无刷直流电机及其换流与控制方法技术

本发明专利技术公开了一种无刷直流电机及其换流与控制方法，适用于需要调速运行工作的场合与或虽不调速但工作转速高于３０００转／分的场合。它由直流电机多个首尾串联联接成闭环的绕组元件及其与其联接的电力电子开关器件组成，其它电磁结构与机械整流子的直流电机相同。它正常运行时巧妙地利用了电枢电势来关断需要关断的电力电子开关器件，如可控硅等完成换流，并且在操作导通电力电子开关器件，如可控硅等时电力电子开关器件受到的正向电压也远比电源电压小。启动或低速运行时需要电源控制电路控制换流操作。结合可控整流装置即可构成可逆调速系统。

【技术实现步骤摘要】
无刷直流电机及其换流与控制方法
本专利技术公开了一种无刷直流电机及其换流与控制方法，适用于需要调速运行工作的场合与或虽然不调速但工作转速高于3000转/分的场合。例如各种电传动交通运输工具包括但不限于电传动轮式车辆或履带式车辆如坦克、装甲车和拖拉机以及电传动汽车、电动汽车、电传动轨道内燃机车和电力机车、地铁或轻轨电动车、电传动舰船、潜艇；以及各种设备包括但不限于工矿用风机、泵站以及各种制冷或冶金化工行业设备包括但不限于压缩机、轧钢机以及各种物料输送机械；各种机械加工设备包括但不限于加工中心、车床、铣床、刨床、钻床、高速磨床等；各行业加工设备包括但不限于如纺织机械、粮食或食品加工机械、以及自动化加工、制造或装配流水线等；家电或商用设备包括但不限于如冰箱、空调、洗衣机、吸尘器；各种转速范围宽和功利密度较高的包括但不限于运用于各行业的电动工具以及医疗器械包括但不限于如牙钻等；石油、矿山的采掘设备包括但不限于如钻井设备、挖掘设备与输送设备等；用于升降设备如电梯和蓄能设备如电动飞轮等。
技术介绍
从来的无刷直流电机在基本的电磁结构与工作原理上都与同步电机相似，可以说就是电子换向的正弦或非正弦波同步电机，绕组也大多是三相的。因为采用变频器驱动三相绕组取代了直流电机的整流子电刷机构完成绕组的电流换向工作，使无刷直流电机在基本保持了同步电机优良的外特性条件下，克服了原有整流子电刷机构滑动电接触的弊端。这些技术方案已经被证明在现在所知的各个领域都取得了巨大的成功，也正在以很快的速度发展着。但因为电子换向的变频器价格很高，其中的电力电子开关器件的成本又占变频器成本的大头，所以节省电力电子开关器件用量的三相桥式逆变器电路因其经济性和技术性都比较好而得到最大限度地开发与运用。这点也从大量的美国专利和中国专利的检索中得到证实：无一例专利公开了与本专利技术相同或相近似的绕组与电力电子开关器件相联接的拓扑结构，更谈不上换流方法的公开了。只有与本专利技术相同拓扑结构的直流无刷发电机，但该结构的直流无刷发电机采用二极管，利用其自然换流的特性工作，不像本专利技术的电动机有需要控制可控硅的较为复杂的强迫换流过程。而在可控硅的关断与换流方法上与本专利技术最为接近的技术方案是三相星型接法的同步电机及与其联接的三相桥式逆变电路组成的系统，它利用两相邻绕组的相电势差关断联接电势高的那一相绕组的可控硅以完成换相。但该系统却使三相同步电机工作在方波电压的驱动之下，因而性能不佳。因此也有采用多组移相位的三相方波系统来改善性能的设计。在直流电动机的绕组电路拓扑结构上只有华中工学院许实章教授编写的高等学校试用教材《电机学》上册，(机械工业出版社1980年3月出版)在123页第6-5节“无换向器直流电动机”中，给出了无换向器直流电动机绕组及其与可控硅联接的一个原理示意图，但遗憾的是书中只提到了：“如果每一换向片用两只反向并联的可控硅元件来代替，当绕组元件处于几何中性线位置时，触发与该元件联接的两个可控硅之一，使它导通，从而把电流从外电路引入绕组或从绕组引出，则也能使电枢绕组电流在一定极性下具有一定的方向，因而具有与普通换向器相同的功能。”接着除了再对磁极作了一些描述以后，就进入了：“实用的方案是把电枢绕组接成交流多相形式。它用六只可控硅元件组成的逆变线路，供电于三相绕组。”书中没有关于怎样使可控硅关断，也即完成一个可控硅换流工作周期的叙述甚或暗示，而且触发导通可控硅的时间相位正好与本专利技术相反，难以在技术上实现换流，除非它采用可关断器件，但书中又对关断只字未提。由此可见该书的“无换向器直流电动机”的描述还只是一个概念性的初步设想，不能构成一个完整的技术方案，更无法实施。但书中在25年前就提到三相绕组是无换向器直流电动机实用的方案却仍然完全符合今天的技术现实。而采用脉宽调制技术实现正弦电压驱动三相绕组的无换向器直流电动机的换流变频器的开关元件需要有关断能力，并且工作条件不够好而带来较大的开关损耗较大的缺陷仍然在改进也有待进一步改进，如采用较复杂的软开关技术等。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种新型的无刷直流电机及其换流与控制方法，它的电枢与换流系统由直流电机每个首尾串联联接成闭环的电枢绕组元件和每绕组元件端经过一对反并联的电力电子开关器件与直流母线联接的电路系统组成，其它电磁结构与机械整流子的直流电机相同。它正常运行时巧妙地利用了-->绕组的电枢电势来改变该绕组的电流方向，并关断与该绕组联接的需要关断的电力电子开关器件，如可控硅等。并且在操作导通电力电子开关器件，如可控硅等时电力电子开关器件受到的正向电压也远比电源电压小。使与电枢绕组联接的电力电子开关器件接近具有理论上最好的开关工作条件也即软开关工作条件：开通时正向电压为零，关断时由外界力量自然关断。一方面可以最大限度地降低了开关损耗，另一方面可以使用廉价且控制功率大、过载能力相对较强但自身又没有关断能力的电力电子开关器件，如可控硅等。因为电机的电磁过程仍然是直流电机的电磁过程，所以它仍然基本保持了直流电机的优良特性。附图说明以下将结合附图对本专利技术作进一步的详细公开。如图1所示为电枢绕组及其与电力电子开关器件联接的拓扑结构图；如图2所示为电动运行时电力电子开关器件开关工作换流过程原理示意图；如图3所示为使用固定直流电源和斩波调压器控制电机的电气原理图；如图4所示为使用固定直流电源和可控硅斩波调压器控制电机的电气原理图；如图5所示为本专利技术使用电网交流电源的可逆系统原理示意图；如图6所示为本专利技术使用交流电源的可逆系统原理示意图；如图7所示为本专利技术实施例的多电源可逆系统原理示意图；如图8所示为本专利技术的电磁机械系统结构布置示意图；如图9至图14所示为本专利技术的每对极下6槽3绕组系统的换流过程示意图；如图15为本专利技术的每对极下6槽3绕组系统绕组展开图；如图16为本专利技术的每对极下10槽5绕组系统绕组展开图；如图17为本专利技术的每对极下14槽7绕组系统绕组展开图；如图18为本专利技术的每对极下12槽移相双3绕组系统绕组展开图。其中1.磁极转子 2.电力电子开关器件 3.电枢绕组 4.正极直流母线 5.负极直流母线 6.直流电源 7.电感器 8.辅助关断组件 9.采用可关断电力电子开关器件的直流斩波器 10.采用可控硅的直流斩波器 11.电感器 12.续流二极管 13.可关断电力电子开关器件 14.斩波器输入端 15.斩波器输出端 16.斩波器公共端 17.切换开关 18电容器 19.辅可控硅 20.主可控硅 21.交流电源 22.可控整流电路 23.电机串励绕组24.续流二极管 25.制动电阻器 26.制动二极管 27.辅助直流电源 28.电力电子开关器件模块或组件 29.散热器 30.隔振联接器 31.环型变压器 32.风扇具体实施方式如图1所示，其中1为磁极转子，它可以是永磁的或励磁的；2为电力电子开关器件，它可以是可控硅、可关断可控硅、或功率场效应管或绝缘栅场效应晶体管等；3为电枢绕组，与普通直流电机相同或相似；4为正极直流母线；5为负极直流母线；6为直流电源。其它电磁结构与现有的各种直流电机相同，不赘述。图1所示的电枢绕组及其与电力电子开关器件的联接拓扑结构已经构成了一个完备的换流结构，它可以完全仿照机械整流子换向直流电机在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无刷直流电机，适用于需要调速运行工作的场合与或虽不调速但工作转速高于３０００转／分的场合，它由多个串联联接的电枢绕组元件及其与其联接的电力电子开关器件组成，其特征在于串联联接的电枢绕组元件联接成闭环回路，每个串联联接的电枢绕组元件的联接端都经过一对反向并联的电力电子开关器件，如可控硅等联接至直流母线。

【技术特征摘要】
1.一种无刷直流电机，适用于需要调速运行工作的场合与或虽不调速但工作转速高于3000转/分的场合，它由多个串联联接的电枢绕组元件及其与其联接的电力电子开关器件组成，其特征在于串联联接的电枢绕组元件联接成闭环回路，每个串联联接的电枢绕组元件的联接端都经过一对反向并联的电力电子开关器件，如可控硅等联接至直流母线。2.根据权利要求1所规定的发明，其特征在于串联联接的电枢绕组被联接成复迭绕组或复波绕组或复迭绕组与复波绕组的组合。3.根据权利要求2所规定的发明，其特征在于串联联接的电枢绕组被联接成两组或多组移相的复迭绕组或复波绕组或复迭绕组与复波绕组的组合。4.根据权利要求1所规定的发明的换流方法，其特征在于换流时是以触发与即将离开气隙磁场的电枢绕组元件联接的承受正向电压但未导通的电力电子开关器件，如可控硅等使其导通，使该绕组元件的电流在自身的电枢电势作用下改变电流方向，并关断与该绕组联接的另一个在此前导...

【专利技术属性】
技术研发人员：李荟敏，
申请(专利权)人：李荟敏，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]