一种固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的制作方法

本发明涉及电机设计与制造技术领域，尤其是涉及固定电刷式机电混合无弧换向直流电机。

背景技术：

目前，现有技术采用机械换向的有刷直流电机和采用电子换向的无刷直流电机均具有广泛的应用。机械换向几乎不可避免的存在火花，且极有可能产生电弧；电子换向器虽然无火花，但增加了系统成本，且控制复杂。因此，中国发明专利cn106685148a和中国发明专利cn206294034u“一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机”提出了一种机电混合换向的无弧直流电机，该电机采用机械、电子混合换向，不需要额外的控制器和电力电子变换器，并解决了传统机械换向装置中电弧和火花问题。但该混合换向直流电机电刷和转子一同旋转，电刷磨损后存在动平衡问题，并且不便于电刷的维护和更换。另外，该混合换向直流电机的换向器由电源换向片和续流换向片组成，尺寸不同的两种换向片增加了制造成本。

现有技术亟需一种固定电刷式机电混合无弧换向直流电机，以克服上述缺陷，避免火花或电弧的产生，动平衡和维护不便等问题。

技术实现要素：

为了克服现有直流机电存在的不足，本发明提出了一种固定电刷式机电混合无弧换向直流电机，固定电刷式混合直流电机不存在动平衡问题，并且电刷的维护和更换方便。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

第一种方案为一种固定电刷式机电混合无弧换向直流电机其包括：定子、转子和换向装置；所述转子可转动的设置在所述定子围成的空间内，换向装置设置在所述转子和所述定子之间；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的所述定子为p对永磁体磁极，所述转子为星形联接的m相电枢绕组；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的气隙磁场和电动势为梯形波，电枢电流为方波；所述换向装置包括电子部分和机械部分；所述换向装置的机械部分包含电刷和换向器；

所述电刷包含电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流电刷，所述电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流电刷根据磁极位置固定在定子侧，所述电源正极电刷放在n极中心线位置；所述正向续流电刷位置滞后n极中心线60°电角度，60°/p机械角度；所述电源负极电刷放在s极中心线位置；所述反向续流电刷位置滞后s极中心线60°电角度，60°/p机械角度；

所述换向器固定在转子侧，随所述转子一同旋转；所述换向器包含p个换向片组，每个所述换向片组由m相换向片构成，彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布；每相所述电枢绕组连接到属于该相的p个换向片；每极每相换向片加上其前后绝缘云母片为360°/m电角度，360°/(pm)机械角度；同一极下，每相换向片互差360°/m电角度，360°/(pm)机械角度；不同极下，属于同一相的换向片互差360°电角度，360°/p机械角度。

第二种方案为一种固定电刷式机电混合无弧换向直流电机其包括：定子、转子和换向装置；所述转子可转动的设置在所述定子围成的空间内，换向装置设置在所述转子和所述定子之间；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的所述定子为p对永磁体磁极，所述转子为星形联接的m相电枢绕组；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的气隙磁场和电动势为梯形波，电枢电流为方波；所述换向装置包括电子部分和机械部分；所述换向装置的机械部分包含p个电刷组和换向器；

每个所述电刷组包含：电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流换电刷；所述电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流电刷根据磁极位置固定在定子侧，每个所述电刷组对应一对磁极；所述电源正极电刷放在n极中心线位置；所述正向续流电刷位置滞后n极中心线60°电角度，60°/p机械角度；所述电源负极电刷放在s极中心线位置；所述反向续流电刷位置滞后s极中心线60°电角度，60°/p机械角度；

所述换向器固定在转子侧，随所述转子一同旋转；所述换向器由m相换向片构成，彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布；每相所述电枢绕组连接到属于该相的一个换向片；每相换向片加上其前后绝缘云母片的电角度和机械角度均为360°/m，每相换向片互差的电角度和机械角度也均为360°/m。

优选地，p组换向片和p组电刷两种结构在一对磁极情况下完全一样。

优选地，在任意磁极对数情况下，换向装置的电子部分是相同的。

优选地，所述电子部分包含一套或多套续流缓冲电路，其中每套续流缓冲电路包括一个缓冲电容和正、反向两个续流桥臂，每个续流桥臂由三个二极管组成；所有的电源正极电刷连接直流电源正极，所有的电源负极电刷连接直流电源负极，所有的正向续流电刷和所有的反向续流电刷分别连接到正、反向续流桥臂的中点。

本发明的有益效果是:

1)换向装置包含一个或p个电刷组，其中一个电刷组由电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流换电刷组成。电刷根据磁极位置固定在定子侧，所以维护和更换方便，并且刷架的制造和装配简单。

2)换向器包含一个或p个换向片组，其中一个换向片组由m相换向片构成。换向片数量较少，且尺寸相同，所以便于制造，且成本较低。

3)换向器固定在转子侧，随转子一同旋转。换向器质量均匀，不易磨损，所以不存在旋转动平衡问题。

4)对于p对极电机有p组电刷和p组换向片两种结构，可根据实际应用场合择优选择，但两种结构在在一对磁极情况下完全相同。

附图说明

图1是本发明固定电刷式机电混合无弧换向直流电机三相一对形式的电气连接图。

图2是本发明固定电刷式机电混合无弧换向直流电机三相一对形式的结构图。

图3是本发明固定电刷式机电混合无弧换向直流电机采用两组换向片结构的三相两对极形式的电气连接图。

图4是本发明固定电刷式机电混合无弧换向直流电机采用两组换向片结构的三相两对极形式的结构图。

图5是本发明固定电刷式机电混合无弧换向直流电机采用两组电刷结构的三相两对极形式的电气连接图。

图6是本发明固定电刷式机电混合无弧换向直流电机采用两组电刷结构的三相两对极形式的结构图。

图中1.换向器，2.c相换向片，3.b相换向片，4.a相换向片，5.电源正极电刷，6.正向续流电刷，7.电源负极电刷，8.反向续流电刷，9.刷架，10.c相换向片，11.b相换向片，12.a相换向片，13.电源正极电刷，14.正向续流电刷，15.电源负极电刷，16.反向续流电刷。

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。

在本发明宽泛实施例中：一种固定电刷式机电混合无弧换向直流电机其包括：定子、转子和换向装置；所述转子可转动的设置在所述定子围成的空间内，换向装置设置在所述转子和所述定子之间；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的所述定子为p对永磁体磁极，所述转子为星形联接的m相电枢绕组；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的气隙磁场和电动势为梯形波，电枢电流为方波；所述换向装置包括电子部分和机械部分；所述换向装置的机械部分包含电刷和换向器；

所述电刷包含电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流电刷，所述电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流电刷根据磁极位置固定在定子侧，所述电源正极电刷放在n极中心线位置；所述正向续流电刷位置滞后n极中心线60°电角度，60°/p机械角度；所述电源负极电刷放在s极中心线位置；所述反向续流电刷位置滞后s极中心线60°电角度，60°/p机械角度；

所述换向器固定在转子侧，随所述转子一同旋转；所述换向器包含p个换向片组，每个所述换向片组由m相换向片构成，彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布；每相所述电枢绕组连接到属于该相的p个换向片；每极每相换向片加上其前后绝缘云母片为360°/m电角度，360°/(pm)机械角度；同一极下，每相换向片互差360°/m电角度，360°/(pm)机械角度；不同极下，属于同一相的换向片互差360°电角度，360°/p机械角度。

在本发明另一种宽泛实施例中：一种固定电刷式机电混合无弧换向直流电机其包括：定子、转子和换向装置；所述转子可转动的设置在所述定子围成的空间内，换向装置设置在所述转子和所述定子之间；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的所述定子为p对永磁体磁极，所述转子为星形联接的m相电枢绕组；所述固定电刷式机电混合无弧换向直流电机的气隙磁场和电动势为梯形波，电枢电流为方波；所述换向装置包括电子部分和机械部分；所述换向装置的机械部分包含p个电刷组和换向器；

每个所述电刷组包含：电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流换电刷；所述电源正极电刷、正向续流电刷、电源负极电刷和反向续流电刷根据磁极位置固定在定子侧，每个所述电刷组对应一对磁极；所述电源正极电刷放在n极中心线位置；所述正向续流电刷位置滞后n极中心线60°电角度，60°/p机械角度；所述电源负极电刷放在s极中心线位置；所述反向续流电刷位置滞后s极中心线60°电角度，60°/p机械角度；

所述换向器固定在转子侧，随所述转子一同旋转；所述换向器由m相换向片构成，彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布；每相所述电枢绕组连接到属于该相的一个换向片；每相换向片加上其前后绝缘云母片的电角度和机械角度均为360°/m，每相换向片互差的电角度和机械角度也均为360°/m。

本发明克服现有机电混合无弧换向多相直流方波电机的不足，特别是旋转电刷造成的动平衡和维护不便等问题。

根据附图1-6详细描述如下。

应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示三相一对极固定电刷式机电混合无弧换向直流电机实施例的电气连接图。图2为该实施例的结构图。在一对极情况下，换向片和电刷都只有一组，所以只有一种结构。

换向器1固定在转子侧，随转子一同旋转。转子电枢为星形联接的三相对称绕组a、b、c。换向器由三相换向片构成，分别为a相换向片4、b相换向片3和c相换向片2，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布。每相绕组分别连接到该相换向片。每相换向片加上其前后绝缘云母片的电角度和机械角度均为120°，它们互差的电角度和机械角度也均为120°。

电源正极电刷5、正向续流电刷6、电源负极电刷7和反向续流换电刷8根据磁极位置固定在定子侧：电源正极电刷5放在n极中心线位置，正向续流电刷6位置滞后n极中心线60°电角度和机械角度；电源负极电刷7放在s极中心线位置，反向续流电刷8位置滞后s极中心线60°电角度和机械角度。

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，正向续流桥臂由二极管d1、d2和d5组成，反向续流桥臂由二极管d3、d4和d6组成。电源正极电刷5连接直流电源正极u+，电源负极电刷7连接直流电源负极u－，正向续流电刷6、反向续流电刷8分别连接正、反向续流桥臂的中点。

电刷和换向器的滑动接触实现了电枢绕组的换向，续流缓冲电路保证了换向过程中无电弧产生。

直流电机以图1和图2中箭头所示方向运行时，每相绕组通过换向片依次与电源正极电刷5、正向续流电刷6、电源负极电刷7和反向续流电刷8滑动接触，并再次到达电源正极电刷5开始下一个循环。以a相为例：假设初始时刻a相绕组开始进入n极下，a相换向片4开始与电源正极电刷5接触，a相绕组正向导通；正向运行60°电角度后，a相绕组处于n极中心线下，a相换向片4开始与正向续流电刷6接触，但由于a相换向片4仍与电源正极电刷5接触，所以不进行续流；正向运行120°电角度后，a相绕组离开n极下，a相换向片4与电源正极电刷5断开，但仍与正向续流电刷6接触，a相绕组开始正向续流；正向运行180°电角度后，a相绕组开始进入s极下，a相换向片4与正向续流电刷6断开，开始与电源负极电刷7接触，a相绕组反向导通；同理，直到正向运行300°电角度后，a相绕组离开s极下，a相换向片4与电源负极电刷7断开，只与反向续流电刷8接触时，a相绕组开始反向续流。

换向片和电刷的滑动接触实现了电枢绕组电流的换向，一个周期内每相绕组有正向导通、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。

在极对数大于一的情况下，按照电刷和换向器组成方式，固定电刷式机电混合无弧换向直流电机有p组换向片和p组电刷两种结构。图3是采用两组换向片结构的三相两对极固定电刷式机电混合无弧换向直流电机实施例的电气连接图。图4是该实施例的结构图。

换向器1包含两个换向片组，其中一个换向片组由三相换向片2、3、4构成，另一个换向片组由三相换向片10、11、12构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布。每相电枢绕组连接到属于该相的两个换向片：a相绕组连接到换向片3和换向片11，b相绕组连接到换向片4和换向片12，c相绕组连接到换向片2和换向片10。每极每相换向片加上其前后绝缘云母片为120°电角度，60°机械角度。同一极下，每相换向片互差120°电角度，60°机械角度。不同极下，属于同一相的换向片互差360°电角度，180°机械角度。

两组换向片结构的电机只有电源正极电刷5、正向续流电刷6、电源负极电刷7和反向续流换电刷8四个电刷。电刷根据磁极位置固定在定子侧：电源正极电刷放在n极中心线位置，正向续流电刷位置滞后n极中心线60°电角度，30°机械角度；电源负极电刷放在s极中心线位置，反向续流电刷位置滞后s极中心线60°电角度，30°机械角度。对于两对极电机，每个电刷有两个位置可供选择，放置位置不影响电机换向。可采用图4中将电源正极电刷5和电源负极电刷7放在一对极下，将正向续流电刷6和反向续流换电刷8放在另外一对极下，从而使电刷在定子侧较均匀的分布。

图5是采用两组电刷结构的三相两对极固定电刷式机电混合无弧换向直流电机实施例的电气连接图。图6该实施例的结构图。

电机包含两个电刷组，其中一个电刷组由电源正极电刷5、正向续流电刷6、电源负极电刷7和反向续流换电刷8组成，另一个电刷组由电源正极电刷13、正向续流电刷14、电源负极电刷15和反向续流换电刷16组成。电刷根据磁极位置固定在定子侧，一组电刷对应一对磁极：电源正极电刷放在n极中心线位置，正向续流电刷位置滞后n极中心线60°电角度，30°机械角度；电源负极电刷放在s极中心线位置，反向续流电刷位置滞后s极中心线60°电角度，30°机械角度。

换向器由三相换向片构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布。每相电枢绕组连接到属于该相的一个换向片。每相换向片加上其前后绝缘云母片的电角度和机械角度均为120°，每相换向片互差的电角度和机械角度也均为120°。

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。