一种并联电机模型结构及其运行方法与流程

1.本发明属于电机技术领域，尤其是涉及一种并联电机模型结构及其运行方法。


背景技术：

2.电机包括有刷电机和无刷电机，其中有刷电机由于其性能稳定，造价低等优点而被广泛用于一些要求不高的场合。
3.在只有一个线圈的情况下，无法保证转轴的连续转动，所以目前的电机都是使用多线圈的形式。但是目前的多线圈电机存在一个缺陷，例如各个线圈之间存在相互影响关系，一个线圈的状态会影响另一个线圈的状态，无法保证线圈的独立性；并且各个线圈无法实现并联工作。例如目前典型的有三线圈电机，三线圈电机的线圈接法有星型接法和角型接法，在星型接法中，根本不存在并联可能性。在角型接法中，如图1和图2所示，虽然存在并联电路，但各个线圈最多只有一组并联情况，例如电刷接触a、b两处时，等效电路如图2所示，l2与l3串联，l1与l2和l3的串联电路并联，在电刷接触b、c两点以及a、c两点与图2等效电路类似，只是各个线圈之间的串并联关系会发生变化。而申请人发现，并联模型的电机相对于串联模型的电机在电机性能和力矩输出等方面均具有明显的优势，但是目前的电机最多只能实现一组并联电路，而且线圈之间还存在影响关系，无法实现所有线圈相互并联，影响着电机的性能，如果能够实现所有线圈并联对电机领域将具有革新意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述问题，提供一种并联电机模型结构及其运行方法。
5.为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
6.一种并联电机模型结构，包括转子和定子，其特征在于，所述的转子包括相互独立的至少两个独立线圈；
7.所述的定子包括至少一对磁体对和至少一对由正导电环和负导电环构成的导电环对，每对磁体对包括第一磁体和第二磁体，且第一磁体的n极和第二磁体的s极分别用于作用于通电的独立线圈；
8.每个独立线圈均具有两个接电端点，一个接电端点用于电连接导电环对，另一个接电端点用于电连接导电环对或电连接接地电环，且电连接于导电环对的接电端点通过转子旋转改变所电连接的导电环；
9.且在一个旋转周期中，存在有至少两个独立线圈相互并联的时刻。
10.在上述的并联电机模型结构中，在一个旋转周期中，存在有至少三/四/五/六个独立线圈相互并联的时刻；
11.且在每个旋转周期中，存在至少两/三/四/五/六个独立线圈相互并联的时刻大于1/z旋转周期，z等于2、3、4或5；
12.两个接电端点均用于电连接导电环对，且导电环对中的正导电环用于接正极电源，负导电环用于接地；
13.或者，其中一个接电端点用于电连接接地电环，且导电环对中的正导电环用于接正极电源，负导电环用于接负极电源；
14.所述的接电端点在旋转过程中直接或间接滑动接触于接地电环/导电环对以与接地电环/导电环对实现电连接。
15.在上述的并联电机模型结构中，所述磁体对的数量与导电环对的数量一致，且当具有多对磁体对和多对导电环对时，多对磁体对周向依次分布，多对导电环对周向依次分布；
16.当磁体对/导电环对数量为一对时，线圈角度θ小于或等于180度；当磁体对/导电环对数量大于1对时，线圈角度θ与磁体对/导电环对对数的关系为：
[0017][0018]
n为磁体对/导电环对数量。
[0019]
在上述的并联电机模型结构中，线圈角度θ与磁体对/导电环对数量的关系为：
[0020][0021]
每个独立线圈的两个接电端点构成的轨迹圆心角α为：
[0022]
当磁体对/导电环对数量为一对时，α≤180,
[0023]
当磁体对/导电环对数量为大于一对时，α＜360/n，
[0024]
且α＞β，其中β表示相邻导电环有效段之间的空缺弧度。
[0025]
在上述的并联电机模型结构中，所述轨迹圆心角α与所述线圈角度θ相等，或所述轨迹圆心角α与所述线圈角度θ的角度差小于预设差值；
[0026]
所述的导电环周向均匀分布，且相邻导电环有效段之间的空缺弧度均小于设定角度；
[0027]
且所述的预设差值为50度、30度、20度或10度；
[0028]
所述的设定角度为30度、20度、10度或5度
[0029]
一种并联电机模型结构的电机运行方法，包括：
[0030]
a.所有电环通电，两个接电端点分别电连接于不同极性电环的至少两个独立线圈并联通电；
[0031]
且所述的电环包括正导电环、负导电环；或者所述的电环包括正导电环、负导电环和接地电环；
[0032]
b.所有通电的独立线圈分别形成磁场，且形成的n极/s极被附近第二磁体的s极/第一磁体的n极吸引以驱动转子转动；
[0033]
c.转子旋转过程中，通过转子的旋转使每组独立线圈的至少一个接电端点依次电连接于正导电环、负导电环以实现线圈换向。
[0034]
在上述的并联电机模型结构的电机运行方法中，在步骤a中，所有电环通电，两个接电端点分别电连接于不同极性电环的至少三/四/五/六个独立线圈并联通电；
[0035]
在步骤c中，通过转子的旋转使每个独立线圈中的一个接电端点依次电连接于正导电环、负导电环，另一个接电端点始终电连接于接地电环以实现线圈换向；或者，通过转
子的旋转使每个独立线圈的两个接电端点分别依次电连接于正导电环、负导电环以实现线圈换向；
[0036]
所述的接电端点在旋转过程中直接或间接滑动接触于接地电环/导电环对以与接地电环/导电环对实现电连接；
[0037]
在一个旋转周期中，至少有一个独立线圈具有360-2nβ的旋转角度处于通电状态；
[0038]
其中β为相邻导电环有效段之间的空缺弧度，n为导电环对/磁体对对数。
[0039]
在上述的并联电机模型结构的电机运行方法中，在一个旋转周期中，所有独立线圈具有360-2nβ的旋转角度处于通电状态。
[0040]
在上述的并联电机模型结构的电机运行方法中，在一个旋转周期中，至少有一个独立线圈的通电角度趋近于360度。
[0041]
在上述的并联电机模型结构的电机运行方法中，在一个旋转周期中，所有独立线圈的通电角度趋近于360度；
[0042]
且趋近范围在5度、10度或20度范围内。
[0043]
本发明的优点在于：
[0044]
使用导电环对代替电刷对，并取消换向器，无需换向器分配通电时间，通过独立线圈的接电端点滑动接触导电环对实现通电及电流换向，能够实现所有独立线圈并联的形式；
[0045]
所有独立线圈相互独立，任何一个独立线圈的状态不会影响到其他独立线圈，保证所有线圈的独立性，从而保证输出力矩平稳性；
[0046]
在理想状态下，导电环有效段弧度和轨迹圆心角α满足一定条件时，能够实现所有线圈全时工作，提高电机运行效率；
[0047]
通过并联方式连接各个线圈，能够在保证转矩输出不变的前提下降低损耗；
[0048]
通过周向分布多组较为密集的独立线圈，使磁场的作用力分布满整个转子的周向，提高磁场力作用效果，保证输出效果，提高工作效率。
附图说明
[0049]
图1是现有技术三线圈电机线圈接线示意图；
[0050]
图2是图1中三线圈的等效电路图；
[0051]
图3是导电环对和磁体对空间位置错开一定角度的示意图；
[0052]
图4是本发明独立线圈在铁芯上的绕设示意图；
[0053]
图5是本发明中一对磁极三个独立线圈的示意图；
[0054]
图6是本发明中三组180度独立线圈接电端点在一对导电环上的示意图；
[0055]
图7是本发明两组180度线圈的电机效果图；
[0056]
图8是本发明两组180度线圈的另一电机效果图；
[0057]
图9是本发明中两对磁极三个独立线圈的示意图；
[0058]
图10是本发明中三组90度独立线圈接电端点在两对导电环上的示意图；
[0059]
图11是本发明90度线圈的电机效果图；
[0060]
图12是传统电机的等效电路图；
[0061]
图13是本并联方案的等效电路图。
[0062]
附图标记：磁体对1；第一磁体11；第二磁体12；导电环对2；独立线圈3；接电端点31。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
[0064]
本实施例公开了一种并联电机模型结构及其运行方法，该并联电机模型对传统电机进行革新性的改进，取消换向器，使用电环对代替传统的电刷对，并且线圈具有两个接电端点，电环包括正导电环、负导电环；或者所述的电环包括正导电环、负导电环和接地电环。在线圈旋转过程中，每个独立线圈3中的一个接电端点31依次电连接于正导电环、负导电环，另一个接电端点31始终电连接于接地电环以实现线圈换向；或者，每个独立线圈的两个接电端点分别依次电连接于正导电环、负导电环以实现线圈换向；每个独立线圈相互独立地电连接电环使每个通电的独立线圈并联连接。
[0065]
所述的接电端点在旋转过程中直接或间接滑动接触于接地电环/导电环对以与接地电环/导电环对实现电连接；
[0066]
本领域技术人员受本技术的启发可以将本技术与现有技术的电机线圈设置方式相结合，如将部分线圈串联连接，部分线圈独立设置，或将由多组线圈串联而成的串联线圈作为独立线圈，然后将独立线圈相互并联等方式，无论是哪种方式，只要应用了本技术独立线圈相互并联的思路，都应当在本技术的保护范围内。下面为了体现本技术方案的优异性，以所有线圈独立设置为例进行详细介绍。此外，接电端点在旋转过程中可以直接或间接滑动接触于电环以与电环对实现电连接，下面以直接滑动接触为例。
[0067]
实施例一
[0068]
本实施例公开了一种多线圈并联电机，包括至少一对磁体对1和至少一对由两个分别用于提供正极电、负极电的正导电环和负导电环构成的导电环对2，以及相互独立的至少两个独立线圈3，如三个、四个、五个、六个等。每对磁体对1包括第一磁体11和第二磁体12，且第一磁体11的n极和第二磁体12的s极分别用于作用于通电的独立线圈3。每个独立线圈3均具有两个用于电连接导电环对2的接电端点31，具体到本实施例为具有两个用于滑动接触正导电环或负导电环的接电端点31，且在一个旋转周期中，存在有至少两个独立线圈相互并联的时刻，即在为所有导电环通电后，立刻或者在旋转一定角度后，两个接电端点31分别电连接于不同极性导电环的至少两个独立线圈会通电且相互并联。优选每个旋转周期中，存在至少两/三/四/五/六个独立线圈相互并联的时刻大于1/z旋转周期，z等于2、3、4或5。
[0069]
进一步优选所有时刻都有两个独立线圈相互并联。所有通电的独立线圈分别形成磁场，且形成的n极/s极被附近第二磁体的s极/第一磁体的n极吸引以驱动转子转动，通过转子的旋转使每组独立线圈3的两个接电端点31依次滑动接触于正导电环、负导电环以实现线圈换向。
[0070]
导电环可以根据需要安装在电机外壳等不进行转动的部位，各接电端点31可以通过任何方式固定在转轴上以实现在旋转过程中稳定地与导电环滑动接触，这里不进行限制，且接电端点31可以通过滑动接触导电环的上表面，下表面，内表面或外表面实现通电与换向。
[0071]
本实施例的独立线圈3通过两个接电端点31与导电环滑动接触，在转子旋转过程中每个独立线圈3独立地连接导电环，通过旋转切换接电端点31所接触的导电环实现换向，各个独立线圈3之间互不影响，能够实现多个独立线圈3同时通电，且同时通电的多个独立线圈3之间相互并联从而实现并联电机模型。
[0072]
优选地，磁体对1的数量与导电环对2的数量一致，本实施例在投入使用时优选所有导电环具有相同的弧度，所有磁体具有相同的弧度，导电环与磁体有相同或相近的弧度。
[0073]
当导电环对数和磁体对数均为一对时，正负导电环以旋转轴a为中心线相对称地设置，第一磁体11和第二磁体12也以旋转轴a为中心线相对称的设置。当具有多对导电环对数和磁体对数时，第一磁体11和第二磁体12以转轴为中心周向交替布置，正导电环和负导电环以转轴为中心周向交替布置。多对磁体对1和多对导电环对2均为均匀地周向依次分布。具体地，导电环对2与磁体对1的空间位置可以相互对应，也可以如图3所示错开一定角度，具体错开角度根据实际情况设计，这里不进行限定。
[0074]
需要说明的是，同一导电环/磁体可以为一整体，也可以如图8被切割为相邻的两个或多个，被切割为两个或多个的形式应当视为一个，故在实际使用时，将一个导电环/磁体切割为多个的形式不能规避本方案的保护范围。
[0075]
具体地，每个独立线圈3两个接电端点31构成的轨迹圆心角α的概念为：两个接电端点31位于与旋转轴a垂直的平面上，在该平面上两个接电端点31与旋转轴a的夹角即轨迹圆心角α。在一个电机模型中，所有独立线圈优选具有相同的线圈角度和轨迹圆心角，但是在实际应用中，不同的线圈角度和轨迹圆心角不应被排除在本发明的保护范围外。
[0076]
进一步地，当磁体对1/导电环对2数量为一对时，线圈角度θ小于或等于180度，当磁体对1/导电环对2数量为两对或多对时，线圈角度θ与磁体对/导电环对对数的关系为：
[0077][0078]
n为磁体对1或导电环对2数量。
[0079]
独立线圈3均由漆包线在铁芯的任意两个绕线槽上绕设而得，线圈角度指线圈在铁芯的360度圆周上所占据的角度，且理想情况下每个独立线圈的线圈角度θ为：
[0080][0081]
m为独立线圈所跨越的绕线槽数量；
[0082]
m为铁芯的绕线槽数量。
[0083]
如图4所示，当铁芯具有12个绕线槽时，独立线圈3的线圈角度为30(m+1)，如图4中，独立线圈l4、l6跨越绕线槽数量为5个，线圈角度为180度，即线圈在铁芯的360度圆周上占据180度角度；独立线圈l7跨越绕线槽数量为2个，线圈角度为90度，即线圈在铁芯的360度圆周上占据90度角。在实际应用中，线圈角度θ一般不会绝对等于
[0084]
而是
[0085]
优选地，线圈角度θ与磁体对1/导电环对2数量的关系为：
[0086][0087]
每个独立线圈的两个接电端点构成的轨迹圆心角α为：
[0088]
当磁体对/导电环对数量为一对时，α≤180,
[0089]
当磁体对/导电环对数量为大于一对时，α＜360/n，
[0090]
且α＞β，其中β表示相邻导电环有效段之间的空缺弧度。
[0091]
每个独立线圈3的线圈角度和轨迹圆心角α可以相同，可以不相同，优选相同或相近。
[0092]
在投入使用时优选在一个旋转周期中，至少使一个独立线圈具有360-2nβ的旋转角度处于通电状态。即至少有一个独立线圈的两个接电端点构成的轨迹圆心角α与导电环有效段的弧度一致。
[0093]
进一步优选，在一个旋转周期中，所有独立线圈具有360-2nβ的旋转角度处于通电状态。即所有独立线圈的两个接电端点构成的轨迹圆心角α均与导电环有效段的弧度一致。
[0094]
优选地，在一个旋转周期中，至少有一个独立线圈的通电角度趋近于360度，指所有相邻导电环有效段之间的空缺弧度趋近于零度以满足通电角度趋近于360，且至少有一个独立线圈的轨迹圆心角α与导电环有效段的弧度一致。
[0095]
这里的趋近指与360度(零度)并与360度(零度)之间的偏移差在很小的范围内，如1度、2度、5度、10度等小角度范围内。
[0096]
可以通过绝缘薄膜分隔两个相邻的导电环以使空缺弧度趋近于零，绝缘薄膜在条件允许情况下越薄越好。通电角度指独立线圈旋转一周(360度)过程中处于通电状态所占的角度。
[0097]
进一步优选地，在一个旋转周期中，所有独立线圈的通电角度无限趋近于360度。即所有相邻导电环有效段之间的空缺弧度趋近于零。且所有独立线圈的轨迹圆心角α与导电环有效段的弧度一致。还可以进一步使线圈角度也与轨迹圆心角相同或相近，相近指轨迹圆心角α与所述线圈角度θ的角度差小于预设差值，预设差值可以为50度、30度、20度或10度。
[0098]
下面分别以一对、两对、三对磁体对1/导电环对2数量情况进行说明：
[0099]
如图5所示为布置三个独立线圈的情况，本领域技术人员可以根据实际情况设置每个独立线圈的线圈角度，以及各个线圈之间的位置关系。
[0100]
当磁体对1/导电环对2数量为一对，如图6所示，线圈角度θ优选180度，轨迹圆心角α优选180度，在投入使用时，由于工艺和铁芯绕线槽数量等原因，尽量靠近180度即可，如170度等。如图6所示，当具有多个独立线圈时，如三个独立线圈，可以将三个独立线圈以旋转轴a为中心线周向交叉分布。在图6状态，l4、l5和l6三个独立线圈均处于通电状态，且三个独立线圈相互并联，在旋转过程中，三个独立线圈3在大多数情况下始终处于通电状态，除非其中一个接电端点31运动至正导电环和负导电环之间的空缺处，当两个导电环的弧度趋近于180度时(即空缺弧度趋近于零)，经过空缺处的时间可以忽略不计，如此便可以实现所有独立线圈3全时工作。当然，若是需要更多的线圈，则直接增加独立线圈3即可，增加的独立线圈3均与其余独立线圈3并联。
[0101]
如图9-图11所示，当磁体对/导电环对数量为两对时，同样可以设置三个独立线圈
3，线圈角度θ优选90度，轨迹圆心角α优选90度，导电环弧度趋近于90度，在投入使用时，三者都尽量靠近90度即可，三者可以相同也可以不相同。三个独立线圈l7、l8、l9可以依次设置，当然，在投入使用时还可以设置为更多个独立线圈；当磁体对1/导电环对2数量为三对时，线圈角度θ优选60度，轨迹圆心角α优选60度，导电环弧度趋近于60度，在投入使用时，三者均尽量靠近60度即可。
[0102]
如图12和13所示，下面对本方案线圈并联方案效果进行分析说明：
[0103]
以图7一对磁体，两对线圈按空间90度夹角布置的电机模型进行各组参数与传统电机的比较说明：
[0104]
(一)在同电流i值分析：
[0105]
损耗：
[0106]
p
传
＝i2r
[0107][0108]
转矩：
[0109]
t
传
＝t
新
＝ci
[0110]
p
传
为传统电机损耗；p
新
为本方案电机损耗；r为电阻；t
传
为传统电机转矩；t
新
为本方案电机转矩；c为常数；i为电流；r为电阻。
[0111]
在同电流下的结论：
[0112]
①
损失功耗，本方案比传统电机少50％
[0113]
②
转矩输出一样大。
[0114]
(二)在同电压u下分析：
[0115]
损耗：
[0116][0117][0118]
转矩：
[0119][0120][0121]
同电压下结论：损耗和转矩输出均比传统电机大1倍。
[0122]
(三)同转矩t下损耗：
[0123]
损耗：
[0124][0125][0126]
同转矩t
新
＝t
传
[0127]
ci1＝2ci2，即i1＝2i2，即
[0128]
结论：等转矩下，损耗传统电机比本方案电机大一倍。
[0129]
以上以两各独立线圈为例，独立线圈布置越多，以上优势更明显，这里不再赘述。
[0130]
本方案改变了传统电流切换方式和电流接电方式，每个独立线圈3的通电时间更长，磁体对1作用于每个独立线圈3的时间也相应地更长，而且任何一个线圈切换电流方向都不会影响其他线圈3的工作状态。本方案磁体对在理论上能够始终作用于转子的所有分布线圈，即能够对所有独立线圈始终有作用力输出，有效提高电机工作效率。此外，本电机模型所有线圈均并联设置，与传统电机相比，能够在转矩不变的前提下大大降低电机损耗。
[0131]
实施例二
[0132]
目前电机的供电方式有两种，一种是0-正电压供电，如0-5v，0-35v等，还有一种负电压-正电压供电，如-2.5v-2.5v，-12v-12v等。以0-5v和-2.5v-2.5v为例，实施例一中，在投入使用时，正导电环连接5v电源，负导电环接地，实现0-5v供电，本实施例中，正导电环连接2.5v电源，负导电环连接-2.5v电源，每个独立线圈3的两个接电端点31中，一个用于滑动交替接触所有正导电环、负导电环，另一个用于固定或滑动接触接地电环，当固定接触接地电环时，接地电环随转子一起转动，本实施例优选滑动接触接地电环，接地电环不转动。在投入使用时，每个独立线圈3的两个接电端点31中，一个始终接触于接地电环，另一个通过滑动接触改变所接触的导电环，当该另一个接电端点31接触的是-2.5v导电环时，该独立线圈3的电压为-2.5v，当该另一个接电端点31接触的是2.5v导电环时，该独立线圈3的电压为2.5v。此时由于其中一个接电端点31始终接触于接地电环，该接电端点31可以位于接地电环的任意位置，所以构成的轨迹圆心角可以为任意角度，且所有独立线圈31接触于接地电环的接电端点31可以合并为同一个。此时的轨迹圆心角α的概念为：两个接电端点沿旋转轴a轴向平移至同一与旋转轴a垂直的平面上，然后在该平面上与旋转轴a的夹角即轨迹圆心角α。接地电环的设置位置可以为在转轴轴向外侧，位于导电环对远离线圈的一端与导电环一起固定在电机外壳上，接地电环的圆心与导电环的公共圆心均在旋转轴a上。
[0133]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0134]
尽管本文较多地使用了磁体对1；导电环对2；线圈3；接电端点31等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。