[发明专利]一种应用于直流电机的四倍叠加效应磁场

摘要

一种应用于直流电机的四倍叠加效应磁场，它由直流电机中两个极性相反的励磁磁极与一个电枢磁极的组合构成一个两倍叠加效应磁场基本单元，通过对同性磁极之间和异性磁极之间两种磁场反应的最大功角的整合，使电枢极面下的有功磁场面积最大化，在电枢极面下形成两个性质相反的磁场反应区，将两个基本单元整合在一个电枢磁极径向两端可形成一个四倍叠加效应磁场的复合单元，该复合单元中含四个有功磁场，可同时产生四次交轴电枢反应，电枢磁场仅需维持与单一磁场反应相同的磁通量，即可获得四个方向、时间相同并可叠加的磁场力，由相间隔离电路完成对磁场环境的净化，可以最大化的利用由消耗电量建立的磁场，可获得四倍于普通电机的效率。

主权项

一种应用于直流电机的四倍叠加效应磁场，这是一种以提高直流电机机电能量转换效率为目标的新型磁场架构，它是由直流电机输出侧两个极性相反的励磁磁极与输入侧的一个电枢磁极组合构成一个两倍叠加效应磁场的基本单元，两个极性相反的励磁磁极可以在同一个电枢磁极极面下形成两种性质相反的磁场反应区，使得电枢磁极极面下同时拥有两个有功磁场，两个有功磁场的组合令电枢磁极极面下所有的磁极面积都能同时参与磁场反应，在磁场反应的过程中电枢磁极极面下的的磁场都能够被充分利用，将两个两倍叠加效应磁场的基本单元合并后可以构成一个四倍叠加效应磁场的一个复合单元，并将该复合单元整合在直流电机磁场的一极中，使直流电机的两个内转子励磁磁极和两个外转子励磁磁极同时与一个电枢磁极发生磁场反应，在磁场反应过程中电枢磁极的径向两端形成四个有功磁场，同时产生四次正向交轴电枢反应的一种交轴电枢反应群，并产生四个方向相同、时间相同的电磁力，在电枢磁极与各励磁磁极的磁感应强度均为定值时，四倍叠加效应磁场产生的电磁力是两倍叠加效应磁场的两倍，是单一异性或同性磁极之间磁场反应时电磁力的四倍，本方案将针对四倍叠加效应磁场所做的实验并由实验推导出的实验结论：“1：①将长度、宽度、厚度、磁场强度等条件都相同的两个异性磁极分别置于气隙的两侧，这两个磁极中心轴线两侧场强的差异使之相互作用而产生气隙磁通时，无论它们重合的面积是多少，贯穿气隙的磁力线与磁极表面的夹角始终近似于垂直；②相互交链的磁力线的倾斜角度极小，正是这个角度能够使两个异性磁极产生磁动势；③在这一对磁极的极距内，磁极表面能够参与磁场反应的部分仅仅局限在两个磁极的重合面宽度及磁极表面靠近重合面一侧极小的宽度范围内，剩余的磁极表面并不参与磁场反应；④重合面内气隙磁通有大幅增强，但重合面之外的部分由于并未参与磁场反应，其磁场强度并未发生明显改变，即没有参与磁场反应的部分没有产生去磁现象。2：①将长度、宽度、磁场强度等条件都相同的两个同性磁极分别置于气隙的两侧，当它们完全重合并静止时，其磁场中心轴线重合，两个磁场之间的功角为零，当这两个磁极的中心轴线发生偏离时，磁力线相互推斥而产生磁场力，这两个磁极在磁场力的作用下，重合面积逐渐缩小为零，功角也随之由最大转变为最小；②通过对磁场反应在磁场力的实测，在异性磁极之间的磁场反应和同性磁极之间的磁场反应的过程中，功角的增大并不能产生显著增大的电磁力，也就无法提供类似于堵转转矩这种数倍于额定转矩的电磁转矩，但更大的功角能够使输入侧电枢磁极极面下保留更多未参与磁场反应的磁极面积。3：①将三个长度、宽度、磁场强度等条件都相同的磁极分别置于气隙两侧，当气隙一侧的单个磁极在自己的极面下同时拥有极性一正一反的两个磁极时，这个磁极与其中一个异性磁极发生磁场反应的同时，也可以与另一个同性磁极发生磁场反应，通过对一对异性磁极之间、一对同性磁极之间、一个磁极同时与两个极性一正一反的磁极之间三种磁场反应中磁场强度的实时测量，可以证实这三个磁极三个磁极在自身的磁场强度保持不变的前提下，输入侧的单个磁极能够与输出侧的两个磁极同时发生磁场反应并形成两个磁场反应区域时，可以同时获得两个方向相同、时间相同的磁场力；②气隙合成磁动势只存在于电枢磁场与励磁磁场的重合面及重合面外的倾斜角度范围内，气隙合成磁动势无论是与电枢磁动势还是与励磁磁动势之间都不存在相位差，气隙合成磁动势是电枢磁动势与励磁磁动势耦合的必需条件，它与另外两方的相对位置恒定，不存在相对位置的改变，只存在气隙合成磁动势面积大小或电枢磁动势与励磁磁动势中心轴线之间夹角大小(功角)的变化；③：电枢磁场与励磁磁场的重合面及重合面外倾斜角度范围属于有功磁场，在此范围之外的磁极面积均属无功磁场，有功磁场能够产生电磁转矩，无功磁场消耗电磁功率(建立磁饱和度)但不能产生电磁转矩，甚至会产生与电磁转矩方向相反的分量，有功磁场与无功磁场的面积会随着功角的变化而增减，但是电磁转矩的变化却很小，电磁功率与负载变化和输入功率有关，与功角之间的函数关系曲线表现的较为平缓；4：当一个磁极同时与自身极面下的两个极性一正一反的磁极发生磁场反应并形成两个有功磁场的同时，还可以在其另一极面与两个极性一反一正的磁极再建立两个有功磁场，其磁场强度与单一磁场反应或双反应磁场相比时仍然无需增强。”进行综合分析，得出：1：气隙两侧的两个磁极的重合面积的多少并不能改变通过气隙的磁力线的形态，无论重合面积是多少，磁力线只有从一个磁极朝向另一个磁极很小的倾斜角度，总是近似于垂直磁极表面，当一个磁极同时与极性一正一反的两个磁极发生磁场反应时，单个磁极极面下的磁力线一分为二，分别与对应的异性磁极重合面内的磁力线交链、与同性磁极重合面内的磁力线相排斥，形成两个性质相反的磁场反应区，产生两个气隙磁动势，气隙内的磁力线没有交叉的形态，两个磁场反应区内的磁力线是相互独立的，这种磁场特性为将励磁磁极中同性磁极磁场反应与异性磁极磁场反应的最大功角设置在同一个电枢磁极极面下提供了整合空间；2：由于同性磁极之间产生磁场反应时，在功角特征的表现上与异性磁极之间的磁场反应完全相反，因此同性磁极之间的磁场反应的参与，刚好可以使电枢磁极极面下异性磁极之间磁场反应过程中的无功磁场得以介入气隙合成磁场反应，将电枢磁极极面下的无功磁场转化为另一个与前者性质相反的有功磁场，并且同性磁极的磁场反应可以参与异性磁极磁场反应的功角由大到小的全部变化过程，将同性磁场反应与异性磁场反应整合在同一个电枢磁极极面下之后，其功角特性有两种形态：一种是与电枢磁极极性相反的励磁磁极中心轴线滞后于电枢磁极中心轴线的角度，滞后的角度越大，励磁磁动势的功角就越大，励磁磁动势的功角最大时，励磁磁场的有功磁场的面积最小，无功磁场的面积最大；另一种是与电枢磁极极性相同的励磁磁极中心轴线超前电枢磁极中心轴线的角度，超前的角度越小，励磁磁动势的功角就越大，励磁磁动势功角最大时励磁磁动势有功磁场面积最大，无功磁场的面积最小，本方案将异性磁极之间的重合面积设置在最小状态时，使异性磁极之间的磁场反应获得最大功角，同性磁极之间的重合面积设置在最大状态时，同性磁极之间的磁场反应获得最大功角；3：在实验3中，能量源电枢磁极的下级形成两个分支，能量的传递走向有两个路径：一是与电枢磁极极面重合的异性励磁磁极从电枢电磁功率中获得的机械功率；二是与电枢磁极重合的同性励磁磁极从电枢电磁功率中获得的机械功率，实验4将实验3的两个能量传递路径扩展后得到了4个传递路径，从实验结果中可以看出，输入侧电枢磁极和输出侧励磁磁极在都没有额外增加磁场强度的条件下，输出侧四个励磁磁极各自获得了与单一传递路径相等的能量，输入侧电枢磁极传递给四个路径的能量并没有因分流而减弱，而是使输出侧励磁磁极的四个路径都从能量源处获得了1∶1的能量，四个传递路径所传输的能量获得了叠加。四倍叠加效应磁场是从以上3点中获取了成立的相关条件，并将四倍叠加效应磁场引入到本方案实施例四倍叠加效应磁场三相无刷直流电机中，并使该实施例与普通直流电机在定子组件、转子组件、电路构成和散热方式等方面形成明显的特征差异：四倍叠加效应磁场三相两极无刷直流电机由定子组件，转子组件，驱动电路，后端盖，散热风机，供电电路盒，分体式底座，导线等构成，定子组件由电枢主磁极、极间隔热板和绕组隔热材料组成，定子侧圆周上均匀排列六个采用集中绕组的电枢主磁极，其中互差180度的两个串联连接的主磁极为一相，共三组串联连接的电枢绕组，是为三相，两个串联连接的主磁极极性相反，是为两极，三相四极无刷直流电机的定子部分由12个电枢主磁极组成，其中互差90度的四个串联连接的主磁极为一相，共三相，四个串联连接的主磁极极性正反交替，形成四极磁场，三相绕组在电路构成上都是独立的，各相之间相互不为通路，由驱动电路对三相绕组次第供电，顺序形成同步旋转磁场，电机运行的每一步中，通电建立磁场的相都仅有一相，其余相均不参与磁场反应；转子组件由内转子和外转子组成，外转子由外转子外壳、前端盖、外转子前极、外转子后极等构成，内转子由转子轴、内转子前极、内转子后极、磁轭、散热叶片等构成，一对内转子前极和内转子后极作为转子的一极设置在转子的一侧，另一对内转子前极和内转子后极设置在转子的另一侧，两对磁极呈水平轴对称，但是在极性的设置上两对磁极是投影关系，两对磁极之间留有周向60度的空档，形成一种拥有四个磁极的两极转子，将内转子径向剖面分为四个象限，设与转子前极径向对应的当前通电相电枢主磁极极性为N极，并以当前通电相电枢主磁极位于第四象限为参照，转子表面各磁极的周向分布顺序从进纸面观察、顺时针排列为：第一象限中有60度S极+30度空格；第二象限中有30度空格+60度S极；第三象限中有60度N极+30度空格；第四象限中有30度空格+60度N极，第一、第四象限S、N两个磁极相邻，第二、第三象限的S、N两个磁极相邻；外转子由外转子外壳、外转子前极、外转子后极组成，外转子磁极的分布方式与内转子相同，区别在外转子磁极与径向对应的内转子磁极的极性全部相反，内、外转子上设置的磁极个数都是电枢通电相磁极个数的两倍，并且内、外转子上的所有磁极在电机运行的任意时刻全部都参与磁场反应，在旋转方向前方的磁极是转子前极，在旋转方向后方的是转子后极，电机在运行的最初时刻，与转子前极径向对应的电枢磁极为起始通电相，该电枢磁极获得通电并建立磁场后，转子前极因与之极性相同而受到排斥，加之其中心轴线超前电枢磁极中心轴线，因而获得一个与旋转方向一致的磁场力，同一时刻，转子后极处于上一相极面下，但与当前相毗邻，受到当前相的吸引，也获得一个与旋转方向一致的磁场力，两个方向相同、时间相同、磁场反应速度相同的磁场力作用在转子表面，拖动转子向规定方向旋转，转子磁极数量只与定子极数成倍数关系，和定子相数无关；单个电枢磁极与两个极性一正一反的励磁磁极组成两倍叠加效应的一个基本单元，将两个两倍叠加效应磁场的基本单元整合在直流电机的一极中，组成四倍叠加效应磁场的一个复合单元，在直流电机中，两倍叠加效应磁场的基本单元和四倍叠加效应磁场的复合单元的数量都是成对出现的，直流电机的极数等于两倍叠加效应磁场基本单元或四倍叠加效应磁场复合单元的数量。四倍叠加效应磁场三相四极无刷直流电机的磁场布置形式：定子侧内圆均匀排列十二个电枢主磁极，其中互差90度的四个主磁极为一相，四个主磁极串联连接，轴对称的两个主磁极为同性，电枢磁极每相互差30度，转子旋转30度为一步，转子旋转一周需要12步，内转子外圆表面共设置以四对内转子前极+内转子后极组合构成的四极，将当前通电相电枢主磁极设在定子内圆空间的第330度‑360度且极性为S极，以此为参照，将内转子径向剖面分为四个象限，在各象限中以顺时针顺序排列，从进纸面方向观察，第一象限排列为30度N极+30度空格+30度N极；第二象限排列为：30度S极+30度空格+30度S极；第三象限排列为：30度N极+30度空格+30度N极；第四象限排列为：30度S极+30度空格+30度S极，外转子的磁极布置方式与内转子相同，但外转子磁极与径向对应的内转子磁极极性全部相反，三相六极转子或三相六极以上的转子磁极的排列方式以此类推。四倍叠加效应三相无刷直流电机的电路构成：本方案实施例的驱动电路主要由光电信号机构、去分量IGBT开关管模块、嵌入式单片机、IC指令模块等构成，除三相六状态IGBT开关管模块外，其余均可沿用普通无刷直流电机驱动电路，本方案定子电枢的电路采用相间隔离的方式，三相电路之间相互平行，既不是星形联接，也不是三角形联接，相与相之间经IGBT开关管模块的隔离而不能互为通路，当其中一相处于通路状态时，其余相都为开路状态，三相六状态IGBT开关管模块在本方案中用于控制各相绕组电流的通断，该模块的工作方式是：三相两极直流电机旋转一周需要六步，即要求控制绕组通断的IGBT三极管模块需要产生六种供电状态，IGBT开关管模块内共有12个IGBT三极管，每相绕组由四个N沟道IGBT三极管控制其电流通断，其中处于对角位置的两只IGBT三极管控制绕组通电的一种状态，上桥臂三极管后正向串联一个二极管组，此二极管组由两个或两个以上的二极管并联组成；下桥臂三极管前后两端反向并联一个二极管组，此二极管组由两个或两个以上的二极管并联组成，每个并联支路中的二极管之前串联一个电阻，除当前通电相外，其余相的三极管都处于开路状态，断电相绕组冲击上桥臂三极管的正向电流由串联的二极管组承受，冲击下桥臂三极管的正向电流则被拉吸到与三极管并联的二极管组一侧，由并联的二极管组承受冲击，断电相绕组中的自感电流则被圈定在上、下桥臂之间，作为一种新型驱动保护电路，其主要功能是：1：转子后极经过断电相的磁极极面下时，由于电枢绕组开路而可以避免被磁力线切割，电枢绕组不会因产生感应电动势而对转子形成反转磁动势；2：由于未通电相上桥臂IGBT三极管都处于开路状态，且上桥臂下串联二极管组为正向，因而未通电相绕组实际处于开路状态，与之相邻的相通电后，将不能在未通电相绕组中产生互感电动势；3：电枢绕组断电后所产生的自感电动势电流将无法通过上桥臂而进入其它相，自感电流虽然与处于下降的电源电流同向，但是在转子磁场的作用下急剧衰退，其反转磁动势时短且式微；正向串联的上桥臂二极管组和反向并联的下桥臂二极管组既保护了电子开关元件，也可以使各相之间相互干扰、相互削弱的情况得到最大程度的遏制。电机散热：由于本方案以电磁加永磁的混合磁场为主，转子磁极采用磁感应强度大且耐高温的稀土材料永磁体(如钕铁硼，钐钴等)。由于永磁体会因为环境温度过高而产生退磁，因此控制电机定子电枢绕组的温升和为永磁体降温就变得尤为重要，为保证良好的散热性能，本方案在定子部分和内转子之间采用分区散热的方式散热，首先在电枢绕组与硅钢片制成的主磁极之间加装一层隔热材料，将硅钢片与电枢绕组之间进行热量隔离，其次将三相四极直流电机各电枢主磁极之间沿周向用非导磁材料连接，三相两极直流电机则是在电枢主磁极的气隙侧安装极间隔热板，使各电枢主磁极之间有一条周向密闭的空气通道，在电机腔体内形成定子散热区和内转子散热区两个空气流通通道，外转子采用风冷散热方式独立散热，电枢绕组产生的热量被尽可能的限制在定子散热区通道内，定子散热区和内转子散热区的散热由安装在电机尾部的散热风机完成，该散热风机的动力由转子轴提供，转子轴尾端的同步轮与风机轴上的同步轮由同步带连接，转速从转子轴传递到风机轴时由于转速比的的改变而使得风机转速大幅提高，即使电机在低速运行时，机体内的散热气流仍然能够获得较大的压强，在内转子每对磁极之间的空档处轴向安装了塑料材质的两组导流叶片，两组导流叶片产生的二次压强可以帮助散热风机输送的散热气流更加顺畅的穿过气隙内圈。综上所述，其特征是：它是一种应用于直流电机的四倍叠加效应磁场，由于在异性磁极之间和同性磁极之间的磁场反应中，磁力线的交链或排斥状态仅存在于两个磁极的重合面及重合面外倾斜角度范围内，该特性为励磁磁极中同性磁极之间磁场反应的最大功角与异性磁极之间磁场反应的最大功角设置在同一个电枢磁极极面下提供了整合空间，整合后，两个极性相反的励磁磁极在同一个电枢磁极极面下同时形成异性磁极磁场反应和同性磁极磁场反应两个性质相反的磁场反应区，两个磁场反应区的组合令电枢磁极极面下的所有磁极面积都能够同时参与到与励磁磁极磁场反应的全部过程中，从而杜绝了电枢磁极极面下闲置的无功磁场的存在，使电枢磁极极面下获得最大面积的有功磁场，得到两个由电枢电磁功率转换至励磁磁极的机械功率，在电枢磁场和励磁磁场的磁感应强度均为定值时，这两种机械功率的大小分别与单一的异性磁极之间、同性磁极之间的磁场反应所获得的机械功率相等，这两种磁场反应所产生的电磁力因方向相同、时间相同、磁场反应速度相同而叠加，两倍叠加效应磁场应用了上述磁场特性，并将两个两倍叠加效应磁场整合在电枢磁极径向的两端，扩展为四倍叠加效应磁场；在直流电机运行的每一步中，每极磁场都是由直流电机输出侧两个极性相反的励磁磁极与输入侧的一个电枢磁极组合后构成两倍叠加效应磁场的一个基本单元的，由一个基本单元构成直流电机磁场一极的是两倍叠加效应磁场形式，将两个两倍叠加效应磁场的基本单元整合在电枢磁极径向两端而构成直流电机磁场一极的是四倍叠加效应磁场形式，它可以使直流电机中由内转子前极+内转子后极和外转子前极+外转子后极组合构成的两对励磁磁极同时与一个电枢磁极发生磁场反应，在磁场反应过程中，四倍叠加效应磁场中电枢磁极的径向两端同时形成四个有功磁场，同时产生四次正向交轴电枢反应，并同时产生四个方向相同、时间相同、磁场反应速度相同的电磁力，并且这四个电磁力是叠加的；为了将四反应磁场产生的电磁力最大程度的用于机械功率的输出，定子电枢绕组电路采用相间隔离的方式，各相之间互相平行，相与相之间无回路关系，为双反应磁场和四反应磁场提供驱动电源的驱动电路中应用了去分量IGBT开关管模块，用以最大程度的避免磁场中各种反转分量的产生。