转子采用交变励磁的直流电机系统及励磁控制方法与流程

本发明涉及一种转子采用交变励磁的直流电机系统及励磁控制方法。

背景技术：

直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能与机械能相互转换的电磁装置，传统的直流电机工作时存在换向问题，换向问题较复杂，换向不良会在碳刷和换向器间产生火花，可能损害碳刷和换向器表面，使电机不能正常工作。直流无刷电机是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机，这种电机，运行可靠，没有火花，无磨损，电磁噪声低，但究其根本为同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品，价格相对较高，低速起动时有轻微振动，无论是传统直流电机还是直流无刷电机，电机的主要能量交换是通过换向器进行的，这是直流电机无法克服的固有缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种转子采用交变励磁的直流电机系统及励磁控制方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种转子采用交变励磁的直流电机系统，其组成包括：定子、转子，所述的定子铁芯内具有一组定子电枢线圈，所述的定子电枢线圈为单根铜柱结构，所述的转子铁芯有一组凸极，所述的凸极上均缠有转子励磁线圈，所述的定子内侧安装有转子磁场检测器，所述的转子磁场检测器安装在电机内部，以单片机为核心的转子励磁控制器安装在电机外部。

所述的转子采用交变励磁的直流电机系统，所述的定子铁芯、所述的定子电枢线圈、所述的转子铁芯、所述的转子励磁线圈绕向及匝数需要根据实际电机类型和运行方式确定，在电机运行中，采用直流励磁控制方式，直流励磁时，电机转子励磁线圈产生的磁场相对于定子不变，各个转子线圈上的通电方向随着转子位置的变化而改变，维持电机运行时转速恒定。

一种转子采用交变励磁的直流电机系统及励磁控制方法。该方法包括如下步骤：首先将电机一分为二来看，对上半部分一组转子励磁线圈上通以同方向的电流，并在转子铁芯产生的磁场极性为n；在下半部分同样数量的转子励磁线圈上通以与上半部分反方向的电流，则转子铁芯产生的磁场极性为s；

定子电枢线圈采用单根铜柱结构代替环绕结构，点与叉代表不同的电流方向，当电机工作时，通过转子磁场检测器对该区域内磁场方向进行检测，转子为顺时针方向旋转，则当换向点上方磁场方向为n的转子靠近换向点时，传感器向外输出信号，控制器改变此转子线圈中励磁电流的方向，同时对与此转子中心对称的另一个转子励磁线圈中的电流进行反方向变换，这就保证了在任意时刻，上下两部分转子的磁场方向始终保持不变，电机始终沿同一方向转动，电机的转速和转矩由转子励磁电流的大小来决定，如果需要电机反方向运行，可采用两种方式：

（1）改变上下两部分转子铁芯磁场的极性，即改变转子励磁电流方向，就能控制电机反向运行；

（2）改变上、下两部分定子线圈中电流的方向；

转子中磁场方向的分割由换向点的位置和定子电枢线圈中电流的方向共同决定，换向点的位置对电机本身的性能指标没有影响；

转子线圈是随着转子实时转动，在直流励磁方式中，转子线圈的励磁电能需使用滑环来加载，转子励磁控制器通过滑环向转子励磁线圈提供电流，转子励磁控制器在单片机的控制下，可以调节励磁电流的大小及方向；

转子励磁电路为一组励磁绕组所需的控制电路，电机内部转子包含多组励磁绕组，一台电机的转子励磁控制由多组电路共同完成；

被控电路中，功率元器件使用全控型器件mosfet，l1为平波电感，l2为转子励磁线圈，u1为q1的驱动器，u2为电流传感器，可实时检测转子励磁电流，p1.0-p1.4与单片机i/o引脚相连，p5.14与单片机a/d转换接口相连。电路进行励磁控制时，将宽度可调的脉冲信号由单片机p1.0口加到ir2101第2管脚，高电平时q1导通，电源向负载l2供电，负载电流按照指数曲线上升，低电平时q1关断，负载电流经d2、l1、r1续流，负载电流呈指数曲线下降，为了使负载电流连续且减小脉动，串接电感l1的感值不宜过小，至一个周期结束再重复同一过程，当电路达到稳态时，负载电流在一个周期的初值与终值相等；励磁绕组侧电路采用由四个三极管构成的桥式电路，q2与q5、q3与q4成对导通，可以控制励磁绕组的电流方向。

有益效果：

1.本发明是一种转子采用交变励磁的新型直流电机及其励磁控制方法，其结构由定子铁芯、定子电枢线圈、转子铁芯、转子励磁线圈、转子磁场检测器、转子励磁控制器等部件构成，无论转子是静止还是转动，这种电机转子励磁线圈产生的磁场相对于定子是不变的，即转子转动到固定位置时，其磁场方向是固定的。

本发明的定子电枢线圈工作时需要提供直流电流，也就是说对于电机工作在电动状态时，定子电枢只需加入直流电即可，无需交流电，对于电机工作在发电状态时，定子电枢可直接产生直流电而无需整流，这种电机最大的特点是主要机电能量的交换无需变换器，因此可提高系统效率。

本发明电机的转向、转速、转矩控制是通过转子励磁控制器实现的，转子线圈的励磁电能可以使用滑环来加载，其中滑环作为电气旋转关节，可在电机无限制连续旋转时从固定结构向转子线圈中传输励磁电流，同时检测旋转状态下电机的工作状况。

本发明采用的转子磁场检测器，是在换向区中安装有转子磁场检测器，其特点是能够对换向点的磁场极性进行检测。

本发明从电机本体结构上讲，取消了传统直流电机的有刷结构，同时相对于无刷直流电机取消了电子换向机构，结构简单可靠，相比传统直流电机定子没有永磁体，易于制造和维护。

本发明采用的定子电枢线圈用单根铜柱结构，取代了传统环绕型结构，该结构的定子铁芯槽满率接近100%。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的转子励磁控制器控制方案图。

附图3是本发明的转子励磁控制器控制电路图。

具体实施方式：

实施例1：

一种转子采用交变励磁的直流电机系统，其组成包括：定子3、转子2，所述的定子铁芯内具有一组定子电枢线圈4，所述的定子电枢线圈为单根铜柱结构，所述的转子铁芯有一组凸极，所述的凸极上均缠有转子励磁线圈5，所述的定子内侧安装有转子磁场检测器1，所述的转子磁场检测器安装在电机内部，以单片机为核心的转子励磁控制器安装在电机外部。

实施例2：

根据实施例1所述的转子采用交变励磁的直流电机系统，所述的定子铁芯、所述的定子电枢线圈、所述的转子铁芯、所述的转子励磁线圈绕向及匝数需要根据实际电机类型和运行方式确定，在电机运行中，采用直流励磁控制方式，直流励磁时，电机转子励磁线圈产生的磁场相对于定子不变，各个转子线圈上的通电方向随着转子位置的变化而改变，维持电机运行时转速恒定。

实施例3：

一种利用实施例1-2所述的转子采用交变励磁的直流电机系统的励磁控制方法，本方法是：首先将电机一分为二来看，对上半部分一组转子励磁线圈上通以同方向的电流，并在转子铁芯产生的磁场极性为n；在下半部分同样数量的转子励磁线圈上通以与上半部分反方向的电流，则转子铁芯产生的磁场极性为s；

定子电枢线圈采用单根铜柱结构代替环绕结构，点与叉代表不同的电流方向，当电机工作时，通过转子磁场检测器对该区域内磁场方向进行检测，转子为顺时针方向旋转，则当换向点上方磁场方向为n的转子靠近换向点时，传感器向外输出信号，控制器改变此转子线圈中励磁电流的方向，同时对与此转子中心对称的另一个转子励磁线圈中的电流进行反方向变换，这就保证了在任意时刻，上下两部分转子的磁场方向始终保持不变，电机始终沿同一方向转动，电机的转速和转矩由转子励磁电流的大小来决定，如果需要电机反方向运行，可采用两种方式：

（1）改变上下两部分转子铁芯磁场的极性，即改变转子励磁电流方向，就能控制电机反向运行；

（2）改变上、下两部分定子线圈中电流的方向，转子中磁场方向的分割由换向点的位置和定子电枢线圈中电流的方向共同决定，换向点的位置对电机本身的性能指标没有影响；

转子线圈是随着转子实时转动，在直流励磁方式中，转子线圈的励磁电能需使用滑环来加载，转子励磁控制器通过滑环向转子励磁线圈提供电流，转子励磁控制器在单片机的控制下，可以调节励磁电流的大小及方向；

转子励磁电路为一组励磁绕组所需的控制电路，电机内部转子包含多组励磁绕组，一台电机的转子励磁控制由多组电路共同完成；

被控电路中，功率元器件使用全控型器件mosfet(q1)，l1为平波电感，l2为转子励磁线圈，u1为q1的驱动器，u2为电流传感器，可实时检测转子励磁电流，p1.0-p1.4与单片机i/o(输入/输出)引脚相连，p5.14与单片机a/d(模拟/数字)转换接口相连。电路进行励磁控制时，将宽度可调的脉冲信号由单片机p1.0口加到ir2101(u1)第2管脚，高电平时q1导通，电源向负载l2供电，负载电流按照指数曲线上升，低电平时q1关断，负载电流经d2、l1、r1续流，负载电流呈指数曲线下降，为了使负载电流连续且减小脉动，串接电感l1的感值不宜过小，至一个周期结束再重复同一过程，当电路达到稳态时，负载电流在一个周期的初值与终值相等；励磁绕组侧电路采用由四个三极管构成的桥式电路，q2与q5、q3与q4成对导通，可以控制励磁绕组的电流方向。