專(zhuān)利名稱(chēng)：電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型為一種無(wú)刷直流電機(jī)，尤其是一種電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)，屬于直流電機(jī)制造的技術(shù)領(lǐng)域。
眾所周知，傳統(tǒng)的直流電機(jī)因電樞繞組電流與勵(lì)磁繞組電流可以分別地加以控制，無(wú)論是作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的調(diào)速特性，還是作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，均是眾多電機(jī)中最理想的。但是，因該電機(jī)結(jié)構(gòu)上存在著機(jī)械式電刷和換向器，維護(hù)十分不便，可靠性差，極大地限制了它的應(yīng)用范圍。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，人們致力于研究無(wú)刷調(diào)速電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)為無(wú)刷結(jié)構(gòu)，不需維護(hù)，可靠性高，在普通傳動(dòng)領(lǐng)域獲得最廣泛的應(yīng)用，但是該電機(jī)的調(diào)速性能不佳，盡管采用了矢量控制等變頻技術(shù)，控制復(fù)雜，其調(diào)速性能仍然無(wú)法與直流電機(jī)相比。傳統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)，用電子開(kāi)關(guān)模擬機(jī)械式換向器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷結(jié)構(gòu)，近年來(lái)發(fā)展較快。但是，該電機(jī)轉(zhuǎn)子上必須放置永磁體以提供勵(lì)磁，由于永磁材料價(jià)格昂貴，性能對(duì)環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)等因素敏感，使得該電機(jī)成本高，機(jī)械強(qiáng)度低，不適宜高速運(yùn)行。更重要的是，由于永磁體的磁特性無(wú)法人為控制，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到極大限制，必須采用弱磁控制技術(shù)，來(lái)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速上限，這又進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。無(wú)論是交流感應(yīng)電機(jī)，還是無(wú)刷直流電機(jī)，調(diào)速性能不理想的核心問(wèn)題，是勵(lì)磁電流(或電流的勵(lì)磁分量)不能象有刷直流電機(jī)那樣獨(dú)立地加以控制。因此，一種既為無(wú)刷結(jié)構(gòu)，電樞繞組電流和勵(lì)磁電流又可以分別獨(dú)立控制的電機(jī)，便成為人們多年來(lái)的夢(mèng)想。
本實(shí)用新型的目的就是提供一種調(diào)速性能好、機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固、運(yùn)行可靠、制造成本低、勵(lì)磁電流和電樞電流可以分別加以控制的電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)。
本實(shí)用新型的電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)主要由電機(jī)的外殼及定子、轉(zhuǎn)子所組成，該電機(jī)的內(nèi)部由定子、勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)子、電樞繞組、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子位置傳感器所組成，定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，電樞繞組和勵(lì)磁繞組均放在電機(jī)的定子上，其中電樞繞組套在定子的凸極上，使處于磁場(chǎng)中相同位置的齒上的繞組構(gòu)成一相繞組，勵(lì)磁繞組固定在定子的上半部與下半部的接縫處，轉(zhuǎn)子位置傳感器位于電機(jī)的一端，齒輪形圓盤(pán)固定在轉(zhuǎn)軸上，槽形光電耦合器位于機(jī)殼上，齒輪形圓盤(pán)的圓周位于槽形光電耦合器的槽中。在定子的上半部與下半部之間的接縫處設(shè)有非磁性墊塊。
當(dāng)按所定極性在勵(lì)磁繞組中通入一定大小的直流電流時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)上面為N極，下面為S極的恒定磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)某一轉(zhuǎn)子極由與定子極完全不重迭開(kāi)始進(jìn)入定子極下時(shí)，相應(yīng)的定子極上的磁通便增大，當(dāng)定轉(zhuǎn)子極完全重迭時(shí)，磁通達(dá)到最大值，當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子極離開(kāi)定子極時(shí)，該定子極上的磁通便下降。如果在相應(yīng)的定子繞組中通入方波電流，即當(dāng)磁通增大時(shí)通入正電流，當(dāng)磁通減小時(shí)通入負(fù)電流，則電機(jī)將產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)按照一定的順序和邏輯使各相電樞繞組依次通入電流時(shí)，則轉(zhuǎn)子將連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)矩大小既與電樞繞組電流有關(guān)，也與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定于勵(lì)磁磁勢(shì)(即勵(lì)磁繞組電流與匝數(shù)的乘積)，因此，控制電樞繞組電流或勵(lì)磁繞組電流均可控制轉(zhuǎn)矩的大小。
反之，如用一原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，則變化的磁通將在電樞繞組中感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)大小既與轉(zhuǎn)子速度有關(guān)，也與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，控制勵(lì)磁繞組電流的大小，即可控制感應(yīng)電勢(shì)。
本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)1.既可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行；2.作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞繞組電流和勵(lì)磁繞組電流可分別加以獨(dú)立地控制，調(diào)速范圍寬，控制靈活；
3.作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，同樣由于電樞繞組和勵(lì)磁繞組的電流可以分別獨(dú)立控制，輸出電壓穩(wěn)定；4.電機(jī)轉(zhuǎn)子上既沒(méi)有繞組，也沒(méi)有永磁體，結(jié)構(gòu)牢固、可靠，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適合高速運(yùn)行；5.既無(wú)電刷與換向器，也無(wú)永磁體，結(jié)構(gòu)牢固，成本低，不需維護(hù)，不受環(huán)境溫度等因素影響，工作可靠；6.定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)規(guī)則，沒(méi)有永磁體，也不鑄鋁等，所需加工設(shè)備少，制造容易。


圖1是本實(shí)用新型電機(jī)的橫向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。其中有定子1、勵(lì)磁繞組2、轉(zhuǎn)子3、電樞繞組4、非磁性墊塊5、轉(zhuǎn)軸6。
圖2是本實(shí)用新型軸向的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。其中有組成轉(zhuǎn)子位置傳感器7的齒輪形轉(zhuǎn)盤(pán)71、槽形光電耦合器72。
圖3是圖2中轉(zhuǎn)子位置傳感器7的剖視圖。
圖4是本實(shí)用新型與控制器相接的電原理圖。
本實(shí)用新型的實(shí)施方案如下本實(shí)用新型的新型電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)的結(jié)構(gòu)如附圖1所示。它由定子和轉(zhuǎn)子兩大基本部分組成。在定子與轉(zhuǎn)子之間有適當(dāng)大小的氣隙，以保證轉(zhuǎn)子能自由旋轉(zhuǎn)。定子上有6個(gè)凸極，轉(zhuǎn)子上有4個(gè)凸極(定轉(zhuǎn)子極數(shù)除6/4外，也可以為其它組合，如8/6，12/8等)。定子每個(gè)極上套有一個(gè)線(xiàn)圈，空間位置相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)線(xiàn)圈按照電勢(shì)相加或同向的原則經(jīng)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成電樞繞組的一相。在定子上另有一個(gè)勵(lì)磁繞組。在靠近勵(lì)磁繞組附近的定子軛部，各有一個(gè)非磁性墊塊，用以調(diào)節(jié)繞組電感，其厚度可根據(jù)不同需要確定，直至完全取消。
電樞繞組和勵(lì)磁繞組均放于電機(jī)定子，因而沒(méi)有電刷；電樞繞組套在定子的凸極上，處于磁場(chǎng)中相同位置的齒上的繞組構(gòu)成一相繞組；勵(lì)磁繞組的安放必須保證當(dāng)在其中通入直流電流時(shí)，產(chǎn)生一磁場(chǎng)，使一半定子齒為N極性，另一半為S極性，并且不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而改變。
將該電機(jī)與轉(zhuǎn)子位置傳感器、功率變換器等結(jié)合，便構(gòu)成一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)；將電機(jī)與整流器結(jié)合，便構(gòu)成自勵(lì)或他勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
實(shí)例1電動(dòng)機(jī)用厚度為0.5mm的硅鋼片沖壓成所需形狀的沖片，然后疊壓成一定厚度的定子和轉(zhuǎn)子鐵芯。定子鐵芯分成兩部分，在其中間放入兩塊非磁性墊塊，構(gòu)成完整的定子。在定子每個(gè)極上安放一個(gè)線(xiàn)圈，然后將空間相對(duì)的兩個(gè)定子極上的線(xiàn)圈串聯(lián)組成一相繞組，6個(gè)極上的線(xiàn)圈共組成3組。在定子上空間對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)槽底部再放入一個(gè)勵(lì)磁繞組。
勵(lì)磁繞組由直流電源供電，電樞繞組由直流電源經(jīng)功率變換器供電。為保證各相繞組依一定規(guī)律、在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子位置輪流導(dǎo)通，需要一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。
本例中采用光電式轉(zhuǎn)子位置傳感器，它由兩部分組成三個(gè)彼此相距30度，與定子相對(duì)靜止的槽形光耦；一個(gè)與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)、有四對(duì)齒槽、齒與槽等寬的齒輪形圓盤(pán)安裝在轉(zhuǎn)軸上。當(dāng)圓盤(pán)隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒和槽交替經(jīng)過(guò)槽形光耦的槽，當(dāng)齒部經(jīng)過(guò)槽形光耦的槽時(shí)，光耦發(fā)光管發(fā)出的光不能到達(dá)接收管，接收管截止而輸出低電平，而當(dāng)圓盤(pán)的槽部經(jīng)過(guò)槽形光耦的槽時(shí)，發(fā)光管的光線(xiàn)照射到接收管，接收管導(dǎo)通而輸出高電平。當(dāng)轉(zhuǎn)子均速旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)光耦都輸出一路占空比為50％的方波信號(hào)，將三個(gè)光耦輸出信號(hào)組合便可確定轉(zhuǎn)子位置，通過(guò)測(cè)量光耦信號(hào)的頻率，可以測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
電流調(diào)制控制器可以由模擬電路或數(shù)字電路組成，作用是從轉(zhuǎn)子位置傳感接收信號(hào)，以判斷轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)所設(shè)定的邏輯，產(chǎn)生控制信號(hào)，去開(kāi)通或關(guān)斷電子開(kāi)關(guān)。例如，當(dāng)判知某一相的磁鏈正處于上升區(qū)時(shí)，則發(fā)出控制信號(hào)使該相上橋臂的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂的開(kāi)關(guān)管截止，而當(dāng)磁鏈正處于下降區(qū)時(shí)，則發(fā)出相反的信號(hào)。
實(shí)例二發(fā)電機(jī)電機(jī)的構(gòu)成與例一相同。
勵(lì)磁繞組由一直流電源供電，轉(zhuǎn)子由一原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，則三相繞組中便發(fā)出三相交流電勢(shì)，經(jīng)一整流器后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妱?shì)。也可以將勵(lì)磁繞組直流接到整流器的輸出端，構(gòu)成自勵(lì)式的發(fā)電機(jī)，只要定子鐵芯上有足夠的剩磁，便能感應(yīng)產(chǎn)生一最初的電勢(shì)，經(jīng)整流后又加到勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生勵(lì)磁電流，使磁場(chǎng)增強(qiáng)，則感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)一步增大，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。
權(quán)利要求1.一種電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子所組成，其特征在于該電機(jī)的內(nèi)部由定子(1)、勵(lì)磁繞組(2)、轉(zhuǎn)子(3)、電樞繞組(4)、轉(zhuǎn)軸(6)轉(zhuǎn)子位置傳感器(7)所組成，定子(1)和轉(zhuǎn)子(3)均為凸極結(jié)構(gòu)，電樞繞組(4)和勵(lì)磁繞組(2)均放在電機(jī)的定子(1)上，其中電樞繞組(4)套在定子的凸極上，使處于磁場(chǎng)中相同位置的齒上的繞組構(gòu)成一相繞組，勵(lì)磁繞組(2)固定在定子(1)的上半部與下半部的接縫處，轉(zhuǎn)子位置傳感器(7)位于電機(jī)的一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)，其特征在于在定子(1)的上半部與下半部之間的接縫處設(shè)有非磁性墊塊(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)，其特征在于位置傳感器(7)中的齒輪形圓盤(pán)(71)固定在轉(zhuǎn)軸(6)上，槽形光電耦合器(72)位于機(jī)殼上，齒輪形圓盤(pán)(71)的圓周位于槽形光電耦合器(72)的槽中。
專(zhuān)利摘要電動(dòng)、發(fā)電兩用電機(jī)是一種電樞繞組和勵(lì)磁繞組可以獨(dú)立控制的直流無(wú)刷電機(jī),該電機(jī)的內(nèi)部由定子、勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)子、電樞繞組、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子位置傳感器所組成,定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu),電樞繞組和勵(lì)磁繞組均放在電機(jī)的定子上,其中電樞繞組套在定子的凸極上,使處于磁場(chǎng)中相同位置的齒上的繞組構(gòu)成一相繞組,勵(lì)磁繞組固定在定子的上半部與下半部的接縫處,轉(zhuǎn)子位置傳感器位于電機(jī)的一端,由齒輪形圓盤(pán)和槽形光電耦合器構(gòu)成。
文檔編號(hào)H02K23/26GK2402053SQ9923022
公開(kāi)日2000年10月18日 申請(qǐng)日期1999年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月8日
發(fā)明者程明, 周鶚 申請(qǐng)人:東南大學(xué)