CN1247643A - 性能参数可调的无刷直流电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷直流电机(10)包括永磁转子(16)和一组定子绕组(14)。电机(10)进一步包括一个用于可变连接定子绕组(14)使其按第一种电路结构或第二种电路结构工作的电路(22)。在第二种电路结构中,所述电路(22)仅将部分定子绕组连接起来以接收电流。所述电路(22)在电气上将未连接使用的定子绕组与连接使用的定子绕组进行隔离。

Description

性能参数可调的无刷直流电机
本发明涉及一种具有转子上安装的永磁体和整流定子绕组的无刷直流电机。更具体地说，本发明涉及一种转速和扭矩可调的无刷直流电机。
现在，转子上安装永磁体和电整流定子绕组的无刷直流电机是当前引人注目的主题。在日益增加额定功率范围要求的情况下，这类电机为满足在可控、高速及维护方便电机方面日益增长的需求提供了解决途径。这种电机配置有整流器，可向每相定子绕组供给整流后的电压和电流。控制供给定子绕组的电压值可对电机转速进行控制，电机的输出扭矩与流过定子绕组的电流成线性比例关系。通常，根据电机的预期运转状态，定子绕组接成三角形或者星形的电路结构。例如，若在额定马力下希望电机有最大转速，则需将定子绕组接成三角形电路结构；如想使电机的输出扭矩最大，则定子绕组应接成星形电路。
但在许多实际应用中，已有技术的无刷直流电机在性能上很难对给定机械负载的特性提供最佳配合。因为，许机械负载在时间变动的过程中不是恒定的，电机的运转速度、更重要的是所要求的电机扭矩都是随时间而变化的。当将电机应用在机械加工过程中时，一般希望电机能高速运转，以提高加工工件的生产率。因为同时还需求电机能提供较大的扭矩，电机相对于其预计应用常常处于过载状态。因而在无刷直流电机中，必须采用昂贵的较大容量的整流器，以处理产生较大扭矩所需要的较大电流。同样，电机还需要采用较大直径的导线以解决电流增加问题，采用额外的散热器装置以解决这些较大部件的散热问题。这样，电机的尺寸、重量和复杂性将会增加，成本提高，在一些应用场合的被选用的吸引力下降。
一种由永磁转子和一组定子绕组组成的无刷直流电机。该电机进一步包括一个可对定子绕组进行可变连接、使其可按第一种电路结构或第二种电路结构运作的电路。在第二种电路结构中，该电路仅将欲接收电流的定子绕组连接起来。该电路在电气上使未用定子绕组同使用的或已连接的定子绕组相隔离。
还公开了一种使无刷直流电机具有不同扭矩和转速特性的电机结构方法。该方法包括以下步骤：提供许多可同永磁转子进行选择连接的定子绕组；使定子绕组连接成所有定子绕组都被使用的第一种电路结构，或者使定子绕组连接成并非所有组均被使用的第二种电路结构；当定子绕组按第二种电路结构进行连接时，使未使用的定子绕组同连接使用的定子绕组在电气上隔离。
在此所述“电气上隔离”意味着，转子永磁体同未用绕组间相互作用的反向电动势所产生的电压不同相连的或使用的绕组间的电压串联迭加。在按第一种电路结构或第二种电路结构进行连接时，为连接的定子绕组提供了一种可用于整流的整流电路。
在一个实施例中，定子绕组由具有第一匝数的第一组定子绕组、具有第二匝数的第二组定子绕组、具有第三匝数的第三组定子绕组和第四匝数的第四组定子绕组组成，其中第四匝数大于第三匝数，第三匝数大于第二匝数，第二匝数大于第一匝数。电路可有选择地单独连接第一、第二、第三和第四组绕组，或使其串联形成第一、第二、第三和第四种电路结构，其中每种电路结构都包括一个星形结构。
例如，在给定机械负载下，当要求电机扭矩较小而转速较高时，用于定子绕组可变连接的电路仅将第一组定子绕组连接成星形结构。其余的第二、第三和第四绕组与第一组定子绕组在电气上隔离，并且最好相互之间也是电气上隔离的。通过在电气上隔离未用的定子绕组，可以防止产生过电压，从而降低绝缘要求，在较广的范围内提供所需的扭矩的转速性能。
本发明提供的电机适用于工作中要求不同转速和扭矩的应用场合。例如，本发明中的电机可用作机械加工装置中的驱动电机，用于控制工件台的运动。工件台上安装着待加工工件，在加工过程中使其相对于机床加工主轴进行运动。在许多机械加工设备中，驱动电机的负载工件加工过程中不断进行周期性的变化。例如，在机床对工件表面进行制备或切削时，要求保持工件同加工刀具之间接触的扭矩较大，而要求刀具向工件表面的进刀速度却很低。当机床加工在轴到达加工面终端时，驱动电机要将工件台连同工件返回到其起始位置，或回到极其接近其起点的位置。回车时，加工刀具不与工件表面接触，因此施加于驱动电机的扭矩很小。
本发明提供的电机非常适用于这类周期性变化的负载。当负载要求较大扭矩和较低转速时，电机可按适当的电路结构进行连接，例如将串联的所有定子绕组连成星形结构。类似地，若要求较高的转速和较小的扭矩时，则只使用部分绕组，并使它们同其余绕组在电气上相互隔离。
本发明的适用性并不仅仅局限于机床，这只是说明其可能应用的一个例子。本发明还适用于其它一些机械装置，例如作为电动汽车的驱动电机。
图1为同生产线控制器相连的本发明无刷直流电机的原理图；
图2A为本发明电机定子绕组按第一种电路结构进行连接的线路图；
图2B为本发明电机定子绕组连接成第二种电路结构的线路图；
图2C为本发明电机定子绕组连接成第三种电路结构的线路图；
图2D为本发明电机定子绕组连接成第四种电路结构的线路图；
图3为按图2A-2D电路结构的电机转速与扭矩关系曲线；以及
图4为电机的原理图。
图1中的10表明按本发明具有可调电机性能的无刷直流电机。电机10同生产线控制器等这类控制器12相连接，并接收其速度控制信号。通常，电机10包括安装在适当机架上固定的定子绕组14，图中未示出。图中简要示出转子16也安装在机架上，可围绕其中轴进行旋转。转子16一般包括多个牢固安装在它上面的永磁体18。永磁体18最好由钕-铁-硼(NdFeB)材料制成。William G·Anderson(威廉·G·安德森)在1992年3月的《机械运动控制杂志》(Motion Control Magazine)发表了《钕-铁-硼磁性材料在高性能无刷伺服电机中的应用)》一文，介绍了钕-铁-硼材料在无刷直流电机中的应用，在此提及，以备参考。
电机10还进一步包括一个电机驱动器20，可向该组定子绕组14供给整流后的电流波形。如图1所示，定子绕组通过一些触点22相互连接并同电机驱动器连接，触点控制器24对这些触点22进行选通控制。如下所述触点控制器24可将定子绕组14连接成不同的电路结构，从而使电机10具有预期的转速和扭矩性能。按常规可知，当供给定子绕组14以矩形波电流时，会产生恒定扭矩。这种电流波形在120度的范围内是间断供给的，与交流电机正弦波电流在180度范围内连续供给的方式不同。电机10中的电压值与转子的转速成比例，因此可以通过控制供给定子绕组14的信号电压来控制电机的转速。不论转子处于什么位置都要在预定的转子角度进行整流，以便产生均匀一致的扭矩。
在图示说明的实施例中，定子绕组包括四组绕组：第一组包括绕组30A、30B和30C；第二组包括绕组32A、32B和32C；第三组包括绕组34A、34B和34C；以及第四组包括绕组36A、36B和36C(每一绕组30A-30C，32A-32C，34A-34C及36A-36C都由三个相同的线圈组成)。
电机10为三相电机，其中定子绕组按19A、19B和19C等三相进行配置。电压由电机驱动器20通过三根导线15A、15B和15C进行供给。
图2A-2D表明使电机10以不同转速和扭矩工作的四种电路结构。为便于说明，图1所示触点群进一步分为子触点组，即主触点38A、38B和38C；中性触点40A和40B；以及串联触点42A、42B、42C、43A、43B、43C、44A、44B和44C。触点38A-38C、40A-40C、42A-42C在电气上接通或隔离图2A-2D所示电路结构中的四组定子绕组30A-30C、32A-32C、34A-34C和36A-36C，其中所示为星形结构，采用适当的触点也可组成三角形结构。此外，采用适当的触点和对整流信号进行适当的相移也可实现星形与三角形结构之间的转换，在美国1996年1月2目的专利申请No.08/582029号中对此进行了描述，其受让人与本专利申请相同，在此提及以资参考。
具体地说，为了实现图2A所示的第一种电路结构，中性触点40A和40B及串联触点42A-42C开路，而在触点38A、38B和38C工作，分别将电源供给到端子48A、48B和48C。为实现图2B所示第二种电路结构；中性触点40A和40B闭合，串联触点42A-42C开路，主触点38A、38B和38C工作，分别将电能供给端子50A、50B和50C。为实现图2C所示第三种电路结构，中性触点40A、40B及串联触点44A-44C闭合。串联触点42A-42C开路，主触点38A、38B和38C工作，分别向端子52A、52B和52C供电。为实现图2D所示第四种电路结构，中性触点40A和40B开路，串联触点42A-44C闭合，触点38A、38B和38C工作，分别向端子52A、52B和52C供电。
为提供较大范围的扭矩和转速性能，绕组30A-30C、32A-32C、34A-34C和36A-36C的匝数各不相同。在一个典型的实施例中，绕组30A-30C中的每个线圈为2匝；绕组32A-32C中的每个线圈为8匝；绕组34A-34C中的每个线圈为5匝；绕组36A-36C中的每个线圈为11匝。在这一典型的实施例中，电机10以图2A所示结构工作可以得到最大的转速，其最大转速大约为按图2D所示结构工作时转速的13倍(由于采用三个并联的相同2匝线圈，绕组30A、30B和30C中每个线圈的有效匝数均小于1)。与此类似，当电机10按图2D所示结构工作时可得到最大的扭矩，其最大扭矩大约为按图2A所示结构工作的13倍。
可以认为，对未用绕组进行电气隔离可使电机在已有技术不能提供的更大范围内进行转速和扭矩的调节。对未用绕组进行电隔离可降低绝缘厚度的要求，从而减少了电机的空间体积、重量和成本。当要求转速和扭矩的可调范围大于6倍时，对未用绕组进行电隔离便会显示出独到的优点；而在要求转速和扭矩的范围约大于10倍时，其独特的优势将更为明显。
上述典型实施例中，具有图2A-2D所示结构及所述定子绕组匝数电机的转速与扭矩性能曲线示于图3。图中实线60A代表图2A所示第一种电路结构的电机转速与扭矩性能曲线。在这种电路结构下，电机10在给定电流量和额定马力下具有最大的转速。此外，第二组32A-32C、第三组34A-34C及第四组36A-36C等其余未用定子绕组的每一个均与第一组30A-30C的相应绕组相互电隔离，且最好它们之间也相互电隔离。在这种结构中，未连接使用的定子绕组32A-32C、34A-34C及36A-36C的总匝数要大于连接使用的定子绕组30A-30C的匝数。通过在电气上隔离每组未被连接使用的绕组32A-32C、34A-34C和36A-36C，可防止过电压的产生，因为每个绕组上产生的电压不会顺序迭加。由于这种结构中未连接使用的绕组数最多，这种结构中由反向电动势产生的电压最大。
图中虚线60B为图2B所示结构电机的转速与扭矩曲线。在这种结构中，仅连接使用了第三绕组34A-34C。最好将其余绕组30A-30C、32A-32C和36A-36C进行电隔离。
第三条虚线60C为具有图2C所示结构的电机10在给定电流量下的转速与扭矩曲线。在这种结构中，仅有第三组绕组34A-34C和第四组绕组36A-36C有效连接。最好将其余绕组30A-30C和32A-32C进行电隔离。
第四条虚线60D为具有图2D所示结构的电机10在给定电流量下的转速与扭矩曲线。在这种结构中，有效连接所有绕组30A-30C、32A-32C、34A-34C及36A-36C，可得到最大的扭矩。
应当理解，需要时也可获得其它的转速与扭矩性能。例如，可为第二组绕组32A-32C及第四绕组36A-36C提供额外的中性触点。同样，也可为其它绕组提供额外触点，从而形成不同的其它组合形式。
图4表明电机驱动器20的组成部件。整流器80接收信号线82上适当的交流输入信号，分别在正总线84和负总线86上输出正和负的直流电压。电容器88的配置是为了在一定限度内维持正总线84和负总线86上的电压。一个三相换流器90按通常方式接在正总线84和负总线86之间，为电源信号线15A、15B和15C提供三相整流的电流波形，这些电流再供给图1所示的定子绕组。所述换流器90包括一个具有开关作用的功率晶体管桥路，可使每条信号线15A-15C由开路状态转为与正总线84或负总线86相接。晶体管桥路的占空度由换流器驱动装置94进行控制，表现为存储在只读存储器(ROM)中的逻辑数组。存储在ROM中的逻辑数组响应解算器96提供的转子位置反馈信号。解算一数字转换器98接收来自解算器96的模拟信号，并将其余转换成换流器驱动装置94要求的二进制数字形式。应当了解，采用解算器96只是检测转子16的转角位置的一种实施方法。也可采用编码器和霍尔效应传感器等其它适当的传感装置来实现这种检测。同样，也可采用适当的组合逻辑来实现这种检测。同样，也可采用适当的组合逻辑来代替存储在ROM中的逻辑数组。生产线控制器(PLC)12的信号线101指示所选择的电路结构。
超速限制电路108防止触点22(图1)在电机转速超过选定级别时由一种电路结构转换成另一种电路结构，本例中为200RPM(转/分)。所述电路108包括一个比较器110，它由信号线112接收同(图1)转子速度成比例的信号。信号线114提供的第二参照信号相应于电路结构可以转换的选定最大转子速度。如果转子速度超过了预先选定的限制值，信号线116将向生产线控制器12输出一个信号，以防止电路结构的转换。在绕组感性电压超过整流器90的容量时，也不宜进行转换。在图2A-2D所示的结构中，当从图2A所示结构转换到图2B、2C或2D所示结构中，在由图2B所示结构转换到图2C或2D所示结构时，在由图2B所示结构转换到图2C或2D所示结构时，或者在由图2C所示结构转换至图2D所示结构时，都可能会出现过电压的情况。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员会理解在不背离本发明的精神和不超出本发明的范围内尚可对其在形式上和细节上进行修改和完善。例如，虽然在以上描述的定子电路结构中是将两组绕组进行相互连接，但也可采用适当的电路分别将各个具有不同电路连接结构的绕组连接至整流器上，这也属于本发明的范围。这样，需要提供开关触点将选择的电路结构同整流器连接起来。从而使电机工作。

Claims (7)

1.一种无刷直流电机，其特征在于包括：
一个永磁转子；
一组定子绕组；
连接定子绕组使其可按第一种电路结构或第二种电路结构工作的可变换的连接装置，所述第二种电路结构包括的定子绕组数小于全部绕组，且其中未被连接使用的定子绕组同连接使用的定子绕组在电气上相互隔离；以及
在以第一或第二种电路结构连接时为连接使用的定子绕组提供整流的整流装置。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于：第一种电路结构包括一个星形连接的结构，以及所述第二种电路结构包括一个星形连接的结构。
3.根据权利要求2所述的无刷直流电机，其特征在于：第一种电路结构包括多个每相串联连接的定子绕组。
4.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于：第一种电路结构包括多个每相串联连接的定子绕组。
5.根据权利要求4所述的无刷直流电机，其特征在于：所述第二种电路结构中未连接使用的定子绕组总匝数大于连接使用的定子绕组匝数。
6.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于：其中第二种电路结构中未连接使用的定子绕组总匝数大于连接使用的定子绕组匝数。
7.一种使无刷直流电机具备不同扭矩和转速性能的结构方法，其特征在于包括以下步骤：
提供多个可与带永磁体的转子进行有效耦合的定子绕组；
将定子绕组连接成所有定子绕组都被使用的第一种电路结构或部分定子绕组被连接使用的第二种电路结构；以及
当定子绕组连接成为所述第二种电路结构时，使未连接使用的定子绕组同连接使用的定子绕组在电气上相互隔离。
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