CN103312106A - 新型永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路，发明人将单相定子绕组以叠绕组的形式均匀设置在定子圆周的内表面上，且每个线圈元件的引出线分别接到电子换向电路的中点上，控制器根据转子位置传感器的电平信号控制各个线圈元件的电流方向，使电枢绕组内的电流按线圈元件顺序换向，使磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态，从而有效削弱转矩脉动。同时，转子位置传感器和电子换向电路代替机械换向器和碳刷，结构简单，易于维护。
Description
技术领域
本发明属于永磁无刷直流电动机技术领域，尤其涉及一种新型永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路。
背景技术
直流电动机具有调速性能好、运行效率高、起动转矩大、过载能力强、动态特性好等诸多优点，因此在家用电器、电动工具、医疗器械、汽车和计算机***设备等方面得到了广泛应用。但是，由于直流电动机结构上存在电刷和换向器这一致命弱点，给实际应用带来了一系列的问题，具体表现为：结构复杂，限制了电动机体积和重量的进一步缩小；电刷与换向器的存在使得可靠性降低，故障多，寿命短；机械式电流换向过程中容易产生换向火花，不仅容易损伤换向器表面，而且限制了永磁直流电动机在某些场合的应用。
永磁无刷直流电动机采用了位置传感器和电子开关变换器替代电刷和换向器，既保持了传统直流电机的优良特性又具有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长的优点。正是由于永磁无刷直流电动机表现出的优异性能，使得世界上许多科研机构和公司都投入到该技术领域中，使无刷直流电机技术得到快速发展，并在电驱动***、交流伺服驱动***、光电一体化、家电产品等方面得到广泛应用。然而，永磁无刷直流电机也存在许多不足和缺陷，其中，最突出的问题是：换相转矩脉动大，特别在低速时，情况更严重，这直接降低了电力传动***特性和驱动***的可靠性，并带来振动、谐振、噪音等问题；此外，其调速性能和机械性能也无法与直流电动机相比。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种换相转矩脉动较小且结构简单、易于维护的新型永磁无刷直流电动机及其控制方法和控制电路。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：新型永磁无刷直流电动机，包括转子、定子、单相定子绕组和多个转子位置传感器，定子设置在转子外，单相定子绕组设置在定子上；转子包括非磁性转子体和嵌套在其外的转子铁心，转子铁心上嵌套有至少一对永磁体；单相定子绕组以叠绕组的形式均匀设置在定子圆周的内表面上；转子位置传感器的数目与一对磁极所对应的线圈元件数目相同，转子位置传感器设置在单相定子绕组外对应每个线圈元件的中心，且每个线圈元件的引出线分别接到电子换向电路的中点上。电动机线圈元件内的电流通过转子位置传感器和电子换向电路而不是通过机械换向器换向，当电动机工作时，电枢绕组内的电流按线圈元件顺序换向。
永磁体嵌套在转子铁心中且沿其圆周均匀设置。
一对磁极所对应的线圈元件数目至少为3。
一对磁极所对应的线圈元件数目为奇数，奇数时转矩脉动要小于线圈元件数目为偶数时。
上述新型永磁无刷直流电动机的控制方法，控制器根据转子位置传感器的电平信号控制各个线圈元件的电流方向，使电枢绕组内的电流按线圈元件顺序换向。通过此种控制方式，使磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态，从而有效削弱转矩脉动。
上述新型永磁无刷直流电动机的控制电路（桥式控制电路），主要包括控制器、自举电路和绕组电路，绕组电路通过自举电路接入控制器；绕组电路主要包括单相定子绕组，单相定子绕组以叠绕组的形式均匀设置在定子圆周的内表面上，且每个线圈元件的引出线分别接到电子换向电路的中点上。
针对现有永磁无刷直流电机换相转矩脉动大的问题，发明人将单相定子绕组以叠绕组的形式均匀设置在定子圆周的内表面上，且每个线圈元件的引出线分别接到电子换向电路的中点上，控制器根据转子位置传感器的电平信号控制各个线圈元件的电流方向，使电枢绕组内的电流按线圈元件顺序换向，使磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态，从而有效削弱转矩脉动。由于本发明包括一个电枢绕组，电枢绕组的线圈元件数远大于无刷直流电动机的相数，因此电流换向角度小，换向产生的转矩脉动远小于无刷直流电动机的换相转矩脉动。同时，转子位置传感器和电子换向电路代替机械换向器和碳刷，结构简单，易于维护。
附图说明
图1是本发明新型永磁无刷直流电动机的结构示意图。
图2是本发明新型永磁无刷直流电动机（1极对6槽）中叠绕组的展开图。
图3是本发明新型永磁无刷直流电动机（1极对6槽）中控制电路示意图。
图中：1定子，2转子位置传感器，3单相定子绕组，4转子铁心，5非磁性转子体，6永磁体，7线圈元件，8引出线，9控制器，10自举电路。
具体实施方式
如图1至3所示，本发明新型永磁无刷直流电动机包括转子、定子1、单相定子绕组3和6个转子位置传感器2，定子1设置在转子外，单相定子绕组3设置在定子1上；转子包括非磁性转子体5和嵌套在其外的转子铁心4，永磁体6嵌套在转子铁心4中且沿其圆周均匀设置；单相定子绕组3以叠绕组的形式均匀设置在定子1圆周的内表面上；一对磁极所对应的线圈元件7数目为6，转子位置传感器2的数目与一对磁极所对应的线圈元件7数目相同，转子位置传感器2设置在单相定子绕组3外对应每个线圈元件7的中心，且每个线圈元件7的引出线分别接到电子换向电路的中点上。电动机线圈元件内的电流通过转子位置传感器2和电子换向电路而不是通过机械换向器换向，当电动机工作时，电枢绕组内的电流按线圈元件顺序换向。
上述新型永磁无刷直流电动机的控制电路主要包括控制器9、自举电路10和绕组电路，绕组电路通过自举电路10接入控制器9；绕组电路主要包括单相定子绕组3，单相定子绕组3以叠绕组的形式均匀设置在定子1圆周的内表面上，且每个线圈元件的引出线分别接到电子换向电路的中点上。
上述新型永磁无刷直流电动机的控制方法，控制器9根据转子位置传感器2的电平信号控制各个线圈元件的电流方向，使电枢绕组内的电流按线圈元件顺序换向，使磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态，从而有效削弱转矩脉动。
控制电机转速可采用PWM方式，其调制频率随当前速度与目标速度的差的增大而增大，有利于PWM的调制和回馈制动。
根据实际需要，同样可以在上述1极对6槽的实施方式基础上，设计制造1极对n槽(n>=3)的新型永磁无刷直流电动机，其设计构思、原理和机械结构及其控制方式均与1极对6槽的新型永磁无刷直流电动机的相同。
Claims (6)
1.一种新型永磁无刷直流电动机，包括转子、定子、单相定子绕组和多个转子位置传感器，定子设置在转子外，单相定子绕组设置在定子上；转子包括非磁性转子体和嵌套在其外的转子铁心，转子铁心上嵌套有至少一对永磁体；其特征在于：所述单相定子绕组以叠绕组的形式均匀设置在定子圆周的内表面上；所述转子位置传感器的数目与一对磁极所对应的线圈元件数目相同，转子位置传感器设置在单相定子绕组外对应每个线圈元件的中心，且每个线圈元件的引出线分别接到电子换向电路的中点上。
2.根据权利要求1所述的新型永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述永磁体嵌套在所述转子铁心中且沿其圆周均匀设置。
3.根据权利要求2所述的新型永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述一对磁极所对应的线圈元件数目至少为3。
4.根据权利要求3所述的新型永磁无刷直流电动机，其特征在于：所述一对磁极所对应的线圈元件数目为奇数。
5.根据权利要求1所述新型永磁无刷直流电动机的控制方法，其特征在于：控制器根据转子位置传感器的电平信号控制各个线圈元件的电流方向，使电枢绕组内的电流按线圈元件顺序换向。
6.根据权利要求1所述新型永磁无刷直流电动机的控制电路，主要包括控制器、自举电路和绕组电路，绕组电路通过自举电路接入控制器；绕组电路主要包括单相定子绕组，其特征在于：所述单相定子绕组以叠绕组的形式均匀设置在定子圆周的内表面上，且每个线圈元件的引出线分别接到电子换向电路的中点上。
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