CN108141121B - 电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动机，其包括：(A)转子，该转子包括：(a)同中心的轴和盘；(b)多个永磁体，它们等角度间隔并等半径地设置在所述盘上；(B)定子，该定子包括：(c)等角度间隔且等半径设置的多个螺线管，每个所述螺线管具有螺线管芯，该螺线管芯又具有矩形的横截面、腔和盘槽；以及(d)每个所述螺线管内的线圈；其中所述转子盘定位在所述螺线管盘槽内，并且所述永磁体布置成使得当所述转子盘旋转时，所述永磁体可以旋转的方式穿过所述螺线管芯的所述腔。

Description

电动机
技术领域
本发明涉及电动机领域。更具体地，本发明涉及一种电动机，该电动机包括放置在定子上的螺线管以及放置在盘式转子上的永磁体。
背景技术
旋转型电动机是众所周知的，并且从许多年前至今已经广泛用于将电能转化为机械能。典型的电动机包括转子和定子。
转子是电动机的运动部件，它包括将旋转传递给负载的转轴。转子通常具有置于其内的导体，导体承载与定子的磁场相互作用的电流以产生转动轴的力。在另一个替代方案中，转子包括永磁体，而定子固持着导体。
相反，定子是电动机的电磁回路的固定部件，通常具有绕组或永磁体。定子芯通常由许多称为叠片的薄金属片构成。叠片用来减少在使用实芯时会导致的能量损失。
电动机也可以用在反向功能中，将机械能转换为电能，并且在这种情况下，电动机实际上是发电机。
然而，在电动机工作以将电能转换为机械能时，在电动机内产生寄生磁通量，除了产生期望的机械能以外，还产生电能。这种寄生电能实际上降低了从电动机获得的总机械能。电动机内部产生的电能在3000Rpm处可达到总能量的80％，在100Rpm处可达到总能量的20％。为了消除典型电动机结构固有的这种大量寄生能量的全部尝试已经达到了一定极限，但是它们不能完全消除这种寄生。
US 8,643,227公开了一种使用在螺线管内移动的永磁体的线性马达。
本发明的一个目的在于提供一种电动机的新结构，其中基本上消除了由于反向磁通量而在现有技术的电动机中引起的电压产生形式的寄生能量。
本发明的另一个目的在于提供一种能够以非常高的转速工作的电动机。
本发明的另一个目的在于提供一种更安全的电动机，其能够以非常低的电压输入工作。
本发明的另一个目的在于提供一种具有简单且便宜的结构的电动机。
本发明的另一个目的在于提供一种与现有技术的电动机相比具有提高的效率的电动机。
随着描述的进行，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。
发明内容
本发明涉及一种电动机，其包括：(A)转子，该转子包括：(a)同中心的轴和盘；(b)多个永磁体，其等角度间隔并等半径地设置在所述盘上；(B)定子，该定子包括：(c)多个螺线管，其等角度间隔且等半径地设置，每个所述螺线管具有螺线管芯，该螺线管芯又具有矩形的横截面形状、腔和盘槽；以及(d)每个所述螺线管内的线圈；其中所述转子盘定位在所述螺线管盘槽内，并且所述永磁体布置成使得当所述转子盘旋转时，所述永磁体可以旋转的方式穿过所述螺线管芯的所述腔。
在本发明的一个实施例中，螺线管的线圈是单匝线圈。
在本发明的另一实施例中，螺线管设置在定子基座上。
在本发明的又一实施例中，在转子的任意两个相邻的永磁体之间设置铁磁杆，从而形成闭合环。
在本发明的又一实施例中，向螺线管的所述线圈提供方向交替反转的直流电流。
在本发明的又一实施例中，电动机还包括一个或多个传感器，用于分别感测一个或多个所述永磁体相对于所述螺线管的位置，并用于分别改变直流电流的方向。
在本发明的又一实施例中，所述一个或多个传感器中的每一个是霍尔型传感器。
在本发明的又一实施例中，直流电流方向的所述改变由控制器引起，并且其中所述改变由接收自所述一个或多个传感器的信号来定时。
根据本发明的一个实施例，相邻的永磁体的磁极以S-S，N-N，S-S...的方式排列布置成使得相同的磁极彼此面对。
根据本发明的一个实施例，螺线管的单匝线圈由穿过所有螺线管的单导体形成。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的电动机的基本结构；
图2a示出了根据本发明实施例的每个定子螺线管的基本形状；
图2b以更详细的视图示出了本发明的螺线管芯；
图3示出了本发明的转子的结构；
图4a示出了通常形式的螺线管的单匝线圈的结构；
图4b示出了通常形式的螺线管的单匝线圈的结构，为了清楚起见，电动机的其它部件被移除；
图4c是示出单导体如何穿过所有螺线管以形成多个单匝螺线管的俯视图；
图5示出了本发明的电动机的线圈系统，线圈系统还包括次级线圈；以及
图6示出了本发明的电动机的原型。
具体实施方式
如上所述，现有技术的典型电动机除了电动机原本计划产生的机械(旋转)能之外，还受到明显的寄生磁通量的影响，这导致产生电能。这样的寄生电能的生成导致能量的显著损失。本发明几乎完全消除了这种能量损失。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电动机10的基本结构。电动机10主要包括转子20和定子30。定子30又包括多个螺线管31a-31h，这些螺线管31a-31h等角度地间隔并等半径地固定到优选为圆形的定子基座32。术语“等半径地”(在此为了简洁起见而使用)假设了圆形的定子基座30。然而，定子基座30可以具有任何形状，并且在这种情况下，所有的螺线管被放置在距中心点相同的距离处。图2a示出了每个螺线管31的基本形状。螺线管包括基本上为矩形(横截面)的螺线管芯33，螺线管芯33又具有矩形腔34。此外，螺线管芯33具有相对较窄的盘槽35以及线圈槽36(如图2b所示)。同样如图3所示，转子20又包括轴21、盘22和放置在其上的多个永磁体23a-23h。如图所示，多个永磁体23具有适于穿过螺线管芯33的腔34的横截面形状。另外，全部所述永磁体23也等角度地间隔并且等半径地设置在盘22上，该盘22的深度被设计成，以如图1所示的方式分别穿过螺线管芯33的所述多个盘槽35(如图2b所示)中的每个。
如图1所示，永磁体23被布置在转子盘22上，使得任意两个相邻磁体的相同极分别彼此面对(即，S极面对S极，N-N，S-S...排列)。在一个实施例中，如图3所示，在任意两个相邻的磁体23之间设置有铁磁(例如，铁)杆25。因此，所有永磁体23的组与在相邻的磁体之间的所有铁磁杆25的组，共同形成分别穿过螺线管31的组的所有腔34的圆环形结构，从而在环形布置被连续地保持在螺线管34的所述腔内时，允许转子盘22的自由旋转。
定子30的螺线管31是单匝螺线管，其中单导体线路以如图4a、图4b和图4c所示的方式穿过所有的多个螺线管。图4a是示出单导体37如何形成全部螺线管31的俯视图，而图4b是仅示出单导体37的整个路径的类似视图，而为了更清楚起见，其余的电动机部件(例如螺线管芯33、定子基座32、转子盘22等)从图中移除。更具体地，单导体37的路线开始于第一螺线管31a的芯33a的线圈槽36内，沿着槽向上，然后在芯33a上方处于径向向内方向，然后沿着槽36a向下朝向盘22，然后在盘22上方(在不接触盘的情况下)朝向第二螺线管31b，然后沿着槽36b向上，然后沿着槽36b径向向外，然后沿着槽向下，然后径向向内(在图4a中未示出，但是在图4b中示出)，然后在盘22下方朝向螺线管31c，然后沿着槽36c径向地然后向上并沿着槽36c径向向内，等等。单导体的路线以这种方式继续沿着所有的多个螺线管行进，并且终止于第一螺线管31a。尽管在图4a和4c中未示出，但是单导体的路径不形成闭合环路，而是形成一个开放结构(如图4b所示)，其中单导体37的两个端部38设置在一个螺线管旁边，例如，在第一螺线管31a旁边。电动机的操作电流经由单导体37的所述两端供电。导体37的所述“开环”结构(如图4b所示)事实上分别形成多个单匝螺线管。
优选地，“开环”的单导体37是由多个纤维构成的利兹(Litz)型导体。开环结构由直流电流供电，每当永磁体通过螺线管芯33的腔34(事实上，多个永磁体同时穿过螺线管31的相应腔34)，其方向改变。一个或多个霍尔型传感器39分别位于一个或多个螺线管内，以感测磁体通过腔34的时间，同时相应的感测信号被传送到控制器(未示出)，而控制器在每当永磁体的中心分别穿过腔34时，切换通过导体的直流电流的方向。应当注意的是，直流电流的方向必须准确地及时改变，否则电动机的转动将停止，或将不规则或低效率。向单匝螺线管供应直流电流实际上是拉动最近的永磁体，使得盘朝向螺线管旋转，并且在通过螺线管时，反向的直流电流进一步推动永磁体离开螺线管。盘22以这种方式旋转。
应该注意的是，螺线管的单匝线圈导致非常低的电感。每个线圈的低电感允许它们以很高的频率非常快速地切换直流电流的方向。这一事实允许电动机以非常高的旋转速度运行。
在又一替代方案中，除了使用利兹型导体之外，可以在每个螺线管内使用叠片型芯。
图6示出了根据本发明又一实施例的电动机的线圈系统。图6的线圈系统还包括次级线圈51。当需要引起电动机旋转的快速停止时，主(单匝)线圈37的供电终止，而直流电流提供给次级线圈51。与由单导体37制成的主(单匝)线圈相反，次级线圈可以包括多匝。
已经发现，在转子盘处的任意两个永磁体之间使用铁磁杆导致极低的寄生电压生成，并且这相比于现有技术的电动机导致电动机效率的明显提高。
示例
图5示出了根据本发明构建的电动机的原型。发现本发明的电动机能够以非常低的电压供应和高电流来操作。在该示例中，原型电机以每分钟8000转的速度旋转，供应电流为150A，输入电压大约为2-5V。还发现本发明的电动机中的寄生电压生成非常低，为20mV的量级。测量每100安培的扭矩为14Nm。
虽然已经通过说明的方式描述了本发明的一些实施例，但是显而易见的是，本发明在实践中可以进行许多修改、变化和改变，并且本领域技术人员可以使用在本发明的范围内的许多等同物或替代解决方案，而不脱离本发明的精神或超出权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种电动机，包括：
(A)转子，其包括：
a.同中心的轴和盘；以及
b.多个永磁体，所述多个永磁体等角度间隔并且等半径地设置在所述盘的顶表面上；
以及，
(B)定子，其包括：
c.多个螺线管，其等角度间隔并且等半径地设置，每个所述螺线管具有螺线管芯，所述螺线管芯又具有矩形形状的横截面、腔和盘槽；以及
d.线圈，所述线圈缠绕定位在每个所述螺线管芯的外表面上的线圈槽，以及其中所述线圈交替穿过位于相邻的螺旋管芯之间的分别位于所述盘上方和下方的区域；
其中所述转子盘定位在所述螺线管盘槽内，以及所述永磁体被布置成使得当所述转子盘旋转时，所述永磁体能够以旋转的方式穿过所述螺线管芯的所述腔。
2.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述螺线管的线圈是单匝线圈。
3.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述螺线管设置在定子基座上。
4.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述转子的两个相邻的永磁体之间设置有铁磁杆，由此形成闭合环。
5.根据权利要求1所述的电动机，其中，向所述螺线管的所述线圈供给方向交替反转的直流电流。
6.根据权利要求5所述的电动机，还包括一个或更多个传感器，用于分别感测一个或更多个所述永磁体相对于所述螺线管的位置，以及用于分别改变所述直流电流的方向。
7.根据权利要求6所述的电动机，其中，所述一个或多个传感器中的每一个是霍尔型传感器。
8.根据权利要求6所述的电动机，其中，所述直流电流方向的所述改变由控制器引起，以及其中，所述改变由接收自所述一个或多个传感器的信号来定时。
9.根据权利要求6所述的电动机，其中，相邻的所述永磁体的磁极以S-S，N-N，S-S的排列布置成使得相同的磁极彼此面对。
10.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述螺线管的所述单匝线圈由穿过全部所述螺线管的单导体形成。
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