CN114089231A - 一种磁传感器模组、印制永磁同步电机及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁传感器模组、印制永磁同步电机及其应用方法，本发明的磁传感器模组包括模组载体和分别布置在模组载体上的磁传感单元以及两个加法器电路，磁传感单元包括与永磁同步电机极对数相同的多个磁传感器对，磁传感器对在数量、空间上成对偶关系，每一个磁传感器对均包含两类磁传感器且两者漏磁信号相位相差90°，各个磁传感器对的同一类磁传感器的输出端分别与同一个加法器电路的输入端相连。本发明可使得电机有更多的动力传输空间，不会给电机带来额外的负载，可直接集成于印制同步电机的外壳外部或定子上；同时输出信号为模拟信号、绝对式编码，可直接确定初始转子位置角以及高精度编码的转子位置。

Description

一种磁传感器模组、印制永磁同步电机及其应用方法
技术领域
本发明涉及盘式永磁电机伺服驱动与盘式永磁电机发电并网技术，具体涉及一种磁传感器模组、印制永磁同步电机及其应用方法。
背景技术
能源是社会发展的基础，当前社会正处于前所未有的高速发展潮流中，与此同时对能源的消耗也是史无前例的迅速。伴随着化石能源的大量使用，人类的可持续发展受到了挑战。一方面是因为化石能源是不可再生能源，另一方面是因为其已经引起了全球变暖等重要环境问题。可再生的新型能源取代化石能源是必须要走的可持续发展道路。如今我国有着世界上最完整的电力传输体系，我国的能源结构已经逐渐转变成以电能为核心的优化结构，电力已经成为了我国工业的血液。
电机是机械能与电能的媒介，是电力能源系统的重要接口，是当代工业的心脏。永磁同步电机结构简单，能量密度高，可靠性高，效率高，同时我国拥有着丰富的稀土资源，有着发展永磁同步电机的固有优势，因此我国研究人员在永磁同步电机领域进行大量的探索。永磁同步电机探索的两个方向主要可以分为两类，一类是永磁同步电机的本体设计，另一类则是永磁同步电机的控制。
在我国，60％的电能由电机所消耗，因此提高电机效率，降低电机损耗，对我国能源的使用和经济的发展有着重大意义。相较于其他种类电机，永磁同步电机的效率更高，而永磁同步电机的损耗来源主要有铜耗和铁耗，常规永磁同步电机的电机转子铁芯磁场由固定的永磁体提供，磁场稳定不变，铁耗主要来自于定子铁芯。径向磁通永磁同步电机，其磁路在外圆周，磁路较长，去铁芯化难以实现。
于是研究人员逐渐将目光转向轴向磁通永磁同步电机和直线永磁同步电机，从时间线来说，这两者并不晚于径向磁通永磁同步电机，事实上世界上第一台电机即为轴向磁通电机，但受限于加工工艺，径向磁通电机响应了时代的号召。现如今加工工艺水平的提高解放轴向磁通电机与直线电机的发展，使得其特有的性能能够得以应用。轴向磁通电机定子磁路在同一平面，且磁路长度短，去铁芯来降低定子铁芯损耗行之有效。
而定子铁芯除了提供定子侧磁路外，还有对传统绕线绕组定型支撑的作用，去除铁芯后绕组的固定使得电机制作工艺相对复杂。于是研究人员将现有成熟的印制电路板技术引入，使得定子无铁芯轴向磁通永磁同步电机的定子制作有了新的方向。
印制永磁同步电机定子由PCB构成，其定子绕组为印制绕组，故称为印制永磁同步电机。其他文献也叫PCB定子无铁芯轴向磁通永磁同步电机，或PCB定子无铁芯盘式永磁同步电机，或PCB定子盘式永磁同步电机。印制永磁同步电机作为轴向磁通电机一般有三种类型的结构：(1)单边结构：单转子单定子对等结构；(2)双边结构：外双转子中间定子结构或者外双定子中间转子结构；(3)多级结构：有多个定子和转子规律排列。
永磁体在定子侧的永磁同步电机虽然也有其盘式结构，但其都是依赖双凸极结构，故不能去铁芯化；永磁体在定子侧的几类永磁同步电机的转子存在磁通的变化，去铁芯降低电机损耗没有太大的实际价值，所以定子无铁芯轴向磁通永磁同步电机的永磁体都在转子侧。同时因为定子无铁芯轴向磁通永磁同步电机的磁路基本上都是由磁阻极大的空气构成，转子侧的背铁的作用更倾向于给永磁体提供机械支撑，所以一般情况下都采用表贴式转子以获得较高的气隙磁密，并且不采用内埋式的转子结构。
印制永磁同步电机的数学模型与径向永磁同步电机基本一致，故径向磁通永磁同步电机中已有的矢量控制、直接转矩控制、无传感器控制、自适应控制等都能够应用在印制永磁同步电机中，根据矢量控制的解耦原理，转子位置信息与三相电流信息是矢量控制的关键。而通过对印制永磁同步电机转子漏磁进行详细分析过后，发现印制永磁同步电机漏磁是普遍存在的，并携带有完整的转子位置信息，故在此利用印制永磁同步电机转子漏磁进行转子位置检测。基于转子漏磁进行转子位置的获取，可省去外接的编码器结构，精简系统；同时与电机结构直接相关，可直接集成与电机内部，进行一体化设计。将传感器集成于电机内部，可使电机整体体积减小，进而适用范围更广；此外电机一般采用封闭式封装，传感器内置可避免外界干扰，使整个系统稳定得到提高。现有集成在电机内部的转子位置传感器为霍尔传感器，但由于现有的霍尔传感器的灵敏度，抗干扰能力以及线性度较差，只能采用开关离散的工作方式，并需要放置在气隙中间磁场较强位置，这样的处理方式会破坏气隙磁密的分布，同时会增加气隙长度，降低电机的功率密度。
近年来，研究人员对无位置传感器检测技术进行了大量的研究。该技术对电机本体要求高，在低速和零速条件下难以对电机进行控制，普适性不佳，且控制算法复杂，无法保证转子位置估测的准确性。因为永磁同步电机的高功率密度，高效率，广泛应用于高性能伺服工况中，伺服的精度与转子位置的精度直接相关，无位置传感器控制方法完全不能考虑，必须依赖高精度，高性能转子位置编码器。
不管时轴向漏磁，还是径向漏磁，对电机设计而言，都是对电磁性能的一种浪费，故电机漏磁都十分微弱。Printed PMSM的特殊结构，轴向漏磁普遍存在，但同样十分微弱，一般在mT级别以下。得益于当前磁测量仪器的发展，已经能够生产出体积小，分辨率高，灵敏度高的磁传感器，以TI公司生产的DRV425磁通门磁传感器为例，该传感器高为1mm，长4mm，宽4mm，测量范围为±2mT，能够满足印制永磁同步电机漏磁的测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种磁传感器模组、印制永磁同步电机及其应用方法，本发明针对印制永磁同步电机的结构特点，可使得电机有更多的动力传输空间，不会给电机带来额外的负载，可直接集成于印制同步电机的外壳外部或定子上；同时该方法输出信号为模拟信号，绝对式编码，可直接确定初始转子位置角，以及高精度编码的转子位置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种永磁同步电机用磁传感器模组，包括模组载体和分别布置在模组载体上的磁传感单元以及两个加法器电路，所述磁传感单元包括与永磁同步电机极对数相同的多个磁传感器对，且磁传感器对在数量、空间上成对偶关系，相邻磁传感器对之间电气相位差360°、机械角度相差360°/极对数，每一个磁传感器对均包含两类磁传感器，且两类磁传感器的漏磁信号相位相差90°，使得每一个磁传感器对的两类磁传感器之间电气角度相差90°、机械角度相差90°/极对数，各个磁传感器对的同一类磁传感器的输出端分别与同一个加法器电路的输入端相连。
可选地，所述磁传感器为磁通门磁传感器或霍尔磁传感器。
可选地，所述模组载体为圆环状。
可选地，所述模组载体为PCB电路板。
可选地，所述PCB电路板内径大于永磁同步电机的转子的外径，外径等于永磁同步电机的定子的外径。
可选地，所述加法器电路包括相互连接的线与求和电路和运算放大电路，各个磁传感器对的同一类磁传感器的输出端分别与同一个加法器电路的线与求和电路的输入端相连。
可选地，所述电路和运算放大电路的输出端还设有分压电路、RC滤波电路和保护电路中的一种或多种。
此外，本发明还提供一种印制永磁同步电机，包括带有转子、定子、电机轴、轴承和机壳的印制永磁同步电机本体，所述转子安装固定在电机轴上，所述电机轴通过轴承安装在机壳上使得转子和电机轴构成的整体能够且只能够自由旋转运动，所述定子嵌设安装在机壳中且与转子之间设有气隙，所述定子为绘制有三相印制绕组的多层结构的圆形印制电路，使得定子在与转子发生相对旋转运动时生成三相高度对称的三相交流电、在通入三相电流时与转子产生相对旋转运动，所述机壳或定子上安装有前述的永磁同步电机用磁传感器模组。
可选地，所述转子包括成圆环状的转子铁芯，所述转子铁芯上呈环状均匀布置的多个永磁体，所述多个永磁体任意相邻的多个永磁体之间的极性不同，所述电机轴上设有两个转子，且两个转子相对定子对称布置且参数一致。
此外，本发明还提供一种前述的永磁同步电机用磁传感器模组的应用方法，包括：在印制永磁同步电机匀速旋转时，获取各个磁传感器对中两类磁传感器输出的相位相差90°的正弦信号，针对两类相位相差90°的正弦信号，通过反正切解算出准确的转子位置信息。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明通过基于印制永磁同步电机的漏磁，设计了磁传感器电路分别检测电角度相差90°的正余弦漏磁信号，设计与电机极对数相匹配的磁传感器阵列，并通过加法器电路进行信号平衡，可有效去除印制永磁同步电机转子平面不平衡，转子偏心，永磁体剩磁差异等机械结构带来的不同极漏磁强度差异。
2、采用本发明可使得电机进行两端动力输出，不会给电机带来额外的负载，可直接集成于印制同步电机印制绕组中。
3、本发明方法输出信号为模拟信号，绝对式编码，可直接确定初始转子位置角，以及高精度编码的转子位置。
附图说明
图1为本发明实施例中磁传感器模组的结构示意图。
图2为本发明实施例中磁传感器模组与转子的装配结构示意图。
图3为本发明实施例中印制永磁同步电机的外部结构示意图。
图4为本发明实施例中印制永磁同步电机的内部结构示意图。
图5为本发明实施例中磁传感器对的两类磁传感器及其外围电路原理图。
图6为本发明实施例中两个加法器电路及其外围电路原理图。
图7为本发明实施例中反正切解算出准确的转子位置信息的原理图。
图例说明：1、模组载体；2、磁传感单元；21、磁传感器对；3、加法器电路；4、印制永磁同步电机本体；41、转子；411、转子铁芯；412、永磁体；42、定子；43、电机轴；44、轴承；45、机壳。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例提供一种永磁同步电机用磁传感器模组，包括模组载体1和分别布置在模组载体1上的磁传感单元2以及两个加法器电路3，磁传感单元2包括与永磁同步电机极对数相同的多个磁传感器对21，且磁传感器对21在数量、空间上成对偶关系，相邻磁传感器对21之间电气相位差360°、机械角度相差360°/极对数，每一个磁传感器对21均包含两类磁传感器，且两类磁传感器的漏磁信号相位相差90°，使得每一个磁传感器对21的两类磁传感器之间电气角度相差90°、机械角度相差90°/极对数，各个磁传感器对21的同一类磁传感器的输出端分别与同一个加法器电路3的输入端相连。本实施例的永磁同步电机用磁传感器模组可根据需要通过螺丝钉固定在永磁同步电机机壳上或叠加在定子上。当叠加在定子42时，磁传感单元2与加法器电路3可集成放置于定子42边缘非绕组区域。
本实例极对数为4，每对极所对应的两个磁传感单元2机械角度相差22.5°，每对极对应的一对磁传感单元2与相邻极对应的一对磁传感单元2机械角度相差90°。
本实施例中，磁传感器为磁通门磁传感器或霍尔磁传感器，此外也可以采用TMR磁传感器或其他磁传感器，其具体形式包括但不限于集成电路芯片、绕制磁通门传感器探头，PCB板载模组等。本实施例中，磁传感器对21的两类磁传感器及其外围电路原理图如图6所示，两类磁传感器均采用TI公司生产的DRV425磁通门传感器芯片，厚度为1mm，长4mm，宽4mm，输出信号为模拟电压信号。
如图1和图2所示，本实施例的模组载体1为圆环状。本实施例中，模组载体1为PCB电路板。PCB电路板导磁率很小，导电率很小，对漏磁场吸收能力很小或不吸收漏磁场的硬性或柔性材料，其能够使得磁传感单元2能够检测到转子漏磁。
本实施例中，PCB电路板内径大于永磁同步电机的转子的外径，外径等于永磁同步电机的定子的外径，可确保转子漏磁检测的效果，提高转子定位的准确性。本实施例中，PCB电路板内径直径为105mm，外径等于定子42外径直径150mm，与电机轴43同心固定于机壳45上。
磁传感单元2除了前述磁传感器对21以外，相应的，还包括能够使其正常工作的外围电路，外围电路包括但不限于：电源滤波电容、电感、电阻，信号耦合电容、电感、电阻等。
模组载体1上除了磁传感单元2以及两个加法器电路3以外，还应当有相关对应调用接口，调用接口的实现包括但不限于：采用直接电气连接段子，电气导线，有线通信芯片，有线通信模组，无线通信芯片，无线通信模组等。本实施例中采用直接电气连接端子。
加法器电路3用于将同一类磁传感器的输出端输出的信号相加，且作为一种可选的实施方式，本实施例中加法器电路3还可对信号进行一定倍数的放大以提高信号强度，其实现形式包括但不限于：采用运算放大器构建，采用分立元器件构建，数字电路构建等，其中分立元器件包括但不限于三极管、场效应管等半导体器件；数字电路包括但不限于微控制器，现场可编程逻辑门阵列，以及相应逻辑计算芯片等。由于每一个磁传感器对21均包含两类磁传感器，因此本实施例一共需要两个加法器电路3。本实施例中，加法器电路3包括相互连接的线与求和电路和运算放大电路，各个磁传感器对21的同一类磁传感器的输出端分别与同一个加法器电路3的线与求和电路的输入端相连，通过两个加法器电路3输出相位相差90°的正弦信号后，通过反正切可解算出转子位置信息。
加法器电路3除了上述基本电路以外，还可有其他功能元器件及模组。例如电路和运算放大电路的输出端还可以根据需要设有分压电路、RC滤波电路和保护电路中的一种或多种。此外，加法器电路3还可包括其能够使其正常工作的外围电路，外围电路包括但不限于：电源滤波电容、电感、电阻，信号耦合电容、电感、电阻等。
此外，在加法器电路3的输出端，还可以根据需要可添加相应ADC(模数转换)模组，将模拟信号转换为数字信号输出，即加法器电路3可输出模拟信号或数字信号。本实施例中未添加ADC模组，直接输出模拟信号，在后续电路中利用TMS320F28335单片机进行模拟信号采样，并于TMS320F28335单片机中进行转子位置信息的解算。
图6为本实施例中两个加法器电路及其外围电路原理图。参见图6可知，来自磁传感单元2同一类磁传感器的输出信号A1-A4在上侧的加法器电路3中，通过电阻R7-R12后通过线与合并为一路信号，合并后的信号通过OPA4364运放芯片构成的放大电路进行放大，然后通过电阻R10和R11组成的电阻比例分压电路分压，然后再通过电阻R13和电容C4组成的一阶RC滤波电路滤波，最终通过二极管D1和D2构成的二极管钳位限幅保护电路进行限幅保护后输出。另一类磁传感器的输出信号B1-B4在下侧的加法器电路3的处理与上述过程相同，故在此不再赘述。
如图4所示，本实施例还提供一种印制永磁同步电机，包括带有转子41、定子42、电机轴43、轴承44和机壳45的印制永磁同步电机本体4，转子41通过采用法兰等结构进行机械固定安装固定在电机轴43上，电机轴43通过轴承44安装在机壳45上使得转子41和电机轴43构成的整体能够且只能够自由旋转运动，定子42嵌设安装在机壳45中且与转子41之间设有气隙，定子42为绘制有三相印制绕组的多层结构的圆形印制电路，使得定子42在与转子41发生相对旋转运动时生成三相高度对称的三相交流电、在通入三相电流时与转子41产生相对旋转运动，机壳45或定子42上安装有前述的永磁同步电机用磁传感器模组。前述的永磁同步电机用磁传感器模组的模组载体1可叠加在定子42上，不影响转子41旋转运动，不影响电机主磁通，也可与电机轴同心固定于机壳45上。机壳45或定子42上安装前述的永磁同步电机用磁传感器模组的方式，可采用机械固定或粘合固定等方式进行固定。
其中，永磁同步电机用磁传感器模组的磁传感单元2所检测磁通方向为径向，磁通正方向都为传感器中心指向电机轴44轴心。印制永磁同步电机的尺寸远小于印制永磁同步电机尺寸，不对印制永磁同步电机工作电磁环境产生影响。
参见图2，转子41包括永磁体411与转子铁芯412，永磁体411包括S极永磁体与N极永磁体，形状可为圆形，扇形，条形等，可生成正弦或类正弦气隙磁密，转子铁芯412为硅钢等导磁材料圆环。本实施例中，永磁体411厚度为3mm，直径为25mm。转子铁芯412为硅钢等导磁材料圆环，厚度为2mm，内径直径为12mm，外径直径为100mm。
本实施例中，定子42为圆形印制电路，为多层结构，绘制有三相印制绕组，在与转子41发生相对旋转运动时，能够生成三相高度对称的三相交流电，同时该三相印制绕组通入三相电流时，可与转子41产生相对旋转运动。本实施例中，定子42外径为150mm。
如图2、图3和图4所示，本实施例的转子41包括成圆环状的转子铁芯411，转子铁芯411上呈环状均匀布置的多个永磁体412，多个永磁体412任意相邻的多个永磁体412之间的极性不同，电机轴43上设有两个转子41，且两个转子41相对定子42对称布置且参数一致。
此外，本实施例还提供一种前述的永磁同步电机用磁传感器模组的应用方法，包括：在印制永磁同步电机匀速旋转时，获取各个磁传感器对21中两类磁传感器输出的相位相差90°的正弦信号，如图7所示，两路正弦信号相除则可得到转子位置角的正切信号，转子位置角的正切信号为转子位置角的单调函数，针对两类相位相差90°的正弦信号，通过反正切解算出准确的转子位置信息。
需要说明的是，本实施例的永磁同步电机用磁传感器模组不仅可以适用于印制永磁同步电机，还可安装于其他与印制永磁同步电机有相同转子结构的盘式永磁同步电机。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机用磁传感器模组，其特征在于，包括模组载体(1)和分别布置在模组载体(1)上的磁传感单元(2)以及两个加法器电路(3)，所述磁传感单元(2)包括与永磁同步电机极对数相同的多个磁传感器对(21)，且磁传感器对(21)在数量、空间上成对偶关系，相邻磁传感器对(21)之间电气相位差360°、机械角度相差360°/极对数，每一个磁传感器对(21)均包含两类磁传感器，且两类磁传感器的漏磁信号相位相差90°，使得每一个磁传感器对(21)的两类磁传感器之间电气角度相差90°、机械角度相差90°/极对数，各个磁传感器对(21)的同一类磁传感器的输出端分别与同一个加法器电路(3)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机用磁传感器模组，其特征在于，所述磁传感器为磁通门磁传感器或霍尔磁传感器。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机用磁传感器模组，其特征在于，所述模组载体(1)为圆环状。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机用磁传感器模组，其特征在于，所述模组载体(1)为PCB电路板。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机用磁传感器模组，其特征在于，所述PCB电路板内径大于永磁同步电机的转子的外径，外径等于永磁同步电机的定子的外径。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机用磁传感器模组，其特征在于，所述加法器电路(3)包括相互连接的线与求和电路和运算放大电路，各个磁传感器对(21)的同一类磁传感器的输出端分别与同一个加法器电路(3)的线与求和电路的输入端相连。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机用磁传感器模组，其特征在于，所述电路和运算放大电路的输出端还设有分压电路、滤波电路和保护电路中的一种或多种。
8.一种印制永磁同步电机，包括带有转子(41)、定子(42)、电机轴(43)、轴承(44)和机壳(45)的印制永磁同步电机本体(4)，所述转子(41)安装固定在电机轴(43)上，所述电机轴(43)通过轴承(44)安装在机壳(45)上使得转子(41)和电机轴(43)构成的整体能够且只能够自由旋转运动，所述定子(42)嵌设安装在机壳(45)中且与转子(41)之间设有气隙，所述定子(42)为绘制有三相印制绕组的多层结构的圆形印制电路，使得定子(42)在与转子(41)发生相对旋转运动时生成三相高度对称的三相交流电、在通入三相电流时与转子(41)产生相对旋转运动，其特征在于，所述机壳(45)或定子(42)上安装有权利要求1～7中任意一项所述的永磁同步电机用磁传感器模组。
9.根据权利要求8所述的印制永磁同步电机，其特征在于，所述转子(41)包括成圆环状的转子铁芯(411)，所述转子铁芯(411)上呈环状均匀布置的多个永磁体(412)，所述多个永磁体(412)任意相邻的多个永磁体(412)之间的极性不同，所述电机轴(43)上设有两个转子(41)，且两个转子(41)相对定子(42)对称布置且参数一致。
10.一种权利要求1～7中任意一项所述的永磁同步电机用磁传感器模组的应用方法，其特征在于，包括：在印制永磁同步电机匀速旋转时，获取各个磁传感器对(21)中两类磁传感器输出的相位相差90°的正弦信号，针对两类相位相差90°的正弦信号，通过反正切解算出准确的转子位置信息。
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