CN1255766A - 双凸极定子双馈电无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

双凸极定子双馈电无刷直流电机是一种电枢绕组和励磁绕组可以独立控制的直流无刷电机,该电机的内部由定子、励磁绕组、转子、电枢绕组、转轴、转子位置传感器所组成,定子和转子均为凸极结构,电枢绕组和励磁绕组均放在电机的定子上,其中电枢绕组套在定子的凸极上,使处于磁场中相同位置的齿上的绕组构成一相绕组,励磁绕组固定在定子的上半部与下半部的接缝处,转子位置传感器位于电机的一端,由齿轮形圆盘和槽形光电耦合器构成。

Description

双凸极定子双馈电无刷直流电机

本发明为一种无刷直流电机，尤其是一种双凸极定子双馈电的无刷直流电机，属于直流电机制造的技术领域。

众所周知，传统的直流电机因电枢绕组电流与励磁绕组电流可以分别地加以控制，无论是作为电动机运行时的调速特性，还是作为发电机运行时输出电压的稳定性，均是众多电机中最理想的。但是，因该电机结构上存在着机械式电刷和换向器，维护十分不便，可靠性差，极大地限制了它的应用范围。因此，长期以来，人们致力于研究无刷调速电机。交流感应电机为无刷结构，不需维护，可靠性高，在普通传动领域获得最广泛的应用，但是该电机的调速性能不佳，尽管采用了矢量控制等变频技术，控制复杂，其调速性能仍然无法与直流电机相比。传统无刷直流电机，用电子开关模拟机械式换向器，实现了无刷结构，近年来发展较快。但是，该电机转子上必须放置永磁体以提供励磁，由于永磁材料价格昂贵，性能对环境温度、机械振动等因素敏感，使得该电机成本高，机械强度低，不适宜高速运行。更重要的是，由于永磁体的磁特性无法人为控制，电机的最高转速受到极大限制，必须采用弱磁控制技术，来提高电机转速上限，这又进一步增加了系统的复杂性和成本。无论是交流感应电机，还是无刷直流电机，调速性能不理想的核心问题，是励磁电流(或电流的励磁分量)不能象有刷直流电机那样独立地加以控制。因此，一种既为无刷结构，电枢绕组电流和励磁电流又可以分别独立控制的电机，便成为人们多年来的梦想。

本发明的目的就是提供一种调速性能好、机械结构牢固、运行可靠、制造成本低、励磁电流和电枢电流可以分别加以控制的双凸极定子双馈电无刷直流电机。

本发明的双凸极定子双馈电无刷直流电机主要由电机的外壳及定子、转子所组成，该电机的内部由定子、励磁绕组、转子、电枢绕组、转轴转子位置传感器所组成，定子和转子均为凸极结构，电枢绕组和励磁绕组均放在电机的定子上，其中电枢绕组套在定子的凸极上，使处于磁场中相同位置的齿上的绕组构成一相绕组，励磁绕组固定在定子的上半部与下半部的接缝处，转子位置传感器位于电机的一端，齿轮形圆盘固定在转轴上，槽形光电耦合器位于机壳上，齿轮形圆盘的圆周位于槽形光电耦合器的槽中。在定子的上半部与下半部之间的接缝处设有非磁性垫块。

当按所定极性在励磁绕组中通入一定大小的直流电流时，便产生一个上面为N极，下面为S极的恒定磁场。转子旋转时，当某一转子极由与定子极完全不重迭开始进入定子极下时，相应的定子极上的磁通便增大，当定转子极完全重迭时，磁通达到最大值，当转子继续旋转，转子极离开定子极时，该定子极上的磁通便下降。如果在相应的定子绕组中通入方波电流，即当磁通增大时通入正电流，当磁通减小时通入负电流，则电机将产生正转矩，使转子旋转。当按照一定的顺序和逻辑使各相电枢绕组依次通入电流时，则转子将连续不断地旋转，将电能转换为机械能，作电动机运行。由于转矩大小既与电枢绕组电流有关，也与磁场强弱有关，而磁场的强弱决定于励磁磁势(即励磁绕组电流与匝数的乘积)，因此，控制电枢绕组电流或励磁绕组电流均可控制转矩的大小。

反之，如用一原动机拖动电机转子旋转，则变化的磁通将在电枢绕组中感应电势，感应电势大小既与转子速度有关，也与磁场强弱有关，当转速一定时，控制励磁绕组电流的大小，即可控制感应电势。

本发明具有下列优点：

1.既可作电动机运行，也可作发电机运行；

2.作电动机运行时，电枢绕组电流和励磁绕组电流可分别加以独立地控制，调速范围宽，控制灵活；

3.作发电机运行时，同样由于电枢绕组和励磁绕组的电流可以分别独立控制，输出电压稳定；

4.电机转子上既没有绕组，也没有永磁体，结构牢固、可靠，转动惯量小，适合高速运行；

5.既无电刷与换向器，也无永磁体，结构牢固，成本低，不需维护，不受环境温度等因素影响，工作可靠；

6.定转子结构规则，没有永磁体，也不铸铝等，所需加工设备少，制造容易。

图1是本发明电机的横向剖视结构示意图。其中有定子1、励磁绕组2、转子3、电枢绕组4、非磁性垫块5、转轴6。

图2是本发明轴向的剖视结构示意图。其中有组成转子位置传感器7的齿轮形转盘71、槽形光电耦合器72。

图3是图2中转子位置传感器7的剖视图。

图4是本发明与控制器相接的电原理图。

本发明的实施方案如下：

本发明的新型双凸极定子双馈电无刷直流电机的结构如附图1所示。它由定子和转子两大基本部分组成。在定子与转子之间有适当大小的气隙，以保证转子能自由旋转。定子上有6个凸极，转子上有4个凸极(定转子极数除6/4外，也可以为其它组合，如8/6，12/8等)。定子每个极上套有一个线圈，空间位置相对应的两个线圈按照电势相加或同向的原则经串联或并联构成电枢绕组的一相。在定子上另有一个励磁绕组。在靠近励磁绕组附近的定子轭部，各有一个非磁性垫块，用以调节绕组电感，其厚度可根据不同需要确定，直至完全取消。

电枢绕组和励磁绕组均放于电机定子，因而没有电刷；电枢绕组套在定子的凸极上，处于磁场中相同位置的齿上的绕组构成一相绕组；励磁绕组的安放必须保证当在其中通入直流电流时，产生一磁场，使一半定子齿为N极性，另一半为S极性，并且不随转子位置的变化而改变。

将该电机与转子位置传感器、功率变换器等结合，便构成一个直流调速系统；将电机与整流器结合，便构成自励或他励式直流发电机系统。

实例1：电动机

用厚度为0.5mm的硅钢片冲压成所需形状的冲片，然后叠压成一定厚度的定子和转子铁芯。定子铁芯分成两部分，在其中间放入两块非磁性垫块，构成完整的定子。在定子每个极上安放一个线圈，然后将空间相对的两个定子极上的线圈串联组成一相绕组，6个极上的线圈共组成3组。在定子上空间对称的两个槽底部再放入一个励磁绕组。

励磁绕组由直流电源供电，电枢绕组由直流电源经功率变换器供电。为保证各相绕组依一定规律、在适当的转子位置轮流导通，需要一个转子位置传感器提供转子位置信号。

本例中采用光电式转子位置传感器，它由两部分组成：三个彼此相距30度，与定子相对静止的槽形光耦；一个与转子同步旋转、有四对齿槽、齿与槽等宽的齿轮形圆盘安装在转轴上。当圆盘随转子一起旋转时，齿和槽交替经过槽形光耦的槽，当齿部经过槽形光耦的槽时，光耦发光管发出的光不能到达接收管，接收管截止而输出低电平，而当圆盘的槽部经过槽形光耦的槽时，发光管的光线照射到接收管，接收管导通而输出高电平。当转子均速旋转时，每个光耦都输出一路占空比为50％的方波信号，将三个光耦输出信号组合便可确定转子位置，通过测量光耦信号的频率，可以测量转子的转速。

电流调制控制器可以由模拟电路或数字电路组成，作用是从转子位置传感接收信号，以判断转子位置，并根据所设定的逻辑，产生控制信号，去开通或关断电子开关。例如，当判知某一相的磁链正处于上升区时，则发出控制信号使该相上桥臂的开关管导通，下桥臂的开关管截止，而当磁链正处于下降区时，则发出相反的信号。

实例二：发电机

电机的构成与例一相同。

励磁绕组由一直流电源供电，转子由一原动机拖动旋转，则三相绕组中便发出三相交流电势，经一整流器后转变为直流电势。也可以将励磁绕组直流接到整流器的输出端，构成自励式的发电机，只要定子铁芯上有足够的剩磁，便能感应产生一最初的电势，经整流后又加到励磁绕组，产生励磁电流，使磁场增强，则感应电势进一步增大，最后达到一个稳定值。

Claims (3)

1.一种双凸极定子双馈电无刷直流电机，由定子和转子所组成，其特征在于该电机的内部由定子(1)、励磁绕组(2)、转子(3)、电枢绕组(4)、转轴(6)转子位置传感器(7)所组成，定子(1)和转子(3)均为凸极结构，电枢绕组(4)和励磁绕组(2)均放在电机的定子(1)上，其中电枢绕组(4)套在定子的凸极上，使处于磁场中相同位置的齿上的绕组构成一相绕组，励磁绕组(2)固定在定子(1)的上半部与下半部的接缝处，转子位置传感器(7)位于电机的一端。

2.根据权利要求1所述的双凸极定子双馈电无刷直流电机，其特征在于在定子(1)的上半部与下半部之间的接缝处设有非磁性垫块(5)。

3.根据权利要求1或2所述的双凸极定子双馈电无刷直流电机，其特征在于位置传感器(7)中的齿轮形圆盘(71)固定在转轴(6)上，槽形光电耦合器(72)位于机壳上，齿轮形圆盘(71)的圆周位于槽形光电耦合器(72)的槽中。

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