專利名稱：定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，具體地說(shuō)是一種定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)。
普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)均包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成。定子繞組是由多個(gè)線圈元件繞制在定子鐵芯上，并按照電機(jī)的不同使用要求和連接規(guī)律完成接線，最后產(chǎn)生一組完整的接線端子。只要對(duì)接線端子進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪B接和通電，電機(jī)即可運(yùn)行起來(lái)。在實(shí)際使用中，電機(jī)的故障率是較高的，最常見(jiàn)的是某個(gè)定子線圈元件的短路或斷路。對(duì)普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)線圈元件的損壞，均可導(dǎo)致整臺(tái)電機(jī)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，并可能因徹底失去動(dòng)力而導(dǎo)致相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。
本發(fā)明的目的就是提供一種全新定子繞組設(shè)置方式的定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，以使得某個(gè)定子線圈元件的損壞僅僅影響局部功能，而整個(gè)電機(jī)仍然可以繼續(xù)運(yùn)行，從而避免因電機(jī)停轉(zhuǎn)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)所產(chǎn)生的嚴(yán)重?fù)p害。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，定子鐵芯沿圓周方向等角度均分成至少兩個(gè)以上的區(qū)域，每個(gè)分區(qū)內(nèi)繞制有一套完整的、并有一組相對(duì)獨(dú)立接線端子的三相繞組。
在本發(fā)明中，定子鐵芯的每個(gè)分區(qū)內(nèi)均有足夠的線槽，以容納一套完整的三相繞組。盡管每套三相繞組僅僅覆蓋定子鐵芯的部分區(qū)域，但因?yàn)槭且煌暾娜嗬@組，所以仍具有完整的磁回路和360度的電角度，仍然可以按照普通電機(jī)的通電方式通電，并形成一個(gè)在局部運(yùn)行的磁場(chǎng)矢量。這個(gè)磁場(chǎng)矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡在圓形的定子鐵芯空間上并不閉合，而是在從所占部分圓周扇區(qū)的一端連續(xù)轉(zhuǎn)到另一端后，又從起始端開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。由于每套三相繞組相對(duì)其他三相繞組在邏輯上是相對(duì)獨(dú)立的，因此每套三相繞組相對(duì)整個(gè)電機(jī)而言，就形成了一個(gè)在邏輯上是相對(duì)獨(dú)立的定子，在此稱為“邏輯定子”。那么在同一定子鐵芯上有多少個(gè)定子分區(qū)，就可以容納多少套三相繞組，就有多少個(gè)完整的邏輯定子。這些邏輯定子共用同一轉(zhuǎn)子，因此每個(gè)邏輯定子均與轉(zhuǎn)子形成一個(gè)虛擬的“邏輯電機(jī)”。每個(gè)邏輯電機(jī)均具有一組相對(duì)獨(dú)立、且與普通電機(jī)對(duì)應(yīng)的接線端子。所有這些邏輯電機(jī)集合在一起，就構(gòu)成了一臺(tái)物理意義上的集成電機(jī)。
本發(fā)明中的轉(zhuǎn)子可以采用交流異步電機(jī)中的鼠籠轉(zhuǎn)子。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和電流是由定子繞組感應(yīng)產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)均與定子繞組的磁矢量位置相對(duì)應(yīng)。對(duì)于上述的邏輯定子而言，其工作原理與普通交流異步電機(jī)的定子完全一致，而工作形式卻有所不同。其差異主要在于邏輯定子磁矢量的變化范圍局限于邏輯定子繞組所覆蓋的扇區(qū)之內(nèi)，且只是使用與之相應(yīng)的部分轉(zhuǎn)子。當(dāng)邏輯定子繞組產(chǎn)生的磁矢量在扇區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在鼠籠轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距效果與普通電機(jī)相同，是在保持一定轉(zhuǎn)差率的情況下，跟隨矢量旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)邏輯定子繞組產(chǎn)生的磁矢量到達(dá)扇區(qū)終點(diǎn)，也就是到達(dá)了電角度的360度時(shí)，是接著再?gòu)纳葏^(qū)的起點(diǎn)開(kāi)始的。就電角度而言，這仍然是連續(xù)的。盡管轉(zhuǎn)子可能已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)了一定的角度，但此時(shí)對(duì)應(yīng)于該邏輯定子的那部分轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)卻仍然是完整和相同的，可以理解為存在著一個(gè)動(dòng)態(tài)的“邏輯轉(zhuǎn)子”與邏輯定子相對(duì)應(yīng)。因此，盡管轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，但邏輯轉(zhuǎn)子所在部分總以同樣的方向和轉(zhuǎn)差率對(duì)磁場(chǎng)矢量的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟隨。這樣，整個(gè)物理轉(zhuǎn)子(即鼠籠轉(zhuǎn)子)就可以在一個(gè)邏輯定子和一個(gè)邏輯轉(zhuǎn)子的作用下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于定子分區(qū)是獨(dú)立的，邏輯定子在繞組和磁路結(jié)構(gòu)上是完整的，同時(shí)，即使是在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，任一時(shí)刻總會(huì)有對(duì)應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子的存在，因此邏輯定子和相應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子總是可以形成一個(gè)完整的“邏輯電機(jī)”。由于每個(gè)定子分區(qū)內(nèi)均有一個(gè)邏輯定子，使得整個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子上的每一部分在任一時(shí)刻都會(huì)與某一邏輯定子相對(duì)應(yīng)。這樣在一臺(tái)電機(jī)上，實(shí)際上就形成了數(shù)個(gè)邏輯電機(jī)的集合體，由此而構(gòu)成一臺(tái)定子分區(qū)式交流異步集成電機(jī)。當(dāng)某一定子線圈元件出現(xiàn)故障時(shí)，只會(huì)影響其所在邏輯定子的工作，而整個(gè)集成電機(jī)在其他邏輯定子的帶動(dòng)下，仍可繼續(xù)維持運(yùn)行，直至維修，使其安全性得到成倍的提高。當(dāng)所有邏輯定子共同工作時(shí)，由各邏輯轉(zhuǎn)子“組成”的整個(gè)物理轉(zhuǎn)子亦達(dá)到了最高的利用率。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)子還可以采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的磁極對(duì)數(shù)與定子鐵芯上的分區(qū)數(shù)相同，且轉(zhuǎn)子上的所有磁極均等距對(duì)稱分布。在無(wú)刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)是由永磁器件所固定生成的，與定子磁場(chǎng)變化無(wú)關(guān)。邏輯定子的磁矢量每完成一個(gè)360度電角度的循環(huán)，就相當(dāng)于磁矢量轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)物理扇區(qū)，即從扇區(qū)的起始端轉(zhuǎn)動(dòng)到了結(jié)束端。因?yàn)檫@個(gè)磁矢量的作用，在沒(méi)有發(fā)生失步的前提下，與該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子所在的一對(duì)磁極也會(huì)同步轉(zhuǎn)過(guò)與該扇區(qū)相應(yīng)的機(jī)械角度。因磁極鑲嵌于物理轉(zhuǎn)子之上，所以又使得整個(gè)物理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)同樣的機(jī)械角度。然而，當(dāng)邏輯定子進(jìn)入下一個(gè)360電角度的循環(huán)時(shí)(即磁矢量又返回對(duì)應(yīng)扇區(qū)的起始端)，原先的那一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極已經(jīng)轉(zhuǎn)出該扇區(qū)，因此，在本集成電機(jī)的物理轉(zhuǎn)子上至少必須另有一對(duì)結(jié)構(gòu)相同、方向一致、場(chǎng)強(qiáng)相等的磁極及時(shí)轉(zhuǎn)入該扇區(qū)的作用范圍之內(nèi)，即進(jìn)入扇區(qū)的起始端，以繼續(xù)下一電循環(huán)期間穩(wěn)定地帶動(dòng)物理轉(zhuǎn)子的運(yùn)行。
因此，對(duì)于定子分區(qū)式無(wú)刷直流集成電機(jī)而言，物理轉(zhuǎn)子上的磁極對(duì)數(shù)一定與定子分區(qū)數(shù)相同，并且所有磁極亦應(yīng)等距、對(duì)稱分布，以與邏輯定子相配合，組成邏輯電機(jī)的集合體。
如果集成電機(jī)的定子分區(qū)只有一個(gè)，則只能對(duì)應(yīng)一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極。此時(shí)如果定子分區(qū)所對(duì)應(yīng)的扇形區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)圓周，則該集成電機(jī)就成為一臺(tái)一對(duì)極結(jié)構(gòu)的普通電機(jī)；若將該定子分區(qū)所對(duì)應(yīng)的扇形區(qū)域在圓周長(zhǎng)度不變的情況下，充分?jǐn)U大其半徑，就又可以理解成為一臺(tái)直線電機(jī)。換言之，普通電機(jī)和直線電機(jī)又可被看作是集成電機(jī)在只有一個(gè)定子分區(qū)時(shí)的兩個(gè)特例。
一般而言，任何具有足夠數(shù)量線槽的物理定子均可分成N個(gè)(N≥2)相等的扇區(qū)，容納N個(gè)邏輯定子。這些邏輯定子位于同一殼體內(nèi)，嵌入同一定子鐵芯，共用同一轉(zhuǎn)子。各個(gè)邏輯定子的所有元件按所在扇區(qū)均勻排布于集成電機(jī)的定子圓周之上，共有N組。各組元件的導(dǎo)線截面、繞制圈數(shù)、連接關(guān)系等物理與電氣參數(shù)應(yīng)力求一致，以充分利用物理定子的線槽空間，并有利于物理轉(zhuǎn)子內(nèi)部力距的分配與平衡。各個(gè)邏輯電機(jī)中的線圈元件的連接方式必須相同，以在相同的供電、負(fù)載和控制環(huán)境下，保證各個(gè)邏輯電機(jī)在相應(yīng)的物理定子扇區(qū)之內(nèi)具有相同運(yùn)行方向和相同運(yùn)行角速度的磁場(chǎng)矢量，從而保證在該環(huán)境下，各個(gè)邏輯電機(jī)能夠進(jìn)行正確的功率疊加。這些相同的連接方式和連接結(jié)構(gòu)又與相應(yīng)的普通電機(jī)元件間的連接方式及連接結(jié)構(gòu)在邏輯上等同，以便按照對(duì)普通電機(jī)的控制方式控制每一個(gè)邏輯電機(jī)，但組間相互隔離，最后引出N組獨(dú)立的接線端子。與邏輯定子不同，集成電機(jī)中并不存在靜止、固定、或是與某個(gè)邏輯定子在物理意義上嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的具體邏輯轉(zhuǎn)子。任何一個(gè)邏輯電機(jī)轉(zhuǎn)子都是動(dòng)態(tài)生成的，也可認(rèn)為這是該時(shí)刻物理轉(zhuǎn)子上的一個(gè)特定“扇區(qū)”。每一時(shí)刻均會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于邏輯定子的這樣一個(gè)“扇區(qū)”，即任何一個(gè)邏輯定子在每一時(shí)刻，均會(huì)保持、并只有一個(gè)邏輯轉(zhuǎn)子與之對(duì)應(yīng)。
由此看來(lái)，N個(gè)靜態(tài)的邏輯定子和N個(gè)動(dòng)態(tài)的邏輯轉(zhuǎn)子共同形成了N個(gè)具有完全相同的物理和電氣結(jié)構(gòu)的邏輯電機(jī)，進(jìn)而構(gòu)成了一臺(tái)物理上的集成電機(jī)。因其結(jié)構(gòu)相同，工作電壓相等，所有邏輯電機(jī)的工作電流之和應(yīng)為集成電機(jī)總的工作電流，所有邏輯電機(jī)的功率之和則為集成電機(jī)的總功率。
在本發(fā)明中，各三相繞組的接線端子分別連接一個(gè)控制器。這樣，一方面對(duì)一臺(tái)大功率的集成電機(jī)的控制可以轉(zhuǎn)化成為對(duì)N個(gè)相對(duì)較小功率的邏輯電機(jī)的并行控制，從而將難度較大的大功率控制轉(zhuǎn)換成為相對(duì)難度較小的小功率、多單元控制。各控制器應(yīng)具備同步功能，以便能夠按照嚴(yán)格同步的原則并聯(lián)工作。另一方面，當(dāng)某個(gè)邏輯電機(jī)或控制器發(fā)生故障或受到外力損傷而無(wú)法運(yùn)行時(shí)，只會(huì)影響單個(gè)邏輯電機(jī)的運(yùn)行，集成電機(jī)上還有N-1個(gè)邏輯電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然總的輸出功率會(huì)受到影響，但不至于完全停機(jī)而使相關(guān)系統(tǒng)癱瘓。極限情況是每一邏輯電機(jī)可在其它邏輯電機(jī)不參加工作的情況下單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整個(gè)集成電機(jī)的運(yùn)行。由此實(shí)現(xiàn)了集成電機(jī)的帶故障運(yùn)行。此外，還可以通過(guò)改變其他邏輯電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)而在一定范圍內(nèi)做到“功能代償”式運(yùn)行。這樣就可以有效地提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性。本發(fā)明的核心正在于此。
本發(fā)明中的定子分區(qū)式無(wú)刷直流集成電機(jī)還可直接作為發(fā)電機(jī)來(lái)使用。此時(shí)每一邏輯電機(jī)都是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)，要是將它們完全并聯(lián)使用，就成為一臺(tái)集成式發(fā)電機(jī)。
下面結(jié)合附圖
和實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附圖是本發(fā)明為采用雙聯(lián)裝結(jié)構(gòu)時(shí)定子分區(qū)式無(wú)刷直流集成電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖所示，在電機(jī)定子鐵芯1上有兩個(gè)各為180度角的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)上有12個(gè)定子線槽，并各按照單對(duì)磁極12線槽、標(biāo)準(zhǔn)三相無(wú)刷直流電機(jī)的下線方式繞制有三相繞組2，形成兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全一致的邏輯定子，每個(gè)邏輯定子上引出一組獨(dú)立的接線端子。在轉(zhuǎn)子3上鑲嵌有等距、對(duì)稱分布的兩對(duì)永久磁極。由此形成了由兩個(gè)邏輯電機(jī)U1、U2構(gòu)成的雙聯(lián)裝定子分區(qū)式無(wú)刷直流集成電機(jī)M。
在兩組相對(duì)獨(dú)立的接線端子上，各連接一個(gè)獨(dú)立的控制器C1、C2。每個(gè)邏輯電機(jī)的加載、控制和運(yùn)行過(guò)程都是完全獨(dú)立的，即可在另一臺(tái)邏輯電機(jī)處于關(guān)閉的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)然還可以高度并行的方式進(jìn)行統(tǒng)一控制。其具體方法一種是通過(guò)在兩個(gè)控制器C1、C2之間加裝同步控制器T的方式予以實(shí)現(xiàn)。同步控制器T可以是由一個(gè)CPU控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路所組成。另一種就是采用本申請(qǐng)人在先申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?2124038.8)的“網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器”的方式予以實(shí)現(xiàn)。這樣，在聯(lián)機(jī)運(yùn)行時(shí)就能使各控制器之間相互協(xié)調(diào)以使相應(yīng)的兩個(gè)邏輯電機(jī)能以高度并行的方式工作，亦即在集成電機(jī)M的最終輸出方面等效于一臺(tái)與其總的功率相同的普通電機(jī)。此外，還可將接線端子直接并聯(lián)，共接一臺(tái)功率相當(dāng)?shù)目刂破鳌Ｔ谶@種方式下，集成電機(jī)則完全等同于一臺(tái)相應(yīng)的兩對(duì)極普通電機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，其特征在于定子鐵芯(1)沿圓周方向等角度均分成至少兩個(gè)以上的區(qū)域，每個(gè)分區(qū)內(nèi)繞制有一套完整的、并有一組相對(duì)獨(dú)立接線端子的三相繞組(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子(3)為鼠籠轉(zhuǎn)子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子(3)為永磁式無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子(3)上的磁極對(duì)數(shù)與定子鐵芯上的分區(qū)數(shù)相同，且轉(zhuǎn)子上的所有磁極等距對(duì)稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，其特征在于定子鐵芯(1)上各三相繞組(2)中線圈元件的連接方式相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，其特征在于各三相繞組(2)的接線端子分別連接一個(gè)控制器(4)。
全文摘要
本發(fā)明是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，定子鐵芯沿圓周方向等角度劃分有至少兩個(gè)以上的區(qū)域，每個(gè)分區(qū)內(nèi)繞制有一套完整的、并有一組獨(dú)立接線端子的三相繞組。本發(fā)明可以使得某個(gè)定子線圈元件的損壞僅僅影響局部功能，而整個(gè)電機(jī)仍然可以繼續(xù)運(yùn)行，從而避免因電機(jī)停轉(zhuǎn)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)所產(chǎn)生的嚴(yán)重?fù)p害。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的帶故障運(yùn)行和“代償式”運(yùn)行，從而有效地提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性。
文檔編號(hào)H02K1/12GK1479429SQ02129218
公開(kāi)日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2002年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月28日
發(fā)明者原澤, 季小尹, 原亮, 栗彤, 原 澤 申請(qǐng)人:原澤, 原 澤