CN1864320A

CN1864320A - 交流电源直接耦合的无刷直流电动机和利用其的电气设备

Info

Publication number: CN1864320A
Application number: CNA2004800292269A
Authority: CN
Inventors: 高田昌亨
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2024-07-26
Also published as: JP3901146B2; JP2005117815A; CN100547898C

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电动机，其中，商用AC电源由整流器(9)全波整流，然后，由直流电压转换器(8)转换成不超过45V的通常平直的低直流电压。低直流电压通过电桥配置中由开关元件形成的逆变器电路(6)，用全波驱动方法施加在定子线圈(2)上。这种结构可以获得与AC电源直接耦合的无刷直流电动机，和电动机的转矩脉动和不均匀旋转受到抑制。

Description

交流电源直接耦合的无刷直流电动机和利用其的电气设备

发明领域

本发明涉及驱动风扇的无刷直流(DC)电动机，还涉及利用这种电动机的电气设备。

背景技术

最近，应用永久磁铁的无刷DC电动机已经广泛用于驱动通风设备的风扇。图23示出了用于驱动风扇的与交流(AC)电源直接耦合的传统无刷DC电动机的电路示意图。该电路使用二相半波驱动方法和包括如下元件：

对商用AC电源整流的整流器101；

滤波大容量铝电解电容器109；

驱动磁体转子105的二相定子线圈103，104；和

控制到定子线圈的电源、包括开关元件107，108和安装在印刷电路板106上的控制器102。

将直接来自整流器101的高压DC电源提供指定子线圈103，104，和将来自高压DC电源降低的低压提供给控制器102。通过二相半波驱动方法驱动的前述无刷DC电动机产生相当大的噪声和振动，和需要大容量的滤波电容器。本发明的目的是提供克服了这些问题的与AC电源直接耦合的无刷DC电动机。

发明内容

本发明的与AC电源直接耦合的无刷DC电动机包含：

包括定子线圈的定子；

包括转子磁体的转子；

检测转子磁体的磁通密度分布的磁通传感器；

包括耦合在含有上臂和下臂的全波电桥中的多个开关元件的逆变器电路；

AC电源耦合器；

对AC电源全波整流的电压的整流器；

DC电压转换器，用于将整流器提供的整流电压转换成平直低DC电压，和将平直低DC电压作为电源施加在逆变器电路上；和

控制器，用于根据磁通传感器提供的信号控制逆变器电路，以便用全波驱动方法将低DC电压提供指定子线圈。

附图简述

图1示出了按照本发明第一示范性实施例的无刷DC电动机的断面图；

图2示出了如图1所示的无刷DC电动机的电路图；

图3示出了如图1所示的无刷DC电动机的整流器的输出电压波形；

图4示出了如图1所示的无刷DC电动机利用PWM(脉宽调制)方法的电路图；

图5示出了按照本发明第二示范性实施例的无刷DC电动机的电路图；

图6示出了如图5所示的无刷DC电动机的每分钟转数(每分钟转数)-转矩特性；

图7示出了如图5所示的无刷DC电动机利用脉宽调制方法的电路图；

图8示出了按照本发明第三示范性实施例的无刷DC电动机的电路图；

图9示出了如图8所示的无刷DC电动机的每分钟转数-电流特性；

图10示出了如图8所示的无刷DC电动机的每分钟转数-转矩特性；

图11示出了利用如图8所示的无刷DC电动机的通风设备的空气体积-静压特性；

图12示出了如图8所示的无刷DC电动机利用脉宽调制方法的电路图；

图13示出了按照本发明第四示范性实施例的无刷DC电动机的电路图；

图14示出了如图13所示的无刷DC电动机的每分钟转数-转矩特性；

图15示出了利用如图13所示的无刷DC电动机的通风设备的空气体积-静压特性；

图16示出了如图13所示的无刷DC电动机利用脉宽调制方法的电路图；

图17示出了按照本发明第五示范性实施例的无刷DC电动机的电路图；

图18示出了如图17所示的无刷DC电动机利用脉宽调制方法的电路图；

图19示出了按照本发明第六示范性实施例的无刷DC电动机的电路图；

图20示出了按照本发明第七示范性实施例的无刷DC电动机的电路图；

图21示出了如图20所示的无刷DC电动机利用脉宽调制方法的电路图；

图22示出了利用本发明的无刷DC电动机的通风设备的侧视图、正视图、和俯视图；和

图23示出了传统无刷DC电动机的电路图。

实现本发明的最佳方式

下文参照附图说明本发明的示范性实施例。

第1示范性实施例

图1示出了按照第一示范性实施例的无刷DC电动机的断面图。定子10通过模压例如不饱和聚酯那样的热固树脂17而成。含有多个槽的定子铁芯10a经过绝缘材料11绕有定子线圈2。托架18固定轴承19，和磁体转子3可旋转地面对定子10。

磁体转子3通过在带有转轴20的主体中注塑模压磁铁而成，和在模压时使磁体转子3拥有极性取向。因此，磁体转子磁体3a是磁极各向异性的磁铁。

霍耳(Hall)元件4用作检测电动机磁极3a的磁通密度分布的磁通传感器。设置霍耳元件4与磁体转子磁体3a之间的空间以便霍耳元件4检测的磁通密度分布的波形变成与由电动机磁极3a在定子线圈2中感应的电压的波形相似的图形。

图2示出了本实施例的无刷DC电动机的电路。商用AC电源与AC电源耦合器15耦合，AC电源耦合器15存在两个线端，即，强输出端15a和弱输出端15b，用于获取分两步的每分钟转数-转矩特性。更多的线端将产生更多步的特性。线端15c用作公共端。外开关24选择线端15a和线端15b之一。

整流器9对商用AC电源进行全波整流。由步降斩波电路形成的DC电压转换器8将整流器9提供的高全波整流电压降低成不超过45V的低DC电压和输出低DC电压。这个低DC电压作为电源施加在逆变器电压6上。

由聚合物电容器形成和具有小容量的滤波电容器13位于整流器9和DC电压转换器8之间，以便电容器13在50Hz全波整流的AC 100V降低到不超过45V(参照图3)的情况下，在相当短的周期，例如，大约2.1毫秒内补充电压。

连接传感器16检测由开关24选择了线端15a还是15b。在选择弱输出端15b的情况下，DC电压改变器14将转换器8提供的低DC电压降低成比在选择强输出端15a的情况下的那一个更低。在图2中，由长短交替虚线围成的电路形成除了滤波电容器和线圈之外和安装在铝基底上的单个芯片IC 21。

磁通密度合成器12从霍耳元件4的U相波形中扣除V相波形，以便消除电动机的U相电流的谐波成分。合成器12还从霍耳元件4的V相波形中扣除W相波形，以便消除电动机的V相电流的谐波成分。合成器12还从霍耳元件4的W相波形中扣除U相波形，以便消除电动机的W相电流的谐波成分。

处在上臂中的开关元件Q1、Q3和Q5和处在下臂中的开关元件Q2、Q4和Q6在全波电桥中耦合在一起，从而形成逆变器电路6。

控制器5根据霍耳元件4提供的信号控制逆变器电路6，以便可以按指定方向和按指定顺序全波驱动定子线圈2。

电流波形控制器7调整输出偏置电流，以便将电动机电流的波形整形成与由合成器12已经从中消除了谐波成分的波形相似的图形，同时将反馈信号提供给开关元件Q1-Q6，以便使开关元件保持在仍与饱和状态接近的不饱和状态。

在本发明的无刷DC电动机中，DC电压转换器8将经过全波整流的高电压转换成不超过45V的预定低电压和将这个低DC电压提供指定子线圈2。因此，AC电流中的电压波动不会改变电动机的特性。通过在通常平直的低DC电压上全波驱动逆变器电路6对电动机供电，但仍要消除电动机电流的谐波成分，以便电动机产生较低的噪声和振动。如图3所示，滤波电容器13可以具有在电压变得不足的情况下，在相当短的周期，例如，大约2.1毫秒内刚好足够补充电压的小容量。因此，滤波电容器13可以应用较小的电容器，例如，以寿命较长和由环境温度引起的特性变化较小为特征的固态电容器。固态电容器包括聚合物电容器、陶瓷电容器、和薄膜电容器。

如图4所示，脉宽调制(PWM)控制可应用于本实施例的无刷DC电动机。PWM控制器25用PWM方法控制下臂的开关元件Q2、Q4和Q6，并且还根据霍耳元件4提供的信号控制逆变器电路6，以便按指定方向和顺序全波驱动地将电源提供指定子线圈2。电流波形控制器7调整处在下臂中的开关元件的ON/OFF工作方式，以便控制波形。取代下臂的开关元件，可以PWM控制上臂的开关元件Q1、Q3和Q5。结果，可以减少调整设备技术要求的步数。

工作方式指令装置26用降低由低DC电压得到的电压提供有关PWM的ON/OFF工作方式(duty)的指令。

耦合传感器16检测开关24选择了AC电源耦合器15的线端15a还是15b。当选择弱输出端15b时，工作方式指令装置26缩短PWM的ON工作方式，以便施加指定子线圈2的平均电压变成比选择强输出端15a时的那个低。

第2示范性实施例

图5示出了按照本发明第二示范性实施例的无刷DC电动机的电路。与前一个实施例中的那些相似的元件具有相同的参考标记，这里省略对它们的描述。

电流传感器30检测逆变器电路6的电流。电流控制器31调整DC电压转换器8提供的低DC电压，以便逆变器电路6的平均电流变成等于设置的电流。由于应该考虑开关元件的耐压和反冲(kick-back)电压，将电压上限设置成要提供给逆变器电路6的低DC电压。

耦合传感器16检测开关24选择了AC电源耦合器15的线端15a还是15b。当选择弱输出端15b时，耦合传感器16指令设置电流改变器32将逆变器电路6的设置电流降低得比选择强输出端15a时的那个低。

在本实施例的无刷DC电动机中，使逆变器电路6的平均电流保持恒定，以便如图6所示，使输出转矩通常保持恒定。由于每分钟转数的差异相对于负载的变化因此很大，应用本实施例的无刷DC电动机的通风设备具有与应用感应电动机的通风设备的空气体积-静压特性相似的空气体积-静压特性。因此，前述结构可以防止极端的低静压或在0(零)静压下的极端大空气体积，还获得低噪声和低功耗的通风设备。

图7告诉我们，与在前一个实施例中所述的一样，PWM控制可应用于本实施例的无刷DC电动机。电流控制器31控制调整PWM的ON/OFF工作方式的工作方式指令装置26，以便逆变器电路6的平均电流变得等于设置的电流。换句话说，调整DC电压转换器8提供的低DC电压。

第3示范性实施例

图8示出了按照本发明第三示范性实施例的无刷DC电动机的电路。与前一个实施例中的那些相似的元件具有相同的参考标记，这里省略对它们的描述。

旋转信号输出装置34输出来自由磁通传感器4检测的波形的指示电动机的每分钟转数的脉冲。电流指令装置33将这个脉冲从频率转换成电压，和获取电压，即，电动机的每分钟转数。响应电动机的每分钟转数，电流指令装置33指令逆变器电路6参照设置值增大电流。换句话说，电流指令装置33向电路6发出指令在较大的每分钟转数下增大电流。

电流控制器31调整DC电压转换器8提供的低DC电压，以便逆变器电路6的平均电流变得等于电流指令装置33指定的电流。由于应该考虑开关元件的耐压和反冲电压，将电压上限设置得要提供给逆变器电路6的低DC电压。结果，在某个周期内，即使每分钟转数升高，也不用控制电流，电动机可以在恒定电压下运行。

在本实施例的无刷DC电动机中，如图9所示，rmp的升高使逆变器电路6的电流增大，和如图10所示，转矩也增大。换句话说，电流指令装置33响应电动机的每分钟转数的升高，增大逆变器电路6的电流，以便转矩曲线可以达到所希望的梯度。

因此，应用本实施例的无刷DC电动机的通风设备可以获得如图11所示的空气体积-静压特性。即使外部风压或导管长度的差异使压力损失发生改变，该特性也使空气体积只改变一点点。

图12告诉我们，与在前一个实施例中所述的一样，PWM控制可应用于本实施例的无刷DC电动机。电流控制器31控制工作方式指令装置26，从而调整PWM的ON/OFF工作方式，使得逆变器电路6的平均电流变得等于电流指令装置33指令响应电动机的每分钟转数改变的电流。

逆变器电路6的电流的上限在考虑了逆变器电路6的容许功耗之后设置。将PWM的ON工作方式的上限设置成100％，以便每分钟转数的升高不会伴随着电流的增大，和电动机在某个周期内以100％的ON工作方式运行。

第4示范性实施例

图13示出了按照本发明第四示范性实施例的无刷DC电动机的电路。与前一个实施例中的那些相似的元件具有相同的参考标记，这里省略对它们的描述。

旋转信号输出装置34输出来自由磁通传感器4检测的波形的指示电动机的每分钟转数的脉冲。rmp范围传感器39将这个脉冲从频率转换成电压，和获取包括那时的电动机每分钟转数的rmp范围。

电流指令装置40指令逆变器电路6响应每分钟转数范围改变电流。更具体地说，电流指令装置40向逆变器电路6发出指令，以便较大的每分钟转数伴随着电流与每分钟转数范围内的每一个对应地逐步增大。

电流传感器30检测逆变器电路6的电流。电流控制器31调整DC电压转换器8提供的低DC电压，以便逆变器电路6的平均电流变得等于电流指令装置40指定的电流。由于应该考虑开关元件Q1-Q6的耐压和反冲电压，将电压上限设置得要提供给逆变器电路6的低DC电压。结果，在某个周期内，即使每分钟转数升高，也不用控制电流，电动机可以在恒定电压下运行。

如图14所示，在本实施例的无刷DC电动机中，转矩在电动机的较大每分钟转数下逐步增大。换句话说，电流指令装置40响应电动机每分钟转数的增大逐步增大逆变器电路6的电流，以便转矩可以达到所希望的梯度。在如图14所示的转矩特性的虚线上，设置了每分钟转数下降和上升之间的滞后，和适当地设置了滞后的宽度，以便不引起麻烦，例如，寄生振荡。电流的逐步变化使具有较小动态范围的频率-电压转换器变成可用的。

应用本实施例的无刷DC电动机的通风设备具有如图15所示的空气体积-静压特性。即使外部风压或导管长度的差异使压力损耗发生改变，该特性也使空气体积只改变一点点。

图16告诉我们，与在前一个实施例中所述的一样，PWM控制可应用于本实施例的无刷DC电动机。电流控制器31控制工作方式指令装置26，从而调整PWM的ON/OFF工作方式，使得逆变器电路6的平均电流变得等于电流指令装置33指令响应电动机的每分钟转数改变的电流。由于与在前一个实施例中所描述相同的理由，需要对逆变器电路6的电流加上上限。

第5示范性实施例

图17示出了按照本发明第五示范性实施例的无刷DC电动机的电路。与前一个实施例中的那些相似的元件具有相同的参考标记，这里省略对它们的描述。

电压降低装置46通过线端44和45处在电动机的外部。DC电压转换器8提供的低DC电压通过电压降低装置46施加给逆变器电路6。

前述结构可以获得与AC电源直接耦合的无刷DC电动机，和可以平滑地调整电动机的速度，即，不是逐步调整，从而可以任意设置通风设备的空气体积。图18告诉我们，与在前一个实施例中讨论的一样，PWM控制可应用于本实施例的无刷DC电动机。

第6示范性实施例

图19示出了按照本发明第六示范性实施例的无刷DC电动机的电路。与前一个实施例中的那些相似的元件具有相同的参考标记，这里省略对它们的描述。

电压降低装置46通过线端53和54处在电动机的外部。PWM控制器25控制处在下臂中的开关元件Q2、Q4和Q6。电流波形控制器51调整下臂的开关元件的ON/OFF工作方式，以便电动机电流的波形整变得与由磁通密度合成器12已经从中消除了谐波成分的波形相似的图形。参考电压生成电路52由降低DC电压转换器50提供的低DC电压，从而生成恒定输出的参考电压。然后，参考电压通过在电动机外部的电压降低装置46施加给PWM控制器25，作为指示PWM的ON/OFF工作方式的工作方式指令电压。

前述结构可以获得与AC电源直接耦合的无刷DC电动机，和可以平滑地调整电动机的速度，即，不是逐步调整，从而可以任意设置通风设备的空气体积。

第7示范性实施例

图20示出了按照本发明第七示范性实施例的无刷DC电动机的电路。与前一个实施例中的那些相似的元件具有相同的参考标记，这里省略对它们的描述。

电压降低装置46通过线端53和54处在电动机的外部。参考电压生成电路52降低由DC电压转换器50提供的参考电压，从而生成恒定输出的参考电压。然后，参考电压通过在电动机外部的电压降低装置46施加给设置电流改变器32。

设置电流改变器32取决于施加的电压改变参考值。电流指令装置33响应由旋转信号输出装置34提供的输出信号指令逆变器电路6维持恒定电流，或参照参考值改变电流，或参照参考值逐步改变电流。此时，由于应该考虑开关元件的耐压和反冲电压，将电压上限设置得要提供给逆变器电路6的低DC电压。结果，在某个周期内，即使每分钟转数升高，也不用控制电流，电动机可以在恒定电压下运行。

在本实施例中，逆变器电路6的电流在较大的每分钟转数下增大，和相反，在较小的每分钟转数下减小。结果，电动机的轴转矩在较大的每分钟转数下增大。应用本实施例的无刷DC电动机的通风设备获得了即使外部风压或导管长度的差异使压力损耗发生改变，也使空气体积只改变一点点的特性。图21告诉我们，与在前一个实施例中讨论的一样，PWM控制可应用于本实施例的无刷DC电动机。

下面说明应用本发明的无刷DC电动机的电气设备。无刷DC电动机适用于像通风设备和鼓风机那样的电气设备。图22示出了应用本发明的无刷DC电动机的通风设备的正视图、侧视图、和俯视图。

在图22中，通风设备59包括无刷DC电动机58和离心式鼓风机60，其中，电动机58使鼓风机60的多叶片风扇旋转以便吹风。在前面实施例中讨论过的电动机可以用作电动机58，从而本发明的通风设备享受到电动机的优点。

本发明与AC电源直接耦合的无刷DC电动机可以降低转矩脉动和降低瞬时转矩的变化率，从而抑制了噪声和振动。这种电动机具有如下优点：电流小；负载转矩的可用范围宽；在高功率输出范围上功耗低；电路尺寸缩小；质量高；服务寿命长；不均匀旋转受到抑制；特性不随电源电压的变化而变化；和每分钟转数-转矩特性与感应电动机的每分钟转数-转矩特性相当。并且，这种电动机可以减少调整其技术要求的步数，从而，将这种电动机常用于安装在包含离心式鼓风机60的电气设备例如通风设备、热水器、空气调节器、空气过滤器、减湿器、干燥机、和风扇过滤器单元中。更进一步，由于这种电动机具有这样的每分钟转数-转矩特性，轴转矩在较大的每分钟转数下增大，将这种电动机常用于安装到包含离心式鼓风机和要求空气体积几乎不随静压的变化而变化的空气体积-静压特性的如下电气设备：通风设备、热水器、空气过滤器、空气调节器、和用于清洁房间的鼓风机单元中。

工业可应用性

本发明的无刷DC电动机适合安装在通风设备和鼓风机中。

Claims

1.一种与交流电源直接耦合的无刷直流电动机，该电动机包含：

(a)包括定子线圈的定子；

(b)包括转子磁体的转子；

(c)检测转子磁体的磁通密度分布的磁通传感器；

(d)包括耦合在含有上臂和下臂的全波电桥中的多个开关元件的逆变器电路；

(e)交流电源耦合器；

(f)对交流电源的电压全波整流的整流器；

(g)直流电压转换器，用于将整流器提供的整流电压转换成平直低直流电压，和将平直低直流电压作为电源施加在逆变器电路上；和

(h)控制器，用于根据磁通传感器提供的信号控制逆变器电路，以便用全波驱动方法将低直流电压提供指定子线圈。

2.一种与交流电源直接耦合的无刷直流电动机，该电动机包含：

(a)包括定子线圈的定子；

(b)包括转子磁体的转子；

(c)检测转子磁体的磁通密度分布的磁通传感器；

(e)交流电源耦合器；

(f)对交流电源的电压全波整流的整流器；

(g)直流电压转换器，用于将整流器提供的整流电压转换成平直低直流电压，和将平直低直流电压作为电源施加在逆变器电路上；

(h)控制器，用于脉宽调制控制处在逆变器电路的上臂和下臂之一上的一些开关元件，和根据磁通传感器提供的信号控制逆变器电路，以便用全波驱动方法将低直流电压提供指定子线圈；和

(i)工作方式指令装置，用于向逆变器电路发出有关脉宽调制的ON/OFF工作方式的指令。

3.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，

其中，磁通传感器是这样放置的，使磁通密度分布的波形变成与由转子磁体在定子线圈中感应的电压波形相似，和

其中，控制器进一步包括电流波形控制器，用于将定子线圈的电流波形整形成与磁通传感器检测的波形相似。

4.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，

其中，磁通传感器进一步包括合成器，用于合成磁通传感器检测的波形当中两相的波形；和

其中，控制器进一步包括电流波形控制器，用于将定子线圈的电流波形整形成与合成波形相似的波形。

5.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，其中，转子磁体是磁极各向异性的磁铁。

6.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，进一步包含电流控制器，用于不断地调节逆变器电路的平均电流在设置电流下。

7.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，进一步包含：

电流指令装置，用于指令逆变器电路的平均电流；

电流控制器，用于调节逆变器电路的平均电流在指令的值下；

输出装置，用于根据磁通传感器提供的信号输出电动机每分钟转数的信号，

其中，电流指令装置指令逆变器电路响应电动机每分钟转数改变平均电流。

8.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，进一步包含：

电流指令装置，用于指令逆变器电路的平均电流；

输出装置，用于根据磁通传感器提供的信号输出电动机每分钟转数的信号；和

每分钟转数范围传感器，用于检测每分钟转数的范围，该范围覆盖电动机的每分钟转数，

其中，电流指令装置指令逆变器电路响应每分钟转数的范围改变平均电流。

9.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，进一步包含直流电压改变器，用于改变直流电压转换器提供的低直流电压，

其中，交流电源耦合器包括多个线端，

和

其中，直流电压改变器响应交流电源耦合器的哪个线端与交流电源耦合改变低直流电压。

10.根据权利要求6所述的无刷直流电动机，进一步包含设置电流改变器，用于改变设置电流，

其中，交流电源耦合器包括多个线端，

和

其中，电流改变器响应交流电源耦合器的哪个线端与交流电源耦合改变设置电流。

11.根据权利要求7所述的无刷直流电动机，其中，交流电源耦合器包括多个线端，

其中，电流指令装置取决于交流电源耦合器的哪个线端与交流电源耦合，响应电动机每分钟转数改变逆变器电路的平均电流。

12.根据权利要求8所述的无刷直流电动机，其中，交流电源耦合器包括多个线端，

其中，电流指令装置取决于交流电源耦合器的哪个线端与交流电源耦合，响应每分钟转数的范围改变逆变器电路的平均电流。

13.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，进一步包含通过线端处在电动机外部的电压降低装置，其中，直流电压转换器提供的低直流电压作为电源，通过处在电动机外部的电压降低装置施加在逆变器电路上。

14.根据权利要求2所述的无刷直流电动机，进一步包含通过线端处在电动机外部的电压降低装置，其中，从直流电压转换器提供的低直流电压降低的电压通过处在电动机外部的电压降低装置施加在控制器上，作为向逆变器电路发出有关脉宽调制的ON/OFF工作方式的指令的信号电压。

15.根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机，进一步包含：

电流指令装置，用于指令逆变器电路的平均电流；

线端，用于将电压降低装置与电动机的外部耦合，

其中，向逆变器电路发出有关平均电流的指令的信号电压通过处在电动机外部的电压降低装置施加在电流指令装置上。

16.根据权利要求15所述的无刷直流电动机，其中，信号电压指令逆变器电路执行如下操作之一：维持恒定电流，响应电动机每分钟转数改变电流，或电动机每分钟转数的范围改变电流。

17.一种安装了根据权利要求1或2所述的无刷直流电动机的电气设备。