CN1595788A - 无刷直流鼠笼电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流鼠笼电动机，它是由两序正交线圈装配成定子及鼠笼型转子，两序正交线圈分别并联电容器，直流电源连电子换向器，并且经电子换向器为两序正交线圈提供正、负交替的直流方波电压；由电子换向器调控电压换向周期及线圈电压实现转子与定子的旋转磁场同步转动，保证功率因数等于1，效率始终达到最高状态下稳定运行，而且电子换向器比变频调速器简单，其成本仅占变频调速系统的三分之一，又能使电动机出力增大50％以上。

Description

无刷直流鼠笼电动机

技术领域    本发明涉及一种直流电动机，具体说是一种无刷直流鼠笼电动机。采用电子换向器使定子两序正交线圈直接将直流电源换向，而形成旋转磁场，仍采用鼠笼型转子构成无刷直流鼠笼电动机。本发明与变频调速电动机具有实质性区别，变频调速电动机是用电子换向器，将直流电源转换成交流电源后仍采用三相交流电叠加形成旋转磁场，因此具有交流电动机的属性。而无刷直流鼠笼电动机是采用电子换向器将直流电源换向形成等电压正、负脉冲直接叠加成两序正交旋转磁场，具有直流电动机的属性，因此运行时不消耗无功，速度可控，并且克服了效率随负载变化而下降的弊端，可始终保持在效率最高，功率因数为1的状态下稳定运行。

背景技术    交流电动机在电网的负荷中大约占60％左右，由于交流电动机在额定负载下效率和功率因数最高，但是选用电动机时都会使电动机的功率留有一定裕度系数，另外，负荷又是变化的，因此电动机的效率及功率因数如果不能随负荷变化而调控时，电动机的效率往往都是处于较低状态下运行。现有传统电动机的效率都不能随负载变化而调控，因此各种电动机的运行实际效率都较低，有时其效率仅为70％左右。

交流电动机负载较轻时，由于功率因数迅速下降而使效率大幅度下降，特别是空载运行或启动时效率极低。变频调速电动机同样不能控制效率使其保持在额定负载时的效率下运行。直流电动机当负载下降时，由于转速大幅度上升使其损耗随转速的上升而上升，同样引起效率随负载下降而大幅度下降。

电动机轴输出的有功功率是由于电磁转矩产生的，而电磁转矩与磁通平方成正比，如果能随负载变化而调控铁心中磁通的变化，就可调控电动机的效率，当负载变化时仍能保持其效率最高状态下运行。交流电动机无法使其功率因数达到1，因此无法使其效率达到最高。而直流电动机电枢的旋转磁场中磁通与直流电源电压成正比，因此直流电动机磁路磁通的调控非常简单而方便，功率因数又始终等于1。因此将碳刷换向器用电子换向器取代，使定子线圈形成具有直流电动机属性的旋转磁场就成为本发明的技术关键。

为此必须给出直流电压、磁通、换向周期、线圈电感与激磁电流的定量关系才能分析旋转磁场形成的物理过程。

                              本发明的依据

由电磁感应定律知道，包围有气隙磁路的线圈产生的感应电动势E等于磁路中磁通φ对时间的变化率，磁通φ又等于线圈电感量L与线圈中的激磁电流i_E的乘积，线圈的内阻为R，内阻电压降等于内阻与激磁电流的乘积，直流电源电压记为U，可以得出以下四个定量关系式。

$E=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}...\left(1\right)$

                 Φ＝L·i_E………(2)

                          U_W＝R·i_E…………(3)

                         U＝E+R·i_E…………(4)

当换向周期为T，每T/2时间控制电感线圈L的电压换向，换向时刻磁路中磁通量最大记为φ_m，电压换向后T/4时间，磁通量下降为0，然后反向上升，经T/4时间磁通量反向上升为最大值记为-φ_m。每周期T分为四段时间，在T/4时间内对(1)式定积分，当电感线圈直流内阻电压降很小可忽略时，感应电动势E认为是不变的常数。

${\∫}_0^{\frac{T}{4}}\mathrm{d\Φ}={\∫}_0^{\frac{T}{4}}\mathrm{Edt}$

${\mathrm{\Φ}}_m=E\frac{T}{4}...\left(5\right)$

$L=\frac{{\mathrm{\Φ}}_m}{i_{\mathrm{Em}}}=\frac{\mathrm{ET}}{{4i}_{\mathrm{Em}}}...\left(6\right)$

i_Em是激磁电流极大值，L为线圈电感量，有气隙磁路中的剩磁可视为0，磁通量极大值φ_m接近饱和磁通量而没有达到过饱和时，上述(5)式及(6)式是线性定量关系。

直流电动机电枢中的磁场同样是由激磁电流产生的，将磁通量φ与激磁电流i_E之比称为自感系数L，定量关系式为(2)式所述。

独立的电感线圈中激磁电流与电源相互交换能量。但是电动机中的定子线圈或转子导条中电流包括有功电流，因此不能将激磁电流与无功电流相混淆。

毫无疑问直流电动机电枢线圈中存在激磁电流，那么电枢线圈中是否存在无功电流呢？实际上直流电动机功率因数始终等于1，那是因为电枢线圈中激磁电流放电释放的能量直接转换成为有功功率，并不向电源回送能量。可见激磁电流不能与无功电流相混淆，同时直流电压和直流电流不像交流电那样具有相位角关系，而只有正、负与大小的变化，因此直流电压和电流的叠加遵守四则运算关系，是标量而不是矢量。可见电感线圈释放能量转换为无功是有条件限制的，应该给出有功电流及无功电流严格的物理含义，不能将无功电流与激磁电流相混淆。

与电源电压U方向相同的电流称为有功电流，定量关系为不等式

                         Ui_W＞0…………(7)

与电源电压U方向相反的电流i_Q称为无功电流，定量关系为不等式

                         Ui_Q＜0…………(8)

当电感线圈中不存在有功电流而只存在激磁电流的情况下，那么激磁电流由极大值下降过程中必然是向电源放电，因此向电源放电的激磁电流与电源电压极性相反，二者乘积为负数，所以不等关系式(8)成立。

因此电源使电感线圈充电转化为磁场能量的激磁电流也是有功电流。而磁场释放能量引起的激磁电流又可分为两种电流，一种是直接转换成为有功能量的有功电流；另一种是送回给电源的电流，这种电流必然与电源电压极性相反，因此Ui_Q是小于0的负值，将其称为无功电流。

产生无功电流的条件是：磁场释放能量引起的激磁电流的绝对值大于该线圈中有功电流绝对值时，才会出现无功电流，定量关系为不等式

                          |i_E|-|i_W|＞0…………(9)

i_E及i_W都是瞬时值，当i_E接近0时，线圈内阻电压降接近0，由公式(4)可知发生磁场释放能量回送给电源的条件也可以用不等式(10)表述，感应电动势等于线圈端电压U_C，绝对值大于电源电压绝对值时引起无功电流

                       |U_C|-|U|＞0…………(10)

当i_E接近0时，感应电动势E等于线圈两端的端电压。

有上述知识，就可以将直流电动机线圈中的电流分成为有功电流及激磁电流两部分，有功电流与激磁电流是并联关系。直流电动机磁路中的磁通量φ是激磁电流产生的，而有功电流对磁通量φ的变化不产生影响。那么有功电流就必须与保持磁路的二次线圈中的电流大小相等而方向相反，这样二者抵消后才不会影响磁通量φ的变化。用公式(5)及(6)分析电动机磁场的变化规律化解成为电源电压换向的变化规律，而电源电压变化值是已知参数，因此使问题简单化了，这就是本发明的依据。

发明内容  本发明的目的在于提供一种无刷直流鼠笼电动机以解决如下三个技术问题：

一、将现有鼠笼电动机定子线圈如何绕制成两序正交线圈而采用电子换向器使直流电压换向直接叠加出具有直流电动机属性的旋转磁场。

二、如何调控电子换向器的电压换向周期使电动机稳定运行时保持功率因数等于1，不会在负载变动时偏离功率因数等于1的状态。

三、如何用电子换向器本身来调控输出给两序正交线圈的直流电压值，当负载变化时仍能使工作效率保持在最高效率状态下稳定运行，同时实现平稳启动与快速制动及正、反转控制功能。

为了解决上述技术问题，将鼠笼电动机转子不变动仍作为无刷直流鼠笼电动机的转子，而将定子线圈绕制成两序正交布置的定子线圈，两序正交线圈分别并联电容器，直流电源连电子换向器，并且经电子换向器为两序正交线圈提供正、负交替的直流方波电压，正、负交替通电时间各占二分之一周期，两序正交线圈直流电压换向时间相互错开四分之一周期，电压换向过程中由电子换向器控制定子线圈断电t₀时间形成自然换向过程，电子换向器按给定程序向两序正交线圈供电使转子稳定运行。

上述的电子换向器是由编程器连调控信号发生器、该信号发生器经电压、换向电子开关管电路连电动机的两序正交线圈，电压换向电子开关管电路还连电压及无功电流检测仪，该检测仪接入编程器；电压及无功电流检测仪随时检测定子线圈工作端电压U_C及无功电流i_E数值，送入编程器，编程器依据上述两数值，判断电动机稳定运行时电压换向时间T/2的大小是否满足转子同步运行的需要，根据需要随时调整后送入调控信号发生器，该信号发生器发出调控信号，操纵电压换向电子开关管电路工作，控制转子与定子旋转磁场同步稳定运行。

解决第一个问题采用的技术方案如下所述。

它的定子采用的两序正交线圈，由两条独立支路构成，每条支路中正、负极性的线圈数相等，每极线圈的匝数及导线截面积相等，并且正、负交替串联组成一条支路，每极线圈包围两个定子齿，其中两个定子齿又分别处在另外1序线圈的正、负极性的磁路中。

将24槽定子线圈绕制成两序正交布置的线圈L1和L2，每序线圈有正负6个磁极。

两序正交线圈必须严格遵守以下三个技术条件。

1.每序线圈正、负磁极数相等，每极包围磁路面积相等，正、负磁极交替布置，不允许存在剩余在线圈包围磁极之外的定子齿。

两序线圈的正负磁路成正交布置，即该序线圈每极包围的磁路中定子齿为偶数，各占1/2的定子齿必须处于另外序线圈的正、负磁极中，反之另外序线圈每极包围定子齿各占1/2处于该正、负磁极中。

2.两序线圈每极线圈的匝数及线径相同，电参数应严格一致。

遵守上述条件绕制的两序正交线圈中的激磁电流引起的磁路中的磁通互不影响，因此两序正交线圈各自产生的电磁感应电动势互不影响。这是因为磁通在另外序线圈中正、负抵消，不能在另序线圈中产生电磁感应电动势。

无刷直流鼠笼电动机启动及运行时的通电方式应严格遵守以下两个技术条件。

1.启动时两序正交线圈不能同时通电，其中1序线圈提前T/4时间通电，而另外1序线圈显然是相对延迟T/4时间通电，每序线圈第一次通电的电压换向时间都是T/4而不是T/2的时间。

2.每序线圈第一次通电经T/4时间电压换向，而从第二次开始，以后每次电压换向时间都改为T/2，因此每经T/4时间只有一序线圈电压换向。

将启动开始的6个T/4时间段电压换向列于表1中，由表1中知道，延迟T/4通电的序线圈第一次电压换向时提前通电的序线圈电压还要再经T/4才能换向，因两序线圈交替电压换向，换向时间正好错开T/4时间，T/4时间等于磁通由0变为极大值的时间。为了清楚起见，将相邻的一对正负磁极中的1、2、3、4、5定子齿中磁通变化规律也列到表1中。其中1、2齿及3、4齿分别处于第1序线圈的正、负磁极中，而第2、3齿及4、5齿分别处于第2序线圈的正、负磁极中，1齿为第2序负磁极中。

启动时，第1序线圈首先接通正电压，0～T/4时间段内1、2齿磁通由0上升为φ_m，而3、4齿磁通由0变化成为-φ_m，这时第2序线圈才能接通正电压，同时第1序线圈换向。

在T/4～T/2时间段内，第1序线圈接通负电压，磁通不能突变，仍按公式(5)反向积分，因此磁通分别由φ_m、-φ_m变化为0，激磁电流与磁通变化一致，因此不会影响第2序线圈激磁电流的变化规律。4、1齿在第2序线圈中为负极性，通正电压时磁通由0变化为-φ_m，而2、3齿在第2序线圈中为正极性，通正电压时磁通由0变化为φ_m。叠加后第1齿磁通由φ_m下降为-φ_m，第2齿保持φ_m不变，第3齿磁通由-φ_m上升为φ_m，第4齿-φ_m保持不变。

T/2～3T/4时间段内，第2序线圈电压换向，接通负电压，第1序线圈不换向仍接通负电压到3T/4时刻。1、2、3、4齿磁通变化不复述，列于表1中，同样将3T/4～T，T～5T/4，5T/4～3T/2时间段磁通变化分别列于表1中。

由表1中清楚表明磁通变化规律及特征如下：

1、每T/4时间磁场旋转1个齿的宽度，1个周期T时间内磁通旋转过4个齿，正是一对磁极包围的齿数，旋转过程不变更齿的磁通分布顺序，只是将磁场逐齿平移。

2、T/4时间段内，一对磁极4个齿中总有两个齿分别保持φ_m及-φ_m不变，而另两个齿磁通分别由-φ_m上升为φ_m及由φ_m下降为-φ_m，一个齿磁通由负极大值变为正极大值，相当于两个齿由负极大值变化为0，所以磁通变化率从启动第1个T/4之后开始的每个时间段都相等。

3、由启动后的T/4开始，每个T/4时间段中，两序线圈每个磁极中，都有一个齿保持磁通极大值不变，而另1个齿磁通由极大值变化为相反极性的极大值，所以每个极的线圈产生的感应电动势始终相等，只有正、负的区别。但是反向串联，所以感应电动势相加后两序线圈的值相等，可以共用同一个直流电源。

4、保持磁通为极大值的齿对转子导条中的电流产生的作用力最大，因此具有直流电动机旋转磁场的属性。

解决第二个问题采用的技术方案如下所述。

如图4所示，两序正交线圈L1和L2分别并联电容C1和C2，经电子换向器G1～G8与非对称两线供电的直流电源按图4电路图接线。直流电源经整流后必须加装滤波电容C，滤波电容C既起了滤波作用又给正交线圈L1和L2的无功放电电流提供通道，与电子开关管中反向并联的二极管组成无功放电电流形成放电回路，线圈一端与电子换向器之间串联电感L。

与两序正交线圈L1和L2并联的电容C1及C2是减小电子开关管G1、G2……G8电压换向时的负担而设置的续流器件。电压换向是由电子开关管将线圈L与电源电压切断，这时正是无功充电电流最大的时刻，也是磁通上升为最大值的时刻，因此电子开关管切断的电流是有功电流与同向的无功电流相叠加最大的工作电流值。例如G1和G3同时关断正电压，线圈并联电容器C1向线圈放电，而UC需一段时间后才能下降接近0，当U_C下降接近0后，磁场释放能量使线圈向电容器C1充电，U_C反向上升到-U_C值时电子开关管G2和G4导通，这样电子开关管G1、G2、G3、G4就形成自然换向状态运行。U_C经T/2时间改变为-U_C，称t₀/2为电压换向时间，t₀/2是电压换向过程中电源断电时间。

磁场释放能量需要T/4时间，而t₀/2远小于T/4，因此激磁电流由i_Em极大值下降为0需要T/4时间，t₀/2后i_E继续放电，如果G2和G4接通后，第1序线圈中有功电流大于激磁电流i_E值，那么激磁电流直接转化为有功电流，就不会出现无功电流了。只有不出现无功电流的情况下，激磁电流由极大值i_Em经T/4时间线性下降到0，产生的感应电压才能等于U_C，而U_C的值小于电源电压U。但是有功电流是由电动机负载决定的，负载变化时，特别是启动过程或空载情况下，就会出现有功电流小于i_E值的状态。激磁电流i_E与有功电流之差的剩余电流经二极管Z2和Z4向电源放电，放电电压U_C大于电源电压U，接近U值(LZ1电压降可忽略)。当电动机稳定运行时，负载变化会引起有功电流成正比变化，而有功电流在转子导条中如何产生的，应给出定量关系，才能找到控制功率因数等于1，而不出现无功电流的方法。

有表1要求，每T/4时间旋转磁场转过一个定子齿的宽度，设想两根转子导条构成的封闭线圈包围的磁路对应着定子1齿及2齿之和的宽度，将该转子的这两根导条包围的磁路记为S₁₂，如果转子堵转，即转子不转时，S₁₂中磁通φ_m在T/4时间内变化到-φ_m值，当电动机稳定运行时，转子转速等于旋转磁场的转速时，则S₁₂在T/4时间内正好转过一个齿，正好由表4算出，S₁₂中磁通在同步转速时不会发生变化，因此S₁₂磁通不变，不会在转子S₁₂中产生感应电动势，导条中由定子旋转磁场引起的感应电动势等于0，也就不会引起导条中的电流，说明转子在同步转速下不会出现无功电流。如果转子转速小于或大于同步转速时，S₁₂中磁通变化就不等于0，而产生感应电动势引起转子导条中出现无功电流。

但是，转子导条作为在定子磁场中做垂直于磁场方向的切割磁力线运动时，当然会产生动生电动势U_V，必然会引起与动生电动势同方向的动生电流i_V，动生电动势与动生电流的乘积就等于有功功率W，则W＝U_V*i_V。动生电流与定子线圈中有功电流抵消。传统的直流电动机功率因数等于1，因为它始终是同步转速，鼠笼转子同样能在同步状态下运行，这就必须严格控制换向时间，使转子与旋转磁场同步转动。

如果电动机的负载较小，而定子激磁电流产生的磁通很强，那么动生电流与动生电动势乘积会大于负载功率，这时就出现向电源放电回送能量的无功电流了。如果转子转速很小，落后于同步转速，那么转子导条中感应电动势引起的感应电流是无功电流。因此，三相交流电动机不可能实现同步运行状态，那是因为三相交流电压瞬时值不相等引起的，两序直流电压可实现同步运行，是因为电压瞬时值相等，方向交替变化同样属于交变电磁场，感应电动势与动生电动势是两种不同的物理过程，不能相混淆。

电压换向过程在断电时间内，与线圈并联的电容向线圈放电，将电容器C1及C2的值适当选配，使电压换向过程中线圈断电时间控制在T/4的百分之10以内。φ_m是无刷直流鼠笼电动机每极磁路中磁通量的极大值，U是额定电源电压值。无刷直流鼠笼电动机工作过程中每半个周期实际通电时间为(T-t₀)/2，而断电时间为t₀/2，通电时间与断电时间之和仍为T/2不变，周期T不变。旋转磁场的频率记为f＝1/T，f也称为换向频率。代入(4)式得

                      U＝4Φ_mf………(11)

(11)式两边乘以有功电流i_W等于有功功率W

                   W＝Ui_W＝4Φ_mfi_W…………(12)

由公式(12)知道，无刷直流鼠笼电动机的有功功率与磁通极大值φ_m成正比，启动过程或负载变动过程会引起无功电流，也就是磁场释放能量回送给电源的情况。这会造成效率下降，因此保证功率因数等于1是提高动率的根本方法。为了保证功率因数等于1必须检测向电源回送能量的无功电流，根据公式(9)及(10)提供两种检测无功电流的方法。

由无刷无刷直流鼠笼电动机接线电路图2知道，无功电流的唯一通道是经过与电子开关管并联的二极管，因此将电流表、二极管串联后再与电子开关管并联，就可以检测到无功电流。为了能将检测出的无功电流值转化成电压信号直接输送给芯片控制电压换向时间，采用传感器将电流直接转换为电压信号。

另外从图4也可求出与两序正交线圈并联的电容器C1或C2的端电压U_C，当U_C大于电源电压U时，才可能出现经二极管通道形成的无功电流。

采用电压比较器检测U_C与电源电压出现无功电流的条件，将U_C＞U的信号直接送给芯片控制电压换向时间也是有效的方法。上述两种检测无功电流出现的方法应同时采用，根据负载变化情况，都必须调控φ_m，使之满足(12)式才能保证电动机功率因数等于1。

当电源电压不变时，只能控制换向频率的大小使φ_m满足公式(12)。

当负载下降时，检测到出现无功电流的信号时电压换向频率使φ_m下降，直到检测不到无功电流时为止。这样就保证电动机的功率因数等于1。

这就是固定电源电压不变，提高电压换向频率来调控功率因数的方法。显然这和碳刷直流电动机一样，当负载较低时，转速成倍的大幅提高，阻力与速度平方成正比，由于转速过高，引出的附加损耗过大，反而使电动机效率下降，这就是传统直流电动机的缺点。

无刷直流鼠笼电动机应该克服这种缺点，而采取将电动机转速控制在适当数值内，使效率达到最高状态下稳定运行。这就必须使无刷直流电动机的转速控制在预定的转速下，采用降低两序正交线圈的端电压U_C的方法控制φ_m满足(12)式。采用电子换向器调控U_C实现控制是φ_m有效的方法。

解决第三个问题采用的技术方案如下所述。

由(12)式知道，有功功率与磁路中磁通量极大值成正比，除了提高换向频率降低φ_m值的方法来适应电动机负载变化使功率因数等于1，还可以在预定的转速下运行，负载变化由改变输出给出定子线圈的电压来控制其功率因数等于1，使效率在最高状态下稳定运行。由公式(5)知道，电动机转速恒定时，换向周期恒定，磁通最大值φ_m与电压成正比，因此有功功率与电压成正比，那么如何利用电子换向器控制线圈端电压呢？

电子开关管有高频通、断能力，换向断电时间为t₀/2，将电子开关管通过10倍以上的脉冲方波电压，调节占空比即可方便的调节线圈端电压U_C，因此线圈并联电容器C1的作用还有对高频脉冲电压的滤波功能。为了限制电子开关管通过高频脉冲方波不引起过大损耗能量，在电源与电子换向器之间连线上串联电感为L的电感线圈吸收电容与电源电压的突变过程的高频电压波，以减小电子开关管上的电压降。利用占空比改变电压是成熟技术，不加累述。

无刷直流鼠笼电动机在重载状态下运行时，有功功率等于Ui_W1，功率因数等于1的状态下对应的磁通量极大值为φ_m1满足(12)式。当负载下降后由于磁通量过大而电磁功率过剩会引起无功电流出现，当检测到出现无功电流时控制工作电压使其降低到满足(12)式，而保持换向频率不变，这样就实现了在预定转速下改变工作电压实现电动机功率因数等于1的状态下稳定运行。

无刷直流鼠笼电动机在轻载状态下运行过程中负载突然增加，使转子转速下降可能会进入失步状态，失步状态同样会引起出现很大的无功电流，这种情况下就应该提高工作电压使磁通量极大值φ_m上升到适当值，保证满足(12)式。那么出现无功电流时如何判别是负载过轻或过重引起的呢？

负载过轻引起出现的无功电流是动生电流产生的，因此线圈端电压U_C，较负载减轻前为高。当负载加重后，无功电流是有磁场释放能量引起的，因此线圈端电压U_C较负载变动前为低。检测U_C的变化可区分负载轻或重引起无功电流的性质。因此由芯片检测U_C值变化来判定如何控制磁通量的变化适应功率因数等于1的要求。

本发明的优点在于：1、本电动机能同时调控电动机的转速及工作电压值，因此就能保证电动机在功率因数等于1，效率最高状态下稳定运行。这是任何传统电动机所不具备的优点，传统碳刷直流电动机不能调控工作电压使其效率降低。交流电动机不能调控转速及功率因数，效率也较低。2、调控方便，采用电子换向器比变频调速器简单，改变两序线圈通电顺序，或者改变1序线圈通电电压的极性就能改变旋转方向，改变旋转方向又可实现快速制动，启动时电子换向器改变工作电压可实现平滑软启动运行，调控工作电压实现调速的同时又能保证电动机功率因数等于1，而效率达到最高状态下稳定运行。3、成本低，比变频调速电动机成本低，其成本仅占变频调速系统的三分之一，又能使电动机出力增大50％以上，所以无刷直流鼠笼电动机是理想的拖动设备。

附图说明

图1为本发明的电子换向器的电路方框图；

图2为本发明定子的两序正交线圈在铁心槽中的布置图；

图3为本发明测试、编程器及调控信号接线图；

图4为本发明采用非对称直流电源的电压、换向器开关管电路的接线图；

图5为本发明采用对称直流电源的电压、换向器开关管电路的接线图；

图6为本发明采用全控桥整流调压组成对称直流电源的电压、换向器开关管电路接线图。

具体实施方案    由图1可以看到直流电源连电子换向器，并通过电子换向器给两序正交线圈按给定程序供电；电子换向器是由编程器连调控信号发生器、该信号发生器经电压换向电子开关管电路连电动机的两序正交线圈，电压换向电子开关管电路还连电压及无功电流检测仪，该检测仪接入编程器。

本无刷直流鼠笼电动机采用两序正交线圈布置成的定子、鼠笼型的转子，电子换向器及直流电源构成，按给定程序通电运行，依据电压、电流检测仪测得的线圈端电压及无功电流参数由运行控制编程器控制给定程序产生调控信号，使电压换向改变电压换向时间及线圈端电压，使转子与定子旋转磁场保持同步稳定运行。

给定程序是指电动机启动时两序线圈不能同时通电，其中有1序线圈提前T/4时间通电，而每序线圈第1次通电时间经T/4时间后电压换向，从第2次通电开始每经T/2时间后电压换向。电压换向过程先使线圈断电，断电t₀/2时间后才能通电，通电的电压要换向，而t₀/2时间长短由电压检测线圈端电压U_C的值来决定，当U_C反向上升接近线圈工作电压时才能使电子换向器接通换向后的电压。线圈工作电压U_C由给定程序控制，电压的换向周期也由给定程序控制。给定程序又是依据电压、电流检测待测得的线圈端电压及无功电流由编程器改变程序，控制电子换向器的工作方式。电子换向器稳定运行时有两种工作方式，第1种是无高频脉冲的工作方式，这种工作方式是仅控制换向周期的工作方式；另1种是叠加高频脉冲的工作方式，这种工作方式除控制换向周期外，还同时控制线圈的工作电压U_C的数值。两种工作方式的程序改变由编程器判定。电动机启动过程与稳定运行过程的界限也是由编程器依据第一次由电压、电流检测仪测到不出现无功电流的时间段来判定，当转子达到同步转速的时刻必然不出现无功电流。如果以后一直不出现无功电流，说明电动机的负载已达到额定负载，工作电压也达到额定电压，转子转速也达到设计的额定电压时电动机输出额定功率时的额定转速。

如果负载小于额定负载，那么电动机启动进入同步转速过程中，存在很短的时间内不出现无功电流，以后又重新出现无功电流，编程器应修改电压换向时间，提高换向频率使电动机进入不出现无功电流的运行状态。无刷直流鼠笼电动机应该有一个最大工作频率，达到最大工作频率后，仍进入不了不出现无功电流的运行状态，编程器就判定进入叠加高频脉冲运行状态，控制工作电压下降直到进入不出现无功电流的运行状态。

如果电动机转速由外输入控制参数给出预定转速，编程器依据该预定转速判定电子换向器的工作方式。无刷直流鼠笼电动机的旋转方向也受给定程序控制，只要改变两序线圈的通电顺序就能改变转子旋转方向，而不必像交流电动机那样重新接线才能改变转子旋转方向。通电顺序有两种：第一种顺序是第1序线圈通负电压时的中间，第2序线圈电压换向是由正改为负；第2种顺序是第1序线圈通正电压时的中间，第2序线圈电压换向是由正改为负。这两种通电顺序可以有几种编程方式都能作到，这里不累述了。转子的旋转方向也可以由外输入参数给定。

另外电动机运行过程中快速制动，可以采用改变转子旋转方向的方法来实现，快速制动或改变旋转方向，都可由外部输入参数给定，也可由编程器根据程序来控制。任何参数都可以由外部输入参数给定，也可以由编程器编辑成给定程序来控制。

由图2可以看到，将24槽定子线圈绕制成两序正交布置的线圈L1和L2，每序线圈有正负6个磁极。

图3为本发明测试电流和电压、编程器以及调空信号发生器连线图。框1中是两路无功电流电压传感器，框2中是三路电压分压采样信号器，框3中是控制信号电压隔离光电转换器，框4是芯片编程器，其集成电路型号为TA90S8535，芯片编程中框5是测试信号输入口，框6是芯片控制信号输出口。

需要强调指出的是电流电压传感器是由带气隙的硅钢片叠加成的铁心和二次线圈及一次线圈组成。一次线圈两端正是图4或图5中电流表的两个接线端子。二次线圈经分压电阻及限压的稳压二极管提供采样电压，因二次线圈负载轻，相当于开路状态，所以将一次电流直接转化成电压信号。铁心有气隙克服铁心中的剩磁影响，又能限制二次线圈电压值在某值之内，不会无穷大。

控制信号电压隔离光电转换器有四路输出，分别成为电压换向电子开关管G1、G2、G3、G4的栅偏压控制信号源。

两序正交线圈工作电压U_C1和U_C2以及电源电压U经分压电阻及限压稳压二极管提供采样信号，提供芯片测试方式工作电压信号。这样就组成完善的无刷直流异步电动机的全部控制系统。

图4是本发明采用非对称直流电源时电压、换向器开关管电路的接线图，两序正交线圈L1和L2分别并联电容C1和C2，经电子换向器G1～G8与非对称两线供电的直流电源连接。直流电源经整流后必须加装滤波电容C，滤波电容C既起了滤波作用又给正交线圈L1和L2的无功放电电流提供通道，与电子开关管中反向并联的二极管Z1～Z8组成无功放电电流形成放电回路，线圈一端与电子换向器之间串联电感L。

图5是无刷直流鼠笼电动机采用对称直流电源时电压、换向器开关管电路的接线图，这种接线方式相当于两序线圈串联工作，最大优势是电子开关器件减少一半。而两序线圈串联后相当于直流工作电压等于两倍的序线圈工作电压，因此不降低电动机的输出功率，因此同功率的无刷直流鼠笼电动机采用对称直流电源时成本低，控制系统与变频调速电动机相比成本降低66％，仅是变频调速控制系统成本的三分之一。

与同型号的三相交流鼠笼电动机相比，无刷直流鼠笼电动机的额定输出功率增加50％，当负载变轻时可以提高旋转速度，使无刷直流鼠笼电动机仍保持额定功率不变情况下运转，大幅度提高电动机的有效利用率。另外不需要另外增加启动器设备，因此总成本比传统三相交流鼠笼电动机要低，而效率得到大幅度提高，这给普遍广泛推广无刷直流鼠笼电动机创造了极大的优势。

如图5所示的采用对称直流电源的无刷直流鼠笼电动机的两序线圈每极匝数应比采用图4所示的接线图的两序线圈每极匝数减小50％，而漆包线截面积应增大50％，这样才能使二者保持额定输出功率相等。图5所示电路的工作原理与图4所示电路工作原理完全相同，以图5为例说明无刷直流鼠笼电动机的启动全过程。

整流电路与C3及C4组成对称直流电源，C3＝C4，故U3＝U4，允许出现误差。无刷直流鼠笼电动机的定子中绕制成两序正交线圈L1及L2，分别并联电容器C1及C2，保证适当的换向断电时间，并分别串联限流电感L₁₂和L₂₂。L1的进线端经电子开关管G1、G3分别于C3、C4正、负极相连，而L2的出线端经电子开关管G2、G4分别与C3、C4的正、负极相连。G1、G2、G3、G4又分别反并联二极管Z1、Z2、Z3、Z4，Z1与无功电流测试表串联后与G1反并联，C1两端作为线圈端电压U_C1的测试点。

启动时，将G1先导通，使L1接C3正极，T/4时间后断电，经t₀/2时间再将G3接通C4负极，同时将G2接通C3正极使L2接通正电压，经T/4时间后G2关断，经t₀/2时间再将G4接通C4负极，过T/4时间L1电压换向，使L1第二次通电为T/2时间。又经T/4时间L2第二次通电也经过T/2时间又再次电压换向，之后循环交替电压换向。启动时应使两序线圈工作电压U_C1、U_C2在低电压下逐渐上升，开始电压最低应比额定工作电压低三分之二，即U_C1等于三分之一的额定工作电压下逐渐上升。周期也应相应延长三倍。因此电子开关管加高频率脉冲信号，控制占空比调整工作电压值。按预定时间电压上升为额定值。按程序进入同步状态运行完成启动过程。

G1电子开关管导通时，波动很大的高频电压脉冲电压降在电感L₁₂上，G1关断时，L₁₂经C4、Z3、C1放电，因此放电电压极高，能量很短时间释放完毕。同样其他电子开关管导通断电后，也是由L₁₂和L₂₂释放能量，放电回路由图3很容易查出，不复述。这样就实现像软启动那样平稳运行。

图6为采用全控桥整流调压组成对称直流电源的电压、换向器开关管电路原理接线图。由前面分析知道，无刷直流鼠笼电动机可以无级调速，图6所示作为另一个实施例如下所述：延长电压换向周期的同时，相应降低直流电源就可以实现无级调速。降低直流电源电压的方法也可以采用可控硅全控整流线路，通过改变可控硅触发角即可改变直流电源电压。图中由三相全控桥整流电路输出可调的直流电压，整流电压经滤波电容形成稳定直流电源，而滤波电容器C3、C4是由两个电解电容器串联构成，其串联点作为对称直流电压的对称中心，就形成对称直流电源。将图5中的限流电感L₁₂及L₂₂取消，短接后成为图6形式。这就成为可控调压调速无刷直流鼠笼电动机的另一种实例。启动时，电压换向频率逐渐由低向高过度，同时直流电压相应由低升高即可实现无刷直流鼠笼电动机软启动运行方式，而不需要另加启动设备。无刷直流鼠笼电动机定子线圈采用常规交流鼠笼单相电动机采用电容启动线圈的布置形式，同样能形成旋转磁场。只不过运行过程中仍按前面给定程序由电子换向器向两个定子线圈提供正、负交替的直流工作电压，电子换向时间为二分之一周期，两个定子线圈换向时间错开四分之一周期，换向过程中由电子换向器控制定子线圈断电t₀时间，在t₀时间内，与线圈并联的电容器吸收线圈电感释放能量形成自然换向状态。调速时，改变电压换向频率的同时相应改变直流电源电压即可实现无级调速。

小型电动机定子可采用8槽4极两序正交线圈，定子共有8齿，齿数少可以加宽。中型电动机可采用12槽或16槽定子铁心。大型电动机可采用24槽定子铁心。鼠笼型转子的导条数做相应调整即可。

无刷直流鼠笼电动机效率高，动力大，成本低，而且调控方便，是一种理想的拖动设备。

                     表1：6个T/4时间段电压换向表

Claims (8)

1、一种无刷直流鼠笼电动机，其特征在于：采用鼠笼型转子，定子采用两序正交线圈布置，两序正交线圈分别并联电容器，直流电源连电子换向器，并且经电子换向器为两序正交线圈提供正、负交替的直流方波电压，正、负交替通电时间各占二分之一周期，两序正交线圈直流电压换向时间相互错开四分之一周期，电压换向过程中由电子换向器控制定子线圈断电t₀时间形成自然换向过程，电子换向器按给定程序向两序正交线圈供电使转子稳定运行。

2.根据权利要求1所述的无刷直流鼠笼电动机，其特征在于：它的电子换向器是由编程器连调控信号发生器，该信号发生器经电压换向电子开关管电路连电动机的两序正交线圈，电压换向电子开关管电路还连电压及无功电流检测仪，该检测仪接入编程器；电压及无功电流检测仪随时检测定子线圈工作端电压U_C及无功电流i_E数值，送入编程器，编程器依据上述两数值，判断电动机稳定运行时电压换向时间T/2的大小是否满足转子同步运行的需要，根据需要随时调整后送入调控信号发生器，该信号发生器发出调控信号，操纵电压换向电子开关管电路工作，控制转子与定子旋转磁场同步稳定运行。

3、根据权利要求1所述的无刷直流鼠笼电动机，其特征在于：它的定子采用的两序正交线圈，由两条独立支路构成，每条支路中正、负极性的线圈数相等，每极线圈的匝数及导线截面积相等，并且正、负交替串联组成一条支路，每极线圈包围两个定子齿，其中两个定子齿又分别处在另外1序线圈的正、负极性的磁路中；也可以采用常规单相电动机由电容器启动线圈的布置形式的两个定子线圈。

4、根据权利要求1所述的无刷直流鼠笼电动机，其特征在于：由电子换向器控制通电的给定程序，给定程序是指：启动时两序正交线圈中有一序提前T/4周期通电，每序线圈第一次通电电压换向时间是T/4时间，从第二次通电及以后通电的电压换向时间均为T/2时间，电压换向过程存在t₀/2的断电时间，而且电压换向过程断电时间t₀/2，由检测线圈工作的端电压反向充电到接近定子线圈工作电压U_C的值后才能重新换向通电。

5、根据根据权利要求1或2所述的无刷直流鼠笼电动机，其特征在于：它的直流电源采用两线供电时，其电压、换向开关管电路为两序正交线圈L1和L2分别并联电容C1和C2，经电子开关管G1～G8与非对称两线供电的直流电源连接；直流电源经整流后加装滤波电容C，滤波电容C既起了滤波作用又给正交线圈L1和L2的无功放电电流提供通道，与电子开关管中反向并联的二极管Z1～Z8组成无功放电电流形成放电回路，线圈一端与电子换向器之间串联电感L。

6、根据权利要求1或2所述的无刷直流鼠笼电动机，其特征在于：它的直流电源采用两线供电时，其电压、换向开关管电路为整流电路与电容C3和C4组成对称直流电源，上述正交线圈L1和L2分别并联电容C1和C2，保证适当的换向断电时间，并分别串联限流电感L₁₂和L₂₂；L1的进线端经电子开关管G1、G3分别于C3、C4正、负极相连，而L2的出线端经电子开关管G2、G4分别与C3、C4的正、负极相连；G1、G2、G3、G4又分别反并联二极管Z1、Z2、Z3、Z4，Z1与无功电流测试表串联成为电流检测回路，C1两端作为线圈电压U_C1的测试点。

7.根据权利要求1或2所述的无刷直流鼠笼电动机，其特征在于：采用全控整流对称直流电源，由可控硅组成的整流电路连两滤波电容器C3、C4，上述两个电解电容器串联，其串联点作为对称直流电压的对称中心，就形成对称直流电源；正交线圈L1和L2分别并联电容C1和C2，L1的进线端经电子开关管G1、G3分别于C3、C4正、负极相连，而L2的出线端经电子开关管G2、G4分别与C3、C4的正、负极相连；G1、G2、G3、G4又分别反并联二极管Z1、Z2、Z3、Z4，Z1与无功电流测试表串联成为电流检测回路；由编程器改变电压换向周期的同时，改变全控制整流电路的可控硅触发角，相应改变电源电压进行无级调速，同时可实现由改变电压换向周期及全控桥可控硅触发角实现软启动运行方式。

8.根据权利要求6所述的无刷直流鼠笼电动机，其稳定运行时，定子线圈的工作电压U_C值的调控，由限流电感L12及定子线圈并联电容器C1、C2实现的，其特征在于调控高频脉冲的占空比改变定子线圈工作电压的大小，一直达到检测不出无功电流的情况下就保障转子是在同步状态下稳定运行。

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