CN104979982A - 一种微型单相永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种微型单相永磁同步电动机，控制电路按检测的电源电压和电流为零时定子绕组的端电压驱动开关控制电源输入绕组的电流：a)使转子定位于永磁轴线超前定子绕组通某方向电流时的磁场轴线一锐角；b)使自电源电压一过零点的第1时延开始且与a)中电流方向相反的第1电流脉冲输入绕组；c)当所述端电压特征值的绝对值大于规定且第1个过零点与电源电压第3过零点的时间差小于规定时，使与第1电流脉冲方向相反且与电源电压第3过零点有时延的第2电流脉冲输入绕组；否则，重复a)～c)，且若所述绝对值大于规定且其第1个过零点超前所述交流电源电压第3过零点，增加第1时延；若相反，则缩短第1时延。该设计可免于使用单独的转子位置检测元件。

Description

一种微型单相永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种微型单相永磁同步电动机，尤其涉及电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机，在国际专利分类表中，分类可属于H02P6/18。

背景技术

电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机见于本申请人已获授权的在先申请CN201110100111.6。该电动机比之前的产品进步，但需要设置单独的转子位置检测元件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种微型单相永磁同步电动机，可以无需设置单独的转子位置检测元件而仍有较佳的性能，因而降低成本。

本发明解决技术问题的第1技术方案是一种微型单相永磁同步电动机，包括：

——同样极数的定子和永磁转子；所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的圆周方向偏转一锐角角度；

——开关；所述定子的绕组具有规定绕向，经该开关接往交流电源；

——控制电路；包括检测电路和按该电路检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的内置程序；所述检测包括检测所述交流电源电压的特征；

其特征在于：

——所述检测还包括检测所述电流和该电流为零时所述绕组的端电压；

——所述内置程序还包括下述步骤：

a)使转子处于规定位置；转子在该位置时，转子永磁磁极轴线沿所述圆周方向超前定子绕组通入某方向电流时的磁场轴线所述锐角角度；

b)驱动所述开关，使第1电流脉冲输入所述绕组；该电流脉冲自所述交流电源电压一过零点的第1规定时延开始，且其方向与步骤a)中所述电流方向相反；

c)一旦第1电流脉冲恢复为零，随即检查所述端电压和交流电源电压，包括所述端电压特征值及其第1个过零点与交流电源电压第3过零点的时间差；当所述端电压特征值的绝对值大于规定值且所述时间差的绝对值小于规定时段时，驱动所述开关，使第2电流脉冲输入所述绕组；该电流脉冲与所述第1电流脉冲的方向相反，且相对于所述交流电源电压第3过零点具有第2规定时延；然后进入同步运行；以及

d)当该特征值的绝对值小于规定值或该特征值的绝对值大于规定值且所述时间差的绝对值大于规定时段时，从步骤a)开始重复上述过程，且若该特征值的绝对值大于规定值且其第1个过零点超前所述交流电源电压第3过零点，则增加所述第1规定时延的持续时间；若该特征值的绝对值小于规定值或该特征值的绝对值大于规定值且其第1个过零点落后所述交流电源电压第3过零点，则缩短所述第1规定时延的持续时间。

该技术方案巧妙地利用：

——电动机启动过程可存在绕组电流为零的时段；

——在绕组的电流为零时，绕组的端电压对应永磁转子的位置和转速。

因而，可以所测绕组电流为零时绕组的端电压控制电动机，尤其是启动过程。实验表明，以检测该电压的特征值及其第1个过零点与交流电源电压第3过零点的时间差作为条件进行控制，可宽范围地适应从空载至较重负载的启动情况，更合理地将电动机自静止启动、加速而牵入同步运行，从而可无需设置单独的转子位置检测元件而仍有较佳的性能，因此结构简化而降低成本。

该方案的进一步设计是：

所步骤d)中，当缩短所述第1规定时延的持续时间为零，仍然所述时间差的绝对值大于规定时段和所述端电压的第1个过零点落后所述交流电源电压第3过零点或者其特征值的绝对值小于规定值，则在每次所述从步骤a)开始重复上述过程中的步骤a)之后和步骤b)之前，先输入n个电流脉冲，该n个电流脉冲依次自所述交流电源电压一过零点之前的第2、4、6……(2n-2)个过零点开始，且其方向与步骤a)中所述电流方向相反；关于n，对于首次出现所述时间为零仍然所述时间差的绝对值大于规定时段和所述端电压的第1个过零点落后所述交流电源电压第3过零点或者其特征值的绝对值小于规定值的情况，n＝1；若再次出现该情况，n＝2；如此类推使n按自然数增加。

其有益效果是：进一步增大了启动控制所适应的负载范围，可显著提高启动转矩，尤其有利于转动惯量和启动阻力较大等负载较重的情况。

更进一步的设计之一是：

所述端电压特征值为所述交流电源输入所述绕组的电流恢复为零后所述绕组的端电压的第1个值或第1个极值。前者有最快的响应，后者检测比较稳定。

更进一步的设计之二是：

所述同步运行是按照所述交流电源的频率驱动所述开关，将所述交流电源电压以规定波形施加于所述绕组；或者当所述端电压的绝对值在增加且极性与所述交流电源电压的极性相同时，随即驱动所述开关，将所述交流电源电压施加于所述绕组。前者控制比较简单；后者可以比较准确地使定、转子磁通间的作用力均与旋转方向相同，因而有更高的效率。

更进一步的设计之三是：

所述永磁转子为正弦波充磁，有利于更准确地检测所述端电压的极值点和过零点。

更进一步的设计之四是：

所述步骤a)中使转子处于规定位置包括如下过程：

a1)驱动所述开关，自所述交流电源电压过零点的规定时延开始，使与步骤a)中所述电流方向相同的至少2个电流脉冲输入所述绕组；这些电流脉冲恢复为零期间,检查所述端电压；

a2)若:

——若所述电流脉冲中的最末1个恢复为零后，所述端电压持续时间在规定上、下限范围内，所述过程结束；

——若所述电流脉冲中的最末1个恢复为零后，所述端电压持续时间大于规定上限，所述规定时延增加，从步骤a1)开始重复上述过程；

——若所述电流脉冲中的最末1个恢复为零后，所述端电压持续时间小于规定下限，所述规定时延减少，从步骤a1)开始重复上述过程。

实验表明，按照上述控制，可达到启动前转子比较快速且可靠的定位。

本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例电动机电磁基本结构示意图；

图2是本发明实施例电动机控制电路示意图；

图3是本发明实施例电动机负载较轻时的信号波形图；

图4是本发明实施例电动机负载较重时的信号波形图。

具体实施方式

本发明实施例电动机是在本申请人已获授权的在先申请CN201110100111.6所述实施例的基础上改进而成。

本发明实施例电动机电磁基本结构如图1所示，其继承CN201110100111.6中图1所示结构包括：

——定子1，主要由U形铁芯11和绕组12组成；铁芯11上方成形为包围转子2的左右二极——左极111和右极112；绕组12由穿入铁芯11轭部左臂、右臂各1线圈串联或并联而成；

——转子2为永磁转子，径向对称正弦波充磁为N、S二极，插入铁芯11的左极111和右极112之间，并支撑于轴承旋转。

——电动机设定如图示逆时针(沿电动机轴相反方向观察则为顺时针)旋转，左极111与转子2间的气隙的宽度自上而下呈阶梯状收窄，右极112与转子2间气隙的宽度自下而上呈阶梯状收窄，因此在图示自由状态下，转子2二极磁通的轴线21以定子二极的水平轴线113为参照，沿逆时针方向偏转约10⁰。

相比CN201110100111.6图1所示结构的主要变动是：图中所示霍尔元件3取消。

本发明第1实施例电动机控制电路如图2所示，主要由固定于电动机非轴伸端的印刷电路板组成，其继承CN201110100111.6中图2所示电路包括：

——双向晶闸管4，其主电极与绕组12串联后接往交流电源端子5；

——单片机6，其输出电路63接往双向晶闸管4的触发极41，若输出脉冲即触发双向晶闸管4导通，此时的交流电源半波电压即开始施加于输入绕组12直至该半波过零结束，与该电压相应(同步和有所滞后)的脉冲电流输入绕组12。

——由电阻7和二极管8、9以及5V直流电源VDD组成的整形电路，其输入接往交流电源端子5，输出B在交流电源端子5的电压极性正半波时为1而负半波时为0，且输出B由1变为0或由0变为1的时刻即交流电源电压过零点。输出B接往单片机6的输入电路61。

相比CN201110100111.6图中所示电路的主要变动包括：

——原霍尔元件3及其输出接往单片机输入的电路取消；

——绕组12原直接接公共地的一端改为经电阻13接公共地，该电阻是检测通过绕组12的电流的取样电阻；绕组12与电阻13的连接点经转换电路621接往单片机的输入电路62，用于检查通过绕组12的电流在电阻13的电压降；

——双向晶闸管4的主电极与绕组12的连接点与公共地之间跨接电阻10、19串联的分压电路，电阻10、19的串联连接点经转换电路681接往单片机的输入电路68；以输入反映绕组12电流为零时的端电压。

上述转换电路621、681可设计为变压器隔离钳位电路：

——1：1变压器初级连接被测交流电压，次级叠加一个高于被测交流电压峰值的恒定直流电压，从而使被测交流电压转换为类似CN201110100111.6图3或图4中31所示波形的单极性波动电压输入单片机的输入电路，在单片机内经A/D转换即可得到测交流电压的瞬时值。

当然，也可选用含上述功能和单片机的芯片代替单片机6和转换电路621、681。

单片机6内置程序主要按照设定步骤检查输入电路61、62和68的电平，经测量、比较、判别，由输出电路63输出触发晶闸管4的脉冲。

内置程序中的基本设定：

——一旦输入电路62的电平恢复为所述钳位的直流电压，认定输入绕组12的电流为零，输入电路68的电平被用于确定绕组12的端电压；

——定义转子的规定位置为：以适当数值且与图3中51所示交流电源正半波极性相同的恒定直流电压持续施加于绕组12一段时间后断电，永磁转子所停留的位置。此时,永磁磁极轴线沿图1所示设定的逆时针转向超前上述定子绕组12的磁场轴线一锐角角度。

内置程序中的执行步骤：

a)使转子处于规定位置的过程：

a1)在连续的至少2个输入电路61由0变为1的时刻，延时t0后输出电路63输出脉冲触发晶闸管4使脉冲电流I0输入绕组12；一旦按输入电路62的电平认定输入绕组12的电流为零，检查输入电路68的电平以确定绕组12的端电压；

a2)若:

——该电压持续时间在规定上、下限范围内，所述过程结束；

——该电压持续时间大于规定上限，增加t0，从步骤a1)开始重复所述过程；

——该电压持续时间小于规定下限，减少t0，从步骤a1)开始重复所述过程。

b)一旦输入电路61由1变为0，自该过零点(其后各过零点依次命名为交流电源电压第1、2、3……过零点)延时t1后输出电路63输出脉冲触发晶闸管4，使脉冲电流I1输入绕组12。

c)一旦按照输入电路62的电平认定输入绕组12的电流为零，随即检查输入电路68的电平以确定绕组12电流为零时的端电压v(泛指图3中的v1～v6和图4中的v1’～v3’)，包括其第1个极值91及其第1个过零点与交流电源电压第3过零点的时间差92；当极值91的绝对值大于规定值且时间差92的绝对值小于规定值，自交流电源电压第3过零点开始延时t2后，输出电路63输出脉冲触发晶闸管4，使脉冲电流I2输入绕组12；然后进入同步运行；以及

d)当极值91的绝对值小于规定值或大于规定值且时间差92的绝对值大于规定值，从步骤a)开始重复上述所有过程，且若时间差92的绝对值大于规定值且端电压v的第1个过零点超前交流电源电压第3过零点，则增加tl；若时间差92的绝对值小于规定值或大于规定值且端电压v的第1个过零点落后交流电源电压第3过零点，则减少tl；当tl减少为零，仍然时间差92的绝对值大于规定值和端电压v的第1个过零点落后交流电源电压第3过零点或者其第1个极值91的绝对值小于规定值，则在每次所述重复上述过程中的步骤a)之后和步骤b)之前，让输出电路63输出脉冲触发晶闸管4使n个电流脉冲In输入绕组12，该n个电流脉冲依次自所述交流电源电压一过零点之前的第2、4、6……(2n-2)个过零点开始，且其方向与步骤a)中所述电流方向相反。关于n，对于首次出现减少tl至零仍然时间差92的绝对值大于规定值和端电压v的第1个过零点落后交流电源电压第3过零点或者其第1个极值91的绝对值小于规定值的情况，n＝1；若再次出现该情况，n＝2；若第3次出现该情况，n＝3；若第4次出现该情况，n＝4；如此类推。

电动机进入同步运行，输入绕组12将连续输入波形基本相同的同步电流It，有2种方式：

——其一，输出电路63按交流电源频率持续输出自过零点开始的脉冲触发晶闸管4持续导通，将交流电源电压以比较完整的正弦波形施加于绕组12；负载较轻时，也可以在每个过零点之后适当延时再输出脉冲触发晶闸管4，将交流电源电压以缺损正弦波形施加于绕组12，从而降低电压以减少输入功率。

——其二，当对输入电路68的电平认定端电压v的绝对值在增加且按输入电路61的电平认定交流电源电压与端电压v的极性相同时，输出电路63随即输出脉冲触发晶闸管4，将交流电源电压施加于绕组12。交流电源电压与端电压v的极性的比较方法可参考CN201110100111.6专利说明书【0063】～【0068】段(以端电压v代替原霍尔输出电平)。该方式可达到对不同负载更稳定的同步控制而避免失步，但电源电压利用率有所降低。

各信号的波形如图3和图4所示：51为交流电源端子5的电压波形，52为整形电路输出B的波形，53、53’为施加于绕组12电流的波形，54、54’为绕组12电流为零时的端电压v的波形，55、55’为比较交流电源电压与端电压v的极性所得到的类似CN201110100111.6所述输出L(L为1时，输出电路63输出脉冲触发晶闸管4)的波形，56、56’为单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极输出的电压脉冲的波形。

图3是本发明实施例电动机负载较轻时的信号波形图，有如下情况：

——输出电路63在输入电路61连续2个由0变为1的时刻均延时t0后输出脉冲(见图3中56)触发晶闸管4，使2个正极性的脉冲电流I0(见图3中53)输入绕组12。该2个脉冲电流恢复为零后测量到的端电压见图3中54：v1段是第1个脉冲电流恢复为零后的端电压，电压较高且持续时间大于规定上限；v2段是第2个脉冲电流恢复为零后的端电压，比较小且持续时间在规定上、下限范围内，表明转子处于规定位置，可接着启动运转；

——在随后的输入电路61由1变为0的时刻延时t1后，输出电路63输出图3中56所示第3个方波触发晶闸管4，使负极性脉冲电流I1(见图3中53)输入绕组12。v3段是I1恢复为零后绕组12的端电压，其自第1个值90开始先负向上升至极值点91，然后下降，于交流电源电压第3过零点之前(时间间隔92)过零后正向上升，直至交流电源电压第3过零点之后延时t2，输出电路63输出图3中56所示第4个方波触发晶闸管4，使正极性脉冲电流I2(见图3中53)输入绕组12。如图3中54，V4段是I2恢复为零后绕组12的端电压，V5、V6段是同步电流It恢复为零后绕组12的端电压，可见V4、V5、V6段均过零后极性与交流电源电压的极性相同且绝对值在增加；在单片机6中，按内置程序将该v4、v5、v6段端电压与交流电源电压整形电路输出B的波形(见图3中52)比较，一旦二者符合同或门逻辑，输出L为1，输出电路63输出脉冲(见图3中55)触发晶闸管4，此后的交流电源半波电压施加于绕组12，相应的同步电流It输入绕组12。

图4是本发明实施例电动机负载较重时的信号波形图，有如下情况：

——内置程序中的执行步骤均首先按负载较轻的情况进行，当负载较重时，上述如图3所示过程，在脉冲电流I1恢复为零后出现即使tl减少为零，仍然时间差92的绝对值大于规定值和端电压v的第1个过零点落后交流电源电压第3过零点或者其第1个极值91的绝对值小于规定值，因而重新启动：在输入电路61连续3个由0变为1的时刻，输出电路63输出脉冲触发晶闸管4，使交流电源电压3个完整正极性半波施加于绕组12，因而往绕组12输入3个完整正极性半波电流，在最后1个电流(图中未示出)恢复为零后，检查到绕组12的端电压v1’的持续时间在规定范围内，表明转子处于规定位置。在随后的输入电路61由1变为0的时刻，输出电路63输出图4中56’所示第1个方波触发晶闸管4，使交流电源电压1个完整负极性半波施加于绕组12，因而往绕组12输入1个完整负极性半波电流In(见图4中53’)，该电流恢复为零后，检查到绕组12的端电压v2’；在紧接着的输入电路61由1变为0的时刻，延时t1’后，输出电路63输出图4中56’所示第2个方波触发晶闸管4，向绕组12施加交流电源电压1个缺损负半波，因而往绕组12输入负极性脉冲电流I1’(见图4中53’)，该电流恢复为零后，检查到绕组12的端电压v3’，其自第1个值90’负向上升至极值点91’，然后下降，于输入电路61由0变为1的时刻(第3过零点)之前(时间间隔92’)过零后正向上升，并在输入电路61由0变为1的时刻之后延时t2’，输出电路63输出图4中56’所示第3个方波触发晶闸管4，向绕组12施加交流电源电压1个缺损正半波，因而往绕组12输入使正极性脉冲电流I2’(见图4中53’)。在随后输入电路61所有由1变为0和由0变为1的时刻，输出电路63均立即输出脉冲(见图4中56’)触发晶闸管4，将交流电源电压以比较完整的正弦波形持续施加于绕组12，相应地往绕组12输入比较完整的正弦波同步电流It’(见图4中53’)。

如图4所示，若检查到绕组12的端电压v3’仍然时间差92’的绝对值大于规定值和端电压v3’的第1个过零点落后交流电源电压第3过零点或者其第1个极值91’的绝对值小于规定值，即说明负载相当重，需重新启动，并且在使转子处于规定位置的步骤完成后的输入电路61连续2个由1变为0的时刻，输出电路63输出脉冲触发晶闸管4，使交流电源电压2个完整负极性半波施加于绕组12，因而往绕组12输入2个完整负极性半波电流，然后在紧接着的输入电路61的第3个由1变为0的时刻延时后，输出电路63输出第3个脉冲触发晶闸管4，向绕组12施加交流电源电压1个缺损负半波，因而往绕组12输入负极性脉冲电流，该电流恢复为零后，检查绕组12的端电压，继续后续过程。

上述控制中均以端电压v的第1个极值91或91’作为特征值进行控制。所述极值既包括驻点形式的极值，也包括所在时段端点的数值。还可以采用对端电压v能可靠测量到的第1个值90或90’作为特征值进行控制，可以有更及时的响应，但由于端电压v的第1个值的绝对值通常比其第1个极值的绝对值小，故用于对比判断的规定值需相应减少。此外，特征值也可以是其它规定特征时刻(如交流电源电压一过零点)的端电压v的值。

Claims (6)

1.一种微型单相永磁同步电动机，包括：

——同样极数的定子和永磁转子；所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的圆周方向偏转一锐角角度；

——开关；所述定子的绕组具有规定绕向，经该开关接往交流电源；

——控制电路；包括检测电路和按该电路检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的内置程序；所述检测包括检测所述交流电源电压的特征；

其特征在于：

——所述检测还包括检测所述电流和该电流为零时所述绕组的端电压；

——所述内置程序还包括下述步骤：

a)使转子处于规定位置；转子在该位置时，转子永磁磁极轴线沿所述圆周方向超前定子绕组通入某方向电流时的磁场轴线所述锐角角度；

b)驱动所述开关，使第1电流脉冲(I1)输入所述绕组；该电流脉冲(I1)自所述交流电源电压一过零点的第1规定时延(tl)开始，且其方向与步骤a)中所述电流方向相反；

c)一旦第1电流脉冲(I1)恢复为零，随即检查所述端电压和交流电源电压，包括所述端电压特征值及其第1个过零点与所述交流电源电压一过零点之后的第3过零点的时间差；当所述端电压特征值的绝对值大于规定值且所述时间差的绝对值小于规定时段时，驱动所述开关，使第2电流脉冲(I2)输入所述绕组；该电流脉冲(I2)与所述第1电流脉冲(I1)的方向相反，且相对于所述交流电源电压第3过零点具有第2规定时延(t2)；然后进入同步运行；以及

d)当该特征值的绝对值小于规定值或该特征值的绝对值大于规定值且所述时间差的绝对值大于规定时段时，从步骤a)开始重复上述过程，且若该特征值的绝对值大于规定值且其第1个过零点超前所述交流电源电压第3过零点，则增加所述第1规定时延(tl)的持续时间；若该特征值的绝对值小于规定值或该特征值的绝对值大于规定值且其第1个过零点落后所述交流电源电压第3过零点，则缩短所述第1规定时延(tl)的持续时间。

2.按照权利要求1所述电动机，其特征在于：所述步骤d)中，当缩短所述第1规定时延(tl)的持续时间为零，仍然所述时间差的绝对值大于规定时段和所述端电压的第1个过零点落后所述交流电源电压第3过零点或者其特征值的绝对值小于规定值，则在每次所述重复上述过程中的步骤a)之后和步骤b)之前，向所述绕组输入n个电流脉冲(In)，该n个电流脉冲依次自所述交流电源电压一过零点之前的第2、4、6……(2n-2)个过零点开始，且其方向与步骤a)中所述电流方向相反；关于n，对于首次出现所述时间为零仍然所述时间差的绝对值大于规定时段和所述端电压的第1个过零点落后所述交流电源电压第3过零点或者其特征值的绝对值小于规定值的情况，n＝1；若再次出现该情况，n＝2；如此类推使n按自然数增加。

3.按照权利要求1或2所述电动机，其特征在于：所述端电压特征值为所述交流电源输入所述绕组的电流恢复为零后所述绕组的端电压的第1个值或第1个极值。

4.按照权利要求1或2所述电动机，其特征在于：所述同步运行是按照所述交流电源的频率驱动所述开关，将所述交流电源电压以规定波形施加于所述绕组；或者当所述端电压的绝对值在增加且极性与所述交流电源电压的极性相同时，随即驱动所述开关，将所述交流电源电压施加于所述绕组。

5.按照权利要求1或2所述电动机，其特征在于，所述步骤a)中使转子处于规定位置包括如下过程：

a1)驱动所述开关，自所述交流电源电压过零点的规定时延(t0)开始，使与步骤a)中所述电流方向相同的至少2个电流脉冲(I0)输入所述绕组；这些电流脉冲(I0)恢复为零期间,检查所述端电压；

a2)若:

——若所述电流脉冲(I0)中的最末1个恢复为零后，所述端电压持续时间在规定上、下限范围内，所述过程结束；

——若所述电流脉冲(I0)中的最末1个恢复为零后，所述端电压持续时间大于规定上限，所述规定时延(t0)增加，从步骤a1)开始重复上述过程；

——若所述电流脉冲(I0)中的最末1个恢复为零后，所述端电压持续时间小于规定下限，所述规定时延(t0)减少，从步骤a1)开始重复上述过程。

6.按照权利要求1或2所述电动机，其特征在于：所述永磁转子为正弦波充磁。