CN105634234B - 一种无刷式直流测速发电机 - Google Patents

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    • H02K29/06Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
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Abstract

一种无刷式直流测速发电机,包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承。其中定子铁心固定在机座内侧,定子铁心设有封闭槽,霍尔元件嵌放在封闭槽中,定子铁心另设有凹槽,定子线圈嵌放在凹槽中;定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐,且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连;转子为两极的永久磁钢,转子中心设有通孔,转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定,另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定,再穿过右端盖的轴承后与机座固定。本发明的无刷式直流测速发电机,输出特性的线性误差小,无剩余电压,结构简单,在低速时也能够精确的测量转速,不存在失灵区。

Description

一种无刷式直流测速发电机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测速发电机,更具体的是涉及一种基于霍尔效应的无刷式直流测速发电机。
背景技术
[0002] 直流测速发电机是一种测量转速的微型电气装置,其功能是把输入的机械转速变换为电压信号输出,且输出的电压信号与转速成正比。直流测速发电机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两种,其中永磁式直流测速发电机的定子用永久磁钢制成,无需励磁绕组,具有结构简单、不需励磁电源、使用方便、温度对磁场的影响小等优点。
[0003] 无论是电磁式还是永磁式直流测速发电机,其电枢电路包括电刷和换向片,会产生相应的接触电阻,该接触电阻为非线性,且随负载电流的变化而变化,导致测速发电机的输出特性存在线性误差。此外,当发电机转速较低时,相应的电枢电流较小,而接触电阻较大,电刷压降较大,此时测速发电机虽然有输入信号(转速),但输出电压却很小,因而在输出特性上存在失灵区。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足,提出了一种无刷式直流测速发电机。
[0005] 本发明的目的采取下述技术方案实现:
[0006] —种无刷式直流测速发电机,包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承;
[0007] 所述定子铁心固定在机座内侧,定子铁心设有封闭槽,霍尔元件嵌放在封闭槽中,定子铁心另设有凹槽,定子线圈嵌放在凹槽中;所述定子线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中,定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐,且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连;所述永磁转子为两极的永久磁钢制成,永磁转子中心设有通孔;所述转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定,另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定,再穿过后端盖的轴承后与机座固定。
[0008] 所述定子铁心的封闭槽数为四个,在空间平均分布,相互错开90度空间角。
[0009] 所述定子铁心的凹槽数为四个,在空间平均分布,相互错开90度空间角。
[0010] 所述定子铁心的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。
[0011] 所述永磁转子表面气隙的磁场按照正弦规律分布。
[0012] 所述四片霍尔元件的输出端按照电势叠加的形式,进行相应的正向串联和反向串 联。
[0013] 本发明的有益效果:本发明的无刷式直流测速发电机,由于采用无刷结构,不存在电刷接触电阻造成的非线性误差,且结构简单,在低速时也能够精确的测量转速,不存在低速失灵区。
附图说明
[0014] 图1为无刷式直流测速发电机的结构图;
[0015] 图2为无刷式直流测速发电机的剖视图;
[0016] 图3为无刷式直流测速发电机的气隙磁场示意图;
[0017] 图4为无刷式直流测速发电机的定子线圈和霍尔元件的接线图。
具体实施方式
[0018] 以下结合附图进一步描述本发明的无刷式直流测速发电机的实施。
[0019]如图1、图2所示,一种无刷式直流测速发电机,包括转轴1、前端盖轴承2、前端盖3、定子线圈4、定子铁心5、机座6、霍尔元件7、永磁转子8、后端盖9和后端盖轴承10。
[0020] 所述定子铁心5固定在机座6的内侧,定子铁心5设有封闭槽,霍尔元件7嵌放在封闭槽中,定子铁心另设有凹槽,定子线圈4嵌放在凹槽中;所述定子线圈4为四组,分别为 401、 402、403和404,每组线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中,四组线圈401、402、403和404的轴线分别与四片霍尔元件701、702、703和704的平面法线对齐,四组线圈401、 402、 403和404分别与四片霍尔元件704、701、702和703的控制端相连。
[0021] 所述永磁转子8为两极的永久磁钢制成,永磁转子8的中心设有通孔;所述转轴1的一端穿过前端盖3的轴承2后与机座6固定,另一端穿过永磁转子8的中心通孔后与永磁转子8固定,再穿过后端盖9的轴承10后与机座6固定。
[0022] 所述定子铁心5的封闭槽数为四个,在空间平均分布,相互错开90度空间角。
[0023] 所述定子铁心5的凹槽数为四个,在空间平均分布,相互错开90度空间角。
[0024] 所述定子铁心5的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。
[0025] 所述永磁转子8表面气隙的磁场按照正弦规律分布。
[0026] 所述四片霍尔元件701、702、703和704的输出端按照电势叠加的形式,进行相应的正向串联或反向串联。
[0027] 如图3、图4所示,一种无刷式直流测速发电机,永磁转子8的初始位置如图3所示,永磁转子8不转时,定子线圈401、402、403和404中无感应电动势,由于定子线圈401、402、403和404分别与四片霍尔元件704、701、702和703的控制端相连,如图4所示,所以霍尔元件704、701、702和703中无霍尔电势输出,即不存在剩余电压;当永磁转子8顺时针,以旋转角速度Ω转动时,如图3所不,永磁转子8表面的气隙磁场为
[0028] B = Bmsin Ω t (1),
[0029] 式中Bm为气隙磁场的幅值。
[0030] 所述定子线圈401、402、403和404的气隙磁场分别为
[0031]
Figure CN105634234BD00051
[0032] 所述线圈401、402、403和404的轴线分别与霍尔元件701、702、703和704的平面法 线对齐,如图3所示,则穿过霍尔元件701、702、703和704的磁场分别为
[0033] 根据变压器原理,定子线圈401、402、403和404中分别产生感应电动势为
[0034]
Figure CN105634234BD00061
[0035] 式中HK3和K4分别为与定子线圈401、402、403和404的结构相关的常数。
[0036] 线圈401与霍尔元件704的控制端相连,线圈402与霍尔元件701的控制端相连,线圈403与霍尔元件702的控制端相连,线圈404与霍尔元件703的控制端相连,如图4所示,则霍尔元件704、701、702和703控制回路中的电流分别为
[0037]
Figure CN105634234BD00062
[0038] 式中R4、Ri、R2和R3分别为霍尔元件704、701、702和703的控制回路中的附加电阻,如图4所示,根据霍尔元件的工作原理,则霍尔元件704、701、702和703输出的霍尔电势分别为
[0039]
Figure CN105634234BD00063
[0040] 式中Kh4、Kh2、Kh3和KhAv别为霍尔元件704、701、702和703的灵敏度。调节霍尔元件704、701、702和703的控制回路中的附加电阻R4、Ri、R2、和R3,如图4所示,使得
[0041]
Figure CN105634234BD00071
[0042] 所述霍尔元件704、701、702和703输出的霍尔电势叠加后为
[0043] Εη=Εηι+Εη2+Εη3+Εη4=Κ Ω +H Ω ⑵,
[0044] 根据式⑵可知,总输出的霍尔电势与转子角速度Ω成正比。
[0045] 所述的无刷式直流测速发电机,无电刷和换向片,不存在电刷和换向片的接触电阻,其输出特性的线性误差小,结构简单,且在低速时也能够精确的测量转速,不存在失灵区。
[0046] 实施例不应视为对本发明的限制,但任何基于本发明的精神所作的改进,都应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种无刷式直流测速发电机,包括转轴、前端盖及轴承、机座、定子铁心、定子线圈、霍尔元件、永磁转子、后端盖及轴承; 其特征在于:所述定子铁心固定在机座内侧,定子铁心设有封闭槽,霍尔元件嵌放在封闭槽中,定子铁心另设有凹槽,定子线圈嵌放在凹槽中;所述定子线圈的两个有效边排放在相邻的两个凹槽中,定子线圈的轴线位置与霍尔元件的平面法线位置对齐,且定子线圈的两端分别与对应的霍尔元件的控制端相连;所述转子为两极的永久磁钢,转子中心设有通孔;所述转轴一端穿过前端盖的轴承后与机座固定,另一端穿过永磁转子中心通孔后与永磁转子固定,再穿过后端盖的轴承后与机座固定; 永磁转子不转时,定子线圈中无感应电动势,定子线圈与霍尔元件的控制端相连,霍尔元件中无霍尔电势输出;当永磁转子以旋转角速度Ω转动时,永磁转子表面的气隙磁场为B = Bm sin Ω t (1), 式(1)中的Bm为气隙磁场的幅值; 定子线圈的气隙磁场分别为
Figure CN105634234BC00021
线圈的轴线与霍尔元件的平面法线对齐,根据变压器原理,定子线圈中分别产生感应电动势为
Figure CN105634234BC00022
式⑶中KhK^K3和K4为与定子线圈结构相关的常数; 定子线圈与霍尔元件的控制端相连,则霍尔元件控制回路中的电流分别为
Figure CN105634234BC00023
式(4)中!^、!^、!^和办分别为霍尔元件控制回路中的附加电阻^艮据霍尔元件的工作原 理,则霍尔元件输出的霍尔电势分别为
Figure CN105634234BC00031
式⑶中KH4、KH2、Kh3和Km分别为霍尔元件的灵敏度,调节霍尔元件控制回路中的附加电阻R4、Ri、R2、和R3,使得
Figure CN105634234BC00032
霍尔元件输出的霍尔电势叠加后为 Εη = Εηι+Εη2+Εη3+Εη4=Κ Ω +H Ω (7), 根据式⑵可知,总输出的霍尔电势与转子角速度Ω成正比。
2. 根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机,其特征在于:定子铁心的封闭槽数为四个,在空间平均分布,相互错开90度空间角。
3. 根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机,其特征在于:定子铁心的凹槽数为四个,在空间平均分布,相互错开90度空间角。
4. 根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机,其特征在于:定子铁心的封闭槽和凹槽相互错开45度空间角。
5. 根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机,其特征在于:永磁转子表面气隙的磁场按照正弦规律分布。
6. 根据权利要求1所述的一种无刷式直流测速发电机,其特征在于:四片霍尔元件的输出端按照电势叠加的形式,进行相应的正向串联或反向串联。
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