一种直流电动机换向方法及电子换向直流电动机的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种直流电动机换向方法及电子换向直流电 动机。
【背景技术】
[0002] 在20世纪60年代以前，普通带机械整流器的传统式直流电动机，由于其优良的调 速性能，一直是可调速电气传动的主要执行机构。但是，到了 70年代，由于可控硅元件和交 流变频技术的出现，特别是后期，德国人发明了矢量调节这种新的交流调速方法，可调速电 力传动领域内直流电动机一统天下的局面便被打破。从几千瓦到几千千瓦的可调速交流电 力传动系统纷纷出现，遍及轻工、机械制造、化工、冶炼、乳钢、交通运输等行业，逐步取代了 直流电气传动。但是交流传动系统也有一些固有的缺点，例如：在低速时的噪音、发热和不 稳定性，变频器价格偏高，调速范围仍然有限等等。因此，反过来我们又会想到直流传动系 统，如果能够抛弃结构复杂、因有火花致使工作不甚可靠且价格又高的机械换向器，代之以 电子元件组成的无火花换向器，完全保留传统直流电动机的优良调速性能，而造价又比较 便宜，那么，这种新的电机将以其优良的性价比，会重新获得使用者的偏爱，与交流传动系 统一争高下，重新成为电气传动系统(特别是大容量系统）的主流。
[0003] 通常称做"无刷式直流电动机"的，是人们一直用来代替传统直流电动机无火花运 行的常用方案，但是，这种电动机其实是种采用可控硅或者IGBT控制的变频调速同步电动 机，并非真正意义上的直流电动机，它的运行原理只和直流电动机相似而不相同，所以，其 性能特别是调速性能还是与直流电动机有相当大的距离，它的可贵之处仅仅是达到了无火 花运行，但因线路复杂致造价较高，又因其实质上的交流运行致效率较低，从而限制了其应 用范围，所以，达不到真正代替直流电动机的作用，但却是改造直流电动机火花运行的一种 较现实的替代方案。
[0004] 真正意义上的无刷式直流电动机，应该是：工作原理和传统直流电动机完全一样， 特性完全一样；但是却无机械换向器，即无电刷、无换向片，取而代之的是电子换向器，以便 完成绝不可少的分布式闭合电枢绕组的换向工作，从而达到无火花换向。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为改进直流传动系统，抛弃现有的直流电动机结构复杂、因有火 花致使工作不甚可靠且价格又高的机械换向器，代之以电子元件组成的无火花换向器，实 现在完全保留传统直流电动机的优良调速性能的基础上，造价又比较便宜的目的，因此提 供一种直流电动机换向方法及电子换向直流电动机。
[0006] 传统直流电动机对换向器的主要电气要求是：电刷安置在电枢几何中性线上，每 一个电枢元件对应一个换向片以便电枢电流的进与出，当元件到达几何中性线上时，立即 进行换向。而本发明的方法是：采用电子换向器替代机械换向片；该电子换向器采用一进 一出两个M0S块反方向并联以代替换向片，有多少个换向片就用多少对M0S块；当元件到达 电机磁极的几何中性线上时，导通MOS块立即进行电流换向；换向的频率与电动机转速频 率同步，由CPU和同步触发器保证，在调速时也是如此。直流电压由三相交流电压经SCR提 供，控制SCR的导通角，便可调节直流电压的大小，进行转速调节。需要注意的是，接在同一 元件端子处的一对M0S块绝不能同时导通，否则形成电源短路，这在控制电路设计时应充 分考虑，以保证主电路的绝对可靠性。
[0007] 具体而言，本发明的电子换向电动机，采取了如下措施：⑴采用一进一出两个电 枢元件换向M0S块反方向并联以代替换向片，有多少个换向片就用多少对M0S块；（2)当元 件到达几何中性线上时，才导通M0S块，立即进行电流换向。
[0008] 为实现上述目的，在结构上必须将电枢与磁极的相对位置倒换过来，即电枢不动 而让磁极转动，这样一来，电枢的每个元件便可以直接与外接M0S块相连，由不动的M0S块 控制其电流换向而不产生火花，磁极为永磁式或电磁式，磁极可以做成凸极型。
[0009] 为实现本发明，这种电子换向直流电动机还包括用于检测元件正处于电机磁极的 几何中性线上的元件位置检测器；它还包括确保换向触发脉冲都在元件到达中性线上时立 即送出的换向同步触发器；它还包括能随时发出几何中性线标志的高频电磁铁。
[0010] 元件位置检测器是由七块编码器74LS148和三块多路转换器74LS151按并行扩展 的形式组成的48线一6线优先编码器，并行扩展可以获得较高的编码速度。
[0011] 同步触发器由6块8路输入与非门74LS30和3块3路输入与门74LS11构成，其 48个输入端并联到48:6的输入端上，唯一的输出端则接到CPU的P1. 7上作为输入，利用 此输入信号的上升前沿去触发换向脉冲。
[0012] 高频电磁铁放置在磁极的几何中性线或者物理中性线上。高频电磁铁由铁芯和线 圈两部分组成，它的线圈通过的是15khz的高频交流电，铁心则用铁淦氧材料制成，它固定 在转子S、N极之间的几何中性线上，在其对称方向处还设置一个完全相同的镜像形转子动 平衡配重，该镜像形转子动平衡配重有线圈和铁芯但不通电。
[0013] 每个绕组元件伸出一个端头，该端头不接到换向片上，而是接到一对反向并联的 M0S块上，再经M0S块接到直流电压上去，按极性顺向连接。
[0014] 电子换向器的电力电子元件部分是96个VM0S或IGBT构成，其中都是奇数元件的 阴极与偶数元件的阳极相连，并最后形成封闭，而另一个未连接的阳极都并在一起，以后并 联到直流电源的正极，未连接的阴极都并在一起，以后并联到直流电源的负极；各个控制极 分开依次引出；全部或分块的电力电子元件集成在一起，制成一个整体电力电子换向器，放 在电机以外，置於控制箱内，其与电机绕组出线间一对一的连接。
[0015] 本发明的技术效果： 首先，来计算一下电子换向器的价格（按照放2006年时的元件单价计算）： M0S块：选用高压M0S块IRPF系列，选G型，额定电流5. 7A、1000V，并联3 ±夬，总电流为 17. 1A，每元件接一进一出共一对，计6块，48个元件，总计288块，每块1. 9元，总价格为 547元。电动机额定电压设计为800V，额定电流为4 X 8=32A，总功率为800 X 32 X 0. 9=23040 瓦=23千瓦。由于每对支路都是M0S块一进一出，即串联两块M0S块，耐压达2000V，为额定 电压的2. 5倍，符合安全标准；而电机2a=4,每并联三M0S块管2条支路计16A，亦留有电流 容量余地。光耦驱动器：选PC817-4,每块有4个光耦，故只需6块，每块2. 8元，共计16. 8 元。另外，在48:6检测器中还要12 ±夬，又计33. 6元，总计50. 4元。收发器：选74LS245， 需用三片，每片1.4元，共计4. 2元。CPU:选用MSC87C51，需一片，计13元。48 :6捡测 器：需用74LS148七片，每片1. 6元，计11.2元；741^151三片，每片1.6元，计4.8元； 74LS14八片，每片1.2元，计9. 6元；74LS04十二片，每片0. 9元，计10. 8元；整流桥堆 48片，每片0.18光，计8. 64元上述各芯片共计45元。48:1同步器：需用74LS30六片， 每片1.2元，计7.2元；74LS11-片，计1.2元；共计8.4元。A/D和D/A:共计30元。电 阻、电容等杂件：按10元计。以上控制电路元件总价161元。
[0016] 印刷电路板：批量按每板20元估算。M0S块散热器：选风冷铝散热器，以5瓦功 耗计算，每个一元，288个散热器共288元。
[0017] 总价：制板：按芯片161元，印刷板20元，锡焊加工费5元，共计186元；主电路： 按M0S块547元，散热器288元，共计835元；总价为1021元。（按技术成熟期考慮，不包 括其他研制成本） 而一台传统直流电动机，4极，23千瓦左右，大约1. 1万元，机械换向器按总价三分之 一计，应为3670元，而电子换向器仅为1021元，为其27. 8%，即约四分之一。整机价：机体 (定、转子）按三分之二算为7334元，电子换向器仅为1021元，两项合计价为8355元，是 传统直流电动机价1. 1万元的76%，即亦要低近四分之一。而电子换向器却可达到：无火花、 工作可靠、维护简单，显然，新的电子换向器式直流电动机的性价比确实较传统直流电动机 为尚。
[0018] 本发明的前景：由于M0S块为（栅极）电压型控制元件，无论其容量为多大，均可 采用统一规格的控制（光耦）电路，因而可以集成为一块芯片，其造价便可以大大下降， 控制在16元（以2美元）左右，相比主电路元件而言，价格甚微。而主电路元件M0S块的 价格，如果将中等容量的电机电压设计在220伏，采用400伏的M0S块，则价格亦会大大 下降，仅为1000伏元件价的一半，这样一来，上述比较结论还可进一步优化。由此可以看 出，电子换向电动机不但可以和传统直流电动机相竞争，而且更可以和交流变频调速电动 机（系统）相克争。
[0019] 本发明的应用范围：小容量可广泛用于诸如变频电冰箱、变频空调机，电动汽车 (含摩托车、自行车）以及其他需要调速的家电产品上；中、大容量可在各工业系统中要 求大范围、