CN106887937A - 一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机 - Google Patents

一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机，包括直流电机和传感器装置；直流电机包括第一定子、第一转子、第一转子磁钢和后端盖；传感器装置包括第二定子、第二转子、环形磁铁和传感器集成电路；第二定子为环形、与第一转子对应设置，第二转子与第一转子同轴同步旋转；第二转子的外圈安装有环形磁铁；传感器集成电路固定于第二定子的内圈表面；传感器集成电路包括用于采集第二转子的位置信号的位置传感器，位置传感器安装于滞后安装位置，滞后安装位置为从最佳换相位置沿第二转子旋转方向正向移动5°‑10°。本发明的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，减小了无刷直流电机换相过程中产生的电磁转矩脉动，提高了电机的转矩性能，同时降低霍尔传感器的安装难度。

Description

一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机
技术领域
本发明涉及直流电机技术领域，特别是涉及一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机。
背景技术
直流无刷电机，设置传感器在无刷直流电机运行过程中获取转子的位置信号，由信号可推算出电机相应状态下应有的换相信息，根据换相原理控制功率开关的开通关断，从而在气隙内形成步进式的旋转磁场，驱动永磁转子不停的旋转。位置信息的准确性对换相性能的影响很大，位置信号不准确可能会加大转矩脉动、电机振动等，严重时导致电机换相失败。而无刷直流电机的换相转矩脉动是无法消除的，它产生的原因有二：
(1)绕组电感阻碍了电流的快速变化，使电流的上升和下降都需要经历一段时间，所以相电流不是矩形，而是梯形的。
(2)每相绕组反电动势梯形波平顶部分宽度很难达到120°。
因此，如何通过电机结构设计和优化换相方法来减小换相转矩脉动是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机，以解决现有技术中换相转矩脉动较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机，包括直流电机和传感器装置；
所述直流电机包括第一定子、第一转子、第一转子磁钢和后端盖；所述第一定子与所述第一转子同轴对应设置，所述第一转子磁钢安装于所述第一转子的外圈；
所述传感器装置包括第二定子、第二转子、环形磁铁和传感器集成电路；
所述第二定子为环形、固定于所述后端盖上与所述第一转子对应设置，所述第二转子与所述第一转子同轴同步旋转；所述第二转子的外圈安装有环形磁铁；所述传感器集成电路固定于所述第二定子的内圈表面；
所述传感器集成电路包括用于采集所述第二转子的位置信号的位置传感器，所述位置传感器安装于滞后安装位置，所述滞后安装位置为从最佳换相位置沿所述第二转子旋转方向正向移动5°-10°。
其中，所述滞后安装位置为从最佳换相位置沿所述第二转子旋转方向正向移动10°。
其中，所述环形磁铁为与所述第一转子磁钢的极对数相同的环形磁铁。
其中，所述位置传感器的标志面指向所述第二转子旋转的轴心。
其中，所述位置传感器为霍尔传感器。
其中，所述直流电机在三相全波六状态下工作，每对极下的所述第二定子的内圈表面存在两组6个霍尔传感器安装位置，每组3个霍尔传感器相互间隔120°。
其中，还包括装卸盖，所述后端盖的边缘固定连接有向外延伸的延伸部，所述装卸盖与所述延伸部可拆卸连接，所述后端盖与所述装卸盖和所述延伸部形成用于容纳所述传感器装置的腔。
其中，还包括前端盖，所述前端盖和所述后端盖相对应设置形成用于容纳所述直流电机的空间。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：当无刷直流电机采用滞后换相时，电机的电磁换相转矩脉动大幅减小，提高了电机的转矩性能和运行的稳定性，减小了电机运行过程中产生的噪声和振动。同时这种定向性的滞后安装位置传感器的方案，更适合需要高要求、高精度安装位置传感器的场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的新型低换相转矩脉动无刷直流电机的一个实施例的结构剖面图；
图2为本发明的传感器装置的横截面结构示意图；
图3为霍尔芯片原安装位置原理图；
图4为霍尔芯片滞后安装确定原理图；
图5为无刷直流电机控制系统仿真结构图；
图6为常规换相方式下电机电磁转矩波形；
图7为滞后10°电角度换相方式下电机电磁转矩波形；
图8为理想条件下电机换相过程中的三相电流；
图9为实际情况下电机换相过程中的三相电流；
图10为换相前电机的等效电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机，以解决现有技术中无刷直流电机的换相转矩脉动较大的技术问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
图1为本发明的新型低换相转矩脉动无刷直流电机的一个实施例的结构剖面图。图2为本发明的传感器装置的横截面结构示意图。
参见图1和图2所示，在本发明实施例中，该新型直流无刷电机包括直流电机和传感器装置。
直流电机包括第一定子11、第一转子12、第一转子磁钢13和后端盖14；所述第一定子11与所述第一转子12同轴对应设置，所述第一转子磁钢13安装于所述第一转子12的外圈。
传感器装置包括第二定子21、第二转子22、环形磁铁23和传感器集成电路；
第二定子21为环形、固定于后端盖14上与第一转子12对应设置，第二转子22与第一转子12同轴同步旋转。第二转子22的外圈安装有环形磁铁23；传感器集成电路固定于第二定子21的内圈表面。
传感器集成电路包括用于采集第二转子22的位置信号的位置传感器24，位置传感器24安装于滞后安装位置b。
优选地，在本发明实施例中，还包括装卸盖25和前端盖15。后端盖14的边缘固定连接有向外延伸的延伸部，装卸盖25与延伸部可拆卸连接，后端盖14与装卸盖25和延伸部形成用于容纳传感器装置的腔。前端盖15和后端盖14相对应设置形成用于容纳直流电机的空间。
参见图2所示，图2中虚线框内为基于最佳换相原理确定的位置传感器的安装位置a，滞后安装位置b为从最佳换相位置a沿第二转子22旋转方向正向移动5°-10°。在本实施例一中，滞后安装位置b相对于最佳换相位置a旋转5°。
本发明从基于最佳换相原理确定的霍尔传感器安装位置，将传感器从原最佳位置顺着电机旋转正方向移动5°～10°电角度，进行传感器的微滞后安装。这样的安装方法会适当延长换相时间，从而微增关断电流初始值，使换相过程中非换相相电流波动减小，用一个简单经济的方法使换相过程中的电磁转矩更平稳。
实施例二
在本发明实施例二中的直流无刷电机的整体结构与实施例一相似，也是在直流电机的后端盖之外增加了一个位置传感器装置。
在本实施例二中，滞后安装位置b为从最佳换相位置a沿所述第二转子旋转方向正向移动10°。
环形磁铁23为与第一转子磁钢13的极对数相同的环形磁铁。
位置传感器为霍尔传感器，霍尔传感器的标志面指向所述第二转子旋转的轴心。
本发明实施例采用位置传感器外置的方法，使第一转子与第二转子同轴同步旋转。电机在三相全波六状态工作方式下，每对极下第二定子21内表面可找到两组6个霍尔传感器的位置，每组3个霍尔传感器相互间隔120°电角度，这些位置与电机定子三相绕组的轴线位置有固定关系；同时，霍尔传感器的标志面需要指向旋转的轴心。因为外置传感器没有绕组，位置信号不受电枢反应的影响，所以传感器可按照无磁场畸变的理想状态安装。图2中虚线框内为基于最佳换相原理确定的霍尔芯片的安装位置，其原理如图3所示，其中A、B、C、-A、-B、-C为三相绕组的位置，HA、HB、HC为霍尔芯片的安装位置。当电机旋转方向为顺时针旋转时，顺着旋转方向如图2所示移动霍尔传感器至阴影部分，移动的角度约为10°电角度，其原理如图4所示，所有的霍尔传感器在原来位置上顺着电机旋转方向移动10°电角度，得到的HA、HB、HC三个位置是电机实现滞后方式换相下霍尔传感器的安装位置。
通过MATLAB软件中Simulink的仿真功能，对无刷直流电机控制系统进行仿真，仿真的系统结构图如图5所示。通过分别仿真电机在原最佳换相原理方式下和传感器滞后换相方式下的运行情况，对比分析了两种条件下电机的电磁转矩波形。
在常规最佳换相原理方式下，无刷直流电机的仿真输出转矩波形如图6所示，由图可以得到，在每60°电角度的换相过程中，电机将产生一个波动约为0.004N的转矩波动。
图7为电机在滞后10°电角度方式下的电机仿真电磁转矩波形，经过与图6比较发现，换相过程中的电磁转矩波动明显减小，电机的转矩性能显著提高。
图8为常规换相方式，在U＝4E(逆变器直流电压等于4倍反电势)且忽略电机绕组电感影响的条件下，三相电流在换相过程中的变化曲线。t1为关断相电流为0的时刻，t1时刻上升相电流的值可通过反电势值E和供电直流电压U大小关系进行调整。在实际情况中，即使直流电源满足U＝4E,但由于存在电感对电流变化的阻碍作用，在A相B相电流的接触点t0附近，非换相相电流将产生一个凹点，因为电磁转矩脉动大小与非换相相电流的大小成比例关系，所以电磁转矩在t0时刻会产生一个波动，如图9所示。
在一个换相过程中，电磁转矩Tem是由三相电流共同作用产生，电机稳定运行过程中电磁转矩的表达式：
Ω为转子转速，I为定子相电流，e为各项的反电动势，E为反电势值，t为换相开始后的时间，T为电机的换相周期。
以下分别给出正常换相情况(且U＝4E条件下)和滞后换相情况下的电流、转矩定量表达式：
在正常换相情况下：
关断相电流为0时，开通相电流的值为：
其中，R为定子绕组的阻值。
与此对应，在t1时刻，ia＝0，iat/T＝0得到在t1时刻的电磁转矩为：
当直流电压满足条件U＝4E,且忽略电阻压降，就可以得到在t1时刻的电磁转矩值和t＝0时刻的电磁转矩值近似相等为:2EI0/T
在t从零变化到t1的过程中初值和末值相等。过程中电磁转矩表达式为一个存在最小值的上凹函数：
由上面式子可以得到结论当随时间t变化的B相电流与时间的积越大，电磁转矩脉动量越小。
滞后10°换相方式下：
滞后10°换相情况下，在换相开始之前，各相电流值的大小发生了变化。由于A相的反电动势在换相开始之前就已开始下降，所以先简单分析换相前三相电流的变化，换相前电机的等效电路如图10所示。经过数学公式
g为换相滞后正常情况下的时间
L为电感
由上面方程得到，换相开始前A相电流值比正常换相情况下大，由于三相电流和为0，非换相相电流也增大等量值，增大的量和g有关。
当滞后10°换相，U＝4E,且忽略电阻压降时。换相开始时刻的电磁转矩为：
在换相开始时刻，非换相相电流ic≈1.2I0，而同一时刻反电势下降约1/3，经过计算发现电磁转矩和正常换相情况的值大约相等。
滞后10°换相时，在t1时刻，ia＝0，iat/T＝0得到此时的非换相相电
流值为：
电磁转矩为：
此时刻电磁转矩稍微小于正常换相情况下的值。
其中，需要说明的是，无刷直流电机可使用的位置传感器有多种实施方式，例如光电编码器、霍尔传感器等，本领域技术人员可以根据本发明的技术方案选择不同类型的传感器，霍尔传感器为优选方案但并不仅限于霍尔传感器。光电编码器不能应用于振动剧烈、潮湿、有油污和灰尘的恶劣环境，成本高、寿命不长，这些因素限制了其应用。霍尔位置传感器由磁感类半导体元件制成，体积小、低功耗、寿命长、成本低等优点，但其安装困难、输出信号误差大。考虑到成本和实用性关系，本发明实施例的无刷直流电机使用霍尔传感器采集电机的转子信号。
采用锁存型的霍尔传感器作为无刷直流电机的位置传感器，大多数霍尔集成电路的极性规定：永磁体的S极面向霍尔集成电路标志面时，磁通密度B为正值，当B值大于阈值Bop时，霍尔集成电路输出低电平。反之N极对应存在阈值Brp，传感器输出高电平。磁场交替变化下，输出高低电平占比相同(使用不同类型不同阈值的霍尔传感器有不同的安装方式)。安装时，霍尔集成电路标志面对准转子轴心。根据无刷直流电机电磁转矩产生原理，当换相位置处于反电势过零后30°电角度，同一相的电流导通时段与反电势平顶时段重合，电机产生的平均电磁转矩最大，所以常规最佳安装位置如图3所示。
本发明实施例采用的是传感器与电机本体分离安装的方式。传感器分为定子(静止)和转子(转动)两个部分，传感器转子上安装的环形磁钢与电机转子磁钢的极对数相等(采用环形磁钢径向充磁以产生方波反电动势)，可使两个转子同轴连接同步旋转，或直接采用电机永磁转子做传感器转子。在传感器定子上固定位置安装霍尔集成电路，用来检测同步转子相对静止定子的位置。这种安装方式测量的位置信号准确。
本领域技术人员容易根据本发明的技术构思对于位置传感器的安装位置做出调整，例如，可以将霍尔传感器与电机本体一体化安装。将霍尔芯片直接安装在定子铁芯的槽口或齿顶的凹槽上。这种方法节省空间，但是位置信号易受定子电枢反应产生的磁场变化和电机发热的影响。
针对现存的换相过程中存在的转矩波动，本发明提出将换相点后推以实现使关断相电流在换相点的初始值增大，以减轻关断相电流和导通相电流交汇处电流值下降的程度，从而使非换相相电流在换相点处的下凹程度缓解，以达到减小换相转矩脉动的目的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，包括直流电机和传感器装置；
所述直流电机包括第一定子、第一转子、第一转子磁钢和后端盖；所述第一定子与所述第一转子同轴对应设置，所述第一转子磁钢安装于所述第一转子的外圈；
所述传感器装置包括第二定子、第二转子、环形磁铁和传感器集成电路；
所述第二定子为环形、固定于所述后端盖上与所述第一转子对应设置，所述第二转子与所述第一转子同轴同步旋转；所述第二转子的外圈安装有环形磁铁；所述传感器集成电路固定于所述第二定子的内圈表面；
所述传感器集成电路包括用于采集所述第二转子的位置信号的位置传感器，所述位置传感器安装于滞后安装位置，所述滞后安装位置为从最佳换相位置沿所述第二转子旋转方向正向移动5°-10°。
2.如权利要求1所述的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，所述滞后安装位置为从最佳换相位置沿所述第二转子旋转方向正向移动10°。
3.如权利要求1所述的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，所述环形磁铁为与所述第一转子磁钢的极对数相同的环形磁铁。
4.如权利要求1所述的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，所述位置传感器的标志面指向所述第二转子旋转的轴心。
5.如权利要求1-4任一项所述的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，所述位置传感器为霍尔传感器。
6.如权利要求5所述的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，所述直流电机在三相全波六状态下工作，每对极下的所述第二定子的内圈表面存在两组6个霍尔传感器安装位置，每组3个霍尔传感器相互间隔120°。
7.如权利要求1-4和6中任一项所述的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，还包括装卸盖，所述后端盖的边缘固定连接有向外延伸的延伸部，所述装卸盖与所述延伸部可拆卸连接，所述后端盖与所述装卸盖和所述延伸部形成用于容纳所述传感器装置的腔。
8.如权利要求1-4和6中任一项所述的新型低换相转矩脉动无刷直流电机，其特征在于，还包括前端盖，所述前端盖和所述后端盖相对应设置形成用于容纳所述直流电机的空间。
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