CN1340235A - 无电刷电动机及其驱动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无电刷电动机及其驱动控制装置。本发明的无电刷电动机具备定子和转子,定子由在圆周方向3n等分位置上(n为2以上的整数)具有分别向半径方向内侧突出的柱状部的磁极,有从各柱状部的前端部沿圆周方向延伸出的磁极片,围着磁极的柱状部分分别缠绕相绕组构成;转子在圆周方向2n等分的位置处分别形成磁体插入孔,永磁体插入其中,形成圆周方向见到的永磁体相互间的间隔部形成连结转子铁芯内圆部与外圆部的连接通路。磁极片的平均厚度设定为运转时非通电状态的相绕组的感应电压的零交叉附近的电压波形不产生振荡的厚度。

Description

无电刷电动机及其驱动控制装置

技术领域

本发明涉及无电刷电动机，特别是涉及适于为驱动空调等的压缩机而附设于压缩机上的无电刷电动机及其驱动控制装置。

背景技术

众所周知，这种无电刷电动机的结构如图4所示。该无电刷电动机10由在圆周方向6等分的位置上分别具有在半径方向上向内侧突出的磁极2、在其上缠绕着相绕组(图中省略未图示)构成的定子1、以及在圆周方向上4等分的位置上分别形成的磁体插入孔中插入永久磁体9形成的转子5构成。定子1上形成的磁极2分别将磁通密度分布形成所希望的形状，同时还有起着机械性支承相绕组的作用磁极片3。在转子5上的永久磁体9对着定子内圆周面的小直径面和靠近转子轴的大直径面形成大致上同心的反圆弧状，使大直径向朝着转子轴存放。在转子5的铁芯部分设置同样形状的磁体插入孔，永久磁体9插入该磁体插入孔。转子铁芯之中，永久磁体9的小直径面和磁隙间形成转子铁芯外圆部6，介于与相邻的永久磁体9相互之间的铁芯部分形成将转子铁芯外圆部6与转子铁芯内圆部8相连的转子铁芯连接通路7。这些永久磁体9的朝着定子内圆面的小直径面分别依照S、N、S、N的顺序形成4个磁极。

驱动该无电刷电动机时，备有输出直流电压的直流电压电路、以及将该直流电压电路的输出电压变换成模拟三相交流电的开关电路。图5为一个表示这样的驱动控制装置示例的电路图。在该图中，交流电源11的交流电压利用全波整流电路等构成的作为直流电压电路的整流电路变换成直流电压，所得到的直流电压供给开关电路13。开关电路13有6个开关元件U+、U-、V+、V-、W+、W-，其中，开关元件U+和U-构成串联电路，连接在整流电路12的输出端子之间，同样，开关元件V+和V-以及W+和W-分别构成串联电路，连接在整流电路12的输出端之间。各开关元件U+、U-、V+、V-、W+、W-分别与回流二极管反并联连接。各串联电路开关元件的相互连接点分别连接在无电刷电动机10的外部连接端子a、b、c上，电动机10的各相绕组形成星形连接。

在这里，开关电路13的一个串联电路的正侧开关元件及另一个串联电路的负侧开关元件中，一个连续导通，另一个断续导通，并通过依次切换该连续导通及断续导通开关元件，依次使无电刷电动机10的各相绕组通电。利用对各相绕组依次通电，定子产生旋转磁场。通过该旋转磁场与转子产生的磁场的相互作用，使转子5旋转。

随着转子5的旋转，在非通电状态的相绕组上感应出电压。根据这一感应电压，位置检测部14检测出转子旋转位置。即位置检测部14根据非通电状态的相绕组感应电压的变化，检测转子的旋转位置，将位置信号送给控制部15。还有，在位置检测部14中，将在非通电状态的相绕组上产生的感应电压的电平与预定的基准电压电平相比较，而电平在允许差时，此时的转子旋转位置被检测出作为基准旋转位置。根据这样检测出的基准旋转位置，控制部15对各相绕组的通电切换，即控制换流的时刻。而且靠反复进行的通电切换，转子继续旋转。在这里，位置检测部14将整流电路12的直流输出电压作为动作电源，对于相绕组的中性点，输入暂处于非通电状态的相绕组的端子电压，检测出转子的旋转位置。

图6表示构成位置检测部14三个相的检测电路中，其中1相的检测电路的详细情况，在U相绕组处于非通电状态时，从中性点处看到的U相绕组的端子电压Va例如施加在低通滤波器构成的模拟滤波器141上。再者，该模拟滤波器141的输出加在比较器142的同相输入端子(+)上，另一方面中性点电压Vp原封不动加在比较器142的倒相输入端子(-)上。比较器142将加在倒相输入端子(-)上的电压Vp作为基准，加在同相输入端子(+)上的电压，即通过滤波器所得的U相绕组的端子电压比基准电压还低时，输出逻辑“0”的信号，与基准电压电平相同或比其高时，输出逻辑“1”的信号。现在假设中性点接地，其电压为零，则U相绕组的端子电压与中性点电压交叉的点，即零交叉点上比较器142的输出信号的逻辑电平发生变化。这一变化点作为无电刷电动机10的转子旋转位置被检测出来。

图7为表示U相绕组的端子电压Va、中性点电压Vp、和通过模拟滤波器141得到的端子电压Vfa的关系的波形图。即在停止通电期间，感应出电压Eu，感应电压Eu与中性点Vp交叉的点，即所谓零交叉点P及Q作为转子的旋转位置检测出来。本来，因转子的磁极产生的磁通引起的感应电压呈实线和虚线所示的正弦波形状，但由于存在因换流造成的停止通电期间和通电期间，所以以实线表示的端子电压Va加在模拟滤波器141上，以虚线表示的电压Vfa加在比较器142上。在这种情况下，通过模拟滤波器141的电压Vfa比端子电压Va在相位上滞后90°，即使对于端子电压Vfa和中性点电压Vp的零交叉点，与端子电压Va和中性点电压Vp的零交叉点相比，也要产生90°相位滞后。

在上述无电刷电动机与其驱动控制装置组成的电动机系统中，产生图7的零交叉点P的时刻是无电刷电动机10的转子位置处在图8的状态的时刻。亦即在V相和W相的相绕组4流过图示方向的电流，U相的相绕组4则没有电流不流动的状态的时刻。

另一方面，与U相绕组交链的磁通不仅有永磁体9产生的磁通，还有因绕组电流的磁动势即电枢磁动势产生的磁通，作为其之一部分，如图9所示，有从W相的磁极2开始通过转子铁芯连接通路7至U相的磁极2的磁通φ_L。图10表示转子5比图9的情况稍作转动时的定子1及转子5的位置关系。在从图9的状态至图10的状态的过程中，转子铁芯连接通路7变得不与U相的磁极2相向，从W相的磁极2通过转子铁芯连接通路7，与U相磁极2的相绕组交链的磁通急剧减少，感应电压Eu如图11所示，在中性点电压Vp的附近振荡。由该电枢磁动势磁通的剧变引起的感应电压Eu的振荡通常是磁极2的磁极片3的厚度越厚，转子铁芯连接通路7的宽度越宽则振荡就越大。由于该感应电压Eu的振荡，通过模拟过滤器141之后的端子电压波形图变成图11的Vfb那样，与无振荡时的波形Vfa相比在较早的时刻到达中性点电压Vp的电平，与假零交叉点Pb相对应，检出错误的零交叉点P。总之，不管有无模拟滤波器141，转子5的旋转位置检测都会出错，无电刷电动机的正确驱动会变得困难。还有，在位置检测部14还不具有模拟滤波器的方式的情况下，感应电压Eu的振荡部分与中性点电压Vp的电平提早发生交叉，从而检测出错误的零交叉点Pb。

发明内容

本发明的目的在于提供抑制基于电枢磁动势的由于漏磁通产生的感应电压的振荡，因而不容易产生驱动异常的无电刷电动机及其驱动控制装置。

为达到上述目的，本发明提供具有以下特征的无电刷电动机，它具备定子和转子；定子是具有在圆周方向3n等分的位置上(n为2以上的整数)分别向半径方向内侧突出的柱状部的电极，有从各个柱状部的前端部向圆周方向延伸出去的磁极，围着磁极的柱状部分别缠绕相绕组构成的，转子在圆周方向2n等分的位置上分别形成的磁体插入孔中插入永磁体，形成在圆周方向见到的相邻永磁体间的间隔部位形成连结转子铁芯的内圆部与外圆部的连接通路。磁极片的平均厚度设定为，运转时非通电状态的相绕组的感应电压的零交叉点附近的电压波形不产生振荡的厚度。

采用本发明，利用抑制由电枢磁动势产生的漏磁通引起的感应电压的振荡，就能获得不容易产生驱动异常的无电刷电动机。

本发明也可以是n＝2，在圆周方向上6等分处形成磁极，磁极片前端部厚度大约为1mm或比其稍薄些，磁极片从前端部向柱状部逐渐变厚，磁极片背面与磁极柱状部侧面形成的角度为130度或比其稍小些。

本发明也可以是n＝2，在圆周方向上6等分处形成磁极，磁极片前端部厚度大约为1mm或比其稍薄些，连结磁极片背面的前端部与背面基部的连线与柱状部的侧面构成的角度为130度或比其稍小些。

转子连接通路圆周方向的宽度可做成2mm左右或或比其稍窄些。利用将连接通路圆周方向的宽度做成2mm以下或比其稍窄些，不会使连接通路宽度做得过窄，可以便利于铁芯冲栽作业和防止转子强度降低。

将非通电状态的相绕组的感应电压直接与基准电压比较，能够检测出转子的旋转位置。利用将非通电状态相绕组的感应电压直接与基准电压比较，检测出转子的旋转位置，能够获得旋转位置检测部的间隔简化的驱动控制装置。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的无电刷电动机一实施动态的结构的，从轴向所见的电动机定子的部分正视图。

图2是说明图1所示实施形态的动态特性的，与3种磁极片形状相对应的波形图。

图3A及图3B为表示本发明所涉及的无电刷电动机的另一实施形态的结构的，从轴向所见的电动机定子部分的正视图。

图4为说明已有的无电刷电动机的大概结构的，从轴向所见的电动机的正视图。

图5为表示驱动无电刷电动机的一般的驱动控制装置的方框图。

图6为表示图4所示的驱动控制装置的位置检测部的详细结构的电路图。

图7为说明图6所示的位置检测部的动作用的波形图。

图8为用于说明因电枢磁动势磁通的剧变产生的感应电压振荡的，从轴向所见的无电刷电动机的正视图。

图9为用于说明因电枢磁动势磁通的剧变产生的感应电压振荡的，从轴同所见的无电刷电动机的正视图。

图10为用于说明因电枢磁动势磁通的剧变产生的感应电压振荡的，从轴向所见的无电刷电动机的正视图。

图11为用于说明因电枢磁动势磁通的剧变产生的感应电压振荡的波形图。

具体实施方式

下面根据附图所示的合适的实施例对本发明作详细说明。

图1为本发明所涉及的无电刷电动机一实施例从轴向所见的定子1的部分正视图。图中定子1上，与其轴芯0相对，在圆周方向6等分位置处设定的假想轴X上，分别形成6个具有向半径方向内侧突出的柱状部2c的磁极2。在这些磁极2上形成从各个柱状部2c的半径方向内侧的端部向圆周方向延伸的磁极片3，该磁极片3具有使磁隙的磁通密度分布呈所希望形状的作用，同时，还具有在机械上支承相绕组的作用。

与磁极2及磁极片的转子相对的端面分别与转子的外径对应，形成半径R一定的圆柱面的一部分。磁极2具有以X轴为中心，在其两侧对称形成的互相平行的侧面2a、2b。另外，磁极片3相对于前端部厚度T具有越向柱状部2c厚度越厚的外形，该磁极片3的背面3a为缠绕相绕组的面。将相邻的磁极2的两磁极片3前端部相互间在圆周方向上的间隔假记为G，该间隔G选定为例如相绕组能缠绕的最小尺寸。对于该定子1，使用装有4个永磁体9的转子5(参照图8、9、10)(图1中未予示出)。

如前所述，电枢磁动势磁通剧变产生的感应电压Eu的振荡，根据磁极2的磁极片3的厚度越厚，转子铁芯连接通路7的宽度越宽振荡就越大的经验，发明者们曾尝试过各种实验。

在该情况下，转子的直径取60mm，连接转子铁芯的内圆部和外圆部的连接通路在圆周方向的宽度从保证有足够的强度的角度出发做成2mm或比其稍窄些。另一方面，在定子1中，设冲栽成型的钢片厚度为0.5mm，则磁极片3前端部的厚度T的最小值限制在0.5～1.0mm。在本实施例中，设前端部的厚度T为1.0mm，前端部的位置固定在同一位置，将呈楔状的磁极片3的基干部分的厚度即平均厚度做成三种厚度，观测感应电压波形。还有，磁极片3的背面记为3a，和与该背面3a相邻的柱状部2c的侧面2a形成的角度记为θ，以作为磁极片3平均厚度的表达。

如图所示，背面3a和侧面2a间的角度θ越小，则磁极片3的平均厚度就变得越薄，反之，角度θ越大，磁极片3的平均厚度就变得越厚。因此，选该角度为θ₁＝120度、θ₂＝130度、θ₃＝145度制作3种定子，而其它条件相同，测定相绕组的端子电压，得到图2所示的电压波形A、B、C。着重观察这些端子电压的感应电压，则在θ₁＝145度的磁极的情况下，在中性点电压Vp的附近发生振荡，θ₂＝130度的磁极的情况下，在中性点电压Vp的附近发生波形畸变，提早交叉，θ₁＝120度的磁极的情况下，正弦波电压在与中性点电压Vp大致相同的时刻与中性点电压Vp交叉。

其结果是，所得的结论为，因电枢磁动势磁通的剧变产生的感应电压Eu的振荡只要将磁体2的磁极片3的平均厚度减薄就可除去。换言之，选择非通电状态的相绕组的感应电压的零交叉附近的电压波形不产生振荡的厚度即可，如本实施例那样，在圆周方向等分处共计设置6个磁极2，将磁极片3的前端部厚度做成1mm左右或比此稍薄的情况下，利用使磁极片3的背面3a与柱状部2c的侧面2a所成的角度为120度或比此稍小些的方法，就能防止电压振荡，角度θ为120度是最好的，从磁极片3的强度来看可以说是最好的设计。

图3A及图3B表示本发明所涉及的无电刷电动机的其他实施例的结构，从轴向所见的定子1的部分正视图。图3A所示的是磁极片3的背面形成阶梯状，随着从其圆周方向前端起往柱状部，其厚度变化如t1、t2(＞t1)、t3(＞t2)。图3B所示为将磁极3的背面形成具有与该背面大致相等、或比其稍大的半径R′的圆弧面。不论图3A还是图3B，都将磁极片3的背面前端与背面基部的连接线和柱状部2c的侧面2a构成的角度θ做成120度或比此稍小些。以此能获得与图1所示实施例同样的效果。但毋庸多言，在图3A所示的磁极片3的背面形成的阶梯数适当变化也能够实施。

再者，在上述实施例中，是就具备下面所述定子和转子的无电刷电动机作出说明，即定子形成具有在圆周方向6等分的位置上分别向半径方向内侧突出的柱状部2c及从柱状部2c的前端部向圆周方向延伸出去的磁极片3的磁极2，转子在圆周4等分的位置上分别形成磁体插入口，永久磁体插入其中，但本发明适用的情况并不仅限于此，也能广泛应用于具备在圆周方向3n等分的位置上(n为2以上的整数)分别具有向半径方向内侧突出的磁极的定子和在圆周方向2n等分位置上分别配置永磁体的转子的无电刷电动机。

还有，上述实施例也可以构成这样的驱动控制装置，即将端子电压加在模拟滤波器141上，其输出加在比较器142上，检测转子的旋转位置，但是也可以采用如下所述的构成，即取出相绕组在非通电状态期间的感应电压，将这一感应电压与作为基准电压的中性点电压相比较，检测两者交叉的时刻。

Claims (5)

1.一种无电刷电动机，其特征在于，具备

具有在圆周方向3n等分位置上分别向半径方向内侧突出的柱状部的磁极，有从各个柱状部的前端部向圆周方向延伸出去的磁极片，围着所述磁极的柱状部分别缠绕相绕组而构成的定子，以及在圆周方向2n等分的位置上分别形成的磁体插入孔中插入永磁体，圆周方向见到的永磁体相互间的间隔部位形成连结转子铁芯的内圆部和外圆部的连接通路的转子，其中n为2以上的整数，

所述磁极片的平均厚度设定为在运转时非通电状态的相绕组的感应电压的零交叉附近的电压波形不产生振荡的厚度。

2.如权利要求1所述的无电刷电动机，其特征在于，

n＝2，所述磁极在圆周方向上6等分处形成，所述磁极片前端部厚度大约为1mm或比其稍薄些，所述磁极片从前端部起向柱状部渐渐增厚，所述磁极片背面与所述柱状部的侧面所构成的角度为130度或比此稍小些。

3.如权利要求1所述的无电刷电动机，其特征在于，

n＝2，所述磁极在圆周方向上6等分处形成，所述磁极片前端部厚度大约为1mm或比此稍薄些，所述磁极片的连结背面的前端部和背面基部的连接线与所述柱状部侧面形成的角度为130度或比此稍小些。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的无电刷电动机，其特征在于：

所述转子的连接通路的圆周方向上的宽度为2mm或比此稍窄些。

5.一种无电刷电动机的驱动控制装置，是如权利要求1至4中任何一项所述的无电刷电动机的驱动控制装置，其特征在于，

直接将所述非通电状态的相绕组的感应电压与基准电压加以比较，检测所述转子的旋转位置。

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