專利名稱：無刷直流電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電動(dòng)機(jī)，它包括-帶有至少兩個(gè)定子線圈的定子，-相對(duì)于定子作旋轉(zhuǎn)設(shè)置的轉(zhuǎn)子，-用于檢測(cè)預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置的位置檢測(cè)裝置，-電子換向裝置，用于以預(yù)先規(guī)定的循環(huán)次序使定子線圈分別接到電源或從電源斷開。
這樣的無刷直流電動(dòng)機(jī)可以從例如EP-A-0425479而了解到。
此外，從本質(zhì)上已經(jīng)了解，通過向旋轉(zhuǎn)方向的相反方向移動(dòng)換向位置，直流電動(dòng)機(jī)的功率可以在更高的速度下得到增加。上述的換向位置的偏移也稱作預(yù)換向。
使用具有預(yù)換向的電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于高速且其負(fù)載很重的環(huán)境下是令人感興趣的，例如，在諸如冰淇凌制造機(jī)和攪拌器等廚房用具的情況下就是如此。這種使用的一個(gè)缺點(diǎn)是在卸載(空載)的情況下電動(dòng)機(jī)的速度可以變得非常高。在卸載情況下的極高速度對(duì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了很嚴(yán)格的要求。
本發(fā)明的目的之一是提供一種無刷電動(dòng)機(jī)，它能夠在高速下提供更大的功率，并且它在卸載情況下的速度受到限制。
按照本發(fā)明，這個(gè)目的是由無刷直流電動(dòng)機(jī)達(dá)到的，這種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)在于它的換向裝置至少含有兩個(gè)延遲裝置，每個(gè)延遲裝置都用于根據(jù)新近檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子多個(gè)預(yù)定位置中的下一個(gè)位置而延遲對(duì)下一個(gè)定子線圈的連接，直到在新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置之前一個(gè)預(yù)定距離的轉(zhuǎn)子位置被檢到之后的一個(gè)預(yù)定時(shí)間已消逝之時(shí)為止。由于這些措施，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的速度升高到某個(gè)值時(shí)它的功率就減小，在這個(gè)速度值時(shí)，在檢測(cè)到相繼的預(yù)定轉(zhuǎn)子位置之間的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于由延遲裝置引起的時(shí)間延遲。電動(dòng)機(jī)的功率減小是因?yàn)椋捎谘舆t裝置，下一個(gè)定子線圈的連接被移到后面的某一時(shí)間，因而速度的進(jìn)一步增加受到了限制。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的特點(diǎn)在于延遲開始于檢測(cè)到一個(gè)轉(zhuǎn)子位置，這個(gè)位置位于新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置之前的一個(gè)預(yù)定距離。在卸載情況下，電動(dòng)機(jī)的速度會(huì)增加到某個(gè)值，在這個(gè)值時(shí)，檢測(cè)到相繼的轉(zhuǎn)子各預(yù)定位置之間的時(shí)間間隔相當(dāng)于由預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間所確定的值。速度的進(jìn)一步增加受到了限制，因?yàn)橄乱粋€(gè)定子線圈的連接被推遲到稍后的時(shí)間，這將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的功率減小這一事實(shí)。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的特點(diǎn)在于延遲時(shí)間的開始是根據(jù)檢測(cè)到一個(gè)位于新近檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置之前一個(gè)預(yù)定距離的轉(zhuǎn)子位置而定的，這時(shí)另一個(gè)延遲裝置的延遲時(shí)間已經(jīng)過去。在卸載情況下，電動(dòng)機(jī)的速度將會(huì)增加到某個(gè)值，在這個(gè)速度值時(shí)檢測(cè)到相繼的預(yù)定轉(zhuǎn)子位置之間的時(shí)間間隔相當(dāng)于由預(yù)定的延遲時(shí)間所確定的值。速度的進(jìn)一步增加將比前面的實(shí)施例受到更好的限制，因?yàn)楝F(xiàn)在的延遲是積累性的。只要電動(dòng)機(jī)速度超過上述值，延遲就以積累的方式增加。這將導(dǎo)致在電動(dòng)機(jī)速度超過上述值時(shí)它的功率急劇下降，從而使電動(dòng)機(jī)的速度實(shí)際上限制在上述值。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的特點(diǎn)在于定子線圈是磁性耦合的，并且換向回路包括這樣的裝置，它能使已連接的定子線圈斷開和下一個(gè)定子線圈的連接幾乎同時(shí)發(fā)生。
在這個(gè)實(shí)施例中，同時(shí)斷開和連接與磁耦合組合在一起使得磁能從一個(gè)定子線圈轉(zhuǎn)移到另一個(gè)定子線圈。對(duì)于換向來說，在換向期間在斷開一個(gè)定子線圈并接通下一個(gè)定子線圈之間有一個(gè)無激勵(lì)的時(shí)間間隔，本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的功耗顯著地減小。在無激勵(lì)的時(shí)間間隔內(nèi)，通常在切斷每個(gè)激勵(lì)時(shí)都要把定子線圈短路。由于把能量?jī)?chǔ)存在定子線圈內(nèi)的結(jié)果，將會(huì)有一個(gè)短路電流流經(jīng)定子線圈，它將引起在定子線圈中產(chǎn)生相當(dāng)大的熱損耗。這和那種換向正好相反，在那種換向時(shí)磁能在換向期間會(huì)從一個(gè)定子線圈轉(zhuǎn)移到另一個(gè)定子線圈。
一種以其簡(jiǎn)單性而使人感興趣的實(shí)施例的特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)同時(shí)接通和斷開的裝置包括一個(gè)狀態(tài)存儲(chǔ)器，它可以產(chǎn)生各種狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)激勵(lì)狀態(tài)，其中的換向裝置包括用于連接和斷開定子繞組的可控開關(guān)和使開關(guān)根據(jù)狀態(tài)存儲(chǔ)器的狀態(tài)分別處于阻斷或?qū)顟B(tài)的裝置，和根據(jù)檢測(cè)到的預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置改變存儲(chǔ)器的狀態(tài)的裝置，并且其中的延遲裝置安排成能夠通過延遲對(duì)存儲(chǔ)器狀態(tài)的改變而延遲其連接操作。
無刷電動(dòng)機(jī)的一種實(shí)施例的特點(diǎn)在于信號(hào)抑制裝置包括單穩(wěn)觸發(fā)器，它響應(yīng)對(duì)預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，觸發(fā)器的輸出通過二極管而接到狀態(tài)寄存器的控制輸入端以接收修改信號(hào)。
無刷直流電動(dòng)機(jī)的一種實(shí)施例的特點(diǎn)在于一個(gè)延遲裝置的觸發(fā)器的輸出通過二極管而接到另一個(gè)延遲裝置的觸發(fā)器的輸入端。利用簡(jiǎn)單的裝置上述實(shí)施例可以得到改進(jìn)以得到已經(jīng)說明過的積累延遲，使得電動(dòng)機(jī)的速度限制能夠規(guī)定得更加精確。
無刷電動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的特點(diǎn)在于提供了設(shè)置裝置以便設(shè)置預(yù)定的延遲時(shí)間。在這個(gè)實(shí)施例中需要加以限制的速度值可以很簡(jiǎn)單地加以設(shè)置。
本發(fā)明的實(shí)施例由附圖所表示，并將在以后詳細(xì)說明，這些圖是

圖1表示按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的實(shí)施例；圖2和10表示按相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系而繪制的檢測(cè)信號(hào)，這些檢測(cè)信號(hào)是按照本發(fā)明對(duì)電動(dòng)機(jī)兩種不同實(shí)施例中的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所提供的；圖3、7、9、11和12是用于按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中的線路結(jié)構(gòu)的實(shí)施例；圖4、5、8和13表示按時(shí)間繪制的按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)實(shí)施例中所產(chǎn)生的多種信號(hào)；圖6表示按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中所用的一種磁路；和圖14表示按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的速度對(duì)機(jī)械負(fù)載的曲線圖。
圖1表示按照本發(fā)明的一種無刷直流電動(dòng)機(jī)1的一種實(shí)施例。無刷直流電動(dòng)機(jī)1含有一個(gè)帶兩個(gè)定子線圈2和3的定子。由于對(duì)定子線圈2和3按照預(yù)定的循環(huán)方式進(jìn)行激勵(lì)，就產(chǎn)生了一個(gè)交變的磁場(chǎng)，它在相對(duì)于定子而轉(zhuǎn)動(dòng)的永磁轉(zhuǎn)子4上施加一個(gè)力矩。為了使磁場(chǎng)所引起的力矩總是以同一個(gè)方向施加于轉(zhuǎn)子，就需要在預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置(此后也稱為換向位置)上把激勵(lì)從一個(gè)已激勵(lì)的定子線圈切換到下一個(gè)定子線圈上(即換向)。為了檢測(cè)這個(gè)換向位置，無刷直流電動(dòng)機(jī)1含有一個(gè)位置檢測(cè)器5。這個(gè)位置檢測(cè)器5可以是一種常規(guī)的類型，例如，可以有一個(gè)所謂的霍爾傳感器，它被安排成使這個(gè)傳感器受到永磁轉(zhuǎn)子4所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響。位置傳感器5產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)信號(hào)Vd，它表示換向位置被檢測(cè)到的那個(gè)時(shí)刻。此外，無刷直流電動(dòng)機(jī)包括一個(gè)換向回路6，它根據(jù)由檢測(cè)信號(hào)Vd所表明的檢測(cè)到換向位置而以預(yù)定的循環(huán)順序把定子線圈2和3連接到一個(gè)電源或從電源斷開，這個(gè)電源是連接到接線端8和9上的。
電源最好包括直流電源7，它產(chǎn)生基本上是恒定的電壓。這樣的直流電源可以包括例如一個(gè)常規(guī)的直流整流回路以便對(duì)交流電壓網(wǎng)來的主電壓整流?；旧?，這種電源也可以是直流電流源，它產(chǎn)生一個(gè)基本上與負(fù)載無關(guān)的恒定直流電流。
圖2作為一個(gè)實(shí)例，表明了相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置Phi(Φ)而繪制的檢測(cè)信號(hào)Vd。Φ的值＝0.180度相對(duì)于轉(zhuǎn)子的一個(gè)位置，在這個(gè)位置上由定子線圈2中的永磁體轉(zhuǎn)子4產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子位置對(duì)于磁場(chǎng)(這個(gè)磁場(chǎng)被減至最小)的相互關(guān)系的改變。這些位置今后被稱作中性轉(zhuǎn)子位置。在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)換向最好在這些中性轉(zhuǎn)子位置上發(fā)生。在高速情況下當(dāng)換向發(fā)生于中性轉(zhuǎn)子位置時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的功率將急劇下降。在這些速度下電動(dòng)機(jī)的功率(＝產(chǎn)生的功率)因?yàn)閾Q向位置相對(duì)于中性轉(zhuǎn)子位置提前而增加。在圖2中，中性轉(zhuǎn)子位置位于Φ＝0°和Φ＝180°。換向位置則相對(duì)于中性位置提前一個(gè)距離θ。在信號(hào)Vd中的信號(hào)電平轉(zhuǎn)折表示換向位置Φ＝-θ和Φ＝180－θ。
換向回路6包括一個(gè)開關(guān)單元10，通過它接線端9接到定子線圈2的連接點(diǎn)12和定子線圈3的連接點(diǎn)13。定子線圈2的連接點(diǎn)14和定子線圈3的連接點(diǎn)15一起接到接線端8。開關(guān)單元10是這樣一種類型，它在正常工作時(shí)把定子線圈2的連接點(diǎn)12或定子線圈3的連接點(diǎn)13根據(jù)檢測(cè)信號(hào)Vd的信號(hào)電平而接到接線端9。圖2作為實(shí)例表示作為轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)由回路10所造成的在定子線圈2和3上的電壓V1和V2。
上面所說的這種換向類型今后將稱之為預(yù)換向，這種換向并不發(fā)生在中性轉(zhuǎn)子位置，而是在相對(duì)于中性轉(zhuǎn)子位置(對(duì)應(yīng)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向)之前的換向位置上。如前所看到的，預(yù)換向增加了電機(jī)在高速下的功率。這意味著在卸載(空載)情況下電動(dòng)機(jī)的速度可以達(dá)到比沒有預(yù)換向的電動(dòng)機(jī)高得多的值。這種特別高的空載轉(zhuǎn)速對(duì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)格的要求。
在諸如廚房用具、冰淇凌機(jī)和攪拌機(jī)等的應(yīng)用場(chǎng)合中，直流電機(jī)在高速時(shí)應(yīng)產(chǎn)生更多的功率，但是，這時(shí)也會(huì)發(fā)生電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于空載的的情況下，因此，就希望采取一些預(yù)防措施以便使空載速度能受到限制。
為了限制空載速度，按照本發(fā)明的直流電動(dòng)機(jī)包括一種線路結(jié)構(gòu)11，用于根據(jù)新檢測(cè)到的下一個(gè)換向位置來延遲下一個(gè)定子線圈的連接，直到從檢測(cè)到一個(gè)換向位置(這個(gè)位置位于新檢測(cè)到的換向位置之前的一個(gè)預(yù)先確定的距離處)以后一個(gè)預(yù)定的延遲時(shí)間已經(jīng)過去為止。
圖3詳細(xì)地表明了線路結(jié)構(gòu)11和開關(guān)單元10的一種可能的實(shí)施例。在所示的開關(guān)單元10的實(shí)施例中，檢測(cè)信號(hào)Vd作為控制信號(hào)加到電壓控制的開關(guān)21的控制輸入端，開關(guān)21位于接線端9和定子線圈2的接線點(diǎn)12之間。檢測(cè)信號(hào)Vd在反相回路22中被反相。以這種方式所得到的反相后的檢測(cè)信號(hào)Vd′作為控制信號(hào)通過電阻23加到電壓控制的開關(guān)24的控制輸入端。然而，電壓控制的開關(guān)可以用所謂的FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)型的晶體管構(gòu)成。當(dāng)然，別的類型的開關(guān)也是可用的。
線路結(jié)構(gòu)11包括這樣一種類型的第一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25和第二單穩(wěn)觸發(fā)器26，它們能在其長(zhǎng)度等于延遲時(shí)間tr的時(shí)間段內(nèi)由于輸入信號(hào)從低電壓電平改變成高電壓電平的變化而輸出一個(gè)低電壓電平。在經(jīng)過延遲時(shí)間段tr之后輸出信號(hào)就變?yōu)楦唠妷弘娖健z測(cè)信號(hào)Vd作為輸入信號(hào)而加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25上。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)則經(jīng)過整流管27而加到電阻23和開關(guān)24的控制輸入端之間的接點(diǎn)28上。二極管27的陰極則接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25上，而二極管27的陽(yáng)極接到接點(diǎn)28上。反相后的檢測(cè)信號(hào)Vd′作為輸入信號(hào)加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26上。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26的輸出信號(hào)經(jīng)過二極管29加到電阻20和開關(guān)21的控制輸入端之間的接點(diǎn)30上。這樣，二極管29的陰極接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26而二極管29的陽(yáng)極則接到接點(diǎn)30上。
示于圖3的線路結(jié)構(gòu)的工作將參考圖4和5而在下面作進(jìn)一步的解釋。
圖4表示在速度低于某個(gè)限制速度的情況下，作為對(duì)時(shí)間t的函數(shù)的檢測(cè)信號(hào)Vd、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)Vm1、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26的輸出信號(hào)Vm2、開關(guān)21的控制輸入端的電壓Vs1、和開關(guān)24的控制輸入端的電壓Vs2。在t1這個(gè)瞬間，檢測(cè)信號(hào)Vd的信號(hào)電平從低變到高，導(dǎo)致單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)Vm1在時(shí)間段的長(zhǎng)度為延遲時(shí)間tr這段時(shí)間內(nèi)取低信號(hào)電平。在信號(hào)Vm1的信號(hào)電平再次成為高時(shí)，檢測(cè)信號(hào)Vd的信號(hào)電平在t2時(shí)從高變到低，從而使反相的檢測(cè)信號(hào)Vd′從低變到高。其結(jié)果是控制信號(hào)Vs1的電壓電平從高變到低并使開關(guān)21處于阻斷狀態(tài)。換句話說，定子線圈2被從直流電壓源7上斷開。由于信號(hào)Vm1的電壓電平已變成為高，控制信號(hào)Vs2的信號(hào)電平將根據(jù)反相的檢測(cè)電壓Vd′的信號(hào)電平的變化而從低變到高，這導(dǎo)致這樣的事實(shí)，即開關(guān)24被改變成導(dǎo)通狀態(tài)。換句話說，根據(jù)反相的檢測(cè)信號(hào)Vd′的信號(hào)電平由低變到高，定子線圈3被接到了直流電壓源7。
與此類似，在瞬間t3，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)Vd的信號(hào)電平從低變到高，定子線圈3從直流電壓源被斷開，與此同時(shí)，定子線圈2則再次接到電壓源7。
從圖4可以看到，只要檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)電平相繼各次變化之間的時(shí)間差超過延遲時(shí)間tr，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25和26的輸出信號(hào)Vm1和Vm2就不會(huì)對(duì)換向有任何影響。
圖5表示和圖4相同的信號(hào)，但這是在檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)電平的相繼各個(gè)變化之間的時(shí)間差小于延遲時(shí)間tr的情況下的信號(hào)。在圖5所示的檢測(cè)信號(hào)Vd中，在t1瞬間有一個(gè)信號(hào)電平從低到高的變化。如果在t2瞬間檢測(cè)信號(hào)Vd的信號(hào)電平再次變低，而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)Vm1的信號(hào)電平還沒有返回到高信號(hào)電平，因此開關(guān)24的控制信號(hào)Vs2的信號(hào)電平仍由二極管27保持在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)Vm1的低信號(hào)電平上，一直要到Vm1的信號(hào)電平再次變高為止。這發(fā)生在瞬間t3，這個(gè)瞬間相對(duì)于瞬間t1要偏移一段相應(yīng)于延遲時(shí)間tr的時(shí)間段。換句話說，控制信號(hào)Vs2的信號(hào)電平的改變被延遲了，一直要到從t1瞬間開始的那段具有時(shí)間長(zhǎng)度為延遲時(shí)間tr的時(shí)間段消逝為止。瞬間t1表示檢測(cè)到換向位置的那個(gè)瞬間，這個(gè)換向位置位于在瞬間t2檢測(cè)到的換向位置之前的一個(gè)預(yù)定距離(在目前情況下為180°)。
與此類似，在瞬間t4之后發(fā)生的檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)電平改變以后，控制信號(hào)Vs1的信號(hào)電平的改變也要被延遲直到從瞬間t2開始的相當(dāng)于延遲時(shí)間tr的時(shí)間段消逝為止。定子線圈的斷開并不受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號(hào)Vm1和Vm2的影響?？刂菩盘?hào)Vs1和Vs2的電平的增加則有兩方面的影響。
首先，作為控制信號(hào)電平上升延遲的后果，需要激勵(lì)的下一個(gè)定子線圈的連接發(fā)生在被移后(相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向而言)的換向位置處，這個(gè)移后是相對(duì)于屬于預(yù)換向的換向位置而言的。這一移后導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)功率的減小。
其次，在相繼的定子線圈激勵(lì)之間始終存在著一個(gè)無激勵(lì)的時(shí)間間隔，這也導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)功率的減小。上述的這兩種效應(yīng)導(dǎo)致這一事實(shí)，即在某一限定速度之上，在這一速度下檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)電平的相繼改變之間的時(shí)間間隔變得小于延遲時(shí)間tr，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率被減小因而速度受到限制。
在上面所說的電動(dòng)機(jī)的實(shí)施例中，在已激勵(lì)的定子線圈被斷開和下一個(gè)定子線圈被接通之間存在著一定的無激勵(lì)時(shí)間段，這時(shí)有一個(gè)有效的速度限制。在被激勵(lì)的定子線圈被斷開之后，被激勵(lì)定子線圈中所儲(chǔ)存的磁能需要被減少。通常，斷開的定子線圈被短路，例如通過一個(gè)所謂的慣性(或續(xù)流)二極管來短路。但是，這是不利的，因?yàn)槎ㄗ泳€圈由于伴隨的短路電流而被明顯地加熱。
一種能使定子線圈中熱損耗明顯減少的換向方法是這樣一種方法，其中的定子線圈被磁耦合且其中在一個(gè)已激勵(lì)的定子線圈斷開和下一個(gè)定子線圈連接之間不會(huì)發(fā)生無激勵(lì)的時(shí)間間隔。在這種情況下，在換向時(shí)在斷開的定子線圈中的磁能被傳送到和該斷開的定子線圈有磁耦合的定子線圈中。但是，這時(shí)有一個(gè)要求，即下一個(gè)定子線圈連接到直流電壓源要和已激勵(lì)線圈的斷開基本上同時(shí)發(fā)生。
在按照本發(fā)明的直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)施例被說明之前(在這個(gè)實(shí)施例中采取了預(yù)防措施以便即使在空載速度被限制的情況下斷開和接通仍是同時(shí)發(fā)生的)，首先要參考圖6來說明直流電動(dòng)機(jī)的磁回路的一個(gè)實(shí)施例，這個(gè)電動(dòng)機(jī)的各定子線圈之間存在著基本上完全的磁耦合。磁回路包括一個(gè)大體上為U形的導(dǎo)磁材料的定子。定子60的兩個(gè)凸極61和62的端部圍繞著一個(gè)基本上是圓柱形的空間，轉(zhuǎn)子4就以旋轉(zhuǎn)方式安裝在其中。雙線繞組圍繞定子60的凸極61和62。雙線繞組的第一根線63的繞組形成定子線圈2，而雙線繞組的第二根線64的繞組形成定子線圈3。由線63形成的定子線圈2位于開關(guān)24和接線端8之間。由線64形成的定線圈3位于開關(guān)21和接線端9之間。定子線圈的連接是這樣的，即在開關(guān)閉合(激勵(lì)狀態(tài))時(shí)由線圈2和3在定子中所產(chǎn)生的磁通的方向是相反的。圖6所示的磁路的實(shí)施例提供這樣的優(yōu)點(diǎn)，即在定子線圈2和3之間有充分的磁耦合。盡管由于在定子線圈之間有足夠完整的磁耦合而使圖6所示的實(shí)施例是優(yōu)選的，但應(yīng)該看到，其它的在定子線圈間能產(chǎn)生磁耦合的磁回路同樣是可能的。
圖7表示另一種把開關(guān)單元10和線路結(jié)構(gòu)11結(jié)合起來的實(shí)施例，這種實(shí)施例非常適合用于那種在定子線圈之間有磁耦合的無刷直流電動(dòng)機(jī)。在圖7中，和圖3所示的回路中各元件相當(dāng)?shù)脑哂邢嗤膮⒖紨?shù)字。
圖7所示的開關(guān)單元包括能基本上實(shí)現(xiàn)對(duì)連接的定子線圈和下一個(gè)定子線圈相應(yīng)的同時(shí)斷開和連接。這種裝置含有一個(gè)狀態(tài)存儲(chǔ)器，它可以產(chǎn)生多種不同的狀態(tài)，其中每個(gè)狀態(tài)相應(yīng)于一種激勵(lì)狀態(tài)。在圖7所示的實(shí)施例中這個(gè)狀態(tài)存儲(chǔ)器是由一個(gè)RS觸發(fā)器回路70形成的。RS觸發(fā)器回路70是一個(gè)常規(guī)類型，它根據(jù)信號(hào)電平另外的變化而當(dāng)在置位輸入端由低變高時(shí)它就置位而當(dāng)復(fù)位輸入端由低變高時(shí)它就復(fù)位。觸發(fā)器回路70的置位輸入端(S)接到交叉點(diǎn)28。復(fù)位輸入端(R)則接到交叉點(diǎn)30。觸發(fā)器回路70有兩個(gè)輸出，分別提供兩個(gè)輸出信號(hào)，它們是互為反相的并表明觸發(fā)器回路為置位或復(fù)位。觸發(fā)器回路70的輸出信號(hào)對(duì)開關(guān)21和24來說其有效性和控制信號(hào)Vs1和Vs2是一樣的，所以開關(guān)21和24可以根據(jù)觸發(fā)器回路70的狀態(tài)(置位或復(fù)位)而變成阻斷和導(dǎo)通狀態(tài)。由于開關(guān)21和24的控制信號(hào)總是互為反相的，所以一個(gè)定子線圈從直流電流源7的斷開總是和另一個(gè)定子線圈和直流電流源7的接通同時(shí)發(fā)生。
作為實(shí)例，圖8表示在圖7所示的實(shí)施例中所發(fā)生的按時(shí)間而繪制的信號(hào)Vd、Vm1、Vm2、Vs1和Vs2。這是在速度限制起作用時(shí)的情況。在這種情況下延遲時(shí)間tr超過了檢測(cè)信號(hào)Vd信號(hào)電平的兩次相繼變化之間的時(shí)間，使得換向的瞬間被延遲，這導(dǎo)致這樣一個(gè)事實(shí)，即電動(dòng)機(jī)的功率被減小，因而避免了速度進(jìn)一步增加。
上面所說明的發(fā)明是針對(duì)兩組電動(dòng)機(jī)的。很明顯，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，本發(fā)明無疑也可用于具有三相或更多定子線圈的直流電動(dòng)機(jī)。圖9作為例子表示了一個(gè)含有三個(gè)定子線圈80a、80b、80c的無刷電動(dòng)機(jī)的實(shí)施例。位置檢測(cè)器81檢測(cè)三個(gè)相互間偏移120°的相繼的換向位置。這些換向位置是轉(zhuǎn)子位置，在正常運(yùn)行時(shí)在這些位置上每次就有下一個(gè)定子線圈80要連接到直流電壓源82上。位置檢測(cè)器81是一種常規(guī)類型，它產(chǎn)生三個(gè)檢測(cè)電壓Vd1、Vd2和Vd3，其中從低信號(hào)電平轉(zhuǎn)變到高電平就表示位置檢測(cè)器81檢測(cè)到了該換向位置的時(shí)刻。圖10表示作為實(shí)例的相對(duì)轉(zhuǎn)子位置而繪制的檢測(cè)信號(hào)Vd1、Vd2和Vd3。檢測(cè)信號(hào)Vd1、Vd2和Vd3分別通過電阻83a、83b和83c而加到相應(yīng)的電壓控制的開關(guān)84a、84b和84c的控制輸入端上。為了延遲定子線圈80a對(duì)直流電壓源82的連接，電動(dòng)機(jī)含有一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器85a，它的輸入由檢測(cè)信號(hào)Vd3提供而它的輸出信號(hào)則通過二極管86a而加到電阻83a和開關(guān)84a的控制輸入端的交叉點(diǎn)。檢測(cè)信號(hào)Vd3表示檢測(cè)到一個(gè)換向位置，該位置位于另一個(gè)由檢測(cè)信號(hào)Vd1表示的所檢測(cè)到換向位置之前120°的地方。和參考圖3和圖5所作的說明相似，定子線圈80a的連接被延遲，直到檢測(cè)電壓Vd3的信號(hào)電平從上次的由低變高之后相當(dāng)于延遲時(shí)間tr的時(shí)間段已經(jīng)過去為止。與此相似，借助于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器85b和85c以及二極管86b和86c定子線圈80b和80c也被延遲。
圖11表示圖10所示的實(shí)施例的一個(gè)修正，這個(gè)修正包括由三個(gè)RS觸發(fā)器回路90a、90b和90c所形成的狀態(tài)存儲(chǔ)器，它們的置位輸入端(S)和復(fù)位輸入端(R)連接到電阻83和二極管86之間的交叉點(diǎn)上。作為使用狀態(tài)存儲(chǔ)器的結(jié)果，就可以和圖7所示的情況相似，實(shí)現(xiàn)已接通的定子線圈的斷開和下一個(gè)定子線圈的連接基本上同時(shí)發(fā)生。
圖12詳細(xì)表示線路結(jié)構(gòu)11的另外一種可能的實(shí)施例。檢測(cè)信號(hào)Vd通過電阻101作為輸入信號(hào)而加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)通過二級(jí)管103加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26的輸入端。反相后的檢測(cè)信號(hào)Vd′通過電阻102而作為輸入信號(hào)加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26的輸出信號(hào)則通過二極管104加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸入端。利用二極管103和104使得觸發(fā)器25和26相互耦合。電阻101和102用來防止Vd和Vd′的直接短路。示于圖3中的線路結(jié)構(gòu)的工作過程將在下面參考圖4和13而作進(jìn)一步說明。
圖4表示速度低于限制速度的情況下，作為時(shí)間t的函數(shù)的檢測(cè)電壓Vd、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)Vm1、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器26的輸出信號(hào)Vm2、開關(guān)21的控制輸入端上的電壓Vs1和開關(guān)24的控制輸入端上的電壓Vs2。從這里可見當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度低于限制速度時(shí)，圖3和圖12的線路的工作沒有什么差別。
圖13表示和圖4相同的信號(hào)，但這是在檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)電平各相繼變化之間的時(shí)間差圍繞著延遲時(shí)間tr而有所變動(dòng)的情況下的信號(hào)。在圖13所示的檢測(cè)信號(hào)Vd中在瞬間t1信號(hào)電平有一個(gè)從低到高的變化，然后在瞬間t2有一個(gè)從高到低的信號(hào)電平的變化。在t2這一瞬間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25的輸出信號(hào)Vm1的信號(hào)電平還沒有回到高信號(hào)電平，所以開關(guān)24的控制信號(hào)Vs2的信號(hào)電平仍由于二極管27的作用而保持在輸出信號(hào)Vm1的低信號(hào)電平上直到Vm1的信號(hào)電平再次變高為止。這發(fā)生在瞬間t3，相對(duì)于瞬間t1這個(gè)瞬間被偏移了一個(gè)相當(dāng)于延遲時(shí)間tr的長(zhǎng)度的時(shí)間段。換句話說，控制信號(hào)Vs2的信號(hào)電平的改變被延遲一個(gè)時(shí)間段tr-td1(這里td1＝t2－t1)直到從瞬間t1起長(zhǎng)度為延遲時(shí)間tr的時(shí)間段已過去為止。這個(gè)瞬間t1表示檢測(cè)到換向位置的時(shí)刻，這個(gè)位置位于在時(shí)間t2檢測(cè)到的換向位置之前的一個(gè)預(yù)定距離(在目前情況下為180°)的地方。
在檢測(cè)信號(hào)Vd的信號(hào)電平在瞬間t4發(fā)生改變之后，控制信號(hào)Vs1的信號(hào)電平的改變被延遲到t5，這時(shí)從瞬間t3(按照?qǐng)D3的實(shí)施例這是t2)開始相當(dāng)于延遲時(shí)間tr的時(shí)間段已消逝。這是因?yàn)橛|發(fā)器26只能在觸發(fā)器25的輸出已回到高信號(hào)電平時(shí)才可被觸發(fā)。換句話說，控制信號(hào)Vs1的信號(hào)電平的改變從瞬間t1開始被延遲了tr－td1＋tr－td2(這里td1＝t4－t2)這段時(shí)間。因此，由于觸發(fā)器的耦合而具有累積效果。由于現(xiàn)在的延遲是積累性的，所以速度的進(jìn)一步增大得以避免。這將導(dǎo)致一種延遲，只要td1、td2等大于tr，這種延遲就以累積方式增加。這會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在電動(dòng)機(jī)速度超過規(guī)定值時(shí)非常急劇下降，因而使電動(dòng)機(jī)速度實(shí)際上限制在上述速度。
作為一種說明圖14表示作為電動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)載Ptst的函數(shù)的按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的速度n的模式。帶有參考數(shù)字111的速度模式所表示的是按圖3的實(shí)施例。隨著負(fù)載Plst的減小速度n增加直到達(dá)到限制速度nb為止。隨著負(fù)載的減小，速度限制開始起作用，由于連接下一個(gè)定子線圈的時(shí)刻的偏移，電動(dòng)機(jī)功率減少因而使速度限制在nb和2nb之間。
帶有參考數(shù)字112的速度模式表示按照?qǐng)D12的實(shí)施例的情況。隨著負(fù)載Plst的減小速度增加直到達(dá)到限制速度nb為止。隨著負(fù)載的減少速度限制開始起作用，并且由于下一個(gè)定子線圈連接時(shí)刻的積累性偏移，電動(dòng)機(jī)功率減小直到達(dá)到相當(dāng)于限制速度nb時(shí)為止。
作為實(shí)施例14用虛線表示在沒有采取速度限制的預(yù)防措施的情況下速度的模式。通過設(shè)置延遲時(shí)間tr，限制速度nb也可被設(shè)置。在使用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)，例如在圖3和12所示的實(shí)施例的情況下，延遲時(shí)間tr可以簡(jiǎn)單地用設(shè)定電阻的阻值來設(shè)置，這個(gè)電阻控制輸出信號(hào)的電平的前一次下降的時(shí)間，而這前一次電平下降是由響應(yīng)檢測(cè)信號(hào)Vd的信號(hào)電平的變化而引起的。電位器31和32可以用來設(shè)置上述阻值，這個(gè)電位器連接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器25和26，它們的滑臂是以機(jī)械方式連結(jié)在一起的。
在此以前參考各實(shí)施例而說明的本發(fā)明，其中的換向回路都是用所謂的硬接線回路而形成的。應(yīng)該看到，按照本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)也可以制造成會(huì)有這樣的換向回路，在這種換向回路中各個(gè)定子線圈的斷開和連接是由所謂的程序控制的回路來確定的，這種回路的形式可以是例如裝有合適的控制程序的微處理器。
最后，應(yīng)該看到，本發(fā)明確實(shí)適合于和預(yù)換向結(jié)合使用，因?yàn)閷?duì)這種電動(dòng)機(jī)空載速度可以取極高的值。但是，本發(fā)明同樣適用于沒有采用預(yù)換向的電動(dòng)機(jī)。
權(quán)利要求
1.無刷直流電動(dòng)機(jī)，包括—帶有至少兩個(gè)定子線圈的一個(gè)定子，—以旋轉(zhuǎn)方式相對(duì)于定子而安裝的一個(gè)轉(zhuǎn)子—用于檢測(cè)預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置的位置檢測(cè)裝置，—用于按預(yù)定的循環(huán)順序分別將定子線圈接到一個(gè)電源或從電源斷開的電子換向裝置，其特征在于該換向裝置至少包含兩個(gè)延遲裝置，每個(gè)延遲裝置用于根據(jù)檢測(cè)到在各預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置的下一個(gè)新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置時(shí)延遲對(duì)下一個(gè)定子線圈的連接，直到在檢測(cè)到一個(gè)轉(zhuǎn)子位置之后一個(gè)預(yù)定的延遲時(shí)間已消逝時(shí)為止，這個(gè)轉(zhuǎn)子位置位于新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置之前的一個(gè)預(yù)定距離處。
2.權(quán)利要求1所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于延遲時(shí)間開始于檢測(cè)到位于新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置之前一個(gè)預(yù)定距離處的轉(zhuǎn)子位置的時(shí)刻。
3.權(quán)利要求1所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于延遲時(shí)間的開始時(shí)刻要根據(jù)檢測(cè)到位于新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置之前一個(gè)預(yù)定距離處的轉(zhuǎn)子位置，而這時(shí)另一個(gè)延遲裝置的延遲時(shí)間已經(jīng)消逝。
4.前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于定子線圈是磁耦合的并在于換向回路含有能使已連接的線圈的斷開和下一個(gè)定子線圈的連接基本上同時(shí)發(fā)生的裝置。
5.權(quán)利要求4所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于實(shí)現(xiàn)同時(shí)連接和斷開的裝置包括一個(gè)狀態(tài)存儲(chǔ)器。它可以處于各種狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一種激勵(lì)狀態(tài)，其中的換向裝置包括用于連接和斷開定子繞組的可控開關(guān)和用于根據(jù)狀態(tài)存儲(chǔ)器的狀態(tài)把開關(guān)相應(yīng)地變成阻斷或?qū)顟B(tài)的裝置，和使?fàn)顟B(tài)存儲(chǔ)器根據(jù)檢測(cè)到的預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置而改變狀態(tài)的裝置，和其中的延遲裝置被安排成通過延遲存儲(chǔ)器的狀態(tài)的改變而延遲連接操作。
6.權(quán)利要求5所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于，存儲(chǔ)器改變裝置包括用于根據(jù)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置而導(dǎo)出修改信號(hào)以實(shí)現(xiàn)修改狀態(tài)存儲(chǔ)器的狀態(tài)的裝置和在于延遲裝置是這樣安排的，使得它們?cè)跈z測(cè)到位于新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置之前的一預(yù)定距離處的轉(zhuǎn)子位置之后的一段預(yù)定延遲時(shí)間內(nèi)抑制該修改信號(hào)。
7.權(quán)利要求6所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于該信號(hào)抑制裝置包括能響應(yīng)對(duì)預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置所作檢測(cè)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，觸發(fā)器的輸出通過二極管而接到狀態(tài)存儲(chǔ)器的控制輸入端以接收修改信號(hào)。
8.權(quán)利要求3和7所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于一個(gè)延遲裝置的觸發(fā)器的輸出通過二極管而連接到另一個(gè)延遲裝置的觸發(fā)器的輸入端。
9.上述權(quán)利要求之一中所述的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于提供了設(shè)置裝置用于設(shè)置預(yù)定的延遲時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直流電動(dòng)機(jī)(1)，包括至少帶有兩個(gè)定子線圈(2，3)的定子(60)、可相對(duì)于定子作旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(4)、檢測(cè)預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置的位置檢測(cè)器(5)、用于按預(yù)定的循環(huán)順序把定子線圈分別接通電源(7)或從電源斷開的電子換向回路(6)。為了限制空載速度，換向裝置(6)含有一個(gè)電路(11)，用于根據(jù)新檢測(cè)到下一個(gè)預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置來延遲下一個(gè)定子線圈(2)或(3)的連接，直到在檢測(cè)到距新檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置有一預(yù)定距離的轉(zhuǎn)子位置之后的一個(gè)預(yù)定的延遲時(shí)間(t
文檔編號(hào)H02K21/18GK1123070SQ95190069
公開日1996年5月22日 申請(qǐng)日期1995年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月9日
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