CN110912367A

CN110912367A - 三极效应永磁直流电机

Info

Publication number: CN110912367A
Application number: CN201911109958.3A
Authority: CN
Inventors: 安明武
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2020-03-24

Abstract

三极效应永磁直流电机属节能电机开发领域，本发明主要由机壳、前后端盖、定子、集中绕组、转子、永磁极、位置信号检测系统和电子驱动系统等组成，其中定子上有三相集中绕组，按三角形接法三三导通，永磁极切向充磁后粘在转子的表面，磁通方向为切向，相邻磁极磁通方向相反，永磁极的个数与定子齿极数之比为1:3，转子永磁极的宽度是定子齿极宽度的1.5倍，定子绕组提前90度电位角换向，使永磁极处于换向绕组的中间位置，使换向绕组在转子永磁极的场外换向，从而减少了换向绕组对磁力线的有效切割，大幅降低反电势，节能效果显著，永磁能得到深度开发和利用，且构造简单、易于制造。

Description

三极效应永磁直流电机

技术领域

本发明属节能电机开发领域，具体涉及直流无刷电机的三极效应永磁直流电机。

背景技术

随着经济的发展，能源需求的不断增长，节能环保已成为全人类的当务之急，近年来，我国工业经济快速发展，电力需求持续增加，目前工业用电量占全社会用电量的比重超过70%，电力资源的有限性与工业快速发展的矛盾及环境制约因素逐渐显现，而电机能耗占工业用电能耗的65%左右，作为有效节能方式的永磁电机在石油、化工、冶金、纺织、数控机床、工程机械、电梯、风力发电以及军工等领域得到广泛推广和应用，特别是近年来永磁电机在风力发电、新型能源汽车等领域的应用得到国家大力支持。随着全球经济复苏和国家对节能环保以及高科技产品支持力度，永磁电机将迎来黄金发展时期。

目前永磁无刷电机的电能转换效率最高已达95%，如果再加上定子铁耗、绕组铜耗和机械能损耗，实际能量转换效率已达到120%以上，这就有力证明了转子上的永磁极提供了相当一部分能量，既然永磁极是能量体，它的能源利用价值可能就不止于此，永磁能的深度开发和利用还有继续研究的空间，因为不管是传统的同步电机、异步电机、直流电机和各种永磁电机，所有的电动机在运行时都在发出反向电动势，消耗电动机绝大部分功率，而现在的电机理论认为反电势的存在是理所当然的，并成为计算电机电功率的主要依据，但是，电动机的反电势是否是必须存在的物理量，当前尚无定论，那为什么运用了强大的永磁体磁场，却不能成倍的提高永磁电动机的效率呢，这和我们的应用方式有关，众所周知，我们现在用的电动机反电势消耗了电机90/%以上的电功率，永磁电机反电势的大小与转子永磁极磁场强度成正比例关系，因为转子永磁极与定子合成磁极的宽度相等，每相绕组都在永磁极的磁场覆盖之下，每相定子绕组换向时都会切割磁力线而发出反向电动势，所以永磁体提供的励磁磁场越强，永磁电机的反电势也就越大，因此，现在的电机节能研究已到瓶颈期，必须换一个角度，需要从基础研究开始，对电磁学的应用方式进行革新，通过颠覆性设计思维，打破传统电机电源电势与反电势共生和固有的纠缠方式，对永磁电机的磁路进行重新设计，才能达到大幅降低永磁电机反电势的目的，使永磁能得以深度开发和有效利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以大幅降低定子绕组反电势的三极效应永磁直流电机。

本发明主要由前盖1、机壳3、定子4、定子齿极5、集中绕组6、主轴7、转子8、永磁极9、后盖11、位置检测器12等主要部件组成，其中机壳3内有定子4，定子4的内径上分布着定子齿极5，定子齿极5的个数是6的倍数，定子齿极5上嵌绕着A、B、C三相集中绕组6，并按三角形接法三三导通，定子齿极5间距为3mm到5mm，并使用磁性槽楔以减少齿槽效应。

永磁极9切向充磁后粘在转子8的表面，磁通方向为切向，相邻磁极磁通方向相反，按NS、SN、NS、SN极性相间排列，永磁极9的间距正好为一个极身位置，永磁极9的个数与定子齿极5的个数之比为1:3，永磁极9的表面弧长所占圆心角是定子齿极5所占圆心角的1.5倍，是A、B、C三相绕组合成磁极跨度的1/2，永磁极9与定子齿极5的间隙为2 —3mm。

码盘18固定于转子8后侧的主轴7上，随主轴7转动，检测盘17固定在后盖11的外侧与码盘18配合，码盘18的外沿按圆周排列着凸沿19，凸沿19的个数与永磁极9个数相等，凸沿19所占的圆心角与定子齿极所占的圆心角相等，码盘18的安装角度是将凸沿19的后沿与永磁极9的前沿对齐。

检测盘17上有光藕Ⅰ14、光藕Ⅱ15、光藕Ⅲ16，分别对准A、B、C、三相绕组定子齿极5的中轴线，为其所在相绕组检测永磁极9的位置信号，根据所接收的不同位置信号，驱动控制器准确控制每相定子绕组内电流的通与断，并运用逻辑电路使A、B、C、三相集中绕组始终处于三三导通并换向状态。

本发明的工作原理：

本发明的核心技术源自本发明人对三极磁场效应的发现，如图7、图8所示：较长的永磁体a为纵向磁通，较短的永磁体b为横向磁通，两个永磁体磁通方向垂直，如果将永磁体b的N极部分全部进入永磁体a 的左端，在永磁体a N极面的作用下，永磁体b的N极面和S极面分别受到永磁体aN极面排斥和吸引的合力作用，形成三极磁场效应，使永磁体b 迅速移动到永磁体a的右端，永磁体b d的中轴线与永磁体a的右端边重合，永磁体b 在移动过程中所产生的作用力随着永磁体b的长度增加而增大，二者等长时作用力为最大，超过两个永磁体a异性磁极的侧吸作用力，具有非常高的使用价值。

如图6所示：三相集中绕组按三角形接法，驱动方式与当前永磁无刷电机的驱动方式相同，所不同的是本发明的转子永磁极9的宽度只是A、B、C三相集中绕组合成磁极的一半，可以使定子绕组6提前90度电位角换向，这时，永磁极9位于换向绕组定子齿极5的中间位置，使换向绕组可以在转子永磁极9的场外换向，并且永磁极9与定子三相合成磁场呈90度角，从而减少了换向绕组对磁力线的有效切割，因此本发明可以大幅降低反电势, 根据检测盘17所接收的不同位置信号，驱动器准确控制每相定子绕组6电流的通断，并运用逻辑电路使A、B、C、三相集中绕组始终处于三三导通并换向状态，设转子8逆时针旋转，当转子永磁极9的前沿进入A相绕组的中轴线时，码盘18的凸沿19进入并遮盖光藕Ⅱ15，开关BG2关闭，C相绕组的反向电流使B相绕组换向，从右到左按CAB顺序组成合成磁极吸引永磁极9旋转；当永磁极9的前沿进入B相绕组的中轴线时，码盘18的凸沿19进入并遮盖光藕Ⅲ16，开关BG3关闭，A相绕组的反向电流使C相绕组换向，按ABC顺序组成合成磁极继续吸引转子永磁极9旋转，当永磁极9的前沿进入C相绕组的中轴线时，码盘18的凸沿19进入并遮盖光藕Ⅰ14，开关BG1关闭，B相绕组的反向电流使A相绕组换向，按BCA顺序组成合成磁极继续吸引转子永磁极9旋转，其余以此类推，循环往复，与现有的永磁无刷电机驱动方式原理相同，无需赘述，由于永磁极9运动趋势是与定子合成磁极的左端重合，但在实际运动中永磁极9始终处于定子合成磁极的中段位置上，因此本发明可以获得较好的力矩效果。

综上所述，本发明由于大幅度降低了换向绕组的反电势，节能效果显著提高，永磁能得到深度开发和利用，比传统无刷永磁电机的节能效率成倍增加，定子齿极跨度较小，气隙开放，且没有漏磁，所以单个磁极的效率因数较高。

本发明属于高效电机，且构造简单、易于制造，可在工业、交通车辆、机械拖动、航空航天等领域广泛应用，替代传统电机，具有革新换代的作用。

附图说明

图1为三极效应永磁直流电机总体结构主视图。

图2为三极效应永磁直流电机总体结构左视图。

图3为密封罩13和检测盘17装配图。

图4为码盘18主视图。

图5为码盘18左视图。

图6为三极效应永磁直流电机主电路原理接线图。

图7——图8为三极磁场效应示意图。

其中：1.前盖 2.螺栓 3.机壳 4.定子 5.定子齿极 6.集中绕组 7.主轴8.转子 9.永磁极 10.轴承 11.后盖 12.位置检测器 13.密封罩 14.光耦Ⅰ 15.光耦Ⅱ 16.光耦Ⅲ 17.检测盘 18.码盘 19.凸沿 20.轴孔。

具体实施方式

本发明定子4由硅钢片叠制而成，转子8由锰钢或其它非磁性材料制作而成，永磁极9选用钕铁硼、铁氧体等永磁材料铸造成形，经如下方式进行装配：将集中绕组6按A、B、C三相依次嵌入定子齿极5的线槽内并引出接线，进行绝缘处理，永磁极9切向充磁后粘在转子8的表面，按NS、SN、NS、SN极性相间排列，主轴7与转子8固接，主轴7的后端作为输出轴使用，将定子4固定在机壳3内，通过前盖1、后盖11以及轴承10的支撑，将转子8悬架于定子4之间，再通过螺栓2将前盖1、后盖11与机壳3栓接，检测盘17固定在后盖11的外侧，码盘18的轴孔20与主轴7的前端固接，码盘18的凸沿19与检测盘17的三个光耦精准配合，A、B、C三相集中绕组6的出线以及检测盘17的出线与驱动器对应连接。

本发明的具体应用范围：

交通领域：通过调压变速，可为各类电动车辆提供动力，为小型无人飞行器，海洋机械人等提供可靠的动力。

电力拖动领域：本发明可以设计成最低功率几十瓦，最大功率达兆瓦的永磁大功率电机，为通用机械、车床、泵类、压缩机、风机、电梯等提供动力。

调速机械领域：通过调压调速、电子计时调速的方法，可用于电动挖掘机、电动吊车、码头和矿山设备、工程机械和军工设备等功能性设备上。

Claims

1.三极效应永磁直流电机由前盖1、机壳3、定子4、定子齿极5、集中绕组6、主轴7、转子8、永磁极9、后盖11、位置检测器12等主要部件组成，其中定子齿极5上分布A、B、C三相集中绕组6，按三角形接法三三导通，定子齿极5的间距为3mm到5mm，并使用磁性槽楔以减少齿槽效应，永磁极9的磁通方向与A、B、C三相绕组合成磁场的磁通方向呈90度角。

2.按权利要求1 所述的三极效应永磁直流电机，其特征在于所述的永磁极9切向充磁后粘在转子8的表面，相邻磁极磁通方向相反，按NS、SN、NS、SN极性相间排列，永磁极9的间距正好为一个极身位置。

3.按权利要求1 所述的三极效应永磁直流电机，其特征在于所述的永磁极9的个数与定子齿极5的个数之比为1:3，转子永磁极9的表面弧长所占圆心角是定子齿极5所占圆心角的1.5倍。

4.按权利要求1所述的三极效应永磁直流电机，其特征在于所述的码盘18的外沿按圆周排列着凸沿19，凸沿19的个数与永磁极9个数相等，凸沿19所占的圆心角与定子齿极5所占的圆心角相等，码盘18的安装角度是将凸沿19的后沿与永磁极9的前沿对齐。

5.按权利要求1所述的三极效应永磁直流电机，其特征在于所述的定子绕组6提前90度电位角换向，这时，永磁极9位于换向绕组的中间位置，使换向绕组在转子永磁极9的场外换向。

6.按权利要求1所述的三极效应永磁直流电机，其特征在于所述的永磁极9运动趋势是与定子合成磁极的左端重合，但通过控制技术使永磁极9始终处于定子合成磁极的中段位置上，以获得较好的力矩效果。