CN107026539B - 集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机，包括定子轴、前轴承、定子压圈、定子、永磁体、转子、后轴承、永磁压块、多对极磁环、磁环放置盘、编码器舱体，磁编码器及其外围电路、霍尔开关及其外围电路、霍尔磁体、控制电路板，多极磁环充磁方向为轴向充磁，多对极磁环圆心与轴的圆心重合，磁编码器放置在控制板上，磁环放置盘与永磁压块的圆心重合，永磁压块、多对极磁环、磁环放置盘、转子、轴同圆心，定子为斜槽结构，斜槽角度为15°。本发明的集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机具有结构紧凑、定位精度高、位置传感器占用空间小，不受油污、振动干扰，适用于位置要求高，多油污，多振动的恶劣条件。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机。
背景技术
外转子永磁同步电机获取位置的方式一般采用高分辨率的位置传感器，比如旋转变压器、绝对式光电编码器或者增量型光电编码器，这些传感器的性能容易受到高温、潮湿、油污等恶劣环境的影响，并且光电编码器易碎容易受到振动的影响。旋转变压器尺寸较大，从而增加电机体积，影响电机运行的稳定性。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机，旨在解决旋转变压器、绝对式光电编码器或者增量型光电编码器性能容易受到高温、潮湿、油污等恶劣环境的影响，并且光电编码器易碎容易受到振动的影响，旋转变压器尺寸较大，从而增加电机体积，影响电机运行的稳定性的问题；本发明提供的外转子永磁同步电机具有位置精度高，占用安装空间小，抗冲击、抗振动、抗油污的优点。
本发明提供了一种集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机，包括：电机旋转模块、电机静止模块以及用于连接电机旋转模块和电机静止模块的连接部件；电机旋转模块包括：电机转子和传感器旋转模块；其中，电机转子包括：相互连接的机壳和永磁体；所述传感器旋转模块包括：永磁压块、磁环放置盘、霍尔磁体和多对极磁环，所述永磁压块外侧和所述机壳固定连接，所述永磁压块内侧和所述磁环放置盘固定连接，所述磁环放置盘随所述机壳同步旋转；在所述磁环放置盘内固定有所述霍尔磁体和所述多对极磁环，使得所述霍尔磁体和所述多对极磁环随电机转子同步旋转；所述电机静止模块包括：电机定子和传感器静止模块；所述电机定子包括：相互固定连接的定子和轴，在所述定子上设置有绕组；所述传感器静止模块包括：编码器舱体和控制电路板，所述编码器舱体和所述轴固定连接，所述控制电路板放置在所述编码器舱体内且与所述编码器舱体固定连接；所述控制电路板用于将直流电逆变成三相交流电并供给定子绕组，使得电机正常工作。
更进一步地，所述控制电路板包括：编码器和霍尔开关，所述编码器用来感应磁环产生转子位置A方波信号和B方波信号；所述霍尔开关用于感应所述霍尔磁体产生转子位置零点信号。
更进一步地，连接部件包括：后轴承和前轴承，所述后轴承用于连接所述机壳和所述轴；所述前轴承用于连接所述轴和所述永磁压块。
更进一步地，定子为斜槽结构，斜槽角度为15°。
更进一步地，霍尔磁体放置在磁环放置盘内，霍尔开关放置在控制板上，霍尔磁体的充磁方向沿电机轴向，霍尔磁体放置在正对霍尔开关的位置上，每当霍尔磁体转到霍尔开关的正下方，霍尔开关输出高电平，当霍尔磁体远离霍尔开关，霍尔开关输出低电平，霍尔开关的输出信号接至单片机，每当单片机收到霍尔开关的上升沿信号，表明霍尔磁体旋转至霍尔开关的正下方，把此位置作为电机位置信号原点。
更进一步地，磁编码器产生互差90°的A方波信号和B方波信号，多极磁环旋转一周产生3520个周期的方波信号，单片机读取霍尔开关下降沿的位置作为电机旋转的零点，单片机寄存器开始记录A信号和B信号的个数，每次单片机读到3520个A信号和B信号的时刻，电机再次旋转至零点，同时单片机读取霍尔开关下降沿然后将存放A信号和B信号的单片机寄存器清零，该寄存器再次从零开始计数，如此往复；通过读取一个机械周期内A信号或B信号的个数确定电机的绝对位置，通过一段时间内读取霍尔开关低电平下降沿的个数可以得到电机的转速。电机顺时针旋转，A信号超前B信号90°，电机逆时针旋转，则B信号超前A信号90°，通过读取A、B信号的超前滞后关系确定电机的转向。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用霍尔磁体、霍尔传感器、霍尔磁环和磁编码器获取转子位置的方式，使得获取的电机转子位置更精确，相比光电编码器靠红外线获取转子位置，因而光电编码器易碎以及容易受到潮湿、油污等恶劣环境的影响，本发明专利所构思的方案依靠磁场获取电机转子位置，因而不受到潮湿、油污等恶劣环境影响，并且结构坚固，可靠性高；相比旋转变压器，本发明专利采用的方案体积小。重量轻，可以将磁编码器和霍尔磁体集成在外转子永磁同步电机内，使得外转子结构更紧凑，可靠性更高，综上，本发明提供的外转子永磁同步电机具有位置精度高，占用安装空间小，抗冲击、抗振动、抗油污的优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的多对极磁环示意图；
图3是本发明的多对极磁环放置在磁环放置环的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机包括：由机壳、永磁体组成电机转子，永磁压块、磁环放置盘、多对极磁环与转子固定，由定子、编码器舱体、控制电路板、磁编码器、霍尔开关、霍尔磁体、轴、定子压圈组成电机静止模块，由后轴承、前轴承组成的电机旋转模块和静止模块的连接部件，其中，多对极磁环固定在磁环放置盘内，磁环放置盘与永磁压块螺纹配合固定，永磁压块和机壳螺纹配合固定，电机转子旋转带动多对极磁环旋转；磁编码器和霍尔开关放置在控制电路板上，控制电路板固定在编码器舱体内，编码器舱体与轴螺纹配合固定，轴和定子静止不动；多对极磁环为轴向充磁，多对极磁环跟随轴沿圆周方向旋转，磁编码器静止不动，磁编码器的下表面距离多对极磁环的上表面0.5mm，磁编码器感应到多对极磁环NS交替，产生互差90°的A方波信号和B方波信号，多极磁环旋转一周可以产生3520个周期的方波信号，对应电机机械旋转360°；通过单片机读取A方波信号或者B方波信号的数量确定电机旋转的机械角度。
霍尔磁体放置在磁环放置盘内，霍尔开关放置在控制板上，霍尔磁体的充磁方向沿电机轴向，霍尔磁体放置在正对霍尔开关的位置上，每当霍尔磁体转到霍尔开关的正下方，霍尔开关输出高电平，当霍尔磁体远离霍尔开关，霍尔开关输出低电平，霍尔开关的输出信号接至单片机，每当单片机收到霍尔开关的上升沿信号，表明霍尔磁体旋转至霍尔开关的正下方，把此位置作为电机位置信号原点。
磁编码器产生互差90°的A方波信号和B方波信号，多极磁环旋转一周可以产生3520个周期的方波信号，单片机读取霍尔开关下降沿的位置作为电机旋转的零点，单片机寄存器开始记录A信号和B信号的个数，每次单片机读到3520个A信号和B信号的时刻，电机再次旋转至零点，同时单片机读取霍尔开关下降沿然后将存放A信号和B信号的单片机寄存器清零，该寄存器再次从零开始计数，如此往复。通过读取一个机械周期内A信号或B信号的个数确定电机的绝对位置，通过一段时间内读取霍尔开关低电平下降沿的个数可以得到电机的转速。电机顺时针旋转，A信号超前B信号90°，电机逆时针旋转，则B信号超前A信号90°，通过读取A、B信号的超前滞后关系确定电机的转向。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例紧紧用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之前未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机包括：电机旋转模块、电机静止模块以及用于连接电机旋转模块和电机静止模块的连接部件；
电机旋转模块包括：电机转子和传感器旋转模块；其中，电机转子包括：机壳2和永磁体3，两者靠胶粘连。传感器旋转模块包括：永磁压块5、磁环放置盘6、霍尔磁体7和多对极磁环12，永磁压块5外侧和机壳2螺纹配合固定，内侧和磁环放置盘6螺纹配合固定，起到固定永磁体防止永磁体轴向窜动，并且起到机壳2和磁环放置盘6的连接部件，使得磁环放置盘6随机壳2同步旋转。磁环放置盘6内靠胶固定有霍尔磁体7和多对极磁环12，使得霍尔磁体7和多对极磁环12随电机转子同步旋转。
电机静止模块包括：电机定子和传感器静止模块；其中，电机定子包括：定子4和轴14，定子4和轴14靠502胶固定不动，定子上有绕组，定子绕组通电和有用磁铁的转子组成永磁同步电机。传感器静止模块包括：编码器舱体9和控制电路板10，编码器舱体9和轴螺纹配合固定，控制电路板10放置在编码器舱体9内，与编码器舱体9螺纹配合固定。控制电路板10将直流电逆变成三相交流电供给定子绕组，使得电机正常工作，控制电路板10中设置有编码器11和霍尔开关8，编码器11和霍尔开关8焊接在控制电路板10上，编码器11用来感应磁环产生转子位置A方波信号和B方波信号，霍尔开关8感应霍尔磁体7产生转子位置零点信号。
连接部件包括：后轴承1和前轴承12，后轴承1用来连接机壳2和轴14，前轴承12用来连接轴14和永磁压块5。
如图2所示，为多对极磁环示意图，多对极磁环12的充磁方向为轴向充磁，黑色区域代表N极，白色区域代表S极，磁环被均匀分成22个N极和22个S极，相当于转子被均分成44个位置范围，磁编码器又将44个位置范围中的每个范围均分成80份，产生A方波信号和B方波信号，这样，相当于转子转一个机械周期，磁编码器感应到3520个A方波信号和B方波信号。
在本发明实施例中，如图3所示，多对极磁环12和霍尔磁体7随转子同步旋转，磁编码器静止不动，磁编码器的下表面距离多对极磁环的上表面0.5mm，磁编码器感应到多对极磁环NS交替，产生互差90°的A方波信号和B方波信号，多极磁环旋转一周可以产生3520个周期的方波信号，对应电机机械旋转360°；通过单片机读取A方波信号或者B方波信号的数量确定电机转子转动的位置。
霍尔磁体放置在磁环放置盘内，霍尔开关放置在控制板上，霍尔磁体的充磁方向沿电机轴向，霍尔磁体放置在正对霍尔开关的位置上，每当霍尔磁体转到到霍尔开关的正下方，霍尔开关输出高电平，当霍尔磁体远离霍尔传感器，霍尔传感器输出低电平，霍尔开关的输出信号接至单片机，每当单片机收到霍尔传感器的上升沿信号，表明霍尔磁体旋转至霍尔开关的正下方，把此位置作为电机位置信号原点。
磁编码器产生互差90°的A方波信号和B方波信号，多极磁环旋转一周可以产生3520个周期的方波信号，单片机读取红外式霍尔开关下降沿的位置作为电机旋转的零点，单片机寄存器开始记录A信号和B信号的个数，每次单片机读到3520个A信号和B信号的时刻，电机再次旋转至零点，同时单片机读取红外式霍尔开关下降沿然后将存放A信号和B信号的单片机寄存器清零，该寄存器再次从零开始计数，如此往复。通过读取一个机械周期内A信号或B信号的个数确定电机的绝对位置，通过一段时间内读取红外式霍尔开关低电平下降沿的个数可以得到电机的转速。电机顺时针旋转，A信号超前B信号90°，电机逆时针旋转，则B信号超前A信号90°，通过读取A、B信号的超前滞后关系确定电机的转向。
相比传统的光电编码器和旋转变压器，本发明提出的集成磁编码器和霍尔开关确定位置的方式使得电机结构更紧凑，由于采用磁场感应的方式，相比光电编码器，磁编码器不会受到油污、振动等恶劣条件的影响，提高电机运行的稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种集成磁编码器和霍尔开关确定位置的外转子永磁同步电机，其特征在于，包括：电机旋转模块、电机静止模块以及用于连接电机旋转模块和电机静止模块的连接部件；
所述电机旋转模块包括：电机转子和传感器旋转模块；其中，电机转子包括：相互连接的机壳(2)和永磁体(3)；所述传感器旋转模块包括：永磁压块(5)、磁环放置盘(6)、霍尔磁体(7)和多对极磁环(12)，所述永磁压块(5)外侧和所述机壳(2)螺纹配合固定连接，所述永磁压块(5)内侧和所述磁环放置盘(6)螺纹配合固定连接，所述磁环放置盘(6)随所述机壳(2)同步旋转；在所述磁环放置盘(6)内固定有所述霍尔磁体(7)和所述多对极磁环(12)，使得所述霍尔磁体(7)和所述多对极磁环(12)随电机转子同步旋转；
所述电机静止模块包括：电机定子和传感器静止模块；所述电机定子包括：相互固定连接的定子(4)和轴(14)，在所述定子(4)上设置有绕组；所述传感器静止模块包括：编码器舱体(9)和控制电路板(10)，所述编码器舱体(9)和所述轴(14)固定连接，所述控制电路板(10)放置在所述编码器舱体(9)内且与所述编码器舱体(9)固定连接；所述控制电路板(10)用于将直流电逆变成三相交流电并供给定子绕组，使得电机正常工作；
所述控制电路板(10)包括：编码器(11)和霍尔开关(8)，所述编码器(11)的下表面距离所述多对极磁环上表面0.5mm，所述编码器(11)用来感应磁环产生转子位置A方波信号和B方波信号；所述霍尔开关(8)用于感应所述霍尔磁体(7)产生转子位置零点信号；
霍尔磁体(7)放置在磁环放置盘(6)内，霍尔开关(8)放置在控制电路板(10)上，霍尔磁体(7)的充磁方向沿电机轴向，霍尔磁体(7)放置在正对霍尔开关(8)的位置上，每当霍尔磁体(7)转到霍尔开关(8)的正下方，霍尔开关(8)输出高电平，当霍尔磁体(7)远离霍尔开关(8)，霍尔开关(8)输出低电平，霍尔开关(8)的输出信号接至单片机，每当单片机收到霍尔开关(8)的上升沿信号，表明霍尔磁体(7)旋转至霍尔开关(8)的正下方，把此位置作为电机位置信号原点；
所述多对极磁环(12)的充磁给为轴向充磁，所述多对极磁环(12)被均匀分成22个N极和22个S极，用于将所述转子均分成44个位置范围，所述编码器(11)将44个位置范围中的每个范围均分成80份，所述磁编码器(11)产生互差90°的A方波信号和B方波信号，多对极磁环(12)旋转一周产生3520个周期的方波信号，单片机读取霍尔开关(8)下降沿的位置作为电机旋转的零点，单片机寄存器开始记录A信号和B信号的个数，每次单片机读到3520个A信号和B信号的时刻，电机再次旋转至零点，同时单片机读取霍尔开关(8)下降沿然后将存放A信号和B信号的单片机寄存器清零，该寄存器再次从零开始计数，如此往复；
通过读取一个机械周期内A信号或B信号的个数确定电机的绝对位置，通过一段时间内读取霍尔开关(8)低电平下降沿的个数可以得到电机的转速，电机顺时针旋转，A信号超前B信号90°，电机逆时针旋转，则B信号超前A信号90°，通过读取A、B信号的超前滞后关系确定电机的转向。
2.如权利要求1所述的外转子永磁同步电机，其特征在于，所述连接部件包括：后轴承(1)和前轴承，所述后轴承(1)用于连接所述机壳(2)和所述轴(14)；所述前轴承用于连接所述轴(14)和所述永磁压块(5)。
3.如权利要求1所述的外转子永磁同步电机，其特征在于，所述定子(4)为斜槽结构，斜槽角度为15°。
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| 吕德刚.集成霍尔磁编码器的研究.《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》.2011,第59-92页. * |
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