CN2894055Y - 各相绕组可单独激励的电子换向电动机 - Google Patents

Abstract

各相绕组可单独激励的电子换向电动机，包括具有多个相绕组的定子、具有多个永磁体磁极的转子、用于检测转子位置并输出根据检测到的位置输出位置信号的多个位置检测器、具有直流电供给电路和逆变电路的驱动装置，逆变电路具有与多相绕组对应的多个开关单元，其特征是：所述各相绕组的每个相绕组分别独立连接在所述直流电供给电路和所述逆变电路的相应开关单元之间，所述逆变电路以接收所述位置检测器输出的所述位置信号控制有选择地向相应相绕组提供电流、以产生始终超前转子磁场的定子磁场的方式与所述位置检测器构成连接。其各相绕组可单独激励，以实现多相全通电或单相通电驱动。

Description

各相绕组可单独激励的电子换向电动机

技术领域

本实用新型涉及具有定子、转子、位置检测器、驱动装置的电子换向电动机，定子具有多个相绕组、且各个相绕组可单独激励，以实现多相全通电或单相通电驱动。

背景技术

公知的电子换向电动机，如无刷直流电动机等，包括定子、转子、位置检测器、驱动装置。定子具有多个铁心磁极和多相绕组，例如常见的三相无刷直流电动机具有呈星形或三角形连接的三相绕组。转子上设置有多个永磁体转子磁极。位置检测器用于检测转子位置以产生换向信号，位置检测器可采用霍尔传感器、光电传感器等。驱动装置包括由多个开关元件组成的桥式逆变单元和控制单元。

电子换向电动机工作时，转子磁极旋转交替变换，位置检测器检测转子位置并根据检测到的位置产生位置信号，位置信号经过控制单元处理后控制各开关元件的导通/截止，从而将直流电压依次加到相应的相绕组。相绕组激励产生定子磁场，定子磁场与转子磁场相互作用产生连续转矩，从而推动转子连续转动。

现有的电子换向电动机通常采用两相通电激励、一相截止驱动方式，每一相绕组导通120°、断电60°，在任一种状态下仅有两相绕组通电。其不足之处是各相绕组利用率低，相绕组之间形成相互连接，不能独立控制，通电相数无法根据需要灵活选择。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种具有多个相绕组、且各相绕组可单独激励的电子换向电动机。

本实用新型的另一个目的提供一种可工作于所有相绕组同时通电驱动的电子换向电动机。

本实用新型的再一个目的提供一种可选择地工作于所有相绕组同时通电驱动或单相绕组通电驱动的电子换向电动机。

为实现上述目的，本实用新型提供的各相绕组可单独激励的电子换向电动机，包括具有多个相绕组的定子、具有多个永磁体磁极的转子、用于检测转子位置并输出根据检测到的位置输出位置信号的多个位置检测器、具有直流电供给电路和逆变电路的驱动装置，逆变电路具有与多相绕组对应的多个开关单元，其特征是：所述各相绕组的每个相绕组分别独立连接在所述直流电供给电路和所述逆变电路的相应开关单元之间，所述逆变电路以接收所述位置检测器输出的所述位置信号控制有选择地向相应相绕组提供电流、以产生始终超前转子磁场的定子磁场的方式与所述位置检测器构成连接。

本实用新型提供的电子换向电动机，所述逆变电路有选择地向相绕组提供电流的方式包括：

所述逆变电路以接收所述位置检测器输出的所述位置信号控制向所有相绕组提供电流并变换相应相绕组电流方向、以产生始终超前转子磁场的定子磁场的方式与所述位置检测器构成连接，由此提供一种多相全驱动的工作方式。

所述逆变电路以接收所述位置检测器输出的所述位置信号控制仅向相应的一个相绕组提供相应方向电流、以产生始终超前转子磁场的定子磁场的方式与所述位置检测器构成连接，由此提供一种单相驱动的工作方式。

本实用新型提供的电子换向电动机，所述逆变电路与所述位置检测器的连接方式包括：

所述逆变电路与所述位置检测器直接连接、并按照所述位置检测器输出的所述位置信号有选择地向相应相绕组提供电流的连接。

所述逆变电路与所述位置检测器通过控制电路连接，所述控制电路接收所述位置检测器输出的所述位置信号并按照所述位置信号产生控制信号，所述逆变电路接按照所述控制信号有选择地向相应相绕组提供电流的连接

控制电路包括第一控制电路，所述第一控制电路接收所述位置检测器输出的所述位置信号并按照所述位置信号产生第一控制信号，所述逆变电路按照所述第一控制信号向所有相绕组提供电流、并变换相应相绕组电流方向。

控制电路包括第二控制电路，所述第二控制电路接收所述位置检测器输出的所述位置信号并按照所述位置信号产生第二控制信号，所述逆变电路按照所述第二控制信号仅向相应的一个相绕组提供相应方向电流。

进一步的，所述控制电路包括所述第一控制电路、所述第二控制电路、以及将所述第一控制电路、所述第二控制电路选择连接到所述逆变电路与所述位置检测器之间的选择单元。

本实用新型提供的电子换向电动机，所述位置检测器的设置方式包括：

所述位置检测器设置成每当转子旋转至转子磁场轴线与定子磁场轴线呈α度夹角的机械位置使所述位置检测器输出的位置信号发生变化，所述逆变电路根据所述位置信号变化有选择地向相应相绕组提供电流、以改变定子磁场方向。

对于具有三相绕组和三个位置检测器的电子换向电动机，所述位置检测器设置成每当转子旋转至转子磁场轴线与定子磁场轴线呈60°度夹角的机械位置使所述位置检测器输出的位置信号发生变化，所述逆变电路根据所述位置信号变化有选择地向相应相绕组提供电流、以使定子磁场轴线向前旋转60°电角度。

最好的，所述位置检测器设置在沿定子圆周方向从相绕组轴线旋转30°机械角度的位置上。

与现有技术相比，本实用新型提供的各相绕组可单独激励的电子换向电动机，其各相绕组在电路上互不影响、可单独激励，通电驱动的相数可根据实际需要加以选择，并且每一个通电相绕组两端均施加全部电源电压，具有输出功率大且可调，转矩波动小，转动平稳，振动和噪声小，驱动和控制简单，可靠性高，成本低，效率高的优点。

本实用新型提供的电子换向电动机可作为无刷直流电动机使用。特别适用于电动车辆、电器设备的驱动，其优点是：当车辆处于起动、爬坡、加速时，可使电动机工作在多相全通电、全功率驱动方式，以产生大的力矩和高的运行速度；而当车辆匀速运行、下坡、减速时，可转换成单相通电驱动，以节约能源。对于三相无刷直流电动机，当三相全通电、全功率驱动时，其输出功率与现有二相驱动方式相比可提高33％，效率可高达95％；采用单相通电驱动时，其输出功率是现有二相驱动方式的66％，是三相全驱动方式的50％，比现有驱动方式节电。

本实用新型提供的电子换向电动机通过适当的改进，如以脉冲发生器和分配器代替所述位置检测器，也可作为步进电动机使用。

下面以三相双极式电子换向电动机为例并结合附图，对本实用新型作详细的说明。

附图说明

图1是各相绕组可单独激励的三相双极式电子换向电动机本体结构示意图。

图2是各相绕组可单独激励的三相双极式电子换向电动机的一种驱动电路原理图，该驱动电路采用交流供电可用于驱动单绕组电动机、并可实现三相全驱动/单相驱动转换。

图3是各相绕组可单独激励的三相双极式电子换向电动机的另一种驱动电路原理图，该驱动电路采用直流供电可用于双绕组电动机实现三相全驱动。

图4是各相绕组可单独激励的三相双极式电子换向电动机工作于三相全激励六步拍驱动时各个驱动状态的示意图。

图5是各相绕组可单独激励的三相双极式电子换向电动机工作于单相激励六步拍驱动时各个驱动状态的示意图。

具体实施方式

各相绕组可单独激励的三相双极式电子换向电动机，包括电动机本体、位置检测器和驱动装置。

参照图1，电动机本体包括定子、转子。定子具有沿圆周方向分布的三相电枢1、2、3，每相包括定子铁心和绕设在定子铁心上的绕组La、Lb、Lc。每相可以是单绕组，也可以是双绕组。转子4具有两个对称永磁体磁极。转子可转动地设置在定子内，当然也可采用转子围绕在定子外转动的外转子式结构。

位置检测器，实现转子位置检测并根据检测到的转子位置输出位置信号。位置检测器可采用磁传感器、光电传感器等，本实施例采用三个锁存型霍尔传感器Ha、Hb、Hc作为转子位置检测器。霍尔传感器用于检测转子磁极位置，检测到转子S极的霍尔传感器输出高电平，检测到转子N极的霍尔传感器输出低电平。将三个霍尔传感器沿定子圆周方向与相绕组轴线偏移30°机械角度布置，并且使转子每转过60°机械角度就有一个霍尔传感器的输出状态产生变化，三个霍尔传感器输出反映转子与定子相对位置的位置信号。

驱动装置与相绕组和位置检测器电连接，根据位置检测器输出的位置信号控制有选择地向相应相绕组提供电流，实现对电动机的驱动控制。驱动装置包括驱动电路，驱动电路至少包括直流电供给电路和逆变电路。当然，根据供电方式是交流供电或直流供电、用于驱动单绕组或双绕组电动机、逆变电路接受位置检测器控制方式的不同等，驱动电路的具体构成略有不同。例如，图2所示交流供电驱动电路，可用于驱动单绕组电动机并可实现三相全驱动/单相驱动转换。图3所示直流供电驱动电路，逆变电路直接接受位置检测器的输出控制，可用于双绕组电动机实现三相全驱动。

参照图2，交流供电驱动电路包括直流电供给电路61、桥式逆变电路62、第一控制电路63、第二控制电路64、选择开关65。

直流电供给电路61，包括由整流管D1～D4构成的整流电路、由滤波电容C1、C2构成的滤波电路，滤波电容C1、C2的中点形成一个分压输出端。该部分电路用于将交流电变换成直流电，供给直流母线。

桥式逆变电路62，包括六个开关管V1～V6和六个续流二极管D5～D10，分为三组，每组开关电路包括一对上、下桥臂开关管及其续流二极管。相绕组La、Lb、Lc的一端连接直流电供给电路的分压输出端、另一端分别连接在相应一组开关电路的上、下桥臂开关管之间。当一组开关电路中的上、下桥臂开关管任一个导通，相应的相绕组通过正向/反向电流，激励产生相应极性的磁场。

第一控制电路63，包括三个触发器电路，每个触发器的输入端与相应的位置传感器的输出端连接、两个反相输出端分别连接相应一组开关电路的上桥臂、下桥臂开关管的基极。这样，无论位置传感器输出高电平或低电平，触发器均有一个输出端输出高电平使其中的一个开关管导通、而另一个输出端输出低电平使另一个开关管截止关断，每一组开关电路均有一个开关管处于导通状态，由此可使各相绕组全部处于通电状态、并且各相绕组产生的合成定子磁场始终超前转子磁场。相绕组的电流方向随相应的位置传感器的输出信号变化而变化，定子磁场方向旋转且总是指向某一相绕组的轴线方向。

第二控制电路64，包括译码器电路，其输入端分别与三个位置传感器的输出端连接、其输出端分别连接相应一组开关电路的上、下桥臂开关管的基极。对于位置传感器的一种输出状态，译码器电路对应输出一组控制信号，使只有相应的一组开关电路的一个开关管导通，每次只有一个相绕组处于通电状态，各个开关管随位置传感器的输出信号变化而轮流导通，使各相绕组依次激励。

选择开关65，控制向第一控制电路63、第二控制电路64选择地施加工作电源，从而将其选择连接到桥式逆变电路62和位置传感器的输出之间。

参照图4，三相双极式电子换向电动机的工作方式为三相全部通电激励六步拍驱动。电动机工作时，三个相绕组全部通电激励，其产生的合成定子磁场的轴线a-a总是指向某一相绕组的轴线方向，三相绕组的磁场同时对转子产生作用。由于在定子磁场和转子磁场夹角为60°～120°的区间，平均电磁转矩最大。因此将三个霍尔传感器布置在沿定子圆周方向与相绕组轴线偏移30°的位置上，这样每当定子、转子处于如图1所示的相对位置(即定子磁场轴线a-a和转子磁场轴线b-b夹角为60°)时，转子的N/S极分界处就经过一个霍尔传感器的检测窗，使该霍尔传感器的输出电平状态产生变化，从而改变该相绕组电流方向和磁场方向，使合成的定子磁场向前旋转60°。此时，定子磁场超前转子磁场120°电角度，转子再转过60°后又使下一个霍尔传感器的输出电平状态产生变化，使合成的定子磁场再向前旋转60°，由此驱动转子连续旋转。图中(1)至(6)分别示出定子磁场和转子磁场夹角为90°的六个状态，此时瞬时电磁转矩最大。

参照图5，三相双极式电子换向电动机的工作方式为单相激励六步拍驱动。电动机工作时，只有一相绕组通电激励产生磁场对转子产生作用，其产生的定子磁场的轴线a-a指向该相绕组的轴线方向。同样的，将三个霍尔传感器按图4所示布置，每当定子、转子处于如图1所示的相对位置(即定子磁场轴线a-a和转子磁场轴线b-b夹角为60°)时，转子的N/S极分界处就经过一个霍尔传感器的检测窗，使该霍尔传感器的输出电平状态产生变化，从而向相应的一相绕组提供相应方向的电流，该相绕组产生相应方向的磁场，使定子磁场向前旋转60°。此时，定子磁场超前转子磁场120°电角度，转子再转过60°后又使下一个霍尔传感器的输出电平状态产生变化，使另一相绕组通电产生磁场，定子磁场再向前旋转60°，由此驱动转子连续旋转。图中(1)至(6)分别示出定子磁场和转子磁场夹角为90°的六个状态，此时瞬时电磁转矩最大。

在图4、图5中，转子沿顺时针方向转动。若要使转子沿逆时针方向转动，可以在位置传感器的输出连接反相电路，使其倒相输出从而改变相绕组电流方向来实现。

以上对各相绕组可单独激励的三相双极式电子换向电动机进行描述，但该实施例并非对本本实用新型的限制，凡依照上述原理构成的各种相数和极数的电子换向电动机，均在本实用新型保护范围内。

Claims (10)

1、各相绕组可单独激励的电子换向电动机，包括具有多个相绕组的定子、具有多个永磁体磁极的转子、用于检测转子位置并输出根据检测到的位置输出位置信号的多个位置检测器、具有直流电供给电路和逆变电路的驱动装置，逆变电路具有与多相绕组对应的多个开关单元，其特征是：所述各相绕组的每个相绕组分别独立连接在所述直流电供给电路和所述逆变电路的相应开关单元之间，所述逆变电路以接收所述位置检测器输出的所述位置信号控制有选择地向相应相绕组提供电流、以产生始终超前转子磁场的定子磁场的方式与所述位置检测器构成连接。

2、根据权利要求1所述的电子换向电动机，其特征是：所述逆变电路以接收所述位置检测器输出的所述位置信号控制向所有相绕组提供电流并变换相应相绕组电流方向、以产生始终超前转子磁场的定子磁场的方式与所述位置检测器构成连接，由此提供一种多相金驱动的工作方式。

3、根据权利要求1所述的电子换向电动机，其特征是：所述逆变电路以接收所述位置检测器输出的所述位置信号控制仅向相应的一个相绕组提供相应方向电流、以产生始终超前转子磁场的定子磁场的方式与所述位置检测器构成连接，由此提供一种单相驱动的工作方式。

4、根据权利要求1、2所述的电子换向电动机，其特征是：所述逆变电路与所述位置检测器直接连接、并按照所述位置检测器输出的所述位置信号有选择地向相应相绕组提供电流的连接。

5、根据权利要求1、2或3所述的电子换向电动机，其特征是：所述逆变电路与所述位置检测器通过控制电路连接，所述控制电路接收所述位置检测器输出的所述位置信号并按照所述位置信号产生控制信号，所述逆变电路接按照所述控制信号有选择地向相应相绕组提供电流的连接。

6、根据权利要求5所述的电子换向电动机，其特征是：控制电路包括第一控制电路，所述第一控制电路接收所述位置检测器输出的所述位置信号并按照所述位置信号产生第一控制信号，所述逆变电路按照所述第一控制信号向所有相绕组提供电流、并变换相应相绕组电流方向。

7、根据权利要求5所述的电子换向电动机，其特征是：控制电路包括第二控制电路，所述第二控制电路接收所述位置检测器输出的所述位置信号并按照所述位置信号产生第二控制信号，所述逆变电路按照所述第二控制信号仅向相应的一个相绕组提供相应方向电流。

8、根据权利要求5所述的电子换向电动机，其特征是：所述控制电路包括所述第一控制电路、所述第二控制电路、以及将所述第一控制电路、所述第二控制电路选择连接到所述逆变电路与所述位置检测器之间的选择单元。

9、根据权利要求1、2或3所述的电子换向电动机，其特征是：所述位置检测器设置成每当转子旋转至转子磁场轴线与定子磁场轴线呈α度夹角的机械位置使所述位置检测器输出的位置信号发生变化，所述逆变电路根据所述位置信号变化有选择地向相应相绕组提供电流、以改变定子磁场方向。

10、根据权利要求1、2或3所述的电子换向电动机，其特征是：所述位置检测器设置在沿定子圆周方向从相绕组轴线旋转30°机械角度的位置上，且每当转子旋转至转子磁场轴线与定子磁场轴线呈60°度夹角的机械位置使所述位置检测器输出的位置信号发生变化，所述逆变电路根据所述位置信号变化有选择地向相应相绕组提供电流、以使定子磁场轴线向前旋转60°电角度。