CN1060598C - 永磁转子电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有永磁体转子的电机，永磁转子电动机具有不跨铁心凹槽的定子绕组，并排的电刷压靠在轴向排列的滑环上，滑环外圆周面上均布凹槽里焊接了等高片，等高片与换向片对应连接，通过可调电刷连接电源端子，电刷通过二极管到绕组后引出另一个电源端子。由左右六爪罩极罩扣中间环形永磁体构成磁极，成对的磁极轴向排列装成永磁转子，并通过绝缘轴套垫圈装在转轴上，转轴外端接负载。永磁转子电动机可节能达60%以上。

Description

永磁转子电动机

本发明涉及一种有永磁体转子的电机，按国际专利分类应属于HO2K1／27

电机是由机电能量和机电信号互相转换的电气机械，永磁体和通电流的导线周围都有磁场存在，在以电源输入电机电功率时，则通过电磁转矩驱动机械转动作功；当用动力源驱动电机转子转动时，则由其内部之电磁作用，在定子绕组中产生电势与电流。现有技术中，电机的绕组是线圈跨槽绕制的，由于跨槽大，线圈的工作面则比非工作面小，在铁心凹槽截面一定的情况下，电压一定，漆包线的电阻和长度也就一定了，跨槽的匝数少，安匝磁通也少，磁通的面积加大一倍，单位面积磁通稀薄，对转子磁极作用小，反应出来的转矩也就小，带动负载小。再者，倘若烧毁一把线圈绕组，则必须全部更换绕组线圈，给维修带来不便。

本发明的目的在于提供一种节能的磁感应强度大、定子绕组线圈不跨铁心凹槽或者只跨一凹槽的永磁转子电动机，以及该电机所配用的电刷、换向器电路。

本发明的任务是这样实现的：永磁转子电动机，由定子和转子组成定子的主要部分包括机座30、定子铁心18、定子线组、电刷装置。转子之主要部分有转子磁极、换向器、转轴。定子铁心18是由表面涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成，其内圆周表面上有加工凹槽，用以嵌入绕组，绕组线圈用绝缘铜线。通过弹簧垫22和螺栓23将铁心18固定装在机座30和支承盖16上。套装在转轴29上的压板24、压圈26通过螺钉25将轴承27分别安装在机座30和支承盖16上，带有条形气孔的后盖1安装在支承盖16上，本发明的特点是：(一)、电刷装置：含有固定电刷装置与可调电刷41。a．固定电刷装置：电刷是由导向线管4矩形刷体5、弹簧6、导向块7、刷头8构成，刷体5内的弹簧6顶压在导向块7上，使与其连结的刷头8压靠在换向器的滑环上，尾部由导向线管4，引出软导线；以其端耳固定在支板15上；由多个并排、相互间绝缘的电刷组合成为固定电刷装置，用夹持板3把多个刷体一起固定在支板15上，而支板15的端折板用螺钉固定在支承盖16上。软导线穿过支板15的引出孔后连接二极管D₁、D₂、D₃、D₄又连接着定子绕组17线端。b．可调电刷41的结构是无端耳的电刷，安装在扇形架40上，是以刷头8压靠在换向子13的换向片上，其刷体5穿装在螺栓42一端的矩形孔中，螺栓42插装在扇形架40上面圆心角为±36°的月芽型孔中，扇形架40的下安装边用螺钉36固定在支承盖16上，用垫圈37，弹簧垫圈38，螺帽39将螺栓42连带着可调电刷41拉紧固定在扇形架40的月芽型孔上，其尾部软导线引出线端子y装在接线盒52内，用以连接外接电源，可调电刷41可以在矩形孔中前后滑动，使刷头恰当可靠的轮流接触换向子13上的每只换向片，还可以随螺栓42沿月芽型圆周作±36°角移动，用以调整转子磁极与定子绕组电极的吸引和排斥力的最佳位置和永磁转子19正反转。

(二)定子绕组17：在定子铁心18内圆周面上制有均布的凹槽中，定子绕组17是使用甲、乙两组线圈，下跨凹槽、分别用同一方向绕制在铁心18的凸台上，即：铁心18的一凹槽中既有甲线圈绕组又有乙线圈绕组，把铁心18的凸台分作成奇数O组和偶数e组，分别将O组与e组各按首首线相连接、尾尾线相连接、即构成甲、乙两组绕组，再将甲绕组首线与乙绕组的尾线相连接。作为与外电源相连接的引出端子X、乙绕组的首线连接到二极管D₁、D₂、甲绕组的尾线连接到二极管D₃、D₄上，二极管的另端连接电刷的软导线。定子铁心18凹槽数是由绕组组数和转子磁极对数而定的，转子磁极为六对时，在定子绕组为一组时，铁心(18)则有12个凹(凸)槽；两个绕组时铁心18就是24个凹(凸)槽。转子磁极为三对时，铁心18绕组是一组时，则定子铁心18制有6个凹(凸)槽，两个绕组则是12个凹(凸)槽。绕组还可以是跨一个凹槽的线圈绕制而成；绕组也可以是一组式结构。

(三)定子绕组与电刷之间加有正、反向二极管，提供定子甲、乙绕组不同方向的电流、电压，是使用了四支二极管D₁、D₂、D₃、D₄，按正向与反向安装在接线盒52内，一正一反的二极管一端连接电刷软导线，另端按一反一正合并与定子甲、乙绕组首或尾线连接。当用二极管纳入线路中时，则外接供电源需要交流电源；如果不用二极管接入线路时，则外接电源是直流电源，两个绕组所接的直流电源是互不相干的两支直流电源，而直流电的电压为交流电的一半。

(四)永磁转子：由左六爪罩极20、右六爪罩极21罩扣在中间为环形永磁体上构成磁极，把成对的磁极轴向隔有一定小间隙排列安装成为永磁转子19，其磁极是N极对N极，S极对S极，通过其内孔装有的二个半圆环绝缘轴套33安装在转轴29上，两端用绝缘垫圈32、34、调正垫圈31及螺帽35作轴向控位固定，转轴29两端装在轴承27内，通过外端轴键28连接输出机械负载。

(五)换向器：是由滑环等高片48、绝缘环套43、绝缘衬49、换向子13、绝缘套筒50、51构成，在每个滑环的外圆周面上制有均布的凹槽，等高片48在凹槽部分是与滑环焊接着的连结，滑环的外圆周面为光滑表面，换向子13与多个滑环相互间隔有绝缘套43呈轴向排列，而滑环上的等高片48是沿轴向顺转错开一定的角度，该错开角度之和是正弦交流电正弦量变化一个循环。换向子13则由多头换向片彼此绝缘圆周向排列，并与彼此间有绝缘衬49呈圆周向排列的等高片48一一对应相连接，在换向器的内孔和两端装有绝缘套筒50、51，并通过绝缘套筒50、51安装在转轴29上，用调正垫圈14和弹簧垫圈螺帽2作轴向固定，滑环与电刷对应安装，换向子13与可调电刷41对应安装。电刷的刷头8压靠在相对应的滑环外圆周面上，随着滑环转动连续轮流接通或断开与等高片48导通的回路，变化着与其相连的换向子13的换向片相接触的可调电刷41所引进的电源。

换向器上的换向片数与等高片数相同和定子铁心槽数，——绕组的组数，及转子磁极对数存在有如下关系：p=2Bn式中P为换向片总片数(等高片数)B是转子磁极对数n是表示定子绕组数。每个滑环只管一个方向的电流，而且每个组绕需要两个方向的电流，所以每组绕组需要两个滑环，滑环之等高片48与换向片圆周上的连结数就是转子磁极对数。换向片和等高片48可以制作成整体片式与滑环凹槽处配合焊接。

本发明与现有技术相比较的优点是：绕组不跨槽或仅跨一槽绕制，充分利用线圈绕组进行工作，可以节能达60％，再者一旦烧毁一把绕组，不用全盘更换绕组，只需把烧毁的一把换掉即可。由于采用永磁转子、甲乙共槽绕组、二极管、轴向排列电刷换向器及可调电刷电路，所以对供给的电压电流要求不高，只要有一种电源存在，就能够进行工作。另外，永磁转子电动机并联到现有电路中，电路电压有所增加，约5—10v，因此在串联负载时，可以增补新部分压降，不至于在用电高峰时电压低于220v给工作带来诸多不便。

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的整体结构图。

图2是图1的右视图。

图3是图1的A——A视图。

图4是电刷组合安装图。

图5是电刷侧面剖视图。

图6是电刷正视、局都剖视图。

图7是可调电刷侧面剖视图。

图8是可调电刷安装示图。

图9是扇形架俯视、局部剖视图。

图10转子左六爪罩极图。

图11转子环形永磁体图。

图12转子右六爪罩极图。

图13铁心定子绕组图。

图14换向器右视图。

图15换向器局部剖视图。

图16换向器左视图。

图17整体片式换向片、滑环结构示意图。

图18滑环46剖视图。

图19滑环45剖视图。

图20电机线路走向示意图。

图中：1．后盖  2．螺帽  3．夹持板  4．导向线管  5．刷体  6．弹簧7．导向块  8．刷头  9．10．11．12 电刷  13．换向子  14．调正垫圈15．支板  16．支承盖  17定子绕组  18．定子铁心  19．永磁转子  20．左六爪罩极  21．右六爪罩极  22．弹簧垫圈  23．螺栓  24．压板  25．螺钉  26．压环  27．轴承  28．键  29转轴  30机座  31．调正垫圈  32．绝缘垫圈  33．半环式绝缘轴套  34．绝缘垫圈  35．螺帽  36．螺钉  37．垫圈  38．弹簧垫圈  39．螺帽  40．扇形架  41．可调电刷  42．螺栓  43．绝缘环套  44．45．46．47．滑环  48．等高片  49．绝缘衬  50、51．绝缘套筒  52．接线盒

参照图1，2，3，永磁转子电动机，有转子部分与定子部分组成，定子主要部分有机座30、支承盖16、后盖1、电刷装置、定子绕组17、定子铁心18；转子部分主要有转轴29、永磁转子19，换向器。定子绕组17绕制在铁18的内圆周面的凸台上，用螺栓28、弹簧垫圈22固定铁心18并联结了机座30和支承盖16。带有通气孔的后盖1连结在支承盖16上，安装电刷的支板15和安装可调电刷41的扇形架40是固定在支承盖16上。参看图4，5，6，电刷装置是由四个并排、相互间绝缘的电刷9，10，11，12和支板15夹持板3构成，电刷上端耳用螺钉固定在支板15上；同时用夹持板3将刷体固定在支板15上。电刷是由导向线管4、刷体5、弹簧6、导向块7、刷头8组成，弹簧6顶压着导向块7将与其连结的刷头8压靠在滑环上，即四个电刷9，10，11，12分别压靠在滑环47，46，45，44外圆环面上。导向线管4通过支板15的引出孔连结二极管D₁、D₂、D₃、D₄。参看图7、8、9，可调电刷41结构与电刷基本相同，只是无端耳。可调电刷41以其刷体8′安装在螺栓42一端的矩形孔中，螺栓42插装在扇形架40上面的月芽型孔中，扇形架40下安装边用螺钉36固定在支承盖16上。可调电刷41可以在螺栓42的矩形孔中前后移动，使刷头8′适当的顶压在换向子13的换向片上，接待电流换向，尾部软导线引出端子y接到接线盒52里；还可以随螺栓42在扇形架40上的月芽型孔中沿圆周向作±36°的移动，使转子磁极对定子绕组17磁极的吸引和排斥力具有最佳位置，和可调电刷41相对换向片的接触正、反电流，使通电后转子的正转或反转。在可调电刷41的位置调正好后，用垫圈37、弹簧垫圈38、螺帽39通过螺栓42将其固定在扇形架40上面的月芽型孔中。

参看图1、10、11、12，永磁转子19通过两个对扣的半圆环绝缘轴套33安装在转轴29上，转轴29安装在轴承27上，轴承27分别由压板24、压环26通过螺钉25固定在机座30和支承盖16上。永磁转子19所用磁极是由左六爪罩极20和右六爪罩极21，罩扣在中间为环形永磁体上而构成，四块永磁体所构成的磁极，轴向成六对磁极，每块磁极N、S中间隔有一定的距离排列，便组成永磁转19，其中是N极对N极、S极对S极，在永磁转子19的两端装有绝缘垫圈32、34。用调正垫圈31调正其轴向位置，用螺帽35固定，使整个永磁转子19与相关的转轴29之间是绝缘的。

参看图1、13，定子绕组17．分成甲、乙两组线圈，在定子铁心18的内圆周面上制有24个均布的凹槽(凸台)，将线圈不跨槽用同一方向绕制在凸台上，即一个凹槽中既甲线圈绕组又有乙线圈绕组，把铁心18凸台分作奇数O组和偶数e组，分别将O组和e组首首相连、尾尾相连就形成甲、乙两组绕组，再将甲绕组的首线和乙绕组的尾线连接作为与电源相连接的引出端子X。把乙绕组的首线连接到二极管D₁、D₂；把甲绕组的尾线连接到二极管D₃、D₄，二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别与电刷9、10、11、12引出的软导线相连接。绕组17还可以是一组形式，每组绕组需配以正、反向各一支二极管，绕组数决定了二极管数量。定子铁心18的下线槽数、换向片数随着转子磁极对数而变化，铁心18所用硅钢片叠用厚度与电动机功率有关，铁心18的内圆直径比永磁转子19直径大0．5—1．0mm，其凹槽数和永磁转子19磁极对数及定子绕组17有关，如六对磁极：绕组是一组时铁心18是12个凹(凸)槽，两组绕组则铁心18需24个凹(凸)槽；三对磁极：绕组是一组时铁心18是6个凹(凸)槽，两组绕组则铁心18就制作12个凹(凸)槽。定子绕组17还可以是跨一个槽，但因线圈与线圈之间就需重叠一半，因此本发明一般不予跨槽绕制绕组。

参看图14．15．16．17．18，换向器包括了四个滑环44．45．46．47和换向子13，安装在转轴29上，是相互间有绝缘环套43沿轴向并列排式，两端面与内也孔端配装有绝缘套筒50、51。在每个滑环的外圆周面上制有6个均布的凹槽a，b，c，d，e，f，等高片48过凹槽处与滑环焊接，即滑环的凹槽中焊有等高片48，滑环的外圆面周为光滑表面。滑环47的凹槽(等高片48)沿轴向顺转一角度与滑环45同位凹槽(等高重片)角位差15°，与滑环46同位凹槽角位差30°，与滑环44同位凹槽角位差45°，而当滑环44导通电流后改换另一凹槽上等高片工作时，轮转到滑环47b时，恰好又与滑环47角位差15°，滑环上6个凹槽均布即互成60°角，吻合四个滑环同位角位差之和为60°角。四个滑环共有24个彼此间有绝缘衬49的等高片48，基本上是呈圆周向排列，并分别与换向子13的圆周向排列彼此绝缘的24头换向片相连接构成通路，滑环47、45之间同位等高片(凹槽)角位差即47a与45a之间为15°，滑环47、46之间的等高片47a与46a同位角位差30°，滑环47、44之同47a与44a同位角位差45°，而转过45°之后，滑环44与滑环47的凹槽44a与47b同位角位差为15°，依次c、d、e、f滑环都转过一周后，再从47a开始循环，从而达到永磁转子运转15°更换一次绕组，转到30°便更换一次磁极。换向器通过绝缘轴套50，51用弹簧垫圈，螺帽2固定安装在转轴29上。由调正垫圈14调整位置，使滑环47，46，45，44正对电刷9，10，11，12，换向子13对正可调电刷41，等高片48与换向片可以是制作成整体片式，还有在与换向片连接时有交叉接点，滑环47，46，45，44上的等高片47a，46a，45a，44a所对应的换向片为47a′、45a′、46a′、44a′，等高片46a与换向片45a′交叉连接。这是为了接触换向不搭界不易混浠，而且换向片头数=2倍转子磁极对数×绕组组数。

参看图1．13．20，永磁转子电动机的工作是：甲线圈与永磁转子19的S极相对应．正处在发电峰值，而乙线圈是对应着永磁转子19的S、N中间，此时正处在发电零值。这时给乙线圈所连端子X通电，电源电流从端子y流向可调电刷41，到接触换向片47a′，至滑环47等高片47a，滑环47接触电刷9连导向线管4软导线与二极管D₁相连，二极管D₁的另端与乙线圈首线相接．形成电流由乙线圈的首端线导通一圈后流向乙线圈的尾端线，然后流回电源X形成回路。而乙线圈的对应永磁转子极边，根据右手定则产生的磁极为N极。根据同性相斥、异性相吸作用使永磁子19带首换向器、转轴29同时向右转15°之后可调电刷41与换向片45a接触，乙线圈对应永磁转子的S极，又处在发电峰值(最高位置)。甲线圈对应的永磁转子19处在磁极N、S中间，处于发电为零。这时给甲线圈通电，其构成的电流回路是：

外接电源端子电流y→可调电刷41→换向片45a′→滑环45→电刷11→二极管D₃→甲线圈尾线→甲线圈首线→电源X。到电源端子X，又是一个完整的回路，此时线圈产生的为S极，又新形成了一个方向的吸引力与排斥力，使永磁转子19、转轴29、换向子13又同时向右转动15°的角度，两次轴向转角共转了30°。可调电刷41与换向片45a接触。这时的甲线圈与永磁转子19的N极相对应，又处在发电最高位置，而乙线圈对应的永磁转子19是处在N、S中间，是处在发电为零。

为了让永磁转子19向右继续转动，带动机械转动作功，给乙线圈通电就不能按第一次顺时针方向了，因为第一次乙线圈对应的磁极是处于S、N中间，经过两次运转后，现在乙线圈对应的磁极是N、S，所以给乙线圈通电就按逆时针方向，磁极变了通电方向也随着改变，正好与交流电特性吻合，否则就得用两组互不相干的直流电源来给永磁转子电动机提供正向和反向电流了。继续工作构成的回路是：

电源电流X→乙线圈尾线→乙线圈首线→二极管D₂→电刷10→滑环46→换向子13的换向片46a→可调电刷41→电源端子y。是一个反向的回路，乙线圈产生的磁极与第一次也就相反的为S极，给予永磁转子19、转轴29、换向器第三次向右转动15°，至此共转动了45°角位。可调电刷41与换向子13的换向片44a′接触，乙线圈对应的永磁转子19之N极，发电最高。甲线圈对应的永磁转子19处在S、N两磁极中间，发电为零，再给甲线圈也是按逆时针方向通电。其回路是：电源电流X→甲线圈首线→甲线圈尾线→二极管D₄→电刷12→滑环44→换向片44a′→可调电刷41→电源端子y。上述四次15°运转了转轴29共运转60°；即永磁转子19的磁极S、N又回复到了第一次运转的位置，还要继续循环工作向右转下去带动负载转动做功。永磁转子19转动15°角位便更换一次绕组，转过30°便更换一次磁极。本电动机在转动期间既是电动机又是发电机。因为在实施比较时，普通一台60瓦的电风扇的电动机，与形体近同的永磁转子电动机用同一电流表5—10A测量之，电流表盘在普通电动机上是45秒转一周，而永磁转子电动机则是1分15秒转一周，由此可见本发明节能可达60％以上。无论是单相电，三相电或直流电均可以作为永磁转子的外接电源，由于永磁体的存在，因此对启动电压的要求也不高。

Claims (6)

1、一种永磁转子电动机，是由定子和转子组成，定子的主要部份包括有机座(30)、定子铁心(18)，定子绕组，电刷装置；转子的主要部份有转子磁极、换向器、转轴(29)，定子铁心(18)是由表面涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成，其内圆周表面上有加工凹槽，用以嵌入绕组，绕组线圈用绝缘铜线，通过弹簧垫(22)和螺栓(23)将铁心(18)周定装在机座(30)和支承盖(16)上，套装在转轴(29)上的压板(24)，压圈(26)通过螺钉(25)将轴承(27)分别安装在机座(30)和支承盖(16)上，带有条形气孔的后盖(1)安装在支承盖(16)上，其特征在于：

(一)、电刷装置：含有固定电刷装置与可调电刷(41)，

a．固定电刷装置：电刷是由导向线管(4)、矩形刷体(5)、弹簧(6)、导向块(7)、刷头(8)构成，刷体(5)内的弹簧(6)顶压在导向块(7)上，使刷头(8)压靠在换向器的滑环上，尾部由导向线管(4)引出软导线；以其端耳固定在支板(15)上；由多个并排、相互间绝缘的电刷组合成为固定电刷装置，用夹持板(3)把多个刷体(5)一起固定在支板(15)上，而支板(15)的端折板用螺钉固定在支承盖(16)上，软导线连接二极管后又连接着绕组(17)线端，

b．可调电刷(41)的结构是无端耳的电刷，是以刷头(8)压靠在换向子(13)的换向片上，其刷体(5)穿装在螺栓(42)一端的矩形孔中，螺栓(42)插装在扇形架(40)上面圆心角为±36°的月芽型孔中，扇形架(40)的下安装边用螺钉(36)固定在支承盖(16)上，用垫圈(37)、弹簧垫圈(38)、螺帽(39)将螺栓(42)连带着可调电刷(41)拉紧固定在扇形架(40)的月芽型孔上，其尾部软导线引出线端子y装在接线盒(52)内，

(二)、定子绕组(17)：在定子铁心(18)内圆周面上制有均布的凹槽中，定子绕组(7)使用甲、乙两组线圈，不跨凹槽、分别用同一方向绕制在铁心(18)的凸台上，即铁心(18)一凹槽中既有甲线圈绕组又有乙线圈绕组；把铁心(18)凸台分作成奇数O组和偶数e组，分别将O组与e组各按首首线相连接，尾尾线相连接，即构成甲、乙两组绕组，再将甲绕组首线与乙绕组的尾线相连接，作为与外电源相连接的引出端子X，乙绕组的首线连接到二极管D₁、D₂，甲绕组的尾线连接到二组管D₃、D₄上，二级管的另端连接电刷的软导线，

(三)、永磁转子(19)：由左六爪罩极(20)、右六爪罩极(21)罩扣在中间为环形永磁体上构成磁极，把成对的磁极轴向隔有一定小间隙排列安装成为永磁转子(19)，其磁极是N极对N极，S极对S极，通过其内孔装有的二个半圆环绝缘轴套(33)安装在转轴(29)上，两端用绝缘垫圈(32)、(34)、调正垫圈(31)及螺帽(35)作轴向控位固定，转轴(29)两端装在轴承(27)内，通过外端轴键(28)连接输出机械负载。

(四)、换向器：是由滑环、等高片(48)、绝缘环套(43)、绝缘衬(49)、换向子(13)、绝缘套筒(50)、(51)构成，在每个滑环的外圆周面上制有均布的凹槽，等高片(48)在凹槽部分是与滑环焊接着的连结，滑环的外圆周面为光滑表面，换向子(13)与多个滑环相互间隔有绝缘套(43)呈轴向排列，而滑环上的等高片(48)是沿轴向顺转错开一定的角度，该错开角度之和是正弦交流电正弦量变化一个循环，换向子(13)则由多头换向片彼此绝缘圆周向排列组成，并与彼此间有绝缘衬(49)呈圆周向排列的等高片(48)一一对应相连接，在换向器内孔端装有绝缘套筒(50)、(51)并通过绝缘套筒(50)、(51)安装在转轴(29)上，用调正垫圈(14)和弹簧垫圈螺帽(2)作轴向固定，滑环与电刷对应安装，换向子(13)与可调电刷(41)对应安装，

2、根据权利要求1所述的永磁转子电动机，其特征是换向片和等高片(48)可以制作成整体片式与滑环凹槽处配合焊接，

3、根据权利要求1所述的永磁转子电动机，其特征是定子绕组(17)可以是一组绕组，

4、根据权利要求1所述的永磁转子电动机，其特征是定子绕组(17)与电刷之间可以不加二极管，但外接电源则用直流电，

5、根据权利要求1所述的永磁转子电动机，其特征是当转子磁极是6对，绕组为一组时，定子铁心(18)凹槽为12个；绕组为两组时，铁心(18)为24个凹槽；当转子磁极是3对，绕组为一组时，定子凹槽为6个；绕组为两组时，定子铁心凹槽为12个，

6、根据权利要求1所述的永磁转子电动机，其特征是和等高片(48)数量相同的换向片头数、转子的磁极对数、以及定子绕组的组数存有如下关系：p=2bn式中p是换向片头数，B是转子磁极对数n是定子绕组数。

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