CN112510861A - 一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机及其控制方法 - Google Patents

一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机及其控制方法，包括定子铁芯、转子铁芯、第一启动电路、第二启动电路、转子位置检测电路和MCU，转子铁芯位于定子铁芯内，且转子铁芯与定子铁芯之间存在气隙，转子铁芯上设置有若干个转子齿极，定子铁芯上设置有若干个与转子齿极相配合的定子齿极，若干个定子齿极之间形成定子齿槽，在定子齿槽内安装有辅助启动机构，定子齿极上缠绕有第一线圈，第一线圈与第一启动电路连接，第一启动电路与MCU连接，辅助启动机构与第二启动电路连接，第二启动电路与MCU连接，转子位置检测电路与MCU连接；本发明把永磁铁替换为电磁铁，在断电时没有磁力，降低磁阻电机的生产成本以及延长电机的使用寿命。

Description

一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机技术领域，尤其涉及一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机及其控制方法。
背景技术
单相磁阻电机在启动时有一个问题，就是当电机的转子和定子处于某一个特定位置的时候，转子会没有办法启动转动；这个启动时的特定位置称为死区，电机转子处于死区无法启动的原因是，在磁阻电机开始启动转动时，需要一个初始力。当电机的转子和定子处于一个特定位置时，这个初始力刚好互相抵消为零。
现有技术为通过在电机的定子或外壳上安装一个固定位置的永磁铁，这个永磁铁的位置位于死区外，这样当电机断电不使用的时候，永磁铁可以把转子吸引到死区以外的位置，这样启动时就可以保证转子不处于死区位置，其缺点为：叠加的永磁磁铁里面需要稀土，稀土材料很贵；电机工作的环境中会有很多的铁屑，永磁铁会不断吸附这些铁屑，时间较长积累较多铁屑后，会阻碍电机的正常工作。
例如，申请号为CN201720490609.0，申请日为2017年05月02日的中国专利申请公开了一种开关磁阻电机及应用开关磁阻电机的装置，包括定子和转子，所述定子包括多对定子齿以及绕设于所述定子齿上的绕组，所述转子包括至少一对转子齿，所述转子齿的极弧大于所述定子齿的极弧，且相邻设置的至少两对所述定子齿上的所述绕组能够串联。该申请的开关磁阻电机将定子齿的绕组进行串联，保证了绕组电流的连续性，降低开关磁阻电机的振动与噪声，但是依然使用永磁体解决启动死区的问题。
发明内容
本发明主要解决现有的技术中磁阻电机存在启动死区的问题；提供一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机及其控制方法，提供初始转矩，解决启动死区问题，利用辅助启动机构代替永磁体，成本低，效率高。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机，包括定子铁芯、转子铁芯、第一启动电路、第二启动电路、转子位置检测电路和MCU，所述转子铁芯位于定子铁芯内，且转子铁芯与定子铁芯之间存在气隙，所述转子铁芯上设置有若干个转子齿极，所述定子铁芯上设置有若干个与所述转子齿极相配合的定子齿极，若干个所述定子齿极之间形成定子齿槽，在所述定子齿槽内安装有辅助启动机构，所述定子齿极上缠绕有第一线圈，所述第一线圈与第一启动电路连接，所述第一启动电路与MCU连接，所述辅助启动机构与第二启动电路连接，所述第二启动电路与MCU连接，所述转子位置检测电路与MCU连接，所述转子位置检测电路用于检测转子齿极的位置信息，所述MCU根据转子位置检测电路检测的转子齿极的位置信息控制第一线圈通电或辅助启动机构通电。辅助启动机构为电磁铁，代替了现有技术的永磁体，利用电磁铁通电产生磁性吸附转子铁芯，使转子齿极离开启动死区位置，同时提供转子铁芯转动的初始转矩，加快转子铁芯的启动速度，电磁铁的成本较低，并且在断电时没有磁力，不会一直吸附铁屑、产生阻碍转子转动或电机损坏的隐患，降低磁阻电机的生产成本以及延长电机的使用寿命，当转子停止转动后，转子齿极停留位置不在死区时，MCU根据转子位置检测电路检测的转子齿极位置信息通过第一启动电路将定子齿极上的第一线圈通电，直接带动转子铁芯进行转动，进一步加快电机的启动速度。
作为优选，所述的辅助启动机构包括辅助启动齿和辅助启动线圈，所述辅助启动齿安装在定子齿槽内，所述辅助启动线圈缠绕在辅助启动齿上，所述辅助启动线圈与第二启动电路连接。辅助启动齿和辅助启动线圈构成电磁铁，电磁铁在通过后具有磁力，断电后不具有磁力，不会一直吸附铁屑、产生阻碍转子转动或电机损坏的隐患，延长电机的使用寿命。
作为优选，所述的转子位置检测电路包括第一极板和第二极板，所述第一极板安装在转子齿极与定子齿极相对应的一面，所述第二极板安装在定子齿极上，所述第二极板与第一极板位置匹配，所述第一极板、空气介质和第二极板构成电容，所述第一极板和第二极板均与MCU连接。由第一极板、空气介质和第二极板构成的电容，由于第一极板和第二极板的距离以及介质常数是不变的，随着转子铁芯的转动，第一极板和第二极板的相对面积发生变化，即电容值会相应发生变化，MCU根据电容大小对转子齿极的位置进行定位，进而实现电机的快速启动。
作为优选，还包括切换开关和备用电池，所述切换开关的第一端与辅助启动机构连接，所述切换开关的第二端设有第一触点和第二触点，所述切换开关的第一触点与第二启动电路连接，所述第二触点与备用电池连接，所述切换开关的控制端与MCU连接。当MCU控制第一启动电路使第一线圈通电后，磁阻电机开始工作，此时，MCU控制切换开关，使切换开关的第一端与第二触点连接，利用电磁感应原理，当第一线圈通电产生磁场时，辅助启动线圈随着第一线圈产生的磁场的变化，产生感应电流，将辅助启动线圈产生的感应电流通过切换开关传递到备用电池进行能量存储，延长电机使用寿命。
一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机的控制方法，包括以下步骤：接收启动指令，获取转子位置检测电路检测的转子齿极的位置信息；判断转子齿极是否位于启动死区；若转子齿极位于启动死区，则MCU控制切换开关第二端的第一触点与第一端连接，通过第二启动电路使辅助启动线圈通电，给转子提供初始转矩，直到转子齿极离开启动死区，通过控制第一启动电路使第一线圈通电，转子铁芯进行转动；若转子齿极不在启动死区，则直接通过控制第一启动电路使第一线圈通电，转子铁芯进行转动；转子铁芯进行转动后，MCU控制切换开关第二端的第二触点与第一端连接，对备用电池进行充电。加快电机启动速度，解决电机启动死区问题，降低成本，延长电机使用寿命。
作为优选，所述的转子位置检测电路检测转子齿极的位置信息的方法为：由第一极板、空气介质和第二极板构成的电容，由于第一极板和第二极板的距离以及介质常数是不变的，随着转子铁芯的转动，第一极板和第二极板的相对面积发生变化，即电容值会相应发生变化，对安装在转子齿极上的第一极板进行编号处理，即可在转子铁芯停止转动时检测转子齿极的位置。实现转子齿极的快速定位，加快电机的启动速度。
本发明的有益效果是：（1）把永磁铁替换为电磁铁，电磁铁的成本较低，并且在断电时没有磁力，不会一直吸附铁屑、产生阻碍转子转动或电机损坏的隐患，降低磁阻电机的生产成本以及延长电机的使用寿命；（2）通过第一极板和第二极板构成的电容，快速定位转子齿极的位置，方便MCU判断转子齿极是否位于启动死区并进行相应的启动控制，加快电机启动速度；（3）利用电磁感应原理，将辅助启动线圈产生的感应电流进行存储，使得电机能更加持久的运转。
附图说明
图1是本发明实施例的磁阻电机的结构示意图。
图中1.定子铁芯，2.转子铁芯，3.定子齿极，4.转子齿极，5.第一线圈，6.辅助启动齿，7.辅助启动线圈。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机，如图1所示，包括定子铁芯1、转子铁芯2、第一启动电路、第二启动电路、转子位置检测电路、MCU、切换开关和备用电池，转子铁芯2位于定子铁芯1内，且转子铁芯2与定子铁芯1之间存在气隙，转子铁芯2上设置有若干个转子齿极4，定子铁芯1上设置有若干个与转子齿极4相配合的定子齿极3，若干个定子齿极3之间形成定子齿槽，在定子齿槽内安装有辅助启动机构，定子齿极3上缠绕有第一线圈5，第一线圈5与第一启动电路连接，第一启动电路与MCU连接，辅助启动机构与第二启动电路连接，第二启动电路与MCU连接，转子位置检测电路与MCU连接，转子位置检测电路用于检测转子齿极4的位置信息，MCU根据转子位置检测电路检测的转子齿极4的位置信息控制第一线圈5通电或辅助启动机构通电，切换开关的第一端与辅助启动机构连接，切换开关的第二端设有第一触点和第二触点，切换开关的第一触点与第二启动电路连接，第二触点与备用电池连接，切换开关的控制端与MCU连接。
辅助启动机构包括辅助启动齿6和辅助启动线圈7，辅助启动齿6安装在定子齿槽内，辅助启动线圈7缠绕在辅助启动齿6上，辅助启动线圈7与第二启动电路连接。
转子位置检测电路包括第一极板和第二极板，第一极板安装在转子齿极4与定子齿极3相对应的一面，第二极板安装在定子齿极3上，第二极板与第一极板位置匹配，第一极板、空气介质和第二极板构成电容，第一极板和第二极板均与MCU连接。
本发明不限制辅助启动机构的个数，可以为一个，也可以在对角位置再安装一个，也可以与转子齿极相同的个数。本发明的转子形状不限，转子齿极个数可以为2个、4个、6个或8个。
一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机的控制方法，包括以下步骤：接收启动指令，获取转子位置检测电路检测的转子齿极4的位置信息；判断转子齿极4是否位于启动死区；若转子齿极4位于启动死区，则MCU控制切换开关第二端的第一触点与第一端连接，通过第二启动电路使辅助启动线圈7通电，给转子提供初始转矩，直到转子齿极4离开启动死区，通过控制第一启动电路使第一线圈5通电，转子铁芯2进行转动；若转子齿极4不在启动死区，则直接通过控制第一启动电路使第一线圈5通电，转子铁芯2进行转动；转子铁芯2进行转动后，MCU控制切换开关第二端的第二触点与第一端连接，对备用电池进行充电。
转子位置检测电路检测转子齿极4的位置信息的方法为：由第一极板、空气介质和第二极板构成的电容，由于第一极板和第二极板的距离以及介质常数是不变的，随着转子铁芯2的转动，第一极板和第二极板的相对面积发生变化，即电容值会相应发生变化，对安装在转子齿极4上的第一极板进行编号处理，即可在转子铁芯2停止转动时检测转子齿极4的位置。
在具体应用中，当磁阻电机在上一次工作结束时，转子位置检测电路在转子铁芯2停止转动时对转子齿极4的位置进行检测，并将检测结果进行记录保持，若在电机的搬运过程中，转子铁芯2被转动，转子位置检测电路依然对转子齿极4的位置进行检测并将记录信息更新，当磁阻电机接收到启动指令后，MCU先根据转子位置检测电路最新的转子齿极4的位置信息判断转子齿极4是否位于启动死区，若转子齿极4位于启动死区，则MCU控制切换开关第二端的第一触点与第一端连接，通过第二启动电路使辅助启动线圈7通电，给转子提供初始转矩，直到转子齿极4离开启动死区，再通过控制第一启动电路使第一线圈5通电，转子铁芯2进行正常转动，若转子齿极4不在启动死区，则直接通过控制第一启动电路使第一线圈5通电，转子铁芯2进行转动；转子铁芯2进行转动后，MCU控制切换开关第二端的第二触点与第一端连接，对备用电池进行充电。
本发明把永磁铁替换为电磁铁，电磁铁的成本较低，并且在断电时没有磁力，不会一直吸附铁屑、产生阻碍转子转动或电机损坏的隐患，降低磁阻电机的生产成本以及延长电机的使用寿命；通过第一极板和第二极板构成的电容，快速定位转子齿极4的位置，方便MCU判断转子齿极4是否位于启动死区并进行相应的启动控制，加快电机启动速度；利用电磁感应原理，将辅助启动线圈7产生的感应电流进行存储，使得电机能更加持久的运转。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机，其特征在于，包括：
定子铁芯、转子铁芯、第一启动电路、第二启动电路、转子位置检测电路和MCU，所述转子铁芯位于定子铁芯内，且转子铁芯与定子铁芯之间存在气隙，所述转子铁芯上设置有若干个转子齿极，所述定子铁芯上设置有若干个与所述转子齿极相配合的定子齿极，若干个所述定子齿极之间形成定子齿槽，在所述定子齿槽内安装有辅助启动机构，所述定子齿极上缠绕有第一线圈，所述第一线圈与第一启动电路连接，所述第一启动电路与MCU连接，所述辅助启动机构与第二启动电路连接，所述第二启动电路与MCU连接，所述转子位置检测电路与MCU连接，所述转子位置检测电路用于检测转子齿极的位置信息，所述MCU根据转子位置检测电路检测的转子齿极的位置信息控制第一线圈通电或辅助启动机构通电。
2.根据权利要求1所述的一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机，其特征在于，
所述辅助启动机构包括辅助启动齿和辅助启动线圈，所述辅助启动齿安装在定子齿槽内，所述辅助启动线圈缠绕在辅助启动齿上，所述辅助启动线圈与第二启动电路连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机，其特征在于，
所述转子位置检测电路包括第一极板和第二极板，所述第一极板安装在转子齿极与定子齿极相对应的一面，所述第二极板安装在定子齿极上，所述第二极板与第一极板位置匹配，所述第一极板、空气介质和第二极板构成电容，所述第一极板和第二极板均与MCU连接。
4.根据权利要求1所述的一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机，其特征在于，
还包括切换开关和备用电池，所述切换开关的第一端与辅助启动机构连接，所述切换开关的第二端设有第一触点和第二触点，所述切换开关的第一触点与第二启动电路连接，所述第二触点与备用电池连接，所述切换开关的控制端与MCU连接。
5.一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机的控制方法，适用于如权利要求1至4任一项所述的一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机，其特征在于，包括以下步骤：
接收启动指令，获取转子位置检测电路检测的转子齿极的位置信息；
判断转子齿极是否位于启动死区；
若转子齿极位于启动死区，则MCU控制切换开关第二端的第一触点与第一端连接，通过第二启动电路使辅助启动线圈通电，给转子提供初始转矩，直到转子齿极离开启动死区，通过控制第一启动电路使第一线圈通电，转子铁芯进行转动；
若转子齿极不在启动死区，则直接通过控制第一启动电路使第一线圈通电，转子铁芯进行转动；
转子铁芯进行转动后，MCU控制切换开关第二端的第二触点与第一端连接，对备用电池进行充电。
6.根据权利要求5所述的一种带有辅助启动结构的单相磁阻电机的控制方法，其特征在于，
所述转子位置检测电路检测转子齿极的位置信息的方法为：由第一极板、空气介质和第二极板构成的电容，由于第一极板和第二极板的距离以及介质常数是不变的，随着转子铁芯的转动，第一极板和第二极板的相对面积发生变化，即电容值会相应发生变化，对安装在转子齿极上的第一极板进行编号处理，即可在转子铁芯停止转动时检测转子齿极的位置。
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