一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机的制作方法

本发明涉及电机设计与制造的技术领域，特别是涉及机电混合无弧换向的多相直流方波电机。

背景技术：

目前，传统直流电机采用换向器和电刷组成的机械换向装置实现换向，在非理想情况下，被电刷短路的电枢线圈存在反电动势和电流，当其脱离电刷时出现过电压，并产生火花。另外，为了防止换向时产生电弧，造成环火故障，需要将换向器片间电压限制在十几伏之内，所以换向片数量繁多，导致换向器结构复杂，成本高昂，换向困难的直流电机通常还需配备换向极或者辅助换向电刷，进一步提高了成本。由于传统机械换向装置几乎不可避免的存在火花，且有可能产生电弧，同时还存在结构复杂、成本高昂等缺点，所以利用电子换向器的无刷直流电机应运而生，但电子换向器增加了系统成本，且控制复杂，在强电磁干扰场合可靠性较低。

中国发明专利CN1455500A“多相直流电动机的电源换向装置”提出了一种电源换向装置，该装置采用机械、电子混合换向，不需要额外的控制器和电力电子变换器，并试图解决传统机械换向装置中电弧和火花问题，但实际效果表明其难以抑制换向电弧和火花，而且这种换向装置中每相绕组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直流方波电机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直流方波电机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直流方波电机，所述多相直流方波电机换向装置的机械部分包括：电刷和换向器，每相电枢绕组通过电刷引出，换向器包含一个或多个换向片组，其中一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和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和其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P，换向器根据磁极位置固定在定子侧，全部绕组共用一个。

优选地，所述电刷随换向装置的转子旋转。

优选地，所述相邻电刷之间互差360°/m的机械角度。

优选地，所述多相直流方波电机的换向装置还包括续流缓冲电路，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，所述电源正极换向片连接直流电源正极，所述电源负极换向片连接直流电源负极，所述续流换向片Ⅰ和续流换向片Ⅱ分别连接一个二极管续流桥臂的中点。

优选地，所述续流缓冲电路的数量为一套或多套。

优选地，所述换向器所包含换向片组数应等于永磁体极对数，且电源正、负极换向片分别正对永磁体的N、S极。

优选地，所述电刷宽度需大于换向片间云母绝缘片宽度。

为了克服现有直流电机换向装置的不足，特别是电源换向装置中换向电弧和火花、换向片和续流桥臂冗余等问题，本发明提出了一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机，所述电机换向装置不会产生电弧，并明显减小换向火花，所需换向片数量较少，换向器结构简单，成本低廉，而且本发明的机电混合无弧换向的多相直流方波电机不需要额外的控制器和电力电子变换器，节省了系统成本；本发明的机电混合无弧换向的多相直流方波电机的全部绕组共用一个换向器，相对于现有技术的电源换向器，在相数较多的情况下大大减少了换向片和二极管续流桥臂，便于推广到多相电机，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是三相双极直流电机机电混合无弧换向装置和电枢绕组的电气连接图。

图2是三相双极直流电机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是三相四极直流电机机电混合无弧换向装置和电枢绕组的电气连接图。

图6三相直流电机电动状态工作时三相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：所述多相直流方波电机换向装置的机械部分包括：电刷和换向器，每相电枢绕组通过电刷引出，换向器包含一个或多个换向片组，其中一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和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和其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P，换向器根据磁极位置固定在定子侧，全部绕组共用一个。

以m相电枢绕组、P对极的无刷直流电机结构为基础，气隙磁场和电动势为梯形波，电枢电流为方波，但将定、转子倒置，定子为P对永磁体磁极，转子为星形联接的m相电枢绕组。

机电混合无弧换向装置正常工作需满足四大原则：

第一，电磁转矩恒定原则：为了保证电磁转矩恒定，换向器所包含换向片组数应等于永磁体极对数，且电源正、负极换向片分别正对永磁体的N、S极。

第二，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绕组连接，可能出现连接多相绕组的情况包括：多相绕组直接连接到同一续流换向片；多相绕组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；多相绕组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。

为避免相绕组直接连接到同一续流换向片，需相邻两电刷间机械角度大于续流换向片机械角度，可通过增加极对数，从而压缩续流换向片机械角度，或者减少相数，从而增加相邻两电刷间机械角度来实现。对于m相、P对极的直流电机，有m个电刷，相邻两电刷互差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电刷宽度的一半即可来避免与多相绕组连接。

为了避免多相绕组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，需综合考虑相数和极对数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。在绕组相数一定，只增加极对数的情况下，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。

为了避免多相绕组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，相邻两电刷间机械角度不能在120°/P～240°/P范围内。对于两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电刷宽度的一半来避免与多相绕组连接。

第三，绕组不悬空原则：为了保证绕组在完全脱离当前换向片前能连接到下一换向片，即任意时刻无绕组出现悬空状态，电刷宽度需大于换向片间云母绝缘片宽度。

第四，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电刷和电源换向片间隙。

续流过程中为了抑制起弧，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转速，门槛电场强度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，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。

根据以上四大原则可以确定任意相数、任意极对数直流电机的机电混合无弧换向装置结构。

如图1所示三相两极直流电机实施例，通过电刷1、换向器2和续流缓冲电路组成的机电混合无弧换向装置实现换向。转子电枢为星形联接的三相对称绕组A、B、C，每相绕组通过随转子旋转的电刷1引出，相邻两电刷1互差120°机械角度。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，固定在定子11上，且电源正极换向片3、负极换向片5分别正对永磁体的N、S极。在两极情况下，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。

在图2中，机电混合无弧换向的直流电机主要由电刷1、换向器2、转子8、转轴9、固定电刷的圆盘10、定子11和续流缓冲电路12组成。其中，换向器2固定在定子7上，且电源正极换向片3、负极换向片5分别正对永磁体的N、S极，续流缓冲电路12也固定在定子7上，电刷1固定在圆盘10上，圆盘10固定在转子8上随着一同旋转，从而带动电刷1旋转，实现电刷1和换向器2的滑动接触。如图3所示，电刷1在圆盘10上等间距分布，相邻两电刷1互差120°机械角度。换向器2固定在定子7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。

对于三相两极直流电机，相邻两电刷1互差120°机械角度，换向器只有一个换向片组，续流换向片Ⅰ4和续流换向片Ⅱ6加上其前后绝缘云母片7的机械角度为60°，任意时刻每一续流换向片至多只会与一相绕组直接连接；换向装置只需一套续流缓冲电路，每个续流桥臂只连接一个续流换向片，多相绕组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；对于两电刷间机械角度等于120°的临界情况，适当减小了续流换向片宽度，使其与电源换向片间的距离，即云母绝缘片7宽度大于电刷1宽度的一半，多相绕组不会通过不同续流桥臂连接到同一套续流缓冲电路。所以，该换向装置满足电磁转矩恒定原则和续流缓冲电路状态唯一性原则。同时电刷1宽度大于换向片间云母绝缘片7宽度，所以满足绕组不悬空原则。

直流电机以电动状态正常运行时，电枢绕组通过电刷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。电刷1和换向器2的滑动接触实现了电枢绕组电流的换向，一个周期内电枢绕组有正向导通、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中电刷1位置，当前时刻电容C电压为直流电源电压，C相绕组正向导通，B相绕组开始反向导通，A相绕组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。各相绕组交替正、反向续流，电容C循环充放电。

当所加直流电源电压低于电枢绕组电动势时，直流电机工作在制动状态。如图1中电刷1位置，C相绕组反向导通，B相绕组正向导通，A相绕组刚脱离电源负极换向片5开始正向续流，直流电源负极通过二极管D₄为A相绕组提供续流通道；当C相反向续流时，直流电源正极通过二极管D₁为其提供续流通道。

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电刷1和电源换向片间隙。

续流过程中为了抑制起弧，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为最低转速时电枢绕组电流，r为换向器内圆周半径。

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，续流过程持续时间Δt_max估算公式：

根据该时间Δt_max得到计算电容最大值C_max的计算公式：

其中：u_max、i_max为最高转速时电枢绕组电压、电流，L为电枢绕组电感。根据式(1)和式(3)计算得到的电容值满足电容选择原则。

如图5所示的三相四极直流电机机电混合无弧换向装置和电枢绕组的电气连接图。相邻两电刷1互差120°机械角度，换向器有两个换向片组，电源换向片机械角度为60°，续流换向片加上其前后绝缘云母片7后的机械角度为30°，任意时刻每一续流换向片至多只会与一相绕组直接连接；换向装置只需一套续流缓冲电路，每个续流桥臂连接两组换向片组中对应的两个续流换向片，且多相绕组不会通过这两个续流换向片连接到该续流桥臂；对于两电刷1间机械角度等于120°的临界情况，适当减小了续流换向片宽度，使其与电源换向片间的距离，即云母绝缘片7宽度大于电刷宽度的一半，多相绕组不会通过不同续流桥臂连接到同一套续流缓冲电路。所以，该换向装置满足电磁转矩恒定原则和续流缓冲电路状态唯一性原则。同时电刷1宽度大于换向片间云母绝缘片7宽度，所以满足绕组不悬空原则。根据式(1)和式(3)计算电容值则满足电容选择原则。

如图6所示直流电机电动状态工作时三相电流和电容电压示意图，每相依次循环正向导通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三相互差120°电角度。有绕组正向续流时电容C从零电压开始充电，达到直流电源电压后保持，直到有绕组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。