永磁電勵磁混合直流電機的製作方法

2023-11-10 07:23:32

專利名稱：永磁電勵磁混合直流電機的製作方法
技術領域：
本發明創造涉及一種直流電機，特別是一種通過改變磁場調節輸出扭矩的永磁電勵磁混合直流電機。
背景技術：
隨著社會的發展和科技的進步，生活水平不斷提高，能源緊缺及環境汙染問題卻是日益突出，電動汽車、電動三輪車和電動二輪車由於具有環保節能、操作簡單方便、運行成本省，近幾年得到快速發展，電動車無刷永磁直流電機供不應求。無刷永磁直流電機在現代節能家電及高檔工業設備中應用也相當普遍。
目前無刷永磁直流電機如圖2所示，它包括機體I、轉軸4、定子鐵芯6、轉子鐵芯7、軸承8、位置傳感器2、定子電樞繞組3、磁鋼5，定子電樞繞組3繞在定子鐵芯6上，磁鋼5固定在轉子鐵芯7上。無刷永磁直流電機工作原理如圖I所示，位置傳感器2檢測磁鋼5相對於電樞繞組3的位置，把位置信號提供給無刷控制器，無刷控制器進行邏輯轉換後產生脈寬調製的PWM信號，經過驅動電路放大後逆變推動功率開關管，從而使各定子電樞繞組2按順序工作，並在氣隙中產生有效跳躍式旋轉磁場，轉子磁場受到氣隙中轉動磁場的作用下沿著固定方向連續運轉，直流電機輸出動力，直流電源一般採用蓄電池。位置傳感器2根據不同工作需要可採用磁敏式霍爾傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、觸點開關式傳感器等。最常用的位置傳感器為磁敏式霍爾傳感器，其安裝位置通常有兩種方式第一種方式是將直接將磁敏式霍爾傳感器固定在定子鐵芯6上，利用磁鋼5作為感應磁體；第二種方式是磁敏式霍爾傳感器固定在機體I的端蓋上與轉軸4上的傳感磁鋼接近並保持一定間隙。現在也可與無位置傳感控制器配合使用，可省去位置傳感器，使電機結構更為簡便，由於控制器是現有技術在此不再描述。上述無刷永磁直流電機在使用過程中由於無法滿足如下要求1、當正常行駛時，要求電機轉速快、輸出扭矩小；2、當爬坡或大負載時，要求電機轉速慢、輸出扭矩大。導致在爬坡和大負載時常常使無刷永磁直流電機處於非正常狀態下運轉，迫使電動車電機在低效率區工作，導致電機堵轉、發熱，甚至停止轉動，引起蓄電池突然大電流和深度放電，造成電機、蓄電池、無刷控制器等重要部件受到衝擊損壞。為此，許多生產廠家和有識之士都進行了卓有成效地開發和研究，但至今尚未有合理的產品面世。

發明內容
為了克服現有無刷永磁直流電機存在的上述弊病，本發明創造的目的是提供一種結構簡單合理、能根據不同要求輸出不同扭矩的永磁電勵磁混合直流電機。本發明創造解決其技術問題所採用的技術方案，它包括機體、定子鐵芯、轉子鐵芯、轉軸，轉軸通過軸承可轉動地設置在機體上，轉子鐵芯固定在轉軸上，定子鐵芯上至少設有三組定子電樞繞組，轉子鐵芯表面至少設有一對磁鋼，所述轉子鐵芯上繞有與磁鋼表面磁極相一致的轉子勵磁繞組，轉軸上固定有集電環，機體上固定有與集電環相配合的電刷總成，轉子勵磁繞組與集電環連接。所述的磁鋼上設有至少一個導磁孔，轉子鐵芯深入該導磁孔內。所述的磁鋼安裝在轉子鐵芯表面的卡槽上。所述轉子鐵芯的繞線槽上設有過盈配合的絕緣插銷。所述的定子鐵芯上固定有位置傳感器，位置傳感器與磁鋼相對應。所述機體的端蓋上固定有位置傳感器，轉軸上固定有傳感磁鋼，位置傳感器與傳感磁鋼相對應。所述的位置傳感器是磁敏式霍爾傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器和觸點式
採用上述結構後，與現有技術比較有如下優點和效果一是正常工作時定子電樞繞組工作，轉子勵磁繞組不工作，由磁鋼提供磁場，其工作原理與無刷永磁直流電機相同，無刷控制器的控制電路進行邏輯變換後產生脈寬調製的PWM信號，經過驅動電路放大後逆變推動功率開關管，從而使各定子電樞繞組按順序工作，並在氣隙中產生有效跳躍式旋轉磁場，轉子磁場受到氣隙中轉動磁場的作用下沿著固定方向連續運轉，此時的轉矩為M = COmO 6 la, C為常數，Om為每極磁通，O 6為氣隙磁通，Ia為定子電樞繞組電流，這時不需要勵磁電流，電機在高轉速小扭矩工作狀態，可提高電動機的功率因數，而且在穩定運行時沒有轉子電阻損耗，從而使其效率比同規格的感應電機有所提高，而且永磁無刷直流電機在25% -120%額定負載範圍內均可保持較高效率和功率因數，從而使電機在運轉時，特別是輕負載運行時有著顯著的節能效果。二是當負載大於設定值時，例如爬坡、大負載，所需轉矩增大，根據M =COmO 6 Ia,定子電樞繞組電流Ia增大，當負載電流超過額定電流時,無刷控制器接通轉子勵磁繞組的電源，並通過檢測負載電流大小調節加載在轉子勵磁繞組上的電壓高低，電壓經過電刷總成、集電環加在轉子勵磁繞組上；轉子勵磁繞組通電後產生磁場，該磁場與磁鋼的磁場疊加在一起，每極磁通Om、氣隙磁通O 5強度和密度增強，電機轉速隨之下降，轉矩明顯增加，電機進入到低轉速大扭矩工作狀態，此時定子電樞繞組電流Ia下降，電機得到了平穩運行，提高了電機的過載能力。當負載下降後，無刷控制器提供轉子勵磁繞組電壓也隨之下調，使轉子勵磁繞組中每極磁通Om，氣隙磁通O 5強度和密度線性下降，直到負載電流達到正常設定值，無刷控制器自動切斷轉子勵磁繞組電源，電機恢復正常工作狀態，有效提聞了爬坡能力和過載能力。三是結合了有刷勵磁直流電機和無刷永磁直流電機優點，具有結構簡單合理、運行平穩、電機效率高、節能效果好、使用壽命長等優點。


圖I為現有無刷永磁直流電機的控制原理框圖。圖2為現有的無刷永磁直流電機結構示意圖。圖3為本發明創造第一種磁鋼結構的電機結構示意圖。圖4為本發明創造第一種磁鋼結構的轉子示意圖。圖5為本發明創造第一種磁鋼結構的轉子結構示意圖。圖6為本發明創造第一種磁鋼結構的磁鋼示意圖。
圖7為本發明創造第二種磁鋼結構的電機結構示意圖。圖8為本發明創造第二種磁鋼結構的轉子示意圖。圖9為本發明創造第二種磁鋼結構的轉子結構示意圖。圖10為本發明創造第二種磁鋼結構的磁鋼示意圖。圖11為本發明創造第三種磁鋼結構的轉子示意圖。圖12為本發明創造第三種磁鋼結構的轉子結構示意圖。圖13為本發明創造第四種磁鋼結構的轉子示意圖。圖14為本發明創造第四種磁鋼結構的轉子結構示意圖。
圖15為本發明創造第二種集電環方案的電機結構示意圖。圖16為本發明創造第三種集電環方案的電機結構示意圖。其中I機體，2位置傳感器，3定子電樞繞組，4轉軸，5磁鋼，6定子鐵芯，7轉子鐵芯,8軸承，9電刷總成，10集電環，11導磁孔，12轉子勵磁繞組，13不導磁插銷。
具體實施例方式圖3至圖6所示，為本發明創造永磁電勵磁混合直流電機第一種磁鋼結構的具體實施方案，它包括機體I、定子鐵芯6、轉子鐵芯7、轉軸4，轉軸4可轉動地設置在機體I上，轉子鐵芯7固定在轉軸4上，定子鐵芯6上至少設有三組定子電樞繞組3，磁鋼5直接固定在轉子鐵芯7表面，所述轉子鐵芯7上繞有與磁鋼5表面磁極相一致的轉子勵磁繞組12，轉軸4上固定有集電環10，機體I上固定有與集電環10相配合的電刷總成9，轉子勵磁繞組12與集電環10連接。所述的定子鐵芯6上固定有位置傳感器2，位置傳感器2與磁鋼5相對應。當然位置傳感器2也可以固定在機體I的端蓋上，與固定在轉軸4上的傳感磁鋼相對應，同樣能達到相同的效果。所述的位置傳感器2是磁敏式霍爾傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器和觸點式傳感器的任一種，根據檢測要求和實際需要進行選擇。圖7至圖10所示，為本發明創造第二種磁鋼結構的具體實施方案，與第一種磁鋼結構的具體實施方案不同之處是所述的磁鋼5上設有至少一個導磁孔11，轉子鐵芯7深入該導磁孔11內，導磁孔11不僅能使磁鋼5與轉子鐵芯7固定牢固，而且能使轉子勵磁繞組12產生的磁場直接透過導磁孔11與磁鋼5磁場疊加，共同產生的磁場強度明顯優於第一種磁鋼結構的具體實施方案。圖11和圖12所示，為本發明創造第三種磁鋼結構的具體實施方案，與第一種磁鋼結構的具體實施方案不同之處是磁鋼5安裝在轉子鐵芯7表面的卡槽上，轉子鐵芯7的繞線槽上設有過盈配合的絕緣插銷13，使轉子鐵芯7局部變形扣緊磁鋼5，保證磁鋼5與轉子鐵芯7固定可靠。圖13和圖14所示，為本發明創造第四種磁鋼結構的具體實施方案，與第三種磁鋼結構的具體實施方案不同之處是磁鋼5安裝在轉子鐵芯7表面的卡槽上，轉子鐵芯7的繞線槽上設有過盈配合的絕緣插銷13，使轉子鐵芯7局部變形扣緊磁鋼5，保證磁鋼5與轉子鐵芯7固定可靠。所述的磁鋼5上到少設有一個導磁孔11，轉子鐵芯7深入該導磁孔11內，導磁孔11不僅能使磁鋼5與轉子鐵芯7固定牢固，而且能使轉子勵磁繞組12產生的磁場直接透過導磁孔11與磁鋼5磁場疊加。本發明創造正常工作時，定子電樞繞組3工作，轉子勵磁繞組12不工作，由磁鋼5提供磁場，定子電樞繞組3在無刷控制器的控制下，各定子電樞繞組3按順序工作，並在氣隙中產生有效跳躍式旋轉磁場，帶動轉子磁場沿著固定方向連續運轉，此時電機在高轉速小扭矩工作狀態，功率因數高，無轉子電阻損耗，在額定負載範圍內均可保持較高的效率和功率因數，特別是輕負載運行時有著顯著的節能效果。當負載大於設定值時，例如爬坡、大負載，所需轉矩增大，定子電樞繞組3電流增大，當負載電流超過額定電流時，無刷控制器接通轉子勵磁繞組12的電源，並通過檢測負載電流大小調節加載在轉子勵磁繞組12上的電壓高低，電壓經過電刷總成9、集電環10加在轉子勵磁繞組12上；轉子勵磁繞組12通電後產生磁場，該磁場與磁鋼5的磁場疊加在一起，每一極磁通和氣隙磁通強度和密度增強，電機轉速隨之下降，轉矩明顯增加，電機進入到低轉速大扭矩工作狀態，此時定子電樞繞組3電流下降，電機得到了平穩運行，有效地提高了電機的過載能力。當負載下降時，無刷控制器提供轉子勵磁繞組12的電壓也隨之下調，使轉子勵磁繞組12中每極磁通和氣隙磁通強度和密度線性下降，直到負載電流達到正常設定值，無刷控制器自動切斷附加在轉子勵磁繞組12上的電源，電機恢復正常工作狀態。 圖15和圖16所示，為本發明創造在圖7基礎上採用第二和第三種集電環方案時的電機結構示意圖，與圖7所示的第一種集電環方案不同之處是電刷總成9與集電環10的連接方式不同；第一種集電環方案電刷總成9的二個電刷在圓周同一方向與集電環10相接觸；第二種集電環方案電刷總成9的二個電刷在圓周相對方向與集電環10相接觸；第三種集電環方案電刷總成9的二個電刷與集電環10的側面相接觸。
權利要求
1.ー種永磁電勵磁混合直流電機,包括機體(I)、定子鐵芯(6)、轉子鐵芯(7)、轉軸(4)，轉軸(4)可轉動地設置在機體(I)上，轉子鐵芯(7)固定在轉軸(4)上，定子鐵芯(6)上至少設有三組定子電樞繞組(3)，轉子鐵芯(7)表面至少設有一對磁鋼(5)，其特徵是所述轉子鐵芯(7)上繞有與磁鋼(5)表面磁極相一致的轉子勵磁繞組(12)，轉軸(4)上固定有集電環(10)，機體(I)上固定有與集電環(10)相配合的電刷總成(9)，轉子勵磁繞組(12)與集電環(10)連接。
2.根據權利要求I所述的永磁電勵磁混合直流電機，其特徵是所述的磁鋼(5)上設有至少ー個導磁孔(11)，轉子鐵芯(7)深入該導磁孔(11)內。
3.根據權利要求I或2所述的永磁電勵磁混合直流電機，其特徵是所述的磁鋼(5)安裝在轉子鐵芯(7)表面的卡槽上。
4.根據權利要求3所述的永磁電勵磁混合直流電機，其特徵是所述轉子鐵芯(7)的繞線槽上設有過盈配合的絕緣插銷(13)。
5.根據權利要求4所述的永磁電勵磁混合直流電機，其特徵是所述的定子鐵芯(6)上固定有位置傳感器(2)，位置傳感器(2)與磁鋼(5)相對應。
6.根據權利要求4所述的永磁電勵磁混合直流電機，其特徵是所述機體(I)的端蓋上固定有位置傳感器(2)，轉軸(4)上固定有傳感磁鋼，位置傳感器(2)與傳感磁鋼相對應。
7.根據權利要求5所述的永磁電勵磁混合直流電機，其特徵是所述的位置傳感器(2)是磁敏式霍爾傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器和觸點式傳感器的任ー種。
全文摘要
本發明創造公開了一種永磁電勵磁混合直流電機，包括機體(1)、定子鐵芯(6)、轉子鐵芯(7)、轉軸(4)，轉軸(4)設置在機體(1)上，定子鐵芯(6)上至少設有三組定子電樞繞組(3)，轉子鐵芯(7)表面至少設有一對磁鋼(5)，所述轉子鐵芯(7)上繞有與磁鋼(5)表面磁極相一致的轉子勵磁繞組(12)，轉軸(4)上固定有集電環(10)，機體(1)上固定有電刷總成(9)，轉子勵磁繞組(12)與集電環(10)連接。所述的磁鋼(5)上設有至少一個導磁孔(11)，轉子鐵芯(7)深入該導磁孔(11)內。採用本結構後，具有結構簡單合理、工作穩定、爬坡能力好、節能環保、效率高等優點。
文檔編號H02K23/02GK102801233SQ20111013602
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者馬加良 申請人:馬加良