專利名稱：三相磁阻式電動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)可用來(lái)作為驅(qū)動(dòng)源，代替原有的直流電機(jī)及帶反相器的感應(yīng)電機(jī)，特別是當(dāng)需要細(xì)長(zhǎng)型而非扁平型電機(jī)時(shí)更適用。
磁阻式電機(jī)是一種眾所周知的技術(shù)，可以得到很大的輸出轉(zhuǎn)矩，但轉(zhuǎn)速非常小，所以雖然也有使用一部電機(jī)作為負(fù)荷的直接驅(qū)動(dòng)裝置而用于機(jī)械手的例子，但目前還沒(méi)有能達(dá)到實(shí)用化程度的市售產(chǎn)品。偶而被用作小型步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)，而更為廣泛的用途尚未開(kāi)發(fā)。
磁阻式三相全波電機(jī)的磁極和凸極數(shù)很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且勵(lì)磁線圈有6個(gè)系統(tǒng)。在三相全波通電的情況下，磁極和勵(lì)磁線圈至少有12個(gè)。另外轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)也很多，至少有14個(gè)。因此，問(wèn)題在于很難構(gòu)成直徑小的電機(jī)。
另外，旋轉(zhuǎn)時(shí)由于磁極和凸極的磁能轉(zhuǎn)換次數(shù)多，所以很難達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，鐵損增大也不合算。
問(wèn)題之二是由于勵(lì)磁線圈蓄積的磁能很大，而蓄能時(shí)需要時(shí)間，所以通電電流上升延遲，產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩。
另外，上述的磁能消失時(shí)也需要時(shí)間，且磁能消失時(shí)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)速的上升，所產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩都增大。因此效率低，轉(zhuǎn)速也很小。
解決上述問(wèn)題的方法是使電機(jī)具有如下結(jié)構(gòu)，即在外框的兩側(cè)裝有側(cè)板，在各側(cè)板的中央部分裝有軸承，轉(zhuǎn)軸被旋轉(zhuǎn)自如地支承在上述軸承上。在外框內(nèi)側(cè)，磁性轉(zhuǎn)子固定在軸承上，沿該轉(zhuǎn)子的外圍表面等寬、等間距地配置著8個(gè)凸極。並排安裝的第1和第2固定電樞的外周部分固定在外框內(nèi)，比第1固定電樞的內(nèi)周表面凸出、且呈軸對(duì)稱配置的磁極是同相的，由三相半波電流勵(lì)磁的6個(gè)第1磁極通過(guò)微小的間隙與凸極相對(duì)，在第1磁極上纏繞著第1磁勵(lì)線圈。比第2固定電樞的內(nèi)周表面凸出、且呈軸對(duì)稱配置的磁極也是同相的，由三相半波電流勵(lì)磁的6個(gè)第2磁極通過(guò)微小的間隙與凸極相對(duì)，在第2磁極上纏繞著第2勵(lì)磁線圈。位置檢測(cè)裝置用來(lái)檢測(cè)凸極的位置，它包括能獲得第1位置檢測(cè)信號(hào)和第2位置檢測(cè)信號(hào)的位置檢測(cè)元件，第1位置檢測(cè)信號(hào)是彼此之間的角度達(dá)120度相位角的連續(xù)的第1、第2、第3相的矩形波，第2位置檢測(cè)信號(hào)比第1位置檢測(cè)信號(hào)的相位角延遲60度，其彼此之間的角度也是120度相位角的連續(xù)的第1、第2、第3相的矩形波。第1、第2勵(lì)磁線圈的兩端連接著開(kāi)關(guān)元件，開(kāi)關(guān)元件與對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁線圈相串聯(lián)的連接件分別是反向連接的二極管，與第1、第2勵(lì)磁線圈連接的開(kāi)關(guān)元件分別只由第1、第2位置檢測(cè)信號(hào)的角度導(dǎo)通，導(dǎo)通后電流流過(guò)各勵(lì)磁線圈，並產(chǎn)生三相全波輸出轉(zhuǎn)矩，這就是通過(guò)電控制回路。通過(guò)調(diào)節(jié)前面所述的位置檢測(cè)元件的位置，將其固定在固定電樞側(cè)，以使各相勵(lì)磁線圈通電時(shí)所產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。通過(guò)調(diào)節(jié)並固定轉(zhuǎn)子的凸極和相對(duì)的第1、第2磁極的相對(duì)位置，使第1磁極產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩和第2磁極產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩之間的相位差達(dá)到60度。為了使勵(lì)磁線圈通電初期電流上升時(shí)產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩和通電末期由于電流下降的延長(zhǎng)而產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩都保持在最小值，則使勵(lì)磁線圈蓄積的磁能由反向連接的二極管放出，並使磁能的蓄積過(guò)程高速進(jìn)行。
本發(fā)明的電機(jī)是將兩個(gè)三相半波通電的磁阻式電機(jī)並排安裝在外框內(nèi)，每一個(gè)電機(jī)的磁極和凸極數(shù)都為 1/2 ，這樣便解決了第一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)槭怯蓛蓚€(gè)三相半波通電的電機(jī)構(gòu)成，所以其輸出轉(zhuǎn)矩與三相全波通電的電機(jī)相同。
由于使勵(lì)磁線圈中蓄積的磁能返回施加高壓的直流電源，使得磁能迅速消失，防止產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，由于所施加的是高壓，使得磁能迅速蓄積，就防止了產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩。或者，用二極管阻止斷電時(shí)勵(lì)磁線圈中所蓄積的磁能返回直流電源，這時(shí)利用較大的電動(dòng)勢(shì)，使下一應(yīng)該通電的勵(lì)磁線圈迅速蓄積磁能，這樣磁能的消失和蓄積都迅速地進(jìn)行，防止了阻尼轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。因此第二個(gè)問(wèn)題也得以解決決。


圖1是三相半波磁阻式電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)說(shuō)明圖，圖2是上述電機(jī)轉(zhuǎn)子、磁極、勵(lì)磁線圈的展開(kāi)圖，圖3是由線圈獲得位置檢測(cè)信號(hào)的電路圖，圖4是勵(lì)磁線圈的通電控制電路圖，圖5和圖6是位置檢測(cè)信號(hào)、勵(lì)磁電流、輸出轉(zhuǎn)矩的時(shí)間圖，圖7是本發(fā)明裝置的總體結(jié)構(gòu)說(shuō)明圖。
16、16－－固定電樞16a、16a、16b、16b，……16f、16f-磁極5-轉(zhuǎn)軸1-轉(zhuǎn)子1a、1b、1c-凸極K、L、M、17a，17a、17b、17b-勵(lì)磁線圈10a、10b、10c-線圈
7-振蕩器13a、13b、13c、40a-運(yùn)算放大器20a、20b、……20f-三極管40-標(biāo)準(zhǔn)電壓2a、2b-直流電源正負(fù)端子25a、25b、……26a、26b、……27a、27b、……28a、28b、……29a、29b、……30a、30b、……31a、31b-位置檢測(cè)信號(hào)曲線34a、34b、41a、41b、……41d-轉(zhuǎn)矩曲線35a、35b、……35f、35-勵(lì)磁電流曲線42、42a、42b-外框和側(cè)板3-鋁制轉(zhuǎn)子43a、43b-滾珠軸承下面說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。各圖中同一符號(hào)表示同一部件，不再重復(fù)說(shuō)明。
以下的角度均表示相位角。
圖1所示為本發(fā)明使用的三相半波電流磁阻式電動(dòng)機(jī)，這是表示其轉(zhuǎn)子的凸極、固定電樞的磁極和勵(lì)磁線圈結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖1中符號(hào)1是轉(zhuǎn)子，其凸極1a、1b……的角度為180度，分別以360度的相位差等間距地配置著。
轉(zhuǎn)子1是采用眾所周知的疊加硅鋼片的方法制作的。符號(hào)5是轉(zhuǎn)軸。在固定電樞16上，各磁極16a、16b、16c、16d、16e、16f以180度相同的角度及等角間距配置著。凸極和磁極的幅度都相等，都是180度。凸極有8個(gè)，磁極有6個(gè)。電樞16的制作方法與轉(zhuǎn)子1相同。
圖2是圖1所示的磁阻式三相電動(dòng)機(jī)的展開(kāi)圖。
圖2中的線圈10a、10b、10c是用來(lái)檢測(cè)凸極1a、1b、……等的位置的檢測(cè)元件，圖中所示的位置是固定在電樞16的旁側(cè)，線圈平面通過(guò)間隙與凸極1a、1b、……的側(cè)面相對(duì)。
線圈10a、10b、10c的間隔為120度。
線圈是直徑為5毫米的100匝空心線圈。
圖3示出了由線圈10a、10b、10c獲得位置檢測(cè)信號(hào)的裝置。
圖3中，線圈10a、10b、10c及電阻15a、15b、15c……15e構(gòu)成橋式回路，當(dāng)線圈10a、10b、10c與凸極1a、1b、……沒(méi)有對(duì)正時(shí)，可調(diào)整橋路達(dá)到平衡。
因此由二極管11a、電容器12a，以及由二極管11c、電容器12c構(gòu)成的低通濾波器，其輸出相等，則運(yùn)算放大器13a的輸出電平低。
符號(hào)7是振蕩器，能產(chǎn)生1兆赫的振蕩。如果線圈10a與凸極1a、1b、……正對(duì)，由于鐵損(渦流損失和磁滯損失)，阻抗減小，所以電阻15a上的電壓降增大，運(yùn)算放大器13a的輸出達(dá)到高電平。
即使線圈10b、10c朝向凸極1a、1b、……的側(cè)面時(shí)，電阻15b、15c上的電壓降仍增大，通過(guò)低通濾波器11b、12b和已經(jīng)通過(guò)一組低通濾波器的運(yùn)算放大器13b、13c的正(+)端輸入，可以分別獲得高電平輸出。
運(yùn)數(shù)放大器13a、13b、13c的輸出信號(hào)用作位置檢測(cè)信號(hào)，分別示于圖6所示的時(shí)間圖上，如曲線25a、25b，……及26a、26b、……及27a、27b、……所示。
上述三組位置檢測(cè)信號(hào)。其相位依次滯后120度。
符號(hào)8是三相Y型直流電動(dòng)機(jī)常用的邏輯電路。由端子6a、6b、……可以獲得角度為120的連續(xù)位置檢測(cè)信號(hào)。例如，利用“與”回路將圖6所示的曲線25a、25b、……及曲線26a、26b、……轉(zhuǎn)換后的輸出、可獲得曲線28a、28b、……所示的電信號(hào)。程序電路8的端子6a、6b、……6f的輸出，分別如圖6的時(shí)間曲線28a、28b、……，29a、29b、……，30a、30b，……，31a、31b、……，32a、32b、……，33a、33b、……所示。曲線28a、29a、30a就是連續(xù)的角度為120度的第1、第2、第3相的位置檢測(cè)信號(hào)。
同樣，曲線31a、32a、33a也是連續(xù)的角度為120度的第1、第2、第3相的位置檢測(cè)信號(hào)。
用與轉(zhuǎn)子1形狀相同的鋁板代替與線圈10a、10b、10c相對(duì)的轉(zhuǎn)子1，使其同步旋轉(zhuǎn)，並使線圈10a、10b、10c正對(duì)其凸出部分，也能獲得作用效果相同的位置檢測(cè)信號(hào)。利用與轉(zhuǎn)子1同步旋轉(zhuǎn)的磁鐵轉(zhuǎn)子，並利用與其磁極正對(duì)的磁阻元件的輸出變化，也能獲得同樣的位置檢測(cè)信號(hào)。
磁阻式電動(dòng)機(jī)雖然具有輸出轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，另一方面也有如下所述的缺點(diǎn)，妨礙了它的實(shí)際應(yīng)用。
第一個(gè)缺點(diǎn)是勵(lì)磁線圈不能往復(fù)通電，所以電路造價(jià)高，另外，磁極和凸極數(shù)目多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在本發(fā)明的裝置中，由于是三相半波電動(dòng)機(jī)，所以在排除上述缺點(diǎn)的同時(shí)，也排除了半波電流的不足之處。
第二個(gè)缺點(diǎn)是凸極開(kāi)始面對(duì)磁極的初期，轉(zhuǎn)矩顯著的變大，而在未期又變小。因此合成轉(zhuǎn)矩也含有很大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這是很不好的。為了除去上述缺點(diǎn)，采取下述方法是有效的。
即采取使凸極和磁極面對(duì)的轉(zhuǎn)軸方向的寬度不同的方法。由于所采用的這種方法產(chǎn)生的相對(duì)面之間的漏磁，使得輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖5中的時(shí)間圖上的虛線41a、41b、……所示，平坦的部分增大了，所以可用下述方法使合成轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)分量減小，從而可減小上述的缺點(diǎn)。
或者采用其它眾所周知的方法，使一個(gè)磁極的轉(zhuǎn)矩曲線呈對(duì)稱形，也就是采用與有利直流電機(jī)相同的方法，即在中間部分使通電幅度達(dá)120度，就可以達(dá)到同樣的目的。
第三個(gè)缺點(diǎn)是只能低速運(yùn)轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)如果增大輸出轉(zhuǎn)矩，凸極和磁極數(shù)都要增加，如果增加勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)速就會(huì)明顯變小，效率也降低了。
一般來(lái)說(shuō)，在磁阻式電機(jī)的情況下，為了增大輸出轉(zhuǎn)矩，必須增加圖1中的磁極和凸極的數(shù)目，另外還要縮小兩者之間的間隙。這時(shí)如果使轉(zhuǎn)速保持所需要的值，則由于圖1中的磁極16a、16b、……和凸極1a、1b、……中蓄積的磁能，使勵(lì)磁電流上升斜度變緩，而且即使斷電，由于電磁能產(chǎn)生的放電電流消失的時(shí)間相對(duì)地延長(zhǎng)，因此會(huì)產(chǎn)生很大的反向轉(zhuǎn)矩。
由于這個(gè)原因，勵(lì)磁電流的峰值變小，又因?yàn)楫a(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)速變小。效率也低。
如果采用本發(fā)明的裝置，就能排除上述的缺點(diǎn)，其詳細(xì)情況，后面通過(guò)實(shí)施例加以說(shuō)明。
在圖1所示的平面圖和圖2所示的展開(kāi)圖中，圓環(huán)部分16及磁極16a、16b、……是用眾所周知的方法，將硅鋼片疊加固定制成，將其固定在圖中未示出的外框中，這就是電樞。符號(hào)16所示的部分是作為磁路的磁芯。符號(hào)16及符號(hào)16a、16b、……稱作電樞或固定電樞。
圖2中，在磁極16a、16b、……上裝有勵(lì)磁線圈17a、17b、……。勵(lì)磁線圈17a、17d串聯(lián)或並聯(lián)起來(lái)，將該連接體稱作勵(lì)磁線圈K。
同樣將勵(lì)磁線圈17b、17e，以及將勵(lì)磁線圈17c、17f也連接起來(lái)，並將其分別稱作勵(lì)磁線圈L和勵(lì)磁線圈M。
當(dāng)勵(lì)磁線圈L通電時(shí)，凸極1b、1f被吸引，轉(zhuǎn)子1沿箭頭A的方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)過(guò)90度后，勵(lì)磁線圈L斷電，勵(lì)磁線圈M通電。
繼續(xù)旋轉(zhuǎn)120度后，勵(lì)磁線圈M斷電，勵(lì)磁線圈K通電。
通電形式是每旋轉(zhuǎn)120度，勵(lì)磁線圈K→勵(lì)磁線圈L→勵(lì)磁線圈M→周期性地循環(huán)交替通電，驅(qū)動(dòng)著三相半波電動(dòng)機(jī)。
這時(shí)位于軸對(duì)稱位置的磁極，如圖所示，被磁化為N極和S極。
因?yàn)楸淮呕膬蓚€(gè)磁極始終保持異性極，所以通過(guò)非勵(lì)磁極泄漏的磁力線方向彼此相反，從而防止了反向轉(zhuǎn)矩的發(fā)生。
如果采取眾所周知的方法，設(shè)計(jì)成與磁極16a、16b、……寬度相等、且等間距的幾個(gè)(n＝2、3、……)凸出的齒，則輸出轉(zhuǎn)矩變成n倍。
下面說(shuō)明勵(lì)磁線圈K、L、M的通電方法。在圖4(a)中，在勵(lì)磁線圈K、L、M的兩端分別接入三極管20a、20b;20c、20d及20e、20f。三極管20a、20b、20c……就是開(kāi)關(guān)元件，也可以使用具有相同效果的其它導(dǎo)體元件。
由直流電源正負(fù)極2a、2b供電。當(dāng)“與”電路14a的下側(cè)輸入為高電平時(shí)，則由端子4a輸入高電平信號(hào)，于是三極管20a、20b導(dǎo)通，勵(lì)磁線圈K通電。同樣，由端子4b、4c輸入高電平電信號(hào)時(shí)，三極管20c、20d及三極管20e、20f導(dǎo)通，于是勵(lì)磁線圈L、M通電。
端子40的電壓是用來(lái)決定勵(lì)磁電流的標(biāo)準(zhǔn)電壓。可以通過(guò)改變端子40的電壓來(lái)改變輸出轉(zhuǎn)矩的大小。
接通電源開(kāi)關(guān)(圖中未示出)時(shí)，運(yùn)算放大器40a的負(fù)端的輸入正端的輸入低，所以運(yùn)算放大器40a的輸出呈高電平，三極管20a、20b、……20f導(dǎo)通，電壓加在勵(lì)磁線圈K、L、M的通電控制電路上。電阻22是檢測(cè)各勵(lì)磁線圈K、L、M的勵(lì)磁電流用的電阻。
端子4a的輸入信號(hào)就是圖6中的位置檢測(cè)信號(hào)28a、28b、……，而端子4b、4c的輸入信號(hào)，分別為位置檢測(cè)信號(hào)29a、29b、……及30a、30b、……。
上述曲線用同一符號(hào)示于圖5中的時(shí)間圖上的第一段。曲線28a、29a、30a、……連續(xù)下去。
其次，由圖5的時(shí)間圖來(lái)說(shuō)明各勵(lì)磁線圈的通電情況。在勵(lì)磁線圈L上，檢測(cè)信號(hào)29a的幅度僅為用箭頭36表示的120度，如果采用一般的方法通電，由于勵(lì)磁線圈L有較大的電感，使得通電電流上升延遲，如虛線35的前半部分所示。另外其下降部分由于有較大磁能的放出而被延長(zhǎng)，如曲線35的后半部分所示。用箭頭36b表示產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩的180度的區(qū)間。因此，在曲線35的前半部分，轉(zhuǎn)矩減小，而在后半部分，產(chǎn)生較大的反向轉(zhuǎn)矩。呈現(xiàn)出使轉(zhuǎn)矩減小的阻尼轉(zhuǎn)矩的發(fā)生。因此效率劣化，轉(zhuǎn)速低。
消除上述的不良現(xiàn)象是本發(fā)明裝置的特征之一。下面對(duì)此加以說(shuō)明。
增大加在端子2a上的電壓時(shí)，勵(lì)磁電流將像虛線35b所示迅速上升，抑制了阻尼轉(zhuǎn)矩的發(fā)生。
由位置檢測(cè)信號(hào)曲線28a作用的勵(lì)磁線圈K也與上述情況相同，勵(lì)磁電流曲線35a迅速上升。
隨著速度的加快，曲線28a、29a、30a的幅度變小，對(duì)應(yīng)于端子2a的電壓，必須使用高壓。
如果勵(lì)磁電流超過(guò)給定值(根據(jù)圖6中的端子40的標(biāo)準(zhǔn)電壓來(lái)確定)時(shí)，運(yùn)算放大器40a的輸出呈低電平，所以“與”電路114a的輸出也是低電平的，則三極管20a不導(dǎo)通。
因此，蓄積在勵(lì)磁線圈K中的磁能，通過(guò)二極管21a、三極管20b和電阻22放電，當(dāng)放電電流下降到給定值時(shí)，根據(jù)運(yùn)算放大器40a的磁滯特性，輸出又回到高電平，三極管20a再次導(dǎo)通，勵(lì)磁電流增大。
當(dāng)勵(lì)磁電流增大到由標(biāo)準(zhǔn)電壓40規(guī)定的給定值時(shí)，運(yùn)算放大器40a的輸出變成低電平，三極管20a變成不導(dǎo)通狀態(tài)，勵(lì)磁電流下降。
如此構(gòu)成周期性反復(fù)進(jìn)行的斷續(xù)開(kāi)關(guān)電路。
在曲線28a的末端，圖6中的端子4a的輸入消失。因此，由于三極管20a、20b都不導(dǎo)通，所以勵(lì)磁線圈K中蓄積的磁能沿二極管21b→電源端子2a、2b→二極管21a的順序通電，能量回到電源。一般來(lái)說(shuō)，電源中有整流用的容量很大的電容器，磁能被蓄積在電容器中。電源電壓高的曲線35a的下降部分的幅度變小。如果使下降部分的幅度不超過(guò)30度(箭頭36a的幅度)，使能防止反向轉(zhuǎn)矩的發(fā)生。
其它通電曲線35b、35c也與上述情況完全相同，作用效果也一樣。
隨著速度變高，曲線28a、29a、30a的幅度變小，所以也必須相應(yīng)地使曲線35a、35b、35c的上升部分和下降部分的幅度變小。即必須增大外加的直流電壓。
然而其特征是，由斷續(xù)開(kāi)關(guān)電路控制的電流值，即輸出轉(zhuǎn)矩不變。
另外，為了增大輸出轉(zhuǎn)矩，也可以提高圖6中的標(biāo)準(zhǔn)電壓40的電壓值。
如上所述，在本發(fā)明裝置的情況下，高速旋轉(zhuǎn)的限度由外加電壓控制，輸出轉(zhuǎn)矩由標(biāo)準(zhǔn)電壓(輸出轉(zhuǎn)矩的指令電壓)控制，即兩者分別進(jìn)行獨(dú)立控制，這是三相半波通電的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的特征。由勵(lì)磁線圈L的位置檢測(cè)信號(hào)(端子4b的輸入信號(hào))對(duì)電流進(jìn)行的控制，是通過(guò)圖4中的運(yùn)算放大器40a和“與”電路14b的斷續(xù)開(kāi)關(guān)進(jìn)行作用，如圖5中的虛線35b所示，隨著三極管20c的通斷而變化，在曲線29a的末端，如虛線所示那樣急速下降。
其次，位置檢測(cè)信號(hào)30a從圖4中的端子4C輸入時(shí)，勵(lì)磁線圈M的通電情況也與上述相同。
如上所述，勵(lì)磁線圈K、L、M依次連續(xù)通電，產(chǎn)生輸出力矩。
以上說(shuō)明了由三極管20a、20c、20e的通斷進(jìn)的斷續(xù)開(kāi)關(guān)控制。利用“與”電路14a、14b、14c的輸出分別對(duì)三極管20a、20b;20c、20d及20e、20f的通斷進(jìn)行控制的斷續(xù)開(kāi)關(guān)電路，也能用來(lái)達(dá)到本發(fā)明的目的。
具有磁鐵轉(zhuǎn)子的直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線(由磁極N、S形成的曲線)呈對(duì)稱形，而磁阻式電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線則是非對(duì)稱形的，凸極進(jìn)入磁極的初期很大，而末期迅速減小。
也有辦法使輸出轉(zhuǎn)矩曲線呈上述的對(duì)稱形。例如，將磁極和凸極的相向面的形狀改變一下就可以了。這時(shí)，圖5中的箭頭36b(180度)是產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩的區(qū)間，其中間部分的幅度(箭頭36)僅120度，通過(guò)使勵(lì)磁線圈通電，就能使輸出轉(zhuǎn)矩大，又能減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。
下面說(shuō)明輸出轉(zhuǎn)矩曲線為非對(duì)稱的情況。
如果使轉(zhuǎn)軸方向的磁極寬度不同，則轉(zhuǎn)矩曲線如圖5中的曲線41a、41b、……所示，平坦的部分增大。但是，隨著勵(lì)磁電流的增大，由曲線41a、41b、……可知，轉(zhuǎn)矩的平坦部分減小，這是不適宜的。
因此，使通電的起始點(diǎn)比轉(zhuǎn)矩曲線中間部分的120度提前一些，也能使輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且輸出轉(zhuǎn)矩曲線的平坦性變好。
下面就圖5中的第三段時(shí)間圖對(duì)此加以說(shuō)明。由虛線B處開(kāi)始向右，轉(zhuǎn)矩變得平坦，勵(lì)磁電流大的平坦部分的幅度變小。勵(lì)磁電流按曲線41a、41b、……的順序依次增大。
現(xiàn)以勵(lì)磁線圈L為例來(lái)說(shuō)明，即調(diào)節(jié)圖2中的線圈10a、10b、10c的固定位置，使開(kāi)始通電的位置在時(shí)間圖的第三段轉(zhuǎn)矩曲線的起始部位附近。
勵(lì)磁電流如虛線35b所示。
箭頭36是曲線29a的幅度，為120度，箭頭36c為180度，是獲得正向轉(zhuǎn)矩的幅度。
如果曲線35b的下降部分的幅度比箭頭36d小，就不會(huì)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。這個(gè)幅度是箭頭36a的二倍，所以能獲得速度更高的電動(dòng)機(jī)。另外由于輸出轉(zhuǎn)矩的平坦部分也變長(zhǎng)，所以其特征是輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)變小。由其它勵(lì)磁線圈K、M產(chǎn)生的勵(lì)磁電流，用虛線35a、35c表示，它們的作用效果也完全相同。
隨著勵(lì)磁電流的增大，即隨著曲線變成上方所示的形狀，轉(zhuǎn)矩曲線線41a、41b、……的平坦部分的長(zhǎng)度變短，所以改變與磁極相向的凸極的形狀，也能盡量使轉(zhuǎn)矩的平坦部分變長(zhǎng)。
圖4(b)所示的實(shí)施例，是以圖4(a)的電路中去掉用符40、40a、14a、14b、14c表示的斷續(xù)開(kāi)關(guān)電路，而裝入二極管18和電容器19以后的電路圖。
下面對(duì)圖4(b)所示的電路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖5中的第一段位置檢測(cè)信號(hào)曲線28a、29a、30a分別由端子4a、4b、4c輸入。因此，勵(lì)磁線圈K、L、M依次通電，三相半波通電磁阻式電機(jī)便可運(yùn)轉(zhuǎn)。
這時(shí)的勵(lì)磁電流如圖5中的曲線35a所示。曲線35a的中央平坦部分的高度等于由直流電源端子2a、2b的電壓減去反電動(dòng)勢(shì)(反電動(dòng)勢(shì)與輸出轉(zhuǎn)矩曲線41a、42a、……成比例)。所得之差，再除以勵(lì)磁線圈的電阻后求得之值。因此變得平坦了，后半部分有所上升。該電流值的上升，使轉(zhuǎn)矩增大，所以具有防止轉(zhuǎn)矩曲線41a、41b、……的后半部分的轉(zhuǎn)矩減小的作用。
如果在曲線28a的末端斷電，勵(lì)磁線圈K中蓄積的磁能，被防逆流用的二極管18所阻止，不能流回直流電源，而是通過(guò)二極管21b、21a，使電容器19充電，產(chǎn)生高壓。因此磁能迅速消失，如曲線35a的下降部分所示，電流下降。這時(shí)正當(dāng)位置檢測(cè)信號(hào)曲線29a將三極管20c、20d導(dǎo)通，所以電容器19的電壓加到了勵(lì)磁線圈L上，使勵(lì)磁電流迅速上升，通電情況如曲線35b所示。上升后電流變得平坦了，所以與曲線35a的情況完全相同。
當(dāng)勵(lì)磁線圈L斷電、勵(lì)磁線圈M通電時(shí)，基于同樣原因，勵(lì)磁電流曲線35b、35c的上升和下降部分也變得迅速了。如果減小電容器19的容量，上述的上升部分和下降部分的幅度相應(yīng)地變小，所以即使速度高，也能防止產(chǎn)生阻尼轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩，具有既能高速旋轉(zhuǎn)，又有良好的效率的特征。如果三極管20a、20b、……的通斷沒(méi)有時(shí)間差，也可以不要電容器19。
如上面的實(shí)施例所述，因勵(lì)磁線圈中蓄積的磁能不返回直流電源，所以端子2a、2b上的電壓可以與一般直流電機(jī)的電壓一樣低，因此作為以電池為電源的電動(dòng)車的動(dòng)力源，本發(fā)明的裝置是一種有效的供電手段。
磁阻式電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大、而轉(zhuǎn)速低，是由勵(lì)磁線圈中很大的磁能的消失和蓄積導(dǎo)致的，這是個(gè)很大的缺點(diǎn)。
但是，在圖4(a)的實(shí)施例中，利用斷續(xù)開(kāi)關(guān)電路和高壓電源，使各勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流的上升和下降快速進(jìn)行，消除了上述的重大缺點(diǎn)。
在圖4(b)的實(shí)施例中，利用二極管18，防止被蓄積的磁能返回電源，並利用磁能的電動(dòng)勢(shì)，使下一個(gè)應(yīng)該通電的勵(lì)磁線圈進(jìn)行磁能的蓄積。因此，磁能的消失和蓄積能快速進(jìn)行，並能消除上述的重大缺點(diǎn)。而且還可以使用低壓電源。
在圖4(a)的電路中，在正電壓端子2a上接入防止逆流用的二極管，由斷續(xù)開(kāi)關(guān)電路控制電流，而且即使降低電源電壓，也具有與上述同樣的效果。關(guān)于圖5的時(shí)間圖，如前面所述，在圖4(b)的電路中，從凸極進(jìn)入磁極的B點(diǎn)開(kāi)始，也通電120度，也具有同樣的效果。
圖4(b)中用來(lái)防止逆流的二極管18安裝在電源正極2a上，但即使安裝在電源負(fù)極2b上，也具有同樣效果。
這時(shí)將二極管18順向(勵(lì)磁電流的方向)接入電容器19的下端引線和電源負(fù)極2b之間。如果將電容器19的容量設(shè)定在0.1微法以下，則勵(lì)磁線圈中磁能的消失和蓄積所需時(shí)間幅度，對(duì)于輸出功率為300瓦的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，約為20微秒，可以達(dá)到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)。
在一般轉(zhuǎn)速的情況下，電容器19的容量取得較大，只要在能防止產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)就可以。
由于采用這種方法，可以減少包括鐵損在內(nèi)的渦流損失，因而提高了效率。
這時(shí)勵(lì)磁電流上升滯后，可以調(diào)節(jié)位置檢測(cè)元件10a、10b、10c的固定位置，使通電的起點(diǎn)位于圖5中的c點(diǎn)與B點(diǎn)之間所需要的位置。
在圖1中，處于軸對(duì)稱位置的磁極被勵(lì)磁線圈勵(lì)磁，例如磁極16a和16d沿徑向?qū)ν箻O1a、1e的吸引力互相抵消，利用沿圓周方向的吸引力獲得輸出轉(zhuǎn)矩。
使用兩個(gè)圖1所示的三相半波通電的電動(dòng)機(jī)構(gòu)成三相全波通電的電動(dòng)機(jī)是本發(fā)明的技術(shù)要旨。
現(xiàn)就圖7所示的剖面圖詳細(xì)說(shuō)明如下。
圖7中，符號(hào)42是圓筒形的外框，在其兩側(cè)固定安裝著側(cè)板42a、42b，在兩側(cè)板的中央部分裝有滾珠軸承43a、43b，轉(zhuǎn)軸5就支承在這兩個(gè)軸承上。
轉(zhuǎn)子1固定在轉(zhuǎn)軸5上，轉(zhuǎn)子的凸極圖中未示出，所配置的8個(gè)凸極1a、1b、……如圖2所示。
固定電樞16的外緣嵌裝在外框42上，磁極相隔一間隙與轉(zhuǎn)子1的凸極相對(duì)。圖中只示出了磁極16a、16d和勵(lì)磁線圈17a、17d。
鋁制的圓板3固定在轉(zhuǎn)軸5上，沿圓板3的外圍周邊沒(méi)有8個(gè)與凸極1a、1b、……同相位、同形狀的凸出部分，它的外圍表面與固定在側(cè)板42b的一部分上作為位置檢測(cè)元件的線圈10a、10b、10c相對(duì)。圖中只示出了線圈10a。
由線圈10a、10b、10c獲得的位置檢測(cè)信號(hào)與由圖3說(shuō)明的方法獲得的位置檢測(cè)信號(hào)完全相同。
因此，轉(zhuǎn)子1、固定電樞16作為由圖1(a)和圖2(b)說(shuō)明的三相半波通電電動(dòng)機(jī)，便可以運(yùn)轉(zhuǎn)了。
其外圍周邊固定在外框42上的固定電樞16的詳細(xì)情況，就圖2加以說(shuō)明如下。
在固定電樞16上有6個(gè)凸出的磁極16a、16b、……，在這些磁極上纏繞著勵(lì)磁線圈17a、17b、……。
轉(zhuǎn)子1如圖7所示，為固定電樞16所共有，磁極16a、16b、……通過(guò)微小的間隙與凸極1a、1b、……相對(duì)。
磁極16a、16b、……相對(duì)于磁極16a、16b、……向右偏移60度。
由與圖4(a)(b)所示的通電控制電路的結(jié)構(gòu)相同的電路，對(duì)勵(lì)磁線圈17a、17b、……的通電狀態(tài)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)著三相半波電動(dòng)機(jī)。
圖4(a)(b)所示的勵(lì)磁線圈K、L、M，分別由勵(lì)磁線圈17a、17d;17b、16e及16c、16f充當(dāng)。
由端子4a、4b、4c輸入的位置檢測(cè)信號(hào)，就是圖所示的位置檢測(cè)信號(hào)曲線31a、32a、33a，成為圖3中的端子6d、6e、6f的輸出信號(hào)。
圖5中只示出了曲線33a、31a、32a，勵(lì)磁電流用虛線35d、35e、35f表示。通電產(chǎn)生的作用效果與具有固定電樞16的三相半波通電的電動(dòng)機(jī)相同。
由固定電樞16的磁極產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線(實(shí)線34a)和由固定電樞16的磁極產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線(虛線34b)示于圖6。
根據(jù)以上的說(shuō)明可以理解，圖7所示的電動(dòng)機(jī)具有與三相全波磁阻電機(jī)相同的作用、相同的效果，而磁極和凸極的數(shù)目則具有與三相半波電機(jī)相同的特征。
因此，可以制成直徑小、細(xì)長(zhǎng)形的電機(jī)。而且具有能獲得高速旋轉(zhuǎn)的效果。
在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子1公用，固定電樞16和16的磁極的相位偏移60度。
換一種情況，使固定電樞16和16的磁極的相位相同，而將轉(zhuǎn)子1分成兩個(gè)，並使它們的凸極的相位偏移60度，也具有同樣的效果。
圖1所示的轉(zhuǎn)子1以每分鐘1萬(wàn)轉(zhuǎn)以上的高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由凸極1a、1b、……產(chǎn)生空氣渦流，發(fā)出像汽笛一樣的聲音。
為了防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，用塑料填充各凸極之間的溝，消除旋轉(zhuǎn)圓周表面的凹凸，就可消除上述汽笛似的聲音。為了防止因離心力的作用而將所填充的塑料剝離，將凸極間的溝部設(shè)計(jì)成凹溝形，也用塑料填充該凹溝就可以了。
效果1因凸極和磁極數(shù)目少，所以每旋轉(zhuǎn)1周磁能的出入次數(shù)少。因此能獲得高速、高效電動(dòng)機(jī)。
效果2因凸極和磁極數(shù)目少，所以能使直徑縮小，可制成細(xì)長(zhǎng)形的電動(dòng)機(jī)。
效果3雖然其結(jié)構(gòu)為三相半波電動(dòng)機(jī)，但實(shí)質(zhì)上可以得到與三相全波電動(dòng)機(jī)相同的輸出轉(zhuǎn)矩特性。
效果4提高外加電壓，利用斷續(xù)開(kāi)關(guān)電路控制勵(lì)磁電流，使其保持設(shè)定值，並使勵(lì)磁線圈中很大的蓄積能快速消失和蓄積，因此能高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，而且可高效獲得輸出轉(zhuǎn)矩。另外，根據(jù)需要，只需在電源側(cè)安裝二極管，即使降低電源電壓，也可得到相同的效果。
權(quán)利要求
三相磁阻式電動(dòng)機(jī)，其特征為在外框的兩側(cè)裝有側(cè)板，在各側(cè)板中央裝有軸承，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)自如地支承在軸承上，在外框內(nèi)，磁性轉(zhuǎn)子固定在轉(zhuǎn)軸上，沿該轉(zhuǎn)子外緣等寬度、等間距地配置著8個(gè)凸極，第1和第2固定電樞並排固定在外框內(nèi)表面，從第1固定電樞的內(nèi)周面在軸對(duì)稱位置凸出設(shè)置的磁極，其相位都相同，並通過(guò)微小的間隙與凸極相對(duì)，共有6個(gè)利用三相半波通電勵(lì)磁的第1磁極，在這些磁極上纏繞著第1勵(lì)磁線圈，從第2固定電樞的內(nèi)周面在軸對(duì)稱位置凸出設(shè)置的磁極，其相位也都相同，且通過(guò)微小的間隙與凸極相對(duì)，共有6個(gè)利用三相半波通電勵(lì)磁的第2磁極，在這些磁極上纏繞著第2勵(lì)磁線圈，本發(fā)明的裝置還包括含有位置檢測(cè)元件的位置檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)凸極位置，並能獲得幅度為120度相位角的互相連續(xù)的第1、第2、第3相的呈矩形波的第1位置檢測(cè)信號(hào)，以及比該位置檢測(cè)信號(hào)延遲60度、互相連接的幅度為120度相位角的呈矩形波的第1、第2、第3相的第2位置檢測(cè)信號(hào)，在第1、第2勵(lì)磁線圈的兩端，連接著開(kāi)關(guān)元件，各開(kāi)關(guān)元件和對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁線圈之間分別反向串聯(lián)著二極管，與第1、第2勵(lì)磁線圈連接的開(kāi)關(guān)元件，分別只由第1、第2位置檢測(cè)信號(hào)的幅度導(dǎo)通，還有使各勵(lì)磁線圈通電，以便產(chǎn)生三相全波輸出轉(zhuǎn)矩的通電控制電路，通過(guò)調(diào)節(jié)上述位置檢測(cè)元件固定在電樞側(cè)的位置的方法，使各相勵(lì)磁線圈通電時(shí)產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的凸極和與其相對(duì)的第1、第2磁極的相對(duì)位置的方法，使第1磁極的輸出轉(zhuǎn)矩和第2磁極的輸出轉(zhuǎn)矩的相位差達(dá)到60度的相位角，為了使勵(lì)磁線圈通電初期電流上升時(shí)產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩和通電末期電流下降時(shí)產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩保持在最小值，使勵(lì)磁線圈中蓄積的磁能通過(guò)反向連接的二極管放出，並使磁能的蓄積恢速進(jìn)行。
全文摘要
三相磁阻式電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子上有8個(gè)凸極，第1、2固定電樞上各有6個(gè)相位分別相同的磁極，由三相半波電流勵(lì)磁。本電機(jī)還有位置檢測(cè)裝置、開(kāi)關(guān)元件、反向串聯(lián)在開(kāi)關(guān)元件和勵(lì)磁線圈之間的二極管和用來(lái)產(chǎn)生三相全波輸出轉(zhuǎn)矩的通電控制電路。調(diào)節(jié)位置檢測(cè)元件的位置，能使輸出轉(zhuǎn)矩最大，勵(lì)磁線圈中的磁能可快速蓄積與放出，能使阻尼轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩保持最小。因凸極和磁極少，故可高效，高速旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)H02K37/04GK1053328SQ9010731
公開(kāi)日1991年7月24日 申請(qǐng)日期1990年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月28日
發(fā)明者伴五紀(jì) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社精工技研