直流旋转磁场装置、直流同步电机及直流异步电机

摘要

本发明涉及一种直流旋转磁场装置、直流同步电机及直流异步电机。本发明要解决的技术问题是如何提供一种直流旋转磁场装置、直流同步电机及直流异步电机。本发明直流旋转磁场装置包括直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器，换向程序控制器通过控制各个电子换向器片中功率开关管的通电状态，使电枢表面电流分布的波形不变，但沿电枢表面连续正转或反转，从而得到直流旋转磁场。本发明直流旋转磁场装置可以利用直流电产生旋转磁场，配上合适的转子，即可构成直流同步电机或直流异步电机，广泛适用需要使用电动机的场合。

权利要求

1.一种直流旋转磁场装置，其特征在于：包括直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器，在电枢表面依次排列的电枢绕组的每一个换向单元都有一个引出端，依次接到由二个功率开关管构成的半桥电路的中点，该半桥电路称为电子换向器，所有电子换向器的输入端和输出端都分别并联在一起并接到正负电源端构成电子换向器，所有电子换向器的功率开关管均分别通过控制信号线与换向程序控制器相连，换向程序控制器通过控制各个电子换向器中功率开关管的通电状态，使电枢绕组沿电枢表面一个极距范围内的电流都是同一方向，相邻极距则为反方向，即电枢表面电流分布为以二个极距为空间周期的方波，则磁场分布也是以二个极距为空间周期的波形，零点与电流波过零点错开90°电角度，磁势波的幅值或轴线位于电流波的过零点，用换向程序控制器控制功率开关管导通状态的变化，使电枢表面电流分布的波形不变，但沿电枢表面连续正转或反转，从而得到直流旋转磁场。

2.一种直流同步电机，其特征在于：包括转子、定子和换向装置，所述定子包括定子铁心和直流电枢绕组，所述换向装置包括电子换向器和换向程序控制器，所述转子为直流励磁或永磁体转子，其中直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器构成权利要求1所述直流旋转磁场装置。

3.一种直流异步电机，其特征在于：包括转子、定子和换向装置，所述定子包括定子铁心和直流电枢绕组，所述换向装置包括电子换向器和换向程序控制器，所述转子为鼠笼型转子或与直流电枢绕组同样极对数的多相绕线型转子，其中直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器构成权利要求1所述直流旋转磁场装置。

说明书

直流旋转磁场装置、直流同步电机及直流异步电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种直流旋转磁场装置、直流同步电机及直流异步电机。

背景技术

[0002] 电动机分为直流电动机和交流电动机二大类，或者说直流电动机、交流同步电动机和交流异步电动机三大类。直流电动机由于调速和转矩控制方便，在很长一段时间内，一直在调速系统和运动控制应用场合占统治地位，到上世纪80年代以后，情况发生了变化，最主要的有二点：一是变频技术的发展和变频器的工业化生产，使得交流电机的调速不再困难，使得变频调速的异步电动机很快发展成调速电动机系统的主流；二是按传统电动机的实际结构将机械换向转换成电子换向的技术过于复杂，直流电动机无刷化研究的最终产品实际上是方波驱动带有自同步功能的三相永磁同步电动机，为了进一步适应运动控制系统的高要求又改为正弦波驱动，于是不折不扣地成了标准的交流永磁同步电动机，具有自同步功能和类似直流电动机的特性，这就是通常叫做交流伺服电动机系统的产品，成了近代运控电动机的主流。于是由于存在机械换向器中滑动电接触的缺点，直流电动机逐步退出运控电机和调速电动机系统所占有的主流位置，让位给交流同步电动机和交流异步电动机。然而与直流电动机比较起来，交流电动机存在一些固有的弱点，关键的为如下二点：一是电枢绕组电流的实时检测和控制复杂化，也就是转矩控制比 直流电机复杂；二是绕组电感对功率和转矩输出限制的影响比直流电机明显。所以在发展高性能运控电机需求的驱使下想到直流电动机的方向很自然，这就是本发明专利提出的技术背境。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是如何填补现有技术的上述空白，提供一种直流旋转磁场装置、直流同步电机及直流异步电机。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明直流旋转磁场装置，其特征在于：包括直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器，在电枢表面依次排列的电枢绕组的每一个换向单元都有一个引出端，依次接到由二个功率开关管构成的半桥电路的中点，该半桥电路称为电子换向器，所有电子换向器的输入端和输出端都分别并联在一起并接到正负电源端构成电子换向器，所有电子换向器的功率开关管均分别通过控制信号线与换向程序控制器相连，换向程序控制器通过控制各个电子换向器中功率开关管的通电状态，使电枢绕组沿电枢表面一个极距范围内的电流都是同一方向，相邻极距则为反方向，即电枢表面电流分布为以二个极距为空间周期的方波，则磁场分布也是以二个极距为空间周期的波形，零点与电流波过零点错开90°电角度，磁势波的幅值或轴线位于电流波的过零点，用换向程序控制器控制功率开关管导通状态的变化，使电枢表面电流分布的波形不变，但沿电枢表面连续正转或反转，从而得到直流旋转磁场。

[0005] 本发明直流同步电机，其特征在于：包括转子、定子和换向装置，所述定子包括定子铁心和直流电枢绕组，所述换向装置包括电子换向器 和换向程序控制器，所述转子为直流励磁或永磁体转子，其中直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器构成前述直流旋转磁场装置。

[0006] 本发明直流异步电机，其特征在于：包括转子、定子和换向装置，所述定子包括定子铁心和直流电枢绕组，所述换向装置包括电子换向器和换向程序控制器，所述转子为鼠笼型转子或与直流电枢绕组同样极对数的多相绕线型转子，其中直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器构成前述直流旋转磁场装置。

[0007] 本发明直流旋转磁场装置可以利用直流电产生旋转磁场，配上合适的转子，即可构成直流同步电机或直流异步电机，广泛适用需要使用电动机的场合。

附图说明

[0008] 下面结合附图对本发明直流旋转磁场装置、直流同步电机及直流异步电机作进一步说明：

[0009] 图1有NS1为奇数个槽(或虚槽)的二极定子绕组示意图；

[0010] 图2有NS1为奇数个槽的二极定子绕组内部及与电子换向器的连接；

[0011] 图3一对极距范围内有NS1为偶数个槽(或虚槽)的电枢绕组示意图；

[0012] 图4一对极距范围内有NS1为偶数槽(或虚槽)的电枢绕组内部及与电子换向器的联接；

[0013] 图5每对极距内NS1为偶数时减少换向单元的接线；

[0014] 图6形成直流旋转磁场的核心部件示意图；

[0015] 图7同步电动机电磁结构示意图；

[0016] 图8直流同步电动机稳态运行模型；

[0017] 图9直流异步电动机电磁结构示意图(小转差情况)；

[0018] 图10直流异步电动机电磁结构示意图(转差率增大情况)。

具体实施方式

[0019] 本发明一种直流旋转磁场装置，其特征在于：包括直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器，在电枢表面依次排列的电枢绕组的每一个换向单元都有一个引出端，依次接到由二个功率开关管构成的半桥电路的中点，该半桥电路称为电子换向器，所有电子换向器的输入端和输出端都分别并联在一起并接到正负电源端构成电子换向器，所有电子换向器的功率开关管均分别通过控制信号线与换向程序控制器相连，换向程序控制器通过控制各个电子换向器中功率开关管的通电状态，使电枢绕组沿电枢表面一个极距范围内的电流都是同一方向，相邻极距则为反方向，即电枢表面电流分布为以二个极距为空间周期的方波，则磁场分布也是以二个极距为空间周期的波形，零点与电流波过零点错开90°电角度，磁势波的幅值或轴线位于电流波的过零点，用换向程序控制器控制功率开关管导通状态的变化，使电枢表面电流分布的波形不变，但沿电枢表面连续正转或反转，从而得到直流旋转磁场。

[0020] 本发明直流同步电机，其特征在于：包括转子、定子和换向装置，所述定子包括定子铁心和直流电枢绕组，所述换向装置包括电子换向器和换向程序控制器，所述转子为直流励磁或永磁体转子，其中直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器构成前述直流旋转磁场装置。

[0021] 本发明直流异步电机，其特征在于：包括转子、定子和换向装置，所述定子包括定子铁心和直流电枢绕组，所述换向装置包括电子换向器 和换向程序控制器，所述转子为鼠笼型转子或与直流电枢绕组同样极对数的多相绕线型转子，其中直流电枢绕组、电子换向器和换向程序控制器构成前述直流旋转磁场装置。

[0022] 本发明核心是电枢绕组电路的设计，应能产生直流旋转磁场。电动机定子为硅钢片迭成的铁心以及电枢绕组，铁心可以是有槽结构也可以是无槽结构，有槽铁心时绕组的线圈或元件放置在铁心的槽内，无槽结构时，线圈或元件放置在电枢铁心的表面，占据一定的空间角度，把所占据的空间看成一个虚槽，所占的空间角便相当于齿距角，不同铁心结构时的绕组从原理和联接上便没有什么区别。有槽铁心和无槽铁心结构，电枢绕组都可以分成环形绕组和鼓形绕组二种结构，环形绕组比较适合铁心迭厚小而极距比较大的情况，也可能因工艺的原因选用，环形绕组每个线圈的一个有效边在电枢表面，另一个边在铁心轭部背面，只起连接作用。鼓形绕组每个线圈的二个有效边都在电枢表面上，分别放置在相距大约一个极距二个槽(或虚槽)的上层和下层，通过端部反向连接成一个线圈和元件，与仅有一个有效边的环形绕组线圈相比较，并没有原理上和电路连接上的区别。

[0023] 连续分布在电枢表面的每一个电枢绕组线圈都有一个引出端，接到电子换向器上，每一个电子换向器是由二个功率开关管组成的半桥电路，线圈的引出端就接到该半桥电路的中点。所有半桥电路的上桥输入端和下桥输出端分别联接在一起，并与直流电源的正负端接通。功率开关管的通断状态，决定了电枢绕组内电流的分布，应该使电枢表面一个极距范围内的电流为同一方向，相邻极距范围内为相反方向，即电枢表面电流空间分布为方波，周期为二个极距，电枢电流产生的磁势分布为 三角波，空间变化周期也是二个极距(360°电角度)，磁势波的零值点与电流波零点错开90°电角度，磁势波的峰值位于电流波的过零点，这就是磁势波轴线的位置。控制开关管的导通状态，让电枢绕组电流分布波沿电枢表面不断移动，便得到沿电枢表面旋转的空间磁势波，这就是所说的直流旋转磁场。

[0024] 2、本发明的核心还包括换向程序控制器。控制器的基本功能有二条，一是在任一通电状态下，都使电枢表面电流为以二个极距为空间周期的方波分布，二是通电状态能按一定的逻辑循环变化，使电流波沿电枢表面均匀转动。

[0025] 图1所示的是一对极的环形绕组定子，槽数或虚槽数NS1为奇数，取任一个线圈中点为一个极距的起始点，将该线圈标号为1，依次的线圈则标号为3、5、…NS1，到达一个极距的终点，依次的线圈进入另一个极距范围，标号为2、4、…(NS1-1)，所有的NS1个线圈按1、3、5、…NS1、2、4、…(NS1-1)的顺序头尾相接成一个NS1边形。NS1个引出端分别接到NS1个半桥电路相应的中点，如图2所示。作为电子换向器的半桥电路，上桥的功率管及其控制端采用与相应线圈引出端相一致的标号，依次为1、3、5、…NS1、2、4、…(NS1-1)，下桥臂的功率管及其控制端则依次标号为不难看出，让1和 导通，其他功率管都不导通，则电枢电路分为二个支路，一条包含1、
3、5、…NS1，电流正向导通，另一条包含2、4、…(NS1-1)，电流反向导通，符合电枢电流沿电枢表面方波分布的要求，由于NS1为奇数，所以不是理想的对称方波，在NS1足够大时这种不对称性可以忽略不计。让导通信号按
的顺序循环变化，一个循环有2NS1种
通电状态，即经过2NS1次通电状态顺序变化，电流分布或磁势波沿电枢圆周转了一圈，改变一次通电状态，磁势转过半个齿距角，齿距角 电角度。如果电动机是P对极，每对极有NS1个槽，整个电枢槽数为NS＝P NS1，图1和图2所示可看成是整个电机一对极范围内的一部分，其他各对极范围内的情况完全一致，第2对极距到第P对极距范围内也都有NS1个槽和线圈，与第一对极距相对应依次也都用标号1、3、5、…2、4、…(NS1-1)来表示，标号相同的线圈应有相同的电流和相同的电流换向时间，所以P个相同标号的线圈可并联或串联在一起共同联到一个电子换向片上，整个电子换向器共有NS1个功率开关管的半桥电路，与图2相一致，通电状态循环变化的顺序也一样。

[0026] 图3所示为P对极的电枢绕组，每一对极距范围内，槽数NS1为偶数的情况。让1和 导通，可以看出电枢表面电流分布为比NS1为奇数时更对称的方波，让通电的顺序按 循
环变化，电流波和磁势波便沿电枢圆周表面旋转，每改变一次通电状态，转过一个齿距角电角度。极对数P>1时，绕组线圈的标号沿电枢圆周周期性变化分布，将P个相同标号的线圈并联或串联后一起接到如图4所示的电子换向器，通电状态及循环变化顺序的要求与P＝1时相同。

[0027] 如图5所示，每对极范围内的槽数NS1为偶数时，相距180°电角度的线圈同时换向，可以合并为同一个换向单元，如图5中标号为(1)和(2)的线圈反向串联成新标号为1的单元，(4)和(3)反串成新标 号为2的单元，(5)和(6)反串联成新标号为3的单元，……最终NS1为偶数槽有NS1个线圈的电枢绕组，改接成有(奇数)个换向单元的电枢绕组，电子换向器数也减为原来的一半，标号分别为通电状态及循环变化顺序与奇数槽槽数为时相一致。

[0028] 一对极距内包含的槽数或线圈数不为整数时，相邻一对极距内的槽或线圈所处的空间电角度相位不一致，不能同时换向，说明电子换向片数将超过一对极距的槽数，是它的二倍或数倍，使电子换向器结构和控制复杂化，除非每对极的槽数很少，那又要增加电枢电流波的不均匀性和不对称性，影响电机的性能，所以一般应避免采用。从原理和原则上并不限定每对极下槽数为整数。在一般情况下，如果电动机的极对数为P，电枢槽数为NS，P和NS的最大公约数为a，则电枢绕组可分为a个重复单元，每个单元的极对数为 槽数为 将单元切割成P1块重迭起来，即将NS1个槽都重迭在一对极范围内，NS1个槽会自然均匀错开，不会减少消失，这时可按一个极距内依次将这些槽内的线圈标号为1、3、5、……NS1(或NS1-1)，另一个极距开始则依次标号为2、4、6、……(NS1-1)(或NS1)，电子换向器，通电状态及循环变化顺序都按一对极有NS1个槽设计即可。

[0029] 3、换向程序控制器的主体是可编程逻辑电路组件，即GAL电路,或DSP。它的输入是单路脉冲信号(或其它形式的速度信号)和一路正反转信号，转换为2NS1路功率开关管控制信号组合状态的正方向或反方 向顺序循环变化。电子换向器由NS1个电子换向器，即NS1个功率开关管半桥电路组成，NS1个上桥臂功率开关管的控制端采用与相应线圈或换向单元相同的标号，分别依次为1、3、5、……NS1(或NS1 -1)、2、4、6、……(NS1 -1)(或NS1)，下桥臂功率开关管的控制端则用加反的标号，分别依次为 (或)、 (或 )。GAL电路(换向程序控制器)输出的2NS1路功率开
关管控制信号组合的状态，是随输入信号依次循环变化的关系。在开机上电时输出信号组合可以设计成有一定的初始状态、记忆状态或随机状态，GAL电路(换向程序控制器)输出的2NS1路信号中，仅有二路为导通信号，且一路为上桥臂导通信号，另一路为下桥臂导通信号，其他2(NS1 -1)路都是不导通信号，为了简化，输出信号组合仅用二路导通信号来表示，这样输入输出信号的关系可以列表如下：

[0030] 表1 NS1为奇数

[0031]

[0032] 表2 NS1为偶数

[0033]

[0034] 图6示形成直流旋转磁场的核心部件，换向程序控制器控制电子换向器中功率开关管的导通状态及变化顺序，使电枢表面的电流分布及磁势波旋转，转速为 转/分，其中m为一个通电状态变化循环中的状态数，m＝NS1或2NS1.

[0035] 4、直流同步电动机。如上所说能形成直流旋转磁场的定子，加上具有相同极数的直流励磁或永磁体转子，就成了一台直流同步电动机。如图7所示，通电的直流电枢绕组在电子换向器和控制器作用下，产生以转速n1旋转的磁势波，Fa表示电枢磁势的轴线，转子励磁或永磁磁势的轴线用Fr表示，转子转速nr＝n1时，定转子磁势相互作用产生稳定的电磁转矩，能完成机电能量转换过程，与交流同步电动机中的电磁感应作用类似，所以也应称为“同步电动机”，但是与交流同步电动机不同，电枢绕组是直流电路，与交流电路的特性有差别，实际上出现了全新的概念和全新的名称—--直流同步电动机。

[0036] 图7表明，Fa和Fr同步旋转时，能产生稳定的电磁转矩，转矩的大小与二者的相对位置有关，用夹角θ来表示，通常称为失调角或功角，θ＝90°时，N极下的电流层都是同一方向的电流，都产生正方向的 转矩；θ＝0°时，N极下的电流层，一半产生正方向的转矩，另一半产生负方向的转矩，合成转矩为零；0<θ<90°时，电磁转矩0

[0037] 励磁磁场在电枢绕组电路内产生的电动势(EMF)也与转角θ有关。与电磁转矩相似，θ＝90°时，EMF为最大值，与转子角速度成正比，EK＝keωr。θ为不同值时同，E0＝f(θ)与Te＝f(θ)相同,极限情况成线性变化，一般情况可能较接近正弦变化，所以在作原理性讨论或工程分析时，可认为E0＝EKsinθ＝keωrsinθ。

[0038] 图8是直流同步电动机稳态运行的模型，其中存在着二个平衡关系，即电路平衡和转矩平衡，其中

[0039] V＝IR+E0 (1)

[0040] Te＝TL+T0 (2)

[0041] E0＝keωrsinθ (3)

[0042]

[0043] Te＝ktIsinθ (5)

[0044] kt＝ke(6)

[0045] 式(3)表明，在ωr不变的情况下，E0的值随着负载变化引起θ变化时会在很大范围变化，即从E0＝EK＝keωr变化到E0→0，可见直流同步电动机不适合恒定电压情况下工作，比较方便的是在电流源供电情况下工作。

[0046] 5、直流异步电动机。

[0047] 如上所说的能形成直流旋转磁场的定子，加上具有笼形或相同极数绕线形转子，就成了一台直流异步电动机。

[0048] 图9中Fa表示直流旋转磁场的轴线，空间转速为n1，nr为转子转速，nr

[0049] s增大时，转子导条中电动势的频率增加，电感的影响增加，导条中电流将滞后电动势一个角度，为功率因数角(φ)。s→0，φ→0，cosφ→1；s→∞，φ→90°，cosφ→0。导条中电流滞后的情况如图10所示。

[0050] 图10中转子上有二层 和⊙的标示，外层为转子导条中电动势的 方向，内层则为导条中电流的方向，这时Fr与Fa的夹角不是90°，而是移动一个角度φ。Fr可以分为二个分量。Frcosφ与Fa正交，与Fa作用产生有效电磁转矩，对应转子导条中电流的有功分量；Frsinφ与Fa反向，不产生有效电磁转矩，起去磁作用，对应转子导条中电流的无功分量。

[0051] 电动机为理想空载时，转子转速nr＝n1,s＝0，负载转矩增加时，s增大使转子导条中产生感应电势和电流，产生电磁转矩与负载转矩相平衡。s很小时，电磁转矩随s增大呈线性增长，s稍大后电磁转矩的增长率变缓，s增大到一定值后，由于转子电流的有功分量减少及无功分量的去磁作用，使得电磁转矩随s增大不再增加，反而减小。即对应特定的转差率sk(临界转差率)电磁转矩达最大值Tk，ssk时，Te随nr下降而减小，通常不能带负载稳定工作，所以正常稳定工作的区域应在s

[0052] 以上这些讨论，看起来和传统交流异步电动机中的概念没有多大区别，所以也应叫做“异步电动机”，但是电枢绕组是直流电路，与交流绕组电路有区别，并影响到电动机的性能，所以事实上出现了新的概念和新的名称----直流异步电动机。

[0053] 在交流异步电动机中，电枢相绕组电路中与外加电压相平衡的，电阻压降占很小部分，定性分析时可以不计，最主要的是电感和互感压降，合在一起就是旋转磁场或者说主磁通产生的感应电压。所以说，在交流异步电动机中，在一定频率条件下，外加电压的值实际上大体决定了电动机的主磁通，即使负载在一定范围内变化也是这样，事实上当负载增加，转子磁势增大有去磁效应时，定子电流会有相应的变化以抵消这种 作用，以保持相绕组电路的电压平衡。

[0054] 在直流异步电动机中，情况有所不同，直流旋转磁场在电枢绕组的每个线圈内都感应电势，但是在电枢绕组电路内的合成则为零，就是说直流旋转磁场在电枢绕组电路的感应电势为零。转子磁势Fr在空间的转速与直流旋转磁场相一致为n1，Fr的无功分量与Fa反向，起去磁作用，也不会在电枢绕组电路内产生感应电势，Fr的有功分量在电枢绕组内产生反电势E0，随负载或s增加而增大，s＝0时，E0也为零。直流异步电动机中与电枢绕组外加端电压平衡的有二项，即电枢绕组的电阻压降(IR)，和转子磁势有功分量感应产生的电枢绕组反电势E0，这是随负载变化的，变化的范围从零到最大值，可见即使直流旋转磁场转速不变，供电电压也要随负载变化进行调节才能适应工作，电流源供电在某些场合可能适用。