CN108039783A - 永磁直流电机 - Google Patents

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丁颖颖
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Abstract

本发明提供了一种永磁直流电机，该电动机的定子和转子都是凸极结构，其主要技术特征：一是利用了磁场吸引铁磁质的属性，并且将该吸引力变为转子的驱动力；二是定子和转子凸极沿轴向设计为双凸极结构形式；三是绕在各定子凸极上的线圈串联后共分为两组独立的定子线圈绕组，每组线圈绕组上分别串联一个磁力开关，并且两组线圈绕组成并联关系；四是两个磁力开关控制两组线圈绕组交替接通与断开线路；再就是转子凸极分为永磁凸极和转子铁芯凸极，且永磁凸极和转子铁芯凸极的个数相等。有益效果：一是与传统的有刷直流电机相比较其结构简单、使用寿命长，因为本发明只需在定子上安装两个磁力开关即可，无需碳刷及换向装置；二是节能效果好。

Description

永磁直流电机
技术领域
本发明涉及直流电机领域，具体涉及一种永磁直流电机。
背景技术
在直流电机领域中，有刷和无刷直流旋转电机产品已经系列化，正向着使用方便、节能效果好、安全可靠的方向发展。基于此设计发明了永磁直流电机，以满足目前日趋繁荣的工农业生产的需求。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种与有刷和无刷直流电机相比较，节能效果明显的永磁直流电机。该直流电机的定子和转子都是凸极结构，主要技术特点：一是利用了磁场吸引铁磁质的属性，并且将该吸引力变为转子的驱动力；二是定子凸极和转子凸极沿轴向设计为双凸极结构形式，定子铁芯由多个独立的定子凸极组成；三是绕在各定子凸极上的线圈串联后共分为两组独立的定子线圈绕组，每组线圈绕组上分别串联一个磁力开关，并且两组线圈绕组成并联关系；各个定子凸极靠铁磁质连接定位件连接在一起；四是两个磁力开关控制两组线圈绕组交替接通与断开线路；再就是转子上分为永磁凸极和铁芯凸极，并且永磁凸极和铁芯凸极的个数相等。本发明分为定子四凸极(简称定子四极)、定子六极等不同型号的永磁直流电机。对于某一型号的永磁直流电机来说，定子凸极数是转子永磁凸极数的两倍。
为了说明永磁直流电机的结构形式和工作原理，下面结合附图加以说明。
结构形式
本发明主要由定子和转子两部分组成，附图1-3表示一台定子四极永磁直流电机的结构示意图。其中附图2是附图1沿A-A向的剖视图、附图3是附图1沿B-B向的剖视图。在附图中，其定子部分主要由壳体<101>和定子凸极及凸极上缠绕的线圈、定子凸极连接件以及磁力开关等元件组成；转子主要由转轴<300>、转子铁芯<301>及永磁体等元件组成。所述的定子凸极沿轴向分为左右两部分组成，其两部分的结构形式完全相同、定子凸极的个数相等；两部分上的定子凸极沿轴向一一对应、并且成一条直线安装在壳体<101>上；沿轴向相对应的两个凸极上缠绕的线圈串联为一个线圈绕组。如附图2和附图5所示，凸极211和213上的两个线圈绕组串联为一组绕组、凸极212和214上的两个线圈绕组串联为一组绕组；两组绕组成并联关系，且分别与磁力开关241和242串联。如附图1所示，沿轴向左右两定子凸极铁芯之间设有定位件<251>；如附图2所示，沿圆周方向左右两个定子凸极之间设有铁磁质连接定位件<221>、<222>、<223>、<224>，各定位件的长度贯穿左右两个定子凸极铁芯；连接定位件的作用，一是用于各定子凸极的定位、二是作为定子凸极磁场的一部分导磁磁路。所述的转子凸极沿轴向也分为左右两部分，两部分的结构形式完全相同；每一部分转子铁芯都由圆环状、薄硅钢片叠压而成；转子铁芯<310>上的凹槽用于镶嵌永磁体<321和322>；所述的永磁体，沿轴向左侧和右侧永磁体的外弧面磁极极性相反；同一侧永磁体的外弧面的磁极极性相同。另外，两个磁力开关241和242分别安装在其中一个定子凸极<212>的两侧。
工作原理
参见附图1-6，由于本发明所述的永磁直流电机左右两侧的结构形式相同，所以在说明其工作原理时，可根据附图2所示的电机左侧沿A-A向的剖视结构图加以说明。
在附图1和附图2中，当转子上的永磁体321和永磁体322的外弧面为N极，并且永磁体321的极面与定子凸极211的内弧面沿顺时针有一个旋转角δ、磁力开关241接通线路、磁力开关242断开线路。此时转子永磁体的磁路：左侧永磁体321的N极→转子与定子凸极<211>之间的气隙→定子凸极<211>→连接定位件<221>、<224>→右侧与211凸极对应的定子凸极→定子右侧的凸极与转子右侧永磁体S极之间的间隙→右侧永磁体S极→转子铁磁质转轴300→左侧永磁体的N极。当定子线圈231、233接通直流电源、且电流在凸极211和凸极213上产生的磁场都为N极时。根据同性磁极磁场相互排斥、异性磁极磁场相互吸引的属性，此时定子凸极211的磁场和转子永磁体321的磁场的相互排斥作用，使转子按顺时针旋转；右侧永磁体322的磁场与定子凸极213磁场的排斥作用结果，也使转子按顺时针旋转。如附图3所示，在这期间，由于沿轴向左侧的某一定子凸极和右侧的某一凸极在同一条直线上、且两凸极上绕的线圈串联连接、且右侧凸极的电流产生的磁场显示为S极右侧转子永磁凸极也为S极，所以右侧转子永磁磁场与定子凸极线圈电流产生磁场相互作用，也产生使转子按顺时针旋转的驱动力。
同理，当永磁体321旋转至接近磁力开关242接通线路、磁力开关241断开线路时，定子凸极212和凸极214上产生的磁场都显示为N极。此时定子凸极磁场和转子永磁体磁场的相互排斥作用，也使转子也按顺时针旋转。以此时序，永磁直流电动机便正常旋转下去。附图2-3中，箭头所指的方向表示转子旋转的方向。
永磁直流电机的可逆性
以上所述是永磁直流电机作为电动机使用的基本原理。如附图4-6所示，是转子在外力的拖动下顺时针旋转、磁力开关242接通线路、磁力开关241断开线路的瞬间位置示意图。此时，永磁体321和322穿过定子凸极212和214的磁通量逐渐减少，在线圈232和234内感应产生电动势；该电动势使通过负载245的电流是直流，其负载的下端为正(用“+”表示)、上端为负(用“-”表示)。当转子继续顺时针旋转，磁力开关241接通线路、磁力开关242断开线路。此时，永磁体321和322穿过定子凸极213和211的磁通量逐渐减少，在线圈233和231内感应产生电动势。通过负载245的电流也是直流，其负载的下端也为正、上端也为负。可见，永磁直流电机也可以作为直流发电机使用。
节能原理
本发明作为电动机使用时的节能原理：参见附图7-8，当闭合电源开关244、磁力开关241接通线路、磁力开关242断开线路时，电流在凸极211和凸极213上产生的磁场都为N极，定子凸极的N极磁场和永磁体的N极磁场相互排斥产生使转子顺时针旋转的作用力f1、两块永磁体的N极磁场分别吸引定子凸极212和214产生使转子顺时针旋转的作用力f2、定子凸极211和凸极213的电流产生的磁场(N极)分别吸引铁芯凸极312和凸极311产生使转子顺时针旋转的作用力f3。作用在转子上的驱动力为：f1+f2+f3，其中驱动转子旋转的作用力f2，是利用永磁体的磁场吸引铁磁质定子凸极产生的，该作用力没有消耗直流电源提供的能量。所以本发明作为电动机使用时具有节约能源的效果。
本发明作为发电机使用时的节能原理：参见附图9，当外力拖动转子顺时针旋转，磁力开关241接通线路、磁力开关242断开时，穿过线圈231和233的磁通量逐渐减少而产生感应电流。此时，该线圈电流在定子凸极211和凸极213上产生的磁场都为S极，该磁场与永磁磁场的相互吸引力(用“f1”表示)产生阻止转子顺时针旋转的阻转矩；在此其间，永磁体321和322的磁场分别吸引定子凸极212和214产生使转子按顺时针旋转的驱动力(用“f2”表示)；定子凸极211和凸极213上的磁场吸引铁芯凸极312和311产生使转子按顺时针旋转的驱动力(用“f3”表示)。同理，当转子继续顺时针旋转，磁力开关241断开线路、磁力开关242接通时，穿过线圈232和234的磁通量逐渐减少而产生感应电流。该线圈电流在定子凸极212和凸极214上产生的磁场也都为S极，该磁场与永磁磁场相互吸引力产生阻止转子顺时针旋转的阻转矩；在此其间，永磁体321和322的磁场分别吸引定子凸极213和211产生使转子按顺时针旋转的驱动力；定子凸极212和凸极214上的磁场吸引铁芯凸极312和311产生使转子按顺时针旋转的驱动力。作用在转子上的外驱动力为：f1-(f2+f3)。可见，其中驱动转子旋转的作用力f2，是利用永磁体的磁场吸引铁磁质定子凸极产生的，该作用力并没有消耗外力提供的能量，所以本发明作为发电机使用时也具有节约能源的效果。
有益效果及弱点
本发明的有益效果：一是与传统的有刷直流电机相比较其结构简单、使用寿命长，因为本发明所述的直流电机只需在定子上安装两个磁力开关即可，无需碳刷及换向装置；二是节能效果好，因为本发明不管是作为电动机使用还是作为发电机使用，都合理地利用了磁场吸引铁磁质的属性，并且将该吸引力转化为转子旋转的驱动力。弱点：一是定子绕组只能采用凸极缠绕式而不能采用内嵌式；二是装配组装工序较复杂；三是转子旋转具有方向性，也就是只能按设计的一个方向旋转而不能反向旋转。
附图说明
附图1表示永磁直流电机的基本结构和工作原理示意图。
附图2和附图3分别表示附图1沿A-A方向和B-B方向的剖视示意图。
附图4表示永磁直流电机的工作原理示意图。
附图5和附图6表示永磁直流电机工作时的线路示意图。
附图7表示永磁直流电机作为电动机使用时的线路示意图。
附图8表示永磁直流电机作为电动机使用时作用在转子上各个作用力的示意图。
附图9表示永磁直流电机作为发电机使用时作用在转子上各个作用力的示意图。
附图10和附图11表示永磁直流电机作为电动机使用的启动原理及结构示意图。
附图12表示定子六极永磁直流电机的结构和工作原理示意图。
<101>壳体，<211>、<212>、<213>、<214>表示定子凸极，<221>、<222>、<223>、<224>表示铁磁质连接定位件，<231>、<232>、<233>、<234>表示定子凸极线圈，<241>、<242>表示磁力开关，<243>表示整流器，<244>表示电源开关，<245>表示负载，<251>表示定位件，<252>表示非铁磁质凸极，<300>表示转子转轴，<310>表示转子铁芯，<311>、<312>表示铁芯凸极，<321>、<322>表示转子永磁体，
具体实施方式
下面结合附图对本发明做作进一步说明。
永磁直流电动机启动性能的设计方案
为了确保本发明作为电动机使用时具有良好的启动性能，必须确定该电机启动时转子的初始位置，否则可能会导致电动机无法启动。如附图2所示，当定子线圈绕组切断电源转子会在转子永磁体吸引定子凸极的作用下快速停止旋转，其转子停止的位置有两个，一个是转子两块永磁磁极极面与定子凸极211和213相对应、一个是与定子凸极212和214相对应。由于永磁体磁极极面弧度和定子凸极的内弧面弧度基本相等，所以这两个位置都不能使磁力开关导通。这样即使电动机接通电源244定子线圈绕组内也没有电流，故电动机不能启动。所以必须在转子断电静止时，使转子永磁体的磁极极面与定子凸极极面相差一个旋转角度δ、使其中的一个磁力开关导通，才能做到电动机通电即可启动。
采用的技术方案：参见附图10和附图11，本发明的为双凸极结构形式，图中将定子凸极任意一侧的凸极按一定的规律去掉一部分，并且将去掉的这部分改为非铁磁质材料。根据永磁体磁场吸引铁磁质定子凸极的属性，当转子停止时，转子会向非铁磁质材料凸极252相反的方向旋转一个角度。这个角度能够使两个磁力开关中一个处于导通状态，所以当电机定子线圈绕组接通电源时，电动机的转子会向着非铁磁质材料凸极相反的方向旋转。附图10表示把每个定子凸极都从圆心看去将左侧一端去掉一部分改为非铁磁质材料的示意图；附图11左图表示将定子凸极211的一部分改为非铁磁质材料凸极252的示意图，右图表示定子凸极211的左视图。在附图10中，由于转子停止时向顺时针方向旋转一个角度、磁力开关241导通、242断开，所以当永磁直流电动机接通直流电源时，转子能立刻启动顺时针旋转。
附图10表示定子四极永磁直流电机的示意图，其设计旋转方向为顺时针；即可作电动机使用也可作发电机使用。当本发明作为直流发电机使用时，无需考虑转子永磁体与定子凸极的启动角度，只需考虑拖动转子的旋转方向与永磁直流发电机的设计旋转方向相同即可。
本发明的直流电机有多种型号，附图12表示定子六极永磁直流电机的结构和工作原理示意图，该电机的设计旋转方向为逆时针；因设有启动非铁磁质凸极<252>，所以即可作电动机使用也可作发电机使用。工作原理和定子四极的永磁直流电机相同，只是定子凸极和转子凸极的数量增多了。
另外，在以上所述的定子凸极、铁磁质连接件和转子铁芯<310>，都是用薄硅钢片叠压而成；所述的磁力开关(241和242)，也可选用其它具有相同功能的接近开关；所述的转子永磁凸极，其沿轴向左侧和右侧的永磁凸极外弧面的磁极极性相反。

Claims (5)

1.一种永磁直流电机，其特征是：定子和转子都为凸极结构，并且沿轴向设计为双凸极结构形式；定子铁芯由多个独立的定子凸极组成；绕组定子凸极上的线圈串联后共分为两组独立的定子线圈绕组，每组线圈绕组上分别串联一个磁力开关(241和242)，并且两组线圈绕组成并联关系；各个定子凸极靠铁磁质连接定位件连接在一起；两个磁力开关控制两组线圈绕组交替接通与断开线路；转子铁芯(310)上的凹槽用于镶嵌永磁体(321和322)；转子上分为永磁凸极和转子铁芯凸极，并且永磁凸极和转子铁芯凸极的个数相等；对于某一型号的永磁直流电机来说，所述的定子凸极数是转子永磁凸极数的两倍。
2.根据权利要求1所述的永磁直流电机，所述的两个磁力开关(241和242)分别安装在其中一个凸极(212)的左右两侧。
3.根据权利要求1所述的永磁直流电机，所述的磁力开关(241和242)，也可选用其它具有相同功能的接近开关。
4.根据权利要求1所述的永磁直流电机，所述的定子凸极、铁磁质连接件和转子铁芯(310)，都是用薄硅钢片叠压而成。
5.根据权利要求1所述的永磁直流电机，所述的转子永磁凸极，其沿轴向左侧和右侧的永磁凸极外弧面的磁极极性相反。
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