CN209627190U - 逐相驱动多相无刷电机和驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，与传统的直流无刷电机至少同时驱动二相线圈不同，本实用新型的直流无刷电机在每次驱动时只驱动一相线圈以求得最好效率去驱动转子旋转，并由于提供了高效精确驱动的驱动器电路，和用改变转动脉冲的频率的方法进行速度调节，提高了电能的驱动效率，并具有转速大范围保持大转距的特点。本实用新型的无刷电机驱动电路在正反转时切换位于电机中不同的位置传感器，使电机在正反转时都具有相同的性能。其低转速高转距和高效节能的特点使之在新能源电动车和节约能源上有广阔的应用前景。

Description

逐相驱动多相无刷电机和驱动器

本实用新型公开了一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，分别包括无刷电机和驱动器。

技术领域

本实用新型涉及无刷电机和无刷电机驱动器技术领域。

背景技术：

直流无刷电机由电机主体和驱动电路组成，是一种典型的机电一体化产品。

在新能源电动汽车中广泛采用直流无刷电机，它的效率直接影响电动汽车的单次充电后的巡航里程，如何提高直流无刷电机的效率成为极为关键的因素。高效的电能驱动才能带来高效的能量转换从而带来更长的续航里程和节约能源。在传统的直流无刷电机中，几乎都是延用三相交流电机的星型接法和三角接法。其每次通电都至少流过二相线圈，由于各相线圈安装的物理位置的不同，当一相线圈驱动为最好效率时，另一相线圈必定处于非最佳效率。相关的理论研究和实际应用已经指出，就是效率较三角接法为高的并广泛采用的星型接法，因同时驱动二相线圈，其二相通电线圈输出的力的矢量和是1.732倍，而不是二倍。这就使直流无刷电机的效率受到限制。并且在直流无刷电机正转和反转时，因传感器位置不可变，使其效率是不同的，如外置霍尔传感器式直流无刷电机其传感器位置的安装就是在正转位置的佳点和反转位置的佳点之间找一个折中兼顾的位置，折中就说明对正转和反转都不是最好位置，使电机效率进一步降低，使得新能源电动汽车巡航里程减少。

由上述二方面可以看到，为提高新能源电动汽车巡航里程就必须对直流无刷电机绕组进行精确的驱动，才能提高驱动效率以实现最佳的动力输出，从而提高新能源电动汽车的巡航里程。

发明内容

本实用新型提供一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，在这无刷电机内，在吸引驱动模式时是将位置传感器位于驱动线圈的前方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器后面的这相线圈通电产生与位置传感器下的转子磁极相异的磁极从而吸引转子转向该相线圈位置，由此再到下一相线圈位置，从而驱动转子旋转；在排斥驱动模式时是将位置传感器位于驱动线圈的后方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器前面的这相线圈通电产生与位置传感器下的转子磁极相同的磁极从而推斥转子转离该相线圈位置，由此驱动转子旋转，同理再转到下一相线圈位置。在每次驱动时只驱动一相线圈以求得最好效率驱动转子。由于每次的驱动使转子只转动一个齿槽位，具有转距脉动小。由于转子用多磁极对，多个地方产生作用力，使其具有转速大范围转矩大的特点，并且在正反转时切换不同的位置传感器，使正反转都有相同的性能。

在本实用新型的驱动电路中，PWM脉宽调制可调节使其一直处于高占空比状态，转速的调节由另外的驱动脉冲的频率提供，而不是通常的PWM脉宽调速，PWM 脉宽调制脉冲在各个速度上都保持较高的占空比，从而使其具有高效率和转速大范围保持高转距的特点，并可以在速度一定而转矩可以减小的情况下减小脉宽而进一步节约电能。同时由于去掉了传统无刷电机驱动器中的功率驱动的上臂部分，使得成本较传统无刷电机驱动器更低以及温升减小和故障率下降的特点并且节约能源及增强可靠性。

本实用新型的无刷电机绕组的定子的绕制方式是单槽绕制，即一组绕组(T1) 在一个槽(槽1)和相邻一个槽(槽2)围围绕铁心绕，绕到所需要的匝数后，下一个绕组(T2)在这个相邻的槽(槽2)和下一个相邻的槽(槽3)绕制待所需要的匝数后，再在这个槽(槽3)和再下一个槽(槽4)绕制下一组绕组(T3)，如此再绕绕组T1---T3(对三相情况)，对于更多n相的电机也有同样的绕组方式，也即T1-T2-T3----Tn-1-Tn，然后再是T1-T2-T3----Tn-1-Tn，直到各槽按要求绕满，各相绕组的一端共同相接，各相绕组的另一端分别相接于驱动器上各自的功率驱动器件上。

本实用新型的无刷电机采用如图1所示的单磁极驱动模式和如图2所示的双磁极驱动模式。当采用单磁极驱动模式时同一相定子绕组通电时该相绕组各齿槽对转子径向产生相同磁性的磁极，驱动永磁转子的某一磁极，无刷电机的永磁转子的磁极对数与相数和定子槽数的关系是：定子槽数等于磁极的对数乘相数，相数大于等于2。当采用双磁极驱动模式时同一相定子绕组通电时在该相绕组的相邻齿槽对转子径向产生不同磁性的磁极，同时驱动永磁转子的南北二极磁极，无刷电机的永磁转子的磁极数量与相数和定子槽数的关系是：定子槽数等于磁极的数量乘相数，相数大于等于2。双磁极驱动模式在定子槽数上比单磁极驱动模式多一倍，但双磁极驱动模式比单磁极驱动模式有更大的转矩和更小的转矩脉动，同时转数也较低，更适合于新能源电动汽车对低转速高转矩的要求。

本实用新型的无刷电机绕组的定子各相绕组的位置传感器(如霍尔传感器) 在吸引模式时位于该绕组面向转子转动方向的前面，如绕组T1的位置传感器H1 在槽1，绕组T2的位置传感器H2在槽2，绕组T3的位置传感器H3在槽3，但在槽4还放有位置传感器H4(对三相无刷电机而言，在电机反转时使用)，对于n相无刷电机，按此方式有n+1个位置传感器Hn+1，n大于等于2。

本实用新型的无刷电机绕组的定子各相绕组的位置传感器(如霍尔传感器) 在推斥模式时位于该绕组面向转子转动方向的后面，如绕组T1的位置传感器H1 在槽2，绕组T2的位置传感器H2在槽3，绕组T3的位置传感器H3在槽4，但在槽1还放有位置传感器H4(对三相无刷电机而言，在电机反转时使用)，对于n相无刷电机，按此方式有n+1个位置传感器Hn+1，n大于等于2。

本实用新型的无刷电机绕组的转子是在径向充有永磁性的圆柱体磁性材料，该圆柱体磁性材料可以是实心的也可以是空心的。

定子线圈绕制和位置传感器以及转子结构示意图见附图1(单磁极驱动模式) 和附图2(双磁极驱动模式).

对于常用的霍尔传感器位置作为传感器，它在磁极南极靠近时输出低电平位置信号，因而在吸引驱动模式时绕组绕线方式是以在通电并在朝向转子的方向产生北极磁性方式绕线，在排斥驱动模式时绕组绕线方式是以在通电并在朝向转子的方向产生南极磁性方式绕线。也可采用磁极北极靠近时输出位置信号的传感器，它们并不构成本质区别，只是绕组绕线方式将不同。

本实用新型的无刷电机转子驱动方式是对定子线圈逐相顺序通电，在每一个时刻只有一相线圈通电，驱动转子转动一个齿位，在给下一相线圈通电，驱动转子又转动一个齿位，如此往复，从而构成转子的旋转。

本实用新型的无刷电机的驱动电路由可调控制转速的脉冲振荡器，相序产生器，控制正反转的传感器切换器，控制正反转的相序切换器，PWM脉宽调制器，占空比调节器，用于比较传感器信号和相序信号的与非门，和带动各相绕组线圈的功率驱动器(一般是大功率MOS管或者IGBT模块)构成。

本实用新型的无刷电机的驱动电路带动各相绕组线圈的功率驱动器可以采用图3和图4各功率驱动器共电源地的方式，也可以采用附图5各功率驱动器共电源方式，它们并不构成根本区别，仅需注意电位隔离就可。

附图说明

图1和图2是本实用新型的无刷电机结构示意图(以三相8磁极，12槽和24槽为例)。

图3为本实用新型的吸引模式驱动器示意图(以三相驱动为例)。

图4为本实用新型的推斥模式驱动器示意图(以三相驱动为例)。

图5为本实用新型的各功率驱动器共电源方式示意图(以三相驱动为例)。

具体实施方式

本实用新型提供一种逐相驱动多相无刷电机和其驱动电路，由磁性异性相吸，同性相斥原理，在吸引力转动方式时在直流无刷电机内将位置传感器位于驱动线圈的前方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器后面的这相线圈通电产生磁力吸引转子转向该相线圈位置，由此再到下一相线圈位置，从而驱动转子旋转。在推斥力转动方式时在直流无刷电机内将位置传感器位于驱动线圈的后方，位置传感器给出信号后由驱动器给该位置传感器后面的这相线圈通电产生磁力推斥转子转离该相线圈位置，由此再到下一相线圈位置，从而驱动转子旋转。在每次驱动时只驱动一相线圈以求得最好效率驱动转子，并且具有转距脉动小，转速大范围转矩大的特点，并且在正反转时切换不同的位置传感器，使正反转都有相同的性能。

在本实用新型中的无刷电机的驱动电路由可调控制转速的脉冲振荡器IC8 产生出振荡脉冲输出到由IC9十进制计数器/脉冲分配器CD4017构成的三相相序产生器，产生出D0，D1，D2三相相序高电平脉冲，而由霍尔元件构成的位置传感器在当转子南极位于其附近时给出低电平信号，亦可以采用其它类型的感应磁性信号的位置传感器给出的有效信号。

带动绕组通电的功率驱动器件由IGBT功率器件组成，亦可采用大功率MOS管。

吸引力转动方式(位置传感器位于线圈绕组朝向转动方向前面，图2)

控制正反转的传感器切换器IC1和控制正反转的相序切换器IC10在正/反转控制开关SW1断开时其1脚的SEL为高电平，输出端输出的是B端信号，IC1将传感器H1信号接到1Y端，经反相器后输入到四与非门IC2；将传感器H2信号接到2Y端，经反相器后输入到四与非门IC3；将传感器H3信号接到3Y端，经反相器后输入到四与非门IC4。这时相序切换器IC10将相序信号D0接1Y端后接入四与非门IC2的另一个输入端，将相序信号D1接到2Y端后接入四与非门 IC3的另一个输入端，将相序信号D2接到Y3端后接入四与非门IC4的另一个输入端。在四与非门IC2，IC3，IC4的另外二个输入端上分别接有由停转开关SW2和由脉宽调制器(5KHz---50KHz)和占空比调节器IC11给出的脉宽调制脉冲，在转子南极位于某一个传感器附近时，该传感器输出为低电平，经反向为高电平，而对应于该传感器的相序处于高电平时，其相接的四与非门的四个输入端都是高电平，输出为低电平，经反相器和由IC5，IC6，IC7构成的MOS/IGBT驱动器后驱动由BG1，BG2，BG3其中一个导通，在定子上产生北极，吸引转子该南极转到这定子产生的北极下(在双磁极驱动模式时，该绕组相邻的一个齿槽产生南极，吸引转子上相邻的北极转到这相邻的齿槽产生的南极下)，并且因在下一个传感器的附近，因惯性而触发下一相传感器产生输出，带动下一相通电，进一步转到下一相，顺序是D0到BG1，D1到BG2，D3到BG3，从而按T1---T2---T3顺序导通，实现正转。

控制正反转的传感器切换器IC1和控制正反转的相序切换器IC10在正/反转控制开关SW1接通时其1脚的SEL为低电平，输出端输出的是A端信号，IC1将传感器H4信号接到3Y端，经反相器后输入到四与非门IC4；将传感器H3信号接到2Y端，经反相器后输入到四与非门IC3；将传感器H2信号接到1Y端，经反相器后输入到四与非门IC2。这时相序切换器IC10将相序信号D2接到1Y端卮接入四与非门IC2的另一个输入端，将相序信号D1接到2Y端后接入四与非门 IC3的另一个输入端，将相序信号D0接到3Y端后接入四与非门IC4的另一个输入端。在四与非门IC2，IC3，IC4的另外二个输入端上分别接有由停转开关SW2和由脉宽调制器(5KHz---50KHz)和占空比调节器IC11给出的脉宽调制脉冲，当四与非门的四个输入端都是高电平时，其输出为低电平，按与正转时相同的原理，当在转子南极位于某一个传感器附近时，该传感器输出为低电平，经反向为高电平，而对应于该传感器的相序处于高电平时，其相接的四与非门的四个输入端都是高电平，输出为低电平，经反相器和由IC5，IC6，IC7构成的MOS/IGBT驱动器后驱动由BG1，BG2，BG3其中一个导通，在定子上产生北极，吸引转子该南极转到这定子产生的北极下(在双磁极驱动模式时，该绕组相邻的一个齿槽产生南极，吸引转子上相邻的北极转到这相邻的齿槽产生的南极下)，并且因在下一个传感器的附近，因惯性而触发下一相传感器产生输出，带动下一相通电，进一步转到下一相，顺序是D0到BG3，D1到BG2，D2到BG1，从而按T3---T2---T1顺序导通，实现反转。

当停转开关SW2接通时，在四与非门IC2，IC3，IC4的一个输入端为低电平，从而使他们都输出为高电平，经反相器和由IC5---IC7构成的MOS/IGBT驱动器后BG3，BG2，BG1都处于关断状态，电机停转。

排斥力转动方式(位置传感器位于线圈绕组朝向转动方向后面，图3)

控制正反转的传感器切换器IC1和控制正反转的相序切换器IC10在正/反转控制开关SW1断开时其1脚的SEL为高电平，输出端输出的是B端信号，IC1将传感器H1信号接到1Y端，经反相器后输入到四与非门IC2；将传感器H2信号接到2Y端，经反相器后输入到四与非门IC3；将传感器H3信号接到3Y端，经反相器后输入到四与非门IC4。这时相序切换器IC10将相序信号D0接到1Y端后接入四与非门IC2的另一个输入端，将相序信号D1接到2Y端后接入四与非门 IC3的另一个输入端，将相序信号D2接到3Y端后接入四与非门IC4的另一个输入端。在四与非门IC2，IC3，IC4的另外二个输入端上分别接有由停转开关SW2和由脉宽调制器(5KHz---50KHz)和占空比调节器IC11给出的脉宽调制脉冲，在转子南极位于某一个传感器附近时，该传感器输出为低电平，经反向为高电平，而对应于该传感器的相序处于高电平时，其相接的四与非门的四个输入端都是高电平，输出为低电平，经反相器和由IC5，IC6，IC7构成的MOS/IGBT驱动器后驱动由BG1，BG2，BG3其中一个导通，在定子上产生南极，由于位置传感器位于线圈绕组朝向转动方向后面，转子的该南极已经转到这绕组，同性相斥而推动转子该南极离开(在双磁极驱动模式时，该绕组相邻的一个齿槽产生北极，相斥转子上相邻的北极转离这相邻的齿槽所产生的北极)，并且因在下一个传感器的附近，因惯性而触发下一相传感器产生输出，带动下一相通电，进一步转到下一相，顺序是D0到BG1，D1到BG2，D3到BG3，从而按T1---T2---T3顺序导通，实现正转。

控制正反转的传感器切换器IC1和控制正反转的相序切换器IC10在正/反转控制开关SW1接通时其1脚的SEL为低电平，输出端输出的是A端信号，IC1将传感器H4信号接到3Y端，经反相器后输入到四与非门IC4；将传感器H1信号接到2Y端，经反相器后输入到四与非门IC3；将传感器H2信号接到1Y端，经反相器后输入到四与非门IC2。这时相序切换器IC10将相序信号D2接到Y1端后接入四与非门IC2的另一个输入端，将相序信号D1接到Y2端后接入四与非门 IC3的另一个输入端，将相序信号D0接到Y3端后接入四与非门IC4的另一个输入端。在四与非门IC2，IC3，IC4的另外二个输入端上分别接有由停转开关SW2和由脉宽调制器(5KHz---50KHz)和占空比调节器IC11给出的脉宽调制脉冲，当四与非门的四个输入端都是高电平时，其输出为低电平，按与正转时相同的原理，当在转子南极位于某一个传感器附近时，该传感器输出为低电平，经反向为高电平，而对应于该传感器的相序处于高电平时，其相接的四与非门的四个输入端都是高电平，输出为低电平，经反相器和由IC5，IC6，IC7构成的MOS/IGBT驱动器后驱动由BG1，BG2，BG3其中一个导通，在定子上产生南极，由于位置传感器位于线圈绕组朝向转动方向后面，转子的该南极已经转到这绕组，同性相斥而推动转子该南极离开(在双磁极驱动模式时，该绕组相邻的一个齿槽产生北极，相斥转子上相邻的北极转离这相邻的齿槽所产生的北极)，并且因在下一个传感器的附近，因惯性而触发下一相传感器产生输出，带动下一相通电，进一步转到下一相，顺序是D0到BG3，D1到BG2，D2到BG1，从而按T3---T2---T1顺序导通，实现反转。

当停转开关SW2接通时，在四与非门IC2，IC3，IC4的一个输入端为低电平，从而使他们都输出为高电平，经反相器和由IC5---IC7构成的MOS/IGBT驱动器后BG3，BG2，BG1都处于关断状态，电机停转。

在本实用新型的驱动电路中，脉宽调制可以一直处于高占空比状态，转速的调节由驱动脉冲的频率提供，而不是通常的PWM脉宽调速，PWM调制脉冲在各个速度上都保持较高的占空比，使其具有高效率和转速大范围保持高转距的特点。同时由于去掉了传统无刷电机驱动器中的功率驱动的上臂部分，使得成本较传统无刷电机驱动器更低和故障率下降以及温升减小的特点并且节约能源。由于采用单相驱动，没有传统无刷电机至少二相通电其合力为矢量和的情况，精确驱动，因而较传统的无刷电机效率高；同时因位置传感器给出的信号和转动相序信号是相与关系，转子在转动过程中逐步达到二者同步。

由于本实用新型的转速和脉宽调制占空比分别产生，在达到设定转速后，可以由人为方式和转速检测后由外界结合进行自动控制，在负载一定时以及减小时(如新能源电动车平地匀速行驶)在不影响及少影响转速情况下可以调节脉宽调制占空比减小达到进一步节能。

由于本实用新型的无刷电机绕组的定子的绕制方式是单槽绕制和逐相通电，每次通电吸引转子转动一个槽位而不是多个槽位，与传统直流无刷电机相比，具有转动脉动小，每次转位小转距大的特点(磁极对数越多，槽数越多，作用的力点就越多，转距力就越大)，满足了新能源电动车电机所要求低转速高转距的特点，并因其高效节能从而特别适合于新能源电动车。

在本实用新型中，在正向转动方式如果将电机的位置传感器H2和H3引出线交换并同时将电机动力驱动线T2和T3交换，电机将以越槽位方式工作，每次通电转子将转动二个槽位，也就是以T1槽---T3槽---下一个T2槽---再下一个T1槽的方式转动而不是以T1槽---T2槽---T3槽---下一个T1槽的方式转动，转速将提高但转矩减小，这可用于要求高转速的情况。

由于本实用新型的直流逐相驱动多相无刷电机和其驱动电路，具有逐相驱动，单磁极驱动，双磁极驱动，吸引力驱动，推斥力驱动模式和正反转相同性能以及低转速高转矩高效节能和在越槽位方式工作得到高转速等特点，并且驱动器成本较传统型的为低，将在工业上有广阔的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，包括电机和驱动板，其特征在于：无刷电机定子线圈的绕制方式是单槽绕制和驱动器在每次驱动时只给一相线圈通电驱动，使转子每次转动单槽位置，然后给下一相通电驱动，以逐相通电逐槽驱动方式去驱动转子旋转。

2.根据权利要求1所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：在无刷电机共电源连接方式时无刷电机内各相绕组的一端共同相接后连接到驱动电源上，各相绕组的另一端分别相接于驱动器上各自的功率驱动器件上，各功率驱动器件的另一端接于驱动电源的地线上，电机的动力驱动线数量等于相数加一，相数大于等于2。

3.根据权利要求1所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：在无刷电机共地线连接方式时无刷电机内各相绕组的一端共同相接后连接到驱动电源的地线上，各相绕组的另一端分别相接于驱动器上各自的功率驱动器件上，各功率驱动器件的另一端接于驱动电源上，电机的动力驱动线数量等于相数加一，相数大于等于2。

4.根据权利要求1所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：无刷电机转子的转动方向上每一相绕组前后都放置有感应磁极位置的位置传感器，位置传感器的数量等于相数加一个，相数大于等于2，每一相绕组使用在该绕组前后的位置传感器信号。

5.根据权利要求1和权利要求4所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：在吸引方式驱动时采用无刷电机转子转向该相绕组前的感应磁极位置的位置传感器信号；在推斥方式驱动时采用无刷电机转子转离该相绕组后的感应磁极位置的位置传感器信号；驱动器在驱动转子旋转时，同一相绕组在转子正转和反转时采用不同位置的位置传感器信号。

6.根据权利要求1所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：当采用单磁极驱动模式时同一相定子绕组各齿槽对转子方向产生相同磁性的磁极；无刷电机的永磁转子的磁极对数与相数和定子槽数的关系是：定子槽数等于磁极对的对数乘相数，相数大于等于2。

7.根据权利要求1所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：当采用双磁极驱动模式时同一相定子绕组相邻齿槽对转子方向产生不同磁性的磁极；无刷电机的永磁转子的磁极数量与相数和定子槽数的关系是：定子槽数等于磁极的数量乘相数，相数大于等于2。

8.根据权利要求1所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：驱动器中各相位置传感器信号和同一相的相序驱动脉冲信号加上和频率为1千赫兹到100千赫兹的脉冲宽度调制信号再进行相与产生出去驱动功率驱动器件的输出信号，为实现正反转可将驱动器中位置传感器信号和相序驱动脉冲信号先经正反转向开关进行切换。

9.根据权利要求1所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：驱动器采用改变与相序驱动脉冲相关的转动脉冲的频率方法进行转动速度调节，脉冲宽度调制信号用于细调转动速度。

10.根据权利要求1和权利要求2以及权利要求3所述的一种逐相驱动多相无刷电机和驱动器，其特征在于：无刷电机转动时驱动器在每一时刻只有一个功率驱动器件导通工作并驱动无刷电机中的一相绕组。