專利名稱：無刷他勵直流電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無刷直流電動機類，是一種轉(zhuǎn)子為電勵磁的無刷他勵直流電動機。
背景技術(shù)：
目前無刷直流電機，均采用永磁材料作為轉(zhuǎn)子材料，驅(qū)動繞組安裝在定子槽中，使用轉(zhuǎn)角位置傳感器測定轉(zhuǎn)子位置，并用直流開關(guān)管根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器測定的轉(zhuǎn)子位置控制各定子繞組電流通斷和電流方向，以此來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。此類電機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、調(diào)速性能好、功率密度高、無機械換向器磨損、免維護、制動時慣性能量能回收利用等一些優(yōu)點。對于中小功率、扭矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)區(qū)間要求不是很寬的使用場合非常優(yōu)秀。在中大功率、轉(zhuǎn)速和扭矩調(diào)節(jié)范圍很寬的使用工況下，其不足之處就表現(xiàn)出來。1、由于使用永磁材料作為轉(zhuǎn)子，使得材料成本比較高；2、使用最多的磁性材料釹鐵硼其居里點比較低，必須嚴格控制電機溫升，這會造成電機過載能力受影響；3、如果驅(qū)動電流過大還會造成永磁材料退磁，會使電機性能下降，此類電機功率限制在幾十千瓦以內(nèi)，不太適合制造更大功率的電機；4、永磁電機的氣隙磁場是固定的，不能調(diào)節(jié)，這會造成電機的高速和低速性能不能兼顧，而且不能在任何速度點保證電機都有可能達到很高的電機功率利用率。
發(fā)明的目的 本發(fā)明目的是提供一種全新的無刷直流電機。改變傳統(tǒng)永磁無刷電機使用永磁材料作轉(zhuǎn)子的做法，采用可調(diào)節(jié)的電勵磁轉(zhuǎn)子。正是由于電動機轉(zhuǎn)子使用了電勵磁方式，使得新型電機幾乎克服了永磁無刷電機的所有不足1、不采用價格比較昂貴的永磁材料，能節(jié)省材料成本；2、沒有永磁材料高溫退磁問題，使得電機擁有很好的過載能力；3、沒有磁性材料在強外反磁場下退磁問題，能實現(xiàn)更大功率的直流無刷電機；4、勵磁磁場可調(diào)能保證電機擁有優(yōu)秀的高速和低速性能，強磁方面電勵磁能得到比現(xiàn)有永磁材料能達到的更強的電機氣隙磁場，這有利于提高電機效率和低速性能，能提高低速時功率利用率；弱磁方面降低勵磁能提高電機高速性能和電機功率高速時功率利用率；5、能實現(xiàn)更寬的調(diào)速區(qū)間。綜上所述，該電動機有功率密度大、效率高、優(yōu)良的高速和低速性能、很強的過載能力、很寬的調(diào)速區(qū)間等一系列優(yōu)點，非常適合用于作為電動汽車的主驅(qū)動電機以及其他相似工況場合。
技術(shù)方案 本發(fā)明結(jié)構(gòu)上包括7個部分1、轉(zhuǎn)子電勵磁的無刷主電動機；2、和主電動機同軸安裝的結(jié)構(gòu)和三相交流異步電動機相近的異步感應(yīng)式勵磁發(fā)電機(也許稱為旋轉(zhuǎn)變壓器更合適，在此還是暫稱發(fā)電機)；3、和主電動機同軸安裝的旋轉(zhuǎn)整流單元，其將勵磁發(fā)電機輸出交流電流整流后給主電動機轉(zhuǎn)子作勵磁電流；4、電機轉(zhuǎn)子角位置和轉(zhuǎn)速傳感器；5、主電動機定子電流控制開關(guān)管列陣；6、勵磁發(fā)電機定子線圈電流控制開關(guān)管列陣；7、CPU控制器。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的它保持現(xiàn)有無刷直流電機采用定子安裝驅(qū)動繞組，轉(zhuǎn)子勵磁的結(jié)構(gòu)，定子仍可以采用和永磁無刷電機相同的驅(qū)動電路。本發(fā)明和永磁無刷電機區(qū)別在于1、將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置傳感器改為轉(zhuǎn)角位置和主軸轉(zhuǎn)速傳感器2、將永磁無刷直流電機的永磁轉(zhuǎn)子改為直流電勵磁轉(zhuǎn)子；3、和主軸同軸安裝旋轉(zhuǎn)整流單元；4、和主電機同軸安裝異步感應(yīng)式勵磁發(fā)電機。其中發(fā)電機結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子繞線式三相交流異步電動機相近，該發(fā)電機目的并不是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，而是將發(fā)電機定子電流無接觸地傳給轉(zhuǎn)子。電機整體原理為直流開關(guān)管采用SPWM方式控制，將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電，勵磁發(fā)電機定子通此三相交流電，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。保持定子磁場和轉(zhuǎn)子之間一定轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)子線圈則會切割定子磁場，使得轉(zhuǎn)子線圈中感應(yīng)出交流電流。勵磁發(fā)電機輸出的交流電流經(jīng)同軸安裝的整流單元整流濾波后給主電動機作轉(zhuǎn)子勵磁電流，在主電機的定子和轉(zhuǎn)子間形成磁場。按主軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩要求給主電動機定子繞組通合適電流，主電動機轉(zhuǎn)子將受到定子繞組產(chǎn)生的羅侖茲力反力驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。調(diào)節(jié)勵磁發(fā)電機的定子勵磁電流和磁場旋轉(zhuǎn)速度，就能調(diào)節(jié)主電動機轉(zhuǎn)子勵磁電流，并能做到整個電機無刷他勵，勵磁可調(diào)。另外電機在保持勵磁磁場條件下制動時，是一個輸出電壓可調(diào)的直流發(fā)電機，能實現(xiàn)慣性能量的回收利用。


為更好地說明該發(fā)明內(nèi)容，分別用圖1、圖2、圖3、圖4來說明其基本原理。
圖1為電動機整體結(jié)構(gòu)和原理圖；圖2為勵磁發(fā)電機定子線圈及其控制電路；圖3為3相輸出發(fā)電機轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流單元及兩磁極轉(zhuǎn)子電動機電路；圖4為電動機定子線圈及其控制電路；圖1中(1)為主軸轉(zhuǎn)角位置及轉(zhuǎn)速傳感器；(2)為異步感應(yīng)式勵磁發(fā)電機定子；(3)為異步感應(yīng)式勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子；(4)為旋轉(zhuǎn)整流單元；(5)為主電動機定子；(6)為主電動機勵磁轉(zhuǎn)子；(7)為電機主軸線；(8)為主電動機定子電流控制開關(guān)管列陣單元；(9)為勵磁發(fā)電機定子電流控制開關(guān)管列陣單元；(10)為CPU控制器；(11)為直流母線。另外虛線部分為信號線。
圖2中VT1～VT6為直流開關(guān)管；VD1～VD6為反向續(xù)流二極管；U-O1、V-O1、W-O1為發(fā)電機定子線圈。其中VT1～VT6直流開關(guān)管和VD1～VD6反向續(xù)流二極管組成圖1中勵磁發(fā)電機定子電流控制直流開關(guān)管列陣單元(9)。
圖3中1-O2、2-O2、3-O2為3相輸出發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈；ZD1～ZD6旋轉(zhuǎn)整流單元整流二極管；C1為旋轉(zhuǎn)整流單元濾波電容；L1～L2為主電動機勵磁轉(zhuǎn)子S極、N極勵磁線圈。
圖4中VS1～vS6為直流開關(guān)管；TD1～TD6為反向續(xù)流二極管；A-O3、B-O3、C-O3為電動機定子線圈。其中VS1～VS6直流開關(guān)管和TD1～TD6反向續(xù)流二極管組成圖1中主電動機定子電流控制直流開關(guān)管列陣單元(8)。
電動機整個運行過程是這樣的如果要使電動機旋轉(zhuǎn)起來，由圖1中CPU控制器(11)按SPWM算法控制圖1中勵磁發(fā)電機定子電流控制直流開關(guān)管列陣(9)即圖2中直流開關(guān)管VT1～VT6分時導(dǎo)通和關(guān)斷，使得圖2中U-O1、V-O1、W-O1三組線圈端部加上標準正旋三相交流電壓，在圖1的異步感應(yīng)式發(fā)電機定子(2)中磁場矢量疊加形成的磁場將是一個連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，其中電壓的相序應(yīng)使磁場旋轉(zhuǎn)方向和電機轉(zhuǎn)向一致。當異步感應(yīng)式發(fā)電機定子(2)中旋轉(zhuǎn)磁場建立后，由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子(3)和發(fā)電機的定子(3)存在轉(zhuǎn)速差，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子(3)導(dǎo)體切割發(fā)電機的定子(2)產(chǎn)生的磁場運動，從而在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子(3)輸出端，及圖3中線圈1-O2至5-O2上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子(3)、旋轉(zhuǎn)整流單元(4)、主電動機定子(5)整體構(gòu)成一個閉合回路，發(fā)電機產(chǎn)生感應(yīng)電壓會在回路中產(chǎn)生電流，發(fā)電機轉(zhuǎn)子(3)輸出電流為交流電流，經(jīng)為圖1中旋轉(zhuǎn)整流單元(4)也就是圖3中ZD1～ZD6整流又經(jīng)C1濾波后得到較好的直流電流。整流后的直流電流給為圖1中主電動機勵磁轉(zhuǎn)子(6)也就是圖3中L1～L2，使L1～L2成為一個2端極電磁鐵，它將會在電動機定子(5)和電動機轉(zhuǎn)子(6)及二者氣隙中建立磁場。此時圖1中CPU控制器(10)按圖1中主軸轉(zhuǎn)角位置及轉(zhuǎn)速傳感器(1)測量結(jié)果并按一定PWM算法控制圖1中主電動機定子電流控制直流開關(guān)管列陣單元(8)即圖4中直流開關(guān)管VS1～VS6分時導(dǎo)通和關(guān)斷，給圖1中主電動機定子(5)也就是圖4中A-O3、B-O3、C-O3線圈中通適當方向電流，電動機轉(zhuǎn)子受到羅侖茲力的反力作用旋轉(zhuǎn)起來。根據(jù)電動機啟動時的力矩要求可以控制圖2中直流開關(guān)管VT1～VT6的空占比和開關(guān)交替速度，以調(diào)節(jié)發(fā)電機旋轉(zhuǎn)磁場強度和旋轉(zhuǎn)速度。為便于圖1中電動機轉(zhuǎn)子(6)勵磁控制和計算，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子(3)輸出電壓正比于發(fā)電機定子(2)勵磁電壓，應(yīng)保持發(fā)電機定子磁場旋轉(zhuǎn)速度和電機主軸旋轉(zhuǎn)速度差為一定值。電機轉(zhuǎn)動起來后，為保持圖1中勵磁發(fā)電機定子(2)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場和電機主軸(7)一定轉(zhuǎn)速差，圖1中CPU控制器(10)根據(jù)速度傳感器檢測值調(diào)整圖2中開關(guān)管VT1～VT6切換速度，從而調(diào)整發(fā)電機定子磁場旋轉(zhuǎn)速度。
通過調(diào)節(jié)勵磁可以使電動機擁有優(yōu)良的低速和高速性能。低速時調(diào)節(jié)發(fā)電機定子電壓，使其滿電壓工作，這樣可以將電動機勵磁磁場調(diào)到最大值，電機輸出特性比較硬，低速時能提供大扭矩，此階段通過調(diào)節(jié)電動機定子電壓實現(xiàn)調(diào)速。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，電動機定子電壓調(diào)滿后，要得到更大輸出功率，只能提高電機功率利用率，可以通過減小發(fā)電機定子(2)電壓，以減小電動機轉(zhuǎn)子(6)電流，減小電動機氣隙磁場，這樣能提高電動機高速時功率利用率，即所謂的弱磁調(diào)速。電動機功率利用率最高工作點是位于特性曲線在第1象限線段中點。
實施例說明圖2～圖4所介紹的電路為該電機最基本的原理電路方式，也可以作為實施方案，只是按此最簡圖制造的電機電磁密度太低。為提高電機電磁密度，同時兼顧電機效率，一般采用適當增加轉(zhuǎn)子磁極數(shù)，增加電動機定子相數(shù)和線圈蔟數(shù)，并采用獨立分布繞組，能達到改善電機各方面性能的目的。以發(fā)電機3相輸入5相輸出，電動機3相、24定子槽、24蔟定子線圈、8磁極轉(zhuǎn)子型電機為例說明該發(fā)明內(nèi)容?，F(xiàn)用圖5～圖7來說明。
圖5為5相輸出發(fā)電機轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流單元及8磁極轉(zhuǎn)子電動機電路；圖6為改進繞組布局的3相24槽8磁極轉(zhuǎn)子電動機斷面及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角位子傳感器圖；圖7為改進的3相24簇定子線圈及其控制電路。
圖5中1-O2、2-O2、3-O2、4-O2、5-O2為5相輸出發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈；ZD1～ZD10旋轉(zhuǎn)整流單元整流二極管；C1為旋轉(zhuǎn)整流單元濾波電容；L1～L8為主電動機勵磁轉(zhuǎn)子繞組線圈。
圖6中(1)為電動機電勵磁轉(zhuǎn)子；(2)為電動機定子；(3)為主軸轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)盤；(4)為主軸轉(zhuǎn)角位置檢測槽孔；(5)為主軸轉(zhuǎn)速檢測槽孔；(6)為轉(zhuǎn)速檢測光電開關(guān)；(7)為A相線圈位置檢測傳感器；(8)為B相線圈位置檢測傳感器；(9)為C相線圈位置檢測傳感器；(10)為電機主軸線。
圖7中VS1～VS12為直流開關(guān)管；TD1～TD12為反向續(xù)流二極管；A-A’、B-B’、C-C’為電動機同名并聯(lián)的三相定子線圈。
在實施例上，發(fā)電機定子方案和圖2方案相同，沒有更改。采用星形或三角形接法均可。
圖5中部分元件名稱和圖3相同，只是發(fā)電機輸出相數(shù)由3相增加到5相，相應(yīng)整流二極管增加到10個，整流二極管數(shù)量為勵磁發(fā)電機輸出相數(shù)的2倍。電動機轉(zhuǎn)子勵磁線圈數(shù)由L1、L2兩個增加到L1～L8八個，這樣電機轉(zhuǎn)子極數(shù)也由兩個增加到八個；增加發(fā)電機輸出相數(shù)目的是讓發(fā)電機轉(zhuǎn)子(3)輸出的交流電壓整流后的直流電壓比三相整流的電壓脈動更小，這樣可以減小圖1中電動機轉(zhuǎn)子(6)激勵的磁場波動，減小諧波；增加電動機轉(zhuǎn)子極數(shù)，能有效提高電機電磁密度，有利于提高電機功率體積密度等，同時能改善轉(zhuǎn)矩脈動。
圖6須結(jié)合圖7一起分析。圖6和圖7所示是一個相對于圖4改進后的方案。其繞組布局原則為采用等距分布繞組，相鄰?fù)@組電流同向邊置于同一電機槽連續(xù)布置，各不同名即其他相的繞組按相同順序，各自錯開一槽開始連續(xù)布置，各相繞組同名端并聯(lián)。其中主電動機定子繞組蔟數(shù)和電機槽數(shù)為轉(zhuǎn)子磁極數(shù)和定子電源相數(shù)之積。從圖6可以看出A-A’、B-B’C-C’三相繞組采用等距繞組，各繞組在對應(yīng)一個轉(zhuǎn)子極極距上為均勻分布，相差15°，每個繞組對應(yīng)的位子傳感器所在角度也相應(yīng)相差15°。采用此繞組布局，結(jié)合圖7，可以使得所有繞組導(dǎo)體同時均衡工作，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩矢量都是同向的，有效提高了導(dǎo)體和磁場的利用率，能有效提高功率密度。圖7中各個同名繞組并聯(lián)，可以有效防止某蔟繞組斷開致使電機停機。三組繞組各自獨立控制通斷，同名繞組并聯(lián)，并采用圖6繞組布局方式，可以使分在每個繞組通過電流均等，流過各個導(dǎo)體的電流不致太大，這樣可以使用截面相對比較小的導(dǎo)體作為定子繞組。
采用圖6和圖7方式，并保證電動機氣隙磁場按矩形分布，當電機制動處于發(fā)電工作模式時，三相繞組輸出的電流經(jīng)圖7中SD1～SD12整流后將是非常平直的直流電壓。另外還可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流來調(diào)節(jié)發(fā)電時的輸出電壓。由于各繞組各自獨立，所以可以通過的電流也比較大。以上這些對電動車要求制動能量回收非常有利。
采用上述實施例已可以獲得性能非常優(yōu)秀的電機，為進一步提高電動機磁場利用率，提高電機電磁密度，可以通過適當增加主電動機定子電源相數(shù)和電動機轉(zhuǎn)子磁極數(shù)來達到。按定子繞組布置原則，可以設(shè)計成更多定子電源相數(shù)和更多轉(zhuǎn)子磁極數(shù)。
以上所介紹的圖5至圖7是以電動機定子線圈并聯(lián)的方式接線，實際上采用圖4所示方式或?qū)⑿切谓臃ǜ臑槿切谓臃ň梢浴?br> 最后一點，如果將發(fā)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和電動機定子導(dǎo)體即電機中所有對磁場作切割運動和在磁場中受羅侖茲力驅(qū)動的導(dǎo)體改為電工純鐵作導(dǎo)體，并適當調(diào)整導(dǎo)電截面，能有效提高導(dǎo)體所處磁場的磁場強度，并能消除電機的齒槽影響，提高電機效率，提高電機電磁密度，能改善電機多方面性能。
權(quán)利要求
1.無刷直流電機類，轉(zhuǎn)子勵磁、定子驅(qū)動，同主軸安裝有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置傳感器，直流開關(guān)管列陣控制電動機定子線圈電流，其特征是1)電動機轉(zhuǎn)子為電勵磁，2)同主軸安裝勵磁發(fā)電機，3)同主軸安裝旋轉(zhuǎn)整流單元，4)主軸轉(zhuǎn)角位置傳感器改為轉(zhuǎn)角位置及轉(zhuǎn)速傳感器。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征是主電動機定子繞組同名端并聯(lián)，各相設(shè)獨立開關(guān)驅(qū)動。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征是主電動機轉(zhuǎn)子勵磁繞組按磁場方向要求繞制后并聯(lián)。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征是主電動機定子繞組簇數(shù)為轉(zhuǎn)子磁極數(shù)和定子電源相數(shù)之積。
5.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征是勵磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子繞線式交流異步電動機相同。
6.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征是勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用3相或多相輸出，整流二極管數(shù)量為勵磁發(fā)電機輸出相數(shù)的2倍。
7.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征是勵磁發(fā)電機定子和主電動機定子各用一套直流開關(guān)管列陣控制線圈電流。
8.依據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征是發(fā)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和主電動機定子導(dǎo)體采用電工純鐵作導(dǎo)體。
全文摘要
無刷直流電機類，是一種帶有勵磁發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)整流單元且轉(zhuǎn)子為電勵磁的無刷他勵直流電動機。通過調(diào)節(jié)流過和主電動機同軸安裝的勵磁發(fā)電機定子中三相交流電流的電壓和頻率來控制發(fā)電機中旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速和強度，最終調(diào)節(jié)主電動機勵磁磁場，從而實現(xiàn)電動機整體的無刷他勵。另外還運用以下方法提高電機性能1.主電動機定子同名繞組并聯(lián)，獨立驅(qū)動；2.主電動機定子采用等距繞組交替布局；3.確定適當電勵磁轉(zhuǎn)子極數(shù)；4.將發(fā)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和主電動機定子導(dǎo)體在適當調(diào)整導(dǎo)電截面情況下改為純鐵作導(dǎo)體。
文檔編號H02K7/20GK1905332SQ20051008928
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月31日
發(fā)明者余克儉 申請人:余克儉