本發(fā)明涉及直流電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種新型低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)。

背景技術(shù)：

直流無(wú)刷電機(jī)，設(shè)置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，由信號(hào)可推算出電機(jī)相應(yīng)狀態(tài)下應(yīng)有的換相信息，根據(jù)換相原理控制功率開關(guān)的開通關(guān)斷，從而在氣隙內(nèi)形成步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子不停的旋轉(zhuǎn)。位置信息的準(zhǔn)確性對(duì)換相性能的影響很大，位置信號(hào)不準(zhǔn)確可能會(huì)加大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電機(jī)振動(dòng)等，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電機(jī)換相失敗。而無(wú)刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)法消除的，它產(chǎn)生的原因有二：

(1)繞組電感阻礙了電流的快速變化，使電流的上升和下降都需要經(jīng)歷一段時(shí)間，所以相電流不是矩形，而是梯形的。

(2)每相繞組反電動(dòng)勢(shì)梯形波平頂部分寬度很難達(dá)到120°。

因此，如何通過(guò)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化換相方法來(lái)減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種新型低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種新型低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，包括直流電機(jī)和傳感器裝置；

所述直流電機(jī)包括第一定子、第一轉(zhuǎn)子、第一轉(zhuǎn)子磁鋼和后端蓋；所述第一定子與所述第一轉(zhuǎn)子同軸對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述第一轉(zhuǎn)子磁鋼安裝于所述第一轉(zhuǎn)子的外圈；

所述傳感器裝置包括第二定子、第二轉(zhuǎn)子、環(huán)形磁鐵和傳感器集成電路；

所述第二定子為環(huán)形、固定于所述后端蓋上與所述第一轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述第二轉(zhuǎn)子與所述第一轉(zhuǎn)子同軸同步旋轉(zhuǎn)；所述第二轉(zhuǎn)子的外圈安裝有環(huán)形磁鐵；所述傳感器集成電路固定于所述第二定子的內(nèi)圈表面；

所述傳感器集成電路包括用于采集所述第二轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)的位置傳感器，所述位置傳感器安裝于滯后安裝位置，所述滯后安裝位置為從最佳換相位置沿所述第二轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向正向移動(dòng)5°-10°。

其中，所述滯后安裝位置為從最佳換相位置沿所述第二轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向正向移動(dòng)10°。

其中，所述環(huán)形磁鐵為與所述第一轉(zhuǎn)子磁鋼的極對(duì)數(shù)相同的環(huán)形磁鐵。

其中，所述位置傳感器的標(biāo)志面指向所述第二轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸心。

其中，所述位置傳感器為霍爾傳感器。

其中，所述直流電機(jī)在三相全波六狀態(tài)下工作，每對(duì)極下的所述第二定子的內(nèi)圈表面存在兩組6個(gè)霍爾傳感器安裝位置，每組3個(gè)霍爾傳感器相互間隔120°。

其中，還包括裝卸蓋，所述后端蓋的邊緣固定連接有向外延伸的延伸部，所述裝卸蓋與所述延伸部可拆卸連接，所述后端蓋與所述裝卸蓋和所述延伸部形成用于容納所述傳感器裝置的腔。

其中，還包括前端蓋，所述前端蓋和所述后端蓋相對(duì)應(yīng)設(shè)置形成用于容納所述直流電機(jī)的空間。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)采用滯后換相時(shí)，電機(jī)的電磁換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大幅減小，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能和運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小了電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。同時(shí)這種定向性的滯后安裝位置傳感器的方案，更適合需要高要求、高精度安裝位置傳感器的場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的新型低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖2為本發(fā)明的傳感器裝置的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為霍爾芯片原安裝位置原理圖；

圖4為霍爾芯片滯后安裝確定原理圖；

圖5為無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖；

圖6為常規(guī)換相方式下電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形；

圖7為滯后10°電角度換相方式下電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形；

圖8為理想條件下電機(jī)換相過(guò)程中的三相電流；

圖9為實(shí)際情況下電機(jī)換相過(guò)程中的三相電流；

圖10為換相前電機(jī)的等效電路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種新型低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的技術(shù)問(wèn)題。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

實(shí)施例一

圖1為本發(fā)明的新型低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖2為本發(fā)明的傳感器裝置的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

參見圖1和圖2所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，該新型直流無(wú)刷電機(jī)包括直流電機(jī)和傳感器裝置。

直流電機(jī)包括第一定子11、第一轉(zhuǎn)子12、第一轉(zhuǎn)子磁鋼13和后端蓋14；所述第一定子11與所述第一轉(zhuǎn)子12同軸對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述第一轉(zhuǎn)子磁鋼13安裝于所述第一轉(zhuǎn)子12的外圈。

傳感器裝置包括第二定子21、第二轉(zhuǎn)子22、環(huán)形磁鐵23和傳感器集成電路；

第二定子21為環(huán)形、固定于后端蓋14上與第一轉(zhuǎn)子12對(duì)應(yīng)設(shè)置，第二轉(zhuǎn)子22與第一轉(zhuǎn)子12同軸同步旋轉(zhuǎn)。第二轉(zhuǎn)子22的外圈安裝有環(huán)形磁鐵23；傳感器集成電路固定于第二定子21的內(nèi)圈表面。

傳感器集成電路包括用于采集第二轉(zhuǎn)子22的位置信號(hào)的位置傳感器24，位置傳感器24安裝于滯后安裝位置b。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例中，還包括裝卸蓋25和前端蓋15。后端蓋14的邊緣固定連接有向外延伸的延伸部，裝卸蓋25與延伸部可拆卸連接，后端蓋14與裝卸蓋25和延伸部形成用于容納傳感器裝置的腔。前端蓋15和后端蓋14相對(duì)應(yīng)設(shè)置形成用于容納直流電機(jī)的空間。

參見圖2所示，圖2中虛線框內(nèi)為基于最佳換相原理確定的位置傳感器的安裝位置a，滯后安裝位置b為從最佳換相位置a沿第二轉(zhuǎn)子22旋轉(zhuǎn)方向正向移動(dòng)5°-10°。在本實(shí)施例一中，滯后安裝位置b相對(duì)于最佳換相位置a旋轉(zhuǎn)5°。

本發(fā)明從基于最佳換相原理確定的霍爾傳感器安裝位置，將傳感器從原最佳位置順著電機(jī)旋轉(zhuǎn)正方向移動(dòng)5°～10°電角度，進(jìn)行傳感器的微滯后安裝。這樣的安裝方法會(huì)適當(dāng)延長(zhǎng)換相時(shí)間，從而微增關(guān)斷電流初始值，使換相過(guò)程中非換相相電流波動(dòng)減小，用一個(gè)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法使換相過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩更平穩(wěn)。

實(shí)施例二

在本發(fā)明實(shí)施例二中的直流無(wú)刷電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相似，也是在直流電機(jī)的后端蓋之外增加了一個(gè)位置傳感器裝置。

在本實(shí)施例二中，滯后安裝位置b為從最佳換相位置a沿所述第二轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向正向移動(dòng)10°。

環(huán)形磁鐵23為與第一轉(zhuǎn)子磁鋼13的極對(duì)數(shù)相同的環(huán)形磁鐵。

位置傳感器為霍爾傳感器，霍爾傳感器的標(biāo)志面指向所述第二轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸心。

本發(fā)明實(shí)施例采用位置傳感器外置的方法，使第一轉(zhuǎn)子與第二轉(zhuǎn)子同軸同步旋轉(zhuǎn)。電機(jī)在三相全波六狀態(tài)工作方式下，每對(duì)極下第二定子21內(nèi)表面可找到兩組6個(gè)霍爾傳感器的位置，每組3個(gè)霍爾傳感器相互間隔120°電角度，這些位置與電機(jī)定子三相繞組的軸線位置有固定關(guān)系；同時(shí)，霍爾傳感器的標(biāo)志面需要指向旋轉(zhuǎn)的軸心。因?yàn)橥庵脗鞲衅鳑]有繞組，位置信號(hào)不受電樞反應(yīng)的影響，所以傳感器可按照無(wú)磁場(chǎng)畸變的理想狀態(tài)安裝。圖2中虛線框內(nèi)為基于最佳換相原理確定的霍爾芯片的安裝位置，其原理如圖3所示，其中A、B、C、-A、-B、-C為三相繞組的位置，HA、HB、HC為霍爾芯片的安裝位置。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，順著旋轉(zhuǎn)方向如圖2所示移動(dòng)霍爾傳感器至陰影部分，移動(dòng)的角度約為10°電角度，其原理如圖4所示，所有的霍爾傳感器在原來(lái)位置上順著電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)10°電角度，得到的HA、HB、HC三個(gè)位置是電機(jī)實(shí)現(xiàn)滯后方式換相下霍爾傳感器的安裝位置。

通過(guò)MATLAB軟件中Simulink的仿真功能，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。通過(guò)分別仿真電機(jī)在原最佳換相原理方式下和傳感器滯后換相方式下的運(yùn)行情況，對(duì)比分析了兩種條件下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形。

在常規(guī)最佳換相原理方式下，無(wú)刷直流電機(jī)的仿真輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示，由圖可以得到，在每60°電角度的換相過(guò)程中，電機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)約為0.004N的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

圖7為電機(jī)在滯后10°電角度方式下的電機(jī)仿真電磁轉(zhuǎn)矩波形，經(jīng)過(guò)與圖6比較發(fā)現(xiàn)，換相過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能顯著提高。

圖8為常規(guī)換相方式，在U＝4E(逆變器直流電壓等于4倍反電勢(shì))且忽略電機(jī)繞組電感影響的條件下，三相電流在換相過(guò)程中的變化曲線。t1為關(guān)斷相電流為0的時(shí)刻，t1時(shí)刻上升相電流的值可通過(guò)反電勢(shì)值E和供電直流電壓U大小關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際情況中，即使直流電源滿足U＝4E,但由于存在電感對(duì)電流變化的阻礙作用，在A相B相電流的接觸點(diǎn)t0附近，非換相相電流將產(chǎn)生一個(gè)凹點(diǎn)，因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小與非換相相電流的大小成比例關(guān)系，所以電磁轉(zhuǎn)矩在t0時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)，如圖9所示。

在一個(gè)換相過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩T_em是由三相電流共同作用產(chǎn)生，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式：

Ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，I為定子相電流，e為各項(xiàng)的反電動(dòng)勢(shì)，E為反電勢(shì)值，t為換相開始后的時(shí)間，T為電機(jī)的換相周期。

以下分別給出正常換相情況(且U＝4E條件下)和滯后換相情況下的電流、轉(zhuǎn)矩定量表達(dá)式：

在正常換相情況下：

關(guān)斷相電流為0時(shí)，開通相電流的值為：

其中，R為定子繞組的阻值。

與此對(duì)應(yīng)，在t1時(shí)刻，i_a＝0，i_at/T＝0得到在t1時(shí)刻的電磁轉(zhuǎn)矩為：

當(dāng)直流電壓滿足條件U＝4E,且忽略電阻壓降，就可以得到在t1時(shí)刻的電磁轉(zhuǎn)矩值和t＝0時(shí)刻的電磁轉(zhuǎn)矩值近似相等為:2EI₀/T

在t從零變化到t1的過(guò)程中初值和末值相等。過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為一個(gè)存在最小值的上凹函數(shù)：

由上面式子可以得到結(jié)論當(dāng)隨時(shí)間t變化的B相電流與時(shí)間的積越大，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量越小。

滯后10°換相方式下：

滯后10°換相情況下，在換相開始之前，各相電流值的大小發(fā)生了變化。由于A相的反電動(dòng)勢(shì)在換相開始之前就已開始下降，所以先簡(jiǎn)單分析換相前三相電流的變化，換相前電機(jī)的等效電路如圖10所示。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)公式

g為換相滯后正常情況下的時(shí)間

L為電感

由上面方程得到，換相開始前A相電流值比正常換相情況下大，由于三相電流和為0，非換相相電流也增大等量值，增大的量和g有關(guān)。

當(dāng)滯后10°換相，U＝4E,且忽略電阻壓降時(shí)。換相開始時(shí)刻的電磁轉(zhuǎn)矩為：

在換相開始時(shí)刻，非換相相電流i_c≈1.2I₀，而同一時(shí)刻反電勢(shì)下降約1/3，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和正常換相情況的值大約相等。

滯后10°換相時(shí)，在t1時(shí)刻，i_a＝0，i_at/T＝0得到此時(shí)的非換相相電

流值為：

電磁轉(zhuǎn)矩為：

此時(shí)刻電磁轉(zhuǎn)矩稍微小于正常換相情況下的值。

其中，需要說(shuō)明的是，無(wú)刷直流電機(jī)可使用的位置傳感器有多種實(shí)施方式，例如光電編碼器、霍爾傳感器等，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案選擇不同類型的傳感器，霍爾傳感器為優(yōu)選方案但并不僅限于霍爾傳感器。光電編碼器不能應(yīng)用于振動(dòng)劇烈、潮濕、有油污和灰塵的惡劣環(huán)境，成本高、壽命不長(zhǎng)，這些因素限制了其應(yīng)用?；魻栁恢脗鞲衅饔纱鸥蓄惏雽?dǎo)體元件制成，體積小、低功耗、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其安裝困難、輸出信號(hào)誤差大?？紤]到成本和實(shí)用性關(guān)系，本發(fā)明實(shí)施例的無(wú)刷直流電機(jī)使用霍爾傳感器采集電機(jī)的轉(zhuǎn)子信號(hào)。

采用鎖存型的霍爾傳感器作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器，大多數(shù)霍爾集成電路的極性規(guī)定：永磁體的S極面向霍爾集成電路標(biāo)志面時(shí)，磁通密度B為正值，當(dāng)B值大于閾值Bop時(shí)，霍爾集成電路輸出低電平。反之N極對(duì)應(yīng)存在閾值Brp，傳感器輸出高電平。磁場(chǎng)交替變化下，輸出高低電平占比相同(使用不同類型不同閾值的霍爾傳感器有不同的安裝方式)。安裝時(shí)，霍爾集成電路標(biāo)志面對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子軸心。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理，當(dāng)換相位置處于反電勢(shì)過(guò)零后30°電角度，同一相的電流導(dǎo)通時(shí)段與反電勢(shì)平頂時(shí)段重合，電機(jī)產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩最大，所以常規(guī)最佳安裝位置如圖3所示。

本發(fā)明實(shí)施例采用的是傳感器與電機(jī)本體分離安裝的方式。傳感器分為定子(靜止)和轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)動(dòng))兩個(gè)部分，傳感器轉(zhuǎn)子上安裝的環(huán)形磁鋼與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼的極對(duì)數(shù)相等(采用環(huán)形磁鋼徑向充磁以產(chǎn)生方波反電動(dòng)勢(shì))，可使兩個(gè)轉(zhuǎn)子同軸連接同步旋轉(zhuǎn)，或直接采用電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子做傳感器轉(zhuǎn)子。在傳感器定子上固定位置安裝霍爾集成電路，用來(lái)檢測(cè)同步轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止定子的位置。這種安裝方式測(cè)量的位置信號(hào)準(zhǔn)確。

本領(lǐng)域技術(shù)人員容易根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思對(duì)于位置傳感器的安裝位置做出調(diào)整，例如，可以將霍爾傳感器與電機(jī)本體一體化安裝。將霍爾芯片直接安裝在定子鐵芯的槽口或齒頂?shù)陌疾凵?。這種方法節(jié)省空間，但是位置信號(hào)易受定子電樞反應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化和電機(jī)發(fā)熱的影響。

針對(duì)現(xiàn)存的換相過(guò)程中存在的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，本發(fā)明提出將換相點(diǎn)后推以實(shí)現(xiàn)使關(guān)斷相電流在換相點(diǎn)的初始值增大，以減輕關(guān)斷相電流和導(dǎo)通相電流交匯處電流值下降的程度，從而使非換相相電流在換相點(diǎn)處的下凹程度緩解，以達(dá)到減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。

本說(shuō)明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。對(duì)于實(shí)施例公開的系統(tǒng)而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見方法部分說(shuō)明即可。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。