CN105515465A - 环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路，同时导通下一状态功率开关和关断上一状态功率开关，或在一段很短的时间内同时导通两功率开关；二极管提供换向时的续流通路；换向绕组在直流侧电压的作用下迅速改变方向；换向时刻为绕组感应电势为零的时刻，此时电机输出转矩最大。本发明换向速度快，适合换向频率较高的情况，如多极电机或高速电机。

Description

环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路

技术领域

本发明属于大功率电力驱动领域，具体涉及一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路及其换向方法。

背景技术

为保证电磁转矩方向始终不变，电机导体内的电流必须随其所处磁极极性的改变而同时改变方向。直流电机的外加电压通过电刷与换向器连接加到线圈，通过机械换向实现线圈电流方向的改变。增加电枢绕组串联的线圈数量，直流电机的转矩脉动将大为减小。因此直流电机具有调速性能好，转矩脉动小的优点。但是机械换向器结构复杂，换向不好会产生火花而损害换向器，其可靠性往往较低。

无刷直流电机转子上安装永磁体以提供励磁磁场，电枢绕组安装在定子上，由功率开关器件组成的驱动电路代替机械换向器改变绕组电流的方向。其继承了直流电机良好的调速性能，且由于取消了机械换向器，结构简单且可靠性高，得到了广泛的应用。

常见的无刷直流电机绕组一般为三相，工作在两相导通的120°工作模式，换向时的转矩脉动往往较大，这是由于关断相的电流下降过程与开通相的电流上升过程不可能完全一致。为改善无刷直流电机的换向性能，需控制每相输入电流，增加了驱动电路的复杂性，且对换向转矩脉动的抑制效果有限。因此在对转矩性能要求较高时，无刷直流电机应用较少。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路，实现了功率开关器件的零电流关断，运行过程没有开关损耗。

本发明提供了一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路，包括多相相互串联形成闭合回路的换向绕组和开关电路，开关电路包括多个并联的开关桥臂，并联的开关桥臂数与电机的相数相等，每个开关桥臂由两个串联的功率开关组成，开关桥臂两端分别连接至直流电源的正负极，每相换向绕组的首端连接至对应状态的的开关桥臂中点。

本发明还提供了一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向方法，包括以下步骤：

第一步，在某一相换向绕组的感应电势方向改变之前的某一时刻导通下一相换向绕组对应状态的开关桥臂的功率开关，使换向绕组首末两端的功率开关同时导通，从而使该相换向绕组短路；

第二步，上述换向绕组在短路后其感应电势的方向和感应电流的方向相反，该相换向绕组的感应电流在绕组感应电势的作用下逐渐改变方向；

第三步，当上述换向绕组的感应电流与换入支路电流方向相同、大小相等时换向过程即为完成，此时流过该相换向绕组对应功率开关的电流下降为零，所述功率开关自动关断。

上述技术方案中，该相换向绕组的感应电流在下一相换向绕组对应的功率开关导通至该换向绕组感应电势改变方向的时间内完成换向。

本发明提供的换向方法使每相绕组电流波形为近似180°的方波，若电机的感应电势同样设计为近似180°方波，则环形绕组无刷直流电机的转矩密度较常见三相无刷直流电机大幅提高；同时实现了功率开关器件的零电流关断，换向过程对电路冲击小，没有开关损耗。本发明的功率开关器件使用晶闸管，可省去了电流检测环节和关断控制实现自动关断。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明方法流程示意图a

图3为本发明方法流程示意图b

图4为本发明方法流程示意图c

图5为电机结构示意图

其中，1-转子，2-永磁体，3-绕组，4-开关桥臂。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明提供了一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路，包括多相相互串联形成闭合回路的换向绕组和开关电路，开关电路包括多个并联的开关桥臂，并联的开关桥臂数与电机的相数相等，每个开关桥臂由两个串联的功率开关组成，开关桥臂两端分别连接至直流电源的正负极，每相换向绕组的首端连接至对应状态的的开关桥臂中点。如图所述，具体实施例1中采用一台12相绕组的环形绕组无刷直流电机，电机各相绕组首尾相连，并依次与驱动电路各开关桥臂的中点连接，形成环形绕组。本发明采用晶闸管作为功率开关，形成负载换向驱动电路，当其流过电流下降为零并保持一段时间后自动关断，省去了电流检测环节和关断控制。

本发明还提供了一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向方法，包括以下步骤：

第一步，在某一相换向绕组的感应电势方向改变之前的某一时刻导通下一相换向绕组对应状态的开关桥臂的功率开关，使换向绕组首末两端的功率开关同时导通，从而使该相换向绕组短路。某一状态下功率开关SH1导通，1号绕组内流过的电流i1方向与换出支路的电流方向相同、大小相等，1号绕组的感应电势与电流方向相反，如图2。当1号绕组处于换向位置时，其感应电势将改变方向，在感应电势改变方向前首先导通下一状态的功率开关SH2。

第二步，1号绕组在短路后其感应电势的方向和感应电流的方向相反，1号换向绕组的感应电流在其自身感应电势的作用下逐渐改变方向。具体实施例中，1号绕组电流将在自身的感应电势作用下逐渐改变方向。这一过程中流过SH1的电流减小，流过SH2中的电流将增加。

第三步，当1号绕组的感应电流与换入支路电流方向相同、大小相等时换向过程即为完成，此时流过1号绕组对应功率开关SH1的电流下降为零。功率开关为晶闸管，SH1将自动关断，完成换向过程。

上述技术方案中，该相换向绕组的感应电流在下一相换向绕组对应的功率开关导通至该换向绕组感应电势改变方向的时间内完成换向。环形绕组无刷直流电机的负载换向方法可以实现功率开关器件的零电流关断，从而减小器件开关损耗，实现零电流关断的条件是绕组电流必须在下一状态开关器件导通至该绕组感应电势改变方向的时间内完成换向。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向驱动电路，其特征在于包括多相相互串联形成闭合回路的换向绕组和开关电路，开关电路包括多个并联的开关桥臂，并联的开关桥臂数与电机的相数相等，每个开关桥臂由两个串联的功率开关组成，开关桥臂两端分别连接至直流电源的正负极，每相换向绕组的首端连接至对应状态的的开关桥臂中点。

2.一种环形绕组永磁无刷直流电机的换向方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，在某一相换向绕组的感应电势方向改变之前的某一时刻导通下一相换向绕组对应状态的开关桥臂的功率开关，使换向绕组首末两端的功率开关同时导通，从而使该相换向绕组短路；

第二步，上述换向绕组在短路后其感应电势的方向和感应电流的方向相反，该相换向绕组的感应电流在绕组感应电势的作用下逐渐改变方向；

第三步，当上述换向绕组的感应电流与换入支路电流方向相同、大小相等时换向过程即为完成，此时流过该相换向绕组对应功率开关的电流下降为零，所述功率开关自动关断。

3.根据权利要求2所述的环形绕组永磁无刷直流电机的换向方法，其特征在于该相换向绕组的感应电流在下一相换向绕组对应的功率开关导通至该换向绕组感应电势改变方向的时间内完成换向。