專利名稱：電子換向磁阻電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為具有繞組式磁軛的新型直流電動機，其中，驅(qū)動電動機的旋轉(zhuǎn)磁場由磁軛繞組的電子換向所產(chǎn)生。
與眾多電子換向電動機不同，本發(fā)明的電動機不需要用以產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩的永磁鐵，因此本發(fā)明的電動機比一般的同類電動機的制造費用更低。
這種電動機例如可從英國Messrs.Tasc傳動設(shè)備有限公司的說明書中了解到。這種電動機有8個定子極，以及在該定子內(nèi)轉(zhuǎn)動的一個6極轉(zhuǎn)子。對轉(zhuǎn)子勵磁的磁通經(jīng)兩個相對安放的極，穿過定子圓周的一半及轉(zhuǎn)子直徑，它因此在相當大的長度上是穿過無繞組鐵軛，只是造成了損耗。
DOS 2953032/79的

圖1示出的一種電動機具有3個相互絕緣的繞組式定子軛。由于由它們按相互分開120°布置，并非對置，因此有大的徑向力作用在轉(zhuǎn)子上，導(dǎo)致軸承過早地磨損。
本發(fā)明的技術(shù)問題是要給出如何制造一些不同型式的電子換向電動機的幾種可能性，并且提供關(guān)于磁路及換向回路的通用解決辦法，以達到制造低耗、低成本及重量輕的電動機的目的。
技術(shù)問題的解決在獨立權(quán)利要求中講述，而制造的細節(jié)在從屬權(quán)利要求或圖示中講述。
下面是一些一般理論考慮長時期來，相應(yīng)于本發(fā)明的電子換向磁阻電動機被認為不如永磁鐵勵磁的電動機優(yōu)越，這是由于磁軛磁化能不是來自永磁體，而是每當電磁極要吸引轉(zhuǎn)子極時，該能量必須以電的形式供給。根據(jù)本發(fā)明的講述，該能量周期性恢復(fù)并傳輸?shù)浇又鹱饔玫能棧湓蛟谟谝粋€軛11Y的去磁能量產(chǎn)生的自感應(yīng)電壓Ua以預(yù)磁能的形式傳輸?shù)胶竺娴能?1X。由于這一點，實現(xiàn)了節(jié)能(高效率)并在轉(zhuǎn)子的極離開剛被斷開的極而接近的軛中迅速提高磁通。
為了供更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)定義了圖的參考編號的編號體制，其中參考編號的開始的數(shù)字說明標示零部件所屬的組別詳細做法如下-產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩的電動電路的零件標記開始的數(shù)字為1；-電動機繞組的控制電路的零件標記的開始數(shù)字為2；-用于檢測轉(zhuǎn)子極相對于電磁勵磁電路極的位置的電路的零件標記的開始數(shù)字為3；-使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到起始位置的磁路的零件(不是所有的型式的電機都有)標記的開始數(shù)字為4。
原則上講，所有這些組成部件在許多現(xiàn)有技術(shù)的不同形式中都有，并且僅是在經(jīng)過有效組合，使它們與磁動回路(鐵軛和繞組)相互作用而取得主要的新奇特點這個意義上說組成本發(fā)明的主題。驅(qū)動磁路的特點是，在線繞磁軛的一側(cè)(并盡可能在轉(zhuǎn)子一側(cè))，采用了盡可能短的磁路(理解為磁力線)。至少線繞磁軛的磁路的50％長度位于有電流流過的繞組內(nèi)部，從而有利于提高勵磁通量。在最理想的情況下，可能出現(xiàn)繞組占軛11的90％長度。線繞軛(或多個軛)相對轉(zhuǎn)子對稱布置，因此，不產(chǎn)生徑向磁力，只產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個電動機的總視圖，作為一個非限制性的實施例。該電動機磁路由兩個水平U形磁軛11X及兩個垂直磁軛11Y組成，在這種情況下，4個軛是相同的。每個軛各有兩個極111，它們都指向轉(zhuǎn)子，并且當電流經(jīng)過主繞組112或經(jīng)過次繞組113時，呈現(xiàn)南北極性。
因此，有8個極組成一個圓的圓周各部分，圍在軸向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子周圍。轉(zhuǎn)子有6個極121，它們由一個小的氣隙與外面的極111隔開，并組成一個大體與極111的表面對應(yīng)的表面，其寬度則大體上與軛11的兩個腿的開口相對應(yīng)。
從圖1可以推斷，當4個轉(zhuǎn)子極121與垂直軛111Y的4個極111對置時，則其余外部水平極111X位于與極121的極空隙122對置。轉(zhuǎn)子極121由一個公共的轉(zhuǎn)子軛123互聯(lián)，因此，這些部件僅是轉(zhuǎn)子12的疊片組件，它由沖壓的帶有缺口的圓形電磁金屬片組成。這些部件借助一個彈性部件53裝在轉(zhuǎn)子軸52上。這個部件例如可以是用有彈性的塑料制成，它的作用是減弱轉(zhuǎn)子的振動或者減輕其重量。如果轉(zhuǎn)子疊片12的中心孔直接壓到轉(zhuǎn)子軸52上，該構(gòu)件53可以被省去。
線繞軛11可以由U形金屬疊片形成，疊片的厚度根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速(換向頻率)選擇。
軛11疊片的厚度及轉(zhuǎn)子疊片的厚度的標準值由0.1mm到1mm，其中薄層片適合于高轉(zhuǎn)速(50,000轉(zhuǎn)/分鐘)，厚層片用于大約情況為500-1000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速。
對于線繞軛11和轉(zhuǎn)子12的最便宜的材料，推薦采用(用于變壓器的)硅鋼片。對于線繞軛11也可以用具有從優(yōu)取向的晶粒定向硅鋼片，形式為沖出的U形薄片(在此情況下，從優(yōu)方向平行于U形結(jié)構(gòu)的兩個腿)。或為磨光的截割鐵芯(同具有繞帶截剖面的帶變壓器的情況)。但是這種辦法更貴。在任何情況下，軛的斷面是長方形的，當用較粗的導(dǎo)線纏繞時(大約1mm2的截面積)，可能出現(xiàn)問題。
在一個特殊實施例中，薄疊片間的絕緣層有彈性，它可以減弱磁致伸縮振動或可用以封閉疊片包。繞組被滑動地裝到U形軛上(該U形軛最好是預(yù)加工好的)，每個軛至少有一個主繞組。這些繞組可以是用漆包絕緣線，用通常的辦法制成，用或不用線圈架(用自粘結(jié)導(dǎo)線)，見圖2。在一個普通繞組中，次繞組113用較細導(dǎo)線制成，可以在線圈架114上繞于主繞組112下面。但是，根據(jù)本發(fā)明，采用了帶式繞組，更準確地說采用的是絕緣的或無絕緣的銅或鋁帶。當用后者時，主繞組帶與絕緣膜115(如用聚脂膜)的一面相貼，該絕緣膜比導(dǎo)電帶寬一些，因此可以避免金屬繞組帶繞成的螺旋狀的邊緣間的短路，見圖3。
一個特別好的辦法是同時制作主繞組112及具有較小斷面的次繞組113。在這種情況下，繞組帶的厚度相同，但寬度不同，它們被隔開一合適的距離，平行地繞在相同的足夠?qū)挼慕^緣膜115上。由于制作這些繞組的技術(shù)來源于制作電容器和變壓器，因此，我們不講述有關(guān)制作這些連接結(jié)構(gòu)及無線圈架線圈固定的任何細節(jié)。圖2和圖3所示的兩個繞組滑動地插到軛111的兩個腿上，并可根據(jù)要求連結(jié)起來。這樣，馬達磁路1由各帶兩個鐵芯11X和11Y的線繞軛11、8個主繞組112，并且還可能有8個次繞組113，以及轉(zhuǎn)子12組成。
當單獨來看一個軛11及二個轉(zhuǎn)子極121，及軛123的連接這些極的部分，且電流通過這兩個繞組112時，產(chǎn)生對應(yīng)于圖1中虛線的磁通，因此，這個磁路類似于一個電動剃刀的搖動電動機磁路。
當轉(zhuǎn)子的極121不面對外部磁軛的極111X(見圖1)，并且當軛11X靜止時，由于電流流過，極111X將吸引轉(zhuǎn)子極122，產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)大約30°。為了使這些離散的30°運動變?yōu)檫B續(xù)轉(zhuǎn)動，必須實現(xiàn)在X軸和Y軸方向繞線的軛按相應(yīng)順序通電，該順序由轉(zhuǎn)子位置檢測電路3及電子控制電路2來調(diào)整，并且轉(zhuǎn)換為繞組控制信號。
轉(zhuǎn)子位置檢測電路3在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30°后給X軸的繞組發(fā)出斷開信號，而給Y軸的繞組發(fā)出接通信號，它由一個多極磁盤32組成，如圖4所示，該磁盤有6對板，并裝在轉(zhuǎn)子上，磁盤在一個靜止的霍爾傳感器31前轉(zhuǎn)動，為了找到一個最佳工作點，該傳感器的位置可以適應(yīng)功率控制或適應(yīng)轉(zhuǎn)動的變化。當磁盤32的極在霍爾傳感器31(帶有數(shù)字輸出)前連續(xù)移動時，則隨轉(zhuǎn)子的位置而定，在傳感器輸出端出現(xiàn)一個邏輯信號“低”或“高”，見圖5。
繞組112和113的控制電路2主要由兩個功率晶體(最好是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET)21X、21Y，它們與主繞組112X或112Y，電機外面的電源相串聯(lián)，見圖6。繞組112或113X(或Y)位于對置的軛上，可根據(jù)電機工作電壓電平，串聯(lián)或并聯(lián)。
晶體管21X和21Y由轉(zhuǎn)子位置檢測電路3的一個簡單電子電路作推挽模式控制，因此，當霍爾傳感器的輸出是“高”時，晶體管21X導(dǎo)通，當霍爾傳感器31的輸出指示“低”時，晶體管21Y導(dǎo)通。水平繞線的軛11X或垂直軛11Y順序被磁化，以在極111上產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場。
晶體管21X、21Y的漏極與繞組112X及112Y的連接點上的正電壓(與0＝負比較)在圖7中用連續(xù)線畫出。通過主繞組112的電流由于電感繞組的影響有圖7中虛線表示的變化過程。因此，在初始相位電流緩慢上升，有效驅(qū)動磁通也以類似的形式上升。當繞組斷開以后，在該繞組上產(chǎn)生一個比電動機額定電壓Un高很多的電壓Ua，它形成損耗的能量，并可導(dǎo)致晶體管21損壞。這個自感電壓Ua如果加到即將接通的繞組上，則可以被轉(zhuǎn)換為有用的能量。
從圖6a可以很清楚，這時必須借助一個耦合二極管22，當繞組112X被切斷時，產(chǎn)生一個正的過電壓，該二極管將該電壓供到繞組112Y上(或反之)。去耦合二極管23用來防止自感電壓Ua供到電壓源的正極。但是，這個電路有一個缺點，即自感電壓Ua的電路由晶體管21或電流源來閉合。如果用位于同一軛11上的次級繞組，可以避免這一缺點，見圖6b。自感電壓Ua在主繞組112X中產(chǎn)生(作為源)，并供到作為接受者的垂直軛次繞組113Y。因此，借助主繞組112X的自感過電壓Ua，在次繞組113Y中產(chǎn)生一個有用電流，并因此在該繞組所纏繞的軛11Y中產(chǎn)生磁通。在次繞組113Y產(chǎn)生電流的同時，額定電壓UN送到主繞組112Y，因為在阻斷晶體管21X的同時，晶體管21Y導(dǎo)通。在次繞組113Y中快速升高的瞬態(tài)電流的作用與主繞組112Y中的持續(xù)比較長，但升高較慢的電流相加，這樣導(dǎo)致通過垂直軛的磁通比較快地增加，從而，增強激勵效果。重復(fù)上述的動作，可使轉(zhuǎn)子12連續(xù)轉(zhuǎn)動，因此，當每對軛收到6個控制脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一整周。最佳切換點可以通過改變霍爾傳感器31相對于軛11的位置來實現(xiàn)。
電動機的磁性元件和電氣元件可以固定在由塑料材料或適當?shù)姆谴判越饘倌ｈT的機架5上，見圖1和圖8。這個機架可以制成很不相同的形式，但是它主要應(yīng)具有凹槽來安裝軛11以及電動機軸的軸承54。
機架5用作冷卻器，通常它也可裝上功率晶體管21、二極管22和23以及其它機械和電氣元件(底盤、霍爾傳感器等)。功率晶體管21柵極觸發(fā)所需要的較高電壓可以由自感電壓Ua峰值的積分而取得。
為了能較好地理解，我們將從圖1a開始，它是圖1的放大詳圖。圖1和圖1a將與圖6c聯(lián)系起來考慮。圖6c是圖6b的改進的詳圖。
根據(jù)圖1，當4個轉(zhuǎn)子極近似與極111Y相重合時，其相關(guān)主繞組112Y被斷開，導(dǎo)致立即出現(xiàn)高的自感電壓Ua。該電壓被送到次繞組113X，同時主繞組112X由電源供電。屬于這些繞組的4個極111X被很快磁化，從而能夠吸引四個轉(zhuǎn)子極121，其中的兩個剛剛從斷開的軛11Y的兩個相應(yīng)的極離開。發(fā)生這一情況的先決條件是111X銳角尖端位于極111Y的相應(yīng)尖端附近，因為否則水平軛的極111X的磁化強度就不能在合適的時間對轉(zhuǎn)子極施加吸引作用，因此繞組112X和113X中的電流將平穩(wěn)升高，但沒有任何有用的作用。
為了用圖解說明這些因素的重要性，在圖1a中，極111X和111Y的外角之間的用角“U”表示的距離比圖1中所示距離減小了。這個距離必須根據(jù)有關(guān)電動機的機電參數(shù)進行優(yōu)化，它至少為軛11和轉(zhuǎn)子12之間空隙的3至4倍，以避免由于軛11X和11Y的直接接觸而發(fā)生磁損耗。軛11的先后安裝以及轉(zhuǎn)子與固定支架的連接最好在繞組和轉(zhuǎn)子之間的區(qū)域內(nèi)進行，在那里振動水平低。
圖6c圖示出一個運轉(zhuǎn)的電動機的完整電路圖，其中繞組112和113旁的點線表示它們的起端，112X例如表示軛11X的可以串聯(lián)或并聯(lián)的4個主繞組。
這里只需要2個耦合二極管22，將自感電壓Ua送到次繞組113的起端。二極管24把峰值電壓Ua傳送到電容器25。該電容器在啟動電動機后，用高于供電電壓Ubat的電壓充電，并且保證晶體管21Y、21X的柵極控制電路的供電。該電壓由齊納二極管26限制。當開關(guān)27閉合時，霍爾傳感器31通電，霍爾傳感器的數(shù)字輸出連接到晶體管21Y的柵極，邏輯信號“高”或“低”出現(xiàn)，它決定于在霍爾傳感器31前出現(xiàn)的多極磁盤32的是北極還是南極。這個邏輯信號也加到信號轉(zhuǎn)換晶體管28，該晶體管在信號“高”出現(xiàn)在晶體管21Y的柵極時，將“低”信號加到晶體管21X的柵極。在霍爾傳感器31上面的箭頭指出該傳感器相對其支架來講是可移動的。因此可以改變當多極磁盤32轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的邏輯信號的相位。也可以通過改變供電電壓而不改變控制信號的相位而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)動速度的控制。也可以由改變晶體管21的電阻，從而控制柵極電壓，來改變轉(zhuǎn)動速度。但是這種控制是不利的，因為它引起電歐姆損耗，損壞晶體管，因此僅用于低功率的情況。一種兩步控制方法可以由增加電動機的歐姆電阻來實現(xiàn)。如圖6d所示，例如將并聯(lián)繞組的一半分開。在要求電動機滿輸出時，要同時控制通過晶體管21、21’并聯(lián)的繞組112、112’。如果希望輸出減小，晶體管21’不再被觸發(fā)，繞組112’保持不運行。因此，電動機以較高損耗和減小的輸出運行。圖6e給出更廣泛的輸出控制的改進型式。
另外兩個半導(dǎo)體模塊(這里指雙極晶體管)被加到電動機的控制電路中，它們起著穩(wěn)流二極管的作用，使繞組產(chǎn)生的自感電壓復(fù)原，但是這一次是可控的。圖5b示出與轉(zhuǎn)子角有關(guān)地使自感電壓Ua返回的晶體管21和晶體管211的控制信號。在圖5b的橫座標上，給出霍爾傳感器的輸出信號，它對應(yīng)轉(zhuǎn)子角30°，并且具有同加到晶體管211Y基板的電流脈沖相同的持續(xù)時間。加到MOFSET晶體管21Y上用以控制輸出的正電壓脈沖的持續(xù)時間在下面的橫座標以兩個變化形式給出，圖中只有在滿負荷時，這個持續(xù)時間才達到30°。在第一種變化形式A中，晶體管21和211同時導(dǎo)通，它發(fā)生在霍爾傳感器的輸出邏輯信號由“低”變?yōu)椤案摺睍r。在負荷不滿的情況下，在霍爾傳感器再次切換到“低”以前，即在轉(zhuǎn)子完成30°角轉(zhuǎn)動以前，晶體管21Y不導(dǎo)通。晶體管21的阻斷例如也可以發(fā)生在達到電流極限值或極限轉(zhuǎn)速(換向頻率)時。當發(fā)生這種情況時，自感電壓Ua不馬上加到次繞組113X，這是由于晶體管211Y把這一電壓傳導(dǎo)到供電電壓Ubat的正連接線。連續(xù)吸引轉(zhuǎn)子極121的軛11Y的去磁因而被限制。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)的角達到30°時，即當晶體管211Y的基極電流停止，并且霍爾傳感器31的輸出呈現(xiàn)邏輯電平“低”，剩余電流停止通過晶體管211Y，自感電壓Ua被加到次繞組113X。同樣地，但是在轉(zhuǎn)子角移過30°例如為30-60°而不是0-30°時，在Y軸上發(fā)生的這種情況同樣在水平軛11X重復(fù)發(fā)生，即晶體管21X和211X變?yōu)閷?dǎo)通，這是由于霍爾傳感器輸出端的邏輯信號變?yōu)椤暗汀倍皇恰案摺?。因此，利用這種形式的控制，在可變角度最大達30°情況下以與轉(zhuǎn)子角相關(guān)的方式，實現(xiàn)晶體管21X、211X的控制，所以不是象不可控電機那樣為一個固定的30°孔徑角。
利用這種改變晶體管21的斷開時間的方法，電機電源及電動機輸出得到控制。按照圖5b中描述的變化形式B，在一個30°轉(zhuǎn)子角內(nèi)，通過晶體管21X、21Y的重復(fù)電流導(dǎo)通達到同樣的效果。這是用晶體管21控制信號的一個合適的頻率作脈沖寬度調(diào)制(L＝脈沖，l＝間隔)，達到的。晶體管21Y的電流導(dǎo)通時間用一個粗線表示，晶體管21X的電流導(dǎo)通時間用虛線表示。盡可能將所有電動機電子元部件集成在一個電路板上是有利的。
圖1和圖8中可看到的軛11的安裝(由于轉(zhuǎn)子和線繞軛之間的狹空氣隙)是重要和嚴格的。在此看得很清楚，軛11的兩側(cè)(如果可能，在距軸的兩個不同距離上)具有凹槽或半圓形的高出部116，它們可通過合適的配合件55，匹配地(垂直于圖面)插入。這些配合件構(gòu)成與前述凹槽116相反的形狀，并且是在底盤57上安裝的附件56的一個組成部分。
這些軛因此可以可靠地作徑向安裝，保證相對于轉(zhuǎn)子12的距離相同(恒定空氣隙)。軸承蓋58及反軸承(Gegenlager)54’在軸向和徑向固定到機架5上，保持軛11就位，在軸向不能移動，有了這些元部件，電動機就可以運轉(zhuǎn)了。
運行模式當電動機連到具有電壓Un的電流源時，由于在霍爾傳感器31的輸出端將有一個信號水平“高”或“低”，電子電路2將把控制電壓加到晶體管21之一的柵極上，例如加到21Y上。主繞組112Y被通電，并且將轉(zhuǎn)子12從圖1中所示的初始位置，通過轉(zhuǎn)30°到極111X與121相對的一個位置。結(jié)果是，它從相對于Y軸的極的相對位置，來到一個相同的位置，但這是相對于X軸的。在到達這一位置以前，轉(zhuǎn)子位置傳感器3改變霍爾傳感器31的輸出端的邏輯電平，使晶體管21X導(dǎo)通，而晶體管21Y阻塞。上述運行重復(fù)進行，使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動并且在每對晶體管(X和Y)收到6個電流脈沖以后，相對于繞組軛11完成了一整圈轉(zhuǎn)動。晶體管21的柵極連線連到負線，但不把電動機從電壓源斷開，可以停止或啟動該電動機。如果霍爾傳感器31是數(shù)字型的，邏輯輸出信號的改變總是發(fā)生在轉(zhuǎn)子極21相對于軛11的極111的相同相對角時，該位置定為角度零。為了控制輸出功率或轉(zhuǎn)動速度，可能需要改變這個角度，如改變±5°。這可以通過用機械方法改變霍爾傳感器的位置，或借助一個外部磁場來影響它的切換點來達到。外部磁場(通過相移)改變多極磁盤32的交變磁場。
如果采用模擬霍爾傳感器，這時在傳感器輸出端產(chǎn)生一個正弦信號代替圖5中的方波信號。在這種情況下，當選擇正弦曲線上任何一個點作觸發(fā)換向的切換電壓電平時，轉(zhuǎn)換點可以相對于零隨機改變。
如前所述，這個正弦曲線也可以移相，因此，在這種情況下有兩種可能影響換向角。所提到的磁場的影響可借助于一個繞組或一個永磁鐵達到。它們裝在霍爾傳感器附近。在這種情況下，通過繞組的電流總是恒定的。要改變轉(zhuǎn)動，可以改變圖5的邏輯信號，使晶體管21X在霍爾傳感器的邏輯信號為“高”時導(dǎo)通，而不是在“低”時導(dǎo)通；或者由可轉(zhuǎn)換到與前者比較有角位移的另一個霍爾傳感器。
這里所示不同形式的無刷電動機，如果對電氣部件加以保護，例如埋入合成樹脂中便能浸入一種液體中運行，例如在燃料油中運轉(zhuǎn)。也可用這些電動機實現(xiàn)沒有任何空氣隙密封的簡單的泵。在這種情況下，整個電動機被放到一個加壓的泵殼中。這種型式的電動機特別適合于驅(qū)動風(fēng)扇和泵，尤其適用于電動機轉(zhuǎn)子以及泵的轉(zhuǎn)子帶有液體轉(zhuǎn)動的場合，見圖8。在這種情況下，必須使轉(zhuǎn)子腔對繞組或外部空間密封。這里的主要問題是密封圓筒形的空氣隙，因為該氣隙的徑向尺寸的數(shù)量級為0.1毫米。
本發(fā)明借助于一種薄的，非磁性材料的圓筒形殼(塑料或用在液體狀況下的聚合物材料)，或具有特殊電、磁特性的專門的鋼解決這個問題。這些特殊電、磁特性例如可以從濕式異步電動泵的空氣隙管得知。該圓筒形件自己不能承受壓力；但是，它由外面的極111支撐，或靠在所述極之間的填充材料511部分支撐。這樣，壓力僅作用在圓筒形殼512對應(yīng)于極111和填料部分511之間縫隙的不大于零點幾毫米的面積上。當這樣小的面積上承受到壓力時，甚至于一個薄片(0.1毫米)也可以承受幾十巴的壓力。
如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的方法組裝電動機和泵，可以按照下面的詳細敘述進行。
軛11從外面(從左側(cè))裝到機架5上(機架用塑料或金屬制成)，并且通過保持環(huán)或保持蓋59裝配。前面談到的圓筒形轉(zhuǎn)子腔的空間用例如聚合清漆、環(huán)氧樹脂等密封。帶有固定到左側(cè)的多極磁盤32的轉(zhuǎn)子12與其鎖定嚙合的泵轉(zhuǎn)子62一起，裝到電動機的軸12上；電動機軸12不必傳送有效電動機轉(zhuǎn)矩。裝配以蓋上泵的蓋63而告結(jié)束，它也把軸承螺栓61’定中。已知關(guān)于泵的制造就不在這里討論了，只是用箭頭指出泵出的液體流動方向。霍爾傳感器31位于泵的(干的)外部空間，并且用磁場可以透過的抗壓薄壁與磁盤32隔開，磁盤位于“濕”轉(zhuǎn)子空間中。
電動機或泵的軸52是由例如陶瓷管制造，其管孔供軸承螺栓54’和61’用。降低噪音的發(fā)生是通風(fēng)口和鼓風(fēng)機的主要問題之一，并且有時噪音是由傳送到支架的轉(zhuǎn)矩的波動產(chǎn)生的。為了消除這些缺點，可根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)電動機鼓風(fēng)機的一種特殊變化形式，其具有的兩個轉(zhuǎn)子以相反的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動，因此電動機就沒有能把力矩所致振動傳送到支架上的固定部件。根據(jù)圖10，帶繞組112、113的軛11以及連帶的電子元部件裝到支架5上，這里，支架也連接到一個轉(zhuǎn)軸52，該轉(zhuǎn)軸最好有一個軸向孔。扇葉64同樣固定到該支架上，當支架5向右轉(zhuǎn)時，這些扇葉從右向左鼓風(fēng)。在軸52的兩端有軸承541或542。在左側(cè)，這次軛與支架5不同，不裝在軸承蓋上，而裝在一個保持環(huán)59上，轉(zhuǎn)子12穿過該環(huán)。轉(zhuǎn)子12帶有扇葉641，當轉(zhuǎn)子向左轉(zhuǎn)時，扇葉從右向左鼓風(fēng)。轉(zhuǎn)子借助于軸承543在軸52上自由轉(zhuǎn)動，不發(fā)生軸向移動。在軸52的內(nèi)部，在一個絕緣管中，裝有兩個連到電動機引線的相互絕緣的刷521+、521-，它們由彈簧522向外推。這些刷子與兩根固定的引線+、-相接觸。引線與電源Ubat相連，將該電壓傳到旋轉(zhuǎn)的電刷521+和521-。軸承541和542裝在支架S上。
運行模式當電動機接收到電流，帶有風(fēng)扇葉641的轉(zhuǎn)子12及與軛11、支架5及葉片64裝配在一起的外部轉(zhuǎn)子組件開始作方向相反的轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)子向左轉(zhuǎn)、外部轉(zhuǎn)子組件向右轉(zhuǎn))，并且旋轉(zhuǎn)速度為+V、-V，因此，轉(zhuǎn)子與外部轉(zhuǎn)子組件之間的絕對轉(zhuǎn)動速度為2V。這兩個相反方向轉(zhuǎn)動的部件的旋轉(zhuǎn)速度將增加到裝在兩個轉(zhuǎn)子上的葉片受到的空氣阻力準確地等于電動機的轉(zhuǎn)矩。這個有兩個相反方向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的鼓風(fēng)機具有以相對低的轉(zhuǎn)速的二級鼓風(fēng)機的形式作用的優(yōu)點，因此噪聲電平低。但是對于該電動機，兩個相反方向轉(zhuǎn)動部分之間的設(shè)計轉(zhuǎn)速(相對轉(zhuǎn)速)將為2V。
與具有同樣輸出的常規(guī)單級鼓風(fēng)機比較，其優(yōu)點是明顯的-沒有反作用轉(zhuǎn)矩，因此沒有旋轉(zhuǎn)振動傳到支架S；
-該電動機設(shè)計成一雙倍轉(zhuǎn)速，具有同樣輸出，因而顯著小和輕。
借助于這個原理，有可能代替軸向鼓風(fēng)機而用帶有徑向風(fēng)扇的兩個相反方向鼓風(fēng)機，因此在這種情況下軸向力得到補償。如果想爭取對這些電動機輸出的控制，必須從外部對與外部轉(zhuǎn)子組件11、5一起轉(zhuǎn)動的晶體管21施加作用。可以用現(xiàn)有技術(shù)中的合適的電子裝置從外部不使用電連接而例如以磁的形式，利用發(fā)射繞組和一個接收器，或以光學(xué)辦法，來接收控制信號。這種形式的電動機(或這種類型的泵)工作原理簡單，即基于由電磁極連續(xù)吸引轉(zhuǎn)子極，也可以用不同數(shù)量的軛來達到，例如6或8個，而不是4個，同時相應(yīng)地增加轉(zhuǎn)子的極。也可以用多相辦法達到，例如用了相R、S、T，它們等距布置，因此是以120°電角度布置，而不是以迄今的180°布置。
當轉(zhuǎn)子極或電磁極裝配方便時，也可以用其腿軸向布置而不是切向布置的“U”型軛。在這種電動機中，也可以不需要轉(zhuǎn)子位置傳感器；但這表示必須根據(jù)下列原理采用復(fù)雜一些的電子啟動和運行程序-在啟動電動機以前，電信號被送入繞組，該信號隨繞組電感的大小而變，前者依賴于轉(zhuǎn)子的位置，因為它引起受到影響的軛的磁路的磁阻(導(dǎo)磁率)。
-一電子邏輯電路比較這些修正過的信號，并由此來確定轉(zhuǎn)子位置，使在該電路的輸出端出現(xiàn)晶體管21X或21Y的控制信號。
-與導(dǎo)通的晶體管串聯(lián)的繞組被觸發(fā)，并使感應(yīng)激磁的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
-當如此被激磁的轉(zhuǎn)子極接近無電流軛極時，在該極中感生一個電壓，該電壓由對該繞組(相)供給額定電壓的一個電路來估計，使轉(zhuǎn)子可繼續(xù)被吸引。這些動作重復(fù)進行，使得轉(zhuǎn)子如同是在一個轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器的控制下轉(zhuǎn)動。
一旦電動機開始轉(zhuǎn)動，也有其它的一些自動控制換向的可能性存在，例如當通過該繞組的電流超過最大值或預(yù)先定值時，斷開繞組；當在電動機正常運行的過程中達到這樣一個值時，表明轉(zhuǎn)子極121已經(jīng)被屬于該繞組的極111吸引。
斷開一個繞組(例如112X)，便將通過電子邏輯電路接通下一繞組，如112Y(可能在預(yù)定延時以后)。軛對X-Y，X-Y，或R-S-T，R-S-T…(有3個(或更多)相存在)的連鎖循環(huán)控制，如果可以由轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器來控制，或者與電動機參數(shù)(電流、感應(yīng)電壓)相關(guān)地加以控制。這個循環(huán)控制在一些情況下可以從外部加強，此時電動機以外部預(yù)定的轉(zhuǎn)速運行。在這種情況下，晶體管21X、21Y由電動機外面的一個發(fā)生器產(chǎn)生的信號來控制。對于這種形式的控制，用一個異步電動機(鼠籠轉(zhuǎn)子)而不用圖1中所述的電動機是有利的。考慮到同樣的電磁準則，這種型式的電動機也可以用放在一個杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)部的軛來達到。
本發(fā)明的電動機的一種比較簡單的改型示于圖9。該電機只有兩個對置的線繞軛11和一個與這些軛的繞組串聯(lián)的功率晶體管21，并且僅有4個轉(zhuǎn)子極121。電路對應(yīng)圖6a，但是沒有軸“X”的元部件(軛11X，繞組112X、晶體管21X)。二極管22和23不再需要。該電動機的轉(zhuǎn)子有2或4個轉(zhuǎn)子定位磁體4，它們把轉(zhuǎn)子移到啟動位置。啟動位置對應(yīng)于晶體管21的當前的導(dǎo)通相或?qū)?yīng)于轉(zhuǎn)子極121不與軛11的極111重合的轉(zhuǎn)子位置。這些磁體為了檢測轉(zhuǎn)子位置也可以觸發(fā)霍爾傳感器31，并且具有比較小的尺寸，因此其作用力與施加在轉(zhuǎn)子12上的電磁力相比是很小的。
工作模式由于定位磁體4在軛11的極的下面被吸引，故轉(zhuǎn)子取上一節(jié)所述的位置，晶體管導(dǎo)通，軛11的極111被激磁并吸引離它最近的轉(zhuǎn)子極121。當轉(zhuǎn)子極121幾乎與外部極111相重合時，磁體4之一將在霍爾傳感器31前通過，并且改變傳感器的邏輯狀態(tài)，因此，繞組變?yōu)槿ゴ?。轉(zhuǎn)子繼續(xù)在慣性影響下運動，直到轉(zhuǎn)子極121相對軛11的極的相對位置對應(yīng)于啟始位置。在到達這一位置的過程中，另一個磁體4將在霍爾傳感器31前通過，并且改變傳感器的邏輯狀態(tài)，使上述運行重復(fù)進行，并使電動機運轉(zhuǎn)。如果把問題進一步簡化，可以制造一臺與圖9類似的電動機，但只有一個線繞U型軛，在其加長的U型腿之間有一些環(huán)形段，起極111的作用，具有兩個極的轉(zhuǎn)子121在其之間轉(zhuǎn)動，而轉(zhuǎn)子121每轉(zhuǎn)一周間斷地以對應(yīng)兩個電流脈沖的大約90°的有效轉(zhuǎn)矩角起動兩次。特別是對于較高電壓級的電動機，可以不用MOFSET晶體管21而用其它半導(dǎo)體，如可控硅(也許是可由閘門電路斷開(GTO)的可控硅)，雙極晶體管等，同時用現(xiàn)有技術(shù)水平修改電子控制電路2。
權(quán)利要求
1.帶有產(chǎn)生脈動磁場的線繞磁軛的電子換向磁阻電動機，轉(zhuǎn)子在所述磁軛對面轉(zhuǎn)動，所述轉(zhuǎn)子的極被所述軛的極吸引，吸引用電子學(xué)方法實施，與所述轉(zhuǎn)子極相對于所述線繞軛的極的位置相關(guān)，其特征是，所述線繞軛(111)的極及所述轉(zhuǎn)子(121)的極成對地，徑向?qū)ΨQ地相對于電動機轉(zhuǎn)動軸(52)布置；軛(11)的繞組(112，113)具有的長度至少為軛(11)的磁作用長度的50％，并且至少有一個主繞組通過功率晶體管(21)與直流電源串聯(lián)，這里，可根據(jù)轉(zhuǎn)子極(121)相對于軛(11)的極(111)的位置控制所述晶體管。
2.電子換向直流電動機，其特征為，該電動機至少有2個在電動機旋轉(zhuǎn)方向上按角度布置的軛(11)，并且它所裝的繞組(112)、軛(11)借助于耦合二極管(22)相互傳送自感能量，該能量是在斷開繞組(112)中一個繞組的操作中該繞組從電源斷開時產(chǎn)生的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電動機，其特征是，在主繞組(112X)中產(chǎn)生的自感電壓被輸送到軛(11Y)的次繞組(113Y)，該軛(11Y)在功能上是在軛(11X)之后。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的電動機，其特征是，這種電動機有帶有繞組(112)的4個U型軛(11)，它們在一個圓周上形成8個磁極(111)，在它們中間有一個具有6個凸起的極(121)的轉(zhuǎn)子(12)在轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子極之間有非磁性氣隙(122)，轉(zhuǎn)子極(12)通過軛(123)互相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的電動機，其特征是，一相(Y)的磁化能向下一個起作用的相(X)的傳輸是與轉(zhuǎn)子極(121)從極(111Y)向下一個要起作用的極(111X)的轉(zhuǎn)換同步發(fā)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電動機，其特征是，選擇極(111Y)和(111X)的橫向端頭間的距離，以便使其非常小，但是不引起可歸因于此的任何明顯的磁場損耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的電動機，其特征是，軛(11Y)、(11X)共同安裝在繞組和轉(zhuǎn)子之間的區(qū)域內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一的電動機，其特征是磁部件(11)、(12)借助于剛性的非磁性機架(5)被相互定位，所述機架在極之間具有帶高出部(55)的中間塊(511)，它們與軛(11)的極(111)聯(lián)鎖嚙合，因此，在這些極(111)和轉(zhuǎn)子軸(52)之間以最短路徑建立了剛性機械連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電動機，其特征是，固定機架(5)還有其它功能元件，例如軸承支架(54)，底板(57)，泵的半外殼(51)，固定塊(56)等，固定機架可以用作多功能部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一的電動機，其特征是，電動機在封閉的加壓箱內(nèi)浸入液體中運行，電動機的元部件由選擇合適的材料保護，并且被包在一種可封裝或埋入的材料中，如合成樹脂。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一的電動機，其特征是，該電動機有從外面用薄殼(512)封閉的轉(zhuǎn)子空間，所述殼(512)由塑料，聚合物或合成橡膠層或具有合適的磁或電特性的合金構(gòu)成，在此情況下，該殼只在最小的中間表面面積上承受壓力的作用，因為它的最大部分表面積受到外部電極(111)或極之間非磁性填充物的支撐。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一的電動機泵，其特征是，電動機的轉(zhuǎn)子(12)直接與泵的轉(zhuǎn)子(62)耦合，這些部件被裝在一個軸(52)上，該軸最好用陶瓷材料制成，并且在軸承(54)之間轉(zhuǎn)動。
13.電子換向的電動機，其特征是，轉(zhuǎn)子(12)及外部轉(zhuǎn)子用支架(5)組裝，它們以相反方向轉(zhuǎn)動，并且在轉(zhuǎn)動過程中，產(chǎn)生一部分可用的電動機輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電動機，其特征是，電動機用于相反方向轉(zhuǎn)動的鼓風(fēng)機和泵，這里轉(zhuǎn)子及外部轉(zhuǎn)子組件(11，5)驅(qū)動液體位移部件(64，64’)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電動機，其特征是，支架(5)與一個轉(zhuǎn)動軸(52)是在一起的，軸可能有一個孔，并且在其兩端有用以傳輸電動機所需能量的刷(521+、521-)及軸承(541，542)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電動機，其特征是，具有移位部件(641)的內(nèi)部轉(zhuǎn)子(12)被橫向引入到外部轉(zhuǎn)子組件中(11，5，64)，并且通過軸承(543)與外部轉(zhuǎn)子組件做相反方向轉(zhuǎn)動。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電動機，其特征是，移位部件(64，641)是軸向、徑向或?qū)欠较虻霓D(zhuǎn)子。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電動機，其特征是，輸出功率控制從一固定部件出發(fā)，通過無電接觸的操作進行，例如通過光電裝置或電機的轉(zhuǎn)動的電部件的磁場。
19.根據(jù)權(quán)利要求1、8或9的電動機，其特征是，該電動機有1或2個線繞軛(111)，在該軛的內(nèi)部有一轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)子有2或4個凸出的極(121)，凸出極有輔助磁體(4)，用以預(yù)先設(shè)定轉(zhuǎn)子的起始位置，并用于觸發(fā)霍爾傳感器(31)，因而用于檢測轉(zhuǎn)子的位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19任一的電動機，其特征是，在轉(zhuǎn)子軸(52)和轉(zhuǎn)子(12)之間裝有一個彈性件(53)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20任一的電動機，其特征是，該電動機有可磁化部件(1)，它們用具有磁特性從優(yōu)取向的金屬片制成。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21任一的電動機，其特征是，采用金屬片疊片結(jié)構(gòu)，它們借助一種有彈性的絕緣粘合劑互相粘合，甚至密封。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22任一的電動機，其特征是，該電動機的繞組至少有一個用螺旋繞制的金屬帶(112、113)制成，這些繞組用絕緣薄箔或涂于該金屬帶上的漆層相互絕緣。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一的電動機，其特征是，電動機有一個多極磁盤(32)，它固定到轉(zhuǎn)子(12)上，磁盤在有數(shù)字或模擬輸出的霍爾傳感器(31)前面轉(zhuǎn)動。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至24任一的電動機，其特征是，用作觸發(fā)晶體管(21)柵極的高于電動機的額定電壓的電壓是從繞組(112，113)的自感電壓得到的。
26.根據(jù)權(quán)利要求1至25任一的電動機，其特征是，自感電壓(Ua)峰存儲在一個電容器(25)中，以得到晶體管(21)柵極的饋電電壓。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的電動機，其特征是，直接用位置檢測傳感器(31)輸出端上的邏輯信號來觸發(fā)晶體管(21Y)的柵極，并且通過借助晶體管(28)來改變邏輯電平的辦法間接觸發(fā)另一個功率晶體管(21X)。
28.根據(jù)權(quán)利要求1至27任一的電動機，其特征是，轉(zhuǎn)動方向的變化是由倒換霍爾傳感器(31)輸出端上邏輯信號的轉(zhuǎn)換，或者由切換與軛(11)有不同角位置的兩個霍爾傳感器(31)來實現(xiàn)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1至28任一的電動機，其特征是，電動機的輸出或轉(zhuǎn)速控制是由功率半導(dǎo)體(21)觸發(fā)信號的相移來實現(xiàn)的；其特點還在于這是由對霍爾傳感器(31)的作用來實現(xiàn)的，通過對其的移動或施加一磁場。
30.根據(jù)權(quán)利要求1至29任一的電動機，其特征是，電動機的輸出控制是通過改變控制半導(dǎo)體(21)的以角度表示的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)的。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的電動機，其特征是，輸出控制由改變晶體管(21)的控制脈沖的脈沖寬度(L)來實現(xiàn)，這些控制脈沖在位置檢測傳感器(31)的邏輯狀態(tài)的兩次改變之間出現(xiàn)一次或幾次。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的電動機，其特征是，半導(dǎo)體(21)通電中斷發(fā)生在達到電流或轉(zhuǎn)速極限值時。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的電動機，其特征是，在位置檢測傳感器(31)不改變其邏輯狀態(tài)期間，控制半導(dǎo)體(21)被斷開時產(chǎn)生的自感電壓Ua借助其它可控半導(dǎo)體(211)返回到原來產(chǎn)生的該電壓的主繞組(112)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的電動機，其特征是，在一相(X、Y)情況下控制半導(dǎo)體(21，211)同時導(dǎo)通，但是晶體管(211)的阻斷只發(fā)生在當位置檢測傳感器(31)輸出端的邏輯狀態(tài)變化時。
35.根據(jù)權(quán)利要求1至34任一的電動機，其特征是，主繞組(112)產(chǎn)生的自感電Ua在主繞組與控制半導(dǎo)體(21)的連接點抽頭，并經(jīng)耦合二極管(22)接通到次繞組(113)的起始端，次繞組的末端連到主繞組(112)的起始端。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的電動機，其特征是，該電動機的電子元件集裝到一個與線繞軛固定在一起的電路板上。
37.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一的電動機，其特征是，該電動機借助電子法轉(zhuǎn)子位置檢測和啟動作業(yè)進行控制，該作業(yè)基于識別與轉(zhuǎn)子有關(guān)的磁路(1)的導(dǎo)磁率，用邏輯比較法，考慮到半導(dǎo)體(21)柵極的相繼觸發(fā)，導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置。
38.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一的電動機，其特征是，繞組(112X)的斷接系根據(jù)其自身參數(shù)(如電流)或后續(xù)繞組(112Y)中的感生電壓實施，這里，該操作是根據(jù)一個電子程序控制的。
39.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一或38的電動機，其特征是，繞組(112X)的斷開借助于電子電路使后面接著起作用的繞組(112Y)延遲接通或立即接通，從而以這種方式實施電動機相位的周期性控制。
40.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一的電動機，其特征是，半導(dǎo)體(21)的控制是由一個電子電路用預(yù)定程序來實現(xiàn)的，不需確定轉(zhuǎn)子位置。
41.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一或38至40任一的電動機，其特征是，電動機選用帶有鼠籠繞組的異步轉(zhuǎn)子。
全文摘要
本發(fā)明公開的電機有可使其運行以非常簡單的電子電路實現(xiàn)的磁路。這種電路有4個U形軛(11，12)，構(gòu)成八個非均勻分布的極(111)，一元極轉(zhuǎn)子(2)在這些極之間旋轉(zhuǎn)。該電機通過兩個功率二極管(21)和一個霍爾傳感器(31)控制。主繞組(112)關(guān)閉時產(chǎn)生的去磁能量通過耦合二極管(22)傳輸?shù)较乱幌?Y)的次繞組(113Y)，作為預(yù)激磁能量。這種廉價、簡單、噪音低、適合于高轉(zhuǎn)速的電機可用于氣體和液體泵和鼓風(fēng)機。
文檔編號H02K19/10GK1161764SQ95195804
公開日1997年10月8日 申請日期1995年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月22日
發(fā)明者揚丘·倫古 申請人:揚丘·倫古