CN106921227A - 一种无换向器永磁直流电机 - Google Patents

一种无换向器永磁直流电机 Download PDF

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Abstract

一种无换向器永磁直流电机，其结构特征在于：定子铁芯及绕组由一个或多个组成，每个软磁质定子铁芯都为圆环状，线圈沿铁芯径向缠绕；转子由转轴、多块扇面形永久磁铁及一个或多个永久磁铁支架组成，每块永久磁铁的磁极在支架上都沿轴向排列。其工作原理特征在于：作为电动机使用时，转子是由永久磁铁沿轴向的磁感线与定子沿径向的线圈导体电流产生的电磁力而旋转的；用相同的方法，可以设计制造外转子无换向器永磁直流电动机。作为发电机使用时，感生电动势是永久磁铁沿轴向的磁感线切割定子沿径向的线圈导体而产生的。其有益效果在于：没有换向装置、力矩大，节能效果好。不足之处在于：转子与定子之间沿轴向的配合间隙要求精度高。

Description

一种无换向器永磁直流电机
技术领域
本发明涉及直流旋转电机领域，确切地说是一种没有碳刷和电子换向装置的永磁直流电机的设计方法。
背景技术
在直流电机系列中，分有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机具有可逆性，既可以作为直流电动机使用；也可以作为直流发电机使用。作为电动机使用时，有刷直流电机的电刷装置有两项功能，一是将直流电流导入导出电枢绕组、二是换向作用；作为发电机使用时，电刷装置的功能则是将电枢绕组感应产生的交流电整流后导出。电磁作用原理是定子的径向励磁磁场与轴向电枢线圈电流相互作用的结果。无刷直流电机只是将机械电刷换向器换成用电子(霍尔元件)换向技术，其作用同样是换向功能。有刷直流电机具有调速特性好，且方便、平滑、调速范围广；过载能力强、能实现频繁变速、制动以及逆向旋转等优点。但是，电刷装置由于换向产生环火及使用寿命短是一个不可消除的缺点。无刷直流电机上装配的电子换向器一般为光电或磁性传感器，而该传感器及相配套的电子元件对工作环境是有一定的要求的，否则会失效使电机无法工作。
永久磁铁在电机领域占有一定的地位，特别是在微型直流电机领域，由于永磁直流电机具有明显的节能效果，所以永久磁铁更是得到广泛使用；永久磁铁具有吸引铁磁质的性质；而铁磁质具有隔离屏蔽磁场的功能；还有汇集磁力线的特性。
发明内容
本发明的目的是针对现有直流电机上安装的有刷换向或无刷换向存在的缺点，提供一种没有任何形式的换向装置、故障率低、使用寿命长的无换向器永磁直流电机。本发明的无换向器永磁直流电机既可以作直流电动机使用也可作直流发电机使用。
技术方案
结构形式：如附图1-4所示，利用本发明所设计的永磁直流电机，主要由定子和转子组成。定子主要由壳体4、端盖3、端盖轴承2和定子铁芯9以及电枢线圈7组成。定子铁芯9由左右两块组成、材质为软磁质材料、形状为圆环状且中间设置有非铁磁质隔层8，铁芯9的外侧设计为凹凸状、凹槽处用来沿径向环绕定子电枢线圈7；凸极处与定子壳体4紧密结合装配在一起。转子主要由转轴1、永久磁铁5和永磁体支架6组成。左右两侧的永久磁铁5其同性磁极极面(图中为N极极面)都面向定子电枢线圈7一侧；永磁体支架6通过固定键1a与转轴1固定在一起。
作为直流电动机使用时的工作原理：如附图1和图2所示，当定子电枢线圈7接通直流电源时，线圈7左右两侧永磁体的N极极面都面向线圈导体，其中右侧的电流都流向圆心方向、左侧的电流都流出圆心，图中实心箭头表示电流的方向。左右两侧永磁体N极的磁力线都穿过线圈7进入软磁质定子铁芯9。根据左手定则：定子铁芯9左侧线圈导体受到的电磁力从左侧看去，沿逆时针方向旋转；定子铁芯9右侧线圈导体受到的电磁力从左侧看去，也沿逆时针方向旋转。由于定子电枢线圈7与壳体4和端盖3固定不动，根据力学原理，左右两侧的永磁体5和永磁体支架6连同转轴1沿顺时针方向旋转。可见，由于定子电枢线圈7接通的是直流电源其电流的方向不变，所以转子1会受到一个方向不变的电磁力而旋转，无需换向器装置；当改变线圈7与直流电源正负极的接线方式，转子1会反向旋转。所以，本发明所述的一种无换向器永磁直流电机具有正反转功能。
作为直流发电机使用时的工作原理：如附图1所示，当外力拖动转轴1，从左侧看去转轴1沿顺时针旋转时，相当于定子电枢线圈7沿逆时针旋转。此时线圈7的左右两侧的导体都切割永磁体N极一侧的磁力线。根据右手定则：线圈7左侧的导体电流流入圆心；右侧的导体电流流出圆心(与图1所示电流的方向相反)。由于永磁体连续且方向不变的切割磁力线，所以线圈7两端得到的感生电动势为连续的直流电压，无需换向装置。
综述本发明所述的一种无换向器永磁直流电机，其结构特征在于：定子铁芯9及绕组线圈7由一个或多个组成，每个软磁质定子铁芯都为圆环状，线圈7沿铁芯径向缠绕；转子由转轴1、多块扇面形永久磁铁5及一个或多个永久磁铁支架6组成，每块永久磁铁的磁极都沿轴向排列且每个支架上的多块永久磁铁的磁极极性都同向安装。其工作原理特征在于：电磁作用原理是定子的径向线圈导体电流与轴向永久磁铁励磁磁场相互作用的结果；无换向器永磁直流电机作为电动机使用时，转子是由永久磁铁沿轴向的磁感线与定子沿径向的线圈导体电流产生的电磁力而旋转的；用相同的方法，可以设计制造外转子无换向器永磁直流电动机；作为发电机使用时，感生电动势是由永久磁铁沿轴向的磁感线切割定子沿径向的线圈导体而产生的。其有益效果在于：<1>无换向器永磁直流电机去掉了换向装置。<2>无换向器永磁直流电机定子线圈的利用率高。<3>与相同壳体直径、相同线圈匝数、相同输入电流的传统直流电动机相比较，无换向永磁直流电动机的平均电磁作用的力臂长、力矩大，节能效果好；<4>作发电机使用时，产生的直流电波形平稳；<5>作电动机使用时，由于转子上没有铁芯质量轻，旋转惯量小，从而使电机的启动和制动性能好。不足之处在于：本发明的一种无换向器永磁直流电机，其转子与定子之间沿轴向的配合间隙要求精度高。
以上所述只是本发明的基本设计原理，在具体设计制造某一型号的无换向器永磁直流电机时需要考虑解决一下几个方面的问题：一是永磁体5磁场磁路的设计是否合理、永磁体材质及各个参数的选择是否与定子线圈电流及其它参数相匹配；二是软磁质定子铁芯9的磁导率的大小及厚度是否达到要求；三是转子永磁体5应避免单面承受轴向引力，防止永磁体支架6变形与定子摩擦造成电机损坏；四是定子铁芯9的结构形式是否实现容易缠绕定子线圈7；五是转子与定子之间的装配间隙精度是否合理。
附图说明
附图1表示单定子双永磁磁极转子无换向器永磁直流电机的结构原理示意图。
附图2表示沿图1A-A方向定子铁芯的结构及绕线方式的示意图。
附图3表示无换向器永磁直流电机转子的基本结构原理示意图。
附图4表示图3所示转子上永久磁铁5的结构形式示意图。
附图5表示有三个定子线圈的无换向器永磁直流电机的结构原理示意图。
附图6表示定子铁芯的结构形式示意图。
附图7表示单转子永久磁铁双定子线圈的结构形式示意图。
(1)转轴，(1a)永久磁铁部分固定在转轴上的键槽，(2)转子轴承，(3)端盖，(4)铁磁质壳体，(5)永磁体，(5a)转子永磁体，(5b)转子永磁体，(5c)永磁体磁力线，(6)永磁体固定支架，(7)定子电枢线圈，(8)非导磁隔离层，(9)软磁质定子铁芯，(9a)软磁质定子铁芯，(9b)软磁质定子铁芯，(9c)软磁质定子铁芯，(9d)两件定子铁芯组合时用于定位的凸极，(9e)两件定子铁芯组合时于定位的凹槽。
具体实施方式
具体实施方式
参见附图1-6，其中图5是表示由三个定子铁芯9a、9b、9c和三个线圈绕组7a、7b、7c组成的无换向永磁直流电动机的示意图。三个定子铁芯之间设有定位环，以保证它们之间的距离相等；三个定子铁芯的外圆凸出部位与电机壳体3过渡配合、内圆孔的直径：绕好线圈7后的内径应大于与转轴1最大处的直径。三个线圈绕组7a、7b、7c可以串联成一个定子线圈绕组，也可并联成一个定子线圈绕组。在图5中，转子永磁体是由5a和5b组成。转子永磁体与铁磁质壳体3之间设有间隙、与定子线圈之间留有空气气隙、与转轴1之间靠支架6固定在一起但能够便于拆卸和安装。如图3和图4所示，多块扇面状永磁体组成的5a和5b，其中左侧永磁体5a的N极面都向右、右侧永磁体5b的N极面都向左。定子和转子的装配工艺程序为：<1>将绕好线圈9b的定子固定在壳体4的中间位置；<2>将5a装配到转轴1上，安装时沿壳体4的左侧套装在定子线圈9b内；<3>沿转轴1的右侧装配好转子永磁体5b；<4>在定子线圈9b的两侧、沿壳体4的内圆装配两件定位圆环；<5>分别将定子线圈9a和9c装配到壳体4内的两侧、并用定位螺栓与壳体4锁死；<6>最后安装端盖。当对本发明的无换向直流电机进行维修拆卸时，按上述的反向顺序操作即可。
在附图5中，永久磁铁的磁场磁路为(以永久磁铁5a为例)：永磁体5a的N极(磁力线)→N极与定子铁芯9b之间的气隙→定子铁芯9b→软磁质壳体4→定子铁芯9a→S极与定子铁芯9a之间的气隙→永磁体5a的S极。图5中的虚线5c表示永磁体的磁力线、空心箭头表示磁力线的方向。永磁体5b的磁路与永磁体5a的磁路路径相同。
从图5所示的结构看，由于永磁体磁场在左右两侧都吸引定子铁芯，其引力相等，所以不会产生转子永磁体单面承受轴向引力使永磁体支架6变形的现象。至于永磁体材质及各个参数的选择应根据电机功率的大小来确定。对于微型无换向器永磁直流电机(如儿童玩具所以电机)来说，可采用铁氧体材质的永磁体，其形状为单块圆环形永久磁铁；对于交大功率的无换向器永磁直流电机来说，需选用稀土材料的永久磁铁。软磁质定子铁芯9的作用一是对永久磁铁的磁场汇集作用，二是将左右两侧的同极性磁场隔离开，三是作为一部分永久磁铁磁场的磁路。对于软磁质定子铁芯9的磁导率的大小及厚度的要求，应根据永磁体的磁场强度、铁芯9的磁饱和度来确定其厚度尺寸。非铁磁质隔离层8的作用主要是在左右两块软磁质定子铁芯9之间加一个导磁率低的空间，起辅助隔离磁场的作用。
图6表示定子铁芯9加工制造时的结构形状示意图，设计成两个半圆形状的目的主要是考虑使缠绕定子线圈7的工艺简单化。两个半圆形状定子铁芯9上分别设有凸极9d和凹槽9e两个定位面，等到将两块铁芯绕完线圈后、靠该定位面组装到一起。铁芯9的材质一般为硅钢片叠压而成，也可以用其它软磁质材料加工而成；为了消除转子永久磁铁磁场在铁芯9中产生涡流，最有效的方法是选用粉末状铁芯，各粉末间相互绝缘。两块定子铁芯9中间的非铁磁质夹层的材质及厚度可根据永磁体的磁场强度来定。
附图7表示单转子永久磁铁双定子线圈的结构形式示意图。在该结构方案与上述的无换向永磁直流电机的工作原理相同，只是结构形式不同。其永久磁铁的磁场路径为：永磁体5的N极→N极与左侧定子铁芯之间的气隙→左侧定子铁芯9→软磁质壳体4→右侧定子铁芯9→S极与右侧定子铁芯之间的气隙→永磁体5的S极。当把该电机作为电动机使用时，接通的直流电源必须使左右两定子线圈电流面向转子永久磁铁的一边同向。在该结构方案的优点是定子铁芯为一个整体，中间无需设置非铁磁质隔离层；缺点是：定子线圈用量多。

Claims (5)

1.一种无换向器永磁直流电机，其结构特征在于：定子铁芯及绕组由一个或多个组成，每个软磁质定子铁芯都为圆环状，线圈沿铁芯径向缠绕；转子由转轴、多块扇面状永久磁铁及永久磁铁支架组成，每个永久磁铁的磁极都沿轴向排列且每个支架上的多块永久磁铁的磁极极性都同向安装；其工作原理特征在于：电磁作用原理是定子的径向线圈导体电流与轴向永久磁铁励磁磁场相互作用的结果；无换向器永磁直流电机作为电动机使用时，转子是由永久磁铁沿轴向的磁感线与定子沿径向的线圈导体电流产生的电磁力而旋转的；用相同的方法，可以设计制造外转子无换向器永磁直流电动机；作为发电机使用时，感生电动势是永久磁铁沿轴向的磁感线切割定子沿径向的线圈导体而产生的。
2.根据权利要求1所述的一种无换向器永磁直转电机，其特征是：所述的定子铁芯及绕组由一个或多个组成，每个软磁质定子铁芯都为环状，其特点是：每个定子铁芯由两块组成且中间设有非铁磁质隔离层。
3.根据权利要求1所述的一种无换向器永磁直流电机，其特征是：所述的定子铁芯及绕组由一个或多个组成，每个软磁质定子铁芯都为环状，其特点是：环状定子铁芯的外圆一侧设有凹凸槽口。
4.根据权利要求1所述的一种无换向器永磁直流电机，其特征是：所述的定子铁芯及绕组由一个或多个组成，每个铁磁质定子铁芯都为环状，其特点是：软磁质定子铁芯是用硅钢片叠压而成，也可以用各粉末间相互绝缘的粉末状铁芯。
5.根据权利要求1所述的一种无换向器永磁直流电机，其特征是：所述的转子由转轴、多块扇面状永久磁铁及永久磁铁支架组成，每块永久磁铁的磁极都按轴向排列且每个支架上的多块永久磁铁的磁极极性都同向安装，其特点是：多块扇面状永久磁铁也可以设计为单块圆环形永久磁铁。
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