专利名称：无刷他励直流电动机的制作方法
技术领域：
无刷直流电动机类，是一种转子为电励磁的无刷他励直流电动机。
背景技术：
目前无刷直流电机，均采用永磁材料作为转子材料，驱动绕组安装在定子槽中，使用转角位置传感器测定转子位置，并用直流开关管根据转子位置传感器测定的转子位置控制各定子绕组电流通断和电流方向，以此来驱动电机转子旋转。此类电机具有结构简单、效率高、调速性能好、功率密度高、无机械换向器磨损、免维护、制动时惯性能量能回收利用等一些优点。对于中小功率、扭矩和转速调节区间要求不是很宽的使用场合非常优秀。在中大功率、转速和扭矩调节范围很宽的使用工况下，其不足之处就表现出来。1、由于使用永磁材料作为转子，使得材料成本比较高；2、使用最多的磁性材料钕铁硼其居里点比较低，必须严格控制电机温升，这会造成电机过载能力受影响；3、如果驱动电流过大还会造成永磁材料退磁，会使电机性能下降，此类电机功率限制在几十千瓦以内，不太适合制造更大功率的电机；4、永磁电机的气隙磁场是固定的，不能调节，这会造成电机的高速和低速性能不能兼顾，而且不能在任何速度点保证电机都有可能达到很高的电机功率利用率。
发明的目的 本发明目的是提供一种全新的无刷直流电机。改变传统永磁无刷电机使用永磁材料作转子的做法，采用可调节的电励磁转子。正是由于电动机转子使用了电励磁方式，使得新型电机几乎克服了永磁无刷电机的所有不足1、不采用价格比较昂贵的永磁材料，能节省材料成本；2、没有永磁材料高温退磁问题，使得电机拥有很好的过载能力；3、没有磁性材料在强外反磁场下退磁问题，能实现更大功率的直流无刷电机；4、励磁磁场可调能保证电机拥有优秀的高速和低速性能，强磁方面电励磁能得到比现有永磁材料能达到的更强的电机气隙磁场，这有利于提高电机效率和低速性能，能提高低速时功率利用率；弱磁方面降低励磁能提高电机高速性能和电机功率高速时功率利用率；5、能实现更宽的调速区间。综上所述，该电动机有功率密度大、效率高、优良的高速和低速性能、很强的过载能力、很宽的调速区间等一系列优点，非常适合用于作为电动汽车的主驱动电机以及其他相似工况场合。
技术方案 本发明结构上包括7个部分1、转子电励磁的无刷主电动机；2、和主电动机同轴安装的结构和三相交流异步电动机相近的异步感应式励磁发电机(也许称为旋转变压器更合适，在此还是暂称发电机)；3、和主电动机同轴安装的旋转整流单元，其将励磁发电机输出交流电流整流后给主电动机转子作励磁电流；4、电机转子角位置和转速传感器；5、主电动机定子电流控制开关管列阵；6、励磁发电机定子线圈电流控制开关管列阵；7、CPU控制器。
本发明是这样实现的它保持现有无刷直流电机采用定子安装驱动绕组，转子励磁的结构，定子仍可以采用和永磁无刷电机相同的驱动电路。本发明和永磁无刷电机区别在于1、将转子转角位置传感器改为转角位置和主轴转速传感器2、将永磁无刷直流电机的永磁转子改为直流电励磁转子；3、和主轴同轴安装旋转整流单元；4、和主电机同轴安装异步感应式励磁发电机。其中发电机结构和转子绕线式三相交流异步电动机相近，该发电机目的并不是将机械能转化为电能，而是将发电机定子电流无接触地传给转子。电机整体原理为直流开关管采用SPWM方式控制，将直流电转化为三相交流电，励磁发电机定子通此三相交流电，从而产生旋转磁场。保持定子磁场和转子之间一定转速差，转子线圈则会切割定子磁场，使得转子线圈中感应出交流电流。励磁发电机输出的交流电流经同轴安装的整流单元整流滤波后给主电动机作转子励磁电流，在主电机的定子和转子间形成磁场。按主轴转向和转矩要求给主电动机定子绕组通合适电流，主电动机转子将受到定子绕组产生的罗仑兹力反力驱动，使电机转子旋转起来。调节励磁发电机的定子励磁电流和磁场旋转速度，就能调节主电动机转子励磁电流，并能做到整个电机无刷他励，励磁可调。另外电机在保持励磁磁场条件下制动时，是一个输出电压可调的直流发电机，能实现惯性能量的回收利用。
为更好地说明该发明内容，分别用图1、图2、图3、图4来说明其基本原理。
图1为电动机整体结构和原理图；图2为励磁发电机定子线圈及其控制电路；图3为3相输出发电机转子、旋转整流单元及两磁极转子电动机电路；图4为电动机定子线圈及其控制电路；图1中(1)为主轴转角位置及转速传感器；(2)为异步感应式励磁发电机定子；(3)为异步感应式励磁发电机转子；(4)为旋转整流单元；(5)为主电动机定子；(6)为主电动机励磁转子；(7)为电机主轴线；(8)为主电动机定子电流控制开关管列阵单元；(9)为励磁发电机定子电流控制开关管列阵单元；(10)为CPU控制器；(11)为直流母线。另外虚线部分为信号线。
图2中VT1～VT6为直流开关管；VD1～VD6为反向续流二极管；U-O1、V-O1、W-O1为发电机定子线圈。其中VT1～VT6直流开关管和VD1～VD6反向续流二极管组成图1中励磁发电机定子电流控制直流开关管列阵单元(9)。
图3中1-O2、2-O2、3-O2为3相输出发电机转子线圈；ZD1～ZD6旋转整流单元整流二极管；C1为旋转整流单元滤波电容；L1～L2为主电动机励磁转子S极、N极励磁线圈。
图4中VS1～vS6为直流开关管；TD1～TD6为反向续流二极管；A-O3、B-O3、C-O3为电动机定子线圈。其中VS1～VS6直流开关管和TD1～TD6反向续流二极管组成图1中主电动机定子电流控制直流开关管列阵单元(8)。
电动机整个运行过程是这样的如果要使电动机旋转起来，由图1中CPU控制器(11)按SPWM算法控制图1中励磁发电机定子电流控制直流开关管列阵(9)即图2中直流开关管VT1～VT6分时导通和关断，使得图2中U-O1、V-O1、W-O1三组线圈端部加上标准正旋三相交流电压，在图1的异步感应式发电机定子(2)中磁场矢量叠加形成的磁场将是一个连续旋转的磁场，其中电压的相序应使磁场旋转方向和电机转向一致。当异步感应式发电机定子(2)中旋转磁场建立后，由于发电机的转子(3)和发电机的定子(3)存在转速差，发电机的转子(3)导体切割发电机的定子(2)产生的磁场运动，从而在发电机的转子(3)输出端，及图3中线圈1-O2至5-O2上产生感应电压。由于发电机转子(3)、旋转整流单元(4)、主电动机定子(5)整体构成一个闭合回路，发电机产生感应电压会在回路中产生电流，发电机转子(3)输出电流为交流电流，经为图1中旋转整流单元(4)也就是图3中ZD1～ZD6整流又经C1滤波后得到较好的直流电流。整流后的直流电流给为图1中主电动机励磁转子(6)也就是图3中L1～L2，使L1～L2成为一个2端极电磁铁，它将会在电动机定子(5)和电动机转子(6)及二者气隙中建立磁场。此时图1中CPU控制器(10)按图1中主轴转角位置及转速传感器(1)测量结果并按一定PWM算法控制图1中主电动机定子电流控制直流开关管列阵单元(8)即图4中直流开关管VS1～VS6分时导通和关断，给图1中主电动机定子(5)也就是图4中A-O3、B-O3、C-O3线圈中通适当方向电流，电动机转子受到罗仑兹力的反力作用旋转起来。根据电动机启动时的力矩要求可以控制图2中直流开关管VT1～VT6的空占比和开关交替速度，以调节发电机旋转磁场强度和旋转速度。为便于图1中电动机转子(6)励磁控制和计算，使发电机转子(3)输出电压正比于发电机定子(2)励磁电压，应保持发电机定子磁场旋转速度和电机主轴旋转速度差为一定值。电机转动起来后，为保持图1中励磁发电机定子(2)产生的旋转磁场和电机主轴(7)一定转速差，图1中CPU控制器(10)根据速度传感器检测值调整图2中开关管VT1～VT6切换速度，从而调整发电机定子磁场旋转速度。
通过调节励磁可以使电动机拥有优良的低速和高速性能。低速时调节发电机定子电压，使其满电压工作，这样可以将电动机励磁磁场调到最大值，电机输出特性比较硬，低速时能提供大扭矩，此阶段通过调节电动机定子电压实现调速。随着转子转速提高，电动机定子电压调满后，要得到更大输出功率，只能提高电机功率利用率，可以通过减小发电机定子(2)电压，以减小电动机转子(6)电流，减小电动机气隙磁场，这样能提高电动机高速时功率利用率，即所谓的弱磁调速。电动机功率利用率最高工作点是位于特性曲线在第1象限线段中点。
实施例说明图2～图4所介绍的电路为该电机最基本的原理电路方式，也可以作为实施方案，只是按此最简图制造的电机电磁密度太低。为提高电机电磁密度，同时兼顾电机效率，一般采用适当增加转子磁极数，增加电动机定子相数和线圈蔟数，并采用独立分布绕组，能达到改善电机各方面性能的目的。以发电机3相输入5相输出，电动机3相、24定子槽、24蔟定子线圈、8磁极转子型电机为例说明该发明内容。现用图5～图7来说明。
图5为5相输出发电机转子、旋转整流单元及8磁极转子电动机电路；图6为改进绕组布局的3相24槽8磁极转子电动机断面及转速和转角位子传感器图；图7为改进的3相24簇定子线圈及其控制电路。
图5中1-O2、2-O2、3-O2、4-O2、5-O2为5相输出发电机转子线圈；ZD1～ZD10旋转整流单元整流二极管；C1为旋转整流单元滤波电容；L1～L8为主电动机励磁转子绕组线圈。
图6中(1)为电动机电励磁转子；(2)为电动机定子；(3)为主轴转角位置和转速传感器转盘；(4)为主轴转角位置检测槽孔；(5)为主轴转速检测槽孔；(6)为转速检测光电开关；(7)为A相线圈位置检测传感器；(8)为B相线圈位置检测传感器；(9)为C相线圈位置检测传感器；(10)为电机主轴线。
图7中VS1～VS12为直流开关管；TD1～TD12为反向续流二极管；A-A’、B-B’、C-C’为电动机同名并联的三相定子线圈。
在实施例上，发电机定子方案和图2方案相同，没有更改。采用星形或三角形接法均可。
图5中部分元件名称和图3相同，只是发电机输出相数由3相增加到5相，相应整流二极管增加到10个，整流二极管数量为励磁发电机输出相数的2倍。电动机转子励磁线圈数由L1、L2两个增加到L1～L8八个，这样电机转子极数也由两个增加到八个；增加发电机输出相数目的是让发电机转子(3)输出的交流电压整流后的直流电压比三相整流的电压脉动更小，这样可以减小图1中电动机转子(6)激励的磁场波动，减小谐波；增加电动机转子极数，能有效提高电机电磁密度，有利于提高电机功率体积密度等，同时能改善转矩脉动。
图6须结合图7一起分析。图6和图7所示是一个相对于图4改进后的方案。其绕组布局原则为采用等距分布绕组，相邻同名绕组电流同向边置于同一电机槽连续布置，各不同名即其他相的绕组按相同顺序，各自错开一槽开始连续布置，各相绕组同名端并联。其中主电动机定子绕组蔟数和电机槽数为转子磁极数和定子电源相数之积。从图6可以看出A-A’、B-B’C-C’三相绕组采用等距绕组，各绕组在对应一个转子极极距上为均匀分布，相差15°，每个绕组对应的位子传感器所在角度也相应相差15°。采用此绕组布局，结合图7，可以使得所有绕组导体同时均衡工作，产生的转矩矢量都是同向的，有效提高了导体和磁场的利用率，能有效提高功率密度。图7中各个同名绕组并联，可以有效防止某蔟绕组断开致使电机停机。三组绕组各自独立控制通断，同名绕组并联，并采用图6绕组布局方式，可以使分在每个绕组通过电流均等，流过各个导体的电流不致太大，这样可以使用截面相对比较小的导体作为定子绕组。
采用图6和图7方式，并保证电动机气隙磁场按矩形分布，当电机制动处于发电工作模式时，三相绕组输出的电流经图7中SD1～SD12整流后将是非常平直的直流电压。另外还可以通过调节转子励磁电流来调节发电时的输出电压。由于各绕组各自独立，所以可以通过的电流也比较大。以上这些对电动车要求制动能量回收非常有利。
采用上述实施例已可以获得性能非常优秀的电机，为进一步提高电动机磁场利用率，提高电机电磁密度，可以通过适当增加主电动机定子电源相数和电动机转子磁极数来达到。按定子绕组布置原则，可以设计成更多定子电源相数和更多转子磁极数。
以上所介绍的图5至图7是以电动机定子线圈并联的方式接线，实际上采用图4所示方式或将星形接法改为三角形接法均可以。
最后一点，如果将发电机转子导体和电动机定子导体即电机中所有对磁场作切割运动和在磁场中受罗仑兹力驱动的导体改为电工纯铁作导体，并适当调整导电截面，能有效提高导体所处磁场的磁场强度，并能消除电机的齿槽影响，提高电机效率，提高电机电磁密度，能改善电机多方面性能。
权利要求
1.无刷直流电机类，转子励磁、定子驱动，同主轴安装有转子转角位置传感器，直流开关管列阵控制电动机定子线圈电流，其特征是1)电动机转子为电励磁，2)同主轴安装励磁发电机，3)同主轴安装旋转整流单元，4)主轴转角位置传感器改为转角位置及转速传感器。
2.依据权利要求1所述的电动机，其特征是主电动机定子绕组同名端并联，各相设独立开关驱动。
3.依据权利要求1所述的电动机，其特征是主电动机转子励磁绕组按磁场方向要求绕制后并联。
4.依据权利要求1所述的电动机，其特征是主电动机定子绕组簇数为转子磁极数和定子电源相数之积。
5.依据权利要求1所述的电动机，其特征是励磁发电机结构和转子绕线式交流异步电动机相同。
6.依据权利要求1所述的电动机，其特征是励磁发电机转子采用3相或多相输出，整流二极管数量为励磁发电机输出相数的2倍。
7.依据权利要求1所述的电动机，其特征是励磁发电机定子和主电动机定子各用一套直流开关管列阵控制线圈电流。
8.依据权利要求1所述的电动机，其特征是发电机转子导体和主电动机定子导体采用电工纯铁作导体。
全文摘要
无刷直流电机类，是一种带有励磁发电机和旋转整流单元且转子为电励磁的无刷他励直流电动机。通过调节流过和主电动机同轴安装的励磁发电机定子中三相交流电流的电压和频率来控制发电机中旋转磁场的转速和强度，最终调节主电动机励磁磁场，从而实现电动机整体的无刷他励。另外还运用以下方法提高电机性能1.主电动机定子同名绕组并联，独立驱动；2.主电动机定子采用等距绕组交替布局；3.确定适当电励磁转子极数；4.将发电机转子导体和主电动机定子导体在适当调整导电截面情况下改为纯铁作导体。
文档编号H02K7/20GK1905332SQ20051008928
公开日2007年1月31日 申请日期2005年7月31日 优先权日2005年7月31日
发明者余克俭 申请人:余克俭