史 炎

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

0 引 言

電機(jī)與生具備發(fā)電機(jī)功能，在一定條件下，才具備電動(dòng)機(jī)功能，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，必須有方向不變的電磁力矩持續(xù)不斷地作用在轉(zhuǎn)子上，即磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)和電流換向同步進(jìn)行。目前所有類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)以改變電流方向的方式保持電磁力矩轉(zhuǎn)向不變，有刷電機(jī)的換相靠機(jī)械控制器完成，無(wú)刷電機(jī)靠電子控制器實(shí)現(xiàn)，異步電機(jī)以滯后的感應(yīng)電流實(shí)現(xiàn)。顯然，繞定軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子需要輔助控制設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子作行星運(yùn)動(dòng)能同時(shí)兼顧磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)和電流換向。

1 行星電機(jī)原理

依電磁感應(yīng)定律，可推論出電流方向與磁極同步變化，則電磁力矩方向保持不變，永磁直流行星電機(jī)闡述的原理同樣適用于交流行星電機(jī)。圖1中轉(zhuǎn)子為永磁體2極，作行星運(yùn)動(dòng)，一邊繞自身中心旋轉(zhuǎn)，一邊繞定子中心O點(diǎn)公轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子配套的行星齒輪機(jī)構(gòu)特征是公轉(zhuǎn)一周，自轉(zhuǎn)二圈;圖1示出了轉(zhuǎn)子運(yùn)行的4個(gè)瞬時(shí)位置。定子繞組通直流電，分成4極，將定子劃分成 A、B、C、D 區(qū)域。

在圖1初始位置1，轉(zhuǎn)子N極對(duì)應(yīng)定子繞組的電流流出紙外，轉(zhuǎn)子順時(shí)針自轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)隨轉(zhuǎn)子邊自轉(zhuǎn)邊翻轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)子順時(shí)針公轉(zhuǎn)，N極對(duì)應(yīng)整個(gè)A區(qū)，并逐漸遠(yuǎn)離定子繞組。轉(zhuǎn)子跨過(guò)A、B區(qū)域分界線，S極逐漸接近定子繞組，此時(shí)轉(zhuǎn)子S極對(duì)應(yīng)定子繞組的電流流向紙內(nèi)，電磁力矩方向不變，到圖1位置2，S極中心位置對(duì)應(yīng)B區(qū)中心。重復(fù)上述過(guò)程，轉(zhuǎn)子依次到達(dá)圖1位置3、4，并回到初始位置準(zhǔn)備下次循環(huán)，此時(shí)轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)了二圈。轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電流換向。

若轉(zhuǎn)子為8極，則配套的行星齒輪機(jī)構(gòu)特征是公轉(zhuǎn)二周，自轉(zhuǎn)一圈。行星電機(jī)旋轉(zhuǎn)的必要條件是定子極對(duì)數(shù)是轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)的整倍數(shù)或整倍數(shù)的倒數(shù)，轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)方向取決于行星齒輪機(jī)構(gòu)，定子磁極分界點(diǎn)是電機(jī)起動(dòng)死點(diǎn)。

圖1 行星電機(jī)原理

2 行星電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 單轉(zhuǎn)子永磁直流行星電機(jī)

轉(zhuǎn)子是行星輪的軸向延伸部分，其運(yùn)行規(guī)律受控于行星齒輪機(jī)構(gòu)，行星齒輪機(jī)構(gòu)主要由行星輪、太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈及行星架組成。太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速不同，可以按需選取進(jìn)行機(jī)械調(diào)速。行星電機(jī)結(jié)構(gòu)中空的特點(diǎn)，使其可以同時(shí)擁有內(nèi)、外二個(gè)定子繞組，二者一起使用或只用其中一個(gè)，內(nèi)、外定子繞組采用串聯(lián)方式連接，視為同一組繞組。

定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)比要與行星輪與太陽(yáng)輪的齒數(shù)比相匹配，以Z1代表太陽(yáng)輪齒數(shù)，Z2代表行星輪齒數(shù)，Z3代表內(nèi)齒圈齒數(shù)，各齒輪齒數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足行星齒輪機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系:

依據(jù)行星電機(jī)原理，定子極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)關(guān)系是:

定子極對(duì)數(shù) =轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)×行星齒輪每轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)次數(shù)

圖2給出一個(gè)實(shí)例，能根據(jù)需要選擇輸出軸。圖2中，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)是2，太陽(yáng)輪、行星輪和內(nèi)齒圈齒數(shù)分別為 40、20、80，使用二組繞組。內(nèi)齒圈固定時(shí)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)行星輪旋轉(zhuǎn)，內(nèi)齒圈輪齒給行星輪輪齒一個(gè)反作用力使得行星輪繞太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)隨轉(zhuǎn)子邊旋轉(zhuǎn)邊翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子每自轉(zhuǎn)90°，磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)一次，電磁力矩方向不變，電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸為太陽(yáng)輪、行星架。行星齒輪公轉(zhuǎn)一次自轉(zhuǎn)4次，對(duì)應(yīng)的工作繞組將定子分成8對(duì)極。

太陽(yáng)輪固定時(shí)，輸出軸為內(nèi)齒圈、行星架。行星齒輪公轉(zhuǎn)一次自轉(zhuǎn)2次，對(duì)應(yīng)的工作繞組將定子分成4對(duì)極。

圖2裝置當(dāng)發(fā)電機(jī)使用時(shí)，可同時(shí)產(chǎn)生直流電和交流電。

圖2 單轉(zhuǎn)子行星電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 差速電機(jī)

將圖2實(shí)例行星架設(shè)為主動(dòng)輪，太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈浮動(dòng)，則成為差速器，行星輪公轉(zhuǎn)一周，自轉(zhuǎn)一圈，則對(duì)應(yīng)定子極對(duì)數(shù)是2，能在行星電機(jī)和差速電機(jī)之間按需切換。

2.3 多轉(zhuǎn)子永磁直流行星電機(jī)

單轉(zhuǎn)子行星電機(jī)存在起動(dòng)死點(diǎn)，考察轉(zhuǎn)子一周的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，在一個(gè)轉(zhuǎn)子處于死點(diǎn)位置時(shí)，至少能找到一個(gè)非死點(diǎn)位置安裝另一個(gè)轉(zhuǎn)子。理論上，雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)無(wú)死點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，但是這種結(jié)構(gòu)往往是不對(duì)稱(chēng)的，動(dòng)平衡性能差，2個(gè)以上是最佳選擇。多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可考慮取消行星架或與行星架彈性連接，行星輪全部浮動(dòng)，這樣各轉(zhuǎn)子受力均衡，力矩輸出平穩(wěn)。采用多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不僅能克服驅(qū)動(dòng)死點(diǎn)，也能成倍提高輸出功率。

圖3 多轉(zhuǎn)子行星電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.4 直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)

太陽(yáng)輪直徑無(wú)窮大時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)蛻變?yōu)辇X輪齒條機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)子相對(duì)于齒條邊旋轉(zhuǎn)邊平移，圖4是單轉(zhuǎn)子永磁直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)示意圖。轉(zhuǎn)子數(shù)量根據(jù)齒條長(zhǎng)度靈活決定，前提是齒輪之間不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。

圖4 直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)

3 繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上節(jié)所述電機(jī)在不同情況下繞組將定子分成16極、8極和4極，若是用三組繞組勢(shì)必增加材料、減少單槽有效導(dǎo)體數(shù)，通過(guò)對(duì)一個(gè)整繞組進(jìn)行分割再重新組合能適應(yīng)各種情況。

下面以外定子16槽為例，論述如何對(duì)繞組分割重組實(shí)現(xiàn)三合一的功能。如圖5(a)所示，將一個(gè)整繞組分割成4個(gè)緊湊繞組a和4個(gè)大跨繞組b，將8個(gè)繞組16個(gè)端頭全部接入多路轉(zhuǎn)換器上按需要連接成一個(gè)新繞組，各種繞組的連接方式如圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)所示。多路轉(zhuǎn)換器工作時(shí)變換頻率極低，基本是常連接，也可以用機(jī)械式的。

圖5 繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

行星電機(jī)無(wú)專(zhuān)門(mén)的換相控制器，轉(zhuǎn)子依附在行星輪上，利用一套機(jī)構(gòu)同時(shí)完成二個(gè)毫不相干的任務(wù)，行星齒輪機(jī)構(gòu)既是電磁換向控制者，又是目的執(zhí)行者。行星發(fā)電機(jī)能直接產(chǎn)生變幅直流電，而行星電動(dòng)機(jī)具有機(jī)電雙重調(diào)速功能，即電子控制器細(xì)調(diào)速和行星齒輪粗調(diào)速，機(jī)電聯(lián)合調(diào)速具有寬廣的調(diào)速范圍。

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