专利名称：换向器和旋转电机中的电流换向方法
技术领域：
本发明涉及换向器，即，使流过旋转电机的绕组的电流方向反复反向的机构，以及一种旋转电机中的电流换向方法。
背景技术：
直流(DC)电机将用作电动机或发电机。如果DC电流被输入到定子或励磁绕组(field windings)，则所述电机用作电动机。如果机械动力被用于使电机轴旋转，则所述电机将用作发电机。以下讨论涉及一种电动机，但是本发明也可应用于发电机。
多相永磁(PM)无刷电动机是非常通用和有效的电机，在许多不同的应用中，所述多相永磁无刷电动机与AC同步电动机和PM DC电动机相比会提供更好的控制和更高的效率。然而，在一些情况下，最终用户需要无刷电动机结构紧凑、高效率和长寿命，而不考虑无刷电动机提供的可控性水平。不管所需控制水平，通常地操作无刷电动机需要驱动和位置检测电子装置的大量花销，迫使最终用户满足于低劣的电动机。
使用简单、廉价的机械换向结构以向PM电动机的定子或励磁绕组提供电流而不是采用昂贵的驱动电子装置的能力可以允许最终用户在低控制、低花销的应用中指定多相PM电动机。
绕线转子或电枢DC“换向器”电动机常常用于以平滑转矩和简单的电压控制为先决条件的情况。然而，当电刷(brush)需要更换时，电动机不得不被拆卸，从而花费大量时间。此外，绕线转子限制了实际制造的最小转子直径。绕线转子还导致与无刷电动机和同步电动机相比较差的铜槽填充率(copper slotfill)。由于需要大量转向器部分来获得平滑转矩可以导致增加点火，从而加速了电刷磨损并产生高频RF噪声，所以低惯性转子难于获得。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种换向器和旋转电机中的电流换向方法，以克服或改善上述问题，或者至少为公众提供一种有用的选择。
根据本发明的第一方面，提供一种换向器装置，所述换向器装置用于与旋转电机的轴一起旋转或通过所述轴旋转，并允许电流从电源穿过电机的绕组，所述换向器装置包括第一和第二导电换向器部分，所述第一和第二导电换向器部分与连接到绕组的电刷电接合；第一和第二空转部分(freewheeling segment)，所述第一和第二空转部分与第一和第二换向器部分电绝缘，并且散布在第一和第二换向器部分之间的各自位置上；以及第一二极管，所述第一二极管连接到第一换向器部分和第一空转部分之间，用以仅允许电流从第一换向器部分流向第一空转部分，和第二二极管，所述第二二极管连接到第二换向器部分和第二空转部分之间，用以仅允许电流从第二空转部分流向第二换向器部分。
根据本发明的第二方面，提供一种换向器装置，所述换向器装置用于与旋转电机的轴一起旋转或通过所述轴旋转，并允许电流从电源流过电机的绕组，所述换向器装置包括正极集电环或滑环(slip-ring)和负极集电环，每一个所述集电环均具有连续的导电圆形周边；电连接到正极集电环的正极导电换向器部分，和电连接到负极集电环的负极导电换向器部分；第一和第二空转部分，所述第一和第二空转部分与换向器部分电绝缘，并且散布在换向器部分之间的各自位置上；以及第一二极管，所述第一二极管在负极换向器部分和第一空转部分之间，用以仅允许电流从负极换向器部分流向第一空转部分，和第二二极管，所述第二二极管在正极换向器部分和第二空转部分之间，用以仅允许电流从第二空转部分流向正极换向器部分。
优选地，换向器进一步包括在空间上绕着换向器相隔120度定位并连接到电动机的绕组的三个电刷，其中在换向器旋转期间，换向器部分和空转部分可供选择地与连接到绕组的三个电刷接合。
优选地，绕组被连接到呈三角形结构的电刷上。
优选地，绕组被连接到呈星形结构的电刷上。
优选地，其中在基座的任意瞬时旋转位置上，电刷中的两个电刷与空转部分中的两个空转部分电接触。
优选地，其中换向器部分与空转部分具有各自的用以与电刷接合的石墨外壳。
根据本发明的第三方面，提供一种旋转电机中的电流换向方法，其中所述旋转电机具有与旋转换向器接合布置的绕组，所述方法包括在换向器中设置二极管，在绕组中的电流换向期间，所述二极管连接在绕组和正&负电源之间。
本发明的另外方面将从仅通过实例给出的以下说明变得清楚。
参照附图，现仅通过实例说明本发明的实施例，其中图1是根据本发明的换向器的分解图；图2是根据本发明的换向器的一个可供选择的实施例的分解图；和图3-6示出了换向器的操作。
具体实施例方式
在图1中，换向器由具有用于支承换向器部件的圆形模制基座1组成。第一和第二互补相对的换向器元件安装到轮毂2上，每个所述换向器元件包括各自具有连续的导电圆形周边5、6的环形板3、4。导电换向部分7、8从与每个周边5、6的相邻处轴向凸出。在轮毂2上散布在换向部分7、8之间的是两个空转部分9、10。换向器元件和空转部分9、10通过绝缘环11被分离。换向器部件通过固定在基座1内的螺纹孔16、17内的两个固定螺钉12、13被固定到轮毂2上。固定螺钉12、13位于绝缘套管14、15内以防止换向器部件短路。
换向器通过与换向器表面接合的电刷被连接到或置于电动机轴上，以在DC电源和电动机绕组之间传输电流。第一电源电刷(supply brush)18被连接到DC电源的正极侧，并被定位成与换向器元件3的导电集电环表面5连续接触。第二电源电刷19被连接到DC电源的负极侧，并被定位成与换向器元件4的导电集电环表面6连续接触。通过这种布置，第一换向部分7为正极部分而第二换向部分8为负极部分。
在三相电动机的情况中，在空间上绕着换向器相隔120机械度定位三个绕组电刷20、21和22。相位电刷20、21、22可供选择地以换向器旋转时的旋转顺序与换向和空转部分7、10、8、9接合。换向器传统的旋转方向为图中所示的顺时针方向。
两个二极管23、24电连接到空转部分9、10和换向部分7、8之间。第一二极管23被连接用以将电流从负极换向部分8正向偏压到超前于所述负极换向部分旋转的空转部分10。第二二极管24被连接用以将电流从其它空转部分9正向偏压到滞后于所述空转部分旋转的正极换向部分7。
在优选实施例中，换向部分7、8和空转部分9、10具有导电石墨外壳25、26、27、28，所述导电石墨外壳位于用于电连接绕组电刷20、21、22的所述部分的外部导电表面上。石墨外壳25、26、27、28和电刷20、21、22之间的碳-碳连接减小了电刷表面的换向弓形结构(commutation arching)。
现将参照图3至图6说明空转部分9、10和二极管23、24的操作。在图3至图6中，正极和负极电源电刷被省略以简化二维视图。所示的结构在电气方面完全等效于上述的换向器中所描述的内容。换向器顺时针方向旋转。
在图3中，第一绕组电刷20和负极换向部分8充分接触。其它的电刷21、22被定位在另一换向部分7和两个空转部分9、10之间。应当注意空转部分9、10的弧度角度使得相位电刷不会桥接两个换向部分7、8，这是因为这样将导致电源短路。
在图4中，换向器顺时针旋转120度，直到第一绕组电刷20与空转部分9接触且将要与负极换向部分8断开连接为止。当电刷20与负极换向部分8断开时产生反向EMF，所述反向EMF正向偏压二极管24，电流通过正向偏压的二极管24从空转部分9向第二换向部分7分流。这帮助抑制电刷20和换向部分8之间的任何电压尖峰(voltage spike)。
在图5中，换向器进一步顺时针旋转120度，直到第三绕组电刷22与空转部分9接触且将要与换向部分8断开为止。再一次，当电刷22与换向部分8断开时，电流通过正向偏压的二极管24从空转部分9向另一换向部分7分流。这帮助抑制电刷22和换向部分8之间的任何电压尖峰。
在图6中，换向器进一步顺时针旋转120度，直到第二绕组电刷21与空转部分9接触且将要与换向部分8断开为止。再一次，当电刷21与换向部分8断开时，电流通过正向偏压的二极管24从空转部分9向另一换向部分7分流。这帮助抑制电刷21和换向部分8之间的任何电压尖峰。
二极管23和二极管24执行同样的功能，但是从正极部分到负极电源。例如，在图3中，当换向器顺时针旋转时，第三绕组电刷22与空转部分10接触且将要与正极换向部分7断开。当电刷22与正极换向部分7断开时产生反向EMF，所述反向EMF正向偏压二极管23，电流通过二极管23从负极换向部分8向空转部分10分流，从而抑制电刷22和换向部分7之间出现任何电压尖峰。
合并空转部分9、10以及正极和负极换向器部分7、8之间的二极管23、24的连接被提供成使得对于给定的旋转方向，当电刷离开换向器部分并和相邻的空转部分接触时，空转部分将通过二极管连接到相反极性的换向部分。空转部分和相关的二极管在相位电刷离开换向器部分时可防止形成大感应电压尖峰，因此而消除通常与机械换向电机相关的电弧放电。
前述说明已参考具有已知的等效配置的元件的整体，其即使单独在此阐述时也被包括在内。已说明了本发明的实施例，然而，应当理解变更、改进或修改均可进行。例如，在可供选择的实施例中，其它拓扑的换向器布置被使用。电刷组件可以被安装在换向器的圆周内侧而不是外侧，因此减小了装置的整体体积。或者可供选择地，整个装置可以被构造成圆盘，所述圆盘具有布置得垂直于圆盘表面的电刷。还应当提及的是，虽然上述的说明和示例描述了2-极换向器，但是n极(其中n＝2，4，6，8等)换向器可以通过增加正极、负极和空转部分的数量被构建。
权利要求
1.一种换向器装置，所述换向器装置用于与旋转电机的轴一起旋转或通过所述轴旋转，并允许电流从电源穿过所述电机的绕组，所述换向器装置包括第一和第二导电换向器，所述第一和第二导电换向器用于与连接到绕组的电刷电接合；第一和第二空转部分，所述第一和第二空转部分与所述第一和第二换向器部分电绝缘，并且散布在所述第一和第二换向器部分之间的各自位置上；以及第一二极管，所述第一二极管连接到所述第一换向器部分和所述第一空转部分之间，用以仅允许电流从所述第一换向器部分流向所述第一空转部分，和第二二极管，所述第二二极管连接到所述第二换向器部分和所述第二空转部分之间，用以仅允许电流从所述第二空转部分流向所述第二换向器部分。
2.一种换向器，所述换向器用于与旋转电机的轴一起旋转或通过所述轴旋转，并允许电流从电源流过所述电机的绕组，所述换向器包括正极集电环和负极集电环，每一个所述集电环均具有连续的导电圆形周边；电连接到所述正极集电环的正极导电换向器部分，和电连接到所述负极集电环的负极导电换向器部分；第一和第二空转部分，所述第一和第二空转部分与所述换向器部分电绝缘，并且散布在所述换向器部分之间的各自位置上；以及第一二极管，所述第一二极管在所述负极换向器部分和所述第一空转部分之间，用以仅允许电流从所述负极换向器部分流向所述第一空转部分，和第二二极管，所述第二二极管在所述正极换向器部分和所述第二空转部分之间，用以仅允许电流从所述第二空转部分流向所述正极换向器部分。
3.根据权利要求1或2所述的换向器，进一步包括在空间上绕着所述换向器相隔120度定位并连接到电动机的绕组的三个电刷，其中在所述换向器旋转期间，所述换向器部分和所述空转部分可供选择地与连接到所述绕组的所述三个电刷接合。
4.根据权利要求3所述的换向器，其中所述绕组被连接到呈三角形结构的所述电刷上。
5.根据权利要求3所述的换向器，其中所述绕组被连接到呈星形结构的所述电刷上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的换向器，其中在基座的任意瞬时旋转位置上，所述电刷中的两个电刷与所述空转部分中的两个空转部分电接触。
7.根据前述权利要求中任一项所述的换向器，其中所述换向器部分与所述空转部分具有各自的用以与所述电刷接合的石墨外壳。
8.一种旋转电机中的电流换向方法，其中所述旋转电机具有与旋转换向器接合布置的绕组，所述方法包括在所述换向器中设置二极管，在所述绕组中的电流换向期间，所述二极管连接在所述绕组和正&负电源之间。
9.一种参照附图在此说明的换向器。
全文摘要
一种换向器，所述换向器用于与旋转电机的轴一起旋转或通过所述轴旋转，所述换向器具有设置在基座上的第一和第二导电换向器部分，用以与连接到绕组的电刷电接合。第一和第二空转部分在换向器部分之间且与换向器部分电绝缘。第一二极管连接到第一换向器部分和第一空转部分之间。第二二极管连接到第二换向器部分和第二空转部分之间。二极管仅允许电流在一个方向上在换向器部分和空转部分之间流动以有助于抑制换向尖峰。
文档编号H02K13/14GK101076935SQ200580033451
公开日2007年11月21日 申请日期2005年8月2日 优先权日2004年8月2日
发明者托马斯·马洪·肖, 托尼·马尔唐尼－科尔斯普, 大卫·约翰·汤普金斯, 乔纳森·詹姆斯·布雷姆纳, 苏莱曼·阿布沙尔卡 申请人:杜芬电气股份有限公司