CN1201468C - 带有检测转子的角位置的装置的无刷电机械 - Google Patents

带有检测转子的角位置的装置的无刷电机械 Download PDF

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Abstract

一种用于检测的无刷电机，其检测永久性磁铁转子(13)的角位置，测量装置以形成振荡电路的方式与定子的绕组连接，并将作为转子位置函数的谐振频率中的变化进行测量。为了促进这些变化，转子具有围绕磁铁(14)周边的带有不同厚度或者不同导磁率的区域的非磁性结构(26)。该结构可以由金属套管例如黄铜制成，带有填充有介电材料的开口或凹座(44)。

Description

带有检测转子的角位置的装置的无刷电机械
技术领域
本发明涉及一种无刷电机械，其包括：一定子，其带有多相线圈；一转子，其具有至少一个相对于转子的轴线径向磁化的永磁铁和一个至少部分地围绕该磁铁的非磁性结构；和装置，用来检测转子的角位置。
本发明具体应用于转子角位置的检测，用于同步多相电流供应的永磁铁电机的可变频率和幅值的自动控制，这种电机设有指示转子的位置的结构部件，其中这种电流可以是正弦或连续电流的脉冲的形式。这种电机在特定的应用领域中是优选的，例如医疗或牙科设备，因为从减小设备尺寸的角度，需要尽可能地减小电机的尺寸和电机与它的控制装置之间的连接件的数量。
背景技术
自动控制的目的具体在于获得最大的扭矩和避免同步电机的同步脱开。尤其在低速时，它将允许对扭矩和速度的良好控制，和允许执行特定工作循环，在小数量的旋转上或者在转子的一个旋转的分段上工作。
传统的自动控制装置例如使用磁霍尔(Hall)传感器或者角度编码器，来指示转子的位置，这种自动控制装置存在的问题在于电机以及电机与它的控制装置之间的辅助电连接有些笨重。其它已知的装置利用电压变压器来检测定子线圈中阻抗的变化，但这些沉重和复杂的器件同样是问题。
已知利用作用给定子线圈的高频电压来检测这些线圈的阻抗中的变化，作为转子的磁场位置的函数。为了能够利用最大扭矩和效率控制电机的启动，例如专利文献JP 9-163788 A提供一种当转子停止时的位置估算，以在定子的三个相位上测量的三个高频电压为基础。
但是本发明人已经发现，当定子线圈与振荡电路串联连接并且观察该电路的谐振频率时，该频率由于电路阻抗的变化而变化，其具体涉及定子线圈中转子磁通量中的变化。可以在该频率的变化的基础上计算转子的角位置。在本申请的日期之后公开的法国专利申请No.9809153中，描述了利用具有不同频率的两个振荡电路，来计算运动的转子的角位置和随后控制电机的电源相位。
本发明人已经发现，配装有由其自身烧结的永磁铁的转子引起10％量级的频率变化，作为它的角位置相对于穿过该频率的定子线圈的函数。该变化归因于由于磁铁的制造而产生的优先排列的分子结构，即，各向异性。糟糕的是因此得到的频率中的变化相对较弱并且部分随机。尽管可以使用，该变化不允许较大的精度。
发明内容
本发明的一个目的在于改进上面特定的这种电机械，以这样一种方式放大振荡电路的谐振频率中的变化，并因此允许更容易和更精确地检测转子的角位置，无论它是运动的还是静止的。
至此根据本发明的电机械的特征在于，所说非磁性结构具有围绕磁铁的周边的不同厚度或者不同导磁率的区域。
换句话说，位于转子磁铁的周向表面与定子磁极片的内表面之间的径向间隙，其包括空气间隙和所说的非磁性结构，为围绕转子的周边可变化的磁通量的通道提供条件。这些条件同时取决于在该间隙，包括空气间隙中存在的各层的特性和厚度。
结果是由于振荡电路的作用通过定子绕组穿过转子产生的高频率磁通量根据转子的角位置变化，不仅仅因为磁铁的特性，此外还因为围绕它的非磁性结构的形式。该结构相对于磁铁磁极的恰当的几何选择使得它能够增加所需要的效果。具有不同厚度或导磁率的所说区域，最好相对于垂直磁铁磁场方向的平面对称地设置并穿过转子的轴线。
在这种类型的小电机中，已经知道将转子磁铁配装在非磁性材料的一个套管中，其根本目的在于防止磁铁在离心力的作用下受到损坏。在医学应用中，其具体需要杀菌处理，该金属通常使用黄铜，因为其容易进行机械加工和有良好的抗腐蚀能力。在本发明的一个优选实施例中，转子的非磁性结构包括这样一个套管，其具有形成套管的开口或变薄部分的凹座。这些凹座可以优选地填充有介电材料，例如环氧树脂。
本发明提供一种无刷电机械，其包括：一定子，其带有多相线圈；一转子，其具有至少一个相对于转子的轴线径向磁化的永磁铁和一个至少部分地围绕所述磁铁的非磁性结构；和装置，用来检测所述转子的角位置，其特征在于：所述非磁性结构具有不同径向厚度或者不同导磁率的区域，所述区域围绕磁铁的周边被分布。
应当注意到根据本发明的电机械既可以是电机、或者发生器、或者能以两种方式工作的机械。
在一个优选实施例中，用来检测转子的角位置的装置包括测量装置，其设置成以一种方式与定子的线圈有选择地连接，从而形成振荡电路和检测所说振荡电路的谐振频率中的变化。但是，重要的一点是应当注意本发明的原理也可以采用其他类型的检测装置。在这方面，转子的金属套管中感应的涡电流在要采用的检测方法中起主要的作用。
附图说明
从下面参照附图，对各种实施例进行的说明中，可以清楚本发明的其它特征和优点，其中：
图1是根据本发明的无刷电机的简要视图，具有控制装置和用来检测其转子的角位置的装置；
图2是转子的一个实施例的简要剖面图；
图3至10与图2相似，表示转子的其它实施例；
图11至13简要表示围绕转子的套管的不同结构；以及
图14至16表示在测试具有根据图11至13的结构的不同转子的过程中得到的频率的变化。
具体实施方式
图1表示无刷同步电机11，它带有多相定子12和带有永磁铁14的转子13，它的旋转轴线由标记15表示。定子12具有三个相位绕组16、17和18，它们是星形或三角形连接，它们的终端19、20和21由控制电路22通过低通滤波器23供电，该电路包括最好是正弦的三相电压发生器。滤波器23设置成阻止下面描述的高频带f。控制装置22以已知的方式还包括调整装置，其允许电源电压的频率和相位作为由操作者提供的调整点信号X的函数是变化的，与表示转子13的角位置的信号P相同。信号P作为转子的角位置由检测装置24提供。
转子13的磁铁14具有径向的磁场，由磁场的轴线A表示，它在给定常量的角位置由相对于定子的固定的参考方向D所成的角θ表示。但是应当注意到当磁铁14是多极的或如果转子13包括几个磁铁，带有一个或几个磁场轴线，例如轴线A，本发明都可以同样地应用。
如下面将要描述的，转子13包括一个围绕磁铁14的非磁性结构26，围绕磁铁的周边具有不同厚度或不同导磁率的区域。在图1所示的例子中，非磁性结构26由黄铜套管形成，其中形成有开口44。
检测装置24包括开关电路30，使得它的输入30a、30b和30c有选择地与定子12的终端19、20和21连接。电容C1和电阻R1串联连接在输入30a和地电位之间，相类似地电容C2和电阻R2串联连接在输入30c和地电位之间。此外输入30b经过电容C3与运算放大器31的输出连接，后者的换向输入端与C1和R1之间的连接点32连接，并且它的非换向输入端与C2和R2之间的连接点33连接。连接点33还与测量频率的电路34连接，其实现一个测量信号fm给计算装置35，例如由微处理器形成。这些装置35通过连接36与开关电路30连接来实现控制，并且它们还利用信号fm的值来计算转子13的角位置θ和向控制装置22提供表示该位置的信号P。
计算装置35以使得实现测量循环的方式控制开关电路30，每个包括一系列三个连续的开关状态。因此电路30的输入30a、30b和30c分别与处于第一状态的终端19、20和21，处于第二状态的终端20、21和19，以及处于第三状态的终端21、19和20连接。在放大器31的这些状态中的每种情况中，电阻R1和R2，电容C1，C2和C3与绕组16、17和18的感应系数形成具有高谐振频率f的振荡电路。它具体取决于所说感应系数，后者相对于转子的磁场的角位置θ而改变。每个循环的持续时间非常短，例如小于48μs，使得角度θ以及谐振频率在一个循环的过程中变化非常小，或者如果转子是静止的根本不变化。该由电路34测量到的瞬间频率由测量信号fm表示。
因此计算装置35接收每个测量循环中的频率fm1、fm2和fm3的三次测量，对应于定子绕组的开关彼此偏离120°的位置。这些测量结果中的两个对于本领域的普通技术人员来说足够计算转子的瞬间角位置θ，而第三个用来作为检验。
在由信号P表示的θ值的基础上，包含在控制装置22中的自动控制装置可以具体计算转子的速度和旋转的场与转子之间的相位滞后，从而将提供给电机11的电流控制为这些参数和调整点信号X的函数。
图2至8表示转子13的不同实施例，其中围绕磁铁14的非磁性结构由例如黄铜制成的金属套管26形成。在实际中该磁铁通常由转子的中心轴线穿过，即，它具有管状形式。
在图2的情况中磁铁14是圆柱形。套管26具有紧靠着磁铁的圆柱形内表面。它的外表面上具有两个凹座40，它们仅仅在套管的一部分厚度上延伸并且每个具有一个角范围α。两个凹座40彼此相对于与磁场方向A垂直并且经过转子的轴线15的轴平面41对称。因此围绕套管26的周边，凹座40形成两个标准厚度的区域42和两个厚度减小的区域43，由局部切掉的套管形成。换句话说，套管26的外表面在区域42中具有最大半径r2并且在区域43中具有最小半径r1。如果希望转子具有圆弧形的周边，能够利用具有等于或大于空气的导磁率而又明显地不如套管26的材料来填充每个凹座40。该材料可以强化套管并且例如由环氧树脂形成。
图3中的例子与图2中的类似，除了凹座40由恰好穿过套管26的厚度的开口44替换以外。每个开口可以由在磁铁14的较大长度部分上延伸的加长的窗口形成。但是还能够提供沿着转子的每一侧的一列的几个开44，如将在下面看到。
图4中所示的转子具有基本上与图3的相同的结构，除了磁铁14在磁场轴线A的两侧上各具有一个平的侧表面，沿着这些侧表面在磁铁14和套管26之间装配有圆柱形的金属段。这些段例如可以是软铁、钢、铜或黄铜。它们形成转子的导磁率相对于定子的磁通量的附加变化，作为转子的角位置相对于该磁通量的函数。
图5中的结构与图4的不同在于，各段46位于磁铁14和开口44之间并因此面对磁铁的磁极。
图6至8中的例子与图3至5中的不同分别在于，套管26中的开44不位于正对着磁铁14的磁极而位于侧面，即，位于磁场轴线A的两侧。因此它是套管26的非凹入部分覆盖磁铁的磁极。
图9和10的例子对应于图7和8但取消了套管26，也就是说，转子的磁回路基本上包括磁铁14和圆柱形段46。在图9的情况中，各段46相对于磁场轴线A位于侧面，而在图10的情况中它们位于正对磁铁的磁极。在这两种情况中可以通过具有不明显磁作用的结构部件实现转子的强化，例如树脂衬套或浇铸到圆形槽中的箍，从而不超出磁铁14和各段46的边缘，因此允许将空气间隙减小到最小。
本申请人已经进行了一些对比性的实验来显示由本发明提供的优点。图11至13简明地表示了在实验中使用的一些转子13的外壳26的不同结构。使用的磁铁由钐-钴制成。在一些样品中磁铁14具有圆柱形外表面，而在另一些例子中如上所述的圆柱段46与之连接。转子的轴48穿过磁铁并且由可以硬化的不锈钢制成。
在图11的结构中，窗口形式的两个开口44根据图3面对转子的磁极，即，使得它们相对于垂直磁场轴线A的平面彼此对称。与之相反，在图12中的例子中，窗口形式的两个开口44如图6所示位于侧面，即，它们相对于穿过磁场轴线A的平面彼此对称。图13的例子与图11的相似，除了它在窗口形式的开口的位置中具有两列圆形开口44外。还对具有圆柱形磁铁14和恒定厚度的套管26的转子进行了实验，来提供参考，并且测量得到不超过10％的谐振频率的变化。
图14至16表示在使用编号为1至9的九个转子样品进行的实验中测量到的频率的相对变化Δf/f。使用的振荡电路的平均频率f是1.7MHz量级的。Δf是在低速转子的一次旋转的过程中对一个样品测量到的最大频率与最小频率之间的差值。
利用与图3和11相一致的结构得到的结果如图14中所示，但具有不同的窗口44的角范围α。α的值在样品4中是70°，在样品5中是90°和在样品6中是110°。
图15中所示的结果对应于图6和12中的结构。窗口44的角范围α的值在样品1中是110°，在样品2中是90°和在样品3中是70°。已经看到这些结果不如图14中的那些好，但基本上保持比参考样品中的这些好。
图16中所示的结果对应于根据图13的套管26的结构。在样品7和8中，磁铁侧面与如图4中所示的位于侧面的两个金属段46相接，这些段在样品7中是不锈钢而在样品8中是黄铜。在样品9中磁铁具有如图3中所示的圆柱形状。应当注意到这三个样本具有很好的结果，但各段46的影响是不重要的。
至于窗口形式的开口44的角范围α，图14和15表示该效率即Δf/f，倾向于随着α而增大，但是α基本上等于90°的值代表最佳，表示为了不过分地减小套管26的机械强度，开口不应当太大。

Claims (13)

1.一种无刷电机械，其包括：一定子(12)，其带有多相线圈；一转子(13)，其具有至少一个相对于转子的轴线径向磁化的永磁铁(14)和一个至少部分地围绕所述磁铁的非磁性结构(26)；和装置(24)，用来检测所述转子的角位置，其特征在于：所述非磁性结构(26)具有不同径向厚度或者不同导磁率的区域(42、43、44)，所述区域围绕磁铁的周边被分布。
2.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，所述区域相对于垂直于所述磁铁的磁场方向的平面(41)对称地设置并穿过所述转子的轴线。
3.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，所述非磁性结构包括金属套管(26)，其具有形成相对于所述套管的邻近区域(42)厚度变薄的区域(43)的凹座(40)。
4.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，所述非磁性结构包括金属套管(26)，其具有由两列轴向的开口(44)形成的凹座，所述这些列开口直径方向上相对。
5.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，所述非磁性结构包括金属套管(26)，其具有由两个直径方向上相对的窗口形成的凹座。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的机械，其特征在于，所述凹座填充有介电材料。
7.根据权利要求3-5中任一项所述的机械，其特征在于，所述每个凹座具有位于70°和110°之间的角范围。
8.根据权利要求3-5中任一项所述的机械，其特征在于，所述套管(26)是黄铜制成的。
9.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，所述磁铁(14)具有圆柱形的外部形状。
10.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，所述磁铁(14)具有由彼此对称并由两个平表面连接的两个圆柱表面形成的外部形状。
11.根据权利要求10所述的机械，其特征在于，所述每个平表面由圆柱(46)的一个金属段覆盖。
12.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，所述磁铁(14)具有各向异性的结构。
13.根据权利要求1所述的机械，其特征在于，用来检测所述转子的角位置的装置(24)包括测量装置(34、35)，它们设置成以一种方式与定子的绕组有选择地连接，从而形成振荡电路并检测所述振荡电路的谐振频率中的变化。
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