專利名稱：定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，具體地說是一種定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)。
普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)均包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成。定子繞組是由多個線圈元件繞制在定子鐵芯上，并按照電機(jī)的不同使用要求和連接規(guī)律完成接線，最后產(chǎn)生一組完整的接線端子。只要對接線端子進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪B接和通電，電機(jī)即可運行起來。在實際使用中，電機(jī)的故障率是較高的，最常見的是某個定子線圈元件的短路或斷路。對普通電機(jī)來說，任何一個線圈元件的損壞，均可導(dǎo)致整臺電機(jī)無法繼續(xù)運行，并可能因徹底失去動力而導(dǎo)致相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。
本實用新型的目的就是提供一種全新定子繞組設(shè)置方式的定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)，以使得某個定子線圈元件的損壞僅僅影響局部功能，而整個電機(jī)仍然可以繼續(xù)運行，從而避免因電機(jī)停轉(zhuǎn)對相關(guān)系統(tǒng)所產(chǎn)生的嚴(yán)重?fù)p害。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)，包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，定子鐵芯沿圓周方向等角度均分成至少兩個以上的區(qū)域，每個分區(qū)內(nèi)繞制有一套完整的、并有一組相對獨立接線端子的三相繞組。
在本實用新型中，定子鐵芯的每個分區(qū)內(nèi)均有足夠的線槽，以容納一套完整的三相繞組。盡管每套三相繞組僅僅覆蓋定子鐵芯的部分區(qū)域，但因為是一完整的三相繞組，所以仍具有完整的磁回路和360度的電角度，仍然可以按照普通電機(jī)的通電方式通電，并形成一個在局部運行的磁場矢量。這個磁場矢量的運動軌跡在圓形的定子鐵芯空間上并不閉合，而是在從所占部分圓周扇區(qū)的一端連續(xù)轉(zhuǎn)到另一端后，又從起始端開始旋轉(zhuǎn)。由于每套三相繞組相對其他三相繞組在邏輯上是相對獨立的，因此每套三相繞組相對整個電機(jī)而言，就形成了一個在邏輯上是相對獨立的定子，在此稱為“邏輯定子”。那么在同一定子鐵芯上有多少個定子分區(qū)，就可以容納多少套三相繞組，就有多少個完整的邏輯定子。這些邏輯定子共用同一轉(zhuǎn)子，因此每個邏輯定子均與轉(zhuǎn)子形成一個虛擬的“邏輯電機(jī)”。每個邏輯電機(jī)均具有一組相對獨立、且與普通電機(jī)對應(yīng)的接線端子。所有這些邏輯電機(jī)集合在一起，就構(gòu)成了一臺物理意義上的集成電機(jī)。
本實用新型中的轉(zhuǎn)子可以采用交流異步電機(jī)中的鼠籠轉(zhuǎn)子。由于鼠籠轉(zhuǎn)子的磁場和電流是由定子繞組感應(yīng)產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場均與定子繞組的磁矢量位置相對應(yīng)。對于上述的邏輯定子而言，其工作原理與普通交流異步電機(jī)的定子完全一致，而工作形式卻有所不同。其差異主要在于邏輯定子磁矢量的變化范圍局限于邏輯定子繞組所覆蓋的扇區(qū)之內(nèi)，且只是使用與之相應(yīng)的部分轉(zhuǎn)子。當(dāng)邏輯定子繞組產(chǎn)生的磁矢量在扇區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)動時，在鼠籠轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距效果與普通電機(jī)相同，是在保持一定轉(zhuǎn)差率的情況下，跟隨矢量旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)邏輯定子繞組產(chǎn)生的磁矢量到達(dá)扇區(qū)終點，也就是到達(dá)了電角度的360度時，是接著再從扇區(qū)的起點開始的。就電角度而言，這仍然是連續(xù)的。盡管轉(zhuǎn)子可能已經(jīng)轉(zhuǎn)過了一定的角度，但此時對應(yīng)于該邏輯定子的那部分轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)卻仍然是完整和相同的，可以理解為存在著一個動態(tài)的“邏輯轉(zhuǎn)子”與邏輯定子相對應(yīng)。因此，盡管轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動，但邏輯轉(zhuǎn)子所在部分總以同樣的方向和轉(zhuǎn)差率對磁場矢量的運動進(jìn)行跟隨。這樣，整個物理轉(zhuǎn)子(即鼠籠轉(zhuǎn)子)就可以在一個邏輯定子和一個邏輯轉(zhuǎn)子的作用下實現(xiàn)平穩(wěn)、連續(xù)的轉(zhuǎn)動。
由于定子分區(qū)是獨立的，邏輯定子在繞組和磁路結(jié)構(gòu)上是完整的，同時，即使是在動態(tài)環(huán)境下，任一時刻總會有對應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子的存在，因此邏輯定子和相應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子總是可以形成一個完整的“邏輯電機(jī)”。由于每個定子分區(qū)內(nèi)均有一個邏輯定子，使得整個鼠籠轉(zhuǎn)子上的每一部分在任一時刻都會與某一邏輯定子相對應(yīng)。這樣在一臺電機(jī)上，實際上就形成了數(shù)個邏輯電機(jī)的集合體，由此而構(gòu)成一臺定子分區(qū)式交流異步集成電機(jī)。當(dāng)某一定子線圈元件出現(xiàn)故障時，只會影響其所在邏輯定子的工作，而整個集成電機(jī)在其他邏輯定子的帶動下，仍可繼續(xù)維持運行，直至維修，使其安全性得到成倍的提高。
本實用新型的轉(zhuǎn)子還可以采用永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的磁極對數(shù)與定子鐵芯上的分區(qū)數(shù)相同，且轉(zhuǎn)子上的所有磁極均等距對稱分布。在無刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的磁場是由永磁器件所固定生成的，與定子磁場變化無關(guān)。邏輯定子的磁矢量每完成一個360度電角度的循環(huán)，就相當(dāng)于磁矢量轉(zhuǎn)過了一個物理扇區(qū)，即從扇區(qū)的起始端轉(zhuǎn)動到了結(jié)束端。因為這個磁矢量的作用，在沒有發(fā)生失步的前提下，與該扇區(qū)對應(yīng)的邏輯轉(zhuǎn)子所在的一對磁極也會同步轉(zhuǎn)過與該扇區(qū)相應(yīng)的機(jī)械角度。因磁極鑲嵌于物理轉(zhuǎn)子之上，所以又使得整個物理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過同樣的機(jī)械角度。然而，當(dāng)邏輯定子進(jìn)入下一個360電角度的循環(huán)時(即磁矢量又返回對應(yīng)扇區(qū)的起始端)，原先的那一對轉(zhuǎn)子磁極已經(jīng)轉(zhuǎn)出該扇區(qū)，因此，在本集成電機(jī)的物理轉(zhuǎn)子上至少必須另有一對結(jié)構(gòu)相同、方向一致、場強(qiáng)相等的磁極及時轉(zhuǎn)入該扇區(qū)的作用范圍之內(nèi)，即進(jìn)入扇區(qū)的起始端，以繼續(xù)下一電循環(huán)期間穩(wěn)定地帶動物理轉(zhuǎn)子的運行。因此，對于定子分區(qū)式無刷直流集成電機(jī)而言，物理轉(zhuǎn)子上的磁極對數(shù)一定與定子分區(qū)數(shù)相同，并且所有磁極亦應(yīng)等距、對稱分布，以與邏輯定子相配合，組成邏輯電機(jī)的集合體。
一般而言，任何具有足夠數(shù)量線槽的物理定子均可分成N個(N≥2)相等的扇區(qū)，容納N個邏輯定子。這些邏輯定子位于同一殼體內(nèi)，嵌入同一定子鐵芯，共用同一轉(zhuǎn)子。各個邏輯定子的所有元件按所在扇區(qū)均勻排布于集成電機(jī)的定子圓周之上，共有N組。各組元件的導(dǎo)線截面、繞制圈數(shù)、連接關(guān)系等物理與電氣參數(shù)應(yīng)力求一致，以充分利用物理定子的線槽空間，并有利于物理轉(zhuǎn)子內(nèi)部力距的分配與平衡。各個邏輯電機(jī)中的線圈元件的連接方式必須相同，以在相同的供電、負(fù)載和控制環(huán)境下，保證各個邏輯電機(jī)在相應(yīng)的物理定子扇區(qū)之內(nèi)具有相同運行方向和相同運行角速度的磁場矢量，從而保證在該環(huán)境下，各個邏輯電機(jī)能夠進(jìn)行正確的功率疊加。這些相同的連接方式和連接結(jié)構(gòu)又與相應(yīng)的普通電機(jī)元件間的連接方式及連接結(jié)構(gòu)在邏輯上等同，以便按照對普通電機(jī)的控制方式控制每一個邏輯電機(jī)，但組間相互隔離，最后引出N組獨立的接線端子。與邏輯定子不同，集成電機(jī)中并不存在靜止、固定、或是與某個邏輯定子在物理意義上嚴(yán)格對應(yīng)的具體邏輯轉(zhuǎn)子。任何一個邏輯電機(jī)轉(zhuǎn)子都是動態(tài)生成的，也可認(rèn)為這是該時刻物理轉(zhuǎn)子上的一個特定“扇區(qū)”。每一時刻均會出現(xiàn)對應(yīng)于邏輯定子的這樣一個“扇區(qū)”，即任何一個邏輯定子在每一時刻，均會保持、并只有一個邏輯轉(zhuǎn)子與之對應(yīng)。
由此看來，N個靜態(tài)的邏輯定子和N個動態(tài)的邏輯轉(zhuǎn)子共同形成了N個具有完全相同的物理和電氣結(jié)構(gòu)的邏輯電機(jī)，進(jìn)而構(gòu)成了一臺物理上的集成電機(jī)。因其結(jié)構(gòu)相同，工作電壓相等，所有邏輯電機(jī)的工作電流之和應(yīng)為集成電機(jī)總的工作電流，所有邏輯電機(jī)的功率之和則為集成電機(jī)的總功率。
在本實用新型中，各三相繞組的接線端子分別連接一個控制器。這樣，一方面對一臺大功率的集成電機(jī)的控制可以轉(zhuǎn)化成為對N個相對較小功率的邏輯電機(jī)的并行控制，從而將難度較大的大功率控制轉(zhuǎn)換成為相對難度較小的小功率、多單元控制。各控制器應(yīng)具備同步功能，以便能夠按照嚴(yán)格同步的原則并聯(lián)工作。另一方面，當(dāng)某個邏輯電機(jī)或控制器發(fā)生故障或受到外力損傷而無法運行時，只會影響單個邏輯電機(jī)的運行，集成電機(jī)上還有N-1個邏輯電機(jī)能夠正常運轉(zhuǎn)。雖然總的輸出功率會受到影響，但不至于完全停機(jī)而使相關(guān)系統(tǒng)癱瘓。極限情況是每一邏輯電機(jī)可在其它邏輯電機(jī)不參加工作的情況下單獨驅(qū)動整個集成電機(jī)的運行。由此實現(xiàn)了集成電機(jī)的帶故障運行。此外，還可以通過改變其他邏輯電機(jī)的運行參數(shù)而在一定范圍內(nèi)做到“功能代償”式運行。這樣就可以有效地提高電機(jī)運行的可靠性與安全性。本實用新型的核心正在于此。
本實用新型中的定子分區(qū)式無刷直流集成電機(jī)還可直接作為發(fā)電機(jī)來使用。此時每一邏輯電機(jī)都是一個獨立的發(fā)電機(jī)，要是將它們完全并聯(lián)使用，就成為一臺集成式發(fā)電機(jī)。
以下結(jié)合附圖
對本實用新型做進(jìn)一步詳述。
附圖是本實用新型為采用雙聯(lián)裝結(jié)構(gòu)時定子分區(qū)式無刷直流集成電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖所示，在電機(jī)定子鐵芯1上有兩個各為180度角的分區(qū)，每個分區(qū)上有12個定子線槽，并各按照單對磁極12線槽、標(biāo)準(zhǔn)三相無刷直流電機(jī)的下線方式繞制有三相繞組2，形成兩個結(jié)構(gòu)完全一致的邏輯定子，每個邏輯定子上引出一組獨立的接線端子。在轉(zhuǎn)子3上鑲嵌有等距、對稱分布的兩對永久磁極。由此形成了由兩個邏輯電機(jī)U1、U2構(gòu)成的雙聯(lián)裝定子分區(qū)式無刷直流集成電機(jī)M。
在兩組相對獨立的接線端子上，各連接一個獨立的控制器C1、C2。每個邏輯電機(jī)的加載、控制和運行過程都是完全獨立的，即可在另一臺邏輯電機(jī)處于關(guān)閉的狀態(tài)下獨立運行。當(dāng)然還可以高度并行的方式進(jìn)行統(tǒng)一控制。其具體方法一種是通過在兩個控制器C1、C2之間加裝同步控制器T的方式予以實現(xiàn)。同步控制器T可以是由一個CPU控制信號驅(qū)動電路所組成。另一種就是采用本申請人在先申請(申請?zhí)?2124038.8)的“網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)式同步陣列控制器”的方式予以實現(xiàn)。這樣，在聯(lián)機(jī)運行時就能使各控制器之間相互協(xié)調(diào)以使相應(yīng)的兩個邏輯電機(jī)能以高度并行的方式工作，亦即在集成電機(jī)M的最終輸出方面等效于一臺與其總的功率相同的普通電機(jī)。此外，還可將接線端子直接并聯(lián)，共接一臺功率相當(dāng)?shù)目刂破?。在這種方式下，集成電機(jī)則完全等同于一臺相應(yīng)的兩對極普通電機(jī)。
權(quán)利要求1.一種定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)，包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，其特征在于定子鐵芯(1)沿圓周方向等角度均分成至少兩個以上的區(qū)域，每個分區(qū)內(nèi)繞制有一套完整的、并有一組相對獨立接線端子的三相繞組(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子(3)為鼠籠轉(zhuǎn)子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子(3)為永磁式無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子(3)上的磁極對數(shù)與定子鐵芯上的分區(qū)數(shù)相同，且轉(zhuǎn)子上的所有磁極等距對稱分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)，其特征在于定子鐵芯(1)上各三相繞組(2)中線圈元件的連接方式相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子分區(qū)式集成電動/發(fā)電機(jī)，其特征在于各三相繞組(2)的接線端子分別連接一個控制器(4)。
專利摘要本實用新型是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括有定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成，定子鐵芯沿圓周方向等角度劃分有至少兩個以上的區(qū)域，每個分區(qū)內(nèi)繞制有一套完整的、并有一組獨立接線端子的三相繞組。本實用新型可以使得某個定子線圈元件的損壞僅僅影響局部功能，而整個電機(jī)仍然可以繼續(xù)運行，從而避免因電機(jī)停轉(zhuǎn)對相關(guān)系統(tǒng)所產(chǎn)生的嚴(yán)重?fù)p害。本實用新型可以實現(xiàn)電機(jī)的帶故障運行和“代償式”運行，從而有效地提高電機(jī)運行的可靠性與安全性。
文檔編號H02K3/28GK2565193SQ0225315
公開日2003年8月6日 申請日期2002年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月28日
發(fā)明者原澤, 季小尹, 原亮, 栗彤 申請人:原澤