CN1028584C - 利用反电动势的直流电机 - Google Patents

Abstract

一种利用反电动势的直流电机，采用向在定子上径向等间隔布置的两排定子线圈顺序及交替地供电，使其与在转子上等间隔布置的两排永磁铁相互作用。一排中永磁铁极性与另一排中永磁铁极性相反，并且其每排的数目比每排定子线圈的数目少1。转子中一排永磁铁的反向极性以及相等并相反的电压使得由第一排一个正在去磁的定子线圈产生的反电动势能对设在转子对立侧的下一定子线圈提供能量(反之亦然)，该下一定子线圈与反极性的永磁铁相互作用仅产生有效转矩。

Description

本发明涉及在转子上安装了多个永磁铁及在定子上安装了多个电磁铁类型的直流电动机，其布置得使转子的旋转能引起这些永磁铁依次地与每个电磁铁进行相互作用，并且该种电机还包括按定时顺序向电磁铁供给电压脉冲的装置，以使得这些永磁铁与电磁铁之间的相互作用产生使转子形成转动的力。

这种类型的传统直流电动机早就被人提出来了，但是它具有的缺点是没有在换向时利用由每个线圈中电压脉冲失去后正在消失的磁场所产生的反电动势。这就产生了效率的下降，其中在反电动势中所具有的能量几乎都损失掉。

因此，本发明的一个目的在于提出一种改进的直流电动机，它被设计成利用反电动势。本发明利用了转子的专门结构，高效率电磁铁线圈结构以及结合了大功率电磁铁，极低损耗的电磁铁线圈材料 及相关的固态开关及控制，以实现高效率的脉冲电机结构，它能回收部分或全部的反电动势能量。

因此，根据本发明提出的一种电动机包括：一个定子，一个转子，转子安装得相对于定子绕轴旋转，第一组电磁铁绕轴等角度地布置并安装在定子上，第一组永磁铁绕轴等角度地布置并安装在转子上，并且它们的布置使得转子的旋转引起该第一组永磁铁中每个永磁铁依次地与第一组电磁铁中每个电磁铁进行相互作用，该第一组永磁铁的数目与第一组电磁铁的数目相差一个奇数值，向该电磁铁供给脉冲电压的装置，它产生作用于这些永磁铁使转子绕轴形成转动的力，第二组电磁铁绕轴等角度地布置并安装在定子上，第二组永磁铁绕轴等角度地布置并安装在转子上，并且它们的布置使得转子的旋转引起该第二组永磁铁中每个永磁铁依次地与第二组电磁铁中每个电磁铁进行相互作用，该第二组永磁铁的数目与第二组电磁铁的数目相差一个奇数值，向该电磁铁中每个供给脉冲电压的装置，它产生作用于这些永磁铁使转子绕轴形成转动的力，第二组相对第一组隔开布置，以使得第一组及第二级每组中的永磁铁仅与第一及第二组各自组中电磁铁相互作用，第一组永磁铁的磁极相对于第二组永磁铁磁及具有相反的极性，以便形成向同一方向旋转的趋势，向第一组电磁铁供电的电压相对于向第二组电磁铁供电电压其极性相反，第一组电磁铁的数目与第二组电磁铁的数目相等，并且第一组永磁铁的数目与第二组永磁铁的数目等，第一组电磁铁相对于第二组电磁铁偏置一角度，以及由每一组中每个电磁铁正在消失的磁场对另一组相应的一个电磁铁产生转换电流的装置，以使得在所述另一组中相应的一个电磁铁中产生所述脉冲电压。

通过继续的说明，以上所述的内容及另外的优点对于本发明所涉及技术领域中的技术人员来说将会便得更加清楚。以下将参照作为说明书一部分的附图对本发明加以阐述，其中包括就申请人所知的最佳实施方式及根据本发明原理的优选典型实施例。其附图为：

图1：根据本发明的一个电动机横截面慨图;

图2：图1中电动机定子的侧视慨图;

图3：图1中电动机转子的侧视慨图;

图4：说明对图1中电动机的电磁铁线圈控制脉冲电压的产生及换流的一部分电路慨图;

图5：在图1中电动机工作时所产生的一组波形图。

在附图中用相同的参照号表示同种部件。

图1中的电动机包括转子1，该转子包括安装在定子5上轴承4中的轴2。该转子还包括一个支承盘1A，在其上安装了一个外圆柱体1B，它具有在盘1A轴向朝相反方向延伸的两个圆柱体部分，以致于在转子上确定出两个轴向隔开的转子部分。

在转子的一部分上安装了一组永磁铁7，而在转子的另一部分上安装了一组永磁铁10。应注意到永磁铁10的磁极相对于永磁铁7的磁极是反极性的。

定子具有由安装托架夹持的两组电磁铁，其标号分别为3及9。标号为3的这一组电磁铁表示在图2中的侧视图中。于是可以看到电磁铁组3围绕轴以一定的角度间隔定位布置，其磁铁间的间隔相同。电磁铁组9具有类似的围绕轴等间隔的布置，但它相对于电磁铁组3偏移一个角度，该角度为电磁铁之间角度的一半。组3中电磁铁的数目与组9中电磁铁的数目相同。永磁铁7的数目与这一组中电磁铁的数目相差一个奇数值，并最好是永磁铁数目比电磁铁数目少一个。

正如以下要解释的，每一组电磁铁被供以电压脉冲，以使得在永磁铁及电磁铁之间的相互作用下以及由于永磁铁及电磁铁之间数目差产生的装置不平衡作用产生转子的旋转作用。电压经过母线13供给到组3并相应地经过母线12供给到组9，母线12及13并与一中性母线14一起安装在构成定子一部分及围住转子的圆柱形壁13A上。

每一个电磁铁与多个线路板15中相应的一个相连接，其细节在图4中详细地给出。

每个线路板15持有一个位置检测传感器，在图1中相对于标号9线圈的一个传感器的标号为16，而相对于标号3线圈的另一传感器为17。这些位置确定装置中的每一个是设置来确定永磁铁的位置的，以使得电磁铁线圈的脉冲定时能够被控制，正如以下将要解释的。

图1是一个本发明的典型横截面图，它表示本发明主要部件的相互关系。为了图示的目的，电磁铁线圈3及电磁铁线圈9表示在同一平面中，但是事实上这两个电磁铁线圈中的一个落后或超前另一线圈一个度数，该度数等于所有电磁铁线圈的数目 除360度。上述说法也适用于转子中的永磁铁，只是一个永磁铁落后或超前另一永磁铁的度数为电磁铁线圈的数目减少二后除360度。

在一个实施例中，该电动机具有的全部电磁铁线圈数为40，全部的永磁铁为38，以下称此为40/38型电动机。但是必须记住该电动机可以由任何数目的电磁铁线圈及成比例数目的永磁铁组成。

对于不同的应用，可采用不同形状、尺寸及安装定向的电磁铁线圈，不同形状、厚度、尺寸及定向的永磁铁，不同的转子形状及尺寸，以及上述的不同的转子/定子组体数目来设计该种电动机。

定子的电磁铁线圈均匀地围绕转子分布并被固定在定子机座上。对于40/38型电动机，电磁铁线圈布置的间隔为：360除以40等于9度。二十个电磁铁线圈安装在围绕着转子的每个线圈气隙上，该转子上装有通过电磁铁线圈气隙的永磁铁。

二十个电磁铁线圈中的每个等间隙（18度）地布置在定子的一侧（A侧）上;而另外的二十个电磁铁线圈等间隔地布置在定子的另一侧（B侧）上，但转过一角度使这些电磁铁线圈处于A侧电磁铁线圈间的中间位置上。以下用它们所处于的角度位置来命名电磁铁线圈。如果从左方来看图1中所示的定子，则这个A侧的所有电磁铁线圈将为偶数号，即：0，18，36，54，72，90，108，162，180，198，216，234，252，270，288，306，324及342。图2中的标号19表示经过这些电磁铁线圈空气隙的所有永磁铁的轨道路径。在该图上仅表示出了B侧电磁铁线圈的中心线，以便能够在A侧与B侧电磁铁线圈之间加以区分。B侧线圈定名为：9，27，45，63，81，99，117，135，153，171，189，207，225，243，261，279，315，333，351。

假设电动机工作在吸引方式中，并且在A侧的电磁铁线圈由正电压供电及其连接得使电磁铁线圈气隙的外侧被磁化成北极（N），而在该电动机A侧的19个永磁铁7被磁化成其南极（S）背离其转子的中心。所有永磁铁的间隔为360度除以38。在电动机B侧的电磁铁线圈由负电压供电并且所有这些电磁铁线圈连接得使这些电磁铁线圈的外侧被磁化成南极（S），而该电动机B侧的19个永磁铁被磁化成其北极（N）背离其转子的中心。这种电动机是无刷的。

图3表示该电动机中安装的所有A侧的永磁铁，而B侧的永磁铁的位置仅以中心线位置标识。

现在来看图4，图1中标号为3的左方线圈组在图4中表示在其左方，如线圈0，18等，一直到线圈342，而右方的线圈标以线圈9，27直到线圈351，它们相当于图1中标号9所示的右方线圈组。左方的每个线圈与母线13及与中性回线14相连接，而右方的每个线圈与母线12及与中性回线14相连接。从相应的母线传送电压脉冲受到一个开关的控制。于是，对于线圈0，其开关用SW1来表示，对于线圈18，其开关用SW5来表示，对于线圈342，其开关用SW9表示，用于线圈9的开关用SW4来表示，用于线圈27的开关用SW8来表示及用于线圈351的开关用SW12来表示。每一个开关在一个微处理机M的控制下选通，该微处理机根据需要发出一个信号来控制开关SW1、SW5，SW9，SW4，SW8及SW12等中的一个。该微处理机在“位置信号I/P”标志处输入来自每个位置传感器16及17的输入信号。此外该微处理机在“速度参照I/P”标志处接收一个利用手动或另外独立的动作机构4控制电动机速度的输入控制信号。

如果该电动机工作在吸引方式中，该电动机在参照图2情况下将按顺时针方向旋转。微处理机被安排成控制开关致使每个电磁铁线圈每过9度获得一个供电脉冲。于是线圈0的位置检测器通过微处理机M能使开关SW1选通。该选通许可时间必须小于转子在给定速度下转过9度所需的时间。对于SW1的触发时间周期将由速度的要求来决定。

在图5中表示了线圈0及线圈9一个周期的波形。于是指出了线圈0的位置检测器及线圈9的位置检测器，并尤其是来自它们的信号。因此微处理机起作用控制开关SW1及SW4以产生一个电压脉冲，它被相应地供给线圈0及线圈9。

当开关SW1被关断时，就引起了线圈0中的磁场消失，这将产生出一个电动势或者一个负脉冲。它在图5中表示为线圈0的反电动势（back    EMF）。然后开关SW2由微处理机起动，该微处理机检测到反电动势，于是由负电压脉冲得来的电流经开关SW1被传送至线圈9。由于线圈 9需要一个负电压脉冲，这个负电压就加到被开关SW4控制的母线12传来的脉冲上，为同图中示出的，开关SW4中的电流及这个脉冲然后传送到线圈9用以产生所需的该线圈中的负脉冲。

与图5上部分中所示相似地，来自线圈351的反电动势经由开关11传送到线圈0，用来与经由SW1产生的脉冲相加。

对称地，线圈18与开关SW6协同工作，线圈342与开关SW10协同工作，及线圈27与开关SW7协同工作，用来将反电动势电压脉冲传送到下一个相邻的线圈中。

图4中所示的开关均是商业中可购到大功率固态开关器件，例如可控硅，双向晶闸管，晶体三极管等等。包括这些开关的电路可包括电容器及/或电感器电路部分，其用于与电路板15上的开关电路相结合以提供供电脉冲的整形，这些供电脉冲是由来自下一相邻线圈的脉冲与来自母线的脉冲相加获得的，以便获得所需的电动机工作特性。

电动机的速度是在微处理机的控制下受脉冲形状及宽度的控制的。

脉冲的极性可利用倒换系统的接线来改变，并用此方法使该电动机能工作在或是吸引或是排斥方式中，后者方式中电磁铁的极性反转，因而它们可与永磁铁以吸引方式或是排斥方式相互作用。

该电路可这样变型，利用向供电电池再充电或是将产生的电能供给一电阻负载可提供动力制动。这将根据动力制动的要求由微处理机控制来产生电压脉冲。

所述的该电动机原则上可利用标准商用交流市电电源工作，倘若能得到输出所需电压的中抽式变压器的话。

这里所述的该转子/定子组件可被安装在一个单个公共轴上，也可作出改变，利用设置分离的轴使其布置分隔开，以使得能获得附加的电磁铁安装位置从而生产出更小直径的电动机。可以应用附加的线圈组及永磁铁组来提供附加的功率，这些附加组具有与上述相似的由主电源及由反电动势传送电压脉冲的布置。

根据上述本发明的电动机具有以下的优点：

1.最大可能地利用去磁的电磁铁线圈的反电动势。仅仅在固态开关上的小电压降耗损很小比例的功率，这些开关是由自身的基本电路驱动进入饱和的。

2.反电动势的采集是最有效的，因为正在消失的磁场使用同一绕组采集，并且用另一组固态电路控制来自正在消失的磁场的能量使之加到下一个被驱动的电磁铁线圈（反极性）。另一些发明是采用的分离线圈，但是这种类型的结构产生了低效率的磁路。

3.在转子上用永磁铁消除了对整流子的需要，也即无摩擦损耗及转子导体中的I²R损耗。

4.所有的电磁铁线圈工作在同一驱动方向上，并且反电动势被向前转换到一个反极性的电磁铁线圈上，该线圈的剩磁已处于所需的极性，所以在该电磁铁线圈芯中无须消耗能量用于磁性材料极性的反转。

5.任何一个及可能时多个驱动线圈或固态电路的故障将不会导致电动机的失效，仅使其输出降低。

6.根据本发明的电磁铁线圈驱动电路的相邻交替排列顺序可以作到用非常短的导线连接，由此将磁干扰及导体I、R的损耗减到最低。

7.该电机可工作于吸引或排斥方式，由此使其获得双向运行。

8.利用将电动机作发电机工作并再向电池充电或控制能量输给一电阻性负载，其电路可以设置成能动力制动。

9.其设计可以很容易作出改变以满足广泛应用的需要，可调整的参数包括：转子直径，永磁铁及电磁铁线圈的尺寸，永磁铁及电磁铁线圈的定位及装在同一轴上的转子/定子组件的数目。

10.利用控制驱动脉冲的宽度可控制速度。

11.双重相等并相反的电压源消除了对固态器件的配对，例如NPN及PNP晶体三极管，可以全部采用相同的器件。

12.由于在电磁铁及永磁铁的磁场之间相互作用的角度有利，该电动机可以有大的输出转矩。

13.由正在消失的磁场产生的高峰值反向电压的常规问题，利用固态开关器件自偏置减到最小，因而反电动势所遇到的输入阻抗与磁场正在消失的电磁铁线圈的输出阻抗相同（所有电磁铁线圈的结构相同）。

14.产生最大的反电动势能量的转换，因为输出阻抗等于输入阻抗。

由于对上述我的发明可以作出各种变形，并且在不脱离权利要求书精神及范围的情况下在该精神及范围中可对本发明作出许多明显有区别的实施例，其用意在于：在该说明书中所包含的实质内容应被理解为仅是用作说明而非限制的意义。

Claims (13)

1、一种电动机，包括定子装置，转子装置，它安装得相对于定子装置绕轴旋转，第一组电磁铁绕轴等角度地布置并安装在转子装置及定子装置中的一个上，第一组永磁铁绕轴等角度地布置并安装在转子装置及定子装置中的另一个上，并且它们的布置使得转子的旋转引起该第一组永磁铁中每个永磁铁依次地与第一组电磁铁中每个电磁铁进行相互作用，该第一组永磁铁的数目与第一组的电磁电磁铁的数目相差一个奇数值，向第一组的电磁铁供给脉冲电压的装置，它产生作用于第一组永磁铁使转子装置绕轴形成转动的力，第二组电磁铁绕轴等角度地布置并安装在转子装置与定子装置中的一个上，第二组永磁铁绕轴等角度地布置并安装在转子装置及定子装置中的另一个上，并且它们的布置使得转子的旋转引起该第二组永磁铁中每个永磁铁依次地与第二组电磁铁中每个电磁铁进行相互作用，该第二组永磁铁的数目与第二组电磁铁的数目相差一个奇数值，向该第二组电磁铁中每个供给脉冲电压的装置，它产生作用于这些永磁铁使转子装置绕轴形成转动的力，第二组的电磁铁相对第一组的电磁铁隔开布置，以使得第一组及第二组每组中的永磁铁仅与第一组及第二组各自组中的电磁铁相互作用，第一组永磁铁的磁极相对于第二组永磁铁的磁极具有相反的极性，以便形成向同一方向旋转的趋势，向第一组电磁铁供电电压相对于向第二组电磁铁供电电压其极性向反，第一组电磁铁的数目与第二组电磁铁的数目相等，并且第一组永磁铁的数目与第二组永磁铁的数目相等，第一组电磁铁相对于第二组电磁铁偏置一角度，以及由每一组中的每个电磁铁正在消失的磁场对另一组相应的一个电磁铁产生转换电流的装置，以使得在所述另一组相应的一个电磁铁中产生所述脉冲电压。

2、根据权利要求1的电动机，其中第一组永磁铁数目比第一组电磁铁数目少1。

3、根据权利要求1的电动机，其中第一组及第二组在轴向隔开。

4、根据权利要求1的电动机，包括微处理机控制的开关装置，用于控制所述电压脉冲及控制所述电流的转换。

5、根据权利要求4的电动机，其中开关装置是固态的。

6、根据权利要求1的电动机，其中第一组用的电压脉冲由一直流电压产生，而用于第二组的电压脉冲由相等的极性相反的直流电压产生。

7、根据权利要求1的电动机，其中转换装置是设置来用于将所述每个电磁铁中的所述电流转换到另一组中所述的一个电磁铁上，该电磁铁是在角度上与所述电每个电磁铁相邻的下一个电磁铁。

8、根据权利要求1的电动机，包括调整电压脉冲宽度的装置。

9、根据权利要求1的电动机，其中所述供电装置设置来对所述电磁铁提供电压，该电压能够从一个正向电压调节到一个负向电压，以使得永磁铁与电磁铁之间的相互作用在排斥方式与吸引方式之间变化。

10、根据权利要求1的电动机，包括检测永磁铁与电磁铁之间相对位置的位置确定装置，用于电压脉冲的定时。

11、根据权利要求10的电动机，其中位置确定装置包括一个霍耳效应器件。

12、根据权利要求10的电动机，其中位置确定装置包括一个光电元件。

13、根据权利要求1的电动机，其中所述供电装置包括整形脉冲的装置。

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