CN107733199A - 永磁式直流旋转电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁式直流旋转电机，利用该电机的设计方法可设计制造单转子、单定子和双转子、双定子永磁式直流旋转电机。主要由定子和转子两部分，定子部分由铁磁质外铁芯(1)、圆环状外铁芯的内侧对称设四个(或偶数个)内铁芯凸极，上端凸极(4a)的左右两侧安装两个磁力开关(10a和10a)；转子主要由转轴(6)、圆筒状铁磁质转子和两块(或偶数个)块相同几何形状的瓦片状永磁体(2)组成。驱动原理是：转子永磁体的磁场与定子凸极上的磁场的相互排斥力(f2)、转子永磁体的磁场吸引定子凸极产生的引力(f1)共同产生电机的驱动力。该电机只需在定子上装配两个磁力开关即可，省掉了有刷电机的碳刷；去掉了无刷电机的霍尔元件及其控制系统。

Description

永磁式直流旋转电机

技术领域

本发明涉及直流旋转电机领域，具体涉及一种永磁式直流旋转电机、也可以说是一种永磁式直流旋转电机的设计方法。

背景技术

在直流旋转电机领域中，有刷和无刷直流旋转电机产品已经系列化，正向着使用方便、节能、安全可靠的方向发展。基于此设计发明了永磁式直流旋转电机，以满足目前日趋繁荣的工农业生产的需求。

在磁学领域，磁场是一种特殊形态的物质，所说的磁能、严格地讲应该称之为磁场能。永久磁体是能够长期保持磁性的物体，永久磁体的磁场能够将周围一定距离内、一定质量的铁磁质物体吸引到永久磁体磁极的表面，而这个吸引过程就是磁场能转化为铁磁质物体的动能的过程。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种比有刷和无刷直流旋转电机的结构更为简单、节能效果明显的永磁式直流旋转电机。所采用的主要技术方案是：利用永磁体的磁场吸引铁磁质的属性，并且使该吸引力变为永磁式直流旋转电机旋转所需要的驱动力，从而达到节约能源的目的。本发明分单转子、单定子永磁式直流旋转电机和双转子、双定子永磁式直流旋转电机。由于两种电机的转子驱动原理相同，所以在说明本发明的技术方案时以单转子、单定子永磁式直流旋转电机为主。另外，所谓的单转子、单定子永磁式直流旋转电机是指，转子上沿径向对称安装两块永磁体且内外弧面分别显示的磁极极性相同；定子上设有两对沿径向对称的四个凸极。所谓的双转子、双定子永磁式直流旋转电机是指，转子上沿轴向分左右两侧对称各安装四块永磁体，且左右两侧沿轴向对应的两块永磁体的外弧面的磁极极性相反；同一侧的两块永磁体外弧面所显示的磁极极性相同(都是N极或S极)。沿轴向的两个定子通过一个圆环状软磁质连接件连接在一起。

为了说明永磁式直流旋转电机的设计方案、结构形式和工作原理，下面先做两个简单的物理实验，然后再根据实验装置的结构形式和实验结果来说明永磁式直流旋转电机的设计原理。

实验一

参见附图1，该实验装置分定子和转子两部分。定子主要由软铁磁质外铁芯1和电磁线绕组5a和5b组成。外铁芯1的内侧对称设两个内铁芯凸极4a和4b；绕组5a和5b分别绕在两个凸极4a和4b上、且串联连接，其绕法是从圆心向两凸极看去同向；绕组5a和5b与可变电阻9、手动开关8和直流电源7a串联连接。转子主要由转轴6、圆筒状铁磁质转子3和两块相同几何形状的瓦片状永磁体2组成。两块永磁体2对称安装在铁磁质转子3上、且外弧面为同性磁极(图中永磁体的外弧面为N极)；永磁体2和铁磁质转子3都固定装配在转轴6上且能自由转动。转子的初始位置为：两块永磁体2其中的一块永磁体的外弧面的磁力线的发线方向与穿过转轴6圆心的水平方向沿顺时针有一个旋转角δ(δ>0弧度)。

当转子如附图1所示的初始位置、绕组没有接通直流电源7a的情况下，根据永磁体2具有吸引铁磁质的属性，两块永磁体2分别吸引上下两个铁磁质凸极4a和4b。此时永磁体2、铁磁质转子3和转轴6所组成的转子，会在两块永磁体2吸引力f₁的作用下按顺时针方向旋转(图中用实心箭头表示)。当转子旋转至两块永磁体2的外弧面分别与凸极4a和4b的内弧面相对应时自动停止。可见，导致转子旋转的驱动力来自永磁体吸引铁磁质的属性，转子旋转的动能是由永磁体2的磁场能转化而来。

实验二

参见附图2，附图2和附图1的结构形式相同，不同点在于闭合手动开关8、接通直流电源。当转子处于如附图2所示的初始位置、绕组接通直流电源7b(单相交流电源整流后)时，根据右手定则，上下两个铁磁质凸极4a和4b面向圆心一侧均显示为N极。若从大到小逐渐调节可变电阻9，那么通过绕组的电流则是从小逐渐变大，而上下两个铁磁质凸极4a和4b的磁场强度也是一个从小到大的变化过程。根据永磁体具有的同极性磁极磁场相互排斥的属性，此时转子会在斥力f₂的作用下按顺时针方向旋转。转子旋转的驱动力来自同极性磁极的相互排斥力f₂，转子的旋转动能是由直流电能转换而来。

由以上两个实验结果，前者转子转动的驱动力f₁来自永磁体吸引铁磁质的属性，后者转子转动的驱动力f₂是由直流电能转换而来；其旋转方向相同都是按顺时针方向旋转。本发明所述的永磁式直流旋转电机正是将以上两个实验装置组合在一起、将两个实验结果所述的驱动力(f₁和f₂)合为一体而设计的。

永磁式直流旋转电机的结构形式：附图3表示单转子、单定子永磁式直流旋转电机的结构及工作原理示意图。其结构特征在于：主要由定子和转子两部分组成，定子部分由圆环状软铁磁质外铁芯1和四个线圈(5a、5b、5c、5d)组成。圆环状外铁芯1的内侧对称设四个内铁芯凸极(4a、4b、4c、4d)，其中绕在上下两个凸极(4a和4c)上的两个线圈5a和5c串联为一组绕组，绕在左右两个凸极4b和4d上的两个线圈5b和5d串联为一组绕组。上端凸极4a的左右两侧安装两个磁力开关10a和10b；转子主要由转轴6、圆筒状铁磁质转子3和两块相同几何形状的瓦片状永磁体2组成。两块永磁体2对称安装在铁磁质转子3上、且外弧面为同性磁极(N极)；永磁体2和铁磁质转子3固定装配到转轴6上，它们共同组合成电机的转子。转子的初始位置：两块永磁体2的外弧面磁力线的发线方向与穿过转轴6圆心的水平方向且沿顺时针方向有一个旋转角δ(δ>0弧度)。当转子永磁体2接近磁力开关时开关导通、当转子永磁体2离开磁力开关时开关断开。

永磁式直流旋转电机的工作原理：在附图3中，当接通直流电源磁力开关10a导通时。根据右手定则，电流在左右两个凸极面向圆心的一侧显示为N极，(此时上下两个凸极不显示磁性)。在此期间由于转子上两块永磁体2的N极极面与左右两个凸极的N极极面相对应，并且在顺时针方向上相差一个旋转角δ，所以转子上的两块永磁体2的磁场与左右两个凸极上的磁场产生相互排斥力f₂，该排斥力f₂产生使转子按顺时针旋转的驱动转矩；在这期间，如背景技术所述，永久磁体的磁场能够将周围一定距离内、一定质量的铁磁质物体吸引到永久磁体磁极的表面。所以此时两块永磁体2也分别吸引上下两个软铁磁质凸极，该引力f₁也产生使转子顺时针旋转的驱动转矩。所以，在这期间转子同时受到磁场的相互排斥力f₂和永磁体吸引铁磁质的引力f₁的作用力按顺时针旋转。

如附图4所示，当转子由附图3所示的初始位置在斥力f₂和引力f₁的作用下顺时针旋转时，由于惯性转子上其中的一块永磁体会逐渐离开磁力开关10a逐渐靠近磁力开关10b，此时磁力开关10a断开、磁力开关10b导通，同时上下两凸极上的一组绕组接通电源。根据右手定则，电流在上下两个凸极、面向圆心的一侧显示为N极。在此期间由于转子永磁体2的两个N极极面与上下两个凸极的N极极面相对应，所以转子上的两块永磁体2的磁场与上下两个凸极4a上的磁场都产生相互排斥力f₂；该排斥力f₂也产生使转子按顺时针旋转的驱动转矩。同时，两块永磁体2也分别吸引左右两个铁磁质凸极，该引力f₁也产生使转子顺时针旋转的驱动转矩。所以，短行程永磁式直流旋转电机的转子也在这两种力的共同作用下按顺时针旋转。

如上所述，如附图3和附图4所示，磁力开关10a和10b各接通电源一次，转子按顺时针旋转180°；如果磁力开关10a和10b各接通电源两次，转子旋转360°。以此类推，当永磁式直流旋转电机接通直流电源后，转子会得到连续的旋转转矩而持续旋转。附图5表示单转子、单定子永磁式直流旋转电机当接通单相交流电源通过整流后的线路示意图，图中的11表示桥式整流器。

永磁式直流旋转电机具有可逆性：如附图3所示，当永磁式直流旋转电机的转子被其它动力拖动下按顺时针旋转时，永磁体2接近任何一个磁力开关(10a或10b)使其导通，都会使相对应的绕组内穿过的磁通量逐步减少。根据电磁感应定律，在这期间该绕组内便产生感应脉动直流电动势。如果转子连续顺时针旋转、磁力开关10a和10b顺序导通或断开，那么并联的两组绕组便在两端线产生脉动直流电动势。所以，本发明所述的永磁式直流旋转电机具有可逆性，当作发电机使用时，发出的是脉动直流电。

永磁式直流旋转电机的旋转属性和有刷、无刷直流电机相同，其旋转速度随所带负荷的变化而变化，能够根据所带负荷的大小自动调节转子的转速。在驱动转子旋转的斥力f₂和引力f₁中，引力f₁的大小主要与永磁体2的磁场强度和定子凸极的材质有关，当永磁体的磁场强度、几何尺寸及凸极材质确定后，其引力f₁的大小也随之确定；而斥力f₂的大小主要与永磁体的磁场强度和线圈绕组内直流电流的大小两个参数有关，在这两个参数中直流电流的大小可以调节。所以，调节直流电流的大小即可实现永磁式直流旋转电机的输出转矩和转速的变化。

综上所述，永磁式直流旋转电机的驱动原理是：转子旋转的驱动力是由转子永磁体的磁场与定子凸极磁场的相互排斥力f₂和转子永磁体的磁场吸引定子凸极的引力f₁共同产生的。其中斥力f₂使转子旋转的动能是由直流电能转换而来，而吸引力f₁则是利用了永磁体吸引铁磁质的属性，是将永磁体的磁场能转化为转子的旋转动能。本发明正是利用了这一特性而设计的；本发明所述的永磁式直流旋转电机与传统的有刷和无刷电机比较其有益效果在于：结构上永磁式直流旋转电机只需在定子上装配两个磁力开关即可，省掉了传统有刷电机的碳刷；去掉了无刷电机的霍尔元件及其控制系统；由于本发明利用了永磁体吸引铁磁质的属性，所以永磁式直流旋转电机具有良好的节能效果。

附图说明

附图1表示实验一所用装置的基本结构和工作原理示意图。

附图2表示实验二所用装置的基本结构和工作原理示意图。

附图3表示单转子、单定子永磁式直流旋转电机的转子在起始位置时的基本结构和工作原理示意图。

附图4表示单转子、单定子永磁式直流旋转电机顺时针旋转过程中的基本结构和工作原理示意图。

附图5表示单转子、单定子永磁式直流旋转电机线圈绕组的线路示意图。

附图6表示单转子、单定子永磁式直流旋转电机不能正常启动时定子的结构示意图。

附图7表示单转子、单定子永磁式直流旋转电机按顺时针旋转启动时定子的结构示意图。

附图8表示双转子、双定子永磁式直流旋转电机沿径向剖视结构示意图。

附图9表示双转子、双定子永磁式直流旋转电机沿A-A水平方向的俯视结构示意图。

<1>外铁芯，<2>永磁体，<3>圆筒状铁磁质转子，<4a>、<4b>、<4c>、<4d>定子凸极，<4bb>、<4dd>转子静止定位铁芯，<5a>、<5b>、<5c>、<5d>、<5bb>、<5dd>线圈绕组，<6>转子转轴，<7a>直流电源，<7b>整流直流电源，<8>手动开关，<9>可变电阻，<10a>、<10b>磁力开关，<11>桥式整流器，<12>圆环状软磁质连接件，<13>转子定位板，<14>定子与转子之间的气隙，<f₁>表示永磁体吸引铁磁质凸极的引力，<f₂>表示永磁体磁场与电流产生的磁场之间的相互排斥力，<⊙>表示导线电流流出，表示导线电流流进。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做作进一步说明。

具体实施时需要解决的问题：a，永磁式直流旋转电机的启动性能：因为当定子绕组没有电流时其转子永磁体的位置具有不确定性，也就是转子的初始位置不能保证永磁体刚好使磁力开关10a导通10b断开。b，由于单转子、单定子永磁式直流旋转电机一般用于较小功率的场合使用，无需考虑转子及定子磁路设计的合理性。但对于大功率的永磁式直流旋转电机、特别是在要求避免受磁干扰的场合，必须考虑消除磁干扰现象。

启动特征：为了确保该电机具有良好的启动性能，必须确定该电机启动时转子的初始位置。否则会导致电机无法启动或不能按要求的方向转动、甚至电机不能启动。假如需要该电机按顺时针旋转，那么当电机静止时转子永磁体2的初始位置应该保持附图3所示的位置。为此需采用以下技术方案：如附图6所示，图中两对凸极的几何形状相同、轴向长度小于转子永磁体2的轴向长度，在此状况下，由于永磁体吸引各个凸极的力平衡，所以转子所停止的位置具有不确定性。为了实现电机静止时转子停到附图3所示的起始位置，可利用永磁体吸引两对铁磁质凸极的引力大小不同来实现。为此将左右方向的一对凸极4b和4d沿轴向增加长度，加长部分(4bb和4dd)的几何形状与原凸极的形状相同、只是沿圆周方向缩小、并且使该凸极(4b和4d)的总长度等同于转子永磁体的长度，其增长的部分称之为转子静止定位铁芯(4bb和4dd)。该结构形式能够使永磁式直流旋转电机切断电源时转子自动停到附图3所示的起始位置。其原理在于该结构使永磁体2吸引上下两个凸极引力小于左右两个凸极的引力。当要求该电机逆时针旋转时，可改变磁力开关10a和10b以及铁芯(4bb和4dd)的位置即可。

大功率永磁式直流旋转电机磁路的设计方案：设计制造大功率永磁式直流旋转电机时，应该使转子的永磁体及定子的磁场磁路设计合理，否则会产生磁干扰现象。所采取的技术方案是将该电机设计成双转子、双定子永磁式直流旋转电机。附图8表示该电机沿经向的结构示意图、附图9表示沿A-A水平方向的俯视结构示意图。在附图9中，转子永磁体分上下对称安装共四块永磁体，上面两块永磁体的外弧面为S极、下面两块永磁体的外弧面为N极。双定子结构也分上下两个软磁质定子铁芯，中间用圆环状软铁磁质连接件12连接。绕在左侧上下两个凸极上的两个线圈5b和5bb串联为一个绕组；绕在右侧上下两个凸极上的两个线圈5d和5dd串联为一个绕组。其中转子永磁体的内弧面磁场沿转子铁芯3闭合、外弧面磁极磁场沿上下两个定子铁芯和软铁磁质连接件12闭合；定子磁路则是沿轴向双定子凸极和软铁磁质连接件12闭合。4bb和4dd为转子静止定位铁芯。

对于功率较小的永磁式直流旋转电机来说，由于各磁场的强度较小，所以采用附图3和附图4所示的单转子、单定子方案即可。

对于本发明的永磁式直流旋转电机，其优选实施的为单转子、单定子小功率直流旋转电机。用该方案设计制造的永磁式直流旋转电机多用于电动工具的直流旋转电机、电动车所用的直流旋转电机。

所述的定子外软铁磁质铁芯1和软铁磁质铁芯凸极，一般是用薄硅钢片叠压而成。所述的磁力开关10a和10b，也可选用其它具有相同功能的接近开关。

Claims (3)

1.本发明提供的一种永磁式直流旋转电机，从结构上可分为单转子、单定子和双转子、双定子永磁式直流旋转电机；单转子、单定子永磁式直流旋转电机的基本特征在于：主要由定子和转子两部分，定子部分由圆环状软铁磁质外铁芯1和四个线圈(5a、5b、5c、5d)组成；圆环状外铁芯(1)的内侧对称设四个内铁芯凸极(4a、4b、4c、4d)，其中绕在上下两个凸极(4a和4c)上的两个线圈(5a和5c)串联为一组绕组，绕在左右两个凸极(4b和4d)上的两个线圈(5b和5d)串联为一组绕组；上端凸极(4a)的左右两侧安装两个磁力开关(10a和10b)；转子主要由转轴(6)、圆筒状铁磁质转子(3)和两块相同几何形状的瓦片状永磁体(2)组成，两块永磁体(2)对称安装在铁磁质转子(3)上、且外弧面为同性磁极；永磁体(2)和铁磁质转子(3)固定装配到转轴(6)上且组合成电机的转子；转子的初始位置为：两块永磁体(2)的外弧面磁力线的发线方向与穿过转轴(6)心的水平方向沿顺时针方向有一个旋转角(δ)；当转子永磁体(2)接近磁力开关时开关导通、当转子永磁体(2)离开磁力开关时开关断开；双转子、双定子永磁式直流旋转电机的基本特征在于：转子永磁体(2)分上下对称安装共四块永磁体，上面两块永磁体的外弧面为S极、下面两块永磁体的外弧面为N极；双定子结构也是分上下两个软磁质定子铁芯，中间用圆环状软铁磁质连接件(12)连接；绕在左侧上下两个凸极上的两个线圈(5b和5bb)串联为一个绕组；绕在右侧上下两个凸极上的两个线圈(5d和5dd)串联为一个绕组；其中转子上的永磁体的内弧面磁场沿转子铁芯(3)闭合、外弧面磁极磁场沿上下两个定子铁芯和软铁磁质连接件(12)闭合；定子磁路则是沿轴向双定子凸极和软铁磁质连接件(12)闭合；启动特征是：利用永磁体吸引两对铁磁质凸极的引力大小不同来实现，为此将一对凸极(4b和4d)沿轴向增加长度，加长部分(4bb和4dd)的几何形状与原凸极的形状相同、只是沿圆周方向缩小、并且使定子的总长度等同于转子永磁体的长度；转子的驱动特征是：转子旋转的驱动力是由转子永磁体的磁场与定子凸极磁场的相互排斥力(f2)和转子永磁体的磁场吸引定子凸极的引力(f1)共同产生的。

2.根据权利要求1所述所述的定子外软铁磁质铁芯(1)和软铁磁质铁芯凸极(4a和4b)，一般是用薄硅钢片叠压而成。

3.根据权利要求1所述的所述的磁力开关(10a和10b)，具有相同功能的接近开关。