各相繞組可單獨激勵的電子換向電動機的製作方法
2024-01-22 02:50:15
專利名稱：各相繞組可單獨激勵的電子換向電動機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及具有定子、轉子、位置檢測器、驅動裝置的電子換向電動機，定子具有多個相繞組、且各個相繞組可單獨激勵，以實現多相全通電或單相通電驅動。
背景技術：
公知的電子換向電動機，如無刷直流電動機等，包括定子、轉子、位置檢測器、驅動裝置。定子具有多個鐵心磁極和多相繞組，例如常見的三相無刷直流電動機具有呈星形或三角形連接的三相繞組。轉子上設置有多個永磁體轉子磁極。位置檢測器用於檢測轉子位置以產生換向信號，位置檢測器可採用霍爾傳感器、光電傳感器等。驅動裝置包括由多個開關元件組成的橋式逆變單元和控制單元。
電子換向電動機工作時，轉子磁極旋轉交替變換，位置檢測器檢測轉子位置並根據檢測到的位置產生位置信號，位置信號經過控制單元處理後控制各開關元件的導通/截止，從而將直流電壓依次加到相應的相繞組。相繞組激勵產生定子磁場，定子磁場與轉子磁場相互作用產生連續轉矩，從而推動轉子連續轉動。
現有的電子換向電動機通常採用兩相通電激勵、一相截止驅動方式，每一相繞組導通120°、斷電60°，在任一種狀態下僅有兩相繞組通電。其不足之處是各相繞組利用率低，相繞組之間形成相互連接，不能獨立控制，通電相數無法根據需要靈活選擇。
發明內容
本實用新型的目的是針對上述問題，提供一種具有多個相繞組、且各相繞組可單獨激勵的電子換向電動機。
本實用新型的另一個目的提供一種可工作於所有相繞組同時通電驅動的電子換向電動機。
本實用新型的再一個目的提供一種可選擇地工作於所有相繞組同時通電驅動或單相繞組通電驅動的電子換向電動機。
為實現上述目的，本實用新型提供的各相繞組可單獨激勵的電子換向電動機，包括具有多個相繞組的定子、具有多個永磁體磁極的轉子、用於檢測轉子位置並輸出根據檢測到的位置輸出位置信號的多個位置檢測器、具有直流電供給電路和逆變電路的驅動裝置，逆變電路具有與多相繞組對應的多個開關單元，其特徵是所述各相繞組的每個相繞組分別獨立連接在所述直流電供給電路和所述逆變電路的相應開關單元之間，所述逆變電路以接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號控制有選擇地向相應相繞組提供電流、以產生始終超前轉子磁場的定子磁場的方式與所述位置檢測器構成連接。
本實用新型提供的電子換向電動機，所述逆變電路有選擇地向相繞組提供電流的方式包括所述逆變電路以接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號控制向所有相繞組提供電流並變換相應相繞組電流方向、以產生始終超前轉子磁場的定子磁場的方式與所述位置檢測器構成連接，由此提供一種多相全驅動的工作方式。
所述逆變電路以接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號控制僅向相應的一個相繞組提供相應方向電流、以產生始終超前轉子磁場的定子磁場的方式與所述位置檢測器構成連接，由此提供一種單相驅動的工作方式。
本實用新型提供的電子換向電動機，所述逆變電路與所述位置檢測器的連接方式包括所述逆變電路與所述位置檢測器直接連接、並按照所述位置檢測器輸出的所述位置信號有選擇地向相應相繞組提供電流的連接。
所述逆變電路與所述位置檢測器通過控制電路連接，所述控制電路接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號並按照所述位置信號產生控制信號，所述逆變電路接按照所述控制信號有選擇地向相應相繞組提供電流的連接控制電路包括第一控制電路，所述第一控制電路接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號並按照所述位置信號產生第一控制信號，所述逆變電路按照所述第一控制信號向所有相繞組提供電流、並變換相應相繞組電流方向。
控制電路包括第二控制電路，所述第二控制電路接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號並按照所述位置信號產生第二控制信號，所述逆變電路按照所述第二控制信號僅向相應的一個相繞組提供相應方向電流。
進一步的，所述控制電路包括所述第一控制電路、所述第二控制電路、以及將所述第一控制電路、所述第二控制電路選擇連接到所述逆變電路與所述位置檢測器之間的選擇單元。
本實用新型提供的電子換向電動機，所述位置檢測器的設置方式包括所述位置檢測器設置成每當轉子旋轉至轉子磁場軸線與定子磁場軸線呈α度夾角的機械位置使所述位置檢測器輸出的位置信號發生變化，所述逆變電路根據所述位置信號變化有選擇地向相應相繞組提供電流、以改變定子磁場方向。
對於具有三相繞組和三個位置檢測器的電子換向電動機，所述位置檢測器設置成每當轉子旋轉至轉子磁場軸線與定子磁場軸線呈60°度夾角的機械位置使所述位置檢測器輸出的位置信號發生變化，所述逆變電路根據所述位置信號變化有選擇地向相應相繞組提供電流、以使定子磁場軸線向前旋轉60°電角度。
最好的，所述位置檢測器設置在沿定子圓周方向從相繞組軸線旋轉30°機械角度的位置上。
與現有技術相比，本實用新型提供的各相繞組可單獨激勵的電子換向電動機，其各相繞組在電路上互不影響、可單獨激勵，通電驅動的相數可根據實際需要加以選擇，並且每一個通電相繞組兩端均施加全部電源電壓，具有輸出功率大且可調，轉矩波動小，轉動平穩，振動和噪聲小，驅動和控制簡單，可靠性高，成本低，效率高的優點。
本實用新型提供的電子換向電動機可作為無刷直流電動機使用。特別適用於電動車輛、電器設備的驅動，其優點是當車輛處於起動、爬坡、加速時，可使電動機工作在多相全通電、全功率驅動方式，以產生大的力矩和高的運行速度；而當車輛勻速運行、下坡、減速時，可轉換成單相通電驅動，以節約能源。對於三相無刷直流電動機，當三相全通電、全功率驅動時，其輸出功率與現有二相驅動方式相比可提高33％，效率可高達95％；採用單相通電驅動時，其輸出功率是現有二相驅動方式的66％，是三相全驅動方式的50％，比現有驅動方式節電。
本實用新型提供的電子換向電動機通過適當的改進，如以脈衝發生器和分配器代替所述位置檢測器，也可作為步進電動機使用。
下面以三相雙極式電子換向電動機為例並結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。
圖1是各相繞組可單獨激勵的三相雙極式電子換向電動機本體結構示意圖。
圖2是各相繞組可單獨激勵的三相雙極式電子換向電動機的一種驅動電路原理圖，該驅動電路採用交流供電可用於驅動單繞組電動機、並可實現三相全驅動/單相驅動轉換。
圖3是各相繞組可單獨激勵的三相雙極式電子換向電動機的另一種驅動電路原理圖，該驅動電路採用直流供電可用於雙繞組電動機實現三相全驅動。
圖4是各相繞組可單獨激勵的三相雙極式電子換向電動機工作於三相全激勵六步拍驅動時各個驅動狀態的示意圖。
圖5是各相繞組可單獨激勵的三相雙極式電子換向電動機工作於單相激勵六步拍驅動時各個驅動狀態的示意圖。
具體實施方式
各相繞組可單獨激勵的三相雙極式電子換向電動機，包括電動機本體、位置檢測器和驅動裝置。
參照圖1，電動機本體包括定子、轉子。定子具有沿圓周方向分布的三相電樞1、2、3，每相包括定子鐵心和繞設在定子鐵心上的繞組La、Lb、Lc。每相可以是單繞組，也可以是雙繞組。轉子4具有兩個對稱永磁體磁極。轉子可轉動地設置在定子內，當然也可採用轉子圍繞在定子外轉動的外轉子式結構。
位置檢測器，實現轉子位置檢測並根據檢測到的轉子位置輸出位置信號。位置檢測器可採用磁傳感器、光電傳感器等，本實施例採用三個鎖存型霍爾傳感器Ha、Hb、Hc作為轉子位置檢測器。霍爾傳感器用於檢測轉子磁極位置，檢測到轉子S極的霍爾傳感器輸出高電平，檢測到轉子N極的霍爾傳感器輸出低電平。將三個霍爾傳感器沿定子圓周方向與相繞組軸線偏移30°機械角度布置，並且使轉子每轉過60°機械角度就有一個霍爾傳感器的輸出狀態產生變化，三個霍爾傳感器輸出反映轉子與定子相對位置的位置信號。
驅動裝置與相繞組和位置檢測器電連接，根據位置檢測器輸出的位置信號控制有選擇地向相應相繞組提供電流，實現對電動機的驅動控制。驅動裝置包括驅動電路，驅動電路至少包括直流電供給電路和逆變電路。當然，根據供電方式是交流供電或直流供電、用於驅動單繞組或雙繞組電動機、逆變電路接受位置檢測器控制方式的不同等，驅動電路的具體構成略有不同。例如，圖2所示交流供電驅動電路，可用於驅動單繞組電動機並可實現三相全驅動/單相驅動轉換。圖3所示直流供電驅動電路，逆變電路直接接受位置檢測器的輸出控制，可用於雙繞組電動機實現三相全驅動。
參照圖2，交流供電驅動電路包括直流電供給電路61、橋式逆變電路62、第一控制電路63、第二控制電路64、選擇開關65。
直流電供給電路61，包括由整流管D1～D4構成的整流電路、由濾波電容C1、C2構成的濾波電路，濾波電容C1、C2的中點形成一個分壓輸出端。該部分電路用於將交流電變換成直流電，供給直流母線。
橋式逆變電路62，包括六個開關管V1～V6和六個續流二極體D5～D10，分為三組，每組開關電路包括一對上、下橋臂開關管及其續流二極體。相繞組La、Lb、Lc的一端連接直流電供給電路的分壓輸出端、另一端分別連接在相應一組開關電路的上、下橋臂開關管之間。當一組開關電路中的上、下橋臂開關管任一個導通，相應的相繞組通過正向/反向電流，激勵產生相應極性的磁場。
第一控制電路63，包括三個觸發器電路，每個觸發器的輸入端與相應的位置傳感器的輸出端連接、兩個反相輸出端分別連接相應一組開關電路的上橋臂、下橋臂開關管的基極。這樣，無論位置傳感器輸出高電平或低電平，觸發器均有一個輸出端輸出高電平使其中的一個開關管導通、而另一個輸出端輸出低電平使另一個開關管截止關斷，每一組開關電路均有一個開關管處於導通狀態，由此可使各相繞組全部處於通電狀態、並且各相繞組產生的合成定子磁場始終超前轉子磁場。相繞組的電流方向隨相應的位置傳感器的輸出信號變化而變化，定子磁場方向旋轉且總是指向某一相繞組的軸線方向。
第二控制電路64，包括解碼器電路，其輸入端分別與三個位置傳感器的輸出端連接、其輸出端分別連接相應一組開關電路的上、下橋臂開關管的基極。對於位置傳感器的一種輸出狀態，解碼器電路對應輸出一組控制信號，使只有相應的一組開關電路的一個開關管導通，每次只有一個相繞組處於通電狀態，各個開關管隨位置傳感器的輸出信號變化而輪流導通，使各相繞組依次激勵。
選擇開關65，控制向第一控制電路63、第二控制電路64選擇地施加工作電源，從而將其選擇連接到橋式逆變電路62和位置傳感器的輸出之間。
參照圖4，三相雙極式電子換向電動機的工作方式為三相全部通電激勵六步拍驅動。電動機工作時，三個相繞組全部通電激勵，其產生的合成定子磁場的軸線a-a總是指向某一相繞組的軸線方向，三相繞組的磁場同時對轉子產生作用。由於在定子磁場和轉子磁場夾角為60°～120°的區間，平均電磁轉矩最大。因此將三個霍爾傳感器布置在沿定子圓周方向與相繞組軸線偏移30°的位置上，這樣每當定子、轉子處於如圖1所示的相對位置(即定子磁場軸線a-a和轉子磁場軸線b-b夾角為60°)時，轉子的N/S極分界處就經過一個霍爾傳感器的檢測窗，使該霍爾傳感器的輸出電平狀態產生變化，從而改變該相繞組電流方向和磁場方向，使合成的定子磁場向前旋轉60°。此時，定子磁場超前轉子磁場120°電角度，轉子再轉過60°後又使下一個霍爾傳感器的輸出電平狀態產生變化，使合成的定子磁場再向前旋轉60°，由此驅動轉子連續旋轉。圖中(1)至(6)分別示出定子磁場和轉子磁場夾角為90°的六個狀態，此時瞬時電磁轉矩最大。
參照圖5，三相雙極式電子換向電動機的工作方式為單相激勵六步拍驅動。電動機工作時，只有一相繞組通電激勵產生磁場對轉子產生作用，其產生的定子磁場的軸線a-a指向該相繞組的軸線方向。同樣的，將三個霍爾傳感器按圖4所示布置，每當定子、轉子處於如圖1所示的相對位置(即定子磁場軸線a-a和轉子磁場軸線b-b夾角為60°)時，轉子的N/S極分界處就經過一個霍爾傳感器的檢測窗，使該霍爾傳感器的輸出電平狀態產生變化，從而向相應的一相繞組提供相應方向的電流，該相繞組產生相應方向的磁場，使定子磁場向前旋轉60°。此時，定子磁場超前轉子磁場120°電角度，轉子再轉過60°後又使下一個霍爾傳感器的輸出電平狀態產生變化，使另一相繞組通電產生磁場，定子磁場再向前旋轉60°，由此驅動轉子連續旋轉。圖中(1)至(6)分別示出定子磁場和轉子磁場夾角為90°的六個狀態，此時瞬時電磁轉矩最大。
在圖4、圖5中，轉子沿順時針方向轉動。若要使轉子沿逆時針方向轉動，可以在位置傳感器的輸出連接反相電路，使其倒相輸出從而改變相繞組電流方向來實現。
以上對各相繞組可單獨激勵的三相雙極式電子換向電動機進行描述，但該實施例並非對本本實用新型的限制，凡依照上述原理構成的各種相數和極數的電子換向電動機，均在本實用新型保護範圍內。
權利要求1.各相繞組可單獨激勵的電子換向電動機，包括具有多個相繞組的定子、具有多個永磁體磁極的轉子、用於檢測轉子位置並輸出根據檢測到的位置輸出位置信號的多個位置檢測器、具有直流電供給電路和逆變電路的驅動裝置，逆變電路具有與多相繞組對應的多個開關單元，其特徵是所述各相繞組的每個相繞組分別獨立連接在所述直流電供給電路和所述逆變電路的相應開關單元之間，所述逆變電路以接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號控制有選擇地向相應相繞組提供電流、以產生始終超前轉子磁場的定子磁場的方式與所述位置檢測器構成連接。
2.根據權利要求1所述的電子換向電動機，其特徵是所述逆變電路以接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號控制向所有相繞組提供電流並變換相應相繞組電流方向、以產生始終超前轉子磁場的定子磁場的方式與所述位置檢測器構成連接，由此提供一種多相金驅動的工作方式。
3.根據權利要求1所述的電子換向電動機，其特徵是所述逆變電路以接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號控制僅向相應的一個相繞組提供相應方向電流、以產生始終超前轉子磁場的定子磁場的方式與所述位置檢測器構成連接，由此提供一種單相驅動的工作方式。
4.根據權利要求1、2所述的電子換向電動機，其特徵是所述逆變電路與所述位置檢測器直接連接、並按照所述位置檢測器輸出的所述位置信號有選擇地向相應相繞組提供電流的連接。
5.根據權利要求1、2或3所述的電子換向電動機，其特徵是所述逆變電路與所述位置檢測器通過控制電路連接，所述控制電路接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號並按照所述位置信號產生控制信號，所述逆變電路接按照所述控制信號有選擇地向相應相繞組提供電流的連接。
6.根據權利要求5所述的電子換向電動機，其特徵是控制電路包括第一控制電路，所述第一控制電路接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號並按照所述位置信號產生第一控制信號，所述逆變電路按照所述第一控制信號向所有相繞組提供電流、並變換相應相繞組電流方向。
7.根據權利要求5所述的電子換向電動機，其特徵是控制電路包括第二控制電路，所述第二控制電路接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號並按照所述位置信號產生第二控制信號，所述逆變電路按照所述第二控制信號僅向相應的一個相繞組提供相應方向電流。
8.根據權利要求5所述的電子換向電動機，其特徵是所述控制電路包括所述第一控制電路、所述第二控制電路、以及將所述第一控制電路、所述第二控制電路選擇連接到所述逆變電路與所述位置檢測器之間的選擇單元。
9.根據權利要求1、2或3所述的電子換向電動機，其特徵是所述位置檢測器設置成每當轉子旋轉至轉子磁場軸線與定子磁場軸線呈α度夾角的機械位置使所述位置檢測器輸出的位置信號發生變化，所述逆變電路根據所述位置信號變化有選擇地向相應相繞組提供電流、以改變定子磁場方向。
10.根據權利要求1、2或3所述的電子換向電動機，其特徵是所述位置檢測器設置在沿定子圓周方向從相繞組軸線旋轉30°機械角度的位置上，且每當轉子旋轉至轉子磁場軸線與定子磁場軸線呈60°度夾角的機械位置使所述位置檢測器輸出的位置信號發生變化，所述逆變電路根據所述位置信號變化有選擇地向相應相繞組提供電流、以使定子磁場軸線向前旋轉60°電角度。
專利摘要各相繞組可單獨激勵的電子換向電動機，包括具有多個相繞組的定子、具有多個永磁體磁極的轉子、用於檢測轉子位置並輸出根據檢測到的位置輸出位置信號的多個位置檢測器、具有直流電供給電路和逆變電路的驅動裝置，逆變電路具有與多相繞組對應的多個開關單元，其特徵是所述各相繞組的每個相繞組分別獨立連接在所述直流電供給電路和所述逆變電路的相應開關單元之間，所述逆變電路以接收所述位置檢測器輸出的所述位置信號控制有選擇地向相應相繞組提供電流、以產生始終超前轉子磁場的定子磁場的方式與所述位置檢測器構成連接。其各相繞組可單獨激勵，以實現多相全通電或單相通電驅動。
文檔編號H02P6/16GK2894055SQ20062008190
公開日2007年4月25日 申請日期2006年3月10日 優先權日2006年3月10日
發明者莊銘沛 申請人:莊銘沛