CN102801233A - 永磁电励磁混合直流电机 - Google Patents

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Abstract

本发明创造公开了一种永磁电励磁混合直流电机，包括机体(1)、定子铁芯(6)、转子铁芯(7)、转轴(4)，转轴(4)设置在机体(1)上，定子铁芯(6)上至少设有三组定子电枢绕组(3)，转子铁芯(7)表面至少设有一对磁钢(5)，所述转子铁芯(7)上绕有与磁钢(5)表面磁极相一致的转子励磁绕组(12)，转轴(4)上固定有集电环(10)，机体(1)上固定有电刷总成(9)，转子励磁绕组(12)与集电环(10)连接。所述的磁钢(5)上设有至少一个导磁孔(11)，转子铁芯(7)深入该导磁孔(11)内。采用本结构后，具有结构简单合理、工作稳定、爬坡能力好、节能环保、效率高等优点。

Description

永磁电励磁混合直流电机
技术领域
本发明创造涉及一种直流电机，特别是一种通过改变磁场调节输出扭矩的永磁电励磁混合直流电机。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，生活水平不断提高，能源紧缺及环境污染问题却是日益突出，电动汽车、电动三轮车和电动二轮车由于具有环保节能、操作简单方便、运行成本省，近几年得到快速发展，电动车无刷永磁直流电机供不应求。无刷永磁直流电机在现代节能家电及高档工业设备中应用也相当普遍。
目前无刷永磁直流电机如图2所示，它包括机体1、转轴4、定子铁芯6、转子铁芯7、轴承8、位置传感器2、定子电枢绕组3、磁钢5，定子电枢绕组3绕在定子铁芯6上，磁钢5固定在转子铁芯7上。无刷永磁直流电机工作原理如图1所示，位置传感器2检测磁钢5相对于电枢绕组3的位置，把位置信号提供给无刷控制器，无刷控制器进行逻辑转换后产生脉宽调制的PWM信号，经过驱动电路放大后逆变推动功率开关管，从而使各定子电枢绕组2按顺序工作，并在气隙中产生有效跳跃式旋转磁场，转子磁场受到气隙中转动磁场的作用下沿着固定方向连续运转，直流电机输出动力，直流电源一般采用蓄电池。位置传感器2根据不同工作需要可采用磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器、触点开关式传感器等。最常用的位置传感器为磁敏式霍尔传感器，其安装位置通常有两种方式：第一种方式是将直接将磁敏式霍尔传感器固定在定子铁芯6上，利用磁钢5作为感应磁体；第二种方式是磁敏式霍尔传感器固定在机体1的端盖上与转轴4上的传感磁钢接近并保持一定间隙。现在也可与无位置传感控制器配合使用，可省去位置传感器，使电机结构更为简便，由于控制器是现有技术在此不再描述。
上述无刷永磁直流电机在使用过程中由于无法满足如下要求：1、当正常行驶时，要求电机转速快、输出扭矩小；2、当爬坡或大负载时，要求电机转速慢、输出扭矩大。导致在爬坡和大负载时常常使无刷永磁直流电机处于非正常状态下运转，迫使电动车电机在低效率区工作，导致电机堵转、发热，甚至停止转动，引起蓄电池突然大电流和深度放电，造成电机、蓄电池、无刷控制器等重要部件受到冲击损坏。为此，许多生产厂家和有识之士都进行了卓有成效地开发和研究，但至今尚未有合理的产品面世。
发明内容
为了克服现有无刷永磁直流电机存在的上述弊病，本发明创造的目的是提供一种结构简单合理、能根据不同要求输出不同扭矩的永磁电励磁混合直流电机。
本发明创造解决其技术问题所采用的技术方案，它包括机体、定子铁芯、转子铁芯、转轴，转轴通过轴承可转动地设置在机体上，转子铁芯固定在转轴上，定子铁芯上至少设有三组定子电枢绕组，转子铁芯表面至少设有一对磁钢，所述转子铁芯上绕有与磁钢表面磁极相一致的转子励磁绕组，转轴上固定有集电环，机体上固定有与集电环相配合的电刷总成，转子励磁绕组与集电环连接。
所述的磁钢上设有至少一个导磁孔，转子铁芯深入该导磁孔内。
所述的磁钢安装在转子铁芯表面的卡槽上。
所述转子铁芯的绕线槽上设有过盈配合的绝缘插销。
所述的定子铁芯上固定有位置传感器，位置传感器与磁钢相对应。
所述机体的端盖上固定有位置传感器，转轴上固定有传感磁钢，位置传感器与传感磁钢相对应。
所述的位置传感器是磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器和触点式传感器的任一种。
采用上述结构后，与现有技术比较有如下优点和效果：
一是正常工作时定子电枢绕组工作，转子励磁绕组不工作，由磁钢提供磁场，其工作原理与无刷永磁直流电机相同，无刷控制器的控制电路进行逻辑变换后产生脉宽调制的PWM信号，经过驱动电路放大后逆变推动功率开关管，从而使各定子电枢绕组按顺序工作，并在气隙中产生有效跳跃式旋转磁场，转子磁场受到气隙中转动磁场的作用下沿着固定方向连续运转，此时的转矩为M＝CΦmΦδIa，C为常数，Φm为每极磁通，Φδ为气隙磁通，Ia为定子电枢绕组电流，这时不需要励磁电流，电机在高转速小扭矩工作状态，可提高电动机的功率因数，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，从而使其效率比同规格的感应电机有所提高，而且永磁无刷直流电机在25％-120％额定负载范围内均可保持较高效率和功率因数，从而使电机在运转时，特别是轻负载运行时有着显著的节能效果。
二是当负载大于设定值时，例如爬坡、大负载，所需转矩增大，根据M＝CΦmΦδIa，定子电枢绕组电流Ia增大，当负载电流超过额定电流时，无刷控制器接通转子励磁绕组的电源，并通过检测负载电流大小调节加载在转子励磁绕组上的电压高低，电压经过电刷总成、集电环加在转子励磁绕组上；转子励磁绕组通电后产生磁场，该磁场与磁钢的磁场叠加在一起，每极磁通Φm、气隙磁通Φδ强度和密度增强，电机转速随之下降，转矩明显增加，电机进入到低转速大扭矩工作状态，此时定子电枢绕组电流Ia下降，电机得到了平稳运行，提高了电机的过载能力。当负载下降后，无刷控制器提供转子励磁绕组电压也随之下调，使转子励磁绕组中每极磁通Φm，气隙磁通Φδ强度和密度线性下降，直到负载电流达到正常设定值，无刷控制器自动切断转子励磁绕组电源，电机恢复正常工作状态，有效提高了爬坡能力和过载能力。
三是结合了有刷励磁直流电机和无刷永磁直流电机优点，具有结构简单合理、运行平稳、电机效率高、节能效果好、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为现有无刷永磁直流电机的控制原理框图。
图2为现有的无刷永磁直流电机结构示意图。
图3为本发明创造第一种磁钢结构的电机结构示意图。
图4为本发明创造第一种磁钢结构的转子示意图。
图5为本发明创造第一种磁钢结构的转子结构示意图。
图6为本发明创造第一种磁钢结构的磁钢示意图。
图7为本发明创造第二种磁钢结构的电机结构示意图。
图8为本发明创造第二种磁钢结构的转子示意图。
图9为本发明创造第二种磁钢结构的转子结构示意图。
图10为本发明创造第二种磁钢结构的磁钢示意图。
图11为本发明创造第三种磁钢结构的转子示意图。
图12为本发明创造第三种磁钢结构的转子结构示意图。
图13为本发明创造第四种磁钢结构的转子示意图。
图14为本发明创造第四种磁钢结构的转子结构示意图。
图15为本发明创造第二种集电环方案的电机结构示意图。
图16为本发明创造第三种集电环方案的电机结构示意图。
其中1机体，2位置传感器，3定子电枢绕组，4转轴，5磁钢，6定子铁芯，7转子铁芯，8轴承，9电刷总成，10集电环，11导磁孔，12转子励磁绕组，13不导磁插销。
具体实施方式
图3至图6所示，为本发明创造永磁电励磁混合直流电机第一种磁钢结构的具体实施方案，它包括机体1、定子铁芯6、转子铁芯7、转轴4，转轴4可转动地设置在机体1上，转子铁芯7固定在转轴4上，定子铁芯6上至少设有三组定子电枢绕组3，磁钢5直接固定在转子铁芯7表面，所述转子铁芯7上绕有与磁钢5表面磁极相一致的转子励磁绕组12，转轴4上固定有集电环10，机体1上固定有与集电环10相配合的电刷总成9，转子励磁绕组12与集电环10连接。所述的定子铁芯6上固定有位置传感器2，位置传感器2与磁钢5相对应。当然位置传感器2也可以固定在机体1的端盖上，与固定在转轴4上的传感磁钢相对应，同样能达到相同的效果。所述的位置传感器2是磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器和触点式传感器的任一种，根据检测要求和实际需要进行选择。
图7至图10所示，为本发明创造第二种磁钢结构的具体实施方案，与第一种磁钢结构的具体实施方案不同之处是：所述的磁钢5上设有至少一个导磁孔11，转子铁芯7深入该导磁孔11内，导磁孔11不仅能使磁钢5与转子铁芯7固定牢固，而且能使转子励磁绕组12产生的磁场直接透过导磁孔11与磁钢5磁场叠加，共同产生的磁场强度明显优于第一种磁钢结构的具体实施方案。
图11和图12所示，为本发明创造第三种磁钢结构的具体实施方案，与第一种磁钢结构的具体实施方案不同之处是：磁钢5安装在转子铁芯7表面的卡槽上，转子铁芯7的绕线槽上设有过盈配合的绝缘插销13，使转子铁芯7局部变形扣紧磁钢5，保证磁钢5与转子铁芯7固定可靠。
图13和图14所示，为本发明创造第四种磁钢结构的具体实施方案，与第三种磁钢结构的具体实施方案不同之处是：磁钢5安装在转子铁芯7表面的卡槽上，转子铁芯7的绕线槽上设有过盈配合的绝缘插销13，使转子铁芯7局部变形扣紧磁钢5，保证磁钢5与转子铁芯7固定可靠。所述的磁钢5上到少设有一个导磁孔11，转子铁芯7深入该导磁孔11内，导磁孔11不仅能使磁钢5与转子铁芯7固定牢固，而且能使转子励磁绕组12产生的磁场直接透过导磁孔11与磁钢5磁场叠加。
本发明创造正常工作时，定子电枢绕组3工作，转子励磁绕组12不工作，由磁钢5提供磁场，定子电枢绕组3在无刷控制器的控制下，各定子电枢绕组3按顺序工作，并在气隙中产生有效跳跃式旋转磁场，带动转子磁场沿着固定方向连续运转，此时电机在高转速小扭矩工作状态，功率因数高，无转子电阻损耗，在额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，特别是轻负载运行时有着显著的节能效果。
当负载大于设定值时，例如爬坡、大负载，所需转矩增大，定子电枢绕组3电流增大，当负载电流超过额定电流时，无刷控制器接通转子励磁绕组12的电源，并通过检测负载电流大小调节加载在转子励磁绕组12上的电压高低，电压经过电刷总成9、集电环10加在转子励磁绕组12上；转子励磁绕组12通电后产生磁场，该磁场与磁钢5的磁场叠加在一起，每一极磁通和气隙磁通强度和密度增强，电机转速随之下降，转矩明显增加，电机进入到低转速大扭矩工作状态，此时定子电枢绕组3电流下降，电机得到了平稳运行，有效地提高了电机的过载能力。当负载下降时，无刷控制器提供转子励磁绕组12的电压也随之下调，使转子励磁绕组12中每极磁通和气隙磁通强度和密度线性下降，直到负载电流达到正常设定值，无刷控制器自动切断附加在转子励磁绕组12上的电源，电机恢复正常工作状态。
图15和图16所示，为本发明创造在图7基础上采用第二和第三种集电环方案时的电机结构示意图，与图7所示的第一种集电环方案不同之处是：电刷总成9与集电环10的连接方式不同；第一种集电环方案电刷总成9的二个电刷在圆周同一方向与集电环10相接触；第二种集电环方案电刷总成9的二个电刷在圆周相对方向与集电环10相接触；第三种集电环方案电刷总成9的二个电刷与集电环10的侧面相接触。

Claims (7)

1.一种永磁电励磁混合直流电机，包括机体(1)、定子铁芯(6)、转子铁芯(7)、转轴(4)，转轴(4)可转动地设置在机体(1)上，转子铁芯(7)固定在转轴(4)上，定子铁芯(6)上至少设有三组定子电枢绕组(3)，转子铁芯(7)表面至少设有一对磁钢(5)，其特征是：所述转子铁芯(7)上绕有与磁钢(5)表面磁极相一致的转子励磁绕组(12)，转轴(4)上固定有集电环(10)，机体(1)上固定有与集电环(10)相配合的电刷总成(9)，转子励磁绕组(12)与集电环(10)连接。
2.根据权利要求1所述的永磁电励磁混合直流电机，其特征是：所述的磁钢(5)上设有至少一个导磁孔(11)，转子铁芯(7)深入该导磁孔(11)内。
3.根据权利要求1或2所述的永磁电励磁混合直流电机，其特征是：所述的磁钢(5)安装在转子铁芯(7)表面的卡槽上。
4.根据权利要求3所述的永磁电励磁混合直流电机，其特征是：所述转子铁芯(7)的绕线槽上设有过盈配合的绝缘插销(13)。
5.根据权利要求4所述的永磁电励磁混合直流电机，其特征是：所述的定子铁芯(6)上固定有位置传感器(2)，位置传感器(2)与磁钢(5)相对应。
6.根据权利要求4所述的永磁电励磁混合直流电机，其特征是：所述机体(1)的端盖上固定有位置传感器(2)，转轴(4)上固定有传感磁钢，位置传感器(2)与传感磁钢相对应。
7.根据权利要求5所述的永磁电励磁混合直流电机，其特征是：所述的位置传感器(2)是磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器和触点式传感器的任一种。
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