CN102801274A - 电子换向电励磁直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明创造公开了一种电子换向电励磁直流电机，包括机体(1)、定子铁芯(6)、转子铁芯(7)、转轴(4)、位置传感器(11)、传感磁钢(15)、控制器，转轴(4)设置在机体(1)上，转子铁芯(7)固定在转轴(4)上，定子铁芯(6)上至少设有一对定子电枢绕组(12)，所述的转子铁芯(7)上至少设有一对转子励磁绕组(16)，转轴(4)上固定有集电环(14)，机体(1)上固定有电刷总成(3)，转子励磁绕组(16)与集电环(14)连接，当超出设定值时，控制器根据定子电枢绕组(12)的负载电流大小调节转子励磁绕组(16)的励磁电压。采用本结构后，具有结构简单合理、工作稳定、效率高、过载能力好、效率高等优点。

Description

电子换向电励磁直流电机

技术领域

本发明创造涉及一种直流电机，特别是一种通过改变磁场调节输出扭矩的电励磁直流电机。

背景技术

目前直流电机主要可分为有刷电励磁直流电机、有刷永磁直流电机和无刷永磁直流电机。

有刷电励磁直流电机的结构如图1所示，包括机体1、换向器2、电刷总成3、转轴4、定子励磁绕组5、定子铁芯6、转子铁芯7、转子电枢绕组8、轴承9，定子励磁绕组5绕在定子铁芯6上，转子电枢绕组8绕在转子铁芯7上，通过定子励磁绕组5建立磁场。有刷永磁直流电机如图2所示，包括机体1、换向器2、电刷总成3、转轴4、转子铁芯7、转子电枢绕组8、轴承9、磁瓦10，转子电枢绕组8绕在转子铁芯7上，由磁瓦10提供磁场。上述二种直流电机均采用机械结构的方法换向，在进行机械换向时有机械摩擦，由此带来噪声、电火化、对无线电干扰、使用寿命短、负载能力差等致命弱点，以及制造成本高、维修困难等缺点，导致有刷电励磁电机和有刷永磁直流电机难以发展。

为了解决上述二种直流电机的弊病，开发了用电子换向取代机械换向的无刷永磁直流电机，如图4所示，它包括机体1、转轴4、定子铁芯6、转子铁芯7、轴承9、位置传感器11、定子电枢绕组12、磁钢13，其工作原理如图3所示，位置传感器11检测磁钢13相对于电枢绕组12的位置，把位置信号提供给控制器，控制器进行逻辑变换后产生脉宽调制的PWM信号，经过驱动电路放大后逆变推动功率开关管，从而使各定子电枢绕组12按一定顺序工作，并在气隙中产生有效跳跃式旋转磁场，转子磁场受到气隙中转动磁场的作用下沿着固定方向连续运转，直流电机输出动力，直流电源一般采用蓄电池。位置传感器11根据不同工作需要可采用磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器、触点开关式传感器等，目前最常用的位置传感器是磁敏式霍尔传感器。但在近年来，由于永磁材料，特别是稀土材料价格节节攀升，磁钢和磁瓦价格翻倍上涨，电机成本明显提高，再加上永磁材料离散性大、温度系数大以及电机制成后每极磁通及气隙磁场无法实现可调，当负载超过时电枢电流工作不稳定，过载能力差，容易烧机。由于存在上述问题，导致无刷直流电机难以迅速发展。

为此，许多生产厂家和有识之士进行了卓有成效地开发和研究，但至今尚未有合理的产品面世。

发明内容

为了克服上述直流电机存在的弊病，本发明创造的目的是提供一种结构简单合理、过载能力好、能使电机输出转矩稳定在最佳范围的电子换向电励磁直流电机。

本发明创造解决其技术问题所采用的技术方案，它包括机体、定子铁芯、转子铁芯、转轴、位置传感器、传感磁钢、控制器，转轴通过轴承可转动地设置在机体上，转子铁芯固定在转轴上，定子铁芯上至少设有二组定子电枢绕组，所述的转子铁芯上至少设有一对转子励磁绕组，转轴上固定有集电环，机体上固定有与集电环相配合的电刷总成，转子励磁绕组与集电环连接，当负载电流超出设定值时，控制器可根据定子电枢绕组的负载电流大小调节转子励磁绕组的励磁电压。

所述的位置传感器固定在定子铁芯上，传感磁钢固定在与位置传感器相对应的转子铁芯上。

所述的位置传感器固定在机体的端盖上，传感磁钢固定在与位置传感器相对应的转轴上。

所述的位置传感器是磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器和触点式传感器的任一种。

采用上述结构后，本发明创造与现有技术比较有如下优点和效果：

一是当电机正常工作时，由控制器控制电子换向调速运转，转子励磁绕组的励磁电压由控制器提供一个稳定基准小电流的励磁电压，为转子励磁绕组提供稳定磁场和气隙磁场，使电机平稳运转。

二是当负载超出设定值时，所需转矩增大，根据转矩M＝CΦmΦδIa，C为常数，Φm为每极磁通，Φδ为气隙磁通，定子电枢绕组电流Ia增大，控制器通过检测负载电流大小来调节转子励磁绕组电压值，该电压经过电刷总成、集电环加在转子励磁绕组上；由于电压升高，转子励磁绕组产生的每极磁通Φm、气隙磁通Φδ强度和密度增强，电机转速随之下降，转矩明显上升，定子电枢绕组电流Ia下降，使电机输出转矩稳定在最佳点上，电机得到平稳运行，提高了电机的过载能力。当负载下降时，控制器提供转子励磁绕组的电压也随之下调，转子励磁绕组中每极磁通Φm、气隙磁通Φδ强度和密度线性下降，直到负载电流达到正常设定值，转子励磁绕组的电压恢复到正常值，电机恢复正常工作状态，有效提高了电机的爬坡能力和过载能力。

三是结合了有刷电励磁直流电机和无刷永磁直流电机优点，具有结构简单合理、运行平稳、电机效率高、过载能力好、使用寿命长等优点。

附图说明

图1为现有的有刷电励磁直流电机结构示意图。

图2为现有的有刷永磁直流电机结构示意图。

图3为现有无刷永磁直流电机的控制原理框图。

图4为现有的无刷永磁直流电机结构示意图。

图5为本发明创造第一种实施方案的结构示意图。

图6为本发明创造第一种实施方案的转子结构示意图。

图7为本发明创造第二种实施方案的结构示意图。

图8为本发明创造第二种实施方案的转子结构示意图。

其中1机体，2换向器，3电刷总成，4转轴，5定子励磁绕组，6定子铁芯，7转子铁芯，8转子电枢绕组，9轴承，10磁瓦，11位置传感器，12定子电枢绕组，13磁钢，14集电环，15传感磁钢，16转子励磁绕组。

具体实施方式

图5和图6所示，为本发明创造电子换向电励磁直流电机的第一种具体实施方案，它包括机体1、定子铁芯6、转子铁芯7、转轴4、位置传感器11、传感磁钢15、控制器，转轴4通过轴承9可转动地设置在机体1上，转子铁芯7固定在转轴4上，定子铁芯6上至少设有三组定子电枢绕组12，所述的转子铁芯7上至少设有一对转子励磁绕组16，转轴4上固定有集电环14，机体1上固定有与集电环14相配合的电刷总成3，电刷总成3的二个电刷在圆周同一方向与集电环14相接触，当然，二个电刷也可以在圆周相对方向与集电环14相接触，或者二个电刷与集电环10的侧面相接触，转子励磁绕组16与集电环14连接，当负载电流超出设定值时，控制器可根据定子电枢绕组12的负载电流大小调节转子励磁绕组16的励磁电压。

所述的位置传感器11固定在定子铁芯6上，传感磁钢15固定在与位置传感器11相对应的转子铁芯7上。所述的位置传感器11是磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器和触点式传感器的任一种，根据检测要求和实际需要进行选择。

本发明创造的电机正常工作时，直流电源在控制器的控制下为电枢绕组12供电，由控制器控制电子换向及转速，控制器经电刷总成3和集电环14为转子励磁绕组16提供稳定的基准励磁电压，在正常工作时基准励磁电压保持不变，为转子励磁绕组16提供稳定磁场和气隙磁场，使电机在设定范围内平稳运转。由于电刷总成3不换向，为转子励磁绕组16提供的电流和电压低，不会产生电火花，电刷总成3和集电环14使用寿命长。

当负载超出设定值时，所需转矩增大，根据转矩M＝CΦmΦδIa，C为常数，Φm为每极磁通，Φδ为气隙磁通，定子电枢绕组电流Ia增大，当控制器检测到负载电流超出设定值后，控制器输出的励磁电压提高；由于励磁电压升高，转子励磁绕组16产生的每极磁通Φm、气隙磁通Φδ强度和密度增强，电机转速随之下降，转矩明显上升，定子电枢绕组12电流Ia下降，使电机输出转矩在最佳点上，电机得到平稳运行，提高了电机的过载能力。当负载下降时，控制器提供的励磁电压也随之下调，转子励磁绕组16中每极磁通Φm、气隙磁通Φδ强度和密度线性下降，直到负载电流恢复到正常设定值后，转子励磁绕组16的励磁电压也重新恢复到基准励磁电压，电机恢复正常工作状态。

图7和图8所示，为本发明创造电子换向电励磁直流电机的第二种具体实施方案，与第一种实施方案不同之处是：所述的位置传感器11固定在机体1的端盖上，传感磁钢15固定在与位置传感器11相对应的转轴4上，传感磁钢15与转子励磁绕组16的极数相一致。本实施例的工作原理与第一种实施方案的工作原理相同，在此不再重述。

Claims (4)

1.一种电子换向电励磁直流电机，包括机体(1)、定子铁芯(6)、转子铁芯(7)、转轴(4)、位置传感器(11)、传感磁钢(15)、控制器，转轴(4)通过轴承(9)可转动地设置在机体(1)上，转子铁芯(7)固定在转轴(4)上，定子铁芯(6)上至少设有三组定子电枢绕组(12)，其特征是：所述的转子铁芯(7)上至少设有一对转子励磁绕组(16)，转轴(4)上固定有集电环(14)，机体(1)上固定有与集电环(14)相配合的电刷总成(3)，转子励磁绕组(16)与集电环(14)连接，当负载电流超出设定值时，控制器根据定子电枢绕组(12)的负载电流大小调节转子励磁绕组(16)的励磁电压。

2.根据权利要求1所述的电子换向电励磁直流电机，其特征是：所述的位置传感器(11)固定在定子铁芯(6)上，传感磁钢(15)固定在与位置传感器(11)相对应的转子铁芯(7)上。

3.根据权利要求1所述的电子换向电励磁直流电机，其特征是：所述的位置传感器(11)固定在机体(1)的端盖上，传感磁钢(15)固定在与位置传感器(11)相对应的转轴(4)上。

4.根据权利要求2或3所述的电子换向电励磁直流电机，其特征是：所述的位置传感器(11)是磁敏式霍尔传感器、磁电式传感器、光电式传感器和触点式传感器的任一种。

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