[發明專利]一種應用于直流電機的四倍疊加效應磁場

在審

• 申請號: 201610878721.1
• 申請日: 2016-09-26
• 公開（公告）號: CN107872132A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 劉宏勝
• 申請（專利權）人: 劉宏勝
• 主分類號: H02K16/02
• 分類號: H02K16/02;H02K1/12;H02K11/33
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1.一種應用于直流電機的四倍疊加效應磁場，這是一種以提高直流電機機電能量轉換效率為目標的新型磁場架構，它是由直流電機輸出側兩個極性相反的勵磁磁極與輸入側的一個電樞磁極組合構成一個兩倍疊加效應磁場的基本單元，兩個極性相反的勵磁磁極可以在同一個電樞磁極極面下形成兩種性質相反的磁場反應區，使得電樞磁極極面下同時擁有兩個有功磁場，兩個有功磁場的組合令電樞磁極極面下所有的磁極面積都能同時參與磁場反應，在磁場反應的過程中電樞磁極極面下的的磁場都能夠被充分利用，將兩個兩倍疊加效應磁場的基本單元合并后可以構成一個四倍疊加效應磁場的一個復合單元，并將該復合單元整合在直流電機磁場的一極中，使直流電機的兩個內轉子勵磁磁極和兩個外轉子勵磁磁極同時與一個電樞磁極發生磁場反應，在磁場反應過程中電樞磁極的徑向兩端形成四個有功磁場，同時產生四次正向交軸電樞反應的一種交軸電樞反應群，并產生四個方向相同、時間相同的電磁力，在電樞磁極與各勵磁磁極的磁感應強度均為定值時，四倍疊加效應磁場產生的電磁力是兩倍疊加效應磁場的兩倍，是單一異性或同性磁極之間磁場反應時電磁力的四倍，本方案將針對四倍疊加效應磁場所做的實驗并由實驗推導出的實驗結論：“1：①將長度、寬度、厚度、磁場強度等條件都相同的兩個異性磁極分別置于氣隙的兩側，這兩個磁極中心軸線兩側場強的差異使之相互作用而產生氣隙磁通時，無論它們重合的面積是多少，貫穿氣隙的磁力線與磁極表面的夾角始終近似于垂直；②相互交鏈的磁力線的傾斜角度極小，正是這個角度能夠使兩個異性磁極產生磁動勢；③在這一對磁極的極距內，磁極表面能夠參與磁場反應的部分僅僅局限在兩個磁極的重合面寬度及磁極表面靠近重合面一側極小的寬度范圍內，剩余的磁極表面并不參與磁場反應；④重合面內氣隙磁通有大幅增強，但重合面之外的部分由于并未參與磁場反應，其磁場強度并未發生明顯改變，即沒有參與磁場反應的部分沒有產生去磁現象。2：①將長度、寬度、磁場強度等條件都相同的兩個同性磁極分別置于氣隙的兩側，當它們完全重合并靜止時，其磁場中心軸線重合，兩個磁場之間的功角為零，當這兩個磁極的中心軸線發生偏離時，磁力線相互推斥而產生磁場力，這兩個磁極在磁場力的作用下，重合面積逐漸縮小為零，功角也隨之由最大轉變為最小；②通過對磁場反應在磁場力的實測，在異性磁極之間的磁場反應和同性磁極之間的磁場反應的過程中，功角的增大并不能產生顯著增大的電磁力，也就無法提供類似于堵轉轉矩這種數倍于額定轉矩的電磁轉矩，但更大的功角能夠使輸入側電樞磁極極面下保留更多未參與磁場反應的磁極面積。3：①將三個長度、寬度、磁場強度等條件都相同的磁極分別置于氣隙兩側，當氣隙一側的單個磁極在自己的極面下同時擁有極性一正一反的兩個磁極時，這個磁極與其中一個異性磁極發生磁場反應的同時，也可以與另一個同性磁極發生磁場反應，通過對一對異性磁極之間、一對同性磁極之間、一個磁極同時與兩個極性一正一反的磁極之間三種磁場反應中磁場強度的實時測量，可以證實這三個磁極三個磁極在自身的磁場強度保持不變的前提下，輸入側的單個磁極能夠與輸出側的兩個磁極同時發生磁場反應并形成兩個磁場反應區域時，可以同時獲得兩個方向相同、時間相同的磁場力；②氣隙合成磁動勢只存在于電樞磁場與勵磁磁場的重合面及重合面外的傾斜角度范圍內，氣隙合成磁動勢無論是與電樞磁動勢還是與勵磁磁動勢之間都不存在相位差，氣隙合成磁動勢是電樞磁動勢與勵磁磁動勢耦合的必需條件，它與另外兩方的相對位置恒定，不存在相對位置的改變，只存在氣隙合成磁動勢面積大小或電樞磁動勢與勵磁磁動勢中心軸線之間夾角大小(功角)的變化；③：電樞磁場與勵磁磁場的重合面及重合面外傾斜角度范圍屬于有功磁場，在此范圍之外的磁極面積均屬無功磁場，有功磁場能夠產生電磁轉矩，無功磁場消耗電磁功率(建立磁飽和度)但不能產生電磁轉矩，甚至會產生與電磁轉矩方向相反的分量，有功磁場與無功磁場的面積會隨著功角的變化而增減，但是電磁轉矩的變化卻很小，電磁功率與負載變化和輸入功率有關，與功角之間的函數關系曲線表現的較為平緩；4：當一個磁極同時與自身極面下的兩個極性一正一反的磁極發生磁場反應并形成兩個有功磁場的同時，還可以在其另一極面與兩個極性一反一正的磁極再建立兩個有功磁場，其磁場強度與單一磁場反應或雙反應磁場相比時仍然無需增強。”進行綜合分析，得出：1：氣隙兩側的兩個磁極的重合面積的多少并不能改變通過氣隙的磁力線的形態，無論重合面積是多少，磁力線只有從一個磁極朝向另一個磁極很小的傾斜角度，總是近似于垂直磁極表面，當一個磁極同時與極性一正一反的兩個磁極發生磁場反應時，單個磁極極面下的磁力線一分為二，分別與對應的異性磁極重合面內的磁力線交鏈、與同性磁極重合面內的磁力線相排斥，形成兩個性質相反的磁場反應區，產生兩個氣隙磁動勢，氣隙內的磁力線沒有交叉的形態，兩個磁場反應區內的磁力線是相互獨立的，這種磁場特性為將勵磁磁極中同性磁極磁場反應與異性磁極磁場反應的最大功角設置在同一個電樞磁極極面下提供了整合空間；2：由于同性磁極之間產生磁場反應時，在功角特征的表現上與異性磁極之間的磁場反應完全相反，因此同性磁極之間的磁場反應的參與，剛好可以使電樞磁極極面下異性磁極之間磁場反應過程中的無功磁場得以介入氣隙合成磁場反應，將電樞磁極極面下的無功磁場轉化為另一個與前者性質相反的有功磁場，并且同性磁極的磁場反應可以參與異性磁極磁場反應的功角由大到小的全部變化過程，將同性磁場反應與異性磁場反應整合在同一個電樞磁極極面下之后，其功角特性有兩種形態：一種是與電樞磁極極性相反的勵磁磁極中心軸線滯后于電樞磁極中心軸線的角度，滯后的角度越大，勵磁磁動勢的功角就越大，勵磁磁動勢的功角最大時，勵磁磁場的有功磁場的面積最小，無功磁場的面積最大；另一種是與電樞磁極極性相同的勵磁磁極中心軸線超前電樞磁極中心軸線的角度，超前的角度越小，勵磁磁動勢的功角就越大，勵磁磁動勢功角最大時勵磁磁動勢有功磁場面積最大，無功磁場的面積最小，本方案將異性磁極之間的重合面積設置在最小狀態時，使異性磁極之間的磁場反應獲得最大功角，同性磁極之間的重合面積設置在最大狀態時，同性磁極之間的磁場反應獲得最大功角；3：在實驗3中，能量源電樞磁極的下級形成兩個分支，能量的傳遞走向有兩個路徑：一是與電樞磁極極面重合的異性勵磁磁極從電樞電磁功率中獲得的機械功率；二是與電樞磁極重合的同性勵磁磁極從電樞電磁功率中獲得的機械功率，實驗4將實驗3的兩個能量傳遞路徑擴展后得到了4個傳遞路徑，從實驗結果中可以看出，輸入側電樞磁極和輸出側勵磁磁極在都沒有額外增加磁場強度的條件下，輸出側四個勵磁磁極各自獲得了與單一傳遞路徑相等的能量，輸入側電樞磁極傳遞給四個路徑的能量并沒有因分流而減弱，而是使輸出側勵磁磁極的四個路徑都從能量源處獲得了1∶1的能量，四個傳遞路徑所傳輸的能量獲得了疊加。四倍疊加效應磁場是從以上3點中獲取了成立的相關條件，并將四倍疊加效應磁場引入到本方案實施例四倍疊加效應磁場三相無刷直流電機中，并使該實施例與普通直流電機在定子組件、轉子組件、電路構成和散熱方式等方面形成明顯的特征差異：四倍疊加效應磁場三相兩極無刷直流電機由定子組件，轉子組件，驅動電路，后端蓋，散熱風機，供電電路盒，分體式底座，導線等構成，定子組件由電樞主磁極、極間隔熱板和繞組隔熱材料組成，定子側圓周上均勻排列六個采用集中繞組的電樞主磁極，其中互差180度的兩個串聯連接的主磁極為一相，共三組串聯連接的電樞繞組，是為三相，兩個串聯連接的主磁極極性相反，是為兩極，三相四極無刷直流電機的定子部分由12個電樞主磁極組成，其中互差90度的四個串聯連接的主磁極為一相，共三相，四個串聯連接的主磁極極性正反交替，形成四極磁場，三相繞組在電路構成上都是獨立的，各相之間相互不為通路，由驅動電路對三相繞組次第供電，順序形成同步旋轉磁場，電機運行的每一步中，通電建立磁場的相都僅有一相，其余相均不參與磁場反應；轉子組件由內轉子和外轉子組成，外轉子由外轉子外殼、前端蓋、外轉子前極、外轉子后極等構成，內轉子由轉子軸、內轉子前極、內轉子后極、磁軛、散熱葉片等構成，一對內轉子前極和內轉子后極作為轉子的一極設置在轉子的一側，另一對內轉子前極和內轉子后極設置在轉子的另一側，兩對磁極呈水平軸對稱，但是在極性的設置上兩對磁極是投影關系，兩對磁極之間留有周向60度的空檔，形成一種擁有四個磁極的兩極轉子，將內轉子徑向剖面分為四個象限，設與轉子前極徑向對應的當前通電相電樞主磁極極性為N極，并以當前通電相電樞主磁極位于第四象限為參照，轉子表面各磁極的周向分布順序從進紙面觀察、順時針排列為：第一象限中有60度S極+30度空格；第二象限中有30度空格+60度S極；第三象限中有60度N極+30度空格；第四象限中有30度空格+60度N極，第一、第四象限S、N兩個磁極相鄰，第二、第三象限的S、N兩個磁極相鄰；外轉子由外轉子外殼、外轉子前極、外轉子后極組成，外轉子磁極的分布方式與內轉子相同，區別在外轉子磁極與徑向對應的內轉子磁極的極性全部相反，內、外轉子上設置的磁極個數都是電樞通電相磁極個數的兩倍，并且內、外轉子上的所有磁極在電機運行的任意時刻全部都參與磁場反應，在旋轉方向前方的磁極是轉子前極，在旋轉方向后方的是轉子后極，電機在運行的最初時刻，與轉子前極徑向對應的電樞磁極為起始通電相，該電樞磁極獲得通電并建立磁場后，轉子前極因與之極性相同而受到排斥，加之其中心軸線超前電樞磁極中心軸線，因而獲得一個與旋轉方向一致的磁場力，同一時刻，轉子后極處于上一相極面下，但與當前相毗鄰，受到當前相的吸引，也獲得一個與旋轉方向一致的磁場力，兩個方向相同、時間相同、磁場反應速度相同的磁場力作用在轉子表面，拖動轉子向規定方向旋轉，轉子磁極數量只與定子極數成倍數關系，和定子相數無關；單個電樞磁極與兩個極性一正一反的勵磁磁極組成兩倍疊加效應的一個基本單元，將兩個兩倍疊加效應磁場的基本單元整合在直流電機的一極中，組成四倍疊加效應磁場的一個復合單元，在直流電機中，兩倍疊加效應磁場的基本單元和四倍疊加效應磁場的復合單元的數量都是成對出現的，直流電機的極數等于兩倍疊加效應磁場基本單元或四倍疊加效應磁場復合單元的數量。四倍疊加效應磁場三相四極無刷直流電機的磁場布置形式：定子側內圓均勻排列十二個電樞主磁極，其中互差90度的四個主磁極為一相，四個主磁極串聯連接，軸對稱的兩個主磁極為同性，電樞磁極每相互差30度，轉子旋轉30度為一步，轉子旋轉一周需要12步，內轉子外圓表面共設置以四對內轉子前極+內轉子后極組合構成的四極，將當前通電相電樞主磁極設在定子內圓空間的第330度-360度且極性為S極，以此為參照，將內轉子徑向剖面分為四個象限，在各象限中以順時針順序排列，從進紙面方向觀察，第一象限排列為30度N極+30度空格+30度N極；第二象限排列為：30度S極+30度空格+30度S極；第三象限排列為：30度N極+30度空格+30度N極；第四象限排列為：30度S極+30度空格+30度S極，外轉子的磁極布置方式與內轉子相同，但外轉子磁極與徑向對應的內轉子磁極極性全部相反，三相六極轉子或三相六極以上的轉子磁極的排列方式以此類推。四倍疊加效應三相無刷直流電機的電路構成：本方案實施例的驅動電路主要由光電信號機構、去分量IGBT開關管模塊、嵌入式單片機、IC指令模塊等構成，除三相六狀態IGBT開關管模塊外，其余均可沿用普通無刷直流電機驅動電路，本方案定子電樞的電路采用相間隔離的方式，三相電路之間相互平行，既不是星形聯接，也不是三角形聯接，相與相之間經IGBT開關管模塊的隔離而不能互為通路，當其中一相處于通路狀態時，其余相都為開路狀態，三相六狀態IGBT開關管模塊在本方案中用于控制各相繞組電流的通斷，該模塊的工作方式是：三相兩極直流電機旋轉一周需要六步，即要求控制繞組通斷的IGBT三極管模塊需要產生六種供電狀態，IGBT開關管模塊內共有12個IGBT三極管，每相繞組由四個N溝道IGBT三極管控制其電流通斷，其中處于對角位置的兩只IGBT三極管控制繞組通電的一種狀態，上橋臂三極管后正向串聯一個二極管組，此二極管組由兩個或兩個以上的二極管并聯組成；下橋臂三極管前后兩端反向并聯一個二極管組，此二極管組由兩個或兩個以上的二極管并聯組成，每個并聯支路中的二極管之前串聯一個電阻，除當前通電相外，其余相的三極管都處于開路狀態，斷電相繞組沖擊上橋臂三極管的正向電流由串聯的二極管組承受，沖擊下橋臂三極管的正向電流則被拉吸到與三極管并聯的二極管組一側，由并聯的二極管組承受沖擊，斷電相繞組中的自感電流則被圈定在上、下橋臂之間，作為一種新型驅動保護電路，其主要功能是：1：轉子后極經過斷電相的磁極極面下時，由于電樞繞組開路而可以避免被磁力線切割，電樞繞組不會因產生感應電動勢而對轉子形成反轉磁動勢；2：由于未通電相上橋臂IGBT三極管都處于開路狀態，且上橋臂下串聯二極管組為正向，因而未通電相繞組實際處于開路狀態，與之相鄰的相通電后，將不能在未通電相繞組中產生互感電動勢；3：電樞繞組斷電后所產生的自感電動勢電流將無法通過上橋臂而進入其它相，自感電流雖然與處于下降的電源電流同向，但是在轉子磁場的作用下急劇衰退，其反轉磁動勢時短且式微；正向串聯的上橋臂二極管組和反向并聯的下橋臂二極管組既保護了電子開關元件，也可以使各相之間相互干擾、相互削弱的情況得到最大程度的遏制。電機散熱：由于本方案以電磁加永磁的混合磁場為主，轉子磁極采用磁感應強度大且耐高溫的稀土材料永磁體(如釹鐵硼，釤鈷等)。由于永磁體會因為環境溫度過高而產生退磁，因此控制電機定子電樞繞組的溫升和為永磁體降溫就變得尤為重要，為保證良好的散熱性能，本方案在定子部分和內轉子之間采用分區散熱的方式散熱，首先在電樞繞組與硅鋼片制成的主磁極之間加裝一層隔熱材料，將硅鋼片與電樞繞組之間進行熱量隔離，其次將三相四極直流電機各電樞主磁極之間沿周向用非導磁材料連接，三相兩極直流電機則是在電樞主磁極的氣隙側安裝極間隔熱板，使各電樞主磁極之間有一條周向密閉的空氣通道，在電機腔體內形成定子散熱區和內轉子散熱區兩個空氣流通通道，外轉子采用風冷散熱方式獨立散熱，電樞繞組產生的熱量被盡可能的限制在定子散熱區通道內，定子散熱區和內轉子散熱區的散熱由安裝在電機尾部的散熱風機完成，該散熱風機的動力由轉子軸提供，轉子軸尾端的同步輪與風機軸上的同步輪由同步帶連接，轉速從轉子軸傳遞到風機軸時由于轉速比的的改變而使得風機轉速大幅提高，即使電機在低速運行時，機體內的散熱氣流仍然能夠獲得較大的壓強，在內轉子每對磁極之間的空檔處軸向安裝了塑料材質的兩組導流葉片，兩組導流葉片產生的二次壓強可以幫助散熱風機輸送的散熱氣流更加順暢的穿過氣隙內圈。綜上所述，其特征是：它是一種應用于直流電機的四倍疊加效應磁場，由于在異性磁極之間和同性磁極之間的磁場反應中，磁力線的交鏈或排斥狀態僅存在于兩個磁極的重合面及重合面外傾斜角度范圍內，該特性為勵磁磁極中同性磁極之間磁場反應的最大功角與異性磁極之間磁場反應的最大功角設置在同一個電樞磁極極面下提供了整合空間，整合后，兩個極性相反的勵磁磁極在同一個電樞磁極極面下同時形成異性磁極磁場反應和同性磁極磁場反應兩個性質相反的磁場反應區，兩個磁場反應區的組合令電樞磁極極面下的所有磁極面積都能夠同時參與到與勵磁磁極磁場反應的全部過程中，從而杜絕了電樞磁極極面下閑置的無功磁場的存在，使電樞磁極極面下獲得最大面積的有功磁場，得到兩個由電樞電磁功率轉換至勵磁磁極的機械功率，在電樞磁場和勵磁磁場的磁感應強度均為定值時，這兩種機械功率的大小分別與單一的異性磁極之間、同性磁極之間的磁場反應所獲得的機械功率相等，這兩種磁場反應所產生的電磁力因方向相同、時間相同、磁場反應速度相同而疊加，兩倍疊加效應磁場應用了上述磁場特性，并將兩個兩倍疊加效應磁場整合在電樞磁極徑向的兩端，擴展為四倍疊加效應磁場；在直流電機運行的每一步中，每極磁場都是由直流電機輸出側兩個極性相反的勵磁磁極與輸入側的一個電樞磁極組合后構成兩倍疊加效應磁場的一個基本單元的，由一個基本單元構成直流電機磁場一極的是兩倍疊加效應磁場形式，將兩個兩倍疊加效應磁場的基本單元整合在電樞磁極徑向兩端而構成直流電機磁場一極的是四倍疊加效應磁場形式，它可以使直流電機中由內轉子前極+內轉子后極和外轉子前極+外轉子后極組合構成的兩對勵磁磁極同時與一個電樞磁極發生磁場反應，在磁場反應過程中，四倍疊加效應磁場中電樞磁極的徑向兩端同時形成四個有功磁場，同時產生四次正向交軸電樞反應，并同時產生四個方向相同、時間相同、磁場反應速度相同的電磁力，并且這四個電磁力是疊加的；為了將四反應磁場產生的電磁力最大程度的用于機械功率的輸出，定子電樞繞組電路采用相間隔離的方式，各相之間互相平行，相與相之間無回路關系，為雙反應磁場和四反應磁場提供驅動電源的驅動電路中應用了去分量IGBT開關管模塊，用以最大程度的避免磁場中各種反轉分量的產生。