CN216216398U - 基于三端电源的无刷并联电机及其并联模型 - Google Patents

基于三端电源的无刷并联电机及其并联模型 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种基于三端电源的无刷并联电机及其并联模型，包括定子结构及用于连接电源模块和控制器的驱动电路，驱动电路包括多个半桥电路，电源模块包括正电源、负电源和接地端，且驱动电路的两个供电端分别用于连接正电源和负电源，定子结构包括至少两组相互并联的独立线圈，每组独立线圈的两端分别连接于接地端和一个半桥电路以由驱动电路控制各组独立线圈的通电状态。本方案采用并联思路设计无刷电机，无论存在多少组线圈，所有线圈仍然保持并联关系，能够有效提高线圈利用率，且存在一个公共端供所有线圈的一端连接，即所有线圈的一端均连接至地端，具有结构简单，加工难度大大降低等优点。

Description

基于三端电源的无刷并联电机及其并联模型
技术领域
本实用新型属于无刷电机技术领域，尤其是涉及一种基于三端电源的无刷并联电机及其并联模型。
背景技术
直流电动机具有运行效率高、调速性能好等优点，但是由于电机中电刷换向的存在，导致此类电机存在无线电干扰、噪音大、磨损严重导致寿命短等问题，这也使得直流电动机的应用受到较大的限制。近年来，功率电子器件的迅速发展使得采用电子开关代替换向器成为现实，无刷电机也得以迅速发展。
无刷电机依靠定子磁场与转子磁场间的作用力拉动转子转动，定子的基本结构类似交流三相电机，三个线圈绕组由电子开关按规律接通直流电源形成旋转磁场从而拉动转子转动。
ABC三组线圈的连接方式与交流电机的三相线圈一样，有如图1所示的星型接法和如图2所示的三角形接法。图1中，6个电子开关两两轮流导通，BG1、BG5；BG1、BG6；BG2、BG6；BG2、BG4；BG3、BG4；BG3、BG5依次轮流且循环导通完成转子的360度旋转，线圈也按照AB、AC、BC、BA、CA、CB的顺序依次轮流循环导通。图2中三角形接法的电子开关轮流导通方式与星型接法一致，线圈按照A+CB、C+AB、B+AC、A+BC、C+BA、B+CA的顺序依次轮流循环导通。
由上述可以知道，目前的无刷电机中，三组线圈的关系是轮流相互串联的，在星型接法中，无法实现所有线圈同时工作；在三角形线圈中，虽然能够实现所有线圈同时工作，但是永远无法实现所有线圈始终并联工作。而并联模型的电机相对于串联模型的电机在电机性能和力矩输出等方面均具有明显的优势。
此外，目前的直流无刷电机设置的是两端电源，在三角形接法中，所有线圈中，没有任何公共端，即各线圈均单独连接至相应位置，在星型接法中，虽然具有一个公共端，三组线圈均连接至同一处位置，但是只适合于三线圈电机，在更多线圈的场景下，就无法继续适用，所以目前的电机线圈还存在线路结构复杂，加工难度大等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种基于三端电源的无刷并联电机及其并联模型。
为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：
一种用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型，包括定子结构及用于连接电源模块和控制器的驱动电路，所述的驱动电路包括多个半桥电路，所述的电源模块包括正电源、负电源和接地端，且所述驱动电路的两个供电端分别用于连接正电源和负电源，所述的定子结构包括至少两组相互并联的独立线圈，每组独立线圈的两端分别连接于接地端和一个半桥电路以由所述的驱动电路控制各组独立线圈的通电状态。
在上述用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型中，每个半桥电路包括两个相互串联的电子开关，且所述独立线圈的一端连接在相应半桥电路中两个电子开关的串联公共端处，另一端连接于接地端。
在上述用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型中，所述的电子开关为任意可用的三端晶体管。
在上述用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型中，所述的电子开关为场效应管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。
在上述用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型中，所述的定子结构包括至少三组/四组/五组相互并联的独立线圈。
在上述用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型中，每组独立线圈由一组单一线圈或多组单一线圈构成；
且当一组独立线圈由多组单一线圈构成时，多组单一线圈之间相互串联和/或并联。
一种基于三端电源的无刷并联电机，包括上述并联模型，以及转子结构、电源模块和控制器，所述的转子结构包括至少一对磁极，所述的电源模块包括正电源、负电源和接地端，所述的并联模型包括定子结构和驱动电路，所述驱动电路的两个供电端分别连接于正电源和负电源，所述的定子结构包括至少两组相互并联的独立线圈，每组独立线圈的两端分别连接于半桥电路和接地端以由所述控制器通过控制驱动电路来控制各组独立线圈的通电状态。
在上述基于三端电源的无刷并联电机中，所述的驱动电路包括多个半桥电路，每个半桥电路包括两个相互串联的电子开关，控制器通过控制连接于独立线圈的半桥电路中两个电子开关来控制相应独立线圈的通电状态；
所述的转子结构包括至少两对磁极。
本实用新型的优点在于：
1、采用并联思路设计无刷电机，能够实现所有线圈同时并联工作，提高线圈利用率；
2、具有更简单的线圈结构，所以具有更高的加工效率和更低的加工成本低；
3、由于所有线圈并联工作，相对于传统串联方式，具有力矩输出更高，功耗更低等优点；
4、线圈之间相互独立，没有任何影响关系，能够根据需要确定任意数量的线圈，具有更高的灵活性，使各种各样的应用场景具有更合适更实用的并联电机；
5、一组独立线圈对应一个半桥电路，具有结构简单，成本低等优点；
6、无论存在多少组线圈，所有线圈仍然保持并联关系，且存在一个公共端供所有线圈的一端连接，即所有线圈的一端均连接至地端，具有接线简单，加工难度低等优点。
附图说明
图1为现有技术无刷直流电机星型接法的主要电路图；
图2为现有技术无刷直流电机角型接法的主要电路图；
图3为本实用新型无刷并联电机的电路框图；
图4本实用新型基于三端电源用于无刷并联电机的并联模型的主要电路图；
图5为本实用新型使用三组独立线圈的控制时序示意图。
附图标记：电源模块1；控制器2；驱动电路3；定子结构4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
如图3所示，本实施例公开了一种基于三端电源的无刷并联电机，包括定子结构4、转子结构、电源模块1、控制器2和驱动电路3。转子结构包括至少一对磁极，本领域技术人员可以选择使用一对磁极、两对磁极或多对磁极；定子结构4包括至少两组相互并联的独立线圈，可以为三组、五组、或多组独立线圈；各组独立线圈分别连接于驱动电路3，电源模块1和控制器2均连接于驱动电路3以由电源模块1为驱动电路3供电以及由控制器2通过控制驱动电路3来控制各组独立线圈的通电状态。
每组独立线圈由一组单一线圈或多组单一线圈构成；且当一组独立线圈由多组单一线圈构成时，多组单一线圈之间相互串联和/或并联。
电源模块1包括正电源、负电源和接地端，具体可以为直流电源模块1或直流电源模块1和逆变器，或者其他类型电源模块1。驱动电路3的两个供电端分别用于连接正电源和负电源。具体地，驱动电路3包括多个半桥电路，即每个半桥电路的两端分别连接正电源和负电源。每组独立线圈的两端分别连接于半桥电路和接地端以由所述控制器通过控制驱动电路来控制各组独立线圈的通电状态。
具体地，每个半桥电路包括两个相互串联的电子开关，且所述独立线圈的一端连接在相应半桥电路中两个电子开关的串联公共端处，另一端连接于接地端。如图4中，独立线圈A的一端连接在第一个半桥电路中BG1、BG4两个电子开关的串联公共端，另一端连接于接地端GND。控制器2通过控制连接于独立线圈的半桥电路中两个电子开关来控制相应独立线圈的通电状态。如图4中，控制器2通过控制BG1、BG4来控制独立线圈A的通电状态，如BG1导通时，独立线圈A具有正向电流，BG4导通时，独立线圈A具有反向电流。
每个半桥电路中不限定只有这两个相互串联的电子开关，还可以有第三个与这两个电子开关串联/并联等形式连接的其他电子开关或其他元器件等，所以本领域技术人员通过将半桥电路复杂化，为半桥电路增加元器件等方式均无法避开本专利的保护范围。另外，电子开关可以为任意可用的三端晶体管，如场效应管、三极管、绝缘栅双极型晶体管等。
具体地，本方案无刷并联电机控制方法如下：
S1.通过电源模块1为驱动电路3供电；
S2.控制器2控制驱动电路3工作以使各独立线圈依次换向。具体地，控制器2按照使各组独立线圈满足
Figure BDA0003308597540000051
的时序要求向驱动电路3输出相应PWM波形以使各独立线圈依次换向。其中，T表示一个周期时间，N表示独立线圈组数，n表示第n组独立线圈，t表示第n组独立线圈的滞后时间。
且具体可以通过方波120度脉宽调制、正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制等方式获得需要的PWM波形。
如图4和图5，下面以A、B、C三组独立线圈为例对本实施例进行具体说明：
BG1-BG6 6个三极管构成6个半桥电路，第一个半桥电路包括BG1和BG4，第二个半桥电路包括BG2和BG5，第三个半桥电路包括BG3和BG6。
A线圈的一端连接在BG1、BG7之间，另一端连接于接地端GND；
B线圈的的一端连接在BG2、BG5之间，另一端连接于接地端GND；
C线圈的的一端连接在BG3、BG6之间，另一端连接于接地端GND。
初始状态，A、C具有正向电流，B具有反向电流，BG1、BG3、BG5导通；
第一次换向，A具有正向电流，B、C具有反向电流，BG1、BG5、BG6导通，转子旋转60度；
第二次换向(T/3时间后)，A、B具有正向电流，C具有反向电流，BG1、BG2、BG6导通，转子旋转120度；
第三次换向，B具有正向电流，A、C具有反向电流，BG4、BG2、BG6导通，转子旋转180度；
第四次换向(2T/3时间后)，B、C具有正向电流，A具有反向电流，BG4、BG2、BG3导通，转子旋转240度；
第五次换向，C具有正向电流，A、B具有反向电流，BG4、BG5、BG3导通，转子旋转300度；
第六次换向(回到初始状态)，A、C具有正向电流，B具有反向电流，BG1、BG5、BG3导通，转子旋转360度；
……
可以看到，三组线圈情况，控制方式与现有技术的无刷电机类似，一个周期内都经历六次换向，每次换向磁场方向都旋转60度，转子也也随之转动60度。但是本方案在六种状态下，三组独立线圈都是相互并联的，而现有技术的方案，三组线圈要么是其中两组串联，剩余一组不参与，要么是其中两组串联，剩余一组与这两组并联，无法实现三组线圈全时且并联工作。
另外，线圈数量的增加能够提高电机力矩及电机稳定性等，目前，本领域技术人员增加线圈的思路是增加串联线圈，如基础电机是一组线圈构成一相，增加线圈后第一相、第二相、第三相均包括两组或多组相互串联的线圈，各组线圈之间相互关联，增加线圈需要考虑其他线圈。而本方案始终是由一组独立线圈构成一相，增加线圈的思路是增加并联线圈，本领域技术人员可以任意确定独立线圈数量，具有较高的自由度。
本方案提出了一种独特的并联模型，所有独立线圈并联连接，能够实现所有线圈全时工作，各线圈之间不存在相互关联或影响，所以可以任意确定线圈数量，对独立线圈数量无限制，能够实现自由变化。并且，每组独立线圈都单独地对应一组半桥电路，具有结构简单，接线方便，自由度高等优点。
此外，本方案相对目前无刷直流电机的串联方案在工作效率和输出力矩上也有明显优势，下面结合具体算例说明本方案具有这些优势的理由：
三角形连接方式
转矩：
Figure BDA0003308597540000071
损耗：
Figure BDA0003308597540000072
电压：
Figure BDA0003308597540000073
星形连接方式
转矩：T＝C·i·2＝2·C·i
损耗：P＝2i2R
电压：U＝2Ri
本方案连接方式
转矩：
Figure BDA0003308597540000081
损耗：
Figure BDA0003308597540000082
电压：
Figure BDA0003308597540000083
结论：在同电流下，
Tb<Ts<Tx
Pb<Ps<Px
Ub<Us<Ux
P为电机损耗，T为电机转矩，C为常数；R为电阻；U为电压；i为电流，下标“b”表示本方案的参数，下标“s”表示现有技术三角形连接方式的参数，下标“x”表示星形连接方式的参数。
(二)在同转矩下分析：
本方案连接方式
转矩：
Figure BDA0003308597540000084
推导出电流：
Figure BDA0003308597540000085
功耗：
Figure BDA0003308597540000086
Figure BDA0003308597540000091
Figure BDA0003308597540000092
电压：
Figure BDA0003308597540000093
Figure BDA0003308597540000094
Figure BDA0003308597540000095
结论，在同转矩下：
Tb＝Ts＝Tx
Pb<Ps<Px
Ub<Us<Ux
Ib>is>ix
(三)在同电压下分析
Figure BDA0003308597540000096
即，ib＝2is＝6ix
转矩：Tb＝C·ib
Figure BDA0003308597540000097
Figure BDA0003308597540000098
功耗：
Figure BDA0003308597540000099
(四)在等功耗情况下
Figure BDA00033085975400000910
即，
Figure BDA0003308597540000101
转矩：
Figure BDA0003308597540000102
Figure BDA0003308597540000103
Figure BDA0003308597540000104
电压：
Figure BDA0003308597540000105
Figure BDA0003308597540000106
Figure BDA0003308597540000107
结论，在同功耗下：
Tb>Ts>Tx
Ub<Us<Ux
Ib>is>ix。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了电源模块1；控制器2；驱动电路3；定子结构4、独立线圈、半桥电路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (9)

1.一种用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型，包括定子结构及用于连接电源模块和控制器的驱动电路，所述的驱动电路包括多个半桥电路，其特征在于，所述的电源模块包括正电源、负电源和接地端，且所述驱动电路的两个供电端分别用于连接正电源和负电源，所述的定子结构包括至少两组相互并联的独立线圈，每组独立线圈的两端分别连接于接地端和一个半桥电路以由所述的驱动电路控制各组独立线圈的通电状态。
2.根据权利要求1所述的用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型，其特征在于，每个半桥电路包括两个相互串联的电子开关，且所述独立线圈的一端连接在相应半桥电路中两个电子开关的串联公共端处，另一端连接于接地端。
3.根据权利要求2所述的用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型，其特征在于，所述的电子开关为任意三端晶体管。
4.根据权利要求3所述的用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型，其特征在于，所述的电子开关为场效应管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。
5.根据权利要求1所述的用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型，其特征在于，所述的定子结构包括至少三组/四组/五组相互并联的独立线圈。
6.根据权利要求1所述的用于无刷并联电机的基于三端电源的并联模型，其特征在于，每组独立线圈由一组单一线圈或多组单一线圈构成；
且当一组独立线圈由多组单一线圈构成时，多组单一线圈之间相互串联和/或并联。
7.一种基于三端电源的无刷并联电机，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的并联模型，以及转子结构、电源模块和控制器，所述的转子结构包括至少一对磁极，所述的电源模块包括正电源、负电源和接地端，所述的并联模型包括定子结构和驱动电路，所述驱动电路的两个供电端分别连接于正电源和负电源，所述的定子结构包括至少两组相互并联的独立线圈，每组独立线圈的两端分别连接于半桥电路和接地端以由所述控制器通过控制驱动电路来控制各组独立线圈的通电状态。
8.根据权利要求7所述的基于三端电源的无刷并联电机，其特征在于，所述的驱动电路包括多个半桥电路，每个半桥电路包括两个相互串联的电子开关，控制器通过控制连接于独立线圈的半桥电路中两个电子开关来控制相应独立线圈的通电状态。
9.根据权利要求8所述的基于三端电源的无刷并联电机，其特征在于，所述的转子结构包括至少两对磁极。
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PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
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Denomination of utility model: Brushless Parallel Motor Based on Three terminal Power Supply and Its Parallel Model

Effective date of registration: 20221124

Granted publication date: 20220405

Pledgee: Hangzhou United Rural Commercial Bank Limited by Share Ltd. branch of science and technology

Pledgor: HANGZHOU DONGBO AUTOMATION SCIENCE & TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2022980023358