專利名稱：無刷廣義直流電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)型直流電機(jī)是由靜止和旋轉(zhuǎn)兩部分組成，靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分之間有一定大小的氣隙。其中，電機(jī)的靜止部分稱之為定子，它的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)。它是由磁極、換向極、機(jī)座和電刷等裝置組成，電刷的作用是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)部分就是轉(zhuǎn)子，通常也把轉(zhuǎn)子部分稱之為電樞，它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。它是由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。換向器的作用是將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。在直流發(fā)電機(jī)中，它將電樞繞組中的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為電刷端上直流電動(dòng)勢(shì)，形成直流電源。總之，在有換向器直流電機(jī)中，電樞繞組的換向是通過電刷和換向器來完成的。在有換向器直流電機(jī)中，電樞繞組的換向是有換向器電機(jī)的一個(gè)致命問題，也是影響和制約有換向器電機(jī)使用和發(fā)展的一個(gè)致命問題。這是因?yàn)閾Q向不良，就會(huì)在電刷下發(fā)生有害的火花，當(dāng)火花超過一定程度，就會(huì)燒壞電刷和換向器，使電機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)也增加了維護(hù)成本，影響電機(jī)使用壽命和使用范圍。
傳統(tǒng)的三相交流電機(jī)和旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)一樣，也主要是由靜止的定子和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座三部分組成。其中，定子繞組是交流電機(jī)定子部分的電路。它是由許多線圈按一定規(guī)律聯(lián)結(jié)而成，三相交流電機(jī)的定子繞組的聯(lián)結(jié)方式主要是以星形和三角形聯(lián)結(jié)方式為主。由于電機(jī)采用三相交流電源供電，對(duì)稱三相交流電源在交流電機(jī)氣隙中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這樣，交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就與定轉(zhuǎn)子電流有著復(fù)雜的偶合關(guān)系，從而，使交流電機(jī)控制復(fù)雜，而且控制效果遠(yuǎn)不如直流電機(jī)的機(jī)械性能和調(diào)速特性。另外，在交流電機(jī)中的同步電機(jī)，由于存在無自起動(dòng)能力和震蕩等問題，這給同步電機(jī)的運(yùn)行帶來不利影響，在控制中必須加以抑制或消除，增加了控制系統(tǒng)的成本。
當(dāng)前的無換向器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是70年代發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電動(dòng)機(jī)，其實(shí)質(zhì)是一種用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件控制的變頻調(diào)速的同步電動(dòng)機(jī)。目前，應(yīng)用最廣泛的有兩種形式的同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)電樞式同步電動(dòng)機(jī)，其定子繞組一般多為三相星形或三角形聯(lián)接方式。根據(jù)其所采用控制方式的不同可分為直流無刷電動(dòng)機(jī)和交流無換向器電動(dòng)機(jī)，所謂直流無刷電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開關(guān)線路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。它采用交—直—交控制系統(tǒng)或直—交控制系統(tǒng)，由開關(guān)型電力電子變換器轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電源，供給同步電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。交流無換器電動(dòng)機(jī)采用交—交控制系統(tǒng)，它是利用開關(guān)型電力電子變換器直接把50Hz的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可變的交流電，供給同步電動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。無換器電動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)上的限制，電樞繞組及其變頻器是靜止不動(dòng)，即電樞的換向器在空間位置是不變。無論采用三相半橋式或全橋式半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成的變換器，在每相繞組中通過的并不是持續(xù)的直流電流，也不是嚴(yán)格意義上的交流電。因此，該電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大，且低速性較差。當(dāng)采用的半導(dǎo)體電力開關(guān)器件為晶閘管元件時(shí)，其電樞繞組的換流受晶閘管本身特性的限制，并且由于其繞組的換流對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性影響都較大。因此，現(xiàn)在基本上都采用全控型半導(dǎo)體電力開關(guān)器件來克服這些影響，但是無換向器電機(jī)本身所固有的缺點(diǎn)，如低速性差和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等，還是沒有從根本上的解決，且其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制方式比傳統(tǒng)直流電機(jī)更復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電機(jī)控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較小，且低速性好的無刷廣義直流電機(jī)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種無刷廣義直流電機(jī)，包括定子2、轉(zhuǎn)子4和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，定子2安裝在機(jī)座1上，定子1的鐵芯外設(shè)有定子繞組3，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率變換器7是由半導(dǎo)體電力開關(guān)器件6組成，與定子繞組引出線5串聯(lián)。功率變換器7的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可采用橋式，也可采用最少數(shù)量的主開關(guān)器件等多種拓?fù)湫问健６ㄗ永@組3采用帶有絕緣的圓形或矩形截面導(dǎo)體繞成，嵌放在鐵芯內(nèi)，每層之間以及線圈與鐵芯之間絕緣。定子繞組3中的線圈通過定子繞組引出線5從定子上某一導(dǎo)體出發(fā)串聯(lián)所有導(dǎo)體后，仍回至出發(fā)點(diǎn)自成閉合回路，每個(gè)有效元件的首尾均有引出端子或引出線與半導(dǎo)體電力開關(guān)6相連，從某一半導(dǎo)體電力開關(guān)6看進(jìn)去，定子繞組5至少形成兩條并聯(lián)支路。
本發(fā)明所提供的無刷廣義直流電機(jī)，采用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件作為無觸點(diǎn)的電子開關(guān)，替代了整流子和電刷，定子繞組的換流是通過半導(dǎo)體電力開關(guān)器件來完成的。無論是工作在電動(dòng)狀態(tài)，還是工作在發(fā)電狀態(tài)，都是無整流子和電刷的，且其主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，隨系統(tǒng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性要求的不同而有所不同。使電機(jī)控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較小，且有著良好的低速性能。
圖1是無刷廣義直流電機(jī)本體剖面與橋式功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖2是橋式功率變換器與定子元件連接的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)電一體裝置。其中電機(jī)本體的基本結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相似。也是由靜止部分(定子)和旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)兩個(gè)基本部分組成
一、無刷廣義直流電機(jī)的靜止部分1)定子鐵芯，為了減少鐵耗，定子鐵芯通常由硅鋼沖片疊壓而成，在鐵芯內(nèi)圓表面均勻地分布著齒和槽，用來放置定子繞組；2)定子繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，從定子上某一導(dǎo)體出發(fā)按一定規(guī)律串聯(lián)所有導(dǎo)體后，仍回至出發(fā)點(diǎn)自成閉合回路。并且，每個(gè)有效元件的首尾均有引出端子(或引出線)，與半導(dǎo)體電力開關(guān)器件相連，從某一半導(dǎo)體電力開關(guān)器件看進(jìn)去，定子繞組至少形成兩條并聯(lián)支路。對(duì)于多極電機(jī)而言，利用電機(jī)定子繞組等電位點(diǎn)的特性。把定子繞組上等電位點(diǎn)連接起來，這樣就形成了多條并聯(lián)支路。極對(duì)數(shù)越多的電機(jī)，并聯(lián)支路數(shù)也就越多。有效元件數(shù)量相同的電機(jī)，其引出端子(或引出線)數(shù)也就減少，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所需半導(dǎo)體電力開關(guān)器件數(shù)量也就相應(yīng)減少。定子繞組一般采用帶有絕緣的圓形或矩形截面導(dǎo)體繞成，嵌放在鐵芯內(nèi)，每層之間以及線圈與鐵芯之間都妥善絕緣，然后壓緊以防止電動(dòng)力將繞組移動(dòng)和破壞；3)機(jī)座，機(jī)座的作用主要是固定和支撐定子鐵芯?？筛鶕?jù)應(yīng)用場(chǎng)所的不同，可采用多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。
二、無刷廣義直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)部分即轉(zhuǎn)子，它既可以是表面光滑的結(jié)構(gòu)形式，也可以是表面非光滑的，如凸極式的結(jié)構(gòu)形式。它既可以是帶磁極的結(jié)構(gòu)形式，也可以是不帶磁極的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)形式不同的轉(zhuǎn)子，電機(jī)的運(yùn)行特性和運(yùn)行方式也可不同，這取決于控制系統(tǒng)的要求。總之，電機(jī)的運(yùn)行特性和運(yùn)行方式，受轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)的控制方式所決定。
三、無刷廣義直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率變換器是由半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成，它與定子元件串聯(lián)，這從結(jié)構(gòu)上排除了半導(dǎo)體電力開關(guān)器件在換流過程中，換流重疊角和半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的短路問題。功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可采用橋式，也可采用最少數(shù)量的主開關(guān)器件等多種拓?fù)湫问?。根?jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)特性的要求，而采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以減少半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的數(shù)量。從而，降低了功率變換器的硬件成本。
四、無刷廣義直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性和運(yùn)行方式，取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷模式。而這種模式取決于電機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性的最佳融合上，并能靈活的行使驅(qū)動(dòng)特性，這樣電機(jī)本體與系統(tǒng)及功率變換器融合為一個(gè)整體。
發(fā)明的工作原理如下無刷廣義直流電機(jī)無論是以無換向器直流電機(jī)，還是以無換向器交流電機(jī)，或是以磁阻電機(jī)等單一的電磁式、磁阻式或混合方式工作，它們的工作原理基本相同。電機(jī)的定子部分是一臺(tái)無換器的直流電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)形式，但旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)子，其結(jié)構(gòu)形式可各不相同，這取決于伺服系統(tǒng)對(duì)電機(jī)工作特性和運(yùn)行方式要求的不相同而不同。
當(dāng)該電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)工作方式時(shí)，首先通過檢測(cè)，得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，也就是轉(zhuǎn)子4磁極(或齒極)與定子2的步進(jìn)磁場(chǎng)的相對(duì)位置，為半導(dǎo)體電力開關(guān)器件6的觸發(fā)脈沖提供依據(jù)。轉(zhuǎn)子4位置檢測(cè)的目的，就是確定轉(zhuǎn)子4的相對(duì)位置，使電動(dòng)機(jī)始終工作在同步狀態(tài)下。轉(zhuǎn)子4位置的閉環(huán)控制正是該電機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。轉(zhuǎn)子4的位置信號(hào)不僅是定子繞組3換流的依據(jù)，也是功率變換器7中半導(dǎo)體電力開關(guān)6開通或關(guān)斷的依據(jù)，同時(shí)也可作為速度反饋信號(hào)。當(dāng)該電機(jī)作調(diào)速運(yùn)行時(shí)，可作為速度或位置閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。
從圖2可知，當(dāng)該電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，功率變換器7中相應(yīng)的上下橋臂半導(dǎo)體電力開關(guān)6導(dǎo)通時(shí)(例如U1、V1導(dǎo)通)，電源電流的正極通過上橋臂半導(dǎo)體電力開關(guān)6→定子繞組3左(與轉(zhuǎn)子的一個(gè)有效極面相對(duì)應(yīng))和右(與轉(zhuǎn)子的另一個(gè)有效極面相對(duì)應(yīng))→下橋臂半導(dǎo)體電力開關(guān)6到電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，相應(yīng)的上下橋臂半導(dǎo)體電力開關(guān)7也依次導(dǎo)通和關(guān)斷(例如U1、V1關(guān)斷；U2、V2導(dǎo)通)，組成定子繞組3的每條支路的有效元件也就依次循環(huán)著。由于流過每條支路的電流方向始終不變，縱然，每個(gè)元件在極面的位置不斷變化著，但通過位置檢測(cè)和控制系統(tǒng)的邏輯切換，改變半導(dǎo)體電力開關(guān)6通斷規(guī)律，就可以使每個(gè)極面下的元件總數(shù)總保持恒定不變。
由于功率變換器7由直流電源供電，定子繞組3中電流流動(dòng)的大小和方向，取決于半導(dǎo)體電力開關(guān)7的導(dǎo)通和關(guān)斷方式，而半導(dǎo)體電力開關(guān)6的導(dǎo)通和關(guān)斷方式，受控制系統(tǒng)決定。但半導(dǎo)體電力開關(guān)6的通斷頻率，也就是電機(jī)定子繞組3的換流頻率，是受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極(齒極)位置所控制的。這是為了保證定子的步進(jìn)磁通勢(shì)(或電樞磁通勢(shì))與轉(zhuǎn)子磁通勢(shì)(或磁阻)同步移動(dòng)。同時(shí)，也是為了保證定子繞組3的換流頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)子磁極的位置)始終保持同步，這時(shí)電動(dòng)機(jī)也總是保持最大的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生震蕩。這樣，在不計(jì)及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的情況下，這一臺(tái)由功率變換器7供電，定子繞組的換流頻率受轉(zhuǎn)子位置控制的無刷廣義直流電動(dòng)機(jī)，就蛻變成一臺(tái)定子繞組的換流頻率，隨轉(zhuǎn)子的位置或轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化的自控式無換器直流電動(dòng)機(jī)。
在該直流電機(jī)中，半導(dǎo)體電力開關(guān)6作為無觸點(diǎn)的電子開關(guān)，替代了整流子和電刷。如果設(shè)想將反裝式直流電機(jī)的整流子和電刷舍去，由半導(dǎo)體電力開關(guān)6組成的功率變換器6對(duì)其定子繞組3供電，將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子4位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，控制系統(tǒng)再通過邏輯分析和計(jì)算，去控制變換器中的半導(dǎo)體電力開關(guān)6的導(dǎo)通和關(guān)斷，使定子繞組3的換流頻率與轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速保持同步，這就是無刷廣義直流電動(dòng)機(jī)工作原理。
當(dāng)無刷廣義直流電機(jī)以發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行時(shí)，定子繞組3中交變的電動(dòng)勢(shì)通過功率變換器中的半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的換流，使定子繞組中交變的電動(dòng)勢(shì)整流成直流電動(dòng)勢(shì)，形成直流電源，成為了直流發(fā)電機(jī)，這樣就把其他形式的能轉(zhuǎn)換為了電能。
在無刷廣義直流電機(jī)中，定子繞組3的換流是通過半導(dǎo)體電力開關(guān)7來完成的。無論是工作在電動(dòng)狀態(tài)，還是工作在發(fā)電狀態(tài)，都是無整流子和電刷的，且其主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，隨系統(tǒng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性要求的不同而有所不同。因此電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相融合以配合上驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，使電機(jī)本體與系統(tǒng)以及電力電子裝置相融合為一個(gè)整體，不可分割。
權(quán)利要求
1.一種無刷廣義直流電機(jī)，包括定子(2)、轉(zhuǎn)子(4)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于定子(2)安裝在機(jī)座(1)上，定子(1)的鐵芯外設(shè)有定子繞組(3)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率變換器(7)是由半導(dǎo)體電力開關(guān)器件(6)組成，與定子繞組引出線(5)串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷廣義直流電機(jī)，其特征在于功率變換器(7)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可采用橋式，也可采用最少數(shù)量的主開關(guān)器件等多種拓?fù)湫问健?br>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷廣義直流電機(jī)，其特征在于定子繞組(3)采用帶有絕緣的圓形或矩形截面導(dǎo)體繞成，嵌放在鐵芯內(nèi)，每層之間以及線圈與鐵芯之間絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的無刷廣義直流電機(jī)，其特征在于定子繞組(3)中的線圈通過定子繞組引出線(5)從定子上某一導(dǎo)體出發(fā)串聯(lián)所有導(dǎo)體后，仍回至出發(fā)點(diǎn)自成閉合回路，每個(gè)有效元件的首尾均有引出端子或引出線與半導(dǎo)體電力開關(guān)(6)相連，從某一半導(dǎo)體電力開關(guān)(6)看進(jìn)去，定子繞組(5)至少形成兩條并聯(lián)支路。
全文摘要
一種無刷廣義直流電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，定子安裝在機(jī)座上，定子鐵芯外設(shè)有定子繞組，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率變換器是由半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成，它與定子元件串聯(lián)。采用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件作為無觸點(diǎn)的電子開關(guān)，替代了整流子和電刷，定子繞組的換流是通過半導(dǎo)體電力開關(guān)器件來完成的。無論是工作在電動(dòng)狀態(tài)，還是工作在發(fā)電狀態(tài)，都是無整流子和電刷的，且其主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，隨系統(tǒng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性要求的不同而有所不同。使電機(jī)控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較小，且有著良好的低速性能。
文檔編號(hào)H02K29/00GK1917336SQ200610124490
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月7日
發(fā)明者盛光忠, 汪德華 申請(qǐng)人:三峽大學(xué)