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一種直流電動(dòng)機(jī)換向方法及電子換向直流電動(dòng)機(jī)的制作方法

文檔序號:9753943閱讀:1288來源:國知局
一種直流電動(dòng)機(jī)換向方法及電子換向直流電動(dòng)機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種直流電動(dòng)機(jī)換向方法及電子換向直流電 動(dòng)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在20世紀(jì)60年代以前,普通帶機(jī)械整流器的傳統(tǒng)式直流電動(dòng)機(jī),由于其優(yōu)良的調(diào) 速性能,一直是可調(diào)速電氣傳動(dòng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是,到了 70年代,由于可控硅元件和交 流變頻技術(shù)的出現(xiàn),特別是后期,德國人發(fā)明了矢量調(diào)節(jié)這種新的交流調(diào)速方法,可調(diào)速電 力傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)直流電動(dòng)機(jī)一統(tǒng)天下的局面便被打破。從幾千瓦到幾千千瓦的可調(diào)速交流電 力傳動(dòng)系統(tǒng)紛紛出現(xiàn),遍及輕工、機(jī)械制造、化工、冶煉、乳鋼、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè),逐步取代了 直流電氣傳動(dòng)。但是交流傳動(dòng)系統(tǒng)也有一些固有的缺點(diǎn),例如:在低速時(shí)的噪音、發(fā)熱和不 穩(wěn)定性,變頻器價(jià)格偏高,調(diào)速范圍仍然有限等等。因此,反過來我們又會想到直流傳動(dòng)系 統(tǒng),如果能夠拋棄結(jié)構(gòu)復(fù)雜、因有火花致使工作不甚可靠且價(jià)格又高的機(jī)械換向器,代之以 電子元件組成的無火花換向器,完全保留傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能,而造價(jià)又比較 便宜,那么,這種新的電機(jī)將以其優(yōu)良的性價(jià)比,會重新獲得使用者的偏愛,與交流傳動(dòng)系 統(tǒng)一爭高下,重新成為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(特別是大容量系統(tǒng))的主流。
[0003] 通常稱做"無刷式直流電動(dòng)機(jī)"的,是人們一直用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)無火花運(yùn) 行的常用方案,但是,這種電動(dòng)機(jī)其實(shí)是種采用可控硅或者IGBT控制的變頻調(diào)速同步電動(dòng) 機(jī),并非真正意義上的直流電動(dòng)機(jī),它的運(yùn)行原理只和直流電動(dòng)機(jī)相似而不相同,所以,其 性能特別是調(diào)速性能還是與直流電動(dòng)機(jī)有相當(dāng)大的距離,它的可貴之處僅僅是達(dá)到了無火 花運(yùn)行,但因線路復(fù)雜致造價(jià)較高,又因其實(shí)質(zhì)上的交流運(yùn)行致效率較低,從而限制了其應(yīng) 用范圍,所以,達(dá)不到真正代替直流電動(dòng)機(jī)的作用,但卻是改造直流電動(dòng)機(jī)火花運(yùn)行的一種 較現(xiàn)實(shí)的替代方案。
[0004] 真正意義上的無刷式直流電動(dòng)機(jī),應(yīng)該是:工作原理和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)完全一樣, 特性完全一樣;但是卻無機(jī)械換向器,即無電刷、無換向片,取而代之的是電子換向器,以便 完成絕不可少的分布式閉合電樞繞組的換向工作,從而達(dá)到無火花換向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為改進(jìn)直流傳動(dòng)系統(tǒng),拋棄現(xiàn)有的直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、因有火 花致使工作不甚可靠且價(jià)格又高的機(jī)械換向器,代之以電子元件組成的無火花換向器,實(shí) 現(xiàn)在完全保留傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能的基礎(chǔ)上,造價(jià)又比較便宜的目的,因此提 供一種直流電動(dòng)機(jī)換向方法及電子換向直流電動(dòng)機(jī)。
[0006] 傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)對換向器的主要電氣要求是:電刷安置在電樞幾何中性線上,每 一個(gè)電樞元件對應(yīng)一個(gè)換向片以便電樞電流的進(jìn)與出,當(dāng)元件到達(dá)幾何中性線上時(shí),立即 進(jìn)行換向。而本發(fā)明的方法是:采用電子換向器替代機(jī)械換向片;該電子換向器采用一進(jìn) 一出兩個(gè)M0S塊反方向并聯(lián)以代替換向片,有多少個(gè)換向片就用多少對M0S塊;當(dāng)元件到達(dá) 電機(jī)磁極的幾何中性線上時(shí),導(dǎo)通MOS塊立即進(jìn)行電流換向;換向的頻率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻 率同步,由CPU和同步觸發(fā)器保證,在調(diào)速時(shí)也是如此。直流電壓由三相交流電壓經(jīng)SCR提 供,控制SCR的導(dǎo)通角,便可調(diào)節(jié)直流電壓的大小,進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。需要注意的是,接在同一 元件端子處的一對M0S塊絕不能同時(shí)導(dǎo)通,否則形成電源短路,這在控制電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充 分考慮,以保證主電路的絕對可靠性。
[0007] 具體而言,本發(fā)明的電子換向電動(dòng)機(jī),采取了如下措施:⑴采用一進(jìn)一出兩個(gè)電 樞元件換向M0S塊反方向并聯(lián)以代替換向片,有多少個(gè)換向片就用多少對M0S塊;(2)當(dāng)元 件到達(dá)幾何中性線上時(shí),才導(dǎo)通M0S塊,立即進(jìn)行電流換向。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,在結(jié)構(gòu)上必須將電樞與磁極的相對位置倒換過來,即電樞不動(dòng) 而讓磁極轉(zhuǎn)動(dòng),這樣一來,電樞的每個(gè)元件便可以直接與外接M0S塊相連,由不動(dòng)的M0S塊 控制其電流換向而不產(chǎn)生火花,磁極為永磁式或電磁式,磁極可以做成凸極型。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明,這種電子換向直流電動(dòng)機(jī)還包括用于檢測元件正處于電機(jī)磁極的 幾何中性線上的元件位置檢測器;它還包括確保換向觸發(fā)脈沖都在元件到達(dá)中性線上時(shí)立 即送出的換向同步觸發(fā)器;它還包括能隨時(shí)發(fā)出幾何中性線標(biāo)志的高頻電磁鐵。
[0010] 元件位置檢測器是由七塊編碼器74LS148和三塊多路轉(zhuǎn)換器74LS151按并行擴(kuò)展 的形式組成的48線一6線優(yōu)先編碼器,并行擴(kuò)展可以獲得較高的編碼速度。
[0011] 同步觸發(fā)器由6塊8路輸入與非門74LS30和3塊3路輸入與門74LS11構(gòu)成,其 48個(gè)輸入端并聯(lián)到48:6的輸入端上,唯一的輸出端則接到CPU的P1. 7上作為輸入,利用 此輸入信號的上升前沿去觸發(fā)換向脈沖。
[0012] 高頻電磁鐵放置在磁極的幾何中性線或者物理中性線上。高頻電磁鐵由鐵芯和線 圈兩部分組成,它的線圈通過的是15khz的高頻交流電,鐵心則用鐵淦氧材料制成,它固定 在轉(zhuǎn)子S、N極之間的幾何中性線上,在其對稱方向處還設(shè)置一個(gè)完全相同的鏡像形轉(zhuǎn)子動(dòng) 平衡配重,該鏡像形轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡配重有線圈和鐵芯但不通電。
[0013] 每個(gè)繞組元件伸出一個(gè)端頭,該端頭不接到換向片上,而是接到一對反向并聯(lián)的 M0S塊上,再經(jīng)M0S塊接到直流電壓上去,按極性順向連接。
[0014] 電子換向器的電力電子元件部分是96個(gè)VM0S或IGBT構(gòu)成,其中都是奇數(shù)元件的 陰極與偶數(shù)元件的陽極相連,并最后形成封閉,而另一個(gè)未連接的陽極都并在一起,以后并 聯(lián)到直流電源的正極,未連接的陰極都并在一起,以后并聯(lián)到直流電源的負(fù)極;各個(gè)控制極 分開依次引出;全部或分塊的電力電子元件集成在一起,制成一個(gè)整體電力電子換向器,放 在電機(jī)以外,置於控制箱內(nèi),其與電機(jī)繞組出線間一對一的連接。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)效果: 首先,來計(jì)算一下電子換向器的價(jià)格(按照放2006年時(shí)的元件單價(jià)計(jì)算): M0S塊:選用高壓M0S塊IRPF系列,選G型,額定電流5. 7A、1000V,并聯(lián)3 ±夬,總電流為 17. 1A,每元件接一進(jìn)一出共一對,計(jì)6塊,48個(gè)元件,總計(jì)288塊,每塊1. 9元,總價(jià)格為 547元。電動(dòng)機(jī)額定電壓設(shè)計(jì)為800V,額定電流為4 X 8=32A,總功率為800 X 32 X 0. 9=23040 瓦=23千瓦。由于每對支路都是M0S塊一進(jìn)一出,即串聯(lián)兩塊M0S塊,耐壓達(dá)2000V,為額定 電壓的2. 5倍,符合安全標(biāo)準(zhǔn);而電機(jī)2a=4,每并聯(lián)三M0S塊管2條支路計(jì)16A,亦留有電流 容量余地。光耦驅(qū)動(dòng)器:選PC817-4,每塊有4個(gè)光耦,故只需6塊,每塊2. 8元,共計(jì)16. 8 元。另外,在48:6檢測器中還要12 ±夬,又計(jì)33. 6元,總計(jì)50. 4元。收發(fā)器:選74LS245, 需用三片,每片1.4元,共計(jì)4. 2元。CPU:選用MSC87C51,需一片,計(jì)13元。48 :6撿測 器:需用74LS148七片,每片1. 6元,計(jì)11.2元;741^151三片,每片1.6元,計(jì)4.8元; 74LS14八片,每片1.2元,計(jì)9. 6元;74LS04十二片,每片0. 9元,計(jì)10. 8元;整流橋堆 48片,每片0.18光,計(jì)8. 64元上述各芯片共計(jì)45元。48:1同步器:需用74LS30六片, 每片1.2元,計(jì)7.2元;74LS11-片,計(jì)1.2元;共計(jì)8.4元。A/D和D/A:共計(jì)30元。電 阻、電容等雜件:按10元計(jì)。以上控制電路元件總價(jià)161元。
[0016] 印刷電路板:批量按每板20元估算。M0S塊散熱器:選風(fēng)冷鋁散熱器,以5瓦功 耗計(jì)算,每個(gè)一元,288個(gè)散熱器共288元。
[0017] 總價(jià):制板:按芯片161元,印刷板20元,錫焊加工費(fèi)5元,共計(jì)186元;主電路: 按M0S塊547元,散熱器288元,共計(jì)835元;總價(jià)為1021元。(按技術(shù)成熟期考慮,不包 括其他研制成本) 而一臺傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī),4極,23千瓦左右,大約1. 1萬元,機(jī)械換向器按總價(jià)三分之 一計(jì),應(yīng)為3670元,而電子換向器僅為1021元,為其27. 8%,即約四分之一。整機(jī)價(jià):機(jī)體 (定、轉(zhuǎn)子)按三分之二算為7334元,電子換向器僅為1021元,兩項(xiàng)合計(jì)價(jià)為8355元,是 傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)價(jià)1. 1萬元的76%,即亦要低近四分之一。而電子換向器卻可達(dá)到:無火花、 工作可靠、維護(hù)簡單,顯然,新的電子換向器式直流電動(dòng)機(jī)的性價(jià)比確實(shí)較傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī) 為尚。
[0018] 本發(fā)明的前景:由于M0S塊為(柵極)電壓型控制元件,無論其容量為多大,均可 采用統(tǒng)一規(guī)格的控制(光耦)電路,因而可以集成為一塊芯片,其造價(jià)便可以大大下降, 控制在16元(以2美元)左右,相比主電路元件而言,價(jià)格甚微。而主電路元件M0S塊的 價(jià)格,如果將中等容量的電機(jī)電壓設(shè)計(jì)在220伏,采用400伏的M0S塊,則價(jià)格亦會大大 下降,僅為1000伏元件價(jià)的一半,這樣一來,上述比較結(jié)論還可進(jìn)一步優(yōu)化。由此可以看 出,電子換向電動(dòng)機(jī)不但可以和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)相競爭,而且更可以和交流變頻調(diào)速電動(dòng) 機(jī)(系統(tǒng))相克爭。
[0019] 本發(fā)明的應(yīng)用范圍:小容量可廣泛用于諸如變頻電冰箱、變頻空調(diào)機(jī),電動(dòng)汽車 (含摩托車、自行車)以及其他需要調(diào)速的家電產(chǎn)品上;中、大容量可在各工業(yè)系統(tǒng)中要 求大范圍、
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