專利名稱:旋轉(zhuǎn)電機的制作方法
旋轉(zhuǎn)電機技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及作為電動機或發(fā)電機操作的旋轉(zhuǎn)電機。
技術(shù)背景多相永磁無刷電動機是極其通用且高效的機器，與交流同步和永磁直 流電機相比，其在許多不同的應用中提供了更優(yōu)越的控制和效率。但是， 在一些情況下，終端用戶需要無刷電機緊湊、高效和壽命長，但操作無刷 電機所需的驅(qū)動和控制電子裝置的耗資不要高。通常這些費用迫使終端用 戶采用低等級的電動機。采用一種簡單、廉價的機械換向裝置(mechanical commutation arrangement)代替昂貴的電子驅(qū)動使得終端用戶可以在廣闊的各種應用中 采用多相永磁電機。申請人在前的專利申請"換向器"于2004年10月7日公布(其國際 公開號為WO2004/86571Al)，而"換向器和電機中的電流換向方法"于 2005年8月2日提出申請(其國際申請?zhí)枮镻CT/IB2005/002278)，其內(nèi) 容包含在本申請內(nèi)，其中描述了圓柱形換向器，該圓柱形換向器用于隨旋轉(zhuǎn) 電機軸旋轉(zhuǎn)或通過旋轉(zhuǎn)電機軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)電機換向器，并允許電流從電源 流過電機繞組，該圓柱形換向器包括 陽極滑環(huán)(positive slip-ring)和陰極滑環(huán)(negative slip-ring),陽極滑環(huán) 和陰極滑環(huán)中的每一個都具有連續(xù)的導電環(huán)形周面，電連接到陽極滑環(huán)的陽極導電換向器段(commutator segment),和電 連接到陰極滑環(huán)的陰極導電換向器段，，以及第一和第二續(xù)流部件(freewhedingsegment),其與換向器段電絕緣，并 置于換向器段之間的各自位置處，和第一二極管，該第一二極管位于陰極換向器段和第一續(xù)流部件之間，
用于允許電流僅從陰極換向器段向第一續(xù)流部件流動，和第二二極管，該 第二二極管位于陽極換向器段和第二續(xù)流部件之間，用于允許電流僅從第 二續(xù)流部件向陽極換向器段流動。優(yōu)選地，換向器進一步包括三個電刷，該三個電刷圍繞換向器在空間 上呈120度間隔分布且連接到電機繞組，其中在換向器旋轉(zhuǎn)期間，換向器 段和續(xù)流部件交替與連接到繞組的三個電刷接合。上述布置已經(jīng)顯示能夠提供高性能和極小的電弧。但是，決定該種換 向器的最小有效尺寸的因素為電刷的接觸面積。因此，本領域的技術(shù)人員 將清楚，當應用于高功率多極電機時，這種換向器將相當大且制造困難， 從而降低了系統(tǒng)設計所應具有的整體尺寸、成本和簡單性方面的某些優(yōu) 勢。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于減小高功率多極電機中換向器的尺寸。本發(fā)明 進一步的目的在于提高該種電機的換向和控制功能。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種旋轉(zhuǎn)電機，包括 殼體，輸出軸，其可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體內(nèi)，用于以第一速度N1旋轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)子，其固定在轉(zhuǎn)軸上，并且提供磁場， 環(huán)繞轉(zhuǎn)子設置的定子繞組，旋轉(zhuǎn)換向器，其允許電流在交變方向上(in alternating directions)通過 繞組，以及驅(qū)動裝置，用于使換向器以第二速度N2旋轉(zhuǎn)，其中N2-riXN1,且 n為大于l的整數(shù)。優(yōu)選地，驅(qū)動裝置包括固定到輸出軸的第一齒輪和固定到換向器軸且 與第一齒輪嚙合的第二齒輪。優(yōu)選地，驅(qū)動裝置包括固定到輸出軸的第一齒輪，固定到換向器軸的 第二齒輪，和從第一齒輪向第二齒輪傳遞旋轉(zhuǎn)運動的鏈條或帶。優(yōu)選地，電機進一步包括與鏈條或帶嚙合的惰輥(idlerroller)。優(yōu)選地，驅(qū)動裝置包括連接到換向器軸的電機，并且被設置成以第二
速度N2運轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，電動機是機械換向直流電機、永磁直流電機或無刷直流電機 中的一種。優(yōu)選地，電機是同步直流電機、異步交流電機或同步交流磁阻電機中 的一種。優(yōu)選地，電機進一步包括用于調(diào)節(jié)速度、增強換向或影響相位超前中 的一個或多個的電子斬波器。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種旋轉(zhuǎn)電機，包括 殼體，輸出軸，其可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體內(nèi)，用于以第一速度N1旋轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)子，其被固定在軸上，并提供磁場， 環(huán)繞轉(zhuǎn)子設置的定子繞組，旋轉(zhuǎn)換向器，用于選擇性地允許電流在交變的方向上通過繞組，驅(qū)動裝置，用于使換向器以第二速度N2旋轉(zhuǎn)，其中N2-nXNl，且 n為整數(shù)，整流器(rectifier),用于選擇性地允許電流在交變的方向上通過繞組， 連接到旋轉(zhuǎn)換向器和整流器的開關(guān)，用于選擇是旋轉(zhuǎn)換向器還是整流 器允許電流通過繞組。優(yōu)選地，幵關(guān)還連接到繞組。 優(yōu)選地，n為大于1的整數(shù)。， 優(yōu)選地，電機為機動車的交流發(fā)電機。


根據(jù)參考附圖和僅通過實例方式的說明，本發(fā)明的其他方面將變得清 楚，其中圖1為上面和下面說明的機械換向裝暨的分解圖。 圖2為具有通過齒輪驅(qū)動機械地連接的換向器的電機視圖。 圖3為具有通過鏈條或帶驅(qū)動機械地連接的換向器的電機視圖。 圖4為具有通過鏈條或帶驅(qū)動機械地連接的換向器的電機視圖，具有 附加的可移動惰輥影響相位超前以更好地控制電機。圖5為包括驅(qū)動電機、分離驅(qū)動電機和機械換向裝置的電機視圖。 圖6為包括驅(qū)動電機、分離驅(qū)動電機和機械換向裝置的電機第二實施 例視圖。圖7為包括驅(qū)動電機、分離驅(qū)動電機和機械換向裝置的電機其他實施圖8示出了斬波電路中的電壓變化如何改善換流的波形圖。 圖9示出了斬波電路中的電壓、或驅(qū)動電機的速度變化如何影響相位 變化的波形圖。
具體實施方式
控制本發(fā)明的中心洞察點在于2極或4極換向器可以驅(qū)動更多極數(shù)的 電機，以實現(xiàn)其能夠以驅(qū)動電機速度適當倍數(shù)的速度旋轉(zhuǎn)。(例如，如果2 極換向器用以驅(qū)動8極電機，換向器必須以驅(qū)動電機四倍的速度旋轉(zhuǎn)。) 本發(fā)明的各個方面說明了實現(xiàn)此性能的各種裝置，兩者都通過將換向器機 械地連接到電機，并且通過第二、更小的電機來驅(qū)動換向器。在第一種情 況中，結(jié)果為多極電機相對于之前的實施例在最小化尺寸、復雜度和換向 器成本方面有了根本的減小。在第二種情況中，從將換向器從驅(qū)動電機機 械地分離中可以獲得附加的益處；例如電機可以應用于機動車燃料泵，其 中燃料混合物中的醇傾向于腐蝕機械換向器；以及成本遠低于無刷直流電 機對電機增強控制的機會。此外，單一的換向器可以被用于驅(qū)動兩個或更 多個驅(qū)動電機，同步(直流)或異步(交流)。這在工業(yè)上有大量的應用 (例如運輸機)。圖1示出了基本的2極機械換向裝置的單獨部件，包括換向器基部 1，陽極滑環(huán)2和陰極滑環(huán)3，每個具有連續(xù)的導電環(huán)形周面46、 47，電連接到陽極滑環(huán)2的陽極導電換向器段48，和電連接到陰極滑環(huán)3 的陰極導電換向器段49，和第一和第二續(xù)流部件4、 5，其與換向器段48和49電絕緣，且置于換向器段之間各自的位置處，禾口在陰極換向器段49和第一續(xù)流部件之間的第一二極管6，用于允許電 流僅從陰極換向器段49向第一續(xù)流部件4流動，和在陽極換向器段48和 二二極管7，用于允許電流僅從第二續(xù)流部件5 向陽極換向器段48流動。換向元件和續(xù)流部件4， 5被絕緣環(huán)8、 9隔幵。 換向器段通過兩個固定螺絲釘12、 13被固定在基部1上。固定螺絲釘12、 13位于絕緣套管14、 15內(nèi)，以避免換向器部件短路。優(yōu)選地，換向器進一步包括環(huán)繞換向器在空間上呈120度間隔分布且 連接到電機繞組的三個電刷(未示出)，其中在換向器旋轉(zhuǎn)期間，換向器 段和續(xù)流部件交替地與連接到繞組的三個電刷接合。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電機的實施例。電機14具有安裝 在其軸上的齒輪15。該齒輪與第二齒輪16接合，第二齒輪16通過單獨的 軸連接到機械換向裝置17，然后該機械換向裝置通過導線18電連接到電 機14?？蛇x地，齒輪15可以采用軸向而不是徑向嚙合，因此可以替換另 一個齒輪來驅(qū)動軸。機械換向裝置17可以被安裝在軸端。軸可以是直的 或可彎曲的。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電機的另一個實施例。電機18 具有安裝在其軸上的齒輪19。該齒輪通過鏈條或帶21連接到第二齒輪20， 第二齒輪20通過單獨的軸連接到機械換向裝置22，然后該機械換向裝置 通過導線電連接到電機18。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電機的又一個實施例。電機23 具有安裝在其軸上的齒輪24。該齒輪通過鏈條或帶26連接到第二齒輪25， 第二齒輪25通過單獨的軸連接到機械換向裝置27，然后該機械換向裝置 通過導線電連接到電機23。兩個可移動的惰輥28、 29定位在帶或鏈條裝 置26的任一側(cè)，從而使得移動它們可以改變齒輪24和25之間的相位關(guān) 系。這使得電機23和機械換向裝置27之間的相位關(guān)系被改變，因此無需使用電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)相位關(guān)系的改變。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的電機的一個實施例。驅(qū)動電機30 可以是直流同步電機、交流感應電機或同步交流磁阻電機中的任意一個， 該驅(qū)動電機被電連接到機械換向裝置31。然后該機械換向裝置被驅(qū)動電機 32驅(qū)動，該驅(qū)動電機可以是永磁直流電機(PMDC machine)、無刷直流電 機或利用如上所述的機械換向裝置的電機。應當注意的是，如果驅(qū)動電機 具有高額定功率，采用無刷直流電機驅(qū)動這種裝置是很經(jīng)濟的。隨著電機
額定功率的增加，無刷直流電機中功率電子器件的成本雖指數(shù)增加。因此 釆用小得多的無刷電機，其僅需驅(qū)動機械換向器在預定速度旋轉(zhuǎn)，能夠以 實質(zhì)上降低的成本提供與無刷直流電機相關(guān)的所有控制優(yōu)勢。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的電機的另一個實施例。該電機為 類型適于機動車起動器-交流發(fā)電機的組合電動機-發(fā)電機。申請人在前的專利申請PCT/IB/2005/002277于2005年8月2日提出， 其內(nèi)容認為包含在本申請中，該申請描述了一種三相繞組場電動機-發(fā)電 機，配有如上所述的機械換向裝置，且被安裝在電機的軸上。雖然這種電 機已經(jīng)有樣機且工作正常，該設計中仍存在兩個問題。首先，由于標準的 機動車發(fā)動機為12或16極電機，此種電機的換向器必須龐大、復雜和相 對昂貴。此外，在機動車應用中，空間是非常寶貴的，龐大而復雜的換向 器的安裝不是此種應用中所期望的。圖5中所述的電機似乎可以改善此問題。但是，此處機動車發(fā)動機還 有另一個問題需要考慮。即發(fā)動機通常以引擎2.5到3倍的速度增速行使。 對于瞬間的增速，引擎速度達到6000至7000rpm并不罕見。這將導致發(fā) 動機的速度超過20， OOOrpm，如果發(fā)動機連接到機械換向裝置，將由于 摩擦耗損導致其使用壽命降低。圖6中所示的電機改善了這一問題。驅(qū)動電動機-發(fā)電機34被電連接到起動控制器35和整流器36。整流 器，其為本領域的技術(shù)人員所熟知，包括6個二極管，每相兩個，其被連 接以在交流波形的負半波反轉(zhuǎn)電壓以得到直流輸出。這6個二極管被安裝 到發(fā)電機非驅(qū)動端的散熱器上，并借助轉(zhuǎn)子上的內(nèi)部風扇通過進入發(fā)電機 的空氣冷卻。近來同步整流技術(shù)被提出，其中采用3個MOSFET和3個二極管。通 過增強每個循環(huán)的相位連接以在低速增大交流發(fā)電機的輸出。這同時也增 加功率電子器件的成本到一個中間等級。當逆變器用于混合操作后，同步 整流的益處被凸顯。通過上述方式在低速時增加換向器38的相位可以獲 得同步整流的益處。輔助驅(qū)動電機37被機械連接到上述機械換向裝置38。單獨電源39， 40被分別連接到驅(qū)動電機37和機械換向器38。當裝置作為電動機操作時， 即，在引擎以混合模式起動和推進加速期間，電源39， 40供電，這使得
電機作為電動機工作。但是，當電機作為發(fā)電機工作時，或者，當驅(qū)動電機的速度超過6000rpm時，電源39和40斷開。這使得驅(qū)動電機34作為 發(fā)電機被操作，應用整流器36，而不用驅(qū)動機械換向裝置38，因此增加 其使用壽命。參考圖7, —種連接任意機械換向器38到整流器36的可選方法，3 相定子繞組可以被永久地連接到機械換向器38電刷和整流器36，但可以 采用開關(guān)42將直流輸入從電池41或者切換到滑環(huán)上的機械換向器44的 輸入電刷，或者切換到整流器45的輸出。采用通常的接地，其僅涉及從 一個觸點到另一個的切換。但是，保證2相電刷沒有連接到一個換向器片 是必要的，這樣根據(jù)電刷的寬度，換向器片的弧度需要小于120度——大 約100度，且中間弧度應當從60度增加到80度。這種折衷可能不被接受 一在這種情況下上述的3相開關(guān)裝置可能被需要，或可能更簡單的裝置， 通過斷開從整流器36到電池的直流連接而不需要隔離3相到整流器36的 連接。在上述結(jié)構(gòu)中，當處于電動機模式時，電機的速度和轉(zhuǎn)矩由斬波電 路43控制。只要起動器-發(fā)動機作為發(fā)電機橾作或可選地只要發(fā)電機速度超過 6000rpm,輔助電機37可以被停止(或以低速休眠模式運轉(zhuǎn))。后者將允 許機械換向器38控制相位超前和在需要時在低速獲得改進的發(fā)電輸出。在本發(fā)明的所有實施例中，其中需要提供可變速度，直流電源包括斬 波器(功率電子斬波器)。這些裝置為本領域技術(shù)人員所熟知。雖然單個 的器件比6個器件中的每一個具有更高的額定電流，但是這些裝置由于具 有更少的功率器件(1個而不是6個)，因此該種裝置比用于標準無刷電機 的逆變器便宜很多。額定電壓電流將為1/3或更少，且僅l個器件被安裝 到散熱器上(對于逆變器來說相比于6個僅采用l個續(xù)流二極管)。功率電子斬波器還可以通過在每個機械換向器換向時或之前切斷電壓 (且因此減小電流)，以提供增強的換向功能。這樣可以進一步減小電弧， 該電弧在本設計中以最小化開始，因此進一步增加了電機的使用壽命。圖 8示出了在換向點切斷電壓的效果P一個位置傳感器，例如已被本領域技術(shù)人員所熟知的霍爾效應裝置， 可以被用于確定切換位置，或者換向的起始可以在直流電源或在每相內(nèi)由
電壓/電流傳感器檢測。驅(qū)動換向器的輔助電機的另一個可能的實施例可以提供相位超前。由 于輔助電機相對于主電機單獨地被驅(qū)動，輔助電機的位置可以被調(diào)節(jié)以提供相位超前。輔助電機的單獨電ii源可以調(diào)節(jié)速度，以及因此電動機和機械換向裝置的位置可以超前切換發(fā)生的位置。由于輔助電機遠小于主電 機，且響應更快，允許依次對每相進行加速和減速?？蛇x地，功率電子斬波器可以被用于依次調(diào)節(jié)各相電壓，提供更快的 調(diào)節(jié)。這在每相的開始時提供更高的電壓，S卩，提供有效的相位超前。圖 9示出了依次在每相應用較高電壓的波形效果?；蛘呷我晦D(zhuǎn)子位置傳感器(例如霍爾效應裝置)可以被用于提供主轉(zhuǎn) 子位置——或者低成本的——來自每相的電壓信號可以提供位置信號。上述描述針對具有公知等價物的元件的整體，且這些公知等價物均被 包括，如同單獨在此處提出一樣。本發(fā)明的實施例已被描述，但是應當理解的是，可以對其進行改變、 改進或修改。例如，在可選的實施例中其他拓撲的評述結(jié)構(gòu)可以被應用。 電刷組件可以被安裝在換向器的圓周上，而不是外部，這樣減小了整個裝 置的體積?；蛘呖蛇x地，整個裝置被構(gòu)造為圓盤形，其中電刷垂直布置在圓盤的表面。應當注意的是，盡管上述說明和圖示的是2極換向器時，n 極換向器可以通過增加陽極、陰極和續(xù)流部件的數(shù)量被構(gòu)造，其中n二2， 4， 6， 8等。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)電機，包括
殼體，
輸出軸，其可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述殼體內(nèi)，用于以第一速度N1旋轉(zhuǎn)，
轉(zhuǎn)子，其固定到所述軸上，并提供磁場，
環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子設置的定子繞組，
用于允許電流在交變的方向上通過所述繞組的旋轉(zhuǎn)換向器，以及
驅(qū)動裝置，其用于使所述換向器以第二速度N2旋轉(zhuǎn)，其中N2＝n×N1，且n為大于1的整數(shù)。
2. 如權(quán)利要求
1所述的電機，其中所述驅(qū)動裝置包括固定到所述輸出 軸上的第一齒輪和固定到換向器軸上且與第一齒輪嚙合的第二齒輪。
3. 如權(quán)利要求
1所述的電機，其中所述驅(qū)動裝置包括固定到所述輸出 軸上的第一齒輪、固定到換向器軸上的第二齒輪和從第一齒輪向第二齒輪 傳遞旋轉(zhuǎn)運動的鏈條或齒帶。
4. 如權(quán)利要求
3所述的電機，進一步包括與所述鏈條或齒帶接合的惰輥。
5. 如權(quán)利要求
1所述的電機，其中所述驅(qū)動裝置包括連接到所述換向 器的軸的電動機，并且所述電動機被設置為以第二速度N2運轉(zhuǎn)。
6. 如權(quán)利要求
5所述的電機，其中所述電動機是機械換向直流電機、 永磁直流電機或無刷直流電機中的一種。
7. 如前述任一項權(quán)利要求
所述的電機，其中所述電機是同步直流電機、 異步交流電機或同步交流磁阻電機中的一種。
8. 如前述任一權(quán)利要求
所述的電機，進一步包括用于調(diào)節(jié)速度、增強換向或影響相位超前中的一個或多個的電子斬波器。
9. 一種旋轉(zhuǎn)電機，包括 殼體，輸出軸，其可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述殼體內(nèi)，用于以第一速度N1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子，其固定到所述軸上，并提供磁場， 環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子設置的定子繞組，用于選擇性地允許電流在交變的方向上通過繞組的旋轉(zhuǎn)換向器，驅(qū)動裝置，其用于使換向器以第二速度N2旋轉(zhuǎn)，其中N2二nXNl， 且n為整數(shù)，整流器，用于選擇性地允許電流在交變的方向上通過繞組， 連接到所述旋轉(zhuǎn)換向器和所述整流器的開關(guān)，其用于選擇是所述旋轉(zhuǎn) 換向器還是所述整流器允許電流通過所述繞組。
10. 如權(quán)利要求
9所述的電機，其中所述開關(guān)還連接到所述繞組。
11. 如權(quán)利要求
9所述的電機，其中n為大于1的整數(shù)。
12. 如權(quán)利要求
9所述的電機，其中所述電機為機動車的交流發(fā)電機。
13. —種根據(jù)參考附圖2至5，或圖6和7的電機。
專利摘要
一種旋轉(zhuǎn)電機(30)，其具有殼體，可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體內(nèi)并以第一速度N1旋轉(zhuǎn)的輸出軸，固定到所述軸上并提供磁場的轉(zhuǎn)子，環(huán)繞轉(zhuǎn)子設置的定子繞組，和用于允許電流在交變的方向上通過繞組的旋轉(zhuǎn)換向器(31)。驅(qū)動裝置(24，25，26)驅(qū)動換向器(31)以第二速度N2旋轉(zhuǎn)，其中N2＝n×N1，且n為大于1的整數(shù)。
文檔編號H02K13/00GKCN101156300SQ200580048169
公開日2008年4月2日 申請日期2005年12月16日
發(fā)明者托尼·馬爾唐尼-科爾斯頓, 托馬斯·馬洪·肖 申請人:杜芬電氣股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan