CN107742965B - 电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电机具有多段独立线圈，可通过电流控制模块可选择性地控制每一个线圈的供电方向，并且能根据电机的工作状况选择最合适的线圈组合作为相绕组。有利于提高电机的适应性，使电机在不同工况下能具有较高的工作效率。线圈的控制具有较高的独立性和组合性，可选择性分段工作，使线圈实现轮换工作，减小线圈发热的集中程度，有利于电机内部的散热，从而提高电机整体的工作性能。

Description

电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机及其控制方法。

背景技术

电机是日常中常见的驱动设备，能把电能转换成机械能。电机包含定子组件和转子组件，依靠电磁变换来实现转子组件相对定子组件的转动，转子通过转轴输出动力。

目前的飞行器、电动车或船等行驶装置通常使用单模态电机，工作电压固定时只有一个最佳效率点。然而行驶装置在不同的工作环境下对电机的动力输出有不同的要求，如行驶装置在启动或负载较大时，需要低转速大扭矩，有较高的转速常数的适合高速运行的电机在这些工况下会产生过大的电枢电流，发热严重。然而有较低的转速常数的适合低速运行的电机利于行驶装置启动和重载运行，但无法高速运转，行驶装置只能低速行驶。单模态电机无法在不同的工况下达到最佳效率状态，使得行驶装置整体行驶效率较低。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种适应性高的电机。

本发明的第二目的是提供一种适应性高的电机控制方法。

为实现本发明的第一目的，提供一种电机，包括基座，定子组件和转子组件，定子组件上设置有绕组和导磁元件，转子组件上固定有沿电机周向均匀分布的永磁体，转子组件与定子组件共轴线设置。绕组，包括沿电机的周向均匀分布的线圈构成的线圈阵列；线圈的轴线沿电机的径向分布；每个线圈分别具有用于与独立的电流控制模块电连接的独立的引脚；沿电机轴向设置有最少两个线圈阵列。

由上述方案可见，本发明的电机具有多段独立线圈，可通过电流控制模块可选择性地控制每一个线圈的供电方向，并且能根据电机的工作状况选择最合适的线圈组合作为相绕组。有利于提高电机的适应性，使电机在不同工况下能具有较高的工作效率。线圈的控制具有较高的独立性和组合性，可选择性分段工作，使线圈实现轮换工作，减小线圈发热的集中程度，有利于电机内部的散热，从而提高电机整体的工作性能。

进一步方案为，沿电机的轴向，转子组件设置有数量与线圈阵列一致的磁极阵列。有利于保证线圈阵列与永磁体之间的磁效应，有利于电机的模态切换时，保证电机运转的稳定性。

进一步方案为，沿电机的轴向，至少一个磁极阵列的永磁体工作面呈锥状分布。使电机能够受到较集中的磁力，转子组件呈碟状，具有较强的陀螺仪效应，回转时具有较强的定轴性，有利于提高电机转动的稳定性。

进一步方案为，磁极阵列的磁极由最少两片充磁方向相近的永磁体构成。有利于增强磁极磁场强度，提高气隙磁密，提高永磁体的利用率。

进一步方案为，定子组件的导磁元件设置有齿；沿电机的周向，齿的齿冠与永磁体之间设置有呈波浪状分布的气隙。永磁体和齿相对运动时，波浪状的气隙有利于永磁体和齿构之间造较大的过渡力，过度平稳，提高电机的工作效率。

进一步方案为，正对的永磁体和齿冠之间的最大气隙靠近该永磁体的中部。由此方案可见，永磁体和齿相对运动的过程中，永磁体和齿冠正对时，靠近该永磁体中部处在最大气隙，因此靠近永磁体中部的磁密线较疏，磁力较小；靠近永磁体两端部具有较小气隙，磁密线较密，磁力较大，使永磁体和齿冠的工作面之间受到分布较为均匀的力，有利于进一步构造较大的过渡力，过渡平稳。

进一步方案为，位置传感器安装在电机上，用于检测绕组与永磁体的相对位置。

为实现本发明的第二目的，提供一种电机的控制方法。电机为上述任一电机，电机具有最少两种模态，控制步骤如下：

S1. 监测转换信号。

S2. 是否获取转换信号，若否，返回步骤S1若是，执行步骤S3。

S3. 通过电流控制模块将电机由当前模态转换为目标模态，包括：将所述电机当前模态下的相绕组对应的线圈组合切换为目标模态下相绕组相对应的线圈组合。

构成模态的每一相绕组的线圈通过对应的电流控制模块按照统一方向供电，电机在各种模态之间转换。

由上述方案可见，电机获取转换信号，电机通过电流控制模块选择性地转换相绕组的线圈组合，获取符合当前电机工况的具有最高效率的电机特性。可选择性地控制每一个线圈的供电方向，而且根据电机的工作状况选择最合适的线圈组合作为相绕组，进而选用最合适的电机特性。有利于提高电机的适应性，实现电机在不同工况下均使用较高的工作效率的电机特性，整体提高驱动设备的工作性能。

进一步的方案为，将电机由当前模态转换为目标模态，通过电流控制模块改变相绕组对应的线圈沿电机的轴向分布的数量。

另一步的方案为，电机控制方法，电机安装有位置传感器，电机具有最少两种模态；控制步骤如下：

S1. 监测转换信号。

S2. 是否获取转换信号，若否，返回步骤S1；若是，执行步骤S3；

S3. 通过位置传感器获取绕组与永磁体之间的位置信号，利用电流控制模块对线圈充放电设置目标的磁极对数；

S4. 通过电流控制模块改变相绕组对应的线圈沿电机的周向分布的数量，将电机由当前模态转换为目标模态。

构成模态的每一相绕组的线圈通过对应的电流控制模块按照统一方向供电，电机在各种模态之间转换。

由上述两种方案可见，根据转换信号，电流控制模块能沿电机的轴向或周向，通过改变相绕组对应的线圈的分布数量改变电机内部特征，实现电机的模态转换。有利于提高电机线圈的组合性，提高电机对不同工况的适应能力，进一步地实现电机在不同工况下能具有较高的工作效率。

附图说明

图1是电机实施例的立体图；

图2是是图1的立体剖切图；

图3是电机实施例的一种磁路组件的立体图；

图4是图1的隐藏部分永磁体的立体图；

图5是图1的电机径向的剖切图；

图6是图1的电机轴向的剖切图；

图7是电机实施例的另一种磁路组件的轴向剖切图；

图8是电机控制方法的流程图；

图9是线圈阵列的一种线圈组合的示意图；

图10是线圈阵列的另一种线圈组合的示意图；

图11是线圈阵列的又一种线圈组合的示意图；

图12是图9轴向转换线圈组合的数量的示意图；

图13是线圈阵列周向转换线圈组合的数量的示意图。

具体实施例

引脚，又叫管脚。引线末端的一段，通过软钎焊使这一段与印制板上的焊盘共同形成焊点。引脚可划分为脚跟、脚趾、脚侧等部分，就是从集成电路（芯片）内部电路引出与外围电路的接线。本发明的引脚指绕组的线圈引线末端，与控制电路中的电流控制模块连接。

相绕组是指构成多相绕组的一个相的线匝组件。

曲面平行定义，两个曲面,如果一个曲面上所有的点到另一个曲面的距离都相等,那么就称这两个曲面互相平行。

电机的实施例

如图1和图2所示，电机100包括基座101、定子组件102和转子组件103。基座101包含轴承座104和具有接线端子结构105的端盖106。转子组件103包括永磁体107、安装永磁体107的回转壳108、散热端盖109和旋转轴110。

如图3所示，电机100的磁路组件120包括定子组件102、转子组件103和支撑环121。定子组件102具有绕组131和导磁元件132，导磁元件132设置有齿133。转子组件103上固定有沿磁路组件120周向分布的永磁体107。定子组件102和转子组件103共轴设置。

如图4所示，绕组131包括电机的周向均匀分布的线圈134构成的线圈阵列135，线圈134沿磁路组件120的径向分布，且每个线圈134分别具有用于与独立的电流控制模块（未示出）电连接的独立的引脚。线圈阵列135包括第一线圈阵列1351，第二线圈阵列1352和第三线圈阵列1353。所有线圈阵列135沿磁路组件120的轴向设置。有利于分段地控制线圈的电流，可通过电流控制模块可选择性地控制每一个线圈的供电方向，并且能根据电机的工作状况选择最合适的线圈组合作为相绕组。沿电机轴向的线圈阵列不限于一个、两个、三个，还可以设置三个以上的线圈阵列。

沿电机100的磁路组件120轴向，转子组件103上设置有与线圈阵列135的数量一致的磁极阵列152。磁极阵列152包括第一磁极阵列1521、第二磁极阵列1522和第三磁极阵列1523。磁极阵列152拥有预定数量的磁极，磁极由最少两片充磁方向相近的永磁体107构成。转子组件上设置有数量与线圈阵列数量一致的磁极阵列，有利于保证线圈阵列与磁极之间的磁效应，保证电机转动的稳定性。由最少两片永磁体构成一个磁极，利用永磁体的边角的磁力较强的特点组成的磁极，有利于增强磁极磁场强度，提高气隙磁密，提高永磁体的利用率。

如图5所示，沿磁路组件120的周向，齿133的齿冠1331与永磁体107之间设置有呈波浪状分布的气隙160。永磁体107和齿冠1331正对时，永磁体107和齿冠1331的工作面呈V型布局，两者之间最大气隙160，且最大气隙160靠近齿冠1331的中部，靠近齿冠1331两端部具有较小气隙。因此靠近齿冠1331中部的磁密线较疏，磁力较小；靠近永磁体两端部具有较小气隙，磁密线较密，磁力较大，使永磁体107和齿冠1331的工作面之间受到分布较为均匀的力，有利于构造较大的过渡力，过渡平稳，提高电机的工作效率。

如图6所示，沿磁路组件120的轴向，第一磁极阵列的永磁体工作面153呈锥状分布，第一线圈阵列的齿冠的工作面13311平行于第一磁极阵列永磁体工作面153；第三磁极阵列的永磁体工作面155呈锥状分布，第三线圈阵列的齿冠的工作面13313平行于第三磁极阵列永磁体工作面155。第二磁极阵列的永磁体工作面154的母线平行于电机轴线，第二线圈阵列的齿冠的工作面13312平行于第三磁极阵列永磁体工作面154。具有呈锥状分布的永磁体工作面的磁极阵列不限于两个，还可以是一个或三个以上。

磁极阵列的永磁体工作面呈锥状分布时，磁极阵列的永磁体工作面与线圈阵列的齿冠的工作面之间不限于平行面关系，两者之间还可以被配置具有沿磁路组件周向分布的波浪状气隙。

可选的，如图7所示，磁路组件200的磁极阵列的永磁体工作面的母线分别平行于电机轴线，线圈阵列的齿的工作面分别平行于与其相对的永磁体工作面。

电机控制方法的实施例

如图8所示，一种电机的控制方法，电机具有最少两种模态，控制步骤如下：

S1. 监测转换信号。

S2. 是否获取转换信号；若否，返回步骤S1；若是，执行步骤S3。

S3. 通过电流控制模块将所述电机由当前模态转换为目标模态，包括：将所述电机当前模态下的相绕组对应的线圈组合切换为目标模态下相绕组相对应的线圈组合。

构成预定的模态的每一相绕组的线圈通过对应的电流控制模块按照统一方向供电。

电机通过电流控制模块选择性地转换相绕组的线圈组合，获取符合当前电机工况的具有最高效率的电机特性。有利于提高电机的适应性，实现电机在不同工况下均使用较高的工作效率的电机特性，整体提高驱动设备的工作效率。

用方块阵列表示线圈阵列的展开图，垂直纸面方向表示电机的径向，方块阵列沿方向01表示电机的周向。方块阵列上具有填充图案的方块组合表示相绕组的线圈组合。电机具有最少两种模态的相绕组。例如：如图9所示，相绕组300的线圈组合沿电机轴向分布。如图10所示，相绕组400的线圈组合在其展开面上所在的直线相对永磁体工作面的母线倾斜。如图11所示，相绕组500的线圈组合在其展开面上所在的连线呈曲线分布。线圈的组合不限于上述三种线圈组合，还可以是满足电机运行的其他线圈组合。

结合图9和图12分析，将电机由当前模态转换为目标模态时，通过电流控制模块改变相绕组对应的线圈沿电机的轴向分布的数量，电机从相绕组300的线圈组合转换为相绕组600的线圈组合。沿电机的轴向改变线圈转换的数量不限于减少线圈的数量，也可以是增加线圈的数量。

检测并获取转换信号，通过位置传感器获取线圈与永磁体之间的位置信号。需要充消磁的永磁体与线圈对准时，电流控制模块对线圈进行充放电，进而对目标模态的磁极对数进行修改。如图13所示，通过电流控制模块改变相绕组对应的线圈沿电机的周向分布的数量，驱使电机从当前模态下的相绕组300的线圈组合切换为目标模态下的相绕组700的线圈组合，改变电机的工作模态。沿电机的周向改变线圈转换的数量不限于增加线圈的数量，也可以是减少线圈的数量。

电机上安装有最少一种位置传感器，用于检测绕组与永磁体的相对位置。位置传感器可以安装在电机的定子组件上的霍尔传感器；可以是旋转变压器或光电编码器。位置传感器不限于上述三种，还可以是其他可检测位置信号的位置检测装置。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.电机控制方法，所述电机包括基座，定子组件和转子组件，所述定子组件上设置有绕组和导磁元件，所述转子组件上固定有沿所述电机周向均匀分布的永磁体，所述转子组件与所述定子组件共轴线设置；

所述绕组，包括沿所述电机的周向均匀分布的线圈构成的线圈阵列；

所述线圈的轴线沿所述电机的径向分布；

每个所述线圈分别具有用于与独立的电流控制模块电连接的独立的引脚；

沿所述电机轴向设置有最少两个线圈阵列；

位置传感器安装在所述电机上，用于检测所述绕组与所述永磁体的相对位置；

其特征在于：

所述位置传感器在所述永磁体充消磁过程中为所述线圈与所述永磁体的对准提供位置信号；

所述电机具有最少两种模态；

控制步骤如下：

S1. 监测转换信号；

S2. 是否获取所述转换信号；

若否，返回步骤S1；

若是，执行步骤S3；S3. 通过位置传感器获取所述绕组与所述永磁体之间的位置信号，利用所述电流控制模块对所述线圈充放电设置目标的磁极对数；

S4. 通过所述电流控制模块改变每一相绕组对应的线圈沿所述电机的周向分布的数量，将所述电机由当前模态转换为目标模态；

构成所述目标模态的每一相绕组的线圈通过对应的所述电流控制模块按照统一方向供电。

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