CN104124791B - 一种基于环形电机的动量轮 - Google Patents
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Abstract
一种基于环形电机的动量轮，包括外壳底座，固定于其上的外壳上盖，外壳上盖和外壳底座间形成空腔，空腔内设置永磁体托盘，永磁体托盘的四周为环形槽，环形槽内放置一块整体的永磁体，其充磁方向为轴向，在永磁体的上部和下部的空腔内设置硅钢片压制的铁芯及其上绕制的绕组线圈，永磁体托盘的中间部分的上下分别与上下两个转轴的转动部分相连接，且中间部分的顶部伸出外壳上盖，用于转速与转矩的测量；本发明动量轮在运行过程中，输入为单相直流电压，线圈中电流较为稳定，运行波动很小；由于动量轮采用一整块的永磁体作为转子，且永磁体采用磁性强的钕铁硼材料，因此线圈所在部分电磁场强度较高，动量轮在较低的电流下依旧可以提供较高的转矩。
Description
技术领域
本发明涉及动量轮技术领域，具体涉及一种基于环形电机的动量轮。
背景技术
现有动量轮主要采用无刷直流电机作为动力源，这些直流电机工作原理为：定子为线圈缠绕铁芯，线圈为三相缠绕方式，通电通入三相直流电，直流电波形为方波，三相之间相位各相差120度。工作时，通入电流，在线圈与转子永磁体的气隙间产生旋转的磁场，带动永磁体转动。其作为动量轮的缺点：需要在运行时测量电机转子的位置，从而调整电机的输入电流波形及相位，因此需要复杂的驱动线路；由于电流换向，运行波动较大，尤其是低速运行下性能不好；实际运行时的转矩并不大，不能应用于对转矩要求较高的情况。
而对于另一种结构的动量轮基于盘式电机：盘式电机的工作原理与无刷直流电机的工作原理相同，将定子线圈和动子磁体都制作为盘状，电机的磁路为轴向，因此也称为轴向磁路无刷直流电机。这种电机由于采用的也是三相方波电流，因此也需要在电机运行时测量转子的位置，增加电机控制电路的复杂性；同时也存在运行波动的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于环形电机的动量轮，动量轮在运行过程中，输入为单相直流电压，线圈中电流较为稳定，运行波动很小；由于动量轮采用一整块的永磁体作为转子，且永磁体采用磁性强的钕铁硼材料，因此线圈所在部分电磁场强度较高，动量轮在较低的电流下依旧可以提供较高的转矩。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于环形电机的动量轮，包括外壳底座2，固定于外壳底座2上的外壳上盖1，所述外壳上盖1和外壳底座2间形成空腔，空腔内设置永磁体托盘3，所述永磁体托盘3的四周为环形槽3-1，所述环形槽3-1内放置一块整体的永磁体4，其充磁方向为轴向，即上面的磁极为N极或S极，下面的磁极为S极或N极，所述永磁体4和永磁体托盘3为电机转子部分，在所述永磁体4的上部和下部、外壳上盖1和外壳底座2间的空腔内设置电机的定子部分即硅钢片压制的铁芯8及其上绕制的绕组线圈5，所述硅钢片压制的铁芯的内环处设计多个位置对称的凸起，绕组线圈5绕制在凸起之间的圆环铁芯上，所述永磁体托盘3的中间部分的上下分别与上下两个转轴7的转动部分相连接，且中间部分的顶部伸出外壳上盖1，用于转速与转矩的测量。
所述硅钢片压制的铁芯8的内环处设计有4个圆心角为15°的凸起，且凸起的厚度与绕组线圈5的厚度相同。
所述转轴7的轴承采用滚珠轴承，为中空环形，两个转轴7套接在永磁体托盘3中间部分的上下，两个转轴7的外圈分别固定于外壳上盖1以及外壳底座2上，内圈转动部分与永磁体托盘3固连。
在所述两个转轴7的上转轴的顶部设置有轴承盖6。
所述外壳上盖1和外壳底座2的材料为45号钢。
所述永磁体4的材料为钕铁硼。
所述永磁体4采用环氧材料粘贴在永磁体托盘3的环形槽3-1内。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1、由于转子为环柱形永磁体，并且定子线圈铁芯分别位于转子的上下方，因此动量轮的磁路简单。磁路从永磁体的N极出发，通过一个线圈，进入铁芯，再通过电机的固定部分(上盖-托盘-底座)，回到另一边的铁芯，再回到永磁体的S极。
2、由于动量轮的转子为一块完整的永磁体，因此定子线圈部分的磁场较为均匀，产生的安培力与线圈中通过的电流成线性关系，因此动量轮的可控性较强。电机转子为整块永磁体，并且绕组线圈绕制在位置对称的凸起之间的圆环铁芯上，则绕组线圈的相位差相同，因此动量轮运行的情况不受转子的位置影响，不需要复杂的实时测量转子位置的控制电路。
3、由于动量轮的输入为单相直流电压，线圈中的电流较三相情况下更为稳定，动量轮运行波动小，在低速情况下，运行也稳定。
4、由于动量轮转子采用整体的永磁体，在定子线圈处的磁场强度较大，容易产生较大的安培力，因此可以在较低的输入电压下依旧可以提供较高的转矩。
附图说明
图1为本发明基于环形电机动量轮的剖面示意图。
图2为本发明中定子铁芯以及线圈的俯视图剖面示意图。
图3为本发明中转子托盘示意图。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图2和图3所示，本发明一种基于环形电机的动量轮，包括外壳底座2，固定于外壳底座2上的外壳上盖1，所述外壳上盖1和外壳底座2间形成空腔，空腔内设置永磁体托盘3，所述永磁体托盘3的四周为环形槽3-1，所述环形槽3-1内放置一块整体的永磁体4，其充磁方向为轴向，即上面的磁极为N极或S极，下面的磁极为S极或N极，所述永磁体4和永磁体托盘3为电机转子部分，在所述永磁体4的上部和下部、外壳上盖1和外壳底座2间的空腔内设置电机的定子部分即硅钢片压制的铁芯8及其上绕制的绕组线圈5，所述硅钢片压制的铁芯的内环处设计多个位置对称的凸起，绕组线圈5绕制在凸起之间的圆环铁芯上，所述永磁体托盘3的中间部分的上下分别与上下两个转轴7的转动部分相连接，且中间部分的顶部伸出外壳上盖1，用于转速与转矩的测量。
作为本发明的优选实施方式，所述硅钢片压制的铁芯8的内环处设计的4个圆心角为15°的凸起位置对称，且凸起的厚度与绕组线圈5的厚度相同。
作为本发明的优选实施方式，所述转轴7的轴承采用滚珠轴承，为中空环形，两个转轴7套接在永磁体托盘3中间部分的上下，两个转轴7的外圈分别固定于外壳上盖1以及外壳底座2上，内圈转动部分与永磁体托盘3固连。
作为本发明的优选实施方式，在所述两个转轴7的上转轴的顶部设置有轴承盖6。为了保护轴承以及防止轴承落入过多的灰尘，影响轴承的工作，同时减小了动量轮运转时的噪声。
作为本发明的优选实施方式，所述外壳上盖1和外壳底座2的材料为45号钢。可满足动量轮对外壳的刚度需要也可满足电机磁路传导的需要。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体4的材料为钕铁硼。钕铁硼属于第三代稀土永磁材料，具有体积小、重量轻和磁性强的特点。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体4采用环氧材料粘贴在永磁体托盘3的环形槽3-1内。
本发明的工作原理为：
由于本动量轮采用上下结构，上下两层为定子铁芯绕制漆包线圈，中间一层为材料钕铁硼的永磁体转子，因此对于动量轮的运行来说，其运行转矩与线圈中通过的电流成线性关系，因此动量轮的运行控制比较简单。
动量轮启动时，向绕组线圈5两端加载单相直流电压，此时绕组线圈5当中通过单相直流电流，绕组线圈5在永磁体4磁场的作用下产生安培力，力的方向为切向方向，而由于绕组线圈5固定于铁芯8之上，因此对永磁体4产生一个反作用力，使得永磁体4转动，动量轮即开始运行。
动量轮开始运行后，可以根据对于动量轮的性能需要，比如说转矩、转速的需求在外接控制电路上调节飞轮电机的输入电压，从而改变绕组线圈5中的电流，进而改变动量轮的运行状态，满足我们对动量轮的要求。
Claims (7)
1.一种基于环形电机的动量轮，其特征在于：包括外壳底座(2)，固定于外壳底座(2)上的外壳上盖(1)，所述外壳上盖(1)和外壳底座(2)间形成空腔，空腔内设置永磁体托盘(3)，所述永磁体托盘(3)的四周为环形槽(3-1)，所述环形槽(3-1)内放置一块整体的永磁体(4)，其充磁方向为轴向，即上面的磁极为N极或S极，下面的磁极为S极或N极，所述永磁体(4)和永磁体托盘(3)为电机转子部分，在所述永磁体(4)的上部和下部、外壳上盖(1)和外壳底座(2)间的空腔内设置电机的定子部分即硅钢片压制的铁芯(8)及其上绕制的绕组线圈(5)，所述硅钢片压制的铁芯的内环处设计多个位置对称的凸起，绕组线圈(5)绕制在凸起之间的圆环铁芯上，所述永磁体托盘(3)的中间部分的上下分别与上下两个转轴(7)的转动部分相连接，且中间部分的顶部伸出外壳上盖(1)，用于转速与转矩的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形电机的动量轮，其特征在于：所述硅钢片压制的铁芯(8)的内环处设计有4个圆心角为15°的凸起，且凸起的厚度与绕组线圈(5)的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形电机的动量轮，其特征在于：所述转轴(7)的轴承采用滚珠轴承，为中空环形，两个转轴(7)套接在永磁体托盘(3)中间部分的上下，两个转轴(7)的外圈分别固定于外壳上盖(1)以及外壳底座(2)上，内圈转动部分与永磁体托盘(3)固连。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形电机的动量轮，其特征在于：在所述两个转轴(7)的上转轴的顶部设置有轴承盖(6)。
5.根据权利要求1所述的一种基于环形电机的动量轮，其特征在于：所述外壳上盖(1)和外壳底座(2)的材料为45号钢。
6.根据权利要求1所述的一种基于环形电机的动量轮，其特征在于：所述永磁体(4)的材料为钕铁硼。
7.根据权利要求1所述的一种基于环形电机的动量轮，其特征在于：所述永磁体(4)采用环氧材料粘贴在永磁体托盘(3)的环形槽(3-1)内。
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