CN104158376B - 一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：它包括定子机座、定子铁芯、定子磁极、转子铁芯、励磁绕组、转子轴、轴承、转子电枢绕组和滑环组；定子机座采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯固定设置在定子机座内，定子磁极固定设置在定子铁芯内，在定子磁极上绕设励磁绕组或布置永磁块；位于定子磁极的N极和S极中间，转子铁芯固定设置在转子轴上，转子轴带动转子铁芯绕轴心旋转，转子轴通过轴承固定设置在定子机座内，转子铁芯的外圆周上均匀开设若干第一槽，第一槽中设置转子电枢绕组；位于转子铁芯的一侧或两侧，在转子轴上设置滑环组；转子电枢绕组中的各相绕组通过滑动接触的滑环组和电刷与外部静止供电电路连接。

Description

一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机

技术领域

本发明涉及一种直流电机，特别是关于一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机。

背景技术

现代社会已无法离开电机，电机的应用遍及交通运输、工农业生产、信息处理，以及日常生活的各个领域。电机的种类繁多，结构也各有不同，有异步电机、永磁电机、电励磁电机等。各类电机在旋转过程中都会产生振动和噪声。噪声是一种环境污染，人们如果长时间工作在噪声比较大的环境中，会对健康产生不良的影响；在军工领域振动噪声也会产生危害；在日常生活中电机的噪声过大也会产生一定问题。例如家用电器的噪声应该尽量小，不能够影响所处环境中的人们的正常生活。对电机本体而言，振动会造成电机铁芯形变、转轴偏心等不利后果，对电机的使用寿命也有所影响。因此，降低电机的振动和噪声具有非常重要的意义。

电机的气隙中存在着基波磁场和一系列的谐波磁场。在电机运行过程中，这些气隙磁场之间相互作用，将会产生作用于电机铁芯上的切向及径向的电磁力；其中，切向电磁力产生转矩，而径向电磁激振力引起定子铁芯变形。各种极对数、各种转速的径向电磁激振力波都分别作用在定子、转子铁芯上，使定子铁芯和机座以及转子出现随时间周期性变化的径向形变，因此产生振动和噪声。

电机的电磁激振力中最主要的包括三类：第一类是与极数相关的低频电磁激振力；第二类是与齿槽数相关的中频电磁激振力；第三类是与电力电子装置开关频率相关的高频激振力。这三类电磁激振力是电机与电力电子装置本质造成的，减小和削弱这种电磁激振力存在极大的困难。对于第一类电磁激振力，现有方法只能通过降低电机的气隙磁通密度来实现，但是该方法会降低电机的转矩和功率密度。对于第二类电磁激振力，往往采用斜槽或闭口槽，然而斜槽效果不明显，且工艺复杂；闭口槽会增加槽漏抗。对于第三类电磁激振力，现有方法是增加滤波电路、降低与开关频率相关的谐波或者提高开关频率，但是增加滤波电路增大了设备重量，并降低了可靠性；提高开关频率会增加损耗，降低效率。由此可见，到目前为止，还没有解决电机振动和噪声的较好的方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，从而实现电机系统减振降噪的目的。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：它包括定子机座、定子铁芯、定子磁极、转子铁芯、励磁绕组、转子轴、轴承、转子电枢绕组和滑环组；所述定子机座采用常规电机的安装方式固定，所述定子铁芯固定设置在所述定子机座内，所述定子铁芯是电机磁路的一部分，所述定子磁极固定设置在所述定子铁芯内，在所述定子磁极的N极和S极上均绕设励磁绕组或在所述定子磁极的N极和S极上均布置永磁块；位于所述定子磁极的N极和S极中间，所述转子铁芯固定设置在所述转子轴上,所述转子轴带动所述转子铁芯绕轴心旋转，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯的外圆周上均匀开设若干第一槽，所述第一槽中设置所述转子电枢绕组；位于所述转子铁芯的一侧或两侧，在所述转子轴上设置所述滑环组；所述转子电枢绕组中的各相绕组通过滑动接触的所述滑环组和电刷与外部静止供电电路连接。

所述定子磁极采用凸极结构或隐极结构。

所述转子电枢绕组采用多相绕组，每相绕组采用单线圈结构或多线圈的分布式结构。

所述转子电枢绕组中的线圈由节距为整距的线圈构成或由短距或者长距的线圈构成。

在所述定子磁极的N极和S极上均开设第二槽，并在所述第二槽内设置磁场波形调节绕组，当磁场波形调节绕组采用两个线圈时，所述磁场波形调节绕组的一个线圈边设置在所述第二槽内，另一线圈边设置在所述定子磁极的N极或S极的两侧。

在所述定子磁极的N极和S极上均开设第二槽，并在所述第二槽内设置磁场波形调节绕组，当磁场波形调节绕组采用两个线圈时，所述磁场波形调节绕组的一个线圈边设置在所述第二槽内，另一线圈边设置在所述定子磁极的N极或S极上开设的另一所述第二槽内。

在所述定子磁极上开设若干第三槽，所述第三槽内设置阻尼绕组。

所述有刷直流电机采用方波或梯形波电流供电。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于包括定子机座、定子铁芯、定子磁极、转子铁芯、励磁绕组、转子轴、轴承、转子电枢绕组和滑环组，定子机座采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯固定设置在定子机座内，定子磁极固定设置在定子铁芯内，励磁绕组绕设在定子磁极的N极和S极上，实现电机磁场相对定子静止；采用滑环替代直流电机的换向器，使电刷与转子滑环连续滑动接触，因此本发明能够避免普通交流电机磁场相对定子运动带来的低频电磁激振力，降低机械振动和噪声，减小电刷的维护。2、本发明由于转子电枢绕组采用多相绕组，每相绕组采用单线圈结构或多线圈的分布式结构，增加了绕组换相的次数，更接近直流电机的换相，因此本发明能够实现转矩的平滑，从而降低电机的振动和噪声。3、本发明由于在定子磁极的N极和S极上均开设第二槽，并在第二槽内设置磁场波形调节绕组，磁场波形调节绕组的一个线圈边设置在第二槽内，另一线圈边设置在定子磁极的N极或S极的两侧，因此本发明能够改善电机磁极的饱和情况，提高电机的转矩和功率密度。4、本发明由于在定子磁极上开设若干第三槽，并在第三槽内设置阻尼绕组，因此本发明能够削弱电机的谐波磁场，尤其是与齿槽相关的谐波磁场，达到降低与齿槽数相关的中频电磁激振力。5、本发明由于采用方波或梯形波电流供电，供电的电力电子装置不需要采用PWM高频调制，因此本发明能够削减电机的高频电磁激振力。基于以上优点，本发明可以广泛应用于家用电器、医疗仪器、工业生产、制造业和民用领域的电机系统、航空航天电机电器设备领域、舰船辅助机械和舰船推进等系统领域以及可移动电气系统领域，对系统的减振降噪具有重要意义。

附图说明

图1是本发明有刷直流电机的横截面示意图，是图2的B-B切面图；

图2是本发明有刷直流电机的轴向截面示意图，是图1的A-A切面图；

图3是励磁绕组通直流电时的磁力线分布示意图；

图4是采用永磁体励磁时的磁极示意图；

图5是转子电枢绕组通电时N极上的磁力线分布示意图；

图6是励磁绕组与转子电枢绕组通电时N极上的磁力线分布示意图；

图7是转子电枢绕组与外部供电电路的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1和图2所示，本发明能够降低电磁激振力的有刷直流电机包括定子机座1、定子铁芯2、定子磁极3、转子铁芯4、转子轴5、轴承6、转子电枢绕组7和滑环组8。其中，定子机座1可采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯2固定设置在定子机座1内，定子铁芯2是电机磁路的一部分，定子磁极3固定设置在定子铁芯2内。位于定子磁极3的N极和S极中间，转子铁芯4固定设置在转子轴5上,转子轴5能够带动转子铁芯4绕轴心旋转，转子轴5通过轴承6固定设置在定子机座1内，转子铁芯4的外圆周上均匀开设若干第一槽(图中未示出)，第一槽中设置转子电枢绕组7；转子电枢绕组7采用多相绕组，每相绕组可以采用单线圈结构，也可以采用多线圈的分布式结构。位于转子铁芯4的一侧或两侧，在转子轴5上设置滑环组8；转子电枢绕组7中的各相绕组通过滑动接触的滑环组8和电刷(图中未示出)与外部静止供电电路连接。

为避免普通交流电机磁场相对定子运动带来的低频电磁激振力，如图1所示，在定子磁极3的N极和S极上均绕设励磁绕组31。电机运行时，在励磁绕组31中通入直流电流，励磁绕组31周围会产生如图3中的磁力线41所表示的磁场，从磁场可以看出定子磁极3上的磁场分布是静止的，相对于定子不动，因此定子磁极3受到的磁拉力将不发生变化，各个位置的磁拉力为恒定力。这与异步电机以及普通的同步电机的定子上的旋转磁场引起的磁拉力不同，其由于磁场相对定子运动，导致定子受力随磁场的旋转而变化，其中最突出的磁拉力为频率与磁场极数成正比的低频磁拉力。而本发明的定子磁极3上完全没有该低频磁拉力，从而减小了低频电磁激振力。

上述实施例中，如图4所示，还可以采用永磁体励磁，在定子磁极3的N极和S极上均布置永磁块10，利用永磁块10替代励磁绕组31建立磁场。

上述实施例中，定子磁极3可以采用凸极结构或隐极结构，定子磁极3可以由一对NS极构成，也可以由多对NS极构成。

上述实施例中，转子电枢绕组7中的线圈由节距为整距的线圈构成，也可以由短距或长距的线圈构成。

为提高转矩和功率密度，如图1所示，在定子磁极3的N极和S极上分别开设一第二槽9，并在第二槽9内设置磁场波形调节绕组32。磁场波形调节绕组32可以由一个以上线圈构成，只要其通电后能够改善定子磁极3局部的饱和，使整个定子磁极3的磁场更为均匀即可。当磁场波形调节绕组32由两个线圈构成时，磁场波形调节绕组32的一个线圈边设置在第二槽9内，另一线圈边可以设置在定子磁极3的N极或S极的两侧，也可以设置在定子磁极3的N极或S极上开设的另一第二槽9内。

电机运行时，在励磁绕组31中通入直流电流，励磁绕组31周围会产生如图3中的磁力线41所表示的磁场；在转子电枢绕组7的各相绕组中按一定规律通入瞬时电流方向如图5所示的电流，转子电枢绕组7周围会产生如图5中磁力线42所表示的磁场，转子将会受到驱动转子向逆时针方向运动的力，形成转矩。励磁绕组31周围产生的磁场与转子电枢绕组7周围产生的磁场相互叠加，得到如图6中磁力线43所表示的磁场。由于定子磁极3中N极和S极的对称性，图6中只给出了N极上的磁力线分布。N极左侧的磁力线分布密集，而右侧的磁力线分布稀疏，即磁极左侧的磁通密度高，而磁极右侧的磁通密度低，这将导致磁极左侧的磁路饱和，而磁极右侧的磁路不饱和。这种磁极一侧的磁路饱和将导致转矩的降低，因为导体受力正比于磁通密度、电流和导体长度。转矩的下降意味着如果要让电机输出足够的转矩，则电机的体积重量将增加。在磁场波形调节绕组32中通入直流电流，磁场波形调节绕组32周围产生的磁场与转子电枢绕组7周围产生的磁场的方向相反，大小相等，因此两个磁场能够相互抵消。励磁绕组31周围产生的磁场、转子电枢绕组7周围产生的磁场以及磁场波形调节绕组32周围产生的磁场三者叠加，得到的磁场为励磁绕组31中通入直流电流时产生如图3中的磁力线41所表示的磁场。此时的磁场不存在因转子电枢绕组7的电流引起的磁路饱和，以及磁通密度下降的问题。

为降低与定转子齿槽数相关的中频电磁激振力，如图1所示，在定子磁极3上开设若干第三槽(图中未示出)，第三槽内设置阻尼绕组11。与普通同步电机的阻尼绕组类似，阻尼绕组11由布置在第三槽中的若干导体构成，导体的两端分别位于定子磁极3的两端面上，位于定子磁极3同一端面上的导体端短路连接在一起。由于开槽引起的齿谐波磁场会在阻尼绕组11中产生电流，该电流起到削弱齿谐波磁场的作用，齿谐波磁场的削弱也就意味着齿谐波引起的定子磁极3受到的电磁激振力的减小，即减小定转子齿槽数相关的中频电磁激振力。

为降低与电力电子装置开关频率相关的高频激振力，采用方波或梯形波电流的供电方式，供电电路如图7所示，转子电枢绕组7的一相绕组在一个电周期内只需要换相两次，即绕组的线圈边经过一个磁极换相一次。这与现有的永磁同步电机或者异步电机的正弦电压控制方式截然不同，为了实现正弦电压，需要很高的开关频率，如5kHz～20kHz。如此高的频率会在电机中引起与开关频率以及开关频率倍数次的谐波电压和电流，这些电流在电机中引起高频的电磁激振力。

如图7所示，转子电枢绕组7由A1、A2、B1、B2、C1、C2六个线圈构成，位于同一直径上的两个线圈边构成一个线圈。A1、A2、B1、B2、C1、C2六个线圈通过滑动接触的滑环组8和电刷与外部静止供电电路连接，其具体连接方式为：六个线圈的末端都连接在一起，六个线圈的首端分别通过一滑环和两个电力电子开关VTi(i＝1,2,……,12)与直流电源Udc连接，每两个电力电子开关串联后连接在直流电源Udc的两端，每个电力电子开关VTi两端并联一续流二极管VDj(j＝1,2,……,12)。电力电子开关VTi的开通、关断或者换相的时刻，根据位置传感器检测到的转子铁芯4旋转的角度进行确定。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：它包括定子机座、定子铁芯、定子磁极、转子铁芯、励磁绕组、转子轴、轴承、转子电枢绕组和滑环组；所述定子机座采用常规电机的安装方式固定，所述定子铁芯固定设置在所述定子机座内，所述定子铁芯是电机磁路的一部分，所述定子磁极固定设置在所述定子铁芯内，在所述定子磁极的N极和S极上均绕设励磁绕组或在所述定子磁极的N极和S极上均布置永磁块；所述转子铁芯固定设置在所述转子轴上,且所述转子铁芯位于所述定子磁极的N极与S极之间，所述转子轴带动所述转子铁芯绕轴心旋转，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯的外圆周上均匀开设若干第一槽，所述第一槽中设置所述转子电枢绕组；在所述转子轴上设置所述滑环组，所述滑环组位于所述转子铁芯的一侧或所述滑环组位于所述转子铁芯的两侧；所述转子电枢绕组中的各相绕组通过滑动接触的所述滑环组和电刷与外部静止供电电路连接；

在所述定子磁极的N极和S极上均开设第二槽，并在所述第二槽内设置磁场波形调节绕组，当磁场波形调节绕组采用两个线圈时，所述磁场波形调节绕组的一个线圈边设置在所述第二槽内，另一线圈边设置在所述定子磁极的N极或S极的两侧，或另一线圈边设置在所述定子磁极的N极或S极上开设的另一所述第二槽内。

2.如权利要求1所述的一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：所述定子磁极采用凸极结构或隐极结构。

3.如权利要求1或2所述的一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：所述转子电枢绕组采用多相绕组，每相绕组采用单线圈结构或多线圈的分布式结构。

4.如权利要求3所述的一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：所述转子电枢绕组中的线圈由节距为整距的线圈构成或由短距或者长距的线圈构成。

5.如权利要求1或2或4所述的一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：在所述定子磁极上开设若干第三槽，所述第三槽内设置阻尼绕组。

6.如权利要求3所述的一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：在所述定子磁极上开设若干第三槽，所述第三槽内设置阻尼绕组。

7.如权利要求1或2或4或6所述的一种能够降低电磁激振力的有刷直流电机，其特征在于：所述有刷直流电机采用方波或梯形波电流供电。