專利名稱：無(wú)刷高效直流電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直流電動(dòng)機(jī)。
通常電動(dòng)機(jī)的凸極都設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，定子上設(shè)置交流繞組，例如步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式同步電機(jī)。一般轉(zhuǎn)矩和功率都很小，只能作執(zhí)行元件使用，很難驅(qū)動(dòng)較大功率的機(jī)械負(fù)載。
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，具有串激直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的轉(zhuǎn)矩和功率較大的雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)。
實(shí)現(xiàn)上述目的途徑是由凸極式定子1，凸極式轉(zhuǎn)子2構(gòu)成的雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)的主件。在凸極式定子1上設(shè)有直流繞組3，定子1的凸極與轉(zhuǎn)子2的凸極之間留有氣隙5，使凸極式定子與轉(zhuǎn)子凸極的極弧寬占有的空間幅射角α與極寬占有的空間幅射角β之比α/β＝0.38～0.45為佳。
現(xiàn)以2極雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)論述。


圖1為轉(zhuǎn)子在里，定子在外的2極雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖；圖2為給定子直流繞組3斷續(xù)通電的空間相對(duì)位置圖。其中1.凸極式定子；2.凸極式轉(zhuǎn)子；3.定子直流繞組；4.主磁通Φ；5.定、轉(zhuǎn)子極靴之間的氣隙δ；6.軸；7.轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向；8.安裝在定子上觸發(fā)可控硅Ta使用的定位脈沖發(fā)生器；9.安裝在定子上觸發(fā)可控硅Tb使用的定位脈沖發(fā)生器；10、11.為分別安裝在轉(zhuǎn)子的兩個(gè)凸極上觸發(fā)定位脈沖發(fā)生器8、9動(dòng)作的執(zhí)行元件。圖中下列符號(hào)代表的含義是A-A，定子凸極的中心線。
B-B，轉(zhuǎn)子凸極的中心線。
α-定子和轉(zhuǎn)子凸極的極弧寬占有空間的幅射角。
β-定子和轉(zhuǎn)子的極寬占有空間的幅射角。
θ1-直流繞組開(kāi)始通電時(shí)，定子凸極中心線A-A與轉(zhuǎn)子凸極中心線B-B之間的空間夾角，(又是導(dǎo)電角)。
θ2-直流繞組開(kāi)始斷電時(shí)，定子凸極中心線A-A與轉(zhuǎn)子凸極中心線B-B之間的空間夾角。
θ3-直流繞組開(kāi)始通電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子凸極的極弧相距的空間角。
圖3為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)斷續(xù)導(dǎo)電的控制線路圖。圖中各符號(hào)的代表含義是E-直流電源。
R、L-分別為電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻和電感。
RG-可控硅Ta、Tb控制極的限流電阻。
RC-電容器C充電時(shí)的限流電阻。
C-截止可控硅Ta、Tb提供反向電流的電容器。
D-續(xù)流二極管。
Ta-導(dǎo)通定子繞組電流的可控硅元件。
Tb-截止定子繞組電流的可控硅元件。
雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)如圖1、圖2所示，主件由凸極式定子1、凸極式轉(zhuǎn)子2構(gòu)成。定、轉(zhuǎn)子使用的硅鋼片與Y系列電機(jī)相同；設(shè)計(jì)時(shí)，使定、轉(zhuǎn)子凸極的極弧寬占有空間的幅射角α與極寬占有的空間幅射角β之比α/β＝0.38～0.45。在定、轉(zhuǎn)子凸極之間有氣隙5，對(duì)氣隙5的δ值的設(shè)計(jì)與同功率、同轉(zhuǎn)速的三相異步電動(dòng)機(jī)相同。對(duì)定子直流繞組3的設(shè)計(jì)，應(yīng)使直流繞組的電流I與匝數(shù)Z的乘積安匝數(shù)ZI，在氣隙5的δ處所產(chǎn)生的最小磁通密度βδ＝10,000高斯。當(dāng)凸極式轉(zhuǎn)子2運(yùn)行到凸極中心線B-B圖1所示位置時(shí)，給直流繞組3通電后將產(chǎn)生主磁通4，主磁通Φ穿過(guò)氣隙δ經(jīng)過(guò)凸極式定、轉(zhuǎn)子構(gòu)成閉合回路。當(dāng)主磁通Φ的磁力線力圖收縮時(shí)，在凸極式轉(zhuǎn)子2上產(chǎn)生一個(gè)向著旋轉(zhuǎn)方向7的磁拉力，使轉(zhuǎn)子繞軸6以轉(zhuǎn)速n運(yùn)轉(zhuǎn)。
雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是若圖1所示的凸極式轉(zhuǎn)子2的凸極無(wú)論停留在空間任何位置，給定子直流繞組3通以穩(wěn)恒電流時(shí)，由于磁力線產(chǎn)生的磁拉力有力圖使磁力線收縮到行經(jīng)最短路徑的功能，必然使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至中心線B-B與定子凸極中心線A-A重合而終止，隨著轉(zhuǎn)子中心線B-B在空間的位置不同而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度也不同。
為了使凸極式轉(zhuǎn)子2產(chǎn)生一個(gè)同方向的轉(zhuǎn)矩M，就必須按照轉(zhuǎn)子凸極在空間與定子凸極存在的相對(duì)位置，給直流繞組3通以斷續(xù)的直流。
實(shí)現(xiàn)斷續(xù)導(dǎo)電的具體方法是當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)子兩個(gè)對(duì)稱凸極上的動(dòng)作執(zhí)行元件10或11運(yùn)行到與固定在定子上的觸發(fā)可控硅Ta、Tb的定位脈沖發(fā)生器8、9在空間的幅射角度重合時(shí)，均可立即觸發(fā)可控硅Ta或Tb，分別導(dǎo)通和截止定子直流繞組中的電流。因此動(dòng)作執(zhí)行元件10、11要嚴(yán)格安裝在轉(zhuǎn)子凸極的中心線B-B上；觸發(fā)可控硅Ta的定位脈沖發(fā)生器8，安裝在與定子凸極中心線A-A空間為θ1的夾角處；觸發(fā)可控硅Tb的定位脈沖發(fā)生器9，安裝在與定子凸極中心線A-A空間為θ2的夾角處。
實(shí)現(xiàn)斷續(xù)導(dǎo)電的具體過(guò)程是當(dāng)轉(zhuǎn)子上的動(dòng)作執(zhí)行元件10(如圖1所示)，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到與定子上的定位脈沖發(fā)生器8在空間角度重合時(shí)，立刻使定位脈沖發(fā)生器8接通，可控硅Ta的控制極產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖電流，使可控硅Ta導(dǎo)通后接通直流電源E，電機(jī)的直流繞組3通電后在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)方向7旋轉(zhuǎn)，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和機(jī)械功率。與此同時(shí)，通過(guò)限流電阻Rc、電容器C、可控硅Ta形成了對(duì)電容器C的充電回路，給電容器C充電為左負(fù)右正，為準(zhǔn)備截止Ta提供了產(chǎn)生反向電流的條件。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的動(dòng)作執(zhí)行元件10(如圖2所示)旋轉(zhuǎn)到與定子上的定位脈沖發(fā)生器9在空間角度重合時(shí)，立刻使定位脈沖發(fā)生器9接通，可控硅Tb的控制極產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流，使可控硅Tb導(dǎo)通。此時(shí)電容器上的電壓經(jīng)Tb管而逆向Ta管放電，使可控硅Ta關(guān)斷。為了改善關(guān)斷條件，加設(shè)了續(xù)流二極管D。Ta關(guān)斷后因?qū)﹄娙萜鰿反充電至左正右負(fù)，直流繞組3中仍有電流通過(guò)，這就是觸發(fā)可控硅Tb使用的定位脈沖發(fā)生器9安裝在與定子凸極中心線A-A有一定空間角度θ2的原因。當(dāng)轉(zhuǎn)子另一凸極上的動(dòng)作執(zhí)行元件11，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到與定子上的定位脈沖發(fā)生器8在空間角度重合時(shí)，可立刻導(dǎo)通可控硅Ta而關(guān)斷可控硅Tb，重復(fù)上述的過(guò)程，使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
對(duì)θ2的選擇可根據(jù)電源E的電壓、電機(jī)的內(nèi)阻R、電感L、電容器C和轉(zhuǎn)速n綜合試驗(yàn)確定。一般選擇在θ2＝3°～5°為宜。對(duì)θ1選擇應(yīng)使θ1(β/2，在開(kāi)始給直流繞組3通電時(shí)確保轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向7一致。但θ1又不能太小，如圖1所示那樣，又要使直流繞組開(kāi)始通電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子凸極的極弧相距一定的空間夾角θ3，使θ3＞0。對(duì)θ3的數(shù)值可由試驗(yàn)確定最佳值，一般選擇在θ3＝2°～4°為宜。
雙凸極脈沖式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n之間具有良好的機(jī)械特性n＝f(M)，其機(jī)械特性曲線如說(shuō)明書(shū)附圖的圖4所示。
從圖4中可知，該機(jī)具有與串激直流電動(dòng)機(jī)相似的機(jī)械特性。這是因?yàn)殡姍C(jī)繞組是一個(gè)具有電感L和電阻R的RL電路，時(shí)間常數(shù)τ＝L/R，當(dāng)接通直流電源E之后，繞組中的電流I按下式規(guī)律變化I＝E/R(1-e-R/L.t)從上式可知，若繞組通電后經(jīng)過(guò)導(dǎo)電角θ1的時(shí)間為t，電流I及產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M與時(shí)間t成正比，因此隨著轉(zhuǎn)速n的上升，導(dǎo)電時(shí)間t相應(yīng)縮短，轉(zhuǎn)矩M必然減小，而得到上圖所示的機(jī)械特性曲線。
本機(jī)的定子為無(wú)齒無(wú)槽的凸極式，定子上設(shè)有集中繞組，下線極為方便；在凸極式轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的通電導(dǎo)體。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，可根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?？蓮V泛用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。
雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能的理論依據(jù)1.本機(jī)因凸極式轉(zhuǎn)子上沒(méi)有設(shè)置任何形式的通電導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)子子銅損Pcu2＝0。
2.本發(fā)明的目的主要是設(shè)計(jì)制造低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩?zé)o調(diào)速裝置的電動(dòng)機(jī)。最高轉(zhuǎn)速n＝600轉(zhuǎn)/分為宜，2極電機(jī)脈沖電流引起的磁場(chǎng)變化頻率為f＝600/60＝10(HZ/秒)；而交流電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)變化頻率與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，均為f＝50HZ/秒。因電機(jī)的鐵損與磁場(chǎng)的變化頻率f成正比，所以在低速運(yùn)行狀態(tài)下的雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)的鐵損Pfe要比交流電動(dòng)機(jī)小得多。
3.在定子與轉(zhuǎn)子凸極的極弧相距空間夾角θ3時(shí)給定子直流繞組通電，是本機(jī)在運(yùn)行中降低輸入功率，相對(duì)增加輸出功率的有效措施。這是因?yàn)榭諝獾拇艑?dǎo)率μ0很小，當(dāng)給直流繞組通電后，因凸極式轉(zhuǎn)子途徑θ3的運(yùn)行過(guò)程中，在繞組中產(chǎn)生的電感L和反電勢(shì)UL都很小，電流I和轉(zhuǎn)矩將迅速上升。即使運(yùn)行在θ3＝0以后的過(guò)程中，反電勢(shì)UL將增大，但在任意空間角度時(shí)的電流I和轉(zhuǎn)矩M，都將超過(guò)定子與轉(zhuǎn)子凸極在α/β≥0.5的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。本機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在α/β＝0.38～0.45范圍內(nèi)，是給θ3的存在提供設(shè)計(jì)依據(jù)，提高本機(jī)效率的重要措施。
對(duì)該項(xiàng)發(fā)明制造的雙凸極脈沖式直流電動(dòng)機(jī)，在自行車上使用測(cè)試，當(dāng)直流電壓E＝24伏、轉(zhuǎn)速n＝200轉(zhuǎn)/分時(shí)，其輸入功率P1＝200瓦，輸出功率P2＝190瓦，本機(jī)效率η＝P2/P1＝95％。
權(quán)利要求
1.一種由凸極式定子(1)、凸極式轉(zhuǎn)子(2)、定子直流繞組(3)構(gòu)成的雙凸極無(wú)刷高效直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于凸極式定子(1)和凸極式轉(zhuǎn)子(2)的極弧寬占有空間的幅射角α與極寬占有的空間幅射角β之比α/β＝0.38～0.45。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種無(wú)刷高效直流電動(dòng)機(jī)，其特征在于將直流繞組(3)設(shè)置在外邊為定子(1)的凸極上，里邊的凸極為轉(zhuǎn)子或?qū)⒅绷骼@組(3)設(shè)置在里邊為定子(1)的凸極上，外邊的凸極為轉(zhuǎn)子(2)的各種極對(duì)數(shù)的電動(dòng)機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)刷高效直流電動(dòng)機(jī),該機(jī)由設(shè)置著直流繞組的凸極式定子和無(wú)電樞繞組的凸極式轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極對(duì)應(yīng)在不同位置時(shí),給定子直流繞組通過(guò)斷續(xù)的脈沖直流,對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和機(jī)械功率。本電動(dòng)機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩較大,可作為無(wú)燃動(dòng)力取代發(fā)動(dòng)機(jī),使自行車、摩托車和汽車等運(yùn)載工具電動(dòng)化。
文檔編號(hào)H02K29/06GK1271989SQ0010351
公開(kāi)日2000年11月1日 申請(qǐng)日期2000年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月24日
發(fā)明者陳國(guó)田 申請(qǐng)人:陳國(guó)田