CN1477766A - 开关磁阻电动机及其初始驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种为了防止转子向与要控制的方向相反的方向转动而通过施加对中脉冲使转子在正向转矩产生区域内待机驱动的开关磁阻电动机及其初始驱动方法。检测开关磁阻电动机的转子驱动待机的位置，如果上述转子的驱动待机位置是在相对与要转动的方向的相反的方向产生的反向转矩产生区域上，则通过在上述定子上施加对中脉冲使上述转子向正向转矩产生区域移动后，施加驱动脉冲使上述转子正向转动，借此确保上述电动机的稳定性和可靠性，并且使内装有上述电动机的机器的耐足性和正确性提高。

Description

开关磁阻电动机及其 初始驱动方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电动机及其初始驱动方法，特别是涉及为了防止向反向转动而施加对中脉冲使转子在正向转矩产生区域待机的开关磁阻电动机及其初始驱动方法。
背景技术
图1是表示一般的开关磁阻电动机构造的剖面图，图2是表示一般的开关磁阻电动机的驱动电路图。下面参照图1和图2详细说明开关磁阻电动机。
开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，SRM)由驱动控制部(未示出)、卷绕有从上述驱动控制部供给电流的磁场线圈(W1至W2)的定子(Stator)20、和在电流在上述定子20内的上述磁场线圈上流过时通过在与上述定子20之间产生的磁阻转矩向单一方向转动的转子(Rotor)构成。
上述定子20由上下开放的圆筒形的磁轭、在上述磁轭的内壁朝向位于圆中心的上述转子10隔着一定间隔突出形成的多个凸极21、和卷绕在上述凸级21上的磁场线圈(W1至W3)构成。在本说明书中例示6个上述凸极的个数，但其个数随电动机的种类而不同。
上述转子10在圆周的外侧通过隔着一定间隔层叠六个凸极11突出形成的铁芯来形成转子铁芯18，通过在上述转子10的中央配设传递电动机的驱动力的转动轴17与上述转子10一起转动。为了上述定子20和转子10的下部支持和转动而在上部和下部上有轴承19，上述转子的铁芯18位于上下轴承19之间。
上述驱动控制部通过从检测上述转子10的位置和速度等的光检测器或霍尔检测器等检测器30接收检测信号后生成使顺次与互相面对的一对磁场线圈连接的开关的导通/截止的驱动脉冲使电流流过所述一对磁场线圈。
开关磁阻电动机具有二个开关SW1、SW2，上述开关在同时进行导通/截止连接互相面对的二个凸极，同时与包围上述凸极的外周的磁场线圈(W1至W3)连接后，从上述驱动控制部施加的电流流过上述磁场线圈。当电流在上述磁场线圈上流动时，在上述定子20与转子10之间产生磁阻转矩(Reluctane Torque)，使转子向使磁阻变为最小方向转动。
另外，上述开关磁阻电动机利用磁力使上述转子10向单一方向转动驱动地在特定位置上驱动，作为引起上述磁力的二个磁铁，利用在上述转子10的圆周面上形成为环形的环形磁铁15和为了形成与上述环形磁铁15相互作用的磁力而与上述环形磁铁对置的停止磁铁16通过上述转子在停止状态时作用在两磁铁下的相互引力使上述转子10固定在使正方向转矩产生的特定位置上。
这时根据形成在电动机上的凸极的个数确定环形磁铁15的磁极数，如果上述的凸极的个数为n，则上述环形磁铁15由n个N极和S极构成，上述停止磁铁16与上述电动机的凸极个数无关具有一个N极和一个S极。
当上述开关磁阻电动机的驱动停止时，固定在正方向转矩产生区域或反方向转矩产生区域上，在图3和图4示出了这种情况。在图3和图4中示出的开关磁阻电动机由具有6个凸极11的转子10和具有6个凸极21的定子20构成。假定转动控制方向即正向为反时钟方向。
如图3所示，在转子10的凸极A′固定的状态将电流施加在上述定子20的凸极A上时，上述转子的凸极A′在向要与已施加上述电流的定子20的凸极A配合的方向即使反时钟方向转动。把要这样产生在正向转动的转矩的区域称正向转矩产生区域，在上述转子的凸极A′固定在上述正向转矩发生区域上的状态施加驱动电流进行安全控制。
这时如看图3中的环形磁铁15和停止磁铁16的位置关系，则上述环形磁铁15的N极和上述停止磁铁16的S极的各磁铁的磁极边界线形成一直线，同时互相面对地生成互相最大的引力，因为通过这样的最大引力在上述环形磁铁15和停止磁铁16之间产生的磁矩(magnet torque)为0，所以上述环形磁铁不向其以上转动地稳定地固定。这样，就把通过上述磁矩变为0使环形磁铁15和停止磁铁16的位置形成稳定的平衡的物理位置称为稳定平衡位置(Stable Equilibrium Position，SEP)。
然而当上述环形磁铁15和停止磁铁16具有图4所示的那样位置关系时，上述转子10不会固定在正方向转矩产生区域上。也就是说，上述环形磁铁15的S极和上述停止磁铁16的S极因各磁铁的磁极边界线形成一直线并完全相对时生成互相后退的最大斥力，通过这样最大的斥力使上述环形磁铁15和停止磁铁16的磁铁因转矩变成0而变成不能左右转动的平衡状态。
然而因为上述两磁铁的平衡状态不是使互相稳定固定的引力平衡状态而是引起互相后退的斥力的平衡状态，所以因上述磁铁的微动使上述两极铁的磁极边界线不成一直线，因在异性磁极相对的瞬间，在上述环形磁铁15与上述停止磁铁16之间产生磁转矩，而向不确定的方向转动。虽然这样瞬间变成不平衡状态，但把其位置不稳定固定的磁铁的物理位置称不确定平衡位置(Unstable Equilibrium Position，UEP)。
如果上述两磁铁的位置关系处在这样的不稳状态，则虽然上述转子10的凸极A′固定在-30°～0°的范围，但一旦这时在上述定子20的凸极A上施加电流，上述转子10的凸极A′就向要与已施加上述电流的定子20的突极A配合的方向即顺时针方向转动。虽然把这样使向反方向转的转矩产生的区域称为反向转矩发生区域，但在上述转子的凸极A′固定在上述反向转矩产生区域上的状态施加驱动电流时，上述转子的凸极A′就向与控制方向相反的方向转动，从而引起内装有上述电动的机器中的控制异常，并且使电动机的耐久性下降和引起机器的故障。
发明内容
本发明是为解决上述现有技术中的问题而提出的，其目的是提供开关磁阻电动机及其初始驱动方法，所述的初始驱动电动机和方法为了防止电动机的转子向与所要控制的方向相反方向转动而通过施加对中脉冲使上述转子对中(Align)，再通过退出(Release)使上述转子驱动待机在正向转矩产生区域，使上述电动机的转方向控制的安全性和可靠性提高。
为了达到上述目的，按照本发明的开关磁阻电动机包括在内侧形成n个凸极并在上述凸极上卷绕磁场线圈的定子、在外形成n个凸极并通过在与上述定子之间产生的电磁力转动的转子、和包含使n个N极和n个S极在上述转子周围配置成环形的环形磁铁；在上述开关磁阻电动机中还包括：与上述环形磁铁对置地配置并通过在与上述环形磁铁之间的作用的引力使上述转子在正方向转矩产生的区域内制动的停止磁铁、与上述环形磁铁的另一侧对置地配置并检测上述转子的位置和速度信息的检测手段、和根据由上述检测手段检测的上述转子的位置和速度信息在上述定子上施加驱动脉冲的驱动控制部。
另外，按照本发明的开关磁阻电动机的驱动方法，其特征在于包括：在包括检测驱动待机的转子的位置的第一步骤的开关磁阻电动机的初始驱动方法中，判断上述转子的驱动待机位置是否位于使相对转动方向反向转矩发生的反向转矩发生区域上的第二步骤、根据上述结果判断上述转子位于发生反向转矩的区域时，通过在上述定子上施加定位置脉冲使上述转子向使转矩在上述转子所要转动的方向发生的正向转矩发生区域移动的第三步骤、通过向上述定子施加驱动脉冲使驱动待机的转子在上述正方向转矩发生区域向正方向转的第四步骤。
附图说明
图1是表示一般的开关磁阻电动机构造的剖面图。
图2是表示一般的开关磁阻电动机构造的剖面图。
图3是表示开关磁阻电动机的转子驱动待机的稳定平衡位置的图。
图4是表示开关磁阻电动机的转子驱动待机的不稳定平衡位置的图。
图5是表示本发明的开关磁阻电动机构造的详细图。
图6是本发明的开关磁阻电动机的环形磁铁和停止磁铁的平面图。
图7是表示由本发明的开关磁阻电动机的检测手段生成的脉冲波形的图。
图8是表示本发明的开关磁阻电动机的转子对中步骤的图。
图9是表示本发明的开关磁阻电动机的初始驱动方法的顺序图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的优选实施例。因为本发明的构成与图1至图2中的说明类似，所以还参照图5和图6说明。
图5是表示本发明的开关磁阻电动机构造的详细图，图6是本发明的开关磁阻电动机的环形磁铁和停止磁铁的平面图。
开关磁阻电动机(SRM)根据电动机的驱动待机的位置施加对中脉冲，通过施加用于上述电动机的驱动的驱动脉冲的驱动控制部控制。
定子具有朝向上下开放的圆筒形的中心部隔着一定间隔突出形成的n个凸极，在上述凸极上卷绕从上述驱动控制部供给电流的磁场线圈。
通过在与上述定子之间产生的磁阻转矩转动的转子在圆周的外侧形成有层叠隔着一定间隔突出形成n个凸极的铁心的转子铁心180，在上述转子的中央配设传递电动机的驱动力的转动轴170，与上述转子一起被转动驱动。
另外，上述开关磁阻电动机利用磁力使上述转子在特定位置上驱动机，以使在所要控制的方向(正向)转动驱动，诱发上述磁力的二个磁铁包括在上述转子的圆周面上配置成环形的环形磁铁150、配置在与上述环形磁铁平行的位置上并形成与上述环形磁铁150相互作用磁力的停止磁铁160。
上述转子制动时上述转子通过作用在上述两磁铁上的引力固定在规定的位置上。也就是说，上述环形磁铁150通过使n个N极与n个S极左右交错配置，为了与上述转子一体转动而嵌入固定在上述转动轴170的端部上，而上述停止磁铁160通过使具有与上述环形磁铁150相同磁极宽度的单独一个N极和S极与上述环形磁铁150相对地配置，使在上述环形磁铁停止磁铁之间发生作用，从而使上述转子向正向的转矩产生区域制动。
光检测器或霍尔检测器等检测手段300与上述环形磁铁150的另一侧面对面地配置，以便检测上述转子的位置和速度信息，将检测信号输出给上述驱动控制部。上述驱动控制部通过生成顺次使互相面对面的一对磁场线圈连接的开关导通/截止的驱动脉冲，使上述转子转动。当电流在上述固定的磁场线圈上流动时，在上述定子和与转子之间产生磁阻转矩(Reluctance Torque)，使转向磁阻变成最小的方向转动。
可是，转子的每个凸极的转动周期是360°/n，上述N级随着磁性变化的转动周期也是360°/6。因此形成在上述转子和定子的各凸极间的电感(磁感应)波形的周期是60°。与此相关，在图7中示出了由本发明的开关磁阻电动机的检测手段生成的脉冲和电感波形图。
上述检测手段由第一检测器S1和第二检测器S2构成，检测上述环形磁铁的磁力线的变化分别成第一脉冲信号和第二脉冲信号，各自的脉冲只延迟上述第一检测器与上述第二检测器间的角度差，脉冲的周期是60°。
上述驱动控制部在从被上述检测手段输出的第二脉冲的上升缘信号时到生成上述第一脉冲下缘信号时将感应上述转子的转动的驱动脉冲施加在上述定子上，这是与上述第一脉冲和上述第二脉冲的逻辑的公共区间(AND)相同，在图7的电感的波形上在粗线上处理上述公共区间。
这是指电感波形的斜率是正的区间，并且是为了使上述转子能向正向转动而产生感应的正向转距的区域。这样上述驱动控制部只有在被上述检测手段300检测的转子的位置是在正向转矩产生区域时通过调节驱动脉冲的宽度控制电动机的转动速度，如果上述转子是在反向转矩产生区域驱动待机中，则通过在上述定子上施加对中脉冲，使上述转子处在上述正向转矩产生区域。
图8是表示本发明的开关磁阻电动机的转子对中(Align)的步骤的图，图9是本发明的开关磁阻电动机的初始驱动方法的顺序图，在本实施例中把使电动机所要转动的方向(正向)设为是反时钟方向，而把反向设为顺时钟方向。
另外，在图8所示的转子和固定的凸极数(n)以6个示出，各凸极间的角度为60°，在设施加电流的定子的凸极A的中心为0°时，上述转子的凸极A′的位置在右侧有30°的位移，在左侧有30°的位移，为了方便起见，把上述中心的右侧用‘+’表示，左侧表示为‘-’。
下面参照图8和图9说明本发明的开关磁阻电动机的转子对中步骤和初始驱动方法。
首先，通过检测手段检测驱动待机中的转子的位置(L1)。然后通过驱动控制部判定上述被检测的转子是否位于反向转矩产生区域上(L2)，如果上述转子的位置是在正向转动产生区域，则就在定子上施加驱动脉冲使上述电动机驱动(L7)，如上述转子的位置是在反向转矩发生区域，则在上述定子的突起A上施加对中脉冲(Align Pulse)(L3)。
在图8的第一步骤中示出了这样的在反向转矩产生区域驱动待机的转子100和定子200的位置。这时因为环形磁铁150和停止磁铁160互相同极相对而相斥，所以上述转子100的位置是在非常不稳定的平衡状态。
上述转子的凸极A′通过施加上述对中脉冲的定子的凸极A与上述转子的凸极A′之间的引力向磁阻变成最小的方向转动，从而使与上述定子的凸极A完全对中(L4)。
把这样的过程称为对中(Align)，如在图8的第二步骤中示出那样，这时的环形磁铁150与停止磁铁160的位置关系因通过施加在上述定子200上的对中脉冲人为的使上述转子100完全配合，而在N极与S极的边界不在一直线的互相不异的磁极相面对。
上述对中后使上述对中脉冲停止一定时间(L5)由于在上述定子的凸极A上流过的电流被切断而在上述转子100和上述定子200之间通过由环形磁铁150与停止磁铁160的位置关系引起的相互引力使N极和S极的边界线成一直线，因此使上述转子的突起A′在0°～30°的位置上，把这样的过程称为退出(Release)(L6)。
上述0°～30°的位置是正向转矩产生的区域，在图8的第三步骤中示出了在上述正向转矩产生区域驱动待机的转子100和定子200。
这样，上述转子处在正向转矩产生区域待机中时，驱动控制部在上述定子上施加驱动脉冲(L7)，通过使上述转子向正向即反时钟方向驱动进行上述电机的正确控制(L8)。
这样构成的本发明的开关磁阻电动机及其初始驱动方法，因为通过朝向转子的驱动待机位置施加对中脉冲进行对中/退出过程使转子在正向转矩产生区域待机并对中后施加驱动脉冲，所以因能防止上述转子的逆向转动而确保上述电动机的控制的稳定和正确性，并且使采用上述电动机的机器的耐足性和可靠性提高。

Claims (10)

1.一种开关磁阻电动机，包括在内侧形成n个凸极并在上述凸极上卷绕磁场线圈的定子、在外形成n个凸极并通过在与上述定子之间产生的电磁力转动的转子、和包含使n个N极和n个S极在上述转子周围配置成环形的环形磁铁；其特征在于，在上述开关磁阻电动机中还包括：与上述环形磁铁对置地配置并通过在与上述环形磁铁之间的作用的引力使上述转子在正方向转矩产生的区域内制动的停止磁铁、与上述环形磁铁的另一侧对置地配置并检测上述转子的位置和速度信息的检测手段、和根据由上述检测手段检测的上述转子的位置和速度信息在上述定子上施加驱动脉冲的驱动控制部。
2.如权利要求1所述的开关磁阻电动机，其特征在于：上述环形磁铁通过能使与上述转子一体转动地嵌入在转动轴的端部固定。
3.如权利要求1所述的开关磁阻电动机，其特征在于：上述环形磁铁的N级与S级左右交错配置。
4.如权利要求3所述的开关磁阻电动机，其特征在于：上述停止环形磁铁由具有与上述环形磁铁的N极和S极同宽度的单个的N极和S极构成。
5.如权利要求1所述的开关磁阻电动机，其特征在于：上述第一和第二检测器由水平配置在上述环形磁铁另一侧上的第一检测器和定位在离开上述第一检测器一定间隔的第二检测器构成。
6.如权利要求5所述的开关磁阻电动机，其特征在于：上述检测手段随着上述环形磁铁的磁铁的极性周期的变化分别生成第一脉冲和第二脉冲；
上述第一脉冲和上述第二脉冲只延迟上述第一检测器与上述第二检测器之间的角度差生成。
7.如权利要求6所述的开关磁阻电动机，其特征在于：上述驱动控制部在由上述检测手段检测的上述转子的驱动待机位置是发生反向转矩区域时，在上述定子上施加对中脉冲。
8.如权利要求7所述的开关磁阻电动机，其特征在于：上述驱动控制部在由上述检测手段检测的上述转子的驱动待机位置是正向转矩发生区域时，从上述检测器手段生成第一脉冲和第二脉冲的上升缘信号时到生成第一脉冲下降缘信号时施加使上述转子的转动的感应驱动脉冲。
9.一种开关磁阻电动机的初始驱动方法，其特征在于包括：在包括检测驱动待机的转子的位置的第一步骤的开关磁阻电动机的初始驱动方法中，判断上述转子的驱动待机位置是否位于使相对转动方向反向转矩发生的反向转矩发生区域上的第二步骤、根据上述结果判断上述转子位于发生反向转矩的区域时，通过在上述定子上施加对中脉冲使上述转子向使转矩在上述转子所要转动的方向发生的正向转矩发生区域移动的第三步骤、通过向上述定子施加驱动脉冲使驱动待机的转子在上述正方向转矩发生区域向正方向转动的第四步骤。
10.如权利要求9所述的开关磁阻电动机的初始驱动方法，其特征在于，上述第三步骤包括：通过在上述定子上施加对中脉冲使与上述定子的凸极相邻的转子的凸极对中后与定子的突极配合的第一过程、和通过使上述对中脉冲施加停止一定时间并通过形成在上述定子和转子上的磁铁间的磁力使上述转子在正向转矩发生区域退出的第二过程。
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