CN107276347A - 强力永磁高转矩直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明属直流电动机领域，尤其涉及一种强力永磁高转矩直流电动机，包括内转子（1）、外转子（2）、差速器（3）及直流电动机智能驱动器；内转子（1）与外转子（2）的中心轴分别与差速器（3）的内转子差速齿轮（301）及外转子差速齿轮（302）固定套接；内转子差速齿轮（301）与外转子差速齿轮（302）啮合；内转子（1）上设有2n‑1个按N与S顺序交错排列的线圈；外转子（2）上设有2n个按N与S顺序交错排列的强力永久性磁极；直流电动机智能驱动器的信号输入/输出端口与内转子（1）线圈的信号输入/输出端口相接。本发明交流阻抗低，电流大，有效转矩大，能量利用率高。

Description

强力永磁高转矩直流电动机

技术领域

本发明属直流电动机领域，尤其涉及一种强力永磁高转矩直流电动机。

背景技术

目前工业上使用的传统电动机普遍存在着如下问题。

1、传统电动机交流阻抗大。若企图达到电动机的额定电流值，交流阻抗大，就必须以提高电压来补偿，为补偿而提高电压，实际上就是浪费了电功率。

2、传统电动机线圈圈数少。线圈圈数少，实际上是降低了能量利用效率。汽车起动机的电动机线圈圈数只有几十圈，最多也不超过一百圈，“三相异步电动机”每相绕组圈数也只有二百左右圈。

3、传统电动机回避了“强磁场”的概念。电机学领域提出了“弱磁控制理论”，“磁场强”会造成电动机转数下降，“强磁场”成为电机学领域电动机改革领域的禁区。“弱磁”迫使电动机永远达不到“高效率”。

4、传统电动机仅以“通电导体在磁场里的运动”及“旋转磁场”为基本原理，排除了强磁场中同性相斥级异性相吸的基本原理。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种交流阻抗低，电流大，有效转矩大，能量利用率高的强力永磁高转矩直流电动机。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种强力永磁高转矩直流电动机，它包括内转子、外转子、差速器及直流电动机智能驱动器；所述内转子与外转子的中心轴分别与差速器的内转子差速齿轮及外转子差速齿轮固定套接；所述内转子差速齿轮与外转子差速齿轮啮合；所述内转子上设有2n-1个按N与S顺序交错排列的线圈；所述外转子上设有2n个按N与S顺序交错排列的强力永久性磁极；其中：n为大于或等于2的自然数；所述直流电动机智能驱动器的信号输入/输出端口与内转子线圈的信号输入/输出端口相接。

作为一种优选方案，本发明所述内转子的半径r与外转子的内表面半径R满足：R-r=L；其中：L为中心轴偏心距。

进一步地，本发明所述内转子的半径r与外转子中心轴偏心距3mm≤L≤50mm。

进一步地，本发明所述内转子上设有9个按N与S顺序交错排列的线圈；所述外转子上设有10个按N与S顺序交错排列的强力永久性磁极。

与现有技术相比，本发明具有如下特点。

（1）本发明强力永磁高转矩直流电动机采用辐射式磁路、形成多个磁极，交流阻抗低，电流大。

（2）本发明强力永磁高转矩直流电动机线圈圈数多。每磁极线圈匝数可多达1500匝或更多，有效的提高了能量利用率。

（3）本发明强力永磁高转矩直流电动机采用了永久性强磁体。永久性强磁场与电磁场相互叠加，电动机的有效转矩增大，［合成转矩］＝［电功率产生的电磁转矩］＋［永久磁场产生的永磁转矩］。本发明强力永磁高转矩直流电动机（偏心距5.25mm）初步测算可达到：ƒ_合成转矩=0.667kg／m。如果采用更强力的永久性磁铁，预计经过以后的优化、改造，极有可能每千瓦转矩达到或超过：1.00kg/m 。

经过实际测试，以一台三相异步两极电动机直接推动一台较高效率发电机组成的机组，输入1.8kw电功率，其发电机的输出功率为1.0kw（纯电阻负载）。即：该发电机的制动转矩是三相异步两极电动机的1.8倍。由此可以推算出该发电机每千瓦制动转矩：

ƒ_{发电机制动转矩}＝0.35kg／m×1.8＝0.630kg／m 。

通过前面的测算本电动机的合成转矩已经超过了该发电机的制动转矩：ƒ_{本电动机合成转矩}=0.667kg／m＞ƒ_{该发电机制动转矩}＝0.630kg／m 。电动机的合成转矩突破了发电机的制动转矩。

以一台本发明强力永磁高转矩直流电动机直接推动一台高效率发电机组成的机组可以取代蒸汽机、内燃机等任何动力机械，可以取代充电式汽车变频调速电机成为免充电式，可以实现电气化铁路的无线化，应用于潜艇，可以常规动力，取代其核动力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明内外转子装配结构图。

图2为本发明内转子铁芯横切面图。

图3为本发明差速器装配图。

图中：1、内转子；2、外转子；3、差速器；301、内转子差速齿轮；302、外转子差速齿轮。

具体实施方式

参见图1、图2及图3所示，一种强力永磁高转矩直流电动机，它包括内转子1、外转子2、差速器3及直流电动机智能驱动器；所述内转子1与外转子2的中心轴分别与差速器3的内转子差速齿轮301及外转子差速齿轮302固定套接；所述内转子差速齿轮301与外转子差速齿轮302啮合；所述内转子1上设有2n-1个按N与S顺序交错排列的线圈；所述外转子2上设有2n个按N与S顺序交错排列的强力永久性磁极；其中：n为大于或等于2的自然数；所述直流电动机智能驱动器的信号输入/输出端口与内转子1线圈的信号输入/输出端口相接。

参见图1所示，本发明所述内转子1的半径r与外转子2的内表面半径R满足：R-r=L；其中：L为中心轴偏心距。参见图1所示，本发明所述内转子1的半径r与外转子2中心轴偏心距3mm≤L≤50mm。本发明所述内转子1上设有9个按N与S顺序交错排列的线圈；所述外转子2上设有10个按N与S顺序交错排列的强力永久性磁极。

强力永磁高转矩直流电动机，并没有实际意义上的定子，却具有两套转子：内转子（电枢）、和外转子（内置永久性强力磁极，相当于定子）；机座用来提供内转子（电枢）及外转子的不同心支撑，内、外转子各有各自的旋转轴心，两旋转轴心是由机座为之确定的，且具有确定的距离，称之为中心距或中心轴偏心距L。

机座并提供差速器、直流电动机智能驱动器、动力输出轴及其他附助配件的有效支撑。内转子置于外转子之内，两转子的转向相同，而转速不同。其两者之间的尺度关系为。

［内转子的半径r］＋［中心轴偏心距L］＝［外转子内表面半径R］。

两转子的旋转速度具有确定的转速比，该转速比是由差速器所决定的。假设本例两转子的旋转速度比为9比10，即内转子旋转10转，外转子旋转9转，然后恢复其初始（相对位置）运动状态，并重复上述运动过程。

内转子、外转子的磁极数目，与差速比密切相关，既然旋转速度比假定为9比10，那么，内转子、外转子的磁极数目，亦必须确定为9比10。小功率九比十制电动机，外转子为10个永久性磁极，内转子为9极，其中有一个磁极处于换向期，正常工作8个磁极.参见图1，由于两者之间存在：［r＋L＝R］的关系，则内转子的外表面与外转子的内表面；在A点而相切（相接近），并保持有微小的间隙，OA是电枢线圈电流换向的分界线。区域AOC是电枢电流换向的死区（死区是电动机智能驱动器中正反向电流终止区）。

内转子、外转子的磁极一一相互对应，以电流换向分界线OA为界，如果其左侧，内转子、外转子相互对应的磁极方向为同性（两相排斥），则其右侧，内转子、外转子相对应的磁极方向即为异性（两相吸引），由于中心轴偏心距的作用，两者之间在磁场作用力的作用下，便可以产生旋转力矩。其转矩的大小，与电动机内永久性磁场的磁场强度成正比，与电动机线圈的圈数成正比，当然也正比于电流强度，同时更与中心轴偏心距具有密切而复杂的关系，中心轴偏心距大，则转矩系数（转矩系数λ≈L ／1000）提高，反之，中心轴偏心距减小，转矩系数（λ）亦降低，同时，中心轴偏心距的大小，还直接影响内、外转子两者之间磁场的作用力的大小，为此中心轴偏心距的确定，在设计时须综合考虑。

另外，根据电功率的大小不同，中心轴偏心距也不同，一般设计范围在3mm～50mm左右或更大的范围内选择。

由于本发明每极线圈匝数较多，为加快每极线圈换向后的电流上升率，本发明还可配有加速电容，加速电容可有效提高工作电流，及本发明的工作效率。

本发明转矩的大小，与电动机内永久性磁场的磁场强度成正比；这一点，至关重要，传统电动机的转矩完全由所消耗的电功率来提供。强磁场不但没有提供电动机的有效转矩，反而降低了电动机的转速。

本发明电功率形成的电磁场与永久性强磁场相互叠加，本发明产生的作用力加倍，转矩加倍。其中则有一大部分有效转矩是由永久性磁场来提供的，永久性强磁场不但没有降低电动机的转速，反之，还提供了相当一部分有效转矩。

本发明的系统构成。

1、机座。

机座用来提供内转子（电枢）及外转子的“不同心”支撑（产生中心轴偏心距作用），机座并提供、差速器、直流电智能驱动器、动力输出轴及其他附助配件的有效支撑。

2、内转子（电枢）构造。

内转子亦称电枢，由转轴、内转子差速齿轮、内转子铁芯、导电滑环及电枢线圈构成，内转子铁芯类似传统的直流电动机转子，只是没有整流子换向器，铁芯冲出的齿（或称之为槽）呈辐射状，每一个齿就是一个磁极，其数目在几个或十几个左右，但是，总是比外转子少一个磁极，线圈绕制其齿上，构成电枢，依据其体积，电功率大小，内转子铁芯可以制造成5、7、9…等奇数极（电动机转速与内、外转子磁极数目无关），每极一个线圈，每极线圈电流、开、关、换向等受电动机的智能驱动控制器单独控制。内转子铁芯磁极原则上按N、S、N、S交错排列，当某磁极运动至切点（电流换向分界线OA）前时，该磁极线圈电流换向，铁芯磁极方向改变，就像旧式电磁感应式直流电动机需要换向一样，而不同的是：旧式电磁感应式直流电动机每周期须换向两次，而本发明每周期只须换向一次，本发明不同比例的差速器结构，可以产生自然换向一次的效果。

小功率九比十制电动机，其外转子为十极，内转子为九极，其中有一个磁极处于换向期，正常工作为8个磁极，内转子（电枢）轴端还装有动力输出轴及导电滑环，以提供其动力输出及转子所需电能量的通道。

3、外转子。

外转子制造成筒形结构，附装外转子差速齿轮并与内转子差速齿轮相结合，形成5比6，7比8，9比10…（优化选择）等差速比。如果其旋转速度比假设为9比10（以下同），即内转子（电枢）旋转10圈，外转子旋转9圈，然后恢复其初始（相对位置）的运动状态，并重复以上运动过程。

内转子及外转子的磁极数目与差速比密切相关，既然旋转速度比假设为9比10，那么，内转子与外转子的磁极数目亦必须确定为9比10。

外转子筒形内壁安装的强力永久性磁极，仍按N、S、N、S顺序交错排列，外转子的永久性磁极数目总是‘成对’出现，其必然产生偶数，其数目总是比内转子（奇数）多一个，假设外转子的磁极数目为2n，则内转子的磁极数目为2n－1。

4、差速器。

差速器由内转子差速齿轮和外转子差速齿轮相结合而构成，形成转速比为5比6，7比8，9比10…等经过优化选择的差速比。差速器决定了内转子及外转子两转子的转速比和中心轴偏心距，也决定了磁极数目，决定其内转子及外转子两者转向相同，而转速不同。差速器保证了内转子及外转子的磁极在任何时刻及任何角度上都可以准确相互对应，保证本发明每周期节约了一次电流换向过程。

5、直流电动机智能驱动器。

驱动器采用现代电力电子开关技术，控制内转子（电枢）各线圈之电流，于适当时刻开通、关断、换向等动作，实现智能控制。

由于本发明每周期只换向一次，如果本电动机每分钟转数在3000转，则换向频率只有25Hz（传统电动机每分钟转数在3000转时，每周期换向两次则换向频率为50Hz），其换向产生的交流阻抗显著降低，这一点，至关重要，从根本上降低了由于电流换向产生的交流阻抗值。有利于提高电动机的工作效率。

6、加速电容。

由于本发明每极线圈匝数较多，为加快每极线圈换向后的电流上升率，本机还可配有加速电容，加速电容有效的提高了工作电流，及本机的工作效率。

本次测试每极采用的强力永久性磁铁样品规格为 62×64×16。实验测定获得数据如下：每块（距离相同等体积铁磁性物资）产生的引力值，详细见下表。

表1 永久性磁铁样品引力测试值。

表2内、外转子《磁极》在不同角度的距离。

本发明转矩的大小与电动机内永久性磁场的磁场强度成正比。经过试验测定：只要电磁场形成的磁通量接近或等于永久性强磁场的磁通量就可以完全达到本发明的设计指标。

本发明统计的所有数据，其电动机消耗电功率为1.5kw。数据表明永久性强磁场对电动机转矩的贡献率超过百分之六十。

由于两者之间存在：［r＋L＝R］的关系，则内转子的外表面与外转子的内表面在A点而相切，并保持有微小的间隙。

内转子与外转子的磁极一一相互对应，以电流换向分界线OA为界，如果在其右侧，内、外转子的磁极为异性，电磁场形成的磁通量与永久性强磁场的磁通量相叠加，作用力加倍；则左侧，内转子与外转子相互对应的磁极方向为同性，电磁场形成的磁通量‘解除’了永久性强磁场的吸引力，形成‘两相排斥’。

由于中心轴偏心距的作用，两者之间便可以产生转动力矩。其转矩的大小，与电动机内永久性磁场的磁场强度成正比，与电动机线圈的圈数成正比，当然也正比于电流强度，同时更与中心轴偏心距具有密切而复杂的关系，中心轴偏心距大，则转矩系数（转矩系数λ≈L ／1000）提高，反之，中心轴偏心距减小，转矩系数（λ）亦降低，同时，中心轴偏心距的大小，还直接影响内、外转子两者之间磁场的作用力的大小，为此中心轴偏心距的确定，在设计时须综合考虑。

通过前面的分析，合成转矩其中则有一大部分是由永久性磁场来提供的，永久性强磁场不但没有降低电动机的转速，反之，还提供了相当一部分有效转矩。根据本发明初步测算强力永磁高转矩直流电动机每千瓦转矩可达到或超过：ƒ合成转矩=0.667kg／m。

如果采用更强力的永久性磁铁，预计经过以后的优化、改造，极有可能每千瓦转矩达到或超过： ƒ合成转矩=1.00kg/m 。 小功率［九比十制］电动机1／2转矩值，表中例出来小功率［九比十制］电动机1／2 转矩计算值，实际值须乘2。

表3电功率1.5kw偏心距5.25mm1／2转矩值。

	磁极角度	内、外极距离	引力值	λ≈L ‰	1／2 转矩值
						1	20.0º	1.16mm	55.0kg	1.8 ‰＝0.099kg／m	――
2	60.0º	3.52mm	47.0kg	4.6 ‰＝0.216kg／m	――
						3	90.0°	5.25mm（偏心距）	――	――――――	――
4	100º	5.25＋0.57＝5.82mm	27.0kg	5.1 ‰＝0.138kg／m	――
						5	140º	5.25＋2.94＝8.19 mm	13.0kg	3.6 ‰＝0.047kg／m	合计 0.500 kg／m

电功率1.5kw偏心距5.25mm 1／2 转矩值为：0.500 kg／m（内、外极距参考附表2）。

实际转矩值为：0.500 kg／m×2÷1.5kw＝0.666 6kg／m≈0.667kg／m.。

表4偏心距6.0mm 1／2转矩值。

由（表3、4）可以看出，偏心距不同，转矩值也不同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种强力永磁高转矩直流电动机，其特征在于，包括内转子（1）、外转子（2）、差速器（3）及直流电动机智能驱动器；所述内转子（1）与外转子（2）的中心轴分别与差速器（3）的内转子差速齿轮（301）及外转子差速齿轮（302）固定套接；所述内转子差速齿轮（301）与外转子差速齿轮（302）啮合；所述内转子（1）上设有2n-1个按N与S顺序交错排列的线圈；所述外转子（2）上设有2n个按N与S顺序交错排列的强力永久性磁极；其中：n为大于或等于2的自然数；所述直流电动机智能驱动器的信号输入/输出端口与内转子（1）线圈的信号输入/输出端口相接。

2.根据权利要求1所述的强力永磁高转矩直流电动机，其特征在于：所述内转子（1）的半径r与外转子（2）的内表面半径R满足：R-r=L；其中：L为中心轴偏心距。

3.根据权利要求2所述的强力永磁高转矩直流电动机，其特征在于：所述内转子（1）的半径r与外转子（2）中心轴偏心距3mm≤L≤50mm。

4.根据权利要求3所述的强力永磁高转矩直流电动机，其特征在于：所述内转子（1）上设有9个按N与S顺序交错排列的线圈；所述外转子（2）上设有10个按N与S顺序交错排列的强力永久性磁极。