专利名称：无刷直流电机及其换流与控制方法
技术领域：
本发明公开了一种无刷直流电机及其换流与控制方法，适用于需要调速运行工作的场合与或虽然不调速但工作转速高于3000转/分的场合。例如各种电传动交通运输工具包括但不限于电传动轮式车辆或履带式车辆如坦克、装甲车和拖拉机以及电传动汽车、电动汽车、电传动轨道内燃机车和电力机车、地铁或轻轨电动车、电传动舰船、潜艇；以及各种设备包括但不限于工矿用风机、泵站以及各种制冷或冶金化工行业设备包括但不限于压缩机、轧钢机以及各种物料输送机械；各种机械加工设备包括但不限于加工中心、车床、铣床、刨床、钻床、高速磨床等；各行业加工设备包括但不限于如纺织机械、粮食或食品加工机械、以及自动化加工、制造或装配流水线等；家电或商用设备包括但不限于如冰箱、空调、洗衣机、吸尘器；各种转速范围宽和功利密度较高的包括但不限于运用于各行业的电动工具以及医疗器械包括但不限于如牙钻等；石油、矿山的采掘设备包括但不限于如钻井设备、挖掘设备与输送设备等；用于升降设备如电梯和蓄能设备如电动飞轮等。
背景技术：
从来的无刷直流电机在基本的电磁结构与工作原理上都与同步电机相似，可以说就是电子换向的正弦或非正弦波同步电机，绕组也大多是三相的。因为采用变频器驱动三相绕组取代了直流电机的整流子电刷机构完成绕组的电流换向工作，使无刷直流电机在基本保持了同步电机优良的外特性条件下，克服了原有整流子电刷机构滑动电接触的弊端。这些技术方案已经被证明在现在所知的各个领域都取得了巨大的成功，也正在以很快的速度发展着。但因为电子换向的变频器价格很高，其中的电力电子开关器件的成本又占变频器成本的大头，所以节省电力电子开关器件用量的三相桥式逆变器电路因其经济性和技术性都比较好而得到最大限度地开发与运用。这点也从大量的美国专利和中国专利的检索中得到证实无一例专利公开了与本发明相同或相近似的绕组与电力电子开关器件相联接的拓扑结构，更谈不上换流方法的公开了。只有与本发明相同拓扑结构的直流无刷发电机，但该结构的直流无刷发电机采用二极管，利用其自然换流的特性工作，不像本发明的电动机有需要控制可控硅的较为复杂的强迫换流过程。而在可控硅的关断与换流方法上与本发明最为接近的技术方案是三相星型接法的同步电机及与其联接的三相桥式逆变电路组成的系统，它利用两相邻绕组的相电势差关断联接电势高的那一相绕组的可控硅以完成换相。但该系统却使三相同步电机工作在方波电压的驱动之下，因而性能不佳。因此也有采用多组移相位的三相方波系统来改善性能的设计。在直流电动机的绕组电路拓扑结构上只有华中工学院许实章教授编写的高等学校试用教材《电机学》上册，(机械工业出版社1980年3月出版)在123页第6-5节“无换向器直流电动机”中，给出了无换向器直流电动机绕组及其与可控硅联接的一个原理示意图，但遗憾的是书中只提到了“如果每一换向片用两只反向并联的可控硅元件来代替，当绕组元件处于几何中性线位置时，触发与该元件联接的两个可控硅之一，使它导通，从而把电流从外电路引入绕组或从绕组引出，则也能使电枢绕组电流在一定极性下具有一定的方向，因而具有与普通换向器相同的功能。”接着除了再对磁极作了一些描述以后，就进入了“实用的方案是把电枢绕组接成交流多相形式。它用六只可控硅元件组成的逆变线路，供电于三相绕组。”书中没有关于怎样使可控硅关断，也即完成一个可控硅换流工作周期的叙述甚或暗示，而且触发导通可控硅的时间相位正好与本发明相反，难以在技术上实现换流，除非它采用可关断器件，但书中又对关断只字未提。由此可见该书的“无换向器直流电动机”的描述还只是一个概念性的初步设想，不能构成一个完整的技术方案，更无法实施。但书中在25年前就提到三相绕组是无换向器直流电动机实用的方案却仍然完全符合今天的技术现实。而采用脉宽调制技术实现正弦电压驱动三相绕组的无换向器直流电动机的换流变频器的开关元件需要有关断能力，并且工作条件不够好而带来较大的开关损耗较大的缺陷仍然在改进也有待进一步改进，如采用较复杂的软开关技术等。
发明内容
本发明的目的是要提供一种新型的无刷直流电机及其换流与控制方法，它的电枢与换流系统由直流电机每个首尾串联联接成闭环的电枢绕组元件和每绕组元件端经过一对反并联的电力电子开关器件与直流母线联接的电路系统组成，其它电磁结构与机械整流子的直流电机相同。它正常运行时巧妙地利用了绕组的电枢电势来改变该绕组的电流方向，并关断与该绕组联接的需要关断的电力电子开关器件，如可控硅等。并且在操作导通电力电子开关器件，如可控硅等时电力电子开关器件受到的正向电压也远比电源电压小。使与电枢绕组联接的电力电子开关器件接近具有理论上最好的开关工作条件也即软开关工作条件开通时正向电压为零，关断时由外界力量自然关断。一方面可以最大限度地降低了开关损耗，另一方面可以使用廉价且控制功率大、过载能力相对较强但自身又没有关断能力的电力电子开关器件，如可控硅等。因为电机的电磁过程仍然是直流电机的电磁过程，所以它仍然基本保持了直流电机的优良特性。
以下将结合附图对本发明作进一步的详细公开。
如图1所示为电枢绕组及其与电力电子开关器件联接的拓扑结构图；如图2所示为电动运行时电力电子开关器件开关工作换流过程原理示意图；如图3所示为使用固定直流电源和斩波调压器控制电机的电气原理图；如图4所示为使用固定直流电源和可控硅斩波调压器控制电机的电气原理图；如图5所示为本发明使用电网交流电源的可逆系统原理示意图；如图6所示为本发明使用交流电源的可逆系统原理示意图；如图7所示为本发明实施例的多电源可逆系统原理示意图；如图8所示为本发明的电磁机械系统结构布置示意图；如图9至图14所示为本发明的每对极下6槽3绕组系统的换流过程示意图；如图15为本发明的每对极下6槽3绕组系统绕组展开图；如图16为本发明的每对极下10槽5绕组系统绕组展开图；如图17为本发明的每对极下14槽7绕组系统绕组展开图；如图18为本发明的每对极下12槽移相双3绕组系统绕组展开图。
其中1.磁极转子 2.电力电子开关器件 3.电枢绕组 4.正极直流母线 5.负极直流母线 6.直流电源 7.电感器 8.辅助关断组件 9.采用可关断电力电子开关器件的直流斩波器 10.采用可控硅的直流斩波器 11.电感器 12.续流二极管 13.可关断电力电子开关器件 14.斩波器输入端 15.斩波器输出端 16.斩波器公共端 17.切换开关 18电容器 19.辅可控硅 20.主可控硅 21.交流电源 22.可控整流电路 23.电机串励绕组24.续流二极管 25.制动电阻器 26.制动二极管 27.辅助直流电源 28.电力电子开关器件模块或组件 29.散热器 30.隔振联接器 31.环型变压器 32.风扇具体实施方式
如图1所示，其中1为磁极转子，它可以是永磁的或励磁的；2为电力电子开关器件，它可以是可控硅、可关断可控硅、或功率场效应管或绝缘栅场效应晶体管等；3为电枢绕组，与普通直流电机相同或相似；4为正极直流母线；5为负极直流母线；6为直流电源。其它电磁结构与现有的各种直流电机相同，不赘述。图1所示的电枢绕组及其与电力电子开关器件的联接拓扑结构已经构成了一个完备的换流结构，它可以完全仿照机械整流子换向直流电机在几何中性点或物理中性点换向，获得理想的直流电机运行特性。但电力电子开关器件需要有自主关断能力且关断过程会承受高压，有较大的开关损耗。另外，有自主关断能力的电力电子开关器件价格也较高。该方案只能说明本发明的部分工作原理，可能有特殊场合的用途，但作为一般实用方案，相对普遍采用的三相绕组方案尚有经济性较差的缺陷。图中仅以一对磁极为例说明，多对磁极的电路与此完全相同。且电力电子开关器件2的需要量完全可以不随电机磁极对数的增加而增加，为加大功率采用并联电枢绕组时除外。
图2所示为电动运行时电力电子开关器件开关工作换流过程原理示意图。其中7为电感或电机的串励绕组；8为可控硅关断电路组件的示意图，内部电路没有全部绘出，在本发明的电力电子开关器件采用没有自主关断能力的可控硅且电源不可控时采用，其它与前述相同。图中箭头表示电枢电势方向，磁极转子逆时针旋转。在图示转子位置时，联接接近物理中性线的绕组的电力电子开关器件，如可控硅T1、T3已经导通，流过电枢电流，图中用涂黑表示。T1、T3之间的电枢电势等于或接近最大值，此时如果触发T2、T4，则因为T2、T4之间的电枢绕组电势比T1、T3之间的电枢绕组电势小，则T2、T4导通，T1、T3因分别承受联接T1与T2之间和T3与T4之间的电枢绕组的反向电枢电势而截止自然关断，电枢电流则由流经T1、T3之间转向T2、T4之间流过，即完成了电流换向过程，以下简称换流过程，其余依次类推。请注意电力电子开关器件如果存在有寄生的反向并联二极管，换流时绕组电势将引起很大的电流通过反向并联二极管，这时也可以采用正向串联二极管的方法加以截止。为了减少换流引起的扭矩波动，成对触发的可控硅如T1、T3和T2、T4等，也可以错开一点时间或有一个适当小的相位差。至于检测转子位置的技术方法，最常用的就是采用磁敏感的一个或多个霍尔元件进行检测。电机运行时对电枢绕组的电压与或电流监测也可以实现对磁极转子位置的检测，并能对本发明的换流触发相位提供实时优化以提高电机的运行性能指标。优化的方法可以概括为实时监测磁极转子位置或电枢绕组的电压与或电流，调节换流触发相位在保证换流可靠的条件下使换流接近电机的电枢物理中性线，遇突发事件时提前换流优先保证换流可靠安全。当然，在提前换流的弱磁调速时是离开了电枢物理中性线的，并且采用霍尔元件或监测电枢绕组的电势或电压的方法检测转子位置，自然具有对电枢反应的修正作用。
本发明的换流方式还有一个非常有意思的控制特性如果相对电枢物理中性线较多地提前触发导通T2、T4，很显然T2、T4之间联接的电枢绕组的电枢电势将较小，产生了等效于直流电机的弱磁调速过程，即令直流电压不变，电机转速也将上升。这对包括但不限于永磁电机的调速以及对换流时间短的高速特别是超高速电机具有特殊的使用价值。
通常T2、T4触发导通时只承受相当于一个接近中性线的电枢绕组能够满足换向要求的很小的正向电压，接近于零电压开通。T1、T3的关断是因为T2、T4触发导通时承受反向电压自然截止关断的，这是开关元件开关操作接近理论上最优的工作条件，也就是所谓的软开关工作条件。具有接近理论上最低的开关损耗与电磁辐射。但在电机启动或堵转时，绕组的电枢电势非常小，完全有可能不能仅仅依靠绕组的电枢电势正常关断电力电子开关器件以完成换流操作，而需要电力电子开关器件自己关断。在电力电子开关器件采用的是没有自主关断能力的可控硅时，可以采用可控硅关断电路组件8或其它关断设备如以下将介绍的直流斩波器或可控整流器等参与关断可控硅并完成换流的操作。
在较大功率的应用场合，本发明虽然需要数量较多的开关元件，但如果采用可控硅，则没有自主关断能力的可控硅以其远比其它可关断器件廉价的优势可以使本发明在很多应用领域具有自己的优势。特别是在大功率或高转速、宽调速范围和特别需要高能量效率的应用领域。另外，适当减少电枢每极下的槽数，例如减至每对极4槽4个绕组，也能减少可控硅的使用量至8个，还能减小电枢反应。当然这还只是一个每对极能有最少的偶数个绕组的例子，后面还将介绍每对极奇数个绕组，例如3个绕组的例子，它的换流过程相似但稍复杂一些。较少绕组的系统较适合于小功率高速或超高速应用领域。
如图3所示为使用固定直流电源和斩波调压器控制电机的电气原理图，其中9为采用可关断电力电子开关器件的直流斩波器，内部仅绘出了主电路，其它辅助电路未绘出；11为电感器；12为续流二极管；13为可关断电力电子开关器件；14为斩波器输入端；15为斩波器输出端；16为斩波器公共端；17为切换开关，它可以是如图所示采用切换电接触的电磁接触器或机械开关，也可以采用电力电子开关器件，如可控硅和二极管，具体接法可以是可控硅从负极直流母线5联接至斩波器公共端16，二极管也从负极直流母线5联接至斩波器输入端14，不另绘图，其它与前述相同，电动运行时触发可控硅导通，发电运行时需关断该可控硅。切换开关17起变换本发明的电机电动运行与发电运行时保持与直流电源6的正确联接极性的作用，它保证系统具有可逆运行的能力，如果不需要可逆运行则可以取消。电动运行时，切换开关17按图示向上闭合，直流电源6通过斩波器9向电机供电，电机按转向要求与磁极转子1的位置，顺序触发导通电力电子开关器件2，使电机电动运行。发电运行时，切换开关17按图示向下闭合，并在图示位置时触发电力电子开关器件2的T5、T6，也即联接有最大电枢电势绕组的可控硅。当然也可以同时触发其它电力电子开关器件，但它们不具有开通条件，这样可以简化触发控制。同样的原理，当电机单纯作为发电机使用时，则电力电子开关器件2可以直接采用二极管或其它同步整流开关器件等作为换流整流输出使用。这时的发电机系统具有平稳的直流输出能力，可用于需要平稳直流输出的场合，但这样的发电机系统已经有文献公开它的详细工作过程与特性了，在此不赘述。斩波器的使用，除一般理解的调速运行需要以外，在电机启动或低速或堵转运行时，电枢电势太小不能保证正常换流时提供对电力电子开关器件2的强制关断帮助。这种帮助策略很显然也可以是按图示位置先关断T1、T2，再触发导通T3、T4；但也可以是其它更理想的如触发导通联接接近物理中性线绕组的电力电子开关器件，关断联接离开物理中性线绕组的电力电子开关器件，如同许实章教授所提出的。另外，当电机高速运行已不需要调压调速时可以用开关或接触器短接斩波器。
如图4所示为使用固定直流电源和可控硅斩波调压器控制电机的电气原理图，其中10为采用可控硅的直流斩波器，内部仅绘出了主电路，其它辅助电路未绘出。其中18为电容器；19为辅可控硅；20为主可控硅；辅可控硅19和电容器18起关断主可控硅的作用。其它与前述相同，不赘述。另外，本图和包括图3所绘的采用可关断电力电子开关器件的直流斩波器9、采用可控硅的直流斩波器10与切换开关17的联接均为直流斩波器采用共阴极接法的电路，它们完全可以对称地变换为直流斩波器采用共阳极接法的电路，不另绘图。
如图5所示为本发明使用电网交流电源的可逆系统原理示意图，其中21为交流电源；22为可控整流电路；23为电机串励绕组，如果有的话；24为续流二极管，如果没有电机串励绕组23则取消；电机串励绕组23与其续流二极管24的接法，可以保持电枢磁场在电枢电流被关断时不会立即消失，电机串励绕组23也不会对电枢电流有续流的作用。电动运行时，交流电源21通过可控整流电路22向电机供电，并且可以利用可控整流电路22的关断能力为在电机启动或低速堵转运行，电枢电势太小不能保证正常换流时提供对电力电子开关器件2的强制关断帮助。本发明的电机从电动运行改为发电运行时，电枢电流的方向不变，但电压方向改变，电机发电运行时正好符合可控整流电路22逆变运行条件，可控整流电路22可以通过改变可控硅的触发相位方便地进入逆变运行状态而没有主电路的切换操作，也不需要像常规直流电机调速系统需要两套反并联的可控整流电路。这时本发明的经济性已经明显体现出来本发明按图5的电路使用22个可控硅，外加1个二极管；同样的软开关同步电机调速系统，将使用同容量的18个可控硅(硬开关可以减少6个)，6个绝缘栅场效应晶体管，6个二极管，而绝缘栅场效应晶体管的价格是同容量可控硅的3至5倍。另外，因为电机电动运行时旋转方向由电力电子开关器件2的触发导通逻辑控制，也不需要主电路的切换，所以本电路自然具有四象限的运行能力。对于拖动风机水泵类性质负载的系统还有一个好处就是换流可控硅的容量可以因为它们的间歇工作而取得较低，以降低成本。当然，本电路也可以使用单相交流电源如家电、电动工具和轨道电力机车等。
如图6所示为本发明使用交流电源的可逆系统原理示意图，其中25为制动电阻器，它也可以是其它吸收电能的装置如蓄电池等；26为制动二极管；其它与前述相同。它适用于没有交流电网或交流电网质量不高，可控整流电路22逆变运行不安全的场合；或需要制动又没有交流电网的场合如内燃机车和其它电传动车辆等，它们只能采用电机发电运行并给制动电阻或其它吸收电能的设备如蓄电池等供电来产生制动扭矩。当然，也可以采用串电阻反接制动。
如图7所示为本发明实施例的多电源可逆系统原理示意图，其中27为辅助直流电源，它可以是一个电源系统，如燃料电池加直流电源变换器或交流发电机与整流装置或其它电源如超级电容加直流电源变换器装置等组成，与可以是蓄电池的直流电源6并联联接。这样的可逆系统适用于纯电动汽车与或混合动力汽车。
如图8所示为本发明的电磁机械系统结构布置示意图，其中28为电力电子开关器件模块或组件；29为散热器；30为隔振联接器；31为环型变压器，32为风扇。其余部分与常规电机相同，不赘述。出于对减少电机引出线等方面的考虑，在电机结构上可以将电力电子开关器件模块或组件28安装在散热器29上，散热器29通过隔振联接器30布置并安装固定在电机的端盖上，当然也可以安装固定在电机的机座上，散热器29上布置有许多径向散热翅片，不另绘图说明。这种设计可以共用电机的散热系统，当然对较大型的电机，其散热系统可以独立，不另绘图说明。
作为本发明的电机，也可以是采用复励励磁系统的，在启动和低速或大扭矩输出时采用转子滑环电刷将串励绕组串接入电枢回路，电机按串励加它励的复励方式工作。高速时将该转子滑环电刷抬起，电机按它励工作。它励对转子它励绕组的供电也可以采用除环型变压器以外的转子滑环电刷系统或没有滑动电接触的转子励磁发电机等，环型变压器又可以是按工频或其它高频方式工作的。复励电机具有很好的拖动外特性，特别适合大惯量，负荷变化大的车辆等的拖动。
如图9至图14所示，为每对极6槽3个绕组的电动机运行时的换流过程示意图。其中符号与前述相同。但为方便叙述起见，分别为三个绕组命名为a、b、c绕组；绕组电枢电势分别为Ea、Eb、Ec；可控硅分别为T1至T6，导通的可控硅被涂黑表示，被触发的可控硅用一个接近其触发极的放电符号表示；虚箭线表示电枢电流，6个圆圈表示绕组在电枢表面的导体元件边，其中3个在N极下的电流流出，中心有个点，3个在S极下的电流流进，中心是叉；磁极转子仍然是逆时针旋转。如图9所示，T4、T5导通，绕组a的导体元件边在磁极气隙磁场中心，绕组b的导体元件边即将离开磁极气隙磁场，绕组c的导体元件边刚进入磁极气隙磁场，这时Eb+Ec＞Ea，流过绕组b、c的电流会因此降低，这对换流有利。这时触发导通T1，Eb会加在T5上形成反压导致其电流截止而关断，流过绕组b的电流改变方向进入如图10所示的状态。类似地在如图10所示状态时，触发T6，Ea对T4构成反压促其电流截止关断，流过绕组a的电流改变方向进入如图11所示的状态。同样地在如图11所示状态时，触发T3，Ec对T1构成反压促其电流截止关断，流过绕组c的电流改变方向进入如图12所示的状态。同样地在如图12所示状态时，触发T2，Eb对T6构成反压促其电流截止关断，流过绕组b的电流改变方向进入如图13所示的状态。同样地在如图13所示状态时，触发T5，Ea对T3构成反压促其电流截止关断，流过绕组a的电流改变方向进入如图14所示的状态。同样地在如图14所示状态时，触发T4，Ec对T2构成反压促其电流截止关断，流过绕组c的电流改变方向进入如图9所示的状态。转子转完一周或一对极距，一个换流的完整周期完成了，触发逻辑是T1、T6、T3、T2、T5、T4。本3绕组系统的3个绕组任意时刻都至少有2个在工作，只会有1个绕组的电流在换向。从换向的工作过程也可以看出对于绕组数较少时，气隙磁场分布以平顶的方波或梯形波分布较好，绕组电枢电势稳定，换相时不会引起电枢电流大的波动。虽然正弦分布的气隙磁场也能够换相，但因为两并联支路的电枢电势相差太大，换向时会引起电枢支路电流剧烈的变化，因而是不适宜的。但随着每对极槽数即串联绕组数量的增加，气隙磁场分布对换向电流的影响将减小，功率密度问题将是影响选择气隙磁场分布的主要考虑因素。
从图1至图7，都没有绘出电机的单独的励磁绕组，因为它们可以选择没有励磁的永磁磁极或各种励磁系统。电枢绕组也与常规的直流电机相同，常规直流电机可以有的绕组形式它都可以采用，但常规的直流电机每槽有上下两个元件边的设计使电机在相同槽数时具有数量较多的绕组串联成环型，将需要较多的电力电子开关器件与之联接。如果采用每槽一个元件边的设计，则可以减少至少一半的绕组数，节省一半的电力电子开关器件，但需要每对极下的槽数为奇数，才方便绕组的布置。如图15为本发明的每对极下6槽3绕组系统绕组展开图；如图16为本发明的每对极下10槽5绕组系统绕组展开图；如图17为本发明的每对极下14槽7绕组系统绕组展开图；它们有一个共同的特点元件边中间隔一个或多个槽的绕组首尾串联联接，这在电机学中称为复迭绕组，当然也可以采用复波绕组或复迭绕组与复波绕组的组合。这种绕组的联接是为了像直流电机一样在绕组串联成一个闭环型后可以分出电枢电势方向相同的两条并联支路。这个原理可以推广到采用分布绕组时或为扩大电机电流而采取并联绕组共用槽或增加槽数采用移相不共用槽时槽与电枢绕组的安排。如图18为本发明的每对极下12槽移相双3绕组系统绕组展开图，它比较适合低电压大电流并且扭矩波动较小的运用。当然它也同样适用移相双、三、四、五等及其与3绕组、5绕组、7绕组、9绕组等奇数绕组的组合。这种组合可以方便地扩充系统容量并减低电机的扭矩波动，同时增大系统冗余提高了系统可靠性。但较少的绕组数做移相分布会有因电枢反应带来绕组并联支路电势不均，导致电流波动较大的问题。
另外，从图9至图14的电枢电流情况可以发现本发明在做电动机运行时因为需要提前换相，它的电枢反应会是助磁的，这对电机外特性和采用永磁转子时避免电枢反应去磁作用有益。图中所绘的绕组都是集中绕组，当然也可以适当采用分布绕组，分布绕组就有可能采用短距的设计，分布绕组之间直接串联，以方便绕组布置与电枢铁芯的设计。这并不会带来换流的困难，只是这样做的结果使本发明的电机系统就非常接近现有的三相同步电机系统了。从可控硅与绕组联接的电路看，它也已经和现有的常规三相逆变器联接三相绕组同步电机的系统的确很像，但它们的换流工作原理却是完全不同的。本发明这时的三绕组系统的经济性是很显然的了一个可控整流装置或斩波调压装置带三相可控硅逆变装置即可取代现有昂贵的逆变装置，并以可控硅较低的正向导通压降以及本发明较低的开关损耗取得更好的节能效益。
权利要求
1.一种无刷直流电机，适用于需要调速运行工作的场合与或虽不调速但工作转速高于3000转/分的场合，它由多个串联联接的电枢绕组元件及其与其联接的电力电子开关器件组成，其特征在于串联联接的电枢绕组元件联接成闭环回路，每个串联联接的电枢绕组元件的联接端都经过一对反向并联的电力电子开关器件，如可控硅等联接至直流母线。
2.根据权利要求1所规定的发明，其特征在于串联联接的电枢绕组被联接成复迭绕组或复波绕组或复迭绕组与复波绕组的组合。
3.根据权利要求2所规定的发明，其特征在于串联联接的电枢绕组被联接成两组或多组移相的复迭绕组或复波绕组或复迭绕组与复波绕组的组合。
4.根据权利要求1所规定的发明的换流方法，其特征在于换流时是以触发与即将离开气隙磁场的电枢绕组元件联接的承受正向电压但未导通的电力电子开关器件，如可控硅等使其导通，使该绕组元件的电流在自身的电枢电势作用下改变电流方向，并关断与该绕组联接的另一个在此前导通的电力电子开关器件，如可控硅等完成换流。
5.根据权利要求1所规定的发明的控制方法，其特征在于换流时是以相对正常换流触发角提前触发与即将离开气隙磁场的电枢绕组元件联接的承受正向电压但未导通的电力电子开关器件，如可控硅等使其导通，使该绕组元件的电流在自身的电枢电势作用下提前改变电流方向，并提前关断与该绕组联接的另一个在此前导通的电力电子开关器件，如可控硅等提前完成换流，从而使电机实现等效于弱磁调速的电磁过程。
6.根据权利要求1所规定的发明的控制方法，其特征在于固定极性直流电源经斩波调压器与一个切换开关或由一个可控硅和一个二极管组成的固体切换电路与本发明的无刷直流电机的直流母线联接，从而使本发明的无刷直流电机系统实现电动与发电的可逆运行。
7.根据权利要求1所规定的发明的控制方法，其特征在于可控整流装置的直流端与本发明的无刷直流电机的直流母线联接，从而使本发明的无刷直流电机系统实现电动与发电的可逆运行。
全文摘要
本发明公开了一种无刷直流电机及其换流与控制方法，适用于需要调速运行工作的场合与或虽不调速但工作转速高于3000转/分的场合。它由直流电机多个首尾串联联接成闭环的绕组元件及其与其联接的电力电子开关器件组成，其它电磁结构与机械整流子的直流电机相同。它正常运行时巧妙地利用了电枢电势来关断需要关断的电力电子开关器件，如可控硅等完成换流，并且在操作导通电力电子开关器件，如可控硅等时电力电子开关器件受到的正向电压也远比电源电压小。启动或低速运行时需要电源控制电路控制换流操作。结合可控整流装置即可构成可逆调速系统。
文档编号H02K23/34GK1787345SQ20051012444
公开日2006年6月14日 申请日期2005年11月11日 优先权日2005年11月11日
发明者李荟敏 申请人:李荟敏