CN100474738C - 一种圆盘型双转子单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单转向直流无刷电动机，包括机座、端盖、定子、转子和输出轴，定子包括左、右定子铁芯、永磁定子体和定子绕组；左、右定子铁芯、永磁定子体和转子均为圆盘型，其中转子为二个，至少其内侧面均为磁极相同的永磁体，且内侧面相对应竖直设置在机座内；永磁定子体至少二个外侧面为与转子磁极极性相反的永磁体，通过介子呈间隙竖直设置在左、右定子铁芯之间且与其固定为一整体，定子绕组呈扇形均匀绕制在左、右定子铁芯和永磁定子体组成的整体上；整个定子竖直固定在两个转子之间；输出轴穿过整个定子且与两个转子紧固连接，其一端伸出端盖外。本发明无需换向装置，结构简单合理，能够提供单一转轴输出，负载能力强。

Description

一种圆盘型双转子单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、能够提供单一转轴输出、负载能力强的圆盘型双转子单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单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；所述定子铁芯、转子均为圆盘型，其中转子为二个，两个转子分别竖直且相对地设置在机座内，它们的内侧面相对应，二个转子至少是它们的内侧面均为磁极相同的永磁体；所述定子还包括圆盘型的永磁定子体，该永磁定子体的至少二个外侧面为与转子内侧面磁极极性相反的永磁体；所述定子铁芯由独立的左定子铁芯和右定子铁芯组成，永磁定子体通过介子竖直设置在左定子铁芯和右定子铁芯之间且与其固定为一整体，永磁定子体与左、右定子铁芯相互间隔开；所述定子绕组呈扇形均匀绕制在左、右定子铁芯和永磁定子体组成的整体上而构成整个定子，同一外侧面的绕组线圈电流方向一致，左、右定子铁芯的外侧面绕组线圈电流方向相反；所述整个定子竖直固定在两个转子之间，左、右定子铁芯的外侧面分别与两个转子的内侧面相对应；所述输出轴穿过整个定子且与两个转子紧固连接，其一端伸出端盖外。

本发明的定子固定在两个转子之间，两个转子和中间的永磁定子体构成左右两个工作磁路。磁力线从其中的N极穿过左或右定子铁芯到达S极，绕组线圈与磁力线相互垂直，两个磁路的磁力线方向相反。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(流向定子圆心或由圆心流向外圆)，但左、右定子铁芯的外侧面绕组线圈电流方向相反。在左工作磁路中，根据左手定则，在左定子铁芯侧面沿圆周方向呈扇形分布的定子槽内导体受到电磁力的作用，从而形成单方向的电磁转矩。由于左定子铁芯和永磁定子体固定不动，因此左边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。同理，在右工作磁路中，右边的转子获得与左边的转子相同方向的转矩而实现同轴同方向的旋转，在两个转子的带动下转轴实现单转向的输出。如需要反向运行，只需改变电源正负极即可。本发明无需换向装置便可实现电机的连续运转，简化了结构、节省了成本。此外，转子为圆盘型，半径长所受到的电磁力作用在转子侧圆面半径上，力矩较长，转矩大；同时，工作磁路是一个均匀磁场，左右定子线圈呈扇形排列，而且所有定子线圈的平面与磁力线相平行，定子线圈边始终均匀垂直切割磁力线，磁力线始终从定子线圈平面旁边的扇形铁芯凸齿穿过，定子线圈内很少有磁力线通过或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。

为避免转子以及永磁定子体与机座和端盖之间的磁力作用，本发明所述两个转子仅在内侧面具有相同的磁极；所述永磁定子体仅在外侧面具有相同的磁极。

为实现定子线圈所具有的电流方向，本发明可采取如下具体措施：所述左、右定子铁芯在外侧面沿圆周方向均由定子凸齿和定子槽呈扇形交替间隔构成；所述定子槽上设置有内层槽孔和中层槽孔；左定子铁芯的定子凸齿上还设有内层引线槽和且均呈环形排列布置；所述永磁定子体上也具有与左、右定子铁芯对应的内层槽孔和中层槽孔；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——左定子铁芯的定子槽——内层引线槽——穿过相邻内层槽孔——右定子铁芯的定子槽——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——左定子铁芯的定子槽——中层引线槽——穿过相邻中层槽孔——右定子铁芯的定子槽——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。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，本发明所述左、右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；所述永磁定子体通过螺栓与左、右定子铁芯紧固在一起；左、右定子铁芯和永磁定子体的中部均设有中心圆孔；所述输出轴穿过中心圆孔，其中一个转子固定在输出轴上，另一个转子通过销键、卡圈和固定螺帽与输出轴紧固连接，另一个转子的外侧面上还设有装卸拉环，以方便该转子的装卸；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。

本发明所述两个转子内侧面的中部与内层槽孔组成的内圆对应的区域、以及永磁定子体外侧面的中部与内层槽孔组成的内圆对应的区域，均由无磁性的材料制成。，也即永磁定子体的外侧面磁体半径相对应地与转子内侧面的磁体半径等长，这样能够避免磁力对定子铁芯的影响。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明无需换向装置，简单通上直流电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，运行可靠，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。此外，两个转子同方向旋转，负载能力更强。

(3)电机定子线圈基本上不会感应出反电动势，因此运行时电源端电压不用抵消反电动势，起动电流基本上与运行电流相等。与传统直流电动机相比，在相同的运行电流下，本发明的电源电压只需传统直流电动机电源电压的几份之一(起动电流数倍于运行电流)，节省了大量电能。

(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。

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的C-C剖视图；

图5是图1的D-D剖视图；

图6是图1所示实施例左定子铁芯外侧面的结构示意图；

图7是图1所示实施例右定子铁芯外侧面的结构示意图；

图8是图1所示实施例定子绕组在左定子铁芯外侧面上的绕制示意图；

图9是图1所示实施例定子绕组在右定子铁芯外侧面上的绕制示意图；

图10是图1所示实施例左、右定子铁芯与永磁定子体的装配示意图(附线圈电流方向)；

图11是图1所示实施例整个定子的结构示意图(附线圈电流方向)；

图12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、4，无磁区域S，输出轴5，左定子铁芯6a，右定子铁芯6b，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，S极永磁定子体10，装卸拉环11，轴承12，固定螺丝13，轴承套14，轴承端盖15，介子16，销键17，卡圈18，固定螺帽19，螺栓20

具体实施方式

图1～图12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，定子包括左定子铁芯6a、右定子铁芯6b、永磁定子体10和定子绕组。如图1所示，端盖2设置在机座1的两端，左定子铁芯6a、右定子铁芯6b、永磁定子体10和转子3、4均为圆盘型(见图2、图3、图4和图5)，其中转子为二个永磁体且均为N极(或S极)转子。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为N极(或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。永磁定子体10在外侧面为S极(或N极)，通过介子16呈间隙且竖直设置在左定子铁芯6a和右定子铁芯6b之间，并通过螺栓20与其固定为一整体，然后竖直固定在两个转子3、4之间，左、右定子铁芯的外侧面分别与两个转子的内侧面相对应。左、右定子铁芯6a、6b的结构相同，如图1和图2所示，左、右定子铁芯6a、6b的外边沿均布有4个卡槽61及若干螺丝安装孔，其中部以及永磁定子体10的中部均设有中心圆孔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，使得左、右定子铁芯6a、6b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，输出轴5穿过中心圆孔62，转子4固定在输出轴5上，转子3通过销键17(见图1和图3)、卡圈18和固定螺帽19与输出轴5紧固连接。转子3的外侧面上还设有两个装卸拉环，以方便转子3的装卸。转子3、4的内侧面以及永磁定子体10外侧面的中部与由内层槽孔组成的内圆相对应的区域，均由无磁性的材料制成，即为无磁区域S，也即永磁定子体的外侧面磁体半径相对应地与转子内侧面的磁体半径等长，这样能够避免磁力对定子铁芯的影响。输出轴5的一端伸出端盖之外，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3、4和输出轴5可以支承安装在端盖2上并做旋转运动。

如图6、图7、图10和图11所示，左、右定子铁芯6a、6b在外侧面沿圆周方向均由定子凸齿63和定子槽64呈扇形交替间隔构成，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；如图6所示，左定子铁芯6a的定子凸齿63上还设有内层引线槽67和中层引线槽68，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；永磁定子体10上也具有与左、右定子铁芯6a、6b对应的内层槽孔65和中层槽孔66(见图5)；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。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，在左定子铁芯6a的每条定子凸齿上沿半径方向设置多个中层引线槽。

如图8和图9所示，定子绕组由二条导线绕制形成两个单独的绕组。其中一条导线从左定子铁芯6a的外侧面开始，依“定子槽外边沿——左定子铁芯6a的定子槽64——内层引线槽67——穿过相邻内层槽孔65——右定子铁芯6b的定子槽64——定子槽外边沿”顺序循环均匀绕制，至右定子铁芯6b的外侧面结束而构成长绕组7。另一条导线从左定子铁芯6a的外侧面开始，依“定子槽外边沿——左定子铁芯6a的定子槽64——中层引线槽68——穿过相邻中层槽孔66——右定子铁芯6b的定子槽64——定子槽外边沿”顺序循环绕制均匀绕制，至右定子铁芯6b的外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12所示，两个转子3、4和中间的永磁定子体10构成左、右两个工作磁路。左工作磁路为：磁力线从左N极转子3—气隙—左定子扇形凸齿—气隙—左永磁定子S极。右工作磁路为：磁力线从右N极转子4——气隙——右定子扇形凸齿——气隙——右永磁定子S极。长绕组7和短绕组8呈扇形均匀绕制在左、右定子铁芯的定子槽内，左、右侧面定子槽内的线圈有效工作边分别与左右工作磁路的磁力线相互垂直，当长绕组线头71和短绕组线头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8、图9、图11所示左侧面定子槽内线圈边的电流方向I由外圆边流向内圆边，右侧面定子槽的线圈边电流方向与左侧面定子槽线圈边的电流方向相反，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，在左工作磁路中，在左侧面定子槽内，其上半部导体和下半部导体分别同图12的ab边和a’b’边所示，根据左手定则，在左侧面定子槽内的上半部导体ab边和下半部导体a’b’边分别受到电磁力F1和电磁力F2的作用，F1和F2大小相等，方向相反且处于同一平面上，从而形成转矩。由于左定子铁芯6a和永磁定子体固定不动，因此与之相对应的转子3便受到其反作用力的作用并形成转矩，实现n方向的连续旋转。同理，在右工作磁路中，在右侧面定子槽内，其上半部和下半部导体分别同图12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，由于右定子铁芯6b、永磁定子体10固定不动，与之相对应的转子4便获得反向作用力，这个反向作用力与转子3的旋转方向相同，因此两个转子3、4实现同轴同方向的连续旋转。如果需要反向运行，将电源正负极反接即可。本实施例的运行特点在于；所有左、右侧面定子槽内线圈边每分每秒都受到电磁力的作用，而且都能形成同一旋转方向的转矩。

Claims (6)

1、一种圆盘型双转子单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和定子绕组；其特征在于：所述定子铁芯、转子(3、4)均为圆盘型，其中转子为二个，两个转子(3、4)分别竖直且相对地设置在机座(1)内，它们的内侧面相对应，二个转子(3、4)至少是它们的内侧面均为磁极相同的永磁体；所述定子还包括圆盘型的永磁定子体(10)，该永磁定子体(10)的至少二个外侧面为与转子内侧面磁极极性相反的永磁体；所述定子铁芯由独立的左定子铁芯(6a)和右定子铁芯(6b)组成，永磁定子体(10)通过介子竖直设置在左定子铁芯(6a)和右定子铁芯(6b)之间且与其固定为一整体，永磁定子体(10)与左、右定子铁芯(6a、6b)相互间隔开；所述定子绕组(7、8)呈扇形均匀绕制在左、右定子铁芯(6a、6b)和永磁定子体(10)组成的整体上而构成整个定子，同一外侧面的绕组线圈电流方向一致，左、右定子铁芯(6a、6b)的外侧面绕组线圈电流方向相反；所述整个定子竖直固定在两个转子之间，左、右定子铁芯(6a、6b)的外侧面分别与两个转子的内侧面相对应；所述输出轴(5)穿过整个定子且与两个转子(3、4)紧固连接，其一端伸出端盖(2)外。

2、根据权利要求1所述的圆盘型双转子单转向直流无刷电动机，其特征在于：所述两个转子仅在内侧面具有相同的磁极；所述永磁定子体(10)仅在外侧面具有相同的磁极。

3、根据权利要求1所述的圆盘型双转子单转向直流无刷电动机，其特征在于：所述左、右定子铁芯(6a、6b)在外侧面沿圆周方向均由定子凸齿(63)和定子槽(64)呈扇形交替间隔构成；所述定子槽(64)上设置有内层槽孔(65)和中层槽孔(66)；左定子铁芯(6a)的定子凸齿上还设有内层引线槽(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；所述永磁定子体(10)上也具有与左、右定子铁芯(6a、6b)对应的内层槽孔(65)和中层槽孔(66)；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单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——左定子铁芯(6a)的定子槽(64)——内层引线槽(67)——穿过相邻内层槽孔(65)——右定子铁芯(6b)的定子槽(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——左定子铁芯(6a)的定子槽(64)——中层引线槽(68)——穿过相邻中层槽孔(66)——右定子铁芯(6b)的定子槽(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。

5、根据权利要求1所述的圆盘型双转子单转向直流无刷电动机，其特征在于：所述左、右定子铁芯(6a、6b)在外边沿通过凹凸槽结构及固定螺丝与机座(1)固定连接；所述永磁定子体(10)通过螺栓与左、右定子铁芯(6a、6b)紧固在一起；左、右定子铁芯(6a、6b)和永磁定子体(10)的中部均设有中心圆孔(62)；所述输出轴(5)穿过中心圆孔(62)，其中一个转子(4)固定在输出轴(5)上，另一个转子(3)通过销键(17)、卡圈(18)和固定螺帽(19)与输出轴(5)紧固连接，另一个转子(3)的外侧面上还设有装卸拉环(11)；所述输出轴(5)与端盖(2)之间设有轴承(12)。

6、根据权利要求1所述的圆盘型双转子单转向直流无刷电动机，其特征在于：所述两个转子(3、4)内侧面的中部与内层槽孔(65)组成的内圆对应的区域、以及永磁定子体(10)外侧面的中部与内层槽孔(65)组成的内圆对应的区域，均由无磁性的材料制成。

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