CN1455500A - 多相直流电动机的电源换向装置 - Google Patents

Abstract

多相直流电动机的电源换向装置，属于电机换向器设计技术领域。其特征是，换向片分布在相对电动机定子固定的圆周上，每一相换向片在360°圆周电角度内依次排列有相互绝缘的正电压换向片、第一续流换向片、负电压换向片和第二续流换向片；直流电源的正负电压端之间并联多条分别由两个二极管反向串联成的续流支路；正电压换向片连接直流电源的正电压端，负电压换向片连接其负电压端，第一和第二续流换向片共同连接续流支路中两个二极管的串接点；电刷分布在与电动机转子同轴旋转的圆周上；各相电刷分别连接各项电枢绕组的首端。本发明可避免机械换向过程中的过电压和换向火花，明显改善直流电动机的换向。

Description

多相直流电动机的电源换向装置

技术领域：

多相直流电动机的电源换向装置属于电机换向器设计技术领域。

背景技术：

传统直流电机的换向装置中，旋转换向器的换向片直接与电枢绕组的元件相连，而静止电刷则分别与直流电源的正负极相连，依靠电刷与换向器之间的滑动实现电枢回路的电压和电流的换向。在换向过程中，电刷将时常短路位于磁极中性线附近的电枢绕组元件，由于电枢反应和元件自感的影响，被短路的元件中不可避免地存在剩余感应电动势和电流。当电刷移开该元件对应的换向片时，势必造成过电压、击穿火花和电磁干扰，严重地影响了换向装置的使用寿命，限制了电动机的功率和转速。

目前，改善直流电机换向的方法主要有两类。第一类方法是在直流电机的横轴方向位置引入换向磁极和换向绕组，并使换向绕组串接在电枢回路中。通过选择适当的换向绕组匝数，可以使其磁势抵消部分电枢反应磁势和电枢漏感磁势，从而减小被短路元件中的剩余感应电动势。该方法改善换向的效果较好，在大中容量的直流电机中广为应用。但换向磁极和换向绕组的引入，使得电机的体积和重量明显增大，运行效率降低，散热要求提高，成本也显著上升。而且该方法不能完全消除换向火花。改善直流电机换向的第二类方法是在现有电刷结构的基础上，增加辅助电刷或副电刷。辅助电刷通过半导体器件与直流电源或电容器相连，可为刚刚脱离主电刷的元件提供续流回路。例如，美国专利5929579号“软换向直流电机(“United States Patent 5929579，Soft-commutated direct current motor”)和中国发明专利CN1066156A“改善电机换向的方案及电刷”、CN1377120A“直流电机无电弧换向器”等。这些方法的共同问题是，续流辅助结构固定，当电动机负载和转速变化时很难保证续流的彻底完成。此外，其续流回路结构复杂，有时还需用到受控电力电子器件和电动机反电势的反馈值，实现起来比较困难，并且降低了系统的可靠性，对换向过程的改善作用有限。

另一方面，自上世纪60年代以来发展起来的无刷直流电动机采用全电子换向取代传统直流电机的机械换向，极大改善了电机的换向状况。但受到电力电子开关器件的电流容量、可靠性及其高昂成本的限制，无刷直流电动机目前只应用于小功率容量的应用场合。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提出了一种多相直流电动机的电源换向装置。这种电源换向装置在直流电源的正负极之间反向串接续流二极管，并改变了以往直流电机中换向片与电枢绕组元件连接的方式，其换向片直接与直流电源的正负极以及续流二极管支路的中点相连，并通过与电枢绕组首端相连的多相旋转电刷之间的相对滑动，实现多相直流电动机的换向。

本发明是通过换向片与对应的电刷之间相对滑动而实现电源换向的装置，它含有：

直流电源；

m相换向片：呈环状分布在与电动机转轴同轴的圆周上，换向片与其所在圆周相互绝缘，各相换向片之间也相互绝缘；

m相电刷：与m相换向片的位置相对应，呈环状分布在与电动机转轴同轴的另一圆周上，所述电刷与其所在的圆周相互绝缘，各相电刷之间也相互绝缘，且相邻电刷之间以转轴为圆心间隔360°/m圆周电角度；

其中，m是指多相直流电动机的相数；其特征在于：

所述换向片分布在相对于电动机的定子(6)固定的圆周上，每一相换向片在360°圆周电角度内依次排列有相互绝缘的正电压换向片(1)、第一续流换向片(2a)、负电压换向片(3)和第二续流换向片(2b)；所述电刷(4)分布在与电动机转子(5)同轴旋转的圆周上；

在所述直流电源的正负电压端之间并联有m条分别由两个二极管反向串联而成的续流支路；所述每一相换向片的正电压换向片(1)连接所述直流电源的正电压端，负电压换向片(3)连接所述直流电源的负电压端；第一续流换向片(2a)和第二续流换向片(2b)共同连接对应的续流支路中两个二极管的串接点；所述m相电刷分别连接m相电枢绕组的首端。

其特征在于，所述换向片分布在与电动机转子(5)的端面平行相对且与电动机定子(6)固定的圆盘(7)上，所述电刷(4)分布在与电动机转子(5)的端面固定的圆盘(8)上。

实验证明，本发明具有简洁、可靠的电子续流功能，避免了机械换向过程中的过电压和换向火花，可明显改善直流电动机的换向。利用这种成本低廉的电源换向装置，能够使多相直流电动机的运行可靠性高，功率密度高，电磁干扰小，即保持了传统直流电动机优异的转矩与转速调节性能，又使其功率容量不再受到换向的限制，可取代部分正在使用的传统直流电动机和可调速交流电机。

附图说明：

图1是三相直流电动机的电枢绕组与电源换向装置的电气连接图。图中实箭头表示电刷随转子旋转的方向。

图2a是换向片与电刷径向分布的机械结构示意图，图2b是径向分布的换向片沿圆周方向的展开图；其中1是正电压换向片，2a第一续流换向片，2b是第二续流换向片，3是负电压换向片，4是电刷，5是电动机转子，6是电动机定子，9是电动机转轴。

图3a是换向片与电刷端面分布的机械结构示意图，图3b是换向片在所在圆盘盘面上的分布示意图；图3c是电刷在所在圆盘盘面上的分布示意图；其中7是换向片所在的圆盘，8是电刷所在的圆盘，其余的标号与图2中的标号有相同的含义。

图4是A相绕组首端电压的波形图。

具体实施方式：

本发明以三相一对极的直流电动机的电源换向装置为例，结合附图说明具体实施方式。

如图1所示，电动机的电枢转子上安装有三相对称电枢绕组(a、b、c三相)，各相绕组的尾端在电气上连接在一起，形成星形连接的多相绕组；而各相绕组的首端各自连接到一个随转子5一同旋转的电刷4上。各相电刷4在空间均匀分布，相邻两相电刷相间120°电角度。在电机的定子侧，固定有三组换向片，与旋转电刷4一一对应。在每组换向片的360°电角度内，顺序排放由导电金属制成的、而且相互间绝缘的正电压换向片1、第一续流换向片2a、负电压换向片3和第二续流换向片2b。在静止的直流电源电压的正、负电压端之间，并联有三条分别由两个反向二极管组成的续流支路，每一组换向片与一条续流支路对应。每一组换向片中的正电压换向片1与直流电源的正电压端用导线连接，负电压换向片3与直流电源的负电压端用导线连接，两个续流换向片(2a，2b)与续流支路中两个串联的二极管之间的中点用导线连接。电动机旋转时各相电枢绕组通过电刷4与换向片依顺序：正电压换向片1-第一续流换向片2a-负电压换向片3-第二续流换向片2b-正电压换向片1循环接通，形成正负极性交替变化的首端电压，图4画出了A相绕组首端电压的波形。当A相电刷4脱离正电压换向片1时(t1时刻)，该相绕组中尚有剩余的正向电流。由于存在如图1所示的二极管(D1a、D1b)续流支路，绕组中的剩余电流将沿虚线标出的途径续流，将绕组中的剩余电能回馈到直流电源。此时绕组首端的电压因下方的二极管D1b导通而变负。续流结束后，绕组首端处于阻断状态，电流为零。同理，当a相电刷4脱离负电压换向片时(t2时刻)，也会经历一个与t1时刻类似的续流过程。b相和c相的波形与a相相同，只是在相位上分别比a相滞后120度和240度。

本发明的机械结构中，换向片与电刷的位置相对于传统的换向装置来说，将换向片与电刷的位置进行了调换，将换向片与定子6固定，而电刷4随转子5旋转，二者安装在电动机上的总体方位与传统的多相电动机都具有径向分布形式，本发明还设计了一种端面分布形式。

如图2a所示是换向装置径向分布的机械结构示意图，换向片安装在与定子6固定的内圆周面上，并与圆周面绝缘。将该面沿圆周方向展开后见图2b，位于该图上部和中部的窄条区域为各相的续流换向片(2a，2b)，各相续流换向片之间相互绝缘。标有V+和V-的宽条区域分别为正电压换向片1和负电压换向片3，它们与续流换向片(2a，2b)之间也相互绝缘。各种换向片由较硬质导电材料制成。各相电枢绕组星接后首端分别与相应电刷4用导线连接。如图2a所示，电源换向片和电刷4互相接触，电刷4通过连接电枢绕组与转子5共同旋转。三相电刷在空间沿电源换向器圆周方向均匀分布，图2a中的4表示电刷与换向片接触时，各相电刷的位置分布情况，相邻两相电刷相间120°圆周电角度。电刷由较软质导电材料制成。

如图3a所示是换向片与电刷端面分布的机械结构示意图，图中换向片分布在一个与电机定子6固定的圆盘7上，换向片与圆盘7之间绝缘。圆盘7的右侧(换向片分布的一侧)如图3b所示，位于该图左部和右部的窄条区域为各相续流换向片(2a，2b)，各相续流换向片之间相互绝缘。标有V+和V-的宽条区域分别为正电压换向片1和负电压换向片3，它们与续流换向片之间也相互绝缘。各种换向片由较硬质导电材料制成。各相电枢绕组星接后首端分别与相应电刷用导线连接。电刷4分布在圆盘8的盘面上，并与圆盘8相互绝缘。圆盘8固定在电机转子5的端面上，随转子5一同旋转。图3c中，三相电刷在空间沿圆盘8圆周方向均匀分布，相邻两相电刷相间120°圆周角度。电刷由较软质导电材料制成。

对于m相电动机来说，只是相邻电刷之间间隔的圆周电角度不同，为360°/m，其余的结构与本实施例的三相电动机是相同的。

接通直流电源，调节其电压就可控制电动机的转速。使用本换向装置的多相直流电动机可广泛应用于各种要求低成本、高可靠性的家用电器、电动工具、电动自行车、电动汽车和船舶电力推进等定速或调速系统中。

Claims (2)

1、多相直流电动机的电源换向装置，是通过换向片与对应的电刷之间相对滑动而实现电源换向的装置，它含有：

直流电源；

m相换向片：呈环状分布在与电动机转轴同轴的圆周上，换向片与其所在圆周相互绝缘，各相换向片之间也相互绝缘；

m相电刷：与m相换向片的位置相对应，呈环状分布在与电动机转轴同轴的另一圆周上，所述电刷与其所在的圆周相互绝缘，各相电刷之间也相互绝缘，且相邻电刷之间以转轴为圆心间隔360°/m圆周电角度；

其中，m是指多相直流电动机的相数；其特征在于：

所述换向片分布在相对于电动机的定子(6)固定的圆周上，每一相换向片在360°圆周电角度内依次排列有相互绝缘的正电压换向片(1)、第一续流换向片(2a)、负电压换向片(3)和第二续流换向片(2b)；所述电刷(4)分布在与电动机转子(5)同轴旋转的圆周上；

在所述直流电源的正负电压端之间并联有m条分别由两个二极管反向串联而成的续流支路；所述每一相换向片的正电压换向片(1)连接所述直流电源的正电压端，负电压换向片(3)连接所述直流电源的负电压端；第一续流换向片(2a)和第二续流换向片(2b)共同连接对应的续流支路中两个二极管的串接点；所述m相电刷分别连接m相电枢绕组的首端。

2、如权利要求1所述的多相直流电动机的电源换向装置，其特征在于，所述换向片分布在与电动机转子(5)的端面平行相对且与电动机定子(6)固定的圆盘(7)上，所述电刷(4)分布在与电动机转子(5)的端面固定的圆盘(8)上。

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