CN111431365B - 一种交叉磁通滚刷叠转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉磁通滚刷叠转子电机，包括机壳、定磁体、励磁铁芯、动磁体和主轴，机壳内壁上安装定磁体，动磁体固连在主轴上，主轴通过轴承支撑安装在机壳内壁上，励磁铁芯也通过轴承安装在机壳内壁上，励磁铁芯旋转轴线与主轴轴线重合，励磁铁芯通电励磁产生交变磁场，励磁铁芯的磁场与定磁体的磁场产生作用而进行旋转，并且励磁铁芯的磁场也驱动其内部的动磁体进行旋转，动磁体上的旋转传递在主轴上作为输出，即本电机具有两个转动部件，有两次电磁驱动旋转，最终主轴上的速度是两次速度的叠加，动磁体和定磁体的磁场可以是电生，也可以是永磁体自有。

Description

一种交叉磁通滚刷叠转子电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体是一种交叉磁通滚刷叠转子电机。

背景技术

电机是一种工业大量使用的旋转动力提供部件。

现有技术中，最常见的是三相异步电动机，这种电机受到结构限定，在电源没有进行超频时，工频(50Hz)状态下运行，其最大转速只有3000rpm，更高速度的应用场合，要么电源超频，要么通过齿轮箱进行增速传动，变频运行时电机效率快速降低，而齿轮箱等形式下，则机械结构复杂，机械效率受到影响。

现有技术中，为了实现空载时的快速停机，电机需要配备刹车结构，而刹车结构一般是抱箍、刹车片等形式的接触式摩擦制动，磨损厉害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交叉磁通滚刷叠转子电机，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种交叉磁通滚刷叠转子电机，包括机壳、定磁体、励磁铁芯、动磁体和主轴，机壳内壁上安装定磁体，动磁体固连在主轴上，主轴通过轴承支撑安装在机壳内壁上，励磁铁芯也通过轴承安装在机壳内壁上，励磁铁芯旋转轴线与主轴轴线重合，励磁铁芯通电励磁产生交变磁场，励磁铁芯的磁场与定磁体的磁场产生作用而进行旋转，并且励磁铁芯的磁场也驱动其内部的动磁体进行旋转，动磁体上的旋转传递在主轴上作为输出，即本电机具有两个转动部件，有两次电磁驱动旋转，最终主轴上的速度是两次速度的叠加，动磁体和定磁体的磁场可以是电生，也可以是永磁体自有。

进一步的，励磁铁芯包括芯杆、极靴和励磁线圈，芯杆、极靴具有偶数个并且交替连接成环状，励磁线圈为一整根导线且依次缠绕在芯杆上，相邻芯杆上缠绕的励磁线圈螺旋方向相反，励磁线圈的端部为线头，线头连接外部交流电。

芯杆和极靴依次交替组成的环状体是励磁铁芯的核心部件，励磁线圈裹绕在芯杆上，所以，励磁线圈通电后，可以在芯杆上产生电生磁场，由于是交替布置且相邻芯杆上的励磁线圈螺旋方向相反，则极靴成为一个个的磁极，只要完整环状体上，芯杆和极靴的数量是偶数个，那么就能建立交替出现的NS极，作为后续电动旋转的核心转子，因为通入的是交流电，所以，极靴上出现的NS极是交替变化的，从而相对于定磁体具有旋转起来的驱动力。

进一步的，励磁铁芯还包括支撑筒和电极环，支撑筒为连接在芯杆、极靴构成的环状部件两侧的部件，支撑筒沿主轴轴向延伸，支撑筒两端通过轴承安装到机壳上，支撑筒上设有两圈电极环，支撑筒为绝缘体，电极环以主轴为轴线，线头分别独立穿设在支撑筒壁厚内连接到两个电极环上，电极环外分别抵触一个滚刷，滚刷通过其安装轴线处的扭转弹簧施加朝向电极环的抵触力，滚刷为导电体且连接外部交流电。

因为励磁铁芯是一个旋转部件，所以，为了将电信号引入励磁铁芯内，必然出现动静接触位置，原先的电机中，一般有很多触点，在交流电的两个接点构件处若干成对设置的扇形片，而在扇形片的交界处通过隔离带分开电极，这样的电刷设置方式，因为在分界处会出现短暂的电极脱离与恢复接触，所以，容易产生火花等危险，为了方式出现火花，传统电机一般在电极材料上做文章，使用不易产生火花的石墨等导体作为连接物。但是，电极的脱开与重新接触势必在接触位置处造成电流冲击，电极材料容易损坏，而本申请中，通过将线头引接至两个环状的电极环上，让两个电极环承担对外连接任务，电极环具有完整圆弧，所以，滚刷也可以与电极环一直保持接触状态，完整的圆环电极不需要很大的接触力，滚刷安装位置只需要给它一个朝向电极环的轻微接触力即可，滚刷与电极环是滚动接触，摩擦进一步减小，对外的电连接在滚刷的自转轴线处引出。

进一步的，滚刷为石墨滚刷。石墨质软，即使电极接触处出现磨损，也是磨损滚刷，更换方便，维护成本低。

进一步的，芯杆和极靴为使用硅钢片叠加拼接形成的环状体硅钢片导磁性好，技术成熟，形状冲压形成，密度与质量分布均匀。

进一步的，动磁体为永磁体，永磁体不需要励磁就具有自有磁场，和电磁场产生联系并发生作用力进行旋转驱动，在旋转的部件上进行电流励磁会造成装置复杂化，而且在电信号接点处容易出现电刷火花等危险情况，现有技术中进行定子励磁而转子设置永磁体就是为了消除电刷结构，而本申请前述的在旋转的励磁铁芯上通电产生电磁场是双层转子的核心需求，而更内部的动磁体则不需要电流励磁了，永磁体即可满足使用，尽量减少电刷结构。

进一步的，定磁体也是永磁体，动磁体和永磁体都是永磁体，可以实现停机时的自动刹车，现有技术中，电机停机时的快速刹车通过在转轴上加入电磁控制的“刹车片”，即：在电机的轴上有一个电磁抱刹，电机通电时它也通电吸合，这时它对电机不制动，当电机断电时它也断电，抱刹在弹簧的作用下刹住电机，但这种方式可能磨损主轴，本申请通过非接触的方式进行刹车，当励磁铁芯通电时，励磁铁芯和动磁体都进行旋转，而一旦电源断电，励磁铁芯成为一个没有自有磁场的中间导磁体，在外圈的定磁体会吸引在内圈的动磁体在任一内外圈NS相对处停下，阻止动磁体继续旋转，即，通过永磁体具有的磁性，让动磁体快速停止旋转，非接触式，无磨损。

进一步的，机壳内充满变压器油。变压器油润滑轴承，也填充励磁铁芯与定磁体、动磁体之间的磁隙，防止机壳内原先的一些空气灰尘造成磁力线变形，影响使用，应当注意，因为变压器油是液体状态，所以，其对于转子的旋转阻力要显著大于空气，所以，为了在电机额定转速下运行时具有较小的自有阻力，机壳内壁应当进行一些适合流体圆周旋转的结构，尽可能保证机壳内部光滑，而不应出现类似片状凸起造成较大的旋转阻力，在额定转速时，机壳内的变压器油是带有一定的旋转速度的，将转子的发热充分带到机壳壁面上进行散热。

进一步的，机壳内的变压器油进行外循环，变压器油到达外部时，通过散热盘管或者换热器进行冷却降温。变压器油进行外循环通过换热器或盘管进行散热可以更多的带走转子的发热。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过双层的转子结构，在励磁铁芯上分别构建与动磁体和定磁体的两层电磁驱动结构，从而获得双层转速驱动，转速是单层驱动结构的叠加，转速范围比现有技术的异步电机大一倍；三层磁体中，位于中间位置的是励磁铁芯的电生磁场，而两侧的是永磁体，在电生磁场作用时，电机进行正常运行，而励磁铁芯断电后，电生磁场消除，动定磁体在励磁铁芯中交叉作用，帮助励磁铁芯和动磁体快速停转，达到非接触式的失电刹车目的。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的整体轴面剖切结构示意图；

图2为本发明机壳、定磁体、励磁铁芯、动磁体的圆周分布示意图；

图3为图2中的示图A；

图4为本发明励磁铁芯处附近的轴面剖切示意图；

图5为本发明支撑筒、电极环的立体结构示意图；

图6为本发明的电极环与滚刷接触处的运行示意图。

图中：1-机壳、2-定磁体、3-轴承、4-励磁铁芯、41-芯杆、42-极靴、43-励磁线圈、431-线头、44-支撑筒、45-电极环、5-动磁体、6-主轴、7-滚刷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种交叉磁通滚刷叠转子电机，包括机壳1、定磁体2、励磁铁芯4、动磁体5和主轴6，机壳1内壁上安装定磁体2，动磁体5固连在主轴6上，主轴6通过轴承3支撑安装在机壳1内壁上，励磁铁芯4也通过轴承3安装在机壳1内壁上，励磁铁芯4旋转轴线与主轴6轴线重合，励磁铁芯4通电励磁产生交变磁场，励磁铁芯4的磁场与定磁体2的磁场产生作用而进行旋转，并且励磁铁芯4的磁场也驱动其内部的动磁体5进行旋转，动磁体5上的旋转传递在主轴6上作为输出，即本电机具有两个转动部件，有两次电磁驱动旋转，最终主轴6上的速度是两次速度的叠加，例如定磁体2、励磁铁芯4、动磁体5的电极对数是一对，则50Hz电源下标准同步转速是3000rpm，但是，因为经过了两次励磁驱动，是6000rpm的主轴转速，相比于现有异步电机是转速翻倍的，当然，异步电机由于原理限制而必然存在速度异步，实际转速可能只有5800～5950rpm，本例在后续分析以及图例绘制上，只绘制了三相中的一相，进行磁场分析，即，图例绘制的是经过改造的单相异步电机，将本发明的方案可以直接扩展到三相异步电机上，只需要在线圈设置上设置三组并圆周均分即可。动磁体5和定磁体2的磁场可以是电生，也可以是永磁体自有。

如图2、3所示，励磁铁芯4包括芯杆41、极靴42和励磁线圈43，芯杆41、极靴42具有偶数个并且交替连接成环状，励磁线圈43为一整根导线且依次缠绕在芯杆41上，相邻芯杆41上缠绕的励磁线圈43螺旋方向相反，励磁线圈43的端部为线头431，线头431连接外部交流电。

芯杆41和极靴42依次交替组成的环状体是励磁铁芯4的核心部件，励磁线圈43裹绕在芯杆41上，所以，励磁线圈43通电后，可以在芯杆41上产生电生磁场，由于是交替布置且相邻芯杆41上的励磁线圈43螺旋方向相反，如图3所示，则极靴42成为一个个的磁极，在图3中，视图中间位置处的芯杆41电流螺旋方向为左旋，根据右手法则，在芯杆41左侧的极靴42为N极，在右侧的是S极，在图3中视图右侧部分的芯杆41上电流为右旋螺旋，右手法则得出该芯杆41左侧为S极，右侧为N极，只要完整环状体上，芯杆41和极靴42的数量是偶数个，那么就能建立交替出现的NS极，作为后续电动旋转的核心转子，因为通入的是交流电，所以，极靴42上出现的NS极是交替变化的，从而相对于定磁体2具有旋转起来的驱动力。

如图4～6所示，励磁铁芯4还包括支撑筒44和电极环45，支撑筒44为连接在芯杆41、极靴42构成的环状部件两侧的部件，支撑筒44沿主轴6轴向延伸，支撑筒44两端通过轴承3安装到机壳1上，支撑筒44上设有两圈电极环45，支撑筒44为绝缘体，电极环45以主轴6为轴线，线头431分别独立穿设在支撑筒44壁厚内连接到两个电极环45上，电极环45外分别抵触一个滚刷7，滚刷7通过其安装轴线处的扭转弹簧施加朝向电极环45的抵触力，滚刷7为导电体且连接外部交流电。

因为励磁铁芯4是一个旋转部件，所以，为了将电信号引入励磁铁芯4内，必然出现动静接触位置，原先的电机中，一般有很多触点，在交流电的两个接点构件处若干成对设置的扇形片，而在扇形片的交界处通过隔离带分开电极，这样的电刷设置方式，因为在分界处会出现短暂的电极脱离与恢复接触，所以，容易产生火花等危险，为了方式出现火花，传统电机一般在电极材料上做文章，使用不易产生火花的石墨等导体作为连接物。但是，电极的脱开与重新接触势必在接触位置处造成电流冲击，电极材料容易损坏，而本申请中，通过将线头引接至两个环状的电极环45上，让两个电极环45承担对外连接任务，电极环45具有完整圆弧，所以，滚刷7也可以与电极环45一直保持接触状态，完整的圆环电极不需要很大的接触力，如图6所示，滚刷7安装位置只需要给它一个朝向电极环45的轻微接触力即可，滚刷7与电极环45是滚动接触，摩擦进一步减小，对外的电连接在滚刷7的自转轴线处引出。

滚刷7为石墨滚刷。石墨质软，即使电极接触处出现磨损，也是磨损滚刷7，更换方便，维护成本低。

芯杆41和极靴42为使用硅钢片叠加拼接形成的环状体硅钢片导磁性好，技术成熟，形状冲压形成，密度与质量分布均匀。

动磁体5为永磁体，永磁体不需要励磁就具有自有磁场，和电磁场产生联系并发生作用力进行旋转驱动，在旋转的部件上进行电流励磁会造成装置复杂化，而且在电信号接点处容易出现电刷火花等危险情况，现有技术中进行定子励磁而转子设置永磁体就是为了消除电刷结构，而本申请前述的在旋转的励磁铁芯4上通电产生电磁场是双层转子的核心需求，而更内部的动磁体5则不需要电流励磁了，永磁体即可满足使用，尽量减少电刷结构。

定磁体2也是永磁体，动磁体5和永磁体2都是永磁体，可以实现停机时的自动刹车，现有技术中，电机停机时的快速刹车通过在转轴上加入电磁控制的“刹车片”，即：在电机的轴上有一个电磁抱刹，电机通电时它也通电吸合，这时它对电机不制动，当电机断电时它也断电，抱刹在弹簧的作用下刹住电机，但这种方式可能磨损主轴，本申请通过非接触的方式进行刹车，如图3所示，当励磁铁芯4通电时，励磁铁芯4和动磁体5都进行旋转，而一旦电源断电，励磁铁芯4成为一个没有自有磁场的中间导磁体，在外圈的定磁体2会吸引在内圈的动磁体5在任一内外圈NS相对处停下，阻止动磁体5继续旋转，即，通过永磁体具有的磁性，让动磁体5快速停止旋转，非接触式，无磨损。

机壳1内充满变压器油。变压器油润滑轴承，也填充励磁铁芯4与定磁体2、动磁体5之间的磁隙，防止机壳1内原先的一些空气灰尘造成磁力线变形，影响使用，应当注意，因为变压器油是液体状态，所以，其对于转子的旋转阻力要显著大于空气，所以，为了在电机额定转速下运行时具有较小的自有阻力，机壳1内壁应当进行一些适合流体圆周旋转的结构，尽可能保证机壳1内部光滑，而不应出现类似片状凸起造成较大的旋转阻力，在额定转速时，机壳1内的变压器油是带有一定的旋转速度的，将转子的发热充分带到机壳1壁面上进行散热。

机壳1内的变压器油进行外循环，变压器油到达外部时，通过散热盘管或者换热器进行冷却降温。变压器油进行外循环通过换热器或盘管进行散热可以更多的带走转子的发热。

本电机的运行原理是：外界通过滚刷7在两个电极环45上输入交流电，交流电交替变换螺旋方向流过芯杆41，在极靴42上形成交替变化的NS极，励磁铁芯4与定磁体2作用产生旋转力，励磁铁芯4进行一级旋转，变化的励磁铁芯4磁场又对内部的动磁体5产生作用，产生二级旋转，加载在主轴6上进行输出；断电停机后，励磁铁芯4消磁，励磁铁芯4作为动磁体5、定磁体2的中间体进行磁力线传导，动磁体5受到定磁体2吸引而在NS相对的位置上停下，非接触式的制动力，快速高效刹车。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种交叉磁通滚刷叠转子电机，其特征在于：所述电机包括机壳(1)、定磁体(2)、励磁铁芯(4)、动磁体(5)和主轴(6)，所述机壳(1)内壁上安装定磁体(2)，所述动磁体(5)固连在主轴(6)上，所述主轴(6)通过轴承(3)支撑安装在机壳(1)内壁上，所述励磁铁芯(4)也通过轴承(3)安装在机壳(1)内壁上，励磁铁芯(4)旋转轴线与主轴(6)轴线重合，所述励磁铁芯(4)通电励磁产生交变磁场；

所述励磁铁芯(4)包括芯杆(41)、极靴(42)和励磁线圈(43)，所述芯杆(41)、极靴(42)具有偶数个并且交替连接成环状，所述励磁线圈(43)为一整根导线且依次缠绕在芯杆(41)上，相邻芯杆(41)上缠绕的励磁线圈(43)螺旋方向相反，所述励磁线圈(43)的端部为线头(431)，所述线头(431)连接外部交流电；

所述励磁铁芯(4)还包括支撑筒(44)和电极环(45)，所述支撑筒(44)为连接在芯杆(41)、极靴(42)构成的环状部件两侧的部件，支撑筒(44)沿主轴(6)轴向延伸，支撑筒(44)两端通过轴承(3)安装到机壳(1)上，所述支撑筒(44)上设有两圈电极环(45)，支撑筒(44)为绝缘体，所述电极环(45)以主轴(6)为轴线，所述线头(431)分别独立穿设在支撑筒(44)壁厚内连接到两个电极环(45)上，所述电极环(45)外分别抵触一个滚刷(7)，滚刷(7)通过其安装轴线处的扭转弹簧施加朝向电极环(45)的抵触力，所述滚刷(7)为导电体且连接外部交流电。

2.根据权利要求1所述的一种交叉磁通滚刷叠转子电机，其特征在于：所述滚刷(7)为石墨滚刷。

3.根据权利要求1所述的一种交叉磁通滚刷叠转子电机，其特征在于：所述芯杆(41)和极靴(42)为使用硅钢片叠加拼接形成的环状体。

4.根据权利要求1所述的一种交叉磁通滚刷叠转子电机，其特征在于：所述动磁体(5)为永磁体。

5.根据权利要求4所述的一种交叉磁通滚刷叠转子电机，其特征在于：所述定磁体(2)也是永磁体。

6.根据权利要求1所述的一种交叉磁通滚刷叠转子电机，其特征在于：所述机壳(1)内充满变压器油。

7.根据权利要求6所述的一种交叉磁通滚刷叠转子电机，其特征在于：所述机壳(1)内的变压器油进行外循环，变压器油到达外部时，通过散热盘管或者换热器进行冷却降温。

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