無刷電機裝置的製作方法
2023-10-25 15:09:47 1
專利名稱：無刷電機裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電機裝置，更具體地講，涉及一種能夠高速旋轉並具有
高效率的無刷直流(BLDC)電機裝置。
背景技術：
與具有刷的電才幾裝置相比，由於無刷直流(BLDC)電才幾裝置沒有機械 接觸，所以其噪音低、壽命長、維護簡單(例如不需要更換刷)等。因此， BLDC電機裝置被廣泛地用作工業裝備、家用電器、運輸系統等的電機。
關於這種電機裝置，在第10-0415493號韓國專利登記中公開了一種使電 機裝置能夠高速旋轉、具有強勁的起動扭矩並輸出恆定功率的技術。
根據這種技術，低效率區域(即，產生反電動勢的區域)未被使用，從 而該電機裝置可具有效率高、穩定性高、結構簡單且無保護電路、壽命長以 及維護方^f更的優點。
這種傳統的技術被構造成同時接通和斷開構成H橋的上側(+ )的開關 裝置和下側(-)的開關裝置。對於這種構造，具體地講，當開關裝置被斷開 時，在繞組中流動的電流突然無處可去，並通過連"l妄到相對的上側的開關裝 置的二極體返回到(+ )側。此時，如果電流的量很小，則沒有問題。但是， 如果電流的量大，則開關裝置非正常地操作，從而開關裝置的壽命會降低或 開關裝置損壞。
同時，傳統的技術使用光電傳感器等來感測轉子的相。然而，光電傳感 器另外需要對應於轉子的極性的編碼器，從而光電傳感器可感測極。這就是 為什麼電機裝置的產品成本增加、電機裝置的結構變得複雜並且電機裝置的 精確程度降低的原因。此外，光電傳感器與其它傳感器相比本身也更昂貴、 壽命更短、精確程度更低並且在髒、灰塵或類似的汙染潮溼環境下可靠性更 低。
此外，傳統的^l支術包括用於轉子的繞組的多個槽。然而，如果相鄰兩個 槽的繞組使得電流沿著相同的方向流動，則磁通量的衝突導致磁通量彼此抵
4消，從而電機裝置的效率降低。
發明內容
技術問題
本發明致力於解決上述問題，本發明的一方面在於提供一種防止其開關
裝置出現故障或損壞的無刷直流(BLDC)電機裝置。
此外，本發明的另一方面在於提供一種具有製造成本低廉、壽命長、結 構簡單並且可靠性高的轉子傳感器的BLDC電機裝置。
此外，本發明的第三方面在於提供一種電機效率提高的BLDC電機裝置。
技術方案
本發明的上述和/或其它方面通過提供一種無刷直流(BLDC)電機裝置 來實現，該電機裝置包括定子，設置有多個繞組，所述多個繞組與N相對 應並彼此獨立地平行纏繞的；轉子，具有多個極並通過所述繞組的激勵而相 對於所述定子旋轉，所述多個極對應於所述多個繞組；開關單元，相對於每 個相以全H橋的形式設置，並且所述開關單元包括對應於所述繞組的(+ ) 側的一對上開關裝置和對應於所述繞組的(-)側的一對下開關裝置，並執行 開關操作以將驅動功率供應到所述繞組或者不將驅動功率供應到所述繞組； 第一感測裝置，感測所述轉子相對於所述定子的相以確定是否接通或者斷開 所述上開關裝置；第二感測裝置，被設置在比所述第一感測裝置靠後的部分 (in the latter part )，並感測所述轉子相對於所述定子的相以確定是否接通或 者斷開所述下開關裝置；控制器，基於感測的所述轉子的相使用部分方形波 驅動所述上開關裝置和所述下開關裝置，並控制所述下開關裝置比所述上開 關裝置晚斷開比l毛盡停留在所述繞組中的電流所需的時間長的時間。 所述控制器可控制所述下開關裝置比所述上開關裝置早接通。 所述控制器可控制所述下開關裝置在極改變點糹皮接通或者斷開。 所述控制器可控制所述上開關裝置在所述轉子的最大^t通量的70%的區
域被接通。
所述耗盡停留在所述繞組中的電流的時間可對應於所述轉子的旋轉速度。
所述第一感測裝置和所述第二感測裝置中的至少一個可包括Hall傳感器。所述第一感測裝置和所述第二感測裝置中的至少一個可包括解算器。
所述定子包括多個槽，所述繞組纏繞在所述多個槽上；^磁通量衝突防
止槽，設置在兩個相鄰的槽之間。 有益效果
本發明提供一種能夠防止開關裝置出現故障或者損壞的BLDC電機裝置。
此外，根據本發明，可獲得高效的電機，輸出密度可增加並且可獲得高 功率的BLDC電機。
此外，根據本發明，可減少扭矩波動。換句話說，只有高效區域(即， 用於獲得特定扭矩的區域)被使用，從而扭矩波動首先在與一個相的一個極 對應的一個區域內變小，然後具有該小扭矩波動的扭矩通過平行連接的相的 結合形成線性扭矩方案，從而獲得具有非常小的扭矩波動的線性扭矩。
圖1是根據本發明的示例性實施例的電機裝置的方框圖。
圖2顯示了才艮據本發明的示例性實施例的電機單元的詳細構造。
圖3顯示了才艮據本發明的示例性實施例的定子和繞組的構造。
圖4是根據本發明的示例性實施例的開關單元的電路圖。
圖5顯示了根據本發明的示例性實施例的定子和繞組的另一構造。
圖6是根據本發明的示例性實施例的開關單元的另 一電路圖。
圖7是根據本發明的示例性實施例的開關單元的詳細電路圖。
圖8顯示了根據本發明的示例性實施例的用於開關裝置的控制信號的波
圖9顯示了根據本發明的示例性實施例的傳感器的構造。
具體實施例方式
以下，將參照附圖來更加詳細地說明本發明的示例性實施例。圖l是根 據本發明的示例性實施例的無刷直流(BLDC)電機裝置100的方框圖。
BLDC電機裝置100包括電機單元110、電源140、開關單元131、傳感 器120和控制器132。可被實現為BLDC電機等的電機單元110在控制器132 的控制下旋轉以產生扭矩。電源140將驅動功率，即，DC功率供應給電才幾單元110。 開關單元131根據控制器132的控制被接通或斷開，並執行開關操作以 將驅動功率供應到電機單元IIO或者不將驅動功率供應到電機單元110。
傳感器120感測電機單元110的旋轉狀態並將感測的信息發送到控制器
132。
控制器132基於從傳感器120發送的感測的關於電機單元110的旋轉狀 態的信息控制電^L單元110的旋轉。
圖2示出了根據本發明的示例性實施例的電機單元110的詳細構造。電 機單元110包括定子111和轉子112。定子111包括與相的數目N對應的多 個繞組。繞組#^波此平行並獨立地設置。
轉子112包括與所述多個繞組對應的多個極113，並相對於定子111旋 轉。每個極113可由永久》茲鐵實現。在該實施例中，轉子112按照外轉子的 形式設置，其中，N極和S極交替地布置，同時圍繞定子lll。或者，如果轉 子以內轉子的形式布置，則轉子被定子圍繞。
在該實施例中，數目N可以是3個(即，3個相)，極113的總數可以是 16個。在這種情況下，每個極113對應於3個相。然而，相的數目和極的數 目可不限於該實施例。
圖3顯示了#4居本發明的示例性實施例的定子111和繞組的構造。在該 實施例中，對應於3個相和16個極，定子111具有48個槽，繞組114纏繞 在該48個槽上。
此外，磁通量衝突防止槽lllb設置在兩個相鄰的槽llla之間。磁通量 衝突防止槽lllb的寬度小於槽llla的寬度。
》茲通量衝突防止槽lllb防止當電流沿著相同的方向流過兩個相鄰槽的 繞組時磁通量互相衝突。此外，在極改變點(pole altering point)處產生反電 動勢的段(section)減少大約一半。因此，電機驅動範圍變得更大，從而每 單元體積(重量)的輸出密度增加。此外，使用效率和穩定性高的區域，從 而得到具有低扭矩波動(torque ripple)的線性扭矩，從而使得驅動穩定並且 效率高。
在圖3中，Al和B1表示相。對應於各個相的繞組114互相獨立地纏繞。 16個繞組114相對於每個相平行地連才妻。
圖4是才艮據本發明的示例性實施例的開關單元131的電路圖。開關單元131對應於每個相按照全H橋的形式設置。更具體地講，開關單元131相對 於每個相包括4個開關裝置Q1至Q4。即，開關單元131包括一對上開關裝 置Ql和Q3以及一對下開關裝置Q2和Q4。
一對上開關裝置Ql和Q3對應於繞組的(+ )側， 一對下開關裝置Q2 和Q4對應於繞組的(-)側。對應於每個相的4個開關裝置Q1至Q4並聯地 連接到電源140。開關裝置Q1至Q4中的每個可由場效應電晶體(FET)、絕 緣柵雙極電晶體(IGBT)等來實現。
如果上開關裝置Ql和Q3中的一個和下開關裝置Q2和Q4中對應的一 個被同時接通，則對應相的繞組114被激勵。例如，開關裝置Q1和Q4被同 時接通，或者開關裝置Q3和Q2被同時接通。
控制器132 4吏用部分方形波(partial square wave)來驅動一對上開關裝 置Ql和Q3和一對下開關裝置Q2和Q4。即，控制器132控制上開關裝置 Ql和Q3和下開關裝置Q2和Q4, /人而^f義有感應電壓是最大感應電壓70%的 區域或者僅有轉子112的磁通量為最大磁通量70%的區域能夠被激勵。
例如，控制器132僅控制3個相中的2個相被激勵(參照圖2中的勵磁 段(excitation section ))，而另 一相未被激勵(參照圖2中的非勵磁段)。參照 圖3和圖4，相Al和Bl被激勵，而相Cl和C2未被激勵。另 一方面，圖5 和圖6顯示相Bl和Cl被激勵，而相Al和A2未被激勵。在該實施例中，3 個相中的2個相通過例如但不限於此的方式被激勵。或者，多少相被激勵可 -故不同i也確定。
圖7是根據本發明的示例性實施例的開關裝置131的詳細電路圖。如圖 7所示，開關裝置Ql至Q4分別包括二極體134a或134b。 一對下開關裝置 Q2和Q4分別包括第一二極體134a和第二二極體134b。第一二極體134a和 第二二極體134b中的每個具有連接到地的陽極和連接到繞組114的相對的端 部的陰極。
關於未被激勵的相，控制器132控制對應的繞組114以耗盡累積的磁能， 從而防止開關裝置Q1至Q4出現故障或者損壞。換句話說，控制器132控制 下開關裝置Q2和Q4的開關操作以使得電流(即，施加的電流和感應的電流) 平穩地向外流到地，從而在非勵》茲段在繞組114中無電流停留。
更具體地講，控制器132控制下開關裝置Q2和Q4晚於上開關裝置Ql 和Q3被斷開。此外，控制器132可控制下開關裝置Q2和Q4早於上開關裝
8置Q1和Q3被接通。
例如， 一對下開關裝置Q2和Q4 一皮接通和斷開，同時在極改變點互鎖 (interlocking )。這裡，極改變點以示例的方式被描述。或者，下開關裝置 Q2和Q4的開關點可被不同地確定為在上開關裝置Ql或者Q3的開或關點和 極改變點之間的段內。這裡，僅需要耗盡停留在繞組114中的電流所需的時 間。
在該實施例中，耗盡停留在繞組114中的電流所需的時間，即，相對於 上開關裝置Ql和Q3斷開下開關裝置Q2和Q4的時間點才艮據轉子112的旋 轉速度確定。
例如，如果轉子112的旋轉速度小，則花費相對長的時間使停留在繞組 114中的電流流出，這是因為輸入電流高而感應電勢低。在這種情況下，在 上開關裝置Ql和Q3被斷開之後經過足夠長的時間過去之後，下開關裝置 Q2和Q4被斷開。
另一方面，如果轉子112的旋轉速度大，則停留在繞組114中的電流小， 從而電流可快速地流出。在這種情況下，在上開關裝置Q1和Q3被斷開之後 經過相對短的時間之後，下開關裝置Q2和Q4被斷開。
因此，從上開關裝置Ql和Q3斷開到斷開下開關裝置Q2和Q4經過的 時間大致上與轉子112的旋轉速度成反比。
同時，相對於上開關裝置Ql和Q3斷開下開關裝置Q2和Q4的時間點 可根據定子111和轉子112之間的相對位置確定。例如，在3個相、16個極 和48個槽的情況下，如果轉子112具有60rpm的旋轉速度，則使一個相通過 一個極花費的時間是大約l/16s=62.5ms。此外，如果從上開關裝置Ql和Q3 斷開到斷開下開關裝置Q2和Q4經過的時間是0.83ms,則對應於經過的時間 的設置在定子111中的槽的數目是0.83ms/(62.5ms/3個相)=0.04。
考慮到這些結果和驅動穩定性，下開關裝置Q2和Q4可在從上開關裝置 Ql和Q3被斷開時起轉子112相對於定子111旋轉0.04至0.1 (槽)之後被 斷開。
因此，在該實施例中，下開關裝置Q2和Q4以大於耗盡繞組114中的停 留的電流所需時間的時間遲於上開關裝置Q1和Q3斷開的時間被斷開，從而 開關裝置Q1至Q4可根據電機單元110的旋轉狀態被靈活地控制。因此，電 機裝置以高可靠性被穩定地驅動，而不管旋轉速度是高還是低。參照圖7，例如，如果開關裝置Q4被接通，同時開關裝置Q1沒有被接 通，則第一二極體134a、繞組114和下開關裝置Q4構成封閉的迴路。此時， 電流可流入封閉的迴路，但是電流會通過在繞組114中積聚的磁能而被耗盡。
圖8顯示了根據本發明的示例性實施例的用於開關裝置Q1至Q4的控制 信號的波形。在圖8中，11至14分別表示用於4個開關裝置Q1至Q4的控 制信號的波形。如果控制信號的波形高，則開關裝置Q1至Q4的每個都被接 通，如果控制信號的波形低，則開關裝置Q1至Q4的每個都被斷開。
在上開關裝置Ql或者Q3被接通的同時，對應的下開關裝置Q2或者 Q4被接通。即，即使上開關裝置Ql或者Q3被斷開，也有下開關裝置Q2 或者Q4被接通的段。上開關裝置Ql或者Q3被斷開而下開關裝置Q2或者 Q4被接通的段對應於非勵磁段，這是因為它們不是同時被接通。
根據本發明的實施例，存在很小的反電動勢和很小的異常波形，可防止 開關裝置出現故障和損壞。
此外，不使用低效率區域而僅使用高效率區域，從而電機裝置可具有高 效率。此外，使用磁通量衝突防止槽，從而可防止在相鄰的兩個槽之間產生 的磁通量互相衝突。此外，在由於反電動勢而使得電機驅動不可能的區域被 減少到一半，從而電機驅動範圍增加。由於相對於相同電機體積，驅動區域 增加，所以輸出密度可增加。
同時，傳感器120相對於每個相被分配，並且每個相設置一個或者多個 感測裝置。此外，感測裝置包括用於驅動上開關裝置Ql或者Q3的第一感測 裝置和用於驅動下開關裝置Q2或者Q4的第二感測裝置。或者， 一個感測裝 置可被用於驅動上開關裝置Ql或者Q3和下開關裝置Q2或者Q4兩者。
圖9顯示了4艮據本發明的示例性實施例的傳感器120的構造。如圖9中 所示，傳感器120包括6個霍爾(Hall)傳感器121a至121f。 Hall傳感器121a 至121H皮布置在定子111中，從而它們對應於各個相以感測轉子112的相。 Hall傳感器121a至121f被適當地布置以驅動上開關裝置Ql或者Q3和下開 關裝置Q2或者Q4。例如，Hall傳感器121a至121f被布置為感測與最大磁 通量的70%對應的位置(即，驅動上開關裝置Q1或者Q3的區域)。
Hall傳感器121a至121f向控制器132發送與接近的極113的極性對應 的感測信號。然後，控制器132基於從Hall傳感器121a至121f發送的感測 信號控制開關裝置Ql至Q4糹皮-接通和斷開。或者，傳感器120可包括編碼器和解碼器的組合形式的作為高解析度的
精確傳感器的解算器(未示出)。
雖然已經顯示並描述了本發明的一些實例性實施例，但本領域技術人員 應當理解可在不脫離本發明的原理和精神的情況下在這些實施例中進行改 變，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
產業上的可利用性 如上所述，本發明提供一種能夠防止開關裝置出現故障或者損壞的
BLDC電機裝置。
此外，根據本發明，可獲得高效電機、輸出密度可增加並且可獲得高功 率的BLDC電機。
此外，根據本發明，可降低扭矩波動。換言之，僅有高效區域(即，用 於實現特定扭矩的區域)被使用，從而扭矩波動首先在對應於一個相的一個 極的一段內變小，然後具有這種小扭矩波動的扭矩通過平行連接的相的結合 形成線性扭矩方案(torque scheme),從而實現具有非常小的扭矩波動的線性 扭矩。
ii
權利要求
1、一種無刷直流電機裝置，包括定子，設置有多個繞組，所述多個繞組與N相對應並彼此獨立地平行纏繞；轉子，具有多個極並通過所述繞組的激勵而相對於所述定子旋轉，所述多個極對應於所述多個繞組；開關單元，相對於每個相以全H橋的形式設置，並且所述開關單元包括對應於所述繞組的(+)側的一對上開關裝置和對應於所述繞組的(-)側的一對下開關裝置，並執行開關操作以將驅動功率供應到所述繞組或者不將驅動功率供應到所述繞組；第一感測裝置，感測所述轉子相對於所述定子的相以確定是否接通或者斷開所述上開關裝置；第二感測裝置，被設置在比所述第一感測裝置靠後的部分，並感測所述轉子相對於所述定子的相以確定是否接通或者斷開所述下開關裝置；控制器，基於感測的所述轉子的相使用部分方形波驅動所述上開關裝置和所述下開關裝置，並控制所述下開關裝置比所述上開關裝置晚斷開比耗盡停留在所述繞組中的電流所需的時間長的時間。
2、 如權利要求1所述的無刷直流電機，其中，所述控制器控制所述下開 關裝置比所述上開關裝置早接通。
3、 如權利要求1或2所述的無刷直流電機，其中，所述控制器控制所述 下開關裝置在極改變點^皮接通或者斷開。
4、 如權利要求3所述的無刷直流電機，其中，所述控制器控制所述上開 關裝置在所述轉子的最大^f茲通量的70%的區域淨皮接通。
5、 如權利要求1或2所述的無刷直流電機，其中，所述耗盡停留在所述 繞組中的電流的時間對應於所述轉子的旋轉速度。
6、 如權利要求1或2所述的無刷直流電機，其中，所述第一感測裝置和 所述第二感測裝置中的至少 一個包括霍爾傳感器。
7、 如權利要求1或2所述的無刷直流電機，其中，所述第一感測裝置和 所述第二感測裝置中的至少 一個包括解算器。
8、 如權利要求1或2所述的無刷直流電機，其中，所述定子包括多個槽，所述繞組纏繞在所述多個槽上； 石茲通量衝突防止槽，設置在兩個相鄰的槽之間。
全文摘要
一種無刷直流(BLDC)電機裝置，該電機裝置包括定子，設置有多個繞組，所述多個繞組與N相對應並彼此獨立地平行纏繞；轉子，具有多個極並通過所述繞組的激勵而相對於所述定子旋轉，所述多個極對應於所述多個繞組；開關單元，相對於每個相以全H橋的形式設置，並且所述開關單元包括對應於所述繞組的(+)側的一對上開關裝置和對應於所述繞組的(-)側的一對下開關裝置，並執行開關操作以將驅動功率供應到所述繞組或者不將驅動功率供應到所述繞組；第一感測裝置，感測所述轉子相對於所述定子的相以確定是否接通或者斷開所述上開關裝置；第二感測裝置，被設置在比所述第一感測裝置靠後的部分中，並感測所述轉子相對於所述定子的相以確定是否接通或者斷開所述下開關裝置；控制器，基於感測的所述轉子的相使用部分方形波驅動所述上開關裝置和所述下開關裝置，並控制所述下開關裝置比所述上開關裝置晚斷開比耗盡停留在所述繞組中的電流所需的時間長的時間。
文檔編號H02P7/28GK101669278SQ200880013787
公開日2010年3月10日 申請日期2008年4月22日 優先權日2007年4月27日
發明者樸智錫, 河炳吉 申請人:河炳吉;樸智錫;創新電機工業株式會社