CN102497078B - 永磁直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁直流电动机，其结构是在底座上固定有固定轴和圆筒状定子铁芯，在固定轴上转动连接有前挡板和后挡板，在前挡板与后挡板之间接有圆筒状转子内铁芯，在前挡板上接有圆筒状的转子外铁芯，转子内铁芯和转子外铁芯分置于定子铁芯的内、外侧；定子铁芯沿圆周分为4n段，在每段定子铁芯上绕接一个内层定子绕组和一个外层定子绕组，所有定子绕组分别组成A、B两组定子线圈，每组定子线圈中的相邻定子绕组的绕向相反；转子外铁芯上沿圆周均布有2n个转子外磁铁，在转子内铁芯上沿圆周均布有2n个转子内磁铁。本发明提高了电磁安培力的作用效果，消除了反向电动势，使得电机效率可达90%以上。

Description

永磁直流电动机

技术领域

本发明涉及一种电动机，具体地说是一种永磁直流电动机。

背景技术

单相电动机由单相电源供电，使用方便，广泛应用于家用电器、电动工具和医疗器械中。但由于电动机本身的结构原因，使得电动机的体积较大，效率较低——小功率电动机的效率一般在40%左右，中型电动机的效率一般在60%左右。

近年来，人们用永磁体制作的震荡启动单相永磁同步电动机，虽然其效率有所提高，但所采用的是U型铁芯，体积笨重，所以只能用在小功率电动机上。 

永磁直流电动机具有结构简单、体积小、重量轻、运行可靠等优点，广泛应用在电动工具、医疗器械和电动车辆上，但永磁直流电动机由于自身结构原因和换向器的损耗等，其效率也只能达到80%左右。永磁无刷直流电动机，只是用电子换向器取代了直流电动机的换向器，其效率也没有明显提高。

发明内容

本发明的目的就是提供一种永磁直流电动机，以消除电动机的反向电压，进一步提高电动机的工作效率。

本发明是这样实现的：一种永磁直流电动机，在底座上固定有固定轴和圆筒状的定子铁芯，在所述固定轴上转动连接有前挡板和后挡板，在所述前挡板与所述后挡板之间接有圆筒状转子内铁芯，在所述前挡板上接有圆筒状的转子外铁芯，所述转子内铁芯和所述转子外铁芯分置于所述定子铁芯的内、外侧；所述定子铁芯沿圆周分为4n（n为1、2、3……，下同）段，在每段定子铁芯上绕接一个内层定子绕组和一个匝数相同、绕向相反的外层定子绕组，各段上的所述定子绕组沿圆周按“内层－外层－内层”和“外层－内层－外层”的两种交错顺序分组连接成A、B两组定子线圈，每组定子线圈中的相邻定子绕组的绕向相反；在所述转子外铁芯上沿圆周均布有2n个转子外磁铁，在所述转子内铁芯上沿圆周均布有2n个与所述转子外磁铁按同极性相对方式设置的转子内磁铁。

所述A、B两组定子线圈的外接抽头分别通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

在所述底座上装有槽型光控开关，在所述转子外铁芯上均布有2n个遮光挡板，所述遮光挡板从所述槽型光控开关的槽口中通过；所述槽型光控开关接永磁体位置检测电路。

本发明永磁直流电动机的突出特点，就是将传统的单层绕制的单组定子线圈改变成为反向双层绕制、交叉配组、分别连接所组成的双定子线圈的新结构，这样，在定子铁芯上就可以形成两组结构相同的定子线圈，并且，在两组定子线圈中交替不间断地通入直流电流的情况下，尽管送入每组定子线圈中的是方向不变的断续的直流电流，但在定子铁芯上实际上形成的却是一个磁场大小不发生变化的旋转磁场，这个旋转磁场作用于转子铁芯上，传统的、在定子铁芯或转子铁芯中抵抗磁场大小波动变化的反向电动势（或称“反向电压”）也就不复存在了，所以，电动机外部的输入功率就几乎全部成为推动转子旋转做功的动力，而基本消除了在克服反向电动势上所耗用的动力，本发明电动机的工作效率也就因此而有了一个明显的提高，形成了一种可以消除反向电动势的高效永磁直流电动机。本发明的关键就在于此。

本发明还可以这样实现：一种永磁直流电动机，在固定轴上固定有轮式定子铁芯，转动连接在所述固定轴上的左转子铁芯和右转子铁芯分别位于所述定子铁芯的左、右两侧；所述定子铁芯沿圆周分为4n段，在每段定子铁芯上绕接一个内层定子绕组和一个匝数相同、绕向相反的外层定子绕组，各段上的所述定子绕组沿圆周按“内层－外层－内层”和“外层－内层－外层”的两种交错顺序分组连接成A、B两组定子线圈，每组定子线圈中的相邻定子绕组的绕向相反；在所述左转子铁芯上沿圆周均布有2n个转子左磁铁，在所述右转子铁芯上沿圆周均布有2n个与所述转子左磁铁按同极性相对方式设置的转子右磁铁。

所述A、B两组定子线圈的外接抽头分别从所述固定轴上的中心管孔中引出，通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

所述左转子铁芯和所述右转子铁芯组成轮壳结构。

在所述定子铁芯的轮沿上装有带槽口的槽型光控开关，在由所述左转子铁芯和所述右转子铁芯组成的轮壳结构中均布有2n个遮光挡板，所述遮光挡板从所述槽型光控开关的槽口中通过；所述槽型光控开关的电引线从所述固定轴上的中心管孔中引出，外接永磁体位置检测电路。

本发明还可以这样实现：一种永磁直流电动机，在圆筒状的定子铁芯上开有4n个（n为1、2、3……，下同）定子线槽，在固定于所述定子铁芯前、后端口上的前、后端盖上转动连接有电机轴，在所述电机轴上接有圆筒状转子内铁芯，在所述转子内铁芯上沿圆周均布有2n个转子内磁铁；在每个定子线槽中设置一个左侧定子绕组和一个匝数相同、绕向相反的右侧定子绕组，相邻定子线槽中的相邻的左侧定子绕组和右侧定子绕组串联连接且绕向相反，所有的所述左侧定子绕组与右侧定子绕组的串联组以相互间隔的分组方式分别并联连接成A、B两组定子线圈；所述A、B两组定子线圈的外接抽头分别通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

在电机机体上设有槽型光控开关，在所述电机轴或随电机轴同步转动的转动件上均布有2n个遮光挡板，所述遮光挡板从所述槽型光控开关的槽口中通过；所述槽型光控开关接永磁体位置检测电路。

本发明永磁直流电动机可以按普通电动机的死点处理方式进行定子线圈的布置处理，也可以采用图7所示的一半绕组整体偏转一个θ角的处理方式，以解决电动机的死点问题，顺利实现自启动。

本发明永磁直流电动机的优点在于：

1、电机效率高，由于无反向电压，所以输入功率不用克服反向电动势，几乎可全部作为输出功率，电机效率可达90%以上；

2、过负荷能力强，即使电机转子到达堵转的情况，定子线圈中的电流也不会随之增加，因而，电机寿命高；

3、电机启动电流与工作电流基本相同，所以启动力矩与正常工作时的转矩相同；

4、能自启动。

本发明通过在定子铁芯上绕制反向双层定子绕组，并交错分组连接成A、B双定子线圈结构；在所设置的双层或单层转子铁芯上均布永磁体，共同作用于双定子线圈，由此既消除了定子铁芯中的反向电动势，又可使电磁安培力的作用效果增强，电机效率明显提高。经实验测试，本发明永磁直流电动机的电机效率可达90%以上，最高可达95%。

附图说明

图1、图2是本发明第一实施例的结构示意图。

图3是线圈电流通断控制电路和永磁体位置检测电路的电路原理图。

图4、图5是本发明第二实施例的结构示意图。

图6、图7是本发明第三实施例的结构示意图。

图中：1、底座，2、转子外铁芯，3、转子外磁铁，4、定子线圈，5、定子铁芯，6、转子内磁铁，7、转子内铁芯，8、固定轴，9、轴承，10、后挡板，12、前挡板，13、遮光挡板，14、槽型光控开关，15、定子线槽，16、电机轴，17、前端盖，18、后端盖，19、外罩盖，20、风扇，22、转子左铁芯，23、转子左磁铁，26、转子右磁铁，27、转子右铁芯。

具体实施方式

实施例1：

如图1、图2所示，在盘状的底座1上固定一个圆筒形的定子铁芯5，定子铁芯可用0.3—0.5mm厚的硅钢片冲制叠压而成，以利于提高定子绕组的磁化作用。在底座1的中心部位装有固定轴8，在固定轴8上通过两个轴承9分别转动连接有圆盘状的前挡板12和后挡板10。前挡板12的直径大于定子铁芯5的直径，后挡板10的直径小于定子铁芯5的直径。

图1中，在前挡板12的板面上与后挡板10的边缘之间通过螺钉固定一个圆筒状的转子内铁芯7，转子内铁芯7位于定子铁芯5的内侧；在前挡板12的边缘上通过螺钉固定一个圆筒状的转子外铁芯2，转子外铁芯2位于定子铁芯5的外侧。

转子外铁芯2和转子内铁芯7沿圆周分为4n段（n可以是1、2、3……），在转子外铁芯2的内侧沿上沿圆周开有2n个嵌槽（每个嵌槽的宽度与两槽之间的宽度基本相等），每个嵌槽中设置一个转子外磁铁3。在转子内铁芯7的外侧沿上沿圆周开有2n个嵌槽（每个嵌槽的宽度与两槽之间的宽度相等），每个嵌槽中设置一个转子内磁铁6。转子外磁铁3与转子内磁铁6按同极性相对的方式设置在电机上的同一扇区中（图2）。

根据电动机输出功率的大小以及转速的高低不同，转子上的永磁体可制成2极、4极、6极或8极等形式。

同样，定子铁芯5也是沿圆周分成4n段，在每段定子铁芯5上绕接一个正向的内层定子绕组和一个反向的外层定子绕组（绕组正反向反之也可），外层定子绕组与内层定子绕组的匝数相同而绕向相反。绕组与绕组之间以及绕组与定子铁芯5之间加以常规的绝缘处理。各段上的所述定子绕组沿圆周按“内层－外层－内层”和“外层－内层－外层”的两种交错顺序分组连接成A、B两组定子线圈4，即A、B两组定子线圈都包括有定子铁芯5每段中的其中一个绕组。由于定子铁芯上有偶数个绕组段位，因此可以分别形成两个闭合而规则的“外—内—外”或“内—外—内”的绕组组合形式。而且，由于内层定子绕组均为正向绕组，外层定子绕组均为反向绕组，所以每组定子线圈4中的相邻定子绕组也就均为绕向相反的绕组结构。另外，A、B两组定子线圈4中的定子绕组的连接是采用相同的电连接方式，即采用绕组全部串联、绕组全部并联、或者两个相邻的绕组串联后再统一并联等多种电连接方式。

A、B两组定子线圈4的四个外接抽头（a、b、c、d）分别通过转向控制开关K接线圈电流通断控制电路（图3）。转向控制开关K由四组双向拨动开关组成，以实现两组定子线圈一通一断、一断一通的交替不间断通电模式。

图1中，在底座1上装有一个带槽口的槽型光控开关14，在转子外铁芯2上均布有2n个遮光挡板13，遮光挡板13从所述槽型光控开关14的槽口中通过；槽型光控开关14外接永磁体位置检测电路。

图3中给出了控制本发明电动机的线圈电流通断控制电路和永磁体位置检测电路的一种具体电路原理图。

本发明的工作原理是：当线圈通断控制电路接通电源后，永磁体位置检测电路将检测到的信号送入线圈通断控制电路，如果此时转子外铁芯2上的某块遮光挡板13正好位于槽型光控开关14的槽口内，则槽型光控开关14即输出高电位，该电压信号经非门电路IC2（CD4069）变换成低电位信号，一路接至开关管V2，使开关管V2截止；另一路经第二个非门转换成高电位信号，接至开关管V1，使开关管V1导通，则A组定子线圈得电。由安培定律可知，永磁体带动转子内、外铁芯在安培力的作用下，将沿顺时针方向旋转。当转子内磁铁6和转子外磁铁3与通电定子线圈产生的安培力消失时，槽型光控开关14槽口中的遮光挡板13此时也转出槽口，槽型光控开关14此时即输出低电位，经永磁体位置检测电路，使开关管V1截止、开关管V2导通，则B组定子线圈得电，使转子内、外铁芯上的永磁体在B组定子线圈的作用下，继续顺时针旋转下去。以此推之，转子内磁铁6和转子外磁铁3在两个定子线圈的交替安培力的推动下，即可连续地沿着顺时针方向转动起来。

如果要求转子逆时针方向旋转，则通过反向控制定子线圈的电流通断顺序，即可实现电动机的反向旋转。

本发明电动机中的定子线圈具有双重作用，一是通电工作后使定子铁芯产生一个与转子永磁体相垂直的定值磁场，二是产生安培力推动转子永磁体旋转，向外输出动力。

实施例2：

如图4、图5所示，在固定轴8的中部固定有轮式定子铁芯5，左转子铁芯22和右转子铁芯27分别通过轴承9转动连接在固定轴8上，并位于定子铁芯5的左、右两侧。定子铁芯5沿圆周分为4n段（n可以是1、2、3……），在每段定子铁芯5上绕接一个内层定子绕组和一个外层定子绕组，内层定子绕组可以设定成为反向绕组，外层定子绕组设为正向绕组，内层定子绕组和外层定子绕组的匝数相同但绕向相反。定子铁芯5各段上的所述定子绕组沿圆周按“内层－外层－内层”和“外层－内层－外层”的两种交错顺序分组连接成A、B两组定子线圈4，每组定子线圈4中的相邻定子绕组的绕向相反。在左转子铁芯22上沿圆周均布有2n个转子左磁铁23；在右转子铁芯27上沿圆周均布有2n个转子右磁铁26，转子右磁铁26与转子左磁铁23的设置位置相对且磁铁相对面的极性相同。

左转子铁芯22和右转子铁芯27组成轮壳结构，由此即可形成一种轮式驱动电机，以便于在车辆的轮轴上安装使用。

A、B两组定子线圈4的共计四个外接抽头分别从固定轴8上的中心管孔中引出，通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

在定子铁芯5的轮沿中心线上装有一个带槽口的槽型光控开关14，在由左转子铁芯22和右转子铁芯27组成的轮壳结构的对接缝隙中均布有2n个遮光挡板13，遮光挡板13从槽型光控开关14的槽口中通过。槽型光控开关14的三根电引线穿过定子铁芯5，从固定轴8上的中心管孔中引出，外接到永磁体位置检测电路上。

本发明也可在固定轴8的一端固定连接一个底座1，以形成安装固定电机的支撑座。

实施例3：

本实施例是在传统电机结构基础上所做的改进。

如图6、图7所示，在圆筒状的定子铁芯5上开有4n个（图中为12个）定子线槽15，在每个定子线槽15中并列设置两个定子绕组：一个是左侧定子绕组，一个是右侧定子绕组。左侧定子绕组与右侧定子绕组采用常规方式进行绝缘，二者的匝数相同，但绕向相反。如果左侧定子绕组均为正向绕组的话，则右侧定子绕组就均为反向绕组。相邻两个定子线槽中的相邻的两个绕组（一个是左侧定子绕组，另一个是右侧定子绕组）串联连接后有两个绕组抽头引出；在定子铁芯上所有的由左侧定子绕组与右侧定子绕组串联构成的串联组，以沿圆周相互间隔的分组方式组合成A、B两组定子线圈4，每组定子线圈中的绕组串联组并联连接。这A、B两组定子线圈4的四个外接抽头分别连接到转向控制开关，并通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

在固定于定子铁芯5的前、后端口上的前端盖17和后端盖18上转动连接有电机轴16，在电机轴16上接有圆筒状转子内铁芯7，在转子内铁芯7上沿圆周开有2n个（6个）嵌槽，每个嵌槽中嵌接一个转子内磁铁6，所有转子内磁铁6在转子上的外露表面均为N极（也可都是S极）。

槽型光控开关14设置在电机的外罩盖19中，在电机轴16上或是在与电机轴相接并同步转动的风扇20上均布有2n个（与转子内磁铁的个数相同）遮光挡板13，遮光挡板13从槽型光控开关14的槽口中通过。槽型光控开关14与永磁体位置检测电路电连接。

Claims (9)

1.一种永磁直流电动机，其特征是，在底座（1）上固定有固定轴（8）和圆筒状的定子铁芯（5），在所述固定轴（8）上转动连接有前挡板（12）和后挡板（10），在所述前挡板与所述后挡板之间接有圆筒状转子内铁芯（7），在所述前挡板上接有圆筒状的转子外铁芯（2），所述转子内铁芯（7）和所述转子外铁芯（2）分置于所述定子铁芯（5）的内、外侧；所述定子铁芯（5）沿圆周分为4n段，在每段定子铁芯（5）上绕接一个内层定子绕组和一个匝数相同、绕向相反的外层定子绕组，各段上的所述定子绕组沿圆周按“内层－外层－内层”和“外层－内层－外层”的两种交错顺序分组连接成A、B两组定子线圈（4），每组定子线圈（4）中的相邻定子绕组的绕向相反；在所述转子外铁芯（2）上沿圆周均布有2n个转子外磁铁（3），在所述转子内铁芯（7）上沿圆周均布有2n个与所述转子外磁铁（3）按同极性相对方式设置的转子内磁铁（6）。

2.根据权利要求1所述的永磁直流电动机，其特征是，所述A、B两组定子线圈（4）的外接抽头分别通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

3.根据权利要求1所述的永磁直流电动机，其特征是，在所述底座（1）上装有槽型光控开关（14），在所述转子外铁芯（2）上均布有2n个遮光挡板（13），所述遮光挡板（13）从所述槽型光控开关（14）的槽口中通过；所述槽型光控开关（14）接永磁体位置检测电路。

4.一种永磁直流电动机，其特征是，在固定轴（8）上固定有轮式定子铁芯（5），转动连接在所述固定轴（8）上的左转子铁芯（22）和右转子铁芯（27）分别位于所述定子铁芯（5）的左、右两侧；所述定子铁芯（5）沿圆周分为4n段，在每段定子铁芯（5）上绕接一个内层定子绕组和一个匝数相同、绕向相反的外层定子绕组，各段上的所述定子绕组沿圆周按“内层－外层－内层”和“外层－内层－外层”的两种交错顺序分组连接成A、B两组定子线圈（4），每组定子线圈（4）中的相邻定子绕组的绕向相反；在所述左转子铁芯（22）上沿圆周均布有2n个转子左磁铁（23），在所述右转子铁芯（27）上沿圆周均布有2n个与所述转子左磁铁（23）按同极性相对方式设置的转子右磁铁（26）。

5.根据权利要求4所述的永磁直流电动机，其特征是，所述A、B两组定子线圈（4）的外接抽头分别从所述固定轴（8）上的中心管孔中引出，通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

6.根据权利要求4所述的永磁直流电动机，其特征是，所述左转子铁芯（22）和所述右转子铁芯（27）组成轮壳结构。

7.根据权利要求6所述的永磁直流电动机，其特征是，在所述定子铁芯（5）的轮沿上装有带槽口的槽型光控开关（14），在由所述左转子铁芯（22）和所述右转子铁芯（27）组成的轮壳结构中均布有2n个遮光挡板（13），所述遮光挡板（13）从所述槽型光控开关（14）的槽口中通过；所述槽型光控开关（14）的电引线从所述固定轴（8）上的中心管孔中引出，外接永磁体位置检测电路。

8.一种永磁直流电动机，其特征是，在圆筒状的定子铁芯（5）上开有4n个定子线槽（15），在固定于所述定子铁芯前、后端口上的前、后端盖上转动连接有电机轴（16），在所述电机轴（16）上接有圆筒状转子内铁芯（7），在所述转子内铁芯（7）上沿圆周均布有2n个转子内磁铁（6）；在每个定子线槽（15）中设置一个左侧定子绕组和一个匝数相同、绕向相反的右侧定子绕组，相邻定子线槽中的相邻的左侧定子绕组和右侧定子绕组串联连接且绕向相反，所有的所述左侧定子绕组与右侧定子绕组的串联组以相互间隔的分组方式分别并联连接成A、B两组定子线圈（4）；所述A、B两组定子线圈（4）的外接抽头分别通过转向控制开关接线圈电流通断控制电路。

9.根据权利要求8所述的永磁直流电动机，其特征是，在电机机体上设有槽型光控开关（14），在所述电机轴（16）或随电机轴同步转动的转动件上均布有2n个遮光挡板（13），所述遮光挡板（13）从所述槽型光控开关（14）的槽口中通过；所述槽型光控开关（14）接永磁体位置检测电路。

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