CN102738923A - 电动机和电动泵 - Google Patents

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Abstract

一种电动机，其中供应到线圈的驱动电流根据从各相之间感应电压的波形检测到的转子的旋转位置来控制。该电动机设置有定子，其包括3×n个齿和用于三相的线圈。转子包括转子铁心、n个磁铁和n个凸极。所述磁铁作为一个磁极，所述凸极作为另一个磁极。每个凸极在圆周方向上与相邻磁铁隔开一个空隙。所述磁铁和所述空隙从所述转子铁心径向向内设置。在各所述磁铁的两端之间的电角度设置为比各所述凸极的两端之间的电角度小。

Description

电动机和电动泵
技术领域
本发明涉及电动机和使用交替极型转子的电动泵。
背景技术
日本公开专利第2010-263763号描述了一种采用所谓交替极型转子的电动机。该电动机包括具有12个槽的定子和具有8个磁极的转子。转子包括转子铁心，该转子铁心具有4个凸极和在转子铁心的周向嵌入转子铁心里的4块磁铁(钕磁铁)。4块磁铁作为一个磁极。4凸极设置在4块磁铁中相邻磁铁之间并且用作为另一个磁极。使用这样的交替极型转子的电动机或者使用这种电动机的电动泵之类的驱动装置以较小和较轻的结构获得高输出并降低成本。
另一类电动机利用无传感器驱动技术。发动机基于感应电压的波形，即，带有感应电压波形的控制信号，控制提供到定子的驱动电流，而不使用旋转传感器。然而，在使用将磁铁嵌入转子铁心的交替极型转子的电动机中，当转子开始旋转时，不能获得稳定的感应电压。即，在感应电压变得稳定之前必须有一段特定时间。因此，在开始基于感应电压执行控制之前需要时间。
此外，在使用交替极型转子电动机中，与常规的不包括凸极，并且包括形成8个磁极的8块磁铁的电动机相比较，感应电压的波形是不规则的。因此，很难在使用交替极型转子的电动机里采用无传感器驱动技术。
更具体地说，在常规电动机中，相对于正弦波的畸变率为1.3％并且在每相的感应电压的波形中较小。这使得无传感器驱动技术的使用令人满意。相反，图6为示出使用交替极型转子的电动机的每相(U相，V相和W相)感应电压的波形，其中在一个磁极(磁铁的磁极)的两端和另一个磁极(凸极的磁极)的两端之间的电角度是相等的(例如，27°机械角)。在这样一种电动机里，如图6所示，相对正弦波的畸变率是21.1％。此外，如图7中所示，在一种Y接法的使用类似的交替极型转子的电动机中，在引出端(U-V，V-W和W-U)之间的感应电压的波形变得不规则。用一种三角形接法的使用类似的交替极型转子的电动机中，在引出端(U-V，V-W和W-U)之间的感应电压的波形变得不规则，如图8所示。一般认为，如图7和8中所示波形变得不规则是因为凸极的磁极不产生像磁铁的磁极那样的强制磁极流(forcible magnetic pole flow)。
此外，在图6到8示出的波形里，例如，波峰偏离正常位置。更具体地说，波峰间隔为大约110°，而其应当是90°。另外，波形相对于每个波峰是不对称的。很难使用这样不规则波形的感应电压作为控制信号。因此，很难将无传感器驱动技术用于交替极型转子的控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种允许无传感器驱动技术令人满意地使用的电动机和电动泵。
本发明的一个方面是一种电动机，其中供应到线圈的驱动电流根据从各相之间感应电压的波形检测到的转子的旋转位置来控制。该电动机包括定子和转子。定子包括3×n个齿和连续缠绕于所述齿上的用于三相的线圈。所述齿设置在圆周方向上并径向向内延伸，且在圆周方向上相邻的所述齿之间形成槽。转子包括从所述定子径向向内设置的转子铁心，在转子铁心的周向上设置的n个磁铁，和在转子铁心中设置的n个凸极。所述磁铁作为一个磁极，所述凸极作为另一个磁极，且每个凸极在圆周方向上与相邻磁铁隔开一个空隙。此处，n为自然数。所述磁铁和所述空隙从所述转子铁心的外轮廓径向向内设置。在各所述磁铁的两端之间的电角度设置为比各所述凸极的两端之间的电角度小。
本发明的另一方面是一种电动泵，其包括第1方面的电动机、容置电动机的壳体、以及在该壳体中与转子一起旋转的叶轮。
本发明的其它方面和优点将从以下说明变得明显，以下说明与附图相结合，示例性地说明了本发明的原理。
附图简要说明
通过参考目前优选实施例的以下说明和附图可最好地理解本发明及其目的和优点，在附图中：
图1A为示出根据本发明的一个实施例的电动机的平面图；
图1B为示出图1A的转子的部分放大平面图；
图2为用于图1A的电动机的控制器的电路图；
图3为示出在具有规则波形的电动机中，在一个磁极两端之间的电角度和在另一磁极的两端之间的电角度之间的关系图；
图4为图1A的电动机电角度-感应电压波形图；
图5为图1A的电动机电角度-感应电压波形图；
图6为现有技术的电动机电角度-感应电压波形图；
图7为现有技术的电动机电角度-感应电压波形图；
图8为现有技术的电动机电角度-感应电压波形图；以及
图9为使用图1A的电动机的电动泵的剖视图。
最佳实施例的详细说明
现在将参考图1到5描述本发明的一个实施例。
参照图1A，内转子型无电刷电动机M包括定子10。定子10包括定子铁心11和线圈12。定子铁心11包括设置在定子10的周向上的12个齿11a。三相(U相，V相和W相)线圈12连续缠绕齿11a。因此，定子10为12槽定子。
电动机M还包括设置在定子10的内侧的转子20。如图1A和1B所示，转子20包括旋转轴21和安装到旋转轴21上的环形转子铁心22。转子铁心22在外周表面附近有一个周缘部。周缘部包括在圆周方向以90度的间隔设置的4个磁铁容置孔22a。4块N极磁铁23分别设置在4个磁铁容置孔22a内。
转子铁心22的周缘部还包括多个凸极22b。每个凸极22b与圆周方向相邻的每块磁铁分隔开一个空隙K。空隙K形成磁铁容置孔22a的一部分。在每个凸极22b的相对两侧设置的两空隙K有相同(固定)的面积。更具体地说，在圆周方向上设置在每块磁铁23的相对两侧的两空隙K具有对称的形状。即，两空隙K关于径向延伸穿过磁铁23的中心的直线是线对称的。每个空隙K形成为使得它的横截面积在穿过整个空隙K的轴向方向上保持相同。磁铁23和空隙K从转子铁心22的外轮廓(外圆周)径向向内设置。短语″从转子铁心22的外轮廓(外圆周)径向向内设置″指的是从转子铁心22的径向最外的位置径向向内设置的状态。
磁铁23和凸极22b的中心以45°的相等角间隔交替设置。以这样的方式，转子20是一种具有8磁极，即磁铁23和凸极22b的所谓交替极转子，其中磁铁23的每一个用作为磁极之一的N极，而凸极22b的每一个用作为磁极中的另一个的S极。
参考图1B，本实施例转子为使得磁极之一(每块磁铁23的磁极)的两端之间的电角度(A)比磁极中的另一个(每个凸极22b的磁极)的两端之间电角度(B)小。
当磁极之一(每块磁铁23的磁极)的两端之间的电角度表示为A，磁极中的另一个(每个凸极22b的磁极)的两端之间电角度表示为B时，转子20设置为满足A＝(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)±8％。
更具体地说，A设置为108°(27°的机械角)，并且B设置为132°(33°的机械角)。
换句话说，A设置为满足(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)×0.92≤A≤(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)×1.08。
即，本实施例转子设置为满足0.92≤A/(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)≤1.08。
上述方程式基于从实验结果获得的数据。具体地，通过绘制波形如图4和5中所示的角度获得图3的曲线X，进而获得近似方程式。然后，宽度(±8％)增加到该近似方程式中。宽度(±8％)为增加到近似方程式中的一个值，在这个值内波形相对于常规电动机即不包括凸极并且用所有磁铁形成所有磁极的电动机的感应电压的波形是规则的(相同或更好的波形)。
当A＝6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102满足时，即，如果电角度A和B包括在图3的曲线X里，波形如图4和5中所示。当电角度A和B在±8％范围内时，波形相对于在常规电动机里的感应电压的波形为规则的。更具体地说，该波形与常规电动机中感应电压的波形相同或者更好。即，在图3的双点划线之间的范围内，相对不包括凸极并且用所有磁铁形成所有磁极的电动机的感应电压的正弦波的畸变率为1.3％。图4示出该电动机的每相(U相，V相和W相)的感应电压的波形，其包括在图3的曲线X中，设置为A＝6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102。在图4中，相对常规电动机的正弦波的畸变率为0.9％。图5显示在电动机(Y接法和三角形接法)的引出端(U-V，V-W和W-U)之间的感应电压的波形，其包括在图3的曲线X里，并且设置为A＝6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102。
如图2所示，在电动机M里，线圈12的引出端12u，12v和12w连接到控制器51，并且基于作为控制信号的感应电压的波形来控制提供到定子10的线圈12的驱动电流。电动机M以这样的方式利用无传感器驱动技术。具体地说，参照图2，本实施例的控制器51包括连接到线圈12的引出端12u，12v和12w的旋转位置检测电路52。旋转位置检测电路52检测每相对线圈12引起的感应电压，基于每相之间的感应电压的波形产生与转子20的旋转位置相对应的旋转位置脉冲信号，并输出该旋转位置脉冲信号到微机53。微机53基于接收的旋转位置脉冲信号产生换向信号，并经由驱动电路54将换向信号输出到倒相电路55。通过被倒相电路55接收的换向信号在开关元件55a到55f上执行开关控制。此外，倒相电路55执行连续向每相的线圈12提供驱动电流的换向操作。
现在将被描述电动机M的操作。
当转子20开始旋转时，依据该旋转产生感应电压。参照图5，控制器51基于引出端之间(U-V，V-W和W-U)的感应电压的波形产生旋转位置脉冲信号，作为利用从特别是0V开始的感应电压的波形的控制信号。基于旋转位置脉冲信号产生换向信号，并且提供到线圈12的驱动电流被切换。在这种状态下产生的感应电压没有不规则现象。因此，转子20得到令人满意的旋转控制。
上述实施例具有如下所述的优势。
(1)齿11a的数目是磁铁23的数目的3倍。因此，磁铁23总是面对用于三相(U相，V相或者W相)中同一相的齿11a。此外，在磁极之一(磁铁23)之间的电角度比在磁极中的另一个(凸极22b)的两端之间的电角度小。因此，即使磁铁23和空隙K从转子铁心22的外轮廓向内设置，作用在齿11a上的磁铁23的引力集中在小范围内。这容易使转子停止在磁铁23和齿11a彼此面对的状态下，并且增加了从同一位置开始旋转的可能性。因此，容易在较短的时间内获得稳定的感应电压，以及可以平均缩短开始使用感应电压控制之前的时间。
(2)在磁极之一(磁铁23的磁极)的两端之间的电角度A，以及在磁极中的另一个(凸极22b的磁极)的两端之间的电角度B设置为满足A＝(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)±8％。因此，实验结果稳定了感应电压的波形。更具体地说，利用该实验结果，使用交替极型转子20的电动机M的感应电压的波形相对不包括凸极22b并且用所有磁铁形成所有磁极的电动机的感应电压的波形是规则的。即，该波形与常规电动机的感应电压的波形相同或者比之更好。因此，在使用交替极型转子20的电动机M里，可以以令人满意的方式使用无传感器驱动技术，即，具有类似于常规电动机的力矩特性。
对本领域的技术人员而言明显的是，本发明可能以很多其他具体的形式体现而没有背离本发明的精神或者范围。特别是，应当理解，本发明可能以下列形式体现。
尽管上述描述中没有特别提及，然而上述实施例的电动机M能被用作任何驱动装置。例如，如图9所示，电动机M可能应用于使用电动机的电动泵61中。具体地说，电动泵61设置有包括电动机壳体62，泵壳63，以及端盖64的壳体65。电动机壳体62是圆柱形的并且有封闭底部。泵壳63固定在电动机壳体62的开口端上，并且包括吸入口63a和排放口63b。端盖64固定在电动机壳体62的底部外侧。电动泵61包括该定子10和该转子20，轴66，以及叶轮67。定子10容纳在电动机壳体62的圆柱部分62a里。轴66固定在电动机壳体62的底部内侧。转子20由轴66可旋转支承。叶轮67与转子20一体旋转。此外，电动泵61包括控制电路基底68，其形成上述实施例的控制器51并容纳在端盖64和电动机壳体62的底部外侧所包围的容纳腔内。电动泵61能以令人满意的方式利用无传感器驱动技术，并且电动泵61可以微型化。
上述实施例中，电动机M包括这12-槽的定子10，其具有12个齿11a，以及具有4块磁铁23的8磁极转子20。电动机M的结构可以改变，只要定子包括3×n槽(n是一个自然数)，其具有3×n齿，以及转子包括具有n磁铁的2×n磁极。
例如，电动机M可以包括具有18个齿的18-槽定子，和具有6块磁铁的12-磁极转子。在这种情况下，也优选满足A＝(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)±8％。
上述实施例设置为满足A＝(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)±8％。可替换的，可以满足，例如A＝(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)±4％。
这为感应电压获得更进一步的稳定的波形，并且允许无传感器驱动技术以一种更进一步的令人满意的方式使用，因此增加了效率。
此外，A＝(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)±8％不是必须满足，以及磁极之一(磁铁23的磁极)的两端之间的电角度(A)可以比磁极中的另一个(凸极22b的磁极)的两端之间的电角度(B)小。这也获得了上述实施例的优势(1)。
本发明的示例和实施例应被认为是示例性而非限制性的，并且本发明不限于本文所给出的细节，而是可在所附权利要求的范围和等效内容下进行修改。

Claims (4)

1.一种电动机，其中供应到线圈的驱动电流根据从各相之间感应电压的波形检测到的转子的旋转位置来控制，该电动机包括：
定子，其包括3×n个齿和连续缠绕于所述齿上的用于三相的线圈，其中所述齿设置在圆周方向上并径向向内延伸，且在圆周方向上相邻的所述齿之间形成槽；
转子，其包括从所述定子径向向内设置的转子铁心，在转子铁心的周向上设置的n个磁铁，和在转子铁心中设置的n个凸极，其中所述磁铁作为一个磁极，所述凸极作为另一个磁极，且每个凸极在圆周方向上与相邻磁铁隔开一个空隙，其中，
n为自然数，
所述磁铁和所述空隙从所述转子铁心的外轮廓径向向内设置，并且
在各所述磁铁的两端之间的电角度设置为比各所述凸极的两端之间的电角度小。
2.根据权利要求1的电动机，其中当各所述磁铁的两端之间的电角度表示为A并且在各所述凸极的两端之间的电角度表示为B时，两个电角度设置为满足0.92≤A/(6.10×10-3×B2-8.69×10-1×B+1.14×102)≤1.08。
3.根据权利要求2的电动机，其中，
所述槽的数目为12，
磁极的总数为8，
各所述磁铁的两端之间的机械角度设置为27°，并且
在各所述凸极的两端之间的机械角度被设置为33°。
4.一种电动泵，其包括：
根据权利要求1至3中的任何一项的电动机；
容置所述电动机的壳体；以及
与所述壳体中的所述转子一起旋转的叶轮。
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