CN112913120B - 测量更精确的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机，该电机包括转子和定子。转子(40，4)包括多个永磁体(4)，定子包括多个适于由电流供电的线圈和在支架(60)上的两个霍尔效应传感器(6)。传感器被配置为检测由永磁体(4)产生的磁场的法向分量的梯度变化。定子包括部件(7)，该部件包括‑第一区域(7a)，‑第二区域(7b)和第三区域(7c)，第三区域从第一区域(7a)延伸到第二区域(7b)。第三区域(7c)的最大径向厚度小于第一区域和第二区域的最小径向厚度。

Description

测量更精确的电机

技术领域

本发明属于电机的技术领域，具体地，属于同步型电机的技术领域，同步型电机以马达模式控制以产生机械转矩。

本发明对于同步无刷机具有特别有利的应用，在该同步无刷机中，转子的位置由例如霍尔效应传感器的磁性传感器来测量。

背景技术

当向定子绕组供应电流并且使转子的磁性元件旋转时，同步马达产生机械转矩。在一种普遍的配置中，定子是空心圆柱体，并且转子的磁性元件在定子内部围绕转子的旋转轴线枢转。

在无刷或“自驱动”同步马达中，根据转子围绕其轴线的角度位置来控制定子绕组的供应电流。

由转子在特定点处产生的磁场的方向根据转子的角度位置变化。

因此，为了检测转子的角度位置，已知在定子的同一截面上放置磁性传感器，例如霍尔效应传感器。这些传感器能够测量磁场的法向分量的取向。

图1从上到下示出了，在具有三个定子绕组的配置中，在被间隔60°的三个霍尔效应传感器的端子处采集的取决于转子的给定半径的角度位置θ的位置信号a1、a2、a3。

在该图中，在垂直于所述传感器的磁场的分量的取向的变化期间，在传感器的端子处的时隙位置信号引起转变。

然而，根据上述原理，由霍尔效应探针提供的测量可能遭受不确定性。该测量不确定性尤其取决于电机的尺寸和电机的运行速度。测量不确定性能够达到几个度，例如高达5度。

然而，当转子位于霍尔效应传感器的极性反转位置附近时，与该不确定性范围相比，由传感器所感知的磁场的绝对值接近于零。

因此，在极端测量误差的情况下，当转子没有通过极性反转位置时，传感器能够检测极性的变化，或者相反。

此外，转子位置的确定可能是错误的，从而导致绕组的非最佳电流控制(这可能引起转矩振荡，即所提供的马达转矩的实际值与额定值之间的存在不可忽略的变化)。

由霍尔效应探针的实际使用造成的另一个问题是在调整探针时可能的误差。举例来说，如果探针两两应该具有60°的角度间隔，则一个探针可以偏移并且与相邻探针具有不同于60°的间隔。

然而，由霍尔效应传感器提供的磁极性的测量对传感器的倾斜和位置非常敏感。

因此，转子位置的确定是错误的。即使假设在传感器处的磁极性的测量不会受到不确定性的影响的情况下，也可能发生马达转矩振荡。

用于改进霍尔效应探针的调整的已知解决方案包括在定子中产生探针容纳部，并将每个探针粘合到容纳部中。然而，该解决方案并不完全令人满意，因为如果在外壳中存在间隙，则探针可能会偏移。此外，该解决方案没有解决上述测量不确定性的问题。转子的角度位置的检测仍然不够精确。

对于许多实际应用来说，所观察到的马达转矩振荡水平仍然是不可接受的。

发明内容

需要一种电动马达，对于该电动马达，由磁性转子位置传感器提供的信息是可靠的，从而不会产生马达转矩振荡。

特别需要一种适用于同步马达的解决方案，该同步马达具有用于检测转子位置的霍尔效应传感器。

优选地，所寻求的解决方案必须具有小的质量和体积，从而允许该解决方案在许多技术环境中使用，特别是在航空领域中使用。

为了满足上述需要，本发明涉及一种根据权利要求1所述的电机。

本发明的电机具有多个优点。

在定子处添加的部件在磁性传感器的检测表面附近产生磁场的法向分量的放大区域，特别是产生磁场的法向分量的梯度的放大区域。因此，对于转子的相同角度位移，该场的所述法向分量的变化更大。因此，由传感器提供的测量的不确定性对极性反转位置的检测具有较小的影响。

因此，在不改变磁性传感器的情况下，提高了转子的极性反转位置的检测精度。

此外，磁场放大部件的添加不需要深入地修改电机的结构。场放大部件例如能够简单地插在磁性传感器和定子之间。

因此，可以获得一种用于改进电机的电磁性能的简单解决方案，而不会而不会使系统严重拥塞或使系统不堪重负。

此外，连续的(d'un seul tenant)磁场放大金属部件确保了两个磁性传感器之间的角度间隔是一致的。可以调整单个放大部件的位置，而不是调整多个被间隔开的传感器的位置。此外，被减小的第三径向厚度区域的存在允许避免在部件的第一区域和第二区域处具有磁场饱和，第一区域和第二区域位于磁性传感器附近。

本发明的电机能够具有以下非限制性的附加特征，这些特征能够单独使用或以任何一种技术上可能的组合使用：-电机包括第一磁性传感器和第二磁性传感器，第一磁性传感器和第二磁性传感器位于与电机的转子的旋转轴线正交的同一截面中，所述部件是连续的，并且包括在电机的第一角扇区中延伸的第一放大区域和在电机的第二角扇区中延伸的第二放大区域，第一传感器位于第一角扇区中，第二传感器位于第二角扇区中。

该变体的一个优点是，对传感器测量的不确定性和对传感器之一的调整误差的概率的影响都是有限的。连续的磁场放大部件起到针对多个传感器放大磁场的作用。因此，这确保了两个传感器之间的角度间隔是一致的。可以完成单个放大部件的调整，而不是完成多个被间隔开的传感器的调整。通过这种变体，进一步地减小了转子的角度位置的检测误差；

-在最后的变体中，部件的第三区域从第一区域延伸到第二区域，第三区域在正交截面中的最大径向厚度小于第一区域的最小径向厚度和第二区域在正交截面中的最小厚度。

该附加特征的一个优点是，避免具有使部件的第一区域和第二区域饱和的磁场；

-第一放大区域延伸所在的第一角扇区具有介于10°到30°之间、优选20°的角度幅度；

-部件具有环形件的形状或环形件扇区的形状；

-电机包括多个磁性传感器，每个磁性传感器分布在场放大区域附近，并且位于沿着电机的周界有规律地间隔开的角度位置处；

-电机包括六个磁性传感器，这六个磁性传感器以60°两两隔开；

-磁性传感器被插在部件和转子之间，并且磁性传感器被固定地安装在部件上；

-磁性传感器包括霍尔效应探针；

-转子的磁性元件包括永磁体或电磁体；-电机还包括用于控制在绕组中循环的电流的装置，控制装置被配置为根据由磁性传感器传输的极性变化信号来控制绕组之一内的电流的频率；

-在最后的变体中，电机包括三个绕组，三个绕组被配置为使用三相电源运行，控制装置被配置为经由绕组产生梯形类型的电动势，以便产生转子相对于定子的旋转。

附图说明

通过下面的纯粹是说明性的而不是限制性的并且伴随上文已经描述过的图1以及其他附图进行的描述，本发明的其他特征、目的和优点将被揭露，在其他附图中：

图2是现有技术中的同步电机的透视图，该同步电机包括具有三个绕组的定子和永磁体转子；

图3是根据本发明的第一实施例的同步电机的关于垂直于电机的旋转轴线的截面的局部剖面示意图；

图4示意性地示出了霍尔效应传感器；

图5是在没有配备磁场放大部件的电机中，转子和定子之间的界面处的磁场图；

图6是在具有磁场放大部件的电机中，转子和定子之间的界面处的另一磁场图；

图7是根据本发明的第二实施例的同步电机的关于垂直于电机的旋转轴线的截面的局部剖面示意图。

具体实施方式

在以下描述和附图中，相似的元件使用相同的附图标记关联。

所谓“磁性元件”是指负责在马达运行期间通过与定子的磁场相互作用使转子旋转的元件；特别地，磁性元件可以是供应有直流电流的电磁体或永磁体。

此外，在下面的所有内容中，描述了在同步电机在马达运行中的情况下，本发明的实施方式的具体示例，其中转子的旋转速度取决于施加到绕组的电流的频率。这里，定子延伸到转子外部。

无论如何，本发明对于另一种同步电机结构，对于作为发电机运行的同步电机，或者对于必须测量磁性元件的角度位置的任何其他类型的电机进行应用具有相同的优点。

图2中示出了根据一个实施例的同步电机1，该同步电机能够用于飞行器发动机。

电机1包括转子2和定子3，转子具有永磁体，定子是围绕转子延伸的空心圆柱体形状。

转子2包括磁性元件，这里，磁性元件是四个两两间隔90°的永磁体4，其中两个面对的磁体具有“北”极性，两个面对的磁体具有“南”极性。作为替代，能够提供不同数量的磁性元件。转子2围绕转子的沿着轴线A的轴8具有一个旋转自由度。

面对转子的磁体4，定子3在内表面上具有定子绕组5。由于绕组的磁场和转子的磁性元件的磁场之间的相互作用，绕组5能够被供应有电流并驱动转子相对于定子旋转。这里，电机1包括三个绕组5，三个绕组围绕轴线A两两间隔120°。每个绕组围绕定子的磁极缠绕，并且通过面向转子的表面50而受到朝向内部的限制。

在马达运行中，对定子绕组的供电产生与转子磁体的磁场相互作用的磁通量，并导致转子旋转。供应给绕组的电流的频率决定转子的轴8的旋转速度。

在发电机运行中，外部机械转矩被施加到转子上。磁通量在绕组内变化，并且在绕组中感应出能够恢复(récupéré)的电流。

在下面的示例中，假设马达是运行的。

电机1具有三个绕组5，三个绕组由电源控制装置(图中未示出)供应有三相电流。

给定绕组处的电动势取决于其端子处的电压。寻求在轴8处的与预定设置相对应的机械转矩，例如恒定转矩。为此，在每个绕组的端子处的电流的取向以与转子的旋转同步的方式被换向。

对于给定的绕组，当转子超过预定的角度位置时，已知绕组内的磁场已经被改变(例如，如果“北”磁体和“南”磁体之间的界面已经通过绕组的轴线的前面)，并且有必要对在所述绕组的端子处的电流的取向进行换向。

因此，有必要向电源控制装置提供关于转子位置的非常精确的信息。

实际上，如果提供给电源控制装置的位置信息不精确，则绕组的电压将在错误的时间被换向。定子和转子不再同步，并且产生马达转矩振荡。

为了完成转子的位置测量，可以在相对于转子的表面50的轴向偏移的平面上放置磁性转子位置传感器(图2中未示出)。所述轴向偏移沿着电动马达的轴线A延伸。

通常地，转子2在超过绕组5的轴向延伸部分上延伸(该延伸部分在图1中未示出)。磁性转子位置传感器被定位成面向所述轴向伸长部分，并且相对于表面50轴向地间隔开。

在一个优选实施例中，磁性转子位置传感器是霍尔效应传感器。

根据垂直于传感器的磁场分量的取向，传感器端子处的电势差是正的或是负的。所谓“法向分量”是指由传感器检测到的总磁场在传感器的与传感器垫板正交的一个轴线上的投影。传感器垫板形成用于检测磁场的法向分量的表面。因此，传感器能够检测转子的位置的变化，该变化导致法向分量的取向的变化。

作为替代，能够使用其他类型的磁性传感器，例如电感传感器。

电源控制装置控制转子沿其周期的位移。电源控制装置能够被配置为在定子绕组处产生梯形类型的电动势。

图3中示意性地示出了根据本发明的一个实施例的同步电机的一半，其以沿着与转子2的轴线A正交的截面剖开的剖面示出。转子2包括磁性元件，这里，磁性元件是在非磁化区域40的外围的四个永磁体4。

截面穿过三个霍尔效应传感器6a、6b和6c，这些霍尔效应传感器被放置在面向转子的相应表面60上。

图4示出了霍尔效应传感器6b。霍尔效应传感器包括在其端子处施加电压Ex的垫板61。垫板61形成用于检测施加在传感器上的磁场的法向分量的表面。

当传感器6b受到具有垂直于检测表面的分量的磁场(图中为附图标记B)时，在传感器的端子处出现电势差Ey。电势差Ey的符号对应于场的法向分量相对于检测表面的方向。

回到图3，每个霍尔效应传感器必须被定向成使得垂直于传感器的端子的分量的方向的变化对应于转子的北磁体(图中为附图标记N)和转子的南磁体(附图标记S)之间的界面的通道。

传感器6a和6b之间的角度间隔i2为60°。同样，传感器6b和6c之间的角度间隔为60°。

在图3中，转子位于如下角度位置处，在该角度位置，传感器6a和传感器6c不能感知到场的法向分量的取向变化。

另一方面，传感器6b上的磁场的法向分量为零。因此，在图3所示的情况下，传感器6b必须感知场的法向分量的取向的反转。

然而，霍尔效应传感器6b的测量受到不确定性的影响。因此，相对于图3所示的位置，传感器6b很可能在转子位置向右或向左的略微偏移处感知到极性的变化。

根据本发明，电机包括部件7，该部件与定子3成一体。部件7包括区域7b，区域7b被配置为放大磁性传感器6b处的磁场的法向分量，特别是放大磁场的法向分量的梯度。

在一个优选地方式中，部件7面向转子2的轴向延伸部，所述延伸部延伸超过定子3的绕组。因此，部件7与定子3的绕组被轴向地间隔开，所述轴向间隔被理解为相对于马达的轴线。

区域7b通常是例如铁的金属圆柱体的扇区。这里，区域7b具有厚度eb。厚度eb例如为几毫米，优选地，在1毫米到20毫米之间，更优选地，在5毫米到10毫米之间。区域7b位于表面60的后面与定子成一体，表面承载有传感器6b。

因此，对于转子的相同位置，由传感器6b感知的场的法向分量的绝对值增加。

因此，传感器6b的不确定性范围对极性变化的检测的影响较小。

举例来说，如果传感器6b的不确定范围是0.05特斯拉，则当场的法向分量在取向上不改变并且在-0.05特斯拉到0.05特斯拉之间时，传感器6b能够检测到场的法向分量的取向改变。

在区域7b存在的情况下，磁场的法向分量被放大。因此，相同的转子角度位移引起在传感器处的法向分量的较大的变化。因此，极性变化的相同不确定性(从-0.05特斯拉到0.05特斯拉)给出了转子位置的小范围不确定性(例如从-0.1°至0.1°)。

因此，由部件7的区域7b对场的放大提高了绕组中电流的换向的同步性。转子的感应旋转运动被更好的控制。

应当注意的是，由于该解决方案，霍尔效应传感器的测量精度被提高，并且不需要修改传感器或用于控制定子绕组中的电流的电子设备。

非必须但是有利地，部件7包括对应于两个传感器6a和6b的两个场放大区域7a和7b。部件的一个区域7c从区域7a延伸到区域7b。部件7在区域7a和7b之间是连续的。

具有与两个不同的霍尔效应传感器相对应的两个放大区域以及部件7内的在两个区域之间的连接的事实有助于传感器位置的调整。相对于转子调整单个元件(部件7)的角度位置，而不是分别调整两个传感器的位置。

因此，部件7的这种配置允许确保两个传感器之间的更好的取向和正确的角度间隔(这里为60°)。由霍尔效应传感器提供的关于转子的位置信息的精度被进一步提高。

应当理解的是，如图3所示，更有利地，在同一部件7上具有与三个传感器相对应的用于放大磁场的三个区域。因此确保了三个传感器之间的正确的角度间隔。

在该示例中，部件7具有环形件扇区的形状并且覆盖三个磁性传感器6a、6b和6c。部件7的角度幅度i3大于120°，这里大约为140°。

但是替代地，部件7能够对应于单个霍尔效应传感器，例如通过限于区域7b。

优选地，沿着图3的截面，区域7c的最大径向厚度ec小于区域7a的最小径向厚度ea和区域7b的最小径向厚度eb。

优选地，厚度ec小于厚度7a和厚度7b的50％(例如介于20％到40％之间)。

例如，厚度ec介于1毫米到3毫米之间。

与几乎不饱和的区域7a和7b相比，“较薄”区域7c更容易饱和。

区域7c引导(canalise)由磁体4产生的磁场。因此，在区域7c中磁场更强。

该配置的一个优点是，降低了位于传感器后面的区域(这里是区域7a和7b)饱和的风险。这些区域的饱和能够干扰转子的磁场和定子的磁场之间的相互作用，并且干扰转子的角度运动。

在图3的示例中，角扇区i1(高厚度区域7a在角扇区i1上延伸)具有介于10°到30°之间的幅度，优选地，具有20°的幅度。同样，区域7b具有接近20°的角度幅度。剩余的角扇区(大约40°)被小厚度的区域7c占据。

为了说明由部件7对磁场的放大，以及饱和的现象，图5示出了当转子处于图3所示的角度位置时，没有部件7在传感器6b附近的磁场图。图6示出了添加了部件7在传感器6b附近的磁场图。

在这两个图中，北磁体在右下方，南磁体在左下方。因此，气隙中的磁场B的方向从右到左。在两个图中示出了霍尔效应传感器的支承面的区域60。

应当注意的是，磁场在图6中的区域60处竖直变形。部件7的存在，特别是放大区域7a的存在，使磁场线向上变形。

由于用于磁场的法向分量(特别是磁场的法向分量的梯度)的放大的区域，磁场线的方向的变化(即磁场的极性的反转)更集中在霍尔效应传感器的中心处。相对于没有放大部件的图5的配置，图6中的区域60中的磁场的法向分量的梯度增加。

图7以沿着与转子的轴线A正交的截面剖开的剖面示出了根据替代实施例的同步电机。

这里，电机包括六个霍尔相应传感器6，这六个霍尔效应传感器分布在转子的整个外围上。传感器6以60°两两隔开并且覆盖转子的整个角度位移范围。

在该实施例中，如前面对关于图3的部件7的描述，与定子成一体的环形件7’实现了磁场的局部放大。

环形件7’呈例如铁的金属圆柱体的扇区的形式。正如图3的电机，每个磁性传感器6与环形件7’的高径向厚度区域相关联。两个高厚度连续区域由小厚度区域连接。

环形件7’允许减小在每个磁性传感器6处对磁场的法向分量的取向变化的测量的不确定性。环形件7’的形状允许更好地调整传感器6的位置，并且进一步提高转子的角度位置的检测精度。

该实施例是有利地，因为转子的位置的检测在转子的整个角度位移范围上得到提高。

Claims (8)

1.一种电机，所述电机包括转子和定子，所述转子相对于所述定子围绕旋转轴线旋转运动，并且所述转子包括多个永磁体或多个电磁体，所述定子包括与所述定子成一体的多个绕组，并且所述多个绕组能够由电流供电以驱动所述转子相对于所述定子旋转，

所述定子包括第一磁性传感器和第二磁性传感器，所述第一磁性传感器和所述第二磁性传感器各自包括相应的检测表面，所述第一磁性传感器和所述第二磁性传感器位于与所述旋转轴线正交的同一截面上，所述电机包括第一角扇区和第二角扇区，所述第一磁性传感器沿所述第一角扇区定位，所述第二磁性传感器沿所述第二角扇区定位，

所述第一磁性传感器和所述第二磁性传感器被配置为检测由所述永磁体或所述电磁体产生的磁场的法向分量的方向变化，所述法向分量与所述检测表面正交，

所述电机进一步包括与所述定子成一体的金属部件，所述金属部件包括：

-第一放大区域，所述第一放大区域在所述第一角扇区中延伸，

-第二放大区域，所述第二放大区域在所述第二角扇区中延伸，

-第三区域，所述第三区域从所述第一放大区域延伸到所述第二放大区域，其中，所述第三区域在所述截面中的最大径向厚度小于所述第一放大区域的最小径向厚度以及小于所述第二放大区域在所述截面中的最小厚度。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述第一放大区域延伸所在的所述第一角扇区具有介于10°到30°之间的角度幅度。

3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述金属部件具有环形件的形状或环形件扇区的形状。

4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电机包括多个磁性传感器，每个磁性传感器分布在场放大区域附近，并且位于沿着所述电机的整个周界有规律地间隔开的角度位置处。

5.根据权利要求4所述的电机，其中，所述电机包括六个磁性传感器，所述六个磁性传感器以60°两两隔开。

6.根据权利要求1所述的电机，其中，至少一个磁性传感器包括霍尔效应探针。

7.根据权利要求1所述的电机，其中，所述金属部件被配置为在所述检测表面之一处放大由所述永磁体或由所述电磁体产生的磁场的分量的梯度，所述磁场的分量正交于所述检测表面。

8.根据权利要求2所述的电机，其中，所述第一放大区域延伸所在的所述第一角扇区具有等于20°的角度幅度。