專利名稱：無刷脈沖直流電動機的制作方法
無刷脈沖直流電動機
本發明屬于直流電動機。 通常電動機的凸極都設置在轉子上，定子上設置交流繞組，例如步進電機和反應 式同步電機。 一般轉矩和功率都很小，只能作執行元件使用，很難驅動較大功率的機械負 載。 本發明的目的是提供一種結構簡單、造價低廉，具有串激直流電動機的機械特性 的轉矩和功率較大的雙凸極脈沖式直流電動機。 實現上述目的途徑是由凸極式定子1，凸極式轉子2構成的雙凸極脈沖式直流電 動機的主件。在凸極式定子1上設有直流繞組3，定子1的凸極與轉子2的凸極之間留有氣 隙5，使凸極式定子與轉子凸極的極弧寬占有的空間幅射角a與極寬占有的空間幅射角|3 之比a /P - o.M".弘f為佳。 現以2極雙凸極脈沖式直流電動機為例，對本發明作詳細論述。
圖1為轉子在里，定子在外的2極雙凸極脈沖式直流電動機的結構圖； 圖2為給定子直流繞組3斷續通電的空間相對位置圖。其中1.凸極式定子；2.凸
極式轉子；3.定子直流繞組；4.主磁通①；5.定、轉子極靴之間的氣隙S ;6.軸；7.轉子
的旋轉方向；8.安裝在定子上觸發可控硅Ta使用的定位脈沖發生器；9.安裝在定子上觸
發可控硅Tb使用的定位脈沖發生器；10、11.為分別安裝在轉子的兩個凸極上觸發定位脈
沖發生器8、9動作的執行元件。圖中下列符號代表的含義是 A-A，定子凸極的中心線。 B-B，轉子凸極的中心線。
a -定子和轉子凸極的極弧寬占有空間的幅射角。
|3 -定子和轉子的極寬占有空間的幅射角。 e r直流繞組開始通電時，定子凸極中心線A-A與轉子凸極中心線B-B之間的空 間夾角，(又是導電角)。 e 2-直流繞組開始斷電時，定子凸極中心線A-A與轉子凸極中心線B-B之間的空 間夾角。e f直流繞組開始通電時，定子與轉子凸極的極弧j股巨的空間角。 圖3為實現電動機斷續導電的控制線路圖。圖中各符號的代表含義是 E-直流電源。 R、L-分別為電動機的內阻和電感。 Re-可控硅Ta、 Tb控制極的限流電阻。 Rc-電容器C充電時的限流電阻。 C-截止可控硅Ta、 Tb提供反向電流的電容器。 D-續流二極管。 Ta-導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機如圖1、圖2所示，主件由凸極式定子1、凸極式轉子2構成。定、轉子使用的硅鋼片與Y系列電機相同；設計時，使定、轉子凸極的極弧寬占有空間的 幅射角a與極寬占有的空間幅射角P之比0/&= O.j< 0.《_T 。在定、轉子凸極之間有 氣隙5，對氣隙5的S值的設計與同功率、同轉速的三相異步電動機相同。對定子直流繞組 3的設計，應使直流繞組的電流I與匝數Z的乘積安匝數ZI，在氣隙5的S處所產生的最 小磁通密度P s = 10， 000高斯。當凸極式轉子2運行到凸極中心線B-B圖1所示位置時， 給直流繞組3通電后將產生主磁通4，主磁通①穿過氣隙S經過凸極式定、轉子構成閉合 回路。當主磁通①的磁力線力圖收縮時，在凸極式轉子2上產生一個向著旋轉方向7的磁 拉力，使轉子繞軸6以轉速n運轉。
雙凸極脈沖式直流電動機的工作原理是 若圖1所示的凸極式轉子2的凸極無論停留在空間任何位置，給定子直流繞組3 通以穩恒電流時，由于磁力線產生的磁拉力有力圖使磁力線收縮到行經最短路徑的功能， 必然使轉子旋轉至中心線B-B與定子凸極中心線A-A重合而終止，隨著轉子中心線B-B在 空間的位置不同而轉動的方向和角度也不同。 為了使凸極式轉子2產生一個同方向的轉矩M，就必須按照轉子凸極在空間與定 子凸極存在的相對位置，給直流繞組3通以斷續的直流。 實現斷續導電的具體方法是當安裝在轉子兩個對稱凸極上的動作執行元件10 或11運行到與固定在定子上的觸發可控硅Ta、 Tb的定位脈沖發生器8、9在空間的幅射角 度重合時，均可立即觸發可控硅Ta或Tb，分別導通和截止定子直流繞組中的電流。因此動 作執行元件10、 11要嚴格安裝在轉子凸極的中心線B-B上；觸發可控硅Ta的定位脈沖發生 器8，安裝在與定子凸極中心線A-A空間為e工的夾角處；觸發可控硅Tb的定位脈沖發生器 9，安裝在與定子凸極中心線A-A空間為92的夾角處。 實現斷續導電的具體過程是當轉子上的動作執行元件10 (如圖1所示)，隨著轉 子旋轉到與定子上的定位脈沖發生器8在空間角度重合時，立刻使定位脈沖發生器8接通， 可控硅Ta的控制極產生一個觸發脈沖電流，使可控硅Ta導通后接通直流電源E，電機的直 流繞組3通電后在磁拉力的作用下，轉子按照旋轉方向7旋轉，從而使電機輸出轉矩和機械 功率。與此同時，通過限流電阻Rc、電容器C、可控硅Ta形成了對電容器C的充電回路，給 電容器C充電為左負右正，為準備截止Ta提供了產生反向電流的條件。當轉子上的動作執 行元件IO(如圖2所示)旋轉到與定子上的定位脈沖發生器9在空間角度重合時，立刻使 定位脈沖發生器9接通，可控硅Tb的控制極產生一個脈沖電流，使可控硅Tb導通。此時電 容器上的電壓經Tb管而逆向Ta管放電，使可控硅Ta關斷。為了改善關斷條件，加設了續 流二極管D。 Ta關斷后因對電容器C反充電至左正右負，直流繞組3中仍有電流通過，這就 是觸發可控硅Tb使用的定位脈沖發生器9安裝在與定子凸極中心線A-A有一定空間角度 e2的原因。當轉子另一凸極上的動作執行元件ll，隨著轉子旋轉到與定子上的定位脈沖 發生器8在空間角度重合時，可立刻導通可控硅Ta而關斷可控硅Tb，重復上述的過程，使電 機連續運轉。 對e 2的選擇可根據電源E的電壓、電機的內阻R、電感L、電容器C和轉速n綜合
試驗確定。 一般選擇在e 2 = 3° 5°為宜。對e工選擇應使e工< e /2，在開始給直流 繞組3通電時確保轉子產生的轉矩與旋轉方向7—致。但e工又不能太小,如圖i所示那 樣，又要使直流繞組開始通電時，定子與轉子凸極的極弧相距一定的空間夾角93，使e3>o。對e3的數值可由試驗確定最佳值，一般選擇在&^:2L4Q為宜。 雙凸極脈沖式電動機的轉矩M與轉速n之間具有良好的機械特性n = f(M)，其特 性曲線如說明書附圖4所示。 從圖4可知，該機具有與串激直流電動機相似的機械特性。這是因為電機繞組是 一個具有電感L和電阻R的RL電路，時間常數t 二L/R，當接通直流電源E之后，繞組中的
電流I按下式規律變化
I = E/R(l-e—K/Lt) 從上式可知，若繞組通電后經過導電角9工的時間為t，電流I及產生的轉矩M與 時間t成正比，因此隨著轉速n的上升，導電時間t相應縮短，轉矩M必然減小，而得到上圖 所示的機械特性曲線。 本機的定子為無齒無槽的凸極式，定子上設有集中繞組，下線極為方便；在凸極式 轉子上沒有任何形式的通電導體。其結構簡單、造價低廉，可根據負載轉矩M的大小自動調 節轉速。可廣泛用于電動自行車、電動摩托車和電動汽車等領域。
雙凸極脈沖式直流電動機高效節能的理論依據 1.本機因凸極式轉子上沒有設置任何形式的通電導體，其轉子子銅損= e 。
2.本發明的目的主要是設計制造低轉速、大轉矩無調速裝置的電動機。最高轉速 n = 600轉/分為宜，2極電機脈沖電流引起的磁場變化頻率為f = 600/60 = 10 (HZ/秒)； 而交流電動機磁場變化頻率與轉速無關，均為f = 50HZ/秒。因電機的鐵損與磁場的變化 頻率f成正比，所以在低速運行狀態下的雙凸極脈沖式直流電動機的鐵損Pfe要比交流電動 機小得多。 3.在定子與轉子凸極的極弧相距空間夾角93時給定子直流繞組通電，是本機在 運行中降低輸入功率，相對增加輸出功率的有效措施。這是因為空氣的磁導率P。很小，當 給直流繞組通電后，因凸極式轉子途徑93的運行過程中，在繞組中產生的電感1^和反電勢 ^都很小，電流I和轉矩將迅速上升。即使運行在93 = 0以后的過程中，反電勢^將增 大，但在任意空間角度時的電流I和轉矩M，都將超過定子與轉子凸極在a/13 >0.5的設 計結構。本機的結構設計在a/13 =0.38 0.45范圍內，是給9 3的存在提供設計依據， 提高本機效率的重要措施。 對該項發明制造的雙凸極脈沖式直流電動機，在自行車上使用測試，當直流電壓E =24伏、轉速n = 200轉/分時，其輸入功率Pi = 200瓦，輸出功率P2 = 190瓦，本機效率
n = p2/p! = 95%。
權利要求
一種由凸極式定子(1)、凸極式轉子(2)、定子直流繞組(3)構成的雙凸極無刷高效直流電動機，其特征在于凸極式定子(1)和凸極式轉子(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＜0.5。
2. 根據權利要求l所說的一種無刷脈沖直流電動機，其特征在于定子g的極數與轉子g的極數相等。
全文摘要
本發明公開了一種無刷脈沖直流電動機，該機由設置著直流繞組的凸極式定子和無電樞繞組的凸極式轉子組成。當轉子凸極與定子凸極對應在不同位置時，給定子直流繞組通以斷續的脈沖直流，對轉子產生磁拉力使電機輸出轉矩和機械功率。本電動機輸出功率和轉矩較大，可作為無燃動力取代發動機，使自行車、摩托車和汽車等運載工具電動化。
文檔編號H02K25/00GK101777819SQ201010131178
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月24日 優先權日2010年3月24日
發明者陳國田 申請人:陳國田