一種控制連續旋轉微電機的方法

2023-10-05 08:47:14

專利名稱：一種控制連續旋轉微電機的方法
技術領域：
本發明涉及一種控制連續旋轉微電機的方法。該電機特別地用在手錶中。由本發明的方法控制的微電機最好是這樣類型的，該電機包括裝有永磁鐵的轉子和裝有固定線圈的定子。
在微電機的第一實施例中，提供有用於驅動轉子的三個定子線圈，而在第二實施例中，只提供兩個線圈驅動轉子，就是說兩個線圈相對於轉子軸彼此相對布置。這兩個實施例中每個均具有自己的優點，下面將更詳細地描述。
在微電機的具體實施例中，該轉子包括兩個細長的磁性法蘭和四個分別位於彼此面的對面設置兩個法蘭的四個末端區域的雙極磁鐵。該轉子基本上限定了單個主磁路。除了軸和可能的承載結構以外，在旋轉中整體驅動的全部用於微電機的磁性工作。在本實施例中轉子的永磁鐵和定子線圈之間的磁性耦合特別好。
根據一種特定的特性，在微電機的周圍裝有雙極轉子定位磁鐵，當轉子停止時，用於維持轉子在預定的角度位置。由於這種特性，可以確保在需要的旋轉方向上有效啟動轉子的旋轉。
本發明的目的是提供一種控制連續旋轉微電機的方法，該方法有效並能確保旋轉穩定而不需要精密地實行。
於是本發明涉及一種控制連續旋轉微電機的方法，該電機包括裝有永磁鐵的轉子和裝有至少一個與控制和電源裝置進行電連接的線圈的定子，所述永磁鐵相對於所述線圈徑向地布置在所述轉子上，於是所述轉子的旋轉在線圈裡產生了變化的感應電壓，該電壓確定了以時間為函數的交流感應電壓曲線，該方法的特徵在於在所述感應電壓曲線的相應的半周期內，在這些半周期的每一個內感應電壓達到最大絕對值之前，通過提供連續的脈衝來維持所述轉子的旋轉。
由於這些特徵，可得到旋轉速度的自我調節。
根據本發明的特定的優點，在感應電壓曲線任何半周期中的過零處(passage through zero)之間的時間間隔是恆定並且是確定的，於是在給定的基準旋轉速度下，在該半周期內感應電壓達到所述的最大值之前，產生維持脈衝，其中所述時間間隔限定了所述半周期的始端和維持脈衝的始端。
根據本發明的其他特性，該維持脈衝的持續時間是變化的，特別可作為加在所述微電機上負載的函數，或作為探測到的轉子的角度位置和由所述控制裝置確定的基準角度位置之間偏差的函數。
本發明將通過非限定實例，在參照附圖和下面的描述中進行詳細地闡述。


圖1是連續旋轉微電機的俯視圖；圖2是沿圖1中Ⅱ-Ⅱ線的剖視圖；圖3是連續旋轉微電機控制裝置的實施例方框圖；圖4示出了本發明的連續旋轉微電機的控制方法；圖5示意表示了由本發明的控制方法導致的自我調節的效果。
參照圖1和圖2，在下面將要描述連續旋轉微電機的可選擇的實施例。在與旋轉軸14垂直的平面上，轉子34的法蘭36和38形狀為橢圓形，其兩個末端10和12為向外的半圓形輪廓，裝在轉子上的四個雙極磁鐵為圓形。三個扁平線圈26、27和28的每個的中心軸40與經過四個雙極磁鐵16』和18』重心的磁鐵軸確定的軸42不相同。對於尺寸確定的轉子34，為了增加扁平線圈26、27和28的尺寸，線圈的中心軸40到旋轉軸14的距離要比上述軸42到旋轉軸14的距離要大。在另一個選擇中，這兩個軸可為同一個。
對於扁平線圈26、27和28，其最佳值的範圍確定如下每個線圈半徑在1mm和4mm之間；厚度在大約0．4mm和1mm之間；組成線圈的導線的直徑在大約10μm和20μm之間。線圈和磁鐵之間的溝槽值大約為0．2mm，以確保容易裝配和可靠工作。然而這些數值不是限定的。
而且，由於每單位時間的轉子34能量消耗大約與每秒轉數成正比，於是最好使轉子角速度相對很低，所述速度最好為每秒1到10轉。然而，從測試和分析中可以看出，必須考慮影響微電機工作的幹擾和震動，特別是這樣的幹擾和震動會引起減速。這樣，向給定的電機提供的最小速度必須考慮這種幹擾和震動的情況。例如對於外半徑在5m和10mm之間的微電機來說，考慮到這種微電機的電消耗和工作的可靠性，每秒5轉左右的角速度效果很好。
為了使扁平線圈26、27和28定位和固定，這些線圈部分地固定在設有電路的的印製電路44上，電路的某個末端在線圈末端的電連接焊點46上。
中心軸24的兩個樞軸48中的一個安裝在板52的軸承50上。在本實施例中裝有反樞軸51(counter-pivot)。在板52和印製電路44之間裝有過渡件或支撐件54，該過渡件或支撐件粘接在印製電路44上並且通過螺釘或其它本領域技術人員已知的固定件固定到板52上。
支撐件54具有部分裝有三個線圈26、27和28的三個圓孔或凹口。這些凹口填充有用於牢固固定螺旋線圈或扁平線圈的粘性材料，這些材料在印刷電路44和支撐件54之間。支撐件54還用於限定線圈的軸向位置。還需指出的是支撐件54具有位於線圈附近的兩個伸出部57和58，該伸出部具有大致與所述線圈相等的高度。這些伸出部57和58還用於通過粘接材料59定位並固定扁平線圈，該粘接材料59設在這些伸出部57和58及線圈側面的一部分之間。然而在本發明的結構範圍內伸出部57和58的存在對牢固固定線圈不是必需的。
中心軸24可以是磁性材料，也可以是非磁性材料製成，特別可以是輕質的、剛性非磁性材料。注意摩擦導致損失主要導致微電機的電消耗，本領域的技術人員將中心軸24安裝到軸承上時要特別小心以使該中心軸的樞軸能適應。特別地，能夠在中心軸24和安裝該軸的軸承之間提供具有最小接觸面的球軸承。接下來，所有軸承的潤滑很重要，本領域技術人員知道最佳的自潤滑材料。在這裡描述可選擇的情況中，在軸24和軸承50之間的接觸面特別地通過減小樞軸的直徑和側接觸面而減小到最小值。
圖3示出了前面描述的微電機的控制電路。三個扁平線圈26、27和28串聯地電連接。這三個線圈圍繞旋轉軸14以相差120°角的常規方式布置。給定扁平線圈和轉子特別是雙極磁鐵的布置後，轉子旋轉產生感應信號，該信號的周期與120°轉子的旋轉相適應，例如該大致為正弦形狀曲線的感應信號的電頻率比用每秒轉數表示的轉子的角轉動頻率高三倍。
為了測量轉子的轉速，提供裝置80用於測量在轉子線圈中感應生成的信號過零段。這些裝置具體由差動放大器和比較器組成。裝置80的輸出端給計數器82及裝置84提供幾乎瞬時轉子轉速信號，以調節轉子的旋轉速度。計數器82與帶有石英88的時基86連接，計數器於是可相對於要確定的預定旋轉速度，對轉子進行增速或減速。
計速器82還與對控制裝置90起作用的調節裝置84相連，在控制裝置90中裝有由調節裝置84電驅動的開關92。提供有四個開關92，以便可發出限定持續時間和負載正負極性的脈衝。開關92與電源裝置94電連接，該電源裝置還可與調節裝置84和時基86連接，特別當發出斬波脈衝(chopped pulse)和改變斬波速率(choping rate)時，以調節轉子的角速度，並根據電壓水平是否在開始或維持轉子轉動狀態調節電壓水平，這些將在後面描述。
為了以確定和有效的方式確定轉子的轉動方向，提供裝置96用於探測轉動方向，其三個輸入端與兩個線圈27和28的末端相連。為了增加裝置96的探測的精度和可靠性，可提供選擇的是所述裝置96的輸入端也與第三扁平線圈26的兩個末端連接。由裝置96探測到的旋轉方向或在所述轉動方向上的變化傳遞到調節裝置84上。特別在微電機經受連續的劇烈震動時，轉動方向可能發生變化。在這種情況下，有必要安裝調節裝置，以迅速停止微電機的工作，在正確方向重新啟動，並然後相對於基準旋轉速度恢復消失的轉數。為了做到這一點，計數器82用於計算在上述情況出現的減速值。本領域的技術人員根據這裡的提示知道如何布置如圖3所示的各種電子模塊，以控制微電機。
圖4大致示出了根據本發明的微電機的最佳工作狀態。為了能實現目的，需要注意的是在微電機的周圍安裝有永磁鐵62，用於在轉子停止時對其進行定位(圖1)。該雙極磁鐵到旋轉軸14的方向相對於扁平線圈27的中心64』及到該旋轉軸14的方向有角度偏差，該偏差值為非零值α。最好α值小於30°。當微電機停止時，轉子的縱軸32與定位磁鐵62的方向對齊。該具體布置導致在時間t0，線圈27和28中的感應電壓Ui的曲線幅值不為零。這樣，為了使轉子啟動後轉動，初始脈衝100通過電源裝置94(圖3)加在定子線圈上。
啟動脈衝100施加以相對高的電壓提供，特別是接近或等於例如為電池或任何蓄能器的能源的電壓。這樣，啟動脈衝100為轉子提供了大量能量，以使轉子基本上達到所要求的基準角度轉動速度。在可選擇的方式中，可發出單個啟動脈衝，而在另一個可選擇方式中在轉子達到基準角速度之前可發出幾個啟動脈衝。
一旦完成啟動，通過由電源裝置提供的維持脈衝102可保證轉子的旋轉，轉子的旋轉由圖3中示出的控制裝置控制，此時在定子線圈和轉子磁鐵之間的磁性耦合接近最大值。然而根據本發明，每個維持電脈衝在最大耦合之前提供，以進行轉子旋轉速度維持的自我調節，如從圖4和圖5中可看出，該維持脈衝的平均瞬時值位於與感應曲線的半周期中感應電壓相對應的瞬時值之前。
加在微電機上的能量由位於感應曲線106和脈衝120的峰值之間的面積104決定。當轉子的轉動速度減少時，感應曲線106的周期延長，該曲線變成了曲線106』。曲線106』的峰值108離開脈衝102，於是面積104增加為104』，這樣加在微電機上的能量自動增加，於是轉子的轉動速度再次增加。反之，當轉子的轉動速度增加時，只要脈衝102的平均瞬時值保持小於感應曲線的下一個峰值(絕對值)的瞬時值，則提供的能量減少。需要注意的是，在感應曲線106的過零處和維持脈衝102開始處之間的持續時間t1可某種程度確定為使基準速度進行自我調節的恆定最佳值。
維持脈衝的持續時間t2使由每個脈衝102加在轉子的能量得到確定，如圖5所示，t2的值可以是固定的或變化的。為了使提供的能量發生變化以確保轉子轉動速度的調節，調節裝置和控制裝置(圖8)還可具體通過改變維持脈衝102斬波速率而影響脈衝的持續時間t2或影響提供的電壓。還可能改變加在定子線圈上的維持脈衝102的數量，並特別地在感應曲線的一定半周期內不提供維持脈衝。
需要注意的是啟動脈衝100的電壓比維持脈衝102的電壓要大，如圖4和5所示，該維持脈衝102的電壓值最好要接近感應電壓Ui的最大幅值，以減少電源消耗。於是安裝有電源裝置94(圖3)以為定子線圈提供啟動電壓並在較低的維持電壓之下。
本領域技術人員需要注意的是，只要控制裝置和電源裝置以適當方式布置，則可以提供一個或兩個線圈以驅動轉子。然而，在這種情況中，轉子磁鐵和定子磁鐵線圈之間的機電耦合具有較低的幅值。
需要注意的是可以提供磁傳感器，使轉子的旋轉方向得到確定，使微電機得到精確和有效地控制，特別要考慮相對於轉子磁鐵和定子線圈之間的瞬時最大磁耦合位置的維持脈衝102的瞬時位置。
權利要求
1.一種控制連續旋轉微電機的方法，該電機包括裝有永磁鐵的轉子(34)和裝有至少一個線圈(26、27、28)的定子(52、54)，該線圈與控制和電源裝置(80到96)進行電連接，所述永磁鐵相對於所述的至少一個線圈徑向地布置在所述轉子上，於是所述轉子的旋轉在線圈裡產生了變化的感應電壓(Ui)，該電壓確定了以時間為函數的交流感應電壓曲線(106)，該方法的特徵在於在所述感應電壓曲線的相應的半周期內，在這些半周期的每一個內感應電壓達到最大絕對值之前，通過提供連續的脈衝(102)來維持所述轉子的旋轉。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在感應電壓(Ui)曲線(106)限定任意半周期的始端的過零處和在所述的半周期內產生的維持脈衝(102)的始端之間的時間間隔(t1)是恆定和確定的，以便在給定的基準旋轉速度下，在該半周期內感應電壓達到所述的最大值之前，產生所述維持脈衝。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於該維持脈衝(102)的間隔(t2)基本上是恆定的。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於該維持脈衝(102)的持續時間(t2)是變化的，特別可作為加在所述微電機上負載的函數或作為探測到的轉子的角度位置和由所述控制裝置確定的基準角度位置之間的偏差的函數。
5.根據上述權利要求任何一項所述的方法，其特徵在於至少提供一個啟動脈衝(100)進行啟動，提供該脈衝的電壓大於維持脈衝(102)的電壓，該脈衝的絕對值接近所述感應電壓(Ui)最大幅值的絕對值。
全文摘要
本發明涉及控制連續旋轉微電機的方法,該電機包括裝有永磁鐵的轉子和裝有至少一個線圈的定子,其中當轉子旋轉時,在線圈中產生交流感應電壓,該方法包括在感應電壓(U
文檔編號H02P6/14GK1204885SQ98102789
公開日1999年1月13日 申請日期1998年6月23日 優先權日1997年6月24日
發明者R·比勒 申請人:阿蘇拉布股份有限公司