使用相位定时提前的无刷直流电动机制造技术

一种无刷直流电动机（１０）的驱动系统，该系统使用脉宽调制装置（２０）和相位定时提前，以便在高转速期间维持恒功率输出。该装置非常适合于驱动电动车辆之类的装置上的无刷电机（１０）。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
使用相位定时提前的无刷直流电动机本申请是序列号为NO.07/794,679的美国专利申请的部分继续申请，NO.07/794,679又是序列号为07/396,639的美国专利申请的后续申请，在此将其作为参考资料列出。专利
本专利技术一般涉及电动机，具体地说，涉及包括相位定时提前的无刷直流电动机。现有技术无刷直流电动机被认为是在给定的体积和重量下其转矩和功率容量最高的直流电动机。其理由之一是由于使用稀土永磁体产生没有损耗的强磁场，它在给定的电机绕组输入电流下产生相对恒定的转矩。虽然这一特性对许多工业应用非常有用，但是在某些应用中，如果能对转矩/电流特性进行修正，将是非常有利的。对于地面交通的驱动系统就是这样。因为许多电动车辆具有有限的电源，所以长期来感到需要一种具有恒功率特性的电动机，以便最大限度地利用其特定的电池并使用于驱动车辆所需的电子设备最小。本专利技术提供了一种装置，用来产生这一所需的特性，并且使对原有的无刷直流驱动系统的费用影响最小。近来在美国、欧洲和日本对大气质量的关心已经在车辆的高效率电驱动系统领域掀起了活动的高潮。虽然这种活动大部分集中于电池技术，但有足够多的资金花在车辆系统的其它方面的改进上，以便从现有的有限的电池技术得到最佳的性能。已经看到的作为对车辆的效率有重大影响的一个方面是驱动系统。用于电动车辆的驱动系统可以包括一个或多个电动机，和驱动轮相连的某些形式的机械传动，以及用来向电动机输送功率的电子控制和电源装置。有许多可用于这一目的的不同的电动机技术，以及为实现所需结果而采用的许多电子装置和控制方法。对于一种车辆而言特定技术的选择取决于几个因素：费用，效率，体积，重量，平衡性等等。目前，电动车辆电动机的主要竞争对手是异步电动机(感应电机)和同步电动机(永磁电机)。这两类电机都需要-->用于产生供电动机运行的可变频率和幅值的三相交流波形的电子装置。普遍认为永磁无刷电动机比感应电动机的效率高且重量轻，但是永磁无刷电动机的固有的在恒电流下有恒转矩的特性在应用于电动车辆时被认为是一个缺点。一般的车辆要求具有高的起动转矩值以便快速地使车辆加速，并要求对于斜坡地区具有足够的可爬坡性。在最高速度时，车辆需要较小的转矩(或者可利用的功率是有限的)，而对于在正常路面上巡航，这是已经能够满足要求了。电动车辆的这些所需的特性和具有恒功率特性的电动机能很好地配合。在电机控制的课题上为了获得恒功率特性已经发表了许多文章。大部分文章都假定施加的驱动电流或电压是正弦波，并且控制电压和电流的主要作用是控制电流相对于转子磁通矢量的相位关系，使得电流在电机内引起磁通量的净减少，从而实现恒功率运行。虽然这种方法已经表明效果不错，也能通过分析被很好地理解，但本专利技术还是提供了另外一种方法，它更为简单并比上述方法可降低成本。本专利技术的概述因而，本专利技术的目的在于克服上述的缺点。具体地说，本专利技术的目的在于在高速运行期间维持恒功率消耗。本专利技术的另一个目的在于使电机的谐波损失全面地减少。本专利技术的另一个目的在于提供一种系统，其中在较高的速度运行范围内没有脉宽调制损失。本专利技术的另一个目的是提供一种系统，它具有和车辆及其相关的电池特性密切配合的系统特性。如上所述，本专利技术提供一种无刷电动机和驱动系统，包括：(a)无刷直流电动机，包括具有三个相绕组的定子，以及和所述定子相应地设置的、具有在其上形成的磁性装置的转子；(b)检测器，用于检测所述转子相对于所述定子的位置，并根据所述位置产生位置信号；(c)开关放大器，用来按照控制信号选择性地向所述各相绕组的相应绕组提供电流；(d)用来接收所述位置信号、并按照所述位置信号产生所述控制-->信号的装置，所述装置包括用于产生所述控制信号的脉宽调制装置。本专利技术的其它特点、优点和目的在阅读最佳实施例的说明之后会看得更加清楚。附图的简短说明图1是本专利技术的无刷电动机和驱动系统的示意图；图2是本专利技术的开关放大器的电路图；图3说明在本专利技术的无刷直流电机中由转子的永磁体所产生的磁场分布；图4是在电机的定子中产生的反电动势的相位图；图5是用于开关放大器操作的开关时序图；图6是在不同速度下电机输出功率对无刷电动机的相位提前的关系曲线；图7是在不同速度下，电机的铜损对相位提前的关系曲线；图8是在相位提前期间，开关放大器的开关元件中的电流导通情况；图9说明相位提前系统的操作；图10说明常规的驱动装置的设计要点；图11说明本专利技术的相位提前驱动系统的设计要点。最佳实施例的说明参看图1，本专利技术的无刷电动机系统包括三相线绕永磁体电动机10，脉宽调制的三相六级驱动装置20，和向驱动装置20输出位置信号的低分辨率转子位置检测器30(例如3个数字型霍尔效应磁传感器阵列)。驱动装置20从位置信号中导出换向信号。驱动装置20包括一个逻辑电路或处理器22，它包括一个脉宽调制器(PWM)，换向控制器以及在逻辑电路或处理器22内部的电路或软件程序，所述电路或软件程序能够使低分辨率位置检测器30反馈的位置信号(换向信号)发生时间偏移。逻辑电路或处理器22可以包括用来产生控制信号的硬件电路，或包括可以被合适地编程的微处理器装置。驱动装置20还包括开关放大器24，它由来自逻辑电路或处理器22的输出所控制，并有选择地向电机10的各个绕组供给电流。驱动装置由直流电压源供电，直流电压可以用许多方式获得，其中包括但并不限于电池、整流的交流市电电压、整流的来自交流发电机的交流电压、来自直流发电机的电压，-->来自太阳能光电池阵列的电压或任何其它型式的电源。转子位置检测器30用于检测电机磁体产生的磁场。另外，也可以用一个单独的磁性器件和转子相连，检测装置30可以检测这单独的磁性器件，从而产生和主电机转子磁场相同的磁位置信息。另外，转子位置检测器可以是数字式光检测型的，它按照连接于转子上的光遮断器检测光源。更详细地说，无刷电机10包括定子12和转子16。定子包括三相绕组(其中每相标号分别为A，B和C)。转子含有沿其圆周设置的永磁体18，用于产生磁通。最好把磁体表面安装于转子上，也可以包括钕铁硼磁体。如果该系统要在高温下使用，则磁体最好由钐钴合金制成。转子可以包括实心钢质旋转返回通路，从而提供低成本结构。按另外方式，转子也可以包括层叠铁磁材料的旋转返回通路以便降低转子损失。或者，转子可以包括非晶磁材料旋转返回通路，以便降低转子损失。图3说明在电机10内只由转子的永磁体产生的磁场的磁场分布。本专利技术的驱动系统可以用于电动车辆，例如具有一个不可调整的传动装置，以便把电机速度降低到所需的车辆速度。现在参见图3，定子12包括许多齿14。转子16借助于空气隙G和定子12隔开。转子16具有一个形成在其上的表面安装的永磁铁18。如同本领域技术人员所理解的，当转子在定子内旋转时，在定子12的各个绕组内产生反电动势(EMF)。图4说明在A，B和C每个绕组内相对于中性点所产生的各个反电势的波形。由图4可以看出，反电势EMF趋向于呈现大体上的正弦波形。图2说明开关放大器24的开关的结构。参看图2，每个端子A，B和C(以及A’，B’和C’)接收来自逻辑电路或处理器22的开关控制信号。开关放大器24包括许多开关元件25a，25b和25c，以及开关元件26a，26b和26c。Vin表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无刷电动机和驱动系统包括：（ａ）无刷直流电动机，它包括具有三个相绕组的定子，以及和所述定子对应设置的转子，在转子上形成有磁性装置；（ｂ）检测器，用来检测所述转子相对于所述定子的位置并根据检测到的位置产生位置信号；（ｃ）开关放 大器，用来按照控制信号有选择地向所述各相绕组的相应绕组提供电流；（ｄ）用来接收所述位置信号、并按照所述位置信号产生所述控制信号的装置，所述装置包括用来产生所述控制信号的脉宽调制装置。

【技术特征摘要】
US 1994-7-1 08/265,2621.一种无刷电动机和驱动系统包括：(a)无刷直流电动机，它包括具有三个相绕组的定子，以及和所述定子对应设置的转子，在转子上形成有磁性装置；(b)检测器，用来检测所述转子相对于所述定子的位置并根据检测到的位置产生位置信号；(c)开关放大器，用来按照控制信号有选择地向所述各相绕组的相应绕组...

【专利技术属性】
技术研发人员：C康比耶，JF卢茨，
申请(专利权)人：独特运动有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]