一种无刷电机、控制方法及应用方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411485179.4 | 申请日 | 2024-10-23 |
| 公开(公告)号 | CN119362836A | 公开(公告)日 | 2025-01-24 |
| 申请人 | 南通市久正人体工学股份有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 唐轩红; 赵振普; 黄春荣; | 第一发明人 | 唐轩红 |
| 权利人 | 南通市久正人体工学股份有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 南通市久正人体工学股份有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省南通市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省南通市启东市汇龙镇华石路669号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：226200 |
| 主IPC国际分类 | H02K29/06 | 所有IPC国际分类 | H02K29/06 ; H02K1/14 ; H02K11/21 ; H02K5/20 ; H02P6/08 ; H02P6/20 ; H02P6/24 ; A47C7/62 ; A47C17/86 ; A47B9/00 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京锦信诚泰知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 刘卉; |
| 摘要 | 本 发明 涉及无刷 电机 技术领域，尤其涉及一种无刷电机、控制方法及应用方法，包括：电机壳体； 转子 组件安装在电机壳体中；圆筒 外壳 ，一端设有封闭端面；磁体单元均匀分布在圆筒外壳内壁； 输出轴 与圆筒外壳同轴并穿过封闭端面； 定子 组件包括 铁 芯套设在输出轴；铁芯有定子齿，定子齿齿宽从靠近轴心至远离轴心的方向变大，定子齿靠近轴心一端设限位 块 ；绕组线圈设置双层分布组成三相； 支架 一端固定连接铁芯，一端固定连接电机壳体； 轴承 组件套设在输出轴上用于 支撑 输出轴；PCB板设置在后壳上； 位置 传感器 用于检测磁体单元位置； 电子 换向器用于控制换向；PWM单元用于调节输入 电压 与 电流 。本发明能提高无刷电机运行过程中的平滑性和 稳定性 。 | ||
| 权利要求 | 1.一种无刷电机，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种无刷电机、控制方法及应用方法技术领域[0001] 本发明涉及无刷电机技术领域，尤其涉及一种尤其涉及一种无刷电机、控制方法及应用方法。 背景技术[0002] 无刷电机在我国的发展时间虽短，但是随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛发展，因其高效、可靠和易于维护的特点，无刷电机在工业自动化、家用电器等领域得到了广泛的应用。 [0003] 然而，现有的无刷电机及其控制方法仍存在一些不足之处。电机在运转时，自身内部产生的热量难以散发出去；而在电机启动和停止的过程中，传统的控制方法往往采用等速运动，这种方式容易导致机械冲击，影响电机的使用寿命；而在采用线性加速或减速来控制电机启动和停止时，容易在收到停止指令才进行减速的过程中，使得物体超过用户所想要停止的地方。在现实生活的运用中，人们不仅要求无刷电机具有高效率和长寿命，还要求在运行过程中具备良好的平滑性和精确性，并且在电动家具的使用中，具有良好的稳定功能。 [0004] 本发明旨在解决传统无刷电机存在的问题。 发明内容[0005] 本发明提供了一种无刷电机、控制方法及应用方法，可以有效地解决背景技术中的问题。 [0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括：电机壳体：包括前壳和后壳，前壳与后壳固定连接； 转子组件：安装在电机壳体中；包括圆筒外壳；磁体单元，沿轴线周向均匀分布在 圆筒外壳内壁；输出轴，输出轴与圆筒外壳同轴并穿过前壳； 定子组件：包括铁芯，输出轴穿过铁芯；铁芯设置有沿轴线周向分布、且朝向轴心 方向延伸的定子齿，定子齿齿宽从靠近轴心至远离轴心的方向逐渐变大，定子齿靠近轴心的一端设置限位块；绕组线圈，绕组线圈设置双层分布，一层缠绕在定子齿靠近轴心的一端，另一层缠绕在定子齿远离轴心的一端；绕组线圈组成三相；支架，一端固定连接铁芯，一端固定连接电机壳体； 轴承组件：套设在输出轴上，包括第一轴承和第二轴承，用于支撑输出轴； PCB板：设置在后壳上；包括若干个位置传感器，以圆筒外壳的内壁在PCB板上对应 圆形区域的边缘，均匀间隔设置位置传感器，用于检测磁体单元位置；包括电子换向器，用于控制无刷电机的换向；包括PWM单元，用于调节电机的输入电压与电流。 [0008] 根据本发明的第二方面，还提供了一种无刷电机控制方法，包括以下步骤：S00：将无刷电机安装至物体内，输出轴与丝杆连接，滑块在丝杆上运动；设定滑块 在丝杆上最靠近电机的位置时处于最低处，滑块在丝杆上最远离电机的位置时处于最高处； S10：初始化无刷电机，配置PWM单元；设定滑块在丝杆上若干特殊位置为应用的不 同档位；设定最小占空比Dmin和最大占空比Dmax； S20：接收物体系统发出的滑块所处位置与最低处之间的实时距离Pc，接收用户发 出的目标档位，并计算目标档位所处位置与最低处之间的目标距离Pt；根据实时距离Pc和目标距离Pt计算出位置差e=Pt‑Pc；同时判断出输出轴转动方向； S30：通过位置传感器来确定转子组件内的磁体单元所在位置，从而控制绕组线圈 的通电带动转子组件的旋转；构筑平滑加速曲线来计算出占空比Dt1并通过占空比Dt1生成PWM信号； S40：无刷电机根据PWM信号调节电机的输入电压与电流，使得电机进入加速时段， 来驱动输出轴平滑加速；同时，在加速时段内，电机每次所处换相前的一个人为设定的相位角处，对下一相的绕组线圈施加一定电流；至占空比Dt1为最大占空比Dmax时，电机退出加速时段，以占空比Dmax生成PWM信号驱动输出轴的转动； S50：在位置差e小于人为设定的阈值时，构筑平滑减速曲线来计算出占空比Dt2并 通过占空比Dt2生成PWM信号；无刷电机根据PWM信号调节电机的输入电压与电流，使得电机进入减速时段，来驱动输出轴平滑减速；同时在减速时段内，电机每次所处换相前的一个人为设定的相位角处，对下一相的绕组线圈施加一定电流；至占空比Dt2为最小占空比Dmin时，电机退出减速时段，无刷电机停止输入电压与电流，使得输出轴停转。 [0009] 进一步地，步骤S30中，构筑平滑加速曲线来计算出占空比Dt1具体为：2 3 Dt1=Dmax·(3t1‑2t1)； 其中，t1为启动开始的计时时间，且t1≤1。 [0010] 进一步地，步骤S50中，构筑平滑减速曲线来计算出占空比Dt2具体为：2 3 Dt2=Dmax‑(Dmax‑Dmin)·(3t2‑2t2)； 其中，t2为位置差e小于人为设定的阈值时开始的计时时间，且t2≤1。 [0011] 进一步地，在无刷电机根据PWM信号在加速时段或减速时段进行运动时，使用高分辨率的PWM信号；在无刷电机的加速时段和减速时段之间，使用低分辨率的PWM信号。 [0012] 进一步地，当步骤S20中，用户并未发出目标档位，使得无法计算出目标距离Pt，则变更步骤S50为：在接收到用户发出的实时停止指令后，构筑平滑减速曲线来计算出占空比Dt2并通过占空比Dt2生成PWM信号；无刷电机根据PWM信号调节电机的输入电压与电流，使得电机进入减速时段，来驱动输出轴平滑减速，至占空比Dt2为最小占空比Dmin时，电机退出减速时段，无刷电机停止输入电压与电流，使得输出轴停转。 [0013] 进一步地，在无刷电机根据占空比Dt2生成的PWM信号调节电机时，开始记录转子组件绕定子组件旋转的圈数a；至占空比Dt2为最小占空比Dmin时，停止圈数a的记录；无刷电机以占空比Dmin输入电压与电流，并利用电子换向器使得转子组件反向旋转，直至反向旋转圈数b=a时，无刷电机停止输入电压与电流，使得输出轴停转。 [0014] 进一步地，在输出轴停转后，记录当前滑块与最低处之间的记忆距离Pd，用户可以选择将记忆距离Pd设定为记忆档位，用户可以在下一次将记忆档位作为目标档位进行选择；记忆档位设置一个，每次设定记忆档位会覆盖上一次的记忆档位。 [0015] 根据本发明的第三方面，还提供了一种无刷电机应用方法，包括：将无刷电机安装在升降桌的立柱内部，用于驱动升降桌的上下移动； 或者，将无刷电机安装在沙发、或躺椅座椅的内部，用于驱动座椅的脚踏和靠背的 移动，实现姿势的变化。 [0016] 通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：本发明通过设计的一种无刷电机、控制方法及应用方法；将定子齿宽渐变设计来 优化磁场分布、减少齿槽效应，达到提升电机运行稳定性的目的；通过运行中转子组件的旋转，带动风板进行散热；通过平滑曲线的构筑，使得电机在启动和停止时，对物体带来的震动降低，提高运行过程中的平滑性和稳定；两种情况下的针对性运行，也将物体准确停在用户所想要的位置。 附图说明 [0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0018] 图1为本发明实施例中无刷电机的结构示意图；图2为本发明实施例中无刷电机中铁芯和定子齿的结构示意图； 图3为本发明实施例中无刷电机控制方法的步骤图； 图4为本发明实施例中无刷电机控制方法中的平滑加速曲线函数图； 图5为本发明实施例中无刷电机控制方法中的平滑减速曲线函数图； 附图标记：11、前壳；12、后壳；13、散热口；21、圆筒外壳；21a、风板；22、磁体单元； 23、输出轴；3、定子组件；31、铁芯；32、定子齿；32a、限位块；33、支架；41、第一轴承；42、第二轴承；5、PCB板。 具体实施方式[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 [0020] 在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0021] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0022] 一种无刷电机，如图1 2所示，包括：~ 电机壳体：包括前壳11和后壳12，前壳11与后壳12固定连接； 转子组件：安装在电机壳体中；包括圆筒外壳21；磁体单元22，沿轴线周向均匀分 布在圆筒外壳21内壁；输出轴23，输出轴23与圆筒外壳21同轴并穿过所述前壳11； 定子组件3：包括铁芯31，输出轴23穿过铁芯31；铁芯31设置有沿轴线周向分布、且 朝向轴心方向延伸的定子齿32，定子齿32齿宽从靠近轴心至远离轴心的方向逐渐变大，齿宽较大的一端增强了区域的散热，且可以更好地优化磁场分布，减少齿槽效应，提高了无刷电机运行时的稳定性和平稳性；定子齿32靠近轴心的一端设置限位块32a；绕组线圈，绕组线圈设置双层分布，一层缠绕在定子齿32靠近轴心的一端，另一层缠绕在定子齿32远离轴心的一端；双层绕组能够容纳更多的导线，从而提高电机的电磁力和输出功率，可以更好地分散电流，减少涡流损耗；绕组线圈组成三相；支架33，一端固定连接铁芯31，一端固定连接电机壳体； 轴承组件：套设在输出轴23上，包括第一轴承41和第二轴承42，用于支撑输出轴 23； PCB板5：设置在后壳12上，使得电机内部不用额外再设置接线与外部物体相连；包 括若干个位置传感器，位置传感器可以是霍尔传感器也可以是编码器；以圆筒外壳21的内壁在PCB板5上对应圆形区域的边缘，均匀间隔设置位置传感器，用于精确检测磁体单元22位置；包括电子换向器，用于控制无刷电机的换向；包括PWM单元，用于调节电机的输入电压与电流。 [0023] 无刷电机运行的原理是通过位置传感器检测出转子组件位置，然后沿着一定次序对定子组件3上的绕组线圈的电流进行换流（即检测转子组件上磁体单元22的磁极相对定字组件的绕组线圈的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换），使得转子组件绕定子组件3旋转，带动输出轴23的转动。 [0024] 优选的，电机壳体开设有散热口13；圆筒外壳21外壁沿轴线周向设置有风板21a，风板21a距离电机壳体有一定距离；电机运行时，转子组件在绕定子组件3旋转，从而带动圆筒外壳21上的风板21a也绕定子组件3旋转，电机内部的空气更快的移动，再从电机壳体中段开设的散热口13交换，将电机运行时产生的热量及时吹散，使得电机内部不会过热，对部件造成损伤，也避免了热量对电机运行的影响；还可以在电机壳体的后壳12上开设流通孔，使得电机内部空气交换更为通畅。 [0025] 根据本发明的第二方面，还提供了一种无刷电机控制方法，如图3中所示，包括以下步骤：S00：将无刷电机安装至物体内，输出轴23与丝杆连接，滑块在丝杆上运动，从而使 滑块能够带动物体系统的形态变化（比如升降桌的升降、沙发躺椅的脚踏和靠背的移动）； 设定滑块在丝杆上最靠近电机的位置时处于最低处，滑块在丝杆上最远离电机的位置时处于最高处。 [0026] S10：初始化无刷电机，配置PWM单元；设定滑块在丝杆上若干特殊位置为应用的不同档位，不同档位对应物体系统的不同形态（比如升降桌的各个高低位置的档位）；设定最小占空比Dmin和最大占空比Dmax。 [0027] S20：接收物体系统发出的滑块所处位置与最低处之间的实时距离Pc，接收用户发出的目标档位，并计算目标档位所处位置与最低处之间的目标距离Pt；根据实时距离Pc和目标距离Pt计算出位置差e=Pt‑Pc；同时，通过位置差e计算结构的正负可以判断出输出轴23转动方向，比如如果设定电机正转时，滑块会从最低处向最高处移动，那么对应当e＞0时，说明目标位置距离电机更远，就需要电机正转才能带动滑块到达目标位置。 [0028] S30：通过位置传感器来确定转子组件内的磁体单元22所在位置，从而控制绕组线圈的通电带动转子组件的旋转，实现电机的正转和反转；构筑平滑加速曲线来计算出占空比Dt1并通过占空比Dt1生成PWM信号；通过平滑加速曲线，电机在启动时不会立即达到最大速度或最大扭矩，而是逐步 增加，这样可以显著减少启动瞬间对物体内机械部件的冲击；而且平滑加速减少了启动时的瞬时加速度，从而减少了由于快速加速度导致的振动和噪音；这样的启动，有效减少了电机因为刚开始启动时对物体造成的震动，使得用户在使用物体时，感觉更加平稳和舒适。 [0029] S40：无刷电机根据PWM信号调节电机的输入电压与电流，使得电机进入加速时段，来驱动输出轴23平滑加速；同时，在加速时段内，电机每次所处换相前的一个人为设定的相位角处，对下一相的绕组线圈施加一定电流，电流值通常是人为设定的定值；至占空比Dt1为最大占空比Dmax时，电机退出加速时段，以占空比Dmax生成PWM信号驱动输出轴23的转动，让物体更快的运动到目标档位；传统换相过程是电机在第一相绕组上运行，在电机达到换相点时，第一相的电流 会被切断，第二相的电流会被接通，换相后第二相的电流从零开始上升，而第一相的电流从原来的值迅速下降到零；电流的快速变化会导致电机产生的转矩也随之快速变化，从而引起转矩波动；转矩波动会导致电机在换相时产生震动和噪音，影响电机的平稳运行；而通过在每次换相前的一个相位角处，提前对下一相绕组施加一定的电流，这样下一相的电流不是从零开始上升，使得电流的变化更加平缓，减少了电流跃变带来的转矩波动，从而使得电机运行更加平稳。 [0030] S50：在位置差e小于人为设定的阈值时，构筑平滑减速曲线来计算出占空比Dt2并通过占空比Dt2生成PWM信号；无刷电机根据PWM信号调节电机的输入电压与电流，使得电机进入减速时段，来驱动输出轴23平滑减速，通过减速时段将剩余的位置差e归零，到达目标档位所处位置，不会因为到了目标档位才进入减速时段而超过目标档位所处位置；同时在减速时段内，电机每次所处换相前的一个人为设定的相位角处，对下一相的绕组线圈施加一定电流；至占空比Dt2为最小占空比Dmin时，电机退出减速时段，此时因电机带动的物体运动幅度已经很小了，所以无刷电机停止输入电压与电流，使得输出轴23停转，并不会给用户带来突兀的震动感。 [0031] 如图4所示，步骤S30中，构筑平滑加速曲线来计算出占空比Dt1具体为：2 3 Dt1=Dmax·(3t1‑2t1)； 其中，t1为启动开始的计时时间，且t1≤1； 所构筑的平滑加速曲线不会在启动和达到最大占空比Dmax时，产生类似于线性加 速带来的强烈震动感，以确保在整个加速时段中，占空比Dt1没有突变；随着t1从0到1的变化，通过平滑加速曲线，占空比Dt1在1秒内，可以从0平滑的增大至Dmax，达到最大占空比。 [0032] 如图5所示，步骤S50中，构筑平滑减速曲线来计算出占空比Dt2具体为：2 3 Dt2=Dmax‑(Dmax‑Dmin)·(3t2‑2t2)； 其中，t2为位置差e小于人为设定的阈值时开始的计时时间，且t2≤1； 同样的，所构筑的平滑减速曲线，也保证了在整个减速时段中，占空比Dt2没有突 变；而把减速时段的占空比Dt2通过(Dmax‑Dmin)的方式，只减小到最小占空比Dmin，也是避免了电机在高速运转后直接衰减到0带来的震动；而且通过衰减到最小占空比Dmin，也可以很好的解决用户在开始并未发出目标档位时的情况下带来的影响。 [0033] 优选的，在无刷电机根据PWM信号在加速时段或减速时段进行运动时，使用高分辨率的PWM信号；在无刷电机的加速时段和减速时段之间，使用低分辨率的PWM信号；在加速时段或减速时段，电机转速较低，此时需要非常精细的速度控制；使用高分辨率的PWM信号可以实现更细节的电流调整，从而提高电机转速的控制精度和平稳运行；在高速区间，电机转速较高，此时对速度控制的精度要求相对较低；使用较低分辨率的PWM信号可以简化控制算法，减少计算负担，同时仍然能够维持足够的控制精度。 [0034] 在一些实施例中，当步骤S20中，用户并未发出目标档位，使得无法计算出目标距离Pt，则变更步骤S50为：在接收到用户发出的实时停止指令后，构筑平滑减速曲线来计算出占空比Dt2并通过占空比Dt2生成PWM信号；无刷电机根据PWM信号调节电机的输入电压与电流，使得电机进入减速时段，来驱动输出轴23平滑减速，至占空比Dt2为最小占空比Dmin时，电机退出减速时段，无刷电机停止输入电压与电流，使得输出轴23停转；在生活中，用户在使用物体时，并不知晓什么位置比较适合自身使用要求，所以会不选择档位，而是自行控制运动，直至运动至用户觉得合适的位置才会发出停止指令，比如在升降桌升降时，用户会先选择让桌子进行上升，在上升到合适位置时发出停止指令；此时我们需要更改构筑平滑减速曲线计算占空比Dt2的前提，才能使得电机进入减速时段。 [0035] 在无刷电机根据占空比Dt2生成的PWM信号调节电机时，开始记录转子组件绕定子组件3旋转的圈数a；至占空比Dt2为最小占空比Dmin时，停止圈数a的记录；无刷电机以占空比Dmin输入电压与电流，并利用电子换向器使得转子组件反向旋转，直至反向旋转圈数b=a时，无刷电机停止输入电压与电流，使得输出轴23停转。在用户并未发出目标档位，用户发出停止指令的情况下，电机进入了减速时段，此刻减速时段滑块在丝杆上继续的运动，带来的物体的运动，已经超过了用户所想要物体停止的位置；因此记录在减速时段内，转子组件绕定子组件3旋转的圈数a，再通过最小占空比Dmin的慢速回调位置，使得最终停止在用户发出停止指令的位置，避免了急停带来的震动，提高了运行过程中的稳定性和精确性。 [0036] 优选的，在输出轴23停转后，记录当前滑块与最低处之间的记忆距离Pd，用户可以选择将记忆距离Pd设定为记忆档位，用户可以在下一次将记忆档位作为目标档位进行选择；记忆档位设置一个，每次设定记忆档位会覆盖上一次的记忆档位。用户上述情况下，使得物体停在了自身觉得合适、想要停止的位置，可以选择将此时滑块在丝杆上，距离最低处的记忆距离Pd设定为记忆档位，使得下一次使用物体时可以更快、更方便的到达这个位置，提高了使用的灵活性。 [0037] 根据本发明的第三方面，还提供了一种无刷电机应用方法，包括：将无刷电机安装在升降桌的立柱内部，用于驱动升降桌立柱的伸缩，从而带动升 降桌的的上下移动； 或者，将无刷电机安装在沙发、躺椅等座椅的内部，与丝杆滑块结构连接，用于驱 动座椅的脚踏和靠背的移动，实现座椅坐姿、TV姿和躺姿的切换变化，适应用户的需求。 |
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