專利名稱：無刷直流鼠籠電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電動機，具體說是一種無刷直流鼠籠電動機。采用電子換向器使定子兩序正交線圈直接將直流電源換向，而形成旋轉(zhuǎn)磁場，仍采用鼠籠型轉(zhuǎn)子構(gòu)成無刷直流鼠籠電動機。本發(fā)明與變頻調(diào)速電動機具有實質(zhì)性區(qū)別，變頻調(diào)速電動機是用電子換向器，將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源后仍采用三相交流電疊加形成旋轉(zhuǎn)磁場，因此具有交流電動機的屬性。而無刷直流鼠籠電動機是采用電子換向器將直流電源換向形成等電壓正、負脈沖直接疊加成兩序正交旋轉(zhuǎn)磁場，具有直流電動機的屬性，因此運行時不消耗無功，速度可控，并且克服了效率隨負載變化而下降的弊端，可始終保持在效率最高，功率因數(shù)為1的狀態(tài)下穩(wěn)定運行。
背景技術(shù)：
交流電動機在電網(wǎng)的負荷中大約占60％左右，由于交流電動機在額定負載下效率和功率因數(shù)最高，但是選用電動機時都會使電動機的功率留有一定裕度系數(shù)，另外，負荷又是變化的，因此電動機的效率及功率因數(shù)如果不能隨負荷變化而調(diào)控時，電動機的效率往往都是處于較低狀態(tài)下運行?，F(xiàn)有傳統(tǒng)電動機的效率都不能隨負載變化而調(diào)控，因此各種電動機的運行實際效率都較低，有時其效率僅為70％左右。
交流電動機負載較輕時，由于功率因數(shù)迅速下降而使效率大幅度下降，特別是空載運行或啟動時效率極低。變頻調(diào)速電動機同樣不能控制效率使其保持在額定負載時的效率下運行。直流電動機當負載下降時，由于轉(zhuǎn)速大幅度上升使其損耗隨轉(zhuǎn)速的上升而上升，同樣引起效率隨負載下降而大幅度下降。
電動機軸輸出的有功功率是由于電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的，而電磁轉(zhuǎn)矩與磁通平方成正比，如果能隨負載變化而調(diào)控鐵心中磁通的變化，就可調(diào)控電動機的效率，當負載變化時仍能保持其效率最高狀態(tài)下運行。交流電動機無法使其功率因數(shù)達到1，因此無法使其效率達到最高。而直流電動機電樞的旋轉(zhuǎn)磁場中磁通與直流電源電壓成正比，因此直流電動機磁路磁通的調(diào)控非常簡單而方便，功率因數(shù)又始終等于1。因此將碳刷換向器用電子換向器取代，使定子線圈形成具有直流電動機屬性的旋轉(zhuǎn)磁場就成為本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵。
為此必須給出直流電壓、磁通、換向周期、線圈電感與激磁電流的定量關(guān)系才能分析旋轉(zhuǎn)磁場形成的物理過程。
本發(fā)明的依據(jù)由電磁感應(yīng)定律知道，包圍有氣隙磁路的線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E等于磁路中磁通φ對時間的變化率，磁通φ又等于線圈電感量L與線圈中的激磁電流iE的乘積，線圈的內(nèi)阻為R，內(nèi)阻電壓降等于內(nèi)阻與激磁電流的乘積，直流電源電壓記為U，可以得出以下四個定量關(guān)系式。
E=dΦdt...(1)]]>Φ＝L·iE………(2)
UW＝R·iE…………(3)U＝E+R·iE…………(4)當換向周期為T，每T/2時間控制電感線圈L的電壓換向，換向時刻磁路中磁通量最大記為φm，電壓換向后T/4時間，磁通量下降為0，然后反向上升，經(jīng)T/4時間磁通量反向上升為最大值記為-φm。每周期T分為四段時間，在T/4時間內(nèi)對(1)式定積分，當電感線圈直流內(nèi)阻電壓降很小可忽略時，感應(yīng)電動勢E認為是不變的常數(shù)。
∫0T4dΦ=∫0T4Edt]]>Φm=ET4...(5)]]>L=ΦmiEm=ET4iEm...(6)]]>iEm是激磁電流極大值，L為線圈電感量，有氣隙磁路中的剩磁可視為0，磁通量極大值φm接近飽和磁通量而沒有達到過飽和時，上述(5)式及(6)式是線性定量關(guān)系。
直流電動機電樞中的磁場同樣是由激磁電流產(chǎn)生的，將磁通量φ與激磁電流iE之比稱為自感系數(shù)L，定量關(guān)系式為(2)式所述。
獨立的電感線圈中激磁電流與電源相互交換能量。但是電動機中的定子線圈或轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中電流包括有功電流，因此不能將激磁電流與無功電流相混淆。
毫無疑問直流電動機電樞線圈中存在激磁電流，那么電樞線圈中是否存在無功電流呢？實際上直流電動機功率因數(shù)始終等于1，那是因為電樞線圈中激磁電流放電釋放的能量直接轉(zhuǎn)換成為有功功率，并不向電源回送能量?？梢娂ご烹娏鞑荒芘c無功電流相混淆，同時直流電壓和直流電流不像交流電那樣具有相位角關(guān)系，而只有正、負與大小的變化，因此直流電壓和電流的疊加遵守四則運算關(guān)系，是標量而不是矢量?？梢婋姼芯€圈釋放能量轉(zhuǎn)換為無功是有條件限制的，應(yīng)該給出有功電流及無功電流嚴格的物理含義，不能將無功電流與激磁電流相混淆。
與電源電壓U方向相同的電流稱為有功電流，定量關(guān)系為不等式UiW＞0…………(7)與電源電壓U方向相反的電流iQ稱為無功電流，定量關(guān)系為不等式UiQ＜0…………(8)當電感線圈中不存在有功電流而只存在激磁電流的情況下，那么激磁電流由極大值下降過程中必然是向電源放電，因此向電源放電的激磁電流與電源電壓極性相反，二者乘積為負數(shù)，所以不等關(guān)系式(8)成立。
因此電源使電感線圈充電轉(zhuǎn)化為磁場能量的激磁電流也是有功電流。而磁場釋放能量引起的激磁電流又可分為兩種電流，一種是直接轉(zhuǎn)換成為有功能量的有功電流；另一種是送回給電源的電流，這種電流必然與電源電壓極性相反，因此UiQ是小于0的負值，將其稱為無功電流。
產(chǎn)生無功電流的條件是磁場釋放能量引起的激磁電流的絕對值大于該線圈中有功電流絕對值時，才會出現(xiàn)無功電流，定量關(guān)系為不等式|iE|-|iW|＞0…………(9)iE及iW都是瞬時值，當iE接近0時，線圈內(nèi)阻電壓降接近0，由公式(4)可知發(fā)生磁場釋放能量回送給電源的條件也可以用不等式(10)表述，感應(yīng)電動勢等于線圈端電壓UC，絕對值大于電源電壓絕對值時引起無功電流
|UC|-|U|＞0…………(10)當iE接近0時，感應(yīng)電動勢E等于線圈兩端的端電壓。
有上述知識，就可以將直流電動機線圈中的電流分成為有功電流及激磁電流兩部分，有功電流與激磁電流是并聯(lián)關(guān)系。直流電動機磁路中的磁通量φ是激磁電流產(chǎn)生的，而有功電流對磁通量φ的變化不產(chǎn)生影響。那么有功電流就必須與保持磁路的二次線圈中的電流大小相等而方向相反，這樣二者抵消后才不會影響磁通量φ的變化。用公式(5)及(6)分析電動機磁場的變化規(guī)律化解成為電源電壓換向的變化規(guī)律，而電源電壓變化值是已知參數(shù)，因此使問題簡單化了，這就是本發(fā)明的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無刷直流鼠籠電動機以解決如下三個技術(shù)問題一、將現(xiàn)有鼠籠電動機定子線圈如何繞制成兩序正交線圈而采用電子換向器使直流電壓換向直接疊加出具有直流電動機屬性的旋轉(zhuǎn)磁場。
二、如何調(diào)控電子換向器的電壓換向周期使電動機穩(wěn)定運行時保持功率因數(shù)等于1，不會在負載變動時偏離功率因數(shù)等于1的狀態(tài)。
三、如何用電子換向器本身來調(diào)控輸出給兩序正交線圈的直流電壓值，當負載變化時仍能使工作效率保持在最高效率狀態(tài)下穩(wěn)定運行，同時實現(xiàn)平穩(wěn)啟動與快速制動及正、反轉(zhuǎn)控制功能。
為了解決上述技術(shù)問題，將鼠籠電動機轉(zhuǎn)子不變動仍作為無刷直流鼠籠電動機的轉(zhuǎn)子，而將定子線圈繞制成兩序正交布置的定子線圈，兩序正交線圈分別并聯(lián)電容器，直流電源連電子換向器，并且經(jīng)電子換向器為兩序正交線圈提供正、負交替的直流方波電壓，正、負交替通電時間各占二分之一周期，兩序正交線圈直流電壓換向時間相互錯開四分之一周期，電壓換向過程中由電子換向器控制定子線圈斷電t0時間形成自然換向過程，電子換向器按給定程序向兩序正交線圈供電使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行。
上述的電子換向器是由編程器連調(diào)控信號發(fā)生器、該信號發(fā)生器經(jīng)電壓、換向電子開關(guān)管電路連電動機的兩序正交線圈，電壓換向電子開關(guān)管電路還連電壓及無功電流檢測儀，該檢測儀接入編程器；電壓及無功電流檢測儀隨時檢測定子線圈工作端電壓UC及無功電流iE數(shù)值，送入編程器，編程器依據(jù)上述兩數(shù)值，判斷電動機穩(wěn)定運行時電壓換向時間T/2的大小是否滿足轉(zhuǎn)子同步運行的需要，根據(jù)需要隨時調(diào)整后送入調(diào)控信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器發(fā)出調(diào)控信號，操縱電壓換向電子開關(guān)管電路工作，控制轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場同步穩(wěn)定運行。
解決第一個問題采用的技術(shù)方案如下所述。
它的定子采用的兩序正交線圈，由兩條獨立支路構(gòu)成，每條支路中正、負極性的線圈數(shù)相等，每極線圈的匝數(shù)及導(dǎo)線截面積相等，并且正、負交替串聯(lián)組成一條支路，每極線圈包圍兩個定子齒，其中兩個定子齒又分別處在另外1序線圈的正、負極性的磁路中。
將24槽定子線圈繞制成兩序正交布置的線圈L1和L2，每序線圈有正負6個磁極。
兩序正交線圈必須嚴格遵守以下三個技術(shù)條件。
1.每序線圈正、負磁極數(shù)相等，每極包圍磁路面積相等，正、負磁極交替布置，不允許存在剩余在線圈包圍磁極之外的定子齒。
兩序線圈的正負磁路成正交布置，即該序線圈每極包圍的磁路中定子齒為偶數(shù)，各占1/2的定子齒必須處于另外序線圈的正、負磁極中，反之另外序線圈每極包圍定子齒各占1/2處于該正、負磁極中。
2.兩序線圈每極線圈的匝數(shù)及線徑相同，電參數(shù)應(yīng)嚴格一致。
遵守上述條件繞制的兩序正交線圈中的激磁電流引起的磁路中的磁通互不影響，因此兩序正交線圈各自產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電動勢互不影響。這是因為磁通在另外序線圈中正、負抵消，不能在另序線圈中產(chǎn)生電磁感應(yīng)電動勢。
無刷直流鼠籠電動機啟動及運行時的通電方式應(yīng)嚴格遵守以下兩個技術(shù)條件。
1.啟動時兩序正交線圈不能同時通電，其中1序線圈提前T/4時間通電，而另外1序線圈顯然是相對延遲T/4時間通電，每序線圈第一次通電的電壓換向時間都是T/4而不是T/2的時間。
2.每序線圈第一次通電經(jīng)T/4時間電壓換向，而從第二次開始，以后每次電壓換向時間都改為T/2，因此每經(jīng)T/4時間只有一序線圈電壓換向。
將啟動開始的6個T/4時間段電壓換向列于表1中，由表1中知道，延遲T/4通電的序線圈第一次電壓換向時提前通電的序線圈電壓還要再經(jīng)T/4才能換向，因兩序線圈交替電壓換向，換向時間正好錯開T/4時間，T/4時間等于磁通由0變?yōu)闃O大值的時間。為了清楚起見，將相鄰的一對正負磁極中的1、2、3、4、5定子齒中磁通變化規(guī)律也列到表1中。其中1、2齒及3、4齒分別處于第1序線圈的正、負磁極中，而第2、3齒及4、5齒分別處于第2序線圈的正、負磁極中，1齒為第2序負磁極中。
啟動時，第1序線圈首先接通正電壓，0～T/4時間段內(nèi)1、2齒磁通由0上升為φm，而3、4齒磁通由0變化成為-φm，這時第2序線圈才能接通正電壓，同時第1序線圈換向。
在T/4～T/2時間段內(nèi)，第1序線圈接通負電壓，磁通不能突變，仍按公式(5)反向積分，因此磁通分別由φm、-φm變化為0，激磁電流與磁通變化一致，因此不會影響第2序線圈激磁電流的變化規(guī)律。4、1齒在第2序線圈中為負極性，通正電壓時磁通由0變化為-φm，而2、3齒在第2序線圈中為正極性，通正電壓時磁通由0變化為φm。疊加后第1齒磁通由φm下降為-φm，第2齒保持φm不變，第3齒磁通由-φm上升為φm，第4齒-φm保持不變。
T/2～3T/4時間段內(nèi)，第2序線圈電壓換向，接通負電壓，第1序線圈不換向仍接通負電壓到3T/4時刻。1、2、3、4齒磁通變化不復(fù)述，列于表1中，同樣將3T/4～T，T～5T/4，5T/4～3T/2時間段磁通變化分別列于表1中。
由表1中清楚表明磁通變化規(guī)律及特征如下1、每T/4時間磁場旋轉(zhuǎn)1個齒的寬度，1個周期T時間內(nèi)磁通旋轉(zhuǎn)過4個齒，正是一對磁極包圍的齒數(shù)，旋轉(zhuǎn)過程不變更齒的磁通分布順序，只是將磁場逐齒平移。
2、T/4時間段內(nèi)，一對磁極4個齒中總有兩個齒分別保持φm及-φm不變，而另兩個齒磁通分別由-φm上升為φm及由φm下降為-φm，一個齒磁通由負極大值變?yōu)檎龢O大值，相當于兩個齒由負極大值變化為0，所以磁通變化率從啟動第1個T/4之后開始的每個時間段都相等。
3、由啟動后的T/4開始，每個T/4時間段中，兩序線圈每個磁極中，都有一個齒保持磁通極大值不變，而另1個齒磁通由極大值變化為相反極性的極大值，所以每個極的線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢始終相等，只有正、負的區(qū)別。但是反向串聯(lián)，所以感應(yīng)電動勢相加后兩序線圈的值相等，可以共用同一個直流電源。
4、保持磁通為極大值的齒對轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流產(chǎn)生的作用力最大，因此具有直流電動機旋轉(zhuǎn)磁場的屬性。
解決第二個問題采用的技術(shù)方案如下所述。
如圖4所示，兩序正交線圈L1和L2分別并聯(lián)電容C1和C2，經(jīng)電子換向器G1～G8與非對稱兩線供電的直流電源按圖4電路圖接線。直流電源經(jīng)整流后必須加裝濾波電容C，濾波電容C既起了濾波作用又給正交線圈L1和L2的無功放電電流提供通道，與電子開關(guān)管中反向并聯(lián)的二極管組成無功放電電流形成放電回路，線圈一端與電子換向器之間串聯(lián)電感L。
與兩序正交線圈L1和L2并聯(lián)的電容C1及C2是減小電子開關(guān)管G1、G2……G8電壓換向時的負擔(dān)而設(shè)置的續(xù)流器件。電壓換向是由電子開關(guān)管將線圈L與電源電壓切斷，這時正是無功充電電流最大的時刻，也是磁通上升為最大值的時刻，因此電子開關(guān)管切斷的電流是有功電流與同向的無功電流相疊加最大的工作電流值。例如G1和G3同時關(guān)斷正電壓，線圈并聯(lián)電容器C1向線圈放電，而UC需一段時間后才能下降接近0，當UC下降接近0后，磁場釋放能量使線圈向電容器C1充電，UC反向上升到-UC值時電子開關(guān)管G2和G4導(dǎo)通，這樣電子開關(guān)管G1、G2、G3、G4就形成自然換向狀態(tài)運行。UC經(jīng)T/2時間改變?yōu)?UC，稱t0/2為電壓換向時間，t0/2是電壓換向過程中電源斷電時間。
磁場釋放能量需要T/4時間，而t0/2遠小于T/4，因此激磁電流由iEm極大值下降為0需要T/4時間，t0/2后iE繼續(xù)放電，如果G2和G4接通后，第1序線圈中有功電流大于激磁電流iE值，那么激磁電流直接轉(zhuǎn)化為有功電流，就不會出現(xiàn)無功電流了。只有不出現(xiàn)無功電流的情況下，激磁電流由極大值iEm經(jīng)T/4時間線性下降到0，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓才能等于UC，而UC的值小于電源電壓U。但是有功電流是由電動機負載決定的，負載變化時，特別是啟動過程或空載情況下，就會出現(xiàn)有功電流小于iE值的狀態(tài)。激磁電流iE與有功電流之差的剩余電流經(jīng)二極管Z2和Z4向電源放電，放電電壓UC大于電源電壓U，接近U值(LZ1電壓降可忽略)。當電動機穩(wěn)定運行時，負載變化會引起有功電流成正比變化，而有功電流在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中如何產(chǎn)生的，應(yīng)給出定量關(guān)系，才能找到控制功率因數(shù)等于1，而不出現(xiàn)無功電流的方法。
有表1要求，每T/4時間旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過一個定子齒的寬度，設(shè)想兩根轉(zhuǎn)子導(dǎo)條構(gòu)成的封閉線圈包圍的磁路對應(yīng)著定子1齒及2齒之和的寬度，將該轉(zhuǎn)子的這兩根導(dǎo)條包圍的磁路記為S12，如果轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，S12中磁通φm在T/4時間內(nèi)變化到-φm值，當電動機穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，則S12在T/4時間內(nèi)正好轉(zhuǎn)過一個齒，正好由表4算出，S12中磁通在同步轉(zhuǎn)速時不會發(fā)生變化，因此S12磁通不變，不會在轉(zhuǎn)子S12中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，導(dǎo)條中由定子旋轉(zhuǎn)磁場引起的感應(yīng)電動勢等于0，也就不會引起導(dǎo)條中的電流，說明轉(zhuǎn)子在同步轉(zhuǎn)速下不會出現(xiàn)無功電流。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于或大于同步轉(zhuǎn)速時，S12中磁通變化就不等于0，而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢引起轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中出現(xiàn)無功電流。
但是，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條作為在定子磁場中做垂直于磁場方向的切割磁力線運動時，當然會產(chǎn)生動生電動勢UV，必然會引起與動生電動勢同方向的動生電流iV，動生電動勢與動生電流的乘積就等于有功功率W，則W＝UV*iV。動生電流與定子線圈中有功電流抵消。傳統(tǒng)的直流電動機功率因數(shù)等于1，因為它始終是同步轉(zhuǎn)速，鼠籠轉(zhuǎn)子同樣能在同步狀態(tài)下運行，這就必須嚴格控制換向時間，使轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動。
如果電動機的負載較小，而定子激磁電流產(chǎn)生的磁通很強，那么動生電流與動生電動勢乘積會大于負載功率，這時就出現(xiàn)向電源放電回送能量的無功電流了。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很小，落后于同步轉(zhuǎn)速，那么轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中感應(yīng)電動勢引起的感應(yīng)電流是無功電流。因此，三相交流電動機不可能實現(xiàn)同步運行狀態(tài)，那是因為三相交流電壓瞬時值不相等引起的，兩序直流電壓可實現(xiàn)同步運行，是因為電壓瞬時值相等，方向交替變化同樣屬于交變電磁場，感應(yīng)電動勢與動生電動勢是兩種不同的物理過程，不能相混淆。
電壓換向過程在斷電時間內(nèi)，與線圈并聯(lián)的電容向線圈放電，將電容器C1及C2的值適當選配，使電壓換向過程中線圈斷電時間控制在T/4的百分之10以內(nèi)。φm是無刷直流鼠籠電動機每極磁路中磁通量的極大值，U是額定電源電壓值。無刷直流鼠籠電動機工作過程中每半個周期實際通電時間為(T-t0)/2，而斷電時間為t0/2，通電時間與斷電時間之和仍為T/2不變，周期T不變。旋轉(zhuǎn)磁場的頻率記為f＝1/T，f也稱為換向頻率。代入(4)式得U＝4Φmf………(11)(11)式兩邊乘以有功電流iW等于有功功率W
W＝UiW＝4ΦmfiW…………(12)由公式(12)知道，無刷直流鼠籠電動機的有功功率與磁通極大值φm成正比，啟動過程或負載變動過程會引起無功電流，也就是磁場釋放能量回送給電源的情況。這會造成效率下降，因此保證功率因數(shù)等于1是提高動率的根本方法。為了保證功率因數(shù)等于1必須檢測向電源回送能量的無功電流，根據(jù)公式(9)及(10)提供兩種檢測無功電流的方法。
由無刷無刷直流鼠籠電動機接線電路圖2知道，無功電流的唯一通道是經(jīng)過與電子開關(guān)管并聯(lián)的二極管，因此將電流表、二極管串聯(lián)后再與電子開關(guān)管并聯(lián)，就可以檢測到無功電流。為了能將檢測出的無功電流值轉(zhuǎn)化成電壓信號直接輸送給芯片控制電壓換向時間，采用傳感器將電流直接轉(zhuǎn)換為電壓信號。
另外從圖4也可求出與兩序正交線圈并聯(lián)的電容器C1或C2的端電壓UC，當UC大于電源電壓U時，才可能出現(xiàn)經(jīng)二極管通道形成的無功電流。
采用電壓比較器檢測UC與電源電壓出現(xiàn)無功電流的條件，將UC＞U的信號直接送給芯片控制電壓換向時間也是有效的方法。上述兩種檢測無功電流出現(xiàn)的方法應(yīng)同時采用，根據(jù)負載變化情況，都必須調(diào)控φm，使之滿足(12)式才能保證電動機功率因數(shù)等于1。
當電源電壓不變時，只能控制換向頻率的大小使φm滿足公式(12)。
當負載下降時，檢測到出現(xiàn)無功電流的信號時電壓換向頻率使φm下降，直到檢測不到無功電流時為止。這樣就保證電動機的功率因數(shù)等于1。
這就是固定電源電壓不變，提高電壓換向頻率來調(diào)控功率因數(shù)的方法。顯然這和碳刷直流電動機一樣，當負載較低時，轉(zhuǎn)速成倍的大幅提高，阻力與速度平方成正比，由于轉(zhuǎn)速過高，引出的附加損耗過大，反而使電動機效率下降，這就是傳統(tǒng)直流電動機的缺點。
無刷直流鼠籠電動機應(yīng)該克服這種缺點，而采取將電動機轉(zhuǎn)速控制在適當數(shù)值內(nèi)，使效率達到最高狀態(tài)下穩(wěn)定運行。這就必須使無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速控制在預(yù)定的轉(zhuǎn)速下，采用降低兩序正交線圈的端電壓UC的方法控制φm滿足(12)式。采用電子換向器調(diào)控UC實現(xiàn)控制是φm有效的方法。
解決第三個問題采用的技術(shù)方案如下所述。
由(12)式知道，有功功率與磁路中磁通量極大值成正比，除了提高換向頻率降低φm值的方法來適應(yīng)電動機負載變化使功率因數(shù)等于1，還可以在預(yù)定的轉(zhuǎn)速下運行，負載變化由改變輸出給出定子線圈的電壓來控制其功率因數(shù)等于1，使效率在最高狀態(tài)下穩(wěn)定運行。由公式(5)知道，電動機轉(zhuǎn)速恒定時，換向周期恒定，磁通最大值φm與電壓成正比，因此有功功率與電壓成正比，那么如何利用電子換向器控制線圈端電壓呢？電子開關(guān)管有高頻通、斷能力，換向斷電時間為t0/2，將電子開關(guān)管通過10倍以上的脈沖方波電壓，調(diào)節(jié)占空比即可方便的調(diào)節(jié)線圈端電壓UC，因此線圈并聯(lián)電容器C1的作用還有對高頻脈沖電壓的濾波功能。為了限制電子開關(guān)管通過高頻脈沖方波不引起過大損耗能量，在電源與電子換向器之間連線上串聯(lián)電感為L的電感線圈吸收電容與電源電壓的突變過程的高頻電壓波，以減小電子開關(guān)管上的電壓降。利用占空比改變電壓是成熟技術(shù)，不加累述。
無刷直流鼠籠電動機在重載狀態(tài)下運行時，有功功率等于UiW1，功率因數(shù)等于1的狀態(tài)下對應(yīng)的磁通量極大值為φm1滿足(12)式。當負載下降后由于磁通量過大而電磁功率過剩會引起無功電流出現(xiàn)，當檢測到出現(xiàn)無功電流時控制工作電壓使其降低到滿足(12)式，而保持換向頻率不變，這樣就實現(xiàn)了在預(yù)定轉(zhuǎn)速下改變工作電壓實現(xiàn)電動機功率因數(shù)等于1的狀態(tài)下穩(wěn)定運行。
無刷直流鼠籠電動機在輕載狀態(tài)下運行過程中負載突然增加，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降可能會進入失步狀態(tài)，失步狀態(tài)同樣會引起出現(xiàn)很大的無功電流，這種情況下就應(yīng)該提高工作電壓使磁通量極大值φm上升到適當值，保證滿足(12)式。那么出現(xiàn)無功電流時如何判別是負載過輕或過重引起的呢？負載過輕引起出現(xiàn)的無功電流是動生電流產(chǎn)生的，因此線圈端電壓UC，較負載減輕前為高。當負載加重后，無功電流是有磁場釋放能量引起的，因此線圈端電壓UC較負載變動前為低。檢測UC的變化可區(qū)分負載輕或重引起無功電流的性質(zhì)。因此由芯片檢測UC值變化來判定如何控制磁通量的變化適應(yīng)功率因數(shù)等于1的要求。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本電動機能同時調(diào)控電動機的轉(zhuǎn)速及工作電壓值，因此就能保證電動機在功率因數(shù)等于1，效率最高狀態(tài)下穩(wěn)定運行。這是任何傳統(tǒng)電動機所不具備的優(yōu)點，傳統(tǒng)碳刷直流電動機不能調(diào)控工作電壓使其效率降低。交流電動機不能調(diào)控轉(zhuǎn)速及功率因數(shù)，效率也較低。2、調(diào)控方便，采用電子換向器比變頻調(diào)速器簡單，改變兩序線圈通電順序，或者改變1序線圈通電電壓的極性就能改變旋轉(zhuǎn)方向，改變旋轉(zhuǎn)方向又可實現(xiàn)快速制動，啟動時電子換向器改變工作電壓可實現(xiàn)平滑軟啟動運行，調(diào)控工作電壓實現(xiàn)調(diào)速的同時又能保證電動機功率因數(shù)等于1，而效率達到最高狀態(tài)下穩(wěn)定運行。3、成本低，比變頻調(diào)速電動機成本低，其成本僅占變頻調(diào)速系統(tǒng)的三分之一，又能使電動機出力增大50％以上，所以無刷直流鼠籠電動機是理想的拖動設(shè)備。


圖1為本發(fā)明的電子換向器的電路方框圖；圖2為本發(fā)明定子的兩序正交線圈在鐵心槽中的布置圖；圖3為本發(fā)明測試、編程器及調(diào)控信號接線圖；圖4為本發(fā)明采用非對稱直流電源的電壓、換向器開關(guān)管電路的接線圖；圖5為本發(fā)明采用對稱直流電源的電壓、換向器開關(guān)管電路的接線圖；圖6為本發(fā)明采用全控橋整流調(diào)壓組成對稱直流電源的電壓、換向器開關(guān)管電路接線圖。
具體實施方案由圖1可以看到直流電源連電子換向器，并通過電子換向器給兩序正交線圈按給定程序供電；電子換向器是由編程器連調(diào)控信號發(fā)生器、該信號發(fā)生器經(jīng)電壓換向電子開關(guān)管電路連電動機的兩序正交線圈，電壓換向電子開關(guān)管電路還連電壓及無功電流檢測儀，該檢測儀接入編程器。
本無刷直流鼠籠電動機采用兩序正交線圈布置成的定子、鼠籠型的轉(zhuǎn)子，電子換向器及直流電源構(gòu)成，按給定程序通電運行，依據(jù)電壓、電流檢測儀測得的線圈端電壓及無功電流參數(shù)由運行控制編程器控制給定程序產(chǎn)生調(diào)控信號，使電壓換向改變電壓換向時間及線圈端電壓，使轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場保持同步穩(wěn)定運行。
給定程序是指電動機啟動時兩序線圈不能同時通電，其中有1序線圈提前T/4時間通電，而每序線圈第1次通電時間經(jīng)T/4時間后電壓換向，從第2次通電開始每經(jīng)T/2時間后電壓換向。電壓換向過程先使線圈斷電，斷電t0/2時間后才能通電，通電的電壓要換向，而t0/2時間長短由電壓檢測線圈端電壓UC的值來決定，當UC反向上升接近線圈工作電壓時才能使電子換向器接通換向后的電壓。線圈工作電壓UC由給定程序控制，電壓的換向周期也由給定程序控制。給定程序又是依據(jù)電壓、電流檢測待測得的線圈端電壓及無功電流由編程器改變程序，控制電子換向器的工作方式。電子換向器穩(wěn)定運行時有兩種工作方式，第1種是無高頻脈沖的工作方式，這種工作方式是僅控制換向周期的工作方式；另1種是疊加高頻脈沖的工作方式，這種工作方式除控制換向周期外，還同時控制線圈的工作電壓UC的數(shù)值。兩種工作方式的程序改變由編程器判定。電動機啟動過程與穩(wěn)定運行過程的界限也是由編程器依據(jù)第一次由電壓、電流檢測儀測到不出現(xiàn)無功電流的時間段來判定，當轉(zhuǎn)子達到同步轉(zhuǎn)速的時刻必然不出現(xiàn)無功電流。如果以后一直不出現(xiàn)無功電流，說明電動機的負載已達到額定負載，工作電壓也達到額定電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也達到設(shè)計的額定電壓時電動機輸出額定功率時的額定轉(zhuǎn)速。
如果負載小于額定負載，那么電動機啟動進入同步轉(zhuǎn)速過程中，存在很短的時間內(nèi)不出現(xiàn)無功電流，以后又重新出現(xiàn)無功電流，編程器應(yīng)修改電壓換向時間，提高換向頻率使電動機進入不出現(xiàn)無功電流的運行狀態(tài)。無刷直流鼠籠電動機應(yīng)該有一個最大工作頻率，達到最大工作頻率后，仍進入不了不出現(xiàn)無功電流的運行狀態(tài)，編程器就判定進入疊加高頻脈沖運行狀態(tài)，控制工作電壓下降直到進入不出現(xiàn)無功電流的運行狀態(tài)。
如果電動機轉(zhuǎn)速由外輸入控制參數(shù)給出預(yù)定轉(zhuǎn)速，編程器依據(jù)該預(yù)定轉(zhuǎn)速判定電子換向器的工作方式。無刷直流鼠籠電動機的旋轉(zhuǎn)方向也受給定程序控制，只要改變兩序線圈的通電順序就能改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，而不必像交流電動機那樣重新接線才能改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。通電順序有兩種第一種順序是第1序線圈通負電壓時的中間，第2序線圈電壓換向是由正改為負；第2種順序是第1序線圈通正電壓時的中間，第2序線圈電壓換向是由正改為負。這兩種通電順序可以有幾種編程方式都能作到，這里不累述了。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也可以由外輸入?yún)?shù)給定。
另外電動機運行過程中快速制動，可以采用改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的方法來實現(xiàn)，快速制動或改變旋轉(zhuǎn)方向，都可由外部輸入?yún)?shù)給定，也可由編程器根據(jù)程序來控制。任何參數(shù)都可以由外部輸入?yún)?shù)給定，也可以由編程器編輯成給定程序來控制。
由圖2可以看到，將24槽定子線圈繞制成兩序正交布置的線圈L1和L2，每序線圈有正負6個磁極。
圖3為本發(fā)明測試電流和電壓、編程器以及調(diào)空信號發(fā)生器連線圖?？?中是兩路無功電流電壓傳感器，框2中是三路電壓分壓采樣信號器，框3中是控制信號電壓隔離光電轉(zhuǎn)換器，框4是芯片編程器，其集成電路型號為TA90S8535，芯片編程中框5是測試信號輸入口，框6是芯片控制信號輸出口。
需要強調(diào)指出的是電流電壓傳感器是由帶氣隙的硅鋼片疊加成的鐵心和二次線圈及一次線圈組成。一次線圈兩端正是圖4或圖5中電流表的兩個接線端子。二次線圈經(jīng)分壓電阻及限壓的穩(wěn)壓二極管提供采樣電壓，因二次線圈負載輕，相當于開路狀態(tài)，所以將一次電流直接轉(zhuǎn)化成電壓信號。鐵心有氣隙克服鐵心中的剩磁影響，又能限制二次線圈電壓值在某值之內(nèi)，不會無窮大。
控制信號電壓隔離光電轉(zhuǎn)換器有四路輸出，分別成為電壓換向電子開關(guān)管G1、G2、G3、G4的柵偏壓控制信號源。
兩序正交線圈工作電壓UC1和UC2以及電源電壓U經(jīng)分壓電阻及限壓穩(wěn)壓二極管提供采樣信號，提供芯片測試方式工作電壓信號。這樣就組成完善的無刷直流異步電動機的全部控制系統(tǒng)。
圖4是本發(fā)明采用非對稱直流電源時電壓、換向器開關(guān)管電路的接線圖，兩序正交線圈L1和L2分別并聯(lián)電容C1和C2，經(jīng)電子換向器G1～G8與非對稱兩線供電的直流電源連接。直流電源經(jīng)整流后必須加裝濾波電容C，濾波電容C既起了濾波作用又給正交線圈L1和L2的無功放電電流提供通道，與電子開關(guān)管中反向并聯(lián)的二極管Z1～Z8組成無功放電電流形成放電回路，線圈一端與電子換向器之間串聯(lián)電感L。
圖5是無刷直流鼠籠電動機采用對稱直流電源時電壓、換向器開關(guān)管電路的接線圖，這種接線方式相當于兩序線圈串聯(lián)工作，最大優(yōu)勢是電子開關(guān)器件減少一半。而兩序線圈串聯(lián)后相當于直流工作電壓等于兩倍的序線圈工作電壓，因此不降低電動機的輸出功率，因此同功率的無刷直流鼠籠電動機采用對稱直流電源時成本低，控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速電動機相比成本降低66％，僅是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)成本的三分之一。
與同型號的三相交流鼠籠電動機相比，無刷直流鼠籠電動機的額定輸出功率增加50％，當負載變輕時可以提高旋轉(zhuǎn)速度，使無刷直流鼠籠電動機仍保持額定功率不變情況下運轉(zhuǎn)，大幅度提高電動機的有效利用率。另外不需要另外增加啟動器設(shè)備，因此總成本比傳統(tǒng)三相交流鼠籠電動機要低，而效率得到大幅度提高，這給普遍廣泛推廣無刷直流鼠籠電動機創(chuàng)造了極大的優(yōu)勢。
如圖5所示的采用對稱直流電源的無刷直流鼠籠電動機的兩序線圈每極匝數(shù)應(yīng)比采用圖4所示的接線圖的兩序線圈每極匝數(shù)減小50％，而漆包線截面積應(yīng)增大50％，這樣才能使二者保持額定輸出功率相等。圖5所示電路的工作原理與圖4所示電路工作原理完全相同，以圖5為例說明無刷直流鼠籠電動機的啟動全過程。
整流電路與C3及C4組成對稱直流電源，C3＝C4，故U3＝U4，允許出現(xiàn)誤差。無刷直流鼠籠電動機的定子中繞制成兩序正交線圈L1及L2，分別并聯(lián)電容器C1及C2，保證適當?shù)膿Q向斷電時間，并分別串聯(lián)限流電感L12和L22。L1的進線端經(jīng)電子開關(guān)管G1、G3分別于C3、C4正、負極相連，而L2的出線端經(jīng)電子開關(guān)管G2、G4分別與C3、C4的正、負極相連。G1、G2、G3、G4又分別反并聯(lián)二極管Z1、Z2、Z3、Z4，Z1與無功電流測試表串聯(lián)后與G1反并聯(lián)，C1兩端作為線圈端電壓UC1的測試點。
啟動時，將G1先導(dǎo)通，使L1接C3正極，T/4時間后斷電，經(jīng)t0/2時間再將G3接通C4負極，同時將G2接通C3正極使L2接通正電壓，經(jīng)T/4時間后G2關(guān)斷，經(jīng)t0/2時間再將G4接通C4負極，過T/4時間L1電壓換向，使L1第二次通電為T/2時間。又經(jīng)T/4時間L2第二次通電也經(jīng)過T/2時間又再次電壓換向，之后循環(huán)交替電壓換向。啟動時應(yīng)使兩序線圈工作電壓UC1、UC2在低電壓下逐漸上升，開始電壓最低應(yīng)比額定工作電壓低三分之二，即UC1等于三分之一的額定工作電壓下逐漸上升。周期也應(yīng)相應(yīng)延長三倍。因此電子開關(guān)管加高頻率脈沖信號，控制占空比調(diào)整工作電壓值。按預(yù)定時間電壓上升為額定值。按程序進入同步狀態(tài)運行完成啟動過程。
G1電子開關(guān)管導(dǎo)通時，波動很大的高頻電壓脈沖電壓降在電感L12上，G1關(guān)斷時，L12經(jīng)C4、Z3、C1放電，因此放電電壓極高，能量很短時間釋放完畢。同樣其他電子開關(guān)管導(dǎo)通斷電后，也是由L12和L22釋放能量，放電回路由圖3很容易查出，不復(fù)述。這樣就實現(xiàn)像軟啟動那樣平穩(wěn)運行。
圖6為采用全控橋整流調(diào)壓組成對稱直流電源的電壓、換向器開關(guān)管電路原理接線圖。由前面分析知道，無刷直流鼠籠電動機可以無級調(diào)速，圖6所示作為另一個實施例如下所述延長電壓換向周期的同時，相應(yīng)降低直流電源就可以實現(xiàn)無級調(diào)速。降低直流電源電壓的方法也可以采用可控硅全控整流線路，通過改變可控硅觸發(fā)角即可改變直流電源電壓。圖中由三相全控橋整流電路輸出可調(diào)的直流電壓，整流電壓經(jīng)濾波電容形成穩(wěn)定直流電源，而濾波電容器C3、C4是由兩個電解電容器串聯(lián)構(gòu)成，其串聯(lián)點作為對稱直流電壓的對稱中心，就形成對稱直流電源。將圖5中的限流電感L12及L22取消，短接后成為圖6形式。這就成為可控調(diào)壓調(diào)速無刷直流鼠籠電動機的另一種實例。啟動時，電壓換向頻率逐漸由低向高過度，同時直流電壓相應(yīng)由低升高即可實現(xiàn)無刷直流鼠籠電動機軟啟動運行方式，而不需要另加啟動設(shè)備。無刷直流鼠籠電動機定子線圈采用常規(guī)交流鼠籠單相電動機采用電容啟動線圈的布置形式，同樣能形成旋轉(zhuǎn)磁場。只不過運行過程中仍按前面給定程序由電子換向器向兩個定子線圈提供正、負交替的直流工作電壓，電子換向時間為二分之一周期，兩個定子線圈換向時間錯開四分之一周期，換向過程中由電子換向器控制定子線圈斷電t0時間，在t0時間內(nèi)，與線圈并聯(lián)的電容器吸收線圈電感釋放能量形成自然換向狀態(tài)。調(diào)速時，改變電壓換向頻率的同時相應(yīng)改變直流電源電壓即可實現(xiàn)無級調(diào)速。
小型電動機定子可采用8槽4極兩序正交線圈，定子共有8齒，齒數(shù)少可以加寬。中型電動機可采用12槽或16槽定子鐵心。大型電動機可采用24槽定子鐵心。鼠籠型轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條數(shù)做相應(yīng)調(diào)整即可。
無刷直流鼠籠電動機效率高，動力大，成本低，而且調(diào)控方便，是一種理想的拖動設(shè)備。
表16個T/4時間段電壓換向表
權(quán)利要求
1.一種無刷直流鼠籠電動機，其特征在于采用鼠籠型轉(zhuǎn)子，定子采用兩序正交線圈布置，兩序正交線圈分別并聯(lián)電容器，直流電源連電子換向器，并且經(jīng)電子換向器為兩序正交線圈提供正、負交替的直流方波電壓，正、負交替通電時間各占二分之一周期，兩序正交線圈直流電壓換向時間相互錯開四分之一周期，電壓換向過程中由電子換向器控制定子線圈斷電t0時間形成自然換向過程，電子換向器按給定程序向兩序正交線圈供電使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流鼠籠電動機，其特征在于它的電子換向器是由編程器連調(diào)控信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器經(jīng)電壓換向電子開關(guān)管電路連電動機的兩序正交線圈，電壓換向電子開關(guān)管電路還連電壓及無功電流檢測儀，該檢測儀接入編程器；電壓及無功電流檢測儀隨時檢測定子線圈工作端電壓UC及無功電流iE數(shù)值，送入編程器，編程器依據(jù)上述兩數(shù)值，判斷電動機穩(wěn)定運行時電壓換向時間T/2的大小是否滿足轉(zhuǎn)子同步運行的需要，根據(jù)需要隨時調(diào)整后送入調(diào)控信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器發(fā)出調(diào)控信號，操縱電壓換向電子開關(guān)管電路工作，控制轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場同步穩(wěn)定運行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流鼠籠電動機，其特征在于它的定子采用的兩序正交線圈，由兩條獨立支路構(gòu)成，每條支路中正、負極性的線圈數(shù)相等，每極線圈的匝數(shù)及導(dǎo)線截面積相等，并且正、負交替串聯(lián)組成一條支路，每極線圈包圍兩個定子齒，其中兩個定子齒又分別處在另外1序線圈的正、負極性的磁路中；也可以采用常規(guī)單相電動機由電容器啟動線圈的布置形式的兩個定子線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流鼠籠電動機，其特征在于由電子換向器控制通電的給定程序，給定程序是指啟動時兩序正交線圈中有一序提前T/4周期通電，每序線圈第一次通電電壓換向時間是T/4時間，從第二次通電及以后通電的電壓換向時間均為T/2時間，電壓換向過程存在t0/2的斷電時間，而且電壓換向過程斷電時間t0/2，由檢測線圈工作的端電壓反向充電到接近定子線圈工作電壓UC的值后才能重新?lián)Q向通電。
5.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無刷直流鼠籠電動機，其特征在于它的直流電源采用兩線供電時，其電壓、換向開關(guān)管電路為兩序正交線圈L1和L2分別并聯(lián)電容C1和C2，經(jīng)電子開關(guān)管G1～G8與非對稱兩線供電的直流電源連接；直流電源經(jīng)整流后加裝濾波電容C，濾波電容C既起了濾波作用又給正交線圈L1和L2的無功放電電流提供通道，與電子開關(guān)管中反向并聯(lián)的二極管Z1～Z8組成無功放電電流形成放電回路，線圈一端與電子換向器之間串聯(lián)電感L。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無刷直流鼠籠電動機，其特征在于它的直流電源采用兩線供電時，其電壓、換向開關(guān)管電路為整流電路與電容C3和C4組成對稱直流電源，上述正交線圈L1和L2分別并聯(lián)電容C1和C2，保證適當?shù)膿Q向斷電時間，并分別串聯(lián)限流電感L12和L22；L1的進線端經(jīng)電子開關(guān)管G1、G3分別于C3、C4正、負極相連，而L2的出線端經(jīng)電子開關(guān)管G2、G4分別與C3、C4的正、負極相連；G1、G2、G3、G4又分別反并聯(lián)二極管Z1、Z2、Z3、Z4，Z1與無功電流測試表串聯(lián)成為電流檢測回路，C1兩端作為線圈電壓UC1的測試點。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無刷直流鼠籠電動機，其特征在于采用全控整流對稱直流電源，由可控硅組成的整流電路連兩濾波電容器C3、C4，上述兩個電解電容器串聯(lián)，其串聯(lián)點作為對稱直流電壓的對稱中心，就形成對稱直流電源；正交線圈L1和L2分別并聯(lián)電容C1和C2，L1的進線端經(jīng)電子開關(guān)管G1、G3分別于C3、C4正、負極相連，而L2的出線端經(jīng)電子開關(guān)管G2、G4分別與C3、C4的正、負極相連；G1、G2、G3、G4又分別反并聯(lián)二極管Z1、Z2、Z3、Z4，Z1與無功電流測試表串聯(lián)成為電流檢測回路；由編程器改變電壓換向周期的同時，改變?nèi)刂普麟娐返目煽毓栌|發(fā)角，相應(yīng)改變電源電壓進行無級調(diào)速，同時可實現(xiàn)由改變電壓換向周期及全控橋可控硅觸發(fā)角實現(xiàn)軟啟動運行方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無刷直流鼠籠電動機，其穩(wěn)定運行時，定子線圈的工作電壓UC值的調(diào)控，由限流電感L12及定子線圈并聯(lián)電容器C1、C2實現(xiàn)的，其特征在于調(diào)控高頻脈沖的占空比改變定子線圈工作電壓的大小，一直達到檢測不出無功電流的情況下就保障轉(zhuǎn)子是在同步狀態(tài)下穩(wěn)定運行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無刷直流鼠籠電動機，它是由兩序正交線圈裝配成定子及鼠籠型轉(zhuǎn)子，兩序正交線圈分別并聯(lián)電容器，直流電源連電子換向器，并且經(jīng)電子換向器為兩序正交線圈提供正、負交替的直流方波電壓；由電子換向器調(diào)控電壓換向周期及線圈電壓實現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動，保證功率因數(shù)等于1，效率始終達到最高狀態(tài)下穩(wěn)定運行，而且電子換向器比變頻調(diào)速器簡單，其成本僅占變頻調(diào)速系統(tǒng)的三分之一，又能使電動機出力增大50％以上。
文檔編號H02K29/00GK1595788SQ20041004945
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者王有元 申請人:王有元, 高明海