專(zhuān)利名稱(chēng)：用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)電流限制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)電流限制裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種限流裝置，尤其是一種用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)電流限制裝置。
背景技術(shù)：
[0002]永磁直流電機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)，其性能與恒定勵(lì)磁電流的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相似，可以由改變電樞電壓來(lái)方便地調(diào)速；與他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用銅量少等優(yōu)點(diǎn)，是小功率直流電動(dòng)機(jī)的主要類(lèi)型，被廣泛地應(yīng)用在各種行業(yè)中，特別是在開(kāi)關(guān)裝置中作為動(dòng)力裝置被應(yīng)用，因此永磁直流電機(jī)是一種重要的機(jī)電設(shè)備，在開(kāi)關(guān)裝置中，由于開(kāi)合動(dòng)作，需要永磁直流電機(jī)頻繁地啟動(dòng)，由于在電刷和線圈之間產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，使至少三組線圈在啟動(dòng)時(shí)并聯(lián)，相對(duì)于一組線圈的電阻變小，從而使啟動(dòng)電流增大，對(duì)電源產(chǎn)生損壞，在現(xiàn)有的用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的限流裝置中，還沒(méi)有一種裝置。發(fā)明內(nèi)容[0003]為了克服上述技術(shù)缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是提供一種用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)電流限制裝置，因此降低了對(duì)電源性能的要求，保證了電機(jī)的可靠啟動(dòng)。[0004]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是包含有設(shè)置為與功率為 200-400W的永磁直流電機(jī)的線圈串聯(lián)并阻值設(shè)置為9-11 Ω的電阻R。[0005]當(dāng)串聯(lián)入電阻R后，在永磁直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，保持啟動(dòng)電阻為22Ω、啟動(dòng)電流為 10A，由于設(shè)計(jì)了電阻R，限制了啟動(dòng)電流的激增，消除了電刷拉弧對(duì)啟動(dòng)電流的影響，因此降低了對(duì)電源性能的要求，保證了電機(jī)的可靠啟動(dòng)。


[0006]圖I為本實(shí)用新型的示意圖[0007]圖2為永磁直流電機(jī)簡(jiǎn)化等效回路的示意圖[0008]圖3為永磁直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[0009]圖4為永磁直流電機(jī)的電刷與線圈兩電極的拉弧現(xiàn)象的示意圖圖5為未實(shí)施本實(shí)用新型的永磁直流電機(jī)的自身的特性圖[0010]圖6為實(shí)施本實(shí)用新型的永磁直流電機(jī)的自身的特性圖。
具體實(shí)施方式
[0011]附圖為本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例，結(jié)合附圖具體說(shuō)明本實(shí)施例，包含有電阻R， 電阻R設(shè)置為與永磁直流電機(jī)的線圈串聯(lián)。[0012]在本實(shí)施例中，電阻R的阻值設(shè)置為9 Ω，永磁直流電機(jī)的功率設(shè)置為200w。[0013]在本實(shí)施例中，電阻R設(shè)置為RX20-25W_10QJ型。[0014]在永磁直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)串聯(lián)入電阻R后，保持啟動(dòng)電阻為22 Ω、啟動(dòng)電阻為 10A，從而保證電源的安全性。[0015]I.直流電機(jī)啟動(dòng)電流[0016]在本實(shí)施例中，永磁直流電機(jī)由帶線圈的轉(zhuǎn)子和提供磁場(chǎng)的永久磁鐵構(gòu)成，由于其簡(jiǎn)化等效回路見(jiàn)圖I。根據(jù)歐姆定律及法拉第電磁感應(yīng)定律，有[0017]Ue=IR (I)[0018]Us=IZ (2)[0019]U1=CeON (3)[0020]又根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在的電勢(shì)平衡，有[0021]US=UL+UE= CeON +IR (4)[0022]導(dǎo)出[0023]I= (Us-CeΦN)/R (5)[0024]式中US為電源電壓，為定值[0025]Ue為電阻兩側(cè)的電壓[0026]Ul為電感兩側(cè)的電壓[0027]Z為電機(jī)線圈阻抗[0028]R為電機(jī)(單個(gè)轉(zhuǎn)子線圈的)直流電阻[0029]Ce為常數(shù)[0030]Φ為定子磁場(chǎng)穿過(guò)電樞繞組的磁通量[0031]N為電機(jī)轉(zhuǎn)速[0032]當(dāng)電機(jī)被施加電源Us啟動(dòng)瞬間，由于轉(zhuǎn)子近乎不動(dòng)，N=0，則式(5)變?yōu)閇0033]I=US/R=I0 (6)[0034]I0即為電機(jī)啟動(dòng)電流峰值，根據(jù)式(6)，電機(jī)的啟動(dòng)電流峰值僅與電源電壓及電機(jī)的直流電阻有關(guān)，與電機(jī)的負(fù)載無(wú)關(guān)，換言之[0035]當(dāng)電源一定時(shí)，永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)電流峰值與電機(jī)直流電阻成反比。[0036]2.直流電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回路阻抗[0037]電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)后(簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)態(tài))，N為一穩(wěn)定值,根據(jù)式(3)，UL不再為零，也為一定值，但難以準(zhǔn)確測(cè)量；我們采用式(2)對(duì)電機(jī)阻抗進(jìn)行測(cè)算，即電機(jī)回路的阻抗為[0038]Z=Us/1(7)[0039]從另一個(gè)角度分析，電感有“通直阻交”的特性，即電感的感抗值為oL，在直流穩(wěn)態(tài)回路中，ω=0，所以電感的感抗值為0，即具有通直流的特性；在工頻交流穩(wěn)態(tài)回路中， ω=314，所以電感的感抗值為314L，即具有阻交流的特性。而在本例的直流電機(jī)回路中，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)線圈交替與電刷接通，從而使得線圈中始終存在電流從無(wú)到有、從有到無(wú)的周期性變化，即ω古0，所以電機(jī)回路的阻抗不僅是其直流電阻了。[0040]永磁直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈通過(guò)換向器與電源連接，其運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈分成若干組(該例中為16組，為表示方便，圖中只示意了 5組)，圖中Ρ、Ν分別表示各線圈的兩個(gè)電極，該兩極成180°布置；電刷的寬度與線圈兩電極寬度相當(dāng)；這樣保證在任意角度，僅有一個(gè)線圈的兩極通過(guò)電刷與電源正負(fù)極相連，因此，電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 每個(gè)線圈依次輪換通電工作，但不會(huì)(不能)存在二個(gè)以上線圈同時(shí)帶電。圖I中所示R、L即為單個(gè)線圈的參數(shù)。[0041]本例中，測(cè)試R約為12Ω，電源電壓220V，根據(jù)式(6)，正常狀態(tài)下該電機(jī)的啟動(dòng)電流峰值為(見(jiàn)圖4)[0042]10=220/12=18. 3 (A)(8)[0043]在這種狀態(tài)下，C6的空開(kāi)完全可以不跳閘。[0044]2.直流電機(jī)啟動(dòng)異?，F(xiàn)象與分析[0045]經(jīng)仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)空開(kāi)跳閘時(shí)，換向器部位均存在電刷與線圈兩電極的拉弧現(xiàn)象，如圖3所示。從圖中可以看出，由于拉弧，電弧將3組(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際多達(dá)8組)線圈并接在電源兩側(cè)，電機(jī)的實(shí)際電阻變?yōu)镽/3 4Ω (現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際小于R/8 ^ I. 5Ω )，根據(jù)式(5)，該狀態(tài)下該電機(jī)的啟動(dòng)電流峰值為[0046]10=220/4=54. 9 (A)[0047]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際超過(guò)I0=220/L 5=146 (A)，從而導(dǎo)致C6、DlO乃至C32的空開(kāi)跳閘。[0048]在本實(shí)施例中，技術(shù)方案的分析[0049]2. I拉弧原因分析[0050]2. I. I直流電流熄弧困難[0051]電弧的熄滅即為電流變?yōu)榱?。[0052]交流電弧可以在電流瞬間過(guò)零點(diǎn)時(shí)自然熄滅，對(duì)于工頻50Hz的電源來(lái)說(shuō)，每個(gè) IOms就會(huì)出現(xiàn)一次電流零點(diǎn)，因此交流電流在極短的時(shí)間(距離)內(nèi)即可熄滅。[0053]直流電弧沒(méi)有周期性電流零點(diǎn)，其熄滅是通過(guò)拉長(zhǎng)電弧，使電弧電阻增加到足夠大，從而實(shí)現(xiàn)電流變?yōu)榱愣纭Ｒ虼吮仨氂凶銐虻木嚯x才能實(shí)現(xiàn)電流的斷開(kāi)。[0054]2. I. 2海拔高導(dǎo)致空氣絕緣降低，使得熄弧距離變長(zhǎng)，電弧跨接線圈相鄰的兩各電極，導(dǎo)致電流成倍增加，增大的電流又繼續(xù)加大了熄弧距離，從而形成惡性循環(huán)。[0055]2. I. 3拉弧也會(huì)加劇電刷碳粉的脫落，脫落的碳粉也使得電極間絕緣進(jìn)一步降低。[0056]3解決方案[0057]根據(jù)上述分析，電機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大，與回路的電阻被大大降低直接相關(guān)；根據(jù)式(6)，通過(guò)加大電機(jī)回路電阻，可以避免上述故障。但考慮電機(jī)外形尺寸、溫升、效率等的限制，其電阻已無(wú)法增加、電極間絕緣距離無(wú)法加大。為此，考慮在電機(jī)回路外串入一個(gè)電阻 R，保證回路中的總電阻維持正常值12 Ω左右。[0058]3. I試驗(yàn)研究[0059]根據(jù)測(cè)量，本例中的直流電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，Us=220V, 1=1. 3A，[0060]根據(jù)式(7)，該電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)回路的阻抗為[0061]Z=Us/I=220/l. 3=169 ( Ω )[0062]又由式(8)，電機(jī)啟動(dòng)電流峰值約為運(yùn)行電流的18. 3/1. 3=15倍。[0063]結(jié)合上述，擬串入阻值10Ω的電阻R，估算其功率應(yīng)為[0064]P=I2R=L 32 X 10=17 (W)[0065]為留有余量，實(shí)際取值25W。[0066]串入R后，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，即便電機(jī)仍然拉弧嚴(yán)重，整個(gè)回路的電阻仍將維持12Ω以上，啟動(dòng)電流將低于18A(見(jiàn)式(8))。事實(shí)上，由于串入電阻形成良性循環(huán)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)已無(wú)拉弧短接線圈的現(xiàn)象，因此最大啟動(dòng)電流實(shí)際變?yōu)?10= US/ (R+R)=220/ (12+10)=10 (A)左右(見(jiàn)圖5)。[0067]電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)歐姆定律(式(2))，實(shí)際回路電流降低R/ (R+Z)=10/ (10+169) =5. 6%。又有電機(jī)轉(zhuǎn)矩[0068]T =CmΦI(9)[0069]電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)線圈電流成正比，因此串入電阻之后在明顯限制啟動(dòng)電流峰值的同時(shí)，也使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩按相應(yīng)比例下降。經(jīng)使用機(jī)械特性?xún)x對(duì)機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行測(cè)試，仍可滿足技術(shù)要求。圖4為未串入R時(shí)正常工作的機(jī)構(gòu)特性圖，圖5為串入R后機(jī)構(gòu)的特性圖， 對(duì)比圖4、圖5可看出，串入R后僅明顯影響了電機(jī)的啟動(dòng)電流峰值。[0070]3. 2現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證[0071]按照上述，采購(gòu)RX20-25W_10QJ型電阻，安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)構(gòu)回路內(nèi)，經(jīng)反復(fù)測(cè)試， 電機(jī)啟動(dòng)電流峰值在IOA左右，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)未有明顯電流下降，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)約 50ms,電動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間約延長(zhǎng)160ms,整體上機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性仍然滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。測(cè)試圖見(jiàn)圖5。[0072]本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例中，電阻R的阻值設(shè)置為11 Ω，永磁直流電機(jī)的功率設(shè)置為400w。[0073]本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例中，電阻R的阻值設(shè)置為10 Ω，永磁直流電機(jī)的功率設(shè)置為300w。[0074]本實(shí)用新型的第四個(gè)實(shí)施例中，電阻R的阻值設(shè)置為9. 5 Ω，永磁直流電機(jī)的功率設(shè)置為250w。[0075]本實(shí)用新型的第五個(gè)實(shí)施例中，電阻R的阻值設(shè)置為10. 5 Ω，永磁直流電機(jī)的功率設(shè)置為350w。[0076]總之，高海拔地區(qū)由于空氣絕緣下降，電機(jī)電刷與轉(zhuǎn)子電極熄弧距離變長(zhǎng)，使多對(duì)電樞繞組并聯(lián)導(dǎo)致線圈直流電阻減小，啟動(dòng)電流成倍增加，容易引起電機(jī)啟動(dòng)故障；電機(jī)啟動(dòng)電流的大小取決于其線圈直流電阻，其峰值約為穩(wěn)態(tài)值的10倍以上；串接電阻的方法可有效限制電機(jī)啟動(dòng)電流峰值，其阻值確定的原則是既能有效降低啟動(dòng)電流，又不至于明顯減小電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)；電阻的功率取決于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電流。[0077]本實(shí)用新型具有下特點(diǎn)[0078]I、由于設(shè)計(jì)了電阻R，限制了啟動(dòng)電流的激增，消除了電刷拉弧對(duì)啟動(dòng)電流的影響，因此降低了對(duì)電源性能的要求。[0079]2、由于設(shè)計(jì)了電阻R，消除了電弧對(duì)啟動(dòng)電流的影響，保證了開(kāi)關(guān)裝置在高海拔地區(qū)的性能。[0080]3、由于設(shè)計(jì)了電阻R，消除了由于電刷使用產(chǎn)生粉塵形成電弧的影響，保證了永磁直流電機(jī)在使用過(guò)程中的啟動(dòng)性能。[0081]在用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的限流裝置技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)；凡是包含有設(shè)置為與永磁直流電機(jī)的線圈串聯(lián)并阻值設(shè)置為9-11 Ω的電阻R的技術(shù)內(nèi)容都在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)電流限制裝置；其特征是包含有設(shè)置為與功率為200-400W的永磁直流電機(jī)的線圈串聯(lián)并阻值設(shè)置為9-11 Ω的電阻R。
專(zhuān)利摘要一種用于開(kāi)關(guān)裝置中永磁直流電機(jī)的啟動(dòng)電流限制裝置，包含有設(shè)置為與功率為200-400w的永磁直流電機(jī)的線圈串聯(lián)并阻值設(shè)置為9-11Ω的電阻R，限制了啟動(dòng)電流的激增，消除了電刷拉弧對(duì)啟動(dòng)電流的影響，因此降低了對(duì)電源性能的要求，保證了電機(jī)的可靠啟動(dòng)。
文檔編號(hào)H02P1/18GK202818179SQ20122043516
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
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