单相电机驱动电路及其驱动方法与流程

1.本发明涉及涉及单相电机驱动电路及其驱动方法。


背景技术：

2.现有的单相电机包括定子和可相对定子旋转的永磁转子，其驱动电路通常包括单一的定子绕组、一可控双向交流开关、一位置传感器和一开关控制电路。所述定子绕组经由所述可控双向交流开关连接于一外部交流电源的两端。所述开关控制电路依据所述位置传感器检测的转子磁极位置信息和所述外部交流电源的极性信息，控制所述可控双向交流开关以预定方式在导通与截止状态之间切换，使所述定子绕组在电机起动阶段沿着起动方向拖动所述转子。
3.然而，现有的单相电机存在如下问题，为了保证足够的起动转矩，流过所述定子绕组的电流通常较高。然而，所述高电流所产生的不良影响会影响单相电机驱动电路中的位置传感器、开关控制电路等元器件的可靠性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种可靠性佳且能保证足够起动转矩的单相电机驱动电路及其驱动方法。
5.本发明提供一种单相电机驱动电路，用于驱动电机的永磁转子相对于定子转动。所述单相电机驱动电路包括定子绕组、控制单元、一可控双向交流开关以及用于连接一交流电源的两个电源输入端，其特征在于：所述定子绕组包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组和第二绕组并联之后与所述可控双向交流开关串联于所述两个电源输入端之间，所述控制单元连接所述可控双向交流开关的控制极，控制所述可控双向交流开关的导通和关断。
6.优选地，一电流缓冲器连接于所述控制单元与所述可控双向交流开关的控制极之间。
7.优选地，所述定子绕组进一步包括至少一与所述第一绕组或者第二绕组并联的绕组。
8.本发明提供另外一种单相电机驱动电路，用于驱动电机的永磁转子相对于定子转动。所述单相电机驱动电路包括定子绕组、控制单元、第一可控双向交流开关、第二可控双向交流开关以及用于连接一交流电源的两个电源输入端，其特征在于：所述定子绕组包括第一绕组和一第二绕组，所述第一绕组与所述第一可控双向交流开关串联于所述两个电源输入端之间，所述第二绕组与所述第二可控双向交流开关串联于所述两个电源输入端之间，所述控制单元连接所述第一、第二可控双向交流开关的控制极，控制所述第一、第二可控双向交流开关同时导通和关断。
9.本发明提供另外一种单相电机驱动电路，用于驱动电机的永磁转子相对于定子转动。所述单相电机驱动电路包括定子绕组、控制单元、第一可控双向交流开关、第二可控双
向交流开关以及用于连接一交流电源的两个电源输入端，其特征在于：所述定子绕组包括一第一绕组、一第二绕组和一第三绕组，所述第一绕组与所述第一可控双向交流开关串联于所述两个电源输入端之间，所述第二绕组和第三绕组并联之后与所述第二可控双向交流开关串联于所述两个电源输入端之间，所述控制单元连接至所述第一、第二可控双向交流开关的控制极，控制所述第一、第二可控双向交流开关同时导通和关断。
10.优选地，所述定子绕组进一步包括至少一连接于所述两个电源输入端之间的支路，所述支路包括串联的绕组和可控双向交流开关。
11.优选地，一电流缓冲器连接于所述控制单元与所述第一可控双向交流开关的控制极之间，所述电流缓冲器也连接于所述控制单元与所述第二可控双向交流开关的控制极之间。
12.优选地，所述定子绕组进一步包括至少一与所述第二绕组或者第三绕组并联的绕组。
13.本发明提供另外一种单相电机驱动电路，用于驱动电机的永磁转子相对于定子转动，所述单相电机驱动电路包括定子绕组、控制单元、第一可控双向交流开关、第二可控双向交流开关以及用于连接一交流电源的两个电源输入端子，其特征在于：所述定子绕组包括第一绕组及第二绕组，所述第一绕组与所述第一可控双向交流开关串联于所述两个电源输入端子之间，所述第二绕组与所述第二可控双向交流开关串联于所述两个电源输入端子之间，所述第一可控双向交流开关的控制极经由一开关元件与所述控制单元连接，所述第二可控双向交流开关的控制极与所述控制单元连接，所述开关元件在所述电机起动时导通，在所述电机成功起动后关断。
14.优选地，一浪涌电压抑制单元连接于所述第一可控双向交流开关的两端。
15.优选地，所述开关元件包括一连接于所述第一可控双向交流开关的控制极和所述控制单元之间的开关，以及用于控制所述开关导通与否的计时器或者定时器。
16.优选地，所述开关元件包括一第一开关管、一第二开关管、一第一电阻、一第二电阻、一第一电容、一第二电容、一第一二极管以及一第二二极管；
17.所述第一开关管的控制端依序经由所述第一电阻、第一电容、第一二极管的阴极和阳极连接所述第一可控双向交流开关的控制极，所述第一开关管的第一端连接所述控制单元，第二端连接所述第一二极管的阴极；
18.所述第二开关管的控制端依序经由所述第二电阻、第二电容、第二二极管的阴极和阳极连接所述控制单元，所述第二开关管的第一端连接所述第一可控双向交流开关的控制极；所述第二开关管的第二端连接所述第二二极管的阴极。
19.优选地，所述控制单元包括位置传感器和开关控制模块，所述位置传感器用于检测电机的永磁转子的磁场，并输出相应的代表永磁转子的磁场的信号；所述开关控制电路被配置为仅在交流电源为正半周期且位置传感器检测到转子磁场为第一极性、以及交流电源为负半周期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，使对应的可控双向交流开关导通。
20.本发明还提供一种上述单相电机驱动电路的驱动方法，其包括以下步骤：
21.当所述电机起动时，所述开关元件导通，所述控制单元控制所述第一、第二可控双向交流开关导通，使所述交流电源与并联的第一、第二绕组形成回路；
22.当所述电机起动成功后，所述开关元件关断，使所述第一可控双向交流开关关断，所述交流电源与第二绕组形成回路。
23.相较于现有技术，本发明的单相电机驱动电路可以在保证较大起动转矩的同时改善高电流所产生的不良影响，从而使单相电机驱动电路的可靠性较佳。
附图说明
24.附图中：
25.图1示意性地示出本发明中的单相电机。
26.图2为本发明单相电机驱动电路的第一实施方式的电路框图。
27.图3为本发明单相电机驱动电路的第二实施方式的电路框图。
28.图4为本发明单相电机驱动电路的第三实施方式的电路框图。
29.图5为本发明单相电机驱动电路的第四实施方式的电路框图。
30.图6为图2至图5所示的单相电机驱动电路的控制单元的电路框图。
31.图7为图6所示控制单元的一较佳实施例的电路图。
32.图8为图5所示的单相电机驱动电路的一较佳实施方式的开关元件的电路图。
具体实施方式
33.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。
34.请参阅图1，图1示意性地示出了本发明的单相电机1。所述单相电机1包括定子及可旋转地设于所述定子的磁极之间的永磁转子10。所述定子包括定子磁芯11及缠绕于所述定子磁芯11上的定子绕组12。本实施例中，所述单相电机10为单相永磁转子交流电机，例如同步电机，特别适用于驱动转动惯量较大的负载(如循环泵等)。
35.优选地，所述定子的磁极和所述永磁转子10的磁极之间具有不均匀气隙15，使得所述永磁转子10在静止时其极轴r相对于定子的极轴s偏移一个角度α。该配置可保证所述定子绕组12每次通电时所述永磁转子10具有固定的起动位置。其中，所述永磁转子10的极轴r指经过转子的沿直径方向的两个对称磁极(本实施例中即两块磁铁)中心的虚拟连线，定子的极轴s指经过定子的沿直径方向的两个对称极部中心的虚拟连线。图1中定子和所述永磁转子10均具有两个磁极，定子的磁极和所述永磁转子10的磁极之间的不均匀气隙15沿着转子起动方向逐渐减小。在另一实施例中，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，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。可以理解的，在更多实施例中，定子和所述永磁转子10也可以具有更多磁极，例如四个、六个等。
36.定子上或定子内靠近所述永磁转子10的位置设有用于检测转子磁场的位置传感器13。优选地，位置传感器13相对定子的极轴s偏移一个角度，本实施例中较佳的偏移角也是α。
37.所述单相电机1还包括驱动所述永磁转子10相对于所述定子转动的电机驱动电路。请参阅图2，图2为本发明单相电机驱动电路的第一实施方式的电路框图。所述电机驱动
电路2a包括定子绕组12、控制单元3、第一可控双向交流开关21a、第二可控双向交流开关22a及用于连接一交流电源23的两个电源输入端23a、23b。所述交流电源23较佳的可以是市电交流电源，具有例如50赫兹或60赫兹的固定频率，电流电压例如可以是110伏、220伏、230伏等。
38.所述定子绕组12包括第一绕组121a和第二绕组122a。所述第一绕组121a与所述第一可控双向交流开关21a串联于所述两个电源输入端23a、23b之间。所述第二绕组122a与所述第二可控双向交流开关22a串联于所述两个电源输入端23a、23b之间。所述控制单元3连接至所述第一、第二可控双向交流开关21a、22a的控制极，控制两个可控双向交流开关21a、22a同时导通和关断。所述两个可控双向交流开关21a、22a导通时，所述第一绕组121a和第二绕组122a并联。
39.优选地，所述第一、第二可控双向交流开关21a、22a的控制极连接所述控制单元3的同一端子。优选地，所述第一绕组121a和所述第二绕组122a的阻抗相同。所述控制单元3与所述第一、第二可控双向交流开关21a、22a的控制极之间可进一步连接一电流缓冲器24，用于增大所述控制单元3输出的电流信号。
40.可以理解，所述第一绕组121a或者所述第二绕组122a可为绕设于定子磁芯的一个或者多个齿上的单个线圈，也可以包括多个串联的线圈。以上述串联的第一绕组121a和第一可控双向交流开关21a为一支路，可以理解，所述单相电机驱动电路2可以包括更多这样的支路，连接于所述两个电源输入端23a、23b之间。
41.请参阅图3，图3为本发明单相电机驱动电路的第二实施方式的电路框图。本实施方式的单相电机驱动电路2b与第一实施方式的单相电机驱动电路2a大致相同，其区别在于：所述单相电机驱动电路2b采用一可控双向交流开关21b替代第一实施方式的第一、第二可控双向交流开关21a、22a。所述单相电机驱动电路2b包括第一绕组121b和第二绕组122b。所述第一绕组121b和第二绕组122b并联之后与所述可控双向交流开关21b串联与所述两个电源输入端23a、23b之间。所述控制单元3连接可控双向交流开关21b的控制极，控制所述可控双向交流开关21b的导通和关断。
42.同样地，所述第一绕组121b或者所述第二绕组122b可为绕设于定子磁芯的一个或者多个齿上的单个线圈，也可以包括多个串联的线圈。
43.可以理解，所述定子绕组12的绕组不限于第一绕组121b和第二绕组122b。在其它实施例中，所述定子绕组12可以具有更多与第一绕组121b或者第二绕组122b并联的绕组。
44.请参阅图4，图4为本发明第三实施例的单相电机驱动电路。本实施方式的单相电机驱动电路2d与第一、第二实施方式的单相电机驱动电路2a、2b大致相同，其区别在于：所述单相电机驱动电路2d包括第一绕组121d、第二绕组122d和第三绕组123d。所述第一绕组121d与所述第一可控双向交流开关21d串联于两个电源输入端23a、23b之间。所述第二绕组122d和第三绕组123d并联之后与所述第二可控双向交流开关22d串联于两个电源输入端23a、23b之间。所述控制单元3连接至所述第一、第二可控双向交流开关21d、22d的控制极，控制两个可控双向交流开关21a、22a同时导通和关断。所述两个可控双向交流开关21d、22d导通时，所述三个线圈121d、122d、123d并联。
45.同样地，所述第一绕组121d、第二绕组122d或者所述第三绕组122d可为绕设于定子磁芯的一个或者多个齿上的单个线圈，也可以包括多个串联的线圈。
46.可以理解，所述定子绕组12不限于所述第一绕组121d、第二绕组122d和第三绕组123d。在其它实施例中，所述定子绕组12可以具有更多与第二绕组122d或者第三绕组123d并联的绕组。以串联的第一绕组121d和第一可控双向交流开关21d为一支路，所述单相电机驱动电路2也可以包括更多这样的支路，连接于所述两个电源输入端23a、23b之间。
47.相较于现有技术，本发明上述实施方式的单相电机驱动电路2a、2b、2d在可控双向交流开关21b、或者第一、第二可控双向交流开关21a、22a、21b、21d、22d导通时，多个绕组并联分流。因此，在总电流不变的情况下，流过每个线圈的电流减小，从而使所述定子绕组12产生的不良影响降低。因此本发明上述实施方式的单相电机驱动电路2a、2b、2d可以在保证较大起动转矩的同时改善高电流对控制单元3中的元器件的影响，从而使单相电机驱动电路的可靠性较佳。
48.请参阅图5，图5为本发明单相电机驱动电路的第四实施方式的电路框图。所述电机驱动电路2c包括定子绕组12、控制单元3、第一可控双向交流开关21c、第二可控双向交流开关22c、开关元件28以及用于连接交流电源23的两个电源输入端23a、23b。所述定子绕组12包括第一绕组121c及第二绕组122c。所述第一绕组121c与所述第一可控双向交流开关21c串联于所述两个电源输入端23a、23b之间。所述第二绕组122c与所述第二可控双向交流开关22c串联于所述两个电源输入端23a、23b之间。所述第一可控双向交流开关21c的控制极经由所述开关元件28与所述控制单元3连接。所述第二可控双向交流开关22c的控制极与所述控制单元3连接。优选地，所述第一绕组121c的阻抗小于或者等于第二绕组122c的阻抗。
49.同样地，所述第一绕组121c或者所述第二绕组122c可以为绕设于定子磁芯的一个或者多个齿上的单个线圈，也可以包括多个串联的线圈。
50.可以理解，以串联的第一绕组121c和第一可控双向交流开关21c，或者串联的第一绕组122c和第一可控双向交流开关22c为一支路，所述单相电机驱动电路2也可以包括更多这样的支路，连接于所述两个电源输入端23a、23b之间。
51.所述单相电机驱动电路2c的驱动方法如下：
52.当所述电机起动时，所述开关元件28导通，所述控制单元3控制所述第一、第二可控双向交流开关21c、22c导通，所述交流电源23与并联的第一、第二绕组121c、122c形成回路。
53.当所述电机起动成功后，所述开关元件28关断，因此所述第一可控双向交流开关21c的控制极与控制单元3之间的通路被切断，所述第一可控双向交流开关21c关断，所述交流电源23与第二绕组122c形成回路。
54.由于电机起动时，所述第一、第二绕组121c、122c并联使得输出扭矩变大，因此流过定子绕组12的总电流较大；在电机起动成功之后，电机的串联回路中只有所述第二绕组122c，使得阻抗增加，因此流过定子绕组12的电流减小。
55.优选地，一浪涌电压抑制单元29连接于所述第一可控双向交流开关21c的两端。所述浪涌电压抑制单元29用于避免在所述第一可控双向交流开关21c关断的瞬间，所述第一绕组121c产生的感应电动势突然施加于所述第一可控双向交流开关21c而致其损坏。本实施例中，所述浪涌电压抑制单元29可为一rc串联电路。也就是，所述第一可控双向交流开关21c的第一主电极经由一电阻r和一电容c连接其第二主电极。
56.请参阅图6，图6是图2至图5所示的单相电机驱动电路的控制单元的电路框图。所述控制单元3包括交流-直流转换电路32、位置传感器31和开关控制模块33。所述交流-直流转换电路32的输入端接收交流电源23，用于将交流电转换为低压直流电，并经稳压处理后提供稳定的直流电源给所述位置传感器31及开关控制模块33。所述位置传感器31用于检测电机的永磁转子10的磁场，并输出相应的代表永磁转子10的磁场的信号。所述开关控制模块33与交流-直流转换电路32、位置传感器31连接。所述开关控制模块33还包括一输入/输出端子330，用于与上述可控双向交流开关21a、22a、21b、21c、22c、21d、22d直接或者间接连接。所述开关控制模块33被配置为依据转子磁场和所述交流电源23的极性，控制上述可控双向交流开关以预定方式在导通与截止状态之间切换，使永磁转子10沿一预定方向旋转。
57.较佳的，开关控制电路33被配置为仅在交流电源23为正半周期且位置传感器31检测到转子磁场为第一极性、以及交流电源23为负半周期且位置传感器31检测的转子磁场为与第一极性相反的第二极性时，使与其连接的可控双向交流开关导通。所述第一极性为n极或者s极；相应的，所述第二极性为s极或者n极。
58.请参阅图7，图7为图6所示控制单元的一较佳实施例的电路图。所述交流-直流转换电路32的一输入端经由一降压电阻r1连接所述交流电源23的一端，所述交流-直流转换电路32的另一输入端连接所述交流电源23的另一端。这里连接交流电源，可以直接连接或者进一步经由上述定子绕组连接。所述位置传感器31包括两个电源端子和一输出端h1。所述位置传感器31的两个电源端子分别连接所述交流-直流转换电路32的两个输出端。所述位置传感器31的输出端h1用于输出代表永磁转子10的磁场的信号。
59.所述开关控制模块30包括电阻r3、npn三极管q3、以及串联于位置传感器20的输出端h1与所述输入/输出端子330之间的电阻r4和二极管d3。所述二极管d3的阴极连接位置传感器31的输出端h1。所述电阻r3一端连接交流-直流转换电路32的较高电压输出端，另一端连接位置传感器31的输出端h1。所述npn三极管q3的基极连接位置传感器31的输出端h1，发射极连接二极管d3的阳极，集电极连接交流-直流转换电路32的较高电压输出端。
60.可以理解，图7只是示例性的说明开关控制模块33的电路，本发明开关控制模块的电路并不限于该实施方式所述，只要可以实现相同或类似功能的电路均可作为本发明的开关控制模块。
61.请参阅图8，图8是图5所示单相电机驱动电路的开关元件一较佳实施例的电路图。所述开关元件28包括一第一开关管q1、一第二开关管q2、一第一电阻r1、一第二电阻r2、一第一电容c1、一第二电容c2、一第一二极管d1以及一第二二极管d2。
62.所述第一开关管q1的控制端依序经由所述第一电阻r1、第一电容c1、第一二极管d1的阴极和阳极连接所述第一可控双向交流开关21c、21d的控制极。所述第一开关管q1的第一端连接所述控制单元3的输入/输出端子330，第二端连接所述第一二极管d1的阴极。
63.所述第二开关管q2的控制端依序经由所述第二电阻r2、第二电容c2、第二二极管d2的阴极和阳极连接所述控制单元3的输入/输出端子330，所述第二开关管q2的第一端连接所述第一可控双向交流开关21c、21d的控制极。所述第二开关管q2的第二端连接所述第二二极管d2的阴极。
64.本实施例中，所述第一开关管q1和第二开关管q2可为npn型三极管。所述第一、第二开关管q1、q2的第一端为三极管的发射极，第二端为三极管的集电极，控制端为三极管的
基极。在其它实施例中，所述第一开关管q1和第二开关管q2也可以为场效应管等。
65.当所述电机起动时，若所述交流电源23处于正半周期且所述永磁转子的磁场为第一极性，所述控制单元3的输入/输出端子330输出电流至所述第二二极管d2，流经所述第二二极管d2的电流为第二电容c2充电。同时，电流流过所述第二电容c2和第二电阻r2到达所述第二开关管q2的基极，使所述第二开关管q2导通，从而控制单元3输出的电流经由所述第二开关管q2流入第一可控双向交流开关21c、21d的控制极，触发所述第一可控双向交流开关21c、21d导通。接着，流经所述第二二极管d2的电流继续为第二电容c2充电，当所述第二电容c2充满时，所述第二电容c2相当于断路，电流无法流过所述第二电容c2到达第二开关管q2的基极，因此所述第二开关管q2断开，所述控制单元3与所述第一可控双向交流开关21c、21d的控制极之间的通路被切断，因此所述第一可控双向交流开关21c、21d在电机起动之后关断。
66.当所述电机起动时，若所述交流电源23处于负半周期且所述永磁转子的磁场为第二极性，所述交流电源23输出的电流依次经由第一可控双向交流开关21c、21d的第二主电极、控制极、第一二极管d1为第一电容c1充电。同时，电流流过所述第一电容c1和第一电阻r1到达所述第一开关管q1的基极，使所述第一开关管q1导通，从而使电流由第一可控双向交流开关21c、21d的控制极流入所述控制单元3，触发所述第一可控双向交流开关21c、21d导通。接着，流经所示第一二极管d1的电流继续为第一电容c1充电，当所述第一电容c1充满时，所述第一电容c1相当于断路，电流无法再通过所述第一电容c1到达第一开关管q1的基极，因此所述第一开关管q1断开，电流无法再流入所述所述控制单元3，因此所述第一可控双向交流开关21c、21d在电机起动之后关断。
67.可以理解，本发明的开关元件28并不限于上述实施方式所述，任何可以实现相同功能的电路或者模块都可以，比如，所述开关元件28可以包括一连接于所述第一可控双向交流开关21c、21d和所述控制单元3之间的开关，和用于控制所述开关导通与否的计时器、定时器等。
68.相较于现有技术，本发明第三和第四实施方式的单相电机驱动电路2c、2d在电机起动时具有较大的电流，在电机起动以后流过定子绕组12的电流减小。因此，因此本发明第三和第四实施方式的单相电机驱动电路2c、2d可以在保证较大起动转矩的同时改善高电流所产生的不良影响，从而使单相电机驱动电路的可靠性较佳。
69.本发明实施例所述的可控双向交流开关21b、第一、第二可控双向交流开关21a、22a、21c、22c、21d、22d较佳的为三端双向晶闸管(triac)。可以理解，这些可控双向交流开关也可例如由反向并联的两个硅控整流器实现，并设置对应的控制电路以按照预定方式控制这两个硅控整流器。
70.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。