电机及具有该电机的应用设备的制作方法

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种具有大启动转矩的电机及其应用设备。

背景技术：

同步电机在起动过程中，定子的电磁体产生交变磁场，并拖动永磁转子发生振荡，如果转子获得足够动能，转子的振荡幅度将不断增加，最终使转子的旋转迅速加速至与定子的交变磁场同步。但是在电机起动阶段，由于绕组的物理特性，绕组中电流不会突变，上升较慢，因此输入功率pinput(pinput＝vbemfximotor，vbemf为反电动势，imotor为定子绕组电流)同样上升较慢，如果输入功率pinput不足够大到可以克服电机的轴与轴套间的启动摩擦及电机负载如泵或风扇的惯性，即使电机通电，电机仍将维持静止状态不会正常启动。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种具有大启动转矩的电机及具有该电机的应用设备。

本发明的实施例提供一种电机，包括：

定子，所述定子包括定子磁芯及缠绕于定子磁芯上的定子绕组；

转子；

用以感测转子的磁极位置的位置传感器；以及

根据位置传感器的输出来驱动转子相对于定子转动的驱动电路；

其中，在转子静止位置，所述位置传感器相对于所述转子的极轴呈提前角的方式设置。

作为一种优选方案，如果所述转子逆时针旋转，所述位置传感器以相对于所述转子的极轴逆时针偏置设置以形成所述提前角；如果所述转子顺时针旋转，所述位置传感器以相对于所述转子的极轴顺时针偏置设置以形成所述提前角。

作为一种优选方案，所述提前角的电角度小于90度/n，n为所述转子磁极的对数。

作为一种优选方案，所述提前角的范围为大于0度，小于90度。

作为一种优选方案，所述提前角为15度、20度、25度、30度、35度或40度。

作为一种优选方案，所述驱动电路包括：

与定子绕组串联于交流电源之间的可控双向交流开关；及

开关控制电路，被配置为根据交流电源的极性及转子的磁极位置控制所述可控双向交流开关的导通与截止，使所述定子绕组在电机起动阶段沿着预定的起动方向拖动所述转子。

作为一种优选方案，所述开关控制电路被配置为在所述交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性、或者所述交流电源为负半周且转子磁场为与第一极性相反的第二极性时控制所述可控双向交流开关导通，在所述交流电源为负半周且转子的磁场为第一极性、或者所述交流电源为正半周且所述转子的磁场为第二极性时，控制所述可控双向交流开关截止。

作为一种优选方案，所述可控双向交流开关连接在第一节点和第二节点之间，所述电机的定子绕组与所述交流电源串联于所述第一节点和第二节点之间；或者电机的定子绕组与所述可控双向交流开关串联于所述第一节点和第二节点之间，交流电源两端连接第一节点和第二节点；所述电机驱动电路还包括用于至少给所述位置传感器提供直流电压的整流器，所述整流器连接所述第一及第二节点。

作为一种优选方案，所述电机为永磁无刷电机。

作为一种优选方案，所述电机为单相永磁交流电机。

本发明的实施例还提供一种具有如上任意一项所述电机的应用设备。

作为一种优选方案，所述应用设备为泵、风扇、家用电器或者车辆。

本发明实施例中，将位置传感器相对于转子的周向以提前角的方式设置，使电机在起动阶段位置传感器感测到当前的转子磁极的时间被加长，使电流在更早阶段被灌至定子绕组内和/或电流在更长时间段内被灌至定子绕组中使电机的输入功率加大，以使电机产生较大的起动转矩克服转轴的摩擦及负载的惯性顺利启动，因此能够较大幅度地提高电机效率。

附图说明

附图中：

图1示意性地示出本发明一实施例的电机；

图2示出本发明的电机的第一较佳实施方式的电路框图；

图3示出本发明的电机的第二较佳实施方式的电路框图；

图4示出图2电机的第一较佳实施方式的具体电路图；

图5-7示出本发明电机的开关控制电路的其他实施方式的电路图；

图8a及图8b示出现有技术电机输入功率及本发明实施方式的电机输入功率的对比图；

图9及图10示出所述电机的转子具有多个磁极时，位置传感器的设置位置。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。

图1示意性地示出本发明中的电机10。所述电机10以同步电机为例进行说明，所述电机10包括定子、可旋转地设于定子的磁极之间的转子14，所述定子包括定子磁芯12及缠绕于定子磁芯上的定子绕组16。转子14为永磁转子。本实施方式中，以转子具有两个磁极为例进行说明，永磁转子的每个磁极可以用稀土所提炼出来的钕磁铁材料来作磁极也可以用橡胶包裹的钕磁铁(稀土提炼出来，也称为橡胶磁磁铁)来作更加耐用的转子磁极，经过转子14的沿直径方向的两个相对磁极(本实施例中即两块磁铁)中心的虚拟连线记为转子的极轴r，经过定子的沿直径方向的两个对称极部中心的虚拟连线记为定子的极轴。优选的，可以设置定子极部的极弧面与转子同心，从而形成间距相等的主气隙，极弧面上设内凹的起动槽(图未示)，从而在起动槽与转子的外表面之间形成间距不等的不均匀气隙，使得转子14在静止时其极轴r相对于定子的极轴偏移一个角度。该配置可保证定子绕组16每次通电时转子14具有固定的起动位置。在另一个实施例中，定子的磁极和转子14的磁极之间具有不均匀气隙。可以理解的，在更多实施例中，定子和转子也可以具有其他数量的磁极，例如四个、六个等。

定子上或定子内靠近转子14的位置设有用于检测转子14的磁极位置的位置传感器20，在转子14静止位置，所述位置传感器20相对于极轴r呈提前角的方式设置。在所述转子逆时针旋转时，所述位置传感器20以相对于所述转子14极轴r逆时针偏置设置以形成所述提前角；在所述转子顺时针旋转时，所述位置传感器20以相对于所述转子极轴r顺时针偏置设置以形成所述提前角，所述提前角记为α。本领域技术人员可以理解，所述转子14可包括若干对磁极，所述提前角的电角度小于等于90度/n，n为所述转子磁极的对数。优选的，n为所述转子的磁极的数量。本实施方式中，所述提前角α的范围为大于0度且小于90度，优选地，所述提前角α大于等于15度，小于等于45度。更优选的，所述提前角为15度、20度、25度、30度、35度或40度。

图2示出所述电机的电机驱动电路19的一种实现方式的框图。所述电机驱动电路19包括位置传感器20、整流电路28、可控双向交流开关26及开关控制电路30。可控双向交流开关26较佳的为三端双向晶闸管(triac)。电机的定子绕组16、控制电机启停的电源开关25与交流电源24串联于第一节点a及第二节点b之间。三端双向晶闸管的两个阳极t2和阳极t1分别连接第一节点a及第二节点b(见图4)。所述整流电路28用于将交流电源转换为低压直流电并供给所述位置传感器20，所述位置传感器20由所述整流电路28输出的低压直流电供电，用于检测电机转子14的磁极位置，并于其输出端输出磁感应信号。所述开关控制电路30与所述整流电路28、位置传感器20相连，其输出端pout与所述可控双向交流开关26连接，被配置为依据位置传感器20检测的转子磁极位置和交流电源24的极性信息，控制可控双向交流开关26以预定方式在导通与截止状态之间切换，使定子绕组16仅沿着预定的起动方向(本例中为沿逆时针方向)拖动转子14旋转。

所述交流电源24可以是市电交流电220伏、230伏等或者逆变器输出的交流电。所述位置传感器20较佳的可以为霍尔传感器22(见图4)。

图2中可控双向交流开关26连接在第一节点a和第二节点b之间，所述定子绕组16、电源开关25与所述交流电源24串联于所述第一节点a和第二节点b之间。在另一个实施例中，请参考图3，定子绕组16可与所述可控双向交流开关26串联于所述第一节点a和第二节点b之间，交流电源24一端通过所述电源开关25连接第一节点a，交流电源24的另一端连接第二节点b，这样，电机定子绕组16与可控双向交流开关26仍串联在交流电源24的两端之间。所述整流电路28的第一及第二输入端i1及i2分别连接所述第一节点a及第二节点b。较佳的，所述第一输入端i1通过电阻r0连接所述第一节点a。

请参考图4，为图3所示电机驱动电路19的第一实施方式的具体电路图。

所述整流电路28包括四个二极管d2-d5。所述二极管d2的阴极与所述二极管d3的阳极相连，所述二极管d3的阴极与所述二极管d4的阴极相连，所述二极管d4的阳极与所述二极管d5的阴极相连，所述二极管d5的阳极与所述二极管d2的阳极相连。所述二极管d2的阴极作为所述整流电路28的第一输入端i1经电阻r0与所述电机10的定子绕组16相连。所述二极管d4的阳极作为所述整流电路28的第二输入端i2与所述交流电源24相连。所述二极管d3的阴极作为所述整流电路28的第一输出端o1与所述霍尔传感器22、开关控制电路30相连，所述第一输出端o1输出较高的直流工作电压。所述二极管d5的阳极作为所述整流电路28的第二输出端o2与霍尔传感器22相连，所述第二输出端o2输出低于所述第一输出端电压的较低电压。所述整流电路28的第一输出端o1及第二输出端o2之间连接一稳压电路如稳压二极管z1，所述稳压二极管z1的阳极连接所述第二输出端o2，所述稳压二极管z1的阴极连接所述第一输出端o1。

本实施方式中，所述霍尔传感器22包括电源端vcc、接地端gnd及输出端h1，所述电源端vcc连接所整流电路28的第一输出端o1，所述接地端gnd连接所述整流电路28的第二输出端o2，所述输出端h1连接所述开关控制电路30。所述霍尔传感器22被正常供电的情况下，即电源端vcc接收较高电压，接地端gnd接收较低电压，检测的转子磁场为北极(north)时其输出端h1输出逻辑高电平的磁感应信号，检测到南极(south)时其输出端h1输出逻辑低电平的磁感应信号。

在一个较佳实施例中，所述开关控制电路30包括第一开关和第二开关；所述第一开关连接在第一电流通路中，所述第一电流通路设置于所述可控双向交流开关26的控制端(与开关控制电路30的输出端pout相连)与所述整流电路28的第一输出端o1之间；所述第二开关连接在第二电流通路中，所述第二电流通路设置于所述可控双向交流开关26的控制端与所述整流电路28的第二输出端o2之间。

作为一种具体实现中，如图5所示，第一开关31和第二开关32为一对互补的半导体开关。所述第一开关31为低电平导通，所述第二开关32为高电平导通，其中，所述第一开关31与开关控制电路30的输出端pout连接在第一电流通路中，所述第二开关32与所述输出端pout连接在第二电流通路中，所述第一开关31和所述第二开关32两个开关的控制端均连接位置传感器20，第一开关31的电流输入端接较高电压(例如直流电源)，电流输出端与第二开关32的电流输入端连接，第二开关32的电流输出端接较低电压(例如地)。若所述位置传感器20输出的磁感应信号是低电平，第一开关31导通，第二开关32断开，负载电流自较高电压经第一开关31和开关控制电路30的输出端pout向外流出，若所述位置传感器20输出的磁感应信号是高电平，第二开关32导通，第一开关31断开，负载电流自外部流入输出端pout流过第二开关32。图5的实例中第一开关31为正通道金属氧化物半导体场效应晶体管(p型mosfet)，第二开关32为负通道金属氧化物半导体场效应晶体管(n型mosfet)。可以理解的是，在其他实施例中，第一开关31和第二开关32也可以是其他类型的半导体开关，例如可以是结型场效应晶体管(jfet)或金属半导体场效应管(mesfet)等其他场效应晶体管。

在另一个具体实例中，请参考图4，所述开关控制电路30包括第一至第三端子，其中第一端子连接所述整流电路28的第一输出端o1，第二端子连接所述霍尔传感器22的输出端h1，第三端子连接所述可控双向交流开关26的控制端。所述开关控制电路30包括电阻r2、npn三极管q1(第一开关)、以及串联于霍尔传感器22的输出端h1与所述可控双向交流开关26之间的二极管d1(第二开关)和电阻r1。所述二极管d1的阴极作为所述第二端子连接所述霍尔传感器22的输出端h1。所述电阻r2一端连接所述整流电路28的第一输出端o1，另一端连接所述霍尔传感器22的输出端h1。所述npn三极管q1的基极连接所述霍尔传感器22的输出端h1，发射极连接所述二极管d1的阳极，集电极作为第一端子连接所述整流电路28的第一输出端o1，所述电阻r1不与所述二极管d1相连的一端作为所述第三端子。

所述可控双向交流开关26较佳的为三端双向晶闸管(triac)，其两个阳极t1、t2分别连接交流电源24及定子绕组16，其控制端g连接所述开关控制电路30的第三端子。

可以理解，所述可控双向交流开关26可包括由金属氧化物半导体场效应晶体管、可控硅交直流转换电路、三端双向晶闸管、绝缘栅双极型晶体管、双极结晶体管、半导体闸流管、光耦元件中的一种或多种组成的能让电流双向流过的电子开关。例如，两个金属氧化物半导体场效应晶体管可组成可控双向交流开关；两个可控硅交直流转换电路可组成可控双向交流开关；两个绝缘栅双极型晶体管可组成可控双向交流开关；两个双极结晶体管可组成可控双向交流开关。

在另外的实施例中，所述开关控制电路30具有向所述可控双向交流开关26的控制端流出电流的第一电流通路、及自所述可控双向交流开关26的控制端流入电流的第二电流通路、以及连接在所述第一电流通路和第二电流通路其中一个通路中的开关，所述开关由所述磁感应信号控制，使得第一电流通路和第二电流通路选择性导通。可选的，所述第一电流通路和第二电流通路其中一个通路中设有开关，另一个通路中不设开关。

作为一种具体实现，如图6所示，所述开关控制电路30包括一单向导通开关33，单向导通开关33与输出端pout连接在第一电流通路，其电流输入端可连接位置传感器20的输出端，位置传感器20的输出端还可经电阻r4与输出端pout连接在与所述第一电流通路方向相反的第二电流通路中。单向导通开关33在磁感应信号为高电平时导通，负载电流经单向导通开关33和输出端pout向外流出，所述磁感应信号为低电平时单向导通开关33断开，负载电流自外部流入输出端pout并流经电阻r1和位置传感器20。作为一种替代，所述第二电流通路中的电阻r4也可以替换为与单向导通开关33反向并联的另一个单向导通开关。这样，自输出端pout流出的负载电流和流入的负载电流较为平衡。

在另一种具体实现中，如图7所示，所述开关控制电路30包括反向串联于位置传感器20的输出端和输出端pout之间的二极管34和35、与串联的二极管34和35并联的电阻r5、以及连接于二极管34和35的公共端与一电源之间的电阻r6，其中，二极管34的阴极与位置传感器20的输出端连接。电源可以连接整流电路28的第一输出端o1。二极管34由磁感应信号控制。在磁感应信号为高电平时二极管34截止，负载电流经电阻r6和二极管35自输出端pout向外流出，所述磁感应信号为低电平时，负载电流自外部流入输出端pout并流经电阻r5和位置传感器20。

所述开关控制电路30被配置为仅在所述交流电源为正半周且位置传感器20检测到转子磁场为第一极性、以及所述交流电源为负半周且位置传感器检测的转子磁场为与第一极性相反的第二极性时使所述可控双向交流开关26导通；当所述交流电源为负半周且位置传感器20检测到转子磁场为第一极性时，或者所述交流电源为正半周且位置传感器20检测的转子磁场为第二极性时，不导通所述可控双向交流开关26。本实施方式中，所述第一极性为n极，所述第二极性为s极。其他实施方式中，所述第一极性为s极，第二极性为n极。

所述可控双向交流开关26导通状态下，所述开关控制电路30在使电流自所述整流电路28的第一输出端o1流向所述可控双向交流开关26的控制端的第一状态和使电流自所述可控双向交流开关26的控制端流向所述整流电路28的第二输出端o2的第二状态间切换。值得说明的是，本发明实施例中，开关控制电路30在第一状态和第二状态间切换运行，并不限于其中一个状态结束后立即切换为另一个状态的情形，还包括其中一个状态结束后间隔一定时间再切换为另一个状态的情形。在一个较佳的应用实例中，两个状态切换的间隔时间内可控双向交流开关26的控制端无驱动电流流过。

具体地，在所述交流电源24为正半周且位置传感器20检测到转子磁场为第一极性时，所述开关控制电路30使驱动电流自所述整流电路28的第一输出端o1流向所述可控双向交流开关26的控制端，所述交流电源24为负半周且位置传感器20检测的转子磁场为第二极性时，使驱动电流自所述可控双向交流开关26的控制端流向所述整流电路28的第二输出端o2。

可以理解，转子为第一磁极性且交流电源为正半周，或者转子为第二磁极性且交流电源为负半周时，有驱动电流流过可控双向交流开关26的控制端既包括上述两种情况整个持续时间段内都有电流流过的情形，也包括上述两种情况下仅部分时间段内有电流流过的情形。

现结合图8a及图8b对所述电机驱动电路19的工作原理进行说明。图8a及图8b中，曲线s1指示反电动势，曲线s2指示绕组电流，曲线s3指示位置传感器输出的磁感应信号，图中的阴影表示电机的输入功率pinput。

当电机起动时，所述起动开关25导通，电机得电，位置传感器20检测的转子的磁极位置为n极，所述交流电源24的如果处于正半周，所述开关控制电路30发送导通所述可控双向交流开关26的信号，因此电机的定子绕组16中的绕组电流逐渐增大，因为所述位置传感器20以相对于所述转子14的极轴逆时针偏置设置以形成所述提前角，所述位置传感器20感测转子n极的时间相比于现有技术中将位置传感器20设于转子极轴r上的设计(见图8a)被延长，从图8a及图8b的比较可以看出，图8b中阴影部分的面积即输入功率pinput(pinput＝vbemfximotor，vbemf为反电动势，imotor为定子绕组电流)相比于图8a中的面积有较大程度的增加，输入功率pinput是电机产生机械功的手段，输入功率pinput加大后提供了较大的起动转矩可以克服电机的轴与轴套间的启动摩擦及电机负载如泵或风扇的惯性，使电机可以顺利启动并加速。电机起动后，仍然根据交流电源的极性及转子的磁极位置控制所述可控双向交流开关的导通与截止状态，迅速使加到电机10上的电压为交流电源电压，将转子速度直接拉入与定子绕组16的正向旋转磁场方向一致、转速相同的同步速。

上述实施例是以转子14具有两个磁极为例进行说明的，在其他的实施方式中，转子14可以具有多个磁极，比如转子14具有四个磁极，转子14将具有两条极轴r91、r92，如图9所示；如果转子14具有八个磁极，转子14将具有四条极轴r101-r104，在这些实施方式中，在转子14的预定静止位置，所述位置传感器20相对于任何一条极轴呈提前角的方式设置都可以实现在电机起动时所述位置传感器20感测转子磁极的时间被延长，并提供较大的起动转矩。

上述实施例中虽然以永磁转子为稀土或橡胶磁材料制成、反电动势为梯形波为例进行说明，但是永磁转子还可以由其他材料如铁氧体、钕铁硼、铝镍钴等材料制成，当然转子可选用不同的材料，反电动势的波形也可为正弦波等其他波形。

上述实施例中，转子的磁极位置为n极、所述交流电源为正半周时，或者转子的磁极位置为s极、所述交流电源为负半周时，所述开关控制电路30导通所述可控双向交流开关26。当所述转子14的磁极位置为n极而交流电源为负半周，或者所述转子14的磁极位置为s极而交流电源为正半周时，所述开关控制电路30不导通所述可控双向交流开关26。

上述实施方式中所述整流电路28采用全桥整流电路，其他实施方式中，还可采用半桥整流电路、全波整流电路或半波整流电路。上述实施方式中，整流后的电压经所述稳压二极管z1进行稳压，其他实施方式中，还可采用三端稳压器等电子元件进行稳压。

本领域技术人员可以理解，所述电机驱动电路19可以全部或部分集成于集成电路内，如可由专用集成电路(asic)实现，以降低电路成本，并提高电路的可靠性。所述集成电路包括壳体、自壳体伸出的若干引脚、以及封装于壳体内的半导体基片，所述电机驱动电路封装于集成电路内的部分设于所述半导体基片上。本领域技术人员还可以理解，所述电机驱动电路19还可采用可编程集成电路，例如fpga(fieldprogrammablegatearray)、gal(gatearraylogic)、pal(programmablearraylogic)、pld(programmablelogicdevice)等实现，这些均应属于本发明的专利保护范围。

可视实际情况设计集成电路，如将整流电路28、位置传感器20、开关控制电路30集成在集成电路中；例如，还可以在集成电路中仅集成位置传感器20、开关控制电路30，而将整流电路28及可控双向交流开关26设于集成电路外部。本领域技术人员还可以理解，随着科技的发展，开关控制电路30及所述电机驱动电路19中的更多功能电路还可采用可编程集成电路，例如fpga来实现。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例所述的电机适合于驱动风扇、泵、家用电器或者车辆(车辆内需有低压或高压交流电源,否则需要加逆变器来驱动永磁交流电机)等设备。本发明实施例所述的电机为永磁交流电机，例如永磁同步电机、永磁bldc电机。本发明实施例的电机优选为单相永磁交流电机，例如单相永磁同步电机、单相永磁bldc电机。当所述电机为永磁同步电机时，所述交流电源为市电电源；当所述电机为永磁bldc电机时，所述交流电源为逆变器输出的交流电源。

本发明实施方式改变位置传感器相对于转子的位置，使电机在起动阶段位置传感器感测到当前的磁极的时间被加长，使电流在更早阶段被灌至定子绕组内和/或电流在更长时间段内被灌至定子绕组中使电机的输入功率加大，以使电机产生较大的起动转矩克服转轴的摩擦及负载的惯性顺利启动，因此能够较大幅度地提高电机效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。