CN103475181B - 一种基于反激式控制模式的电机及其控制方法 - Google Patents
一种基于反激式控制模式的电机及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于反激式控制模式的电机，包括定子部分以及转子部分，所述定子的极轭与转子的极轭满足下述关系：即二者之比等于相数；所述的相数至少为二相，所述定子的极轭布置有相应的电磁绕组，所述电磁绕组与控制器相连接，所述控制器根据运行状态来控制电机处于正向或反向激励模式。本发明是一种依据反激式控制原理工作的电机，采用的是周期储能、瞬间释放的工作原理，类似于电磁炮的原理，利用经过压缩的磁场能量所产生的冲量来做功，与常规电机利用电流增量做功的原理具有明显的区别。无须任何永磁材料即能使纯铁芯结构的电机表现出极低的功耗和非常好的能效，因此对于节能减排和保护稀土资源具有极大的现实意义。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，特别涉及一种基于反激式控制模式的电机及其控制方法。
背景技术
目前，绝大多数常规的机电装置都由电系统、机械系统和联系两者的耦合磁场组成。根据能量守恒原理，有下式成立：由电源输入的电能=耦合磁场内储能的增加+装置内部的能量损耗+输出的机械能，当忽略损耗时其能量传递关系为dWf=dWe-dWm，其中dWe为系统的微分电能输入，dWf为微分磁能增量，dWm为系统微分机械能输出。对于常规电机而言，耦合磁场内的储能不会转变为机械能，而当其换相时，剩余的这部分能量的泄放则会产生相应的负转矩，而这又恰好是被计算者认为可以被忽略的部分。
常规电机采用的是正向激磁工作模式，其工作在电流的上升阶段，三相电机中每相的工作周期为1/3，依靠电流的增量在对外做功，即常规电机吸收能量时做功，而其释放能量时则会产生相应的负转矩。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种利用周期储能、瞬间释放的工作原理，采用经过压缩的磁场能量所产生的冲量来做功的基于反激式控制模式的电机及其控制方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种基于反激式控制模式的电机，包括定子部分以及转子部分，其特征在于：所述定子的极轭与转子的极轭满足下述关系：即二者之比等于相数；所述的相数至少为二相，所述定子的极轭布置有相应的电磁绕组，所述电磁绕组与控制器相连接，所述控制器根据运行状态来控制电机处于正向或反向激励模式。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述定子部分中的每相由至少一个U形铁芯组成，U形铁芯沿转轴的轴线方向至少布置有两个电磁绕组，其U形铁芯端面产生的磁场极性相反，各相上的电磁绕组以转子部分轴心为中心依次均匀间隔排列在同一圆周之上。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述定子部分中的每相由至少二个极轭构成，每个极轭上有一个电磁绕组，其极轭端面产生的磁场极性相反，各相上的电磁绕组以转子部分轴心为中心依次均匀间隔排列在同一圆周之上。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述定子部分中每相为一个整体单独构成，每相采用一个集中的电磁绕组或采用各个定子的极轭独立布置电磁绕组，各个定子的极轭以转子部分的轴心为中心依次间隔相应的距离均匀排列在同一圆周之上，其间隔的距离等于极轭的宽度与相数的乘积，各相沿转子轴线方向排列且使其定子的极轭按极轭宽度顺序错开。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述转子的极轭分别与定子中任一相中定子的极轭相对应，所述转子的长度与电机定子的极轭两侧外沿的端线等齐，所述转子的极轭以转子部分轴心为中心均匀布置在同一圆周之上。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述控制器包括电源电路、位置检测电路、电流检测电路、控制电路以及功率输出电路，所述控制器根据转子的极轭位置及转动方向来控制各相电磁单元中每相的充电或放电。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述功率输出电路包括电源U、开关管T1、T2、续流二极管D1、D2，以及与某相的电磁绕组相连接的端点A、端点B；所述开关管T1一端与电源的正极相连接，其另一端即端点A与某相电磁绕组的一端连接，所述某相电磁绕组的另一端与开关管T2的一端即端点B连接，开关管T2的另一端与电源负极连接;所述续流二极管D1的阴极与电源正极连接，其阳极与端点B连接，所述续流二极管D2的阳极与电源负极连接，其阴极与端点A连接；所述开关管T1和T2的控制端与控制电路连接，在端点A与端点B之间连接有能量转换单元。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述能量转换单元包括控制开关K和能量转换电路，所述能量转换电路包括电容C电路或电感L电路或LC电路，所述能量转换电路采用电容C电路或电感L电路或LC电路与电机绕组的电感以并联或串联的形式共同构成一个振荡电路，使之依靠预先存储的能量实现有衰减的周期振荡。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机，其所述控制开关K的一端与端点A连接，其另一端与电容C的一端连接，所述电容C的另一端与端点B连接。
一种基于反激式控制模式的电机的控制方法，其特征在于：所述电磁绕组在输入能量时不对转子的极轭做功，所述电磁绕组在释放能量时对转子的极轭做功。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机的控制方法，其在电机转动的初始阶段，对定子部分的电磁绕组采用正激式的控制模式，通过电磁绕组在输入能量的过程中对转子的极轭做功，当所述电机开始转动后并达到预定的转速时，通过控制器将正激式控制模式转换为反激式控制模式。
本发明所述的基于反激式控制模式的电机的控制方法，其所述控制电路对电磁绕组的控制方式为：在转子转动过程中，当转子部分的极轭与定子中一相的铁芯相对应时，沿转子转动方向排列的相序中对应的电磁绕组依次为放电状态和充电状态，此时转子的极轭所对应相中的电磁绕组为既不放电也不充电状态，所述电磁绕组充电的最大周期为转子的极轭经过至少一个定子的极轭的时间，所述转子的极轭在对应相中的电磁绕组的放电过程中被吸过来。
本发明产生的有益效果是：本发明的电机及控制模式采用了与现有电机产品完全不一样的原理和结构，既保持了能在常规电动状态下完成机电能量的转换，同时又可以实现将磁场的储能转换为驱动功率获得转矩的目标。该电机具有结构简单、控制方法简单、发热量低、不会产生失磁现象且能耗极低、效率高、噪声小、运行稳定等优点。此外，采用本发明制作的电机，无须任何永磁材料即能使纯铁芯结构的电机表现出极低的功耗和非常好的能效，因此对于节能减排和保护稀土资源具有极大的现实意义。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明中控制器的原理图。
图3是本发明中功率输出电路的示意图。
图4是本发明的功率输出电路中能量转换单元的电路示意图。
图5是本发明实施例2的结构示意图。
图6是本发明实施例3的结构示意图。
图中标记：1为定子的极轭，2为转子的极轭，3为电磁绕组。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，一种基于反激式控制模式的电机，包括定子部分以及转子部分，所述定子的极轭1与转子的极轭2满足下述关系：即二者之比等于相数，所述的相数至少为二相，所述定子的极轭1布置有相应的电磁绕组3，所述电磁绕组3与控制器相连接，所述控制器根据运行状态来控制电机处于正向或反向激励模式。
其中，所述定子部分中的每相由至少一个U形铁芯组成，U形铁芯沿转轴的轴线方向至少布置有两个电磁绕组3，其U形铁芯端面产生的磁场极性相反，各相上的电磁绕组3以转子部分轴心为中心依次均匀间隔排列在同一圆周之上，所述转子的极轭2分别与定子中任一相中定子的极轭1相对应，所述转子的极轭2以转子部分轴心为中心均匀布置在同一圆周之上。
如图2所示，所述控制器包括电源电路、位置检测电路、电流检测电路、控制电路以及功率输出电路，所述控制器根据转子的极轭2位置及转动方向来控制各相电磁单元中每相的充电或放电。
如图3所示，所述功率输出电路包括电源U、开关管T1、T2、续流二极管D1、D2，以及与某相的电磁绕组3相连接的端点A、端点B；所述开关管T1一端与电源的正极相连接，其另一端即端点A与某相电磁绕组3的一端连接，所述某相电磁绕组3的另一端与开关管T2的一端即端点B连接，开关管T2的另一端与电源负极连接;所述续流二极管D1的阴极与电源正极连接，其阳极与端点B连接，所述续流二极管D2的阳极与电源负极连接，其阴极与端点A连接；所述开关管T1和T2的控制端与控制电路连接，在端点A与端点B之间连接有能量转换单元4。
如图4所示，所述能量转换单元包括控制开关K和能量转换电路，所述能量转换电路包括电容C电路或电感L电路或LC电路，所述能量转换电路采用电容C电路或电感L电路或LC电路与电机绕组的电感以并联或串联的形式共同构成一个振荡电路，使之依靠预先存储的能量实现有衰减的周期振荡。
在本实施例中，所述控制开关K的一端与端点A连接，其另一端与电容C的一端连接，所述电容C的另一端与端点B连接。
一种基于反激式控制模式的电机的控制方法，其特征在于：所述电磁绕组3在输入能量时不对转子的极轭2做功，所述电磁绕组3在释放能量时对转子的极轭2做功。在电机转动的初始阶段，对定子部分的电磁绕组3采用正激式的控制模式，通过电磁绕组3在输入能量的过程中对转子的极轭2做功，当所述电机开始转动后并达到预定的转速时，通过控制器将正激式控制模式转换为反激式控制模式。
其中，所述控制电路对电磁绕组3的控制方式为：在转子转动过程中，当转子部分的极轭2与定子中一相的铁芯相对应时，沿转子转动方向排列的相序中对应的电磁绕组3依次为放电状态和充电状态，此时转子的极轭2所对应相中的电磁绕组3为既不放电也不充电状态，所述电磁绕组3充电的最大周期为转子的极轭2经过至少一个定子的极轭1的时间，所述转子的极轭2在对应相中的电磁绕组3的放电过程中被吸过来。
实施例1的具体实施过程：
电机的启动过程：因为电机的转子可以停在任意的位置，故首先给某相电磁绕组3通电，使其固定位置，然后在按转动方向的要求顺序的给其它相的电磁绕组3通电，再根据位置检测信号来确定各相的依次导通和关断。此时电机按照要求的转动方向旋转，当达到某一确定的速度时，启动过程结束，控制器开始按照反激式控制模式工作，假设在如图1所示的位置时，转子的极轭2处在B相的位置，电机按逆时针方向旋转，当收到Y位置信号时，首先给C相的电磁绕组3通电，电机继续沿离开C相的反向旋转，当收到X位置信号时,表明转子的极轭2已离开B相的位置处在A相的位置，此时给C相的电磁绕组3断电，给B相的电磁绕组3通电.由于之前已使C相的电磁绕组3达到了最大的充电电流，电感中的电流不能突变，故C相的电磁绕组3在最大电流开始放电，该电流产生的强磁场迅速地将处在A相的位置上的转子极轭2向C相的位置吸引，余此类推。
在上述的关断过程中，在未启用能量转换单元4时，如图3所示，可采用单管关断或双管关断的二种方案，二者略有不同，双管关断时放电迅速，存储的能量可以通过二个续流二极管回馈电源，适用于速度较高时应用，而单管关断其存储的能量不会回馈电源，而是通过一个续流二极管自我续流，直至其存储的能量消耗殆尽。
在启用能量转换单元4时，如图4所示的结构，采用单管关断或双管关断的差别不大，以单管关断来说明其工作过程。当关断下管T2时，此时电磁绕组3的输入回路已被断开，由于开关K的闭合，将电容C与电磁绕组3相并联，由于之前电容C上电压为零，因此电容C被反向充电，其极性为左负右正，电磁绕组3的放电电流为逆时针方向流动，当电磁绕组3中的电流下降为零时，电容C已被反向充电至最大电压，电容C开始向电磁绕组3反向放电，其放电电流为顺时针方向流动，以此形成衰减振荡直至开关K被断开，在此电路中断开开关K的应选择电容C上的电压为零的时刻，以使下一循环正常进行。
需要说明的是，对于其它形式的能量转换电路，尽管其电路形式和连接方式会略有不同，但其作用原理相同，都是为了达到将所存储的能量发挥到最大的作用效果的目的。
实施例2：
如图5所示，一种基于反激式控制模式的电机，包括定子部分以及转子部分，所述定子的极轭1与转子的极轭2满足下述关系：即二者之比等于相数，所述的相数至少为二相，所述定子的极轭1布置有相应的电磁绕组3，所述电磁绕组3与控制器相连接，所述控制器根据运行状态来控制电机处于正向或反向激励模式。
其中，所述定子部分中的每相由至少二个极轭构成，每个极轭上有一个电磁绕组3，其极轭端面产生的磁场极性相反，各相上的电磁绕组3以转子部分轴心为中心依次均匀间隔排列在同一圆周之上。其他与实施例1相同。
实施例3：
如图6所示，一种基于反激式控制模式的电机，包括定子部分以及转子部分，所述定子的极轭1与转子的极轭2满足下述关系：即二者之比等于相数，所述的相数至少为二相，所述定子的极轭1布置有相应的电磁绕组3，所述电磁绕组3与控制器相连接，所述控制器根据运行状态来控制电机处于正向或反向激励模式。
其中，所述定子部分中每相为一个整体单独构成，每相采用一个集中的电磁绕组3或采用各个定子的极轭1独立布置电磁绕组3，各个定子的极轭1以转子部分的轴心为中心依次间隔相应的距离均匀排列在同一圆周之上，其间隔的距离等于极轭的宽度与相数的乘积，各相沿转子轴线方向排列且使其定子的极轭按极轭宽度顺序错开。其他与实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于反激式控制模式的电机，包括定子部分以及转子部分，其特征在于：所述定子部分中每相为一个整体单独构成，每相采用一个集中的电磁绕组（3）或采用各个定子的极轭（1）独立布置电磁绕组（3），各个定子的极轭（1）以转子部分的轴心为中心依次间隔相应的距离均匀排列在同一圆周之上，其间隔的距离等于极轭的宽度与相数的乘积，各相沿转子轴线方向排列且使其定子的极轭按极轭宽度顺序错开，所述定子的极轭（1）与转子的极轭（2）满足下述关系：即二者之比等于相数；所述的相数至少为二相，所述定子的极轭（1）布置有相应的电磁绕组（3），所述电磁绕组（3）与控制器相连接，所述控制器根据运行状态来控制电机处于正向或反向激励模式，在所述反向激励模式下，所述电磁绕组（3）在输入能量时不对转子的极轭（2）做功，所述电磁绕组（3）在释放能量时对转子的极轭（2）做功；所述控制器包括电源电路、位置检测电路、电流检测电路、控制电路以及功率输出电路，所述控制器根据转子的极轭（2）位置及转动方向来控制各相电磁单元中每相的充电或放电，所述功率输出电路中包含有一个受控的能量转换单元（4），所述能量转换单元（4）包括控制开关K和能量转换电路，所述能量转换电路包括电容C电路或电感L电路或LC电路，所述能量转换电路采用电容C电路或电感L电路或LC电路与电机绕组的电感以并联或串联的形式共同构成一个振荡电路，使之依靠预先存储的能量实现有衰减的周期振荡。
2.根据权利要求1所述的基于反激式控制模式的电机，其特征在于：所述定子部分中的每相由至少一个U形铁芯组成，U形铁芯沿转轴的轴线方向至少布置有两个电磁绕组（3），其U形铁芯端面产生的磁场极性相反，各相上的电磁绕组（3）以转子部分轴心为中心依次均匀间隔排列在同一圆周之上。
3.根据权利要求1所述的基于反激式控制模式的电机，其特征在于：所述定子部分中的每相由至少二个极轭构成，每个极轭上有一个电磁绕组（3），其极轭端面产生的磁场极性相反，各相上的电磁绕组（3）以转子部分轴心为中心依次均匀间隔排列在同一圆周之上。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于反激式控制模式的电机，其特征在于：所述转子的极轭（2）分别与定子中任一相中定子的极轭（1）相对应，所述转子的长度与电机定子的极轭（1）两侧外沿的端线等齐，所述转子的极轭（2）以转子部分轴心为中心均匀布置在同一圆周之上。
5.根据权利要求4所述的基于反激式控制模式的电机，其特征在于：所述功率输出电路包括电源U、开关管T1、T2、续流二极管D1、D2，以及与某相的电磁绕组（3）相连接的端点A、端点B；所述开关管T1一端与电源的正极相连接，其另一端即端点A与某相电磁绕组（3）的一端连接，所述某相电磁绕组（3）的另一端与开关管T2的一端即端点B连接，开关管T2的另一端与电源负极连接;所述续流二极管D1的阴极与电源正极连接，其阳极与端点B连接，所述续流二极管D2的阳极与电源负极连接，其阴极与端点A连接；所述开关管T1和T2的控制端与控制电路连接，在端点A与端点B之间连接有能量转换单元（4）。
6.根据权利要求5所述的基于反激式控制模式的电机，其特征在于：所述控制开关K的一端与端点A连接，其另一端与电容C的一端连接，所述电容C的另一端与端点B连接。
7.一种基于反激式控制模式的电机的控制方法，其特征在于：反激式控制方法为电磁绕组（3）在输入能量时不对转子的极轭（2）做功，电磁绕组（3）在释放能量时对转子的极轭（2）做功。
8.根据权利要求7所述的基于反激式控制模式的电机的控制方法，其特征在于：在电机转动的初始阶段，对定子部分的电磁绕组（3）采用正激式的控制模式，通过电磁绕组（3）在输入能量的过程中对转子的极轭（2）做功，当所述电机开始转动后并达到预定的转速时，通过控制器将正激式控制模式转换为反激式控制模式。
9.根据权利要求8所述的基于反激式控制模式的电机的控制方法，其特征在于：所述控制电路对电磁绕组（3）的控制方式为：在转子转动过程中，当转子部分的极轭（2）与定子中一相的铁芯相对应时，沿转子转动方向排列的相序中对应的电磁绕组（3）依次为放电状态和充电状态，此时转子的极轭（2）所对应相中的电磁绕组（3）为既不放电也不充电状态，所述电磁绕组（3）充电的最大周期为转子的极轭（2）经过至少一个定子的极轭（1）的时间，所述转子的极轭（2）在对应相中的电磁绕组（3）的放电过程中被吸过来。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |