磁阻傳感器 電機：一種帶磁阻式位置傳感器的無刷空心杯電機 第1張" title="磁阻傳感器 電機：一種帶磁阻式位置傳感器的無刷空心杯電機 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
磁阻傳感器 電機：一種帶磁阻式位置傳感器的無刷空心杯電機
）
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權(quán)利要求說明書
說明書
幅圖
（
54
）發(fā)明名稱
一種帶磁阻式位置傳感器的無刷空心杯電機
（
57
）摘要
?
本實用新型提供了一種帶磁阻式位置傳感
器的無刷空心杯電機，包括定子總成和可轉(zhuǎn)動地
安裝在定子總成內(nèi)的轉(zhuǎn)子總成，所述轉(zhuǎn)子總成具
有輸出軸，所述無刷空心杯電機還包括端蓋組件
和磁阻式位置傳感器，端蓋組件可拆卸安裝在定
子總成的端部上，輸出軸的一端延伸至所述端蓋
組件內(nèi)并與所述端蓋組件轉(zhuǎn)動配合；磁阻式位置
傳感器包括磁鐵組件和傳感器電路板，所述磁鐵
磁阻傳感器 電機：感應(yīng)電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機三類的優(yōu)缺點對比
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現(xiàn)今電動機設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)，通常包括對電動機/發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩、功率、效率、尺寸、重量及其他性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
對于電動機，可根據(jù)特定用途來選擇對哪些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。幾乎所有電動機都是恒速、調(diào)速或啟停式運轉(zhuǎn)。對更高電能使用效率的日益重視，使得通過調(diào)速電子驅(qū)動設(shè)備來獲得更高使用效率，比恒速應(yīng)用獲得了更廣泛的使用。在進(jìn)行實現(xiàn)精確定位性能的運動系統(tǒng)的開發(fā)時，通常要求電動機具備較高的峰值轉(zhuǎn)矩及降至零速率時平穩(wěn)的速率和轉(zhuǎn)矩運動。功率及控制電子器件為包含電動機、驅(qū)動及控制元件在內(nèi)的整個運動控制或機電一體化系統(tǒng)提供了關(guān)鍵部件。
五種常用的電動機類型包括通用有刷直流電動機、可調(diào)或開關(guān)磁阻電動機、交流感應(yīng)電動機、電子控制無刷同步或永磁（PM）同步電動機。成熟的通用電動機是一種繞線磁極式電動機，可由交流或直流輸入電壓驅(qū)動。但它的功率較低。具有繞線磁極及PM結(jié)構(gòu)的有刷直流電動機，會因其機械換向系統(tǒng)而使工作壽命受到限制。
新技術(shù)的發(fā)展主要限于磁阻、感應(yīng)及無刷永磁同步電動機系統(tǒng)。最近，這三種電機技術(shù)的結(jié)合也出現(xiàn)了。
永磁電動機
永磁電動機天生具有最高的效率，并在范圍寬廣的候選新技術(shù)領(lǐng)域，領(lǐng)先于其他電機技術(shù)。無刷永磁同步電動機（PMSM）有多種名稱，例如無刷直流電動機、無刷PMAC電動機及電子控制電動機（ECM）。
現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的PMSM電動機，其磁體位于圓筒轉(zhuǎn)子的表面。伺服定位領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，正在向圓筒輪輻中嵌入磁體及內(nèi)部永磁構(gòu)造發(fā)展。這些具有嵌入式磁體的產(chǎn)品，在多種精確定位運動系統(tǒng)中，能極大地增大轉(zhuǎn)矩或減小尺寸及重量。這種伺服電機多用于機械工具、機器人及半導(dǎo)體設(shè)備。
軸向磁通電動機
交通運輸業(yè)（電動自行車、摩托車、汽車）是新PM技術(shù)的目標(biāo)。對于磁體位置，兩個極好的例子是位于軸向磁通及橫向磁通PMSM電動機內(nèi)部。
軸向磁通PMSM具有獨特的圓盤形狀，比之常規(guī)的圓柱形徑向磁通PASM電動機，它能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。它獨特的構(gòu)造，能與多種車輛驅(qū)動輪的中心相匹配。
軸向磁通電動機提供高轉(zhuǎn)矩及低電機軸速，在很多應(yīng)用中免除了使用昂貴變速箱的需要?；旌向?qū)動或電力驅(qū)動車輛的重新出現(xiàn)，促進(jìn)了對用于牽引應(yīng)用的軸向磁通電動機重新進(jìn)行技術(shù)評估。
主要的軸向磁通結(jié)構(gòu)有兩種：內(nèi)部PM轉(zhuǎn)子置于兩個定子繞組之間，及兩個轉(zhuǎn)子圍繞定子的圓環(huán)型。內(nèi)置PM轉(zhuǎn)子是最常用的結(jié)構(gòu)。運輸公司引導(dǎo)著這方面的研究，同時世界各地的對這些類型電動機進(jìn)行評估、設(shè)計及使用的大學(xué)教授也寫作了很多論文。中國電機公司制造了大量的電動自行車用的輪觳軸向磁通電機。
當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)衰退，使公司對輪觳軸向磁通電動機的使用大大減少，但有公司仍為小型摩托車制造商提供一種5KW型號的軸向磁通輪觳電機。為使用無槽或yokeless定子的大型車輛開發(fā)了一種軸向磁通電機，能實現(xiàn)60Nm（44磅-英尺）@3600rpm（25kw）及96%峰值效率。幾乎所有的軸向磁通電機都采用高能釹-鐵-硼磁體。
一種更獨特的軸向磁通PM結(jié)構(gòu)的公司的PM。這種軸向磁通PM的軸向長度大于其徑向直徑。他的轉(zhuǎn)子，將一對由鐵酸鹽磁體構(gòu)成的圓錐輪觳組件嵌入在IPM結(jié)構(gòu)的軟磁材料中。這種結(jié)構(gòu)，使得低成本的鐵酸鹽磁極能實現(xiàn)與稀土（釹）磁體相媲美甚至更優(yōu)越的電機性能。
轉(zhuǎn)子輪觳組件位于轉(zhuǎn)子的每個末端，電動機的磁通線直接（平行于軸）通過定子的軸向磁極。圓錐形轉(zhuǎn)子輪觳表面能產(chǎn)生一個大的間隙面積并因而改善了轉(zhuǎn)矩。她以PremiumPlus+為商標(biāo)的3hpPMSM軸向磁通電機，能達(dá)到159磅-英寸（18Nm）@1800rpm。行業(yè)目標(biāo)是用于暖氣設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備及空調(diào)制冷產(chǎn)品的風(fēng)扇、泵以及壓縮機。
橫向磁通電機
橫向磁通電機具有一個復(fù)雜的磁路。徑向磁通及軸向磁通電動機可用二維FEA模型及更多直接的數(shù)學(xué)模型來模擬，但橫向磁通電機因其磁路為三維，則需三維FEA模型來模擬。它的U字形磁元件圍繞著環(huán)狀的定子繞組。橫向磁通電機是1896年由W.M.Morday發(fā)明的。但因它復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和額外的成本，對其先進(jìn)性能的應(yīng)用則發(fā)展緩慢。釹磁體及軟磁復(fù)合材料的發(fā)展，使其他公司開發(fā)出了小型橫向磁通電機MDD1系列，其額定轉(zhuǎn)矩為3.3Nmto10Nm@300rpm（100-300W）。它應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)臺及其他的工業(yè)機械。
具有十多年多種橫向磁通電動機的生產(chǎn)史。它的機電一體化團(tuán)隊開發(fā)了旋轉(zhuǎn)及線性電動機。材料運輸系統(tǒng)的發(fā)展已達(dá)到1120lbs-force（5000N）。橫向磁通電機能實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩及高功率密度，但制造成本也較高。目前其使用仍局限于某些特定的場合。
混合圓柱形電動機
徑向磁通圓柱形電動機也開發(fā)出了新電機技術(shù)，這種技術(shù)將永磁、可變磁阻及PM集成到交流感應(yīng)電動機中。新的行磁路技術(shù)（PPMT）將VR和PM技術(shù)相結(jié)合。兩種磁通共用相同的電動機磁元件，一種由兩個PM產(chǎn)生，另一種由VR轉(zhuǎn)子-定子繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。據(jù)說，其磁力可增至三倍，使功率密度增長30%并同樣導(dǎo)致效率峰值的增長。這是從100瓦到百千瓦級別的飛躍。
PPMT以包括牽引驅(qū)動在內(nèi)的恒速及變速應(yīng)用為目標(biāo)。PPTM能在更高的負(fù)載條件下保持高功效。即便采用鐵酸鹽磁體，也能實現(xiàn)卓越性能。
另一個混合電動機的例子，是直接啟動交流感應(yīng)電動機，它將鼠籠轉(zhuǎn)子與PM磁體籠（通常是鐵素體）相結(jié)合，極大地改進(jìn)了交流電動機的功率效率。意大利威尼斯制造出用于工業(yè)及商業(yè)的直接啟動交流電動機系列，可在1kw到15kw之間變化，并具有峰值效率比為5%到8%的增長。
磁阻傳感器 電機：磁阻傳感器在主動轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動機中的應(yīng)用
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摘要 為了將磁阻傳感器應(yīng)用于汽車主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變傳動比執(zhí)行電動機(無刷直流電動機)中,分析了系統(tǒng)對位置傳感器的要求和磁阻傳感器的工作原理,提出了用于無刷直流電動機控制系統(tǒng)的HMC1512磁阻傳感器的信號處理算法,給出了信號處理流程圖,并在Matlab／Simulink環(huán)境下建立了無刷直流電動機的三閉環(huán)控制模型和信號處理模型．仿真過程中,將控制模型的轉(zhuǎn)角輸出作為信號處理模型的輸入,由信號處理模型計算電動機的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速信號,并與控制模型的相應(yīng)信號進(jìn)行對比仿真.結(jié)果表明:所計算得到的信號與控制模型自身的相應(yīng)信號基本一致,驗證了所設(shè)計的算法能夠用來判斷電動機轉(zhuǎn)子的位置,也能用來計算電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速,為HMC1512在主動轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動機中的應(yīng)用提供了依據(jù)．
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高峰
王利剛
劉國良
關(guān)鍵詞 ：
磁阻傳感器,
信號處理,
仿真,
無刷直流電動機,
主動前輪轉(zhuǎn)向
Abstract： In order to apply magnetic sensor in brushless DC motors actuator of vehicle active front wheel steering (AFS) system with variable gear ratio (VGR) mechanism, signal processing algorithm for brushless DC motor (BLDCM) control system was proposed based on the analysis of system requirements for position sensor and working principle of HMC1512 sensor. Three-closed-loop control model of BLDCM and signal processing model were established in Matlab/Simulink. based on the rotation angle from the simulation of control model, rotor position, rotation angle and rotation speed were calculated according to the signal processing model, and compared with the corresponding signals according to three-closed-loop control model. The results show that the calculation signals are basically consistent with the corresponding signals.It is proved that the algorithm can be used to identify the rotor position and calculate the rotation angle and rotation speed, which provides basis for the application of HMC1512 in the actuator motor of AFS.
Key words：
magnetic sensors
signal processing
simulation
brushless DC motors
active front steering
基金資助:
國家“863”計劃項目(2010AA)
作者簡介: 高峰(1955—),男,河南洛陽人,教授,博士生導(dǎo)師(gaof@buaa.edu.cn),主要從事車輛工程研究．
王利剛(1986—),男,河南鄭州人,碩士研究生(wanglg@dae.buaa.edu.cn),主要從事車輛動力學(xué)及其控制研究．
引用本文:
高峰, 王利剛, 劉國良. 磁阻傳感器在主動轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動機中的應(yīng)用[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版, 2011, 32(6): 642-646.
GAO Feng, WANG Ligang, LIU Guoliang. Application of magnetic sensor in actuator motor of vehicle active front steering system. Journal of JIangsu University(Natural Science Eidt, 2011, 32(6): 642-646.
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