CN212588247U - 高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，本发明的定子线圈的绕制方式是同一相绕组的线圈可以绕制在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制和按需要跨过所要求的电枢槽进行绕制，其驱动电路在每次驱动时可以给一相绕组通电驱动，也可以给多相绕组通电驱动，在提高电机功率的同时又避免了传统的无刷电机中有一定数量的电枢齿受到在一相绕组产生南极的同时又被另一相绕组产生北极使电能利用效率降低的弊端，在进行多相驱动时提高了绕组线圈的利用率并增大了电能的驱动功率。在每次驱动时对磁性转子的全部南极和北极都同时进行驱动并由此使得转子的转矩和功率增加，同时实现了高的电能驱动效率和高的功率密度。

Description

高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路

本发明公开了高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，包括无刷电机和无刷电机驱动器电路。

技术领域

本发明涉及无刷电机和无刷电机驱动器电路技术领域。

背景技术：

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，如何提高无刷电机的效率成为极为关键的因素。而提高无刷电机的功率也是使用中极为重要的因素，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，而提高无刷电机的功率密度也是重要的需求。在传统的无刷电机中，大量采用绕组线圈跨电枢齿的绕制方式，如三相绕组的无刷电机大部分是按跨过二个电枢齿绕制的，为了提高输出功率和绕组线圈利用率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，但因这二相线圈安装的物理位置的不同，当二组线圈同时通电驱动时在各个电枢齿产生的磁性往往都是按“南南无北北无南南无”的磁极分布，这之中的“无”实际上是在这一时刻一组绕组在该电枢齿产生南极，而同时另一组绕组在该电枢齿产生北极相互抵消所致，该部分电能实际上是浪费了，使得效能下降。

由上述可以看到，为提高无刷电机的效率和性能就必须对绕组的绕制和驱动进行改进，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，并且提高无刷电机的转矩和电机的轻量化也是极为关键的技术和国家对无刷电机的要求。

发明内容

在本发明的无刷电机中，无刷电机绕组的定子线圈的绕制方式是在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制或按需求进行跨齿槽绕制，可以进行单相驱动，也可以进行多相驱动，并且对转子的南极和北极都同时进行驱动，增大了转矩，每一个驱动时刻可以驱动多相绕组增大了驱动功率提高了绕组线圈利用率，故命名为高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，同时也可以进行单相驱动以提高电能转换效率。

本发明的无刷电机绕组的转子在内转子结构时是在绕有线圈的外定子内的径向充有永磁性的圆柱体磁性材料圆柱，该圆柱也可据制造工艺采用在圆柱形导磁体上镶嵌永磁体的方式构成，该圆柱体磁性材料可以是实心的也可以是空心的；在外转子结构时是在绕有线圈的内定子外的径向充有永磁性的圆环状磁性材料圆环，也可据制造工艺采用在圆环形物体上固定永磁体等方式构成。

本发明的无刷电机采用切换磁性位置传感器的方法实现转向变换，外定子线圈绕制和磁性位置传感器以及转子结构示意图见后面附图。

本发明的无刷电机转子驱动方式是对定子线圈进行单相或多相顺序通电，对三相无刷电机而言在每一个驱动状状态给一相或二相线圈通电，驱动转子转动一个齿位，在下一个驱动状态也是给一相或二相线圈通电，驱动转子又转动一个齿位，如此往复，从而构成转子的旋转，并且每次驱动都驱动转子上的全部南极和北极。

本发明的无刷电机的驱动电路由可调控制转速的PWM脉宽调制器，占空比调节器，用于用于进行多相驱动的或门电路，和带动各相绕组线圈的H桥式功率驱动器(一般是大功率MOS管或者IGBT复合全控型电压驱动式功率半导体器件模块) 构成。

附图说明

图1是本发明的无刷电机结构示意图(以内转子三相4磁极，12槽跨槽绕制为例)，M1是定子电枢，M2是内转子，1到12是定子的电枢齿，HA，HB，HC是磁性位置传感器，它一般用霍尔元件构成，亦可采用其他方式组成，U+和U-分别是U相绕组的起始端和终止端，V+和V-分别是V相绕组的起始端和终止端，W+和W-分别是W相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向。

图2到图7是本发明的无刷电机在各个驱动状态的工作意图(以内转子三相4磁极，外定子12槽为例，三相六驱动状态)，M2是永磁体内转子，S1，S2是永磁体内转子的南极，N1，N2是永磁体内转子的北极。M1是绕制线圈的外定子电枢，定子绕组线上的箭头表示该绕组此时电流的方向，电枢齿外的S和N表示该驱动状态时在这个电枢齿产生的南北极；HA，HB，HC是由霍尔元件构成的磁性位置传感器，当有南极靠近时输出低电平，当有北极靠近时输出转为高电平。

图8和图9都是本发明的驱动电路的示意图(以三相驱动为例，对于N相电机可按此方式增加驱动相数)SW1是转动/停止开关，图9是后推式驱动电路，具体而言就是把当前应该处于驱动状态的绕组加上刚过去的驱动状态的绕组共同进行驱动，如当前驱动状态是驱动状态1时，是用绕组U加上绕组W来驱动；图8是前推式驱动电路，具体而言就是把当前应该驱动的绕组加上将要驱动状态的绕组共同进行驱动，如当前驱动状态是驱动状态1时，是用绕组U加上绕组V来驱动；他们二者没有根本的区别，只是要移动磁性传感器安装的位置，在下面的具体实施方式中以图8前推式驱动电路来描述。

图10为本发明的H桥式功率驱动器电路示意图(以三相驱动为例，对于N相电机可按此增加驱动相数)。

图11为本发明的在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制绕组的示意图(以内转子三相4磁极，外定子12槽为例)，1到12是定子的电枢齿，HA，HB，HC是磁性位置传感器，U+和U-分别是U相绕组的起始端和终止端，V+和V-分别是V相绕组的起始端和终止端，W+和W-分别是W相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向。

图12是发明的单相驱动电路图，并加上了转向切换电路(图上IC5，IC6部分)， SW2是正转/反转开关，图8和图9在应用时都可以加上该部分，为突出不同的地方，这电路图上没有画上图8和图9上的IC3，IC4部分，实际应用是有IC3，IC4 部分的。

图13是发明的六相跨5槽电机完整绕制图，为了清晰起见以图14和图15分别示意了1，3，5相和2，4，6相绕组的绕制图，Tx+和Tx-分别表示Tx相绕组的起始端和终止端，绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向；H1，H2，H3和H4是磁性位置传感器。

图16是本发明的六相5驱动电路示意图，在六相绕组上可以同时驱动5相绕组。

图17和图18是本发明的六相5驱动功率驱动部分电路图。

图19是本发明的外转子无刷电机结构示意图(以外转子三相4磁极，12槽为例，采用单个电枢齿绕制的绕制方法)，M2是永磁体外转子，M1是绕制线圈的内定子电枢，N 和S是永磁体外转子的4个南北极，US，UN是某一时刻U相绕组通电时定子上该电枢齿产生的南极和北极，VS，VN是另一时刻V相绕组通电时定子上该电枢齿产生的南极和北极，WS，WN是不同时刻W相绕组通电时定子上该电枢齿产生的南极和北极，HA，HB， HC是磁性位置传感器。绕组线圈绕制方法和内转子结构相同，同一相绕组在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制和相邻二个线圈绕制方向相反，为清晰起见此处省去未画。

具体实施方式

本发明的无刷电机定子槽数等于永磁转子南北磁极的数量乘相数。以三相绕组，二对4磁极为例，槽数等于3相乘4极为12槽；如果采用六对12磁极，就为36 槽。

在传统的无刷电机中，大量采用的绕组线圈跨电枢齿的绕制方式，如三相绕组的无刷电机大多数是按跨过二个电枢齿绕制的，为了提高输出功率和绕组线圈利用率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，由于这二相线圈安装的物理位置的不同，当二组线圈通电驱动时在各个电枢齿产生的磁性往往都是按“南南无北北无南南无”的磁极分布，这之中的“无”实际上是一组绕组在该电枢齿产生南极，而同时另一组绕组在该电枢齿产生北极相互抵消所致，产生电能的浪费。为了避免这一缺点，本发明的无刷电机绕组的定子线圈的绕制方式是在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制，并且同一相绕组的相邻二个线圈绕制方向相反，即在单个的电枢齿两边槽绕制同一相绕组的部分线圈，以三相绕组为例，即一相绕组(U相)在一个槽(槽1)和相邻一个槽(槽2)围绕电枢齿1绕，绕到所需要的匝数后，下一相绕组(V相)在这个相邻的槽(槽2)和下一个相邻的槽(槽3)围绕电枢齿2绕，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)围绕电枢齿3绕，绕制下一相绕组(W相)到所需要的匝数后，如此再围绕电枢齿4，电枢齿5，电枢齿6分别进行反方向绕制各相绕组U，V，W(对三相情况)的下一组线圈，如此保持同一相绕组的相邻二个线圈绕制方向相反直到绕制完毕，对于更多N相的电机也有同样的绕组方式。各相绕组的二端分别到电机外的无刷电机驱动器上各自的桥式功率驱动器件上。

单电枢齿绕制的另一个极大好处是磁力集中而漏磁少，如通常的三相无刷电机至少要跨2个电枢齿绕制，以图2为例就是要在如在电枢齿1左边和电枢齿3右边绕制，使磁力线分散和中间的电枢齿的二边槽都形成磁阻，并且电枢齿2产生的磁力线也将经电枢齿1和电枢齿3形成磁力回路，从而部分抵消电枢齿1和电枢齿3产生的与电枢齿2产生相同极性的的磁力线；同样电枢齿2也会部分抵消电枢齿1和电枢齿3 产生的相同极性的的磁力线。跨电枢齿绕制将使最后的磁力是三个物理位置不同的电枢齿各自产生的磁力的矢量和，而矢量和必然有部分分量相互抵消带来电能驱动效率下降，而单电枢齿绕制完全避开了上述缺点，并且单电枢齿绕制的铜耗低于跨电枢齿绕制。

本发明提供的高效全磁极多相驱动无刷电机和其驱动电路也可以驱动跨电枢齿绕制的电机，但改掉了由传统无刷电机的在某些电枢齿产生南北极相互抵消浪费电能的弊端，不过漏磁将增大，在要求功率密度的情况下也是个必要的选择。

本发明提供的高效全磁极多相驱动无刷电机和其驱动电路也可以每次驱动时只驱动单相绕组，也可以驱动多相绕组以增大电机的功率密度。

带动绕组通电的功率驱动器件由IGBT复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成，亦可采用大功率MOS管和其它大功率功率器件。

下面以图8的前推式驱动电路来说明其工作原理

SW1转动/停止开关处于断开(转动)状态时，U13到U18每一个的其中一个输入端都处于高电平状态。

图2到图7上面在定子外面线端上的箭头分别表示在各个驱动状态下电流流经的方向。为清晰起见，在该驱动状态下不参与工作的绕组不画出。

在本发明中图8磁性位置传感器(亦可以采用其它类型的感应磁性信号的磁性位置传感器)分别产生出HA，HB，HC信号并经反相器IC1后分别输入到3线 8线译码器IC2，分别对X1到X6给出电平，当给出的电平为高H时对应驱动后面的Y1到Y6。

驱动电路参考图8和图10，下面对于各个驱动状态结合图2到图7描述：

驱动状态1：如图2当永磁体转子的其中一个南极S1在电枢齿：3和霍尔元件HA附近时，HA，HB，HC输出为L，H，H；译码器IC2输出端X1到X6输出为 H，L，L，L，L，L使Y1，Y2为高电平，Y1输出的高电平分二路，一路到三极管 Q1使它导通，从而经SH1使光电耦合器IC5导通去驱动T1这个IGBT导通，另一路高电平信号在U13与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL1到IC8场效应管驱动器去驱动T4这个IGBT导通，动力电源+V经T1流经U+绕组到U-再经T4到地，电流方向为T1到T4，在图2电枢齿1，2和7，8 上产生南极S；分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿4，5和10，11上产生北极N；分别驱动转子上的北极N1和N2。而Y2输出的高电平也分二路，一路到三极管Q2使它导通，从而经SH2使光电耦合器IC9导通去驱动T5这个IGBT导通，另一路高电平信号在U14与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出 PWM驱动信号SL2到IC12场效应管驱动器去驱动T8这个IGBT导通，动力电源 +V经T5流经V+绕组到V-再经T8到地，电流方向为T5到T8，在图2电枢齿2，3 和8，9上产生南极S；也分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿5，6和11，12 上产生北极N；也分别驱动转子上的北极N1和N2。定子产生的南S共同驱动了转子上的南极并吸引了转子上的北极往前转动；产生的北N共同驱动了转子上的北极并吸引了转子上的南极往前转动；使转子转动一个电枢齿位，完成第一个驱动状态。

驱动状态2：经第一次驱动状态后，如图3转子南极S1转动到电枢齿4附近时， HA，HB，HC输出为L，L，H；译码器IC2输出端X1到X6输出为L H，L，L，L， L，使Y2，Y3为高电平，Y2输出的高电平分二路，该高电平信号一路到三极管 Q2使它导通，从而经SH2使光电耦合器IC9导通去驱动T5这个IGBT导通，另一路高电平信号在U14与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL2到IC12场效应管驱动器去驱动T8这个IGBT导通，动力电源+V经T5 流经V+绕组到V-再经T8到地，电流方向为T5到T8，在图3电枢齿2，3和8，9 上产生南极S；分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿5，6和11，12上产生北极N；分别驱动转子上的北极N1和N2；而Y3输出的高电平也分二路，一路到三极管Q3使它导通，从而经SH3使光电耦合器IC13导通去驱动T9这个IGBT 导通，另一路高电平信号在U15与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出 PWM驱动信号SL3到IC16场效应管驱动器去驱动T12这个IGBT导通，动力电源 +V经T9流经W+绕组到W-再经T12到地，电流方向为T9到T12，在图3电枢齿 3，4和9，10上产生南极S；也分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿6，7 和12，1上产生北极N；也分别驱动转子上的北极N2和N1。定子产生的南S共同驱动了转子上的南极并吸引了转子上的北极往前转动；产生的北N共同驱动了转子上的北极并吸引了转子上的南极往前转动；使转子转动一个电枢齿位完成第二个驱动状态。

驱动状态3：经第二次驱动状态后，如图4转子南极S1转动到电枢齿5附近时， HA，HB，HC输出为H，L，H；译码器IC2输出端X1到X6输出为L，L，H，L，L， L使Y3，Y4为高电平，Y3输出的高电平分二路，一路到三极管Q3使它导通，从而经SH3使光电耦合器IC13导通去驱动T9这个IGBT导通，U9给出的另一路高电平信号在U15与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号 SL3到IC16场效应管驱动器去驱动T12这个IGBT导通，动力电源+V经T9流经 W+绕组到W-再经T12到地，电流方向为T9到T12，在图4电枢齿3，4和9，10上产生南极S；分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿6，7和12，1上产生北极 N；分别驱动转子上的北极N2和N1；而Y4输出的高电平也分二路，一路到三极管Q4使它导通，从而经SH4使光电耦合器IC7导通去驱动T3这个IGBT导通，另一路高电平信号在U16与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL4到IC6场效应管驱动器去驱动T2这个IGBT导通，动力电源+V经T3 流经U-绕组到U+再经T2到地，电流方向为T3到T2，在图4电枢齿4，5和10，11 上产生南极S；也分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿7，8和1，2上产生北极N；也分别驱动转子上的北极N2和N1。定子产生的南S共同驱动了转子上的南极并吸引了转子上的北极往前转动；产生的北N共同驱动了转子上的北极并吸引了转子上的南极往前转动；使转子转动一个电枢齿位完成第三个驱动状态。

驱动状态4：经第三次驱动状态后，如图5转子南极S1转动到电枢齿6附近，HA， HB，HC输出为H，L，L；译码器IC2输出端X1到X6输出为L，L，L，H，L，L 使Y4，Y5为高电平，Y4输出的高电平分二路，一路到三极管Q4使它导通，从而经SH4使光电耦合器IC7导通去驱动T3这个IGBT导通，另一路高电平信号在 U16与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL4到IC6场效应管驱动器去驱动T2这个IGBT导通，动力电源+V经T3流经U-绕组到U+再经T2到地，电流方向为T3到T2，在图5电枢齿4，5和10，11上产生南极S；分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿7，8和1，2上产生北极N；分别驱动转子上的北极N2和N1；而Y5输出的高电平也分二路，一路到三极管Q5使它导通，从而经SH5使光电耦合器IC11导通去驱动T7这个IGBT导通，另一路高电平信号在U17与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL5到 IC10场效应管驱动器去驱动T6这个IGBT导通，动力电源+V经T7流经V-绕组到V+再经T6到地，电流方向为T7到T6，在图5电枢齿5，6和11，12上产生南极S；也分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿8，9和2，3上产生北极N；也分别驱动转子上的北极N2和N1。定子产生的南S共同驱动了转子上的南极并吸引了转子上的北极往前转动；产生的北N共同驱动了转子上的北极并吸引了转子上的南极往前转动；使转子转动一个电枢齿位完成第四个驱动状态。

驱动状态5：经第四次驱动状态后，如图6转子南极S1转动到电枢齿7附近，HA， HB，HC输出为H，H，L；译码器IC2输出端X1到X6输出为L，L，L，L，H，L 使Y5，Y6为高电平，Y5输出的高电平分二路，一路到三极管Q5使它导通，从而经SH5使光电耦合器IC11导通去驱动T7这个IGBT导通，另一路高电平信号在U17与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL5到IC10 场效应管驱动器去驱动T6这个IGBT导通，动力电源+V经T7流经V-绕组到V+再经T6到地，电流方向为T7到T6，在图6电枢齿5，6和11，12上产生南极S；分别驱动转子上的南极S1和S4，在电枢齿8，9和2，3上产生北极N；分别驱动转子上的北极N2和N1；而Y6输出的高电平也分二路，一路到三极管Q6使它导通，从而经SH6使光电耦合器IC5导通去驱动T11这个IGBT导通，另一路高电平信号在U18与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号 SL6到IC14场效应管驱动器去驱动T10这个IGBT导通，动力电源+V经T11流经 W-绕组到W+再经T10到地，电流方向为T11到T10，在图6电枢齿6，7和12，1 上产生南极S；也分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿9，10和3，4上产生北极N；也分别驱动转子上的北极N2和N1。定子产生的南S共同驱动了转子上的南极并吸引了转子上的北极往前转动；产生的北N共同驱动了转子上的北极并吸引了转子上的南极往前转动；使转子转动一个电枢齿位完成第五个驱动状态。

驱动状态6：经第五次驱动状态后，如图7转子南极S1转动到电枢齿8附近，HA， HB，HC输出为L，H，L；译码器IC2输出端X1到X6输出为L，L，L，L，L，H 使Y6，Y1为高电平，Y6输出的高电平分二路，一路到三极管Q6使它导通，从而经SH6使光电耦合器IC5导通去驱动T11这个IGBT导通，另一路高电平信号在U18与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号SL6到IC14 场效应管驱动器去驱动T10这个IGBT导通，动力电源+V经T11流经W-绕组到W+再经T10到地，电流方向为T11到T10，在图7电枢齿6，7和12，1上产生南极S；分别驱动转子上的南极S1，和S2，在电枢齿9，10和3，4上产生北极N；分别驱动转子上的北极N2和N1；而Y1输出的高电平也分二路，一路到三极管Q1 使它导通，从而经SH1使光电耦合器IC5导通去驱动T1这个IGBT导通，另一路高电平信号在U13与IC3输出的可变占空比的PWM信号相与后输出PWM驱动信号 SL1到IC8场效应管驱动器去驱动T4这个IGBT导通，动力电源+V经T1流经U+绕组到U-再经T4到地，电流方向为T1到T4，在图7电枢齿7，8和1，2上产生南极S；也分别驱动转子上的南极S1和S2，在电枢齿10，11和4，5上产生北极 N；也分别驱动转子上的北极N2和N1。定子产生的南S共同驱动了转子上的南极并吸引了转子上的北极往前转动；产生的北N共同驱动了转子上的北极并吸引了转子上的南极往前转动；使转子转动一个电枢齿位完成第六个驱动状态。

经驱动状态6后，转子上S2南极到了图2上S1南极位置，往后重复驱动状态1到驱动状态6的过程，形成电机转子的连续运转，每一次驱动状态都是定子线圈上通有驱动电流的电枢齿同时对转子上的全部南极和北极进行了驱动，而没有参与驱动的电枢齿没有驱动电流流过，避免了前面所述的绕组线圈跨电枢齿绕制方式同时又每次通电都至少流过二相线圈，导致无刷电机中有一定数量的电枢齿受到一组绕组产生南极而同时又被另一组绕组产生北极使电能利用效率降低的弊端得以避免。

在研制过程中，我们对完全相同的定子和转子上按传统的方式和本高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路制作的三相2驱动无刷电机进行了在相同负载并且转速相通的情况下在接近电机的额定工作状态附近进行了对比，高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路比传统的方式的无刷电机和传统的驱动方式的工作电流少了近17％-----23％，足以可见其高效节能的特性。

当停转开关SW1接通时，与门U1到U6的一个输入端为低电平使得Q1到Q6 全部截止，同时U13到U18的一个输入端为低电平，而使SL1到SL6都输出为低电平，从而使T1到T12的MOS/IGBT驱动器都处于关断状态，电机停转。

图8和图9中IC4由MC1555和外围元件产生比动力电源+V高15V左右的电源+VH 供给光电耦合器用。

图8和图9中的V1是脉冲宽度调制信号的频率调节器，V2调节脉冲宽度调制信号占空比从而调节电机转子的转速。

图10是本发明的用于三相无刷电机的H桥式功率驱动器件构成电路，它由二组串联的复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成的左臂和另外二组串联的复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成的右臂所构成的H桥式功率驱动器组成，各相绕组的起始端和终止端都接于各自的H桥式功率驱动器左臂和右臂的中点上，每组H桥式功率驱动器的左臂和右臂的上下部控制端都分别由4个不同的信号控制，功率驱动器件亦可以采用大功率MOS场效应管。

图11展示了三相12槽电机单个电枢齿绕制的绕制方法，每个绕组都围绕单个电枢齿绕制，但同一相相邻的二个绕组绕制方向相反(如U相绕组在电枢齿1与电枢齿4绕向相反，电枢齿4与电枢齿7绕向相反，电枢齿7与电枢齿10绕向相反，电枢齿10与电枢齿 1绕向相反)，单个电枢齿绕制有利于减少漏磁；单个电枢齿绕制也可以用于前面的三相 2驱动方式。

图12展示了三相电机单相驱动的电路，并且有由IC5和IC6构成的转动方向切换电路，通过切换磁性位置传感器信号来改变无刷电机转子的转向，SW2是转向切换开关。转动方向切换电路也完全可用于前面图8和图9的三相电机二相同时驱动的电路；与前面三相2驱动不同的是，图12在每一次驱动只驱动一相绕组，单相驱动也可以用于跨电枢齿绕制的电机。

图13展示了六相12槽二磁极电机跨5电枢齿绕制的绕制方法，每个绕组都跨5个电枢槽绕制(如T1绕组在电枢齿1到电枢齿6间绕制，下一组在电枢齿7到电枢齿12间绕制)，同一相相邻的二个绕组绕制方向相反，同一相绕组的相邻二个线圈的中心间隔的电枢齿数与相数相同，绕组可以跨过的最大电枢槽数量是相数减一，六相电机最大可跨过5个槽。为了清晰起见在图14和图15分别示意了1，3，5相和2，4，6相绕组的绕制图，Tx+和Tx-分别表示Tx相绕组的起始端和终止端，绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向；H1，H2，H3和H4是磁性位置传感器；需要说明的是跨电枢齿绕制的电机也是可以进行单相驱动和多相驱动的，仅受最大可驱动相数是电机的相数减一的限制。

图16展示了六相电机5相驱动的电路，为便于表示，采用了二极管或门电路，也可以用集成块和用微控制单元加内部程序实现这相或功能，改变二极管或门电路中列方向的二极管的数量就可以改变同时驱动的相数，图中每列用了5个二极管，可以同时驱动5相绕组，最大可驱动相数是电机的相数减一，如三相电机最大同时驱动的相数是2相，六相电机最大同时驱动的相数是5相。一个完整的驱动周期对于六相电机来讲，他有12个驱动状态，相应的要增加H桥式功率驱动器的数量，这在图17和图18进行了展示，更多相的无刷电机和更多相的驱动可以结合图10到图18的方法扩展完成。多相驱动有利于无刷电机提高功率密度，多相驱动也可以用于采用单个电枢齿绕制的电机。

对于内转子和外转子无刷电机，其原理完全相同，其电机绕组结构我们在图19中进行了展示，(以外转子三相4磁极，12槽为例)，M2是永磁体外转子，M1是绕制线圈的内定子电枢，N和S是永磁体外转子的4个南北极，US，UN是某一时刻U相绕组通电时定子上该电枢齿产生的南极和北极，VS，VN是另一时刻V相绕组通电时定子上该电枢齿产生的南极和北极，WS，WN是不同时刻W相绕组通电时定子上该电枢齿产生的南极和北极，HA，HB，HC是磁性位置传感器。绕组线圈绕制方法和内转子结构相同，同一相绕组在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制和相邻二个线圈绕制方向相反，图上采用单个电枢齿绕制的绕制方法，为清晰起见此处省去未画，外转子无刷电机也和内转子无刷电机一样可以按需求进行跨电枢齿绕制。

本发明提供了无刷电机从单个电枢齿绕制到跨电枢槽进行绕制，从单相绕组驱动到多相绕组驱动，从内转子到外转子无刷电机，以电机效率为主和兼顾功率密度避免无谓的能量损耗满足了多方面应用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明包含但不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明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发明。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，本发明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.高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，包括电机和驱动电路，其特征是：无刷电机定子线圈的绕制方式是同一相绕组的相邻二个线圈绕向相反和同一相绕组的相邻二个线圈的中心间隔与相数相同的电枢齿数并且其驱动电路是用H桥式功率驱动器驱动电流流过绕组的，每次驱动使转子逐次逐齿转过单个电枢齿位置，以逐齿转动方式驱动转子旋转。

2.根据权利要求1所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：无刷电机的定子同一相绕组的相邻两个线圈绕向相反，绕组可以在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制和按需要跨过要求的电枢槽进行绕制，各相绕组的起始端和终止端都引出并分别相接于各自的H桥式功率驱动器上，相数大于等于2，绕组可以跨过的最大电枢槽数量是相数减一。

3.根据权利要求1所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：无刷电机的永磁转子的磁极数量与相数和定子电枢槽数的关系是：定子电枢槽数等于永磁转子南北磁极之和的数量乘相数，相数大于等于2。

4.根据权利要求1所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：由切换磁性位置传感器信号来改变无刷电机转子的转向。

5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：无刷电机转子是在绕有线圈的外定子内部的圆柱形永磁体转子。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：各相绕组功率驱动器件由二组串联的复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成的左臂和另外二组串联的复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成的右臂所构成的H桥式功率驱动器组成，各相绕组的起始端和终止端都接于各自的H桥式功率驱动器左臂和右臂的中点上，每组H桥式功率驱动器的左臂和右臂的上下部控制端都分别由4个不同的信号控制，功率驱动器件亦可以采用大功率MOS场效应管。

7.根据权利要求1所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：驱动器电路中各相磁性位置传感器信号和相邻驱动状态的信号相或后去驱动一到多个H桥式功率驱动器件的上臂。

8.根据权利要求1所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：驱动器电路中各相磁性位置传感器信号和同一相的相序驱动脉冲信号相与后再和相邻驱动状态的信号相或，然后和直流高电平或者频率为100赫兹到100千赫兹的脉冲宽度调制信号再进行相与去驱动一到多个H桥式功率驱动器件的下臂。

9.根据权利要求1所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：电机转子转动速度由脉冲宽度调制信号调节。

10.根据权利要求1或权利要求7或权利要求8所述的高效全磁极多相驱动无刷电机和驱动器电路，其特征是：无刷电机转动时其驱动器电路在每一时刻同时驱动一到多组H桥式功率驱动器件的上臂和经绕组线圈后的另外的一到多组H桥式功率驱动器件的下臂导通工作，同一时刻导通的上臂和下臂最大数量为电机相数减一，并驱动无刷电机中的一到多相绕组，所被驱动的绕组最大数量为电机相数减一。

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