用於同步馬達的電子啟動控制設備的製作方法

2023-05-11 00:49:46

專利名稱：用於同步馬達的電子啟動控制設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於控制同步馬達的永磁體轉子的電子啟動控制設 備，使得旋轉僅發生在一個方向上，且也涉及具有所述的電子啟動控 制設備的同步馬達。
背景技術：
已知用於同步馬達的電子啟動控制設備。然而，這些電子啟動控 制設備僅涉及啟動馬達，這是有問趙的，因為轉子必須在非常短的時
期內實現與電網頻率電源同步速度，一個這樣的設備在EP0574823A中 建議。
標準的或典型的同步馬達的轉子在兩個方向中的任一個方向上旋 轉，因此，轉子僅能驅動雙向設備，例如用於洗衣機或洗碗機的排水 泵的葉片或葉輪。典型地，雙向設備因此將不如單向設備有效.
同步馬達的其他共同的缺點是轉子可能極難在非常低的類定電網 電壓下轉動，例如額定電網電壓的+/-30%，和在非常高的額定電網電
壓下傾向於發生轉子去磁。
可靠性和成本效益也是非常重要的因素。 本發明尋求提供對這些問題的解決方案.

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了電子啟動控制設備用於單向旋轉 同步馬達的永磁體轉子，設備包括用於串聯連接到同步馬達的定子 的繞組的靜態開關；和用於檢測同步馬達的轉子位置和用於提供相應 的輸出的位置傳感器；其特徵在於設備包括AC到AC轉換器，AC到AC 轉換器具有來自與同步馬達的定子串聯的固定頻率的交流電壓源的輸 入和從電壓輸入得到的單一的輸出；設備還包括XNOR單元，XN0R單 元具有與AC到AC轉換器的榆出連通的第一輸入、與位置傳感器的榆 出連通的第二輸入和與靜態開關連通的輸出，靜態開關可由來自XN0R 單元的信號輸出控制，使得同步馬達的轉子僅在單一的方向旋轉。 優選地，AC到AC轉換器為移相器。
優選地，AC到AC轉換器具有兩個電壓輸入(V/; V")。 優選地，二極體連接到移相器的電壓榆入的一個(V/ )。 優選地，靜態開關為三端雙向可控矽開關。 優選地，位置傳感器為霍爾效應傳感器。
優選地，AC到AC轉換器輸出具有範圍在90度到180度的相位滯 後(入)的信號( ;Vc。/ )。
優選地，固定的頻率在50 Hz到60 Hz範圍內。
根據本發明的笫二方面，提供了電子啟動控制設備用於單向地旋
轉同步馬達的永磁體轉子，設備包括用於串聯連接到同步馬達的定
子的繞組的靜態開關；和用於檢測同步馬達的轉子的位置且用於提供
相應的輸出的位置傳感器；其特徵在於設備包括移相器，移相器具有 兩個來自與同步馬達的定子串聯的固定頻率的交流電壓源的電壓輸入
和從電壓輸入得到的單一的輸出；設備還包括XNOR單元，XNOR單元
具有與移相器的輸出連通的第一輸入、與位置傳感器的輸出連通的第 二輸入和與靜態開關連通的輸出，靜態開關可由來自XNOR單元的信號 輸出控制，使得同步馬達的轉子僅在單一的方向旋轉。
根據本發明的笫三方面，提供了具有永磁體轉子和與固定頻率的 交流電壓源串聯連接的定子的同步馬達，馬達包括根據本發明第一或 第二方面的電子啟動控制設備，由電子啟動控制設備控制轉子僅在一 個方向旋轉。
優選地，同步馬達進一步包括可由轉子驅動的單向葉片。


現在將僅通過例子參考附圖更特定地描述本發明，其中
圖1是具有兩個定子極和永磁體轉子的同步馬達的示意性視圖， 且示出了用於轉子的位置傳感器；
圖2示出了同步馬達以其運行的電網電壓和電流的總的波形的曲 線圖，且示出了位置傳感器的輸出信號；
圖3示出了根據本發明的第一方面的電子啟動控制設備的第一實 施例的電路圖，電子啟動控制設備用於在單一方向上啟動馬達的轉 子； 圖4a到圖4c示出了類似於圖1的同步馬達的示意性視困且示出 了曲線圖，曲線圖示出了啟動原理以實現轉子的單向旋轉；
圖5a到圖5c分別示出了當轉子在重栽下運轉時的電壓、電流和
位置信號的波形圖；從移相器輸出的信號；和當馬達在輕栽下運轉時 的電壓、電流和位置信號的波形閨；
圖6示出了變化的電壓和由電子啟動控制設備的移相器榆出的信 號之間的對比；和
圖7是根據本發明的第二方面的電子啟動控制設備的第二實施例 的電路圖，它類似於圖3示出的電路圖。
具體實施例方式
首先參考附圖的圖l到圖6,同步馬達IO包括固定的定子12、可 旋轉地位於定子12的極片之間的轉子14和形成在定子12的極片上或 鄰近定子12的極片形成且串聯連接的繞組16。
為給轉子14賦予啟動轉矩，在定子12和轉子14的鄰近的表面之 間形成非對稱氣隙18，使得在停止或失速狀態期間轉子14和定子12 的極軸R和S將分別角向地偏移角度a 。
參考圖3，定於12的繞組16與正弦交流電壓源V"串聯連接，正 弦交流電壓源V"具有固定頻率，典型地為電網頻率，優選地在50 Hz 到60 Hz的範圍內。交流電壓源L例如可以由電網電來供電.
電子啟動控制設備20的第一實施例在圖3中示出且包括典型地具 有三端雙向可控矽開關的形式的靜態開關22、典型地具有霍爾效應傳 感器形式的位置傳感器24、移相器26和XNOR單元28。
靜態開關22與交流電壓源Va。和馬達10的定子12的繞組16串聯 連接。
位置傳感器24位於定子12上或定子12內，它從定子12的極軸S 偏移角位移a。當在轉子14停止期間和在馬達10運行期間，通過位 置傳感器24確定極性且因此確定轉子14的位置。
移相器26具有直接從交流電壓源V"獲取的輸入V,。因此從移相 器26的輸出l輸出的單一輸出信號v^基於交流電壓源V"的電壓。 移相器26在輸出信號vm上賦予相位滯後入，相位滯後入取決於轉子 14上的負荷而在90度和180度之間。
移相器26的輸出L和位置傳感器24的輸出P連接到XN0R單元 28的各自的輸入G,和G2，且XN0R單元28的輸出G。連接到靜態開關 22。因此通過從XNOR單元28輸出的信號G^控制靜態開關22,
電子啟動控制設備20因此調節了轉子14的啟動方向，使得轉子 14僅在一個單一的方向上旋轉。
參考圖4a到圖4c，現在描述轉子14的啟動階段。如果位置傳感 器24確定永磁體轉子14的S極面向它，則輸出的信號P，為高，等於 邏輯1。移相器26也輸出帶有合適的相位滯後入的信號v。。n,當該信 號v^為高(邏輯1)時，其對應於交流電壓源V"的負平均電壓Vnw (圖4b)。當到XNOR單元28的兩個信號v。。。和P^都為邏輯1時，輸 出G^也為邏輯1，且因此靜態開關22閉合以接通電路.
因為移相器26的輸出vm對應於負的平均電壓，所以定子12呈現 與由位置傳感器24所檢測到的轉子14的極相同的極性，在困4a中示 出的構造中，轉子14因此以順時針方向移動。
類似地，如果位置傳感器24確定在失速狀態(圖4a)下轉子14 的N極面向它，則輸出的信號F^為低，等於邏輯0.移相器26也輸 出帶有合適的相位滯後入的信號v。。n，當信號v。。n為低(邏輯0)時， 其對應於交流電壓源Vae的正平均電壓V。。s (圖4c)。當XN0R單元28 處的兩個信號v^和P，都為邏輯0時，輸出信號G。。-為邏輯1，且因 此靜態開關22又閉合以接通電路。
因為移相器26的輸出信號Ve。n對應於正的平均電壓，所以定子12
又呈現與由位置傳感器24所檢測到的轉子14的極相同的極性.在困 4a中示出的構造中，轉子14因此又以順時針方向移動。
參考圖2，圖2示出了交流電壓源V,。的電壓V和電流I的總的波 形以及從位置傳感器24輸出的信號P，。功率因數角e指示了馬達負 荷的大小。 一般地，功率因數角e在輕栽下接近90度且在重栽下接近0 度。位置傳感器輸出信號P。滯後電流的角度為P， P大於定子12的 極軸S與位置傳感器24的位置之間的角a。取決於馬達負荷，P—般 地當轉子14在輕栽下時趨向於角度ot，且當轉子14在重栽下時趨向
於角度oc加90度。
現在參考圖5a到圖5c，描述了同步馬達的運轉相位。圖中示出了 交流電壓源Va。的電壓V和電流I的波形以及位置傳感器24的輸出信
號Pm。圖5a反應了當轉子14在重栽下時的波形且困5c反應了轉子 14在輕栽下時的波形。如可以認識到，在重栽下功率因數角e趨向於 0度，使得電流I滯後於電壓V更小的角度；且在輕栽下，功率因數角 6趨向於90度，使得電流I滯後於電壓V更大的角度。
因此，假設靜態開關22在電流I過零前被觸發，轉子14將繼續 旋轉。同樣地，類似於前述的啟動階段，XNOR單元28分別依照移相器 26和位置傳感器24的輸出信號v。。n和P。。n的邏輯連續地控制靜態開關 22。當比較圖5a到困5c時可認識到此點。
參考圖6，為克服因為定子12內過度的繞組電流引起的轉子14 的去磁的可能性和還有不足的啟動轉子14旋轉的轉矩，同時也符合要
求的額定電壓範圍，例如+/-30%，移相器26的輸出信號Ve。n基於交流
電壓源V"的電壓V的均方根水平。因此，如從圖6中可理解，電壓V
越高，則從移相器26輸出的信號Ve。n的相位滯後入越小，且反之亦成
立。通過將可由移相器26輸出的信號v。。n的最小相位滯後入設定向90 度，提供到定子12的繞組16的電流限定在類定電壓範閨的最大電壓 下。然而，通過將可由移相器26輸出的信號v，的最大相位滯後入設 定向180度，當在額定電壓範圍內的最小電壓狀態下時仍可以將運行 馬達14的充足的電流提供到繞組16,
圖7示出了電子啟動控制設備120的第二實施例.除去到移相器 126的電壓輸入外，設備120類似於笫一實施例的設備，
移相器現在具有兩個電壓輸入VZ和V/， 一個直接從交流電壓源 V乂獲取，且另一個通過與移相器126和交流電壓源V,/串聯連接的二 極管130獲取。從移相器126的輸出V/輸出的單一的輸出信號V"/ 因此基於交流電壓源V"'的電壓和交流電壓源V乂的半波。移相器126 在輸出信號v。。/上賦予相位滯後，相位滯後取決於馬達110的轉子的 負荷在90度和180度之間。
雖然建議了移相器，但也可以利用任何合適的AC到AC轉換器。 例如，可以使用衰減器和/或濾波器。也可以利用設備的組合。
雖然以上僅描述了兩極永磁體轉子14，但電子啟動控制設備可以
與具有更多極數的同步馬達一起使用。
靜態開關雖然優選地是三端雙向可控矽開關，但它可以具有SCR、 電晶體或任何其他合適的設備的形式。
雖然位置傳感器已建議為霍爾效應傳感器，但可以利用任何其他 合適的設備，例如光電發射體/光電檢測器或任何感性類耦合器或線 圍。
XNOR單元是邏輯功能單元，且可以由電晶體、運算放大器或任何 可編程設備形式的電路實現。XNOR單元也可以是物理晶片或邏輯門。
同步馬達典型地在電網頻率下運行。然而，其他固定頻率也是可 構想的。
因此可提供低成本的且穩健的電子啟動控制設備，用於單向地旋 轉永磁體轉子。因此，其上應用了組合的同步馬達和電子啟動控制設 備的設備可以利用可由馬達驅動的單向元件，而不是利用雙向元件。 例如，單向葉片或葉輪可以用在合併了這樣的組合的馬達和電子設備
的水泵內，其結杲是改進的效率，
此外，通過使用電子啟動控制設備，由先前的轉子和任何由轉子 驅動的元件的雙向運行引起的聲學噪聲被減小或消除.
在低電網電壓條件下轉子也可以平穩的啟動，而啟動電流在高電 網電壓條件下受到限制，因此防止了轉子去磁。
電子啟動控制設備利用了無電流檢測來確定馬達的轉子的位置， 且因此確定轉子將被移動的方向。
以上描述的實施例僅通過例子給出，且多種不偏離如在後附權利 要求書中限定的本發明範圍的修改對本領域技術人員是顯見的。例 如，在第一實施例中，二極體可以在內部地提供在AC到AC轉換器內 或移相器內；且在第二實施例中，二極體可以免除，或又在內部地提 供在AC到AC轉換器或移相器內。
權利要求
1.一種用於單向地旋轉同步馬達(10；110)的永磁體轉子(14)的電子啟動控制設備，該設備包括用於串聯連接到同步馬達(10；110)的定子(12)的繞組的靜態開關(22)；和用於檢測同步馬達(10；110)的轉子(14)的位置且用於提供相應的輸出(Pcon)的位置傳感器(24)；其特徵在於，該設備包括AC到AC轉換器(26；126)，該AC到AC轉換器(26；126)具有來自與同步馬達(10；110)的定子(12)串聯連接的固定頻率的交流電壓源(Vac；Vac′)的輸入(Va；Va′)和從電壓輸入(Va；Va′)得到的單一的輸出(Vc；Vc′)；和XNOR單元(28)，該XNOR單元(28)具有與AC到AC轉換器(26；126)的輸出(Vc；Vc′)連通的第一輸入(G1)、與位置傳感器(24)的輸出(P)連通的第二輸入(G2)和與靜態開關(22)連通的輸出(Go)，靜態開關(22)可由從XNOR單元(28)輸出的信號(Gcon)控制，使得同步馬達(10；110)的轉子(14)僅在單一的方向旋轉。
2. 根據權利要求1所述的電子啟動控制設備，其中AC到AC轉換器是移相器(26; 126)。
3. 根據權利要求1或2所迷的電子啟動控制設備，其中AC到AC轉換器具有兩個電壓輸入(Va; Vb')。
4. 根據權利要求3所述的電子啟動控制設備，進一步包括連接到移相器(26; 126)的電壓輸入的一個(Vb')的二極體(130)。
5. 根據權利要求1或2所述的電子啟動控制設備，其中靜態開關(22)是三端雙向可控矽開關。
6. 根據權利要求1或2所述的電子啟動控制設備，其中位置傳感器(24)是霍爾效應傳感器。
7. 根據權利要求1或2所述的電子啟動控制設備，其中AC到AC轉換器(26; 126)輸出具有90度到180度範圍內的相位滯後(入) 的信號(Vcon; Vcon')。
8. 根椐權利要求1或2所述的電子啟動控制設備，其中固定頻率 在50Hz到60Hz的範圍內。
9. 一種用於單向地旋轉同步馬達(110)的永磁體轉子(14)的電子啟動控制設備，該設備包括用於串聯連接到同步馬達(110)的定子(12)的繞組的靜態開關 (22);和用於檢測同步馬達(110)的轉子(14)的位置且用於提供相應的輸出(Pcon)的位置傳感器(24);其特徵在於，該設備包括移相器(26; 126 )，該移相器(26; 126 ) 具有兩個來自與同步馬達(110)的定子(12)串聯連接的固定頻率的交流電壓源(Vac')的電壓榆入(Va'， Vb')和從兩個電壓輸入(V,Vb)得到的單一的輸出(V');和XN0R單元(28 )，該XN0R單元(28 )具有與移相器(l26 )的輸出(Vc')連通的第一輸入(G1)、與位置傳感器(24)的榆出(P)連 通的第二輸入(G2)和與靜態開關(22)連通的榆出(G。)，靜態開關 (22)可由從XNOR單元(28)輸出的信號(Gcon)控制，使得同步馬達(110)的轉子(14)僅在單一的方向旋轉。
10. —種具有永磁體轉子(14)和與固定頻率的交流電壓源(Vac,Vac')串聯連接的定子(12)的同步馬達，該馬達(10; 110)包括如在權利要求1或權利要求9中所述的電子啟動控制設備(20; 120)， 通過該電子啟動控制設備(20; 120)控制轉子(14)僅在一個方向旋轉。
11. 根據權利要求10所述的同步馬達，進一步包括可由轉子(14) 驅動的單向葉片。
全文摘要
用於單向地旋轉同步馬達(10)的永磁體轉子(14)的電子啟動控制設備包括用於串聯連接到同步馬達的定子(12)的繞組的靜態開關(22)；和用於檢測同步馬達的轉子的位置且用於提供相應的輸出(Pcon)的位置傳感器(24)。設備的特徵在於包括AC到AC轉換器(26)，具有來自與同步馬達的定子串聯的固定頻率的交流電壓源(Vac)的輸入(Va)和從電壓輸入得到的單一的輸出(Vc)；和XNOR單元(28)，其具有與AC到AC轉換器的輸出連通的第一輸入(G1)、與位置傳感器的輸出(P)連通的第二輸入(G2)和與靜態開關連通的輸出(Go)。靜態開關可由從XNOR單元輸出的信號(Gcon)控制，使得同步馬達的轉子僅在單一的方向旋轉。優選地，AC到AC轉換器是移相器。
文檔編號H02P1/46GK101174804SQ20061014321
公開日2008年5月7日 申請日期2006年10月31日 優先權日2006年10月31日
發明者王恩暉, 謝國權 申請人:德昌電機股份有限公司