CN1030418C - 一种可控变工况无刷绕线电动机 - Google Patents

Abstract

一种可控变工况无刷绕线电动机，它适于做各种需要调节工况的原动机。它有转子，定子，壳体(3)，转子轴(4)，转子线圈，定子线圈，其特征在于：在转子轴上固接有电子开关器件(7)和光电接收器件(8)，在壳体上有发光器件(9)和变脉宽电子开关(10)。电子开关器件控制转子线圈开路与闭合。可通过改变变脉宽电子开关输出方波的占空比，控制转子线圈通断的时间比，调节转子感应平均电流大小，从而实现无机械接触电刷调节电机的工况。

Description

一种可控变工况无刷绕线电动机，它适用于做各种需要调节工况的原动机，如起重机械、运输、无轨电车及各种风机和液泵的动力源。它属于电动机类。

现在已有的电动机，主要有感应电动机和励磁电动机两大类。感应电动机转子磁场的建立是通过定子磁场旋转感应的电流产生，而励磁电动机的转子磁场是通过外电流产生或使用永磁材料产生。感应电动机工作原理简单，制造方便，被广泛采用。但是，现在已有的感应电动机都是不可变工况的，而且它的设计工作点范围很窄，偏离这个范围时，电动机的工作效率大大降低，所以在工况变动较大的场合使用时，能量浪费较大。对主动工况调节也很困难。使用外电流励磁的电动机，可以通过调节外电流大小，主动调节电动机的工况，因此适应于变工况工作（很多直流电机就是这样工作的）。现在对外电流大小进行调节的方法是使用外电阻箱变阻（如无轨电车等）。由于电阻箱要消耗一定的能量，产生效率下降，而且还要解决外电阻箱的散热问题，外电阻箱的体积也很庞大。更重要的是，由于用外电流给转子供电时必须使用电刷（不管是环形电刷还是换向电刷），这样，一方面的问题是电刷的磨损需要经常维护和更换，且由于磨损产生的粉尘也对电机绝缘和其它设备有害;另一方面，电刷接触并不可靠，容易产生电火花等，这对在特殊条件下使用电机时的防爆是十分不利的。此外，电刷也是这类电机运行中容易出故障的地方。使用永磁材料做转子，对于一些小型电机容易实现，但对于大型电机，由于永磁材料成本很高，强度较低，且大型转子加工困难，因此难以在型电机上使用，而多作为控制电机或执行电机使用。

本发明的目的是发明一种无电刷绕线电动机，它是可控变工况的。结构原理简单，有较高的效率，而且无电刷，不会产生电火花等，适合于各种变工况场合使用。

本发明的结构如附图1所示，它有转子（1），定子（2），壳体（3），转子轴（4），转子线圈（5），定子线圈（6），属于交流绕线式感应异步电动机，其特征在于：在 转子轴（4）上固接有电子开关器件（7）和光电接收器件（8），在壳体（3）上与转子轴（4）上的光电接收器件（8）对应处有发光器件（9）和对发光器件（9）进行控制的变脉宽电子开关（10），转子线圈（5）与电子开关器件（7）相连，电子开关器件（7）导通时，使转子线圈（5）闭合，形成一个回路。

附图1为本发明的结构示意图。

附图2所示为转子轴上固接光电接收器件处的剖视图。

本发明的电动机属于交流绕线式感应异步电动机。它有转子（1），定子（2），壳体（3），转子轴（4），转子线圈（5），定子线圈（6），在转子轴（4）上固接有电子开关器件（7）和光电接收器件（8），在壳体（3）上与转子轴（4）上的光电接收器件（8）对应处有发光器件（9）和对发光器件（9）进行控制的变脉宽电子开关（10），转子线圈（5）与电子开关器件（7）相连。其工作原理如下：

当电子开关器件（7）导通时，转子线圈（5）闭合，形成一个回路，定子线圈（6）中通过交流电流产生一个旋转磁场。当转子转速与旋转磁场有一个差值时，旋转磁场在转子线圈（5）中产生感生电流，感生电流在洛仑兹力的作用下输出扭矩。当转子线圈所接的电子开关器件（7）始终导通时，它与普通绕线异步电机一样。当电子开关器件（7）关断后，虽然转子线圈（5）与定子线圈（6）产生的旋转磁场之间有转速差，但它只能产生感生电动势，而形成不了电流，因此也没有洛仑兹力作用在转子（1）上，转子（1）也就不能输出扭矩。本发明中，电子开关器件（7）由光电接收器件（8）控制其导通与关断。当接收到发光器件（9）发出的控制光时，光电接收器件（8）产生输出，使得电子开关器件（7）导通。当光电接收器件（8）没有收到发光器件（9）发出的控制光时，不产生输出，使得电子开关器件（7）关断。通过变脉宽电子开关（10）的通断控制发生器件（9）的发光，从而达到控制转子线圈（5）中感生电流的有无。由于变脉宽电子开关（10）是可调控脉冲的宽度的，因此可以调控发光与不发光的时间比，从而调节电子开关器件（7）导通与关断的占空比，调节电动机转子（1）的出力与不出力的时间比。一般电动机转子（1）和其所带的机械都有较大的转动惯量，它对转子（1）的平均作用使得转子线圈（5）中间断性的电流作用力输出与平均电流的作用力输出一样，通过调节转子线圈（5）中的电流通断占空比，就等同于调节了它的平均电流大小，从而达到调口 节工况的目的。

本发明使用电子开关器件（7）来控制电动机转子线圈（5）中的平均感生电流强度，从而达到变工况的目的。而电子开关器件（7）和光电接收器件（8）都装在转子（1）的轴颈上，与转子（1）一起旋转，控制它们的发光器件（9）装在电动机壳体（3）上，与转动部件无机械接触，它通过光线进行控制，因此不用使用任何电刷，没有磨损，也不产生任何粉尘，特别是不会产生电火花，因此可以用在有防爆要求的场合。本发明使用电子开关器件（7）的导通与关断占空比来调节转子线圈（5）中的平均感生电流，电子开关器件（7）只处于导通或是关断两种状态。在导通时，电子开关器件（7）的饱和压降很小，因此所消耗的功率很小。而在关断时，电流为零，也基本无功率消耗，而且控制器件和发光器件所消耗的功率也可以忽略不计，因此整个系统的效率很高。对变脉宽电子开关（10）的脉冲宽度进行调节就能改变整个电机的工况，适合于在各种工况下使用。

本发明中的电子开关器件（7）可以是对称连接的大功率VMOS管，如专利CN89209067.7所述。由于VMOS管有很高的输入阻抗，因此只要有小很的推动功率即可。也可以使用达林顿管。所有电子开关器件（7）都可用环氧树酯类粘接剂固接在转子轴颈处，在空隙处注入环氧树酯，使之成为一个整体，以增加强度，防止转子（1）在旋转时，离心力的破坏。本发明中的光电接收器件（8）可以是硅光电池或其它光电器件，可以做成环状或弧状固接在颈处，也可以使用多个器件串联或是并联，均布在轴颈圆周上。这样，不管转子（1）处于什么位置，都能接收到发光器件所发出的光线。

本发明的发光器件（9）可以是半导体发光元件（如发光二极管等），也可以是其它光源，可以使用多个并联，均布在与光电接收元件（8）相对应的电动机壳体（3）上，保证在受控发光时，对光电接收器件（8）无死角。变脉宽电子开关（10）可以简单地用一个多谐振荡器实现。通过反相调节左、右积分器端的电压，便可调节多谐振荡器输出方波的占空比，实现电动机变工况操作。左、右积分器端的电压的反相调节，可以使用双连电位器进行手动调节，也可以使用一个倒相放大器，通过使控制电压倒相来实现左、右积分器端电压的反相调节。本发明的变脉宽电子开关（10）也可以使用CTC芯片及一个时钟电路，通过数字控制的方法，改变C TC计数值产生不同宽度的方波输出。这种方法便于计算机控制，采用逻辑电路使性能稳定可靠。

本发明的变脉宽电子开关（10）的输出频率应大于预定的电动机异步差频，以免产生拍频现象，但也不必过高，过高时对电子开关器件（7）工作不利，会增大电子开关器件（7）的功耗，一般可控制在差频的3～5倍。在变脉宽调节时，应基本保持脉冲周期的稳定。

Claims (1)

1、一种可控变工况无刷绕线电动机，具有转子(1)，定子(2)，壳体(3)，转子轴(4)，转子线圈(5)，定子线圈(6)，属于交流绕线式感应异步电动机，其特征在于：在转子轴(4)上固接有电子开关器件(7)和光电接收器件(8)，在壳体(3)上与转子轴(4)上的光电接收器件(8)对应处有发光器件(9)和对发光器件(9)进行控制的变脉宽电子开关(10)，转子线圈(5)与电子开关器件(7)相连，电子开关器件(7)导通时，使转子线圈(5)闭合，形成一个回路。

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