CN1753288B - 无刷直流马达及其驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流马达及其驱动装置。无刷直流马达包括一转子、一定子以及一驱动装置。其中，转子具有多个磁极。定子被转子所围绕或围绕转子，包括有多个凸极(salient pole)，该各凸极分别对应该各磁极，以及至少一永久磁铁安置于至少一凸极上，用以于对应的凸极上产生一辅助磁极，用以辅助驱动转子。驱动装置与定子相连接，依据转子运转时的磁场状态提供一主要磁极，以驱动转子转动。因此，转子受主要磁极与辅助磁极交替驱动而运转。

Description

无刷直流马达及其驱动装置

技术领域

本发明涉及一种无刷直流马达，特别是涉及一种具有多永久磁铁安装于定子上，且位于转子的内侧的无刷直流马达。

背景技术

图1为美国第6013966号专利的无刷直流马达的结构图。此无刷直流马达的定子结构具有上定子轭铁(yoke)10与下定子轭铁20，且动力线圈系绕于两定子轭铁之间，此种定子结构称为轴向式定子结构。当动力线圈通一电流时，则多凸极1将会感应相对应的磁极，以驱动转子2进行转动。

此外，现有的无刷直流马达还包括两永久磁铁3，分别置于转子2的外围，用来固定转子2的启动位置，以产生适当的启动转矩。

不过，为了能够产生足够的启动转矩，安置于转子2外围的永久磁铁3必须固定于一位置，且与定子准确地保持一θ角度。另外，为了能够通过永久磁铁3来吸附转子2，以固定转子2的启动位置，则转子2外围必须以不导磁外壳包覆，例如，塑料外壳，因此，当转子2转动时，将造成磁性转子与定子的磁力线的作用力变弱，而影响转子2转动时的转矩。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种无刷直流马达，只需永久磁铁安置于定子上且位于转子的内侧，即可用以驱动转子进行转动，用以改善现有的永久磁铁必须被考虑其准确位置的缺点。

依据上述理由，本发明提出一种无刷直流马达，其定子包括有多的凸极以及多永久磁铁对称安置于两凸极之间，或至少一永久磁铁安置于至少一凸极(salient pole)上，用以在对应凸极上或两凸极之间产生一辅助磁极，当转子位于第一状态时，用以辅助驱动转子。其中，转子为一环性磁铁且与定子同轴，并包覆于定子的外围。

因此，依据本发明的无刷直流马达，其永久磁铁只需对称安置于两凸极 之间，或安置于任一凸极上，即可产生适当的辅助磁力，以吸引或排斥转子来进行转动。

而且，转子的外围可利用铁磁性的材质包覆，当转子转动时，将不会影响转子与永久磁铁之间的磁力线，而影响转动转矩。

另外，本发明也提出一无刷直流马达的驱动电路，包括第一线圈，绕于定子，用以侦测转子的转动位置，并据以产生出一感应信号；启动装置，当驱动装置一开始耦接直流电源时，用以送出启动信号；以及控制装置，接收到启动信号或感应信号时，用以控制定子产生感应磁场，以驱动转子。

驱动装置还包括一第二线圈，绕于定子，当控制装置接收到启动信号或感应信号时，则控制装置使第二线圈通过定子产生感应磁场。

依据本发明的无刷马达的驱动电路，当转子在转动而被异物堵住不转时，控制装置将因没有接收到感应信号而不送出控制信号于第二线圈。因此，当转子被异物堵住不转时，驱动电路将不会产生任何异常电流，可增加驱动电路的稳定性。

本发明也提出一无刷直流马达，无刷直流马达包括一转子、一定子以及一驱动装置。其中，转子具有多个磁极。定子被转子所围绕或围绕转子，包括有多个凸极(salient pole)，该各凸极分别对应该各磁极，以及至少一永久磁铁安置于至少一凸极上，用以于对应的凸极上产生一辅助磁极，用以辅助驱动转子。驱动装置与定子相连接，依据转子运转时的磁场状态提供一主要磁极，以驱动转子转动。因此，转子是受主要磁极与辅助磁极交替驱动而运转。

本发明另提供一种马达定子结构，包括：至少一导磁层以及至少一辅助磁极层。导磁层具有多个第一极齿。而辅助磁极层位于导磁层上方、下方、或是导磁层中。辅助磁极层具有至少一第二极齿及至少一第三极齿。第二极齿与第三极齿的总数等于第一极齿的数量，并且第二极齿是由永久磁性材料所构成。

本发明也提供一种马达定子结构，包括：至少一导磁层、至少一第一辅助磁极层、以及至少一第二辅助磁极层。导磁层具有多第一极齿。第一辅助磁极层位于导磁层上方，并具有至少一第二极齿及至少一第三极齿。第二极齿与第三极齿的总数等于第一极齿的数量，并且，第二极齿是由永久磁性材料所构成。第二辅助磁极层位于导磁层下方，并具有至少一第四极齿及至少一第五极齿。第四极齿与第五极齿的位置分别对应第二极齿及第三极齿。并 且第四极齿是由永久磁性材料所构成。

附图说明

图1为现有的无刷直流马达的结构图；

图2A为本发明第一较佳实施例的无刷直流马达的结构图；

图2B为本发明第二较佳实施例的无刷直流马达的结构图；

图3为本发明凸极的一实例的结构图；

图4A～图4C为本发明第二较佳实施例的定子结构其它实例的辅助磁极的安置图；

图5为本发明第三较佳实施例的无刷直流马达的结构图；

图6A～图6F为本发明第三较佳实施例的定子结构其它实例的辅助磁极的安置图；

图7为依据本发明的无刷直流马达的驱动电路图；

图8为无刷直流马达的转动信息图。

具体实施方式

本发明提出一种无刷直流马达，只需永久磁铁安置于定子上且位于转子的内侧，即可用以驱动转子进行转动，用以改善现有的永久磁铁必须被考虑其准确位置的缺点。

图2A表示为依据本发明第一较佳实施例的无刷直流马达的结构图。此无刷直流马达包括一定子150、一转子50，其中，转子装置50为一环形磁铁且与定子150同轴，并包覆于定子150的外围。定子150为一轴向式定子结构，包括上定子轭铁80以及下定子轭铁90，分别置于定子150的上层60与下层70；永久磁铁18对称置于定子上层60的两凸极100之间；其中，永久磁铁18的外围磁性为N极，用以在定子150上产生一辅助磁极，以辅助驱动转子50的转动。

图2B表示为依据本发明第二较佳实施例的无刷直流马达的结构图。此较佳实施例与第一较佳实施例的差异在于在定子150下层70中，在两凸极100之间增设永久磁铁19；其中，永久磁铁19的外围磁性为S极，用以在定子150上产生一辅助磁极，以辅助驱动转子50的转动。

图3表示为本发明的凸极的一实例的结构图。每一凸极(或称极齿)是以多导磁盘101所构成。永久磁铁18用以在定子150上产生辅助磁极，故含有永久磁铁18的一层可称为辅助磁极层。每一永久磁铁18也可选择性地夹于该等导磁盘101之间，或贴附该各导磁盘101的最上层或最下层。

图4A～图4C为第二较佳实施例的定子结构其它实例的辅助磁极的安置图。其中，在图4A与图4B中，是将永久磁铁18与永久磁铁19以平行安置且以对应排列的方式，分别置于上层定子60与下层定子70上，且永久磁铁18与永久磁铁19的外围磁性相同。例如，在图4A中，是将永久磁铁18安置在上层定子60的凸极100上，且将永久磁铁19安置于下层定子70的两凸极之间，且永久磁铁18与永久磁铁19的外围磁性均为同一极性，例如是N极或S极。而在图4C中，是将永久磁铁18与永久磁铁19以交错安置的方式，分别置于上层定子60与下层定子70上，此时，永久磁铁18与永久磁铁19的外围磁性不同。例如，在图4C中，是将永久磁铁18与永久磁铁19分别安置于上层定子60与下层定子70的两凸极之间，且永久磁铁18与永久磁铁19的外围磁性分别为N极以及S极。

本发明也适用于具有径向式定子结构的无刷直流马达。图5表示为依据本发明第三较佳实施例的无刷直流马达的结构图。此无刷马达的定子为一径向式定子结构，包括轭铁180、多凸极A、B、C、D以及多永久磁铁28。其中，至少一永久磁铁28安置于至少一凸极上。例如，将永久磁铁28安置于凸极C与凸极D上。转子50为一环形磁铁且与定子同轴，并包覆于定子的外围，其中，磁性Sa与Sb为S极，Na与Nb为N极。另外，也可以视实际的需要而变更为以定子包覆转子的形式。

图6A～图6F表示为本发明第三较佳实施例的定子结构其它实例的辅助磁极的安置图。其中，安置于两对称凸极的该永久磁铁的外围磁性为同磁性，并使相邻两凸极的永久磁铁的外围磁性相反。例如，在图6A中，若安置于凸极A的永久磁铁28的外围磁性为N极，则安置于与凸极A对称的凸极B的永久磁铁28的外围磁性为N极，而安置于凸极A相邻凸极C与凸极D的永久磁铁29的外围磁性为S极。另外，在各图中，与永久磁铁28、29的相对位置27可由硅钢片、铁磁材料、永久磁铁、软磁性材质、塑料磁铁、橡胶磁铁、内包磁铁的塑料、非导磁材料所构成，或为一个孔洞。其中，上述的非导磁材料，例如，为塑料材质等。当永久磁铁28、29与相对位置27均为具有磁性的材质所构成时，永久磁铁28、29与相对位置27的磁性相异。

以图6A为例，定子结构51具有极齿A、B、C、及D，且每一极齿具有五个次齿。其中具有永久磁铁28的次极齿以及在永久磁铁28相对位置27的次极齿可称为第一辅助磁极层；具有永久磁铁29的次极齿以及在永久磁铁29相对位置27的次极齿可称为第二辅助磁极层。极齿A、B、C、及D的中间三个次极齿则可构成三层导磁层。此时辅助磁极层位于导磁层的上方及/或下方。

不论是第一或第二辅助磁极层，其均包括极齿A、B、C、及D，而导磁层也具有极齿A、B、C、及D，故辅助磁极层的极齿数量等于导磁层的极齿数量。

另外，永久磁铁也可位于极齿A、B、C、及D的中间次极齿处，如图6D～图6F所示。此时，辅助磁极层位于二导磁层之间。

在本实施例中，仅列出永久磁铁的较佳安置方式，在实际的永久磁铁的安置方式，并不限于本实施例。而永久磁铁为一具有永久磁性的材质，例如是永久磁铁、塑料磁铁、橡胶磁铁、内包磁铁的塑料等。另外，凸极(或称极齿)为一导磁性材质，包括铁磁性材质以及软磁性材质等。

图7表示为依据本发明的无刷直流马达的驱动电路图。此驱动电路700包括一动力线圈L1、一感应线圈L2、一启动装置710、一控制装置720以及一电压侦测装置730。在本实施例中，配合图5的无刷直流马达来说明驱动电路700的动作情形，其中，图5的动力线圈L1为图7的线圈L1，且图5的感应线圈L2为图7的线圈L2。另外，为避免直流电源Vdc所输出的电流回流，因而也可以在直流电源Vdc输入端加设二极管D2以防止电流回流。再者，为避免发生过电流的情形，也可以在驱动电路700中加设电阻R、R1、R2、R3以达到防止过电流的效果。又，为避免控制装置720内的电压变化过大，也可以于控制装置720中添加齐纳二极管ZD以达到稳压的效果。

启动状态

假设直流电源Vdc为12V，晶体管Q1为一PNP晶体管，晶体管Q2为一NPN晶体管，且永久磁铁28的磁性为N极。当启动装置710一开始耦接至直流电源Vdc时，由于晶体管Q1的基射极的逆向跨压(12V)大于逆向接面电压0.7V，而使晶体管Q1导通；当晶体管Q1导通时，直流电源Vdc将经由限流电阻R1以及晶体管Q1，而对电容器C进行充电，同时经由晶体管Q1的集极输出启动电压。

当控制装置720接收到启动电压时，晶体管Q2因基射极顺向偏压大于接面电压(0.7V)而导通，此时，来自启动装置710的电流将从动力线圈L1流入控制装置720。

由右手定律可知，流经一线圈的电流方向将会决定感应磁场的极性。因此，依据控制电流的流动方向以及第一线圈L1的绕线顺序可知，定子的凸极A与凸极B同时感应成N极，且凸极C与凸极D同时感应成S极。因此，转子50的磁极Sa将受到凸极A的吸引以及凸极D的排斥，且磁极Sb受到凸极C的排斥以及凸极B的吸引，而使转子50旋转。

电容器C为一储能装置，当该控制装置720持续耦接直流电源Vdc时，用以依据所储存的电能，来控制该启动装置停止输出该启动信号。

在图7中，当电容器C所储存的电位逐渐升高，将使得晶体管Q1的基射极之逆向跨压逐渐减少；当晶体管Q1的基射极的逆向跨压小于接面电压0.7V时，则晶体管Q1截止，不再输出启动电压，而使晶体管Q2截止。当晶体管Q2截止时，动力线圈L1无电流通过，此时，定子的感应磁场将随之消失，且转子50旋转一特定角度(在此例中系为逆时针旋转90度)。

第一状态

此时，安置于凸极C与凸极D的永久磁铁28将分别吸引转子50的磁极Sa与磁极Sb，使得转子50继续顺势转动。

第二状态

当永久磁铁28吸引转子50而使转子50转动时，感应线圈L2产生一感应信号(例如是感应电压)。当控制装置720接收到此感应信号时，则晶体管Q2导通，以使直流电源Vdc的电流得以流经动力线圈L1，而使定子凸极A与凸极B的外围再次感应出N极，且凸极C与凸极D的外围再次感应出S极。此时，由于凸极C与凸极D的磁性大于永久磁铁28的磁性，因而通过凸极C、D与磁极Sa、Sb间的吸引力，而使转子50继续朝同一方向转动。

第三状态

当凸极C、D吸引转子50而使转子50转动之际，因为凸极C、D的极性与永久磁铁28的磁性相异，因而感应线圈L2感应产生反感应信号(例如是反转电压)，进而导致晶体管Q2的基射极的逆向跨压小于接面电压而使晶体管Q2截止。当晶体管Q2截止时，动力线圈L1无电流通过，此时，定子的感应磁场随的消失，且转子50继续朝同一方向转动。接着，返回第一 状态持续运转。

因此，当转子50转动时，其转动转矩一半是由动力线圈L1所产生的感应磁场所提供，而另一半的转动转矩则是由永久磁铁28所提供。

本发明的驱动电路700也可搭配图2的无刷直流马达，其动作情形可类推如上。

本发明也提出一电压侦测装置730，用以侦测感应信号。由上述的无刷直流马达的动作说明可知，当转子50转动时，无刷直流马达反复于第一状态、第二状态、第三状态交替变化。此时，感应线圈L2会交替产生正电压及反转电压，致使晶体管Q3交替开关，进而输出High-Low信号(例如是方波形式的脉波信号)。通过读取此High-Low信号，并经特定公式的转换后，即可轻易地得知转子50的转速等状态。其中此High-Low信号例如是电压信号或电流信号。另外，在电压侦测装置730中，也可以外加一直流电源Vcc，以通过直流电源Vcc来控制输出电压Vo的High-Low比。

图8表示为无刷直流马达的转动信息图。其中，横轴为时间t，纵轴为输出电压Vo，波形T1为灰尘或是异物所造成转子50的转速变慢时的输出波形，波形T2为正常工作时的输出波形，波形T3为转子50被堵住不转时的输出波形。

若转子50被堵住不转时，感应线圈L2将不会产生感应电压，则晶体管Q1、晶体管Q2以及晶体管Q3均处于截止状态，进而不会有异常电流流入动力线圈L1、晶体管Q1、Q2、Q3与感应线圈L2。

因此，依据本发明的无刷直流马达，即使发生转子50堵住不转时，将不会造成驱动电路的主动组件以及线圈因异常电流而引起过热甚至烧毁的现象。当故障排除后，将无刷直流马达再次耦接直流电源Vdc，即可继续正常运转。

由此可知，本发明的驱动装置700，可增加无刷直流马达的运转稳定性。

本发明的启动装置710也包括一释能装置，包括一二极管D1以及一电阻器R2，当启动装置720不再耦接直流电压Vdc时，用以释放储能装置C所储存的能量。

因此，在图7中，当直流马达不再耦接直流电源Vdc时，储存于电容器C的电压将会经由二极管D1以及电阻R2的回路来进行放电，以利于下一次耦接直流电源Vdc时作为充电之用。

由上述可知，本发明可适用于径向绕线或轴向绕线的马达或风扇。

虽然结合以上一较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。

Claims (13)

1.一种无刷直流马达，包括：

一转子，具有多个磁极；

一定子，被该转子所围绕，包括有：

多个凸极，该些凸极分别对应该些磁极；及

至少一永久磁铁在该无刷直流马达轴向上安置于至少一凸极上，用以于对应的凸极上产生一辅助磁极，用以辅助驱动该转子；以及

一驱动装置，与该定子相连接，依据该转子运转时的磁场状态提供一主要磁极，以驱动该转子，其中该驱动装置包括：

一第一线圈，绕于该定子，用以侦测该转子的转动位置，并据以产生出一感应信号；

一启动线路，当该驱动装置一开始耦接一电源时，用以送出一启动信号；以及

一控制线路，连接该第一线圈与该启动线路，当接收到该启动信号或该感应信号时，依据该启动信号或该感应信号决定是否提供该主要磁极。

2.如权利要求1所述的无刷直流马达，其中该驱动装置还包括一第二线圈，绕于该定子上并与该控制线路连接，当该控制线路接收到该启动信号或该感应信号时，则该控制线路输出一控制信号于该第二线圈，以使该定子产生一感应磁场。

3.如权利要求1所述的无刷直流马达，其中该启动线路还包括：

一储能线路，当该控制线路耦接该电源时，用以依据所储存的电能，来控制该启动信号是否输出；以及

一释能线路，与该储能线路相连接，当该启动线路不再耦接一直流输入电压或电流时，用以释放该储能线路所储存的能量。

4.如权利要求1所述的无刷直流马达，其中该驱动装置还包括一状态侦测线路，与该第一线圈相连接，通过所接收的该感应信号，转换及输出该转子的转动信息。

5.如权利要求1所述的无刷直流马达，其中每一凸极是以至少一导磁盘、一孔洞或一非导磁盘所构成，且该永久磁铁位于该凸极的最上层、该凸极的最下层、或该凸极内，且在该凸极的相邻凸极中，与该永久磁铁的相对应位置为一孔洞、一非导磁盘或一导磁盘。

6.如权利要求5所述的无刷直流马达，其中该各导磁盘为铁磁性材质或软磁性材质。

7.如权利要求1所述的无刷直流马达，其中该永久磁铁为橡胶磁铁、塑料磁铁、或内包磁铁的塑料。

8.一种无刷直流马达的驱动装置，具有一主要磁极及一辅助磁极，该驱动装置包括：

一第一线圈，绕于该定子，用以侦测该转子的转动位置，并据以产生出一感应信号；

一启动线路，当该驱动装置一开始耦接一电源时，用以送出一启动信号；以及

一控制线路，连接该第一线圈与该启动线路，当接收到该启动信号或该感应信号时，依据该启动信号或该感应信号决定是否提供该主要磁极。

9.如权利要求8所述的驱动装置，其中该驱动装置还包括一第二线圈，绕于该定子上并与该控制线路连接，当该控制线路接收到该启动信号或该感应信号时，则该控制线路输出一控制信号于该第二线圈，以使该定子产生一感应磁场。

10.如权利要求9所述的驱动装置，其中该控制线路包括一第一晶体管，耦接该第一线圈与该第二线圈之间，当该感应信号足以使该第一晶体管导通时，则该第二线圈接收到该控制信号。

11.如权利要求8所述的驱动装置，其中该启动线路还包括：

一储能线路，当该控制线路耦接该电源时，用以依据所储存的电能，来控制该启动信号是否输出；以及

一释能线路，与该储能线路相连接，当该启动线路不再耦接一直流输入电压时，用以释放该储能线路所储存的能量。

12.如权利要求8所述的驱动装置，其中该驱动装置还包括一状态侦测线路，与该第一线圈相连接，通过所接收的该感应信号，转换及输出该转子的转动信息。

13.如权利要求8所述的驱动装置，其中该辅助磁极具有永久磁性。

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