CN102723837A

CN102723837A - 电控磁动机

Info

Publication number: CN102723837A
Application number: CN2012101587199A
Authority: CN
Inventors: 安明武
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2012-10-10

Abstract

电控磁动机属永磁能开发领域，本发明主要由机壳、前后端盖、主轴、磁力信号盘、霍尔开关驱动器、定子和转子等组成，定子由定子外圈、定子内圈及其中间的线圈组成，电磁极铁芯穿过定子内圈和线圈与定子外圈栓接；定子永磁极粘贴在定子内圈上电磁极之间，并对线圈起到屏蔽作用，转子磁极镶嵌在转子的的极槽之中；转子与主轴键接；磁力信号盘固定在主轴的前端；前端盖上装有霍尔传感器，本发明四相线圈轮流通电，通电电磁极与左右两边定子永磁极形成组合磁极，占定子磁极总数的三分之一，单个永磁极占三分之二，共同作用于转子磁极，驱动转子旋转，从而以较少的电能消耗使永磁能得到有效转换。

Description

电控磁动机

技术领域

本发明属永磁能开发领域，具体涉及永磁能利用的电控磁动机。

背景技术

石油、煤炭等化石矿物燃料，提供了世界91％的一次商品能源，其中煤炭占28％，石油占40％，然而地球上矿物燃料的储量是有限的，由于人类无限制的开采，正快速走向枯竭，据统计，人类每年要燃烧掉40亿吨煤和25亿吨石油，并以每年3％的速度增长。照此下去，科学家们估计，地球上的煤还可维持二三百年，而石油就只有五六十年的用量了，而且过度的开发和不加限制的消耗这些化石能源，还带来了极其严重的负面作用，如诱发全球性温室效应，干旱、洪灾、酸雨等一系列问题，极大的污染了人类赖以生存的环境，因此，寻找新型替代能源，解决未来世界能源问题已成为人类社会面临的头等大事。

当前，人类把替代化石能源的希望寄托在发展太阳能、核能和氢能，并以风能、生物能、海洋能等其它新能源作为局部补充，但人们忽视了一个更好的、潜在的、巨大的和高密度的能源，那就是永磁能，虽然人们认识到了永磁铁之间存在着强大的势能，并在永磁电机上得到很好的运用，但是，把永磁能作为新能源加以研究和开发利用，在世界范围内还没引起足够重视。全世界钕铁硼年产量可达15万吨，铁氧体年产量100万吨以上，制作铁氧体的矿产原料储量丰富，可以满足永磁能转换设备的需求，永磁铁可以反复充磁使用，因此，永磁能具备了替代庞大化石能源的首要条件，当前的主要课题是找出利用永磁能的方法和科学的设计方案。

人们熟知的两块永磁体之间的作用方式主要有两种，一种是对面相吸或相斥，另一种是侧面相吸或相斥，相吸的最终状态是两块永磁体的中心重合为止，电磁开关运用的是对面相吸的方式，电机的定子磁极是利用侧面相吸和相斥的方式驱动转子磁极。2008年，本发明人发现了两块永磁体的第三种作用方式，如图9、图10所示：将矩形磁块固定，使N极面向外露出，将方形磁块的N极和S极共有面垂直放在矩形磁块的左端图9所示的位置上，使方形磁块的中心线与矩形磁块的左边重合，S极在左，N极在右，方形磁块便会从矩形磁块左端迅速滑向右端图10所示的位置停下，方形磁块的中心线与矩形磁块的右端重合，如果使方形磁块N极在左，S极在右，从矩形磁块右端垂直放入，便会迅速的滑向左端停下。这个力的大小与侧面引力大小相仿，具有一定的利用价值，永磁体之间这种新的作用特点和运动规律证明：一个永磁体的双极面与另一个永磁体的主极面之间所产生的磁场是开放性磁场，不受气隙的限制，径向拉力的干扰大幅度减小，力矩的方向与磁铁的表面平行，矩形磁块越短，作用力越大，当矩形磁块的长度等于方形磁块的宽度时，作用力达到最大值，但在具体应用过程中，矩形磁块的长度与方形磁块宽度的比以2∶1为适宜，可以利用它在以电能为主的传统电机基础上，进行以永磁能为主的磁动机研究，实现以少量电能的消耗开发永磁能的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用电能开发永磁能的电控磁动机。

本发明由机壳1、前端盖2、转子3、主轴4、磁力信号盘5、霍尔I 6、定子外圈7、电磁极8、螺栓I 9、线圈10、螺栓II 11、转子磁极12、轴承13、后端盖14、定子永磁极15和定子内圈16等主要部件组成。其中电磁极8的铁芯部分穿过定子内圈16和线圈10并通过螺栓I 9与定子外圈7栓接；定子永磁极15粘贴在定子内圈16上电磁极8之间，电磁极8和定子永磁极15磁极表面在一个等周线上；转子磁极12镶嵌在转子3的的极槽之中；转子3与主轴4键接；磁力信号盘5固定在主轴4的前端；通过前端盖2和后端盖14之内轴承13的支撑，将转子3架于机壳1内的定子之中，前端盖2和后端盖14与机壳1栓接，转子磁极12与定子永磁极15的间隙在1mm-2mm之间，前端盖2上装有霍尔I 6、霍尔II 20、霍尔III21、霍尔IV22，扫描点分别对准A、B、C、D四相线圈中电磁极8的中分线所在的半径。

本发明定子线圈10的相数为A、B、C、D四相，线圈10的个数与相数是倍数关系，依A、B、C、D次序相间排列，所有线圈10通电后的电流方向都相同，且不需要换向，电磁极8全部为同性磁极，定子永磁极15为径向磁通，极性与电磁极8极性相同，定子永磁极15极面的弧长至少是电磁极8极面弧长的2倍。

转子磁极12为接近于矩形的梯形结构，镶嵌到转子3上表现为切向磁通，与定子永磁极15的磁通方向垂直，所有的转子磁极12磁场方向相同，转子磁极12的个数与定子磁极15的个数比为3∶4，转子磁极12表面弧长等于或略大于电磁极8的弧长。

磁力信号盘5上按圆周排列着扇形永磁体，N极和S极相间排列，N极的弧长等于或大于S极弧长的3倍，N极或S极的个数等于转子磁极12的个数，S极17的中分线与转子磁极12的中分线重合在一个半径平面上。

霍尔I 6为A相线圈接收转子磁极12的位置信号；霍尔II 20为B相线圈接收转子磁极12的位置信号；霍尔III21为C相线圈接收转子磁极12的位置信号；霍尔IV22为B相线圈接收转子磁极12的位置信号。根据霍尔传感器所接收不同的位置信号，霍尔开关驱动器准确控制每相定子线圈电流的通与断，使A、B、C、D四相线圈之中始终有一相为通电状态，其它三相处于断电状态，通电电磁极8与左右相邻的两个定子永磁极15组成暂时性的组合磁极，其余的定子永磁极15为单体磁极。

如图5所示：电源的正极开关e1、e2、e3、e4分别与A、B、C、D四相线圈的正极接线连接，电源的负极直接与A、B、C、D四相线圈的负极并联，霍尔I 6通过控制电子开关e1 的开闭进而控制A相线圈电流的通断；霍尔II 20通过控制电子开关e2进而控制B相线圈电流的通断；霍尔III21通过控制电子开关e3进而控制C相线圈电流的通断；霍尔IV22通过控制电子开关e4进而控制D相线圈电流的通断。

本发明的工作原理：

如图8所示，本发明通电后，四个霍尔当中总会有一个霍尔扫描到磁力信号盘5上S极17的信号，因此A、B、C、D四相线圈中总有一相处于接通状态，通电的电磁极8下面总会有转子磁极12与其形成的组合磁极发生作用，而其后面处在关闭状态的三个电磁极8之间的两个定子永磁极15作为单体磁极与转子磁极12产生较大的力矩作用，驱动转子旋转。

如图6所示，当转子磁极12逆时针旋转进入A相电磁极的中间位置时，霍尔I 6接收S极17的磁场信号，开关e1打开，A相电磁极与左右两侧永磁极15组成组合磁极，其它三个霍尔接收的是N极18的磁场信号，开关e2、e3和e4关闭，B、C、D三相处于停断状态，处于停断状态电磁极中间的永磁极15成为单体磁极，定子磁场有三分之一是组合磁极，三分之二是单体永磁极，转子磁极12中有三分之一与组合磁极作用，有三分之二与单体定子永磁极作用，共同驱动转子3旋转。

如图7所示：当转子磁极12转过一个极位到B相电磁极的中间位置时，霍尔II 20接收S极17的磁场信号，开关e2打开，B相电磁极与左右两侧永磁极15组成组合磁极，其它三个霍尔接收的是N极18的磁场信号，开关e1、e3和e4关闭，A、C、D三相电磁极中间的定子永磁极成为单体永磁极。

如图8所示：当转子磁极12转过两个极位到D相电磁极的中间位置时，霍尔IV22接收S极17的磁场信号，开关e4打开，D相电磁极与左右两侧永磁极15组成组合磁极，其它三个霍尔接收的是N极18的磁场信号，开关e1、e2和e3关闭，A、B、C三相电磁极中间的定子永磁极成为单体永磁极，与组合磁极一起驱动转子磁极12旋转，余下如此类推，循环往复的驱动电机旋转工作。

本发明定子线圈10被定子永磁极15屏蔽，转子磁极12旋转时，磁力线不会被切割，线圈10不会产生感应电动势，因此线圈10只需励磁电流即可，电磁极8的表面磁场强度不超过定子永磁极15的表面磁场强度，如果电流逐渐减小，组合磁极会从动力作用状态降低到阻力作用状态，而单体的定子永磁极15动力作用不变，因此本发明可以利用两种方式进行调速驱动，一是运用调解电压、电流的方法进行调速运用组合磁极的阻力去抵消单体永磁极的动力；二是采用液力耦合器调速方法调速。

综上所述，本发明采取以电能为导向、磁能为主力的磁动机设计方案，利用永磁体三极作用、边端重合的原理，通过与电磁极组合的方式，使永磁体之间的势能得到有效利用，从而达到以较少的电能消耗使永磁能得到有效转换，通过实验，能量产出比为1∶5以上。

附图说明

图1为电控磁动机总体结构主视图

图2为电控磁动机总体结构左视图

图3为定子磁极局部结构剖视图

图4为磁力信号盘主视图

图5为霍尔开关位置路线示意图

图6--图8为转子磁极与定子磁极运行位置示意图

图9-图10为永磁体三极作用原理示意图

其中：1.机壳 2.前端盖 3.转子 4.主轴 5.磁力信号盘 6.霍尔I 7.定子外圈 8.电磁极 9.螺栓I 10.线圈 11.螺栓II 12.转子磁极 13.轴承 14.后端盖 15.定子永磁极 16.定子内圈 17.信号S极 18.信号N极 19.托板 20.II 21.霍尔III 22.霍尔IV。

具体实施方式

本发明经如下方式装配：把定子外圈7和定子内圈16同心放在平台上，将线圈10放在内外圈之间，电磁极8的铁芯部分从定子内圈16穿过线圈10，并通过螺栓9与定子外圈7固接，然后将线圈10分成A、B、C、D四相，并按A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2……依次排列，每相线圈首尾串联；定子永磁极15粘贴在定子内圈16上电磁极8之间，并保证所有的电磁极8通电时和所有的定子永磁极15极性都相同；将转子磁极12从转子3极槽的侧面嵌入后用挡板固定，并保证所有磁极12的磁场方向都相同，转子3与主轴4键接，磁力信号盘5固定在主轴4的前端，将定子总成固定在机壳1之内，并引出A、B、C、D四相正极接线和负极接线。

将4个霍尔安装在前端盖2上，安装位置分别对准A、B、C、D四相第一个电磁极8的中线所在的半径，与磁力信号盘5上的磁极距离准确。

轴承13与后端盖14嵌接，后端盖14与装有定子的机壳1栓接，然后将机壳1树立，后端盖14水平放置，再把转子总成装入，使主轴4嵌入后端盖14的轴承13之中，将前端盖2通过轴承13套装在主轴4上并与机壳1栓接。

线圈正极4条接线A、B、C、D与驱动器开关电路对位连接，负极4条接线与负极电源直接并联，霍尔的信号线与驱动器电子开关对位连接，霍尔的电源线与驱动器内的专用变压器对位连接。

本发明的具体应用范围：

电控磁动机除大幅度节能外，还具有机械性能稳定、脉动小、扭矩大和控制线路简单等优点，因为不存在超强的斥力和温度，所以退磁缓慢，使用寿命不低于其它电机。

1.电力领域：通过科学设计，本发明可以达到以电产电的目标，单机输出最大功率可设定在500千瓦左右，可带动450千瓦的发电机，自耗能100千瓦左右，单机占地面积10平方米左右，本发明易维修，造价低，为同功率风力发电机造价的30％，也可用廉价的铁氧体磁铁开发小功率的发电机供用户使用，单机功率从几千瓦到上百千瓦。

2.交通领域：可设计成各种型号的牵引动力机，通过终端的发电机，电能可以自给，并有较大的动力输出，应用于船舶、汽车、农用车和军工车辆等各种交通工具和功能设备上，如装配在轿车上的设备，输出功率为60千瓦，终端发电机耗能为10千瓦，其它能耗5千瓦，还有40多千瓦的动力输出，因本发明转动扭矩大，机械性能超过现有的发动机，调速功能与传统调速电机相似，还可以采用液力耦合器调速方法调速。

3.航空航天领域：由于本发明的产能效果，可以应用在航天发动机上，因为自发电的功能，不受时间和气候环境因素的影响，是替代太阳帆的优选设备；应用在小型飞机上，可以保持长久的续航能力，可为各种侦察机、小型客机、飞艇和动力伞等提供动力。

4.机械动力领域：可为泵类、压缩机、风机、抽油机、机床等所有机械提供动力，替代传统的电机，达到高效节能的效益。

5.可满足各种机器人，尤其是海洋机器人的能源供应。

Claims

1.一种电控磁动机，其特征在于由机壳1、前端盖2、转子3、主轴4、磁力信号盘5、霍尔I 6、定子外圈7、电磁极8、螺栓I 9、线圈10、螺栓II 11、转子磁极12、轴承13、后端盖14、定子永磁极15和定子内圈16等主要部件组成。其中电磁极8的铁芯穿过定子内圈16和线圈10并通过螺栓I 9与定子外圈7栓接；定子永磁极15粘贴在定子内圈16上电磁极8之间，电磁极8和定子永磁极15磁极表面在一个等周线上；转子磁极12镶嵌在转子3的的极槽之中；转子3与主轴4键接；磁力信号盘5固定在主轴4的前端；前端盖2上装有霍尔I 6、霍尔II 20、霍尔III21、霍尔IV22，转子磁极12与定子永磁极15的气隙在1mm-2mm之间。

2.按权利要求1所述的电控磁动机，其特征在于所述的定子内圈16上有电磁极8和定子永磁极15相间排列，极面在一个圆周上，定子永磁极15所占弧长至少是电磁极8所占弧长的2倍，电磁极8只需电流的通断，不需要换向，通电后，所有电磁极8的极性与所有定子永磁极15的极性都相同，电磁极8表面磁场强度不超过定子永磁极15的表面磁场强度。

3.按权利要求1所述的电控磁动机，其特征在于所述的转子磁极12为接近于矩形的梯形结构，镶嵌到转子3上表现为切向磁通，与定子永磁极15的磁通方向垂直，所有的转子磁极12磁场方向相同，转子磁极12表面弧长等于或略大于电磁极8的弧长。

4.按权利要求1所述的电控磁动机，其特征在于所述的定子线圈10的相数至少是三相，最多可以达到六相以上，线圈10的个数与相数成倍数关系，转子磁极12的个数等于相数减1再乘以每相线圈10的个数。

5.按权利要求1所述的电控磁动机，其特征在于最多只有三分之一的相数在通电，其余相数为停断状态，当转子磁极12进入某相电磁极8的中间位置时，这相的线圈10通电，电磁极8与左右两侧的定子永磁极15组成组合磁极，其余停断的各相电磁极8之间的定子永磁极15成为单体磁极，单体磁极的个数是组合磁极个数的2倍以上。

6.按权利要求1所述的电控磁动机，其特征在于所述的磁力信号盘5上按圆周排列着扇形永磁体，S极17和N极18相间排列，N极18的弧长大于S极17弧长的2倍，N极18或S极17的个数等于转子磁极12的个数，S极17的中分线与转子磁极12侧面中分线重合。

7.按权利要求1所述的电控磁动机，其特征在于所述的电磁极8磁场强度逐渐减小时，组合磁极对转子磁极12产生阻力作用，阻力的大小与线圈10通过的电流成反比，利用这一特点可以进行调压调速。

8.按权利要求1所述的电控磁动机，其特征在于转子磁极12极面弧长大于或等于电磁极8极面弧长；两个转子磁极12之间的弧长大于定子永磁极15的弧长。

9.按权利要求1所述的电控磁动机，当电磁极8和定子永磁极15的极面弧长之和是转子磁极12极面弧长3倍以上的倍数时，本发明可以利用调频调速驱动方式，使多相线圈依次轮流通电工作。