CN1801587B - 一种圆盘型双转子双转向直流无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆盘型双转子双转向直流无刷电动机，包括机座、端盖、定子、转子和输出轴，端盖设置在机座的两端，定子包括定子铁芯和定子绕组；定子铁芯和转子均为圆盘型，其中转子为二个，至少其内侧面分别为N极和S极永磁体，两个转子分别竖直设置在机座内，且其内侧面相对应；定子铁芯为一个，竖直固定在两个转子之间，其两个侧面分别与两个转子的内侧面相对应：定子绕组呈扇形均匀绕制在定子铁芯上，定子铁芯同一侧面的绕组线圈电流方向一致，左右两个侧面的绕组线圈电流方向相反；输出轴的一端固定在转子的外侧面上，另一端伸出端盖之外。本发明无需换向装置，结构简单、运行可靠、能够降低制造成本及能耗。

Description

一种圆盘型双转子双转向直流无刷电动机

技术领域

本发明涉及一种电动机，尤其涉及一种直流无刷电动机。

背景技术

目前采用的直流电动机均需要通过换向装置，才能够维持转子的连续运转。传统的直流电动机通常采用电刷以机械的方式进行换向，但这种方式存在着机械摩擦严重、噪声火花大、寿命短等缺陷，同时制造成本高、维修困难，使其发展和使用受到了限制。为此，近年来直流无刷电动机得到了迅速发展，它是采用无刷的电子换相器进行换向，这种方式虽然具有交流电动机运行可靠、调速性能好等诸多优点，但简单通上直流电是不能工作的，必须通过电子换相器才能运行，但电子换相器的成本过高。此外，目前采用的直流无刷电动机其组成部件多，通常由电动机本体(包括主定子和主转子)、电子开关线路(包括功率逻辑开关和位置信号处理)和位置传感器(包括传感器定子和传感器转子)构成，同样存在制造成本高、装配维修困难等缺陷，因而限制了直流无刷电动机的应用范围。

此外，现有的电动机其转子大部分都是圆柱体型的，转子所受到的力是作用在圆柱体的外表面，所受的力矩小，因而转矩也小，能耗较大。同时，定子线圈与磁力线的切割是有变化的，定子线圈上的磁通量也会产生变化，因而会感应出反电动势，电源端电压为克服反电动势，起动电流数倍于额定电流，浪费了大量电能，也影响了设备的性能和运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无需换向装置，结构简单、运行可靠、可降低制造成本和能耗的圆盘型双转子双转向直流无刷电动机。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种圆盘型双转子双转向直流无刷电动机，包括机座、端盖、定子、转子和输出轴，所述端盖设置在机座的两端，所述定子包括定子铁芯和定子绕组；定子铁芯和转子均为圆盘型，其中转子为二个，至少其内侧面分别为N极和S极永磁体，两个转子分别竖直设置在机座内，且其内侧面相对应；定子铁芯为一个，竖直固定在两个转子之间，其两个侧面分别与两个转子的内侧面相对应；所述定子绕组呈扇形均匀绕制在定子铁芯上，定子铁芯同一侧面的绕组线圈电流方向一致，左右两个侧面的绕组线圈电流方向相反；所述输出轴的一端固定在转子的外侧面上，另一端伸出端盖之外。

本发明的定子固定在两个转子之间，工作磁路由两个转子产生，磁力线从其中的N极转子穿过定子上的扇形凸齿到另一个S极转子，绕组线圈与磁力线相互垂直。当线圈通入同一直流电源后，在定子的同一侧面其电流方向一致(流向定子圆心或外圆)，根据左手定则，在该侧面沿圆周方向呈扇形分布的定子槽内的导体受到电磁力的作用，从而形成单方向的电磁转矩。由于定子固定不动，因此与定子该侧面相对应的转子便受到其反作用力的作用，并形成转矩实现连续旋转。由于定子两个侧面的电流方向相反，同理，与定子的另一侧面相对应的转子便获得反向转矩而实现反向连续旋转。本发明无需换向装置便可实现连续转动。转子为圆盘型，所受到的力是作用在转子的侧面上，力矩较长，因而增大了转矩。同时，工作磁路是一个均匀磁场，由于定子线圈呈扇形绕制，而且与磁力线相互垂直，因此在转子旋转时定子线圈始终保持着均匀切割磁力线，定子线圈内的磁通量基本上没有变化，因此定子线圈基本上不会感应出反电动势。

为避免转子与机座和端盖之间的磁力作用，本发明所述两个转子可以仅在内侧面分别为N极和S极。

为实现定子线圈所具有的电流方向，本发明的定子可采取如下具体措施：所述定子铁芯沿圆周方向由定子凸齿和定子槽呈扇形交替间隔构成，定子槽上设置有内层槽孔和中层槽孔，定子凸齿在左侧面上设有内层引线槽和中层引线槽；所述内层引线槽和中层引线槽的位置分别与内层槽孔和中层槽孔对应，且均呈环形排列布置；所述定子绕组由长绕组和短绕组构成，长绕组绕制在定子槽外边沿和内层槽孔之间，短绕组绕制在定子槽外边沿和中层槽孔之间。本发明的定子绕组可以由一条导线绕成一个整体绕组，也可各自单独绕成单独绕组或多个单独绕组。

以两条导线绕制成两个单独的绕组为例，本发明所述定子绕组由二条导线绕制而成，其中一条导线依“定子槽外边沿——左侧面定子槽——内层引线槽——穿过相邻内层槽孔——右侧面定子槽——定子槽外边沿”顺序循环绕制成长绕组；另一条导线依“定子槽外边沿——左侧面定子槽——中层引线槽——穿过相邻中层槽孔——右侧面定子槽——定子槽外边沿”顺序循环绕制成短绕组；所述导线在一个定子槽上的线圈至少有一匝或一匝以上。长绕组和短绕组在一个定子槽上可以各自绕一匝，也可以绕多匝后经引线槽去到相邻的下一个定子槽，这样导线从一个定子槽跳线去到相邻的下一个定子槽时，只需一小段导线就可以了。

为稳固定子的安装，本发明所述定子铁芯在外边沿通过凹凸槽结构及固定螺丝与机座固定连接；定子铁芯的中部设有中心圆孔，两个转子在其内侧面的中部均通过短轴和轴承与定子铁芯的中心圆孔支承连接，两个转子内侧面的中部与轴承对应的区域由无磁性的材料制成，以避免磁力影响轴承的运转。这样转子即可以支承安装在定子铁芯上，又可以做旋转运动；所述输出轴与端盖之间设有轴承，使得转子和输出轴可以支承安装在端盖上并做旋转运动。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明无需换向装置，便可实现直流电动机的连续平稳运转，降低了制造成本，而且结构简单，扩大了推广和使用范围。

(2)转子为圆盘型，所受到的力是作用在转子的侧面上，力矩较长，因而增大了转矩，有利于节能降耗。

(3)工作磁路是一个均匀磁场，而且转子旋转时定子线圈始终保持着均匀切割磁力线，定子线圈内的磁通量基本上没有变化，因此定子线圈基本上不会感应出反电动势。为此，电源的端电压不用抵消反电动势，起动电流基本上与工作电流相等，省电节能。

(4)由于定子线圈内的磁通量基本上没有变化，定子线圈基本上不会感应出反电动势涡流，因此定子可以由硅钢板整块铸造，降低了制造难度，有利于进一步降低制造成本。

(5)可以实现一台电动机的不同转向的双输出，可根据情况灵活使用。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1所示实施例定子铁芯左侧面的结构示意图；

图5是图4的后视图；

图6是图1所示实施例定子绕组在定子铁芯左侧面上的绕制示意图；

图7是图6的后视图；；

图8是图6的右视图(附线圈电流方向)；

图9是图1所示实施例的工作原理图。

图中：机座1，端盖2，N极转子3，S极转子4、转子中部区域S，输出轴5，定子铁芯6，卡槽61，中心圆孔62，定子凸齿63，定子槽64，内层槽孔65，中层槽孔66，内层引线槽67，中层引线槽68，长绕组7，长绕组线头71，长绕组线尾72，短绕组8，短绕组线头81，短绕组线尾82，凸块9，短轴10，轴承11、12，固定螺丝13，轴承套14，轴承端盖15

具体实施方式

图1～图9所示为本发明的实施例，包括机座1、端盖2、定子、转子3和4、输出轴5，定子包括定子铁芯6和定子绕组。如图1所示，端盖2设置在机座1的两端，定子铁芯6和转子3、4均为圆盘型(见图2和图3)，其中转子为二个永磁体，分别为N极转子3和S极转子4。为避免转子与机座和端盖之间的磁力作用，两个转子也可以仅在内侧面分别为N极和S极。两个转子分别竖直设置在机座1内，且其内侧面相对应。定子铁芯6为一个，竖直固定在两个转子之间，其左右两个侧面分别与两个转子的内侧面相对应。如图1和图2所示，定子铁芯6的外边沿均布有4个卡槽61及若干螺丝安装孔，中部设有中心圆孔62，机座1的内壁与卡槽61对应设有4个凸块9，凸块9和卡槽61可相互嵌合，使得定子铁芯6在外边沿能够通过凹凸槽结构及固定螺丝13与机座1固定连接。如图1所示，两个转子在其内侧面的中部均通过短轴10和轴承11与定子铁芯的中心圆孔62支承连接，轴承11通过轴承套14和轴承端盖15安装在定子铁芯的中心圆孔62内。两个转子内侧面的中部与轴承11对应的区域S由无磁性的材料制成，以避免磁力影响轴承11的运转。这样转子即可以支承安装在定子铁芯上，又可以做旋转运动。输出轴5有二个，分别以一端固定在N极转子3和S极转子4的外侧面上，另一端伸出端盖2之外。输出轴5与端盖2之间通过轴承套14和轴承端盖15安装有轴承12，使得转子和输出轴可以支承安装在端盖上并做旋转运动。

如图4、图5和图8所示，定子铁芯6沿圆周方向由定子凸齿63和定子槽64交替间隔构成，可以由整块硅钢板铸造而成。定子槽64上设置有内层槽孔65和中层槽孔66，定子凸齿63在左侧面上设有内层引线槽67和中层引线槽68(见图4)；内层引线槽67和中层引线槽68的位置分别与内层槽孔65和中层槽孔66对应，且均呈环形排列布置。当定子铁芯较大时，为使定子绕组分布得更加均匀合理，也可在每条定子槽上沿半径方向设置多个中层槽孔，在左侧面的每条定子凸齿上沿半径方向设置多个中层引线槽。

如图6和图7所示，定子绕组由二条导线绕制形成两个单独的绕组。其中一条导线从定子铁芯的左侧面开始，依“定子槽外边沿——左侧面定子槽64——内层引线槽67——穿过相邻内层槽孔65——右侧面定子槽64——定子槽外边沿”顺序循环均匀绕制，至定子铁芯的右侧面结束而构成长绕组7。另一条导线从定子铁芯的左侧面开始，依“定子槽外边沿——左侧面定子槽64——中层引线槽68——穿过相邻中层槽孔66——右侧面定子槽64——定子槽外边沿”顺序循环绕制均匀绕制，至定子铁芯的右侧面结束而构成短绕组8。长绕组7和短绕组8在定子铁芯上则呈扇形绕制。导线在一个定子槽上的线圈可以如图6和图7绕一匝，也可以绕多匝。例如，若每个定子槽需要绕30匝线圈，在绕制过程中，只需在定子铁芯左右侧面相对应的定子槽上先绕30匝线圈，再经引线槽和槽孔去到下一个定子槽。这样导线从一个定子槽跳线去到相邻的下一个定子槽时，只需一小段导线就可以了。

本实施例的工作原理如图9所示，工作磁路由两个转子产生，磁力线从N极转子3-气隙-定子上的扇形凸齿-气隙-到S极转子4。长绕组7和短绕组8呈扇形均匀绕制在定子铁芯6上，且和磁力线相互垂直。当长绕组线头71和短绕组的线头81接直流电源正极，长绕组线尾72和短绕组的线尾82接直流电源负极时，如图6、图7和图8所示，定子铁芯左侧面的绕组线圈其电流方向I由外圆边流向内圆边，右侧面的绕组线圈其电流方向I则与之相反，由内圆边流向外圆边。以定子上半部和下半部各一组线圈为例，在定子铁芯的左侧面，其上半部导体和下半部导体分别同图9的ab边和a＇b＇边所示，根据左手定则，在该侧面的上半部导体和下半部导体分别受到电磁力F₁和电磁力F₂的作用，F₁和F₂大小相等、方向相反且处于该定子侧面的平面上，从而形成转矩。由于定子固定不动，因此与定子该侧面相对应的N极转子3便受到其反作用力的作用并形成转矩，实现n₁方向的连续旋转。定子两个侧面的电流方向相反，在定子铁芯的右侧面，其上半部导体和下半部导体分别同图9的cd边和c＇d＇边所示，分别受到电磁力F₃和电磁力F₄的作用而形成转矩，与之相对应的S极转子4便获得反向作用力，实现n₂方向的连续旋转。如果需要变换转子的转向，将电源正负极的接法对换即可。

Claims (5)

1. 一种圆盘型双转子双转向直流无刷电动机，包括机座(1)、端盖(2)、定子、转子(3、4)和输出轴(5)，所述端盖(2)设置在机座(1)的两端，所述定子包括定子铁芯(6)和定子绕组；其特征在于：所述定子铁芯(6)和转子(3、4)均为圆盘型，其中转子为二个，至少其内侧面分别为N极和S极永磁体，两个转子分别竖直设置在机座(1)内，且其内侧面相对应；定子铁芯(6)为一个，竖直固定在两个转子之间，其两个侧面分别与两个转子的内侧面相对应；所述定子绕组(7、8)呈扇形均匀绕制在定子铁芯(6)上，定子铁芯同一侧面的绕组线圈电流方向一致，左右两个侧面的绕组线圈电流方向相反；所述输出轴(5)的一端固定在转子(3、4)的外侧面上，另一端伸出端盖(2)之外。

2. 根据权利要求1所述的圆盘型双转子双转向直流无刷电动机，其特征在于：所述两个转子仅内侧面分别为N极和S极。

3. 根据权利要求1所述的圆盘型双转子双转向直流无刷电动机，其特征在于：所述定子铁芯(6)沿圆周方向由定子凸齿(63)和定子槽(64)呈扇形交替间隔构成，定子槽(64)上设置有内层槽孔(65)和中层槽孔(66)，定子凸齿(63)在左侧面上设有内层引线槽(67)和中层引线槽(68)；所述内层引线槽(67)和中层引线槽(68)的位置分别与内层槽孔(65)和中层槽孔(66)对应，且均呈环形排列布置；所述定子绕组由长绕组(7)和短绕组(8)构成，长绕组(7)绕制在定子槽外边沿和内层槽孔(65)之间，短绕组(8)绕制在定子槽外边沿和中层槽孔(66)之间。

4. 根据权利要求3所述的圆盘型双转子双转向直流无刷电动机，其特征在于：所述定子绕组由二条导线绕制而成，其中一条导线依“定子槽外边沿——左侧面定子槽(64)——内层引线槽(67)——穿过相邻内层槽孔(65)——右侧面定子槽(64)——定子槽外边沿”顺序循环绕制成长绕组(7)；另一条导线依“定子槽外边沿——左侧面定子槽(64)——中层引线槽(68)——穿过相邻中层槽孔(66)——右侧面定子槽(64)——定子槽外边沿”顺序循环绕制成短绕组(8)；所述导线在一个定子槽上的线圈至少有一匝或一匝以上。

5. 根据权利要求1所述的圆盘型双转子双转向直流无刷电动机，其特征在于：所述定子铁芯(6)在外边沿通过凹凸槽结构及固定螺丝与机座(1)固定连接；定子铁芯(6)的中部设有中心圆孔(62)，两个转子在其内侧面的中部均通过短轴(10)和轴承(11)与定子铁芯的中心圆孔(62)支承连接，两个转子内侧面的中部与轴承(11)对应的区域(S)由无磁性的材料制成；所述输出轴(5)与端盖(2)之间设有轴承(12)。

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