一种开关磁阻型电磁调速电动机的制作方法

1.本发明涉及一种电磁调速电动机，尤其涉及一种开关磁阻型电磁调速电动机，可以广泛应用于各种需要调速驱动的领域。


背景技术：

2.由于变频调速电源具有优良的调速性能，近年来在电机调速领域得到了大量应用。但是采用变频调速电源受到诸多限制：一是从电动机传递给负载的所有电能都要经过变频调速电源进行功率变换，而进行功率变换的核心部件是高性能的电力电子开关器件，高性能的电力电子开关器件大多依赖进口，不但价格昂贵，而且面临断供危险；二是这些电力电子开关器件会产生较大的电能损耗，并且受温度、电压、电流的冲击，很容易损坏，造成变频电源的故障率较高；三是变频电源的技术要求高，结构复杂，成本很高；四是由于电力电子器件工作在开关状态，产生了大量的谐波污染和电磁干扰，严重影响电网的供电质量，而且随着变频电源功率的增大，造成的不良影响更加严重；五是随着变频电源容量和电压的不断提高，电力电子器件的耐压和容量已不能满足要求，为了解决这一问题，人们提出了pwm多电平电路，但是又产生了电路的复杂性与可靠性之间的矛盾。以上这些限制和矛盾，是变频调速电源本身固有的矛盾，单纯依靠对变频调速理论和方法的改进及变频电路的完善是难以克服的，要想克服这些限制和矛盾，需要另寻他途。近年来，人们尝试采用电磁调速电动机和开关磁阻电机来克服这些限制和矛盾。
3.传统电磁调速电动机(又称滑差电机)由三相交流异步电动机、电磁转差离合器和励磁电流控制器三部分组成，其中，三相交流异步电动机是电磁调速电动机的原动机，为电磁调速电动机的运转提供动力，电磁转差离合器通过励磁电流控制器提供大小不同的励磁电流而完成调速功能。传统电磁调速电动机的主要优点包括：(1)电磁调速电动机的内部部件除了轴承和用来调节转速的励磁线圈外，几乎全部都是钢、铁件，其结构坚固耐用、容易装拆维修、适应于长期无故障运行，其总的制造成本和运行维护成本远低于变频调速电源。(2)电磁调速电动机在原动机转速不变的情况下，通过调节转差离合器中励磁电流的大小来调节负载转速。如果负载需要短时停转，只要切断励磁电源，而毋需停止拖动电机，既可减少拖动电机的起动次数，又能降低电动机起动电流对电网的冲击影响。(3)原动机传递给负载的所有能量都是通过电磁转差离合器的内、外转子之间的磁场进行传递的，克服了变频调速装置中所有功率都要通过脆弱、昂贵的电力电子开关进行传递的问题，而只有很小的励磁磁场功率(占总调速功率的0.2～1％)需要通过简单、可靠的励磁电路来传递，所以没有变频调速装置中电力电子开关的耐压和功率等级的限制，产生的谐波和电磁干扰也忽略不计，从而大大提高了设备的可靠性。然而，传统电磁调速电动机也存在技术缺陷：主要是其所提供的转矩是涡流转矩，存在较大的转差功率，而转差功率全部转化为转差涡流损耗，而且调速范围越大，转差损耗涡流越大，使得工作效率降低，温升很高；此外，还存在低速失控区。
4.开关磁阻电机通过在其定、转子之间产生磁阻转矩实现调速，具有结构简单、坚
固、效率高的优点，近年来在电机调速领域也得到发展，但是开关磁阻电机存在转矩脉动大的技术缺陷，而且和变频电源一样，其所有功率也都要通过电力电子开关进行传递，限制了其在高电压、大功率场合的应用。
5.本专利发明人于2013年提出一体化集成式开关磁阻型电磁调速电动机专利(申请号：201310027092.8)，并获得授权。该专利将传统电磁调速电动机的电磁转差离合器替代为开关磁阻电机结构，即利用开关磁阻电机的高效率磁阻转矩替代了传统电磁调速电动机的低效率涡流转矩，从而克服了传统电磁调速电动机的上述技术缺陷。但是该专利将开关磁阻电机结构置于异步电动机的转子里面，导致该种电磁调速电动机的结构非常复杂，径向尺寸大幅度增加；此外，该专利也没有给出包括开关磁阻型励磁电流控制器、开关磁阻型电磁转差离合器、转子位置检测器和导电滑环的完整的系统结构。


技术实现要素：

6.本发明为了克服上述技术不足，将传统电磁调速电动机的电磁转差离合器和励磁电流控制器改为开关磁阻型电磁转差离合器和开关磁阻型励磁电流控制器，并增加了内转子位置检测器和导电滑环，从而提供一种开关磁阻型电磁调速电动机。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种开关磁阻型电磁调速电动机，包括异步电动机、开关磁阻型电磁转差离合器、整流器、开关磁阻型励磁电流控制器、开关磁阻型电磁转差离合器的内转子位置检测器、导电滑环、联轴器。
9.所述异步电动机为传统单相或三相异步电动机，连接交流电源。
10.所述开关磁阻型电磁转差离合器包括外转子和内转子。
11.所述外转子包括外转子轴、外转子铁芯、外转子绕组和外转子壳；所述外转子铁芯、外转子绕组和外转子壳的结构与传统开关磁阻电机的定子结构相同，其中，所述外转子壳套在外转子轴上，所述外转子铁芯固定在外转子壳上，所述外转子绕组绕制在外转子铁芯上。所述外转子铁芯、外转子绕组和外转子壳随着外转子轴一同旋转。
12.所述外转子轴通过联轴器与异步电动机轴连接，所述外转子轴随着异步电动机轴一同旋转。
13.所述内转子的结构与传统开关磁阻电机的转子结构相同，包括内转子轴、内转子轴承和内转子铁芯；内转子轴承的内圈固定在内转子轴上，并随着内转子轴一同旋转；内转子轴承的外圈固定在外转子壳上，并随着外转子一同旋转。
14.所述整流器的结构与传统整流器相同，整流器的交流输入端连接三相交流电源，整流器的直流输出端连接开关磁阻型励磁电流控制器的直流输入端。
15.所述开关磁阻型励磁电流控制器的功率小于所述开关磁阻型电磁调速电动机总调速功率的2％，开关磁阻型励磁电流控制器的三相功率电流输出导线连接导电滑环定子的三相功率电流输入导线，开关磁阻型励磁电流控制器的六根信号电流输入导线连接导电滑环定子的六根信号电流输出导线。
16.所述内转子位置检测器的结构与传统开关磁阻电机转子位置检测器的结构相同，包括遮光盘和三个槽型光电传感器；所述遮光盘套在内转子轴上，与内转子轴一同旋转，三个槽型光电传感器分别安装在外转子壳里面，安装间隔角度为60
°
，旋转遮光盘，使得遮光
盘齿通过槽型光电传感器的槽。
17.所述导电滑环包括导电滑环定子、导电滑环转子、止转片、导电滑环定子三相功率电流输入导线、导电滑环定子六根信号电流输出导线、导电滑环转子三相功率电流输出导线、导电滑环转子六根信号电流输入导线；在导电滑环内部，导电滑环定子三相功率电流输入导线连接导电滑环转子三相功率电流输出导线，导电滑环定子的六根信号电流输出导线连接导电滑环转子的六根信号电流输入导线。所述导电滑环定子和导电滑环转子套在外转子轴上；所述止转片固定在导电滑环定子上，导电滑环定子通过止转片固定在异步电动机的机座上，不随外转子轴旋转；导电滑环转子随着外转子轴旋转。
18.所述导电滑环转子的三相功率电流输出导线分别连接开关磁阻型电磁转差离合器的三相外转子绕组。
19.所述导电滑环转子的六根信号电流输入导线分别连接内转子位置检测器的三个槽型光电传感器。
20.开关磁阻型电磁转差离合器的内转子轴通过联轴器与负载连接，内转子轴带动负载一同旋转。
21.所述开关磁阻型电磁调速电动机的工作原理如下：
22.(1)给异步电动机提供三相交流电，异步电动机开始以额定转速旋转，同时带动开关磁阻型电磁转差离合器的外转子、三个槽型光电传感器和导电滑环转子一同旋转，三个槽型光电传感器把检测到的遮光盘的位置信号通过导电滑环转子的六根信号电流输入导线和导电滑环定子的六根信号电流输出导线传递到开关磁阻型励磁电流控制器的六根信号电流输入导线；由于遮光盘套在开关磁阻型电磁转差离合器的内转子轴上并随着内转子一同旋转，所以遮光盘的位置信号就是开关磁阻型转差离合器的内转子的位置信号。
23.(2)给整流器提供三相交流电，整流器输出直流电给开关磁阻型励磁电流控制器，开关磁阻型励磁电流控制器根据用户给定的负载转速要求和检测到的内转子的位置信号，输出一定频率和大小的励磁电流到三相功率电流输出导线，通过导电滑环定子的三相功率电流输入导线、导电滑环定子、导电滑环转子、导电滑环转子的三相功率电流输出导线，到开关磁阻型电磁转差离合器的三相外转子绕组，在外转子铁芯和内转子铁芯之间建立励磁磁场，在内转子铁芯上产生磁阻转矩，由于外转子铁芯以异步电动机的额定转速旋转，带动内转子和负载以用户给定的转速旋转。如果用户要求负载转速等于异步电动机的转速，则只给开关磁阻型电磁转差离合器的三相外转子绕组提供恒定的直流电即可。
24.本发明的有益效果是：
25.本发明将传统电磁调速电动机的电磁转差离合器替代为开关磁阻型电磁转差离合器，提供了一种开关磁阻型电磁调速电动机，通过开关磁阻型励磁电流控制器来调节开关磁阻型电磁转差离合器外转子绕组的励磁电流的频率和大小，产生低损耗、高效率的磁阻转矩取代传统电磁调速电动机的高损耗、低效率的涡流转矩，可以实现无极调速，不但克服了传统电磁调速电动机转差损耗大、效率低、电枢温升过高、存在低速失控区等技术缺陷，而且由于开关磁阻型励磁电流控制器所需功率不超过开关磁阻型电磁调速电动机总调速功率的2％，从而克服了传统变频调速电源的所有调速功率都要通过电力电子开关器件进行传输，导致高压、大功率电力电子开关器件严重依赖国外进口、价格昂贵、故障率高、结构复杂、开关损耗大、电磁干扰严重等技术缺陷；并且所提供的开关磁阻型电磁调速电动
机，由于其外转子随同原动机(异步电动机)一同旋转，可以缓存其内转子产生的转矩脉动，从而克服了传统开关磁阻电机转矩脉动大的技术缺陷；更进一步，所提供的开关磁阻型电磁调速电动机，其调速范围既可以在原动机(异步电动机)的额定转速之下，又可以在原动机(异步电动机)的额定转速之上，从而成倍扩大调速范围；此外，所提供的开关磁阻型电磁调速电动机，除了功率很小的整流器和开关磁阻型励磁电流控制器以外，其主要部件包括异步电动机、开关磁阻型电磁转差离合器、导电滑环，都是由铜和铁制造而成，是我国制造业的强项，其功率和电压等级可以做到任意大，而且铜和铁可以回收再利用，节材环保。
26.本发明可以取代传统电磁调速电动机、变频器和开关磁阻电机，广泛应用于各种需要调速驱动的机械负载上，如风机、水泵、输油泵，提升机、皮带运输机、电动汽车、混合动力车、船舶、飞机和轨道交通等领域，具有体积小、效率高、坚固耐用、调速范围宽、制造和使用成本低、不受电压和功率等级限制、所有零部件都是国产、节材环保等优点。
27.以下结合附图以实施例作具体说明。
附图说明
28.图1是本发明的实施例结构示意图；
29.图2是图1的开关磁阻型电磁转差离合器的m-m’剖视图；
30.图3是图1的内转子位置检测器结构示意图；
31.图4是图1的导电滑环的外形示意图。
32.图中，1-异步电动机；1-1-异步电动机轴；2-开关磁阻型电磁转差离合器；2-1-开关磁阻型电磁转差离合器的外转子；2-1-1-开关磁阻型电磁转差离合器的外转子轴；2-1-2-开关磁阻型电磁转差离合器的外转子铁芯；2-1-3-开关磁阻型电磁转差离合器的外转子绕组；2-1-4-开关磁阻型电磁转差离合器的外转子壳；2-2-开关磁阻型电磁转差离合器的内转子；2-2-1-开关磁阻型电磁转差离合器的内转子轴；2-2-2-开关磁阻型电磁转差离合器的内转子轴承；2-2-3-开关磁阻型电磁转差离合器的内转子铁芯；3-整流器；3-1-整流器交流输入端；3-2-整流器直流输出端；4-开关磁阻型励磁电流控制器；4-1-开关磁阻型励磁电流控制器的直流输入端；4-2-开关磁阻型励磁电流控制器的三相功率电流输出导线；4-3-开关磁阻型励磁电流控制器的六根信号电流输入导线；5-内转子位置检测器；5-1-内转子位置检测器的遮光盘；5-2-内转子位置检测器的槽型光电传感器；5-3-内转子位置检测器的遮光盘齿；6-导电滑环；6-1-导电滑环定子；6-2-导电滑环转子；6-3-止转片；6-4-导电滑环定子的三相功率电流输入导线；6-5-导电滑环定子的六根信号电流输出导线；6-6-导电滑环转子的三相功率电流输出导线；6-7-导电滑环转子的六根信号电流输入导线；7、8-联轴器；9-负载。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。为了全面地了解本发明，在下面的详细描述中提到了许多具体细节，但本领域的技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。
34.实施例一：
35.参照附图1和2，一种开关磁阻型电磁调速电动机，包括异步电动机1、开关磁阻型电磁转差离合器2、整流器3、开关磁阻型励磁电流控制器4、开关磁阻型电磁转差离合器的内转子位置检测器5、导电滑环6、联轴器7、8。
36.所述异步电动机1为传统单相或三相异步电动机，连接交流电源ac。
37.所述开关磁阻型电磁转差离合器2包括外转子2-1和内转子2-2。
38.所述外转子2-1包括外转子轴2-1-1、外转子铁芯2-1-2、外转子绕组2-1-3和外转子壳2-1-4；所述外转子铁芯2-1-2、外转子绕组2-1-3和外转子壳2-1-4的结构与传统开关磁阻电机的定子结构相同，其中，所述外转子壳2-1-4套在外转子轴2-1-1上，所述外转子铁芯2-1-2固定在外转子壳2-1-4上，所述外转子绕组2-1-3绕制在外转子铁芯2-1-2上。所述外转子铁芯2-1-2、外转子绕组2-1-3和外转子壳2-1-4随着外转子轴2-1-1一同旋转。
39.所述外转子轴2-1-1通过联轴器7与异步电动机轴1-1连接，所述外转子轴2-1-1随着异步电动机轴1-1一同旋转。
40.所述内转子2-2的结构与传统开关磁阻电机的转子结构相同，包括内转子轴2-2-1、内转子轴承2-2-2和内转子铁芯2-2-3。所述内转子轴承2-2-2的内圈固定在内转子轴2-2-1上，并随着内转子轴2-2-1一同旋转；内转子轴承2-2-2的外圈固定在外转子壳2-1-4上，并随着外转子2-1一同旋转。
41.参照附图1，所述整流器3的结构与传统整流器的结构相同，整流器3的交流输入端3-1连接三相交流电源ac，整流器3的直流输出端3-2连接开关磁阻型励磁电流控制器4的直流输入端4-1。
42.参照附图1，所述开关磁阻型励磁电流控制器4的结构与传统开关磁阻电机控制器的结构相同，所述开关磁阻型励磁电流控制器4的功率小于所述开关磁阻型电磁调速电动机的总调速功率的2％，开关磁阻型励磁电流控制器4的三相功率电流输出导线4-2分别连接导电滑环定子6-1的三相功率电流输入导线6-4，开关磁阻型励磁电流控制器4的六根信号电流输入导线4-3分别连接导电滑环定子6-1的六根信号电流输出导线6-5。
43.参照附图1和3，所述内转子位置检测器5的结构与传统开关磁阻电机转子位置检测器的结构相同，包括遮光盘5-1和三个槽型光电传感器5-2；所述遮光盘5-1套在内转子轴2-2-1上，随着内转子轴2-2-1一同旋转，三个槽型光电传感器5-2分别安装在外转子壳2-1-4里面，安装间隔角度为60
°
，旋转遮光盘5-1，使得遮光盘齿5-3通过槽型光电传感器5-2的槽。
44.参照附图1和4，所述导电滑环6包括导电滑环定子6-1、导电滑环转子6-2、止转片6-3、导电滑环定子三相功率电流输入导线6-4、导电滑环定子六根信号电流输出导线6-5、导电滑环转子三相功率电流输出导线6-6、导电滑环转子六根信号电流输入导线6-7；在导电滑环6的内部，导电滑环定子三相功率电流输入导线6-4连接导电滑环转子三相功率电流输出导线6-6，导电滑环定子的六根信号电流输出导线6-5连接导电滑环转子的六根信号电流输入导线6-7。所述导电滑环定子6-1和导电滑环转子6-2套在外转子轴2-1-1上；所述止转片6-3固定在导电滑环定子6-1上，导电滑环定子6-1通过止转片6-3固定在异步电动机1的机座上，不随外转子轴2-1-1旋转；导电滑环转子6-2随着外转子轴2-1-1旋转。
45.参照附图1和2，所述导电滑环转子的三相功率电流输出导线6-6的a、a’、b、b’、c、c’端分别连接开关磁阻型电磁转差离合器的三相外转子绕组2-1-3的a、a’、b、b’、c、c’端。
46.参照附图1和3，所述导电滑环转子的六根信号电流输入导线6-7的x、x’、y、y’、z、z’端分别连接内转子位置检测器5的三个槽型光电传感器5-2的x、x’、y、y’、z、z’端。
47.参照附图1，开关磁阻型电磁转差离合器2的内转子轴2-2-1通过联轴器8与负载9连接，内转子轴2-2-1带动负载9一同旋转。
48.参照附图1和2，所述开关磁阻型电磁调速电动机的工作原理如下：
49.(1)给异步电动机1提供交流电ac，异步电动机1以额定转速旋转，并带动开关磁阻型电磁转差离合器外转子2-1、三个槽型光电传感器5-2和导电滑环转子6-2一同旋转，三个槽型光电传感器5-2的x、x’、y、y’、z、z’端把检测到的遮光盘5-1的位置信号通过导电滑环转子6-2的六根信号电流输入导线6-7和导电滑环定子6-1的六根信号电流输出导线6-5传递到开关磁阻型励磁电流控制器4的六根信号电流输入导线4-3；由于遮光盘5-1套在开关磁阻型电磁转差离合器内转子轴2-2-1上并随着内转子2-2一同旋转，遮光盘5-1的位置信号就是开关磁阻型转差离合器2的内转子2-2的位置信号。
50.(2)给整流器3提供三相交流电ac，整流器3通过其直流输出端3-2给开关磁阻型励磁电流控制器4提供直流电，开关磁阻型励磁电流控制器4根据用户给定的负载9的转速要求和检测到的内转子2-2的位置信号，输出一定频率和大小的励磁电流到三相功率电流输出导线4-2，通过导电滑环定子三相功率电流输入导线6-4、导电滑环定子6-1、导电滑环转子6-2、导电滑环转子三相功率电流输出导线6-6，到开关磁阻型电磁转差离合器2的三相外转子绕组2-1-3的a-a’、b-b’、c-c’绕组，在外转子铁芯2-1-2和内转子铁芯2-2-3之间建立励磁磁场，在内转子铁芯2-2-3上产生磁阻转矩，由于外转子铁芯2-1-2以异步电动机1的额定转速旋转，带动内转子2-2和负载9以用户给定的转速旋转；如果用户要求负载转速等于异步电动机1的转速，只给开关磁阻型电磁转差离合器的三相外转子绕组提供恒定的直流电即可。
51.实施例二：
52.一种开关磁阻型电磁调速电动机的另一种实施例。将实施例一中的异步电动机1改成传统的同步电动机。
53.实施例三：
54.一种开关磁阻型电磁调速电动机的另一种实施例。去掉实施例一中的异步电动机1与交流电源ac的连接线，将异步电动机1改成燃油发动机或燃气发动机，所述燃油发动机包括柴油发动机、汽油发动机、煤油发动机；去掉实施例一中的整流器3与交流电源ac的连接线3-1，将整流器3改成蓄电池。本实施例可以用于混合动力汽车、全电船舶、全电飞机等以燃油发动机为原动机的调速驱动系统。
55.最后应当说明的是：以上所述实施例只是本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。本说明书中应用了以上多个实施例对本发明的原理及实施方式进行了闸述，只是被用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变。因此，本说明书的内容不应被理解为对本发明的限制，凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。