CN110149027A - 一种具有转子定位装置的电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电机及其控制方式，所述电机包括壳体，定子和转子，定子上设有至少一个卡块，在所述壳体或定子上设有电磁定位装置，电磁定位装置包括电磁线圈、弹簧和可动件，弹簧用于向可动件提供推力或位力，通过电磁定位装置的通电或断电，可使可动件在相对电磁线圈伸出的第一位置和相对电磁线圈缩回的第二位置之间切换，其中，在第一位置可动件可挡住所述卡块，防止转子转动，在所述第二位置，线圈缩回，不影响转子的转动。通过控制电机停机时，转子停止的位置，使其能够在下次启动时，在最优点启动。
Description
技术领域
本发明涉及具有转子定位装置的电机及其控制方法，具体而言，涉及一种具有转子定位装置的永磁直流电机及其启动控制方法。
背景技术
相比三相永磁无刷直流电机。单相永磁无刷直流电机电机体积小、重量轻、成本低且控制简单，已在小型风机及水泵的驱动中获得了较为广泛的应用，但是传统的直流无刷电机，启动一直是个难点，在现有技术中，通常有采用不均匀气隙或斜磁极等技术手段来改善电机启动，但这种结却导致定位转矩出现较高的尖峰值，直接影响转矩波动的大小及噪声，以至于启动时对其他元器件产生干扰。
当定子磁极中心与转子磁极中心夹角为0度时，定子转子合成磁动势为零，定子与转子之间的启动转矩也为0，会出现启动困难的问题，因此传统的直流无刷电机，尤其是单相和两相直流无刷电机中，由于齿槽定位转矩的影响，在断电后转子会受自然阻力停在任意位置，当转子停在转子某一磁极中线非常靠近定子磁极的一个磁极中线位置时，由于电机转子处在该位置时启动转矩很小，就出现电机启动过程中启动困难的情况，因此若能控制转子启动时的角度位置，即可保证在最优点启动。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种电机及其控制方式，通过控制电机停机时，转子停止的位置，使其能够在最优点启动。通过上述控制方式，解决了转子角度处于随机位置不受控的状态启动导致启动转矩小，造成启动困难；保证每次启动都以最优启动转矩启动。特有的控制方式解决了此装置的可靠性，保证在电机低速惰转时再工作，防止被高速损坏；
解决采用不均匀磁极的直流无刷电机定位转矩会出现较高的尖峰值造成转矩波动和干扰的问题
具体地：一种电机，所述电机包括壳体(1)，定子(2)和转子(3)，其特征在于：定子(2)上设有至卡块(7)，在所述壳体(1)或定子(2)上设有定位装置，定位装置具有固定件和可动件(6)，可动件(6)可在相对固定件伸出的第一位置和相对固定件缩回的第二位置之间切换，其中，在第一位置可动件(6)可挡住所述卡块(7)，防止转子(3)转动，在所述第二位置，可动件(6)缩回，不影响转子(3)的转动。
优选地，定位装置具体为电磁定位装置，固定件为电磁线圈(4)，电磁定位装置还包括弹簧(5)和可动件(6)，弹簧(5)用于向可动件(6)提供推力或拉力，通过电磁定位装置的通电或断电，可使可动件(6)在相对电磁线圈(4)伸出的第一位置和相对电磁线圈(4)缩回的第二位置之间切换，其中，在第一位置可动件(6)可挡住所述卡块(7)，防止转子(3)转动，在所述第二位置，可动件(6)缩回，不影响转子(3)的转动。
优选地，在所述壳体(1)上设有电磁定位装置，定子(2)上设有孔，所述可动件(6)可穿过所述孔伸出或缩回。
优选地，所述可动件(6)的材料包括铁。
优选地，转子(3)上还另设有辅助卡块(8)，其与卡块(7)在转子(3)的圆周方向间隔180度分布，用于保持转子的动平衡。
优选地，卡块(7)设置在一预设位置，所述预设位置的设置成：可使电机停机时，转子(3)通过卡块(7)与可动件(6)的配合可停在方便电机启动的位置，其中，可动件(6)为电磁铁，卡块(7)为铁质卡块(7),使可动件(6)和卡块(7)两者接触固定时能因为电磁力吸在一起，而不会因为碰撞而反弹出去，造成定位失败。
优选地，辅助卡块(8)也可为铁质卡块。
优选地，所述预设位置设置成使电机停转时，定子(2)磁极的中线和转子(3)磁极的中线具有一预设夹角，方便电机启动。
优选地，其中所述预设夹角为45度。在该角度时，起动转矩最大。
优选地，所述电机还包括一控制系统，所述控制系统控制电机和电磁定位装置的运转。
优选地，所述控制系统包括，继电器，交流接触器，电机接线端，主板控制器，主板控制器分别与交流接触器和继电器控制连接，交流接触器控制电机接线端使电机在运行与关闭状态间切换；主板控制器通过控制继电器的开关，进而控制电磁定位装置的通断电状态。
优选地，所述电机为永磁直流电机。
本发明还提供一种本发明所述电机的控制方法，包括如下步骤：
S01：检测电机关机信号，当检测到关机信号时，断开电机的电源，转子开始进入惰转状态；
S02：经过第一预设时间后，控制电磁定位装置的可动件(6)伸出；
S03:转子卡块(7，8)卡住可动件(6)，转子停止转动。
S04：检测电机启动信号，当检测到电机启动信号时，首先控制电磁定位装置的可动件(6)缩回，经过第二预设时间后，电机启动。
优选地，所述第一预设时间的设置需保证电机在低速时，才使转子(3)的卡块(7)与可动件(6)接触。
优选地，转子从惰转状态到完全停止的时间为T1，第一预设时间大致设定为(2/3)*T1。
优选地，所述第二预设时间的设置需保证电机在启动前，可动件(6)已完全缩回，防止与卡块(7)碰撞。
优选地，所述第二预设时间为5秒以上。
优选地，所述电机启动采用全压启动、减压启动或软启动。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明的发电机及其控制系统示意图。
图中：1-壳体，2-定子，3-转子，4-电磁线圈，5-弹簧，6-可动件，7-卡块,8-辅助卡块。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本公开概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。
本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。
下面结合具体的实施例来对本发明中的内容进行详细描述：
如图1所示，一种电机，所述电机包括壳体1，定子2和转子3，转子3上设有卡块7，在所述壳体1或定子2上设有定位装置，定位装置具有固定件和可动件6，可动件6可在相对固定件伸出的第一位置和相对固定件缩回的第二位置之间切换，其中，在第一位置可动件6可挡住所述卡块7，防止转子3转动，在所述第二位置，可动件6缩回，不影响转子3的转动。
本发明的定位装置可根据需要具体设置，只要能实现可动件的伸出和缩回即可。如定位装置设在壳体或定子上时，可采用手动推拉可动件6的方式实现伸出和缩回。如固定部可设置成轨道式，可移动部6设计成比轨道长，其可沿轨道伸出和缩回；或采用常用液压缸活塞和缸体的配合方式，均可实现本发明。
优选地，定位装置具体为电磁定位装置，固定件为电磁线圈4，电磁定位装置还包括弹簧5和可动件6，弹簧5用于向可动件6提供推力或拉力，通过电磁定位装置的通电或断电，可使可动件6在相对电磁线圈4伸出的第一位置和相对电磁线圈4缩回的第二位置之间切换。
优选地，在所述壳体1上设有电磁定位装置，定子2上设有孔，所述可动件6可穿过所述孔伸出或缩回。
优选地，所述可动件6为铁芯，铁块。
优选地，转子3上还另设有辅助卡块8，其与卡块7在转子3的圆周方向间隔180度分布，用于保持转子的动平衡。
优选地，卡块7，8为金属卡块。
优选地，卡块7设置在一预设位置，所述预设位置的设置可使电机停机时，转子通过卡块7与可动件6的配合可停在方便电机启动的位置。
优选地，可动件(6)为电磁铁，卡块(7)为铁质卡块，使可动件(6)和卡块(7)两者接触固定时能因为电磁力吸在一起，而不会因为碰撞而反弹出去，造成定位失败。
优选地，辅助卡块(8)也可为铁质卡块。
优选地，卡块7设置在一预设位置，所述预设位置使定子2磁极的中线和转子磁极的中线具有一预设夹角。
优选地，所述电机还包括一控制系统，所述控制系统控制电机和电磁继电器的运转。
优选地，所述控制系统包括，继电器，交流接触器，电机接线端，主板控制器，主板控制器分别与交流接触器和继电器控制连接，交流接触器控制电机接线端使电机在运行与关闭状态间切换；主板控制器通过控制继电器的开关，进而控制电磁线圈的通断电状态。
优选地，所述电机为永磁直流电机。
另外本发明还提供一种根据本发明所述电机的控制方法，于：包括如下步骤：
S01：检测到电机关机信号，控制电机关机，转子开始进入惰转状态；
S02：经过第一预设时间后，控制电磁定位装置的可动件6伸出；
S03:转子卡块卡住可动件6，转子停止转动。
S04：检测到电机启动信号，首先控制电磁定位装置的可动件(6)缩回，经过第二预设时间后，电机启动。
优选地，所述第一预设时间的设置保证电机在低速时，才使转子卡块与可动件6接触。
优选地，转子从惰转状态到完全停止的时间为的时间为T1，第一预设时间大致设定为(2/3)*T1。
优选地，所述第二预设时间的设置保证电机在启动前，可动件(6)已完全缩回，防止与卡块碰撞。
优选地，所述第二预设时间的设置保证电机在启动前，可动件(6)已完全缩回，防止与卡块碰撞。
优选地，所述第二预设时间为5秒以上。
优选地，所述电机启动采用全压启动、减压启动或软启动。具体地，如采用本发明的定位装置定位住转子后，启动时可采用上述各启动方式。
下面结合图1对本发明的工作原理和过程作一描述：
本发明主要利用电机尤其是单相直流无刷电机特性确定出定子与转子启动转矩合理的位置优选为转矩较大的位置增加卡块7和电磁定位装置。采用电磁阀原理，在机组上电时，电磁线圈也上电，阀体(本发明中的铁芯6)吸合，不影响电机正常工作，在机组停机后，电磁线圈也断电，阀体由于弹簧5的弹力弹出，与电机启动转矩最优点时的定位卡块7作用，将电机转子3卡在最优启动位置，保证电机下次启动时在最优位置，而不是处于随机位置。当机组停机后主板控制器会给继电器发一个延时信号，此时电磁线圈不会立即断电使阀体(本发明中的铁芯6)弹出，而是待转子惰转数秒至低速后再断电弹出，保证阀体(本发明中的铁芯6)和卡块7不会因为转子在高速惰转时作用而互相损坏。
本发明主要是在电机系统上增加电磁自动定位装置，使电机转子每次停机后能够转到一个固定的位置即启动转矩最优的位置，方便电机下次启动，有利于电机带更大负载工作。具体地：
假设某一定子2磁极的中线与某一转子3磁极中线的夹角为W，W的大小决定了定、转子2，3合成磁动势和启动转矩的大小，当定子2磁极中线与转子3磁极中线重合时，启动转矩为零，需保证W有一定的角度才能使电机正常启动，因此当转子3的某一磁极中线停止在定子2相邻一对磁极的角平分线上时启动转矩最优，在转子3磁极中点上增加金属卡块7，在定子2相邻一对磁极的角平分线上增加电磁定位装置。
设定电机断电时，转子3从惰转到完全停止的时间为X即前面的T1秒，当关机时，主板控制器给电机传递关机信号，此时交流接触器断开，电机断电，转子3开始进入惰转状态，同时主板控制器经过2X/3秒后传递给继电器断开信号，经过2X/3秒传递信号的原因是，高速转动时，电磁装置与金属卡块7作用可能会发生损坏，因此经过2X/3时转子已经到了低速阶段)电磁装置失电原本受电磁力吸合的阀体失力后弹出，与金属卡块7相互作用定位，使电机停止在下次启动转矩最优的点，提高机组启动性能。
设定电机上电时，主板控制器先给继电器一个闭合信号，电磁装置得电后吸合，然后设置5秒后在给交流接触器给电，此时电机正常启动，防止电磁装置阻碍电机正常转动。控制方式可根据具体电机启动延迟时间来设定，保证定位装置不影响电机正常工作。
在多级电机中，只需在其中一对对称的转子处增加另一个金属卡块8，保证动平衡，此时只需设置一组电磁定位装置与其中的一个卡块7或8配合即可完成工作，根据需要设置二组分别对应卡块设置也是可行的。
本发明可用于其他(因转子与定子初始相对角度影响启动电压，启动转矩，启动电流)的电机。
本发明具有以下有益效果：
1、防止启动转矩过小，造成启动困难
2、防止转矩波动和出现尖峰转矩
3、保证机组以较大启动转矩，可控性提高，有利于电机带更大负载工装，提高了工作效率。
4、可与全压起动，减压启动，软启动配合使用，可用范围大。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。
Claims (17)
1.一种电机，所述电机包括壳体(1)，定子(2)和转子(3)，其特征在于：转子(3)上设有卡块(7)，在所述壳体(1)或定子(2)上设有定位装置，定位装置具有固定件和可动件(6)，可动件(6)可在相对固定件伸出的第一位置和相对固定件缩回的第二位置之间切换；其中，在所述第一位置，可动件(6)可挡住所述卡块(7)，防止转子(3)转动；在所述第二位置，可动件(6)缩回，不影响转子(3)的转动。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：定位装置具体为电磁定位装置，固定件为电磁线圈(4)，电磁定位装置还包括弹簧(5)和可动件(6)，弹簧(5)用于向可动件(6)提供推力或拉力，通过电磁定位装置的通电或断电，可使可动件(6)在相对电磁线圈(4)伸出的第一位置和相对电磁线圈(4)缩回的第二位置之间切换。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于：在所述壳体(1)上设有定位装置，定子(2)上设有孔，所述可动件(6)可穿过所述孔伸出或缩回。
4.根据权利要求2所述的电机，其特征在于：所述可动件(6)的材料包括铁。
5.根据权利要求1，2或4所述的电机，其特征在于：转子(3)上还另设有辅助卡块(8)，其与卡块(7)在转子(3)的圆周方向间隔180度分布，用于保持转子的动平衡。
6.根据权利要求2或4所述的电机，其特征在于：卡块(7)设置在一预设位置，所述预设位置的设置成：可使电机停机时，转子(3)通过卡块(7)与可动件(6)的配合停在方便电机启动的位置，其中，可动件(6)为电磁铁，卡块(7)为铁质卡块(7),使可动件(6)和卡块(7)两者接触固定时能因为电磁力吸在一起，而不会因为碰撞而反弹出去，造成定位失败。
7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于：所述预设位置设置成使电机停转时，定子(2)磁极的中线和转子(3)磁极的中线具有一预设夹角，方便电机启动。
8.据权利要求7所述的电机，其特征在于：所述预设夹角为45度。
9.根据权利要求2，4，7或8所述的电机，其特征在于：所述电机还包括一控制系统，所述控制系统控制电机和电磁定位装置的运转。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于：所述控制系统包括，继电器，交流接触器，电机接线端，主板控制器，主板控制器分别与交流接触器和继电器控制连接，交流接触器控制电机接线端使电机在运行与关闭状态间切换；主板控制器通过控制继电器的开关，进而控制电磁定位装置的通断电状态。
11.根据权利要求1，2，4，7，8或9所述的电机，其特征在于：所述电机为永磁直流电机。
12.一种如权利要求1-11任一项所述电机的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S01：检测电机关机信号，当检测到关机信号时，断开电机的电源，转子开始进入惰转状态；
S02：经过第一预设时间后，控制定位装置的可动件(6)伸出；
S03:使转子卡块(7)卡住可动件(6)，转子停止转动；
S04：检测电机启动信号，当检测到电机启动信号时，首先控制定位装置的可动件(6)缩回，经过第二预设时间后，电机启动。
13.根据权利要求12所述的电机控制方法，其特征在于：所述第一预设时间的设置需保证电机在低速时，才使转子(3)的卡块(7)与可动件(6)接触。
14.根据权利要求13所述的电机控制方法，其特征在于：转子从惰转状态到完全停止的时间为T1，第一预设时间大致设定为(2/3)*T1。
15.根据权利要求12，13或14所述的电机控制方法，其特征在于：所述第二预设时间的设置需保证电机在启动前，可动件(6)已完全缩回，防止与卡块(7)碰撞。
16.根据权利要求15所述的电机控制方法，其特征在于：所述第二预设时间为5秒以上。
17.根据权利要求12，13，14或16所述的电机控制方法，其特征在于：所述电机启动采用全压启动、减压启动或软启动。
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