一种机电混合无弧换向的多相逆变器的制作方法

本发明涉及机械电子混合逆变器的技术领域，特别是涉及机电混合无弧换向的多相逆变器。

背景技术：

目前，常用逆变器是通过电力电子开关器件组成逆变拓扑，再对开关器件的开通、关断进行控制来实现的。逆变拓扑中的器件包括开通、关断可控的主管和与主管反并联的续流二极管，其中可控电力电子器件成本高昂且容量受限，同时由于需要复杂的控制，进一步提高了系统成本，降低了系统可靠性。传统直流电机的机械换向装置本质上也是一个逆变器，但其几乎不可避免的存在火花，且有可能产生电弧，同时还存在换向器结构复杂、成本高昂等缺点。

中国发明专利CN1455511A“交流永磁电机的机械逆变装置”提出了一种驱动交流永磁电机的机械逆变器，该逆变器将机械换向装置中电刷、换向器和电子逆变器中二极管续流桥臂结合起来，不需要控制器和可控电力电子开关器件，并试图解决传统机械换向中存在的电弧和火花问题，但实际效果表明其难以抑制换向电弧和火花，而且这种逆变器中每相负载分别配备一个换向器，需要较多的换向片和二极管续流桥臂。

因此希望有一种机电混合无弧换向的多相逆变器可以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机电混合无弧换向的多相逆变器来克服现有技术中存在的上述问题。

为实现上述目的，本发明提供一种机电混合无弧换向的多相逆变器，所述机电混合无弧换向的多相逆变器包括：换向电刷、换向器、输出滑环和输出电刷；换向电刷包括一个或多个换向片组，换向电刷之间以互差360°/m的机械角度相邻，换向电刷全部负载共用一个换向器，每个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，占机械角度为360°/P，每个电源正极换向片、电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ分别与其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P。

优选地，所述多相逆变器还包括一套或多套续流缓冲电路，其中每套续流缓冲电路包括一个缓冲电容和两个续流桥臂，每个续流桥臂由三个二极管组成；电源正极换向片连接直流电源正极，电源负极换向片连接直流电源负极，续流换向片Ⅰ和续流换向片Ⅱ分别连接一个二极管续流桥臂的中点；电动机带动所述换向电刷和输出滑环同轴旋转，实现了所述换向电刷和换向器之间的相对滑动，从而将直流逆变为所述换向电刷上旋转的m相交流，再通过所述输出滑环和输出电刷之间的相对滑动转变为静止的m相交流；逆变器正常工作需满足续流缓冲电路状态唯一性、绕组不悬空和电容选择原则。

优选地，所述换向器、续流缓冲电路和所述输出电刷固定连接，所述换向电刷和输出滑环由同一个电动机带动同轴旋转，电动机带动所述换向电刷和输出滑环同轴旋转，所述换向电刷和换向器之间的相对滑动将直流逆变为所述换向电刷上旋转的多相交流，再通过所述输出滑环和输出电刷之间的相对滑动转变为静止的多相交流。

优选地，调节直流电源电压即可调节输出交流电压，调节电动机转速即可调节输出交流频率。

优选地，所述逆变器正常工作需满足续流缓冲电路状态唯一性原则，为了保证续流缓冲电路工作状态的唯一性，每套续流缓冲电路任意时刻最多只能与一相负载连接，包括：多相负载不会直接连接到同一续流换向片；多相负载不会通过同一续流桥臂连接的不同组续流换向片连接到该续流桥臂；多相负载不会通过同一套续流缓冲电路的不同续流桥臂连接到该套续流缓冲电路。

优选地，所述逆变器正常工作需满足负载不悬空原则，为了保证负载在完全脱离当前换向片前能连接到下一换向片，即任意时刻无负载出现悬空状态，换向电刷宽度需大于换向片间云母绝缘片宽度。

优选地，所述续流缓冲电路续流过程中为了抑制起弧，所述换向电刷和电源换向片间电场强度应低于门槛电场强度，给定一个最低的不起弧输出交流频率，对应一个最低的电动机转速，门槛电场强度乘以所述换向电刷在该转速时的线速度即为不起弧电压变化率，根据该电压变化率来计算电容最小值，确保无电弧产生。最高转速时，为确保续流过程在60°电角度的续流阶段内结束，电容需在此时间段内放电完毕，根据该时间计算电容最大值。

优选地，所述续流缓冲电路不需要可控开关器件，在不用调频、调压的工况下不需要控制器，所述续流缓冲电路保证了所述换向电刷、换向器、输出滑环和输出电刷不会产生换向电弧，并抑制换向火花。

本发明公开了一种机电混合无弧换向的多相逆变器，所述机电混合逆变器不需要可控开关器件，在不用调频、调压的工况下不需要控制器，节省了系统成本而且所述机电混合逆变器的续流缓冲电路保证了逆变器的机械部分不会产生换向电弧，并明显抑制换向火花，所需换向片数量较少，换向器结构简单，成本低廉，输出交流的电压、频率调节方便，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是机械电子混合三相逆变器的电气连接图。

图2是机械电子混合三相逆变器实施例的纵剖面构造图。

图3是图2的A--A剖视图。

图4是图2中换向器2沿圆周方向的展开图。

图5是机械电子混合三相逆变器三相交流电流和续流缓冲电容电压示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明一宽泛实施例中：机电混合无弧换向的多相逆变器，所述机电混合无弧换向的多相逆变器包括：换向电刷、换向器、输出滑环和输出电刷；换向电刷包括一个或多个换向片组，换向电刷之间以互差360°/m的机械角度相邻，换向电刷全部负载共用一个换向器，每个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，占机械角度为360°/P，每个电源正极换向片、电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ分别与其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P。

对于m相逆变器，机械部分包含换向电刷、换向器、输出滑环和输出电刷，电子部分包含一套或多套续流缓冲电路。逆变器中，换向器、续流缓冲电路和输出电刷固定，换向电刷和输出滑环由一个电动机带动同轴旋转。

相邻两换向电刷互差360°/m机械角度。全部负载共用一个换向器，其包含P个换向片组，每个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，所占机械角度为360°/P。每个电源正极换向片、电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ加上其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P。换向装置的电子部分包含一套或多套续流缓冲电路，其中每套续流缓冲电路包括一个缓冲电容和两个续流桥臂，每个续流桥臂由三个二极管组成。电源正极换向片连接直流电源正极，电源负极换向片连接直流电源负极，续流换向片Ⅰ和续流换向片Ⅱ分别连接一个二极管续流桥臂的中点。电动机带动换向电刷和输出滑环同轴旋转，实现了换向电刷和换向器之间的相对滑动，从而将直流逆变为换向电刷上旋转的m相交流，再通过输出滑环和输出电刷之间的相对滑动转变为静止的m相交流。调节直流电源电压即可调节输出交流电压，调节电动机转速即可调节输出交流频率。

机械电子混合逆变器正常工作需满足三大原则：

第一，续流缓冲电路状态唯一性原则：为了保证续流缓冲电路工作状态的唯一性，每套续流缓冲电路任意时刻最多只能与一相负载连接，可能出现连接多相负载的情况包括：多相负载直接连接到同一续流换向片；多相负载通过同一续流桥臂连接的不同组续流换向片连接到该续流桥臂；多相负载通过同一套续流缓冲电路的不同续流桥臂连接到该套续流缓冲电路。

为避免多相负载直接连接到同一续流换向片，需相邻两换向电刷间机械角度大于续流换向片机械角度，可通过增加换向片组数，从而压缩续流换向片机械角度来实现。对于m相逆变器，有m个换向电刷，相邻两换向电刷互差360°/m机械角度，换向器包含P个换向片组，忽略绝缘云母片宽度，每个续流换向片机械角度为60°/P，应有360°/m>60°/P，即P>m/6。对于P＝m/6的临界情况，适当减小续流换向片宽度，使其与电源换向片间的距离，即云母绝缘片宽度大于换向电刷宽度的一半即可来避免与多相负载连接。输出交流频率f和电动机转速n之间关系为f＝nP/60，在所需最少换向片组数基础上进一步增加换向片组数，可以用低转速的电动机得到高频的交流输出。

为了避免多相负载通过同一续流桥臂连接的不同组续流换向片连接到该续流桥臂，需综合考虑负载相数m和换向片组数P来确定各换向片组中对应的续流换向片是否连接到同一续流桥臂，从而得到所需的续流缓冲电路套数。在负载相数一定，只增加换向片组数的情况下，各换向片组中对应的续流换向片可连接到同一续流桥臂，此时不需要新增续流缓冲电路。各换向片组中对应的续流换向片需要连接不同续流桥臂时，所需续流缓冲电路最多，为P套。

为了避免多相负载通过同一套续流缓冲电路的不同续流桥臂连接到该套续流缓冲电路，相邻两换向电刷间机械角度不能在120°/P～240°/P范围内。对于两换向电刷间机械角度等于120°/P和240°/P的临界情况，同样可通过适当减小续流换向片宽度，使其与电源换向片的距离，即云母绝缘片宽度大于换向电刷宽度的一半来避免与多相负载连接。

第二，负载不悬空原则：为了保证负载在完全脱离当前换向片前能连接到下一换向片，即任意时刻无负载出现悬空状态，换向电刷宽度需大于换向片间云母绝缘片宽度。

第三，电容选择原则：电弧的产生需同时满足介质击穿场强条件(起弧电场强度条件)和起弧电压条件。由于缓冲电容的作用，和续流换向片接触的换向电刷在与电源换向片分离后，两者间电压开始缓慢上升，在极小的间距时，电场强度仍然较大，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件不满足，因此不会产生电弧；随着间距的增大，起弧电压条件已经达到，但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧。可取门槛电场强度E_T＝5×10⁵V/m，此电场强度远低于高电压理论中标准大气压下空气击穿场强3×10⁶V/m，可确保低于E_T的电场强度不会击穿换向电刷和电源换向片间隙。

续流过程中为了抑制起弧，换向电刷和电源换向片间电场强度应低于门槛电场强度，给定一个最低的不起弧输出交流频率，对应一个最低的电动机转速，门槛电场强度乘以换向电刷在该转速时的线速度即为不起弧电压变化率，根据该电压变化率来计算电容最小值，确保无电弧产生。最高转速时，为确保续流过程在60°电角度的续流阶段内结束，电容需在此时间段内放电完毕，根据该时间计算电容最大值。

根据以上三大原则可以确定任意相数的机械电子混合逆变器结构。

如图1机械电子混合三相逆变器的电气连接图所示，逆变器通过换向电刷1、换向器2、续流缓冲电路12、输出滑环8和输出电刷9组成的机电混合无弧换向装置实现逆变。换向器2仅包含一个换向器片组，由电源正极换向片3、续流换向片Ⅰ4、电源负极换向片5和续流换向片Ⅱ6构成一个完整圆周，彼此之间通过云母片7绝缘，固定在逆变器外壳14上。电源正极换向片3、电源负极换向片5的电角度和机械角度均为120°，续流换向片Ⅰ4、续流换向片Ⅱ6加上其前后绝缘云母片7的电角度和机械角度均为60°。换向装置的电子部分由一套续流缓冲电路组成，包括一个缓冲电容C和两个续流桥臂，续流桥臂Ⅰ由二极管D₁、D₂和D₅组成，续流桥臂Ⅱ由二极管D₃、D₄和D₆组成。电源正极换向片3连接直流电源正极U₊，电源负极换向片连接直流电源负极U_-，续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ分别连接续流桥臂Ⅰ、Ⅱ的中点。相邻两换向电刷1互差120°机械角度，并连接到输出滑环8，输出电刷9连接到星形联接的A、B、C三相对称负载。

如图2所示，机械电子混合三相逆变器主要由换向电刷1、换向器2、输出滑环8、输出电刷9、电动机10、续流缓冲电路12、固定换向电刷圆盘13和逆变器外壳14组成。其中，换向器2、输出电刷9和续流缓冲电路12固定在逆变器外壳14上，换向电刷1固定在圆盘13上，圆盘13和输出滑环8固定在电机转子11上随着一同旋转，从而带动换向电刷1旋转，实现换向电刷1和换向器2的滑动接触，以及输出滑环8和输出电刷9的滑动接触。

如图3所示，换向电刷1在圆盘13上等间距分布，相邻两换向电刷1互差120°机械角度。换向器2固定在逆变器外壳14内圆周表面，四个换向片组成一个完整圆周。

图4为换向器2按圆周方向展开的示意图。

电动机10带动换向电刷1和输出滑环8同轴旋转，实现了换向电刷1和换向器2之间的相对滑动，从而将直流逆变为换向电刷1上旋转的m相交流，再通过输出滑环8和输出电刷9之间的相对滑动转变为输出的静止m相交流。调节直流电源电压即可调节输出交流电压，调节电动机10转速即可调节输出交流频率。换向电刷1依次与电源正极换向片3、续流换向片Ⅰ4、电源负极换向片5和续流换向片Ⅱ6滑动接触，并再次到达电源正极换向片3开始下一个循环。换向电刷1和换向器2的滑动接触实现了负载电流的换向，一个周期内负载有正向导通、正向续流、反向导通、反向续流以及续流完成后不导通五个状态。如图1中换向电刷1位置，当前时刻电容C电压为直流电源电压，C相负载正向导通，B相负载开始反向导通，A相负载刚脱离电源负极换向片5开始反向续流，二极管D₆导通，电容C开始正向放电，其正向放电完毕后，二极管D₆关断，A相电流通过二极管D₃直接流入电源正极，直到续流完毕，电容C电压一直保持为零；直到C相开始正向续流，二极管D₅导通，电容C开始正向充电，达到电源电压后，二极管D₅关断，C相电流直接由电源负极通过二极管D₂提供，直到续流完毕，电容C电压一直保持为直流电源电压。各相负载交替正、反向续流，电容C循环充放电。

电弧的产生需同时满足介质击穿场强条件(起弧电场强度条件)和起弧电压条件。由于缓冲电容C的作用，和续流换向片接触的换向电刷1在与电源换向片分离后，两者间电压开始缓慢上升，在极小的间距时，电场强度仍然较大，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件不满足，因此不会产生电弧；随着间距的增大，起弧电压条件已经达到，但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧。可取门槛电场强度E_T＝5×10⁵V/m，此电场强度远低于高电压理论中标准大气压下空气击穿场强3×10⁶V/m，可确保低于E_T的电场强度不会击穿换向电刷1和电源换向片间隙。

续流过程中为了抑制起弧，换向电刷1和电源换向片间电场强度应低于门槛电场强度E_T，给定一个最低的不起弧输出交流频率f_min，对应一个最低的电动机10转速n_min，门槛电场强度E_T乘以电刷在该转速时的线速度即为不起弧电压变化率，根据该电压变化率来计算电容最小值C_min，确保无电弧产生，计算公式如下：

其中：i_min为对应最低转速时的负载电流，r为换向器内圆周半径，P为换向片组数。

电动机10最高转速n_max时，为确保续流过程在60°电角度的续流阶段内结束，电容C需在此时间段内放电完毕。

三相逆变器工作时的三相交流负载电流和电容电压示意图，每相负载依次循环正向导通120°电角度，正向续流和不导通60°电角度，反向导通120°电角度，反向续流和不导通60°电角度，A、B、C三相负载互差120°电角度。有负载正向续流时电容C从零电压开始充电，达到直流电源电压后保持，直到有负载反向续流时开始放电，放电完毕后保持零电压，直到下一次正向续流充电。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。