一种不控型机械-电子混合换向装置

技术领域

本发明涉及电机设计与制造技术领域，尤其涉及一种不控型机械-电子混合换向装置。

背景技术

有刷直流电机的机械换向装置存在危害较大的换向电弧问题，无刷直流电机的电子换向装置增加了控制系统成本和技术复杂性，且在强电磁干扰场合可靠性较低。中国发明专利CN106685148A和中国实用新型专利CN206294034U“一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机”提出了将两种换向方法结合的机械-电子混合换向，利用电刷和机械换向器实现电子换向装置的导通方式，并通过续流电路解决了机械换向过程中的电弧问题。但该混合换向装置只能抑制电刷从电源换向片分离时的分断电弧。如果电机运行在轻载状态，电容在正向换向过程中没有充电到直流电源电压，电刷和电源负极换向片在两者即将接触时存在电压差。如果该电压差超过起弧电压就将产生合闸电弧。同理，如果电容在反向换向过程中没有放电到零，也会产生合闸电弧。虽然合闸电弧在电刷接触到电源换向片后就自动熄灭，但是产生电弧的回路中仅有电弧电压和接触电阻能限制电流，导致电弧电流较大。因此合闸电弧对电刷和换向器的危害不能忽视。

综上所述，如何克服现有机械-电子混合换向装置的不足，特别是合闸电弧问题，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种不控型机械-电子混合换向装置，包括机械部分和电子部分，其特征在于，机械部分包括换向器和电刷，相邻两个所述电刷互差120°机械角度，电子部分为续流电路，换向器和续流电路固定在电机外壳上，电刷随着转子一同旋转以实现电刷和换向器的滑动接触，从而将直流变换为120°方波；所述换向器包括正极缓冲换向片、电源正极换向片、正向续流换向片、负极缓冲换向片、电源负极换向片和反向续流换向片，其中，正极缓冲换向片、电源正极换向片、正向续流换向片、负极缓冲换向片、电源负极换向片和反向续流换向片彼此之间绝缘，且按圆周排布；电子部分包括缓冲电容C

优选的，所述不控型机械-电子混合换向装置运行时，每相绕组通过电刷依次与正极缓冲换向片、电源正极换向片、正向续流换向片、负极缓冲换向片、电源负极换向片和反向续流换向片滑动接触，并再次到达正极缓冲换向片开始下一个循环，电刷和换向器的滑动接触实现了绕组电流的换向，一个周期内每相绕组依次正向导通、正向换向、反向导通、反向换向。

优选的，一次完整的换向过程包括关断和开通，其中，关断是电刷从当前电源换向片脱离并接触到续流换向片，从而将导通相关断的过程；开通是电刷从续流换向片脱离并接触到下一个电源换向片，从而将截止相开通的过程。

优选的，电容C

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)本发明提供了一种不控型机械-电子混合换向装置，通过串入的电源正极限流支路或电源负极限流支路能抑制合闸电弧，而且不影响本来的关断过程，所以不控型机械-电子混合换向装置可以抑制分断电弧和合闸电弧；

2)本发明提供了一种不控型机械-电子混合换向装置，通过串入的电源正极限流支路或电源负极限流支路能限制缓冲电容的二次充、放电电流峰值，而且其中的二极管能使二次充、放电电流在电容完全充、放电后迅速下降到零；

3)本发明提供了一种不控型机械-电子混合换向装置，通过将续流换向片和缓冲换向片重叠一定角度，从而延长电刷在两个换向片上的跨接时间，保证电容能完全充、放电，为下一次换向过程做好准备。

附图说明

图1是本发明的拓扑。

图2是本发明关断第一阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

图3是本发明的关断第二阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

图4是本发明的关断第三阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

图5是本发明的开通第一阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

图6是本发明的开通第二阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

图7是本发明的开通第三阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

图8是本发明的开通第四阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

图9是本发明的开通第五阶段的原理图和等效电路：(a)原理图；(b)等效电路。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一个宽泛实施例中，一种不控型机械-电子混合换向装置，包括机械部分和电子部分，其特征在于，机械部分包括换向器和电刷，相邻两个所述电刷互差120°机械角度，电子部分为续流电路，换向器和续流电路固定在电机外壳上，电刷随着转子一同旋转以实现电刷和换向器的滑动接触，从而将直流变换为120°方波；所述换向器包括正极缓冲换向片、电源正极换向片、正向续流换向片、负极缓冲换向片、电源负极换向片和反向续流换向片，其中，正极缓冲换向片、电源正极换向片、正向续流换向片、负极缓冲换向片、电源负极换向片和反向续流换向片彼此之间绝缘，且按圆周排布；电子部分包括缓冲电容C

优选的，所述不控型机械-电子混合换向装置运行时，每相绕组通过电刷依次与正极缓冲换向片、电源正极换向片、正向续流换向片、负极缓冲换向片、电源负极换向片和反向续流换向片滑动接触，并再次到达正极缓冲换向片开始下一个循环，电刷和换向器的滑动接触实现了绕组电流的换向，一个周期内每相绕组依次正向导通、正向换向、反向导通、反向换向。

优选的，一次完整的换向过程包括关断和开通，其中，关断是电刷从当前电源换向片脱离并接触到续流换向片，从而将导通相关断的过程；开通是电刷从续流换向片脱离并接触到下一个电源换向片，从而将截止相开通的过程。

优选的，电容C

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合优选实施例和附图，对本发明进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限制本发明。

一种不控型机械-电子混合换向装置,其机械部分包含换向器和电刷，相邻两电刷互差120°机械角度。换向器由正极缓冲换向片(PBCS)、电源正极换向片(PPCS)、正向续流换向片(FFCS)、负极缓冲换向片(NBCS)、电源负极换向片(NPCS)和反向续流换向片(RFCS)构成，它们彼此之间绝缘，按圆周排布。其电子部分为续流电路，包括两个缓冲电容C

运行时，每相绕组通过电刷依次与正极缓冲换向片、电源正极换向片、正向续流换向片、负极缓冲换向片、电源负极换向片和反向续流换向片滑动接触，并再次到达正极缓冲换向片开始下一个循环。电刷和换向器的滑动接触实现了绕组电流的换向，一个周期内每相绕组依次正向导通、正向换向、反向导通、反向换向。

一次完整的换向过程包含关断和开通：关断是电刷从当前电源换向片脱离并接触到续流换向片，从而将导通相关断的过程，如图2、图3和图4所示；开通是电刷从续流换向片脱离并接触到下一个电源换向片，从而将截止相开通的过程，如图5、图6、图7、图8和图9所示。

电容C

B相正向换向过程关断第一阶段的原理图和等效电路如图2所示。r

关断第二阶段的原理图和等效电路如图3所示，此阶段中电容C继续充电。t

如果换向前相电流较小或者电容值较大，到t

如果换向过程中存在关断第三阶段，即电容C在关断过程中充电到了直流电源电压U

到t

到t

随着B相电刷和负极缓冲换向片间的接触面积减小，接触电阻r

B相正向换向过程进入到开通第三阶段后，A相开始反向换向。反向换向过程和正向换向过程完全对称，电容C从初始的直流电源电压U

根据上述换向过程的分析，一次换向过程中有6个电刷位置存在起弧风险，其中3个位置为电刷即将接触换向片，可能产生的电弧称为合闸电弧，另外3个位置为电刷脱离换向片，可能产生的电弧称为分断电弧。不控型机械-电子混合换向装置能抑制所有电弧的产生，以正向换向过程为例的具体分析如下。

1)0时刻：电刷即将接触正向续流换向片时的合闸电弧风险

当电刷即将接触正向续流换向片时可能产生合闸电弧。电容C电压初始值为零，电刷和正向续流换向片间无电压差，因此不会产生合闸电弧。

2)t

当电刷脱离电源正极换向片时可能产生分断电弧。选择合适的电容值，使关断第一阶段中电容C的充电量小于起弧电压，从而抑制起弧。

3)t

当电刷即将接触负极缓冲换向片时可能产生合闸电弧。负极缓冲换向片串入的电源负极限流支路限制了电流上升，从而抑制起弧。

4)t

当电刷脱离正向续流换向片时可能产生分断电弧。在开通第二阶段中，由于电源负极限流支路中二极管D

5)t

当电刷即将接触电源负极换向片时可能产生合闸电弧。由于电源负极限流支路中二极管D

6)t

当电刷脱离负极缓冲换向片时可能产生分断电弧。在开通第四阶段中，由于电源负极限流支路中二极管D

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。