CN112398241A - 一种单相直流无刷无位置传感器电机及其构成的风扇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相直流无刷无位置传感器电机及其构成的风扇，本发明提供的电机采用单相直流无刷变气隙结构，气隙的隙距从进入端沿结束端方向减小，这样的气隙结构造就气隙磁通随着转子磁极与定子齿相对位置变化而成函数关系变化。通过电流取样电阻R6单片机得到现在线圈中的电流值，该电流与无刷电机转子的位置和转速呈函数关系，通过该电流即可计算当前转子位置。电机采用无位置传感器，驱动电路工作不受电机振动及温升影响，提高了电机的可靠性。

Description

一种单相直流无刷无位置传感器电机及其构成的风扇

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其是涉及一种单相直流无刷无位置传感器电机及其构成的风扇。

背景技术

单相直流无刷电机，是指由激励线圈中只有单一相位电流驱动，而转子部分由成对磁极的永磁铁或励磁线圈组成。电机反电势为单一相位交流电压。驱动电流换相由外部电路完成，换相时间点由外部的霍尔位置传感器提供。

目前的单相直流无刷电机存在以下问题：

1）目前的电机采用霍尔传感器开关感应转子磁极极性切换的瞬间产生信号，从而得知转子当前位置，常规霍尔传感器开关只能在转子磁极极性切换的瞬间产生信号，在转子转运过程无法得知转子当前位置，因此只能方波驱动，驱动效率低下，转矩波动大，运转过程电磁噪音大；

2）由于采用霍尔传感器实现位置感应，导致提供驱动电流的驱动电路采用单节锂电池供电时为减小驱动电流需要升压电路，导致驱动电路复杂，线圈驱动电流路径中串联功率器件多，电路效率低，成本高，可靠性降低；

3）目前单相直流无刷电机中的电机部分和驱动芯片安装在一起，电机部分处于工作状态下时，电机铁芯和线圈在工作中发热，使芯片工作环境恶劣，长期工作可靠性不高；

4）电机驱动电路板与电机部分安装在一起，电机部分在产品应用中安装形式受限；同理电机驱动电路板的结构形式也受限，难于实现低压大电流驱动。

发明内容

为了解决现有技术所存在的技术问题，本发明在此的目的在于提供一种单相直流无刷无位置传感器电机，该单相直流无刷电机无位置传感器结构，工作不受电机振动及温升影响，可靠性提高。

为实现本发明的目的，在此提供的单相直流无刷无位置传感器电机包括：

电机构件，包括定子和转子，所述定子包括主要由内轭部和安装于所述内轭部外侧的至少两个定子齿构成的定子磁芯，所述定子齿之间形成绕线槽；所述每一个定子齿分别包括绕线部和极靴，所述绕线部上绕制有线圈；

所述转子包括与所述定子齿数量相等的转子磁极，所述每一个转子磁极分别分布于所述每一个定子齿的极靴的外周；所述转子磁极的周壁与所述极靴之间形成气隙，所述气隙包括进入端和结束端，所述气隙的隙距从所述进入端沿所述结束端方向减小；

驱动电路，用于向所述线圈加载激励，并采集所述转子转动过程中所述线圈中的电流值，根据该电流值获得所述转子的当前位置状态，并控制加载于所述线圈上的电流大小改变所述电机构件的转矩状态；

所述驱动电路包括主驱动电路，所述主驱动电路包括单片机U2、场效应管Q2～Q5和用于采集所述转子转动过程中所述线圈中的电流值的电阻R6；所述场效应管Q2～Q5构成全桥电路，所述场效应管Q2～Q5的导通、截止受所述单片机U2控制；所述电阻R6串联于所述全桥电路的负端和电路地之间，所述电阻R6与所述全桥电路负极端连接的一端还与所述单片机U2的信号输入端连接；所述全桥电路的输出端作为主驱动电路的输出端用于连接所述线圈。

本发明提供的电机采用单相直流无刷变气隙结构，气隙的隙距从进入端沿结束端方向减小，这样的气隙结构造就气隙磁通随着转子磁极与定子齿相对位置变化而成函数关系变化。通过电流取样电阻R6单片机得到现在线圈中的电流值，该电流与无刷电机转子的位置和转速呈函数关系，通过该电流即可计算当前转子位置。电机采用无位置传感器，驱动电路工作不受电机振动及温升影响，提高了电机的可靠性。

进一步的，本发明提供的单相直流无刷电机的驱动电路还包括为所述主驱动电路提供工作电压的电源管理电路，所述电源管理电路包括供电电池和场效应管Q1，所述供电电池输出的电源加载于所述场效应管Q1的漏极，所述场效应管Q1的源极作为输出端与所述主驱动电路连接，栅极接电路地。

该电机无位置传感器，直接采用供电电池为作为驱动电路的供电方式，驱动电路无需升压或降压处理，硬件电路简单可靠。由于采用电池供电方式，在更换电池过程中，如电池正负极接反会造成主驱动电路烧坏，本发明提供的电源管理电路中场效应管Q1在供电电池正负极反接时栅极始终处于关断状态，阻断了供电电池到主驱动电路的电流路径，实现了供电电池反接保护功能，解决了因供电电池接反而造成主驱动电路烧坏的问题。

进一步的，所述电源管理电路还包括充电管理电路，所述充电管理电路包括USB接口、二极管D1、充电管理芯片U1和电阻R1，所述二极管D1的阳极接所述USB接口的输出端，阴极接所述场效应管Q1的源极；所述电阻R1串联于所述充电管理芯片U1的最大电流设置端与电路地之间，所述充电管理芯片U1的CH端接所述二极管D1的阳极，BAT引脚接所述场效应管Q1的漏极。

通过充电管理电路实现了对供电电池的充电处理，实现了供电电池循环使用，节省了使用成本，且保护了环境。充电管理电路的充电原理为：外接5V充电器通过USB接口接入产品，电流经过二极管D1形成V_UBS为主驱动电路供电，同时向充电管理芯片U1供电，实现充电电路与工作电路相互独立工作，电池充电电流大小通过电阻R1设置。

进一步的，所述电源管理电路还包括二极管D2，所述二极管D2的阳极接所述二极管D1的阳极，阴极接所述场效应管Q1的栅极。

通过USB接口可以实现外接电源直接为主驱动电路供电，为了解决外接电源直接供电时持续向供电电池充电而影响供电电池的性能的问题，本发明增设二极管D2。外接电源接入时二极管D2快速关断场效应管Q1，阻断外接电源和供电电池之间的电流通路，解决了外接电源直接供电时持续向供电电池充电而影响供电电池的性能的问题。在外接电源移除的瞬间，二极管D2关闭，快速打开场效应管Q1，此时供电电池向主电路供电；场效应管Q1实现了路径管理。

进一步的，还包括电阻R3，所述电阻R3的一端接所述场效应管Q1的栅极，另一端接电路地。电阻R3作为场效应管Q1的下拉电阻，在外接电源移除的瞬间，二极管D2关闭，能够快速打开场效应管Q1，提高了切换速率。

进一步的，所述充电管理电路还包括用于指示充电过程的指示灯LED1和/或用于指示充满电的指示灯LED2，所述指示灯LED1的阴极接所述充电管理芯片U1的CH端，阳极接所述二极管D1的阳极；所述指示灯LED2的阳极接所述指示灯LED1的阳极，阴极接电路地。

进一步的，所述主驱动电路还包括串联于所述单片机U2的信号输入端和电路地之间的工作状态切换按钮K1。

进一步的，所述主驱动电路还包括指示灯LED3，所述指示灯LED3的阴极接所述工作状态切换按钮K1与所述单片机U2信号输入端相连接的一端，阳极接电源。

进一步的，所述电机机构与所述驱动电路分离安装。

本发明在此的第二个目的在于提供一种风扇，该风扇包括本发明提供的单相直流无刷无位置传感器电机，所述电机构件在所述驱动电路的控制下能够产生变化的磁场并驱动扇叶随转子一同转动。

本发明的有益效果包括：

1）电机多槽多极结构为传统成熟工艺，生产成本低，效率高；

2）无位置传感器，单相直流无刷电机结构工作不受电机振动及温升影响，可靠性提高；

3）电机结构部分减少电路板，组装简单，成品率高，电机生产成本降低，后续应用产品设计和生产限制减少；

4）电机驱动电路中的电机电流直接通过单个电阻采样，转子位置通过电流判断，不受磁场影响，电路简单可靠；

5）电机参数设计按供电电池供电电压设计，驱动电路无需升压或降压处理，电路由MCU直接驱动全桥电路，硬件电路简单可靠，批生产成品率高；

6）通过转子位置给定定子线圈相应大小电流（单相直流无刷电机转子磁极与定子齿正对位置只产生径向磁力），减少转矩波动和提高驱动效率，减小了电机运转噪音，用户体验更佳；

7）驱动电路外围器件少且发热量小，容易集成到单一晶元封装。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明提供的2槽2极变气隙结构示意图；

图2为本发明提供的4槽4极变气隙结构示意图；

图3为本发明提供的6槽6极变气隙结构示意图；

图4为本发明提供的8槽8极变气隙结构示意图；

图5为本发明提供的主驱动电路的电路图；

图6为本发明提供的电源管理电路的电路图；

图7为转子位置与气隙磁通之间的函数关系图；

附图中：1-定子，11-定子磁芯，111-内轭部，112-定子齿，113-线圈，114-绕线槽，115-槽口，1121-绕线部，1122-极靴，2-转子，21-转子磁极，3-气隙，31-进入端，32-结束端。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

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发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明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发明的各方面。

参照图1-图6所示，本文提供的一种单相直流无刷无位置传感器电机包括电机构件和驱动电路。

电机构件，包括定子1和转子2，定子1包括主要由内轭部111和安装于内轭部111外侧的至少两个定子齿112构成的定子磁芯11，定子齿112之间形成绕线槽114；每一个定子齿112分别包括绕线部1121和极靴1122，绕线部1121上绕制有线圈113，线圈113从其中一个定子齿开始分别按正，反，正，反方向绕制；

转子2包括与定子齿112数量相等的转子磁极21，每一个转子磁极21分别分布于相对应的每一个定子齿112的极靴1122的外周，转子磁极21按NS极性均匀分布；转子磁极21的周壁与极靴1122之间形成气隙3，气隙3包括进入端31和结束端32，气隙3的隙距从进入端31沿结束端32方向减小；进入端31气隙最大，结束端32气隙最小，这样的气隙结构造就气隙磁通随着转子磁极与定子齿相对位置变化而成函数关系变化（如图7所示），通过采集线圈中当前电流即可计算当前转子的位置。

驱动电路，集成于印制电路板上，形成电机驱动电路板，该电路板与电机构件分离安装。将电机构件和电机驱动电路板分离安装，电机构件处于工作状态下时，电机铁芯和线圈在工作中发热，该热量不会对驱动电路造成影响，提高了长期工作的可靠性。此外，电机构件和电机驱动电路板分离安装，电机构件的安装形式不受限，且电机驱动电路板的结构形式也不受限，易实现低压大电流驱动。同时，电机构件和电机驱动电路板分离安装，使两者之间互不影响，应用产品设计更灵活。

驱动电路用于向线圈113加载激励，并采集转子2转动过程中线圈113中的电流值，根据该电流值获得转子2的当前状态，并根据线圈113中当前电流值控制加载于线圈113上的电流大小改变电机构件的转矩状态。

本实施例中的驱动电路包括主驱动电路。参照图5所示，主驱动电路包括工作状态切换按钮K1、单片机U2、场效应管Q2～Q5、用于采集转子2转动过程中线圈113中的电流值的电阻R6、指示灯LED3和电源退耦电容C2；场效应管Q2～Q5构成全桥电路，场效应管Q2～Q5的栅极分别与单片机U2的信号输出端连接，其导通、截止受单片机U2控制；工作状态切换按钮K1的一端通过电阻R5接单片机U2的信号输入端，另一端接电路地，当用户按压K1触发单片机从睡眠状态唤醒并开始第一功能，按一次切换一次功能。

电阻R6串联于全桥电路的负端和电路地之间，电阻R6与全桥电路负端连接的一端还与单片机U2的信号输入端连接；通过电阻R6获得线圈113中电流值并输出单片机U2，使单片机U2得到现在线圈113中的电流值，该电流与转子2的位置和转速呈函数关系，通过该电流即可计算当前转子2的位置，当转子2转过平衡位置时通过Q2～Q5切换线圈113电流方向，即可让转子2持续旋转，通过单片机U2输出的PWM信号改变驱动电流大小改变电机转矩大小，从而实现单相直流无刷电机无位置传感器控制。在转子磁极正对定子齿时，电磁力只产生径向磁力矩，因此本案中在转子接近正对位置时关闭线圈供电，提高电流有效切向旋转力矩，提高了电机有功功率。

驱动电路中全桥电路的输出端作为主驱动电路的输出端用于连接线圈113，为线圈113提供正反向电流（图中COIL+/COIL-接电机线圈的两头）。

指示灯LED3的阴极接电阻R5与单片机U2信号输入端连接的一端，阳极经电阻R4接电源；电源退耦电容C2的第一极板接电源，第二极板接电路地。

本实施例中的驱动电路还包括为主驱动电路提供工作电压的电源管理电路。参照图6所示，本实施例中的电源管理电路包括了USB接口、二极管D1、二极管D2、场效应管Q1、电阻R3、充电管理芯片U1、电阻R1、指示电路、电阻R2、电源退耦电容C1以及供电电池，指示电路包括用于指示充电过程的指示灯LED1和/或用于指示充满电的指示灯LED2。

本文提供的电源管理电路可以通过供电电池为主驱动电路进行供电，也可以通过USB接口外接电源为主驱动电路供电。外接电源接入时二极管D2快速关断场效应管Q1，阻断电源和电池之间的电流通路，在外接电源移除的瞬间，二极管D2关闭，通过下拉电阻R3快速打开场效应管Q1，此时供电电池向主电路供电，场效应管Q1实现了路径管理。

此外，通过USB接口可以实现对供电电池的充电处理，具体是：外接5V充电器通过USB接口插入，电流经过二极管D1形成V_BUS电压向主驱动电路供电，同时向充电管理芯片U2供电，实现插入电源自动充电和超时或满电停止，电阻R1设置电池充电电流大小；同时还实现了充电电路与工作电路相互独立工作。充电过程中通过指示灯LED1进行指示，充满电后通过指示灯LED2进行指示。

本文中，供电电池可以采用任何一种，如锂电池，干电池。在可更换电池的产品应用中，电池接反会造成主电路烧坏，本电路中不管是否有外接电源接入，场效应管Q1在电池正负极反接时栅极始终处于关断状态，阻断了电池到主电路的电流路径，场效应管Q1实现了电池反接保护功能。

本文中场效应管Q2～Q5可以采用任何一种，如增强型场效应管，耗尽型场效应管，或用晶体三极管代替场效应管等。

本文中的单片机U2用于存储可读的软件程序，并在上电后执行存储于其内的软件程序，该程序实现的功能为：按压K1时触发单片机U2从睡眠状态唤醒，输出控制信号控制场效应管Q2～Q5的导通和截止，为线圈提供正反向电流；通过电阻R6将线圈中当前电流输入单片机U2，该电流与无刷电机转子的位置和转速呈函数关系，通过该电流即可计算当前转子位置，当转子转过平衡位置时通过Q2~Q5切换线圈电流方向，即可让转子持续旋转，输出PWM信号改变驱动电流大小改变电机转矩大小，从而实现单相直流无刷无刷电机无位置传感器控制。在转子磁对极正对定子齿时，电磁力只产生径向磁力矩，因此本案中在转子接近正对位置时关闭线圈供电，提高电流有效切向旋转力矩，提高了电机有功功率。

本文实施方式中，定子磁芯11为多极多槽变气隙结构，可以为2槽2极变气隙结构，即内轭部111的外侧安装2个定子齿112，2个定子齿之间形成2个绕线槽114，如图1所示；或是4槽4极变气隙结构，即内轭部111的外侧安装4个定子齿112，4个定子齿之间形成4个绕线槽114，如图2所示；或是6槽6极变气隙结构，即内轭部111的外侧安装6个定子齿112，6个定子齿之间形成6个绕线槽114，如图3所示；或是8槽8极变气隙结构，即内轭部111的外侧安装8个定子齿112，8个定子齿之间形成8个绕线槽114，如图4所示。

定子磁芯11中的内轭部111为闭合的环形。

本实施方式中定子齿112均匀间隔的安装于内轭部111外侧，每个极靴1122大致围成一个与内轭部111同心的圆。其中，相邻两极靴1122之间形成槽口115，槽口115用于容许形成定子绕组的导线穿过，以便进行定子绕组的绕制。

本实施方式中进入端31和结束端32按旋转方向设置，即气隙距离按旋转方向，进入端31气隙更大，结束端32气隙更小。

本文提供的单相直流无刷电机可以用于风扇、小型鼓风机等。用于风扇、小型鼓风机中时，电机构件和安装有驱动电路的电路板不安装在同一结构中，如电机构件安装于风扇的扇叶中，电路板则安装于风扇的支撑座、底座等结构中；当然电机构件和电路板也可以安装在同一结构中。

本文提供的单相直流无刷无位置传感器电机具有以下特点：

1）电机采用单相多槽多极变气隙结构；

2）电机采用无位置传感器，供电电池（锂电池、干电池）电压直接驱动方式；

3）驱动电路通过单片机直接采样电机线圈电流信号计算转子初始状态（转动或静止）和转子位置；

4）驱动电路与电机构件分离安装；

5）仿正弦电流驱动，减少谐波电流。

本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于，包括：

电机构件，包括定子（1）和转子（2），所述定子（1）包括主要由内轭部（111）和安装于所述内轭部（111）外侧的至少两个定子齿（112）构成的定子磁芯（11），所述定子齿（112）之间形成绕线槽（114）；所述每一个定子齿（112）分别包括绕线部（1121）和极靴（1122），所述绕线部（1121）上绕制有线圈（113）；

所述转子（2）包括与所述定子齿（112）数量相等的转子磁极（21），所述每一个转子磁极（21）分别分布于所述每一个定子齿（112）的极靴（1122）的外周；所述转子磁极（21）的周壁与所述极靴（1122）之间形成气隙（3），所述气隙（3）包括进入端（31）和结束端（32），所述气隙（3）的隙距从所述进入端（31）沿所述结束端（32）方向减小；

驱动电路，用于向所述线圈（113）加载激励，并采集所述转子（2）转动过程中所述线圈（113）中的电流值，根据该电流值获得所述转子（2）的当前位置状态，并控制加载于所述线圈（113）上的电流大小改变所述电机构件的转矩状态；

所述驱动电路包括主驱动电路，所述主驱动电路包括单片机U2、场效应管Q2～Q5和用于采集所述转子（2）转动过程中所述线圈（113）中的电流值的电阻R6；所述场效应管Q2～Q5构成全桥电路，所述场效应管Q2～Q5的导通、截止受所述单片机U2控制；所述电阻R6串联于所述全桥电路的负端和电路地之间，所述电阻R6与所述全桥电路负极端连接的一端还与所述单片机U2的信号输入端连接；所述全桥电路的输出端作为主驱动电路的输出端用于连接所述线圈（113）。

2.根据权利要求1所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：所述驱动电路还包括为所述主驱动电路提供工作电压的电源管理电路，所述电源管理电路包括供电电池和场效应管Q1，所述供电电池输出的电源加载于所述场效应管Q1的漏极，所述场效应管Q1的源极作为输出端与所述主驱动电路连接，栅极接电路地。

3.根据权利要求2所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：所述电源管理电路还包括充电管理电路，所述充电管理电路包括USB接口、二极管D1、充电管理芯片U1和电阻R1，所述二极管D1的阳极接所述USB接口的输出端，阴极接所述场效应管Q1的源极；所述电阻R1串联于所述充电管理芯片U1的最大电流设置端与电路地之间，所述充电管理芯片U1的CH端接所述二极管D1的阳极，BAT引脚接所述场效应管Q1的漏极。

4.根据权利要求3所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：所述电源管理电路还包括二极管D2，所述二极管D2的阳极接所述二极管D1的阳极，阴极接所述场效应管Q1的栅极。

5.根据权利要求4所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：还包括电阻R3，所述电阻R3的一端接所述场效应管Q1的栅极，另一端接电路地。

6.根据权利要求3或4或5所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：所述充电管理电路还包括用于指示充电过程的指示灯LED1和/或用于指示充满电的指示灯LED2，所述指示灯LED1的阴极接所述充电管理芯片U1的CH端，阳极接所述二极管D1的阳极；所述指示灯LED2的阳极接所述指示灯LED1的阳极，阴极接电路地。

7.根据权利要求1所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：所述主驱动电路还包括串联于所述单片机U2的信号输入端和电路地之间的工作状态切换按钮K1。

8.根据权利要求7所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：所述主驱动电路还包括指示灯LED3，所述指示灯LED3的阴极接所述工作状态切换按钮K1与所述单片机U2信号输入端相连接的一端，阳极接电源。

9.根据权利要求1所述的单相直流无刷无位置传感器电机，其特征在于：所述电机机构与所述驱动电路分离安装。

10.一种风扇，其特征在于：该风扇包括权利要求1-9任意一项所述的单相直流无刷无位置传感器电机，所述电机构件在所述驱动电路的控制下能够产生变化的磁场并驱动扇叶随转子一同转动。

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