專利名稱：一種隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種隨機(jī)同輛換向電動(dòng)機(jī)，它用于做各種機(jī)械系統(tǒng)中的動(dòng)力源，特別適用于做變工況條件下的動(dòng)力源，例如油田抽油機(jī)等。
現(xiàn)在的三相交流電動(dòng)機(jī)，由于受電網(wǎng)恒頻的束縛，工作特性較差，表現(xiàn)在兩個(gè)方面一是它的轉(zhuǎn)速工作范圍很小，起動(dòng)特性差，滿足載起動(dòng)困難；另一方面，它只有在設(shè)計(jì)工況下(額定功率條件下)效率才是最高的，而在變工況時(shí)，由于工作點(diǎn)的變動(dòng)，效率急劇下降，如在抽沒(méi)機(jī)上使用時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的效率只有17％。普通直流電機(jī)雖然起動(dòng)特性好，在變工況條件下工作的效率損失不多，但由于其電刷換向部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易磨損，勵(lì)磁調(diào)整復(fù)雜，成本較高，也只在特別強(qiáng)調(diào)滿負(fù)荷起動(dòng)與變工況要求較高的條件下才使用?，F(xiàn)在，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，對(duì)于交流電機(jī)的改造，提出了采用逆變器進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)的方法。逆變器采用工頻交流－直流－可控頻率交流的方式先把電網(wǎng)的工頻交流電整流為直流，然后再用高速開(kāi)關(guān)器件和復(fù)雜的控制電路把直流轉(zhuǎn)換為可控制頻率的單相或三相交流電供給電機(jī)，可使電機(jī)適應(yīng)變工況或滿負(fù)荷起動(dòng)的要求。在起動(dòng)時(shí)，可控制逆變器輸出頻率由低頻逐步增加到額定工作頻率，改變了交流電機(jī)的起動(dòng)特性。在變工況條件下工作時(shí)，也可以通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)逆變器的輸出頻率達(dá)到適應(yīng)各工況的目的。但是，由于要采用價(jià)錢(qián)較貴的逆變器及控制系統(tǒng)，這給實(shí)際中的大規(guī)模應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難。同時(shí)，變頻控制復(fù)雜，其變工況時(shí)的特性也不如直流電機(jī)。
本實(shí)用新型的目的就是發(fā)明一種具有以三相異步電機(jī)相同機(jī)械結(jié)構(gòu)并具有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及牽引特性的電動(dòng)機(jī)。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)如附

圖1所示，它有轉(zhuǎn)子(1)，定子(2)，殼體(3)，電源變換器(4)，其特征在于轉(zhuǎn)子(1)為稀土永磁轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子(1)軸頸部以及殼體(3)的相應(yīng)部位有無(wú)機(jī)械接觸的同步換向控制器(5)，電源變換器(4)由受同步換向控制器(5)控制換向的高速開(kāi)關(guān)橋路組成。
本實(shí)用新型中，稀土永磁材料的轉(zhuǎn)子(1)，定子(2)和殼體(3)構(gòu)成了一臺(tái)稀土永磁電動(dòng)機(jī)，而同步換向控制器(5)和電源設(shè)換器(4)組成了電機(jī)的供電與控制部分。本實(shí)用新型的工作原理與直流電機(jī)基本一樣，只是在定子線圈中通的是同步換向的交變電流，而轉(zhuǎn)子(1)是永磁的。同步換向控制器(5)起到了過(guò)去電刷的作用，保證了定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在任何時(shí)候都是使轉(zhuǎn)子從一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。同步換向控制器(5)保證定子線圈每一相通電的情況嚴(yán)格與轉(zhuǎn)子(1)的位置角相關(guān)。本實(shí)用新型的換向控制可不用象交流電機(jī)采用逆變器進(jìn)行變頻工作時(shí)的復(fù)雜控制電路，成本大幅度下降。由于稀土材料的磁能積很高，轉(zhuǎn)子(1)不用通電，轉(zhuǎn)子(1)無(wú)線圈的電阻損耗和鐵芯的磁渦流損耗。性能和效率可比普通直流電機(jī)高。轉(zhuǎn)子(1)可用稀土永磁材料做成一圓柱體，能經(jīng)受更大的離心力，可工作在更高的轉(zhuǎn)速下。本實(shí)用新型中，同步換向控制器(5)可以是采用光電形式的，也可以是采用磁敏的。兩者都為非接觸式，而且體積不大。本實(shí)用新型可以用現(xiàn)有的普通三相共步電機(jī)進(jìn)行改造，只用把它的鼠籠式轉(zhuǎn)子換為現(xiàn)在的稀土永磁轉(zhuǎn)子，加裝同步換向控制器(5)和電源變換器(4)即可。本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)子(1)采用稀土永磁制造，不需要?jiǎng)?lì)磁，不存在向轉(zhuǎn)子(1)饋電的問(wèn)題，也不用如象試驗(yàn)用的無(wú)刷電機(jī)那樣把變流裝置和同步換向控制器裝入到轉(zhuǎn)子中，使之與轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。從而大大降低了同步換向控制器和電源變換器的機(jī)械設(shè)計(jì)要求。同時(shí)也使得電源變換器的效率，出力都能有較大幅度的增加，滿足工業(yè)用戶用以取代常規(guī)電機(jī)的實(shí)際需要。
本實(shí)用新型由于采用稀土永磁制造的轉(zhuǎn)子，由定子線圈同步換向進(jìn)行工作，具有直流電機(jī)的全部驅(qū)動(dòng)特性。同時(shí)，由于稀土材料的磁能積很高，可以有更大的起動(dòng)力矩，使本實(shí)用新型的起動(dòng)特性有了更進(jìn)一步的改善，電機(jī)體積也能減小。本實(shí)用新型去除了直流電機(jī)的電刷換向部分，也沒(méi)有采用通常交流電機(jī)改造時(shí)的復(fù)雜高價(jià)的變頻控制系統(tǒng)，成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
本實(shí)用新型中的電源變換器(4)可以是只由高速開(kāi)關(guān)組成的橋式電路，如附圖2所示，每一個(gè)橋路對(duì)應(yīng)一相。圖中給出了由VMOS管組成的三相的結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型中的電源流換器(4)還可以在高速開(kāi)關(guān)電路的直流輸入端接有一為其提供直流電輸入的單相或三相橋式整流功率組件和濾波電容，這樣可適應(yīng)采用交流作為輸入的情況，應(yīng)用于過(guò)去使用交流電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合?；旧先员３钟脩暨^(guò)去習(xí)慣的供電方式和操作管理習(xí)慣。
本實(shí)用新型中，可在電源變換器(4)中的高速開(kāi)關(guān)器件控制端接有一與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制介面(RTU)相連的控制高速開(kāi)關(guān)關(guān)斷的控制連線(6)。由于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制介面(RTU)與中心控制計(jì)算機(jī)相連，可通過(guò)中心控制計(jì)算機(jī)軟件對(duì)高速開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷進(jìn)行控制。在各相電流還沒(méi)有達(dá)到換向時(shí)就提前關(guān)斷，減少了定子線圈的通電時(shí)間，從面調(diào)整了輸入的平均電壓，達(dá)到控制其輸入能量的目的。通過(guò)控制連線(6)可對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，以適應(yīng)變工況工作。當(dāng)與工業(yè)控制介面(RTU)相連的控制連線(6)恒定處于不控制關(guān)斷的電位時(shí)(如恒定處于高電位時(shí))，電源變換器(4)中的高速開(kāi)關(guān)器件只在同步換向控制器(5)的控制下循環(huán)翻轉(zhuǎn)，與無(wú)此控制端一樣，為一普通稀土永磁電動(dòng)機(jī)。
本實(shí)用新型中同步換向控制器(5)可以是無(wú)機(jī)械接觸的光電感應(yīng)式同步換向控制器，如附圖3所示。該同步控制器為在轉(zhuǎn)子(1)軸頸處圓周上涂有(或刻有)的明暗不同的條塊(7)和與之相對(duì)應(yīng)的在殼體(3)相對(duì)應(yīng)部位裝有的照明光源(8)和光敏元件(9)。明暗條塊(7)的數(shù)目與轉(zhuǎn)子(1)磁極數(shù)目一致并位置相同，如在轉(zhuǎn)子(1)磁極為兩極的情況下，其明暗條塊為半圈明、半圈暗。照明光源(8)和光敏元件(9)可以為一整體組件，現(xiàn)在已有現(xiàn)成產(chǎn)品。其個(gè)數(shù)與定子線圈的相數(shù)相同，每一個(gè)光敏元件控制定子線圈的一相。照明光源(8)和光敏元件(9)組件均勻安裝，并與所控制的定子線圈保持嚴(yán)格的位置關(guān)系。
本實(shí)用新型中的同步換向控制器(5)也可以是無(wú)機(jī)械接觸的磁感應(yīng)式同步換向控制器。它由在轉(zhuǎn)子(1)軸頸處嵌有的小永磁體和在殼體(3)相對(duì)應(yīng)部位裝有的霍爾磁敏元件組成。與光電同步控制器一樣，轉(zhuǎn)子軸頸處的小永磁體數(shù)與轉(zhuǎn)子磁極數(shù)一樣，而在定子(2)上的霍爾磁敏元件個(gè)數(shù)也與定子線圈的相數(shù)相同。
本實(shí)用新型中，不管是光敏元件的輸出還是霍爾磁敏元件的輸出，都經(jīng)放大整形后，用標(biāo)準(zhǔn)方波對(duì)電源變換器(5)中的高速開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。本實(shí)用新型中的高速開(kāi)關(guān)電路可以是如象申請(qǐng)?zhí)枮镃N89104235.0中的VMOS管組件，有很高的輸入阻抗，而且直接由同步換向控制器的標(biāo)準(zhǔn)方波控制。其與RTU相連的控制連線(6)可以是用“與”門(mén)使它與同步換向控制器來(lái)的信號(hào)線相“乘”后再對(duì)高速開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制，本實(shí)用新型中的高速開(kāi)關(guān)電路也可以是用可關(guān)斷可控硅組成。同步換各控制器的標(biāo)準(zhǔn)方波經(jīng)“微分電路”微分后用前沿的正脈沖和后沿的負(fù)脈沖對(duì)可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)行觸發(fā)。其與RTU相連的控制連線(6)可以是用“或”門(mén)使它與經(jīng)過(guò)微分后的同步換向控制器輸出信號(hào)線相“加”，控制線用負(fù)脈沖觸發(fā)可控硅的關(guān)斷，在可控硅前應(yīng)有脈沖放大器，以保證有足夠的能量觸發(fā)可控硅的翻轉(zhuǎn)。高速開(kāi)關(guān)器件以及可接入的整流器件的額定工作電流和耐壓應(yīng)考愿到受電容以及電感的影響，需有一定的保險(xiǎn)系數(shù)，其值應(yīng)比實(shí)際電流和電壓值高2－3倍。
本實(shí)用新型中的電源變換器(4)可以是其輸入與輸出狀態(tài)可逆電源變換器。這樣，當(dāng)電機(jī)在負(fù)載作用下，感應(yīng)的定子線圈電動(dòng)勢(shì)(反電動(dòng)勢(shì))小于外加電壓時(shí)，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，而反之，當(dāng)電機(jī)在外力帶動(dòng)下，感應(yīng)的定子線圈電動(dòng)勢(shì)大于外加電壓時(shí)，因本實(shí)用新型的電源變換器可是其輸入與輸出狀態(tài)可逆，因此能反過(guò)來(lái)成為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，向外供電。其輸入與輸出狀態(tài)可逆電源變換器可以是如附圖4所示的形式。在高速開(kāi)關(guān)元件的兩端反向并聯(lián)一個(gè)大功率二極管，在正向輸電時(shí)(輸出端電位低于輸入端電位)，兩個(gè)二極管不導(dǎo)通，高速開(kāi)關(guān)器件在同步換向控制器(5)的控制下導(dǎo)通與關(guān)斷，把輸入端的直流變?yōu)榻涣鬏敵?，而在輸出端的電位高于輸入端時(shí)(也可以是輸出端的電位比輸入端負(fù)極還低時(shí))，高速開(kāi)關(guān)器件不起作用，二極管導(dǎo)通，向輸入端供電。也可以在每個(gè)高速開(kāi)關(guān)器件上反向并聯(lián)一個(gè)相同的器件，通過(guò)控制線選通其中之一工作，控制線可通過(guò)比較輸入與輸出的高低來(lái)決定選通是供電還是逆向輸電。
本實(shí)用新型中的同步換向控制器(5)的輸出可以是可控倒相的。通過(guò)外界的控制，可改變同步換向控制器(5)的輸出電平高低關(guān)系。如在正轉(zhuǎn)的情況下，同步換向控制器(5)中的光敏元件在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子軸頸上的明亮區(qū)時(shí)，同步換向控制器輸出為高電位(也可以是霍爾磁敏元件在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子軸頸上的N磁極區(qū)時(shí)，同步換向控制器輸出為高電位)。而在轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的情況下，通過(guò)控制在每一相接入的可控倒相器，使光敏元件在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子軸頸上明亮區(qū)時(shí)，同步換向控制器輸出為低電位(在控制元件為霍爾磁敏元件的形式中，為霍爾磁敏元件在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子軸頸上的N磁極區(qū)時(shí)，同步換向控制器輸出為低電平)。通過(guò)控制同步換向控制器(5)的輸出倒相，就可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。倒相器可以為一小開(kāi)關(guān)(或跳接線)，通過(guò)人工切換。也可以是一個(gè)“異或”門(mén)電路，它的控制端與RTU的開(kāi)關(guān)量輸出端相連，通過(guò)中央控制計(jì)算機(jī)對(duì)其正反相進(jìn)行控制。
本實(shí)用新型中屬弱電部分的同步換向控制器(5)以及可有的其它控制部分(如關(guān)斷控制，倒相控制等)可以做成一個(gè)固態(tài)組件，放置于電機(jī)內(nèi)，而電源變換器(4)屬?gòu)?qiáng)電部分，也可以做成一個(gè)固態(tài)組件，隨電機(jī)安裝。弱電與強(qiáng)電之間應(yīng)有光電隔離器件，以防干擾和使弱電與強(qiáng)電的地線隔離。
附圖5為本實(shí)用新型弱電與強(qiáng)電部分可能的一種形式。圖中，(6)為控制高速開(kāi)關(guān)關(guān)斷的控制連線，(10)為光敏元件及放大整形組件，(11)為可控倒相元件(“異或”門(mén))，(12)為倒相控制線。(13)為“非”門(mén)，保證橋路上下二管不能同時(shí)導(dǎo)通。(14)為關(guān)斷控制元件(“與”門(mén))，(15)為光電隔離器件，(16)為電源變換組件。
權(quán)利要求1.一種隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，它有轉(zhuǎn)子(1)，定子(2)，殼體(3)，電源變換器(4)，其特征在于轉(zhuǎn)子(1)為稀土永磁轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子(1)軸頸部以及殼體(3)的相應(yīng)部位有無(wú)機(jī)械接觸的同步換向控制器(5)，電源變換器(4)由受同步換向控制器(5)控制換向的高速開(kāi)關(guān)橋路組成。
2.如權(quán)利要求1所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于在電源變換器(4)中，有一為高速開(kāi)關(guān)電路提供直流輸入的橋式整流電路和濾波電容。
3.如權(quán)利要求1或2所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于電源變換器(4)中的高速開(kāi)關(guān)電路控制端有一與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制介面相連的控制高速開(kāi)關(guān)關(guān)斷的控制連線(6)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于電源變換器(4)是其輸入與輸出狀態(tài)可逆的電源變換器。
5.如權(quán)利要求3所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于電源變換器(4)是其輸入與輸出狀態(tài)可逆的電源變換器。
6.如權(quán)利要求1或2所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于同步換向控制器(5)的輸出是可控倒相的。
7.如權(quán)利要求3所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于同步換向控制器(5)的輸出是可控倒相的。
8.如權(quán)利要求4所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于同步換向控制器(5)的輸出是可控倒相的。
9.如權(quán)利要求5所述的隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)，其特征在于同步換向控制器(5)的輸出是可控倒相的。
專利摘要一種隨機(jī)同軸換向電動(dòng)機(jī)。它用于做各種機(jī)械系統(tǒng)中的動(dòng)力源，特別適用于做變工況條件下的動(dòng)力源。該電動(dòng)機(jī)由稀土永磁轉(zhuǎn)子，定子、殼體、電源變換器以及無(wú)機(jī)械接觸的同步換向控制器組成。它通過(guò)同步換向控制器控制電源變換器對(duì)定子線圈供給與轉(zhuǎn)子角位移嚴(yán)格同步的交變電流，使定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)推動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該電動(dòng)機(jī)因此具有直流電機(jī)的全部驅(qū)動(dòng)特性。同時(shí)，通過(guò)可增加的控制，使電機(jī)還有可控工況及可控正反轉(zhuǎn)等性能。
文檔編號(hào)H02K29/06GK2053397SQ89215098
公開(kāi)日1990年2月21日 申請(qǐng)日期1989年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月17日
發(fā)明者石行, 尤裝 申請(qǐng)人:北京市西城新開(kāi)通用試驗(yàn)廠