专利名称：空调换新风驱动用无刷直流电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无刷直流电动机，尤其涉及一种空调换新风驱动用无刷直流电动机，属于电学部电机技术领域。
现有技术中，常用的无刷直流电动机，一般都有位置传感器，其放置位置的设计及调整极为麻烦，尤其在批量生产中极为困难，难以保证在每个电动机中都处于最佳位置，以致影响电机的运行性能。无位置传感器无刷直流电动机是一种正在发展的新型无刷直流电动机，其特点是没有位置传感器。但是，为了保证电机的正常运行，无位置传感器无刷直流电动机中的控制驱动系统较为复杂，如文献《钕铁硼永磁三相五极无刷直流电动机及其非桥式驱动系统设计》(董玲生，微特电机，1999、3)所介绍的，产品体积较大，成本高，难以适应一般家电产品，如家用空调换新风用电动机的生产，因而未能得到广泛应用。
在现实生活中，空调系统需要有一种更合适的换新风电动机，用以促使室内外空气交换流通，排除室内废陈烟气，从而提高空调房间的空气质量，使空调机产品开辟新功能、跃上新台阶。无位置传感器的空调换新风驱动用无刷直流电动机，属空调新功能、新产品开发，需要解决驱动控制系统复杂的难题。经联机检索，没有发现类同的专利产品。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型的空调换新风驱动用无刷直流电动机，采用无位置传感器设计，简化驱动控制系统，使之不仅结构简单、运行可靠，而且体积小，尤为适用于家电产品的开发。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用电机外转子结构，转子内永磁环采用粘结钕铁硼廉价稀土永磁材料，径向内充磁，圆周共12极，与十二极外转子相配合，采用三相9极(9槽)内定子，十二极外转子与9极内定子互相配合产生稳定转矩。电动机的控制电路采用三相6状态无位置传感器反电势换向驱动。
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步详细描述。
图1为本发明的整体结构示意图。
如图所示，采用粘结钕铁硼的永磁环4套入转子机壳3内，定子绕组6直接绕制在定子铁芯5上，定子铁芯5套在定子轴套9外并用螺丝一起固定在风机罩壳盖板8上，轴承2和螺旋弹簧10分别套入定子轴套9两端，转子轴1套入轴承2内，并用轴用弹性挡圈12卡住，驱动线路板7固定在风机罩壳盖板8上。
图2为本发明的外转子结构示意图。
如图所示，本发明的电机采用外转子结构，转子内永磁环采用粘结钕铁硼廉价稀土永磁材料，径向内充磁，圆周共12极。
由于钕铁硼的强磁作用，转子中磁场稳定，不产生涡流，故外转子磁轭无须用硅钢片而采用软铁(10#钢)，从而简化了工艺，降低了成本，便于生产加工。
图3为本发明外定子和内转子相配合的结构原理示意图。
如图所示，与十二极外转子相配合，采用三相9极(9槽)内定子。由于定子绕组的相数愈少，则驱动(控制)电路愈简单，考虑到要使电动机无死区，定子相数最佳选择为三相。十二极外转子与9极内定子互相配合产生稳定转矩。
图4为本发明的控制线路图。
本发明采用三相6状态无位置传感器反电势换向驱动，驱动线路中的驱动模块选用由PHILIPS生产的TDA5141无刷直流电动机专用集成电路。这是一种双极型集成电路，适用于三相全波无刷直流电动机，不必采用霍尔元件或其它转子位置传感器，而是应用三相定子绕组在不励磁期间反电动势过零点作为转子位置的检测，实现换向控制。TDA5141内部已包含驱动级，可直接驱动电机绕组，从而省去外接功率开关器件，使驱动线路极为简化，大大减少电路板的体积及降低成本。
电路中，驱动模块TDA5141的第1、3、16脚分别连接内定子三相绕组的输入端，三相绕组的另一端并接于驱动模块TDA5141的第17脚上。驱动模块TDA5141的第7、18脚、电容C1的负极均与接地接口相连接，驱动模块TDA5141的第4脚连接电容C1的正极、三极管T2的C极、电源+12V接口。驱动模块TDA5141的第8脚连接三极管T2的e极和电容C2的正极。驱动模块TDA5141的第9、10、11、12脚分别连接电容C3、C4、C5、C6的一端，电容C3、C4、C5、C6的另一端并接后与驱动模块TDA5141的第13、14脚、C2的负极、三极管T1的e极相连并接地。电阻R2的两端分别连接三极管T2的b极和三极管T1的C极。三极管T1的b极与电阻R1连接，电阻R1的另一端接控制接口CON。
TDA5141的主要组成包括换相逻辑、驱动输出级、反电动势比较器、独立运算放大器(OTA)。无刷直流电动机的三相绕组接至功率级输出端MOT1、MOT2和MOT3，每个输出端有三种可能的状态高电压(HIGH)态，绕组接到电源正端，有电流流入；低电压(LOW)态；绕组接到电源地端，有电流流出；高阻态(F)。对任一相绕组，高阻态出现在高电压态和低电压态中间，此时绕组处于不激励状态，绕组反电动势即可由电路中的反电动势比较器检测，三个反电动势比较器信号由换相逻辑选择。
在一个周期内，三个绕组中必有两个绕组分别处于高电压态或低电压态，只有一个绕组处于高阻态，它的反电动势过零点被检测作为转子位置信号，控制绕组的换相。由自适应换相时延电路按电机负载大小计算出正确的换相时延。无刷直流电动机绕组正确的换相后，电机正常旋转。驱动输出级还设有限流电路和过热保护电路。系统的换相功能只有在电动机旋转起来后产生一定的反电动势幅值时才能实现。为了使电动机能正确起动，本集成电路设置了起动振荡器，产生起动必需的换相脉冲指令信号，让电动机以步进电机方式起动。
电路输入端有三个，+12V电源、接地端GND及控制端CON。当CON为高电平时，三极管T1导通，然后三极管T2导通，这样+12V电源就加至集成芯片TDA5141脚4VMOT上，而CAP-T1，CAP-ST，CAP-DC，CAP-CD所连接电容决定了芯片内部的起动时间，通讯延时定时等参数，用户可调整这些电容以达到最佳性能。
当电路正常工作时，芯片1、3、16脚即P1、P2、P3输出无刷直流电动机三相所需的电压及正确的相序，同时，芯片17脚连接电机中点，控制电机电动势零点，送回至TDA5141第17脚P0上。
本发明电路的特点是(1)利用电动机相绕组反电动势提供换相信号，不必专门安置转子位置传感器；(2)内设有起动电路；(3)优化换相顺序，使不同电动机和负载下都可工作；(4)三相六步全波换相工作方式；(5)电机三相绕组星形联结，有中点引出；(6)输出电流限制和过热保护；(7)利用电机反电动势信号产生精确测速频率信号。
本发明采用无位置传感器反电势换向无刷直流电动机，利用反电势反馈提供正确的换向信号，保证电机正常运行，不但省去了通常在三相无刷直流电动机中所放置的三个霍尔位置传感器，降低了制造成本，同时大大简化了制造工艺，提高了生产效率和使用的可靠性。
本发明采用PHILIPS制造的驱动模块，省去了六个外接功率开关器件，使驱动系统结构简单，运行可靠，并降低了生产成本，且噪音小、效率高，不仅可用于空调机新产品的开发，也可用于已生产、使用中的空调机增添换新风功能的改造，或应用其它类似负载(如风机等)的驱动。
在本发明的实施例中，轴采用45#钢加工并经热处理制成，转子机壳采用10#钢加工制成，永磁环采用粘结钕铁硼，以紧配合套入转子机壳内，定子铁芯采用0.5mm冷轧矽钢片冲剪迭装经溶槽绝缘处理制成，定子绕组采用φ19mm QZ-2高强度漆包线，直接绕制在定子铁芯上，定子铁芯套在用黄铜加工制成的定子轴套外并用螺丝一起固定在风机罩壳盖板上，轴承(标准件)和螺旋弹簧分别套入定子轴套两端，转子轴套入轴承内，并用轴用弹性挡圈(标准件)卡住，驱动线路板用螺丝固定在风机罩壳盖板上。
电路中，驱动模块选用由PHILIPS生产的TDA5141无刷直流电动机专用集成电路，电容C1、C2均为10μF/25V，电容C3、C4、C5、C6均为103，三极管T1选取8050，三极管T2选取8550，电阻R1、R2均为4.7KΩ、1/4W。
权利要求
1.一种空调换新风驱动用无刷直流电动机，其特征在于采用十二极外转子与三相9极内定子互相配合的结构，永磁环(4)套入转子机壳(3)内，定子绕组(6)直接绕制在定子铁芯(5)上，定子铁芯(5)套在定子轴套(9)外并一起固定在风机罩壳盖板(8)上，轴承(2)和螺旋弹簧(10)分别套入定子轴套(9)两端，转子轴(1)套入轴承(2)内，并用轴用弹性挡圈(12)卡住，驱动线路板(7)固定在风机罩壳盖板(8)上，控制电路采用三相6状态无位置传感器反电势换向驱动，采用驱动模块TDA5141。
2.如权利要求1所说的空调换新风驱动用无刷直流电动机，其特征在于所说的控制电路中驱动模块TDA5141的第1、3、16脚分别连接内定子三相绕组的输入端，三相绕组的另一端并接于驱动模块TDA5141的第17脚上，驱动模块TDA5141的第7、18脚、电容C1的负极均与接地接口相连接，第4脚连接电容C1的正极、三极管T2的C极、电源+12V接口，第8脚连接三极管T2的e极和电容C2的正极，第9、10、11、12脚分别连接电容C3、C4、C5、C6的一端，电容C3、C4、C5、C6的另一端并接后与驱动模块TDA5141的第13、14脚、C2的负极、三极管T1的e极相连并接地，电阻R2的两端分别连接三极管T2的b极和三极管T1的C极，三极管T1的b极与电阻R1连接，电阻R1的另一端接控制接口CON。
全文摘要
一种空调换新风驱动用无刷直流电动机,采用十二极外转子与三相9极内定子互相配合的结构,控制电路采用驱动模块TDA5141,实现三相6状态无位置传感器反电势换向驱动,利用反电势反馈提供正确的换向信号,保证电机正常运行,省去了位置传感器及外接功率开关器件,使驱动系统结构简单,大大降低了生产成本,提高了生产率和使用的可靠性,不仅可用于空调机新产品的开发,也可用于已有空调机增添换新风功能的改造或其它类似负载(如风机等)的驱动。
文档编号H02P6/18GK1274982SQ0011661
公开日2000年11月29日 申请日期2000年6月20日 优先权日2000年6月20日
发明者周顺荣, 周洁 申请人:上海交通大学