一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机制造技术

本发明专利技术公开了一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机，所述多相直流方波电机换向装置的机械部分包括：电刷和换向器，每相电枢绕组通过电刷引出，换向器包含一个或多个换向片组，其中一个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，所占机械角度为360°/P，每个电源正极换向片和电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ和其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P，换向器根据磁极位置固定在定子侧，全部绕组共用一个。

【技术实现步骤摘要】
一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机
本专利技术涉及电机设计与制造的
，特别是涉及机电混合无弧换向的多相直流方波电机。
技术介绍
目前，传统直流电机采用换向器和电刷组成的机械换向装置实现换向，在非理想情况下，被电刷短路的电枢线圈存在反电动势和电流，当其脱离电刷时出现过电压，并产生火花。另外，为了防止换向时产生电弧，造成环火故障，需要将换向器片间电压限制在十几伏之内，所以换向片数量繁多，导致换向器结构复杂，成本高昂，换向困难的直流电机通常还需配备换向极或者辅助换向电刷，进一步提高了成本。由于传统机械换向装置几乎不可避免的存在火花，且有可能产生电弧，同时还存在结构复杂、成本高昂等缺点，所以利用电子换向器的无刷直流电机应运而生，但电子换向器增加了系统成本，且控制复杂，在强电磁干扰场合可靠性较低。中国专利技术专利CN1455500A“多相直流电动机的电源换向装置”提出了一种电源换向装置，该装置采用机械、电子混合换向，不需要额外的控制器和电力电子变换器，并试图解决传统机械换向装置中电弧和火花问题，但实际效果表明其难以抑制换向电弧和火花，而且这种换向装置中每相绕组分别配备一个换向器，需要较多的换向片和二极管续流桥臂。因此希望有一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机可以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机来克服现有技术中存在的上述问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机，所述多相直流方波电机换向装置的机械部分包括：电刷和换向器，每相电枢绕组通过电刷引出，换向器包含一个或多个换向片组，其中一个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，所占机械角度为360°/P，每个电源正极换向片和电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ和其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P，换向器根据磁极位置固定在定子侧，全部绕组共用一个。优选地，所述电刷随换向装置的转子旋转。优选地，所述相邻电刷之间互差360°/m的机械角度。优选地，所述多相直流方波电机的换向装置还包括续流缓冲电路，续流缓冲电路包括一个缓冲电容和两个续流桥臂，每个续流桥臂由三个二极管组成，所述电源正极换向片连接直流电源正极，所述电源负极换向片连接直流电源负极，所述续流换向片Ⅰ和续流换向片Ⅱ分别连接一个二极管续流桥臂的中点。优选地，所述续流缓冲电路的数量为一套或多套。优选地，所述换向器所包含换向片组数应等于永磁体极对数，且电源正、负极换向片分别正对永磁体的N、S极。优选地，所述电刷宽度需大于换向片间云母绝缘片宽度。为了克服现有直流电机换向装置的不足，特别是电源换向装置中换向电弧和火花、换向片和续流桥臂冗余等问题，本专利技术提出了一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机，所述电机换向装置不会产生电弧，并明显减小换向火花，所需换向片数量较少，换向器结构简单，成本低廉，而且本专利技术的机电混合无弧换向的多相直流方波电机不需要额外的控制器和电力电子变换器，节省了系统成本；本专利技术的机电混合无弧换向的多相直流方波电机的全部绕组共用一个换向器，相对于现有技术的电源换向器，在相数较多的情况下大大减少了换向片和二极管续流桥臂，便于推广到多相电机，具有广泛的应用前景。附图说明图1是三相双极直流电机机电混合无弧换向装置和电枢绕组的电气连接图。图2是三相双极直流电机实施例的纵剖面构造图。图3是图2的A--A剖视图。图4是图2中换向器2沿圆周方向的展开图。图5是三相四极直流电机机电混合无弧换向装置和电枢绕组的电气连接图。图6三相直流电机电动状态工作时三相电流和续流缓冲电容电压示意图。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。在本专利技术一宽泛实施例中：所述多相直流方波电机换向装置的机械部分包括：电刷和换向器，每相电枢绕组通过电刷引出，换向器包含一个或多个换向片组，其中一个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，所占机械角度为360°/P，每个电源正极换向片和电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ和其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P，换向器根据磁极位置固定在定子侧，全部绕组共用一个。以m相电枢绕组、P对极的无刷直流电机结构为基础，气隙磁场和电动势为梯形波，电枢电流为方波，但将定、转子倒置，定子为P对永磁体磁极，转子为星形联接的m相电枢绕组。机电混合无弧换向装置正常工作需满足四大原则：第一，电磁转矩恒定原则：为了保证电磁转矩恒定，换向器所包含换向片组数应等于永磁体极对数，且电源正、负极换向片分别正对永磁体的N、S极。第二，续流缓冲电路状态唯一性原则：为了保证续流缓冲电路工作状态的唯一性，每套续流缓冲电路任意时刻最多只能与一相绕组连接，可能出现连接多相绕组的情况包括：多相绕组直接连接到同一续流换向片；多相绕组通过同一续流桥臂连接的不同组续流换向片连接到该续流桥臂；多相绕组通过同一套续流缓冲电路的不同续流桥臂连接到该套续流缓冲电路。为避免相绕组直接连接到同一续流换向片，需相邻两电刷间机械角度大于续流换向片机械角度，可通过增加极对数，从而压缩续流换向片机械角度，或者减少相数，从而增加相邻两电刷间机械角度来实现。对于m相、P对极的直流电机，有m个电刷，相邻两电刷互差360°/m机械角度，换向器包含P个换向片组，忽略绝缘云母片宽度，每个续流换向片机械角度为60°/P，应有360°/m>60°/P，即P>m/6。对于P＝m/6的临界情况，适当减小续流换向片宽度，使其与电源换向片间的距离，即云母绝缘片宽度大于电刷宽度的一半即可来避免与多相绕组连接。为了避免多相绕组通过同一续流桥臂连接的不同组续流换向片连接到该续流桥臂，需综合考虑相数和极对数来确定各换向片组中对应的续流换向片是否连接到同一续流桥臂，从而得到所需的续流缓冲电路套数。在绕组相数一定，只增加极对数的情况下，各换向片组中对应的续流换向片可连接到同一续流桥臂，此时不需要新增续流缓冲电路。各换向片组中对应的续流换向片需要连接不同续流桥臂时，所需续流缓冲电路最多，为P套。为了避免多相绕组通过同一套续流缓冲电路的不同续流桥臂连接到该套续流缓冲电路，相邻两电刷间机械角度不能在120°/P～240°/P范围内。对于两电刷间机械角度等于120°/P和240°/P的临界情况，同样可通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机，其特征在于，所述多相直流方波电机换向装置的机械部分包括：电刷和换向器，每相电枢绕组通过电刷引出，换向器包含一个或多个换向片组，其中一个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，所占机械角度为360°/P，每个电源正极换向片和电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ和其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P，换向器根据磁极位置固定在定子侧，全部绕组共用一个。

【技术特征摘要】
1.一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机，其特征在于，所述多相直流方波电机换向装置的机械部分包括：电刷和换向器，每相电枢绕组通过电刷引出，换向器包含一个或多个换向片组，其中一个换向片组由电源正极换向片、续流换向片Ⅰ、电源负极换向片和续流换向片Ⅱ构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布成完整的360°电角度周期，所占机械角度为360°/P，每个电源正极换向片和电源负极换向片的电角度为120°，机械角度为120°/P，每个续流换向片Ⅰ、续流换向片Ⅱ和其前后绝缘云母片电角度为60°，机械角度为60°/P，换向器根据磁极位置固定在定子侧，全部绕组共用一个。2.如权利要求1所述的机电混合无弧换向的多相直流方波电机，其特征在于：所述电刷随换向装置的转子旋转。3.如权利要求2所述的机电混合无弧换向的多相直流方波电机，其特征在于：所述相邻电刷...

【专利技术属性】
技术研发人员：向学位，柴建云，肖曦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11