專利名稱：無級式線性變速單相直流無刷馬達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及馬達，尤其是一種無級式線性變速單相直流無刷馬達。
背景技術(shù)：
圖8、圖9所示，分別為現(xiàn)有技術(shù)無級式線性變速單相直流無刷馬達的左向和右向換向電路示意圖；該單相直流無刷馬達由功率電路A及信號電路B所組成，當(dāng)線圈電源A1送出電壓時，經(jīng)由信號電路B所感測到的轉(zhuǎn)子位置極性，對換向開關(guān)A3、換向開關(guān)A4、換向開關(guān)A5及換向開關(guān)A6做換向?qū)?，使主要的電流如圖中虛線所示流過變速用三極管A2、定子線圈A7使馬達轉(zhuǎn)動；其馬達變速的原理為利用無級式可變電阻A8阻值的變化，來改變變速用三極管A2其C，E極間的等效電阻，進而改變馬達的轉(zhuǎn)速。若忽略換向開關(guān)的壓降，其穩(wěn)態(tài)時的電路方程式如下IBRY+VBE+IMRA+Eb＝VM其中IB三極管A2基極電流RY可變電阻A8阻值VBE三極管A2基射極導(dǎo)通電壓IM馬達線圈電流RA馬達線圈等效電阻Eb馬達反電動勢VM馬達線圈電壓三極管A2此時工作于放大區(qū)，若其電流放大系數(shù)為hFE則三極管A2射極電流IE=IM=(1+hFE)IB→IB=IM/(1+hFE)]]>而VBE≈0.7V，若VM＞＞VBE，VBE可忽略不計，則方程式變?yōu)镮M·RY/(1+hFE)+IMRA+Eb＝VMv即三極管A2之C，E極間可等效為一電阻值RY/(1+hFE)三極管A2之C，E極間的等效電阻值隨無級式可變電阻A8阻值的改變而改變，藉比可達到無級式改變馬達的轉(zhuǎn)速。然而上述的現(xiàn)有技術(shù)有以下的缺點當(dāng)可變電阻A8阻值RY增加時，三極管A2的等效電阻RY/(1+hFE)亦隨之增加，因而使馬達的轉(zhuǎn)速下降，而此時消耗在變速用三極管A2上的功率約為VCE·IC，當(dāng)馬達轉(zhuǎn)速下降時，VCE的電壓會明顯示上升，此時消耗在三極管A2的功率亦明顯上升，使得三極管A2發(fā)熱，因此三極管A2必須采用體積及散熱能力夠大的功率級三極管，以免三極管A2因發(fā)熱而燒毀，而由于三極管A2體積的增加使得馬達本身的體積亦隨著變大，使得無級式線性變速單相直流無刷馬達無法小型化及輕型化，且其制造成本變高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計之主要目的在于將無級式線性變速單相直流無刷馬達其變速用電子元件消耗的功率，大量的轉(zhuǎn)移至定子模組上，藉此降低變速用電子元件的發(fā)熱量及體積，使得無級式線性變速單相直流無刷馬達可以小型化、輕型化且制造成體降低，為解決上述問題本發(fā)明提出以下技術(shù)方案。
一種無級式線性變速單相直流無刷馬達，包括直流無刷馬達內(nèi)的轉(zhuǎn)子、換向電路及定子模組，該換向電路內(nèi)設(shè)有功率電路及信號電路，且功率電路內(nèi)具有變速用電子元件、四個換向開關(guān)及電源，而信號電路內(nèi)包括有轉(zhuǎn)子位置感測電路及換向邏輯電路，另，定子模組內(nèi)設(shè)有定子線圈，其四個換向開關(guān)分為兩組，并與電源相互并聯(lián)，且于兩組換向開關(guān)中連接有定子模組，其換向邏輯電路系連接且控制功率級電路中的四個換向開關(guān)之導(dǎo)通與截止，其特征在于所述定子模組內(nèi)至少設(shè)有兩個定子線圈，且變速用電子元件系設(shè)于其中一組換向開關(guān)中，并利用連續(xù)性地改變變速用電子元件的導(dǎo)電性，使得馬達的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線連續(xù)性地產(chǎn)生改變，藉此改變馬達的轉(zhuǎn)速，達到馬達無級變速的功能。且上述所述變速用電子元件可為雙極型三極管元件、熱敏電阻元件、場效晶體管元件，而轉(zhuǎn)子位置感測電路可為霍爾元件感測電路。


下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，其中圖1為本發(fā)明的一較佳具體實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的一較佳具體實施例電路示意圖；圖3為本發(fā)明雙繞組左向換向電路示意圖；圖4為本發(fā)明雙繞組右向換向電路示意圖；圖5為本發(fā)明雙繞組左向換向等效電路示意圖；圖6為本發(fā)明雙繞組右向換向等效電路示意圖；圖7為本發(fā)明之單相直流無刷馬達特性曲線變化示意圖；圖8為現(xiàn)有技術(shù)無級式線性變速單相直流無刷馬達左向換向電路示意圖；圖9為現(xiàn)有技術(shù)無級式線性變速單相直流無刷馬達右向換向電路示意圖；具體實施方式
圖1、2所示，分別為本發(fā)明之無級式線性變速單相直流無刷馬達一較佳具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖和電路示意圖，由圖中可清楚看出本實施例系由轉(zhuǎn)子1、換向電路2、定子模組3所組成，其中換向電路2內(nèi)設(shè)有功率電路21及信號電路22且該功率電路21內(nèi)包含有線圈電源211、換向開關(guān)212、換向開關(guān)213、換向開關(guān)214、換向開關(guān)215、變速用三極管216及可變電阻217，另信號電路22設(shè)有一轉(zhuǎn)子位置感測電路221及換向邏輯電路222，又，定子模組3設(shè)有定子線圈31及定子線圈32，且此兩個定子線圈具有平衡及同相位之特性，假設(shè)每個定子線圈其繞線電阻值為R。
圖3、4所示，為本發(fā)明之雙繞組左向換向電路示意圖、雙繞組右向換向電路示意圖，當(dāng)功率電路21中的線圈電源211送出電壓時，信號電路22中的轉(zhuǎn)子位置感測電路221感測到轉(zhuǎn)子1某一磁極，并經(jīng)換向邏輯電路222使換向開關(guān)212及換向開關(guān)215呈導(dǎo)通狀態(tài)，換向開關(guān)213及換向開關(guān)214呈截止?fàn)顟B(tài)，此時主要的電流流經(jīng)換向開關(guān)212后，分流經(jīng)過定子線圈31、三極管216，及定子線圈32，合并后再通過換向開關(guān)215形成一回路，產(chǎn)生激磁，如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)子位置感測電路221感測到轉(zhuǎn)子1的鄰近磁極時，經(jīng)由換向邏輯電路222使換向開關(guān)213及換向開關(guān)214呈導(dǎo)通狀態(tài)，換向開關(guān)212及換向開關(guān)215呈截止?fàn)顟B(tài)，此時主要的電流流經(jīng)換向開關(guān)213后分流經(jīng)過定子線圈31及三極管216、定子線圈32，合并后通過換向開關(guān)214形成一回路，產(chǎn)生激磁，如圖4所示。如此反復(fù)運作以帶動馬達。
當(dāng)馬達在穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時，若忽略換向開關(guān)的壓降，圖3之電路方程式如下Eb+I1R+IB1RX+VBE＝Vdc——①Eb+I2R＝Vdc——②其中Eb馬達反電動勢I1馬達定子線圈31電流R馬達定子線圈31、定子線圈32電阻值IB1三極管216基極電流RX可變電阻217阻值VBE三極管216基射極導(dǎo)通電壓Vdc馬達線圈電壓I2馬達定子線圈32電流三極管216此時工作于放大區(qū)，若其電流放大系數(shù)為hFE則三極管216射極電流IE1=I1=(1+hFE)IB1→IB1=I1/(1+hFE)]]>而VBE≈0.7V，若Vdc＞＞VBE，VBE可忽略不計則①式變?yōu)镋b+[R+RX/(1+hFE)]I1＝Vdc即三極管216之C，E極間可等效為一電阻值RX/(1+hFE)，其等效電路圖如圖5所示。
而圖4之電路方程式如下Eb+I2R+IB2RX+VBE＝Vdc——③Eb+I1R＝Vdc——④三極管216此時同樣工作于放大區(qū)，若其電流放大系數(shù)為hFE則三極管216射極電流IE2=I2=(1+hFE)IB2→IB2=I2/(1+hFE)]]>同樣忽略VBE≈0.7V時，則③式變?yōu)镋b+[R+RX/(1+hFE)]I2＝Vdc同樣地三極管216之C，E極間可等效為一電阻值RX/(1+hFE)，其等效電路圖如圖6所示。
而直流無刷馬達的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性方程式如下N＝V/ke-[Ra/(Ke)2]·T其中N馬達轉(zhuǎn)速T馬達轉(zhuǎn)矩Ke馬達反電動勢常數(shù)Ra馬達定子線圈等效電阻值V馬達線圈電壓由圖5、圖6得知此時Ra＝[R+RX/(1+hFE)]//R故利用可變電阻217的阻值RX變化可以改變變速用三極管216的導(dǎo)電性，產(chǎn)生不同的Ra值，因而產(chǎn)生不同的馬達特性曲線，如圖7所示。
而連續(xù)性地改變可變電阻217的阻值就可以連續(xù)性地改變單相直流無刷馬達的特性曲線，藉此改變馬達的轉(zhuǎn)速，因而達到無級式改變單相直流無刷馬達轉(zhuǎn)速的功能。
而與現(xiàn)有技術(shù)的無級式線性變速單相直流無刷馬達比較，本發(fā)明在變速時，變速用電子元件消耗的功率會大量的轉(zhuǎn)移至定子模組上，其說明如下假設(shè)現(xiàn)有技術(shù)的無級式線性變速單相直流無刷馬達圖8及本發(fā)明的無級式線性變速單相直流無刷馬達圖3兩種變速馬達具有相同的制造參數(shù)，即兩種馬達的繞線圈數(shù)、繞線用銅量、轉(zhuǎn)子尺寸、定子模組尺寸及換向開關(guān)壓降相同，而僅僅在馬達變速的電路不同。
當(dāng)調(diào)整可變電阻A8及可變電阻217使得圖8與圖3的馬達有相同的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速輸出時，雙方流過定子線圈的總電流相同即IM＝I1+I2而馬達輸入功率＝馬達輸出功率+鐵損+磨擦機械損+消耗在定子線圈的銅損+消耗在電子元件的功率。
而兩者的馬達輸入功率、馬達輸出功率、鐵損及磨擦機械損皆相同，故在兩種變速系統(tǒng)中消耗在定子線圈的銅損加上消耗在電子元件的功率為相同的定值。
此時消耗在圖3定子線圈的銅損為I12R+I22R而圖8定子線圈的等效電阻值為圖3兩個定子線圈的并聯(lián)值＝R//R＝R/2所以消耗在圖8定子線圈的銅損為IM2·R/2＝(I1+I2)2·R/2消耗在圖3定子線圈的銅損比圖8多出I12R+I22R-(I1+I2)2·R/2＝I12R+I22R-I12·R/2-I22·R/2-I1I2R＝I12·R/2+I22·R/2-I1I2R＝(I1-I2)2·R/2
因為在兩種變速系統(tǒng)中消耗在定子線圈的銅損加上消耗在電子元件的功率為相同的定值，所以圖3消耗在電子元件的功率就比圖8來得少(I1-I2)2·R/2，而兩者換向開關(guān)所消耗的功率一樣，因此圖3變速用電子元件消耗的功率就比圖8來得少(I1-I2)2·R/2。
當(dāng)I1與I2相差愈大，即圖3定子線圈內(nèi)的電流I1、I2愈不相等時，變速用電子元件消耗的功率差(I1-I2)2·R/2就變得愈大，例如當(dāng)I1≈3/4IM，I2≈1/4IM時，此功率差為IM2·R/8，而當(dāng)I1≈IM，I2≈0時，此功率差就變?yōu)镮M2·R/2，此時圖3變速用電子元件消耗的功率幾乎為零，而圖8變速用電子元件消耗的功率則為IM2·R/2，即圖8變速用電子元件消耗的功率遠大于圖3。
因為定子模組其體積及散熱量通常為變速用電子元件的數(shù)倍，而采用圖3的設(shè)計方法就可以將變速用電子元件消耗的功率，大量的轉(zhuǎn)移至定子模組上，因此可以有效降低變速用電子元件的發(fā)熱量，解決變速用電子元件發(fā)熱的問題，使得無級式線性變速單相直流無刷馬達可以小型、輕型化且可以降低其制造成本。
然而以上所述，僅為本發(fā)明一較佳具體實施例而已，惟本發(fā)明之功能特征并不局限于此，任何熟悉該項技藝者在本發(fā)明領(lǐng)域內(nèi)，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在本案之專利范圍。
權(quán)利要求
1.一種無級式線性變速單相直流無刷馬達，包括直流無刷馬達內(nèi)的轉(zhuǎn)子、換向電路及定子模組，該換向電路內(nèi)設(shè)有功率電路及信號電路，且功率電路內(nèi)具有變速用電子元件、四個換向開關(guān)及電源，而信號電路內(nèi)包括有轉(zhuǎn)子位置感測電路及換向邏輯電路，另，定子模組內(nèi)設(shè)有定子線圈，其四個換向開關(guān)分為兩組，并與電源相互并聯(lián)，且于兩組換向開關(guān)中連接有定子模組，其換向邏輯電路系連接且控制功率級電路中的四個換向開關(guān)之導(dǎo)通與截止，其特征在于所述定子模組內(nèi)至少設(shè)有兩個定子線圈，且變速用電子元件系設(shè)于其中一組換向開關(guān)中，并利用連續(xù)性地改變變速用電子元件的導(dǎo)電性，使得馬達的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線連續(xù)性地產(chǎn)生改變，藉此改變馬達的轉(zhuǎn)速，達到馬達無級變速的功能。
2.如權(quán)利要求1所述的無級式線性變速單相直流無刷馬達，其特征在于所述變速用電子元件可為雙極型三極管元件。
3.如權(quán)利要求1所述的無級式線性變速單相直流無刷馬達，其特征在于所述變速用電子元件可為熱敏電阻元件。
4.如權(quán)利要求1所述的無級式線性變速單相直流無刷馬達，其特征在于所述變速用電子元件可為場效晶體管元件。
5.如權(quán)利要求1所述的無級式線性變速單相直流無刷馬達，其特征在于所述轉(zhuǎn)子位置感測電路可為霍爾元件感測電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無級式線性變速單相直流無刷馬達，其包括轉(zhuǎn)子、定子模組及換向電路，其中該定子模組內(nèi)至少設(shè)有兩個定子線圈，且該換向電路內(nèi)設(shè)有變速用電子元件，利用連續(xù)性地改變變速用電子元件的導(dǎo)電性，使得馬達的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線連續(xù)性地產(chǎn)生改變，藉此改變馬達的轉(zhuǎn)速，達到馬達無級變速的功能。本發(fā)明有效地解決了現(xiàn)有無級式線性變速單相直流無刷馬達體積大、成本高的技術(shù)問題。
文檔編號H02P6/16GK1808862SQ20051012061
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者邱顯霖 申請人:邱顯霖