CN107070012B - 单绕组两相无刷直流电动机 - Google Patents

单绕组两相无刷直流电动机 Download PDF

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Abstract

本发明是一种单绕组两相无刷直流电动机，其涉及一种电动机，包括定子部件、转子部件、控制器。转子磁极数为二极、定子绕组数为四个、定子绕组为单绕组工作方式。两相绕组电流相位相差九十度电角度，不存在转矩为零的死点，不需要采用不对称气隙结构，定子铁芯中间是环形的极靴，电机气隙中无开口齿槽则无齿槽转矩。与普通微型单相无刷直流风机相比，其气隙中磁场畸变小，定子磁动势谐波损耗小，输出转矩大，电机效率高。控制器采用两个普通微型单相无刷直流风机的控制器芯片，控制器芯片驱动类型属于单绕组工作方式，具有成本低的优点。转子磁极数为二极则转子磁极极弧角度大，霍尔元件追踪转子永磁体磁极状态的精度高、不容易产生失控现象。

Description

单绕组两相无刷直流电动机
技术领域
本发明是一种单绕组两相无刷直流电动机，其涉及一种电动机，特别是涉及一种转子磁极数为二极、定子绕组数为四个、定子绕组为单绕组工作方式的两相无刷直流电动机。
背景技术
单相无刷直流电动机的定子绕组按照导通方式不同分为单绕组工作方式或双绕组工作方式。前者采用H桥式电路，需要四个功率开关管。后者采用非桥式电路，只需要两个功率开关管。在一个换相周期内（三百六十度电角度），单绕组工作方式是前半周时间正向导通，后半周时间反向导通。双绕组工作方式是前半周时间一个绕组导通，后半周时间另一个绕组导通，两个绕组交替工作。与双绕组工作方式相比，单绕组工作方式的单相无刷直流电动机的绕组在任何时候都在工作，电机效率提高10～15%，使得单绕组工作方式的单相无刷直流电动机体积更小。
用于电脑、电子设备机箱通风冷却的普通微型单相无刷直流风机应用十分广泛，其控制器芯片技术的发展较为完善，控制器芯片的价格也较为低廉，例如US72控制器芯片、US168控制器芯片的市场单价低至一元以下。该类芯片内不仅包含有一个霍尔传感器，还包含单相无刷直流风机绕组线圈的驱动电路和一些辅助电路，例如堵转关机和自动重起动等功能电路。
普通微型单相无刷直流风机的转子磁极数为四极，四极转子与二极转子相比，磁极数多则转子磁极极弧角度小，霍尔元件追踪转子永磁体磁极状态的精度低，电机转子直径较小时，更容易产生失控现象。普通单相无刷直流电动机存在转矩为零的“死点”，只能采用不对称气隙结构。不对称气隙结构会使电动机气隙中的磁场产生畸变，使定子磁动势谐波损耗增加，导致普通微型单相无刷直流风机的输出转矩小、电机效率无法提升。并且不对称气隙结构不适用于需要正、反两个转向的风机。另外，定子铁芯的齿槽结构会产生齿槽转矩，引起电机振动和噪音，在电机设计中应该采取技术措施降低或消除齿槽转矩。普通微型单相无刷直流风机的不对称气隙结构所产生的齿槽转矩是该电机顺利起动的必备条件，不能消除普通微型单相无刷直流风机的齿槽转矩。风机属于转动惯量小、机械特性软的负载，其负载转矩随着转速的增加而增加，风机对驱动电机的起动转矩要求较低。不对称气隙结构的普通单相无刷直流电动机不适用于转动惯量较大的负载。智能控制设备中有大量的仪器设备需要大起动转矩的微型电动机。普通三相无刷直流电动机的定子绕组数量多、加工工艺复杂、电机成本高。外转子式电动机无法消除齿槽转矩。电机直径较小时，普通内转子式电动机的定子绕组缠绕加工困难。综合上述因素，智能控制设备领域需要一种成本低、输出转矩大、电机效率高的两相无刷直流电动机。
发明内容
本发明的目的是克服普通微型单相无刷直流风机输出转矩小、电机效率无法提升的缺点，以及克服普通三相无刷直流电动机成本较大的缺点，提供一种控制器采用两个普通微型单相无刷直流风机的控制器芯片，电动机转子磁极数为二极、定子绕组数为四个、定子绕组为单绕组工作方式的成本低、输出转矩大、电机效率高的两相无刷直流电动机。本发明的实施方案如下：
单绕组两相无刷直流电动机包括定子部件、转子部件、控制器。所述电动机转子磁极数为二极、定子绕组数为四个、定子绕组为单绕组工作方式。定子部件中有两相绕组，每相绕组包括两个绕组线圈，同相序两个绕组线圈在空间上相差一百八十度，相邻两个绕组线圈属于不同相序，相邻两个绕组线圈在空间上相差九十度。相邻两个绕组线圈磁动势串联产生串联磁场，在电动机换相过程中，依次改变产生串联磁场的相邻两个绕组线圈的不同组合，形成定子旋转磁场。控制器采用两个普通微型单相无刷直流风机的控制器芯片，控制器芯片驱动类型属于单绕组工作方式。每个控制器芯片内包含有一个霍尔传感器。或者，每个控制器芯片与一个霍尔传感器分立元件配合使用。每个霍尔传感器放置在不同相序的绕组线圈径向内侧。两个霍尔传感器放置位置在空间上相差九十度。控制器使两相绕组的电流相位相差九十度电角度。
控制器的接线图中，绕组线圈A一、绕组线圈A二组成A相绕组，A相绕组由控制器芯片A 控制。绕组线圈B壹、绕组线圈B贰组成B相绕组，B相绕组由控制器芯片B 控制。控制器芯片A 的引脚Ⅲ连接电源母线，控制器芯片A 的引脚Ⅱ连接接地点，控制器芯片A 的引脚Ⅳ是漏极开路输出的转速信号或报警信号的引脚。控制器芯片A 的引脚Ⅰ连接绕组线圈A一的尾端，绕组线圈A一的首端连接绕组线圈A二的尾端，绕组线圈A二的首端连接控制器芯片A 的引脚Ⅴ。控制器芯片B 的引脚Ⅲ连接电源母线，控制器芯片B 的引脚Ⅱ连接接地点，控制器芯片B 的引脚Ⅳ是漏极开路输出的转速信号或报警信号的引脚。控制器芯片B 的引脚Ⅰ连接绕组线圈B壹的尾端，绕组线圈B壹的首端连接绕组线圈B贰的尾端，绕组线圈B贰的首端连接控制器芯片B 的引脚Ⅴ。
定子部件包括定子铁芯、四个绕组铁芯和四个定子绕组，每个定子绕组包括绕组骨架、绕组线圈，绕组骨架中间是骨架通孔，绕组线圈安装在绕组骨架上。定子铁芯中间是环形的极靴，极靴的中间是圆形的定子气隙内腔，极靴径向外侧边缘均布有四个定子磁极，依次是磁极一、磁极二、磁极三、磁极四，每个定子磁极径向外侧端部各有一个定子磁轭，分别是磁轭一、磁轭二、磁轭三、磁轭四，相邻两个定子磁轭之间是绕组空腔，每个绕组空腔沿着圆周方向两侧各有一个锁定凹槽，锁定凹槽的轮廓呈燕尾形，极靴径向外侧边缘均布有四个隔磁凹槽，每个隔磁凹槽位于相邻两个定子磁极之间，每个隔磁凹槽与定子气隙内腔之间形成一个截面非常小的隔磁磁桥。绕组铁芯呈矩形，绕组铁芯的两端各有一个锁定榫头，锁定榫头的轮廓呈燕尾形，锁定榫头的轮廓与定子铁芯的锁定凹槽的轮廓相啮合。
转子部件包括转轴、转子铁芯、隔磁衬套、永磁体，转轴呈圆柱形，隔磁衬套呈圆筒形，隔磁衬套的材质是非导磁材料，隔磁衬套安装在转轴径向外表面的中间位置。转子铁芯呈圆筒形，转子铁芯径向外表面安装有二个瓦片形的永磁体，相邻永磁体径向外表面互为异性磁极。转子铁芯安装在隔磁衬套的径向外表面。
单绕组两相无刷直流电动机在装配时，把四个定子绕组的骨架通孔分别安装在四个绕组铁芯上，把绕组铁芯两端的锁定榫头安装在定子铁芯的锁定凹槽中，把控制器安装在定子部件上，并把绕组线圈与控制器用导线连接，再把转子部件安装在定子铁芯的定子气隙内腔中。
四个绕组铁芯分别命名为绕组铁芯一、绕组铁芯二、绕组铁芯三、绕组铁芯四。绕组铁芯一位于磁轭一与磁轭二之间的绕组空腔中，绕组铁芯二位于磁轭二与磁轭三之间的绕组空腔中，绕组铁芯三位于磁轭三与磁轭四之间的绕组空腔中，绕组铁芯四位于磁轭四与磁轭一之间的绕组空腔中。
四个定子绕组的绕组线圈分别命名为绕组线圈B贰、绕组线圈A二、绕组线圈B壹、绕组线圈A一。绕组线圈B贰位于磁轭一与磁轭二之间的绕组空腔中，绕组线圈A二位于磁轭二与磁轭三之间的绕组空腔中，绕组线圈B壹位于磁轭三与磁轭四之间的绕组空腔中，绕组线圈A一位于磁轭四与磁轭一之间的绕组空腔中。
单绕组两相无刷直流电动机有四个换相状态，其控制过程是：
所述电动机在换相状态一时，霍尔元件A 检测到转子磁极极性为S极，控制器芯片A 反向导通，电流从控制器芯片A 引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈A二、绕组线圈A一，电流从控制器芯片A 引脚Ⅰ流入。控制器芯片A 反向导通时，绕组线圈A二左侧磁极极性是na极，绕组线圈A二右侧磁极极性是sa极。并且，绕组线圈A一左侧磁极极性是na极，绕组线圈A一右侧磁极极性是sa极。
与此同时，霍尔元件B 检测到转子磁极极性为S极，控制器芯片B 反向导通，电流从控制器芯片B 引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈B贰、绕组线圈B壹，电流从控制器芯片B 引脚Ⅰ流入。控制器芯片B 反向导通时，绕组线圈B贰上端磁极极性是nb极，绕组线圈B贰下端磁极极性是sb极。并且，绕组线圈B壹上端磁极极性是nb极，绕组线圈B壹下端磁极极性是sb极。
绕组线圈A一磁动势与绕组线圈B贰磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A一B贰磁力线路径闭合。A一B贰磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈A一的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯四、磁轭一、绕组铁芯一到达绕组线圈B贰的sb极，磁力线再从绕组线圈B贰的nb极出发，磁力线依次经过磁轭二、磁极二、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极四、磁轭四、绕组铁芯四，磁力线回到绕组线圈A一的sa极，形成闭合回路。
绕组线圈B壹磁动势与绕组线圈A二磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B壹A二磁力线路径闭合。B壹A二磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈B壹的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯三、磁轭三、绕组铁芯二到达绕组线圈A二的sa极，磁力线再从绕组线圈A二的na极出发，磁力线依次经过磁轭二、磁极二、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极四、磁轭四、绕组铁芯三，磁力线回到绕组线圈B壹的sb极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态一时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔内表面左上侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔内表面右下侧是合成磁场的s极。
所述电动机在换相状态二时，霍尔元件A 检测到转子磁极极性维持为S极，控制器芯片A 反向导通，电流从控制器芯片A 引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈A二、绕组线圈A一，电流从控制器芯片A 引脚Ⅰ流入。控制器芯片A 反向导通时，绕组线圈A二左侧磁极极性是na极，绕组线圈A二右侧磁极极性是sa极。并且，绕组线圈A一左侧磁极极性是na极，绕组线圈A一右侧磁极极性是sa极。
与此同时，霍尔元件B 检测到转子磁极极性转从S极变为N极，控制器芯片B 正向导通，电流从控制器芯片B 引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈B壹、绕组线圈B贰，电流从控制器芯片B 引脚Ⅴ流入。控制器芯片B 正向导通时，绕组线圈B壹上端磁极极性是sb极，绕组线圈B壹下端磁极极性是nb极。并且，绕组线圈B贰上端磁极极性是sb极，绕组线圈B贰下端磁极极性是nb极。
绕组线圈A二磁动势与绕组线圈B贰磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A二B贰磁力线路径闭合。A二B贰磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈A二的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯二、磁轭二、绕组铁芯一到达绕组线圈B贰的sb极，磁力线再从绕组线圈B贰的nb极出发，磁力线依次经过磁轭一、磁极一、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极三、磁轭三、绕组铁芯二，磁力线回到绕组线圈A二的sa极，形成闭合回路。
绕组线圈B壹磁动势与绕组线圈A一磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B壹A一磁力线路径闭合。B壹A一磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈B壹的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯三、磁轭四、绕组铁芯四到达绕组线圈A一的sa极，磁力线再从绕组线圈A一的na极出发，磁力线依次经过磁轭一、磁极一、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极三、磁轭三、绕组铁芯三，磁力线回到绕组线圈B壹的sb极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态二时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔内表面左下侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔内表面右上侧是合成磁场的s极。
所述电动机在换相状态三时，霍尔元件A 检测到转子磁极极性从S极转变为N极，控制器芯片A 正向导通，电流从控制器芯片A 引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈A一、绕组线圈A二，电流从控制器芯片A 引脚Ⅴ流入。控制器芯片A 正向导通时，绕组线圈A一左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A一右侧磁极极性是na极。并且，绕组线圈A二左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A二右侧磁极极性是na极。
与此同时，霍尔元件B 检测到转子磁极极性维持为N极，控制器芯片B 正向导通，电流从控制器芯片B 引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈B壹、绕组线圈B贰，电流从控制器芯片B 引脚Ⅴ流入。控制器芯片B 正向导通时，绕组线圈B壹上端磁极极性是sb极，绕组线圈B壹下端磁极极性是nb极。并且，绕组线圈B贰上端磁极极性是sb极，绕组线圈B贰下端磁极极性是nb极。
绕组线圈B贰磁动势与绕组线圈A一磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B贰A一磁力线路径闭合。B贰A一磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈B贰的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯一、磁轭一、绕组铁芯四到达绕组线圈A一的sa极，磁力线再从绕组线圈A一的na极出发，磁力线依次经过磁轭四、磁极四、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极二、磁轭二、绕组铁芯一，磁力线回到绕组线圈B贰的sb极，形成闭合回路。
绕组线圈A二磁动势与绕组线圈B壹磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A二B壹磁力线路径闭合。A二B壹磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈A二的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯二、磁轭三、绕组铁芯三到达绕组线圈B壹的sb极，磁力线再从绕组线圈B壹的nb极出发，磁力线依次经过磁轭四、磁极四、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极二、磁轭二、绕组铁芯二，磁力线回到绕组线圈A二的sa极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态三时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔内表面右下侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔内表面左上侧是合成磁场的s极。
所述电动机在换相状态四时，霍尔元件A 检测到转子磁极极性维持为N极，控制器芯片A 正向导通，电流从控制器芯片A 引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈A一、绕组线圈A二，电流从控制器芯片A 引脚Ⅴ流入。控制器芯片A 正向导通时，绕组线圈A一左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A一右侧磁极极性是na极。并且，绕组线圈A二左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A二右侧磁极极性是na极。
与此同时，霍尔元件B 检测到转子磁极极性从N极转变为S极，控制器芯片B 反向导通，电流从控制器芯片B 引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈B贰、绕组线圈B壹，电流从控制器芯片B 引脚Ⅰ流入。控制器芯片B 反向导通时，绕组线圈B贰上端磁极极性是nb极，绕组线圈B贰下端磁极极性是sb极。并且，绕组线圈B壹上端磁极极性是nb极，绕组线圈B壹下端磁极极性是sb极。
绕组线圈B贰磁动势与绕组线圈A二磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B贰A二磁力线路径闭合。B贰A二磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈B贰的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯一、磁轭二、绕组铁芯二到达绕组线圈A二的sa极，磁力线再从绕组线圈A二的na极出发，磁力线依次经过磁轭三、磁极三、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极一、磁轭一、绕组铁芯一，磁力线回到绕组线圈B贰的sb极，形成闭合回路。
绕组线圈A一磁动势与绕组线圈B壹磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A一B壹磁力线路径闭合。A一B壹磁力线路径是, 磁力线从绕组线圈A一的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯四、磁轭四、绕组铁芯三到达绕组线圈B壹的sb极，磁力线再从绕组线圈B壹的nb极出发，磁力线依次经过磁轭三、磁极三、电机气隙、永磁体的S极、转子铁芯、永磁体的N极、电机气隙、磁极一、磁轭一、绕组铁芯四，磁力线回到绕组线圈A一的sa极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态四时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔内表面右上侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔内表面左下侧是合成磁场的s极。
所述电动机从换相状态一至换相状态四的过程中，定子两相绕组在电机气隙中的合成磁场形成旋转磁场，定子旋转磁场与转子永磁体磁场相互作用产生电磁转矩，使单绕组两相无刷直流电动机起动并运行。
单绕组两相无刷直流电动机两相绕组的电流相位相差九十度电角度，不存在转矩为零的“死点”，不需要采用不对称气隙结构，定子铁芯中间是环形的极靴，电机气隙中无开口齿槽则无齿槽转矩。与普通微型单相无刷直流风机相比，所述电动机气隙中磁场畸变小，定子磁动势谐波损耗小，输出转矩大，电机效率高。所述电动机控制器采用两个普通微型单相无刷直流风机的控制器芯片，控制器芯片驱动类型属于单绕组工作方式，具有成本低的优点。转子磁极数为二极则转子磁极极弧角度大，霍尔元件追踪转子永磁体磁极状态的精度高、不容易产生失控现象。与普通三相无刷直流电动机相比，所述电动机的定子绕组缠绕加工后再装配的可拆卸结构特征更加符合微型电动机的设计要求。
附图说明
说明书附图是单绕组两相无刷直流电动机的结构图和示意图。其中图1是控制器的接线图。图2是单绕组两相无刷直流电动机的轴测图。图3是单绕组两相无刷直流电动机的轴测剖视图。图4是定子铁芯的轴测图。图5是绕组铁芯的轴测图。图6是定子绕组的轴测图。图7是转子部件的轴测图。图8是控制器的轴测图。图9是所述电动机换相状态一的定子磁场方向示意图。图10是所述电动机换相状态二的定子磁场方向示意图。图11是所述电动机换相状态三的定子磁场方向示意图。图12是所述电动机换相状态四的定子磁场方向示意图。
说明书附图中大写字母N和S代表转子磁极极性，小写字母n和s代表定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场磁极极性。小写字母na和sa代表定子部件A相绕组磁极极性。小写字母nb和sb代表定子部件B相绕组磁极极性。*号代表定子绕组线圈标注的同名端，该标注的同名端为绕组线圈首端，另一端是绕组线圈尾端。
罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表控制器芯片需要对外接线的引脚，并不代表控制器芯片实际的引脚序号。罗马数字Ⅲ代表控制器芯片的电源正极引脚，罗马数字Ⅱ代表控制器芯片的电源负极引脚，罗马数字Ⅳ代表控制器芯片的漏极开路输出的转速信号或报警信号的引脚。霍尔元件探测到转子N极磁极时，在半个换相周期内控制器芯片正向导通。此时，罗马数字Ⅰ代表电流向外流出的控制器芯片的引脚，罗马数字Ⅴ代表电流向内流入的控制器芯片的引脚。霍尔元件探测到转子S极磁极时，在半个换相周期内控制器芯片反向导通。此时，罗马数字Ⅴ代表电流向外流出的控制器芯片的引脚，罗马数字Ⅰ代表电流向内流入的控制器芯片的引脚。图中接地点连接直流电源负极，电源母线连接直流电源正极。图中电压等级仅供参考。
图中标注有导线1、控制器芯片B 2、绕组线圈B贰3、霍尔元件A 4、控制器芯片A 5、电源母线6、接地点7、绕组线圈A二8、霍尔元件B 9、绕组线圈B壹10、转子部件11、绕组线圈A一12、定子铁芯13、绕组线圈14、绕组骨架15、绕组铁芯16、控制器芯片17、控制器18、绕组空腔19、锁定凹槽20、磁极一21、磁轭一22、定子气隙内腔23、磁极二24、磁轭二25、隔磁凹槽26、磁极三27、磁轭三28、隔磁磁桥29、磁极四30、磁轭四31、骨架通孔32、转轴33、转子铁芯34、隔磁衬套35、永磁体36、A一B贰磁力线路径37、磁场方向38、B壹A二磁力线路径39、转子旋转方向40、A二B贰磁力线路径41、B壹A一磁力线路径42、B贰A一磁力线路径43、A二B壹磁力线路径44、B贰A二磁力线路径45、A一B壹磁力线路径46、锁定榫头47、极靴48、绕组铁芯一49、绕组铁芯二50、绕组铁芯三51、绕组铁芯四52。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步叙述。
参照图1，单绕组两相无刷直流电动机包括定子部件、转子部件11、控制器18。所述电动机转子磁极数为二极、定子绕组数为四个、定子绕组为单绕组工作方式。定子部件中有两相绕组，每相绕组包括两个绕组线圈14，同相序两个绕组线圈14在空间上相差一百八十度，相邻两个绕组线圈14属于不同相序，相邻两个绕组线圈14在空间上相差九十度。相邻两个绕组线圈14磁动势串联产生串联磁场，在电动机换相过程中，依次改变产生串联磁场的相邻两个绕组线圈14的不同组合，形成定子旋转磁场。控制器18采用两个普通微型单相无刷直流风机的控制器芯片17，控制器芯片17驱动类型属于单绕组工作方式。每个控制器芯片17内包含有一个霍尔传感器。或者，每个控制器芯片17与一个霍尔传感器分立元件配合使用。每个霍尔传感器放置在不同相序的绕组线圈14径向内侧。两个霍尔传感器放置位置在空间上相差九十度。控制器18使两相绕组的电流相位相差九十度电角度。
控制器18的接线图中，绕组线圈A一12、绕组线圈A二8组成A相绕组，A相绕组由控制器芯片A 5控制。绕组线圈B壹10、绕组线圈B贰3组成B相绕组，B相绕组由控制器芯片B 2控制。控制器芯片A 5的引脚Ⅲ连接电源母线6，控制器芯片A 5的引脚Ⅱ连接接地点7，控制器芯片A 5的引脚Ⅳ是漏极开路输出的转速信号或报警信号的引脚。控制器芯片A 5的引脚Ⅰ连接绕组线圈A一12的尾端，绕组线圈A一12的首端连接绕组线圈A二8的尾端，绕组线圈A二8的首端连接控制器芯片A 5的引脚Ⅴ。控制器芯片B 2的引脚Ⅲ连接电源母线6，控制器芯片B 2的引脚Ⅱ连接接地点7，控制器芯片B 2的引脚Ⅳ是漏极开路输出的转速信号或报警信号的引脚。控制器芯片B 2的引脚Ⅰ连接绕组线圈B壹10的尾端，绕组线圈B壹10的首端连接绕组线圈B贰3的尾端，绕组线圈B贰3的首端连接控制器芯片B 2的引脚Ⅴ。
参照图2至图8，定子部件包括定子铁芯13、四个绕组铁芯16和四个定子绕组，每个定子绕组包括绕组骨架15、绕组线圈14，绕组骨架15中间是骨架通孔32，绕组线圈14安装在绕组骨架15上。定子铁芯13中间是环形的极靴48，极靴48的中间是圆形的定子气隙内腔23，极靴48径向外侧边缘均布有四个定子磁极，依次是磁极一21、磁极二24、磁极三27、磁极四30，每个定子磁极径向外侧端部各有一个定子磁轭，分别是磁轭一22、磁轭二25、磁轭三28、磁轭四31，相邻两个定子磁轭之间是绕组空腔19，每个绕组空腔19沿着圆周方向两侧各有一个锁定凹槽20，锁定凹槽20的轮廓呈燕尾形，极靴48径向外侧边缘均布有四个隔磁凹槽26，每个隔磁凹槽26位于相邻两个定子磁极之间，每个隔磁凹槽26与定子气隙内腔23之间形成一个截面非常小的隔磁磁桥29。绕组铁芯16呈矩形，绕组铁芯16的两端各有一个锁定榫头47，锁定榫头47的轮廓呈燕尾形，锁定榫头47的轮廓与定子铁芯13的锁定凹槽20的轮廓相啮合。
转子部件11包括转轴33、转子铁芯34、隔磁衬套35、永磁体36，转轴33呈圆柱形，隔磁衬套35呈圆筒形，隔磁衬套35的材质是非导磁材料，隔磁衬套35安装在转轴33径向外表面的中间位置。转子铁芯34呈圆筒形，转子铁芯34径向外表面安装有二个瓦片形的永磁体36，相邻永磁体36径向外表面互为异性磁极。转子铁芯34安装在隔磁衬套35的径向外表面。
单绕组两相无刷直流电动机在装配时，把四个定子绕组的骨架通孔32分别安装在四个绕组铁芯16上，把绕组铁芯16两端的锁定榫头47安装在定子铁芯13的锁定凹槽20中，把控制器18安装在定子部件上，并把绕组线圈14与控制器18用导线1连接，再把转子部件11安装在定子铁芯13的定子气隙内腔23中。
四个绕组铁芯16分别命名为绕组铁芯一49、绕组铁芯二50、绕组铁芯三51、绕组铁芯四52。绕组铁芯一49位于磁轭一22与磁轭二25之间的绕组空腔19中，绕组铁芯二50位于磁轭二25与磁轭三28之间的绕组空腔19中，绕组铁芯三51位于磁轭三28与磁轭四31之间的绕组空腔19中，绕组铁芯四52位于磁轭四31与磁轭一22之间的绕组空腔19中。
四个定子绕组的绕组线圈14分别命名为绕组线圈B贰3、绕组线圈A二8、绕组线圈B壹10、绕组线圈A一12。绕组线圈B贰3位于磁轭一22与磁轭二25之间的绕组空腔19中，绕组线圈A二8位于磁轭二25与磁轭三28之间的绕组空腔19中，绕组线圈B壹10位于磁轭三28与磁轭四31之间的绕组空腔19中，绕组线圈A一12位于磁轭四31与磁轭一22之间的绕组空腔19中。
参照图9至图12，单绕组两相无刷直流电动机有四个换相状态，其控制过程是：
所述电动机在换相状态一时，霍尔元件A 4检测到转子磁极极性为S极，控制器芯片A 5反向导通，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈A二8、绕组线圈A一12，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅰ流入。控制器芯片A 5反向导通时，绕组线圈A二8左侧磁极极性是na极，绕组线圈A二8右侧磁极极性是sa极。并且，绕组线圈A一12左侧磁极极性是na极，绕组线圈A一12右侧磁极极性是sa极。
与此同时，霍尔元件B 9检测到转子磁极极性为S极，控制器芯片B 2反向导通，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈B贰3、绕组线圈B壹10，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅰ流入。控制器芯片B 2反向导通时，绕组线圈B贰3上端磁极极性是nb极，绕组线圈B贰3下端磁极极性是sb极。并且，绕组线圈B壹10上端磁极极性是nb极，绕组线圈B壹10下端磁极极性是sb极。
绕组线圈A一12磁动势与绕组线圈B贰3磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A一B贰磁力线路径37闭合。A一B贰磁力线路径37是, 磁力线从绕组线圈A一12的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯四52、磁轭一22、绕组铁芯一49到达绕组线圈B贰3的sb极，磁力线再从绕组线圈B贰3的nb极出发，磁力线依次经过磁轭二25、磁极二24、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极四30、磁轭四31、绕组铁芯四52，磁力线回到绕组线圈A一12的sa极，形成闭合回路。
绕组线圈B壹10磁动势与绕组线圈A二8磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B壹A二磁力线路径39闭合。B壹A二磁力线路径39是, 磁力线从绕组线圈B壹10的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯三51、磁轭三28、绕组铁芯二50到达绕组线圈A二8的sa极，磁力线再从绕组线圈A二8的na极出发，磁力线依次经过磁轭二25、磁极二24、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极四30、磁轭四31、绕组铁芯三51，磁力线回到绕组线圈B壹10的sb极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态一时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔23内表面左上侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔23内表面右下侧是合成磁场的s极。
所述电动机在换相状态二时，霍尔元件A 4检测到转子磁极极性维持为S极，控制器芯片A 5反向导通，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈A二8、绕组线圈A一12，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅰ流入。控制器芯片A 5反向导通时，绕组线圈A二8左侧磁极极性是na极，绕组线圈A二8右侧磁极极性是sa极。并且，绕组线圈A一12左侧磁极极性是na极，绕组线圈A一12右侧磁极极性是sa极。
与此同时，霍尔元件B 9检测到转子磁极极性转从S极变为N极，控制器芯片B 2正向导通，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈B壹10、绕组线圈B贰3，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅴ流入。控制器芯片B 2正向导通时，绕组线圈B壹10上端磁极极性是sb极，绕组线圈B壹10下端磁极极性是nb极。并且，绕组线圈B贰3上端磁极极性是sb极，绕组线圈B贰3下端磁极极性是nb极。
绕组线圈A二8磁动势与绕组线圈B贰3磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A二B贰磁力线路径41闭合。A二B贰磁力线路径41是, 磁力线从绕组线圈A二8的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯二50、磁轭二25、绕组铁芯一49到达绕组线圈B贰3的sb极，磁力线再从绕组线圈B贰3的nb极出发，磁力线依次经过磁轭一22、磁极一21、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极三27、磁轭三28、绕组铁芯二50，磁力线回到绕组线圈A二8的sa极，形成闭合回路。
绕组线圈B壹10磁动势与绕组线圈A一12磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B壹A一磁力线路径42闭合。B壹A一磁力线路径42是, 磁力线从绕组线圈B壹10的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯三51、磁轭四31、绕组铁芯四52到达绕组线圈A一12的sa极，磁力线再从绕组线圈A一12的na极出发，磁力线依次经过磁轭一22、磁极一21、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极三27、磁轭三28、绕组铁芯三51，磁力线回到绕组线圈B壹10的sb极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态二时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔23内表面左下侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔23内表面右上侧是合成磁场的s极。
所述电动机在换相状态三时，霍尔元件A 4检测到转子磁极极性从S极转变为N极，控制器芯片A 5正向导通，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈A一12、绕组线圈A二8，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅴ流入。控制器芯片A 5正向导通时，绕组线圈A一12左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A一12右侧磁极极性是na极。并且，绕组线圈A二8左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A二8右侧磁极极性是na极。
与此同时，霍尔元件B 9检测到转子磁极极性维持为N极，控制器芯片B 2正向导通，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈B壹10、绕组线圈B贰3，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅴ流入。控制器芯片B 2正向导通时，绕组线圈B壹10上端磁极极性是sb极，绕组线圈B壹10下端磁极极性是nb极。并且，绕组线圈B贰3上端磁极极性是sb极，绕组线圈B贰3下端磁极极性是nb极。
绕组线圈B贰3磁动势与绕组线圈A一12磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B贰A一磁力线路径43闭合。B贰A一磁力线路径43是, 磁力线从绕组线圈B贰3的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯一49、磁轭一22、绕组铁芯四52到达绕组线圈A一12的sa极，磁力线再从绕组线圈A一12的na极出发，磁力线依次经过磁轭四31、磁极四30、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极二24、磁轭二25、绕组铁芯一49，磁力线回到绕组线圈B贰3的sb极，形成闭合回路。
绕组线圈A二8磁动势与绕组线圈B壹10磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A二B壹磁力线路径44闭合。A二B壹磁力线路径44是, 磁力线从绕组线圈A二8的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯二50、磁轭三28、绕组铁芯三51到达绕组线圈B壹10的sb极，磁力线再从绕组线圈B壹10的nb极出发，磁力线依次经过磁轭四31、磁极四30、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极二24、磁轭二25、绕组铁芯二50，磁力线回到绕组线圈A二8的sa极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态三时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔23内表面右下侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔23内表面左上侧是合成磁场的s极。
所述电动机在换相状态四时，霍尔元件A 4检测到转子磁极极性维持为N极，控制器芯片A 5正向导通，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅰ流出，电流依次经过绕组线圈A一12、绕组线圈A二8，电流从控制器芯片A 5引脚Ⅴ流入。控制器芯片A 5正向导通时，绕组线圈A一12左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A一12右侧磁极极性是na极。并且，绕组线圈A二8左侧磁极极性是sa极，绕组线圈A二8右侧磁极极性是na极。
与此同时，霍尔元件B 9检测到转子磁极极性从N极转变为S极，控制器芯片B 2反向导通，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅴ流出，电流依次经过绕组线圈B贰3、绕组线圈B壹10，电流从控制器芯片B 2引脚Ⅰ流入。控制器芯片B 2反向导通时，绕组线圈B贰3上端磁极极性是nb极，绕组线圈B贰3下端磁极极性是sb极。并且，绕组线圈B壹10上端磁极极性是nb极，绕组线圈B壹10下端磁极极性是sb极。
绕组线圈B贰3磁动势与绕组线圈A二8磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着B贰A二磁力线路径45闭合。B贰A二磁力线路径45是, 磁力线从绕组线圈B贰3的nb极出发，磁力线依次经过绕组铁芯一49、磁轭二25、绕组铁芯二50到达绕组线圈A二8的sa极，磁力线再从绕组线圈A二8的na极出发，磁力线依次经过磁轭三28、磁极三27、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极一21、磁轭一22、绕组铁芯一49，磁力线回到绕组线圈B贰3的sb极，形成闭合回路。
绕组线圈A一12磁动势与绕组线圈B壹10磁动势串联，产生的串联磁场磁通沿着A一B壹磁力线路径46闭合。A一B壹磁力线路径46是, 磁力线从绕组线圈A一12的na极出发，磁力线依次经过绕组铁芯四52、磁轭四31、绕组铁芯三51到达绕组线圈B壹10的sb极，磁力线再从绕组线圈B壹10的nb极出发，磁力线依次经过磁轭三28、磁极三27、电机气隙、永磁体36的S极、转子铁芯34、永磁体36的N极、电机气隙、磁极一21、磁轭一22、绕组铁芯四52，磁力线回到绕组线圈A一12的sa极，形成闭合回路。
所述电动机在换相状态四时，定子部件两相绕组在电机气隙中合成磁场方向是，定子气隙内腔23内表面右上侧是合成磁场的n极，定子气隙内腔23内表面左下侧是合成磁场的s极。
所述电动机从换相状态一至换相状态四的过程中，定子两相绕组在电机气隙中的合成磁场形成旋转磁场，定子旋转磁场与转子永磁体磁场相互作用产生电磁转矩，使单绕组两相无刷直流电动机起动并运行。

Claims (1)

1.一种单绕组两相无刷直流电动机，包括定子部件、转子部件(11)、控制器(18)；其特征在于所述电动机转子磁极数为二极、定子绕组数为四个、定子绕组为单绕组工作方式；定子部件中有两相绕组，每相绕组包括两个绕组线圈(14)，同相序两个绕组线圈(14)在空间上相差一百八十度，相邻两个绕组线圈(14)属于不同相序，相邻两个绕组线圈(14)在空间上相差九十度；相邻两个绕组线圈(14)磁动势串联产生串联磁场，在电动机换相过程中，依次改变产生串联磁场的相邻两个绕组线圈(14)的不同组合，形成定子旋转磁场；控制器(18)采用两个普通微型单相无刷直流风机的控制器芯片(17)，控制器芯片(17)驱动类型属于单绕组工作方式；每个控制器芯片(17)内包含有一个霍尔传感器；或者，每个控制器芯片(17)与一个霍尔传感器分立元件配合使用；每个霍尔传感器放置在不同相序的绕组线圈(14)径向内侧；两个霍尔传感器放置位置在空间上相差九十度；控制器(18)使两相绕组的电流相位相差九十度电角度；
控制器(18)的接线图中，绕组线圈A一(12)、绕组线圈A二(8)组成A相绕组，A相绕组由控制器芯片A (5)控制；绕组线圈B壹(10)、绕组线圈B贰(3)组成B相绕组，B相绕组由控制器芯片B (2)控制；控制器芯片A (5)的引脚Ⅲ连接电源母线(6)，控制器芯片A (5)的引脚Ⅱ连接接地点(7)，控制器芯片A (5)的引脚Ⅳ是漏极开路输出的转速信号或报警信号的引脚；控制器芯片A (5)的引脚Ⅰ连接绕组线圈A一(12)的尾端，绕组线圈A一(12)的首端连接绕组线圈A二(8)的尾端，绕组线圈A二(8)的首端连接控制器芯片A (5)的引脚Ⅴ；控制器芯片B (2)的引脚Ⅲ连接电源母线(6)，控制器芯片B (2)的引脚Ⅱ连接接地点(7)，控制器芯片B (2)的引脚Ⅳ是漏极开路输出的转速信号或报警信号的引脚；控制器芯片B (2)的引脚Ⅰ连接绕组线圈B壹(10)的尾端，绕组线圈B壹(10)的首端连接绕组线圈B贰(3)的尾端，绕组线圈B贰(3)的首端连接控制器芯片B (2)的引脚Ⅴ；
定子部件包括定子铁芯(13)、四个绕组铁芯(16)和四个定子绕组，每个定子绕组包括绕组骨架(15)、绕组线圈(14)，绕组骨架(15)中间是骨架通孔(32)，绕组线圈(14)安装在绕组骨架(15)上；定子铁芯(13)中间是环形的极靴(48)，极靴(48)的中间是圆形的定子气隙内腔(23)，极靴(48)径向外侧边缘均布有四个定子磁极，依次是磁极一(21)、磁极二(24)、磁极三(27)、磁极四(30)，每个定子磁极径向外侧端部各有一个定子磁轭，分别是磁轭一(22)、磁轭二(25)、磁轭三(28)、磁轭四(31)，相邻两个定子磁轭之间是绕组空腔(19)，每个绕组空腔(19)沿着圆周方向两侧各有一个锁定凹槽(20)，锁定凹槽(20)的轮廓呈燕尾形，极靴(48)径向外侧边缘均布有四个隔磁凹槽(26)，每个隔磁凹槽(26)位于相邻两个定子磁极之间，每个隔磁凹槽(26)与定子气隙内腔(23)之间形成一个截面非常小的隔磁磁桥(29)；绕组铁芯(16)呈矩形，绕组铁芯(16)的两端各有一个锁定榫头(47)，锁定榫头(47)的轮廓呈燕尾形，锁定榫头(47)的轮廓与定子铁芯(13)的锁定凹槽(20)的轮廓相啮合；
转子部件(11)包括转轴(33)、转子铁芯(34)、隔磁衬套(35)、永磁体(36)，转轴(33)呈圆柱形，隔磁衬套(35)呈圆筒形，隔磁衬套(35)的材质是非导磁材料，隔磁衬套(35)安装在转轴(33)径向外表面的中间位置；转子铁芯(34)呈圆筒形，转子铁芯(34)径向外表面安装有二个瓦片形的永磁体(36)，相邻永磁体(36)径向外表面互为异性磁极；转子铁芯(34)安装在隔磁衬套(35)的径向外表面；
单绕组两相无刷直流电动机在装配时，把四个定子绕组的骨架通孔(32)分别安装在四个绕组铁芯(16)上，把绕组铁芯(16)两端的锁定榫头(47)安装在定子铁芯(13)的锁定凹槽(20)中，把控制器(18)安装在定子部件上，并把绕组线圈(14)与控制器(18)用导线(1)连接，再把转子部件(11)安装在定子铁芯(13)的定子气隙内腔(23)中；
四个绕组铁芯(16)分别命名为绕组铁芯一(49)、绕组铁芯二(50)、绕组铁芯三(51)、绕组铁芯四(52)；绕组铁芯一(49)位于磁轭一(22)与磁轭二(25)之间的绕组空腔(19)中，绕组铁芯二(50)位于磁轭二(25)与磁轭三(28)之间的绕组空腔(19)中，绕组铁芯三(51)位于磁轭三(28)与磁轭四(31)之间的绕组空腔(19)中，绕组铁芯四(52)位于磁轭四(31)与磁轭一(22)之间的绕组空腔(19)中；
四个定子绕组的绕组线圈(14)分别命名为绕组线圈B贰(3)、绕组线圈A二(8)、绕组线圈B壹(10)、绕组线圈A一(12)；绕组线圈B贰(3)位于磁轭一(22)与磁轭二(25)之间的绕组空腔(19)中，绕组线圈A二(8)位于磁轭二(25)与磁轭三(28)之间的绕组空腔(19)中，绕组线圈B壹(10)位于磁轭三(28)与磁轭四(31)之间的绕组空腔(19)中，绕组线圈A一(12)位于磁轭四(31)与磁轭一(22)之间的绕组空腔(19)中。
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