CN1808862A - 无级式线性变速单相直流无刷马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无级式线性变速单相直流无刷马达，其包括转子、定子模组及换向电路，其中该定子模组内至少设有两个定子线圈，且该换向电路内设有变速用电子元件，利用连续性地改变变速用电子元件的导电性，使得马达的转矩一转速特性曲线连续性地产生改变，藉此改变马达的转速，达到马达无级变速的功能。本发明有效地解决了现有无级式线性变速单相直流无刷马达体积大、成本高的技术问题。

Description

无级式线性变速单相直流无刷马达

技术领域

本发明涉及马达，尤其是一种无级式线性变速单相直流无刷马达。

背景技术

图8、图9所示，分别为现有技术无级式线性变速单相直流无刷马达的左向和右向换向电路示意图；该单相直流无刷马达由功率电路A及信号电路B所组成，当线圈电源A1送出电压时，经由信号电路B所感测到的转子位置极性，对换向开关A3、换向开关A4、换向开关A5及换向开关A6做换向导通，使主要的电流如图中虚线所示流过变速用三极管A2、定子线圈A7使马达转动；其马达变速的原理为利用无级式可变电阻A8阻值的变化，来改变变速用三极管A2其C，E极间的等效电阻，进而改变马达的转速。若忽略换向开关的压降，其稳态时的电路方程式如下：

    I_BR_Y+V_BE+I_MR_A+E_b＝V_M

其中I_B：三极管A2基极电流

    R_Y：可变电阻A8阻值

    V_BE：三极管A2基射极导通电压

    I_M：马达线圈电流

    R_A：马达线圈等效电阻

    E_b：马达反电动势

    V_M：马达线圈电压

三极管A2此时工作于放大区，若其电流放大系数为h_FE

则三极管A2射极电流 $I_E=I_M=(1+h_{\mathrm{FE}})I_B\→I_B=I_M/(1+h_{\mathrm{FE}})$

而V_BE≈0.7V，若V_M＞＞V_BE，V_BE可忽略不计，

则方程式变为：I_M·R_Y/(1+h_FE)+I_MR_A+E_b＝V_Mv

即三极管A2之C，E极间可等效为一电阻值R_Y/(1+h_FE)

三极管A2之C，E极间的等效电阻值随无级式可变电阻A8阻值的改变而改变，藉比可达到无级式改变马达的转速。然而上述的现有技术有以下的缺点：

当可变电阻A8阻值R_Y增加时，三极管A2的等效电阻R_Y/(1+h_FE)亦随之增加，因而使马达的转速下降，而此时消耗在变速用三极管A2上的功率约为V_CE·I_C，当马达转速下降时，V_CE的电压会明显示上升，此时消耗在三极管A2的功率亦明显上升，使得三极管A2发热，因此三极管A2必须采用体积及散热能力够大的功率级三极管，以免三极管A2因发热而烧毁，而由于三极管A2体积的增加使得马达本身的体积亦随着变大，使得无级式线性变速单相直流无刷马达无法小型化及轻型化，且其制造成本变高。

发明内容

本发明设计之主要目的在于将无级式线性变速单相直流无刷马达其变速用电子元件消耗的功率，大量的转移至定子模组上，藉此降低变速用电子元件的发热量及体积，使得无级式线性变速单相直流无刷马达可以小型化、轻型化且制造成体降低，为解决上述问题本发明提出以下技术方案。

一种无级式线性变速单相直流无刷马达，包括直流无刷马达内的转子、换向电路及定子模组，该换向电路内设有功率电路及信号电路，且功率电路内具有变速用电子元件、四个换向开关及电源，而信号电路内包括有转子位置感测电路及换向逻辑电路，另，定子模组内设有定子线圈，其四个换向开关分为两组，并与电源相互并联，且于两组换向开关中连接有定子模组，其换向逻辑电路系连接且控制功率级电路中的四个换向开关之导通与截止，其特征在于：所述定子模组内至少设有两个定子线圈，且变速用电子元件系设于其中一组换向开关中，并利用连续性地改变变速用电子元件的导电性，使得马达的转矩—转速特性曲线连续性地产生改变，藉此改变马达的转速，达到马达无级变速的功能。且上述所述变速用电子元件可为双极型三极管元件、热敏电阻元件、场效晶体管元件，而转子位置感测电路可为霍尔元件感测电路。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明，其中：

图1为本发明的一较佳具体实施例结构示意图；

图2为本发明的一较佳具体实施例电路示意图；

图3为本发明双绕组左向换向电路示意图；

图4为本发明双绕组右向换向电路示意图；

图5为本发明双绕组左向换向等效电路示意图；

图6为本发明双绕组右向换向等效电路示意图；

图7为本发明之单相直流无刷马达特性曲线变化示意图；

图8为现有技术无级式线性变速单相直流无刷马达左向换向电路示意图；

图9为现有技术无级式线性变速单相直流无刷马达右向换向电路示意图；

具体实施方式

图1、2所示，分别为本发明之无级式线性变速单相直流无刷马达一较佳具体实施例的结构示意图和电路示意图，由图中可清楚看出本实施例系由转子1、换向电路2、定子模组3所组成，其中换向电路2内设有功率电路21及信号电路22且该功率电路21内包含有线圈电源211、换向开关212、换向开关213、换向开关214、换向开关215、变速用三极管216及可变电阻217，另信号电路22设有一转子位置感测电路221及换向逻辑电路222，又，定子模组3设有定子线圈31及定子线圈32，且此两个定子线圈具有平衡及同相位之特性，假设每个定子线圈其绕线电阻值为R。

图3、4所示，为本发明之双绕组左向换向电路示意图、双绕组右向换向电路示意图，当功率电路21中的线圈电源211送出电压时，信号电路22中的转子位置感测电路221感测到转子1某一磁极，并经换向逻辑电路222使换向开关212及换向开关215呈导通状态，换向开关213及换向开关214呈截止状态，此时主要的电流流经换向开关212后，分流经过定子线圈31、三极管216，及定子线圈32，合并后再通过换向开关215形成一回路，产生激磁，如图3所示。当转子转动且转子位置感测电路221感测到转子1的邻近磁极时，经由换向逻辑电路222使换向开关213及换向开关214呈导通状态，换向开关212及换向开关215呈截止状态，此时主要的电流流经换向开关213后分流经过定子线圈31及三极管216、定子线圈32，合并后通过换向开关214形成一回路，产生激磁，如图4所示。如此反复运作以带动马达。

当马达在稳态运转时，若忽略换向开关的压降，图3之电路方程式如下：

    E_b+I₁R+I_B1R_X+V_BE＝V_dc   ——①

    E_b+I₂R＝V_dc                ——②

其中E_b：马达反电动势

    I₁：马达定子线圈31电流

    R：马达定子线圈31、定子线圈32电阻值

    I_B1：三极管216基极电流

    R_X：可变电阻217阻值

    V_BE：三极管216基射极导通电压

    V_dc：马达线圈电压

    I₂：马达定子线圈32电流

三极管216此时工作于放大区，若其电流放大系数为h_FE

则三极管216射极电流 $I_{E1}=I_1=(1+h_{\mathrm{FE}})I_{B1}\→I_{B1}=I_1/(1+h_{\mathrm{FE}})$

而V_BE≈0.7V，若V_dc＞＞V_BE，V_BE可忽略不计

则①式变为：E_b+[R+R_X/(1+h_FE)]I₁＝V_dc

即三极管216之C，E极间可等效为一电阻值R_X/(1+h_FE)，其等效电路图如图5所示。

而图4之电路方程式如下：

        E_b+I₂R+I_B2R_X+V_BE＝V_dc   ——③

        E_b+I₁R＝V_dc                 ——④

三极管216此时同样工作于放大区，若其电流放大系数为h_FE

则三极管216射极电流 $I_{E2}=I_2=(1+h_{\mathrm{FE}})I_{B2}\→I_{B2}=I_2/(1+h_{\mathrm{FE}})$

同样忽略V_BE≈0.7V时，则③式变为：E_b+[R+R_X/(1+h_FE)]I₂＝V_dc

同样地三极管216之C，E极间可等效为一电阻值R_X/(1+h_FE)，其等效电路图如图6所示。

而直流无刷马达的转矩—转速特性方程式如下：

N＝V/ke-[Ra/(Ke)²]·T

其中

N：马达转速

T：马达转矩

Ke：马达反电动势常数

Ra：马达定子线圈等效电阻值

V：马达线圈电压

由图5、图6得知此时Ra＝[R+R_X/(1+h_FE)]//R

故利用可变电阻217的阻值R_X变化可以改变变速用三极管216的导电性，产生不同的Ra值，因而产生不同的马达特性曲线，如图7所示。

而连续性地改变可变电阻217的阻值就可以连续性地改变单相直流无刷马达的特性曲线，藉此改变马达的转速，因而达到无级式改变单相直流无刷马达转速的功能。

而与现有技术的无级式线性变速单相直流无刷马达比较，本发明在变速时，变速用电子元件消耗的功率会大量的转移至定子模组上，其说明如下：

假设现有技术的无级式线性变速单相直流无刷马达图8及本发明的无级式线性变速单相直流无刷马达图3两种变速马达具有相同的制造参数，即两种马达的绕线圈数、绕线用铜量、转子尺寸、定子模组尺寸及换向开关压降相同，而仅仅在马达变速的电路不同。

当调整可变电阻A8及可变电阻217使得图8与图3的马达有相同的转矩及转速输出时，双方流过定子线圈的总电流相同

              即：I_M＝I₁+I₂

而马达输入功率＝马达输出功率+铁损+磨擦机械损+消耗在定子线圈的铜损+消耗在电子元件的功率。

而两者的马达输入功率、马达输出功率、铁损及磨擦机械损皆相同，故在两种变速系统中消耗在定子线圈的铜损加上消耗在电子元件的功率为相同的定值。

此时消耗在图3定子线圈的铜损为I₁ ²R+I₂ ²R

而图8定子线圈的等效电阻值为图3两个定子线圈的并联值＝R//R＝R/2

所以消耗在图8定子线圈的铜损为I_M ²·R/2＝(I₁+I₂)²·R/2

消耗在图3定子线圈的铜损比图8多出

  I₁ ²R+I₂ ²R-(I₁+I₂)²·R/2

＝I₁ ²R+I₂ ²R-I₁ ²·R/2-I₂ ²·R/2-I₁I₂R

＝I₁ ²·R/2+I₂ ²·R/2-I₁I₂R

＝(I₁-I₂)²·R/2

因为在两种变速系统中消耗在定子线圈的铜损加上消耗在电子元件的功率为相同的定值，所以图3消耗在电子元件的功率就比图8来得少(I₁-I₂)²·R/2，而两者换向开关所消耗的功率一样，因此图3变速用电子元件消耗的功率就比图8来得少(I₁-I₂)²·R/2。

当I₁与I₂相差愈大，即图3定子线圈内的电流I₁、I₂愈不相等时，变速用电子元件消耗的功率差(I₁-I₂)²·R/2就变得愈大，例如当I₁≈3/4I_M，I₂≈1/4I_M时，此功率差为I_M ²·R/8，而当I₁≈I_M，I₂≈0时，此功率差就变为I_M ²·R/2，此时图3变速用电子元件消耗的功率几乎为零，而图8变速用电子元件消耗的功率则为I_M ²·R/2，即图8变速用电子元件消耗的功率远大于图3。

因为定子模组其体积及散热量通常为变速用电子元件的数倍，而采用图3的设计方法就可以将变速用电子元件消耗的功率，大量的转移至定子模组上，因此可以有效降低变速用电子元件的发热量，解决变速用电子元件发热的问题，使得无级式线性变速单相直流无刷马达可以小型、轻型化且可以降低其制造成本。

然而以上所述，仅为本发明一较佳具体实施例而已，惟本发明之功能特征并不局限于此，任何熟悉该项技艺者在本发明领域内，可轻易思及之变化或修饰，皆可涵盖在本案之专利范围。

Claims (5)

1、一种无级式线性变速单相直流无刷马达，包括直流无刷马达内的转子、换向电路及定子模组，该换向电路内设有功率电路及信号电路，且功率电路内具有变速用电子元件、四个换向开关及电源，而信号电路内包括有转子位置感测电路及换向逻辑电路，另，定子模组内设有定子线圈，其四个换向开关分为两组，并与电源相互并联，且于两组换向开关中连接有定子模组，其换向逻辑电路系连接且控制功率级电路中的四个换向开关之导通与截止，其特征在于：所述定子模组内至少设有两个定子线圈，且变速用电子元件系设于其中一组换向开关中，并利用连续性地改变变速用电子元件的导电性，使得马达的转矩—转速特性曲线连续性地产生改变，藉此改变马达的转速，达到马达无级变速的功能。

2、如权利要求1所述的无级式线性变速单相直流无刷马达，其特征在于：所述变速用电子元件可为双极型三极管元件。

3、如权利要求1所述的无级式线性变速单相直流无刷马达，其特征在于：所述变速用电子元件可为热敏电阻元件。

4、如权利要求1所述的无级式线性变速单相直流无刷马达，其特征在于：所述变速用电子元件可为场效晶体管元件。

5、如权利要求1所述的无级式线性变速单相直流无刷马达，其特征在于：所述转子位置感测电路可为霍尔元件感测电路。

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