專利名稱：二相與三相混合型無刷直流電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無刷直流電機，尤其涉及用具有90度相位差的二相無刷 直流電機驅動電流來產生具有30度相位差的轉矩，從而不僅減小無刷直流電 機轉矩(torque)的轉矩脈動、增大起動轉矩，而且與具有60度相位差的三 相無刷直流電機的轉子相比可以增加轉子磁路的磁導(permeance)系數而提 高電機效率的二相與三相混合型無刷直流電機(Brushless DC motor )。
背景技術：
通常，無刷直流電機是指將機械的電刷、換向器替換為電裝置的直流 (DC)電機。因此，無刷直流電機具有不發生磨損和灰塵、沒有電噪聲、輸出功率和 效率好的優點而適合作為高速旋轉型電機，并作為下一代電機從多方面進行 著研究和開發。這種無刷直流電機由于將纏繞線圏的直流電機轉子替換為永久磁鐵，其 速度控制方法也由電壓控制方式改為勵磁相位控制方式，因此需要采用驅動 電路。通常，無刷直流電機由永久磁鐵轉子和根據電子開關電路的整流電壓而 被勵磁的電樞構成。二相無刷直流電機以具有90度相位差的電勵磁角被驅動，并由具有2 x n個極的永久磁鐵轉子和具有4 x n個極線圏的電樞構成。另夕卜，三相無刷直流電機以具有60度相位差的勵》茲角被驅動，并由具有 2 x n個極的永久;茲鐵轉子和具有6 x n個極線圈的電樞構成。圖1為表示現有的二相無刷直流電機的旋轉動力變換結構的示意圖，圖 2為用于表示這種現有二相無刷直流電機的驅動步驟的轉矩波形圖。現有的二相無刷直流電機如圖i所示，由基本的二極轉子2和具有四個 極線圈的電樞1構成。這種二相無刷直流電機如圖2所示，以90度相位差產生轉矩。此時，由于在0~ 180度之間有線圏電流流動，而在0 45度之間因反電 動勢較小而流動大電流，因此需要注意驅動電路，而且轉矩脈動(Torque Ripple )角大。并且，為了增大電積J茲路的磁導系數而最大限度地利用磁能，最好減小 轉子2的永久磁鐵極間距離、增大對應于轉子2永久磁鐵極面積的電樞1極 面積并減'J、空隙(air gap )。但是，二相無刷直流電機由于從結構上只能構成2 x n極轉子2和4 x n 極電樞1線團，因此轉子2的永久磁鐵極間距離比電樞的線圏極更長且對應 于永久磁鐵極面積的電樞1的磁性面積較小，這導致磁導系數低、磁能利用 效率不高。因而，這種二相無刷直流電機一般轉矩脈動大，起動轉矩小，不適合作 大型電機。圖3為表示現有的三相無刷直流電機的旋轉動力變換結構的示意圖，圖 4為用于表示這種三相無刷直流電機的驅動步驟的轉矩波形圖。另外，現有的三相無刷直流電機如圖3所示，由基本的二極轉子20和具 有六個極線團的電樞IO構成。這種三相無刷直流電^L如圖4所示，以60度相位差產生轉矩，在0 ~ 120 度之間有線團電流流動，而在0~30度之間存在反電動勢小的轉矩脈動 (torque ripple)角。這種三相無刷直流電機雖然優于二相無刷直流電機，但是從結構上只能 構成2 x n極轉子20和6 x n極電樞10線圖，因此轉子20的永久磁鐵極間距 離長且對應于永久磁鐵極面積的電樞磁性極面積較小，這導致磁導系數和磁 能利用效率都不大。如此，即使采用作為現有最佳驅動方式的電波雙極(bipolar)勵磁方式 的二相或三相無刷直流電機，因其結構原理只能有限地利用磁能，而且提高 效率時也存在結構性問題。發明內容本發明是為了解決現有技術中存在的上述問題和限制而提出的，其目的 在于提供一種二相無刷直流電機，該二相無刷直流電機通過構成具有比電樞 線圏極更多的分割極數的永久磁鐵轉子使電機的磁能利用率極大化，并通過將旋轉驅動相位差最小化為30度，從而可以提高大容量的轉矩特性和效率。 本發明的另一目的在于提供一種可以最大限度地利用有效磁能的二相無 刷直流電機，為此構成具有6xn個永久磁鐵極的轉子，使其轉子極數比現有 的具有2 x n個基本極的二相或三相電機多三倍，以增加轉子的永久磁鐵單體 的磁導系數，并布置具有4xn個線圈極的電樞，以確保電樞極面積與轉子永 久磁鐵極的相對面積相同，從而增加動作點的磁導系數。本發明的目的還在于提供一種二相與三相混合型無刷直流電機，該無刷 直流電機在電樞的各線圈極之間構成輔助凸極(Auxiliary salient pole )而構成 可以最大限度地減小因具有6xn極的轉子的相互作用而可能發生的轉矩波 動的磁路，并且相對轉子極數將電樞線圈數量最小化為4xn個，從而可以減 小銅耗，節減材料成本。本發明所提供的無刷直流電機，其特征在于包含二相線圈電樞，該二 相線圈電樞形成4的倍數(4xn)個線圏極，并在所述線圏極與線圈極之間 形成輔助凸極；由具有相同分割角的6的倍數(6xn)個永久磁鐵轉子極構 成的轉子。
圖1為表示現有的二相無刷直流電機的旋轉動力變換結構的示意圖； 圖2為用于表示現有二相無刷直流電機的驅動步驟的轉矩示意圖； 圖3為表示現有的三相無刷直流電機的旋轉動力變換結構的示意圖； 圖4為用于表示現有三相無刷直流電機的驅動步驟的轉矩示意圖； 圖5為表示本發明提供的二相無刷直流電機(4S6R)的旋轉動力變換結 構的示意圖；圖6為本發明中用于表示二相無刷直流電機的驅動步驟的轉矩示意圖； 圖7為本發明中構成二相無刷直流電機驅動電路的示例圖； 圖8為本發明中表示無刷直流電機的磁導系數的示意圖。
具體實施方式
本發明所提供的電機以形成四個線圈極的二相線圈電樞和以60度分割 角劃分的六極永久磁鐵轉子的組合為基本結構，由此可以得到由具有4 x n個 極的電樞和具有6 x n個極的永久磁鐵轉子組合而成的電機。下面參照圖5至圖7舉例說明作為本發明基本結構的具有四極電樞線圏和六極轉子極(4S6R) 的電機結構及作用。如圖5所示，本發明所提供的電機包含由四個二相線圏構成的電樞100、 由具有60度分割角的永久磁鐵構成的轉子200、形成在電樞100的各線圖極 101之間的四個輔助凸極(Auxiliary salient pole ) 300，而且所述電樞100在 每個90度分割位置分別設置一個與轉子200永久磁鐵一極的分割面相同的線 圏極101。具有上述結構的本發明實施例的電樞100在每個90度分割位置分別設置 一個與形成60度分割角的轉子永久磁鐵一極的分割面相同的線圏極101，從 而形成四個二相線圏101a。由此，在電樞100的線圏極101與線圈極101之間留有30度的分割角余 量，在此電樞100的線圈極101與線圏極101之間的分割剩余角內形成所述 輔助凸極300，為了能夠插入線圈繞組所述輔助凸極300的面大小應減去2 ~ 3mm長度。所述轉子200為將具有60度分割角的六個永久磁鐵極交替布置為N極 和S極而構成。所述電樞100的線圈101a通過在各電樞100的線圈極101插槽(slot) 內插入具有卯度相位差的二相線圏/A、 /B而構成。具有上述結構的形成輔助凸極的二相無刷直流電機各相的勵磁電流特性 如圖6所示，每一步驟(Step)具有30度的相位差，而且每旋轉一次時具有 3Hz/相的開關頻率特性。這與如圖2所示的每一步驟具有90度相位差的現有二相無刷直流電機的 勵磁電流特性和如圖4所示每一步驟具有60度相位差的三相無刷直流電機相 比旋轉步驟角度小，因此具有非常穩定的轉矩及起動特性。由于本發明提供的二相無刷直流電機具有4的倍數個電樞極和6的倍數 個轉子極，因此還可以得到由8極電樞和具有30度分割角的12極轉子極組 合而成的電機或由12極電樞和具有20度分割角的18極轉子極組合而成的電 機。圖8為本發明中表示無刷直流電機的磁導系數的示意圖。 如上所述具有比電樞的線圏極更多的分割極數的本發明所提供的永久磁 鐵轉子，由于磁鐵單體的極間距離變短，因此如圖8所示其磁導系數P3大于現有二相無刷直流電機的磁導系數pi和現有三相無刷直流電機的磁導系數P2,因而易于進行可以最大限度地利用電機的有效磁能的有效設計。圖7為本發明中，本發明所提供的二相無刷直流電機驅動電路的構成示例圖。如圖7所示，所構成的驅動電路包含轉子位置檢測傳感器(400、 400')、 根據轉子位置檢測傳感器(400、 400')所檢測出的轉子位置驅動二相勵磁開 關信號的二相邏輯電路500、根據二相邏輯電路500的二相勵磁開關信號在 電樞100的二相線圏中流通電流而使電機運行的開關電路600,從而用于驅 動本發明提供的二相無刷直流電機。綜上所述，本發明將二相驅動裝置應用于二相與三相混合型電機，同時 可以得到比三相無刷直流電機更加細化的轉矩角，因此可以得到穩定而強勁 的起動轉矩和旋轉特性，尤其在中低速運行時可以得到平穩的高效率特性。本發明由于可以有效利用有效磁能，因此可以減小電機設計尺寸、減小 電樞和繞組線圏量，因而可以減小體積和重量，由此可以減小制造成本而提 高經濟性。
權利要求
1. 一種二相與三相混合型無刷直流電機，其特征在于包含二相線圈電樞，該二相線圈電樞形成4的倍數(4×n)個線圈極，并在所述線圈極與線圈極之間形成輔助凸極；由具有相同分割角的6的倍數(6×n)個三相永久磁鐵轉子極構成的轉子；并且，所述電樞的線圈極與轉子的永久磁鐵轉子極的一個極面相一致。
2、 根據權利要求1所述的二相與三相混合型無刷直流電機，其特征在于 所述輔助凸極通過從線圈極與線圈極之間形成的剩余角中減去用于插入纏繞 在線圈極上的繞組的空間而設定。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種最大限度地增加無刷直流電機(Brushless DCmotor)的轉子系磁導(permeance)系數而改善效率和起動特性，并且可以衰減轉矩脈動(torque ripple)和噪音的無刷直流電機。本發明所提供的無刷直流電機涉及由形成具有四的倍數個極的二相線圈和輔助凸極(Auxiliarysalient pole)的電樞和具有六的倍數個三相轉子極的永久磁鐵轉子(Rotor)結合而構成，并且可以由二相電機用電力變換及電子整流控制裝置驅動的二相及三相混合型無刷直流電機。
文檔編號H02K29/00GK101252302SQ20071007870
公開日2008年8月27日 申請日期2007年2月25日 優先權日2007年2月25日
發明者鄭榮春 申請人:鄭榮春