CN115967238A - 一种附带启动保护的直流无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流无刷电机技术领域，具体为一种附带启动保护的直流无刷电机，直流无刷电机包括机壳、主轴、输出轴、条件传动组件、转子、定子、驱动器、第一转速传感器，主轴和输出轴转动嵌合设置，主轴的端部以及输出轴的中间部位转动安装到机壳上，输出轴穿出机壳外连接负载，主轴与输出轴嵌合位置设置条件传动组件，条件传动组件在直流无刷电机启动过程中将让主轴和输出轴的传动关系由脱开传动提升至一比一传动，转子安装在主轴上，定子固定在机壳内壁上，驱动器安装到机壳侧壁上，驱动器连接外部供电并调配驱动信号传递到定子上，第一转速传感器检测主轴转速并传递给驱动器。

Description

一种附带启动保护的直流无刷电机

技术领域

本发明涉及直流无刷电机技术领域，具体为一种附带启动保护的直流无刷电机。

背景技术

直流无刷电机是同步电机的一种，其结构形式与永磁同步电机相似，直流无刷电机加入了驱动器来利用电子技术直接调配驱动信号到定子上，让转子接受特定的磁场而实现稳定转速。直流无刷电机因为其准确的转速控制以及没有电刷而提升的安全性而被越来越多的使用。民用一些电器上常常会需要用到带有转速控制的电机，例如医疗器械，家用电器，跑步机等等领域。

现有技术中，直流无刷电机的难点主要在于电机驱动信号的调节，尤其在电机启动时，主轴转速无法直接带动负载到需求转速上，而定子的驱动信号又需要与主轴转速相关，因此，需要在启动过程中不断根据传感器检测获得的主轴转速而变化驱动信号，这些信号处理会有误差，定子的驱动电流信号误差会导致电流的功率无法全部用作做功，瞬时的相位误差会变为反向作用而成为转动阻力，因此，电机启动时转矩常常是波动的，并且，低速时的定转子做功结构效率较低，会有较多热量产生影响定转子性能，在长期使用后，定转子发热时不可忽视的电机失效因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种附带启动保护的直流无刷电机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种附带启动保护的直流无刷电机，直流无刷电机包括机壳、主轴、输出轴、条件传动组件、转子、定子、驱动器、第一转速传感器，

主轴和输出轴转动嵌合设置，主轴的端部以及输出轴的中间部位转动安装到机壳上，输出轴穿出机壳外连接负载，主轴与输出轴嵌合位置设置条件传动组件，条件传动组件在直流无刷电机启动过程中将让主轴和输出轴的传动关系由脱开传动提升至一比一传动，

转子安装在主轴上，定子固定在机壳内壁上，驱动器安装到机壳侧壁上，驱动器连接外部供电并调配驱动信号传递到定子上，第一转速传感器检测主轴转速并传递给驱动器。

电机的轴系拆分成了主轴和输出轴，主轴接收定转子传递的电磁驱动力而进行旋转，输出轴连接外部负载，在启动起始阶段，负载轴转动起来需要较大的扭矩，该负载若直连定转子结构，会拖慢主轴启动速度，主轴缓慢启动会增加定子驱动电流的相序波形控制难度，因为直流电机的原理决定了定子上需要施加与主轴转速所匹配的驱动电流波形变化，所以，本申请将主轴与负载脱离开，主轴可以快速增加转速到预期转速上，定子内驱动信号的波形控制难度大大减小，不易出错，条件传动组件将主轴转速逐渐匹配到输出轴上，让输出轴的转速缓慢提升，直至与主轴同速，由此实现定子控制的简易化以及主轴启动时的速度保护，防止过多的无效功率消耗在启动环节，电机在低速状态下电磁做功效率较低，电能的消耗影响不大，但是定转子位置发热造成的性能不稳定是电机运行在低效区的最大不利因素。

进一步的，条件传动组件的传动条件为扭矩。即，当输出轴需要较大的扭矩才能带动旋转时，主轴和输出轴的传动是断续的，只有当输出轴转速提升上来后，只需要较小的扭矩即可维持输出轴的旋转时，主轴和输出轴才是一比一传动。扭矩限制传动条件可以采用若干中联轴器的形式，但不建议采用皮带式的防过载传动，因为摩擦热较多。

进一步的，条件传动组件包括基套、滚子、波纹簧片，基套固定到主轴上靠近输出轴端部，基套外缘上带有交替的凸起与凹陷，波纹簧片与输出轴一比一传动连接，波纹簧片围绕成一个圆环，波纹簧片与基套同心设置，滚子放置在基套与波纹簧片之间的夹层中，基套的外包络圆和波纹簧片的内包络圆之间的直径差小于滚子的直径，基套轴向两端设置限位片防止滚子轴向滑出基套。

基套与主轴一比一传动，波纹簧片与输出轴一比一传动，夹在基套和波纹簧片之间的滚子也绕主轴轴线进行公转，当主轴需要提升转速，而波纹簧片随输出轴一同处于低速时，需要较大的扭矩才能带动波纹簧片进行转动，此时，滚子只会被基套推动然后挤开波纹簧片的波浪凸起，基套随主轴可以快速提升转速，条件传动组件的扭矩限制即为滚子挤开波纹簧片的凸起所需要转化而成的扭矩，尽管滚子没有完全带动波纹簧片让其与基套同步旋转，但是，每次挤开过程仍然传递了一定的扭矩到波纹簧片上，能够让波纹簧片的转速进行提升。

进一步的，条件传动组件还包括滑套、磁体、弹簧，直流无刷电机还包括电磁铁，滑套为同心的阶梯筒形结构，滑套阶梯筒的小端轴向滑动地设置到输出轴的端部，滑套与输出轴一比一传动，输出轴端部设有径向凸起，滑套阶梯面与输出轴端部径向凸起之间设置弹簧，磁体设置到滑套远离输出轴的一端端部，磁体的磁极方向与主轴轴向相平行，电磁铁安装在机壳内壁上，电磁铁的通电励磁磁极正对磁体，滚子为圆柱状，滚子轴线与主轴平行，波纹簧片固定在滑套的内壁上。

电磁铁可以吸引滑套进行轴向的移动，在电机启动的初期，电磁铁对于磁体的吸力设置地较小，滑套被弹簧推动处于更加靠近输出轴的位置处，此时滚子与波纹簧片的轴向接触长度较短，条件传动组件的脱开扭矩上限较低，主轴不容易被波纹簧片拖拽而转速提升困难，当主轴已经提升至设定转速后，此时可以缓慢提高电磁铁对于磁体的吸引力，让滑套朝向主轴滑动，滑套处于更加靠近主轴的轴向位置后，滚子与波纹簧片的接触长度长，能够传递的扭矩上限提升，可以在输出轴转速提升的后半阶段增加输出轴增速加速度，防止电机整体的启动周期过长。

进一步的，直流无刷电机还包括第二转速传感器，第二转速传感器安装在机壳内壁上，第二转速传感器检测输出轴转速，第二转速传感器与驱动器电信号连接，第二转速传感器与电磁铁联锁：当输出轴转速提升时同步提高电磁铁对于磁体的吸引力。

让电磁铁的控制以输出轴的转速为依据，在输出轴转速提升的后期，提升电磁铁吸引力，让条件传动组件的扭矩传递上限提升。

进一步的，转子和定子各有两个，转子与定子构成两组磁极做功结构，两组磁极独立交替做功。

两组定转子结构交替做功，可以让每组定子的驱动信号的时钟周期增大一倍，相同的电机转速下，驱动器在波形信号频率控制难度下降，不易出现信号时机的微量相位差造成驱动力矩波动以及无效做功甚至反向做功。

进一步的，直流无刷电机还包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮固定到主轴上，第二齿轮旋转安装到机壳内壁上，第二齿轮与第一齿轮啮合，第一齿轮至第二齿轮的传动为降速传动，第一转速传感器检测第二齿轮转速。

主轴降速传动到第二齿轮上并被检测转速，驱动器以第一转速传感器反馈的较低的转速乘以传动比来确定主轴转速，以此调配定子的控制信号，较低的转速信号对于第一转速传感器的量程范围要求降低。

进一步的，第一齿轮与第二齿轮的传动比为一比二的降速传动。一比二降速后，第一转速传感器检测获得的转速信号的时钟周期与两个定转子组的单驱动信号时钟周期相一致，在信号处理方面不再需要调频处理，简化驱动器的速度信号处理过程。

进一步的，转子和定子为轴向面对面的盘式结构。

借鉴盘式电机的定转子轴向紧凑结构，将本电机的定转子轴向尺寸缩减，为条件传动组件及其他辅助件、驱动器等部件留出电机内的轴向空间。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明隔离主轴与外部负载，让主轴可以快速提升转速至需求转速上，驱动器对于定子的驱动信号控制不必在一个较长的时间内时刻随变化的主轴转速而进行调整，达到启动过程的主轴转速保护；两组定转子结构交替施加驱动力，每个定子上的控制信号频率下降一半，信号处理难度下降；条件传动组件可以设定扭矩传递上限，不让低速状态时的输出轴拖慢主轴，随着输出轴的转速提升，扭矩上限逐渐提升，可以缩短输出轴启动时的后半周期，减少因为需要保护主轴启动转速而造成的整机启动时间加长。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是图2中B-B处的放大图；

图4是图1中A处在另一种状态下的示意图；

图中：1-机壳、2-主轴、3-输出轴、4-条件传动组件、41-基套、42-滚子、43-滑套、44-波纹簧片、45-磁体、46-弹簧、51-转子、52-定子、6-驱动器、71-第一齿轮、72-第二齿轮、81-第一转速传感器、82-第二转速传感器、83-电磁铁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种附带启动保护的直流无刷电机，直流无刷电机包括机壳1、主轴2、输出轴3、条件传动组件4、转子51、定子52、驱动器6、第一转速传感器81，

主轴2和输出轴3转动嵌合设置，主轴2的端部以及输出轴3的中间部位转动安装到机壳1上，输出轴3穿出机壳1外连接负载，主轴2与输出轴3嵌合位置设置条件传动组件4，条件传动组件4在直流无刷电机启动过程中将让主轴2和输出轴3的传动关系由脱开传动提升至一比一传动，

转子51安装在主轴2上，定子52固定在机壳1内壁上，驱动器6安装到机壳1侧壁上，驱动器6连接外部供电并调配驱动信号传递到定子52上，第一转速传感器81检测主轴2转速并传递给驱动器6。

如图1所示，电机的轴系拆分成了主轴2和输出轴3，主轴2接收定转子传递的电磁驱动力而进行旋转，输出轴3连接外部负载，在启动起始阶段，负载轴转动起来需要较大的扭矩，该负载若直连定转子结构，会拖慢主轴2启动速度，主轴2缓慢启动会增加定子驱动电流的相序波形控制难度，因为直流电机的原理决定了定子上需要施加与主轴2转速所匹配的驱动电流波形变化，所以，本申请将主轴2与负载脱离开，主轴2可以快速增加转速到预期转速上，定子52内驱动信号的波形控制难度大大减小，不易出错，条件传动组件4将主轴2转速逐渐匹配到输出轴3上，让输出轴3的转速缓慢提升，直至与主轴2同速，由此实现定子控制的简易化以及主轴2启动时的速度保护，防止过多的无效功率消耗在启动环节，电机在低速状态下电磁做功效率较低，电能的消耗影响不大，但是定转子位置发热造成的性能不稳定是电机运行在低效区的最大不利因素。

条件传动组件4的传动条件为扭矩。即，当输出轴3需要较大的扭矩才能带动旋转时，主轴2和输出轴3的传动是断续的，只有当输出轴3转速提升上来后，只需要较小的扭矩即可维持输出轴3的旋转时，主轴2和输出轴3才是一比一传动。扭矩限制传动条件可以采用若干中联轴器的形式，但不建议采用皮带式的防过载传动，因为摩擦热较多。

条件传动组件4包括基套41、滚子42、波纹簧片44，基套41固定到主轴2上靠近输出轴3端部，基套41外缘上带有交替的凸起与凹陷，波纹簧片44与输出轴3一比一传动连接，波纹簧片44围绕成一个圆环，波纹簧片44与基套41同心设置，滚子42放置在基套41与波纹簧片44之间的夹层中，基套41的外包络圆和波纹簧片44的内包络圆之间的直径差小于滚子42的直径，基套41轴向两端设置限位片防止滚子42轴向滑出基套41。

如图2、3所示，基套41与主轴2一比一传动，波纹簧片44与输出轴3一比一传动，夹在基套41和波纹簧片44之间的滚子42也绕主轴2轴线进行公转，当主轴2需要提升转速，而波纹簧片44随输出轴3一同处于低速时，需要较大的扭矩才能带动波纹簧片44进行转动，此时，滚子42只会被基套41推动然后挤开波纹簧片44的波浪凸起，基套41随主轴2可以快速提升转速，条件传动组件4的扭矩限制即为滚子42挤开波纹簧片44的凸起所需要转化而成的扭矩，尽管滚子42没有完全带动波纹簧片44让其与基套41同步旋转，但是，每次挤开过程仍然传递了一定的扭矩到波纹簧片44上，能够让波纹簧片44的转速进行提升。

条件传动组件4还包括滑套43、磁体45、弹簧46，直流无刷电机还包括电磁铁83，

滑套43为同心的阶梯筒形结构，滑套43阶梯筒的小端轴向滑动地设置到输出轴3的端部，滑套43与输出轴3一比一传动，输出轴3端部设有径向凸起，滑套43阶梯面与输出轴3端部径向凸起之间设置弹簧46，磁体45设置到滑套43远离输出轴3的一端端部，磁体45的磁极方向与主轴2轴向相平行，电磁铁83安装在机壳1内壁上，电磁铁83的通电励磁磁极正对磁体45，

滚子42为圆柱状，滚子42轴线与主轴2平行，波纹簧片44固定在滑套43的内壁上。

如图2、4所示，电磁铁83可以吸引滑套43进行轴向的移动，在电机启动的初期，电磁铁83对于磁体45的吸力设置地较小，滑套43被弹簧46推动处于更加靠近输出轴3的位置处，此时滚子42与波纹簧片44的轴向接触长度较短，条件传动组件4的脱开扭矩上限较低，主轴2不容易被波纹簧片44拖拽而转速提升困难，当主轴2已经提升至设定转速后，此时可以缓慢提高电磁铁83对于磁体45的吸引力，让滑套43朝向主轴2滑动，滑套43处于更加靠近主轴2的轴向位置后，滚子42与波纹簧片44的接触长度长，能够传递的扭矩上限提升，可以在输出轴3转速提升的后半阶段增加输出轴3增速加速度，防止电机整体的启动周期过长。

直流无刷电机还包括第二转速传感器82，第二转速传感器82安装在机壳1内壁上，第二转速传感器82检测输出轴3转速，第二转速传感器82与驱动器6电信号连接，第二转速传感器82与电磁铁83联锁：当输出轴3转速提升时同步提高电磁铁83对于磁体45的吸引力。

如图2、4所示，让电磁铁83的控制以输出轴3的转速为依据，在输出轴3转速提升的后期，提升电磁铁83吸引力，让条件传动组件4的扭矩传递上限提升。

转子51和定子52各有两个，转子51与定子52构成两组磁极做功结构，两组磁极独立交替做功。每组定转子内可以有多个磁极对进行配置，本申请不限制磁极对对数。

如图1所示，两组定转子结构交替做功，可以让每组定子的驱动信号的时钟周期增大一倍，相同的电机转速下，驱动器6在波形信号频率控制难度下降，不易出现信号时机的微量相位差造成驱动力矩波动以及无效做功甚至反向做功。

直流无刷电机还包括第一齿轮71和第二齿轮72，第一齿轮71固定到主轴2上，第二齿轮72旋转安装到机壳1内壁上，第二齿轮72与第一齿轮71啮合，第一齿轮71至第二齿轮72的传动为降速传动，第一转速传感器81检测第二齿轮72转速。

如图1所示，主轴2降速传动到第二齿轮72上并被检测转速，驱动器6以第一转速传感器81反馈的较低的转速乘以传动比来确定主轴2转速，以此调配定子52的控制信号，较低的转速信号对于第一转速传感器81的量程范围要求降低。

第一齿轮71与第二齿轮72的传动比为一比二的降速传动。

一比二降速后，第一转速传感器81检测获得的转速信号的时钟周期与两个定转子组的单驱动信号时钟周期相一致，在信号处理方面不再需要调频处理，简化驱动器6的速度信号处理过程。

转子51和定子52为轴向面对面的盘式结构。

借鉴盘式电机的定转子轴向紧凑结构，将本电机的定转子轴向尺寸缩减，为条件传动组件4及其他辅助件、驱动器6等部件留出电机内的轴向空间。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述直流无刷电机包括机壳（1）、主轴（2）、输出轴（3）、条件传动组件（4）、转子（51）、定子（52）、驱动器（6）、第一转速传感器（81），

所述主轴（2）和输出轴（3）转动嵌合设置，主轴（2）的端部以及输出轴（3）的中间部位转动安装到机壳（1）上，输出轴（3）穿出机壳（1）外连接负载，所述主轴（2）与输出轴（3）嵌合位置设置条件传动组件（4），所述条件传动组件（4）在直流无刷电机启动过程中将让主轴（2）和输出轴（3）的传动关系由脱开传动提升至一比一传动，

所述转子（51）安装在主轴（2）上，所述定子（52）固定在机壳（1）内壁上，所述驱动器（6）安装到机壳（1）侧壁上，驱动器（6）连接外部供电并调配驱动信号传递到定子（52）上，所述第一转速传感器（81）检测主轴（2）转速并传递给驱动器（6）。

2.根据权利要求1所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述条件传动组件（4）的传动条件为扭矩。

3.根据权利要求2所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述条件传动组件（4）包括基套（41）、滚子（42）、波纹簧片（44），所述基套（41）固定到主轴（2）上靠近输出轴（3）端部，所述基套（41）外缘上带有交替的凸起与凹陷，所述波纹簧片（44）与输出轴（3）一比一传动连接，所述波纹簧片（44）围绕成一个圆环，波纹簧片（44）与基套（41）同心设置，所述滚子（42）放置在基套（41）与波纹簧片（44）之间的夹层中，所述基套（41）的外包络圆和波纹簧片（44）的内包络圆之间的直径差小于滚子（42）的直径，所述基套（41）轴向两端设置限位片防止滚子（42）轴向滑出基套（41）。

4.根据权利要求3所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述条件传动组件（4）还包括滑套（43）、磁体（45）、弹簧（46），所述直流无刷电机还包括电磁铁（83），

所述滑套（43）为同心的阶梯筒形结构，滑套（43）阶梯筒的小端轴向滑动地设置到输出轴（3）的端部，滑套（43）与输出轴（3）一比一传动，所述输出轴（3）端部设有径向凸起，滑套（43）阶梯面与输出轴（3）端部径向凸起之间设置弹簧（46），所述磁体（45）设置到滑套（43）远离输出轴（3）的一端端部，磁体（45）的磁极方向与主轴（2）轴向相平行，所述电磁铁（83）安装在机壳（1）内壁上，电磁铁（83）的通电励磁磁极正对磁体（45），

所述滚子（42）为圆柱状，滚子（42）轴线与主轴（2）平行，所述波纹簧片（44）固定在滑套（43）的内壁上。

5.根据权利要求4所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述直流无刷电机还包括第二转速传感器（82），所述第二转速传感器（82）安装在机壳（1）内壁上，第二转速传感器（82）检测输出轴（3）转速，第二转速传感器（82）与驱动器（6）电信号连接，第二转速传感器（82）与电磁铁（83）联锁：当输出轴（3）转速提升时同步提高电磁铁（83）对于磁体（45）的吸引力。

6.根据权利要求1所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述转子（51）和定子（52）各有两个，转子（51）与定子（52）构成两组磁极做功结构，两组磁极独立交替做功。

7.根据权利要求6所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述直流无刷电机还包括第一齿轮（71）和第二齿轮（72），所述第一齿轮（71）固定到主轴（2）上，所述第二齿轮（72）旋转安装到机壳（1）内壁上，第二齿轮（72）与第一齿轮（71）啮合，第一齿轮（71）至第二齿轮（72）的传动为降速传动，所述第一转速传感器（81）检测第二齿轮（72）转速。

8.根据权利要求7所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述第一齿轮（71）与第二齿轮（72）的传动比为一比二的降速传动。

9.根据权利要求6所述的一种附带启动保护的直流无刷电机，其特征在于：所述转子（51）和定子（52）为轴向面对面的盘式结构。

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