CN103390986A

CN103390986A - 直流单元式电动机的提前换向及其控制方法

Info

Publication number: CN103390986A
Application number: CN2013102603831A
Authority: CN
Inventors: 咸凯民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了直流单元式电动机的提前换向技术，直流单元式电动机在运转过程中，其定子绕组实际上是一个带铁心的线圈，对电源而言它是一个典型的感性负载，当电动机换向时，电压瞬间改变了方向，而其中的电流要滞后一定的时间才能改变方向，此时未能改变方向的电流所产生的磁力线在转子上产生了与电动机运转方向相反的力，减小了电动机的功率输出，提前换向的目的就是使绕组电压提前换向，使其中的电流能及时换向，避免因电流滞后于电压而引起的电动机的功率输出减小，电压的提前换向可以通过转子位置传感器提前向电子控制线路发出换向信号来实现。

Description

直流单元式电动机的提前换向及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流单元式电动机的换向技术

背景技术

从结构上看，直流单元式电动机的定子绕组与交流异步电动机的定子绕组都是一个带铁心的线圈，当交流电流通过这个线圈的时候，其相位都会落后于线圈两端的电压。对于交流异步电动机来说带来不利的结果仅仅是一个功率因数的问题，而对于直流单元式电动机来讲不利的结果不仅有功率因数的问题，还使得滞后的电流产生的磁力线在转子上产生了与电动机运转方向相反的力，更减小了电动机的输出功率。这关系到直流单元式电动机是否有实用价值，也成了它前期试验中的瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种方法使直流单元式电动机在换向过程中能避免由于这种电流滞后于电压而引起的输出功率的减小。

直流单元式电动机在运转过程中，当转子的前沿转动到与单元间隙中心线相重合或与定子绕组间隙中心线相重合时，绕组中的电流必须换向，我们把这一时刻称为电流换向时刻。由于直流单元式电动机的定子绕组实际上是一个带铁心的线圈，其铁心中通过的是接近饱和的磁通，而线圈的电阻又很小，所以在运转时它是一个典型的感性负载。在电流换向时刻，绕组两端的电压改变了方向，而其中的电流由于电感的存在不能突变，要滞后一定的时间才能改变方向，而此时运转中的转子由于惯性的作用，其前沿越过了单元间隙的中心线或绕组间隙的中心线，未能改变方向的电流产生的磁力线与磁极产生的磁力线叠加，合成后的磁线力未能在原先设定的方向被偏转而拉长，而是在相反的方向上被偏转而拉长，形成了与转子运动方向相反的力，从而减小了电动机的输出功率。

为了避免这种由于绕组中电流滞后于其电压而引起的输出功率的减小，本发明通过转子位置传感器提前于电流换向时刻向电子控制线路发出信号，使电子控制线路提前时间t。执行换向，我们把这一时刻称为电压换向时刻。时间的提前量t。应与电流滞后于电压的时间相等，保证在电压换向时刻过了时间t。后变为电流换向时刻，所以恰当地设定时间的提前量t。就能在电流换向时刻使绕组中的电流及时地改变方向。这样，及时换向的电流产生的磁力线与磁极产生的磁力线叠加，合成后的磁力线被偏转而拉长，使转子在电动机运转的方向上产生力，避免了由于绕组中电流滞后于电压而引起的输出功率减少。

转子位置传感器由光耦合器和遮光板组成，遮光板是固定于电动机的轴与转子同步转动的。当遮光板位置固定后，光耦合器的位置就决定了换向时刻，要使光耦合器提前发出换向信号，其位置必须设置在电压换向时刻的位置上。电压换向时刻的位置超前于电流换向时刻的位置一个角度α，它等于时间的提前量t。与转子角速度ω的乘积。电流换向时刻的位置可以根据转子的位置来确定：当遮光板前沿处于这个位置时，转子的前沿刚好与定子单元间隙中心线相重合，或刚好与绕组间隙中心线相重合。

在直流单元式电动机的前期试验中，因为没有认识到提前换向的必要，所以电动机都是在电流换向时刻换向，在带额定负载的情况下，由于电动机输出功率不足，所以总是不能达到额定的转速，采用了提前换向的技术后，电动机的输出功率明显地上升，在额定负载下不仅转速能达到额定的转速，并且其效率达到了较高的水平。例如一台额定功率为60瓦，四单元的直流单元式电动机，在额定转速1400转/分的转速下带额定负载运行，其输入功率为69瓦，效率达到86％。

附图说明

图1-1是本实施例的磁极和绕组电流产生的磁力线分布示意图显示为在电流换向时刻换向后转子在定子单元内运动。

图1-2是图1-1的磁力线合成后偏转的示意图。

图2-1是本实施例的磁极和绕组电流产生的磁力线分布示意图，显示为在电流换向时刻换向后转子在定子单元间运动。

图2-2是图2-1的磁力线合成后偏转的示意图。

图3-1是本实施例光耦合器与遮光板的相对位置，显示为绕组电压在电流换向时刻换向。

图3-2是本实施例光耦合器与遮光板的相对位置，显示绕组电压在电压换向时刻换向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1-1所示，为置于定子1上的磁极和绕组2的磁力线分布示意图，图中横向的箭头表示转子4的运动方向。电动机在运转中，当转子4前沿运动到与定子绕组2间隙中心线3相重合时，绕组2两端的电压由电子控制线路执行了换向，但由于绕组2电感的存在使得其中的电流不能随电压换向，它要滞后一定的时间才能改变方向，此时由于转子惯性的存在，在电流换向时刻后转子前沿越过了绕组间隙中心线3。如图所示，磁极产生的磁力线用实线表示，它的方向为从上面定子指向下面的定子，並且均匀地分布在定子、转子间的气隙中。而绕组电流产生的磁力线用虚线表示，它是一个以绕组2为中心的环形磁力线。在绕组左侧，它与磁极的磁力线方向相同，在绕组右侧它与磁极磁力线的方向相反。

如图1-2所示，由磁极产生的磁力线与绕组2电流所产生的磁力线合成，在绕组2左侧两者相加，而在绕组2右侧两者相减，使绕组2左侧的磁通密度大于右侧的磁通密度，根据磁力线横向扩张，纵向收缩的本质，绕组2左侧的磁力线向右侧扩张，在定转子间的气隙中被偏转且拉长，当这些磁力线收缩时产生的力自右向左，这个力与转子4的运动方向相反，所以减小了电动机的输出功率。

如图2-1所示，为置于定子1上的磁极和绕组2的磁力线分布示意图，图中横向箭头表示转子4的运动方向。电动机运转过程中，当转子4的前沿运动到与定子单元1和定子单元5之间的间隙中心线6重合时，绕组两端的电压由电子控制线路执行了换向，但由于绕组电感的存在使其中的电流要滞后一定的时间才能换向。此时由于惯性的作用转子前沿已越过了单元间隙中心线6。如图所示，磁极产生的磁力线用实线表示，绕组电流产生的磁力线用虚线表示，在单元间隙6左侧它们的方向相同，而在其右侧它们的方向相反。

如图2-2所示，由磁极产生的磁力线与绕组电流所产生的磁力线合成，在单元间隙6的左侧两者相加，在其右侧两者相减，使得单元间隙6左侧的磁通密度大于右侧的磁通密度，于是单元间隙6左侧的磁力线向右侧扩张，在定、转子间的气隙中被偏转且拉长，当这些磁力线收缩时，在转子4上产生自右向左的力，这个力的方向与转子4的运动方向相反，所以减小了电动机的输出功率。

如图3-1所示，为转子位置传感器的光耦合器7与遮光板8的相对位置，图中的ω是遮光板8的角速度，遮光板是固定在电动机的主轴上与转子同步施转的。当绕组两端的电压在电流换向时刻换向时，遮光板8的前沿刚好与光耦合器7的中心线相重合。

如图3-2所示，为转子位置传感器中的光耦合器7与遮光板8的相对位置，当绕组两端的电压在电压换向时刻换向时，遮光板8的前沿刚好与光耦合器7的中心线重合。比较图3-1和图3-2中光耦合器的位置可以知道，在遮光板角速度的方向上，图3-2光耦合器的位置比图3-1光耦合器的位置超前了一个角度α，这个角度是绕组电压提前换向的时间t。决定的，α＝ωt。。

本实施例中光耦合器的位置正如图3-2所示，使电子控制线路提前时间t。得到换向信号，从而改变了定子绕组两端的电压方向。这样，过了时间t。电流换向时刻来到时，绕组中电流及时地改变了方向，消除了由于绕组中电流滞后于电压而在转子上产生的与电动机运转方向相反的力，保证了电动机功率的正常输出。

Claims

1.一种应用于直流单元式电动机的提前换向技术，其特征在于，直流单元式电动机在运行过程中，其定子绕组两端的电压换向时刻总是提前其电流换向时刻，电流换向时刻是指转子前沿分别运动到与单元间隙中心线重合或与绕组间隙中心线重合的时刻。

2.如权利要求1所述的直流单元式电动机的提前换向技术，其特征在于由转子位置传感器向电子控制线路提前发出换向信号，由电子控制线路来执行电压的提前换向。

3.如权利要求1、2所述的直流单元式电动机的提前换向技术，其特征在于提前换向信号由改变转子位置传感器的光耦合器与遮光板之间的相对位置来获取。