專(zhuān)利名稱(chēng)：并列設(shè)置多個(gè)定子的磁阻式電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可代替目前的直流電機(jī)和裝有換流器的感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的電機(jī)，特別適用于需要使用非扁平型的、直徑很小的、細(xì)長(zhǎng)型電機(jī)的情況。
與直流電機(jī)相比，磁阻式電機(jī)因?yàn)榇艠O很多，直徑很難制作得很小，所以還沒(méi)有實(shí)施的先例。
磁阻式電機(jī)是一種公開(kāi)的技術(shù)。它可以產(chǎn)生很大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但是由于旋轉(zhuǎn)速度非常小，所以盡管有將一部電機(jī)作為負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)裝置用于帶動(dòng)機(jī)器人的手柄的例子，在市場(chǎng)上還沒(méi)有作為實(shí)用商品出售。也有少量用作小型步進(jìn)式電機(jī)使用的磁阻式電機(jī)，但還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出更廣泛的用途。
磁阻式電機(jī)和直流電機(jī)相比，因磁極數(shù)很多，所以難以制造直徑很小、又具有很大輸出轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。
以磁阻式三相全波電機(jī)為例說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的磁阻式電動(dòng)機(jī)存在的問(wèn)題。
(1)它的磁極和突極很多，構(gòu)造復(fù)雜，而且勵(lì)磁線(xiàn)圈有六組。在三相全波的情況下，磁極和勵(lì)磁線(xiàn)圈至少有12個(gè)。而且轉(zhuǎn)子的突極數(shù)也很多，至少有14個(gè)。
因此，問(wèn)題的關(guān)鍵在于很難構(gòu)成直徑很小的電機(jī)。而且，由于旋轉(zhuǎn)1周磁極和突極的能量出入次數(shù)增大，存在旋轉(zhuǎn)速度難以升高，鐵心損耗增大的弊病。
(2)由于勵(lì)磁線(xiàn)圈蓄積的磁能很大，蓄積時(shí)需要一定的時(shí)間，致使電流上升延遲而產(chǎn)生減轉(zhuǎn)矩。
另外，上述磁能的消失也需要時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。隨旋轉(zhuǎn)速度的上升，減轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩也隨之增大。
因此，存在效率差旋轉(zhuǎn)速度低的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的就是要提供能解決上述問(wèn)題的磁阻式電機(jī)。
本發(fā)明的上述目的是由具有下述結(jié)構(gòu)的磁阻式電動(dòng)機(jī)而達(dá)到的。該磁阻式電動(dòng)機(jī)包括兩側(cè)裝有側(cè)板的外框，設(shè)置在兩側(cè)板中央部位的軸承，設(shè)置在該軸承上、可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸，設(shè)置在外框內(nèi)、固定在旋轉(zhuǎn)軸上的由磁性材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子，四個(gè)設(shè)置在該轉(zhuǎn)子外圓周上的寬度相等、間距相等的突極，外周部分固定在外框內(nèi)、并列設(shè)置的n(n＝2、3、4…)個(gè)定子，以相等的間距設(shè)置在各定子的內(nèi)圓周面上的6個(gè)電角度為120度的磁極，它們與突極間只有微小的間隙，且位于軸對(duì)稱(chēng)位置的兩個(gè)磁極是同相的，裝在上述磁極上的第1、第2、第3相的勵(lì)磁線(xiàn)圈，包含多個(gè)位置檢測(cè)元件的位置檢測(cè)裝置，用于獲得檢測(cè)突極位置的n組位置檢測(cè)信號(hào)，其中每一組信號(hào)由電角寬度為120度、相互連續(xù)的第1、第2、第3相矩形波所組成，各組位置檢測(cè)信號(hào)之間依次滯后120°/n相位，接在各勵(lì)磁線(xiàn)圈兩端的開(kāi)關(guān)器件，
反向并聯(lián)在開(kāi)關(guān)器件與對(duì)應(yīng)勵(lì)磁線(xiàn)圈的串聯(lián)電路上的二極管，由n組位置檢測(cè)信號(hào)中的第1、第2、第3位置檢測(cè)信號(hào)依次使幾個(gè)定子上的第1、第2、第3相勵(lì)磁線(xiàn)圈兩端的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，而對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈進(jìn)行通電控制的通電控制電路，調(diào)整與轉(zhuǎn)子突極相向的定子磁極的相對(duì)位置使得由幾個(gè)定子的磁極與轉(zhuǎn)子的突極所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩依次滯后120°/n的電角度，然后將定子固定在外框上的裝置，調(diào)整上述位置檢測(cè)元件的位置使得各相勵(lì)磁線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩為最大值，然后將位置檢測(cè)元件固定在定子上的裝置，為了使用勵(lì)磁線(xiàn)圈通電的上升沿引起的減轉(zhuǎn)矩和下降沿引起的反向轉(zhuǎn)矩減至最小值，將勵(lì)磁線(xiàn)圈蓄積的磁能通過(guò)反向并聯(lián)的二極管快速釋放以及使磁能快速蓄積的裝置。
把兩個(gè)以上的三相半波通電的磁阻型電機(jī)并排安裝在外框內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)使每個(gè)電機(jī)的磁極數(shù)和突極數(shù)變小了。在本發(fā)明中，磁極寬度是120°電氣角，磁極是6個(gè)，間距相等，轉(zhuǎn)子的突極數(shù)是4個(gè)。
因此，可以制成直徑很小的細(xì)長(zhǎng)型電機(jī)。
由幾個(gè)并列安裝的半波電機(jī)使輸出轉(zhuǎn)矩增大幾倍。每個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相差120°/n的相位，這樣在減小脈動(dòng)的同時(shí)，還改善了起動(dòng)特性。因而可以解決上述第一個(gè)問(wèn)題。
通過(guò)將勵(lì)磁線(xiàn)圈蓄積的磁能回授給饋電高壓直流電源，可使蓄積的磁能快速釋放，從而防止反向轉(zhuǎn)矩的發(fā)生。由于用高壓饋電可使磁能的蓄積快速完成從而防止了負(fù)轉(zhuǎn)矩的發(fā)生?；蛘咄ㄟ^(guò)二極管來(lái)阻止斷電勵(lì)磁線(xiàn)圈所蓄積的磁能向直流電源的回授、并利用此時(shí)產(chǎn)生的較大的電動(dòng)勢(shì)，使下一個(gè)應(yīng)通電的勵(lì)磁線(xiàn)圈的磁能蓄積快速完成，這樣，使磁能的釋放和蓄積都能快速完成，從而防止了減轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩的發(fā)生。因而可以解決上述第二個(gè)問(wèn)題。
下面結(jié)合


本發(fā)明。
圖1是3相半波磁阻式電機(jī)構(gòu)造的說(shuō)明圖;
圖2是上述電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、磁極、勵(lì)磁線(xiàn)圈的展開(kāi)圖;
圖3是從線(xiàn)圈獲得位置檢測(cè)信號(hào)的電路圖;
圖4是勵(lì)磁線(xiàn)圈的通電控制電路圖;
圖5及圖6是位置檢測(cè)信號(hào)、勵(lì)磁電流、輸出轉(zhuǎn)矩的時(shí)間圖;
圖7是本發(fā)明裝置的總體構(gòu)造圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1及以后各圖說(shuō)明的實(shí)施例，各圖中同一符號(hào)表示同一部件。
以后所有的角度均指電角度。
圖1是本發(fā)明的3相半波磁阻型電機(jī)的轉(zhuǎn)子突極和定子的磁極以及勵(lì)磁線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)平面圖。
圖1中，1表示轉(zhuǎn)子，突極分別用1a、1b…表示，電角度為120°，分別以360度相位差、等間距地設(shè)置。
轉(zhuǎn)子1是以眾所周知的疊加矽鋼片的方法制成的。5為旋轉(zhuǎn)軸。16是定子，磁極是16a、16b、16c、16d、16e、16f，其寬度均為120度，并以等間距配置。突極和磁極的寬度均為120度。突極數(shù)是4個(gè)，磁極是6個(gè)。定子16也用與轉(zhuǎn)1相同的方法制作。
圖2是圖1的3相半波磁阻式電極的展開(kāi)圖。
圖2是線(xiàn)圈10a、10b、10c是檢測(cè)突極1a、1b…的位置檢測(cè)元件。它固定在定子16旁。線(xiàn)圈與突極1a、1b…相對(duì)，之間留有很小的空隙。突極1a、1b的寬度，在以180°的寬度、僅角度相同地間隔設(shè)置的情況下，在后面敘述。
線(xiàn)圈10a、10b、10c保持120度的間隔。
線(xiàn)圈是用5mm的線(xiàn)繞100匝所成的空心線(xiàn)圈。
圖3a表示用于由線(xiàn)圈10a、10b、10c獲得位置檢測(cè)信號(hào)的裝置。
圖3a中，線(xiàn)圈10a、10b、10c，電阻15a、15b、15c…15e構(gòu)成電橋電路，當(dāng)線(xiàn)圈10a，10b、10c不對(duì)著突極1a、1b、…時(shí)，可以被調(diào)整為平衡狀態(tài)。
因此，由二極管11a、電容12a和二極管11c、電容12c構(gòu)成的低通濾波器的輸出是相等的，運(yùn)算放大器13的輸出處于低電平。
圖中，7是振蕩器，它以1兆赫頻率進(jìn)行振動(dòng)。當(dāng)線(xiàn)圈10a正對(duì)著1a、1b、…時(shí)，由于鐵耗(渦流損耗和磁帶損耗)，線(xiàn)圈的阻抗減小，電阻抗減小，電阻15a的電壓降變大，放大器13a的輸出處于高電平。
當(dāng)線(xiàn)圈10b、10c正對(duì)著突極1a、1b…的側(cè)面時(shí)，電阻15b、15c的電壓降變大，通過(guò)低通濾波器11b、12b和另一組低通濾波器加至放大器13b、13c的+輸入端，使其輸出為高電平。
放大器13a、13b、13c的輸出信號(hào)作為位置檢測(cè)信號(hào)，其時(shí)序圖如圖6所示，分別為曲線(xiàn)25a、25b、26a、26b、27a、27b、…。
上述三組位置檢測(cè)信號(hào)，按順序依次滯后120度相位。
8是3相Y型直流電機(jī)帶用的邏輯電路。由接線(xiàn)端子6a、6b…可以得到相差120度的連續(xù)位置檢測(cè)信號(hào)。例如，由圖6的曲線(xiàn)25a、25b…和26a、26b…的反相輸出的與回路，可以得到曲線(xiàn)28a、28b、…的電信號(hào)。電路8的接線(xiàn)端6a、6b、…6f的輸出分別如圖6的時(shí)間曲線(xiàn)28a、28b…，29a、29b…，30a、30b…，31a、31b…，32a、32b…，33a、33b…所示。28a、29a和30a成為連續(xù)的、相位差為120度的第1、第2、第3相的位置檢測(cè)信號(hào)。
曲線(xiàn)31a、33a也同樣是連續(xù)的120度寬度的第1、第2第3相的位置檢測(cè)信號(hào)。使形狀相同的鋁板(而不是使正對(duì)著線(xiàn)圈10a、10b、10c的轉(zhuǎn)子)同步旋轉(zhuǎn)，即使把線(xiàn)圈10a、10b、10c正對(duì)其突出部位，也可得到同樣效果的位置檢測(cè)信號(hào)。利用與轉(zhuǎn)子1同步旋轉(zhuǎn)的磁性轉(zhuǎn)子，再利用面對(duì)磁極的磁性元件的輸出變化，也可以得到同樣的位置檢測(cè)信號(hào)。
在突極1a、1b…的寬度如圖2所示，以120度的寬度、互相分隔240度的情況下，由與之正對(duì)的線(xiàn)圈10a、10b、10c取得位置檢測(cè)信號(hào)的方法在下面進(jìn)行說(shuō)明。
圖3a的虛線(xiàn)E所包圍的電路在圖3b中用同一符號(hào)表示。
用同樣構(gòu)造的線(xiàn)圈10d、10e、10f代替線(xiàn)圈10a、10b、10c，線(xiàn)圈10d、10e、10f分別固定在和圖2的線(xiàn)圈10a、10b、10c相同的位置上。
因?yàn)閳D3b的運(yùn)算放大器13d、13e、13f的輸出即為圖6的曲線(xiàn)28a、28b…，曲線(xiàn)29a、29b…及曲線(xiàn)30a、30b…，所以，可得到和圖3a的輸出端6a、6b和6c處的輸出同樣的位置檢測(cè)信號(hào)。若在與線(xiàn)圈10d、10e、10f分別滯后180°相位的位置上，對(duì)著突極1a、1b固定設(shè)置著同樣構(gòu)造的三個(gè)線(xiàn)圈，則可以由這三個(gè)線(xiàn)圈，利用與圖3b相同結(jié)構(gòu)的電路，得到圖6的曲線(xiàn)31a、31b…，曲線(xiàn)32a、32b…及曲線(xiàn)33a、33b…等，因此與圖3a的端子6d、6e、6f處的輸出一樣。
因?yàn)槟艿玫脚c圖3a同樣性質(zhì)的位置檢測(cè)信號(hào)，因此，可用于同樣的目的。
磁阻型的電動(dòng)機(jī)，有輸出轉(zhuǎn)矩較大的好處，另一方面，因如下所述缺點(diǎn)，影響了其實(shí)用化的進(jìn)程(1)勵(lì)磁線(xiàn)圈不能往復(fù)通電，電路系統(tǒng)很貴，而且磁極、突極數(shù)量多、結(jié)構(gòu)也復(fù)雜，所以制作直徑較小的電動(dòng)機(jī)很困難。在本發(fā)明裝置，由于使用3相半波電動(dòng)機(jī)，在消除上述缺陷的同時(shí)，也消除了由于半波通電帶來(lái)的缺點(diǎn)。
(2)在突極開(kāi)始正對(duì)磁極的初期，轉(zhuǎn)矩特別大，末期變小。因此合成轉(zhuǎn)矩會(huì)有較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
用以下手段消除這一缺點(diǎn)較有效。
即，使突極和磁極相對(duì)的面在旋轉(zhuǎn)軸的方向上的寬度不同。根據(jù)所所用的方法，由于相對(duì)面的泄漏磁通量，使輸出轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)如圖5的虛線(xiàn)曲線(xiàn)41a、41b…那樣，曲線(xiàn)的平坦部分增大，所以用按下述方法可使合成轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)成分縮小。這樣就可以削弱上述缺陷。
或者用眾所周知的方法，通過(guò)使一個(gè)磁極的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)形狀，用和碳刷式直流電機(jī)同樣的方法(即正中部位通以120度寬度的電流)就可以達(dá)到同樣的目的。
(3)只能低速運(yùn)轉(zhuǎn)，即，為了增大輸出轉(zhuǎn)矩，要增加勵(lì)磁電流，旋轉(zhuǎn)速度便顯著下降，從而效率也變差。
一般在磁阻型電動(dòng)機(jī)中，為了增大輸出轉(zhuǎn)矩，在增大勵(lì)磁線(xiàn)圈的安匝的同時(shí)增加如圖1所示的磁極和突極數(shù)，并且要求減小兩者的相對(duì)空隙。此時(shí)，若保持所需的轉(zhuǎn)數(shù)，由于圖1中的磁極16a、16b…和突極1a、1b…上儲(chǔ)存的磁能的作用，勵(lì)磁電流的上升斜率相對(duì)地變慢，而且在斷電時(shí)，因磁能放電電流消減的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)而產(chǎn)生大的反向轉(zhuǎn)矩。
因此，由于勵(lì)磁電流值的峰值減小，而且產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)速減小，效率也降低。
本發(fā)明的裝置可消除上述缺陷，下面就實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。
圖1的平面圖和圖2的展開(kāi)圖中，圓環(huán)部分16及磁極16a、16b…等用眾所周知的矽鋼片積層固化的方法制造，固定在圖中未示出的外框上作為電機(jī)定子。符號(hào)16那部分為形成磁路的磁心。符號(hào)16及16a、16b…稱(chēng)為電樞或定子。
圖2中的磁極16a、16b…裝有勵(lì)磁線(xiàn)圈17a、17b…勵(lì)磁線(xiàn)圈17a、17b或串聯(lián)連接或并聯(lián)連接，該連接體稱(chēng)為勵(lì)磁線(xiàn)圈K。
勵(lì)磁線(xiàn)圈17b、17e及勵(lì)磁線(xiàn)圈17c、17f也用同樣方式連接，其連接體分別稱(chēng)為勵(lì)磁線(xiàn)圈L和勵(lì)磁線(xiàn)圈M。
勵(lì)磁線(xiàn)圈M-通電，突極1b、1d被吸引，轉(zhuǎn)子1向箭頭A方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)120度后，勵(lì)磁線(xiàn)圈M斷電，勵(lì)磁線(xiàn)圈L通電，再轉(zhuǎn)120度時(shí)，L斷電、K通電。
通電電機(jī)每旋轉(zhuǎn)120度，勵(lì)磁線(xiàn)圈K-勵(lì)磁線(xiàn)圈M-勵(lì)磁線(xiàn)圈L-往復(fù)交替，作為3相半波電機(jī)而被驅(qū)動(dòng)。
此時(shí)，處于軸對(duì)稱(chēng)位置上的兩個(gè)磁極如圖所示那樣被磁化為N和S極。
因?yàn)楸粍?lì)磁的兩個(gè)磁極總是異性磁極，所以，通過(guò)非勵(lì)磁極泄漏的磁通相互反向，從而防止了反向轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
下面說(shuō)明勵(lì)磁線(xiàn)圈K、M、L的通電方法。
在圖4A中，在勵(lì)磁線(xiàn)圈K、M、L的兩端，分別插入晶體管20a、20b及20c、20d和20e、20f。三極管20a、20b、20c…成為開(kāi)關(guān)元件，也可以采用具有同樣效果的某些其它的半導(dǎo)體元件。
由直流電源正負(fù)端子2a、2b進(jìn)行供電。
與門(mén)電路14a的下側(cè)輸入端為高電平時(shí)，若從4a端輸入高電平信號(hào)，三極管20a、20b導(dǎo)通后，勵(lì)磁線(xiàn)圈K被通電。同樣，當(dāng)4b、4c端輸入高電平信號(hào)時(shí)，三極管20c、20d及三極管20e和20f導(dǎo)通，勵(lì)磁線(xiàn)圈M、L被通電。
40端為指定勵(lì)磁電流用的基準(zhǔn)電壓。改變端子40的電壓，可變更輸出轉(zhuǎn)矩。
接通電源開(kāi)關(guān)(圖中未示出)，運(yùn)算放大器40a負(fù)端的輸入比正端的低，所以，放大器40a的輸出變?yōu)楦唠娖?，三極管20a、20b…20f導(dǎo)通，將電壓加在勵(lì)磁線(xiàn)圈K、M和L的通電控制電路上。電阻22是為檢測(cè)各勵(lì)磁線(xiàn)圈的勵(lì)磁電流用的電阻。
端子4a的輸入信號(hào)成為圖6的位置檢測(cè)信號(hào)28a、28b…而端子4b、4c的輸入信號(hào)成為位置檢測(cè)信號(hào)29a、29b…以及30a、30b…。
上述曲線(xiàn)以同一符號(hào)表示圖5所示時(shí)序圖的第一段。曲線(xiàn)28a、29a、30a…是連續(xù)的。
下面用圖5的時(shí)序圖對(duì)各勵(lì)磁線(xiàn)圈的通電進(jìn)行說(shuō)明。用一般的方法在勵(lì)磁線(xiàn)圈M上按位置信號(hào)29a的寬度(用箭頭36表示的120度的寬度)通電時(shí)，由于線(xiàn)圈M的電感較大，通電電流的上升減緩，變得象虛線(xiàn)35的前半部分那樣的形狀。而且由于釋放大的磁能，下降部分被延長(zhǎng)，成為曲線(xiàn)35后半部分那樣。產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩的120°區(qū)間用箭頭36b表示。所以，在曲線(xiàn)35的前半部，轉(zhuǎn)矩減小，而在后半部產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。把轉(zhuǎn)矩減小，稱(chēng)為發(fā)生了減轉(zhuǎn)矩。因此，效率降低，變成低速運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明裝置的特征之一是可以消除這些缺陷。下面對(duì)此加以說(shuō)明。
端子2a的外加電壓增高時(shí)，勵(lì)磁電流象虛線(xiàn)曲線(xiàn)35b那樣上升沿急速上升，從而抑制了減轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。
根據(jù)位置檢測(cè)信號(hào)曲線(xiàn)28a的勵(lì)磁線(xiàn)圈K與上述情況相同，勵(lì)磁電流曲線(xiàn)35a的上升加快。
由于隨著上升速度加快，曲線(xiàn)28a、29a、30a的寬度變小，對(duì)應(yīng)于端子2a的電壓，必須使用高電壓。
勵(lì)磁電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)(由圖4的40端子的基準(zhǔn)電壓指定)，放大器40a的輸出變?yōu)榈碗娖?，與門(mén)電路14a的輸出變成低電平，三極管20a變?yōu)椴粚?dǎo)通。
所以，勵(lì)磁線(xiàn)圈K上積蓄的磁能，通過(guò)二極管21a、三極管20b、電阻22放電。放電電流流降到規(guī)定值以下時(shí)，由于放大器40a的滯后特性，輸出回復(fù)到高電平，三極管20a再次導(dǎo)通，勵(lì)磁電流增大。若再增大到由基準(zhǔn)電壓規(guī)定的設(shè)定值時(shí)，放大器40a的輸出將變?yōu)榈碗娖?，三極管20a轉(zhuǎn)為截止，勵(lì)磁電流便下降。
這樣循環(huán)往復(fù)構(gòu)成斬波電路。
在曲線(xiàn)28a的末端，圖6的4a端的輸入消失。所以，因三極管20a、20b都不導(dǎo)通，在勵(lì)磁線(xiàn)圈K上積蓄的磁能按二極管21b電源21a端，2b端-二極管21a的路徑通電，向電源進(jìn)行能量回授。在電源中，一般因?yàn)橛姓饔玫拇笕萘侩娙萜?，磁能便被存在電容器中，電源電壓越高，曲線(xiàn)35a的下降部分的寬度越小。若下降部分的寬度變小、反向轉(zhuǎn)矩也變小。
其它通電曲線(xiàn)35b、35c的情況與上面相同效果也一樣。
因?yàn)殡S著旋轉(zhuǎn)速度的提高，曲線(xiàn)28a、28a、30a的寬度變小，曲線(xiàn)35a、35b、35c的上升部分、下降部分也必然相應(yīng)變小。即，外加直流電壓應(yīng)增高。
但由于斬波電路的控制，電流值(即輸出轉(zhuǎn)矩)不發(fā)生變化是本發(fā)明的特征。而為了增大輸出轉(zhuǎn)矩，只要提高圖4a中40端處的基準(zhǔn)電壓就可以了。
如上所述，本發(fā)明裝置的特征是高速旋轉(zhuǎn)的限度可由外加電壓控制，輸出轉(zhuǎn)矩可分別由基準(zhǔn)電壓(輸出轉(zhuǎn)矩的指令電壓)獨(dú)立地控制，作為三相半波通電的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。由勵(lì)磁線(xiàn)圈M的位置檢測(cè)信號(hào)(端子4b的輸入信號(hào))對(duì)控制電流的控制，通過(guò)圖4a中放大器40a、與電路13b的斬波作用，如圖5虛線(xiàn)35b所示那樣因三極管20c的通、斷而變化，在曲線(xiàn)29a的末端，象虛線(xiàn)那樣急速下降。
若將位置檢測(cè)信號(hào)30a輸入到圖4a中的4c端，勵(lì)磁線(xiàn)圈L的通電過(guò)程也完全相同。
如上所述，勵(lì)磁線(xiàn)圈K、M、L依次被連續(xù)通電，產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩。
已經(jīng)說(shuō)明了由三極管20a、20c、20e的通、斷進(jìn)行的斬波控制。但是，通過(guò)由“與”電路14a、14b、14c的輸出分別對(duì)三極管20a、20b，20c、20d以及20e、20f進(jìn)行通、斷控制的斬波電路，也能達(dá)到本發(fā)明的目的。
具有磁性轉(zhuǎn)子的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)(由N、S磁極產(chǎn)生的)是對(duì)稱(chēng)形的，但用磁阻型電機(jī)就變成非對(duì)稱(chēng)的了，在突極開(kāi)始進(jìn)入磁極時(shí)轉(zhuǎn)矩較大，而當(dāng)其離開(kāi)磁極時(shí)迅速減小。
有辦法將輸出轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)變成對(duì)稱(chēng)形的。例如，可以變更磁極和突振相向面的形狀。此時(shí)，圖5的箭頭36b(120度)是正轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生區(qū)間。同樣在120度的寬度(箭頭36)內(nèi)，對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈通電，便可以減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。
但是，在勵(lì)磁電流35b下降部分的寬度內(nèi)，即箭頭36a的寬度內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)扭，所以有使轉(zhuǎn)矩減少的缺陷，其它的勵(lì)磁電流曲線(xiàn)35a、35c的情況相同。而且，在位置檢測(cè)信號(hào)的邊界上形成死點(diǎn)，起動(dòng)困難。圖7描述了消除后一種缺陷的方法。
先講述如何解決前一種缺陷。
轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)如圖5中曲線(xiàn)41d、41c…那樣平坦部分增大。但在勵(lì)磁電流增大的同時(shí)，在曲線(xiàn)41a、41b…內(nèi)，象我們所看到的那樣有轉(zhuǎn)矩的平坦部分減少的缺點(diǎn)。圖中縱軸為勵(lì)磁電流值。所以勵(lì)磁電流值增大時(shí)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。如前所述，通過(guò)改變磁極和突極的相向部分的形狀，即使輸出轉(zhuǎn)矩大，也能減少脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
在本發(fā)明裝置中，根據(jù)后面所述的圖7的方法，可產(chǎn)生消除脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用效果。
圖5中的箭頭37為120度，是產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩的區(qū)間。由突極和靠線(xiàn)圈M勵(lì)磁的磁極所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)為曲線(xiàn)41a、41b…。
調(diào)整并固定位置檢測(cè)元件10a、10b、10c的位置，使得在突極開(kāi)始進(jìn)入磁極的那一時(shí)刻就開(kāi)始通電，在兩者完全對(duì)置的那一時(shí)刻斷電。突極與磁極完全對(duì)置后，如曲線(xiàn)41所表示的那樣產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。反向轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的區(qū)間是曲線(xiàn)35b下降部分的寬度，即箭頭37a的區(qū)間。下降部分的寬度大會(huì)產(chǎn)生大的反向轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩和效率降低的缺點(diǎn)。
下面敘述消除這種缺陷的方法使突極1a、1b…的寬度均大于120度，接近或等于180度。
以圖2的突極1b為例，將其變?yōu)榧^F的寬度，其它突極也同樣改為180度的寬度。
由此，在箭頭37a的區(qū)間里為正轉(zhuǎn)矩，在箭頭37b的區(qū)間里產(chǎn)生小的轉(zhuǎn)矩。箭頭37c為突極、磁極兩者的寬度均為180度時(shí)能得到正轉(zhuǎn)矩的區(qū)間。
由上述說(shuō)明得知，使凸極寬度大于120度、接近180度，可以消除勵(lì)磁電流的下降部分所引起的反向轉(zhuǎn)矩。
上述情況，對(duì)于圖4a所述的實(shí)施例也是完全相同的。
下面詳細(xì)說(shuō)明圖4b的電路。
端子4a、4b、4c分別輸入圖5中第一段的位置檢測(cè)信號(hào)曲線(xiàn)28a、29a、30a。因此，勵(lì)磁線(xiàn)圈K、M、L依次通電，以三相半波通電的磁阻式電動(dòng)機(jī)的形式運(yùn)轉(zhuǎn)。
此時(shí)的勵(lì)磁電流如圖5中曲線(xiàn)35a所示。曲線(xiàn)35a的中央平坦部分的高度為直流電源2a、2b兩端的電壓減去勵(lì)磁線(xiàn)圈的反向電動(dòng)勢(shì)(與輸出轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)41a、41b…成比例)所得的差除以勵(lì)磁線(xiàn)圈的阻抗而得。所以，中央部分平坦，后半部分上升。因?yàn)榱鬟^(guò)的電流值上升要增大轉(zhuǎn)矩，所以起到了防止轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)41a、41b…后半部分轉(zhuǎn)矩減少的作用。
在曲線(xiàn)28a的末端線(xiàn)圈K斷電，在勵(lì)磁線(xiàn)圈K上積蓄的磁能由于二極管18的反向阻斷作用，不能向直流電源回授，而是通過(guò)二極管21b、21a給電容器19充電，獲得高電壓。所以，磁能急速消減，電流象曲線(xiàn)35a的下降部分那樣下降。由于此時(shí)已由位置檢測(cè)信號(hào)曲線(xiàn)29a導(dǎo)通了三極管20c、20d，所以電容19的電壓加在線(xiàn)圈M上，勵(lì)磁電流上升加快，如曲線(xiàn)35b所示那樣通電。電流上升后，通電的情況與前述曲線(xiàn)35a完全相同，即頂部變得平坦。
勵(lì)磁線(xiàn)圈M斷電、線(xiàn)圈L通電時(shí)的勵(lì)磁電流曲線(xiàn)35b、35c的上升、下降部分由于同一理由而迅速變化。由于一減小電容器19的容量，上述上升和下降部分的寬度就相應(yīng)變小，所以具有即使在高速下也可防止發(fā)生減轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩以及能高效、高速旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。如果三極管20a、20b…的通斷沒(méi)有時(shí)間差，也可不用電容器19。而且通過(guò)使電容器19的容量對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)速度而增大，成可以增大轉(zhuǎn)矩，減小機(jī)器噪音。
如前所述，由于勵(lì)磁線(xiàn)圈的積蓄，磁能不向直流電源回授，2a、2b端的電壓可以和常規(guī)直流電機(jī)同樣地采用低電壓。所以，可以作為以電池電源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車(chē)的有效驅(qū)動(dòng)源。
在磁阻型電機(jī)里，勵(lì)磁線(xiàn)圈要消減和積蓄較大的磁線(xiàn)，從而產(chǎn)生了大的轉(zhuǎn)矩，這就導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度降低。這是一個(gè)重大的缺陷。
而在圖4b的實(shí)施例中，由斬波電路和高電源電壓使各勵(lì)磁線(xiàn)圈的勵(lì)磁電流迅速上升和下降，從而消除了這一重大缺陷。
在圖4b的實(shí)施例中，用二極管18防止積蓄的磁能向電源回授，利用該磁能的電動(dòng)勢(shì)給下一次應(yīng)通電的勵(lì)磁線(xiàn)圈積蓄磁能。因此使磁能迅速釋放和積蓄，可以消除上述重大缺陷，而且還有降低電源電壓的作用。
在圖4a的電路中，如在正電壓2a端插入防止電流反向流動(dòng)用的二極管，因有斬波電路控制電流，即使降低電源電壓也和上述情況有同樣的作用效果。
圖5的時(shí)序圖，如前所述，即使在圖4b的電路中從突極開(kāi)始進(jìn)入磁極的c點(diǎn)(圖5)進(jìn)行120度的通電，也有同樣的效果。
圖4b中，防止電流反向流動(dòng)用的二極管18接在電源正極2a端，將此二極管接在電源負(fù)極2b端也可以得到同樣結(jié)果。
在這種情況下，電容器19下方和電源負(fù)極26之間，順?lè)较?勵(lì)磁電流的流動(dòng)方向)插入二極管18。電容器18的容量若在0.1微法之下，則勵(lì)磁線(xiàn)圈上磁能的釋放和積蓄所需的時(shí)間，若以輸出功率為300瓦的電機(jī)為準(zhǔn)，約為20微秒，每分鐘可高速旋轉(zhuǎn)10萬(wàn)次。
對(duì)于一般的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，電容器19的容量可適當(dāng)增大，只要在可防止反向轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的范圍內(nèi)即可。
用這種方法，因可減少包含鐵耗在內(nèi)的渦流損失，所以效率提高了。
此時(shí)，因勵(lì)磁電流的上升較慢，可調(diào)整位置檢測(cè)元件10a、10b、10c的固定位置，使通電開(kāi)始點(diǎn)由圖5的C點(diǎn)變?yōu)橄辔怀八璧奈恢谩Ｔ趫D1中，由勵(lì)磁線(xiàn)圈將處于軸對(duì)稱(chēng)位置的磁極(如磁極16a和16d)勵(lì)磁，在直徑方向上吸引突極1a、1c的力相互抵消，從而可由圓周方向上的吸引力得到輸出轉(zhuǎn)矩。
使用兩個(gè)或兩個(gè)以上如圖1所示的三相半波通電電動(dòng)機(jī)構(gòu)成多相通電的電機(jī)乃是本發(fā)明技術(shù)的精髓。
用圖7的剖面圖詳細(xì)說(shuō)明使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)時(shí)的情況。
圖7中，42是圓筒形外框，其兩側(cè)固定著側(cè)板42a、42b的中心部位處設(shè)有滾珠軸承43a、43b，在該軸承內(nèi)裝有轉(zhuǎn)軸5。
轉(zhuǎn)動(dòng)軸5內(nèi)固定有轉(zhuǎn)子1-1，1-2，其突極在圖中被省略了，四個(gè)突極1a、1b…象圖2所示的轉(zhuǎn)子1中那樣設(shè)置。
定子16的外周與外框42配合，磁極與轉(zhuǎn)子1-1的突極相對(duì)其間留有空隙，圖中只示出磁極16a、16d和勵(lì)磁線(xiàn)圈17a、17d。
鋁制圓板3被固定在轉(zhuǎn)軸5上，圓板3的外周設(shè)置著四個(gè)與突極1a、1b…位置、形狀相同的突出部分，固定在側(cè)板42b一部分上成為位置檢測(cè)元件的線(xiàn)圈10a、10b和10c在此外周面上對(duì)向設(shè)置，圖中只示出了線(xiàn)圈10a。
從線(xiàn)圈10a、10b、10c得到的位置檢測(cè)信號(hào)與圖3a、3b中說(shuō)明過(guò)的方法所得的位置檢測(cè)信號(hào)完全相同。
因此，轉(zhuǎn)子1、定子16可以作為圖1、2中說(shuō)明過(guò)的三相半波通電電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
下面根據(jù)圖2說(shuō)明外周固定在外筐42上的定子16。
在定子16中鼓出6個(gè)磁極16a、16b…，這些磁極上繞有勵(lì)磁線(xiàn)圈17a、17b…。
如圖7所示，轉(zhuǎn)子1可以與定子16一樣為一個(gè)，也可以象圖上那樣被分割為轉(zhuǎn)子1-1、1-2，突極具有相同相位的位置。磁極16a、16b…隔著小小的空隙與突極1a、1b、…對(duì)置。
磁極16a、16b…相對(duì)于磁極16a、16b…向右方移動(dòng)了60度。
用與圖4a、4b的通電控制電路結(jié)構(gòu)相同的電路對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈17a、17b…進(jìn)行通電控制，驅(qū)動(dòng)了相半波電動(dòng)機(jī)。
圖4a、b中的勵(lì)磁線(xiàn)圈K、M、L分別為線(xiàn)圈17a、17b，17c、17f以及17b、17e。
由端子4a、4b、4c輸入的位置檢測(cè)信號(hào)為圖6的位置檢測(cè)信號(hào)曲線(xiàn)31a、32a、33a，也就是圖3a的端子6d、6e6f的輸出信號(hào)。
圖5只標(biāo)出曲線(xiàn)33a、31a、32a，勵(lì)磁電流用虛線(xiàn)35d、35e、35f表示。通電作用的效果與含有定子16的3相半波通電電動(dòng)機(jī)相同。
由定子16的磁極產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)(實(shí)線(xiàn)34a)和定子16的磁極產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)(虛線(xiàn)34b)示于圖6。
上述轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)是依據(jù)一個(gè)磁極的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)變化得到的，只作為一個(gè)例子。
3相半波的3相電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)有死點(diǎn)，但如果采用本發(fā)明的裝置，就能夠除去死點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)變小。
從以上的說(shuō)明不難看出，圖7的電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)作用和效果與三相全波磁阻電動(dòng)機(jī)相同，而磁極和突極的數(shù)是與3相半波電動(dòng)機(jī)一樣。
因此，能構(gòu)成直徑小、細(xì)長(zhǎng)型的電動(dòng)機(jī)，且能得到高速的旋轉(zhuǎn)。
本實(shí)施例中使轉(zhuǎn)子1-1、1-2的突極相位相同，使定子16、16的磁極相位成60度角。此外，不把轉(zhuǎn)子分開(kāi)共用一個(gè)也行。
即使使定子16、16的磁極相位相同，把轉(zhuǎn)子1-分為2(符號(hào)1-1、1-2)，使這兩個(gè)突極的相位相差60度，也會(huì)產(chǎn)生相同的效果。
若圖1中的轉(zhuǎn)子以1萬(wàn)次以上的高速度旋轉(zhuǎn)，那么由于突極1a1b…就會(huì)產(chǎn)生空氣渦流和汽笛樣的聲音。
為了防止上述聲音，可以用塑料填充各突極間的溝槽來(lái)消除旋轉(zhuǎn)圓周面上的凹凸。為防止所填充的塑料因離心力的作用而剝離，最好在突極間的溝槽處設(shè)置凹溝，并用塑料填充此凹槽。
圖7的實(shí)施例中使用了兩個(gè)三相半波電動(dòng)機(jī)，如果并設(shè)兩個(gè)以上也能達(dá)到同樣的目的。
在并列設(shè)置幾個(gè)(n＝2、3…)3相半波電動(dòng)機(jī)的多數(shù)相的情況下，按照并設(shè)的順序?qū)⑺鼈兎Q(chēng)為第1、第2、第3…電動(dòng)機(jī)，這時(shí)將第二電動(dòng)機(jī)的定子以相對(duì)于第1電動(dòng)機(jī)的定子在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向上相位滯后120/n度的位置固定在外框上。
一般來(lái)說(shuō)，是將第1、2、3…電動(dòng)機(jī)依次相位滯后120/n度設(shè)置在外框上。
也可以在外框上同相位并設(shè)n個(gè)電動(dòng)機(jī)的定子，而使對(duì)置的轉(zhuǎn)子的相位角依次相差120/n度來(lái)達(dá)到上述目的。
因?yàn)檩敵鲛D(zhuǎn)矩是相位依次滯后120/n度的輸出轉(zhuǎn)矩之和，所以有轉(zhuǎn)矩平坦性良好、輸出增大的特征。
為了對(duì)第1、第2…電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線(xiàn)圈進(jìn)行通電控制，需要有第1、第2、第3相的寬度為120度的連續(xù)的位置檢測(cè)信號(hào)以及由此進(jìn)行通電控制的n個(gè)通電控制電路。
各通電控制電路的構(gòu)成與上述情況相同即可，但因位置檢測(cè)信號(hào)不同，故作如下的說(shuō)明。
第1電動(dòng)機(jī)的位置檢測(cè)信號(hào)，按圖3b的電路利用端子8a、8b、8c的輸出作為第1、第2、第3相同的位置檢測(cè)信號(hào)。在此線(xiàn)圈10d、10e、10f相位分別滯后120/n度的位置上設(shè)置結(jié)構(gòu)相同的線(xiàn)圈10g、10h、10i，利用與圖3b結(jié)構(gòu)相同的電路能得到第2電動(dòng)機(jī)的第1、第2、第3相的位置檢測(cè)信號(hào)。
在比線(xiàn)圈10g、10h、10i相位分別滯后120/n度的位置上設(shè)置3個(gè)構(gòu)造相同的線(xiàn)圈，采用與上述相同的方法，能夠得到第3電動(dòng)機(jī)的第1、第2、第3相的位置檢測(cè)信號(hào)。同樣，可以得到第4、第5…電動(dòng)機(jī)的各第1、第2、第3相的位置檢測(cè)信號(hào)。
本發(fā)明的效果是1)突極數(shù)量少，只有4個(gè)，所以旋轉(zhuǎn)1周時(shí)磁能的吞吐次數(shù)減少。因而能得到高速、高效的電動(dòng)機(jī)。
2)突極和磁極數(shù)量少，所以可減少機(jī)身直徑、構(gòu)成細(xì)長(zhǎng)型的電動(dòng)機(jī)。
3)并列設(shè)置n個(gè)3相半波電動(dòng)機(jī)，所以輸出轉(zhuǎn)矩特性良好。
4)每一相的磁極構(gòu)成一組N、S磁極，所以漏出的磁通少，輸出轉(zhuǎn)矩增大。
5)增高了外加電壓，用斬波電路控制器把勵(lì)磁電流保持在設(shè)定值，加快了勵(lì)磁線(xiàn)圈能量的釋放和蓄積，所以能實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，而且能提高效率，得到大的輸出轉(zhuǎn)矩。此外，根據(jù)需要，只在電源端正向接入二極管，即使降低電源電壓，也能取得相同的效果。
權(quán)利要求
1.一種并列設(shè)置多個(gè)定子的磁組式電動(dòng)機(jī)，其特征在于具有兩側(cè)裝有側(cè)板的外框，設(shè)置在兩側(cè)板中央部位的軸承，設(shè)置在該軸承上、可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸，設(shè)置在外框內(nèi)、固定在旋轉(zhuǎn)軸上的由磁性材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)子，四個(gè)設(shè)置在該轉(zhuǎn)子外圓周上的寬度相等、間距相等的突極，外周部分固定在外框內(nèi)、并列設(shè)置的n(n-2、3、4…)個(gè)定子，以相等的間距設(shè)置在各定子的內(nèi)圓周面上的6個(gè)電角度為120度的磁極，它們與突極間只有微小的間隙，且位于軸對(duì)稱(chēng)位置的兩個(gè)磁極是同相的，裝在上述磁極上的第1、第2、第3相的勵(lì)磁線(xiàn)圈，包含多個(gè)位置檢測(cè)元件的位置檢測(cè)裝置，用于獲得檢測(cè)突極位置的n組位置檢測(cè)信號(hào)，其中每一組信號(hào)由電角寬度為120度、相互連續(xù)的第1、第2、第3相矩形波所組成，各組位置檢測(cè)信號(hào)之間依次滯后120°/n相位，接在各勵(lì)磁線(xiàn)圈兩端的開(kāi)關(guān)器件，反向并聯(lián)在開(kāi)關(guān)器件與相應(yīng)勵(lì)磁線(xiàn)圈的串聯(lián)電路上的二極管，由n組位置檢測(cè)信號(hào)中的第1、第2、第3位置檢測(cè)信號(hào)依次使n個(gè)定子上的第1、第2、第3相勵(lì)磁線(xiàn)圈兩端的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，而對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈進(jìn)行通電控制的通電控制電路，調(diào)整與轉(zhuǎn)子突極相向的定子磁極的相對(duì)位置使得由n個(gè)定子的磁極與轉(zhuǎn)子的突極所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩依次滯后120°/n的電角度，然后將定子固定在外框上的裝置，調(diào)整上述位置檢測(cè)元件的位置使得各相勵(lì)磁線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩為最大值，然后將位置檢測(cè)元件固定在定子上的裝置，為了使用勵(lì)磁線(xiàn)圈通電的上升沿引起的負(fù)轉(zhuǎn)矩和下降沿引起的反向轉(zhuǎn)矩減至最小值，將勵(lì)磁線(xiàn)圈蓄積的磁能通過(guò)反向并聯(lián)的二極管快速釋放以及使磁能快速蓄積的裝置。
全文摘要
一種并列設(shè)置多個(gè)定子的磁阻式電動(dòng)機(jī)，包括，四個(gè)設(shè)置在轉(zhuǎn)子外周上電角度相等、間距相等的突極，并列設(shè)置的n(n＝2、3、4…)個(gè)定子，各定子上等間距設(shè)置6個(gè)120度的磁極(位于軸對(duì)稱(chēng)位置的兩磁極同相)，裝在磁極上的第1、第2、第3相勵(lì)磁線(xiàn)圈，用于獲得n組位置檢測(cè)信號(hào)(每組信號(hào)之間相位依次滯后120/n度)的位置檢測(cè)裝置，接在勵(lì)磁線(xiàn)圈兩端的開(kāi)關(guān)器件，反向并聯(lián)在開(kāi)關(guān)器件與勵(lì)磁線(xiàn)圈的串聯(lián)電路上的二極管，以及通電控制電路。
文檔編號(hào)H02K16/00GK1063782SQ9010796
公開(kāi)日1992年8月19日 申請(qǐng)日期1991年1月31日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月31日
發(fā)明者伴五紀(jì) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社精工技研