专利名称：无刷电机装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机装置，更具体地讲，涉及一种能够高速旋转并具有
高效率的无刷直流(BLDC)电机装置。
背景技术：
与具有刷的电才几装置相比，由于无刷直流(BLDC)电才几装置没有机械 接触，所以其噪音低、寿命长、维护简单(例如不需要更换刷)等。因此， BLDC电机装置被广泛地用作工业装备、家用电器、运输系统等的电机。
关于这种电机装置，在第10-0415493号韩国专利登记中公开了一种使电 机装置能够高速旋转、具有强劲的起动扭矩并输出恒定功率的技术。
根据这种技术，低效率区域(即，产生反电动势的区域)未被使用，从 而该电机装置可具有效率高、稳定性高、结构简单且无保护电路、寿命长以 及维护方^f更的优点。
这种传统的技术被构造成同时接通和断开构成H桥的上侧(+ )的开关 装置和下侧(-)的开关装置。对于这种构造，具体地讲，当开关装置被断开 时，在绕组中流动的电流突然无处可去，并通过连"l妄到相对的上侧的开关装 置的二极管返回到(+ )侧。此时，如果电流的量很小，则没有问题。但是， 如果电流的量大，则开关装置非正常地操作，从而开关装置的寿命会降低或 开关装置损坏。
同时，传统的技术使用光电传感器等来感测转子的相。然而，光电传感 器另外需要对应于转子的极性的编码器，从而光电传感器可感测极。这就是 为什么电机装置的产品成本增加、电机装置的结构变得复杂并且电机装置的 精确程度降低的原因。此外，光电传感器与其它传感器相比本身也更昂贵、 寿命更短、精确程度更低并且在脏、灰尘或类似的污染潮湿环境下可靠性更 低。
此外，传统的^l支术包括用于转子的绕组的多个槽。然而，如果相邻两个 槽的绕组使得电流沿着相同的方向流动，则磁通量的冲突导致磁通量彼此抵
4消，从而电机装置的效率降低。
发明内容
技术问题
本发明致力于解决上述问题，本发明的一方面在于提供一种防止其开关
装置出现故障或损坏的无刷直流(BLDC)电机装置。
此外，本发明的另一方面在于提供一种具有制造成本低廉、寿命长、结 构简单并且可靠性高的转子传感器的BLDC电机装置。
此外，本发明的第三方面在于提供一种电机效率提高的BLDC电机装置。
技术方案
本发明的上述和/或其它方面通过提供一种无刷直流(BLDC)电机装置 来实现，该电机装置包括定子，设置有多个绕组，所述多个绕组与N相对 应并彼此独立地平行缠绕的；转子，具有多个极并通过所述绕组的激励而相 对于所述定子旋转，所述多个极对应于所述多个绕组；开关单元，相对于每 个相以全H桥的形式设置，并且所述开关单元包括对应于所述绕组的(+ ) 侧的一对上开关装置和对应于所述绕组的(-)侧的一对下开关装置，并执行 开关操作以将驱动功率供应到所述绕组或者不将驱动功率供应到所述绕组； 第一感测装置，感测所述转子相对于所述定子的相以确定是否接通或者断开 所述上开关装置；第二感测装置，被设置在比所述第一感测装置靠后的部分 (in the latter part )，并感测所述转子相对于所述定子的相以确定是否接通或 者断开所述下开关装置；控制器，基于感测的所述转子的相使用部分方形波 驱动所述上开关装置和所述下开关装置，并控制所述下开关装置比所述上开 关装置晚断开比l毛尽停留在所述绕组中的电流所需的时间长的时间。 所述控制器可控制所述下开关装置比所述上开关装置早接通。 所述控制器可控制所述下开关装置在极改变点纟皮接通或者断开。 所述控制器可控制所述上开关装置在所述转子的最大^t通量的70%的区
域被接通。
所述耗尽停留在所述绕组中的电流的时间可对应于所述转子的旋转速度。
所述第一感测装置和所述第二感测装置中的至少一个可包括Hall传感器。所述第一感测装置和所述第二感测装置中的至少一个可包括解算器。
所述定子包括多个槽，所述绕组缠绕在所述多个槽上；^磁通量冲突防
止槽，设置在两个相邻的槽之间。 有益效果
本发明提供一种能够防止开关装置出现故障或者损坏的BLDC电机装置。
此外，根据本发明，可获得高效的电机，输出密度可增加并且可获得高 功率的BLDC电机。
此外，根据本发明，可减少扭矩波动。换句话说，只有高效区域(即， 用于获得特定扭矩的区域)被使用，从而扭矩波动首先在与一个相的一个极 对应的一个区域内变小，然后具有该小扭矩波动的扭矩通过平行连接的相的 结合形成线性扭矩方案，从而获得具有非常小的扭矩波动的线性扭矩。
图1是根据本发明的示例性实施例的电机装置的方框图。
图2显示了才艮据本发明的示例性实施例的电机单元的详细构造。
图3显示了才艮据本发明的示例性实施例的定子和绕组的构造。
图4是根据本发明的示例性实施例的开关单元的电路图。
图5显示了根据本发明的示例性实施例的定子和绕组的另一构造。
图6是根据本发明的示例性实施例的开关单元的另 一电路图。
图7是根据本发明的示例性实施例的开关单元的详细电路图。
图8显示了根据本发明的示例性实施例的用于开关装置的控制信号的波
图9显示了根据本发明的示例性实施例的传感器的构造。
具体实施例方式
以下，将参照附图来更加详细地说明本发明的示例性实施例。图l是根 据本发明的示例性实施例的无刷直流(BLDC)电机装置100的方框图。
BLDC电机装置100包括电机单元110、电源140、开关单元131、传感 器120和控制器132。可被实现为BLDC电机等的电机单元110在控制器132 的控制下旋转以产生扭矩。电源140将驱动功率，即，DC功率供应给电才几单元110。 开关单元131根据控制器132的控制被接通或断开，并执行开关操作以 将驱动功率供应到电机单元IIO或者不将驱动功率供应到电机单元110。
传感器120感测电机单元110的旋转状态并将感测的信息发送到控制器
132。
控制器132基于从传感器120发送的感测的关于电机单元110的旋转状 态的信息控制电^L单元110的旋转。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的电机单元110的详细构造。电 机单元110包括定子111和转子112。定子111包括与相的数目N对应的多 个绕组。绕组#^波此平行并独立地设置。
转子112包括与所述多个绕组对应的多个极113，并相对于定子111旋 转。每个极113可由永久》兹铁实现。在该实施例中，转子112按照外转子的 形式设置，其中，N极和S极交替地布置，同时围绕定子lll。或者，如果转 子以内转子的形式布置，则转子被定子围绕。
在该实施例中，数目N可以是3个(即，3个相)，极113的总数可以是 16个。在这种情况下，每个极113对应于3个相。然而，相的数目和极的数 目可不限于该实施例。
图3显示了#4居本发明的示例性实施例的定子111和绕组的构造。在该 实施例中，对应于3个相和16个极，定子111具有48个槽，绕组114缠绕 在该48个槽上。
此外，磁通量冲突防止槽lllb设置在两个相邻的槽llla之间。磁通量 冲突防止槽lllb的宽度小于槽llla的宽度。
》兹通量冲突防止槽lllb防止当电流沿着相同的方向流过两个相邻槽的 绕组时磁通量互相冲突。此外，在极改变点(pole altering point)处产生反电 动势的段(section)减少大约一半。因此，电机驱动范围变得更大，从而每 单元体积(重量)的输出密度增加。此外，使用效率和稳定性高的区域，从 而得到具有低扭矩波动(torque ripple)的线性扭矩，从而使得驱动稳定并且 效率高。
在图3中，Al和B1表示相。对应于各个相的绕组114互相独立地缠绕。 16个绕组114相对于每个相平行地连才妻。
图4是才艮据本发明的示例性实施例的开关单元131的电路图。开关单元131对应于每个相按照全H桥的形式设置。更具体地讲，开关单元131相对 于每个相包括4个开关装置Q1至Q4。即，开关单元131包括一对上开关装 置Ql和Q3以及一对下开关装置Q2和Q4。
一对上开关装置Ql和Q3对应于绕组的(+ )侧， 一对下开关装置Q2 和Q4对应于绕组的(-)侧。对应于每个相的4个开关装置Q1至Q4并联地 连接到电源140。开关装置Q1至Q4中的每个可由场效应晶体管(FET)、绝 缘栅双极晶体管(IGBT)等来实现。
如果上开关装置Ql和Q3中的一个和下开关装置Q2和Q4中对应的一 个被同时接通，则对应相的绕组114被激励。例如，开关装置Q1和Q4被同 时接通，或者开关装置Q3和Q2被同时接通。
控制器132 4吏用部分方形波(partial square wave)来驱动一对上开关装 置Ql和Q3和一对下开关装置Q2和Q4。即，控制器132控制上开关装置 Ql和Q3和下开关装置Q2和Q4, /人而^f义有感应电压是最大感应电压70%的 区域或者仅有转子112的磁通量为最大磁通量70%的区域能够被激励。
例如，控制器132仅控制3个相中的2个相被激励(参照图2中的励磁 段(excitation section ))，而另 一相未被激励(参照图2中的非励磁段)。参照 图3和图4，相Al和Bl被激励，而相Cl和C2未被激励。另 一方面，图5 和图6显示相Bl和Cl被激励，而相Al和A2未被激励。在该实施例中，3 个相中的2个相通过例如但不限于此的方式被激励。或者，多少相被激励可 -故不同i也确定。
图7是根据本发明的示例性实施例的开关装置131的详细电路图。如图 7所示，开关装置Ql至Q4分别包括二极管134a或134b。 一对下开关装置 Q2和Q4分别包括第一二极管134a和第二二极管134b。第一二极管134a和 第二二极管134b中的每个具有连接到地的阳极和连接到绕组114的相对的端 部的阴极。
关于未被激励的相，控制器132控制对应的绕组114以耗尽累积的磁能， 从而防止开关装置Q1至Q4出现故障或者损坏。换句话说，控制器132控制 下开关装置Q2和Q4的开关操作以使得电流(即，施加的电流和感应的电流) 平稳地向外流到地，从而在非励》兹段在绕组114中无电流停留。
更具体地讲，控制器132控制下开关装置Q2和Q4晚于上开关装置Ql 和Q3被断开。此外，控制器132可控制下开关装置Q2和Q4早于上开关装
8置Q1和Q3被接通。
例如， 一对下开关装置Q2和Q4 一皮接通和断开，同时在极改变点互锁 (interlocking )。这里，极改变点以示例的方式被描述。或者，下开关装置 Q2和Q4的开关点可被不同地确定为在上开关装置Ql或者Q3的开或关点和 极改变点之间的段内。这里，仅需要耗尽停留在绕组114中的电流所需的时 间。
在该实施例中，耗尽停留在绕组114中的电流所需的时间，即，相对于 上开关装置Ql和Q3断开下开关装置Q2和Q4的时间点才艮据转子112的旋 转速度确定。
例如，如果转子112的旋转速度小，则花费相对长的时间使停留在绕组 114中的电流流出，这是因为输入电流高而感应电势低。在这种情况下，在 上开关装置Ql和Q3被断开之后经过足够长的时间过去之后，下开关装置 Q2和Q4被断开。
另一方面，如果转子112的旋转速度大，则停留在绕组114中的电流小， 从而电流可快速地流出。在这种情况下，在上开关装置Q1和Q3被断开之后 经过相对短的时间之后，下开关装置Q2和Q4被断开。
因此，从上开关装置Ql和Q3断开到断开下开关装置Q2和Q4经过的 时间大致上与转子112的旋转速度成反比。
同时，相对于上开关装置Ql和Q3断开下开关装置Q2和Q4的时间点 可根据定子111和转子112之间的相对位置确定。例如，在3个相、16个极 和48个槽的情况下，如果转子112具有60rpm的旋转速度，则使一个相通过 一个极花费的时间是大约l/16s=62.5ms。此外，如果从上开关装置Ql和Q3 断开到断开下开关装置Q2和Q4经过的时间是0.83ms,则对应于经过的时间 的设置在定子111中的槽的数目是0.83ms/(62.5ms/3个相)=0.04。
考虑到这些结果和驱动稳定性，下开关装置Q2和Q4可在从上开关装置 Ql和Q3被断开时起转子112相对于定子111旋转0.04至0.1 (槽)之后被 断开。
因此，在该实施例中，下开关装置Q2和Q4以大于耗尽绕组114中的停 留的电流所需时间的时间迟于上开关装置Q1和Q3断开的时间被断开，从而 开关装置Q1至Q4可根据电机单元110的旋转状态被灵活地控制。因此，电 机装置以高可靠性被稳定地驱动，而不管旋转速度是高还是低。参照图7，例如，如果开关装置Q4被接通，同时开关装置Q1没有被接 通，则第一二极管134a、绕组114和下开关装置Q4构成封闭的回路。此时， 电流可流入封闭的回路，但是电流会通过在绕组114中积聚的磁能而被耗尽。
图8显示了根据本发明的示例性实施例的用于开关装置Q1至Q4的控制 信号的波形。在图8中，11至14分别表示用于4个开关装置Q1至Q4的控 制信号的波形。如果控制信号的波形高，则开关装置Q1至Q4的每个都被接 通，如果控制信号的波形低，则开关装置Q1至Q4的每个都被断开。
在上开关装置Ql或者Q3被接通的同时，对应的下开关装置Q2或者 Q4被接通。即，即使上开关装置Ql或者Q3被断开，也有下开关装置Q2 或者Q4被接通的段。上开关装置Ql或者Q3被断开而下开关装置Q2或者 Q4被接通的段对应于非励磁段，这是因为它们不是同时被接通。
根据本发明的实施例，存在很小的反电动势和很小的异常波形，可防止 开关装置出现故障和损坏。
此外，不使用低效率区域而仅使用高效率区域，从而电机装置可具有高 效率。此外，使用磁通量冲突防止槽，从而可防止在相邻的两个槽之间产生 的磁通量互相冲突。此外，在由于反电动势而使得电机驱动不可能的区域被 减少到一半，从而电机驱动范围增加。由于相对于相同电机体积，驱动区域 增加，所以输出密度可增加。
同时，传感器120相对于每个相被分配，并且每个相设置一个或者多个 感测装置。此外，感测装置包括用于驱动上开关装置Ql或者Q3的第一感测 装置和用于驱动下开关装置Q2或者Q4的第二感测装置。或者， 一个感测装 置可被用于驱动上开关装置Ql或者Q3和下开关装置Q2或者Q4两者。
图9显示了4艮据本发明的示例性实施例的传感器120的构造。如图9中 所示，传感器120包括6个霍尔(Hall)传感器121a至121f。 Hall传感器121a 至121H皮布置在定子111中，从而它们对应于各个相以感测转子112的相。 Hall传感器121a至121f被适当地布置以驱动上开关装置Ql或者Q3和下开 关装置Q2或者Q4。例如，Hall传感器121a至121f被布置为感测与最大磁 通量的70%对应的位置(即，驱动上开关装置Q1或者Q3的区域)。
Hall传感器121a至121f向控制器132发送与接近的极113的极性对应 的感测信号。然后，控制器132基于从Hall传感器121a至121f发送的感测 信号控制开关装置Ql至Q4纟皮-接通和断开。或者，传感器120可包括编码器和解码器的组合形式的作为高分辨率的
精确传感器的解算器(未示出)。
虽然已经显示并描述了本发明的一些实例性实施例，但本领域技术人员 应当理解可在不脱离本发明的原理和精神的情况下在这些实施例中进行改 变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
产业上的可利用性 如上所述，本发明提供一种能够防止开关装置出现故障或者损坏的
BLDC电机装置。
此外，根据本发明，可获得高效电机、输出密度可增加并且可获得高功 率的BLDC电机。
此外，根据本发明，可降低扭矩波动。换言之，仅有高效区域(即，用 于实现特定扭矩的区域)被使用，从而扭矩波动首先在对应于一个相的一个 极的一段内变小，然后具有这种小扭矩波动的扭矩通过平行连接的相的结合 形成线性扭矩方案(torque scheme),从而实现具有非常小的扭矩波动的线性 扭矩。
ii
权利要求
1、一种无刷直流电机装置，包括定子，设置有多个绕组，所述多个绕组与N相对应并彼此独立地平行缠绕；转子，具有多个极并通过所述绕组的激励而相对于所述定子旋转，所述多个极对应于所述多个绕组；开关单元，相对于每个相以全H桥的形式设置，并且所述开关单元包括对应于所述绕组的(+)侧的一对上开关装置和对应于所述绕组的(-)侧的一对下开关装置，并执行开关操作以将驱动功率供应到所述绕组或者不将驱动功率供应到所述绕组；第一感测装置，感测所述转子相对于所述定子的相以确定是否接通或者断开所述上开关装置；第二感测装置，被设置在比所述第一感测装置靠后的部分，并感测所述转子相对于所述定子的相以确定是否接通或者断开所述下开关装置；控制器，基于感测的所述转子的相使用部分方形波驱动所述上开关装置和所述下开关装置，并控制所述下开关装置比所述上开关装置晚断开比耗尽停留在所述绕组中的电流所需的时间长的时间。
2、 如权利要求1所述的无刷直流电机，其中，所述控制器控制所述下开 关装置比所述上开关装置早接通。
3、 如权利要求1或2所述的无刷直流电机，其中，所述控制器控制所述 下开关装置在极改变点^皮接通或者断开。
4、 如权利要求3所述的无刷直流电机，其中，所述控制器控制所述上开 关装置在所述转子的最大^f兹通量的70%的区域净皮接通。
5、 如权利要求1或2所述的无刷直流电机，其中，所述耗尽停留在所述 绕组中的电流的时间对应于所述转子的旋转速度。
6、 如权利要求1或2所述的无刷直流电机，其中，所述第一感测装置和 所述第二感测装置中的至少 一个包括霍尔传感器。
7、 如权利要求1或2所述的无刷直流电机，其中，所述第一感测装置和 所述第二感测装置中的至少 一个包括解算器。
8、 如权利要求1或2所述的无刷直流电机，其中，所述定子包括多个槽，所述绕组缠绕在所述多个槽上； 石兹通量冲突防止槽，设置在两个相邻的槽之间。
全文摘要
一种无刷直流(BLDC)电机装置，该电机装置包括定子，设置有多个绕组，所述多个绕组与N相对应并彼此独立地平行缠绕；转子，具有多个极并通过所述绕组的激励而相对于所述定子旋转，所述多个极对应于所述多个绕组；开关单元，相对于每个相以全H桥的形式设置，并且所述开关单元包括对应于所述绕组的(+)侧的一对上开关装置和对应于所述绕组的(-)侧的一对下开关装置，并执行开关操作以将驱动功率供应到所述绕组或者不将驱动功率供应到所述绕组；第一感测装置，感测所述转子相对于所述定子的相以确定是否接通或者断开所述上开关装置；第二感测装置，被设置在比所述第一感测装置靠后的部分中，并感测所述转子相对于所述定子的相以确定是否接通或者断开所述下开关装置；控制器，基于感测的所述转子的相使用部分方形波驱动所述上开关装置和所述下开关装置，并控制所述下开关装置比所述上开关装置晚断开比耗尽停留在所述绕组中的电流所需的时间长的时间。
文档编号H02P7/28GK101669278SQ200880013787
公开日2010年3月10日 申请日期2008年4月22日 优先权日2007年4月27日
发明者朴智锡, 河炳吉 申请人:河炳吉;朴智锡;创新电机工业株式会社