專利名稱：多相正脈沖變速電動機的制作方法
技術領域：
本實用新型所述的多相正脈沖變速電動機，是一種具有多相正脈沖、其頻率、幅值、寬度均可調節并可無級變速，適用于交、直流兩種電源的新型正脈沖電動機。
目前在該技術領域中廣泛應用的是兩種電動機；一種為無刷直流電動機，另一種為可控硅無換向器電動機。上述兩種電動機中無刷直流電動機具有寬速比、長壽命、優性能、無火花、低噪音等優點，但也存在著許多缺點；以晶體管無刷直流電動機為例，其電樞繞組只有25％～33％的利用率或載流率，并且體積大、效率偏低。對于可控硅無換向器電動機，雖然具有寬速比、大中小功率適應性強、壽命長等優點；但存在著主電路復雜、價格昂貴、并需引進強關逆變電路等問題。針對現有技術中所存在的問題進行新的設計，研制一種結構簡單的新型多相正脈沖變速電動機是十分必要的。
鑒于上述現有技術中所存在的問題，本實用新型的目的是提供一種寬速比、長壽命、優性能、無火花、低噪音、體積小、載流率高、電路簡單、價格低廉的新型多相正脈沖變速電動機。本實用新型所述的變速電動機取消逆變電路、采用廉價可靠、僅由可控硅構成的移相器或斬波器；從而可適用于由直流、單相交流、三相交流、中頻等任何電源供電的新型多相正脈沖變速電動機。
本實用新型所述的多相正脈沖變速電機動，其結構由電機體、主電路和控制電路所組成。電機體由機座、定子鐵芯、正勵繞組、轉子鐵芯、轉軸、差勵繞組所組成。控制電路是由轉子位置檢測器、移相器所構成的電子觸發電路；主電路為多相斬波器和多相移相器兩種。本實用新型所述的定子鐵芯和轉子鐵芯分為單定子鐵芯、雙定子鐵芯和單轉子鐵芯、雙轉子鐵芯。當為雙定子鐵芯和雙轉子鐵芯時，可共裝于單個機座內。本實用新型所述電動機的轉子具有四種不同結構即永磁凸極式雙轉子共軸；永磁凸極式單轉子；他勵磁場繞組凸極式雙轉子共軸；他勵磁場繞組凸極式單轉子。本實用新型所述裝于同一機座內的雙定子鐵芯采用凸極式，鐵芯的線槽里嵌有多相電樞繞組，特別是具有正、反兩個方向勵磁雙繞組。并且取差勵繞組安匝數等于正勵繞組安匝數百分之五；即 ＝5％AW。轉子鐵芯采用永磁凸極式雙轉子共軸，多種方式功率電子開關裝于主電路內。直流供電時使用多相斬波器、交流供電時使用多相移相器；控制電路即由轉位檢測器、移相器等構成的電子觸發電路與主電路相匹配，從而獲得三相1～2脈沖式、六相3～4脈沖式、四相2～3脈沖式的雙定子永磁變速電動機，其電樞繞組的載流率為Ki＝50％～62.5％。本實用新型所述在電機的機座內采用單鐵芯，其結構為凸極式或隱極式；鐵芯的線槽里嵌有多相電樞繞組，該繞組為正、反兩個方向勵磁場的雙繞組，并取正勵繞組安匝數等于差勵繞組安匝數，即AW＝ ；轉子鐵芯采用永磁凸極式單轉子。主電路為多相斬波器或多相移相器。控制電路即由轉位檢測器、移相器等構成的電子觸發電路與主電路相匹配。從而獲得四相2脈沖式、六相3脈沖式、八相4脈沖式的單定子永磁變速電動機，其電樞繞組載流率為Ki＝50％。本實用新型所述的在他勵磁場繞組中的電磁式轉子上面具有電刷滑環結構。
本實用新型提供了一種多相正脈沖變速電動機；其結構實質為現代無刷直流電動機的變革，它與傳統的整流子直流電機、異步電機、同步電機皆有質的不同，后者的電樞繞組中流過的是單相或三相交流，例如直流電機電樞繞組中流過的是經換向器逆變的交流。但是本電機和無刷直流電動機中流過的則是單方向的正脈沖，其頻率(指每秒脈沖數)幅值、寬度等都可以調節，結合電機結構定子、轉子形式變化、選取不同的相數和正脈沖數，據對稱非對稱磁極，單個或兩個平行的園形旋轉磁場原理，創造出新穎的優性能低價格比變速電動機，其實質為自調頻同步機。
本實用新型的特點如下(1)本實用新型保留無刷直流電動機的優點，含寬速比、長奉命、優性能、無火花、低噪音等；克服其缺點，諸如3晶體管無刷直流電動機，其電樞繞組只有33.3％的利用率或載流率，4晶體管無刷直流電動機僅有25％載流率，故其體積較大，效率偏低。
(2)本實用新型保留可控硅無換向器電動機(一種自調頻同步機)的優點，寬速比、大中小功率都適用，長壽命等；但其缺點是主電路復雜、昂貴，需引入強關逆變電路等。
(3)本實用新型取消逆變電路，并采用廉價可靠的僅由可控硅(SCR或GTO)構成的移相器或折波器，可產生由直流、交流單、三相、中頻等任何電源供電的多相正脈沖變速電動機。
本實用新型共有10張附圖，其中附
圖1是多相正脈沖變速電動機的機械結構圖附圖2是附圖1的A－A剖視圖附圖3是附圖1的B－B剖視圖附圖4是直流供電變速電動機主電路圖附圖5是三相雙半波變速電動機主電路圖附圖6是三相半控橋變速電動機主電路圖附圖7是八相4脈沖變速電動機主電路圖附圖8是變速電動機控制電路方框圖附圖9是變速電動機工作原理框圖附圖10是三相1～2脈沖變速電動機主電路圖附圖1～附圖3中1、機座2、定子鐵芯3、正勵繞組4、轉子位置檢測器5、轉子鐵芯6、轉軸7、差勵繞組附圖4～附圖7中各字母含意SCR1～SCR18——可控硅 D1～D12——硅二極管SR1～SR6——飽和電抗 C1～C6——電容器C——電解電容器L——帶鐵芯電感W1～W8——正勵繞組 ～ ——差勵繞組附圖8～附圖10中各符號含意W——集成穩壓器 Fh——高頻方波發生器Tr——轉子位置檢測器 Lb——調寬觸發器Lph——移相觸發器 Gc——控制電路Mc——主電路SCR～GTR——可控硅或功率晶體管組E＝——直流電源 U～——交流電源Pe(u.i)——輸入電功率 Es——電子開關BD——變速電動機f(n.m)——輸出機械功率SB——開關箱MB——電動機本體K——刀開關 T1～T3——晶體三級管本實用新型的具體實施例如附圖所示，其結構由(1)機械結構、(2)主電路、(3)控制電路三部分經且成第(1)部分見附圖1電動機結構圖。第(2)及第(3)部分合裝于一個共同的開關箱SB中見附圖9，下面分別進行說明(1)機械結構多相正脈沖永磁轉子變速電動機之機械結構見附圖1，它主要由機座1、凸極式徑向、軸向分裂磁極結構之雙定子鐵芯2、正勵繞組3、轉子位置檢測器4、永磁凸極轉子5和轉軸6所組成。在附圖2和附圖3中給出了本電機的軸向徑向分裂磁極微分磁極式結A－A和B－B剖視圖。不難看出本電機的轉子為永磁凸極，徑向分裂為4個磁極，依N·S·N·S極性排列，軸向分裂為兩段即2個轉子鐵芯共軸；定子鐵芯為12個微分磁極之六相繞組，左側鐵芯均為可移動極性之S極，右側鐵芯均為可移動極性之N極，每個微分小凸極上繞有2個繞組正勵繞組3、以AW表示其安匝；差勵繞組7、以 表示其安匝數，后者的安匝數絕對值 取為前者的5％～100％，視電動機工況而異。
(2)主電路附圖1～附圖3所示變速電動機，其轉子凸極為永磁磁極恒定不變，取為2p＝4，雙鐵芯定子凸極數各為12個微分小磁極，引入不同主電路接線方法，可得三相1～2脈沖或六相3～4脈沖。上述變速電機主電路因交、直流電源不同有多種形式，但主要有兩種即直流電源用斬波器和交流電用移相器。對于六相3～4脈沖變速電機在直流供電時其主電路見附圖4，適合于蓄電池或其他恒壓直流電源，它由6個可控硅組成六相定寬調頻斬波器，每相斬波器為典型之改進型莫崗自關斷電路，由關斷電容C、飽和電抗器SR和可控硅SCR組成。在交流電源供電時見附圖5和附圖6，附圖5適合于要求不高之最少可控硅數之雙半波自關斷移調壓器，附圖6為三相交流電源供電之典型半控橋移相器，具有自關斷移相調壓能力，但使用可控硅數較多，需6×3＝18個SCR。
在附圖4和附圖5中，線圈W1、W2、W3、W4、W5、W6為正勵電樞繞組，用來建立附圖3中的N1、N2、N3、N4、N5、N6諸同極性微分旋轉磁極；線圈 為差勵電樞繞組，用來抵消剩磁，實現快速變換磁極極性。對于雙定子、雙轉子鐵芯結構，將建立非對稱磁極2個平行的雙園環狀旋轉磁場， ～ 線圈中的安匝數 一般取W1～W6線圈中安匝Aw之5％～10％許。對于單定子、單轉子鐵芯結構，將建立對稱磁極單園環狀旋轉磁場，一般取 ＝AW。
(3)控制電路控制電路可由附圖8框圖加以說明，本控制電路具有機械上幾何位置測定及控制作用，在任何瞬時，轉子位置檢測器Tr檢測出轉子磁場磁軸位置，變換成一組對應的寬脈沖序列，它是由穩壓電源W(集成電路組件)、高頻方波發生器Fh(雙三極管磁晶振蕩器)轉子位置檢測器Tr所組成；又在電氣上對主電路進行正脈沖之相位、寬度、幅值或頻率數控制，它是由穩壓電源W、移相觸發器Lph(單晶管或三級管電路組成)或調寬觸發器Lb(晶體管電路)所組成。這兩者經與門電路Gc將轉位訊號與主電路電壓脈沖幅值或寬度訊號兩者疊加，去控制可控硅或大功率三極管構成的主電路MC。后者對變速電機定子的電樞繞組進行激勵，保證任何瞬時定子磁軸導前于轉子磁軸某個驅動角度δ。轉子位置檢測器Tr有多種形式光電式、電磁式、霍爾元件式、接近開關式和微型半園環式等，本發明主要使用微型半園環式和電磁式。
(4)工作原理本變速電動機的工作原理可以附圖9說明，本電機均由電機本體MB含動機定轉子及轉位檢測器機械部分等及開關箱SB含控制電路、主電路、功率電子元件及微型電子元件等兩部份組成。
輸入電源以電功率Pe(u.i)的形式將電能施加于變速電機之定子電樞側，光經開關K將電源電壓施加于主電路Mc和控制電路Cc，不論是交流或直流都被改造變換成頻率、寬度或幅值可調的正脈沖，依據負載不同，輸出軸上轉速n和轉矩M的需要，將一定強度的正脈沖通過電子控制經與門電路綜合、開關放大器放大，去點燃主電路中功率電子元件可控硅SCR或晶體管GTR，正脈沖以一定程序例如3～4脈沖交替。即SCR1.2.3→SCR1.2.3.4→SCR2.3.4→SCR2.3.4.5→SCR3.4.5→SCR3.4.5.6→SCR4.5.6→………這里SCR右下角的尾注阿拉伯數字代表導通的可控硅編號數。
通入附圖6中6組雙定子電樞繞組W1～W6和 ～ 之部分繞組中，這就形成位于兩個定轉子空間里的2個平行的園環形旋轉磁場。由于轉位檢測器Tr的控制作用，由電樞繞組中通入正脈沖建立的定子磁場磁軸任何瞬時導前于轉子磁場磁軸某個δ角。δ角可控決定于Tr在轉子上感應半園環的寬度，一般取δ∈［90°～120°］。故本電機能夠實現將輸入電功率Pe(u，i)變換成轉速n，轉矩M皆平滑可調的機械功Pj(n，m)。實質上這是一種自調頻同步電動機，除設有徑向分裂磁場外，再引入軸向分裂磁場，這是為了提高正脈沖供電條件下電樞繞組的載流率Ki和磁通路，這里Ki＝導電繞組相數／繞組總相數。本變速電機在主電路為最少功率電子開關數3晶體管(即3GTR)或3SCR時，可取1～2脈沖，此時Ki＝50％；主電路為6GTR時，可取3～4脈沖，此時Ki＝58％；當定子鐵芯有16個微分小磁極時，容許使用4GTR之主電路，可取2～3脈沖，此時Ki＝62.5％。
本變速電動機保留了無刷直流電動機的全部優點，但克服了其電樞繞組載流率為25％～33％較低的缺點。
為了進一步簡化電機結構，容許將雙定子、雙轉子鐵芯共軸取消軸向分裂磁極，改為單定子、單轉子。但此時繞組載流率將維持Ki＝50％＝常數，并且應取正勵繞組安匝數恒等于差勵繞組安匝數，即 ＝AW，主電路各相之導通程序修改為四相2脈沖、六相3脈沖、八相4脈沖，本八相4脈沖變速電動機采用附圖7為其主電路。這是一種新系列優性能多相正脈沖永磁變速電動機。
本實用新型的另一種結構形式為多相正脈沖他勵變速電動機。該變速電動機屬于前述多相正脈沖永磁變速電動機的變型，僅轉子磁極的磁性生成和機械結構上與永磁變速電動機稍有不同，本電機的轉子磁極采用電磁鐵結構之可調直流繞組他勵式，在轉子上增加2個滑環經電刷機構并在電機定子出線盒上增設2個他勵磁場繞組引線端子所構成。
本變速電動機的轉子磁極多數仍采用凸極式，必要時改為隱極式。除上述不同外，其余各部分的機械結構，主電路、控制電路、工作原理都相同或相似。但本變速電動機在調速控制上多一個自由度，多一個勵磁電路可進行他勵平滑調磁調速。
實施例1三相1～2脈沖變速電動機本電機為最少主電力電子開關數變速電動機。
(1)電機結構本電機的縱、橫剖面見附圖1、附圖2和附圖3，不難看出定子有2個鐵芯，每個鐵芯上有12個微分磁極，計及軸向分裂磁場，共有12×2＝24個主磁極，每個微分磁極上均繞有不同右下角編號的正勵和差勵兩個線圈，取 ＝5％AW；轉子結構為4極式2個永磁轉子鐵芯共軸。
(2)主電路取每個4對定子磁極之16個線圈依次串聯，構成一相電樞繞組。例如4W1＋4W2＋ ＋ ＝W1.2＋ ，由1個大功率晶體管T1供電，見附圖10。本主電路由3個晶體三極管組成亦可以用3個可控硅組成的三相莫岡斬波器替代。
本雙定子鐵芯之48個線圈分接成W1.2＋ ；W3.4＋ ；W5.6＋ 三組電樞繞組由三個晶體管T1；T2；T3供電，其導通程序取1－2脈沖交替式，即T1→T1.2→T2→T2.3→T3→T3.1→……(3)控制電路本電機選配轉子位置檢測器、移相器等構成的電子觸發電路見附圖8。
實施例2六相3脈沖變速電動機(1)電機結構本電機結構參見附圖1，刪去雙定子鐵芯，雙轉子鐵芯共軸之軸向分裂磁極，簡化為單定子鐵芯，單轉子鐵芯；定子鐵芯為凸極式共有12個微分磁極，每個磁極上繞有正勵和差勵2個線圈，取 ＝AW；轉子鐵芯為4極式永磁轉子。
(2)主電路取每2個定子微分磁極的4個線圈依次串聯，構成一相電樞繞組，即2W1＋ ＝W1＋ ；2W2＋ ＝W2＋ ；2W3＋ ＝W3＋ ；2W4＋ ＝W4＋ ；2W5＋ ＝W5＋ ；2W6＋ ＝W6＋ 。分別由6組三相可控硅半控橋供電，見附圖6。其可控硅導通程序取3脈沖交替重復式，即SCR1.2.3＋SCR4.5.6＋SCR7.8.9→SCR4.5.6＋SCR7.8.9＋SCR10.11.12→SCR7.8.9＋SCR10.11.12＋SCR13.14.15→SCR10.11.12＋SCR13.14.15＋SCR16.17.18→SCR13.14.15＋SCR16.17.18＋SCR1.2.3→SCR16.17.18＋SCR1.2.3＋SCR4.5.6→…(3)控制電路本電機選配轉子位置檢測器、移相器等構成的電子觸發電路見附圖8。
權利要求1.一種多相互脈沖變速電動機；由電機體、主電路和控制電路所組成；其特征在于電機體由機座(1)、定子鐵芯(2)、正勵繞組(3)、轉子鐵芯(5)、轉軸(6)、差勵繞組(7)所組成；控制電路是由轉子位置檢測器、移相器等構成的電子觸發電路；主電路為多相斬波器和多相移相器兩種。
2.根據權利要求1所述的多相正脈沖變速電動機；其特征在于定子鐵芯(2)和轉子鐵芯(5)分為單定子鐵芯、雙定子鐵芯和單轉子鐵芯、雙轉子鐵芯；當為雙定子鐵芯和雙轉子鐵芯時，可共裝于單個機座(1)內。
3.根據權利要求1所述的多相正脈沖變速電動機；其特征在于電動機的轉子具有四種不同結構；即永磁凸極式雙轉子共軸；永磁凸極式單轉子；他勵磁場繞組凸極式雙轉子共軸；他勵磁場繞組凸極式單轉子。
4.根據權利要求1或2所述的多相正脈沖變速電動機；其特征在于裝于同一機座(1)內的雙定子鐵芯，采用凸極式，鐵芯的線槽里嵌有多相電樞繞組，特別是具有正、反兩個方向勵磁的雙繞組；并且取差勵繞組安匝數等于正勵繞組安匝數百分之五，即 ＝5％AW；轉子鐵芯采用永磁凸極式雙轉子共軸，多種方式功率電子開關安裝于主電路內；直流供電時使用多相斬波器、交流供電時使用多相移相器；控制電路即由轉位檢測器、移相器等構成的電子觸發電路與主電路相匹配，從而獲得三相1～2脈沖式、六相3～4脈沖式、四相2～3脈沖式的雙定子永磁變速電動機，其電樞繞組的載流率為K1＝50％～62.5％。
5.根據權利要求1或2所述的多相正脈沖變速電動機；其特征在于在電機的機座(1)內采用單鐵芯，其結構為凸極式或隱極式；鐵芯的線槽里嵌有多相電樞繞組，該繞組為正、反兩個方向勵磁的雙繞組，并取正勵繞組安匝數等于差勵繞組安匝數，即AW＝ ；轉子鐵芯采用永磁凸極式單轉子；主電路為多相斬波器或多相移相器；控制電路即由轉位檢測器、移相器等構成的電子觸發電路與主電路相匹配；從而獲得四相2脈沖式、六相3脈沖式、八相4脈沖式的單定子永磁變速電動機，其電樞繞組載流率為Ki＝50％。
6.根據權利要求1或3所述的多相正脈沖變速電動機；其特征在于他勵磁場繞組中的電磁式轉子上面具有電刷滑環結構。
專利摘要本實用新型所提供的多相正脈沖變速電動機其結構由電機體、主電路和控制電路所組成。電機體由機座、雙定子鐵芯、正勵繞組、雙轉子鐵芯、轉軸、差勵繞組所組成。交、直流電源經主電路電子開關變成正脈沖對電機電樞繞組供電。控制電路由轉子位置檢測器、移相器等構成的電子觸發電路來實現。由于本實用新型僅使用簡單的移相器或斬波器而取消逆變器，故運行更為可靠，可廣泛的適用于機床、造紙、風機、水泵等需要無級變速電力驅動的工業領域。
文檔編號H02K16/00GK2201752SQ94220670
公開日1995年6月21日 申請日期1994年9月9日 優先權日1994年9月9日
發明者周曼金 申請人:周曼金