TWM571621U - 具有優化扭矩範圍之直流馬達 - Google Patents

Abstract

一種具有優化扭矩範圍之馬達模組，包括：一定子單元，具有一第一繞組與一第二繞組；一轉子單元，定子單元系將轉子單元包圍於其中，定子單元與轉子單元組成一直流馬達；一第一驅動裝置用以將電源引導至第一繞組及一第二驅動裝置用以將電源引導至第二繞組，以控制直流馬達；以及一控制單元，電性耦接至第一驅動裝置與第二驅動裝置用以設定第一驅動裝置串聯或是並聯至第二驅動裝置。

Description

具有優化扭矩範圍之直流馬達

本創作係關於馬達技術，特別係一種具有優化扭矩範圍之直流馬達，能提供低轉速時具備大扭力且工作範圍能延伸至高轉速的直流馬達。

馬達(motor)或稱電動機，廣泛應用於工業及周邊設備的致動元件。依其結構及供電方式，馬達有許多種類，馬達之驅動需要以適當的電力轉換器提供電激勵，依據馬達反電動勢波形的特性、馬達線圈電感特性，從事切換控制及/或適當的換相時刻調適，已得到較佳的運轉特性及轉換效率。

馬達的操作原理是以帶有電流的導體在磁場中會受到作用力，實務上，馬達考量的因素有：磁場中的作用導體是眾多線圈，需考慮交替運行於磁場N極及S極下的電流換相，以得到單一方向的轉距。馬達主要係由轉子、設置於轉子內之磁鐵磁極、定子、印刷電路板所組成，驅動器與感測器設置連結於印刷電路板之上。

當馬達操作時，全橋電路中的線圈纏繞定子，驅動器輸出控制訊號以控制數個開關之開啟與關閉。磁鐵磁極具有數個磁極(例如，分別為N極、S極、N極與S極)並設置於轉子內，依據電流流經線圈，定子所產生的電磁場推動轉子，並藉由感測器以感應轉子內磁鐵磁極之變換而輸出一感測信號至驅動器，以調整控制流經線圈的電流時間，使馬達定子對轉子產生固定方向的旋轉磁場。

近來，家電設備、電動載具已漸漸採用永磁馬達或直流馬達。因 為具有永久磁石和微控IC，永磁馬達或直流馬達具有高效率低震動和低噪音等特性，其具有直接驅動、轉速可調等特點。

圖1為傳統的直流馬達的扭矩-轉速的特性曲線圖。傳統的直流馬達的扭矩-轉速的特性曲線是曲線C1，當直流馬達的轉速逐漸增加時，直流馬達的扭矩會逐漸降低。直流馬達每相的電樞線圈的方程式可以簡化表示為，V=iR+K _e ω，其中V是電樞線圈的電壓，i是電樞線圈的電流，R是電樞線圈的電阻，K_e是反電勢常數，ω是角速度(對應於馬達的轉速)。一般而言，直流馬達的驅動電壓是固定的，也就是說電樞線圈的電壓V是固定的，當直流馬達轉速上升時，反電勢(back emf)即反電勢常數乘以角速度ω，也隨之增加，使得線圈電流逐漸降低，如此可能使得直流馬達的扭矩在高轉速時大幅降低。

為了解決直流馬達扭矩在高轉速時大幅降低的情況，一般作法是以減少線圈匝數來減少反電勢，使得直流馬達在較高轉速時仍可維持相當的扭矩，例如使扭矩-轉速的特性曲線為曲線C2。但是，減少線圈的匝數亦會使得直流馬達於低轉速時扭矩不夠的問題發生，如圖1所示，於低轉速時曲線C2所對應的扭矩低於曲線C1所對應的扭矩。

永磁馬達或直流馬達之轉子是由複數個磁極構成，每一個弧形磁鐵固定在一導磁的圓形鐵圈上，且每一個弧形磁鐵與左右相鄰的弧形磁鐵之徑向磁極皆為相反。定子由複數個導磁性矽鋼片所構成，每一片導磁性矽鋼片上設置複數個繞線槽，繞線槽上依序纏繞絕緣包覆之銅線(漆包線)。於馬達運轉之過程中因為齒槽效應，轉子相對於定子轉動時，會產生一種作用於轉子上的力，稱為頓轉力距(cogging torque)。頓轉力距現象於馬達低速運轉時最為明顯，會產生馬達的噪音、震動現象。

目前電動載具，尤其是電動車所使用的直流馬達多為永磁馬達，因其具有高效率及多極結構之低轉速高轉距之使用。然而，習知之永磁馬達之極數與槽數因無適當之搭配，造成習知之永磁馬達於一開始運轉時之頓轉轉矩相當高。

為解決上述技術問題，以及傳統的馬達之存在的缺點。實在有必要發展具有能以較大範圍提供多種轉速和扭矩的直流馬達。

本創作提出一種具有優化扭矩範圍之馬達模組，包括：一定子單元，具有一第一繞組與一第二繞組；一轉子單元，定子單元系將轉子單元包圍於其中，定子單元與轉子單元組成一直流馬達；一第一驅動裝置用以將電源引導至第一繞組及一第二驅動裝置用以將電源引導至第二繞組，以控制直流馬達；複數個切換開關配置於該電源與該第一驅動裝置、該電源與該第二驅動裝置以及該第一驅動裝置與該第二驅動裝置之間；以及一控制單元，電性耦接至第一驅動裝置與第二驅動裝置用以透過控制該複數個切換開關之開/關狀態來設定第一驅動裝置串聯或是並聯至第二驅動裝置以調整該直流馬達之扭矩與轉速。

上述第一繞組包含至少A1、B1、及C1三相繞線；第二繞組包含至少A2、B2、及C2三相繞線。第一繞組之A1、B1、及C1三相繞線，三者之間的相位差為120度；第二繞組之A2、B2、及C2三相繞線，三者之間的相位差為120度。

上述第一驅動裝置與第二驅動裝置包含複數個半導體開關橋接而成之H型橋式開關電路，其中半導體開關為金氧場效電晶體(MOSFET)或是絕緣閘極雙載子電晶體(IGBT)。

上述控制單元包含一控制電路模組，電性耦合至直流馬達；以及一脈衝波電源控制，電性耦合至控制電路模組，以提供直流馬達穩定控制。

其中上述之控制電路模組包括：一微控制器，耦合至直流馬達；一高速追相模組，耦合至直流馬達以控制直流馬達；以及一編碼器，耦合至微控制器，檢測直流馬達旋轉位置，以計算速度回授。

上述追相模組，包含：一回授信號產生器，用以產生回授信號；一旋波產生器，用以產生旋波信號；一相移電路，用以接收回授信號；一比較器，電性地耦接至相移電路與旋波產生器，其中旋波產生器、相移電路及比較器協調運作，對迴授信號的相位進行相移比較，輸出相移信號，反應於相移信號而產生補償訊號；一偵測電路，耦接至相移電路，用以偵測相移訊號；以及一追頻開關耦接至回授訊號產生器。

此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍 將使讀者得以清楚了解本創作。

C1‧‧‧扭矩-轉速的特性曲線

C2‧‧‧扭矩-轉速的特性曲線

201‧‧‧馬達轉子

201a‧‧‧弧形磁石

202‧‧‧徑向定子單元

310‧‧‧定子單元

310a‧‧‧槽

310b‧‧‧齒部

311‧‧‧轉子單元

311a‧‧‧弧形磁石

311b‧‧‧圓形鐵圈

402‧‧‧第一驅動裝置

404‧‧‧第二驅動裝置

410‧‧‧定子單元的第一繞組

412‧‧‧定子單元的第二繞組

500‧‧‧控制電路模組

505‧‧‧馬達

506‧‧‧控制開關

507‧‧‧驅動電路

508‧‧‧微控制器

509‧‧‧高速追相模組(或高速追頻模組)

520‧‧‧感測器

530‧‧‧脈衝波電源控制

540‧‧‧編碼器

550‧‧‧比較器

551‧‧‧弦波產生器

552‧‧‧相移電路

553‧‧‧偵測電路

554‧‧‧追頻開關

555‧‧‧回授信號產生器

如下所述之對本創作的詳細描述與實施例之示意圖，應使本創作更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本創作應用之參考，而非限制本創作於一特定實施例之中。

圖1顯示傳統的直流馬達的扭矩-轉速的特性曲線圖；圖2顯示根據本創作之一實施例其中內轉式徑向直流馬達模組分解圖；圖3A顯示根據本創作之一實施例的馬達轉子極數與定子槽數搭配示意圖；圖3B顯示根據本創作之一實施例之26極24槽馬達所採用之繞線示意圖；圖4A顯示根據本創作之一實施例中直流馬達具有獨立驅動與可切換方式之定子繞組，第一驅動裝置與第二驅動裝置係以串聯方式配置之示意圖； 圖4B顯示根據本創作之一實施例中直流馬達具有獨立驅動與可切換方式之定子繞組，第一驅動裝置與第二驅動裝置係以並聯方式配置之示意圖；圖5A顯示根據本創作之一實施例之具有追相模組之馬達裝置之控制單元之功能方塊圖；圖5B顯示根據本創作之一實施例之高速追相模組(或高速追頻模組)之功能方塊圖。

此處本創作將針對創作具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本創作之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本創作之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本創作亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本創作之功效性與其優點。且本創作亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本創作之精神下進行各種不同的修飾或變更。

一般的無刷直流馬達包含一具有多個繞線組之單一定子，多組繞線線圈之繞組電性連接於一馬達稱為一個相或相繞組。典型的直流無刷馬達具有三相繞組，對於在一具固定繞線匝數或體積以及有限制最大驅動電壓的情形下，三相馬達繞組其操作特性為具有高扭距低轉速，為了能改進馬達之操作特性，實現轉子轉速和扭矩的調整，調節馬達的速度和扭矩輸出，本創作提出一種具有多種轉速和扭矩的直流馬達之馬達裝置。本創作之具有多種轉速和扭矩的直流馬達之馬達裝置，包含底下特徵：(i)可對馬達定子繞組進行可變連接；(ii)複數個定子子繞組可以通過檔位轉換開關與電源連接，以此改變接入線圈的匝數，進而改變磁通量的大小；(iii)高效能與高速計算之馬達控制技術，利用正 弦波高速追相技術和追頻技術，以降低功率損耗。

一無刷直流或永磁馬達包括轉子、定子及驅動單元。轉子具有複數個磁極。定子包括複數個成對設置的定子繞組，所述的每一個定子繞組由複數個串聯的定子子繞組所組成，分別設有用於電源連接的抽頭且所有定子繞組有相同的定子子繞組，所述相同的定子子繞組抽頭電性的連接一起。馬達進一步包括一個可對定子繞組進行可變連接、使其可按第一種電路結構或第二種電路結構運作的電路。在第二種電路結構中，該電路僅將欲接收電流的定子繞組連接起來。該電路在電氣上使未用定子繞組同使用的或已連接的定子繞組相隔離。

根據上述概念，本創作提供一具有多種轉速和扭矩的直流馬達，在原有的直流馬達基礎上，將定子繞組分為複數個串聯的定子子繞組，抽出的複數個定子子繞組可以通過檔位轉換開關與電源連接，以此改變接入線圈的匝數，進而改變磁通量的大小，實現轉子轉速和扭矩的調整，調節馬達的速度和扭矩輸出，以滿足不同操作條件。

馬達為無刷式直流或永磁類型，其中轉子係設置在一中央軸線之中，用以在定子內部轉動。參考圖2，其係顯示本創作之一實施例其中內轉式徑向直流馬達模組，馬達轉子201包含有複數個弧形磁石201a固定於圓形鐵圈上，徑向定子單元202係將轉子單元包圍於其中，且這複數個徑向轉子磁石係由永久磁鐵構成，其材料可為銣鐵硼。

由於永磁馬達的轉子與定子的齒槽比例會影響頓轉轉矩的振幅大小，一般於馬達設計時會考慮槽極數結構。較佳之設計是將槽極的搭配使其最小公倍數大於50，且槽被極除之值接近於1，如此得以使頓轉轉矩的振幅小。參考圖3A，其顯示本創作之一實施例中的馬達轉子極數與定子槽數搭配示意圖。基於前述之槽極數設計依據，且以具有6相之馬達繞組法互相接線，因此齒槽數須為6整除，磁極數須為2所整除。據此，設計出馬達具有一定子單元310與一轉子單元311，每一個定子單元310設置有24個槽310a，相鄰兩個槽 之間具有一齒部310b。這24個齒部分別纏繞有一線圈於其上；轉子單元311包含有複數個弧形磁石311a固定於圓形鐵圈311b上。每一個定子單元310設置有24個槽310a，相鄰兩個槽之間具有一齒部310b。這24個齒部分別纏繞有一線圈於其上。而在本實施例中，這24個線圈係使用一具有6相之馬達繞組法互相接線。另外，前述之一具有6相之馬達繞組方式除了可以應用於一具有24槽亦可應用於一具有12槽或48槽之徑向定子單元的內轉式永磁馬達，除了可以應用於一具有26極之轉子單元外，也可以應用於一具有20極、22及、或28極轉子單元的馬達模組。定子單元310具有兩組繞線組，第一繞線組包含A1、B1、及C1三相；第二繞線組包含，A2、B2、及C2三相。

參考圖3B，於一例子中本創作之26極24槽馬達所採用之繞線示意圖。其中，此繞線方法形成一包含一A1、B1、及C1三相之第一繞組以及A2、B2、及C2三相之第二繞組；第一繞組包括一A1相繞線、一B1相繞線、及一C1相繞線，第二繞組包括一A2相繞線、一B2相繞線、及一C2相繞線。其中圖3B所示的1-24的編號為圖3A所標示定子單元310的24個齒部310b的編號。A1相繞線的接線方法是從第1齒部開始，將分別纏繞於第1、2、13、及14齒部上之線圈依序接線；B1相繞線的接線方法是從第9齒部開始，將分別纏繞於第9、10、21、及22齒部上之線圈依序接線；C1相繞線的接線方法是從第17齒部開始，將分別纏繞於第17、18、5、及6齒部上之線圈依序接線。相同的方式，A2相繞線的接線方法是從第3齒部開始，將分別纏繞於第3、4、15、及16齒部上之線圈依序接線；B2相繞線的接線方法是從第11齒部開始，將分別纏繞於第11、12、23、及24齒部上之線圈依序接線；C2相繞線的接線方法是從第19齒部開始，將分別纏繞於第19、20、7、及8齒部上之線圈依序接線。前述之包含A1、B1、及C1三相之第一繞組中，A1相繞線、一B1相繞線、及一C1相繞線三者間有一120度的相位差，包含A2、B2、及C2三相之第二繞組中，A2相繞線、一B2相繞線、及一C2相繞線三者間有一120度的相位差。第一繞組之A1相繞線與第二繞組之A2相繞線之間有一30度之相位差。

第一繞組與第二繞組係互相獨立，所以一旦其中一組繞組故障，另一組仍可正常運作。轉子單元與定子單元的第一繞組或第二繞組可以構成一 獨立運作之直流馬達，也就是說，直流馬達可以只由第一繞組運作而不需要第二繞組、反之亦然、或是由第一繞組與第二繞組共同運作。例如，直流馬達可以只以第一繞組運作、而與第二繞組開路。分開個別繞組之接線方式或以一個繞組操作，或是以數個繞組操作的配置方式可以用以影響馬達轉速和轉距特性。

圖4A-B顯示本創作於一實施例中直流馬達驅動方式示意圖，其顯示利用獨立驅動裝置及切換定子單元於電源供應器的電壓限制條件下進行調整直流馬達扭矩及轉速。個別馬達驅動裝置將電源引導至具有多個相位繞線組的單一定子單元。如圖4A-B所示，第一驅動裝置402將電源引導至定子單元的第一繞組410，第二驅動裝置404將電源引導至定子單元的第二繞組412。個別馬達驅動裝置間可以利用切換開關SW1、SW2、以及SW3於串聯(圖4A)與並聯(圖4B)配置做切換，亦即於使馬達於大扭矩或高轉速間做操作。也就是意謂著相對應定子繞組串聯使馬達具有大扭矩，定子繞組並聯馬達具有高轉速。

控制單元406可以透過開關SW1、SW2、及SW3設定第一驅動裝置402串聯或並聯第二驅動裝置404。於一實施例而言，第一(二)驅動裝置402(404)為一具有六個半導體開關橋接而成之H型橋式開關電路，半導體開關可以是金氧場效電晶體(MOSFET)或是絕緣閘極雙載子電晶體(IGBT)。

另外為達到高效能、以及高穩定的馬達控制，本創作之控制單元更包含具有追相模組之馬達控制技術，圖5A顯示根據本創作之一實施例之具有追相模組之馬達裝置之控制單元之功能方塊圖。在本實施例之中，馬達裝置之控制單元包括脈衝波電源控制530電性耦合控制電路模組500以進行脈衝寬度調變，以提供高效率、高穩定之馬達控制。

在本實施例之中，控制電路模組500包括微控制器508、高速追相模組509、感測器520，其中高速追相模組509、感測器520電性耦合微控制器508。

無刷直流馬達係沒有電刷與逆變器之直流馬達。無刷直流馬達 505係透過一驅動電路507以驅動控制開關506而啟動馬達505之運轉。舉例而言，驅動電路507包括複數個電晶體、放大電路、檢測線圈與二極體。

在一實施例之中，利用微控制器508以啟動不同類型的感測器(速度感測器、溫度感測器)520以偵測馬達505之轉速、溫度。

圖5B顯示根據本創作之一實施例之高速追相模組(或高速追頻模組)之功能方塊圖。在本實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)509包括比較器550、弦波產生器551、相移電路552、偵測電路553、追頻開關554以及回授信號產生器555。相移電路552用以接收回授訊號，比較器550耦接相移電路552與弦波產生器551；上述三者協調運作，對所述回授訊號的相位進行相移比較，隨後而輸出相移訊號，反應於相移訊號而產生補償訊號。弦波產生器551係用以產生弦波訊號(正弦或餘弦訊號)，以利於弦波追頻。上述三者相移電路552、弦波產生器551、比較器550可各自獨立或者整合於一積體電路，端視設計需求而定。於一實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)509更包括一起振電路，耦接弦波產生器551，用以當弦波產生器551未獲得訊號時，反應於啟動訊號而產生起振訊號給弦波產生器551，藉以致使弦波產生器551產生弦波訊號，直至弦波產生器551獲得訊號為止。偵測電路553耦接相移電路552，用以偵測相移訊號。

在一實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)509耦接功率切換電路與LC共振電路，用以根據關聯於弦波驅動訊號之回授訊號而產生並調整弦波訊號，藉以使弦波驅動訊號之頻率自動地追隨LC共振電路之諧振頻率。

在一實施例之中，在馬達505的操作過程之中，速度計算器根據一編碼器540所檢測到的馬達505之旋轉位置，以計算速度回授。而利用速度計算器所計算之速度回授進一步被輸出至高速追相模組509。高速追相模組509可以調整或補償來自馬達505的速度回授之相位延遲(delay)或超前。

上述敘述係為本創作之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會 其係用以說明本創作而非用以限定本創作所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本創作所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

Claims (10)

1. 一種具優化扭矩範圍之直流馬達，包括：一定子單元，具有一第一繞組與一第二繞組；一轉子單元，該定子單元係將該轉子單元包圍於其中，該定子單元與該轉子單元組成一直流馬達；一第一驅動裝置用以將電源引導至該第一繞組及一第二驅動裝置用以將電源引導至該第二繞組，以控制該直流馬達；複數個切換開關配置於該電源與該第一驅動裝置、該電源與該第二驅動裝置以及該第一驅動裝置與該第二驅動裝置之間；以及一控制單元，電性耦接至該第一驅動裝置與該第二驅動裝置用以透過該複數個切換開關之開/關狀態來設定該第一驅動裝置串聯或是並聯至該第二驅動裝置以調整該直流馬達之扭矩與轉速。
2. 如請求項1所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之第一繞組包含至少A1、B1、及C1三相繞線；第二繞組包含至少A2、B2、及C2三相繞線。
3. 如請求項1所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之第一驅動裝置與第二驅動裝置包含複數個半導體開關橋接而成之H型橋式開關電路。
4. 如請求項3所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之半導體開關為金氧場效電晶體(MOSFET)或是絕緣閘極雙載子電晶體(IGBT)。
5. 如請求項1所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之控制單元包含：一控制電路模組，電性耦合該直流馬達；以及一脈衝波電源控制，電性耦合至該控制電路模組，以提供該直流馬達穩定控制。
6. 如請求項5所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之控制電路模組，包括： 一微控制器，耦合至該直流馬達；一高速追相模組，耦合該直流馬達，以控制該直流馬達；以及一編碼器，耦合該微控制器，檢測該直流馬達旋轉位置，以計算速度回授。
7. 如請求項6所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之高速追相模組包含：一回授信號產生器，用以產生回授信號；一旋波產生器，用以產生旋波信號；一相移電路，用以接收該回授信號；一比較器，電性地耦接至該相移電路與該旋波產生器，其中該旋波產生器、該項移電路及該比較器協調運作，對該迴授信號的相位進行項移比較，輸出相移信號，反應於該項移信號而產生補償訊號；一偵測電路，耦接至該相移電路，用以偵測相移訊號；一追頻開關，耦接至該回授信號產生器。
8. 如請求項1所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之轉子單元包含有複數個弧形磁石固定於圓形鐵圈上。
9. 如請求項1所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之第一繞組之A1、B1、及C1三相繞線，三者之間的相位差為120度。
10. 如請求項1所述之具優化扭矩範圍之直流馬達，其中上述之第二繞組之A2、B2、及C2三相繞線，三者之間的相位差為120度。