CN201113739Y - 定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机 - Google Patents
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Abstract
一种定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，包括壳体(10)及其端板(11)，和用于安装固定的支承轴(40)，尤其是，还包括由n片定子绕组盘(45)和n+1片转子磁极盘(12、13)交错叠置穿于同一支承轴(40)上的定转子组件，其中所有定子绕组盘(45)均至少在圆周方向固定于支承轴(40)上而不允许转动，但所有转子磁极盘(12)均可以在支承轴(40)上转动却至少要在圆周方向固定于壳体(10)内圆柱面而不能相对于该壳体(10)转动。本实用新型所述电机组装方便且可靠性高，只须根据需要确定输出功率，再确定的所述定子绕组盘(45)和转子磁极盘的数量，即可组装出所需输出功率的无刷直流电机，节省了生成成本和管理成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及小型永磁体无刷直流电机，特别是涉及盘片型定子、转子交错叠置的轴向磁场电机。
背景技术
电机均包括定子和转子，其磁场通常为径向，绕组导体取轴向。作为电动机使用时，电流馈入绕组导体，受磁场作用产生切向推力，转子即开始旋转。作为发电机使用时，外力拖动转子旋转，绕组导体切割磁场中的磁力线而感生电势，从而发出电力。现有技术此种方式构造的直流电机，轴向长度较长，又因为使用铜、铁材料较多而造成重量大，并且运行起来能量损耗也大，电能-机械能转换效率低。从设计角度看，此种方式构造的电机一旦设计定型，其输出功率即基本确定，如要更改，须重做电磁计算和机械设计，生产部门也需要为每一种输出功率的电机准备一套模具和零部件，生产成本和管理成本都相对比较高。
名称为“永磁盘式电机”的两款中国专利03146898.5和03238349.5公开了一种轴向长度只有一般电机的1/3至1/5，效率高出现有电机1.2倍以上的小型/微型电机新技术。此种永磁体盘式电机包括至少一片盘形转子，以及含一片以上盘形定子的定子组。所述永磁体盘式电机技术避免了现有技术电机轴向尺寸长、重量大以及转换效率低的不足之处，但是仍然没有解决每一设计只对应一确定的输出功率，从而还是不方便系列产品的设计和生产管理。另外，所述永磁体盘式电机仍然还保留有机械换向器和电刷结构，这对于以该盘式电机为基础实施轴向级联以增大输出功率又不降低可靠性的要求是十分不利的。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种永磁体磁极、无机械换向器的、由n片定子盘和n+1片转子盘同轴交错叠置并且壳体也旋转的轴向级联直流电机，其输出功率是1片定子盘夹在两片转子盘之间、同轴组装为一体的单级电机的n倍，此处n＝1，2，3，...，11，12，从而只须设计制造单级的此类电机作为基础产品，然后根据使用需要确定输出功率，再确定级联数n＝2，3，或者是4，5，甚至更大值，即可组装出来所需输出功率的无刷直流电机。
本实用新型解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：
设计、制造一种定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，包括用于输出或者输入机械功率的壳体及其端板，和用于安装固定的支承轴，尤其是，还包括由n片定子绕组盘和n+1片转子磁极盘交错叠置穿于同一支承轴上的定转子组件，其中所有定子绕组盘均至少在圆周方向固定于支承轴上而不允许转动，但所有转子磁极盘均可以在支承轴上转动却至少要在圆周方向固定于壳体内圆柱面而不能相对于该壳体转动，其中两转子磁极盘分别同轴固定于两端板内面并可以同该端板一起在支承轴上转动，而两端板在所述电机组装完成后被固定于所述壳体的两端部；所有各定子绕组盘的引出导线，包括安装于其上的磁场极性传感器的引出导线，均经支承轴内的轴向通孔，或者支承轴表面的轴向长槽引出至任一端板之外，电子换向电路板就固定在该端板外侧的支承轴上或者合并设置在所述电机的控制器内。对于只有一片定子绕组盘的情况，所述磁场极性传感器也可以装在位于所述端板外侧的电子换向电路板上，可以透过所述端板测得旋转着的磁场之极性变化；所有定子绕组盘连同支承轴一起构成所述电机的定子，所有各转子磁极盘连同壳体及其端板一起构成所述电机的转子；所述n片定子绕组盘和n+1片转子磁极盘中的n＝1，2，3，...，11或12，任选其一。
所述转子磁极盘是整片的高矫顽力硬磁材料，常用的是稀土元素合金，其中央部位有供支承轴穿越的通孔；借助充磁机将该转子磁极盘磁化为m块扇形磁化区，沿圆周方向N极和S极相间排列，与轴向相邻的转子磁极盘共同形成m对轴向磁场，此处m＝2，3，...，11或12。
所述壳体是一段软磁材料的圆管，该圆管的外圆柱面上沿轴向对称地压有至少两处窄槽，从而在该圆管的内壁相应地形成至少两条轴向凸起；所述各转子磁极盘的外圆周上与壳体内壁上的轴向凸起相对应地设置有至少两处缺口，用于在组装成所述电机时卡在所述轴向凸起上，并且所有各转子磁极盘上的各该两处缺口相对于该转子磁极盘上磁化区的任一径向分隔带的偏离角θ都有同样值，从而使得所有各转子磁极盘连同罩裹在它们外表面的壳体都同步旋转。特殊地，如果n＝1，只有两片转子磁极盘，那么该两片转子磁极盘上的各两处缺口相对于该磁极盘上磁化区的同一径向分隔带的偏离角θ应该互相相差10°～45°，即θ1-θ2＝10°～45°。
所述定子绕组盘包括非磁性材料制成的框架和该框架内的各线卷，所述框架及其内的各线卷经注塑或者模压工艺成型为薄片圆饼，在该圆饼中央有孔，用于将所述定子绕组盘固定在所述支承轴上。
所述定子绕组盘上的中央孔之内圆周上有一处是以弦线或者是以向中心的凸起替代圆弧，用以固定所述定子绕组盘在所述支承轴上，使之不能相对转动；并且组装在所述支承轴上的两相邻定子绕组盘之中央孔内圆周上的弦线或者凸起，相对于该定子绕组盘上同一线卷径向对称线之偏离角δ应该互相相差10°～45°，即δ 1-δ 2＝10°～45°。所述支承轴之外圆柱面有一侧被加工形成轴向平面或沟槽，用于适配所述各定子绕组盘之中央孔，使各定子绕组盘固定在支承轴上不能相对转动。
所述各转子磁极盘之中心孔紧配合有轴承，所述支承轴依次穿入所述各轴承的内圈。所述轴承是滚珠轴承，或者是含油滑动轴承，所述轴承内圈的轴向厚度借助加入一平垫圈而略大于各转子磁极盘的轴向厚度。
所述支承轴的两端面分别突出在两端板的外表面，并且该两端面中心有互相贯通的轴向长孔，该轴向长孔的两端头各有一段长度为l的外螺纹，可借助螺母安装固定所述电机。所述支承轴还可以借助法兰盘固定，所述支承轴是一段无缝钢管，该支承轴的两端面分别突出在两端板的外表面，并且所述电机组装完成后在齐平各端面处分别联结一用于安装固定所述电机的法兰盘。
在所述电机的实际应用中，所述壳体外表面加工有轴向的齿谷和齿峰，用于啮合从动齿轮驱动电动自行车或者微型汽车。
同现有技术相比较，本实用新型“定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机”的有益效果在于：
1.所述电机组装方便且可靠性高，其输出功率是1片定子绕组盘夹在两片转子磁极盘之间、同轴组装为一体的单级电机的n倍，此处n＝1，2，3，...，11，12；所以只须设计制造单级的此类电机作为基础产品，然后根据使用需要确定输出功率，再确定级联数n＝2，3，或者是4，5，甚至更大值，即可组装出所需输出功率的无刷直流电机，节省了生产成本和管理成本。
2.所述定子绕组盘和转子磁极盘都是薄片结构，可以有效缩小所述电机的轴向厚度，有利于所述电机应用到一些特殊的使用环境。
3.所述转子磁极盘是整片的高矫顽力硬磁材料，借助充磁机将其磁化为N极和S极相间排列的m块扇形磁化区，相邻两扇形磁化区之间的径向无磁分隔带仅几十微米宽，相比于那种将扇形永磁体片一一粘贴于基材上成为转子磁极盘的方式，磁能的利用率高。
附图说明
图1是本实用新型“定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机”第一实施例的正投影示意图，包括：
图1-1是所述第一实施例的主视剖视示意图；
图1-2是所述第一实施例的右视示意图。
图2是所述第一实施例的电机沿轴向分解扩展后的主视剖视示意图，包括：
图2-1是所述第一实施例电机的端板11、转子磁极盘12、13和定子绕组盘45沿轴向分解扩展后的主视剖视示意图；
图2-2是所述第一实施例电机的支承轴40的主视剖视示意图。
图3是图2中A-A剖视示意图。
图4是所述第一实施例两相邻转子磁极盘的右视示意图，包括：
图4-1是所述第一实施例两相邻转子磁极盘其中之一转子磁极盘的右视示意图；
图4-2是所述第一实施例两相邻转子磁极盘中另一转子磁极盘的右视示意图。
图5是所述第一实施例两相邻定子绕组盘45的右视示意图，包括：
图5-1是所述第一实施例两相邻定子绕组盘45其中之一定子绕组盘的右视示意图；
图5-2是所述第一实施例两相邻定子绕组盘45之另一定子绕组盘的右视示意图。
图6是本实用新型“定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机”第二实施例的正投影示意图，包括：
图6-1是所述第二实施例的主视剖视示意图；
图6-2是所述第二实施例的右视示意图。
图7是所述第二实施例定子绕组盘45的右视示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示各实施例作进一步详述。
本实用新型定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，包括用于输出或者输入机械功率的壳体10及其端板11，和用于安装固定的支承轴40，尤其是，还包括由n片定子绕组盘45和n+1片转子磁极盘12、13交错叠置穿于同一支承轴40上的定转子组件，其中所有定子绕组盘45均至少在圆周方向固定于支承轴40上而不允许转动，但所有转子磁极盘12均可以在支承轴40上转动却至少要在圆周方向固定于壳体10内圆柱面而不能相对于该壳体10转动，其中两转子磁极盘13分别同轴固定于两端板11内面并可以同该端板11一起在支承轴40上转动，而两端板11在所述电机组装完成后被固定于所述壳体10的两端部；所有各定子绕组盘45的引出导线，包括安装于该定子绕组盘45上的磁场极性传感器的引出导线，均经支承轴40内的轴向通孔，或者支承轴40表面的轴向长槽引出至任一端板11之外，电子换向电路板就固定在该端板11外侧的支承轴40上或者合并设置在所述电机的控制器内；所有定子绕组盘45连同支承轴40一起构成所述电机的定子，所有各转子磁极盘12、13连同壳体10及其端板11一起构成所述电机的转子；所述n片定子绕组盘45和n+1片转子磁极盘12、13中的n＝1，2，3，...，11或12，任选其一。如图1至图7所示，本实用新型的第一实施例和第二实施例都是具有3片定子绕组盘45和4片转子磁极盘12、13，即n＝3。如图1所示，本实用新型第一实施例所述各定子绕组盘45的引出导线，包括安装于该定子绕组盘45上的磁场极性传感器的引出导线，经支承轴40内的轴向通孔44引出至电机右侧端板11之外并且电连接至电子换向电路板(图中未示出)。如图6所示，本实用新型第二实施例所述各定子绕组盘45的引出导线，包括安装于该定子绕组盘45上的磁场极性传感器的引出导线，经支承轴40表面的轴向长槽43引出至电机右侧端板11之外并且电连接至电子换向电路板(图中未示出)，所述磁场极性传感器通常为霍尔效应器件。
所述转子磁极盘12、13是整片的高矫顽力硬磁材料常用的是稀土元素合金，包括钕铁硼合金，或者使用锶铁氧体、钡铁氧体或者是铝镍钴合金，其中央部位有供支承轴40穿越的通孔；借助充磁机将该转子磁极盘12、13磁化为m块扇形磁化区，沿圆周方向N极和S极相间排列，与轴向相邻的转子磁极盘共同形成m对轴向磁场，此处m＝2，3，...，11或12。如图3和图4所示，本实用新型第一实施例所述转子磁极盘12、13被磁化为8块扇形磁化区，即m＝8。在图3和图4中，用虚线划分各扇形磁化区，但从所述转子磁极盘12、13的外观看，所述各扇形磁化区是不可见的。此处要指出的是，所述各扇形磁化区之间的径向无磁分隔带是非常窄的，不到0.1毫米，从而能充分利用蕴含在有限体积内的磁场能量。
如图1、图3和图4所示，所述壳体10是一段软磁材料的圆管，该圆管的外圆柱面上沿轴向对称地压有至少两处窄槽15，从而在该圆管的内壁相应地形成至少两条轴向凸起16；所述各转子磁极盘12、13的外圆周上与壳体10内壁上的轴向凸起16相对应地设置有至少两处缺口14，用于在组装成所述电机时卡在所述轴向凸起16上，并且所有各转子磁极盘12、13上的各该两处缺口14相对于该转子磁极盘上磁化区的任一径向分隔带的偏离角θ都有同样值，从而使得所有各转子磁极盘12、13连同罩裹在它们外表面的壳体10都同步旋转。
如图4所示，为使所述电机作为电动机使用时，所述电动机能够顺利启动，两相邻转子磁极盘上的各两处缺口14相对于该磁极盘上磁化区的同一径向分隔带的偏离角θ应该互相相差10°～45°。特殊情况下，如果n＝1，即只有两片转子磁极盘13，那么该两片转子磁极盘13上的各两处缺口14相对于该磁极盘上磁化区的同一径向分隔带的偏离角θ应该互相相差10°～45°，即θ1-θ2＝10°～45°。
如图1、图2、图5、图6和图7所示，所述定子绕组盘45包括非磁性材料制成的框架46和该框架内的各线卷47，所述框架46及其内的各线卷47经注塑或者模压工艺成型为薄片圆饼，在该圆饼中央有孔48，用于将所述定子绕组盘45固定在所述支承轴40上。
所述定子绕组盘45上的中央孔48之内圆周上有一处是以弦线481或者是以向中心的凸起483替代圆弧，用以固定所述定子绕组盘45在所述支承轴40上，使之不能相对转动。如图1-2和图5所示，在本实用新型第一实施例中，所述中央孔48之内圆周上有一处是以向中心的凸起483替代圆弧；如图7所示，本实用新型第二实施例中，所述中央孔48之内圆周上有一处是以弦线481替代圆弧。
同样，为使所述电机作为电动机使用时，所述电动机能够顺利启动，如图5和图7所示，在本实用新型的两个实施例中，组装在所述支承轴40上的两相邻定子绕组盘45之中央孔48内圆周上的弦线481或者凸起483，相对于该定子绕组盘45上同一线卷47径向对称线之偏离角δ应该互相相差10°～45°，即δ1-δ2＝10°～45°。以本实用新型第一实施例为例，图5示出了上述两相邻定子绕组盘45的结构。
如图1、图5、图6和图7所示，所述支承轴40之外圆柱面有一侧被加工形成轴向平面或沟槽，用于适配所述各定子绕组盘45之中央孔48，使各定子绕组盘45固定在支承轴40上不能相对转动。所述支承轴40之外圆柱面一侧被加工形成轴向沟槽，适配所述第一实施例之定子绕组盘45中央孔48的凸起483；所述支承轴40之外圆柱面一侧被加工形成轴向平面，适配所述第二实施例之定子绕组盘45中央孔48的弦线481。
如图2所示，本实用新型第一实施例所述各转子磁极盘12、13之中心孔紧配合有轴承17，所述支承轴40依次穿入所述各轴承17的内圈。所述轴承17可以是滚珠轴承，或者是含油滑动轴承，在所述第一实施例中，所述轴承17是滚珠轴承。所述轴承17内圈的轴向厚度借助加入一平垫圈而略大于各转子磁极盘12、13的轴向厚度。此结构令定子绕组盘45稳定地夹在两相邻转子磁极盘之间，同时，使定子绕组盘45与两侧的转子磁极盘之间留有空隙，防止转子磁极盘在旋转过程中与夹在其间的定子绕组盘45发生摩擦，影响所述电机的正常运转。
如图1和图2所示，本实用新型第一实施例中，所述支承轴40的两端面41分别突出在两端板11的外表面，并且该两端面41中心有互相贯通的轴向长孔44，该轴向长孔44的两端头各有一段长度为l的外螺纹，可借助螺母安装固定所述电机。
如图6所示，本实用新型第二实施例中，所述支承轴40是一段无缝钢管，该支承轴40的两端面41分别突出在两端板11的外表面，并且所述电机组装完成后在齐平各端面41处分别联结一用于安装固定所述电机的法兰盘42。
所述电机作为电动机应用时，所述壳体10外表面加工有轴向的齿谷和齿峰，用于啮合从动齿轮驱动电动自行车或者微型汽车。所述齿轮结构在现有技术中应用广泛，这里不再赘述。
本实用新型所述电机组装方便且可靠性高，其输出功率是1片定子绕组盘夹在两片转子磁极盘之间、同轴组装为一体的单级电机的n倍，此处n＝1，2，3，...，11，12；所以只须设计制造单级的此类电机作为基础产品，然后根据使用需要确定输出功率，再确定级联数n＝2，3，或者是4，5，甚至更大值，即可组装出所需输出功率的无刷直流电机，节省了生成成本和管理成本。所述电机的转子磁极盘形成轴向磁场，相对现有技术电机的径向磁场有本质突破，其结构有利于缩小电机的轴向尺寸，提高电机的效率，可应用在微型风扇，电动自动车等产品上。
Claims (14)
1. 一种定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，包括用于输出或者输入机械功率的壳体(10)及其端板(11)，和用于安装固定的支承轴(40)，其特征在于：
还包括由n片定子绕组盘(45)和n+1片转子磁极盘(12、13)交错叠置穿于同一支承轴(40)上的定转子组件，其中所有定子绕组盘(45)均至少在圆周方向固定于支承轴(40)上而不允许转动，但所有转子磁极盘(12)均可以在支承轴(40)上转动却至少要在圆周方向固定于壳体(10)内圆柱面而不能相对于该壳体(10)转动，其中两转子磁极盘(13)分别同轴固定于两端板(11)内面并可以同该端板(11)一起在支承轴(40)上转动，而两端板(11)在所述电机组装完成后被固定于所述壳体(10)的两端部；所有各定子绕组盘(45)的引出导线均经支承轴(40)内的轴向通孔，或者支承轴(40)表面的轴向长槽引出至任一端板(11)之外，电子换向电路板就固定在该端板(11)外侧的支承轴(40)上或者合并设置在所述电机的控制器内；所有定子绕组盘(45)连同支承轴(40)一起构成所述电机的定子，所有各转子磁极盘(12、13)连同壳体(10)及其端板(11)一起构成所述电机的转子；所述n片定子绕组盘(45)和n+1片转子磁极盘(12、13)中的n＝1，2，3，...，11或12，任选其一。
2. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述定子绕组盘(45)的引出导线包括安装于该定子绕组盘(45)上的磁场极性传感器的引出导线。
3. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述转子磁极盘(12、13)是整片的高矫顽力硬磁材料，其中央部位有供支承轴(40)穿越的通孔；借助充磁机将该转子磁极盘(12、13)磁化为m块扇形磁化区，沿圆周方向N极和S极相间排列，与轴向相邻的转子磁极盘共同形成m对轴向磁场，此处m＝2，3，...，11或12。
4. 根据权利要求3所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述硬磁材料是稀土元素合金，包括钕铁硼合金，或者是锶铁氧体、钡铁氧体、铝镍钴合金。
5. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述壳体(10)是一段软磁材料的圆管，该圆管的外圆柱面上沿轴向对称地压有至少两处窄槽(15)，从而在该圆管的内壁相应地形成至少两条轴向凸起(16)；
所述各转子磁极盘(12、13)的外圆周上与壳体(10)内壁上的轴向凸起(16)相对应地设置有至少两处缺口(14)，用于在组装成所述电机时卡在所述轴向凸起(16)上，并且所有各转子磁极盘(12、13)上的各该两处缺口(14)相对于该转子磁极盘上磁化区的任一径向分隔带的偏离角θ都有同样值，从而使得所有各转子磁极盘(12、13)连同罩裹在它们外表面的壳体(10)都同步旋转。
6. 根据权利要求1或者5所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
如果n＝1，只有两片转子磁极盘(13)，那么该两片转子磁极盘(13)上的各两处缺口(14)相对于该磁极盘上磁化区的同一径向分隔带的偏离角θ应该互相相差10°～45°，即θ1-θ2＝10°～45°。
7. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述定子绕组盘(45)包括非磁性材料制成的框架(46)和该框架内的各线卷(47)，所述框架(46)及其内的各线卷(47)经注塑或者模压工艺成型为薄片圆饼，在该圆饼中央有孔(48)，用于将所述定子绕组盘(45)固定在所述支承轴(40)上。
8. 根据权利要求7所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述定子绕组盘(45)上的中央孔(48)之内圆周上有一处是以弦线(481)或者是以向中心的凸起(483)替代圆弧，用以固定所述定子绕组盘(45)在所述支承轴(40)上，使之不能相对转动；并且组装在所述支承轴(40)上的两相邻定子绕组盘(45)之中央孔(48)内圆周上的弦线(481)或者凸起(483)，相对于该定子绕组盘(45)上同一线卷(47)径向对称线之偏离角δ应该互相相差10°～45°，即δ1-δ2＝10°～45°。
9. 根据权利要求8所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述支承轴(40)之外圆柱面有一侧被加工形成轴向平面或沟槽，用于适配所述各定子绕组盘(45)之中央孔(48)，使各定子绕组盘(45)固定在支承轴(40)上不能相对转动。
10. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述各转子磁极盘(12、13)之中心孔紧配合有轴承(17)，所述支承轴(40)依次穿入所述各轴承(17)的内圈。
11. 根据权利要求10所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述轴承(17)是滚珠轴承，或者是含油滑动轴承，所述轴承(17)内圈的轴向厚度借助加入一平垫圈而略大于各转子磁极盘(12、13)的轴向厚度。
12. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述支承轴(40)的两端面(41)分别突出在两端板(11)的外表面，并且该两端面(41)中心有互相贯通的轴向长孔(44)，该轴向长孔(44)的两端头各有一段长度为l的外螺纹，可借助螺母安装固定所述电机。
13. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述支承轴(40)是一段无缝钢管，该支承轴(40)的两端面(41)分别突出在两端板(11)的外表面，并且所述电机组装完成后在齐平各端面(41)处分别联结一用于安装固定所述电机的法兰盘(42)。
14. 根据权利要求1所述的定转子交错叠置并且壳体旋转的直流电机，其特征在于：
所述壳体(10)外表面加工有轴向的齿谷和齿峰，用于啮合从动齿轮驱动电动自行车或者微型汽车。
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Granted publication date: 20080910 |
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| CX01 | Expiry of patent term |