度如何都能够提供恒定扭矩值的电机。作为减小反电动势的附带好处，施加的总电压几乎是恒定的，并且因此在启动时将不会出现过-电流峰值。
在现有技术BLDC中产生反电动势的原因是通过定子的螺线管的磁通的变化。这个磁通变化是由于转子的旋转，所述转子的旋转产生在螺线管的芯内存在的磁场强度的变化(随着转子的磁体靠近或移动远离螺线管)以及磁场线相对于螺线管的轴向的方向变化(平行于螺线管轴线穿过螺线管的芯的磁场分量的变化产生穿过螺线管的磁通的变化)。在转子的磁体圆周运动期间，有磁体与螺线管之间距离的变化和磁场线相对于螺线管轴线的方向变化，这些变化都导致通过螺线管的磁通变化。本发明的结构主题通过减小上述的磁通变化而减小反电动势效应。
为了说明电机操作的原理，在图3中示意性示出根据本发明的实施例的电机结构。定子结构由固定到电机壳体的多个空心螺线管32构成，并且所述空心螺线管的对称轴线沿着圆形路径35对齐。基本转子结构由多个永磁体31构成，所述永磁体31的S-N轴线以交替极性沿着与定子相同的圆形路径对齐。磁体可以被以高磁导率材料彼此连接以形成如图5所示的连续圆环，或者磁体可以被安装到圆形扁平基部35上并且磁体之间的空间可以如图3所示处于开放到空气状态。磁体的数量可以比螺线管的数量更大、相等或更小。
转子由旋转机械支承(未示出)支撑并且在经过如图6所示的定子的螺线管的芯部内侧的同时绕所述转子的圆形形状的中心自由旋转。螺线管被通过开关系统33电连接到直流电源DC，所述开关系统优选但不局限于电子型开关，所述开关系统在每个时刻确定供应至定子内的每个螺线管的电压的极性和电平。开关被装置(优选具有相关软件的微控制器36)控制，所述装置在每个时刻确定施加到每个螺线管的直流极性(例如，通过将连接到所述螺线管的直流连接反相)以及平均直流水平(例如，通过使用脉宽调制(PWM)施加直流电源电压)。转子在每个时刻的角度位置被传感器系统34(例如，光学传感器或霍尔效应传感器)检测。传感器输出被馈送到控制器，所述控制器根据转子的状态(也就是，角度位置、速度和加速度)操作开关。
当定子的螺线管被通电时，转子的附近磁体沿着定子的圆形路径移动。根据与所述螺线管相关联的开关的极性(其确定在绕组内电流的流动方向)和磁体的定向(N-N或S-S)，磁体被朝向螺线管芯部吸入或者从螺线管芯部推出。转而，所述开关的状态被控制器在每个时刻基于由传感器检测的转子的角度位置确定。在整个开关系统的适当同时操作顺序下，能够实现转子在任一旋转方向的连续平稳旋转。如图6所示，转子的运动然后被耦连至转子环的机械齿轮63传递到载荷。
不希望受任何具体的理论的束缚，发明人们相信由于本发明的新颖电机结构导致反电动势降低的可能的机构可以被如下描述。如可以从图3和前面的描述中容易理解的，转子的磁体相对于螺线管的运动是准线性的，也就是，沿着螺线管的轴线的方向准线性的。这与现有技术的结构相反，在现有技术的结构中，转子的磁体的运动是横向的，也就是沿垂直于螺线管的轴线的方向运动。
如图4所示，在两个相邻的排斥磁体41和42的同极性磁极(S-S或N-N)之间的区域内，横向磁场相加而轴向磁场相减。因此，能够显示出在磁体的S-S或N-N极之间的区域内沿着转子的环定向的(轴向)磁场(并且因此沿着螺线管轴线的方向)呈现出两个磁体之间小的变化。尽管横向磁场有助于在磁体和螺线管之间的机械吸引/排斥(由于洛伦兹力定律)，但是横向磁场不有助于通过螺线管的磁通。定向成沿着螺线管的轴线的(轴向)磁场分量是有助于通过螺线管的磁通的磁场分量。然而，转子的磁体沿着与螺线管轴线共线的方向移动，并且沿共线(轴线)方向的场分量呈现出在两个排斥磁体之间的区域43内的小的变化。遵循在过渡期间将有通过螺线管芯部的定位在任何两个磁体之间的任何转子部分的磁通的小的变化，并且因此在所述过渡期间产生的反电动势将是较小的。因此，如果螺线管被以适当的时序通电，与直流电源电压相反的反电动势效应能够被使得较小。
现在将参考示例性优选实施例详细说明本发明。如将从下面的描述中变得明显的，在附图中示出的实施例仅仅是多种可能的可替代系统中的一个并且所述实施例被鉴于其简单性而选择用于本说明，应理解本发明不通过任何方式局限于所述实施例。
参考图5，图5示意性示出根据本发明的一个实施例的适合于圆形旋转无刷直流电机的转子结构。转子由通过高磁导率材料52(如可以是，例如铁)分离的多个永磁体51(在该图的示例中示出5个所述永磁体51)构成。如在附图中可见，每两个磁体51由高磁导率材料制成的段52分离，并且所有的磁体和分离的段一起形成环状结构。如上所述，还能够将永磁体沿着圆形路径以永磁体之间固定的距离定位并且能够允许空气将所述永磁体分离。而且，尽管可以方便地将磁体以磁体之间相等的距离定位，也能够采用磁体在磁体所设置在的圆周上的不对称分布。
现在看图6，根据本发明的这个具体实施例的电机的总体示意性视图被在其装配操作状态下看到。将参考图7-图14进一步说明在这个附图中示出的电机的各种构造元件的细节。如能够在附图中看到的，转子61在多个螺线管组件62内侧旋转。根据这个具体的实施例，由电机产生的动力被使用齿轮63传递出。转子的力矩由支承64支撑，所述支承64可以是任何合适的类型。在这个附图的具体实施例中，该组件被定位在基部65上。还在该附图中示出的是带齿环101，将参考图10进一步讨论所述带齿环101。
图7是示出相同元件的图6的电机的俯视图，并且图8是同一电机的侧视图。图9示出上环91，所述上环91定位在转子61上方，并且示出上环91与支承64的结构关系。在图10中示出与转子61相关联的环组件。根据在这个附图中示出的本发明的具体实施例，多个环与转子61相关联。已经参考图9描述的上环91被定位在转子61顶上并且转子按钮环100被定位在靠在所述转子按钮环上的转子下面。在环100下面，带齿环101与图6的齿轮63处于齿轮配合。底部环102被用于在图6的基部65与带齿环101之间分离。图10所示的环的组件被连接到一起以使得所有的环一起旋转并且动力被传递至齿轮63。
在图11的分解视图中使用与前面的视图相同的附图标记示出图6的电机。如将参考图14进一步讨论的，螺线管壳体62被方便地由两件制成以使得装配成为可能。
图12进一步示出图6的电机，电机的中心部分在图12(a)中示出。两个横截面在附图中进一步示出，横截面A-A是水平横截面(图12(b))并且横截面B-B是竖直横截面。图13示出永磁体51在环100上的定位。图13(b)是图13(a)的环100沿着D-D平面截取的横截面，图13(b)示出在适当位置的磁体51。根据本发明的这个具体实施例，永磁体51的下突出部131配合其凹配合部(也就是，在下环100内的凹槽132)而永磁体的上突出部133配合在上环91内相似的凹槽(在图中未示出)。图13(c)示出在永磁体51放置到环100的凹槽内期间的永磁体51，并且图13(d)是一个这样的磁体已经如图13(b)中在适当位置的立体图。额外的磁体以及分离的高导磁率材料(图5的52)被相似地定位，并且当所有元件已经被放置并且环91和100被放置在适当的位置时，转子组件准备好被定位在带齿环101上方。
图14进一步示出各种元件和所述各种元件的组件，其中各种元件被通过与前面的附图相同的附图标记标出。现在看图3和图6，需要理解的是，螺线管壳体62将设有围绕所述螺线管壳体62的线圈，所述线圈将又被连接到直流电源。
现在转到图15，可替代的转子结构被示出，所述可替代的转子结构包括由固定到基部(未示出)上并且在两侧都与高导磁率材料152(诸如，铁)相接的磁体151构成的多个结构。在每个这样的两个结构之间留出由箭头153表示的间隙。
图16(a)是在螺线管内的磁体的位置的示意性横截面图，所述位置使得系统的EMF最小。在附图中示出在南极163和164定位在螺线管外侧的状态下的两个螺线管161和162。如图16(b)所示，在这个情况下，EMF可以理想地达到零。
如本领域技术人员将理解的，一个具体实施例的上述描述被设计以简单地示出本发明，但不旨在以任何方式局限本发明。能够对本发明的电机作出许多修改。例如，转子内的永磁体的数量能够增加或减少，多种不同的机械布置可以被提供以传递由电机产生的动力，并且上述具体的、示例性的实施例中的齿轮仅仅是多个可替代结构中的一个。而且，能够设计用于控制电机操作的许多不同的方式和设计，这些方式和设计包括控制器、软件和传感器，所有这些方式和设计都在本领域技术人员的范围内并且因此为了简洁的目的在上文中没有描述。

Claims (10)

1.一种无刷直流电机，不论其转子的角速度如何都能够产生实质上恒定的扭矩，所述电机包括：
圆形的转子，包括圆周向分离的多个永磁体和多个由高导磁率材料制成的间隔件，所述间隔件中的每一个被设置在所述永磁体中的两个之间，以减小轴向磁通的变化；以及
每个围绕静态的螺线管壳体设置的圆周向间隔的多个螺线管，其中所述螺线管壳体被构造成具有空穴部分，当所述转子绕其轴线旋转时，所述多个永磁体能够穿过所述空穴部分，
其中所述永磁体相对于所述螺线管的运动沿着螺线管轴线的方向是准线性的，
其中所述多个螺线管中的每一个以时序通电，以确保在任何给定时间将与所述永磁体中的仅仅一个相互作用，从而最小化反电动势。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其中螺线管的数量等于永磁体的数量。
3.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其中螺线管的数量大于或小于永磁体的数量。
4.根据权利要求1所述的无刷直流电机，还包括适合于确定所述永磁体相对于所述螺线管的位置的一个或多个传感器。
5.根据权利要求4所述的无刷直流电机，还包括控制器，所述控制器适合于响应于由所述传感器中的一个或多个关于所述永磁体相对于所述螺线管的位置的确定而对所述螺线管供应电流。
6.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其中所述转子还包括一个或更多结构环元件。
7.根据权利要求6所述的无刷直流电机，其中所述转子被机械地连接到动力传递装置。
8.根据权利要求7所述的无刷直流电机，其中所述动力传递装置包括带齿元件。
9.一种用于操作无刷直流电机的方法，包括以下步骤：使多个永磁体相对于多个螺线管沿着螺线管的轴线方向以准线性运动而运动；以及以时序对所述多个螺线管通电，确保所述螺线管中的每一个在任何给定时间将与所述永磁体中的仅仅一个相互作用，从而减小反EMF。
10.一种用于操作无刷直流电机的方法，包括以下步骤：
在圆形结构上提供圆周向分离的多个永磁体和由高导磁率材料制成的多个间隔件，使得所述间隔件中的每一个被设置在所述永磁体中的两个之间；
围绕静态的螺线管壳体提供多个螺线管，其中所述螺线管壳体被构造成具有空穴部分，当所述圆形结构围绕其轴线旋转时，所述多个永磁体和所述多个间隔件能够穿过所述空穴部分；以及
以时序对所述多个螺线管中的每一个通电引起所述圆形结构旋转，同时由于在给定时间与穿过螺线管的所述多个永磁体中的一个相互作用，借助于与相互作用的永磁体相邻的间隔件提供的受限动作，引起穿过所述螺线管中的一个的磁通沿着相邻间隔件的圆周向长度实质上恒定，从而最小化反EMF。
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