CN109525054B - 单相电动机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相电动机控制系统，包括电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元、分布在电动机定子上的若干个传感器，其中，通过若干个传感器来检测电动机绕组的位置，并且每一个传感器对应于控制一个设定的电流值和电压值，以此控制电动机的不同运行状态；电动机工作时，电流、电压、电动机运行速度分别通过电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元反馈至处理器，通过电流、电压、速度三重控制，来保证电机和电源供电系统的安全。本发明通过技术手段达到了有效控制电极死点，以及有效通过电极死点的技术方案，保证了本发明单相电动机控制系统控制电动机实现较大的扭矩，并且能耗低，以拓宽电动机的使用场景。

Description

单相电动机控制系统

技术领域

本发明涉及一种单相电动机控制系统。

背景技术

电动飞行器、电动汽车均以电源为动力，用电动机驱动运行。电力驱动的前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。

电源为驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动飞行器、汽车工作。

由于飞行器、汽车上装载的电池容量有限，电动机的功效、能耗直接关系到飞行器、汽车的续航里程，现有的飞行器、汽车一般采用三相直流电动机，其能耗大、扭矩小、效率低、续航时间短等缺陷，其大大限制了工作时间、限制了使用范围。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种提供高效率、大扭矩、低能耗等特点的单相电动机控制系统。

为实现上述目的，本发明单相电动机控制系统，该系统包括电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元、分布在电动机定子上的若干个传感器，其中，通过若干个传感器来检测电动机绕组的位置，并且每一个传感器对应于控制一个设定的电流值和电压值，以此控制电动机的不同运行状态；电动机工作时，电流、电压、电动机运行速度分别通过电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元反馈至处理器，通过电流、电压、速度三重控制，来保证电机和电源供电系统的安全。

进一步，电动机驱动电路的电流通过所述电流反馈单元反馈至电流调节器，来实现对电流的控制。

进一步，电动机的速度通过所述速度反馈单元反馈至速度调节器，来实现对速度的控制。

进一步，所述系统还包括位置检测单元，该位置检测单元监测所述电动机定子上的传感器，来实时判断输出电压的极性。

进一步，所述位置检测单元的检测信息输送至PWM模块，该PWM模块通过调节驱动电压脉冲宽度来改变输送到电动机电压的幅值，从而改变电动机转速。

进一步，所述传感器为霍尔元件或绝对值编码器，电动机定子上单独安装有霍尔元件或绝对值编码器，或者在电动机定子上同时安装霍尔元件和绝对值编码器，当一种传感器检测失效时，启动另一种传感器来进行检测。

进一步，若干个所述传感器包括第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器，第一传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为1°-3°，第二传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为3°-5°，第三传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为5°-7°，第四传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为7°-10°。

进一步，若干个所述传感器还包括第五传感器，其设置定子中轴线的另一侧，启动第五传感器，电动机将反向运行。

进一步，所述第一传感器提供电动机的大转速功能，所述第二传感器提供电动机的大扭矩功能，所述第三传感器提供电动机的节能功能，所述第四传感器提供电动机的大功率功能。

进一步，所述定子包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽，通槽内设置有绕组；通槽在铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向上为倾斜设置，其倾斜角度为0.5°-2.5°。

本发明中，通过技术手段达到了有效控制电极死点，以及有效通过电极死点的技术方案，保证了本发明单相电动机控制系统控制电动机实现较大的扭矩，并且能耗低，以拓宽电动机的使用场景。

附图说明

图1为本发明单相发电机断面结构示意图；

图2为本发明中铁心的结构示意图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为图2中B-B向剖视图；

图5为带槽磁环结构示意图；

图6为图5中C-C向剖视图；

图7为连接轴的结构示意图；

图8为图7中D-D向剖视图；

图9为单个通槽在铁心圆周面上示意图；

图10为单根导线绕组断面结构局部放大示意图；

图11为单相发电机单层绕组展开示意图；

图12为单相发电机多层绕组展开示意图；

图13为单相发电机多根导线单层绕组展开示意图；

图14为外转子的出风口端面结构示意图；

图15为图14中E-E向剖视图；

图16为外转子的进风口端面结构示意图；

图17为图16中F-F向剖视图；

图18为本发明单相发电机总装结构示意图；

图19为图18中G-G向剖视图；

图20为电动机控制工作流程图；

图21为电动机驱动反馈调节电路。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图20、图21所示，本发明单相电动机控制系统，该系统包括电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元、位置检测单元、电流调节器、速度调节器、以及分布在电动机定子上的若干个传感器。

其中，电动机驱动电路的电流通过所述电流反馈单元反馈至，来实现对电流的控制。电动机的速度通过所述速度反馈单元反馈至，来实现对速度的控制。根据永磁电机的特性，需要精准定位电动机绕组的位置，然后根据转子的位置实时判断输出电压的极性，本发明中通过位置检测单元监测所述电动机定子上的传感器，来实时判断输出电压的极性。并且位置检测单元的检测信息输送至PWM模块，该PWM模块通过调节驱动电压脉冲宽度来改变输送到电动机电压的幅值，从而改变电动机转速。

传感器为霍尔元件或绝对值编码器，电动机定子上单独安装有霍尔元件或绝对值编码器，或者在电动机定子上同时安装霍尔元件和绝对值编码器，通过安装两种形式的传感器，当一种传感器检测失效时，可立即启动另一种传感器来进行检测，保证电机的正常运行。

本发明中，通过若干个传感器来检测电动机绕组的位置，并且每一个传感器对应于控制一个设定的电流值和电压值，以此控制电动机的不同运行状态；电动机工作时，电流、电压、电动机运行速度分别通过电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元反馈至处理器，通过电流、电压、速度三重控制，来保证电机和电源供电系统的安全。

本发明单相电动机控制系统，电机转速采用PID控制方式，以控制中心通过CAN通讯发送过来的数据作为速度给定，电机转速实时跟踪。驱动器的保护：包括过流、速断、驱动故障、通讯故障等，在设备检测到故障时进行相应的保护，以保证电机和电源供电系统的安全。

本发明一个用于飞行器的实施例中，单相电动机控制系统的运行参数可以为：

额定输入电压：225V-315V；

输出电流：0-133.33A；

额定功率：30KW；

额定点效率：99％；

工作制式：手动/软件控制；

指令方式：CAN协议；

接口形式：航插件；

驱动器工作温度：-70℃-+80℃；

驱动器防护等级：IP65；

驱动器工作大气压：101359.3-5476.4Pa；

驱动器冷却及安装方式；自然风冷。

如图1至图19所示，本发明中所述电动机，包括外转子1、定子2、磁极3、绕组4、带槽磁环6、连接轴7、若干个传感器8。

其中，带槽磁环6上沿其内周向均布设置有若干个内槽，若干个磁极3沿周向均布固定在内槽61内，磁极3的极性沿铁心径向设置，相邻磁极的极性相反。通过独立设置带槽磁环6，方便与外转子1的固定连接，同时磁极3直接固定在内槽61内，安装固定简单，在使用过程中不易脱落或移位，保证了电动机使用的安全性。

定子2上分布设置有若干个传感器8，各个传感器的轴向安装位置与中轴线A-A相间隔设定的角度，该角度范围为1°-10°。如第一传感器81的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为1°-3°，第二传感器82的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为3°-5°，第三传感器83的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为5°-7°，第四传感器84的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为7°-10°。

根据使用需求，启动某一个传感器工作，作为电动机的原始启动点，来实现不同的功能。每一个传感器对应于一个电流值、电压值，启动某一个传感器，能源电池按照相应的电流值、电压值来输出能源。其中，第一传感器81提供电动机的大转速功能，第二传感器82提供电动机的大扭矩功能，第三传感器83提供电动机的节能功能，第四传感器84提供电动机的大功率功能。同时，可以在中轴线A-A的另一侧设置第五传感器85，启动第五传感器85，电动机将反转运行。同理，可以在中轴线A-A的另一侧设置其他的多个传感器，来分别与第一传感器81、第二传感器82、第三传感器83、第四传感器84相互对称，使得车辆在倒车时，也能够实现相应的大转速、大扭矩、节能、大功率等功能。

定子2包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽21，通槽21内设置有绕组4。

其中，通槽21在铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向B上为倾斜设置，其倾斜角度为0.5°-2.5°，如图9所示，为单个通槽在铁心圆周面上示意图，两相邻通槽21之间所夹铁心为铁齿22，铁齿22与圆周面宽度方向B上相比较为梯形设置，并且铁齿22在铁心正面23上的齿宽25小于其在铁心背面24上的齿宽26，如齿宽25可设定为3mm，齿宽26可设定为3.5mm。

如图10所示，针对于单相电动机，通槽21的数量为磁极3数量的两倍，通槽21的宽度不大于两相邻通槽21之间所夹铁心(铁齿22)的周向宽度，两相邻磁极3之间的间隙不大于两相邻通槽之间所夹铁齿22的周向宽度；同时，磁极3的周向宽度为2个通槽21周向宽度+1个铁齿22周向宽度的总和宽度。

绕组4沿铁心径向以单层导线分层设置在通槽21中，绕组4可由单根导线绕制，也可由多根导线绕制，当采用多根导线绕制时，该多根导线依次平行排列，并且绕制每层绕组时均排列在同一径向圆周面上，以保证每层绕组均为单层导线。

通槽21的断面形状为径向外端开口的矩形，通槽21两侧壁与其内绕组导线之间设置有绝缘层5，绕制后的绕组4通过树脂(图中未示出)固定在通槽21中。

将通槽21的断面设置成带开口的矩形后，可有效保证绕组导线在通槽21内的单层导线的分层绕制；采用单层导线分层绕制，既可提高空间的利用率，减小整个电动机的体积，又可有效减少绕组中跨接线的数量和跨接线的长度，简化绕组的结构；另外，使两通槽21之间所夹铁心的周向宽度不小于两相邻磁极3之间的间隙，可有效保证绕组中线圈对磁场磁力线的切割，保证电动机的功率。

如图11所示，本发明单相电动机控制系统的每层绕组均由两根导线41绕制而成，每层绕组中均包含开口分别朝向铁心轴向两侧的两组线圈43、44，开口方向相同的线圈由一根或一组导线绕制，为了保证每层绕组均为单层导线，相邻同向开口线圈43或44之间的跨接线均布置在线圈43或44的轴向外侧。

整个绕组4可由两根导线绕制，其绕制方式只是图示结构的简单叠加，这种情况下，两根导线41的两个起始端直接引出，而每层绕组均由两根导线或两组导线的自由端沿铁心径向依次缠绕即可，然后将绕制完成后的两根导线或两组导线的四个端头根据需要进行头、尾或尾、尾相连，即可输出所需的单相电。

如图13所示，图11所示的每层绕组中的两根导线41也可由每组包括多根导线的两组(两组导线的根数相同)导线41来替代，这时为了保证每层绕组均为单层导线，不仅相邻同向开口线圈43或44之间的跨接线均布置在线圈43或44的轴向外侧，每组导线中的各导线也要沿铁心轴向依序排列。采用两组导线绕制绕组时，可根据需要对首先每组中的导线进行串联或并联连接，然后再将两组导线的四组端头进行串联或并联后输出。

如图12所示，当采用两根或两组导线绕制整个绕组时，两根导线或两组导线的两个起始端也可参与到绕组中，其具体绕制方式是：绕完第一层绕组后，两根或两组导线的起始端沿与其尾端绕铁心相同方向在第一层表面绕制第二层绕组，然后两根或两组导线的尾端再开始在第二层表面绕制第三层绕组，只是导线起始端绕制的绕组中的线圈43、44须与导线尾端绕制的绕组中的线圈径向上重叠并且开口方向相反，绕制完第三层绕组后，导线起始端再绕制第四层绕组，以后尾端再绕制第五层，起始端绕制第六层，如此顺序进行即可，直至完成。

当导线起始端参与绕组的绕制，并使其绕制的绕组中的线圈开口方向与导线尾端绕制的线圈开口方向相反后，可使每层绕组中位于轴向外侧的线圈跨接线交错排列，这样不但方便绕组的绕制，还可提高空间的利用率，而且降低导线的排列密度后还有助于绕组的散热。另外，导线起始端、尾端交错绕制绕组后，还无须设置跨接线，简化了绕组结构，减少对空间不必要的占用。

本发明单相电动机控制系统也可将定子铁心按其周角分成几段，然后在各段上分别绕制相对独立的绕组，各段绕组的绕制方法与图11、图12、图13所示相同，需要指出的是，当分段绕制并且同样采用两根或两组导线绕制每段整个绕组时，由于导线尾端不能沿铁心旋转一圈后自然回到导线起始端，因此需将导线尾端与其起始端同等对待，并采取与前述相同的方式进行处理，既将导线尾端往回缠绕时，须使其缠绕的绕组中的线圈与第一层绕组中的线圈径向上重叠并且开口方向。

在铁心上按周角分段设置多个绕组后，可根据需要将每个绕组单独输入，或进行适当串联或并联后输入。

如图14-图19所示，外转子1包括前一体成型的前端盖11、后端盖12，其均为带有环形折边的盘形结构。前端盖11的盘面上沿周向均布设置有若干个进气口13，后端盖12的盘面上沿周向均布设置有若干个出气口14。进气口13为在前端盖11的盘面上直接切割而成，加工时，加工方向为贴近于盘面的倾斜角度，在盘面上形成长条状的进气口，并形成上刀片状侧壁132和下刀片状侧壁131。工作时，外部的冷风可通过上刀片状侧壁132和下刀片状侧壁131的导向后，通过进气口13进入到电动机内部，对内部部件进行降温。

同理，出气口14为在后端盖12的盘面上直接切割而成，加工时，加工方向为贴近于盘面的倾斜角度，在盘面上形成长条状的出气口，并形成上刀片状侧壁142和下刀片状侧壁141。工作时，电动机内部的热量可通过上刀片状侧壁142和下刀片状侧壁141的导向后，通过出气口14导出到电动机外部，使内部部件进行降温。

为了保证前端盖11、后端盖12的有效导风工作，其上的进气口13、出气口14的位置及大小相适配，并且定子2上还设置有若干个通孔15，

参见图19，前端盖11、后端盖12相互安装后，将轴向外侧完全封闭，外转子1的里侧及定子2的内腔只能通过进气口13和出气口14与外界大气相通，这样，工作过程中，被进气口13吸入的空气中的绝大部分只能从出气口14排出，由此在定子2的内部形成强制的空气对流，从而保证了对定子2的有效散热。

工作时，在车辆起步阶段，需要提供大扭矩，此时启动第二传感器82，能源电池按照相应的电流值、电压值来输出能源，使得车辆能够有效起步运行。在加速阶段，需要提供大转速，此时启动第一传感器81，能源电池按照相应的电流值、电压值来输出能源，使得车辆能够迅速的加速到设定速度。在遇到紧急状况，需要临时调整行驶状态时，需要提供大功率，此时启动第四传感器84，能源电池按照相应的电流值、电压值来输出能源，使得及时的应变。在路面状况好、可以平稳行驶时，如定速巡航，需要长时间保持平稳状态，需要提供节能，此时启动第三传感器83，能源电池按照相应的电流值、电压值来输出能源，使得车辆能够长时间稳定的速度行驶。

本发明中，通过：1)通槽21在铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向B上为倾斜设置；2)简单、高效的线绕组形式；3)磁极3的安装形式以及宽窄度配比的设置；4)传感器的设置形式；达到了有效控制电极死点，以及有效通过电极死点的技术方案，保证了本发明单相电动机控制系统具有较大的扭矩，并且能耗低，适应于车辆能够在多状况的路面长时间行驶。经过有效的实际实验，运用本发明单相电动机控制系统的车辆，在电池容量、配重、行驶环境等均不变的情况下，大大的提高了车辆的续航能力。

Claims (9)

1.单相电动机控制系统，其特征在于，该系统包括电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元、分布在电动机定子上的若干个传感器，其中，通过若干个传感器来检测电动机转子的位置，并且每一个传感器对应于控制一个设定的电流值和电压值，以此控制电动机的不同运行状态；电动机工作时，电流、电压、电动机运行速度分别通过电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元反馈至处理器，通过电流、电压、速度三重控制，来保证电机和电源供电系统的安全；若干个所述传感器包括第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器，第一传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为1°-3°，第二传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为3°-5°，第三传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为5°-7°，第四传感器的轴向安装位置与中轴线间隔的角度为7°-10°；根据使用需求，启动某一个传感器工作，作为电动机的原始启动点，电动机定子上同时安装霍尔元件和绝对值编码器，通过安装两种形式的传感器，当一种传感器检测失效时，立即启动另一种传感器来进行检测，保证电机的正常运行；外转子包括前一体成型的前端盖、后端盖，其均为带有环形折边的盘形结构；前端盖的盘面上沿周向均布设置有若干个进气口，后端盖的盘面上沿周向均布设置有若干个出气口；进气口为在前端盖的盘面上直接切割而成，加工方向为贴近于盘面的倾斜角度，在盘面上形成长条状的进气口，并形成上刀片状侧壁和下刀片状侧壁；外部的冷风通过上刀片状侧壁和下刀片状侧壁的导向后，通过进气口进入到电动机内部，对内部部件进行降温；出气口为在后端盖的盘面上直接切割而成，加工方向为贴近于盘面的倾斜角度，在盘面上形成长条状的出气口，并形成上刀片状侧壁和下刀片状侧壁；电动机内部的热量通过上刀片状侧壁和下刀片状侧壁的导向后，通过出气口导出到电动机外部，使内部部件进行降温；为了保证前端盖、后端盖的有效导风工作，其上的进气口、出气口的位置及大小相适配，并且定子上还设置有若干个通孔，前端盖、后端盖相互安装后，将轴向外侧完全封闭，外转子的里侧及定子的内腔只能通过进气口和出气口与外界大气相通，由此在定子的内部形成强制的空气对流，从而保证了对定子的有效散热。

2.如权利要求1所述的单相电动机控制系统，其特征在于，电动机驱动电路的电流通过所述电流反馈单元反馈至电流调节器，来实现对电流的控制。

3.如权利要求1所述的单相电动机控制系统，其特征在于，电动机的速度通过所述速度反馈单元反馈至速度调节器，来实现对速度的控制。

4.如权利要求1所述的单相电动机控制系统，其特征在于，所述系统还包括位置检测单元，该位置检测单元监测所述电动机定子上的传感器，来实时判断输出电压的极性。

5.如权利要求4所述的单相电动机控制系统，其特征在于，所述位置检测单元的检测信息输送至PWM模块，该PWM模块通过调节驱动电压脉冲宽度来改变输送到电动机电压的幅值，从而改变电动机转速。

6.如权利要求5所述的单相电动机控制系统，其特征在于，若干个所述传感器还包括第五传感器，其设置定子中轴线的另一侧，启动第五传感器，电动机将反向运行。

7.如权利要求6所述的单相电动机控制系统，其特征在于，所述第一传感器提供电动机的大转速功能，所述第二传感器提供电动机的大扭矩功能，所述第三传感器提供电动机的节能功能，所述第四传感器提供电动机的大功率功能。

8.如权利要求7所述的单相电动机控制系统，其特征在于，所述定子包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽，通槽内设置有绕组；通槽在铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向上为倾斜设置，其倾斜角度为0.5°-2.5°。

9.如权利要求1所述的单相电动机控制系统，其特征在于，其中，定子包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽，通槽内设置有绕组；当采用两根或两组导线绕制整个绕组时，两根导线或两组导线的两个起始端也参与到绕组中，其具体绕制方式是：绕完第一层绕组后，两根或两组导线的起始端沿与其尾端绕铁心相同方向在第一层表面绕制第二层绕组，然后两根或两组导线的尾端再开始在第二层表面绕制第三层绕组，只是导线起始端绕制的绕组中的线圈须与导线尾端绕制的绕组中的线圈径向上重叠并且开口方向相反，绕制完第三层绕组后，导线起始端再绕制第四层绕组，以后尾端再绕制第五层，起始端绕制第六层，如此顺序进行，直至完成；当导线起始端参与绕组的绕制，并使其绕制的绕组中的线圈开口方向与导线尾端绕制的线圈开口方向相反后，可使每层绕组中位于轴向外侧的线圈跨接线交错排列。

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