CN108322001A - 一种变流变速无换向永磁直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变流变速无换向永磁直流电动机，属于直流电机领域，以解决现有直流电动机要克服永磁定子对转子的磁拉力，会消耗大量电能的问题。它包括机座、线圈内转子、永磁内定子、线圈外转子、永磁外定子,它还包括转子轴、转子轴支座、转子轴磁悬浮内套、转子轴磁悬浮外套、支座磁悬浮内套、支座磁悬线圈外套，所述转子轴的两端设置在两个转子轴支座的支座轴承中，所述转子轴紧固套装在线圈内转子的内腔中，线圈内转子两端外径口里套装转子轴磁悬浮内套，转子轴磁悬浮外套紧固套装在永磁内定子的两端内径口里。本发明根据需求可制造出大功率超高速永磁直流电动机或发电机，适合电动汽车、工矿企业等需要动力或发电的领域。

Description

一种变流变速无换向永磁直流电动机

技术领域

本发明属于直流电机领域，具体涉及一种变流变速无换向永磁直流电动机。

背景技术

直流电动机根据磁场结构分径向磁场和轴向磁场，励磁方式分永磁励磁和绕组铁芯励磁，它们有一个共同点，由于受尺寸等结构性限制，永磁材料不能大体积、大质量的应用，所以永磁能利用率低、并且还要对电流进行换向，耗电量大。现有永磁直流电动机采用电磁线圈，轴向环绕在径向环状圆桶铁芯上，并设置在单一极性的圆桶状永磁定子内腔中，它的原理是；永磁定子与转子铁芯产生的磁场对处在磁场中电磁线圈的一边产生磁场力，但存在的问题是永磁定子对转子线圈铁芯要有很强的吸引力，能否旋转不说，转子线圈铁芯旋转时，首先要克复永磁定子对转子的这种磁拉力，会消耗大量的电能。

发明内容

本发明的目的是提供一种变流变速无换向永磁直流电动机，以解决现有直流电动机要克服永磁定子对转子的磁拉力，会消耗大量电能的问题。

本发明采用的技术方案是：一种变流变速无换向永磁直流电动机，包括机座、线圈内转子、永磁内定子、线圈外转子、永磁外定子, 线圈内转子设置在永磁内定子的内腔中，永磁内定子设置在线圈外转子的内腔中，线圈外转子设置在永磁外定子的内腔中，永磁外定子设在机座上；它还包括转子轴、转子轴支座、转子轴磁悬浮内套、转子轴磁悬浮外套、支座磁悬浮内套、支座磁悬线圈外套，所述转子轴的两端设置在两个转子轴支座的支座轴承中，所述转子轴紧固套装在线圈内转子的内腔中，线圈内转子两端外径口里套装转子轴磁悬浮内套，转子轴磁悬浮外套紧固套装在永磁内定子的两端内径口里，线圈内转子与永磁内定子两端口紧固套装有线圈内转子轴承，所述转子轴两端紧固套装有支座磁悬浮内套，永磁磁悬浮外套紧固在转子轴支座上，并套装在永磁磁悬浮内套上。

做为本发明的进一步改进，线圈内转子的两端设有转子轴键槽和线圈内转子轴承卡槽，转子轴轴承卡簧卡在转子轴轴承卡槽内。

做为本发明的进一步改进，所述转子轴上靠近线圈内转子的位置设有导线引入空心轴孔，转子轴的端部设有导线引出空心轴孔。

做为本发明的进一步改进，在转子轴的两侧套装有法兰盘，法兰盘紧固在外线圈转子上。

做为本发明的进一步改进，永磁内定子是有轴向同心圆的钢桶，外径套装永磁材料制成的圆桶构成，充磁后外径形成单一的S极或N极，永磁外定子是由永磁材料制成的轴向同心圆的圆桶紧固套装在机座内腔中构成，充磁后，内径形成单一的N极或S极。

做为本发明的进一步改进，永磁内定子为永磁材料定子时，永磁外定子用高导磁材料制成的定子或者为增大功率也可将该材料开槽绕制线圈使其成为单一的励磁磁场，为节省制造成本，此时，内定子也可用高导磁材料制成。

做为本发明的进一步改进，线圈内转子、线圈外转子设置为单匝多组绕组，其适用于低电压大电流，或者设置为多匝多组绕组，其适用于高电压小电流。

做为本发明的进一步改进，上述的一种变流变速无换向永磁直流电动机可做为直流发电机使用。

本发明在轴承旁设置了永磁磁悬浮内、外套，减小了轴承磨擦阻力、延长了使用寿命。本发明去除了碳刷，在空心转子轴端头设置安装了液体导电盒，降低了维护成本。为进一步降低成本，永磁外定子可用轴向同心圆的硅钢片铁芯轴向开2-N槽，在用大平方漆包扁铜线将其绕制成单一极性的励磁铁芯，电源正极引入励磁绕组，以串联电路从励磁绕组引出，连接在液体导电盒的正极，液体导电盒的负极与电源负极联接。

本发明有益效果是：永磁外定子可以做成径向或轴向大体积、大质量（磁感强度与体积、质量有关）的定子，与永磁内定子构成强磁场，为线圈外转子提供更强的磁场力，与现有直流电动机相比，以本发明制造的电动机转子线径增大，耗电量就会减小，电功率一定时，永磁定子磁感强度增大，输出的轴功率就会增大。转子线圈无铁芯、无铁损、转矩响应快、永磁能利用率高、耗电量小，通过电流变阻器，调整电流，就可变速，并且无需换向系统，改变了永磁直流电机电流换向的历史，是一种新型节能直流电动机，根据需求可制造出大功率超高速永磁直流电动机或发电机，适合电动汽车、工矿企业等需要动力或发电的领域。

一种变流变速无换向永磁直流电动机可做为直流发电机使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中线圈转子与永磁定子的分解示意图；

图3是本发明中液体导电盒与永磁磁悬浮内外套的分解示意图；

图4是本发明的装配示意图；

图5是本发明中线圈内、外转子线圈绕组示意图。

图中：1-液体导电盒，2-转子轴支座，3-法兰盘键，4-法兰盘，5-线圈内转子轴轴承，6A-转子轴磁悬浮内套，6B-转子轴磁悬浮外套，7-转子轴键槽，8A-线圈内转子,8B-转子轴，9-永磁内定子，10-永磁外定子，11A-支座磁悬线圈外套，11B-支座磁悬浮内套，12-支座轴承，13-法兰盘螺栓孔，14-法兰盘键槽，15-线圈导电板，16-机座，17-支座与机座螺栓孔，18-线圈外转子，19-法兰盘紧固螺栓孔，20-线圈内转子轴承卡簧，21-线圈内转子轴承卡槽，22A-线圈内转子导电板紧固螺栓孔，22B-线圈外转子导电板紧固螺栓孔，23A-导线引入空心轴孔，23B-导线引出空心轴孔，24-支座螺栓孔，25-液体导电盒螺栓孔，26-液体导电盒紧固螺栓孔，27-紧固螺栓。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种变流变速无换向永磁直流电动机，包括机座16、线圈内转子8A、永磁内定子9、线圈外转子18、永磁外定子10, 线圈内转子8A设置在永磁内定子9的内腔中，永磁内定子9设置在线圈外转子18的内腔中，线圈外转子18设置在永磁外定子10的内腔中，永磁外定子10设在机座16上；它还包括转子轴8B、转子轴支座2、转子轴磁悬浮内套6A、转子轴磁悬浮外套6B、支座磁悬浮内套11Ｂ、支座磁悬线圈外套11A，转子轴8B的两端设置在两个转子轴支座2的支座轴承12中，转子轴8B紧固套装在线圈内转子8A的内腔中，线圈内转子8A两端外径口里套装转子轴磁悬浮内套6A，转子轴磁悬浮外套6B紧固套装在永磁内定子9的两端内径口里，线圈内转子8A与永磁内定子9两端口紧固套装有线圈内转子轴承5，转子轴8B两端紧固套装有支座磁悬浮内套11B，永磁磁悬浮外套11A 紧固在转子轴支座2上，并套装在永磁磁悬浮内套11B上。

线圈内转子8A的两端设有转子轴键槽7和线圈内转子轴承卡槽21，转子轴轴承卡簧20卡在转子轴轴承卡槽21内。在转子轴8B的两侧套装有法兰盘4，法兰盘4紧固在外线圈转子18上。

永磁内定子９是有轴向同心圆的钢桶，外径套装永磁材料制成的圆桶构成，充磁后外径形成单一的S极或N极，永磁外定子10是由永磁材料制成的轴向同心圆的圆桶紧固套装在机座16内腔中构成，充磁后，内径形成单一的N极或S极。

永磁内定子9为永磁材料定子时，永磁外定子10用高导磁材料制成的定子或者为增大功率也可将该材料开槽绕制线圈使其成为单一的励磁磁场，为节省制造成本，此时，内定子也可用高导磁材料制成。

线圈内转子8A、线圈外转子 18设置为单匝多组绕组，其适用于低电压大电流，或者设置为多匝多组绕组，其适用于高电压小电流。

线圈内转子8A和线圈外转子18旋转时，因永磁外定子10紧固在机座上不动，那么永磁内定子9受到永磁外定子10的磁拉力而保持不动，此时只是线圈内转子8A及两端的线圈内转子轴承5旋转。

附图5是线圈内转子8A和线圈外转子18的线圈连接示意图，是将线圈内转子8A的一路漆包铜导线与线圈外转子18的一路漆包铜导线一内、一外一根串联成一组内、外绕组线圈，依次绕制成N组。线圈内转子8A的漆包铜导线通电后，电流从线圈内转子8A的左端进入，从右端出来进入线圈外转子18的右端，再从线圈外转子18的左端出来，回到线圈内转子8A的左端，电流依次环绕通过线圈内、外转子组成的绕组线圈串联电路，所以处在线圈导线的电流都是同一方向，又因为永磁外定子10内径充磁为单一的磁场S极或N极，永磁内定子9充磁为单一的磁场N极或S极，所以线圈内、外转子旋转时，不需要换向。

为减小本发明的体积和制造成本，线圈内转子8A没有将它设置在永磁内定子9内径套装内磁桶和转子轴8B外径套装外磁桶的磁场中，是因为这样会增大本发明的径向尺寸及体积，而是由绝缘的轴向同心圆的楔形铜导条粘贴在绝缘处理的转子轴8B上，并在铜导条圆周外径紧固套装绝缘处理的两半圆钢桶构成，又因永磁内定子内径为钢桶所制，所以不产生相互的磁拉力，它只是起将线圈外转子18的导线连接成串联回路电路的作用。

机座16是由轴向同心圆的钢桶内腔紧固套装永磁材料制成的轴向同心圆的圆桶永磁外定子10构成，充磁后内腔形成单一的S极或N极.永磁内定子9是有轴向同心圆的圆钢桶外径紧固套装永磁材料制成的圆桶构成，充磁后外径形成单一的N极或S极。

线圈内转子8A是由绝缘处理的转子轴8B外径粘贴绝缘处理的轴向同心圆的楔形铜导条，并在其外径安装绝缘处理的轴向同心圆的两半圆钢桶构成，线圈外转子18是由N根漆包铜线制成的互相绝缘的长直导线与无导磁性、无导电性、耐高温的高分子复合材料或其它材料制成的轴向同心圆的鼠笼式转子，如图5线圈内、外转子线圈绕组示意图所示；将线圈内、外转子的每路导线中的漆包铜线，按一内一外一组线圈，绕制成串联回路电路。

本发明装配过程如下：线圈内转子8A两端外径口里套装转子轴磁悬浮内套6A，并将该转子设置在永磁内定子9的内腔中，将转子轴磁悬浮外套6B紧固套装在永磁内定子9的两端内径口里，然后将线圈内转子轴承5紧固套装在线圈内转子8A两端外径口和永磁内定子9两端内径口，并将线圈内转子轴承卡簧20卡入线圈内转子轴承卡槽21中，永磁内定子9设置在线圈外转子18的内腔中，线圈外转子18设置在永磁外定子10的内腔中。转子轴8B为空心轴，铜制紧固螺栓经线圈导电板15两端螺栓孔至线圈内转子8A的线圈内转子导电板紧固螺栓孔22A和线圈外转子18的线圈外转子导电板紧固螺栓孔22B将其连接紧固,将线圈一正、一负导线从导线引入空心轴孔23A引入转子轴8B的空心轴内，至导线引出空心轴孔23B引出。

转子轴8B两端安装法兰盘4，法兰盘键3紧固安装在法兰盘键槽14和转子轴键槽7之中，紧固螺栓27经法兰盘螺栓孔13法兰盘紧固螺栓孔19将两者紧固在一起，转子轴8B的左右两端安装支座磁悬浮内套11B，转子轴支座2的轴承座内紧固安装支座永磁磁悬浮外套11A和支座轴承12，然后将转子轴支座2套装在转子轴8B两端，紧固螺栓27经支座螺栓孔24至支座与机座紧固螺栓孔17将其紧固在一起。最后将液体导电盒1套装在转子轴8B的左端头，紧固螺栓27经液体导电盒螺栓孔25至液体导电盒紧固螺栓孔26将其紧固。

在制做成微小功率永磁直流电机应用中，外转子为永磁转子时，永磁内转子也可用高导磁材料制成的的转子，永磁内转子为永磁材料制成时，永磁外转子也可用高导磁材料制成的转子。

转子轴8B上靠近线圈内转子8A的位置设有导线引入空心轴孔23A，转子轴8B的端部设有导线引出空心轴孔23B。转子轴8B的端头套装有液体导电盒1。液体导电盒为现有产品，由绝缘材料制成、其内有两个仓室，中端、右端盒壁开圆形孔，孔内安装自紧密封圈，在转子轴8B的端头套装绝缘耐磨的套桶，如陶瓷材料等，电源进线孔经绝缘密封处理后。

本发明一种变流变速无换向永磁直流电动机可做为直流发电机使用。

根据转子线圈漆包铜线的最大安全载流，电源正、负任意一极串联一个零到漆包铜线最大安全载流的滑动变组器，调整滑动变组器电阻值的大小，就可调整电流的大小，又因为线圈外子转无铁芯，电流不换向，所以电机就可实现变流变速。

本发明是根据通电导线在磁场中会受到力的作用而设计的，以本发明线圈内、外定子单匝技术参数为列；线圈外转子（18）两口端径向直径为400㎜，其圆周长为1256㎜，以19㎜一根可轴向布置66根，导线在磁场中有效轴向长度100㎜，线径为70平方，线圈内转子（8A）的楔形铜导条线径为70平方，其只起导通电流作用，为降低电阻损耗，可增大其线径，线圈导电板（15）线径70平方，根据串联电路计算电流通过线圈内、外转子及导电板的总长度为145·2米，其电阻为0·0363欧姆，如通过200安电流那么电压为7·26V，那么电功率为1452W。线圈导电板（15）线径70平方，长度为100㎜，永磁内、外定子的磁感强度为0·6特斯拉。以串联电路计算在永磁内、外定子（9）（10）磁场中的线圈外转子（18）的每匝即每米导线受到的磁场力为；1米×200安×0·6特=120牛，66匝×120牛/匝=7920牛，那么转子轴（6）的扭矩为7920牛×0·2米=1584牛·米。

总结以上所述，本发明充分利用了永磁能，耗电量小，其只有导线的电阻损耗，在电功率不变时，永磁内、外定子的磁感强度增大一倍时，转子轴的扭矩就增大一倍，因无刷、无换向，变流变速响应快，可超高速运转。在实际应用中，抗堵转能力强，导线在额定电流下，转子转速下降或停止也不会发热烧毁电机。

Claims (8)

1.一种变流变速无换向永磁直流电动机，包括机座、线圈内转子、永磁内定子、线圈外转子、永磁外定子, 线圈内转子设置在永磁内定子的内腔中，永磁内定子设置在线圈外转子的内腔中，线圈外转子设置在永磁外定子的内腔中，永磁外定子设在机座上；其特征在于：它还包括转子轴（8B）、转子轴支座（2）、转子轴磁悬浮内套（6A)、转子轴磁悬浮外套(6B)、支座磁悬浮内套（11Ｂ）、支座磁悬线圈外套（11A），所述转子轴（8B）的两端设置在两个转子轴支座（2）的支座轴承（12）中，所述转子轴（8B）紧固套装在线圈内转子（8A）的内腔中，线圈内转子（8A）两端外径口里套装转子轴磁悬浮内套（6A），转子轴磁悬浮外套（6B）紧固套装在永磁内定子（9）的两端内径口里，线圈内转子（8A）与永磁内定子（9）两端口紧固套装有线圈内转子轴承（5），所述转子轴（8B）两端紧固套装有支座磁悬浮内套（11B），永磁磁悬浮外套(11A )紧固在转子轴支座（2）上，并套装在永磁磁悬浮内套（11B）上。

2.根据权利要求1所述的一种变流变速无换向永磁直流电动机，其特征在于：线圈内转子（8A）的两端设有转子轴键槽（7）和线圈内转子轴承卡槽（21），转子轴轴承卡簧（20）卡在转子轴轴承卡槽(21)内。

3.根据权利要求1或2所述的一种变流变速无换向永磁直流电动机，其特征在于：所述转子轴（8B）上靠近线圈内转子（8A）的位置设有导线引入空心轴孔（23A），转子轴（8B）的端部设有导线引出空心轴孔（23B）。

4.根据权利要求3所述的一种变流变速无换向永磁直流电动机，其特征在于：在转子轴（8B）的两侧套装有法兰盘（4），法兰盘（4）紧固在外线圈转子（18）上。

5.根据权利要求4所述的一种变流变速无换向永磁直流电动机，其特征在于：永磁内定子（９）是有轴向同心圆的钢桶，外径套装永磁材料制成的圆桶构成，充磁后外径形成单一的S极或N极，永磁外定子（10）是由永磁材料制成的轴向同心圆的圆桶紧固套装在机座（16）内腔中构成，充磁后，内径形成单一的N极或S极。

6.根据权利要求5所述的一种变流变速无换向永磁直流电动机，其特征在于：永磁内定子（9）为永磁材料定子时，永磁外定子（10）用高导磁材料制成的定子或者为增大功率也可将该材料开槽绕制线圈使其成为单一的励磁磁场。

7.根据权利要求1所述的一种变流变速无换向永磁直流电动机，其特征在于：线圈内转子（8A）和线圈外转子 (18)设置为单匝多组绕组，其适用于低电压大电流，或者设置为多匝多组绕组，其适用于高电压小电流。

8.根据权利要求1所述的一种变流变速无换向永磁直流电动机可做为直流发电机使用。