专利名称：一种高频感应马达及速度控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种马达，尤其涉及一种高频马达及速度控制装置。
二十世纪末期超音波马达的发明实现第一个高频交流电机，可直接将电子开关切换所得的高频交流电转换成机械能，而不必经过可变电压可变频率等复杂的过程，在速度控制上已获得良好效果。但是超音波马达之转子(rotor)与定子(stator)直接接触摩擦，造成能量损耗，且经常摩擦日久后接触表面耗损，输出马力减小。为解决此一问题，确实有必要发明一种无摩擦接触之高频交流电机，以扩大高频交流电机之应用范围。
本发明的目的是通过以下方式实现的分析现有超音波马达转动原理，是利用高频交流电通入压电材料(piezoelectric materials)，使马达定子金属发生机械共振，此机械振动在定子与转子间摩擦面上产生进行波，借着进行波的摩擦力使转子转动。若要解决接触性问题，必须以磁力取代机械力，以电磁共振取代机械共振，如此通过磁场的无接触力作用也可使马达旋转。
为此，本发明对马达的定子与转子感应方式进行改进，在马达定子与转子置入导体绕组，马达转子绕组与电容连接形成电磁共振回路，定子绕组通入高频交流电产生高速旋转交变磁场，转子经由感应而发生电磁共振并与定子交互作用产生转矩使马达转动。
本发明所述的高频感应马达设有自我转速侦测器，是利用马达定子绕组或定子转速侦测线圈的电流或电压讯号，取出电流或电压讯号中低频封包成份，此低频封包之频率与马达转速恰成正比，可作为转速控制或显示用。
本发明所述的高频感应马达设有转速控制装置，是包含差动侦测器、补偿器以及频率/脉波宽度调变器；其中差动侦测器运算转速侦测器与参考转速之差值，补偿器补偿频率响应或作高阶运算，频率/脉波宽度调变器依运算结果产生调变脉波。
由于采取上述感应方式及相应结构，本发明高频感应马达的为转子与定子无摩擦接触，可以有效的解决转子与定子直接接触而造成的能量损耗，及经常摩擦日久后接触表面耗损，输出马力减小的问题，以扩大高频交流电机之应用范围。同时，由于本发明高频感应马达可以设有自我转速测量装置及转速控制装置，可以直接显示和控制马达转速，不需要外加转速计。
第2图本发明转子实施例的后视图。
第3图本发明转子实施例的侧视图。
第4图本发明转子实施例的绕线图。
第5图本发明转子实施例的等效电路图。
第6图本发明多相马达运转原理的向量图。
第7图本发明单相马达运转原理的向量图。
第8图本发明分相运转电容起动实施例。
第9图本发明改变磁极气隙起动实施例。
第10图本发明自我转速侦测之关键波形。
第11图本发明自我转速侦测电路之实施例。
第12图本发明速度控制装置方块图。
第13图本发明速度控制装置模拟实施例。
第14图本发明速度控制装置数字实施例。
第15图本发明两相高频交流电产生器实施例。
第16图本发明自激高频交流电产生器实施例。
当定子绕组(301)通入高频交流电时，产生交变磁场。定子(30)磁场因为通过高频交流电而产生快速变化，且其变化频率恰为或接近转子(20)上共振槽的共振频率时，转子绕组(201)受感应而与电容器(40)发生共振产生共振电流，影响转子(20)磁场，而与定子(30)磁场发生交互作用，使马达转动。
请参阅第2图以及第3图，第2图与第3图分别系本发明共振槽转子(20)一个实施例的后视图与侧视图。本发明以共振槽转子(20)取代一般感应马达的鼠笼转子(squirrel-cage rotor)，转子铁心(202)(core)绕上转子绕组(201)后，其转子绕组(201)引线两端接上电容器(40)，并不需要滑环(slip ring)或换向器(commutator)与定子(30)接触。由于转子绕组(201)绕在转子铁心(202)上会形成电感，加上电容器(40)后，如前述形成一共振槽路。
转子(20)上可置入单相(single-phase)或多相(polyphase)转子绕组(201)，每相转子绕组(201)都可以连接一个或多个电容器(40)，所以电磁共振频率可为一个或多个。当电磁共振频率有多个时，每一个共振频率皆可作为高频交流电产生器(10)频率的参考，定子绕组(301)所通入的交流电频率必须等于或接近此电磁共振频率。
请参阅第4图以及第5图，第4图为共振槽转子(20)实施例的绕线图(windingdiagram)，由第4图可知转子(20)为两相六极。第5图系共振槽转子(20)实施例的转子等效电路图，两相转子绕组(201)为独立，并没有电性接触，并各接一个共振电容(40)形成两个独立的共振回路。
本发明的定子(30)构造与现有感应马达定子并无太大差异，只是使用的磁性材料不同。由于本发明马达的转子铁心(202)以及定子铁心(302)均有高频交变磁场发生，高频交变磁场的磁性材料，必须使用高频磁性材料取代现有马达所用的硅钢片(silicon steel)，以减少涡流损失(eddy current loss)和磁滞损失(hysteresisloss)，铁氧体(ferrite)即是目前工业界常用之高频铁心材料之一。本发明马达的转子铁心(202)与定子铁心(302)均不需要先磁化产生永久静磁场。
当马达运转时定子绕组(301)为单相绕组时，称为单相高频感应马达，如果为多相绕组，则称为多相高频感应马达。在多相高频感应马达中，仍以两相以及三相较常用，两相马达可以减少绕组以及电子组件数目，而三相马达可以提高铁心磁场利用率。
本发明马达转动原理可从第6图以及第7图加以说明。本发明与现有感应马达不同的是，现有感应马达其正交磁场以慢速度旋转，而本发明马达正交磁场则高速旋转，所以现有感应马达的鼠笼转子并不适用于高速旋转磁场，必须采用本发明的共振槽转子(20)。当定子绕组(301)通入高频交流电时，定子(30)磁场开始快速交变与旋转，若此交流电的频率恰为转子(20)共振槽的共振频率时，转子绕组(201)因共振放大作用而感应出最大电流，此电流产生转子(20)交变磁场。当转子(20)交变磁场与定子(30)交变磁场方向为正交时，会产生最大旋转力，而当转子(20)因共振发生交变磁场时，其相位与定子(30)之交变磁场相位恰好正交。
第6图系为解释本发明马达运转原理所绘的转矩向量图，此向量图为三度空间绘图，当马达定子(30)磁场S与转子(20)磁场R正交时，产生第三度空间方向的转矩T使马达旋转。此转矩T之发生与定子(30)磁场S与转子(20)磁场R之大小与夹角有关，而与旋转速度无关，所以高速旋转的磁场仍能产生转矩使马达旋转。
本发明单相感应马达也与现有单相感应马达一样，其定子(30)磁场只能交变而无法旋转，但是如第7图所示，如果定子(30)磁场与转子磁场方向同时相反，其产生转矩的方向并不改变。因此，当定子(30)磁场快速变化时，转子(20)磁场也以同相位快速变化，仍能产生同一方向的转矩使马达旋转。如同现有单相感应马达一样，本发明单相马达必须以辅助方式使马达起动。
本发明马达的起动，依起动方式可分为多相马达与单相马达来说明。本发明的多相马达，其起动方式却与现有多相感应马达不完全相同。当定子绕组(301)为多相时，转子(20)最好使用多相共振槽，且这些共振槽之共振频率不相同且相差不大。例如转子(20)使用两相绕组，且使两绕组的电感值或电容值有适当的变化，使各共振频率差值接近其运转时的低频交流电频率。如此当定子绕组(301)通入一定相序(phase sequence)的交流电时，马达便很容易按该相序所产生旋转磁场方向旋转。若转子(20)只有单相绕组或只有一共振频率时，则容易发生无法起动的问题，就必须在转子(20)或定子(30)施以单相感应马达起动的方法以协助起动。本发明的单相马达起动方式与现有单相感应马达相同，可使用分相(split-phase)方式来起动，即定子绕组(301)分为主绕组以及辅助绕组，利用离心开关(centrifugal switch)使起动后辅助绕组断路，必要时辅助绕组可加上起动电容以增加分相效果。为节省成本，无离心开关的运转电容分相马达(capacitor motors)也同样适用于本发明，例如第8图所示，在高频交流电产生器(10)输出端加上分相运转电容CS，定子绕组(301)分为主绕组LM与辅助绕组LS绕于定子铁心(302)不同相位上。由于两绕组电阻(reactance)不相等以及分相运转电容CS介入，主绕组LM与辅助绕组LS的交流电流相位会产生差异，使分相马达如同多相马达一样起动及运转。另外，蔽极线圈(shading coil)起动方式也可使本创作马达起动。在现有小型风扇类马达所使用的磁极气隙(air gap)改变方法亦适用于本发明，请参阅第9图，马达转子铁心(202)与定子铁心(302)各磁极间的气隙往同一转动方向越来越大。这是利用气隙的变化产生磁阻(reluctance)变化，使马达起动时磁阻不平衡而容易往一方向运转。
若要调整本发明马达的转速，只需改变高频交流电的振幅大小即可。在不同交流电电压下所得到转子(20)电流不同，此转子(20)电流会影响马达输出功率，所以可以用调整交流电电压的方法来改变马达转速。实用上，工业界均使用脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)方式来取代电压振幅调整。另一方面，若略为改变交流电频率，一样可以达到改变转子(20)电流大小的功效，所以变频(variable frequency，VF)方式也可应用于调整马达转速。
本发明的特点在于可利用简单的方式自我侦测转速。其方法可用第10图来说明，第10图系本发明定子绕组(301)及侦测转速关键波形。
当转子绕组(201)的共振槽旋转不同角度时，对定子绕组(301)产生电抗不相同，因而在定子绕组(301)高频交流电流波形(50)上形成一低频封包(501)，其特性类似振幅调变(amplitude modulation，AM)。将此波形的低频封包(501)取出，其频率与马达转速恰成正比，此频率经过转换后得到低频脉波(502)，可作为显示马达转速或回授控制用。目前常使用高频比流器(current transformer，CT)、霍尔侦测器(Hall sensor)、高频变压器或电阻与定子绕组或线圈串、并联或穿越以侦测高频电压、电流讯号。
第11图为一简单电路，可将高频交流电流波形(50)转换为低频脉波(502)，是利用比流器侦测定子绕组(301)的电流，再利用低通滤波器过滤出低频封包(501)，并用比较器转换为低频脉波(502)。但高频交流电可分为电压源(voltage source)以及电流源(current source)两种驱动方式，若为电流源驱动方式则须侦测定子绕组(301)的电压波形，其波形与第5图相同。为了便于侦测转速，本发明转子绕组(201)或定子绕组(30)若为多相绕组，其绕组排列电机角度(electrical degree)可作适度调整，不须遵守现有感应马达两相绕组时其排列电机角度为九十度，三相绕组时其排列电机角度为一百二十度的方法。若有必要时可另在定子上置入转速侦测线圈来侦测马达转速，以减少干扰讯号。
第12图为本发明转速控制装置(60)方块图，此转速控制电路为高频交流电产生器(10)的一部份，且只有马达需要控制转速时才放入其中。第12图的转速侦测器SP可为本发明之定子绕组(301)的转速侦测装置，也可如习见感应马达使用外加转速计方式得到转速。差动侦测器(601)(differential detector)DF计算转速侦测器SP与参考转速REF之差值，送入补偿器(602)(compensator)COM中，以修正频率响应或进行高阶控制，例如模糊控制。转速差值经过简单运算及补偿后，送入频率/脉波宽度调变器(603)VF/PWM，以改变高频交流电产生器(10)输出高频脉波宽度或频率，使马达转速改变，如此负回授会使马达转速保持恒定。由于控制方式简单，此控制装置可使用模拟、数字电路或微处理器之简单程序来实现。
第13图为本发明的一个简单模拟转速控制装置(60)实施例，可产生两相马达所需四个电子开关控制脉波讯号。当转速侦测器SP输出是模拟电压讯号时，差动侦测器(601)DF最好使用运算放大器，且参考转速REF也是一个模拟参考电压VREF(voltage reference)。运算放大器(601)EA计算转速侦测器SP与参考电压VREF之电压差值，由于运算放大器EA本身即可进行放大以及频率补偿，所以第13图之补偿器(602)COM是附加于运算放大器EA中。接于运算放大器EA后系一组两相脉波宽度调变器(603)，由两个比较器CPA、CPB以及两个脉波分配器PDA、PDB构成。比较器(CPA、CPB)负输入端为锯齿波，由斜率波产生器RAMP产生，而且两组锯齿波相位相差90度角，以产生两相脉波，运算放大器EA之输出电压连接比较器(CPA、CPB)正输入端与锯齿波比较后，便产生与调变电压成正比宽度的脉波。当马达转速增加，转速侦测器SP侦测之电压提高，经过运算放大器EA与参考电压VREF差值反相放大后输出电压变小，脉波宽度调变器(603)输出脉波宽度减少，使高频交流电产生器(10)输出脉波宽度随之减少，马达转速减少，如此负回授可使马达维持定速。接于比较器(CPA、CPB)后为脉波分配器(PDA、PDB)，实际上为多任务器，可将脉波分配为两组讯号，以便于提供同相位两个电子开关驱动用，但多任务器会使脉波频率减半，所以控制锯齿波之震荡器OSC其震荡频率应为输出频率之两倍。如果要同时产生频率以及脉波宽度的改变，就必须将震荡器OSC改为压控震荡器(voltage controlled oscillator；VCO)，其震荡频率就会随着转速差值电压而变化。
第14图为本发明的一个简单数字转速控制装置实施例。当转速侦测器SP输出是数字讯号时，差动侦测器(601)DF最好使用互斥或门(exclusive OR，XOR)或者相位侦测器(phase detector)，而且参考转速REF也是一个数字参考脉波PREF(pulse reference)才行。相位侦测器(601)XOR会将转速侦测器SP脉波参考脉波PREF的相位或频率差以脉波方式输出，再由低通滤波器(602)(R7-C7)进行频率补偿得到一直流电压。接于低通滤波器(602)后系一个频率调变器(603)，由压控震荡器VCO与脉波分配器PD构成，会随着输入直流电压大小产生正比频率的脉波。当马达转速增加，转速侦测器SP侦测的马达频率提高，经过相位侦测器XOR以及低通滤波器(602)后，压控震荡器VCO之输入直流电压增加，使压控震荡器VCO震荡频率增加，高频交流电产生器(10)输出频率随之增加，马达转速降低，如此负回授可使马达维持定速。接于压控震荡器VCO后为脉波分配器PD，与第13图不同的是压控震荡器VCO输出脉波宽度固定，所以只需要一个脉波讯号便可分出四个控制讯号。脉波分配器PD也会使脉波频率减半，所以压控震荡器VCO其震荡频率应为输出频率之两倍。当转速侦测器SP输出频率太低时可用倍频器(frequency multiplier)将频率提高以方便控制。
本发明所需高频交流电，乃从马达电源转换而来，马达电源可为直流电或交流电。本发明马达的高频交流电产生器(10)可包含滤波器、整流器、功率因子矫正(power factor correction；PFC)、控制电路与高频变流器(inverter)的组合。此高频交流电可为纯交流电或含有高频交流成份的直流电，但是直流电成份对马达不发生任何转动作用。
第15图为本发明的一个两相高频交流电产生器实施例，包括滤波器LF、功率因子矫正PFC、两相高频变流器以及控制电路。其中功率因子矫正由功率因子矫正控制电路PFCCON所控制，而马达转速控制所需转速侦测器SP以及本创作速度控制装置(60)CON则接于高频变流器部份控制四个功率场效应晶体管(POWER MOSFET)，其控制讯号与场效应晶体管间须经由驱动级DR放大讯号才能驱动，而且驱动级DR也提供电器隔离功能。虽然自激(self-excited)方式也可用来产生高频交流电，自激方式为利用功率电路回授发生震荡，无须附加震荡器于控制电路中，此项技术已经应用于现有的高频荧光灯电子镇流器(electronicballast)，但自激方式缺点为调变交流电电压或频率困难。本发明高频交流电产生器(10)若采自激方式产生，则可如荧光灯电子镇流器类似改变电阻方式，在定子绕组(301)上有数个抽头，不同抽头产生不同电阻，用一组机械开关作两段或三段之简易转速变化。第16图系本发明自激式高频交流电产生器实施例，输入电源为直流电，经由自激串联共振产生单相高频交流电，由于没有定子(30)辅助绕组，所以使用第9图的改变气隙方式使马达起动，在主绕组上有分段抽头，可经由开关SW作两种转速切换。
权利要求
1.一种高频感应马达，包括定子、转子，其特征在于在马达定子与转子置有导体绕组，马达转子绕组与电容连接形成电磁共振回路，定子绕组通入高频交流电，转子经由感应而发生电磁共振并与定子交互作用产生转矩使马达转动。
2.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于铁氧体以及和其同系列的材料为转子以及定子铁心所使用磁性材料。
3.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于所述之定子绕组所通入之交流电频率必须等于或接近转子电磁共振频率。
4.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于转子装置为多个电容或转子绕组电路可形成多个电感而有多个共振频率时，任一个共振频率皆可作为定子绕组所通入的交流电频率适用的频宽范围。
5.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于定子置入单相绕组，则应以单相感应马达辅助方式起动。
6.根据权利要求5所述的一种高频感应马达，其特征在于所述之辅助起动方式为分相起动、运转电容分相起动、蔽极起动以及改变磁极气隙起动。
7.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于利用转子绕组的多个共振频率相近且不相等之共振回路，可分出定子旋转磁场之相序，使转子顺着定子旋转磁场方向起动以及运转。
8.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于其绕组可用两相绕组以减少绕组数以及电子组件数目，或用三相绕组以提高铁心利用率。
9.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于可利用改变高频交流电的脉波宽度或频率，或脉波宽度以及频率同时改变，来改变马达转速进而控制马达转速。
10.根据权利要求9所述的一种高频感应马达，其特征在于可以用改变高频交流电振幅的方式，改变高频交流电的脉波宽度。
11.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于可利用改变马达定子绕组回路的电阻来改变马达转速。
12.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于高频交流电产生方式可为自激以及他激震荡两种方式，自激方式为利用功率电路回授发生震荡，他激方式须于控制电路附加震荡器。
13.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于高频交流电产生方式可从含有交流成分的直流电获得。
14.根据权利要求1所述的一种高频感应马达，其特征在于所述的高频感应马达设有自我转速侦测器，是利用马达定子绕组或定子转速侦测线圈的电流或电压讯号，取出电流或电压讯号中低频封包成份，此低频封包之频率与马达转速恰成正比，可作为转速控制或显示用。
15.根据权利要求14所述的一种高频感应马达，其特征在于所述的自我转速侦测器，高频交流电为电压源，则侦测定子绕组电流讯号；高频交流电为电流源，则侦测定子绕组电压讯号。
16.根据权利要求14所述的一种高频感应马达，其特征在于所述的自我转速侦测器为定子上的转速侦测线圈，线圈的电压或电流讯号皆可为转速讯号。
17.根据权利要求14所述的一种高频感应马达，其特征在于所述的自我转速侦测器可使用高频比流器、霍尔侦测器、高频变压器或电阻与定子绕组或线圈串、并联或穿越以侦测电压、电流讯号。
18.根据权利要求14所述的一种高频感应马达，其特征在于所述的自我转速侦测，可使用低通滤波器过滤出高频交流电压、电流中之低频封包，再用比较器或数字闸转换为数字脉波。
19.一种高频感应马达的速度控制装置，其特征在于所述的转速控制装置，包含差动侦测器、补偿器以及频率/脉波宽度调变器；其中差动侦测器运算转速侦测器与参考转速之差值，补偿器补偿频率响应或作高阶运算，频率/脉波宽度调变器依运算结果产生调变脉波。
20.根据权利要求19所述的一种高频感应马达的速度控制装置，其特征在于其转速侦测器可为自我转速侦测器或外加的转速侦测器。
21.根据权利要求19所述的一种高频感应马达的速度控制装置，其特征在于若转速侦测器输出为模拟电压讯号，则差动侦测器为运算放大器，且可用运算放大器的频率补偿功能替代补偿器。
22.根据权利要求19所述的一种高频感应马达的速度控制装置，其特征在于若转速侦测器输出为数字脉波讯号，则差动侦测器为互斥或(XOR)闸或相位侦测器，且使用低通滤波器为补偿器。
23.根据权利要求19所述的一种高频感应马达的速度控制装置，其特征在于所述的高频感应马达之转速控制装置，其频率/脉波宽度调变器可用比较器比较锯齿波与调变电压产生脉波宽度调变，利用压控震荡器产生频率调变。
24.根据权利要求19所述的一种高频感应马达的速度控制装置，其特征在于所述的高频感应马达的转速控制装置，可用模拟、数字电路实现，也可以用微处理器的程序来替代实际电路。
25.根据权利要求19所述的一种高频感应马达的速度控制装置，其特征在于所述的高频感应马达的转速控制装置，如需要高阶运算，如模糊控制或类神经网络功能可附加于补偿器中。
全文摘要
本发明公开一种高频感应马达及速度控制装置，是在马达转子与定子置入导体绕组，转子绕组与电容器连接形成共振回路；将高频交流电通入马达定子绕组，转子经由感应以及电磁共振效应产生转子电流，并与定子磁场交互作用而使马达转动，以解决超音波马达的摩擦问题；本发明马达可利用定子绕组或线圈作自我转速侦测，是利用绕组的电压或电流取出低频封包成份，此低频成份的频率与马达转速成正比，可作为转速控制或显示转速用；利用简单的模拟、数字电路组成的马达转速控制器也于本发明中提出，可以简化感应马达的控制器。
文档编号H02K17/02GK1417926SQ01127589
公开日2003年5月14日 申请日期2001年10月30日 优先权日2001年10月30日
发明者林昌贤 申请人:林昌贤