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

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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、
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