CN113644760A - 一种高效大转距的可控电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效大转距的可控电动机，包括：第一电磁铁组、第二电磁铁组、第三电磁铁组、衔铁，所述第一电磁铁组用于与第一交流源连接，所述第二电磁铁组用于与第二交流源连接，所述第三电磁铁组用于与第三交流源连接，所述衔铁与所述第一电磁铁组相对设置，所述衔铁能够相对于各个电磁铁组移动，三个电磁铁组并列依次设置，三个交流源的相位差依次为2/3Π，当所述可控电动机通电并开始工作，所述衔铁在各个电磁铁组的作用下从所述第一电磁铁组处向所述第三电磁铁组处移动。本发明提供的高效大转距的可控电动机提高了使用永磁体电动机的使用寿命，无功损耗小，功率因数高。

Description

一种高效大转距的可控电动机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种高效大转距的可控电动机。
背景技术
当今时代，电动机几乎无处不在。从单纯作为动力源，逐步发展为自动控制***中的执行器件。常规应用中的直流电动机可控性差(传递函数为二阶环节)，感应异步电动机又不具备控制性能。当设备装置中动力***人工无能介入而必须自动调节，传统方法是***伺服环节及加入反馈构成闭环控制。这样***结构复什，稳定域狭窄，品质相对低劣。因此，探索大转矩可控电动机成为追求的目标。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高效大转距的可控电动机。所述技术方案如下：
本发明提供了一种高效大转距的可控电动机，所述可控电动机包括：
第一电磁铁组，所述第一电磁铁组用于与第一交流源连接；
第二电磁铁组，所述第二电磁铁组用于与第二交流源连接；
第三电磁铁组，所述第三电磁铁组用于与第三交流源连接；
衔铁，所述衔铁与所述第一电磁铁组相对设置，所述衔铁能够相对于各个电磁铁组移动；
三个电磁铁组并列依次设置，三个交流源的相位差依次为2/3Π，当所述可控电动机通电并开始工作，所述衔铁在各个电磁铁组的作用下从所述第一电磁铁组处向所述第三电磁铁组处移动。
进一步地，所述第一电磁铁组、所述第二电磁铁组、所述第三电磁铁组均分别包括两个并列设置的电磁铁，其中的任一电磁铁均包括一对磁极，磁极的分布方向与电磁铁组的排列方向平行或大致平行；当电磁铁组通电时，同组两个电磁铁的磁极分布方向相反。
进一步地，任一电磁铁的两磁极之间设有一凹陷部。
进一步地，磁极的宽度与凹陷部的宽度相等或大致相等。
进一步地，相邻的电磁铁之间的距离与所述凹陷部的宽度相等或大致相等。
进一步地，所述衔铁的长度为所述凹陷部的宽度的2.5～3.5倍。
进一步地，所述衔铁的数量为多个，所述衔铁上设置有永磁体，使得所述衔铁朝向所述电磁铁的侧部具有磁性，并且，相邻衔铁的朝向所述电磁铁的侧部的磁性相反。
进一步地，所述可控电动机为旋转电动机，所述的各个电磁铁设置于第一虚拟圆的圆周上，多个衔铁设置于第二虚拟圆的圆周上，所述电磁铁相对于所述第一虚拟圆的圆心固定地设置，所述衔铁能够相对于所述第二虚拟圆的圆心转动，所述第一虚拟圆和所述第二虚拟圆通信设置，且所述第一虚拟圆的直径大于所述第二虚拟圆的直径。
进一步地，所述电磁铁的数量为12*N，所述衔铁的数量为8*N，其中N为正整数。
进一步地，N＝2。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
永磁体不易消磁，提高了使用永磁体电动机的使用寿命；降低了铁芯励磁极性变更频度，并很大程度宿短铁芯磁化回路，降低铁损，实现高效；无功损耗小，功率因数高；电动机出力密度高,很大程度上减小了体积重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的可控电动机的三相供电源的电压-时间图像；
图2是本发明实施例提供的可控电动机的十二齿方案的示意图；
图3是本发明实施例提供的可控电动机的二十四齿方案的旋转式电动机的示意图；
图4是本发明实施例提供的原理参考示意图。
其中，附图标记分别为：1-电磁铁，2-磁极，3-衔铁，4-励磁铁芯，5-线圈，6-凹陷部。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本发明的一个实施例提供了一种高效大转距的可控电动机，所述可控电动机包括：
第一电磁铁组，所述第一电磁铁组用于与第一交流源连接；
第二电磁铁组，所述第二电磁铁组用于与第二交流源连接；
第三电磁铁组，所述第三电磁铁组用于与第三交流源连接；
衔铁3，所述衔铁3与所述第一电磁铁组相对设置，所述衔铁3能够相对于各个电磁铁组移动；
三个电磁铁组并列依次设置，三个交流源的相位差依次为2/3Π，当所述可控电动机通电并开始工作，所述衔铁3在各个电磁铁组的作用下从所述第一电磁铁组处向所述第三电磁铁组处移动，参见图2中标示的方向。
三个交流源也可称为三相供电源，参见图1。
参见图2，在本发明的一个实施例中，所述第一电磁铁组、所述第二电磁铁组、所述第三电磁铁组均分别包括两个并列设置的电磁铁1，其中的任一电磁铁均包括一对磁极，磁极的分布方向与电磁铁组的排列方向平行或大致平行；当电磁铁组通电时，同组两个电磁铁的磁极分布方向相反，磁极的相反分布可以由两电磁铁的绕线方向相反或供电方向相反来达成。
在本发明的一个实施例中，任一电磁铁1的两磁极之间设有一凹陷部6。
在本发明的一个实施例中，磁极2的宽度与凹陷部6的宽度相等或大致相等。
在本发明的一个实施例中，相邻的电磁铁1之间的距离与所述凹陷部6的宽度相等或大致相等。
在本发明的一个实施例中，所述衔铁3的长度为所述凹陷部的宽度的2.5～3.5倍。
在本发明的一个实施例中，所述衔铁的数量为多个，所述衔铁3上设置有永磁体，使得所述衔铁3朝向所述电磁铁1的侧部具有磁性，并且，相邻衔铁3的朝向所述电磁铁1的侧部的磁性相反。
在本发明的一个实施例中，所述可控电动机为旋转电动机，所述的各个电磁铁1设置于第一虚拟圆的圆周上，多个衔铁3设置于第二虚拟圆的圆周上，所述电磁铁1相对于所述第一虚拟圆的圆心固定地设置，所述衔铁3能够相对于所述第二虚拟圆的圆心转动，所述第一虚拟圆和所述第二虚拟圆通信设置，且所述第一虚拟圆的直径大于所述第二虚拟圆的直径。
在本发明的一个实施例中，所述电磁铁的数量为12*N，所述衔铁的数量为8*N，其中N为正整数。
在本发明的一个实施例中，N＝2，参见图3。
关于本发明实施例中技术方案的解释，需要先了解当前广泛应用中的直流电动机和交流感应电动机不可控问题原因；传统电动机工作机理均源于法拉第电磁原理和毕奥萨伐电磁定律；磁场对流动电子有作用力，即：
Figure BDA0003209983350000041
式(1)中FM为导体所受磁场的作用力；
dL为导***于磁场B中的有效元长度；
i是导体L中的电流；
如果导体L与磁场B方向垂直，则(1)式可简化成
FM＝BLi (2)
将(2)式导体L所受磁场B作用力构想成半径为r的旋转形式的电磁转矩，则
TM＝FMr＝BLir (3)
励磁极性总是成对呈现的大小相等方向相反偶极性，即B2＝-B1，当由N匝线圈励磁，导体L形成的转子直径为D的电磁转矩为；
Figure BDA0003209983350000051
(4)式中N为线圈总匝数,P为线圈5的个数。从电磁转矩的基本表达式各个参数中，没有能体现电机运行位移的状态量。这说明对传统电机进行直接控制是困难的。
5，本技术是直接利用励磁铁心对其磁路中被磁化衔铁产生吸力原理构成电动机；分折如下，参见图4：
以电流为I流经线圈W励磁铁芯，产生的磁通Φ经衔铁构成导磁回路，引起衔铁磁化而产生对铁芯的吸力。椐麦克斯韦电磁吸力说；它与磁力线穿过的磁极气隙面积及气隙磁感应强度平方成正比，表达式为；
Figure BDA0003209983350000052
(5)式中FM为衔铁的电磁吸力(N)，Bδ为气隙磁感应强度(T)，Sδ为气隙截面积(cm2)，因为Bδ＝Φδ/Sδ，代入(5)式则有；
FM＝49×10-7Φδ 2/Sδ (6)
(6)式中Φδ为气隙磁通量(麦克斯韦Wb)。当工作气隙很小时，忽略漏磁，可忍为Φδ＝Φ，又假设磁路未饱和，则可忽略磁阻即Rm＝0,RmL＝0,因为IW＝2ΦRδ，并将Φ＝IW/2Rδ与Rδ＝δ/μ0Sδ代入(6)式，得励磁铁芯对衔铁吸力为；
FM＝12.25(IW)2Sδδ-210-7 (7)
(7)式中IW为励磁铁芯上线圈安匝数(A)；Sδ为工作气隙的有效面积(CM2)；δ为工作气隙长度(cm)；
若将衔铁构思为半径为r电动机转子，则衔铁对旋转中心转矩为；
MM＝12.25(IW)2Sδ(αr)-210-7 (8)
(8)式中MM为电磁铁励磁导至衔铁磁化产生对中心距的转矩(N-M)，r为衔铁动程点弧度(Rd)轨迹对旋转中心O点半径(M)；α为铁芯磁极中心与衔铁工作中心间在旋转中心的夹角。
从(8)式可见：
a，当励磁回路确定，磁极与衔铁间动程工作面确定，转矩唯一应变量为夹角α；
b，夹角α大小决定动程范围，最大动程依椐结构设定，夹角α由大变小，吸力由小变大，当α→0，MM→∞出现拐点极值；
c，(IW)2与(αr)-2数理上为方向不定量，表示衔铁可在左右侧为随机仃位，即无定向性。
上述可表明只要解决吸力定向性，则以励磁铁芯对衔铁吸力原理是可作为一种新型电动机开发机理的。
因此得到以铁芯励磁4对衔铁3磁化产生吸力构思可控电动机的技术方案；
励磁铁芯4对被磁化衔铁能产生吸力并形成转矩，是衔铁运动位移应变量。拐点极值是数理上的特殊点，它可以作为识别励磁源作用下衔铁受力运动的关连点，即为状态识别点。
如何实现定向特性，可行的磁路结构，馈电波形和可变频率源的机理说明和具体适配措施和效果如下；
A.若采用三相正弦电压波形为励磁电源，其U、V、W三相相位差为
Figure BDA0003209983350000061
每隔
Figure BDA0003209983350000062
各相交替出现正负电压峰值，为对应最大吸力转矩点，即α＝0(图2)。对旋转型电动机几何角必然是电角度整数倍，励磁源频率决定电动机的同步转速，在不失步范围，转矩也随频率上升。这说明以磁化衔铁产生吸力机理构成电动机，只要磁路不饱和能获得很大转矩。
B.在每个衔铁3端部坎入永磁体，使每个衔铁N、S极性呈现间隔性连续分布。这样预置衔铁极性就能识别励磁铁芯相对衔铁的初始仃位，以最短时间投入开机状态并受励磁源相序作牵连运动，三相励磁源相序确定衔铁运动方向。
C.U、V、W，三相励磁铁芯以6个为“一个组”的称谓。正反向极性间隔励磁。将(图3)原理图转换成电动机实际结构展开图(图4)；它由12个励磁齿为定子和4对极性衔铁为转子，构成电角度为2∏的3相磁回路。
衔铁与铁芯组极面等长，由N、S间隔4对极组成。励磁源三相波相位差2/3∏，在同一时序U、V、W三相波内，对应时间座标t1、t2、…t6点示(图2)，其馈电压V有6次正负交替峰值Vmax。若以图示t1＝0起始，按时序每一个峰值点强励磁作用下，衔铁会在对应会吸合一次即对齐一次。衔铁右移∏/12，则1个周期3相波移动Π/2，4个时段3相波衔铁位移2Π。
D.铁芯励磁的磁感应强度Bs与衔铁永磁源磁感应强度Bp应呈现叠加的工作状态，以附合磁感应强度叠加原理即；
Figure BDA0003209983350000071
这不仅加强气隙磁感应强度Bδ，提高电动机出力。更重要的是这样磁路衔铁永磁体处于顺磁工作状态。并使衔铁永磁体与其负载无直接关系。这样电动机的过载能力强。早期永磁电动机磁路中，永磁体作为磁场源，工作点总是处于消磁状态，过载或不当工作状态都会导至永磁体的消磁，严格的永磁体工作点选取，往往无补于消磁现象的存在而影响寿命。因此，所述机理很大程度上提高了使用永磁体电动机的使用寿命。
E.在旋转式电动机的实际应用时的三相励磁铁芯，应采用偶数组组合。由于励磁铁心对衔铁即电动机转子产生轴向力，偶数组合，使轴向分力互相抵消。奇数组合时即使多组也难避免对轴产生极大侧向分力。不利于电动正常运转，也因此产生机械振动噪声。
F.电动机铁损对交流励磁频率极为敏感，在现行材料中作适应性选择外，合适的结构磁路和齿极的分布极为重要。本所述机理，有利于降低了铁芯励磁极性变更频度，并很大程度宿短铁芯磁化回路，降低铁损，实现高效。
G.电动机连续运转时，依次过转矩极值点，是同步性的表征。因此其负载电流与电压相位差小，无功损耗小，功率因数高。正是极值点的存在，易确定t0点，即易实现以时间为基础的控制方式。改变了对常规同步电动机不可控性。
因此得到结论：
A,以励磁铁芯对被磁化衔铁产生吸力，以上述结构组合，是可以构电磁吸力式可控电动机的。
B,这种结构形式电动机施以三相励磁，每个馈电波形时段中衔铁转子会出现6个力矩极值点，励磁源频率越高，空间单位时间内极值点越密，力矩越大，转速更平滑。
C,以每相2个铁芯，6个铁芯构成为一组三相励磁，为最佳组合结构。因这样结构磁路截面一致。工作附加谐波少，定转子齿极作用力合理。
D,磁路设计应避免饱和，数理极值点存在使电动机处于同步运行，损耗小效率高。
E,励磁源的电压峰值对应电动机输出力矩的极值点，而极值点正反映电动机转子的状态位。因此，以励磁源的峰值点为时基，能实现对电动机的运行状态量的正确控制。
F,本所述机理构成电动机出力密度高,很大程度上减小了体积重量。
以下为一个应用实例：
参见图3所示的实际应用的35Kw高效大转矩可控电动机。由2个组12个励磁铁芯，即相似於24个齿槽的常规电动机定子铁芯。转子也就对应为8对极构成衔铁回路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效大转距的可控电动机，其特征在于，所述可控电动机包括：
第一电磁铁组，所述第一电磁铁组用于与第一交流源连接；
第二电磁铁组，所述第二电磁铁组用于与第二交流源连接；
第三电磁铁组，所述第三电磁铁组用于与第三交流源连接；
衔铁，所述衔铁与所述第一电磁铁组相对设置，所述衔铁能够相对于各个电磁铁组移动；
三个电磁铁组并列依次设置，三个交流源的相位差依次为2/3Π，当所述可控电动机通电并开始工作，所述衔铁在各个电磁铁组的作用下从所述第一电磁铁组处向所述第三电磁铁组处移动。
2.如权利要求1所述的可控电动机，其特征在于，所述第一电磁铁组、所述第二电磁铁组、所述第三电磁铁组均分别包括两个并列设置的电磁铁，其中的任一电磁铁均包括一对磁极，磁极的分布方向与电磁铁组的排列方向平行或大致平行；当电磁铁组通电时，同组两个电磁铁的磁极分布方向相反。
3.如权利要求2所述的可控电动机，其特征在于，任一电磁铁的两磁极之间设有一凹陷部。
4.如权利要求3所述的可控电动机，其特征在于，磁极的宽度与凹陷部的宽度相等或大致相等。
5.如权利要求4所述的可控电动机，其特征在于，相邻的电磁铁之间的距离与所述凹陷部的宽度相等或大致相等。
6.如权利要求4或5所述的可控电动机，其特征在于，所述衔铁的长度为所述凹陷部的宽度的2.5～3.5倍。
7.如权利要求6所述的可控电动机，其特征在于，所述衔铁的数量为多个，所述衔铁上设置有永磁体，使得所述衔铁朝向所述电磁铁的侧部具有磁性，并且，相邻衔铁的朝向所述电磁铁的侧部的磁性相反。
8.如权利要求2所述的可控电动机，其特征在于，所述可控电动机为旋转电动机，所述的各个电磁铁设置于第一虚拟圆的圆周上，多个衔铁设置于第二虚拟圆的圆周上，所述电磁铁相对于所述第一虚拟圆的圆心固定地设置，所述衔铁能够相对于所述第二虚拟圆的圆心转动，所述第一虚拟圆和所述第二虚拟圆通信设置，且所述第一虚拟圆的直径大于所述第二虚拟圆的直径。
9.如权利要求8所述的可控电动机，其特征在于，所述电磁铁的数量为12*N，所述衔铁的数量为8*N，其中N为正整数。
10.如权利要求9所述的可控电动机，其特征在于，N＝2。
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