CN1307743A - 恒功率无刷dc电动机 - Google Patents

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Abstract

提供一种恒功率无刷DC电动机,其包含:一定子,按相和极性并联绕制,由多个(n)相构成;一转子,具有预定数量的磁极,需要其将磁通集中在该转子区域;换向编码器,包含检测区域和非检测区域;以及两个光传感器,设置在每一相,两个光传感器连接到一控制器,以便在n相中间仅使(n－β)相励磁,起动和旋转该电动机,因此获得无换向器的恒功率无刷DC电动机,其高效节能,具有良好的连续速度转换特性和紧凑的结构。

Description

恒功率无刷DC电动机
技术领域
本发删涉及一种新型的电动机系统，特别是，涉及一种高效节能的恒功率无刷DC电动机，具有从低速到高速的良好的速度转换特性，没有转矩脉动；利用低电压能产生高功率；具有优异的稳定速度特性和高的效率、紧凑的结构；无需冷却系统；以及能够以低生产成本全自动化制造。
                          背景技术
常规的DC电动机存在的问题是其电刷和换向器(整流子换向tator)随时间的推移会磨损，制造复杂和高生产成本。特别是，利用常规的大容量电动机难于达到6000转/分的高转速。AC逆变器(供电的)电动机，起动转矩低，所需控制器成本高，不能产生恒功率。此外，磁阻电动机在制造成本、尺寸和重量方面劣于其它电动机并且不能产生恒功率。无刷DC电动机广泛用作小尺寸的电动机。然而，难于在加工其上固定转子的永磁铁的表面，其控制器实行4象限(four-quadrant)控制，成本高以及不能产生恒功率。另外该无刷DC电动机不能完全解决旋转不均匀、转矩脉动和发热的问题。
                          本发明公开
因此，本发明涉及一种恒功率无刷DC电动机，其基本避免了由于相关现有技术的局限性和缺点带来的一个或多个问题。
本发明的目的是提供一种恒功率无刷DC电动机，其没有转矩脉动；利用低电压能产生高功率；具有优异的稳定速度特性和高的效率、紧凑的结构；无需冷却系统；以及能够以低生产成本全自动化制造。
为了获得本发明的目的提供一种恒功率无刷DC电动机，其包含：一定子，按相和极性并联绕制，由多(n)相构成；定子的每个绕组线圈彼此不相连接，而是连接到n个完全H形桥式电路中的每一个，n个完全H形桥式电路并联连接到DC电源；一转子，具有预定数量的磁极，需要其将磁通集中在该转子区域；换向编码器，包含检测区域和非检测区域，换向编码器由外部设置转子轴的一侧；以及两个光传感器，设置在每一相，两个光传感器连接到每相的半个H形桥式电路，以便导通/关断该半个H形桥式电路，确定换向编码器中的各传感区域之间的间距，以便使n相中的α相能始终励磁，α个光传感器识别励磁的α相。
最好，定子具有窄槽以消除抵消(cancel)现象。利用各检测区域之间的间距确定n相中将励磁的相数，利用如下的表达式确定该各检测区域之间的间距：
各检测区域之间的间距＝(2π×需励磁的相数)/(转子极数×电动机的相数)(°)
利用如下的表达式确定在换向编码器中的检测区域的数量
检测区域的数量＝(转子极数)/2
利用如下的表达式确定在一传感器盘上的各传感器之间的间距
各传感器之间的间距＝2π/(转子极数×电动机相数)(°)
在n相中，除了β相不励磁以外的α相始终励磁。最好β≥1，β对应于未励磁的相数。
本发明的恒功率无刷DC电动机为多相例如2，3，4，5，6，…，n相，由励磁的1，2，3，4，5，6，…，α相和非励磁的1，2，3，4，5，6，…，β相构成，交替更迭励磁的各相和非励磁的各相，起动和旋转。转子由永久磁铁构成，定子由独立的多相绕组构成，换向编码器由外部固定到转子轴的一侧。n相包含2n个连接到开关转换(switching)级的传感器，以便检测转子的位置，指示电流的方向和时间区间，因此，起动和旋转电动机。定子、转子、传感器和控制器自动装配构成，故降低了制造成本。
应理解，上面的一般介绍和下面的详细介绍都是示范性的和解释性的，意在对权利要求限定的本发明提供进一步的解释。
                        附图的简要说明
为进一步理解本发明所包含的并构成说明书的一部分的附图表示本发明的实施例，与说明书一起用于解释本发明的原理：
附图中：
图1是本发明的恒功率无刷DC电动机方块示意图；
图2A表示本发明的恒功率无刷DC电动机中的光传感器的背面；
图2B是图2A中所示传感器的横断面图；
图3A表示用于消除抵消(cancel)电枢磁通现象的消除抵消槽；
图3B表示5相6极电动机中的定子绕组；
图4A表示在层叠的硅钢片中插有条形永久磁铁的6极内转子；
图4B表示由层叠的硅钢片之外插入条形永久磁铁的16极外转子；
图4C表示6极电磁式转子的滑环；
图5A表示5相电动机的驱动电路；
图5B表示5相6极电动机的换向编码器和光传感器设置到转子上的情况；
图6表示在5相6极电动机中3相励磁时产生转矩；
图7A表示在8相6极电动机中与3相对应间距的部分提前(advanced)换向；
图7B表示在8相6极电动机中与5相对应间距的部分提前换向；
图8是本发明的恒功率无刷DC电动机的恒功率特性。
                      本发明的最佳实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细介绍，其中的一些实例表示在附图中。
下面对本发明的恒功率无刷DC电动机的结构进行解释。由n相构成的定子并联连接到电子换向器，每相独立绕制。由永久磁铁构成的转子具有预定数量(2，4，6，8，…)的磁极，以满足定子结构设计要求。圆柱形换向编码器按这样一种方式构成，即一环形盘安装在圆形盘的周边。该编码器包含由光传感器检测的检测区域和非检测区域，通过将环形盘切割形成检测区域，以便使(n-β)相励磁。即，检测区域使n相中的α相始终励磁。
利用该光传感器，每相有2个根据换向编码器工作的光传感器。一相中的一个光传感器和另一个光传感器按转子各磁极之间的空间角度彼此分开设置。每相的光传感器按各相之间的空间角度顺序地排列。对于电子换向器，每个多相线圈连接到预定数量的完全H形桥式电路，对应于相数，每相2个光传感器中的每一个连接到半个H形桥式电路。电子换向器和每个H形桥式电路并联连接到电源。根据上述结构，本发明获得的恒功率无刷DC电动机具有连续的速度变换性能和均匀的效率。
图1是本发明的恒功率无刷DC电动机方块示意图，表示5相定子、转子、换向编码器和控制编码器，它们构成转子(定子和转子)、控制器和电源系统。对于开环运行，仅通过脉宽调制控制来控制电动机，而未采用该控制编码器或控制编码器逻辑元件。对于闭环运行，控制编码器、控制编码器逻辑元件和输入缓冲器逻辑元件与脉宽调制控制逻辑元件比较，利用脉宽调制实行转速控制或位置控制。仅通过脉宽调制控制来控制电动机，而未采用变频控制或矢量控制，从而易于控制电动机和简化电路结构。
图2A和图2B表示5相6极电动机中的定子。控制编码器和换向编码器从外部固定到位于在转子背面的固定座外侧的转子轴的一侧，随转子旋转。其上装有光传感器的传感器盘设置在固定座的周边。传感器盘设置是可调的，以使便能提前换向。如图1和2A所示，控制编码器按这样一种方式构成，即在环形盘的所需部分形成一些开口(或缝隙)，以便使光传感器能发出脉冲。这里，沟槽的尺寸和其间的分隔角度取决于电动机转速控制的或位置控制的特性。
图3A表示5相6极类型的定子硅钢片(或层叠的硅钢片)，其按这样一种方式构成即在绕组槽之间形成窄槽。图3B表示5相6极定子中的绕组。5相中的每一相独立并联绕制，每个磁极并联绕制从而构成定子。图4A表示6极永久磁铁转子。参照图4A，条形永久磁铁插入到层叠的硅钢片中，永久磁铁与非磁性盘毂的鸽尾固定件结合构成转子。图4B表示外转子盘状笼(pan-cage)型永久磁铁转子。图4C表示滑环型电磁式转子。
图5A和图5B表示5相6极电动机的电子换向电路。在换向编码器中，利用如下的表达式确定检测区域即光发射识别部分的数量：
检测区域的数量＝(转子极数)/2
因此，在图5A和图5B中所示的5相6极电动机中的检测区域的数量为3。利用如下的表达式确定检测区域的阔度(轴角度)。
检测区域的阔度＝((2π/(极数×相数))×需励磁的相数(°)
因此，对于在图5A和图5B中所示的5相6极电动机仅3相励磁以使检测区域移动角度为36°。参阅图5A和图5B，PA1连接到半个H形桥式电路中的Q1和Q4，其中一相励磁，PA2连接到另一半个H形桥式电路中的Q2和Q3，其中励磁的一相位于在相同位置的不同磁极。因此，当电路通电时，一相的PA1位于在检测区域，以发出正脉冲，使图5A中所示的半个H形桥式电路中Q1和Q4导通工作。这使线圈通电，将利用Q1和Q4使之形成环路的该线圈励磁。在转子旋转的同时，半个H形桥式电路中Q1和Q4导通工作的区间与换向编码器中检测区域的阔度相同。即，半个H形桥式电路中Q1和Q4的励磁区间对应于为36°的轴角度。
当下一个轴角度为24°(60°-36°)时，PA1和PA2位于在非检测区域，一相的半个H形桥式电路中Q1、Q4、Q2和Q3关断。然后，PA2与相似PA1根据换向编码器的旋转使Q2和Q3导通工作，以便能使一相独立地通电，以而起动转子。将光传感器按照2π/(极数×相数)(°)的区间设置在图5B中所示传感器盘上。例如在图5B中，按照12°的区间排列光传感器。每相2个光传感器之间的区间对应于2π/转子的极数。因此，PA1和PA2之间的间距为60°。
如在图5A和5B中所示，在5相6极电动机中3相而不是2相始终励磁。因此，利用如下的表达式确定在每相中的励磁区间和非励磁区间：
励磁角度＝π×(非励磁相数)/相数(°)
因此，在图5A和5B中所示每相中的励磁角度和非励磁角度分别为108°和72°。
图6表示每个光传感器的脉冲输出，，在5相6极电动机中的输入电流的方向，转矩示意图和区间。线圈通电，电流区间与由每个光传感器发出的脉冲相同，根据换向编码器中的检测区域之间的间距，从而产生转矩。因此，输入局部方波电流并输出矩形转矩的(scheme)设计功率。因此，图5A和5B中所示的在5相6极电动机中始终3相励磁及2相不励磁。因而，转矩的总和对应于线性的转矩设计。
如图5A、5B和图6中所示，将励磁的相数取决于换向编码器中的各检测区域之间的间距。本发明的电动机解决了在磁极变换区域中的所有难题。具体地说，本发明的电动机按照这样一种方式构成，即多相中的一相以上不励磁以产生提前换向，从而能平稳高速旋转。
在利用电动机将电能转换为机械能的过程中，由于高速旋转的转子的无源(passive)磁通起作用(operate)的时间的影响，定子线圈通电需励磁使有源(active)磁通能产生磁动势的时间被延迟。因此，需要提前换向以使得该时间彼此一致。图7A表示一8相6极电动机，其中仅5相励磁及与未励磁的3相对应的间距(的部分)提前换向。图7B表示一8相6极电动机，其中仅3相励磁及与未励磁的5相对应的间距(的部分)提前换向。图7A中所示电动机转速高于图7B中所示电动机。
此外，在十分高转速的电动机结构中，换向编码器逻辑元件根据微处理器对每个光传感器与超前的光传感器一起进行电子综合变换，进行逐渐的提前换向，以达到所需的转速。
图8表示本发明的恒功率无刷DC电动机的转速和转矩之间的关系。如在图8中所示，本发明的电动机具有恒功率特性。此外，本发明的DC具有CW和CCW性能和能双向运行。即，当图1和5中所示换向编码器逻辑元件对包含在每相中的双光传感器进行电子综合变换时，电动机平稳起动，并从正向朝反向旋转，或者从反向朝正向旋转。当在5/1000秒内频繁进行光传感器电子综合变换时，易于投入双向运行。本发明的电动机还具有直线电动机功能。具体地说，当电动机定子按直线型构成及转子构成可直线运行时，可以获得理想的直线电动机。
根据本发明，定子中的窄槽消除了当每相线圈通电时产生的磁通的抵消作用，从而提高了电动机的效率。无电流损耗及当线圈通电时获得均匀通电，从而使电动机无转矩脉动和控制器具有稳定性。此外，按相和磁极并联绕制的定子使电动机利用低电压产生高功率。定子的并联绕制使得能自动化生产电动机从而降低成本并可批量生产。
此外，由于磁通集中在转子区域，转子的无源磁通对应于定子的有源磁通，获得了利用永久磁铁转子的高功率电动机。对转子的表面进行机加工，以使空闲空间降到最小，从而提高了电动机的效率。由于对转子的极数、尺寸和形状的限制，可以为各种目的不受限制地设计长筒型或盘形笼型电动机。将转子组装到电动机中，从而能自动化生产并降低成本和批量生产。
同时，在换向式电动机中，利用全正弦波或全方波的电动机在磁极变换区域令产生制动转矩，反电动势(EMF)、电抗(电感电抗和电容电抗)和谐波，以便电动机中产生的铁损和铜损、震动控制器。此外，电动机的发热需要冷却系统，并降低其效率。然而，本发明的电动机不向位于在磁极变换区域中的相提供电流，从而解决了上述问题，不再需要冷却系统和提高了电动机的效率。
此外，部分方波使均方根值转矩容量和峰值转矩值最大化。因此，使电动机变得紧凑并提高其效率。此外，控制器不需要防止电路干扰的装置，以简化其电路提高稳定性、可靠性及降低成本。定子和转子的磁通密度和导磁率相同，这是因为它们是由相同的材料硅钢片构成的。因此，电流和转矩之间的关系特性是优异的，电流和转速之间的关系特性也是优异的。这样就使电动机能够产生恒功率，对所有转速范围形成均匀的效率。
常规电动机的转矩按正弦转矩设计或梯形转矩设计，引起转矩脉动。
本发明的电动机提供部分方波每相的绕组线圈，以使每相能获得矩形转矩，总转矩变为线性转矩。因此，根据本发明的电动机没有转矩脉动，并能平稳地起动和旋转。此外，根据本发明的恒功率无刷DC电动机，在n相中的β相未励磁，该对应于未励磁的β相的间距(的部分)进行提前换向。因此，本发明获得了具有连续功率转换和均匀的效率的恒功率电动机。根据微处理器实行平稳的CW-CCW控制和高速双向控制以及平稳的位置控制，电动机获得了电子中性换向。
对本领域的技术人员来说，很明显，在不脱离本发明的构思和范围的前提下，可以对本发明的恒功率无刷DC电动机进行各种改进和变化。因此，本专利申请意在覆盖落在所提出的权利要求和其等效物的范围内的本发明的这些改进和变化。

Claims (3)

1.一种恒功率无刷DC电动机，包括：
一定子，具有窄槽以消除抵消现象，按相和极性并联绕制，由多(n)相构成，定子的每个绕制的线圈彼此不相互连接而连接到n个完全H形桥式电路中的每一个，n个完全H形桥式电路并联连接到DC电源；
一转子，具有预定数量的磁极，需要其将磁通集中在励磁区域；
换向编码器，包含检测区域和非检测区域，换向编码器由外部设置到转子轴的一侧；以及
两个光传感器，设置在每一相，两个光传感器连接到每相的半个H形桥式电路，以便导通/关断该半个H形桥式电路，确定换向编码器的各检测区域之间的间距，以便使n相中的α相能始终励磁，α个光传感器识别励磁的α相。
2.根据权利要求1所述的电动机，其中利用各检测区域之间的间距确定n相中将励磁的相数，利用如下的表达式确定该各检测区域之间的间距：
各检测区域之间的间距＝(2π×需励磁的相数)/(转子极数×电动机的相数)(°)
利用如下的表达式确定在换向编码器中的检测区域的数量
检测区域的数量＝(转子极数)/2
利用如下的表达式确定在一传感器盘上的各光传感器之间的间距
各光传感器之间的间距＝2π/(转子极数×电动机相数)(°)
在n相中，除了β相不励磁以外的α相始终励磁。
3.根据权利要求2所述的电动机，其中β≥1，β对应于未励磁的相数。
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