CN1035711C - 转子磁势全息控制的多功能电机 - Google Patents

Abstract

一种转子磁势全息控制的多功能电机，主要包括主定子、主转子、转子供电装置和转子磁势控制装置。转子磁势控制装置由信号发生器和信号传送器组成，根据作业需要产生并传送控制信号控制转子磁势的频率、相位和幅值，使其不受转子本体速速变化的影响。该电机集各种发电机和电动机的功能于一体，特别适用于交通工具，只用一个单电机就可无级变速，又可作起动机，又可作交直流发电机。

Description

转子磁势全息控制的多功能电机

本发明属于电机，涉及一种转子磁势的频率、相位和幅值都能根据作业要求调整和控制的多功能电机。

公知的交流发电机，发电的频率与电压正比于转子的转速，当原动机的转速变化时往往不满足负载所要求的稳定频率与电压。为了使发电的频率、电压稳定，现有技术是设置调速系统使转子的转速恒定，如内燃机—发电机组。这种方法的不足之处是在电力负荷较小的工况时，内燃机仍然稳定在较高的转速，工作在高转速、低扭矩的高油耗区。

公知的直流电机设置有换向器，因此工作时产生火花，噪声大、易磨损，而且直流发电机的输出电压也是随转子转速的变化而变化，要满足输出电压恒定则必须设置断路继电器和电压调节器。

公知的三相交流电动机由于结构的限制，在常规的工频电源供电时，不加变频装置不能调速，而且不能直接接上单相交流或直流电源工作。

欧洲专利EP0069568A3公知了一种“不受短时停电影响的电动机”，由三至四个大型同容量的电机和飞轮组成，在外部供电线路出现不正常情况乃至停电时仍能持续供电一段时间，其不足之处是体积大、耗能大、事故率和成本高且功能单一。

在电机的回馈制动发电方面，现有交流电动机的不足之处是只能在同步转速时(同步电动机)或同步转速以上时(异步电动机)才能回馈发电；直流电动机的不足之处是不能在低转速或刹车停车前回馈制动发电。

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种子磁势全息控制的多功能电机，它集发电和电动功能于一体，作发电机用时，输出的电压恒定，其频率、相位均不受转子本体转速变化的影响，作直流电机用时，不需设置机械换向器，作电动机用时，可以直接用三相交流电源、单相交流电源和直流电源供电，而且不加变频装置即可调转速、调扭矩，在高速—低速区间都能实现再生反馈制动发电，作“不受短时停电影响的电机”时只需一个单机即可完成多机串接才能完成的工作。

本发明的目的是这样实现的：根据电机工作原理，用控制信号控制转子的磁势，使转子磁势不受转子本体转速变化的影响，并完全按控制信号产生符合作业要求的频率、相位和振幅，与现有电机的不同之处主要是设置有转子磁势控制装置。

本发明所提供的多功能电机，包括电源插座、用于发电或电动的主定子和主转子、转子供电装置、转子磁势控制装置、电子功率开关、整流器I、直流调压器转换开关。电源插座通过转换开关与主定子的绕组相连，并和整流器I相连；整流器I输出的直流电一路经直流调压器至转子磁势控制装置，一路直接至转子供电装置，向它们提供励磁工作电能；转子磁势控制装置的输入端与三相交流电源相连，输出端与电子功率开关和转子供电装置相连，将电源的频率、相位、相序作为转子磁势控制信号的参照基准，当接到外界的指令后，一方面向转子供电装置发出供电脉宽控制信号使其产生符合作业需要的转子电流，一方面产生符合作业需要的转子磁势控制信号，并将此信号传送给电子功率开关使相应的主转子绕组通电，形成与控制信号锁频锁相的转子磁势。

为了测量主转子的转速和在发电运行时不外加直流电源，此种多功能电机还可设置测速装置和整流器II，测速装置的输入端与转子供电装置的输出端相连，其输出端与转子磁势控制装置的输入端相连，向转子磁势控制装置提供主转子的转速信号，测速装置的另一输出端与整流器II相连，在发电运行起始时经整流器II分别向转子供电装置和转子磁势控制装置提供启动直流工作电能。

本发明提供的电机，其控制方法如下：(1)通过转子磁势控制信号触发电子功率开关使主转子相应绕组闭合并导电，产生与信号锁频锁相的转子磁势；(2)转子磁势控制信号旋转，转子磁势则被此信号锁频锁相地旋转，转子磁势控制信号静止不动，转子磁势则不动；(3)转子磁势的幅值由转子磁势控制信号的脉宽确定。

本发明所提供的多功能电机的具体结构由以下的实施例及其附图给出。

图1是本发明所提供的多功能电机的一种电路方框图；

图2是本发明所提供的多功能电机的又一种电路方框图，该电机中设置有测速装置；

图3是图2的一种电原理图；

图4是图2的一种结构示意图；

图5是信号传送器的结构图；

图6是供电定子和供电转子的结构图；

图7为本发明所提供的电机在传动系统中以单电机实现无级变速的结构示意图。

下面结合附图对本发明的电机作进一步的说明。

如图2、图3、图4、图5、图6所示，本实施例中的电机包括电源插座1、转换开关2、电子功率开关3、主定子4、主转子5、转子磁势控制装置9、转子供电装置8、整流器I6、直流调压器7、测速装置10、整流器II11和短路开关30。

电源插座1有两套，一套是三相交流电源插座，一套是直流电源插座兼单相交流电源插座。转换开关2为六刀四掷开关。电子功率开关3由六只大功率晶体管组成。转子磁势控制装置由信号发生器和信号传送器组成；信号发生器是一种微处理器，包括控制器12、基本周相循环计数器13、移相器14、传感信号循环计数器15和石英振荡器25，其型号为FPGA或LSI—11；信号传送器可以是光电传感式，也可以是电磁传感式或磁敏传感式，包括信号发射器16和信号接收器17，信号发射器16为固定件，其上有信号发射元件29，信号接收器17为转动件，与主转子5同轴安装，其上有信号接收元件28。转子供电装置8由供电脉宽调节器18、供电功率荡器19、供电定子20、供电转子21、整流器III22组成；供电转子21与主转子5同轴安装，供电定子20和供电转子21的绕组26、27为圆环形，分别安装在供电定子和供电转子上所开的与转轴轴线相垂直的环形槽内；整流器III22为桥式整流器。整流器I6为三相桥式整流器。测速装置10由测速定子24和测速转子23组成，测速转子23与主转子5同轴安装。整流器II11由两只二极管组成。

使用本发明的电机作同步发电机运行时，信号发射器16发出的转子磁势控制信号与电网同步并在沿主定子磁势旋转方向上超前于主定子磁势θ，因此被信号锁频锁相的主转子磁势在旋转方向上引前主定子磁势θ角作同步旋转，向电网馈电。通过信号发生器中的移相器14可使信号发射器16上发出的转子磁势控制信号移相，也就调整了主转子磁势与主定子磁势的夹角θ。这样既可使功率因素cos＝1，使发电机处于最低损耗下工作，也可调节虚功功率的正负值使与负载的阻抗取得最佳匹配，提高电机的发电效率。常规的同步电机转子磁势与转子本体是固定的，而本发明的电机则不同，转子磁势能绕转子本体旋转，转子磁势锁频锁相于定子磁势，不受转子本体转速变化的影响，定子磁势与转子磁势因锁频锁相的关系不会产生定子磁势与转子磁势的失步，其工作原理如下：(1)当主转子本体以同步转速旋转时，合成磁势与转子绕组的相互位置是相对固定的，不产生旋转感应电势，这时产生转子磁势所需的励磁电流完全由转子供电装置8提供；(2)当主转子本体高于同步转速旋转时，合成磁势切割转子绕组产生的旋转感应电势使转子励磁电流增加，这时转子磁势控制装置9自动调整转子供电装置的脉宽，减少或停止供给主转子的励磁电流，同时自动控制传感信号循环计数器的脉宽，使主转子的励磁电流不致过饱和，并增加发电输出；(3)当主转子本体低于同步转速旋转时，产生的旋转感应电势反向，致使转子励磁电流减小，这时转子磁势控制装置9自动调整转子供电装置的脉宽，增加主转子的励磁电流，使转子磁势的幅值保持定值，所以在主转子本体的转速低于同步转速时，在发电的总功率中有一部分要回馈于励磁，使发电输出功率有所减小。

使用本发明的电机作电动机运行时，转子磁势控制信号将主转子磁势锁频锁相于主转子本体旋转方向的定子磁势之后θ角(θ＜π)，通过移相器14调整θ角就可以改变电动机的扭矩和功率因素、容性或感性等参数。

本实施例中的电机通过转换开关2的不同连接方式可以作三相交流电动机、三相交流发电机与直流发电机、单电机无级变速装置、不受短时停电影响的电机、单相交流与直流串励电动机、单相交流与直流并励电动机及低压直流串励电动机运行，其工作原理和电信号传递途径如下：

1.三相交流电动机

将图3中的转换开关接在一档的位置，三相交流电源插座接电源，主定子4的三个绕组通电，在主定子中产生旋转的定子磁势，三相交流电源通过转换开关2与整流器I6的三个输入端相连，整流器I6有两个输出端，一个是正极，一个是负极。经整流后的直流电压一路经转换开关2接至直流电源插座1，向外输出直流电压，一路直接至转子供电装置8提供励磁的电能；一路经直流调压器7向转子磁势控制装置9提供低压电能。三相交流电源还向控制器12的输入端输入交流电的频率、相位、相序信号，它们是转子磁势控制信号移相的参照基准。

转子供电装置8中的供电脉宽调节器18工作既需输入直流电，又受控制器12发出的脉宽控制信号的控制，它按照上述信号将调压后的电压传给供电功率振荡器19。供电功率振荡器19的振荡功率元件为高频大功率晶体管或晶闸管，振荡频率尽可能取20000～30000赫，以使噪音很小、损耗少、重量轻、体积小。供电振荡器19输出端与供电定子20绕组连接，使供电定子绕组产生20000～30000赫的交变磁场，从而在供电转子21的绕组中感应交变电势，经整流器III22整流后供给各转子直流电能。

控制器12将所输入的交流电源的频率、相位运算处理后产生频率指令脉冲和分相指令脉冲，频率指令脉冲在每个交流周期的初相为零时发出一个脉冲，由控制器12的一个输出端传给基本周相循环计数器13；分相指令脉冲在每个交流周期的初相为零时发一个脉冲，以后每间隔

再接续发出其余的脉冲，由控制器12的另一个输出端传给基本周相循环计数器13。基本周相循环计数器13是步进式循环计数器，它由控制器发来的频率指令和分相指令锁频锁相于交流电源的频率与相位，也就是锁频锁相于定子磁势，它逐个接续输出步进信号并由其各个分相通道传给移相器14，再由移相器14的各分相通道逐个接续传给传感信号循环计数器15。

移相器14是移位控制装置，它受控制器12发出的移位控制信号控制，在该信号的作用下，移相器14输入端的各个分相通道可同时向左或向右移动1～数个

相位角与其输出端的各个分相通道连接，这样就使传感信号循环计数器15与基本周相循环计数器13的工作频率相同，但有一定的相位差，也就使主定子磁势与主转子磁势的频率相同且相位差合符指令要求。

传感信号循环计数器15与信号发射器16连接，其输出的信号使信号发射器16逐个接续地向某瞬时相对位置的信号接收器17发射控制信号，信号接收器14收到控制信号后触发相应的电子开关，使主转子中相对应的绕组导电，在相对应的位置上生成转子磁势，转子磁势被控制器12锁频锁相于定子磁势，它们的相位差只受控制器12的控制，与转子本体的转速无关，主定子、主转子磁势之间的相位差产生使主转子本体旋转的电动力，从而形成三相交流电动机。

2.三相交流发电纲与直流发电机

将图3中的转换开关2放在一档位置，当原动机带动主转子5旋转时，测速转子23铁芯中的剩磁磁力线切割测速定子24的绕组，在测速定子绕组中产生交流电势，经整流器II11整流后，向转子供电装置提供启动电能，在供电定子20的绕组中出现较小能量的交变磁场，使供电转子21的绕组中感应交变电势，经整流器III22整流后在测速转子23的绕组中流过较小的电流使测速转子的磁场增强，从而使测速定子24绕组中的交流电势增大，这种电机放大作用很快建立足够的电能并经整流器II11分别向转子供电装置8和转子磁势控制装置9提供直流工作电能。

控制器12根据外界输入的指令所要求的发电频率、相位和电压，把石英振荡器25的时基信号分频后，向基本周相循环计数器13发出频率指令和相位指令，使主转子磁势按要求的频率与相位旋转，主定子绕组中就感生相同频率、相位的电势；同时控制器12还向传感信号循环计数器15和供电脉宽调节器18分别发出脉宽控制信号以调节主转子绕组电流的大小，使转子磁势的幅值合符要求，从而使发电机的电压合符指令要求。当主转子转速为某一定值时，由测速定子24的绕组中产生的电势幅值可测得主转子励磁电流的大小，它是控制器12控制主转子电流的依据。在发电运行时，由于整流器I6和转换开关2的连接方式，使三相交流电源插座输出三相交流电，使直流电源插座输出直流电。

3.单电机无级变速装置

如图7所示，本发明的电机与差动轮系组合即可构成单电机无级变速装置，差动轮系的三个主动元件33、32、31分别与原动轴、从动轴和本发明电机的主转子转轴相连。工作时，将图3中的转换开关2接一档位置。无级变速中各状态的原理如下：

(1)空档

当原动轴以某一转速旋转时，从动轴与静负载连接有一定阻矩，而本发明的电机不预励磁，没有转子磁势，处于空转状态，因而从动轴在阻矩的作用下是静止的。

(2)起动和加速

由则速装置10产生的电能经整流器II11整流后向转子供电装置8和转子磁势控制装置9提供微小的电能，因测速装置的放大作用，很快满足自励磁所需功率。主转子磁势在控制信号的控制下，沿转子本体的旋转方向以较低的转速(交通工具车用的电机每秒1～5转)旋转，即转子磁势的转速小于转子本体的转速，这时主定子绕组中圈数较多、线径较细的主绕组被主转子旋转磁势切割后产生感应电势，流过主定子主绕组的电流与转子磁势作用形成转子旋转阻矩的一部分，主定子绕组中圈数较少(1～10圈)、线径较粗的主扭矩绕组被短路开关30短接后，在转子旋转磁势的切割下产生较大的电流，这又形成转子旋转阻矩的另一部分，这两部分阻矩之和的总阻矩，使转子本体减速，即是使差动轮系的调速元件减速，从而使从动轴起动和加速。

(3)稳速与变速

当测速装置10测得从动轴的转速大于设定转速的上限时，控制器12发出信号使主定子4、主转子5之间的电磁扭矩减小，转子本体转速增加，从而使从动轴转速下降并回到所设定的转速区间；若从动轴的负载突然减小或加入了其他驱动力(如车辆下坡)使转速仍然增加而又需要制动时，则可通过控制信号使转子磁势相对于本体旋转方向反转，这时扭矩的作用使转子本体转速增加，以转子本体动能增加的形式储能，同时主转子磁势切割主定子绕组发电，向蓄电池充电或向其他电器装置供电，就可使从动轴转速下降到所要求的数值。

综上所述，本发明的电机与差动轮系组合形成的无级变速装置是通过控制信号控制电机主定子电流与主转子磁势的电磁扭矩的大小和方向而调节差动轮系中的调节元件的扭矩使从动轴实现无级变速。控制电磁扭矩的大小和方向可由以下措施实现：a.通过控制器12发出的信号控制转子供电装置8的脉宽和传感信号循环计数器15的脉宽，以调节转子电流的大小来控制转子磁势的大小；b.通过控制器12发出的信号控制转子磁势的方向和转速的大小；c.调节串接于主定子绕组中的主扭矩绕组的短路电阻的大小。

4.不受短时停电影响的电机

本发明的电机与储能飞轮连接或将发明的电机作成外转子结构并将转子本体加固加重即可成为不受短时停电影响的电机。为了减小风阻，可将电机和飞轮置于一呈真空状或充有轻质气体的密闭壳体内，工作时将图3中的转换开关2接一档位置。该电机的工作原理如下：

当外部电源电网供电正常时，通过转子磁势控制装置9发出的控制信号使电机作电动机运行，并使电机和飞轮的转速在每分钟6000～60000转之间，因而飞轮可储存大量的旋转动能。

当外部电网基本正常时，转子磁势控制装置9就起调相机与稳压器的作用，能调节正负虚功功率的大小，也能调节实功功率的大小。

当外部电网电压下降或负载出现短时大负荷冲击时，转子磁势控制装置9立刻将电机的功角θ变负，使电机作发电机运行，以补偿电网电压下降或短时大负荷冲击。当外电网出现破坏性的大故障或停电时，转子磁势控制装置9立即将电机与外部电源切断，此时电机可继续向负荷供电1～15分钟，足以启动备用发电机组或动力装置，以保证继续供电。本电机切断外部电源后供电的能量由飞轮所储存的旋转动能提供，虽然飞轮的转速因供电耗能而不断降低，但由于本发明电机的特点是转子磁势的幅值、转速、频率和相位由转子磁势控制装置控制，与转子本体或飞轮的转速无关，所以发电的电压、频率和相位稳定。

5.单相交流与直流串励电动机

将图3中的转换开关2接二档位置，将电源接直流电源插座兼单相交流电源插座。电流从电源插座正极→转换开关2的第六刀→相应的主定子绕组的端头→主定子绕组星形连接中点→转换开关2的第三刀→整流器I6→供电脉宽调节器18→供电功率振荡器19→整流器I6的负极→转换开关2的第四刀→电源插座的负极，形成定转子电流的串连回路，使电机运转。

6.单相交流与直流并励电动机

将图3中的转换开关2接在三档位置，将电源接在直流电源插座、单相交流电源插座的两极上，这时主定子4一个绕组的两端分别通过转换开关2的第6刀和第1刀与电源并连，整流器I6的两个输入端通过转换开关2的第4刀、第5刀和第6刀也是与电源并连，从而使电机工作。

7.低压直流串励电动机

将图3中的转换开关2接在四档的位置，直流电源插座兼交流电源插座接直流电源的正负极即可形成此种电动机，与单电机无级变速装置不同之处有两点：一是电流只通过主定子绕组中圈数较少、线径较大的低压抽头，以适应低压大电流的要求；二是主定子电流与主转子励磁电流直接串接后就与电源连接，不通过整流器I6的二极管，以避免二极管饱和降压引起的功耗。

此种电动机适用于发动机起动或电瓶车。

本发明的具体结构不限于上述实施例，其保护范围由权利要求书确定。

本发明具有以下优点和积极效果：

1.本发明提供的电机作交流发电机用时，在电机转子的各种不同转速下都能发出符合电网要求的频率和相位的电势，也能发出可调的稳定的各种频率和相位的电势。

2.本发明提供的电机作直流电机用时，不需设置机械换向器，故无火花，可靠性高，噪声低，而且“交流发电机——硅整流”直流发电机组在原动机转速有较大幅度的变化时也能保持可调的稳定的直流电，因而可简化或省去稳压装置。

3.本发明提供的电机作电动机用时，可以直接用三相交流电源、单相交流电源和直流电源供电，而且无需再另加变频装置，此种电动机具有自启动能力，起动电流小，能调速调扭矩，在高速——低速区间都能实现再生反馈制动发电。

4.本发明提供的电机与差动轮系组成的无级变速装置体积小、损耗小、变速范围宽，可从零速平滑起动，可按指令使从动轴稳速，可随着负载的增大或减小自动变速，而且降速或停车时可储能或向电网反馈能量。本发明特别适用于作自行车、摩托车、汽车、舰艇的电机，只用一个单电机可无级变速、又可作起动机和交直流发电机。

5.本发明提供的电机作“不受短时停电影响的电机”时，只需一个单机即可完成多机串接才能完成的工作，从而使成本低、可靠性高、效率高。

Claims (5)

1.一种转子磁势全息控制的多功能电机，包括电源插座(1)、用于发电或电动的主定子(4)和主转子(5)、转子供电装置(8)，其特征在于还包括转子磁势控制装置(9)、电子功率开关(3)、整流器I(6)、直流调压器(7)及转换开关(2)，

电源插座(1)通过转换开关(2)与主定子(4)的绕组相连，并和整流器I(6)相连，

整流器I(6)输出的直流电一路经直流调压器(7)至转子磁势控制装置(9)，一路直接至转子供电装置(8)，向它们提供工作电能，

转子磁势控装置(9)的输入端与三相交流电源相连，输出端与电子功率开关(3)和转子供电装置(8)相连，将电源的频率、相位、相序作为转子磁势控制信号的参照基准，当接到外界的指令后，一方面向转子供电装置(8)发出供电脉宽控制信号使其产生符合作业需要的转子电流，一方面产生符合作业需要的转子磁势控制信号，并将此信号传送给电子功率开关(3)使相应的主转子(5)绕组通电，形成与控制信号锁频锁相的转子磁势。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于还设置有测速装置(10)和整流器II(11)，测速装置(10)的输入端与转子供电装置(8)的输出端相连，其输出端与转子磁势控制装置(9)的输入端相连，向转子磁势控制装置提供主转子(5)的转速信号，测速装置(10)的另一输出端与整流器II(11)相连，在发电运行起始经整流器II(11)分别向转子供电装置和转子磁势控制装置提供启动直流工作电能。

3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于：

①转子供电装置(8)由供电脉宽调节器(18)、供电功率振荡器(19)、供电定子(20)、供电转子(21)、整流器III(22)组成，供电脉宽调节器按转子磁势控制装置的脉宽控制信号调节馈给供电功率振荡器电压，供电功率振荡器的输出端与供电定子的绕组连接，使供电定子绕组产生交变磁场从而在供电转子绕组中产生交变电势，经整流III整流后输出直流电，

②转子磁势控制装置(9)由信号发生器和信号传送器组成，

信号发生器是一种微处理器，包括控制器(12)、基本周相循环计数器(13)、移相器(14)、传感信号循环计数器(15)和石英振荡器(25)，

信号传送器包括信号发射器(16)和信号接收器(17)，信号发射器由传感信号循环计数器(15)控制，连续逐个地向某瞬时相对位置的信号接收器发射控制信号，信号接收器接到控制信号后触发相应的电子开关，

③测速装置(10)由测速定子(24)和测速转子(23)组成，测速转子(23)与主转子(25)同轴安装，其输入端与整流器III(22)的正极相连，其输出端与信号接收器(17)和电子开关相连，测速定子(24)的输出端与整流器II(11)和控制器(12)相连。

4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于供电转子(21)与主转子(5)同轴安装，供电定子(20)和供电子转子(21)的绕组(26)(27)为圆环形，分别安装在供电定子和供电转子上所开的与转轴轴线相垂直的环形槽内。

5.根据权利要求3或4所述的电机，其特征在于信号接收器(17)为转动件，与主转子(5)同轴安装。

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