一种混合式直流电机系统的制作方法

本发明涉及一种混合式直流电机系统。

背景技术：

直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

直流电机因为自身结构的问题，存在的最大缺陷就是碳刷和换向器的问题，为了解决这个问题，工业界引入了无刷直流电机的概念。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。上世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。

此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。

传统的有刷直流电机，电机主要由磁钢，线圈，换向片（器），电刷，转子，外壳等几个部分组成。由于其固有的电刷-换向器结构，存在以下的缺点：

1)由于结构上采用碳刷和换向器，存在碳刷和换向器磨损及寿命短的问题。

2)在电机转动时，碳刷和换向器之间会产生电火花，影响电机寿命，同时会对现代的电子部件产生电磁干扰，也对电机的应用场合提出了高的要求。

3)电机长时间运转时，碳刷和换向器反复接触脱离，电流通过是，会产生比较高的电机温升。

4)电机长期运转时，碳刷和换向器摩擦产生碳粉，容易造成电机组件的损坏。

5)电机在高速运转的情况下所产生的电磁干扰信号会干扰到目前各种无线信号的传输和接收。

6)有刷直流电机因为存在机械式的碳刷和换向器，存在效率低的缺点。

直流无刷电机（主要针对内转子电机，下同）由转轴，永磁铁转子，外壳，定子及线圈，霍尔器件（可选件），电流换向电路组成。直流无刷电机是为了克服直流有刷电机的上述缺点而设计的，其与直流有刷电机结构区别在于：

1)直流有刷的转子是由线圈组成的，直流无刷的转子是由永磁铁做的；

2)直流有刷有电刷和换向器，而直流无刷没有电刷和换向器结构；

3)直流无刷的定子是由线圈组成的，而直流有刷的定子是由永磁铁做成的；

4)直流有刷定子电流通过电路产生换向从而带动永磁铁转动；

5)直流无刷通过电流，同时通过碳刷和换向器使电流流向产生变化，从而产生持续的同一方向的扭力；

通过以上直流有刷电机和直流无刷电机的结构分析，我们得出了直流无刷电机的缺点：

1)低速起动时有轻微振动，

2)价格高，控制器要求高；

3)易形成共振，因为任何一件东西都有一个固有振动频率，如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象，但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机运转时有时会发出一种嗡嗡的声音。

电机的生产成本比无刷电机要高，主要是生产工艺过程中的成本和材料成本都要比有刷电机要高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种混合式直流电机系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混合式直流电机系统，包括电机；所述电机包括转轴；所述转轴上安装有铁芯；所述铁芯上缠绕有多组线圈；所述铁芯两端的转轴上安装有导流装置；所述铁芯、导流装置均设在外壳内，且所述导流装置与所述转轴、外壳之间绝缘；所述铁芯相对位置的外壳内固定有定子；所述导流装置包括第一导电金属盘和第二导电金属盘；所述第一导电金属盘和第二导电金属盘均包括多个同心的金属环；同一个金属盘中，相邻两个金属环之间绝缘连接；其中第一导电金属盘中，每一个金属环内均安装有多个能轴向转动的导电滚子；所述第二导电金属盘的金属环表面与所述第一导电金属盘相应金属环内的导电滚子表面接触，且能在所述导电滚子转动时以第二导电金属盘的圆心为中心旋转；所述转轴穿过所述第一导电金属盘、第二导电金属盘的中心；所述第二导电金属盘的所有金属环表面均设有接线柱；所述线圈通过所述接线柱与控制器电连接。

所述第一导电金属盘中，相邻两个金属环之间设有用于支撑所述导电滚子的有绝缘特性的保持架。使得导流装置内部结构更加稳固。

所述第一导电金属盘和第二导电金属盘内的金属环个数均为3个。满足一般场合的使用需求。

每个所述金属环内的多个导电滚子等间隔设置。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明重新设计有刷直流电机内部结构，去掉换向器和碳刷，设计了导电的轴承，采用目前技术成熟的无刷直流电机驱动器的控制结构，通过电子换向实现电机的持续运转以及启动，停止，制动，正反转。同时兼具了有刷直流电机的结构简单，生产成本低的优点。

附图说明

图1为本发明一实施例电机结构示意图；

图2为本发明一实施例导流装置立体结构图一；

图3为本发明一实施例导流装置剖视图；

图4为本发明一实施例导流装置立体结构图二。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明一实施例导流结构包括第一导电金属盘1和第二导电金属盘2；所述第一导电金属盘1和第二导电金属盘2均包括多个同心的金属环3；同一个金属盘中，相邻两个金属环3之间绝缘连接；其中第一导电金属盘1中，每一个金属环3内均安装有多个能轴向转动的导电滚子4；所述第二导电金属盘2的金属环3表面与所述第一导电金属盘1相应金属环3内的导电滚子4表面接触，且能在所述导电滚子4转动时以第二导电金属盘2的圆心为中心旋转；本发明的电机包括上述导流装置13，电机包括转轴6；所述转轴6上安装有铁芯8；所述铁芯8上缠绕有三组线圈7；所述铁芯8两端的转轴6上安装有导流装置；所述铁芯8、导流装置均设在外壳9内，且所述导流装置与所述转轴6、外壳9之间绝缘（通过绝缘套12绝缘）；所述铁芯8相对位置的外壳9内固定有定子10（磁钢）；转轴6过所述第一导电金属盘1第二导电金属盘2中心；所述第二导电金属盘2所有金属环表面均设有接线柱11；所述接线柱11与控制器连接。

第一导电金属盘1中，相邻两个金属环之间设有用于支撑所述导电滚子4的保持架5，所有的保持架同心；第一导电金属盘1和第二导电金属盘2内的金属环3个数均为3个；第一导电金属盘1和第二导电金属盘2内的所有金属环表面均设有接线柱。

导电滚子为圆柱滚子。

保持架的作用首先是保持整个导电圆柱滚子组（同一个金属环内的所有导电滚子）的每个滚子在相应的导电金属环3上滚动，其次是保证每两个同心的导电圆柱滚子相互之间绝缘隔离。

圆柱导电滚子的外形是个圆柱体，其圆柱外表面涂覆了高导电的金属层，目的是能够充分的导电。

个所述金属环内的多个导电滚子等间隔设置。

本发明的导流原理为：第一导电金属盘和第二导电金属盘2是两个结构完全一样的装置。本导流装置的第一导电金属盘1随着旋转体转动，第一导电金属盘上分布着多圈导电金属环3，每圈导电金属环之间都有绝缘环互4相间隔绝缘。旋转体中的某一相与第一导电金属盘中的导电环3相接，旋转体中的电流即可与第一导电金属盘1中的导电金属环3导通，导电金属环3通过相应的导电滚子组中的滚子5相通，导电滚子组中的滚子5与第一导电金属盘1相对静止同时在第二导电金属盘2上相应的技术环上滚动。同时导电滚子组中的滚子与第二导电金属相应的金属盘相互导通。第一导电金属盘1与旋转体是一起旋转的，两者是相对静止的；第二导电金属盘2是静止的，它与旋转体和第一导电金属盘1是相互旋转运动的。这样，旋转体中的电流就通过第一导电金属盘1上的导电金属环3、导电滚子5、传送到静止的第二导电金属盘2上的导电金属环3再通过引线桩传送出来。

电机内部装有位置传感器。位置传感器的安装分为两种方式：一种是直接安装在定子槽中；另外一种是单独安装在非驱动端，并在轴上有小传感器磁钢。控制器根据位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对转子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。转子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

当电流通过接线柱和导流装置通电时，电机定子磁钢磁场对通过电流的转子产生一个旋转力，当旋转的转子线圈转过一定角度时，通过电机控制器产生一个相反的方向的电流，电机电子磁钢磁场产生了相同方向的旋转力。如此通过电机控制器反复的变换三组转子线圈中的电流方向，让电机产生持续的旋转力。控制器与线圈之间是通过导流子中相对静止的第二金属导电盘2上导电环3中固定的接线桩来连接的。