专利名称：：九换向单元电子换向直流电动机的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种九换向单元电子换向直流电动机，是一种经过全新设计的无刷直流电动机，特点是电枢绕组电路与传统直流电动机电枢绕组电路的构成和作用原理相一致，且电动机有九组电子换向单元。技术背景近代无刷直流电动机普遍采用典型三相永磁同步电动机的结构，用三个霍尔元件或其他位置传感器的角位置信号控制功率开关器件电路给三相绕组电路供电，为三相方波或正弦波电压，成为有自同步功能的同歩电动机，具有类似直流电动机的运行特性，所以称为无刷直流电动机。但是实际上仍是方波电压驱动或正弦波电压驱动的同步电动机，与真正的直流电动机在某些方面仍有一定差距。例如绕组电感对电机容量的限制；电枢电流的测量与控制不得不采用坐标变换的复杂运算等。本实用新型是针对上述现代无刷直流电动机的不足之处而做出的根本性改变设计，使它从原理上和性能上更接近传统的直流电动机。
实用新型内容九换向单元电子换向直流电动机采用如下方案实现与典型的电动机一样，该电动机也由定子、转子、前后端盖和轴承等部件构成，还包括电子换向部件。其特征在于1、包含一个一对极或多对极(P》1)的永磁磁极转子；2、定子铁芯上有九的倍数个槽，Ns=9k1;3、每对极每换向单元定子槽数Ns/9p二kVp，b/p^l时构成整数槽绕组，ki/p〈l构成分数槽绕组。整数槽绕组必然符合9换向单元绕组的对称条件，分数槽绕组则应有p/k为整数，但不为三或三的倍数，才符合9换向单元绕组对称的条件；4、定子绕组的线圈数与定子铁心的槽数相等，每个换向单元由ki个线圈串联或并联构成。9换向单元对称绕组的各换向单元，在转子磁场中均匀分布，相互依次错开40°电角度，标定为第l、3、5、7、9、2、4、6和8换向单元。电枢绕组的9个换向单元或9个相依次首尾相接联成9边形，并引出9个绕组端，9个换向单元或9个相中的电流通过电子换向器进行控制；5、电子换向器包括9个磁场位置传感器、由9路功率开关管上下桥臂组成的9相桥电路、以及磁场位置信号和功率开关管信号之间的逻辑转换器件。9个绕组端接到相应9个功率开关管构成的桥臂中点，相应桥臂上桥臂开关管导通、下桥臂开关管导通、还是上下桥开关管都不导通，决定该绕组端与电源正接通、与电源负接通、或都不直接相接，从而使相应单元绕组内的电流为正向导通、反向导通、或不改变导通方向。9个磁场位置传感器的信号组合输入逻辑转换器件，经逻辑转换后输出18路功率开关管的控制信号组合，控制9个绕组换向单元内电流的方向，让EMF瞬时值为正的绕组单元内的电流方向为正，EMF瞬时值为负的绕组单元内的电流的方向为负，即整个电枢绕组在任何瞬间都是分成二条支路与直流电源联接。或者说任何一个绕组换向单元的EMF瞬时值由正变为负或由负变为正时，都相应改变绕组内的电流方向，EMF瞬时值不发生符号变化时，绕组内电流的方向也不变。6、采用开关霍尔磁场位置传感器时，9个HALL元件的位置按照方波HALL信号与相应换向单元内EMF波形的过零点相一致来放置。找到与绕组换向单元EMF相一致或相同的线圈，该线圈为全距时，HALL元件放置在该线圈边槽口的中心线上，该线圈为短距或长距时，则偏过槽口中心线一个角度，该角度等于线圈节距比极距短掉或长出角度的一半。也可以做正HALL元件在转子磁极表面或端部相对位置沿圆周方向可调的结构，通过实测调试让HALL信号与相应绕组单元EMF波形过零点相一致。7、作为转子磁场传感器的'9个HALL元件，所产生的方波信号，与相应的9个绕组换向单元相对应，分别用、h3、h5、h7、h9、h2、h4、h6和h8表示，它们的过零点与相应绕组单元EMF波形的过零点相一致，也是相互依次错开40。电角度，9个HALL信号组合的状态，以转子转过一对极距为周期作循环变化，一个周期或一个循环内包括18种状态，即每隔20°电角度变化一次状态。8、采用可编程逻辑电路组件，即GAL电路，将9个HALL信号的组合作为它的输入，然后逻辑转换为18路功率幵关管控制信号的组合输出。9个上桥臂功率开关管的控制端采用与相应绕组换向单元相同的标号，分别依次为l、3、5、7、9、2、4、6和8，下桥臂功率管的控制端则用加反的标号，分别依次为T、〗、乙7、5、5、3、5和§。GAL电路输出的18路功率管控制信号组合的状态，与HALL信号相对应，也是以转子转过一对极为周期循环变化，每个循环含18种通电状态。GAL电路输出的每一个状态的18路信号中，仅有二路为导通信号，且一路为上桥臂导通信号，另一路为下桥臂导通信号，其他16路都是不导通信号。每改变一HALL信号组合的状态，GAL电路输出控制信号组合的状态随之改变一次，实际上只有对应HALL信号从0变1或由1变0的桥臂导通信号需顺次移位发生变化。以下结合附图对本九换向单元电子换向直流电动机作进一步说明图1为本实用新型的总体结构示意图2为本实用新型的转子结构示意图3为本实用新型的电枢绕组图4为本实用新型的电枢绕组内部电路图5为本实用新型的半导体开关元件组与绕组换向单元的连接图；图6为本实用新型的霍尔元件分布示意图；图7为本实用新型霍尔信号与反电势波形对应关系示意图图8为本实用新型CW向旋转时，霍尔信号和反电势波形汇总图；图9为本实用新型CCW向旋转时，霍尔信号和反电势波形汇总图。以下结合附图对本实用新型作进一步说明。参照附图l，为本实用新型的总体结构，如图所示1——前轴承，2——前端盖，3——定子，4——转子，5——霍尔元件，6——印制电路板，7——后端盖，8——后轴承，9——电子换向器部件，10——电机绕组端连接器，11——霍尔信号线连接器，12——控制端接插件，13—一电源插座。本实例为2对极的永磁电动机，p二2，如图2所示。本实例定子铁芯为18槽，NS=18=2X9，k产2，p/k产l，表明电枢绕组将包含两个单元绕组，相邻的9个线圈构成一个单元绕组，另外9个线圈则构成另一个单元绕组。标准的双层短距绕组，线圈和单元之间的连接如图3所示，这里给出的是二单元间并联的接法。绕组连接完成后，电枢绕组内部归结为9个绕组换向单元，依次首尾相连，成9边形接法，引出9个出线端，如图4所示。每个绕组换向单元都有对应的半导体开关元件组，是接在功率驱动电源的半桥电路，上桥臂导通可使相应换向单元正向导通，下桥臂导通则可使相应换向单元反向导通。如附图5所示，绕组换向单元的出线端接在相应半导体开关元件组桥臂的中点，开关元件组控制端的数字代表符号与相应绕组换向单元出线端的代号相同，即上桥臂控制信号端相应为l、3、5、7、9、2、4、6和8，下桥臂控制信号端相应为T、5、L7、"5、3、^禾口§。本实例的磁场位置传感器为常规的开关霍尔元件，与绕组换向单元数一样，共有9个，均匀分布在转子永磁体端面对应的圆周上，如图6所示，图中表示出第1绕组换向单元的一条支路，是跨越在第(1)槽到第(5)槽之间的一个线圈；与第1绕组换向单元对应的霍尔元件1放置在第(1)槽口中心线向CCW方向偏5。的位置；沿圆周均匀放置的霍尔元件，按它们所处位置槽内线圈所属的换向单元数，便可以确定各自的编号，按CW方向沿圆周分布的顺序为1、5、9、4、8、3、7、2和6。电动机转子旋转的过程中，取图6所示转子磁极位置的瞬间为时间坐标零点，此时换向单元1线圈的中心线与转子N级的中心线相一致，线圈的磁链^为最大值，反电势ej勺瞬时值为零，霍尔元件1正处在N极和S极的交界处，霍尔元件1的信号h正处在从零变为正或从正变为零的瞬间，因转向不同而异，如图7所示。其他各换向单元的反电势与相应霍尔元件的信号波形相位关系也相同。考虑到各换向单元的反电势的相位依次错开40°电角度，可以得到实例电动机换向单元反电势及霍尔信号的波形汇总，如图8和图9所示。如果将波形变化的周期(360°电角度)分成18个等份的时区，即每个时区为20。电角度，可以得到电动机霍尔信号状态变化的时序表如下-表lCW方向旋转霍尔信号状态时序表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>3、5、7、9、2、4、6、8和T、3、S、7、5、3、3、g、§表示，所以逻辑变换的输出是18位。这种对应关系同时列在表1和表2中，这里采取简化的表示方法，例如导通信号状态为25时，表示功率管2和功率管〗导通，其余功率管均不导通。功率管2导通时，使电流一路正向流入换向单元绕组2、4、6、8和1，另一路反向流入换向单元绕组9、7、5和3，二路一起由功率幵关管5流出经电源闭合。前一条支路的特点是EMF的瞬时值均为正，后一路支路的特点是EMF的瞬时值均为负。权利要求1、九换向单元电子换向直流电动机，包括转子、定子和电子换向部件，其特征在于转子上有一对极或多对极的永磁体磁极；硅钢片迭成的定子铁心上有9的倍数个齿槽，定子上的电枢绕组分成9个绕组换向单元，在转子磁场中均匀分布，EMF依次错位40°电角度，9个绕组换向单元首尾相接呈9边形连接，并引出9个绕组端；电子换部件包括9个磁场位置传感器、由9路功率开关管上下桥臂组成的9相桥电路、以及磁场位置信号组合状态和功率开关管控制信号组合状态之间的逻辑转换器件；9个磁场位置传感器的信号组合经逻辑转换器件输出18路功率开关管控制信号组合的状态，控制9个绕组换向单元内电流的方向，让EMF瞬时值为正的绕组换向单元内电流的方向为正，EMF瞬时值为负的绕组换向单元内电流的方向为负，即整个电枢绕组在任何瞬间都是分成二条支路并联后与直流电源相连接，或者说任何一个绕组换向单元的EMF瞬时值由正变负或由负变正时，都相应改变绕组换向单元内电流的方向，EMF瞬时值不发生符号变化时，绕组换向单元内的电流方向不变。2、根据权利要求l所述的九换向单元电子换向直流电动机，其特征在于转子上有一对极或多对极的永磁体磁极，即极对数P^1。3、根据权利要求l所述九换向单元电子换向直流电动机，其特征在于硅钢片迭成的定子铁心上有9的倍数个齿槽，即定子齿槽数Ns二9b，h为正整数。4、根据权利要求1或2或3所述的九换向器电子换向直流电动机，其特征在于每对极每换向单元定子槽数匕/p》1，或者匕/p〈1，但P不等于三或三的倍数时，都能符合构成9换向单元电枢绕组的对称条件。5、根据权利要求4所述九换向单元电子换向直流电动机，其特征在于电枢绕组分成9个绕组换向单元，在转子磁场中均匀分布，EMF依次错位40°电角度，依次标号为第l、3、5、7、9、2、4、6和8换向单元，9个绕组单元首尾相接，呈9边形连接，并相应引出9个绕组端。标号依次相应也为l、3、5、7、9、2、4、6和8。6、根据权利要求5所述的九换向单元电子换向直流电动机，其特征在于电枢绕组的9个出线端分别依次连接到9相桥电路桥臂的中点。7、根据权利要求1所述的九换向单元电子换向直流电动机，其特征在于采用开关霍尔磁场位置传感器时，9个HALL元件的位置按照方波HALL信号与相应绕组换向单元内，EMF波形的过零点相一致来放置，找到与绕组换向单元EMF相一致或同相位的线圈，该线圈为全距时，HALL元件放置在该线圈边槽口的中心线上，该线圈的短距或长距时，则偏过槽口中心线一个角度，该角度等于线圈节距比极距短掉或长出角度的一半，做成HALL元件沿转子磁极表面或端面圆周方向位置可调的结构时，只要保证9个HALL元件依次间隔40°电角度就可以，最终定位的位置依据与相应绕组换向单元内EMF波形的过零点相一致来确定。8、根据权利要求1或7所述九换向单元电子换向直流电动机，其特征在于所述转子磁场位置传感器的9个HALL元件，所产生的方波信号，分别用h、h3、h5、h7、h9、h2、h4、h6和h8表示，相互依次错开40°电角度，9个HALL信号的状态，以转子转过一对极距为周期作循环变化，一个周期或一个循环内包括18种状态，即每隔2(T电角度变化一次状态，电动机按CW方向或CCW方向旋转时，HALL信号状态时序表如说明书中表1和表2所示。9、根据权利要求8所述的九换向单元电子换向直流电动机，其特征在于将9路HALL信号状态转换为18路功率开关管控制信号可采用可编程逻辑电路组件，即GAL电路；9个绕组端标号依次为1、3、5、7、9、2、4、6和8，相应地与之相连的9个上桥臂开关管和9个下桥臂开关管的控制端的标号，分别表示为1、3、5、7、9、2、4、6、8和T、§、S、7、5、5、3、乙GAL电路输出信号的状态，与HALL信号相对应，也是以转子转过一对极为周期循环变化，每个循环含18种通电状态。GAL电路输出的每一个状态的18路信号中，仅有二路为导通信号，且一路为上桥臂导通信号，另一路为下桥臂导通信号，其他16路都是不导通信号，每改变一HALL信号组合的状态，GAL电路输出控制信号组合的状态随之改变一次，实际上只有对应HALL信号从0变1或由1变0的桥臂导通信号需顺次移位发生变化，与HALL信号状态对应的关系如说明书中表1和表2所示。专利摘要本实用新型涉及一种九换向单元电子换向直流电动机。现有无刷直流电动机的绕组电感对电机容量有较大限制。为此，本实用新型的定子上的电枢绕组分成9个绕组换向单元，9个绕组换向单元首尾相接呈9边形连接，并引出9个绕组端；电子换部件包括9个磁场位置传感器、9相桥电路和逻辑转换器件；9个磁场位置传感器的信号组合经逻辑转换器件输出18路功率开关管控制信号组合的状态，控制9个绕组换向单元内电流的方向，让EMF瞬时值为正的绕组换向单元内电流的方向为正，EMF瞬时值为负的绕组换向单元内电流的方向为负。本实用新型具有结构简单、调速方便、成本低、寿命长的优点，适于军用、民用。文档编号H02K29/08GK201355795SQ200820205978公开日2009年12月2日申请日期2008年12月24日优先权日2008年12月24日发明者王宗培,陈敏祥申请人:珠海运控电机有限公司