CN1205729C

CN1205729C - 振动电动机和电动机控制设备和方法

Info

Publication number: CN1205729C
Application number: CNB011400080A
Authority: CN
Inventors: 林俊荣; 郑润撤
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: US20020097012A1; JP2002233118A; CN1367570A; US6870295B2

Abstract

一种振动电动机包括：第一齿，在其前表面设有凹部和凸部；定子，具有在其内圆周的表面成对形成的第一齿；转子，在其第二齿的前表面设有凹部和凸部，并与定子的第一齿上的凹部和凸部啮合。电动机可以在旋转区域内往复旋转，而不需任何把它改为线性运动的转换装置。另外，它可以方便的连接用于现有的设备。

Description

振动电动机和电动机控制设备和方法

技术领域

本发明涉及一种振动电动机，特别涉及一种其凹部和凸部排列在转子和定子的内圆周表面上以增加接触面积的振动电动机，从而增加电动机的转距，并控制施加到电动机的交流电源，以可变地控制转子往复旋转的区域，从而增加压缩机的效率。

背景技术

通常，一台电动机控制一个开关器件的操作，以接通或断开加到一个绕在多相定子上的线圈的电源，从而产生旋转力距。因为电动机的转子和定子的激励状态是连续地变化的，通过产生的磁吸力形成一个向前的旋转力距，如果电动机的转子和定子之间激励状态不变化，转子就会停在一个特定的位置。

另外，通过控制加到开关器件的输入脉冲信号的相位，当在起点形成电动机的最大电感，就生成反向旋转力，这样，就可以控制电动机的驱动和方向。

下面将参照图1对电动机的结构加以说明。

图1是一个剖视图，显示了根据常规技术的电动机的结构。

如图1所示，电动机包含：圆筒型的定子13；嵌入在定子里面可转动的转子11；旋转轴10，处于转子11的中心并作为引出轴；定子齿14；绕在定子齿上的线圈15；检测转子位置的的位置检测单元(未显示)；和根据位置检测单元检测的位置控制电动机的控制器(未显示)。

定子13包括六个齿14按特定角度(60°)突出排列在母体内侧。线圈15被绕在每个定子齿14上，构成定子磁极。定子磁极沿对角线方向互相电连接，形成产生相同极性的3个相(a，b，c)。

转子11包括4个转子齿12，按特定角度，即90°突出排列在外圆周表面。转子齿12在转动中与定子齿14的末端有空隙间隔。

作为上述结构的电动机的一个实施例，下面对一种SRM电动机加以说明。

图2是一电路图，显示了根据常规技术的SRM电动机的结构。

如图2所示，SRM电动机包含：直流耦合电容器(C)26用来平滑输入电压，把所得到的直流电压供给交换磁阻电动机(SRM)电动机；其数目与‘N’相的数目一样多的分别并联连接的电动机的‘N’个线圈27、28和29；与电动机线圈27、28和29垂直串联连接的上开关器件20、22和24和下开关器件30、31和32；连接在上开关器件20、22和24的发射极和下开关器件30、31和32的发射极之间的续流二极管33、34和35；以及连接在上开关器件20、22和24的集电极和下开关器件30、31和32的的集电极之间的续流二极管21、23和25。

SRM电动机的操作将参照图1，2和3A到3C详细说明。

图3A到3C显示了按照传统技术用停留时间控制方法控制电动机速度的周期波形。

如图3A到3C所示，位置检测单元检测到转子齿12的位置，输出位置检测脉冲到转子13。然后，转子13同步这个位置检测脉冲，将电流施加到3相激励线圈15并生成电磁力。

也就是，当一电压被输入到直流耦合电容器26时，直流耦合电容器26使输入的电压平滑并把它加到SRM电动机。

在接收平滑后的直流电压，即，直流电压后，SRM电动机旋转，并通过在电动机中安装一个电动机断续器和相对每相有一个标记(slog)的圆盘，由光传感器测定转子的位置。

转子的位置测定后，当电动机低速运行时，如图3A所示，控制电动机开关器件的选通信号(ga)的周期被缩短，以控制加到电动机的电流。

当电动机中速运行时，电动机的开关器件用图3B所示的信号周期来控制，而当电动机高速运行时，电动机的开关器件用图3C所示的信号周期来控制，通过控制流到电动机的电流，使电动机向前或向后旋转。

在通过时停留时间控制3相定子线圈的方法中，电动机低速运行的情况下面详细说明。

为了在定子线圈的相“1”产生电流并生成电磁力，将一高电平a相选通信号(ga)提供给串联连接到电动机线圈27的上开关器件20和下开关器件30的栅极。当a相的上开关器件20和下开关器件30被提供的选通信号的高电平导通时，电流流过串联连接到上开关器件和下开关器件的电动机线圈27，这样，就在a相上的电动机线圈27上产生了电流。

当在a相上的电动机线圈27上产生电后，在预定停留时间(T)电流流过a相的电动机线圈27，低电平选通信号被输出到上开关器件20和下开关器件30。

当低电平信号被输出后，上开关器件和下开关器件20和30同时被导通，当经过直流耦合电容26和电动机27时，在a相的电动机线圈27上所产生的磁通量就消失了，以使电动机平滑旋转。

当在定子线圈‘b’上产生电磁力时，为了在定子线圈上产生电，b相上的高电平选通信号(gb)被提供给串联到电动机线圈28上的上开关器件22和下开关器件31的栅极，这样b相的上开关器件22和下开关器件31同时被导通。

因为b相的上开关器件22和下开关器件31被导通，电流流过电动机线圈28，这样，可以在b相的电动机线圈28产生电。

当在b相的电动机线圈28产生电时，电流在预定停留时间流过，低电平的选通信号(ga)被输出到上开关器件22和下开关器件31。

当输出低电平信号时，上开关器件22和下开关器件31同时被截止，在电动机b相的线圈28上生成的磁通量被续流二极管23和34，直流耦合电容器26和电动机线圈28消除了，使电动机平滑旋转。

在c相的情况下，其动作与a相和b相的相同，省略其说明。

当电流施加于定子13，使电动机旋转，微处理器利用位置检测单元检测转子的位置，并控制多个开关器件20、22、24、33、34和35的切换，借此使电动机向前或向后旋转。

然而，如上所述，虽然电动机可以向前或向后高速旋转，在特定区域内它不能做高速往复旋转运动。这样，它不能被应用在需要高速往复旋转的机械或设备上。另外，如果采用它，就要另外安装一个把旋转运动改变成直线运动的转换机构，这导致了费用增加的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种振动电动机，其凹部和凸部形成在转子和定子的内圆周表面上，以增加接触面积，沿对角线方向绕在定子齿上的线圈相互电连接，以交替激励各相线圈上的电流，这就实现了一种可往复旋转运动而不需电流转换装置。

本发明的另一个目的是提供一种振动电动机，其中控制施加到电动机的交流电源来控制电动机在往复旋转中的操作，因而电动机的转子在一定的旋转范围内是可操作的。

根据本发明的目的，为了实现这些和其他优点，象这里实施和广义描述的，提供了一种振动电动机，包括：第一齿，在其前表面上具有凹部和凸部；定子，在其内圆周表面成对形成第一齿；转子，其具有第二齿，在其第二齿的前表面具有凹部和凸部，并且与定子的第一齿上的凹部和凸部相啮合；其中，在定子的第一齿上，线圈沿对角线方向互相连接，所以当电流加到线圈上时，对角方向连接的线圈和第一齿的线圈被同步激励。

为了实现以上这些目的，还提出了一种振动电动机的控制装置：包括：电动机，其具有定子和转子，该定子具有第一齿，在定子齿上具有凹部和凸部，在转子齿上具有凹部和凸部，其中，在定子第一齿上，线圈沿对角线方向互相连接，所以当电流加到线圈上时，对角方向连接的线圈和第一齿的线圈被同步激励；和控制器，控制施加到定子上的线圈的交流电源，来控制其往复旋转区域和转子的速度。以使转子在定子中往复旋转。

为了实现上述目标，还提出了一种电动机控制方法，包括以下各步骤：当交流电源输入时，按交流电源的极性输出开关控制信号；根据开关控制信号，导通开关器件；开关器件被导通后，电流施加于定子齿上的线圈，使得该线圈和位于对角方向的与该线圈电连接的定子齿上的线圈被同时激励；转子的凹凸部分和定子的凹凸部分沿激励方向相啮合并在旋转区域内往复旋转，同时也增加了接触面积；以及检测转子的旋转角度，根据检测结果来变化输出开关控制信号。

为了实现上述目标，还提出了一种振动电动机，包括：定子，其具有圆筒型，使得转子能往复地在其中振动，该定子包括第一齿和第二齿，其中，该第一齿和第二齿形成在圆筒型定子的内圆周表面上，其中在定子的第一和第二齿的表面上重复地形成有凹部和凸部；线圈，其绕在定子的第一和第二齿上，其中该线圈沿该定子的径向相对方向互相连接，使得当电流加到线圈上时，径向相对的线圈被同步激励；以及转子，其具有一对从转子的中心凸出的齿，其中该转子的第一和第二齿径向地形成，而凹部和凸部以与形成在定子的第一和第二齿上的凹部和凸部相互配合的方式形成在该转子的一对齿的表面上。

为了实现上述目标，还提出了一种振动电动机的控制装置，包括：电动机，其具有转子和定子，其中该转子具有一对从转子的中心凸出并彼此相对地定位的齿，而定子具有圆筒型，使得转子能往复地在其中振动，而该定子包括第一齿和第二齿，其中，该第一齿和第二齿形成在圆筒型定子的内圆周表面上，其中绕在定子的第一和第二齿上的线圈在该定子的径向相对位置互相电连接，使得当电流加到线圈上时，径向相对的线圈被同步激励；以及控制器，用于控制加到定子的线圈上的交流电源，以控制转子的往复旋转区域和旋转速度，使转子可以在定子中往复旋转。

本发明的前述和其他目的，特点，方面和优点将通过以下与附图结合对本发明的详细说明而更清晰。

附图说明

附图提供了对本发明的进一步理解并构成说明的一部分，图解说明了发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是表示根据常规技术的电动机结构的一个剖视图；

图2是表示根据常规技术的SRM电动机结构的电路图；

图3A到3C显示了代表按照传统技术用停留时间控制方法来控制电动机速度的周期波形；

图4是表示根据本发明的一优选的实施例的振动电动机的透视图；

图5是根据本发明的优选实施例的振动电动机的垂直剖视图；

图6是根据本发明的优选实施例沿图5的‘f-f’线剖取的剖视图；

图7是表示根据本发明优选实施例的振动电动机的往复旋转区域的剖视图；

图8是表示根据本发明优选实施例的振动电动机的驱动单元的电路图；

图9A到9E是用于控制根据本发明的优选实施例的振动电动机的驱动单元的波形图；

图10是表示本发明的电动机和常规技术的电动机之间的电感的比较图；

图11是表示本发明的电动机和常规技术的电动机的静态转矩的比较图；以及

图12是表示本发明的电动机和常规技术的电动机的效率的比较图。

具体实施方式

现在将参考本发明优选实施例，它的例子在附图中示出。

图4是表示根据本发明的一优选实施例的振动电动机的透视图，图5是根据本发明的优选实施例的振动电动机的垂直剖视图，图6是根据本发明的优选实施例沿图5的‘f-f’线剖取的剖视图

如图所示，提供定子410，转子440可在定子410的内侧旋转，和旋转轴470处于转子的中心并作为引出轴。

定子410设有由迭片堆叠的定子铁心420。一对其上绕有线圈的定子齿形成于定子铁心420的内圆周表面的前面和后面的除了非旋转区域490和490-1外的往复旋转区域400和400-1内。

线圈430被绕在定子齿480上，通过由交流电源提供的电流激励定子齿480，凹部480和凸部480b以垂直方向交替形成在定子齿480的前表面。

绕在定子齿480上的线圈430沿对角线方向互相连接，所以当电流被加到定子齿480上的线圈430时，电流也会被加到线圈430和对角位置的线圈430。这样对角方向的线圈430同时被激励以产生一个相(La，Lb)。

转子440设有一个由迭片堆叠的转子铁心460，转子齿450形成于转子铁心460的前面和后面(180°位置)的突出位置。

转子齿410和定子齿被交替激励，使转子440可以在往复转动区域400和400-1做往复转动。

凹部450a和凸部450b以垂直方向交替形成在转子齿450的前表面，使它们和定子齿20上的凹部480a和凸部480b相结合。这样，就增加了定子410和转子440的接触区域，磁通量增大了，也增加了转矩。

转子齿和定子齿的操作将参照图7详细说明。

图7是表示根据本发明的优选实施例的振动电动机的往复旋转区域的剖视图。

如图7所示，当电流被加到绕在定子齿480上的线圈430时，电连接的线圈430和对角线方向的定子齿480的线圈被同步激励，转子齿450沿磁阻为‘0’的方向旋转，产生转矩。

由于转子齿向磁阻为‘0’的方向旋转，当电流通过开关单元交替加在各相(La，Lb)时，转子440在预定角度内，即，在往复旋转区域400和400-1内，沿激励方向往复旋转，在图7上以虚线表示，旋转轴470，构成电动机的引出轴，也随转子440的往复旋转在一定角度内往复旋转。

在旋转中，转子440的凸部450b和定子420的凹部480a相结合在一起，定子420的凸部480b啮合到转子的凹部450a中，这样，磁通就构成励磁，产生了较大的转矩。

在水平方向控制电动机往复旋转的设备将参照图8和9详细说明。

图8是表示根据本发明的优选实施例的振动电动机的驱动单元的电路图。

如图8所示，振动电动机的驱动单元包括：串联连接到电动机的第一线圈510的第一三端双向晶闸管540，当输入的交流电源的极性为正时，把电流加到第一线圈510，激励a相；串联连接到第二线圈530的第二三端双向晶闸管520，并和第一线圈510及第一三端双向晶闸管540并联连接，当输入的交流电源的极性为负时，激励b相；以及微型计算机(未图示)，用于控制第一三端双向晶闸管540和第二三端双向晶闸管520。

现在将参照图9A到9E对如上所构成的驱动单元的操作加以解释。

图9A到9E是用于控制根据本发明的优选实施例的振动电动机的驱动单元的波形图。

如图9A到9E所示，当电流被加到绕在定子齿480上的线圈430时，使得电连接到线圈430和位于电连接到线圈430对角方向的定子齿480上的线圈430被同时激励，转子440的转子齿450向SRM变为‘0’的方向旋转，生成转矩。

这时，当电流通过加到第一三端双向晶闸管540和第二三端双向晶闸管520上的第一开关控制信号和第二开关控制信号交替被加到线圈510和530时，转子440在激励方向的预定角度内重复做向前和向后转动。这样，随着转子440的往复旋转，电动机的旋转轴470也在预定的角度内做往复的旋转。

也就是，当交流电源的极性为正时，第一三端双向晶闸管540根据第一开关控制信号导通，由电源供给的电流经过第一三端双向晶闸管540到达第一线圈510，激励a相。

当交流电源的极性为负时，第二三端双向晶闸管520根据第二开关控制信号导通，激励a相的电流和负交流电源的电流通过第二三端双向晶闸管520流到第二线圈530使得b相被激励。这些操作重复执行，以使转子440做往复旋转运动。

当转子440往复旋转时，微型计算机(未图示)检测电动机的摆动角度，根据检测结果，输出第一开关信号和第二开关信号，用于改变加到电动机上的电压幅度，控制交替操作的第一三端双向晶闸管540和第二三端双向晶闸管520。

第一开关控制信号和第二开关控制信号的占空比是加载到电动机上的电压的幅度而变化的。

即，为了控制转子旋转的角度，输入正极性的交流电源后，在预定时间(b)输入用于导通第一三端双向晶闸管540的驱动电压。因为正向电流流动的时间是恒定的，电流流到第一线圈510的时间被缩短了，转子440旋转到激励a相的角度变小了。

交流电源的极性为负时的控制方法与正向电流流动情况相同，这样，省略关于它的描述。

在施加交流电源时，通过控制用于施加第一三端双向晶闸管和第二三端双向晶闸管的驱动电压的时间点，来控制电动机往复旋转的角度。

现在，将参照图10，11和12如上所述的振动电动机的效能和控制装置加以详细说明。

图10表示是本发明的电动机和常规技术的电动机之间的电感的比较图。

对于常规的电动机，电感的最大值和最小值的比率是3，但比较地，根据本发明的电动机的电感的最大值和最小值的比率是4.5，因此，根据本发明的磁阻电动机在与常规电动机同样尺寸下提高了百分之五十的效率。

图11是表示本发明的电动机和常规技术的电动机的静态转矩的比较图。在测定电动机在一定电流下产生的力的静态转矩测试中，本发明的磁阻电动机比常规磁阻电动机的转矩有30-45％的增加。

图12是表示本发明的电动机和常规技术的电动机的效率的比较图。根据一个直流发电机实验的测量结果，本发明的磁阻电动机比常规磁阻电动机的效率高10％以上。

如前所述，根据本发明的振动电动机，线圈被缠绕在电动机定子齿上，线圈沿对角线方向被电连接，并交替激励电流流到沿对角线方向的各相，这样，电动机可以在旋转区域内往复旋转而不需任何用于转换为线性运动转换装置。另外，它可以简单的连接用于已有的装置。

此外，因为凹部和凸部紧凑地形成在定子和转子的前表面，所以，增加了定子和转子的接触面积，电动机的转矩也增大了。

此外，因为电动机做往复旋转的范围是通过控制交流电源进入电动机的方式控制的，压缩机的运行速度行程是可控的。这样，压缩器的效率就增加了。而且，因为没有安装其他的开关器件，控制电动机往复旋转的范围，费用就减少了。

因为本发明可以用多种方式实现而不离开其精神和基本特点，应该理解上面描述的实施例不受前面说明的任何细节所限制，除非另有说明，而应在所附的权利要求限定的精神和范围内被广泛解释。因此，所有落入权利要求范围和限度内的变化和修改，或这些范围和限度的等同物将被包含在附加的权利要求内。

Claims

1.一种振动电动机，包括：

第一齿，在其前表面有凹部和凸部；

定子，具有成对排列在其内圆周表面的第一齿；和

转子，其具有第二齿，在第二齿的前表面有凹部和凸部，并与形成在定子第一齿上的凹部和凸部啮合；

其中，在定子的第一齿上，线圈沿对角线方向互相连接，所以当电流加到线圈上时，对角方向连接的线圈和第一齿的线圈被同步激励。

2.根据权利要求1所述的振动电动机，其中，在第一齿上，凹部和凸部交替形成，以增加转子和定子间的接触面积。

3.根据权利要求1所述的振动电动机，其中，第二齿包括：在其前面的凹部和凸部，其凹部和转子第一齿的凸部啮合在一起，凸部和定子第一齿的凹部啮合在一起以旋转，增加了转子和定子的接触区域，使得磁通量增加。

4.根据权利要求1所述的振动电动机，其中转子向第一齿被激励的方向，既磁阻为‘0’方向旋转。

5.一种振动电动机的控制装置，包括：

电动机，其具有定子和转子，该定子具有第一齿，定子齿上形成有凹部和凸部，并在转子齿上形成有凹部和凸部，其中，在定子的第一齿上，线圈沿对角线方向互相连接，所以当电流加到线圈上时，对角方向连接的线圈和第一齿的线圈被同步激励；和

控制器，用于控制加到定子上的线圈的交流电源，控制转子的往复旋转区域和速度，使转子可以在定子中往复旋转。

6.根据权利要求5所述的装置，其中的控制器包括：

第一开关单元，当输入正极性交流电和第一开关控制信号时，用于把供给的电流施加到第一激励单元并激励由绕在定子齿上线圈生成的二相的定子极性中的第一相；和

第二开关单元，当输入负极性交流电和第二开关控制信号时，用于把供给的电流施加到第二激励单元并激励两相的定子极性中的第二相。

7.根据权利要求5所述的装置，其中的控制器包括：微型计算机，用于检测往复旋转的转子的摆动角度，根据检测到的值，改变加到电动机上的电压，并输出第一开关控制信号和第二开关控制信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其中的微型计算机通过改变开关控制信号的占空比，来改变加到电动机上的电压。

9.根据权利要求6所述的装置，其中的开关控制信号控制第一开关单元和第二开关单元的导通/截止操作，以便第一开关单元和第二开关单元交替工作，从而，转子在往复旋转区域内做往复旋转。

10.根据权利要求6所述的装置，其中的开关控制信号控制第一开关单元和第二开关单元的驱动电压，以控制加到第一激励单元和第二激励单元的电流量，从而控制转子做往复旋转的区域。

11.一种电动机的控制方法，包括以下各步骤：

当加入交流电源时，根据交流电源的极性输出开关控制信号；

根据开关控制信号导通开关器件；

开关器件被导通后，把电流施加于定子齿上的线圈，使得该线圈和位于对角方向的与该线圈连接的定子齿上的线圈被同时激励；

转子的凹部和凸部与定子的凹部和凸部沿激励方向啮合排列，并在旋转区域内往复旋转，同时增大了接触面积；和

检测转子的旋转角度，根据检测结果变化地输出开关控制信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中开关控制信号控制用于导通开关的驱动电压，从而控制电动机的旋转角度。

13.根据权利要求11所述的方法，其中输出开关控制信号的步骤包括以下各步骤：

把驱动电压在预定时间输出到开关单元，以便可把电流加到转子上，使转子能在预定的旋转区域旋转。

由驱动电压使开关导通，这样使定子齿的一个线圈被激励，并使转子朝线圈被激励的方向旋转；和

当输入相反极性的电源时，使一个开关导通，另一个开关也被导通，这样另一侧的线圈也被激励，转子向相反方向旋转。

14.根据权利要求11所述的方法，其中在可变地输出开关控制信号的步骤中，测定转子旋转位置后，用于改变开关单元的驱动电压的开关控制信号被可变地输出，以可变地控制转子往复旋转的角度。

15.根据权利要求11所述的方法，其中开关被交流电源交替导通，以把电流交替加到定子齿的线圈上，从而使转子往复旋转。

16.一种振动电动机，包括：

定子，其具有圆筒型，使得转子能往复地在其中振动，该定子包括第一齿和第二齿，其中，该第一齿和第二齿形成在圆筒型定子的内圆周表面上，其中在定子的第一和第二齿的表面上重复地形成有凹部和凸部；

线圈，其绕在定子的第一和第二齿上，其中该线圈沿该定子的径向相对方向互相连接，使得当电流加到线圈上时，径向相对的线圈被同步激励；以及

转子，其具有一对从转子的中心凸出的齿，其中该转子的第一和第二齿径向地形成，而凹部和凸部以与形成在定子的第一和第二齿上的凹部和凸部相互配合的方式形成在该转子的一对齿的表面上。

17.一种振动电动机的控制装置，包括：

电动机，其具有转子和定子，其中该转子具有一对从转子的中心凸出并彼此相对地定位的齿，而定子具有圆筒型，使得转子能往复地在其中振动，而该定子包括第一齿和第二齿，其中，该第一齿和第二齿形成在圆筒型定子的内圆周表面上，其中绕在定子的第一和第二齿上的线圈在该定子的径向相对位置互相电连接，使得当电流加到线圈上时，径向相对的线圈被同步激励；以及

控制器，用于控制加到定子的线圈上的交流电源，以控制转子的往复旋转区域和旋转速度，使转子可以在定子中往复旋转。