CN2794026Y - 开关偏磁调速电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种开关偏磁调速电机，由磁阻电机、位置传感器、驱动控制器组成，其特征是：磁阻电机为偏磁式磁阻电机，电机的定转子间装设有位置传感器，位置传感器检出的位置信号反馈给驱动控制器用以调控偏磁电机运行。本实用新型结构设计合理，由偏磁式磁阻电机取代传统磁阻电机，采用无刷直流电机位置检测与控制方法，并配合交流桥式开关驱动法替代传统开关磁阻电机的直流脉动开关驱动法，使本实用新型具有开关磁阻电机简单、便宜、牢固的特色，又发挥无刷直流电机驱动控制的优点，能达到高功率因数、高效率，高性价比，通用性强的好处。尤其在几千瓦以下小型电机调速方面，其性能完全可替代异步电机变频调速。
Description
技术领域：
本实用新型属于机电领域，特别涉及一种开关磁阻电机的改进，尤其是一种开关偏磁调速电机。
背景技术：
现有常用的调速电机***有：永磁无刷直流电机、异步变频调速***、开关磁阻电机***，还有效率较低的有刷直流电机与电磁滑差式调速电机***。其中永磁无刷直流电机***效率最高，但稀土永磁电机成本较高；虽然异步变频调速***突出的性能使其获得广泛应用，覆盖的功率范围从几千瓦一直到几兆瓦，但它需要复杂的矢量变换运算。
而传统开关磁阻电机的效率介于前两者之间，但没有被广泛应用，其原因是：
1)磁阻电机功率因数低，换相困难；驱动电路兼容性差，成本高。
2)绕组电感随转子位置变化，难获得足够正弦反电动势，谐波多。
3)通电方式不合理，脉动性太强，造成机械振动，噪音大。
已有的ZL03241080.8，ZL03241081.6，ZL03241246.0，ZL03241247.9四项主磁路偏磁式磁阻电机专利及其另案申请的200420111869.5(一种齿槽偏磁式磁阻电机)，完全改变了传统磁阻电机直流脉动驱动方式，将脉动电流中的直流成份提取出来用直流偏磁或永磁替代，从而将磁阻电机与其它交流电机的运行方式相统一起来。如何实现偏磁式磁阻电机的调速即成本实用新型的任务。
发明内容：
本实用新型的目的是在偏磁式磁阻电机的基础上，结合电子控制技术设计一种可以调速的开关偏磁电机。
本实用新型技术方案是这样实现的：一种开关偏磁调速电机，由磁阻电机、位置传感器、驱动控制器组成，其特征是：磁阻电机为偏磁式磁阻电机，电机的定转子间装设有位置传感器，位置传感器检出的位置信号反馈给驱动控制器用以调控偏磁电机运行。
所述的开关偏磁调速电机驱动控制器包括控制电路、交流桥式驱动电路、电流检测电路、位置反馈电路和整流电源，控制电路的输出连接交流桥式驱动电路，偏磁绕组串接在整流电源和交流桥式驱动电路之间，位置传感器电信号输出经位置反馈电路与控制电路的相应控制端连接，电流检测电路将检测到的交流桥式驱动电路输出电流信号反馈给控制电路的控制端，控制电路控制端还接有调速器。
本实用新型结构设计合理，由偏磁式磁阻电机取代传统磁阻电机，采用无刷直流电机位置检测与控制方法，并配合交流桥式开关驱动法替代传统开关磁阻电机的直流脉动开关驱动法，使本实用新型具有开关磁阻电机简单、便宜、牢固的特色，又发挥无刷直流电机驱动控制的优点，能达到高功率因数、高效率，高性价比，通用性强的好处。尤其在几千瓦以下小型电机调速方面，其性能完全可替代异步电机变频调速。
附图说明：
下面结合具体图例对本实用新型做进一步说明：
图1偏磁式磁阻电机与光电传感器安装剖面图
图2开关偏磁电机驱动控制器原理框图
图3开关偏磁电机驱动控制器电路图
图4反电势基波法取样检测电路
图5反电势三次谐波法取样检测电路
图6电感法间接取样检测电路
其中
1-定子 2-转子 3-外壳 4-端盖
5-轴 6-遮光盘 7-发光管 8-光电管
9-偏磁绕组
具体实施方式：
偏磁式磁阻电机及位置传感器结构
参照图1，偏磁式磁阻电机的机械结构与传统电机相似，包括带有励磁绕组的定子1、铁芯转子2和外壳3。偏磁式磁阻电机分为励磁偏磁和永磁偏磁两类，励磁偏磁是在励磁绕组中分离一部分绕组独立由直流供电产生励磁。此例中电机外壳与尺寸采用通用异步电机标准，主要考虑使之通用性较强，作为专门用途的电机，可选用其它结构。图中偏磁电机考虑选用最便宜的励磁偏磁式，由于转子2没有永磁体，位置传感器采用光电式结构。为便于装拆，遮光盘6制成桶形，固定联接在转子2上，齿数等于转子齿数，齿宽等于槽宽。传感器用光电式的，每个传感器由发光管7与光电管8及支承体组成，支承体固定联接在定子上，发光管7和光电管8的对数等于电机相数。以最常用的定、转子齿差数等于每相磁极数的三相偏磁电机为例，传感器个数为3个，每个传感器间隔等于定子相邻磁极距角时，为120度相位差传感器设计；每个传感器间隔等于定子相邻磁极距角的一半时，为60度相位差传感器设计。
传感器在电机中的安装位置也可采用开关磁阻电机常用的：平板式遮光盘固定在转轴上，传感器固定在后端盖与风扇之间，这仅仅是位置传感器安装的具***置不同，而反映出还是定子和转子间相对位置的联接关系，应属于等同的结构。
本例方案也同样适用于其它种类不同相数的偏磁式磁阻电机、磁路混合式磁阻电机、永磁双凸极磁阻电机等。
若为永磁式偏磁电机结构，位置传感器还可采用更为简化的磁传感器，传感器活动部分永磁磁极对数等于电机转子齿数，并与转子固定联接，传感器固定部分的传感元件个数等于电机相数，并与定子固定联接。如以转子每个齿槽置入永磁体的齿槽偏磁电机为例，其传感器固定部分可采用霍尔元件置于定子线槽中即可。
一种典型开关偏磁电机控制器原理框图和具体驱动电路设计
参照图2，驱动控制器包括控制电路、交流桥式驱动电路、电流检测电路、位置反馈电路和整流电源，控制电路的输出连接交流桥式驱动电路，偏磁绕组串接在整流电源和交流桥式驱动电路之间，实现偏磁绕组与驱动绕组电流同步控制，具有恒功率特性，位置传感器电信号输出经位置反馈电路与控制电路的相应控制端连接，电流检测电路将检测到的交流桥式驱动电路输出电流信号反馈给控制电路的控制端，控制电路控制端还接有调速器。调速器可选用电位器或者电压给定器。
其中驱动控制器中还设有一速度反馈电路，分别连接在位置传感器的输出端和控制电路的相应控制端。
图3为一种典型三相电机控制器电路图，控制电路为单芯片MC33035作为控制中心，与图1所示光电传感器采用120度相位差配合，由于光电管8输出信号弱，须加一级放大后才能与控制电路MC33035连接。交流桥式驱动电路采用功率场效应管FET或IGBT构成三相全桥交流驱动，前置用IR2110悬浮推动。偏磁绕组9兼作为直流电源滤波，可大幅提高功率因数。IC555构成的转速反馈电路，既能稳速，又能提高轻载、低速运行时的效率。
此电路中控制电路可选用其它种类IC或单片机等构成不同形式，但主电路采用交流桥式驱动是不变的。电机相数可推广为两相、四相、五相等多相形式。
位置传感器为间接传感器举例
开关偏磁电机的位置检测，是本实用新型的关键技术，除了上述的磁传感器和光传感器外，还有定子、转子组成的间接传感器，由信号转换电路从绕组中分离出位置电信号。具体有：反电动势基波方案，反电势三次谐波方案，空载电感方案，续流二极管方案，状态观测方案等，这些方案也都适用于开关偏磁电机做为位置传感器。而且励磁偏磁电机具有的独特的偏磁绕组，可作为位置检测元件，比起同步电机直接从驱动绕组取信号，要来得方便、简单。下面优选三个具体电路实例做详细分析说明。
1、反电势基波方案：
图4画出反电势基波法检测电路，A、B、C是三相偏磁绕组，电容C1、C2、C3是隔直电容，变压器T1、T2、T3完成三角形-星形转换。U1、U2、U3三路反电势，经处理后，送往单片机。这种方法需要三个变压器，结构复杂，成本稍高，仅适用于中、高速状态检测。电机先以步进状态运行，达一定转速后，反电势增高，直到控制器能明显分辨反馈信号后，再转入自控运行。
2、反电势三次谐波方案：
图5所示，为三次谐波法取样检测电路。R为取样电阻，D1、D2为限幅二极管，C1是隔直电容。由方程式：sin3t+sin3(t+120°)+sin3(t+240°)＝3sin3t可见三次谐波在此放大三倍。三次谐波方案，相对灵敏度较高，信噪比较好，缺点是不够精确，电机启动前，必须先送出一个定位步进脉冲，才能保证相互相位关系。
3、电感检测方案：
图6是一种电感检测电路。三相偏磁绕组内，由于斩波，总是存在高次谐波成分，利用这种谐波电流，正好组成电感比较。R1、R2、R3是均压电阻。IC1比较器输出的U1是反映A相磁阻变化，低电平表示转子齿进入A相范围；IC2比较器输出的U3，反映的是C相状态，低电平表示转子齿进入C相范围。U2不是直接测出的，是由单片机运算得出。电感检测方案，利用的是杂波信号工作，在低速、超低速，甚至停机时，都能准确判断电机转子所处位置，但中、高速时，反电势相对杂波强大起来，由于反电势的相位与电感法测出的相位关系不同，两种信号叠加后，容易引起混乱。电感检测方案仅适用于低速电机。
按上述思路组成的开关偏磁电机方案，可应用于家用空调、冰箱、办公机械，以及各种调速范围不大，负载较平稳的设备等。控制电路获得上级主机送来的转向、转速等控制指令后，先通过接口电路，按步进方式，通过驱动电路，带动电机从零速，按设定好的升频特性慢慢启动。偏磁电机启动后，单片机开始接收到几个位置脉冲的中断信号后，自动从步进状态向闭环自控方式运行的转化，完成启动过程。
间接位置传感器控制方案，相对抗干扰能力较弱，仅适用于功率较小，周围环境较好，负载较平稳的场合。
Claims (7)
1、一种开关偏磁调速电机，由磁阻电机、位置传感器、驱动控制器组成，其特征是：磁阻电机为偏磁式磁阻电机，电机的定转子间装设有位置传感器，位置传感器检出的位置信号反馈给驱动控制器用以调控偏磁电机运行。
2、根据权利要求1所述的开关偏磁调速电机，其特征是：驱动控制器包括控制电路、交流桥式驱动电路、电流检测电路、位置反馈电路和整流电源，控制电路的输出连接交流桥式驱动电路，偏磁绕组串接在整流电源和交流桥式驱动电路之间，位置传感器电信号输出经位置反馈电路与控制电路的相应控制端连接，电流检测电路将检测到的交流桥式驱动电路输出电流信号反馈给控制电路的控制端，控制电路控制端还接有调速器。
3、根据权利要求1或2所述的开关偏磁调速电机，其特征是：位置传感器为磁传感器，传感器活动部分永磁磁极对数等于电机转子齿数，并与转子固定联接，传感器固定部分的传感元件个数等于电机相数，并与定子固定联接。
4、根据权利要求1或2所述的开关偏磁调速电机，其特征是：位置传感器为光电传感器，与转子固定联接的遮光盘齿数等于电机转子齿数，与定子固定联接的发光管和光电管对数等于电机相数。
5、根据权利要求1或2所述的开关偏磁调速电机，其特征是：位置传感器为定子、转子组成的间接传感器，由信号转换电路从绕组中分离出位置电信号。
6、根据权利要求2所述的开关偏磁调速电机，其特征是：调速器为电位器或者电压给定器之一。
7、根据权利要求1或2所述的开关偏磁调速电机，其特征是：驱动控制器中还设有一速度反馈电路，分别连接在位置传感器的输出端和控制电路的相应控制端。
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