高效电动的制造方法

高效电动的制造方法
【专利摘要】高效电动机，属于电动机【技术领域】，主要解决目前电动机效率低下、定子的磁场主动对转子做负功的问题，由定子、转子、励磁电路、位置传感系统及壳体组成。位置传感系统给出转子每个磁极的极性及其与定子磁极的相对位置的信息，在适当的时机以正确的极性给定子磁极励磁，避免定子磁场主动对转子做负功。定子的每个磁极的励磁独立控制或分组控制，某个磁极停止励磁时，将当前的励磁电流回馈到供电电路，加以再利用，从而提高电能的利用率。本发明主要用于电动机的设计和制造。
【专利说明】局效电动机

【技术领域】
[0001] 本发明属于电动机【技术领域】。

【背景技术】
[0002] 电动机分为直流电动机和交流电动机。
[0003] 传统的直流电动机是通过电刷和换向器向转子磁极绕组提供励磁电流，而某绕组 励磁后，在其电极离开电刷的瞬间，会在两者之间产生电火花，显然有部分电能通过电火花 被浪费掉了，这不仅浪费了电能，还给可能有可燃气体泄漏的场合带来安全隐患。
[0004] 交流电动机一般是定子产生旋转的磁场，转子跟随旋转，而转子的转速总是慢于 定子旋转磁场的转速，当定子某极性的磁场刚超过与其极性相同的转子的磁极，或快要赶 上与其极性相反的转子的磁极时，实际上，该定子的磁场是在对转子做负功。显然，做负功 的这部分电能和为弥补负功所需的电能都被浪费掉了。
[0005] 尽管现在有变频技术，使电动机的效率有所提高，但变频技术避免不了上述的负 功。


【发明内容】

[0006] 本发明所要解决的技术问题有以下两个方面：
[0007] -、如何提高励磁电流的利用率；
[0008] 二、如何避免定子的磁场主动对转子做负功。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0010] 一、定子的每个磁极的励磁独立控制或分组控制，某个磁极停止励磁时，将当前的 励磁电流回馈到供电电路，加以再利用，从而提高电能的利用率。若转子采用永磁体或利用 安装于转子上的电池或利用非接触传输（如动态变压器，参见下文）提供的电力给转子绕 组励磁，则可避免使用电刷与电极传导电流，从而避免由电火花带来的安全隐患。
[0011] 二、在电动机中增加位置传感系统，给出转子每个磁极的极性及其与定子磁极的 相对位置的信息，在适当的时机以正确的极性给定子磁极励磁，避免定子磁场主动对转子 做负功。总体来看，定子磁场的运动速度与转子的运动速度保持同步。
[0012] 现代开关电源技术、位置传感技术及单片机控制技术，为本发明技术方案的实现 提供了可靠保障。
[0013] 本发明的电动机，由定子、转子、励磁电路、位置传感系统及壳体组成。对于转子， 既可以是永磁体，也可以是软磁体，对于软磁体的转子，通过转子励磁电路来励磁。转子励 磁电路的电源可以由安装在转子上的电池提供（适用于小功率电动机）；也可以由电刷将 转子励磁绕组与转子之外的励磁电路连接起来；还可以由转子的若干个磁极与定子磁极组 成动态变压器，即转子某磁极与定子某磁极靠近时就组成了变压器，定子磁极绕组为初级 绕组，转子磁极绕组为次级绕组，转子磁极绕组得到的电能就可以作为转子励磁电路的电 源，作为动态变压器组成部分的转子磁极，有专用的位置传感系统，定子磁极的励磁电路接 收到该位置信号，自动进入变压器工作模式。
[0014] 本发明的电动机技术方案，适用于各种类型的电动机，如：旋转式与直线式、连续 运转式与步进式、单向式与双向式（包括往复式）、固定转速型与变速型，高、中、低各种速 度档次，大、中、小各种功率档次，等等。
[0015] 根据定子与转子的磁极对数是否相等，将电动机分为等极式电动机（其定子的磁 极对数与转子的磁极对数相等）和差极式电动机（其定子的磁极对数与转子的磁极对数不 相等）。两者相比较，等极式电动机，设计制造较简单，能效较低，性能较差（有启动死角，运 转不平稳），就像汽车发动机的所有气缸都连接在曲轴的同一个角度上；差极式电动机，设 计制造较复杂，能效较高，性能较好（无启动死角，运转较平稳），就像汽车发动机的各气缸 连接在曲轴的不同角度上。
[0016] 在转子的磁极与定子的磁极相对位置不同的时间段，定子磁极的励磁及其极性如 图1至图8所示。图中①为定子的一个磁极，②、③、④、⑤、⑥为转子的磁极编号，转子的旋 转方向为顺时针。定子磁极①的励磁电流的波形如图9所示，图9为理想曲线，实际应用中 可以是接近的曲线，或者将图9作为各时刻励磁电流峰值的包络线。
[0017] 转子处于图1的位置时，定子磁极①开始励磁，励磁电流的方向如图1所示，此时 对应于图9中A点。磁极①为N极，对转子的磁极③施以顺时针方向的推力，并对转子的磁 极②和磁极④施以拉力，对磁极②和磁极④的净拉力为顺时针方向，磁极①对转子其它磁 极的作用力可以忽略。
[0018] 转子处于图2的位置时，对应于图9中C点。磁极①为N极，对转子的磁极③施以 顺时针方向的推力，并对转子的磁极④施以顺时针方向的拉力，磁极①对转子其它磁极的 作用力可以忽略。
[0019] 转子处于图3的位置时，对应于图9中E点。磁极①提前将励磁电流回馈到供电 电路，为励磁电流换向做准备。
[0020] 转子处于图4的位置时，对应于图9中EF的中点。此时磁极①的励磁电流为零。 考虑到电动机的设计和制造误差，为了避免主动做负功，保持该段为零电流是必要的。值得 一提的是，即使励磁电流为零，也不意味着该磁极无磁场，这是因为该磁极会传导其它磁极 的磁场，并被附近的转子磁极所磁化。
[0021] 从图4的位置算起，直到磁极①的绕组产生足够的S极励磁电流，足以抵消转子磁 极的磁化作用，在这段时间，由于转子磁极④的磁化作用，实际上定子磁极①是在被动地对 转子做负功。为了减小甚至避免这种负功，可以将磁极①的S极励磁适当提前。类似情况 可参照处理。
[0022] 转子处于图5的位置时，定子磁极①开始励磁，励磁电流的方向如图5所示，此时 对应于图9中F点。磁极①为S极，对转子的磁极④施以顺时针方向的推力，并对转子的磁 极③和磁极⑤施以拉力，对磁极③和磁极⑤的净拉力为顺时针方向，磁极①对转子其它磁 极的作用力可以忽略。
[0023] 转子处于图6的位置时，对应于图9中Η点。磁极①为S极，对转子的磁极④施以 顺时针方向的推力，并对转子的磁极⑤施以顺时针方向的拉力，磁极①对转子其它磁极的 作用力可以忽略。
[0024] 转子处于图7的位置时，对应于图9中J点。磁极①提前将励磁电流回馈到供电 电路，为励磁电流换向做准备。
[0025] 转子处于图8的位置时，对应于图9中JK的中点。此时磁极①的励磁电流为零。
[0026] 图9中的曲线体现了定子磁极①在各时刻磁饱和电流的大小。在B点，由于转子 磁极③的磁场在定子磁极①处的方向与定子磁极①自身磁场的方向相反，因而此时定子磁 极①的磁饱和电流稍大些。在D点，由于转子磁极④的磁场在定子磁极①处的方向与定子 磁极①自身磁场的方向相同，因而此时定子磁极①的磁饱和电流要小些。在G点、I点，定 子磁极①的磁饱和电流大小与B点、D点类似，只是方向相反。
[0027] 从图1到图2,再到图3,由于转子的转动，定子磁极①的绕组所感应的电动势与定 子磁极①的励磁电压方向相反，也就是说，一旦转子转动起来，定子磁极的励磁电路必须克 服该反向的感应电动势。不过，当定子磁极需要停止励磁时（转子接近图3的位置），该反 向的感应电动势会使励磁电流加速变为零。从图5到图6,再到图7,情况与此类似。
[0028] 由于磁极电感量的存在，励磁电流不能突变，如图9中的A-B段、D-E段、F-G段、 I_J 段。
[0029] 从图1到图8,转子各磁极与定子各磁极之间的相对位置的确定，需要位置传感系 统来完成。位置传感有多种方式，如：
[0030] 1.光电式位置传感系统--光栅
[0031] 根据光路的不同，又分为反光式、透光式和背光式。
[0032] 反光式位置传感系统是在转子上安装反光板，在停止励磁的区间刷上黑色（低反 光率），在某一励磁方向的区间刷上灰色（中等反光率），在另一励磁方向的区间刷上白 色（高反光率），发光元件和读头都安装在反光板印有位置信息的这一侧，发光元件提供光 源，使反光板光照均匀，照度适当。在定子的每个磁极对应位置分别安装一个读头，配对同 步或分组同步的磁极可共用一个读头。
[0033] 读头由光学系统、光敏兀件、偏置和放大电路构成。光学系统分两种，一种是透镜 系统，另一种是针孔结构或者有一定深度的缝隙结构（缝隙长度的方向为径向）。光敏元件 安装在光学系统之后，反光板上的对应位置在光敏元件处成像。光敏元件一般需要偏置电 路，放大电路根据成像信号输出控制信号给励磁电路。
[0034] 也可以在定子的同一个磁极相应的位置安装两个读头（两个读头径向分布），分 别控制两个不同的励磁方向，在反光板上只要刷黑白两色即可，需要某方向励磁的区间为 白色，停止某方向励磁的区间为黑色。
[0035] CD光盘及其读头系统也可应用于本发明的位置传感系统，属反光式。预先在CD光 盘上刻录相应的位置编码，应有径向编码和圆周方向的编码，启动和低速运行时，读取径向 编码；运行速度超过某值后，读取圆周方向的编码。将CD光盘安装在转子上，读头安装在 定子某个磁极相应的位置，由一个或若干个读头获取定子所有磁极励磁电路需要的控制信 号。
[0036] 条形码及其读码器也可应用于本发明的位置传感系统，属反光式。既可采用径向 编码、读码，也可采用圆周方向编码、读码，或者同时采用两个方向的编码、读码。将条形码 印刷在条码板上，将条码板安装在转子上，读码器安装在定子某个磁极相应的位置，由一个 或若干个读码器获取定子所有磁极励磁电路需要的控制信号。
[0037] 透光式位置传感系统是在转子上安装遮光板，遮光板上对应于转子各磁极相应的 位置开设透光孔或透光槽（在遮光板的边缘开设的即为透光槽，看上去遮光的部分即为 齿）。可以在遮光板两个不同直径的圆周上开设两组透光孔，以区别两个不同方向的励磁； 也可以在遮光板的同一个圆周上分别开设半透孔和全透孔，分别对应两个不同方向的励 磁。在定子各磁极相应的位置、遮光板开有透光孔的两侧分别配对安装发光元件和读头。
[0038] 如果遮光板采用透明材质，印刷上半透光或不透光的图形，效果也一样，而且转动 起来阻力更小。
[0039] 背光式位置传感系统是在转子上安装背光板，背光板采用透明材质，光源从背光 板的背面或侧面照向背光板，在背光板的正面印刷上与转子各磁极相对应的图案，图案可 以是高、中、低三档透光率的，也可以是高、低两档透光率的，或者是编码的高、低两档透光 率的。在背光板正面一侧、定子各磁极相应的位置安装读头。
[0040] 作为背光式位置传感系统的特例，智能液晶光栅能根据不同的转速，自动调整与 转子各磁极相对应的图案，以加快提速到预定转速；通过指令，辅助实现调速、换向。
[0041] 在光栅的反光板或遮光板或背光板上可以做出或安装电动机散热风扇的叶片。
[0042] 2.电磁式位置传感系统
[0043] 类似电脑软盘或硬盘，将盘片安装在转子上，盘片上对应于转子各磁极不同的位 置预先录制位置编码，磁头安装在定子某磁极相应的位置。
[0044] 3.机械式位置传感系统
[0045] 机械式位置传感系统有以下两种：
[0046] 第一种是类似电唱机的：将盘片安装在转子上，预先在盘片上刻录不同深度或有 径向位移的沟槽，与转子各磁极不同的位置相对应，探针安装在定子某磁极相应的位置。以 盘片上不同的深度或不同的径向位移或其编码表示转子磁极的相应位置。
[0047] 第二种是电路板加电刷式的，电路板上的铜皮制成合适的图形，并可以焊上合适 的电阻，电路板安装在转子上，两个或更多电刷安装在定子的结构上，电刷与电路板的触点 在定子某磁极相应的位置并呈径向分布。以两触点间的通与断或不同的阻值表示转子磁极 的不同位置。甚至可以在电路板上镀上金属膜或碳膜，使电路板与电刷构成电位器，以不同 的阻值表示转子磁极的不同位置。
[0048] 有编码的位置传感系统需要配置单片机来解码并控制各磁极的励磁。
[0049] 电动机的限速和调速：
[0050] 在电动机空载和轻载时，为了避免因转速过高而损坏零部件，必须对电动机的最 高转速加以限制，本发明的电动机方案的限速措施有以下三种：
[0051] 第一种是降低励磁电流；
[0052] 第二种是缩短励磁时间；
[0053] 第三种是停止某些磁极的励磁。
[0054] 这三种方式也是本发明的电动机方案的调速方式。
[0055] 电动机的换向（改变运转方向）：
[0056] 对于励磁电路由单片机控制的电动机，只要单片机的程序包含两种运转方向，并 通过某种方式选择运转方向即可；
[0057] 在位置传感系统中，将光栅（或其它盘片）相对于转子转过某个角度，并且将其固 定，即可改变电动机的运转方向。
[0058] 另一种改变电动机运转方向的办法是：设置两套位置传感系统，各自代表一种运 转方向。工作时选择与想要的运转方向对应的位置传感系统即可。这两套位置传感系统可 以将某些零部件合在一起，或共用某些零部件。
[0059] 采用本发明所公开的电动机技术方案的有益效果是：
[0060] 一、提高了电能利用率，从而降低了能耗，并减少了电动机的发热量，降低了电动 机的散热要求；
[0061] 二、无机械式换向器，从而避免产生换向器与电刷之间的电火花，消除了火灾隐 患，并省掉了这方面的维护保养；
[0062] 三、在同等尺寸规格下，与传统电动机相比，可提升扭矩和转速；
[0063] 四、本发明的电动机技术方案，应用于电动车上，可延长电动车的续航里程；
[0064] 五、本发明的电动机技术方案，应用于轨道列车上，可将定子磁极安装在轨道上， 转子磁极安装在列车上，由于是直接驱动，省掉了传动环节，避免了传动带来的损耗。还可 以将列车上的部分磁极用于驱动，而将另一部分磁极用于动态变压器或发电磁极，所产生 的电力供列车使用，从而实现非接触电力传输，避免了由于动态供电的接触电阻带来的损 耗。列车启动时将更多磁极乃至所有磁极用于驱动；列车正常速度运行时，部分磁极用于发 电；列车需要减速时，更多的磁极用于发电。
[0065] 总之，采用本发明所公开的电动机技术方案，设计和制造出来的电动机，既节能环 保，又提高了电动机的性能，减少了电动机的使用费用。
[0066] 大部分的固定设备和部分移动设备都是靠电动机提供动力，本发明对于电动机而 言将是里程碑式的进步，将为节能环保做出巨大贡献。
[0067] 本说明书中，"定子"与"转子"互换，同样成立。

【专利附图】

【附图说明】
[0068] 图1至图8为转子磁极在不同的位置，定子磁极的励磁情况示意图。
[0069] 图9为定子磁极的励磁电流曲线图。
[0070] 图10为差极式电动机结构示意图。
[0071] 图11为逆时针方向旋转的电动机结构示意图。
[0072] 图12为定子磁极的实际励磁电流波形图。
[0073] 图13为自动调节透光窗的光栅结构示意图。
[0074] 图14为定子磁极的励磁电路原理图。

【具体实施方式】
[0075] 实施例1.差极式电动机
[0076] 如图10所示，转子有3对磁极，且为永磁体。
[0077] 定子有4对磁极，且同一直径上的一对磁极绕组并联（该对磁极绕组，绕线方向相 反）。
[0078] 本电动机的磁极差为2 (定子有8个磁极，转子有6个磁极）。
[0079] 定子同一直径上的一对磁极同步励磁时，转子磁极的对数最好为奇数，这样，定子 同一直径上的一对磁极励磁时，分别为N极、S极，对其它暂停励磁的磁极影响最小；而当该 组磁极暂停励磁时，受其它磁极的影响也是最小。
[0080] 光栅安装在转子的同一轴上，透光窗分布于两个圆周上，运转时，转子顺时针方向 旋转，外圈的透光窗（包括透光窗（a)、（c)、（e))对应于N极，S卩：当该透光窗位于某定子 磁极处，则该定子磁极励磁极性为N极；内圈的透光窗（包括透光窗（b)、（d)、（f))对应于 S极。
[0081] 在定子磁极（1)、（2)、（3)、（4)各自的中心线上分别安装两套光收发器，其中一套 光收发器位于外圈透光窗的圆周上，另一套光收发器位于内圈透光窗的圆周上。
[0082] 在图10所示的坐标中，定子磁极（1)、（2)、（3)、⑷中心线的角度分别为0°、 45°、90°、135°，光收发器也位于这些角度上。透光窗（a)、（b)、（c)、（d)、（e)、（f)的 透光角度分别为 5。?30°、65。?90°、125。?150。、185。?210。、245。?270。、 305° ?330°。
[0083] 在图10所示的位置，定子磁极⑷和⑶励磁，磁极⑷为N极，磁极⑶为S极。 磁极（4)和（8)都对转子产生顺时针方向的推力。当转子顺时针方向转过15°后，磁极（4) 和⑶才停止励磁。当转子自图10所示的位置顺时针方向转过5°后，磁极⑴和（5)开 始励磁，磁极⑴为N极，磁极（5)为S极，磁极⑴和（5)都对转子产生顺时针方向的推 力。
[0084] 可见，当转子自图10所示的位置顺时针方向转过5°后，再继续转10°的时间内， 磁极⑴和（5)、（4)和⑶都在励磁，
[0085] 每个透光窗的跨度为25°，这意味着定子磁极每次励磁时，持续推动转子转过 25。。
[0086] 类似上述分析可知，转子磁极（9)处于不同的角度时，定子磁极的励磁情况如下 表：
[0087]

【权利要求】
1.高效电动机，其特征在于，在组成方面，由定子、转子、励磁电路、位置传感系统及壳 体组成；在励磁方面，定子或转子的每个磁极，独立地或分组地利用位置传感系统的信号， 适时地以正确的极性励磁，对离它较近的转子或定子的磁极进行推或拉，以产生动力，并避 免定子磁场主动对转子做负功；在停止励磁时，将当前的励磁电流回馈到供电电路，以充分 利用电能，提尚效率。
【文档编号】H02K29/10GK104269988SQ201410552842
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】宋建国 申请人:宋建国