CN1271204A - 双凸极脉冲式直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双凸极脉冲式直流电动机,该机由设置着直流绕组的凸极式定子和无电枢绕组的凸极式转子组成。当转子凸极与定子凸极对应在不同位置时,给定子直流绕组通以断续的脉冲直流,对转子产生磁拉力使电机输出转矩和机械功率。本电动机输出功率和转矩较大,可作为无燃动力取代发动机,使自行车、摩托车和汽车等运载工具电动化。

Description

双凸极脉冲式直流电动机

本发明属于直流电动机。

通常电动机的凸极都设置在转子上，定子上设置交流绕组，例如步进电机和反应式同步电机。一般转矩和功率都很小，只能作执行元件使用，很难驱动较大功率的机械负载。

本发明的目的是提供一种结构简单、造价低廉，具有串激直流电动机的机械特性的转矩和功率较大的双凸极脉冲式直流电动机。

实现上述目的途径是：由凸极式定子1，凸极式转子2构成的双凸极脉冲式直流电动机的主件。在凸极式定子1上设有直流绕组3，定子1的凸极与转子2的凸极之间留有气隙5，使凸极式定子与转子凸极的极弧宽占有的空间幅射角α与极宽占有的空间幅射角β之比α/β＝0.5～0.6为佳。

现以2极双凸极脉冲式直流电动机为例，对本发明作详细论述。

图1为转子在里，定子在外的2极双凸极脉冲式直流电动机的结构图；

图2为给定子直流绕组3断续通电的空间相对位置图。其中：1.凸极式定子；2.凸极式转子；3.定子直流绕组；4.主磁通Ф；5.定、转子极靴之间的气隙δ；6.轴；7.转子的旋转方向；8.安装在定子上触发可控硅Ta使用的定位脉冲发生器；9.安装在定子上触发可控硅Tb使用的定位脉冲发生器；10、11.为分别安装在转子的两个凸极上触发定位脉冲发生器8、9动作的执行元件。图中下列符号代表的含义是：

A-A，定子凸极的中心线。

B-B，转子凸极的中心线。

α-定子和转子凸极的极弧宽占有空间的幅射角。

β-定子和转子的极宽占有空间的幅射角。

θ₁-直流绕组开始通电时，定子凸极中心线A-A与转子凸极中心线B-B之间的空间夹角，(又是导电角)。

θ₂-直流绕组开始断电时，定子凸极中心线A-A与转子凸极中心线B-B之间的空间夹角。

θ₃-直流绕组开始通电时，定子与转子凸极的极弧重合的空间角。

图3为实现电动机断续导电的控制线路图。图中各符号的代表含义是：

E-直流电源。

R、L-分别为电动机的内阻和电感。

R_G-可控硅Ta、Tb控制极的限流电阻。

Rc-电容器C充电时的限流电阻。

C-截止可控硅Ta、Tb提供反向电流的电容器。

D-续流二极管。

Ta-导通定子绕组电流的可控硅元件。

Tb-截止定子绕组电流的可控硅元件。

双凸极脉冲式直流电动机如图1、图2所示，主件由凸极式定子1、凸极式转子2构成。定、转子使用的硅钢片与Y系列电机相同；设计时，使定、转子凸极的极弧宽占有空间的幅射角α与极宽占有的空间幅射角β之比α/β＝0.5～0.6为佳。在定、转子凸极之间有气隙5，对气隙5的δ值的设计与同功率、同转速的三相异步电动机相同。对定子直流绕组3的设计，应使直流绕组的电流I与匝数Z的乘积安匝数ZI，在气隙5的δ处所产生的最小磁通密度βδ＝10,000高斯。当凸极式转子2运行到凸极中心线B-B图1所示位置时，给直流绕组3通电后将产生主磁通4，主磁通Ф穿过气隙δ经过凸极式定、转子构成闭合回路。当主磁通Ф的磁力线力图收缩时，在凸极式转子2上产生一个向着旋转方向7的磁拉力，使转子绕轴6以转速n运转。

双凸极脉冲式直流电动机的工作原理是：

若图1所示的凸极式转子2的凸极无论停留在空间任何位置，给定子直流绕组3通以稳恒电流时，由于磁力线产生的磁拉力有力图使磁力线收缩到行经最短路径的功能，必然使转子旋转至中心线B-B与定子凸极中心线A-A重合而终止，随着转子中心线B-B在空间的位置不同而转动的方向和角度也不同。

为了使凸极式转子2产生一个同方向的转矩M，就必须按照转子凸极在空间与定子凸极存在的相对位置，给直流绕组3通以断续的直流。

实现断续导电的具体方法是：当安装在转子两个对称凸极上的动作执行元件10或11运行到与固定在定子上的触发可控硅Ta、Tb的定位脉冲发生器8、9在空间的幅射角度重合时，均可立即触发可控硅Ta或Tb，分别导通和截止定子直流绕组中的电流。因此动作执行元件10、11要严格安装在转子凸极的中心线B-B上；触发可控硅Ta的定位脉冲发生器8，安装在与定子凸极中心线A-A空间为θ₁的夹角处；触发可控硅Tb的定位脉冲发生器9，安装在与定子凸极中心线A-A空间为θ₂的夹角处。

实现断续导电的具体过程是：当转子上的动作执行元件10(如图1所示)，随着转子旋转到与定子上的定位脉冲发生器8在空间角度重合时，立刻使定位脉冲发生器8接通，可控硅Ta的控制极产生一个触发脉冲电流，使可控硅Ta导通后接通直流电源E，电机的直流绕组3通电后在磁拉力的作用下，转子按照旋转方向7旋转，从而使电机输出转矩和机械功率。与此同时，通过限流电阻Rc、电容器C、可控硅Ta形成了对电容器C的充电回路，给电容器C充电为左负右正，为准备截止Ta提供了产生反向电流的条件。当转子上的动作执行元件10(如图2所示)旋转到与定子上的定位脉冲发生器9在空间角度重合时，立刻使定位脉冲发生器9接通，可控硅Tb的控制极产生一个脉冲电流，使可控硅Tb导通。此时电容器上的电压经Tb管而逆向Ta管放电，使可控硅Ta关断。为了改善关断条件，加设了续流二极管D。Ta关断后因对电容器C反充电至左正右负，直流绕组3中仍有电流通过，这就是触发可控硅Tb使用的定位脉冲发生器9安装在与定子凸极中心线A-A有一定空间角度θ₂的原因。当转子另一凸极上的动作执行元件11，随着转子旋转到与定子上的定位脉冲发生器8在空间角度重合时，可立刻导通可控硅Ta而关断可控硅Tb，重复上述的过程，使电机连续运转。

对θ₂的选择可根据电源E的电压、电机的内阻R、电感L、电容器C和转速n综合试验确定。一般选择在θ₂＝5°～10°为宜。对θ₁选择应使θ₁＜β/2，在开始给直流绕组3通电时确保定子与转子凸极的极弧有一定的空间重合角θ₃，而使转子产生的转矩与旋转方向7一致。θ1、θ₂具体数值可由试验确定。

双凸极脉冲式电动机的转矩M与转速n之间具有良好的机械特性n＝f(M)，其机械特性曲线如说明书附图的图4所示。

从图4中可知，该机具有与串激直流电动机相似的机械特性。这是因为电机绕组是一个具有电感L和电阻R的RL电路，时间常数τ＝L/R，当接通直流电源E之后，绕组中的电流I按下式规律变化：

I＝E/R(1-e^-R/L.t)

从上式可知，若绕组通电后经过导电角θ₁的时间为t，电流I及产生的转矩M与时间t成正比，因此随着转速n的上升，导电时间t相应缩短，转矩M必然减小，而得到上图所示的机械特性曲线。

本机的定子为无齿无槽的凸极式，定子上设有集中绕组，下线极为方便；在凸极式转子上没有任何形式的通电导体。其结构简单、造价低廉，可根据负载转矩M的大小自动调节转速。可广泛用于电动自行车、电动摩托车和电动汽车等领域。

双凸极脉冲式直流电动机高效节能的理论依据。

1.本机因凸极式转子上没有设置任何形式的通电导体，其转子铜损P_cu2＝0。

2.本发明的目的主要是设计制造低转速、大转矩无调速装置的电动机。最高转速n＝600转/分为宜，2极电机脉冲电流引起的磁场变化频率为f＝600/60＝10(HZ/秒)；而交流电动机磁场变化频率与转速无关均为f＝50HZ/秒。因电机的铁损与磁场的变化频率f成正比，所以在低速运行状态下的双凸极脉冲式直流电动机的铁损P_Fe要比交流电动机小得多。

对该项发明制造的双凸极脉冲式直流电动机，在自行车上使用测试，当直流电压E＝24伏、转速n＝200转/分时，其输入功率P₁＝200瓦，输出功率P₂＝180瓦，本机效率η＝P₂/P₁＝90％。

Claims (2)

1.一种由凸极式定子(1)、凸极式转子(2)、定子直流绕组(3)构成的双凸极脉冲式直流电动机，其特征在于：凸极式定子(1)和凸极式转子(2)的极弧宽占有空间的幅射角α与极宽占有的空间幅射角β之比α/β＝0.5～0.6。

2.根据权利要求1所说的一种双凸极脉冲式直流电动机，其特征在于：将直流绕组(3)设置在外边为定子(1)的凸极上，里边的凸极为转子或将直流绕组(3)设置在里边为定子(1)的凸极上，外边的凸极为转子(2)的各种极对数的电动机。

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