[实用新型]直流动力电机

说明书

本实用新型涉及一种直流电动机，尤其是带有激励装置的永磁直流电动机。

目前，电动车往往选用永磁直流电动机作为动力。如专利申请95250021所述的开关磁阻电动机。永磁直流电动机有许多优点，但作为车辆动力，尚存在下述不足之处：負载大幅度变化时不能良好匹配，高速旋转时不能输出有效转矩。实际使用时由于消耗过大，以致动力与能源无法兼顾。究其根源，在于这一类电机具有相同的典型的核心结构，即固定的定子和旋转的转子，受磁电规律所限，其特性就是如此，因而不能适用于动态負载所致。

本实用新型的目的，在于提供一种主要供电动车使用的直流动力电机，它能在負载大幅度变化时自动调整，并保持良好的匹配状态；高转速大转矩。

本实用新型以下述技术方案达到了目的：由一个固定在单向制动器上的电磁装置取代定子，与永磁转子同轴安装，并保持一个适当的间隙。永磁转子和电机轴是固定在一起的。电磁装置是由铁芯、线圈和至少2个电刷环组成的，线圈按预定方式连接并分成几个独立的绕组。绕组引出导线分别与相应数量的电刷环相连。通过电刷就能将激励电流引入。交互变换绕组间首尾的连接和输入电流的正负极性，能够得到多种组合方式，通过选择，就能控制电磁场在装置上所处的位置。单向制动器是一个限定旋转方向的机械装置，主要由只能朝一个方向旋转的活动部分和配合制动的静止部分组成，可分别称为动圈和制动环；制动环套在动圈外部，两者相邻柱面间有一个间隙。动圈由支架、与支架动配合的惯性环和止动支撑部件组成，惯性环上有缺孔。止动支撑部件的一端以适当的方式与支架联接，另一端由惯性环上的缺孔滑动夹持，从不同方向转动惯性环，可使其从孔中伸出或缩回。动圈和电机轴活动配合。动圈和电磁装置固定连接，制动环则和电机罩联接，组成一个动态激励装置。单向制动器使该装置相对于电机罩不能逆转，在无激励、激励不足甚至过激励时，则能随转子一起旋转。转子和电磁装置都带有供光、磁等方式检测用的状态指示装置，通过位置传感器就能确定两者间的相对位置，据此选定一个组合方式，可使电磁激励取得预定的驱动效果。由微处理器、功率器件、光电或磁电元件等组成的单片机，则对电机实行全面的监控。其主要操作是：对两个状态指示装置的定时检测、转子速度以及转子与电磁装置间相对位置等状态的判断、控制相关元器件输出激励脉冲。并根据转子状态随时调整脉冲宽度和驱动间歇，其形式从连绵不断的全功率驱动、旋转一周驱动数次、一周一次、数周一次直至暂停激励。此外，上述技术方案中的单向制动器、电机轴、电磁装置、永磁转子、电机罩之间的组合关系，还可以是：电磁装置和电机轴固定在一起，单向制动器的动圈和永磁转子固定连接，与电磁装置同轴安装并和电机轴活动配合。制动环仍与电机罩联接。此时与电机轴固定的电磁装置成为转子，为控制程序提供旋转速度等状态数据。虽然电机的运行状态有所不同，也能够达到目的。

由于与定子有关的磁、电所致的制动现象已不复存在，转子已成为一个名副其实的飞轮。紧紧跟随转子施加的动态激励，主要作用已转化为能量的提供和补充，因此维持电机旋转，不需要连续不断的激励。电磁动力和负载，包括转子在内不再受制于旋转磁场，电磁能量将通过转子直接作用于负载，其强度几乎在负载变化的同时就得到调整，部分能量则由转子储存和维持输出，电机运转始终是平稳的。特别是在高速旋转时，强大的转子惯性足以维持短时的动力输出，因而无须激励；此时电磁装置将随转子一起旋转，动生反电势必然下降甚至于消失，因此再次激励显然是经济有效的，机电能量的迭加，将明显提升输出转矩。而在现有技术永磁直流电机中，电机高速旋转时却无有效转矩输出，由电磁激励所维持的转子动能，显然被消耗在电机内部。相比之下，本实用新型具有下述优点：其大范围自动控制的可变功率输出，能满足动态负载的需要，具有自动匹配的能力。高速旋转时也能输出足够大的转矩。电能和机械能互补复合的工作形式，减小了损耗，具有明显的节能效果。

下面结合附图作进一步的说明。

图1是直流动力电机的结构示意图。

图2是直流动力电机的另一种结构示意图。

图3是单向制动器的剖视图。

图4是另一种单向制动器的剖视图。

图5是单向制动器换向装置的结构示意图。

图6是图5的侧视示意图。

图7是是单片机电路原理图。

图8是程序方框图。

图1是一个优选的实施例。图中永磁转子1和电机轴3是固定的；单向制动器10由动圈a和制动环b组成。动圈a、带有绕组的电磁装置2、电刷环9连接在一起，并与转子同轴安装，基轴活动配合。制动环b和电机罩4联接。位置传感器5用来检测转子1的磁场在其旋转平面内的状态位置和速度；位置传感器6则检测电磁装置2的状态位置。在本例中，这两个位置传感器是相同的，各使用了4个光电发射接受复合二极管，一次输出2组4位二进制信号。元件数量可以增减。也可以选用磁感应元件。状态指标装置11、12分别和电磁装置2、转子1相连，能同步旋转，其表面便于光检测，反射面按照预定的编码排列，对于静止的两个位置传感器来说，能方便的检出电磁装置2、转子1在旋转360度范围内任一相对状态。电磁装置2上有两个独立的、相互交错的绕组。电刷环9是平滑的园环，本例中有4个直径不等的电刷环，轴向同心安装，并与电磁装置上两个绕组的引出导线相接。通过连架的电刷8就能将激励电流引入。实施例中的单向制动器见图3或图4。在图3中，由支架14、惯性环15、制动块16、连杆17、滑动块18组合成动圈，这部分结构和电磁装置固定连接。由制动衬19、框架20组成的制动环则和电机罩4联接。联接形式可以是固定的。惯性环15在支架14上可以转动，制动块16在惯性环15的径向缺孔中可以沿其开口方向移动。支架14的直径方向有一个狭长的矩形槽，该槽中的滑动块18和制动块16之间由连杆17联接，形成止动支撑曲臂。在电机起动时，电磁力必然使支架逆转，由于惯性环15具有较大质量，因而不能突变，滑动块18、连杆17将推动制动块16向两边伸出，挤压制动衬19产生制动作用，后续的电磁激励将使动圈处于静止状态，从而推动转子旋转。在动圈顺向旋转时，由于同样的原因，制动块16将缩回惯性环的缺孔，此时与制动衬19完全脱离，不产生磨擦。滑动块18使制动平衡，提高了制动效果。运行时惯性环15使动作极为迅速，附加的限位弹簧13对惯性环15的压力使其状态变换更快更稳。图4所示的制动器实际上是带有惯性环的棘轮，其动圈a是由支架34、惯性环35、一端与支架34联接另一端由惯性环35的缺孔滑动夹持的支撑部件撑牙36组成的，制动环b是一个内圈有齿的框架39。也可以附加限位弹簧33。图5所示的换向装置，能改变单向制动器的制动方向，从而使电机也具有改变旋转方向的能力。图6是制动器换向装置的侧视示意图。图中制动环b与电机罩4的联接选用导柱22，制动环b相对动圈a可轴向滑动。换向装置由轮架23、换向轮24、轮轴25组成。轮架23一侧和制动环b固定，按图6箭头P方向对其施加压力时，其平面位置就会与动圈a偏离，当换向轮24与惯性环15紧密接触时，轮架23的另一侧也压迫支架14，此时转动轮轴25，惯性环15将绕支架14旋转，滑动块18、连杆17和制动块16组成的止动支撑部件将越过其直线位置，最后偏向另一边；轮轴25上的拨杆26同时使开关21切换其识别电信号。压力撤除后，制动环b在弹簧27的作用下复位，从而改变了制动方向。该换向装置也适用于图4所示的单向制动器。单片机7内部电路见图7。图中CPU是51系列八位微处理器，具有内置A/D模数转换器，如8XC749。与CPU P1.0～1.3端口相连的Q1～Q4是推动管，Q5～Q12是4对互补功率管，它们分别和Q1～Q4直接耦合，组成4个相同的功率放大器，其负载B1和B2是电磁装置上的绕组。光电管D1～D8组成了两个位置传感器5和6，并且和P0端口连接。c为速度控制输入端，与A/D模拟电压输入端连接。Z为旋转方向识别电平输入，该电平由开关21提供。7805是三端稳压集成电路。CPU内置程序方框图见图8。框中字母定义如下：T：脉冲宽度；n：激励信号累计，该信号由定时器或位置传感器检出信号前后不同时产生；N：有效激励比较数，当n＝N时激励有效；r：转子旋转一周信号；R：有效周激励比较数，当R＝1，N为最大值时，即为旋转一周激励一次；R＞1时，r＝R时激励有效。H：最大值；M：中间值。单片机启动后，片内定时器T0、T1都工作在溢出重置启动状态，且T0定时要短得多。T1溢出时，检测位置传感器并产生激励信号；T0溢出时检测位置传感器并与前一次输出进行比较，在结果不同时产生激励信号；并且检测存储ADC转换结果作为目标速度以供比较。激励信号产生时T1又被重置和启动。程序根据位置传感器5前后检测结果所确定的转子状态，比较后转入相应的分支程序，即电机起动、转速快、慢、正常等子程序进行处理。在程序进行期间，如有激励信号产生，该程序立即中止，并控制功率放大器停止驱动，返回主程序继续。激励信号必须在n＝N或是r＝R时方为有效，允许激励。周旋转信号r则被分离和累计。图中“相对状态”表示电磁装置与永磁转子间的相对状态位置，“溢出计数”用于确定转子旋转速度。“返回”表示等候激励信号产生。图2是直流动力电机的又一实施例。与图1相比，其部件是相同的，不同之处在于其单向制动器、电机轴、电磁装置、永磁转子、电机罩之间的组合关系。图中电磁装置2和电机轴3固定在一起，单向制动器的动圈a和永磁转子1固定连接，并和电机轴3活动配合。制动环b仍和电机罩4联接。另外，由于与电机轴固定的电磁装置已成为转子，因此与旋转速度有关的数据，将由位置传感器6提供。