專利名稱：一種多相雙極性無刷直流電動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及這樣一種多相雙極性無刷直流電動機(jī)，其定子是由電樞構(gòu)成而轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵構(gòu)成的。
如果在這個電動機(jī)中定子繞組安排為螺線管繞組，則該電動機(jī)產(chǎn)生正弦形轉(zhuǎn)矩波動，故它可作為微電機(jī)應(yīng)用;而如果該電動機(jī)定子繞組安排為鏈型繞組，則該電動機(jī)產(chǎn)生梯形轉(zhuǎn)矩波動，因此它可以作為動力電動機(jī)應(yīng)用。
本發(fā)明構(gòu)思采用雙極性系統(tǒng)，因此激磁繞組的銅耗能減到最小，由此效率得以增加;并且可做成多相，因此繞組的利用可得以增加，由此使電動機(jī)可以設(shè)計得緊湊并改善了轉(zhuǎn)矩的波動。并且在這種電動機(jī)中，換向編碼器及相應(yīng)于后面描述的換向編碼器及光電三極管的傳感器部分結(jié)構(gòu)既簡單又安全，故使得該電動機(jī)的起動及旋轉(zhuǎn)特性能得以改善，再者該電動機(jī)具有簡單的結(jié)構(gòu)就便于制造，由此也降低了制造成本。
在傳統(tǒng)的并激電動機(jī)中，因?yàn)榇艌鼍€圈(激磁線圈)被繞制在定子上以獲得有適當(dāng)?shù)臉O數(shù)，并且與其中電刷相接的線圈繞制在轉(zhuǎn)子上以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這樣就有以下缺點(diǎn)當(dāng)該電動機(jī)在使用時，外部物質(zhì)例如灰塵堵塞于換向器片間或是由于電刷絕緣破壞造成其間的碰接或是電刷的磨損而必須更換新的電刷。
本發(fā)明的目的在于為解決上述問題，提供一種多相雙極性無刷直流電動機(jī)，在其中取代磁場線圈的永久磁鐵被用作為轉(zhuǎn)子，繞制在定子上的繞組作為獨(dú)立的繞組，換向編碼器固定地安裝在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸上，以及接近轉(zhuǎn)子的傳感器與驅(qū)動電路相連接，由此該電動機(jī)起動及旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，具有簡單的結(jié)構(gòu)且制造成本低。
如果參照以下的附圖，考慮到下述典型的實(shí)施例的詳細(xì)描述，就可更好地理解本發(fā)明且其他優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用就更容易明白。其附圖為

圖1根據(jù)本發(fā)明的一種多相雙極性無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的示意圖，其中部分采用方框形式表示;
圖2A根據(jù)本發(fā)明的速度控制編碼器及傳感器部分(換向編碼器及光電三極管)的分解透視圖;
圖2B表示圖2A中的元件組裝在一起的狀態(tài)的局部截面圖;
圖3A三相四極電動機(jī)繞組的各自環(huán)形連接圖;
圖3B四極轉(zhuǎn)子的布置圖;
圖3C三相四極電動機(jī)繞組的各自串聯(lián)展開接線圖;
圖4A三相電動機(jī)驅(qū)動電路的示意圖;
圖4B表示轉(zhuǎn)子、換向編碼器及光電三極管的結(jié)構(gòu);
圖5A三相四極電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5B四相四極電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6圖3A、3B及3C的電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動的波形圖;
圖7A位置傳感器的位置及這時轉(zhuǎn)矩波動的波形圖;
圖7B位置傳感器的校正位置及該時的轉(zhuǎn)矩波動的波形圖;
圖8A以校正角靠近換向編碼器的位置傳感器及這時的轉(zhuǎn)矩波動波形圖;
圖8B位置傳感器靠近換向編碼器上的最佳校正位置狀態(tài)及這時的轉(zhuǎn)矩波動波形圖;以及圖9根據(jù)本發(fā)明的三極四極電動機(jī)的正、反向傳感器的布置圖。
現(xiàn)在就參照附圖將本發(fā)明的多相雙極性無刷直流電動饈腿縵攏 優(yōu)良的無刷直流電動機(jī)乃取決于旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分、換向編碼器和光電三極管及其驅(qū)動電路是如何構(gòu)成的。相應(yīng)地，本發(fā)明的無刷直流電動機(jī)的構(gòu)成如圖1上的系統(tǒng)圖所示，于是如果換向系統(tǒng)由換向編碼器及光電三極管感知轉(zhuǎn)子的位置，由此產(chǎn)生一個脈沖，電子換向器則使得與繞組連接的大功率三極管導(dǎo)通，相應(yīng)地，交變電流流經(jīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分，這樣就驅(qū)動了電動機(jī)。
如圖2A及2B所示，換向編碼器及光電三極管部分是利用將換向編碼器2固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分1的軸11上而轉(zhuǎn)動的，該換向編碼器2包括擋光部分21及光檢測部分22。
這個換向系統(tǒng)的特征在于它是按每一相獨(dú)立地布置的，及每相的換向系統(tǒng)并聯(lián)于一個電壓控制器上，每相的線圈上相應(yīng)地流過方波的交變電流，由此平穩(wěn)地驅(qū)動電動機(jī)。
對于利用本發(fā)明的原理工作的多相雙極性無刷直流電動機(jī)的詳細(xì)說明通過將其分成該無刷直流電動機(jī)的基本元件，例如對旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分、電壓控制器等依次來進(jìn)行描述。
旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分它包括由電樞構(gòu)成的定子4及永久磁鐵構(gòu)成的轉(zhuǎn)子7，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分1的轉(zhuǎn)子可以作成2極、4極、6極、8極-或2n極，而所述的定子可作成2、3、4、5、6-或n相。相應(yīng)地，該極數(shù)或相數(shù)可根據(jù)需要簡便地增加或減小，并且該旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分1的長度、厚度或其形狀也可根據(jù)需要簡便地改型。
如在圖3A及圖3B中所描繪的，電動機(jī)的繞組是接法區(qū)別于△或Y型連接的繞組的獨(dú)立繞組，雖然該電動機(jī)的每相線圈形成多相電動機(jī)的繞組，但它的結(jié)構(gòu)使得每個線圈的激磁條件總是恒定不變的。
電子換向器它的組成如圖4A及4B所示，其中的一個組包括與每相線圈相連接的四個大功率三極管Q1-Q4，其中與每相線圈連接的兩個三極管與一個光電三極管相連接，因此每相設(shè)置了二個光電三極管，由此可根據(jù)光電三極管的工作確定電流的方向。我們以圖4A及4B上三相雙激磁電動機(jī)的情況作為一個例子加以說明如果光電三極管PA1處于換向編碼器2的傳感區(qū)域中，它即產(chǎn)生一個正向脈沖。相應(yīng)地使三極管Q1及Q4導(dǎo)通，便有電流從三極管Q1流向三極管Q4。在這種情況下，光電三極管PA2處于不能使三極管導(dǎo)通的位置。如果光電三極管的位置移動了并使光電三極管PA2處于換向編碼器2的傳感區(qū)域中，則三極管Q2及Q3被導(dǎo)通，故使電流在其反向流動，此時是從三極管Q2流向三極管Q3。同樣地在該情況下，光電三極管PA1處于不能使三極管導(dǎo)通的位置上。
相應(yīng)地，由于相對于一相設(shè)置了二個光電三極管，因此只使用了正向脈沖，即可省去脈沖分配裝置;并由于每一相的每個光電三極管這樣地設(shè)置，它使得當(dāng)轉(zhuǎn)子交替地轉(zhuǎn)過軸角度為30°( (2π)/(轉(zhuǎn)子的極數(shù)) × 1/(相數(shù)) )時不能使三極管導(dǎo)通，即可省去防止誤觸發(fā)(Cross-fire)的內(nèi)部聯(lián)鎖。由于省去了該復(fù)雜的邏輯電路，相應(yīng)地就能構(gòu)成既安全又簡單的電子換向器。
換向編碼器及光電三極管如圖1及圖4A及4B所示，它的組成為安裝在電機(jī)軸一個端部的換向編碼器及相對于一相安裝二個光電三極管;且它是作成外置型的。以下我們以三相四極型電動機(jī)作為其中一例加以說明如圖5中所示該三相四極型電動機(jī)是這樣構(gòu)成的，即換向編碼器2具有2個(轉(zhuǎn)子的極數(shù)/2)傳感區(qū)域，且傳感區(qū)域的寬度相應(yīng)于軸角度為60度( (2π)/(轉(zhuǎn)子的極數(shù)) × (相數(shù)-1)/(相數(shù)。) )。并且，在A-，B-及C-相中的每個光電三極管PA1、PB1、PC1、PA2、PB2、及PC2依次一個挨一個地布置、每個之間距離以軸角度計為30度( (2π)/(轉(zhuǎn)子的極數(shù)) × 1/(相數(shù)) )。
相應(yīng)地，A相的光電三極管PA1及PA2之間的距離相應(yīng)于軸角度為90度(2π/轉(zhuǎn)子的極數(shù))，B相及C相中光電三極管的情況與A相中相同?，F(xiàn)在將對于A相說明換向編碼器及光電三極管的工作原理當(dāng)光電三極管PA1產(chǎn)生正向脈沖并將其傳送到驅(qū)動電路時，所述的距離相應(yīng)于軸角度為60°;而在相應(yīng)于軸角度為30°的距離中光電三極管PA1是不能導(dǎo)通的。同樣地，光電三極管PA2導(dǎo)通的距離也是60°軸角度。相應(yīng)地，當(dāng)光電三極管PA1導(dǎo)通，光電三極管PA2則不能導(dǎo)通，而當(dāng)光電三極管PA2導(dǎo)通時光電三極管PA1則不能導(dǎo)通。光電三極管PA1及PA2均不能導(dǎo)通的距離為30°軸角度。這樣構(gòu)造的換向編碼器及光電三極管形成了二相單激磁、三相雙激磁、四相三激磁、五相四激磁、六相五激磁-因而可以構(gòu)成n相(n-1)激磁的電動機(jī)，由此體現(xiàn)可產(chǎn)生多相雙極性無刷直流電動機(jī)。
光電三極管的超前換向如圖7A及7B所示，如果當(dāng)電動驅(qū)動時光電三極管從理論位置到達(dá)換向編碼器2的傳感區(qū)域，該光電三極管產(chǎn)生一個脈沖以使三極管“導(dǎo)通”，便在線圈一個給定方向上引起電流的流通。在光電三極管離開換向編碼器傳感區(qū)域的時刻，脈沖的產(chǎn)生便“停止”，于是三極管也被判斷且線圈中電流亦終止流通。
由于三極管的時延及儲存時間以及線圈的激磁特性，線圈激磁的開始及終止時刻與光電三極管脈沖產(chǎn)生的開始及終止時刻相比較前者滯后了“θ”角度。
此外，利用將光電三極管在與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上的超前換向就消除了差轉(zhuǎn)矩區(qū)，這就使改善效率成為可能并降低了銅耗。
這時最好是將光電三極管調(diào)整到具有“θ”超前換向角度作為電機(jī)驅(qū)動中最佳位置。因?yàn)閭鞲衅鞑糠志哂型庵眯褪?，故可以對光電三極管進(jìn)行調(diào)整。
激磁寬度的調(diào)整如圖8A及8B所示，激磁寬度的調(diào)整是利用調(diào)節(jié)光電三極管及換向編碼器2之間的距離進(jìn)行的。激磁寬度并不與光電三極管產(chǎn)生的脈沖寬度相一致。
由于三極管的儲存及衰減時間特性以及線圈的激磁特性顯然線圈的激磁寬度必然大于光電三極管的脈沖寬度。
相應(yīng)地如圖8A及8B中所示在差轉(zhuǎn)矩區(qū)中的激磁使得線圈的銅耗增加，這使得電動機(jī)中產(chǎn)生發(fā)熱，并且降低了效率。為了消除上述的這些缺點(diǎn)，本發(fā)明的換向編碼器可以利用調(diào)節(jié)激磁寬度來極大限度地增加效率，使得發(fā)熱極大限度地減少。
這時，最好是對光電三極管及換向編碼器之間的距離進(jìn)行調(diào)整，由于傳感器部分是外置型的，在運(yùn)行中經(jīng)調(diào)整后使電機(jī)處于最佳轉(zhuǎn)矩波動位置及最有效的位置上。
正向及反向旋轉(zhuǎn)如圖9所示，利用設(shè)置與正向旋轉(zhuǎn)時處于超前位置的一組光電三極管分開的且對稱布置的一組光電三極管在反轉(zhuǎn)時使用的傳感器部分使可以正向地或反向地旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)用無接觸電磁操作方式選擇正向或反向旋轉(zhuǎn)的光電三極管組，即可做到該電動機(jī)的正向及反向旋轉(zhuǎn)。
電壓調(diào)節(jié)器該換向系統(tǒng)可并聯(lián)于直接的直流電源或從交流整流的直流電源，其如圖1所示，因此該電機(jī)的結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)。電動機(jī)速度的調(diào)節(jié)是利用調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器的電壓進(jìn)行的。
上述本發(fā)明的效果，尤其是作為動力電動機(jī)時現(xiàn)歸結(jié)如下對于換向編碼器2按每相布置一對光電三極管，因此除去了信號分配裝置及防止誤觸發(fā)(Cross-fire)的內(nèi)部聯(lián)鎖。因此電路變得既安全又簡單。
由于容易使電動機(jī)作成多相及多極性，就顯著地改善了轉(zhuǎn)矩的波動，由于消除了差轉(zhuǎn)矩區(qū)就在很大程度上降低了銅耗，因而電動機(jī)的發(fā)熱也極大程度地下降且改善了效率。
對于每相的獨(dú)立線圈可以供給最大電流。多相方式使線圈更有效地利用(例如二相單激磁，三相雙激磁，四相三激磁，五相四激磁，六相五激磁，-)故能實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計。電動機(jī)效率及轉(zhuǎn)矩波動的改善造成了電機(jī)響應(yīng)速度的相應(yīng)改善。
利用設(shè)置單獨(dú)的用于正向或反向旋轉(zhuǎn)的傳感器部分形成一種超前換向，改善了電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。安裝在具有獨(dú)立相驅(qū)動側(cè)的三極管容量的降低也就降低了制造成本。
權(quán)利要求
1.一種多相雙極性無刷直流電動機(jī)包括一個電壓調(diào)節(jié)器，及多個相、每相具有由換向編碼器及光電三極管組成的傳感器部分、一個激磁線圈及一個電子換向器、它們共同組成互相隔離的多個相，每個相均與一個電壓調(diào)節(jié)器并聯(lián)，每相具有二個光電三極管，相對于換向編碼器設(shè)定了要求的激磁寬度及與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相應(yīng)的電流方向，由此在激磁線圈中可流過雙極性電流以允許所述的無刷直流電動機(jī)能平穩(wěn)地起動與驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)，其中傳感器部分的換向編碼器具有的傳感區(qū)域其寬度以軸角度計為“ (2π)/(轉(zhuǎn)子的極數(shù)) × (相數(shù)-1)/(相數(shù)) ”，傳感區(qū)域的數(shù)目設(shè)為“轉(zhuǎn)子的極數(shù)/2”，其中所述無刷直流電動機(jī)可以在由二相單激磁，三相雙激磁，四相三激磁，-n相(n-1)激磁形成的一組中選擇一種構(gòu)成，因此提高了線圈的利用及改善轉(zhuǎn)矩波動以允許使所述無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計得緊湊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)，其中傳感器部分作成外部安裝類型的，其中一些光電三極管組是以在與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向上用偏離理論位置一個給定的角度的超前換向形式設(shè)置的，以使得消除由于三極管時延與儲存時間及線圈的激磁特性產(chǎn)生的差轉(zhuǎn)矩區(qū)，由此在極大程度上減少銅耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)，其中由換向編碼器及光電三極管組合構(gòu)成的傳感器部分，利用調(diào)節(jié)光電三極管與換向編碼器之間的距離調(diào)節(jié)激磁寬度，換向編碼器具有的傳感區(qū)域?qū)挾纫暂S角度計為“ (2π)/(轉(zhuǎn)子的極數(shù)) × (相數(shù)-1)/(相數(shù)) ”，以便減少銅耗，由此在極大程度上提高電動機(jī)的效率，所述調(diào)節(jié)是在無刷直流電動機(jī)工作中移動光電三極管實(shí)現(xiàn)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電動機(jī)，其中傳感器部分包括另外的光電三極管組，它用于反向旋轉(zhuǎn)并與正向旋轉(zhuǎn)用的所述超前位置上的光電三極管組相對稱地定位布置，以使得該傳感器能正向地或反向地旋轉(zhuǎn)，由此使該無刷直流電機(jī)在無接觸電磁操作狀態(tài)下根據(jù)正或反向旋轉(zhuǎn)傳感器的選擇能作正向或反向的旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
在多相雙極性無刷直流電動機(jī)中取代磁場線圈的永久磁鐵作成轉(zhuǎn)子，而電樞用作為定子。繞組繞制在定子上作為獨(dú)立繞組，換向編碼器安裝在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸上，傳感器接近換向編碼器并與驅(qū)動電路相連接，因此該電動機(jī)可平穩(wěn)地起動與旋轉(zhuǎn)。
文檔編號H02K29/10GK1037058SQ8810321
公開日1989年11月8日 申請日期1988年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月22日
發(fā)明者李二洙 申請人:李一淑