CN1297606A

CN1297606A - 带具有整体型风扇的外部转子的由微处理机控制的单相电动机

Info

Publication number: CN1297606A
Application number: CN00800400A
Authority: CN
Inventors: R·K·霍伦贝克
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2001-05-30
Also published as: TWI234920B; HUP0101835A3; US6147465A; EP1082807A1; PL344154A1; WO2000057544A1; HUP0101835A2; HU224775B1; CA2329420A1

Abstract

一种由直流电源驱动的电动机具有一个单相绕组的定子。一电动开关电路具有可选择地将直流电源接到单相绕组的电动开关。一个相对于该定子为磁耦合的永久磁铁转子驱动一风扇,在该定子上的一位置传感器探测转子的位置并提供一表明探测到的位置的位置信号。一个包括一可对该位置信号作出响应、并连接到电动开关电路的微处理器的控制电路,以该位置信号为函数,它可选择地换向电源开关,以对该单相绕组换向。

Description

带具有整体型风扇的外部转子的由微处理机控制的单相电动机

本发明总体涉及电换向式电动机及其控制装置。具体来说，本发明特别涉及诸如具有驱动风扇的外部转子及微处理器的电动机。

本发明总体所涉及的这种带外部转子电机或“反结构电动机”具有安装在转子上的磁铁构件。这些磁铁构件可包括永久磁铁和/或电磁铁。位于该磁铁构件里侧的定子包括一个可转动地将转子安装到该定子的轴承，这样在磁铁构件和通过给定子绕组供电而产生的电磁场的磁作用下，转子可以相对该定子转动。

在一实施例中，在上述的反结构电动机的绕线管上只绕有一组或二组绕组。在永久磁铁及绕组之间围绕该绕线管设有金属，以引导由激磁绕组产生的磁通。一板片的相对两端被向下弯曲，使该弯曲端延伸越过绕线管直径相对侧上的绕组。所述板片还具有一中央开口及一个环，该环从接纳它的该中央开口延伸入该绕组管的中央开口。在该绕线管轴向相反的两端安装有两块基本相同的板片，它们错开一角度，这样它们向下弯曲的端部可延伸过绕组的不同部分。

这种电动机可以是电换向式的，以提供变速操作或可以在两种以上有显著区别的速度下工作。这种设计简单、制造成本低的电动机需要一种微处理器控制装置。另外，与现有的单相电动机相比，还需要一种构件少并可编程而不需变动构件就以不同模式工作的控制装置。

因此，本发明的第一个目的是想提供一种微处理器控制的、设计简单且制造成本低的单相电动机。

本发明的另一个目的是想提供一种可编程的且构件较少的微处理器控制的单相电机。

本发明的再一个目的是想提供一种可编程以减少或避免在发生谐振的速度下工作的微处理器控制的单相电动机。

本发明还有一个目的是想提供一种用来驱动电扇的微处理器控制的单相电动机，它在由该电扇运动的空气静压达到不可接受的程度时可发出一警报。

本发明还有一个目的是想提供一种采用结构简单、成本低及可靠的电源开关网络的微处理器控制的单相电动机。

本发明还有一个目的是想提供一种微处理器控制的单相电动机，它具有一个起动模式，在该模式期间转子以期望的速率加速，同时限制电动机的最大电流。

本发明还有一个目的是想提供一种微处理器控制的单相电动机，它当探测到转子锁住时起用一个重启动模式。

本发明还有一个目的是想提供一种微处理器控制的单相电动机，它在正常运行的模式下具有一恒定的换向期。

本发明还有一个目的是想提供一种用来驱动电扇的微处理器控制的单相电动机，它有一个能避免超温运行而不需探测电流大小的安全工作区。

本发明还有一个目的是想提供一种微处理器控制的单相电动机，它结构简单，成本低及限流的电源供应。

本发明还有一个目的是想提供一种用来驱动电扇的由微处理器控制的单相电动机，它可以被编程为可在多种速度下工作，或被编程作为一个自动冷凝器控制的一部分。

在一构型中，本发明包括一个电直流电源驱动的电动机。一个定子具有一单相绕组。一个电源开关电路具有可选择地将直流电源接到单相绕组的电源开关。一个永久磁铁转子相对于该定子为磁耦合。在该定子上的一位置传感器探测转子的位置并提供一表明探测到的位置的位置信号。一个包括一可对该位置信号作出响应、并连接到电源开关电路的微处理器的控制电路，以该位置信号为函数，它可选择地转换电源开关，以换向该单相绕组。

在另一构型中，本发明包括一个由直流电源驱动的、用于带动电扇来移动空气的电动机。一定子具有单相绕组。一电源开关电路具有用来可选择地将该直流电源与该单相绕组接通的电源开关。一永久磁铁的转子相对定子为磁耦合并以驱动关系与电扇相接。一位于定子上的温度传感器用来探测对应于移动空气温度的温度及提供一个表明探测到的温度的温度信号。一控制电路包括一微处理器，可对该温度信号作出响应并被连接至电源开关电路，以可选择地打开和关闭该电源开关，从而以温度信号为函数对该单相绕组进行换向。

下面使本发明的其他目的和特征部分明显，部分被指明。

图1使以风扇形式的电动机分解的立视图；

图2使电动机定子组成部件的分解透视图；

图3是装配后电动机的垂直横截面图；

图4是定子和从其定子上的安装位置被分解开来的印刷电路板；

图5是从右侧看到的图1的罩的局部放大图；

图6是中央定位构件和转子轴轴承的侧正视图；

图7是其右端部正视图；

图8是定位构件和轴承的纵截面；

图9是定子的定子铁心的一端视图，以虚线示出了中央定位构件和通过定位构件定位的极片；

图10是定子铁心的一相反端的视图；

图11是在包括图10的线11-11的平面中取的一个截面；

图12是在转子轮毂与定子接合处电动机的大大放大的局部视图；

图13是在包括图5的线13-13的平面中取的一个截面，以虚线示出了印刷电路板，并示出了探针连接到罩中的印刷电路板上以及一个挡块；

图14是在包括图5的线14-14的平面中取的一个截面，以虚线示出了印刷电路板，并示出了与罩的插座分解的电源连接器插头；以及

图15是电动机的局部放大视图，示出了定子/转子部件与罩的咬合连接。

图16是根据本发明控制单相电动机的微处理器的框图；

图17是根据本发明的图16的电源示意图。或者，可以为DC输入或非双AC输入修改电源电路。

图18是用于根据本发明的图16电动机微处理器的低压复位的示意图；

图19是用于根据本发明的图16电动机的霍尔传感器的选通电路示意图；

图20是根据本发明的图16电动机的微处理器的示意图；

图21是根据本发明的图16电动机的霍尔传感器的示意图；

图22是用于使根据本发明的图16的电动机定子换向的H-桥箕舌线阵列示意图；

图23是本发明电动机的微处理器操作流程图，在一种操作模式下，电动机以某一速度和转矩在恒定的空气流量下被换向，所述速度和转矩由不包括谐振点的表所定义的。

图24是本发明电动机的微处理器在运行模式下(起动后)的操作流程图，在这种模式下，通过使每个电源开关具有最小的不工作时间使电动机保持在安全操作区域内而没有电流检测，最小不工作时间取决于转子的速度。

图25是起动模式的时序图，提供了基于速度的安全操作区域(SOA)控制。

图26是实现图25的时序图的一个最佳实施例的流程图，示出了提供基于速度的安全操作区域(SOA)控制的起动模式。

图27是提供基于速度的安全操作区域(SOA)控制的加速运转模式的时序图。

图28是在起动模式中预定次数的换向之后起动的运行模式下的本发明电动机的微处理器的操作流程图，其中在运行模式下，微处理器在恒定的换向周期使开关进行N次换向，其中换向周期作为速度、转矩或恒定的转子空气流量的函数每M次换向就对其进行调整。

在所有附图中，相应的参考字符表示相应的部分。

现在参考附图，尤其参考图1和3，根据本发明原理构造的电动机20包括定子22、转子24和外壳26(参考数字总体上指其对象)。在图示实施例中，电动机10的类型是转子磁铁在定子的外部，以风扇形式示出。因此，转子24包括具有风扇叶片30的轮毂28，风扇叶片与轮毂整体形成并从轮毂径向伸出。轮毂28和风扇叶片30由一件聚合材料组成。轮毂在一端开口并限定一个空腔，在空腔中，转子轴32安装在轮毂的轴上(图3)。当形成轮毂和风扇叶片30时，轴32通过模压到轮毂中与轴的端部一起的插入件34连接到轮毂28上。从图1中转子分解出来的转子磁铁35包括磁性材料和铁垫片。为简化起见，转子磁铁35在图中显示为整体材料。护铁也在形成轮毂时模压到轮毂空腔中。

下面将进一步描述的定子22基本封装在热塑性材料中。该封装材料还形成定子22的轴向伸出的腿36。每个腿36具有形成在该腿末端的爪钩38。由40总体表示的印刷电路板接收在装配好的电动机10中的腿36之间，并包括安装在板上的部件42，至少其中一个部件是可编程的。从板40突出的指44安装一霍尔器件46，当电路板放置在定子22的腿36之间时，霍尔器件46位于封装材料的内侧。在装配好的电动机10中，霍尔器件46紧密接近用于检测转子位置的转子磁铁35以控制电动机的操作。定子22也包括由48总体表示的中央定位构件，及一个由该定位构件围绕模制的轴承50。轴承50穿过定子22而接收转子轴32，用于将转子24安装在定子上以形成组件。转子24在穿过定子之后通过连接到转子自由端的E型夹片52而接附在定子22上。

外壳26包括通过三个辐条56接到环形缘58上的杯54。当装配电动机10时，辐条56和环形缘58大体限定一个围绕风扇叶片30的罩。在图示实施例中，杯54、辐条56和环形缘58由聚合材料形成一个件。杯54基本靠近左端(如图1和3所示)，但在右端开口，使得杯能接收部分定子/转子组件。环形缘58具有开口60，用于接收穿过缘将电动机固定在期望位置的紧固件，例如在冷藏情况下(未示出)。杯54的内部形成有接收各腿36的导向通道62(图5)。在每个导向通道62中，在杯54的闭合端附近形成凸肩64，该凸肩与腿上的爪钩38啮合，将腿连接到杯上(见图3和15)。杯54的直径从杯的开口端向闭合端变窄，使得腿36在装配后的电动机10中从其松弛的位置径向向内弹性偏斜，将爪钩38固定在凸肩64上。在杯54闭合端上的小开口6(图5)允许工具(未示出)插入杯中，将腿36从凸肩64上撬离，断开定子/转子组件与杯的连接。因此，能在修理或重新配置(例如，更换印刷电路板)时不损坏地拆卸电动机10。通过简单地将腿36插入杯54中直至它们咬成连接就可以重新装配电动机。

一种应用尤其适用于在特殊实施例中示出的电动机，该应用是用作冷藏柜的蒸发器风扇。在这种环境下，电动机暴露在水中。例如，可以通过将水溅入柜中来清扫柜。水将以图3所示方向从上到右溅到电动机10上，这可以在电动机上的开口或连接处进入电动机。虽然定子22的封装提供了保护，但希望限制进入电动机的水量。进水的一个可能之处是转子的轮毂28和定子22的接合处。图12示出了该接合处的放大片段视图。在该接合处形成封装定子的热塑性材料，建立曲折的路径68。而且，形成从定子向外径向延伸的外裙70。外裙70的外边缘72成斜角，使得从右引入的水偏转，离开接合处。

允许定子/转子组件的连接被释放的开口66易受进入杯中的水的影响，从而可能干扰电路板的工作。包括部件42的印刷电路板40被封装起来，以使其免受水汽的影响。但是，仍然不希望水进入杯中。因此，开口66的结构适于防止进水。现在参考图15，大大放大的其中一个开口66的视图示出了径向外边缘66a和径向内边缘66b。这些边缘位于与平面P2成一角度的平面P1中，平面P2大体与至少约45°的转子轴的纵轴线线平行。据认为，水以不大于45°的角度溅到电动机上。因此，可见，水没有直接的路径进入开口66，当水以成45°或更小角度的路径行进时，它将冲击杯54的侧面，或者越过开口，但不会进入开口。

外壳26的杯54也构造成适于防止电动机下述的故障，这些故障可能是在冷藏环境下使用电动机10时在杯内形成的冰造成的。具体地说，印刷电路板40有安装在电路板上且从电路板向外伸出的电源触点74(图4)。这些触点与杯54内形成的插座76的内端部对准。参考图14，插座76接收连接到远离电动机的电源插头。外部控制(未示出)也通过插头78连接到印刷电路板40。插座76和插头78具有相应的矩形横截面，使得当插头插入时，基本接通插座。

当插头78充分插入插座76中时，印刷电路板40上的电源触点74被接收进插头中，但仅仅是部分地。插座76形成有凸头80(靠近其内端部)，凸头80啮合插头78并限制插头插入插座中的深度。结果，即使在插头完全插入插座76中时，插头78也与印刷电路板40隔开。在最佳实施例中，间隔约0.2英寸。但是，相信约0.05英寸的间隔会令人满意地工作。尽管电源触点74部分接收到插头78中，但仍形成电连接。当在某种冷藏环境中使用电动机10时，由金属制成的电源触点74的暴露部分将可能形成冰。但是，因为插头78和印刷电路板40是隔开的，冰的形成不在插头和电路板之间产生将推动插头进一步远离电路板、断开电连接的压力。在暴露的电源触点74上可以且仍将形成冰，但这不会造成断开连接或者损坏印刷电路板40和插头78。

如图13所示，印刷电路板40还有用于对电动机10进行编程的单独的一组触点82。这些触点82与通常被可移动地收入端口中的挡块86闭合的杯54中形成的管状端口84对准。当移走挡块86时，端口能接收与印刷电路板40上的触点82连接的探针88。探针88与微处理器或类似设备(未示出)连接，用于编程或者，重要地是，在电动机完全装配好后对电动机的操作进行重新编程。例如，能改变电动机的速度，或者能改变起动前的延迟。在冷藏内容中的另一个例子是能对电动机进行重新编程，以便对不同输入进行操作，例如当采用解冻要求时。端口84和可移走的挡块86的存在使电动机能在电动机的总装和在给定应用中安装电动机很长时间之后被重新编程。

端口84被键合上，使得探针仅能以一条路径插入端口中。如图5所示，以端口84一侧上的槽90表明键合结构。探针有相应的脊，当探针相对于槽以正确方式取向时，脊被收入槽中。通过这种方式，可正确地将探针88与编程触点连接。如果探针88不正确取向，它就不会被接收到端口84中。

如图2所示，定子包括由92整体表示的定子铁心(或线圈架)，它由聚合材料制成，绕组94绕铁心缠绕。绕组引线终止在与定子铁心92一体形成的端头袋96中，引线插头98收入端头袋中。引线插头98以适当的方式连接，例如通过焊接接到印刷电路板40上。但是，可以理解，能使用其他实现电连接的方式而不脱离本发明的范围。人们预想，能使用插入型连接(未示出)以便不需要焊接。

通过由100总体表示的八个独特极片提供在定子22中传导磁通的铁磁材料。每个极片具有大体U-型且包括径向内腿100a、径向外腿10b和连接横挡100c。每个极片100最好通过压印由薄钢板形成的相对薄的U-形叠片并将叠片层叠起来而形成，从而形成极片100。叠片以适当的方式固定在一起，例如通过熔焊或机械互锁。一种形式的叠片(具有长径向外腿)形成极片100的中部，另一种形式的叠片形成侧部。应当指出，一个极片(图2中用100’表示)不具有一个侧部。这是有意这样做的，以便为霍尔器件46的插入留出空间，这将在下文描述。极片100安装在定子22的各个端部上，使得每个极片的径向内腿100a被收入定子铁心的中央开口102中，径向外腿100跨过部分绕组沿定子铁心的外部轴向延伸。离装配后的电动机中转子磁铁最近的径向外腿100b的径向面向外的侧面的中部形成有凹口100d。有磁力地，当电动机停止时，凹口100d易于转子磁铁35相对于极片100的积极定位。极片也能由磁性材料模压而不脱离本发明的范围。在某些低功率应用中，可能存在由金属压印的单个极片(未示出)，但具有多个(例如4个)限定极片的腿，向下弯曲跨过绕组轴向延伸。

通过定子铁心92和由104总体表示的中央定位构件将极片100固定定位。极片的径向内腿100a定位在中央定位构件104和定子铁心的中央开口102中的定子铁心92的内直径之间。内腿100a的中部由组成外腿100b的中部的相同的叠片形成，比内腿的侧部宽。每个极片内腿100a的中部的径向内腿收进在定位构件104中形成的各个座104a中，以接受极片的中部。座104a布置成使极片100在定位构件104周围不对称定位。没有通过定位构件104纵轴线并与座104a相交的平面垂直平分座或通过座定位的极片100。结果，径向外腿100b和转子24的永磁铁35之间的间隙是不对称的，便于起动电动机。

内腿100a的径向外缘接合定子铁心中央开口102的内直径上的肋106。肋106的结构如图9-11所示。为每个极片100提供一对肋(106a、106b等)。从图9和10明显看出的肋106的不同的角位反映极片100的角位移。极片和中央定位构件104在图9中已经以虚线示出，示出了每一对如何与定子铁心一端上的特殊极片相关联。肋106d’的其中之一是特殊构造的，用于不平衡的极片100’的定位，并与内腿100a’而不是其径向外腿的侧面啮合。另一个与不平衡的极片相关联的肋106d径向厚度更小，因为它啮合内腿100a’的较宽中部的径向外边缘。

中央定位构件104建立了每个极片100的径向位置。正如以下更充分讨论的，装配时可以通过内腿100a剪切肋106的一些初始径向厚度，以适应定子铁心92、极片100和中央定位构件104中的公差。每个外腿100b的径向内缘定位在形成于定子铁心92的周边上的凹口108中。现在参考图6-8，中央定位构件104具有相对的端部，所述端部形状基本相同，但关于中央定位构件的纵轴线角位移45°(特别见图7)。位移为定子铁心92每端上的四个极片100中的每个提供相应的位移，从而安装到定子铁心上而不干扰相对端部上的一个极片。显然，角位移由极片100的数量决定(即，360°被极片数分割)，并且如果采用不同的极片数，角位移是不同的。为了容纳不同数量的极片100，相应改变中央定位构件104的形状。如图8所示，围绕金属转子轴轴承110模压中央定位构件104，金属转子轴轴承110在电动机10寿命期间是自动润滑的。定子铁心92、绕组94、极片100、中央定位构件104和轴承110都封装在热塑性材料中形成定子22。金属转子轴轴承110的端部不覆盖封装材料，使得可以通过轴承接收转子轴32，从而将转子24安装在定子22上(见图3)。装配方法

上面已经描述了电动机10的构造，现在描述一种优选装配方法。首先，制造电动机的组成部件。这些部件构造的精确顺序不是关键的，可以理解这些部件中一部分或全部部件可以在边远地区制造，然后运到总装地点。通过将磁铁35和转子轴32放在一个模子中形成转子24，转子轴在一端具有插入件34。围绕磁铁35和转子轴32模压轮毂28和风扇叶片30，使得它们牢固地固定在轮毂上。外壳26也通过将将杯54、辐条56和环形缘58模压成一件形成。正如将描述的，杯54内部形成有用于固定印刷电路板40的肋112(图5)。通过将部件42连接到板上而以传统方式形成印刷电路板40。在最佳实施例中，编程触点82和电源触点74射入电路板40中，而不是通过焊接安装(图4)。霍尔器件46安装在指44上，指44从板延伸并电连接到板上的部件42。

定子22包括在定子装配之前形成的若干组成部件。围绕轴承110通过模压形成中央定位构件104，它是由青铜制成的。轴承110的端部从中央定位构件104伸出。然后为轴承110充以润滑剂，这些润滑剂足以在电动机10的寿命内不坏。模压定子铁心92(或线圈架)，缠绕磁线并引出终端，在定子铁心上形成绕组94。极片100是通过从薄钢板上冲压多片薄的大体为U形的叠片而形成的。如上所述，最好叠片有两种不同的形式。将叠片层叠在一起并焊接起来，形成每个U形的极片100，具有较长外腿和较宽内腿的叠片形成极片的中部。但是，一个极片100’被形成为无侧部，以便为霍尔器件46留出空间。

定子22的组成部件装配在按压夹具中(未示出)。将安装在定子铁心92一端上的四个极片100在由夹具设定的位置上放置在夹具中，夹具相对于将成为转子轴32的旋转轴分开90°。极片100的定位使得它们向上开口。中央定位构件104和轴承110以需要的取向放置在夹具中并延伸通过定子铁心92的中央开口102。极片内腿100a的中部的径向内边缘被收入中央定位构件104一端上形成的各个座104a中。绕线的定子铁心92放置到夹具中，通常在先放在夹具中的极片上方。其他四个极片100在定子铁心92上面放在夹具中，但当装配完成时，它们将相对于定子铁心呈现在相同的角位置。在定子铁心92上的极片100向下开口，定位在从夹具底部上的极片位置偏移45°的位置上。

闭合按压夹具，促使它将极片100推到定子铁心92上。极片100的内腿100a的径向内腿啮合中央定位构件的各个座104a。座104a设置它啮合的极片100的径向位置。极片100的内腿100a进入定子铁心92的中央开口102并啮合伸入中央开口中的定子铁心上的肋106。由制造公差造成的不同于中央定位构件104、极片100和定子铁心92的设计标准的径向尺寸，由内腿100a剪切通过极片啮合的肋106的一些材料而被包容。当极片100被压入定子铁心92中时出现剪切动作。因此，从极片的径向位置完全去除了定子铁心92的公差。极片100的径向位置必须得到严密控制，以便保持极片和转子磁铁35之间的气隙尽可能小却没有定子22和转子24的机械干涉。

装配后的定子铁心92、极片100、中央定位构件104和轴承110放置在一个模子中，并基本封装在适当的耐火热塑性材料中。轴承110的端部在模压过程中被涂层，并保持无封装材料。用于实现与绕组94电连接的引线插头98也不被封装材料完全覆盖(见图4)。外裙70和腿36由相同材料形成，它们封装定子的其余部分。腿36最好较长，大致为加工封装后定子长度的三分之一。为了结构更坚固，其长允许腿36做得较厚，同时允许卡合连接到外壳26所需的弹性弯曲。除了腿36和外裙70之外，形成两个定位柄脚114，它们以与腿相同的方向轴向伸出，当形成连接时，要求定子22相对于外壳26处于特殊的角度方向上。更进一步，形成印刷电路板支撑。其中两个采用块116的形式，从其中一个伸出引线插头98，另外两个是柱118(仅示出了其中一个)。

然后将封装好的定子22与转子24装配，形成定子/转子组件。止推垫圈120(图3)放在转子轴32上并向下滑动到轮毂28中的转子轴的固定端。止推垫圈120在能吸收振动的一侧上有橡胶型材料，在另一侧上由低摩擦材料以易于与定子22滑动啮合。止推垫圈120的低摩擦材料侧轴向向外面对轮毂28的开口端。定子22则落入轮毂28中，转子轴32穿过轴承110而接纳在定子的中央。轴承110的一端接合止推垫圈120的低摩擦侧，使得轮毂28能相对于轴承自由转动。在轴承110的自由端上放置另一个止推垫圈122，在转子轴32的端部上形成E型夹片52，使得轴不能后退通过轴承。因此，转子24可靠地安装在定子22上。

印刷电路板40被固定到定子/转子组件上。为图示简明，除了移走了转子24以外，图4中示出了印刷电路板40的装配。在定子22的三个腿36之间推动印刷电路板40。印刷电路板40的指44收入在封装内形成的开口124中，使得指那端上的霍尔器件46定位在紧接于不均衡的极片100’的封装内，极片被做成没有一个侧部分，以便为霍尔元件提供空间。最靠近定子22的的印刷电路板40的侧面接合块116和柱118，该块和柱将电路板固定在与定子隔开的预定位置上。从定子22伸出的引线插头98通过两个开口126收入电路板40中。引线插头98以适当方式例如焊接与部件42电路板电连接。引线插头98连接到板40上是印刷电路板与定子22的唯一固定连接。

定子/转子组件和印刷电路板40则连接到外壳26上，完成电动机的装配。腿36与杯54中的各个通道62对准，柄脚114与杯中形成的凹口128对准(见图5和14)。腿36因为柄脚14的存在以唯一一个方向收入杯54中。将定子/转子组件推入杯54中。腿36的自由端在其外端部上成斜角，从而易于使腿进入杯54中。杯稍微朝向其闭合端逐渐变细，当进入杯中并被进一步推入其中时，腿36从其松弛的结构向内偏斜。当每个腿端部的爪钩38跳过通道62内端部上的凸肩64时，腿36径向向外挤，使得爪钩啮合凸肩。腿36仍从其松弛位置偏斜，使得它受偏压而径向向外倾斜，从而将爪钩38固定在凸肩64上。爪钩38与凸肩64的啮合防止定子/转子组件和印刷电路板40从杯54中抽出。从而不用任何紧固件而通过咬在一起的结构将电动机10充分装配好。

印刷电路板40通过与杯54中的肋112静配合被固定就位。当定子/转子组件进入杯54中时，电路板40的周边啮合肋112。肋比印刷电路板材料硬，从而肋112使印刷电路板局部变形，形成干涉配合。通过这种方式，不用任何紧固件就将印刷电路板40固定就位。印刷电路板40的角度取向通过其连接到定子22的引线插头98来设定。编程触点82则与端口84对准，电源触点74与杯54中的插座76对准。也应预想到，可以在与杯54没有任何干涉配合的情况下将印刷电路板40固定到定子22上。例如，形成在定子22上的柱(未示出)可以延伸通过电路板并接收其上靠着电路板的推进螺母，从而将电路板固定在定子上。

在最佳实施例中，在电动机总装之前没有对电动机10进行编程或测试。装配之后，通过端口和插座76将成组的连接器(未示出，但实质上是探针88和插头78)连接到印刷电路板44上。然后对电动机编程，例如设定速度和起动延迟，并进行测试。如果发现电路板40有缺陷，在不丢弃电动机的其他部件的情况下，非破坏性地拆卸电动机并更换电路板是可能的。则通过将工具(未示出)插入杯54的闭合端上的开口66中并探查制动器38脱离凸肩64来实现。如果电动机通过质量保证测试，则将挡块86放在端口84中，准备装运电动机。

本发明的电动机能在其已经从电动机装配地点装运之后对电动机10重新编程。终端用户，例如冷藏柜制造商，能从端口84除去挡块86，并通过端口将探针88连接到编程触点82上。可以根据需要对电动机进行重新编程，以在电动机的操作说明书中容纳终端用户所作出的变化。

例如在冷藏柜中，能够经开口62将紧固件(未示出)插入环形缘58并插入柜中来安装电动机10。因此，外壳26能通过将环形缘68连接到支撑结构上来支撑整个电动机。通过将插头78插入插座76中(图14)将电动机连接到电源上。插头78侧面上的定位销130(仅示出一个)被收入舌片132各侧面上的槽中，从而将插头锁在插座76中。在啮合印刷电路板40之前，插头78啮合插座76中的定位凸头80，使得在其完全插入的位置上，插头与印刷电路板隔开。结果，电源触点74充分插入插头78中形成电连接，但未被充分收入插头中。所以，尽管在冷藏柜环境下冰能形成在电源触点74上，但不会形成在插头78合印刷电路板40之间造成断开连接和/或损坏。

图16是根据本发明控制单相电动机500的微处理器的框图。电动机500由AC电源501供电。电动机500包括具有单相绕组的定子502。来自电源501的直流电经电源电路53提供给电源开关电路。电源开关电路可以是使定子502换向的任何电路，例如具有电源开关的H-桥504，用于将直流电源501选择性地连接到定子502的单相绕组上。永磁转子506与定子成磁耦合关系，并通过绕组的换向以及由此建立的磁场进行旋转。优选地，电动机是“反结构”电动机，在这种电动机中，定子在转子的内部，外部转子绕内部定子旋转。但是，也考虑转子可以位于外部定子之内或外部定子的内部。

位置传感器例如霍尔传感器508位于定子502上，用于检测转子506相对于绕组的位置以及通过线510提供检测到的表示转子506位置的位置信号。参考字符512通常指控制电路，控制电路包括经线510响应并接收位置信号的微处理器514。微处理器514连接到H-桥504，用于选择性地对其电源开关进行换向，从而作为位置信号的函数对定子502的单相绕组进行换向。

由线516将电压VDD从电源电路503提供给微处理器514。低压复位电路518监视线516上并提供给微处理器514的电压VDD。当由线516提供给微处理器的电压VDD从预定阈值以下转变到预定阈值以上时，复位电路518选择性地复位微处理器514。阈值通常是微处理器514操作所需的最小电压。所以，复位电路518的目的是在由线516提供的电压VDD降到微处理器514操作所需的预设最小值以下的情况下维持微处理器的操作和重新建立微处理器的操作。

随意地，为了节约能量，由微处理器514控制的霍尔选通电路520可以间歇性地向霍尔传感器508供电，对提供给霍尔传感器的电源进行脉宽调制。

微处理器514具有接收影响电动机500控制的信号的控制输入522。例如，在为操作转子而对微处理器进行编程使得定子以两个或多个离散速度进行换向的情况下，该信号可以是速度选择信号。或者，可以根据温度以连续变化的速度或转矩控制电动机。例如，代替或者与霍尔传感器508在一起，可以提供任意温度传感器524来检测电动机周围环境空气的温度。该实施例在转子506驱动风扇时尤其有用，所述风扇使空气通过冷凝器以驱除冷凝器产生的热或者使空气通过用于冷却的蒸发器，如图1-15所示的实例。

在一个实施例中，处理器间隔时钟响应电动机周围运动的空气的温度，并提供指示检测到的温度的温度信号。对于风扇正将空气吹入冷凝器中的冷凝器应用中，温度表示环境温度，调整速度(气流)，以所测量的温度提供最低需要的气流，从而使热传递过程最优化。当风扇正推动冷凝器上方的空气时，温度表示环境温度加上通过气流从冷凝器驱除的热所增加的温度变化。在这种情况下，电动机速度响应较高的组合温度(通过提高电动机转矩即缩减电源设备不工作时间PDOFFTIM；见图26)而被增加。附加地，电动机可以为不同温度带设定速度以给出不同的气流，该气流在给定的风扇静态压力条件下将是明显恒定的气流。同样地，在冷凝器应用中，以期望速度运行电动机所需的转矩表示电动机上的静态负载。通过安装在受限制的环境中即室内安装冰箱或者因为冷凝器气流由于灰尘堆积或瓦砾而受到限制能导致更高的静态负载。这些条件都可以保证增加气流/速度。

类似地，在蒸发器应用中，增大的静态压力指明了蒸发器结冰或增大了冷却物品的存储密度。

在一个商业制冷应用中，蒸发器风扇从气帘拉出空气并且从出口空气冷却食物。风扇的排气通过蒸发器。入口空气温度表示气帘和食物出口气体温度。适当调整风扇速度以维持期望的温度。

或者，微处理器514可以以可变速率对开关进行换向，从而保持通过连接到转子506的风扇运动的空气的基本恒定的气流速率。在这种情况下，当电动机速度大于对应于恒定气流速率的期望速度时，微处理器514通过激活警报528提供报警信号，电动机以所述恒定气流速率进行操作。至于期望转矩，可以作为电动机初始静态负载和时间范围内静态负载变化的函数由微处理器确定期望速度。

图23示出了本发明的最佳实施例，在该实施例中，根据其中的流程图对微处理器514进行编程。尤其是，图23的流程图示出了一种模式，这种模式是：电动机以对应于速度和转矩的恒定气流速率进行换向，速度和转矩由不包括谐振点的表定义。例如，当转子正在驱动风扇使冷凝器上的空气运动时，电动机将具有特定速度，在这一速度下，将发生谐振，导致振动增大和/或声音噪声增大。这种出现振动和/或噪声的速度通常相同或相似且可预测的，尤其在电动机及其相关联的风扇制造成相当接近公差时。所以，振动和噪声能通过对微处理器进行编程而达到最小，从而避免在发生振动或噪声的特定速度或在特定速度范围内操作。如图23所示，微处理器514以下列方式操作。起动后，在步骤550，微处理器设定目标变量I对应限定恒定气流速率的初始起动速度指针。例如，I=0。接着，微处理器进行步骤552，从表中选择速度设定点(SSP)，该表使变量等级0到n的每一个与对应的速度设定点(SSP)相关，与对应的最小功率的电源设备不工作时间(PDOFFTIM=Pmin)相关，与对应的最大功率的电源设备不工作时间(PDOFFTIM=Pmax)相关。

注意，随着PDOFFTIM增大，由于受控电源开关在每次换向期间断开更长时间，因此电动机功率减小。所以，图23是该方案的流程图。本领域的其他技术人员将认识到控制电动机功率的其他等价技术。在步骤554中使电动机稳定的延迟之后，微处理器514从通过与所选变量I的等级相关联的最小功率级提供电流控制的表中为最小功率级(Pmin)选择PDOFFTIM。在步骤558中，微处理器从通过与所选变量等级I相关联的最大功率级提供电流控制的表中为最大功率级(Pmax)选择PDOFFTIM。

在步骤560，微处理器将表示实际功率级的实际PDOFFTIM与用于该I的最小PDOFFTIM(Pmin)相比。如果实际PDOFFIIM大于最小PDOFFTIM(PDOFFTIM＞Pmin)，微处理器继续进行步骤562，并将变量等级I与最大值n相比较。如果I大于或等于n，微处理器继续进行步骤564，将I设为等于n。否则，I必须小于用于I的最大值，所以微处理器514继续进行步骤566，通过一个步骤增大I。

在步骤560，如果微处理器514确定实际PDOFFTIM小于或等于最小PDOFFTIM(PDOFFTIM≤Pmin)，则微处理器继续进行步骤568，将表示实际功率级的实际PDOFFTIM与用于该I的最大功率级(Pmax)相比较。如果实际PDOFFTIM小于最大值Pmax(PDOFFTIM＜Pmax)，微处理器继续进行步骤570，将变量等级I与最小值0相比较。如果I小于或等于0，微处理器继续进行步骤572，将I设为等于0。否则，I必须大于用于I的最小值，那样微处理器514继续进行步骤574，通过一个步骤减小I。

如果实际PDOFFTIM小于或等于最小值且大于或等于最大值，使得两个步骤560和568的答案都是否，则电动机以提供期望气流所需的速度和功率进行操作，那样微处理器返回步骤552，保持其操作。

或者，可以用一种算法对微处理器514进行编程，所述算法定义开关被换向时的变化率。除了从预设范围中排除预定义的速度范围S1+/-S2之外，该变化率可以在至少最小速度Smin且不超过最大速度Smax的预设范围之间连续变化。结果，对于S1-S2和S1之间的速度，微处理器以S1-S2操作电动机，对于S1和S1+S2之间的速度，微处理器以速度S1+S2操作电动机。

图22是根据本发明组成具有电源开关的电源开关电路的H-桥504的示意图，但也可以使用其他配置，例如两个绕组，这两个绕组是单端或U.S专利5，859，519的H-桥结构，在此将该文献记载于此以供参考。经轨线600向输入开关Q1和Q2提供直流输入电压。输出开关Q3通过选择性地将开关Q2和定子502连接到接地轨线602上完成一个电路。输出开关Q4通过选择性地将将开关Q1和定子502连接到接地轨线602上完成另一个电路。输出开关Q3由开关Q5控制，开关Q5经端口BQ5接收控制信号。输出开关Q4由由开关Q8控制，开关Q8经端口BQ8接收控制信号。当开关Q3闭合时，线604向下拉Q1的栅极，断开开关Q1，使得开关Q1在开关Q3闭合时总是断开的。类似地，线606确保开关Q2在开关Q4闭合时是断开的。

定子502的单相绕组具有第一端子F和第二端子S。结果，开关Q1构成连接在端子S和经轨线600提供的电源之间的第一输入开关。开关Q3构成连接在端子S和接地轨线602之间的第一输出开关。开关Q2构成连接在端子F和经轨线600提供的电源之间的第二输入开关。开关Q4构成连接在端子F和接地轨线602之间的第二输出开关。结果，微处理器控制第一输入开关Q1和第二输入开关Q2以及第一输出开关Q3和第二输出开关Q4，使得在图27所示换向周期的第一个90°期间提供运转电流。第一个90°由于噪声和效率的原因是重要的并应用到该电源设备拓扑结构中(即Q3或Q4分别断开时Q1或Q2总是“接通”)。PDOFFTIM时在软件电源控制算法中使用的术语。当第一输出开关Q3断开时，第一输入开关Q1闭合。类似地，第二输入开关Q2连接并响应第二输出开关Q4，使得当第二输出开关Q4闭合时，第二输入开关Q2断开。而且，当第二输出开关Q4断开时，第二输入开关Q2闭合。这在图27中示出，其中示出了在任一瞬时时间，Q1的状态与Q3的状态相反，Q2的状态与Q4的状态相反。

图26示出了起动模式的时序图，通过设置与电动机速度相对的PDOFFTIM确定电流最大值。在这种模式下，通过软件以连续模式对电源设备进行脉宽调制，使电动机起动。目前的起动算法在起动模式下保持八次换向，然后进入RUN模式。类似的算法能通过选择与速度相对的PDOFFTIM的正确设定值近似恒定加速。在步骤650，值HALLIN是恒值，该恒值定义了霍尔元件读数的起动值。当实际霍尔元件读数(HALLOLD)在步骤652上改变时，在步骤654将HALLIN设为与HALLOLD相等，根据RPM在步骤656改变PDOFFTIM。

图25示出了选通的霍尔效应输出(HS3)改变状态时控制电动机的微处理器输出(BQ5和BQ8)。在该例中，正在对BQ5进行脉宽调制，同时HS3为0。当HS3(选通的)变为1时，存在用于微处理器的有限时间段(LATENCY)来识别磁性变化，此后，BQ5处于断开状态，使得BQ8开始脉宽调制(在PWMTIM期间)。

图24示出了本发明的另一个方面，其中微处理器在运行模式安全操作区域内工作而无须电流检测。尤其是，根据图24，微处理器514控制输入开关Q1-Q4，使得每个输入开关在每个脉宽调制期间内打开或断开最少时间段(PDOFFTIM)，从而在无须电流检测的情况下提供过温度保护。具体地说，最少时间段可以是转子速度的函数，从而通过限制时间范围内的总电流，在不进行电流检测的情况下提供过温度保护。如图24所示，如果速度大于最小值(即如果A＜165)，将A设为165，绕过且不要求SOA极限；如果速度小于(或等于)最小值(即如果A≥165)，则图24的程序确保开关断开一个最少的时间段以限制电流。“A”是可变的，通过一个等式来计算，该等式表示给定速度(速度为一个常数乘以1/TINPS，其中TINPS是电动机周期)下PDOFFTIM最小值。那么，如果PDOFFTIM是小于A的，PDOFFTIM设为A，使得电动机在电动机运行速度下保持为最大期望值。

如图18所示，电动机包括复位电路512，该电路在电源电压vdd从预定阈值以下转变为预定阈值以上时选择性地复位微处理器。尤其是，当电阻器R16和R17之间的分压低于预定阈值时，开关Q6经端口MCLR/VPP使微处理器不起作用。当电压回到预定阈值以上从而使开关Q6闭合时重新激活并复位微处理器。

图19示出了用于霍尔传感器508的选通电路520的一个最佳实施例。微处理器产生脉宽调制后的信号GP5，由线HS1通过间歇性地闭合开关Q7并向霍尔传感器508提供电压VB2，如图21所示，脉宽调制后的信号GP5间歇性地向霍尔传感器508供电。

图17是电源电路503的示意图，电源电路503经H-桥504提供用于向定子单相绕组赋能的电压Vin，并且还提供控制H-桥504和驱动微处理器514的各种其他电压。尤其是，为开关Q1-Q4提供控制电压的包括VB2的低驱动电压、用于驱动微处理器的VDD、用于驱动霍尔传感器508的HS2以及不必须参考输入交流或直流电压的控制电路参考地VSS都是经无损耗直列串联电容器C1由输入电压Vin供电的。

图20示出了微处理器514的输入和输出。尤其是，仅使用来自位置传感器的一个单输入GP4提供信息，所述信息控制加到开关Q5以控制输出开关Q3和输入开关Q1的控制信号BQ5的状态和控制加到开关Q8以控制输出开关Q4和输入开关Q2的控制信号BQ8的状态。输入GP2是任选输入，用于选择电动机速度和其他特征，或者可以被连接，用于在与热敏电阻524组合时接收温度输入比较器输出。

图28示出了运行模式的一个最佳实施例的流程图，在该模式下，电源设备是电流控制的。在该模式下，应用以下工作参数：

电动机运行电源设备(电流)控制

●在每次换向结束时，计时电源设备下次将断开，计算换向周期。

OFFTIM=TINP/2。(换向周期被2除=90°)。同时在起动程序中，也这样计算。

●在八次换向之后(电动机回转数为1)且在开始程序退出时，计算PWMTIM：

PWMTIM=OFFTIM/4

●在每个换向周期开始时，将计数器(COUNT8)设为5，要求在此次换向期间接通电源设备四次：

PWMSUM=PWMTIM

PDOFFSUM=PWMTIM-PDOFFTIM

TIMER=0

(PDOFFTIM用于控制电动机中的电流量，并在控制算法(SPEED,TORQUE,CFM等)中进行调整。

●在每个选通的霍尔变化处将换向时间设为0,HALLOLD是保存的霍尔选通值。

在电动机运行期间，在每个换向周期中执行图28的流程图。尤其在步骤702，首先检查换向时间，看看电动机一直处于该电动机位置的时间是否长达一个时间周期，在该例中为32mS。如果是，指示锁定电动机，程序进入步骤704的锁定电动机程序。否则，程序在步骤706查看换向时间是否大于OFFTIM；如果是，换向周期大于90电角度，程序分支到步骤708，断开低功率设备并在步骤710退出程序。接着，在步骤712将换向时间与PWMSUM相比较。如果小于PWMSUM，在步骤714检查换向时间，看看它是否小于或等于PDOFFSUM，如果确实如此，在步骤716退出程序；否则程序分支到步骤708(如果步骤714为是)。

对于换向时间大于或等于PWMSUM的其他情况，在步骤718,PWMSUM和PDOFFSUM将PWMTIM与它们相加，从而为下一个脉宽调制周期作准备，并将变量A设为COUNT8-1。

如果在步骤720中，A等于零，用于该换向周期的脉宽调制(4个脉冲)是完整的，程序分支到步骤708，从而断开低功率设备并退出该程序。如果A不等于零，则在步骤722将COUNT8(为定义每次换向限定PWM次数的一个变量)设为A；接通适当的低功率设备；在步骤716退出该程序。用更快的处理器能实现每换向周期更多的PWM计数。对于较慢的处理器来说，每换向周期四个(4)PWM是优选的，而对于较快的处理器来说，八个(8)是优选的。

图27示出了用于此目的时序图。在步骤704的锁定转子程序中，一进入，就将低功率设备断开1.8秒，此后，尝试正常起动。根据上述观点，可见实现了本发明的若干目的并获得了其他有利结果。

可以在不脱离本发明的范围内对上述结果作出各种变化，说明书和附图中包含的所有实施例都是解释性而非限制性的。

Claims

1．一种由直流电源驱动的电动机，包括：

一具有一单相绕组的定子；

一电源开关电路，具有可选择地将直流电源接到该单相绕组的电源开关；

一个相对所述定子为磁耦合的永久磁铁转子；

一在上述定子上的位置传感器，用来感知所述转子的位置并提供表示探测到的位置的位置信号；以及

一个包括一微处理器的控制电路，可对所述的位置信号作出响应，并连接到上述电源开关电路，用来以上述位置信号为函数，可选择地换向电源开关，以对该单相绕组换向。

2．如权利要求1的电动机，其中该微处理器以不同的速率来换向所述的开关，但排除至少一个对应于会引起谐振的速率。

3．如权利要求2的电动机，其中电机驱动一风扇，所述微处理器以一可变的速率换向所述的开关，以将由风扇驱动的空气维持在一基本恒定的空气流动速度上，而所述的可变速度不包括引起风扇谐振的速率范围。

4．如权利要求3的电动机，其中所述微处理器包括一种限定上述可变速率的算法，使速率在一预设的、至少在最小速度Smin及不超过最大速度Smax的范围内连续变化，但从预设范围内排除预定的S₁+/-S₂的速度范围，对于速度在S₁-S₂及S₁之间，微处理器使电机在S₁-S₂速度下运行，对于速度在S₁及S₁+S₂之间，微处理器使电机在S₁+S₂下运行。

5．如权利要求3的电动机，其中所述电动机驱动一风扇，所述微处理器以一可变的速率对所述的开关换向，以将由风扇驱动的空气维持在一基本恒定的空气流动速度上，而所述的速率由一排除了电扇谐振速度范围的表所限定。

6．如权利要求5的电动机，其中所述的表包括速度设定点，每一速度设定点的最小转矩及每一速度设定点的最大转矩，其中微处理器以相应于该最小和最大转矩之间的一个速度的速率换向所述的开关。

7．如权利要求1的电动机，其中所述转子驱动一电扇，该微处理器以可变的转矩速率换向所述的开关，以维持一基本恒定的速度，当电动机转矩大于对应的在所述基本恒定的速度下期望的转矩时，该微处理器提供一报警信号。

8．如权利要求7的电动机，其中所期望的转矩是依电动机初始静荷载及静荷载随时间的变化的函数由微处理器决定的。

9．如权利要求1的电动机，其中所述转子驱动一风扇，以及所述微处理器以一可变的速率换向上述的开关，以维持一个基本恒定的、由所述电扇移动的空气流动速度，当电动机速度大于对应的在基本恒定的空气流速下的一期望的速度时，微处理器提供一报警信号。

10．如权利要求9的电动机，其中所期望的速度是依电动机初始静载荷及静荷载随时间的变化的函数由微处理器决定的。

11．如权利要求1的电动机，其中该单相绕组具有第一和第二端子，该电源开关电路包括H-桥，后者具有一接在该第一端子与电源之间的第一上开关、接在第一端子与地线之间的第一下开关、接在该第二端子与电源之间的第二上开关及接在第二端子与地线之间的第二下开关，其中该微处理器以下述方式控制上述的第一和第二上开关及第一和第二下开关，使得该第一上开关与第二下开关同时打开，或第二上开关与第一下开关同时打开。

12．如权利要求11的电动机，其中该微处理器控制第一和第二下开关，该第一上开关连接到第一下开关并可作出响应，使得当第一下开关闭合时该第一上开关打开，当第一下开口打开时该第一上开关闭合，而该第二上开关连接到该第二下开关并可作出响应，使得当第二下开关闭合时该第二上开关打开，当第二下开关打开时该第二上开关闭合。

13．如权利要求1的电动机，其中该微处理器被编程为实施一起动模式，该输出开关之一以该位置信号所示的转子位置为函数，在一段预定的时间内可选择地进行闭合，从而在起动模式期间，所述转子受到一基本恒定的力加速。

14．如权利要求13的电动机，其中在该起动模式下转子转过一给定的转数以后，当位置信号所示的转子速度小于一预设的最小速度时，进行一锁定转子的程序。

15．如权利要求14的电动机，其中该锁定转子的程序在一预定的时间内使电路开关打开，然后进行起动程度。

16．如权利要求13的电动机，其中在起动模式下微处理器在进行一给定的换向数后进行一运行的程序。

17．如权利要求16的电动机，其中在运行模式中，该微处理器在一恒定的换向段为N次换向而转换所述的开关，该换向段以转子速度、转矩及上述的恒定流速为函数每隔M次换向作出调整。

18．如权利要求17的电动机，其中微处理器控制该输入开关，使得在每个换向段，每个输入开关均在一最小的预定时间段内打开，从而在无电流传感的情况下提供超温保护。

19．如权利要求1的电动机，其中微处理器控制该输入开关，使得在每个换向段，每个输入开关在一最小预定的时间段内打开，而该最小预定的时间段为转子速度的函数，从而在无电流传感的情况下提供超温保护。

20．如权利要求1的电动机，还包括一复位电路，当电源电压从低于一预定的门限值至高于一预定的门限值转变时可选择地复原该微处理器。

21．如权利要求1的电动机，还包括位于直流电源与电源开关电路之间的电源电路，所述的电源电路包括一个无损耗的电流限制电路，后者具有一只与直流电源串联在一起的电容。

22．一种由直流电源驱动时，用于带动一电扇来移动空气的电动机，包括：

一具有单相绕组的定子；

一具有电源开头的电源开关电路，用来可选择地将该直流电源与所述单相绕组连接起来；

一相对定子为磁耦合并以驱动关系与上述电扇相接的永久磁铁转子；

一位于定子上的温度传感器，用来探测对应于移动空气温度的温度及提供一个表示探测到的温度的温度信号；以及

一包括一个微处理器的控制电路，它可对该温度信号作出响应，并被连接至该电源开关电路，以可选择地打开和关闭该电源开关，从而以该温度信号为函数对上述单相绕组进行换向。

23．如权利要求22的电动机，其中该电动机的运转速度由一算法或表所确定，当电动机的运转速度低于一最小速度时，该微处理器在一预定的时间段中断换向，在该预定的时间段之后微处理器只对所提供的温度信号作出响应。