專利名稱：永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁電機(jī)，特別是一種永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
表面貼裝式永磁電機(jī)由于具有制作成本較低以及工藝可靠的特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前工業(yè)自動(dòng)化及家電、汽車等行業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)之一。但是，無論是永磁無刷直流電機(jī)還是永磁同步電機(jī)，其都需要一個(gè)位置檢測(cè)裝置為驅(qū)動(dòng)器提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，因而位置檢測(cè)裝置的準(zhǔn)確性和可靠性成為了系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。在不考慮成本或者需要極高精度的精密驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，常常采用光電編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測(cè)裝置，但是，這兩種位置檢測(cè)裝置的成本較高，有時(shí)甚至超過了永磁電機(jī)本身的成本價(jià)格。因而在低成本應(yīng)用領(lǐng)域中常常采用霍爾位置傳感器作為位置檢測(cè)元件?，F(xiàn)有基于霍爾位置傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)常常通過加長(zhǎng)永磁體，如中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN 1856924A于2006年11月1日公開的一種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，以及中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN 201813240U 于2010年09月22日公開的一種外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)；或者，檢測(cè)系統(tǒng)單獨(dú)安裝提供位置信號(hào)的磁環(huán)，如中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN 101243598A于2008年8月13日公開的一種電動(dòng)機(jī)，以及中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN 201860M2U于2011年06月08日公開的一種電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及速度的檢測(cè)裝置，并使永磁體的充磁方向本身垂直于霍爾元件的檢測(cè)面。在永磁體價(jià)格高漲的今天，通過增加永磁體用量來提供位置檢測(cè)信號(hào)無疑會(huì)大幅增加成本，并且單獨(dú)安裝或增加永磁體長(zhǎng)度將增加軸向空間，不利于電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、感應(yīng)能力強(qiáng)、適用范圍廣的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。按此目的設(shè)計(jì)的一種永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，包括霍爾位置傳感器以及構(gòu)成永磁電機(jī)的永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯，永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯之間，永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯相接，其結(jié)構(gòu)特征是霍爾位置傳感器設(shè)置在永磁體的上表面的上方，霍爾位置傳感器與永磁體的上表面之間預(yù)留有一定的空間。所述霍爾位置傳感器的軸線與永磁體的上表面之間的夾角為θ。所述霍爾位置傳感器的檢測(cè)面朝向永磁體的上表面。所述霍爾位置傳感器的背面設(shè)置有導(dǎo)磁襯板。所述霍爾位置傳感器通過不導(dǎo)磁支架與PCB板相接，PCB板通過PCB板支架與定子鐵芯相接。所述霍爾位置傳感器的信號(hào)線及電源線與PCB板上的前置處理電路電連接。所述定子鐵芯位于轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)側(cè)，永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)壁相接；或者，轉(zhuǎn)子鐵芯位于定子鐵芯的內(nèi)側(cè)，永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯的外周相接。
所述霍爾位置傳感器為鎖存型的單極性或雙極性霍爾位置傳感器。本發(fā)明采用上述的技術(shù)方案后，霍爾位置傳感器與永磁體的上表面及充磁方向 (充磁方向與磁力線閉合方向不是同一個(gè)概念，但充磁方向在此處與磁力線閉合方向相同)呈夾角θ設(shè)置，該夾角θ可由有限元計(jì)算得出；設(shè)置在霍爾位置傳感器背面的導(dǎo)磁襯板用來進(jìn)一步引導(dǎo)端部漏磁場(chǎng)的走向，可增強(qiáng)霍爾位置傳感器對(duì)漏磁場(chǎng)的感應(yīng)能力。當(dāng)轉(zhuǎn)子鐵芯的位置變化時(shí)，霍爾位置傳感器感應(yīng)到永磁體的上表面的磁場(chǎng)的變化并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過PCB板上的前置處理電路放大和穩(wěn)相，然后提供給控制器進(jìn)行相關(guān)操作。本發(fā)明既可以適用于外轉(zhuǎn)子表面貼裝式永磁電機(jī)，又可以適用于內(nèi)轉(zhuǎn)子表面貼裝式永磁電機(jī)，還可以適用于稀土類永磁電機(jī)或非稀土類永磁電機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、感應(yīng)能力強(qiáng)、適用范圍廣的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中的虛線處放大結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中的霍爾位置傳感器的安裝角度的設(shè)計(jì)流程圖。圖4為霍爾位置傳感器的軸視安裝位置示意5為簡(jiǎn)化后的霍爾位置傳感器的軸視安裝位置示意圖。圖6為三相霍爾位置信號(hào)與三相反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系示意7為簡(jiǎn)化后的三相霍爾位置信號(hào)與三相反電動(dòng)勢(shì)的相位關(guān)系示意圖。圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為圖8中的虛線處放大結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為永磁體，2為轉(zhuǎn)子鐵芯，3為定子鐵芯，4為霍爾位置傳感器，5為導(dǎo)磁襯板，6為不導(dǎo)磁支架，7為PCB板，71為PCB板支架，8為線圈繞組，41為A相霍爾位置傳感器，42為B相霍爾位置傳感器，43為C相霍爾位置傳感器，圖中的Hal 1_Α為A相霍爾位置傳感器，Hall_B為B相霍爾位置傳感器，Hal 1_C為C相霍爾位置傳感器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。第一實(shí)施例參見圖1-圖7，本永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，包括霍爾位置傳感器4以及構(gòu)成永磁電機(jī)的永磁體1、轉(zhuǎn)子鐵芯2和定子鐵芯3，永磁體1位于轉(zhuǎn)子鐵芯2和定子鐵芯3之間，永磁體1與轉(zhuǎn)子鐵芯2相接，霍爾位置傳感器4設(shè)置在永磁體1的上表面的上方，霍爾位置傳感器4與永磁體1的上表面之間預(yù)留有一定的空間。該空間的大小由霍爾位置傳感器4的信號(hào)強(qiáng)度以及實(shí)際工作中的安全距離決定。在本實(shí)施例中，永磁電機(jī)為外轉(zhuǎn)子表面貼裝式永磁電機(jī)，定子鐵芯3位于轉(zhuǎn)子鐵芯2的內(nèi)側(cè)，永磁體1與轉(zhuǎn)子鐵芯2的內(nèi)壁相接。在圖1-圖2中的永磁體1的上表面，也就是永磁體1的上端部的上表面，由于電機(jī)邊緣的邊緣效應(yīng)的作用將產(chǎn)生端部漏磁場(chǎng)，該漏磁場(chǎng)的磁力線通過空氣和轉(zhuǎn)子鐵芯2閉合形成閉合磁力線，該閉合磁力線與水平面之間的夾角為θ，也就是說閉合磁力線與永磁體1的上表面之間的夾角為θ，因此，霍爾位置傳感器4的軸線與永磁體1的上表面之間的夾角為Θ。夾角θ通過有限元計(jì)算端部漏磁場(chǎng)分布得出?；魻栁恢脗鞲衅?的檢測(cè)面朝向永磁體1的上表面?；魻栁恢脗鞲衅?的背面， 也就是檢測(cè)面的另一面，設(shè)置有導(dǎo)磁襯板5。霍爾位置傳感器4通過不導(dǎo)磁支架6與PCB板7相接，PCB板7通過PCB板支架 71與定子鐵芯3相接。安裝時(shí)，霍爾位置傳感器4的安裝位置及角度由不導(dǎo)磁支架6保證，該不導(dǎo)磁支架 6安裝在水平放置的PCB板7上。PCB板7通過PCB板支架71與定子鐵芯3相連接，進(jìn)而保證整個(gè)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置的位置。霍爾位置傳感器4的檢測(cè)面朝向永磁體1的上表面并保證夾角θ的設(shè)置，在霍爾位置傳感器4的背面設(shè)置有導(dǎo)磁襯板5，用來進(jìn)一步引導(dǎo)端部漏磁場(chǎng)的走向，使其更有利于霍爾位置傳感器4的位置檢測(cè)?；魻栁恢脗鞲衅?的信號(hào)線及電源線與PCB板7上的前置處理電路電連接。前置處理電路主要包括信號(hào)跟隨與放大電路以及保護(hù)電路。當(dāng)采用非稀土類的永磁材料制作永磁體時(shí)，常將永磁體1設(shè)計(jì)得比定子鐵芯3略長(zhǎng)，但是否使用稀土類永磁材料并不影響本發(fā)明的應(yīng)用。本實(shí)施例中的霍爾位置傳感器4可采用鎖存型的單極性或雙極性霍爾位置傳感器，集到的位置信號(hào)通過PCB板7上的前置處理電路進(jìn)行信號(hào)放大和跟隨，具體信號(hào)強(qiáng)度與大小應(yīng)該與所用控制器相匹配?；魻栁恢脗鞲衅?通過PCB板7進(jìn)行供電，PCB板7由外接電源進(jìn)行供電。當(dāng)永磁體1產(chǎn)生的端部漏磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，霍爾位置傳感器4能夠及時(shí)感知相應(yīng)變化，并產(chǎn)生位置信號(hào)。該位置信號(hào)被位于PCB板7上的前置處理電路進(jìn)行放大和穩(wěn)相，進(jìn)而提供給控制器進(jìn)行相關(guān)處理操作。夾角θ由圖3中所示的設(shè)計(jì)流程予以計(jì)算出，對(duì)于不同的電機(jī)形式及磁鋼安裝方式、長(zhǎng)短，該夾角θ有所不同。因而在每種電機(jī)應(yīng)用中，應(yīng)提前進(jìn)行有限元仿真確定該夾角θ，并在安裝時(shí)盡量保證該夾角θ的準(zhǔn)確。如沒有條件進(jìn)行有限元計(jì)算，應(yīng)當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)方法確定最佳信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的夾角θ。設(shè)計(jì)流程包括以下步驟第一步，建立電機(jī)端部有限元模型；根據(jù)圖1-圖2，這里應(yīng)當(dāng)是建立電機(jī)上端部的有限元模型。第二步，進(jìn)行有限元分析計(jì)算。第三步，分析端部漏磁場(chǎng)分布。第四步，找出漏磁密矢量最大值。第五步，設(shè)計(jì)霍爾位置傳感器的位置及安裝角度?；魻栁恢脗鞲衅鞯妮S視安裝位置如圖4所示，本圖4以三相12極18槽的永磁電機(jī)為例，圖4中陰影填充的部分為線圈繞組8。為了突出霍爾位置傳感器4的安裝位置，圖4中省略了導(dǎo)磁襯板5、不導(dǎo)磁支架6、 PCB板7及PCB板支架71。三相霍爾位置傳感器4分別為A相霍爾位置傳感器41，B相霍爾位置傳感器42和C相霍爾位置傳感器43。當(dāng)A相霍爾位置傳感器41的軸線與A相繞組的軸線相對(duì)齊時(shí)，B相霍爾位置傳感器42的軸線、C相霍爾位置傳感器43的軸線依次相差120°電角度分別與B相繞組的軸線和C相繞組的軸線相對(duì)齊。所謂霍爾位置傳感器的軸線就是霍爾位置傳感器的中心線(圖中的點(diǎn)劃線)，而B 相霍爾位置傳感器42的軸線為B相繞組所在定子齒的中心對(duì)稱線，C相霍爾位置傳感器43 的軸線為C相繞組所在定子齒的中心對(duì)稱線；所謂對(duì)齊即指的是安裝位置上兩條線是否重合，圖4為不重合，圖5為重合。120°電角度對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度α，有α = 360/m/p ；其中m為相數(shù)，ρ為極對(duì)數(shù)，在本例中，m= 3，ρ = 6，故α =20°。為了減少霍爾位置傳感器4的分布角度，進(jìn)而減小不導(dǎo)磁支架6、導(dǎo)磁襯板5以及 PCB板7的體積和造價(jià)，可根據(jù)三相對(duì)稱原則將C相霍爾位置傳感器43安裝在A相霍爾位置傳感器41、Β 相霍爾位置傳感器42的幾何中心線上，并將霍爾位置傳感器上下反轉(zhuǎn)180°安裝。當(dāng)霍爾位置傳感器未反轉(zhuǎn)安裝時(shí)，所得到C相位置信號(hào)剛好反相?；魻栁恢脗鞲衅魇且粋€(gè)近似方形的元件，其幾何中心線就是從整個(gè)電機(jī)截面的中心點(diǎn)(軸心)過霍爾位置傳感器的中心點(diǎn)形成的線，如圖4和圖5中穿過霍爾位置傳感器的點(diǎn)劃線。三相霍爾位置信號(hào)與三相反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系如圖6所示，此時(shí)，各相霍爾位置信號(hào)的上升沿與三相相反電動(dòng)勢(shì)的正向過零點(diǎn)相重合。為了控制器程序的簡(jiǎn)化，可以在霍爾位置傳感器安裝時(shí)就是霍爾位置傳感器4的上升沿滯后反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)30°電角度。正常的使用霍爾位置傳感器的方波無刷電機(jī)控制是使在反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后30°電角度對(duì)相應(yīng)的繞組進(jìn)行開通，而通常情況下是使得霍爾位置傳感器的上升沿和反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)重合。而在一般情況下，使用霍爾位置傳感器信號(hào)的上升沿作為相應(yīng)繞組的開通信號(hào)最為簡(jiǎn)便，因此可以在安裝時(shí)保證霍爾位置傳感器的上升沿滯后反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)30°電角度對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度，就是后面的β角，這樣就無需在控制器中采用延時(shí)程序(這樣增加的復(fù)雜程度，有可能增加成本)。如圖7所示，進(jìn)而根據(jù)上升沿直接控制開關(guān)電路導(dǎo)通而無需控制器延時(shí)觸發(fā)。此時(shí)安裝位置如圖5所示，30°電角度對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度β，有β =30/ρ。上述的夾角θ為霍爾位置傳感器與定子鐵芯上表面(軸向切面)之間的角度，屬于霍爾位置傳感器的安裝角度，而α和β是從軸向投影方向的角度，機(jī)械角度α和β與夾角θ不在同一個(gè)平面上，沒有直接關(guān)系?？刂茣r(shí)，采用普通的無刷直流電機(jī)的控制方式，如果沒有滯后β角安裝的話，就在控制器中采用檢測(cè)到霍爾位置傳感器的信號(hào)上升沿后，根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)速(也是從霍爾位置傳感器的信號(hào)計(jì)算得出的)延時(shí)30°電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間(這個(gè)時(shí)間是變的，所以轉(zhuǎn)速不同要不停的變，如果轉(zhuǎn)速檢測(cè)不準(zhǔn)確了，這個(gè)計(jì)算就會(huì)有誤差，引起電流波動(dòng)，惡化電機(jī)性能)。如果采用了滯后β角安裝，就可以直接按照霍爾位置傳感器的信號(hào)的上升沿進(jìn)行相應(yīng)繞組的導(dǎo)通，控制方便準(zhǔn)確。第二實(shí)施例參見圖8-圖9，在本實(shí)施例中，永磁電機(jī)為內(nèi)轉(zhuǎn)子表面貼裝式永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子鐵芯2位于定子鐵芯3的內(nèi)側(cè)，永磁體1與轉(zhuǎn)子鐵芯2的外周相接。 事實(shí)上，本發(fā)明的位置檢測(cè)原理主要針對(duì)端部漏磁場(chǎng)，因而對(duì)于何種永磁電機(jī)并無明顯區(qū)分。其余未述部分見第一實(shí)施例，不再重復(fù)。
權(quán)利要求
1.一種永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，包括霍爾位置傳感器以及構(gòu)成永磁電機(jī)的永磁體(1)、轉(zhuǎn)子鐵芯(2)和定子鐵芯(3)，永磁體(1)位于轉(zhuǎn)子鐵芯(2)和定子鐵芯(3) 之間，永磁體(1)與轉(zhuǎn)子鐵芯( 相接，其特征是霍爾位置傳感器(4)設(shè)置在永磁體(1)的上表面的上方，霍爾位置傳感器(4)與永磁體(1)的上表面之間預(yù)留有一定的空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，其特征是所述霍爾位置傳感器的軸線與永磁體(1)的上表面之間的夾角為θ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，其特征是所述霍爾位置傳感器的檢測(cè)面朝向永磁體(1)的上表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，其特征是所述霍爾位置傳感器的背面設(shè)置有導(dǎo)磁襯板(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，其特征是所述霍爾位置傳感器⑷通過不導(dǎo)磁支架(6)與PCB板(7)相接，PCB板(7)通過PCB板支架(71)與定子鐵芯⑶相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，其特征是所述霍爾位置傳感器⑷的信號(hào)線及電源線與PCB板(7)上的前置處理電路電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一所述的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，其特征是所述定子鐵芯(3)位于轉(zhuǎn)子鐵芯O)的內(nèi)側(cè)，永磁體(1)與轉(zhuǎn)子鐵芯O)的內(nèi)壁相接；或者，轉(zhuǎn)子鐵芯⑵位于定子鐵芯⑶的內(nèi)側(cè)，永磁體⑴與轉(zhuǎn)子鐵芯⑵的外周相接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，其特征是所述霍爾位置傳感器(4)為鎖存型的單極性或雙極性霍爾位置傳感器。
全文摘要
一種永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，包括霍爾位置傳感器以及構(gòu)成永磁電機(jī)的永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯，永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯之間，永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯相接，霍爾位置傳感器設(shè)置在永磁體的上表面的上方，霍爾位置傳感器與永磁體的上表面之間預(yù)留有一定的空間?；魻栁恢脗鞲衅鞯妮S線與永磁體的上表面之間的夾角為θ?；魻栁恢脗鞲衅鞯臋z測(cè)面朝向永磁體的上表面?；魻栁恢脗鞲衅鞯谋趁嬖O(shè)置有導(dǎo)磁襯板?；魻栁恢脗鞲衅魍ㄟ^不導(dǎo)磁支架與PCB板相接，PCB板通過PCB板支架與定子鐵芯相接。霍爾位置傳感器的信號(hào)線及電源線與PCB板上的前置處理電路電連接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、感應(yīng)能力強(qiáng)、適用范圍廣的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02K29/08GK102545524SQ20121003283
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者吳迪, 諸自強(qiáng), 陳金濤 申請(qǐng)人:美的威靈電機(jī)技術(shù)(上海)有限公司