專利名稱：低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)速發(fā)電機(jī)，具體為一種低紋波、無刷的測(cè)速發(fā)電機(jī)。
(二)
背景技術(shù)：
測(cè)速發(fā)電機(jī)是自動(dòng)控制領(lǐng)域常用的測(cè)速元件。測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與被測(cè) 旋轉(zhuǎn)體連軸，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，由此即可得到 其轉(zhuǎn)速值。
現(xiàn)有的測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子通常是其一為永磁磁鋼、另一為繞組。
當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的定子是永磁磁鋼、轉(zhuǎn)子是繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組接換相片、 經(jīng)滑環(huán)或碳刷外引，為有刷測(cè)速發(fā)電機(jī)。這種測(cè)速發(fā)電機(jī)的缺陷為其滑環(huán)或 碳刷運(yùn)行中有磨損，需要經(jīng)常維護(hù)，易出故障。另外滑環(huán)或碳刷與換向片之 間有相對(duì)滑動(dòng)，換向時(shí)輸出的電壓紋波較大?？傊兴y(cè)速發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)控 制精度不高、可靠性不高。
當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)定子是繞組、轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼時(shí)，繞組直接外引，為無刷 測(cè)速發(fā)電機(jī)。此種測(cè)速發(fā)電機(jī)隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)、定子輸出與其轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)的脈 動(dòng)交變電壓信號(hào)。定子繞組輸出的脈動(dòng)交變電壓信號(hào)可經(jīng)整流線路轉(zhuǎn)為脈動(dòng) 直流電壓信號(hào)、但紋波很大，影響測(cè)量和控制精度。雖然引入濾波單元能消 除部分紋波，但為了消除低轉(zhuǎn)速時(shí)的紋波，濾波單元的時(shí)間常數(shù)必然很大， 將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重滯后，使測(cè)速機(jī)響應(yīng)的速度大打折扣，制約著測(cè)控精度。
如上所述現(xiàn)有的測(cè)速發(fā)電機(jī)或者因輸出電壓紋波制約著其測(cè)試精度；或 者滑環(huán)或碳刷制約著其應(yīng)用的可靠性，需要改進(jìn)。
(三) 實(shí)用新型內(nèi)容 本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種低紋波、無刷的測(cè)速發(fā)電機(jī)，以獲得測(cè)控
精度高、可靠性高的測(cè)速元件。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)含永磁轉(zhuǎn)子、定子單元，還有
開關(guān)陣列、編碼單元。永磁轉(zhuǎn)子端面均勻地裝有n對(duì)N、 S永磁磁鋼，n為3 至5的整數(shù)。定子單元覆設(shè)數(shù)量與轉(zhuǎn)子磁鋼對(duì)數(shù)相同的n組繞組，各繞組之間的角度間隔均為360度/2n，永磁轉(zhuǎn)子和定子繞組構(gòu)成發(fā)電機(jī)，定子單元的 各繞組連接開關(guān)陣列的電子開關(guān)輸入端；定子單元上安裝有與其繞組數(shù)量相 同、位置相匹配的n個(gè)磁敏元件，以監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子磁極與各繞組的相對(duì)位置，各 磁敏元件分別連接編碼單元；開關(guān)陣列上對(duì)應(yīng)每個(gè)繞組的兩個(gè)輸出端各有2 個(gè)電子開關(guān)，各電子開關(guān)受編碼單元給出的選通信號(hào)控制或斷開、或接通， 開關(guān)陣列公共輸出端是本測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出；編碼單元內(nèi)含磁敏元件信號(hào)處 理線路，各磁敏元件的輸出端連接編碼單元。開關(guān)陣列中各繞組所接電子開 關(guān)輸出端的選通線路分別連接編碼單元對(duì)應(yīng)的選通邏輯信號(hào)輸出端；外部供 電電源連接磁敏元件、編碼單元、開關(guān)陣列，為之供電。
依發(fā)電機(jī)原理，當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子繞組因切割磁力線產(chǎn)生感 應(yīng)電壓信號(hào)；對(duì)于某一組繞組，隨著永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的N/S磁極逐步進(jìn)入、直 至遠(yuǎn)離該繞組區(qū)域，該繞組電壓信號(hào)波形是正/負(fù)方向脈動(dòng)的梯形波；梯形波 頂平直無波動(dòng)，其高度與轉(zhuǎn)速成正比；因各個(gè)繞組電角度的差異，各繞組將 產(chǎn)生相位差明確、波形相似的電壓波形。同理，當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繞 組電壓信號(hào)波形是負(fù)/正方向脈動(dòng)的梯形波；各繞組電壓相位關(guān)系與轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn) 時(shí)相反。
與此同時(shí)，隨著永磁轉(zhuǎn)子N/S磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于某一組繞組，定子單元上 的與之匹配的磁敏元件經(jīng)過編碼單元內(nèi)的信號(hào)處理線路輸出與該繞組電壓的 波形周期相同、波形相匹配的數(shù)字脈沖信號(hào)，該數(shù)字脈沖信號(hào)表征永磁轉(zhuǎn)子 磁極位置；調(diào)整某個(gè)磁敏元件與所匹配的繞組的相對(duì)安裝位置可改變?cè)摾@組 電壓波形與磁極位置脈沖信號(hào)的相位關(guān)系；調(diào)整兩者相對(duì)位置，使磁極位置 脈沖有效沿與該繞組電壓波形開始進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域的時(shí)刻同步，故此磁敏元件 的磁極位置脈沖信號(hào)包含與之匹配的繞組電壓波形開始進(jìn)入無換相波動(dòng)的時(shí) 刻信息。按相同規(guī)律調(diào)整各磁敏元件和與其匹配繞組的相對(duì)位置，即可由各 磁敏元件的磁極位置脈沖信號(hào)獲得各路繞組電壓波形開始進(jìn)入無換相波動(dòng)的 時(shí)刻信息。
在一個(gè)電角度周期內(nèi)，每相磁極位置信號(hào)有0和1兩個(gè)狀態(tài)；n相磁極 位置信號(hào)有2n個(gè)狀態(tài)組合；每相繞組各有一個(gè)正值和負(fù)值的梯形波頂、無換 相波動(dòng)的區(qū)域，n相繞組則有2n所述穩(wěn)定區(qū)域；2n個(gè)穩(wěn)定區(qū)域恰好與2n個(gè) 磁極位置信號(hào)編碼組合一一對(duì)應(yīng)。
本實(shí)用新型低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)的使用方法如下
本測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與被測(cè)旋轉(zhuǎn)體連軸，編碼單元通過磁敏元件動(dòng)態(tài)獲得各個(gè)磁敏元件磁極位置信號(hào)，依據(jù)當(dāng)前各個(gè)磁敏元件磁極位置信號(hào)構(gòu)成的 編碼組合，向開關(guān)陣列輸出各電子開關(guān)的選通邏輯信號(hào)，決定開關(guān)陣列的各 電子開關(guān)的通或斷。設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為"正轉(zhuǎn)"，則轉(zhuǎn)子的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)則 為"反轉(zhuǎn)"。另外以繞組輸出的某向電壓為"正"，而以繞組輸出的另一向電 壓為"負(fù)"。當(dāng)轉(zhuǎn)子"正轉(zhuǎn)"且繞組產(chǎn)生正電壓時(shí)，依據(jù)編碼組合只將對(duì)應(yīng)的
電子開關(guān)接通、使波形處于穩(wěn)定區(qū)域的繞組正向接通至開關(guān)陣列公共輸出端;
而當(dāng)轉(zhuǎn)子"正轉(zhuǎn)"且繞組輸出電壓為"負(fù)"時(shí)，依據(jù)編碼組合只將對(duì)應(yīng)的電 子開關(guān)接通、使波形處于穩(wěn)定區(qū)域的繞組反向接通至開關(guān)陣列公共輸出端，
即轉(zhuǎn)子"正轉(zhuǎn)"時(shí)本測(cè)速發(fā)電機(jī)的當(dāng)前輸出為與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的"正值"；
同樣轉(zhuǎn)子"反轉(zhuǎn)"時(shí)，將與此磁極位置信號(hào)編碼組合相對(duì)應(yīng)的電子開關(guān)接通、 使波形處于穩(wěn)定區(qū)域的繞組或正向或反向接通至開關(guān)陣列公共輸出端，測(cè)速 發(fā)電機(jī)的當(dāng)前輸出為與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的"負(fù)值"。如此動(dòng)態(tài)執(zhí)行。電子開關(guān)
的切換速度一般僅為50 100納秒，故本測(cè)速發(fā)電機(jī)總是動(dòng)態(tài)輸出處于穩(wěn)定 區(qū)域的波形。
選通邏輯信號(hào)與磁極位置信號(hào)的邏輯關(guān)系由真值表獲得，編碼單元的信 號(hào)處理線路是通用的譯碼器、或者是可編程邏輯器件。
本實(shí)用新型低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)的有益效果是(1)始終輸出處于穩(wěn) 定區(qū)域的電壓波形，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出紋波小，控制精度高；(2)無碳刷或 換向器，無需經(jīng)常維護(hù)，故障率低，可靠性高；(3)因輸出紋波小，不需接 入大延時(shí)的消除紋波的濾波線路，響應(yīng)速度快。


圖1為本低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖2為本低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)施例的永磁轉(zhuǎn)子示意圖3為本低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)的使用方法實(shí)施例轉(zhuǎn)子"正轉(zhuǎn)"時(shí)的各
相繞組輸出的電壓波形與各磁敏元件的磁極位置脈沖信號(hào)的相位關(guān)系圖4為本低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)的使用方法實(shí)施例轉(zhuǎn)子"反轉(zhuǎn)"時(shí)的各
相繞組輸出的電壓波形與各磁敏元件的磁極位置脈沖信號(hào)的相位關(guān)系圖。
圖中標(biāo)記為1、永磁轉(zhuǎn)子，2、定子單元，3、開關(guān)陣列，4、編碼單元， 5、電子開關(guān)的選通線路，6、電子開關(guān)，7、繞組，8、磁敏元件。
具體實(shí)施方式
本低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)施例如圖1所示，本例中永磁轉(zhuǎn)子1有3對(duì)
N/S磁極，定子單元2含3組繞組7、 3個(gè)磁敏元件8。
本實(shí)施例的低紋波測(cè)速發(fā)電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子1如圖2所示，其端面均勻地 裝有3對(duì)N、 S永磁磁鋼。永磁轉(zhuǎn)子4定子單元2按間隔60度、覆設(shè)3組繞 組7，各繞組7之間的角度間隔均為60度。永磁轉(zhuǎn)子1和定子單元2的繞組 7按公知的發(fā)電機(jī)原理構(gòu)成發(fā)電機(jī)。定子單元2的每個(gè)繞組7對(duì)應(yīng)開關(guān)陣列3 的4個(gè)電子開關(guān)6，各繞組7的二輸出端各連接2個(gè)電子開關(guān)6的輸入端； 定子單元2上安裝3個(gè)磁敏元件8，分別與三個(gè)繞組7的位置相匹配，以監(jiān) 測(cè)轉(zhuǎn)子1的磁極與各繞組7的相對(duì)位置。各磁敏元件8的輸出端Ma、 Mb、 Mc 分別連接編碼單元4;開關(guān)陣列3上的12個(gè)電子開關(guān)6的輸出端各接其選通 線路5，受其控制或斷開、或接通，12個(gè)電子開關(guān)6的輸出公共端0、 P是本 測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出；編碼單元4內(nèi)含磁敏元件8的信號(hào)處理線路，編碼單元 4的輸出端S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6分別連接開關(guān)陣列3的各電子開關(guān)6的 選通線路5;還有外接的供電電源連接磁敏元件8、編碼單元4、開關(guān)陣列3 為之供電。
本實(shí)施例中永磁轉(zhuǎn)子1也可有4對(duì)或5對(duì)N/S磁極，定子單元2相對(duì)應(yīng) 地含4組或5組繞組7，各繞組7之間的電角度間隔分別為45度或36度， 定子單元2還有4個(gè)或5個(gè)磁敏元件8，按與本例相同的結(jié)構(gòu)規(guī)律實(shí)現(xiàn)本測(cè) 速發(fā)電機(jī)。
本低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)施例的使用方法如下
本測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子1與被測(cè)旋轉(zhuǎn)體連軸，當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子1 "正轉(zhuǎn)"時(shí)， 定子單元2的繞組7因切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)；對(duì)于A相繞組7，隨 著轉(zhuǎn)動(dòng)的N/S磁極逐步進(jìn)入、直至遠(yuǎn)離A相繞組區(qū)域，A相繞組7電壓信號(hào) 波形是正/負(fù)方向脈動(dòng)的梯形波；梯形波頂平直無波動(dòng)，其高度與轉(zhuǎn)速成正比。 本實(shí)施例中，如圖3所示因A、 B、 C三相繞組7電角度的差異，各繞組7產(chǎn) 生相位差為60度波形相似的電壓波形。當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子1 "反轉(zhuǎn)"時(shí)，A、 B、 C 相繞組7相序關(guān)系相反、電壓信號(hào)極性相反，如圖4所示。
與此同時(shí)，隨著永磁轉(zhuǎn)子1的N/S磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于A相繞組7，定子單 元2上與之匹配的A磁敏元件8通過編碼單元4的信號(hào)處理線路輸出與A相 繞組7電壓波形同周期、波形相匹配的數(shù)字脈沖信號(hào)，該數(shù)字脈沖信號(hào)表征 轉(zhuǎn)子1磁極位置；調(diào)整A磁敏元件8與所匹配的A相繞組7的相對(duì)安裝位置 可改變A相繞組7電壓波形與A磁敏元件8的磁極位置脈沖信號(hào)的相位關(guān)系；
6調(diào)整兩者相對(duì)位置，使A磁敏元件8的磁極位置脈沖有效沿與A相繞組7電 壓波形開始進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域的時(shí)刻同步；此時(shí)所得A磁敏元件8的磁極位置脈 沖信號(hào)包含A相繞組7電壓波形開始進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域的時(shí)刻信息。按相同規(guī)律， 調(diào)整B、 C磁敏元件8與B、 C相繞組7的相對(duì)位置，使得各磁敏元件8的磁 極位置脈沖信號(hào)包含對(duì)應(yīng)的各相繞組7電壓波形開始進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域的時(shí)刻信 息，如圖3、 4所示。
如圖3、 4所示，在一個(gè)電角度周期內(nèi)，每相磁極位置信號(hào)有0和1兩個(gè) 狀態(tài)；三相磁極位置信號(hào)有2X3個(gè)狀態(tài)組合；在一個(gè)電角度周期內(nèi)，每相繞 組7的輸出電壓各有一個(gè)正值和負(fù)值的梯形波頂、無換相波動(dòng)的區(qū)域，三相 繞組7的電壓輸出則有2X3所述穩(wěn)定區(qū)域；2X3個(gè)電壓穩(wěn)定區(qū)域恰好與2 X3個(gè)磁極位置信號(hào)編碼組合一一對(duì)應(yīng)。
編碼單元4通過磁敏元件8動(dòng)態(tài)獲得各相磁極位置信號(hào)Ma、 Mb、 Mc，依 據(jù)當(dāng)前各相磁極位置信號(hào)Ma、 Mb、 Mc構(gòu)成的編碼組合，求取選通邏輯信號(hào) Sl、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、并向開關(guān)陣列3的各電子開關(guān)6的選通線路5輸 出，決定開關(guān)陣列3的各電子開關(guān)6的通或斷，將與此磁極位置信號(hào)編碼組 合相對(duì)應(yīng)的、波形處于穩(wěn)定區(qū)域的、極性與轉(zhuǎn)向吻合的繞組7信號(hào)接通至開 關(guān)陣列3公共輸出端0、 P，作為本測(cè)速發(fā)電機(jī)的當(dāng)前輸出。如圖1所示，當(dāng) 繞組7的"*"端與開關(guān)陣列3的公共輸出端"0"連接，為繞組7正向接通， 而繞組7的"*"端與開關(guān)陣列3的公共輸出端"P"連接為繞組7反向接通。
如此動(dòng)態(tài)切換，永磁轉(zhuǎn)子1 "正轉(zhuǎn)"時(shí)本測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出與轉(zhuǎn)速成線性 關(guān)系的"正向"電壓。
永磁轉(zhuǎn)子l "反轉(zhuǎn)"時(shí)，控制規(guī)律與"正轉(zhuǎn)"時(shí)的相同；因線圈切割磁 力線方向相反，相對(duì)應(yīng)時(shí)刻各個(gè)繞組7輸出電壓極性相反，本測(cè)速發(fā)電機(jī)輸 出與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系的"負(fù)值"電壓。
權(quán)利要求1、一種低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)，含永磁轉(zhuǎn)子(1)和定子單元(2)，其特征在于還有開關(guān)陣列(3)、編碼單元(4)，永磁轉(zhuǎn)子(1)端面均勻地裝有n對(duì)N、S永磁磁鋼，n為3至5的整數(shù)；定子單元(2)覆設(shè)數(shù)量與轉(zhuǎn)子磁鋼對(duì)數(shù)相同的n組繞組(7)，各繞組(7)之間的角度間隔均為360度/2n，永磁轉(zhuǎn)子(1)和定子繞組(7)構(gòu)成發(fā)電機(jī)，定子單元(2)的各繞組(7)連接開關(guān)陣列(3)的電子開關(guān)(6)輸入端；定子單元(2)上安裝有與其繞組(7)數(shù)量相同、位置相匹配的n個(gè)磁敏元件(8)，各磁敏元件(8)分別連接編碼單元(4)；開關(guān)陣列(3)上對(duì)應(yīng)每個(gè)繞組(7)的兩個(gè)輸出端各有2個(gè)電子開關(guān)(6)，各電子開關(guān)(6)受編碼單元(4)給出的選通信號(hào)控制或斷開、或接通，開關(guān)陣列(3)的公共輸出端是本測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出；編碼單元(4)內(nèi)含磁敏元件信號(hào)處理線路，各磁敏元件(8)的輸出端連接編碼單元(4)；開關(guān)陣列(3)中各繞組(7)所接電子開關(guān)(6)輸出端的選通線路(5)分別連接編碼單元(4)對(duì)應(yīng)的選通邏輯信號(hào)輸出端；外部供電電源連接磁敏元件(8)、編碼單元(4)、開關(guān)陣列(3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)，其特征在于 所述永磁轉(zhuǎn)子(1)有3對(duì)N、 S永磁磁鋼；定子單元(2)覆設(shè)3組繞組(7)，各繞組(7)之間的角度間隔均為60度，定子單元(2)上安裝有3個(gè) 磁敏元件(8)。
專利摘要本實(shí)用新型為低紋波無刷測(cè)速發(fā)電機(jī)，本測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有n對(duì)永磁，定子單元有n組均布的繞組，各繞組連接開關(guān)陣列的電子開關(guān)；定子單元上有n個(gè)連接編碼單元的磁敏元件；開關(guān)陣列對(duì)應(yīng)各繞組有4個(gè)電子開關(guān)，開關(guān)陣列的公共端是本發(fā)電機(jī)輸出；編碼單元內(nèi)含磁敏元件信號(hào)處理線路。各電子開關(guān)選通線路分別連接編碼單元選通邏輯信號(hào)輸出端。調(diào)整各磁敏元件和其繞組的相對(duì)位置，使磁極位置脈沖有效沿與該繞組電壓波形開始進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域的時(shí)刻同步。使用方法為編碼單元依磁極位置信號(hào)的編碼組合，輸出選通邏輯信號(hào)，各電子開關(guān)通或斷，將波形處于穩(wěn)定區(qū)域的繞組正/反接，按轉(zhuǎn)子正/反轉(zhuǎn)輸出正/負(fù)值電壓。本測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出紋波小，控制精度高、可靠。
文檔編號(hào)H02K29/08GK201290057SQ200820113548
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
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