高效直流永磁无刷电机和驱动器电路制造技术

本发明专利技术提供高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其驱动电路在每次驱动时给大部份绕组同时通电驱动，在提高电机功率的同时又避免了传统的星型或者三角形接法的无刷电机中有一定数量的电枢齿受到在一相绕组产生南极的同时又被另一相绕组产生北极而产生电能损耗使效率降低的弊端。由于对多相绕组同时都进行驱动，使得绕组线圈的利用率增大并增加了电机的功率密度。在每次驱动时都对含有永磁体的磁性转子的全部南北极都进行驱动从而使得转子的转矩和功率增加，实现了高的电能驱动效率和高的功率密度。在新能源汽车和无人机等讲究能效和功率的地方有广泛的应用前景。和功率的地方有广泛的应用前景。和功率的地方有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
高效直流永磁无刷电机和驱动器电路
[0001]本专利技术公开了高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，包括无刷电机和无刷电机驱动器电路。


[0002]本专利技术涉及无刷电机和无刷电机驱动器电路


技术介绍
：
[0003]无刷电机由电机主体和驱动器电路组成，是一种典型的机电一体化产品。
[0004]在新能源电动汽车中广泛采用无刷电机，它的效率直接影响电动汽车的单次充电后的巡航里程，如何提高无刷电机的效率成为极为关键的因素。而提高无刷电机的功率也是使用中极为重要的因素，高效的电能驱动才能带来高效的能量转换从而带来更长的续航里程和节约能源，而提高无刷电机的功率密度也是重要的需求。在传统的无刷电机中，大量采用绕组线圈跨电枢齿的绕制方式，如三相绕组的无刷电机大部分是按跨过二个电枢齿绕制的，为了提高输出功率和绕组线圈利用率几乎都是延用三相交流电机的星型接法和三角接法，其每次通电都至少流过二相线圈，但因这二相线圈安装的物理位置的不同，当二组线圈同时通电驱动时在各个电枢齿产生的磁性往往都是按“南南无北北无南南无”的磁极分布，这之中的“无”实际上是在这一时刻一组绕组在该电枢齿产生南极，而同时另一组绕组在该电枢齿产生北极相互抵消所致，该部分电能实际上是浪费了，使得效能下降，对此，我称之为电损(电能损失)；对于电枢齿间的磁力泄露产生的磁损(磁能损失)也要有足够重视。
[0005]由上述可以看到，为提高无刷电机的效率和性能就必须对绕组的绕制和驱动进行改进，减少电损以及磁损从而提高驱动效率以实现最佳的动力输出，从而提高新能源电动汽车的巡航里程，并且提高无刷电机的转矩和电机的轻量化也是极为关键的技术和国家对无刷电机的要求。

技术实现思路

[0006]在本专利技术的高效直流永磁无刷电机中，无刷电机绕组的定子线圈的绕制方式是在具有按集中方式在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制，也有按分布方式相隔一定数量的电枢齿齿槽绕制，可以实现最大达到相数减一相进行驱动(如六相可同时驱动五相绕组)，并且对转子的每一个南极和北极都也同时进行驱动，增大了转矩，在无电能损耗情况下每一个驱动时刻驱动最大达相数减一相绕组，增大了驱动功率和提高了绕组线圈利用率，故命名为高效直流永磁无刷电机和驱动器电路。
[0007]本专利技术的高效直流永磁无刷电机绕组的转子在内转子结构时是在绕有线圈的外定子内的径向充有永磁性的圆柱体磁性材料圆柱，该圆柱也可据制造工艺采用在圆柱形导磁体上镶嵌永磁体的方式构成，该圆柱体磁性材料可以是实心的也可以是空心的；在外转子结构时是在绕有线圈的内定子外的径向充有永磁性的圆环状磁性材料圆环，也可据制造
工艺采用在圆环形物体上固定永磁体等方式构成。
[0008]本专利技术的高效直流永磁无刷电机对含有永磁体的转子的驱动方式是在无电能损耗情况下对定子线圈的相数减一相绕组进行通电，对三相高效直流永磁无刷电机而言在每一个驱动状状态都给二相线圈通电，驱动转子转动一个齿位，在下一个驱动状态也是二相线圈通电(但通电方向与前一次不同)，驱动转子又转动一个齿位，如此往复，从而构成转子的旋转，并且每次驱动都驱动转子上的全部南极和北极。
[0009]本专利技术的高效直流永磁无刷电机的驱动器电路由可调控制转速的PWM脉宽调制器，占空比调节器，用于进行多相驱动的或门电路，还可以用微控制器MCU 来加以实现，以及带动各相绕组线圈的H桥式功率驱动器(一般是大功率MOS管或者IGBT复合全控型电压驱动式功率半导体器件模块)构成。
附图说明
[0010]图1和图2是本专利技术的高效直流永磁无刷电机定子结构示意图(以内转子三相4磁极， 12槽绕制为例)，M1是定子电枢，1到12是定子的电枢齿，H1，H2，H3带锁存的霍尔元件磁性位置传感器，亦可采用其他方式组成，T1+和T1
‑
分别是L1相绕组的起始端和终止端，T2+和T2
‑
分别是L2相绕组的起始端和终止端，T3+和T3
‑
分别是L3相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向，图1是分布式绕组，绕组中间隔一个或几个槽，图2是集中式绕组，线圈围绕单个电枢齿绕制。
[0011]图3到图14是本专利技术的高效直流永磁无刷电机在各个驱动状态的工作意图(以内转子三相4磁极，外定子12槽为例，三相六驱动状态)，M2是永磁体内转子，S1，S2是永磁体内转子的南极，N1，N2是永磁体内转子的北极。M1是绕制线圈的外定子电枢，定子绕组线上的箭头表示该绕组此时电流的方向，电枢齿外的S和N表示该驱动状态时在这个电枢齿产生的南北极；H1，H2，H3是由霍尔元件构成的磁性位置传感器，当有南极靠近时输出低电平并且有锁存功能，当有北极靠近时输出转为高电平。
[0012]图15和图16都是本专利技术的以常用元件构成的驱动器电路的示意图(以三相驱动为例，对于N相电机可按此方式增加驱动相数)SW1是转动/停止开关，图16是后推式驱动电路，具体而言就是把当前应该处于驱动状态的绕组加上刚过去的驱动状态的绕组共同进行驱动，如当前驱动状态是驱动L1时，是用绕组L1加上绕组L3来驱动；图15是前推式驱动电路，具体而言就是把当前应该驱动的绕组加上将要驱动状态的下一个绕组共同进行驱动，如当前驱动状态是驱动L1时，是用绕组L1 加上绕组L2来驱动；他们二者没有根本的区别，只是要移动磁性传感器安装的位置，在下面的具体实施方式中以图15前推式驱动电路来描述。
[0013]图17为本专利技术的H桥式功率驱动器电路示意图(以三相驱动为例，对于N相电机可按此增加驱动相数)。
[0014]图18是使用STM32F103VET6微控制器MCU组成的可以控制二相到六相的控制电路图。
[0015]图19为本专利技术的按集中式绕法在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制绕组的示意图(以内转子三相4磁极，外定子12槽为例)，1到12是定子的电枢齿，H1，H2，H3 是磁性位置传感器，T1+和T1
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分别是T1相绕组的起始端和终止端，T2+和T2
‑
分别是T2 相绕组的起始端和终止端，T3+和T3
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分别是T3相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个
绕组在该电枢齿的绕向。
[0016]图20为本专利技术的按分别式绕法相隔一个齿槽间绕制绕组的示意图(以内转子三相4 磁极，外定子12槽为例)，1到12是定子的电枢齿，H1，H2，H3是磁性位置传感器， T1+和T1
‑
分别是T1相绕组的起始端和终止端，T2+和T2
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分别是T2相绕组的起始端和终止端，T3+和T3
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分别是T3相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向。
[0017]图21为本专利技术在以二相四磁极八槽时，按集中式绕法在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制绕组的示意图，1到8是定子的电枢齿，H1，H2，H3，H4是磁性位置传感器， T1+和T1
‑
分别是T1相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，包括电机和驱动器电路，其特征是：高效直流永磁无刷电机定子线圈的绕制方式是具有按集中方式在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制，也有按分布方式相隔一定数量的电枢齿齿槽绕制，可以实现最大达到绕组相数减一相进行驱动，并且对转子的每一个南极和北极都也同时进行驱动，同一相绕组的相邻二个线圈绕向相反，并且其驱动器电路是用H桥式功率驱动器驱动电流流过绕组，每次驱动时各相绕组大部份通电并使含有永磁体的转子逐次转过单个电枢齿位置，以逐齿转动方式驱动含有永磁体的转子旋转。2.根据权利要求1所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：高效直流永磁无刷电机的永磁体转子的磁极数量与相数和定子电枢槽数的关系是：定子电枢槽数等于永磁体转子南北磁极之和的数量乘相数再乘倍槽数K，相数大于等于2，倍槽数K大于等于1。3.根据权利要求1或权利要求2所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：在倍槽数K等于1时，高效直流永磁无刷电机在定子电枢槽数等于永磁体转子南北磁极之和的数量乘相数情况下，定子同一相绕组的相邻两个线圈绕向相反，各相绕组的起始端和终止端都分别相接于各自的H桥式功率驱动器上，相数大于等于2。4.根据权利要求1或权利要求2所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：在倍槽数K等于2时，高效直流永磁无刷电机的定子电枢槽数等于永磁体转子南北磁极之和的数量乘相数的二倍，在各相物理绕组是绕制后再两相并联为一相驱动绕组情况下，定子同一相物理绕组的相邻两个线圈绕向相反；在相邻二个电枢齿是同一相绕组的二个线圈串联并且按相同方向绕制时，这一相绕组的相邻二个串联线圈绕向与此相反，重复这方法直到定子各电枢齿上线圈都绕制完成，各相绕组的起始端和终止端都分别相接于各自的H桥式功率驱动器上，相数大于等于2。5.根据权利要求1或权利要求2所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：内转子高效直流永磁无刷电机转子是在绕有线圈的外定子内部的圆柱形外径向充有磁极的永磁体转子，对于外转子高效直流永磁无刷电机是在绕有线圈的内定子外面的内径向充有磁极的环状永磁体转子。6.根据权利要求1或权利要求2所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：各相绕组功率驱动器的器件由二组串联的复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成的左臂和另外二组串联的复合全控型电压驱动式功率半导体器件组成的右臂所构成的H桥式功率驱动器组成，各相绕组的起始端和终止端都接于各自的H桥式功率驱动器左臂和右臂的中点上，每组H桥式功率驱动器的左臂和右臂的上下部控制端都分别由4个不同的信号控制，功率驱动器的器件在小功率应用时可以采用大功率MOS场效应管。7.根据权利要求1所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：电机转子转动速度由脉冲宽度调制信号调节。8.根据权利要求1或权利要求7所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：高效直流永磁无刷电机转动时其驱动器电路在每一时刻同时驱动与所驱动的相数相同的H桥式功率驱动器件的上臂和经各绕组线圈后的另外的与所驱动的相数相同的H桥式功率驱动器件的下臂导通工作，其驱动状态为2倍于相数。9.根据权利要求1或权利要求2或权利要求7所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征在于：对于相数为二的高效直流永磁无刷电机，在各相绕组绕制方法相同情况
下，二组绕组线圈每一个驱动周期其驱动方式由下面4个驱动状态组合而成：驱动状态1时，其电流流向为T1+到T1
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；驱动状态2时，其电流流向为T2+到T2
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；驱动状态3时，其电流流向为T1
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到T1+；驱动状态4时，其电流流向为T2
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到T2+：T1+和T1
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分别是第一相绕组L1的起始端和末尾端，T2+和T2
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分别第二相绕组L2的起始端和末尾端；在二相绕组绕制方向有不相同情况下，任然是4个驱动状态组合而成，但是绕向不同的一相绕组的电流方向与上面描述相反。10.根据权利要求1或权利要求2或权利要求7所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：对于相数为三的高效直流永磁无刷电机，在各相绕组绕制方法相同情况下，三组绕组线圈每一个驱动周期其驱动方式由下面6个驱动状态组合而成：驱动状态1时，其电流流向为T1+到T1
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，T2+到T2
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；驱动状态2时，其电流流向为T2+到T2
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，T3+ 到T3
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；驱动状态3时，其电流流向为T3+到T3，T1
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到T1+；驱动状态4时，其电流流向为T1
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到T1+，T2
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到T2+；驱动状态5时，其电流流向为T2
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到T2+，T3
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到T3+；驱动状态6时，其电流流向为T3
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到T3+，T1+到T1
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；T1+和T1
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分别是第一相绕组L1的起始端和末尾端，T2+和T2
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分别第二相绕组L2的起始端和末尾端，T3+和T3
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分别是第三相绕组L3的起始端和末尾端；在三相绕组绕制方向有一相与另外二相不相同情况下，任然是6个驱动状态组合而成，但是绕向不同的一相绕组的电流方向与上面描述相反。11.根据权利要求1或权利要求2或权利要求7所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：对于相数为四的高效直流永磁无刷电机，在各相绕组绕制方法相同情况下，采用三相驱动时，绕组线圈每一个驱动周期其驱动方式由下面8个驱动状态组合而成：驱动状态1时，其电流流向为T1+到T1
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，T2+到T2
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，T3+到T3
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；驱动状态2时，其电流流向为T2+到T2
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，T3+到T3
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，T4+到T4
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；驱动状态3时，其电流流向为T3+到T3
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，T4+到T4
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，T1
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到T1+；驱动状态4时，其电流流向为T4+到T4
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，T1
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到T1+，T2
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到T2+；驱动状态5时，其电流流向为T1
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到T1+，T2
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到T2+，T3
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到T3+；驱动状态6时，其电流流向为T2
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到T2+，T3
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到T3+，T4
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到T4+；驱动状态7时，其电流流向为T3
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到T3+，T4
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到T4+，T1+到T1
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；驱动状态8时，其电流流向为T4
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到T4+，T1+到T1
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，T2+到T2
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；T1+和T1
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分别是第一相绕组L1的起始端和末尾端，T2+和T2
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分别第二相绕组L2的起始端和末尾端，T3+和T3
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分别是第三相绕组L3的起始端和末尾端，T4+和T4
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分别是第四相绕组L4的起始端和末尾端；在四相绕组绕制方向有不相同情况下，任然是8个驱动状态组合而成，但是绕向不同的绕组的电流方向与上面描述相反。12.根据权利要求1或权利要求2或权利要求7所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：对于相数为四的高效直流永磁无刷电机，在各相绕组绕制方法相同情况下，采用二相驱动时，四组绕组线圈每一个驱动周期其驱动方式由下面8个驱动状态组合而成：驱动状态1时，其电流流向为T1+到T1
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，T2+到T2
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；驱动状态2时，其电流流向为T2+到T2
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，T3+到T3
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；驱动状态3时，其电流流向为T3+到T3
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，T4+到T4
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；驱动状态4时，其电流流向为T4+到T4
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，T1
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到T1+；驱动状态5时，其电流流向为T1
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到T1+，T2
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到T2+；驱动状态6时，其电流流向为T2
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到T2+，T3
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到T3+；驱动状态7时，其电流流向为T3
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到T3+，T4
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到T4+；驱动状态8时，其电流流向为T4
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到T4+，T1+到T1
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；T1+和T1
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分别是第一相绕组L1的起始端和末尾端，T2+和T2
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分别第二相绕组L2的起始端和末尾端，T3+和T3
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分别是第三相绕组L3的起始端和末尾端，T4+和T4
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分别是第四相绕组L4的起始端和末尾端；在四相绕组绕制方向有不相同情况下，任然是8个驱动状态组合而成，但是绕向不同的绕组的电流方向与上面描述相
反。13.根据权利要求1或权利要求2或权利要求7所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：对于相数为五的高效直流永磁无刷电机，在各相绕组绕制方法相同情况下，采用四相驱动时，五组绕组线圈每一个驱动周期其驱动方式由下面10个驱动状态组合而成：驱动状态1时，其电流流向为T1+到T1
‑
，T2+到T2
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，T3+到T3
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，T4+到T4
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；驱动状态2时，其电流流向为T2+到T2
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，T3+到T3
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，T4+到T4
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，T5+到T5
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；驱动状态3时，其电流流向为T3+到T3，T4+到T4
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，T5+到T5
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，T1
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到T1+；驱动状态4时，其电流流向为T4+到T4
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，T5+到T5
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，T1
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到T1+，T2
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到T2+；驱动状态5时，其电流流向为T5+到T5
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，T1
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到T1+，T2
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到T2+，T3
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到T3+；驱动状态6时，其电流流向为T1
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到T1+，T2
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到T2+，T3
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到T3+，T4
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到T4+；驱动状态7时，其电流流向为T2
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到T2+，T3
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到T3+，T4
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到T4+，T5
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到T5+；驱动状态8时，其电流流向为T3
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到T3+，T4
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到T4+，T5
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到T5+，T1+到T1
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；驱动状态9时，其电流流向为T4
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到T4+，T5
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到T5+，T1+到T1
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，T2+到T2
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；驱动状态10时，其电流流向为T5
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到T5+，T1+到T1
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，T2+到T2
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，T3+到T3
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；T1+和T1
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分别是第一相绕组L1的起始端和末尾端，T2+和T2
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分别第二相绕组L2的起始端和末尾端，T3+和T3
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分别是第三相绕组L3的起始端和末尾端，T4+和T4
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分别是第四相绕组L4的起始端和末尾端，T5+和T5
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分别是第五相绕组L5的起始端和末尾端；在五相绕组绕制方向有不相同情况下，任然是10个驱动状态组合而成，但是绕向不同的绕组的电流方向与上面描述相反；在五相绕组绕制方向有不相同情况下，任然是10个驱动状态组合而成，但是绕向不同的绕组的电流方向与上面描述相反。14.根据权利要求1或权利要求2或权利要求7所述的高效直流永磁无刷电机和驱动器电路，其特征是：对于相数为五的高效直流永磁无刷电机，在各相绕组绕制方法相同情况下，采用三相驱动时，五组绕组线圈每一个驱动周期其驱动方式由下面10个驱动状态组合而成：驱动状态1时，其电流流向为T1+到T1
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，T2+到T2
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，T3+到T3
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；驱动状态2时，其电流流向为T2+到T2
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，T3+到T3
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【专利技术属性】
技术研发人员：彭明，彭宇科，
申请(专利权)人：彭明，
类型：新型
国别省市：