CN117856504B - 无换向轴向磁通直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流电机技术领域，具体涉及一种无换向轴向磁通直流电机，包括机座、机壳、转轴、定子和转子，定子与转子之间形成有间隙；转子包括在转轴外壁上均布且固定连接的若干电枢板，各电枢板上分别连接有滑环装置；与各滑环装置分别对应设有电刷装置，机壳上还布置安装有电刷架，各电枢板在滑环装置、电刷装置的电连接配合下串联设置；无换向轴向磁通直流电机没有涡流和磁滞损耗，电枢板的电流损耗小，电机的效率高，电枢板垂直切割的磁场面积大，电磁密度大，转子受力的半径长，结构紧凑，无效材料少，无换向装置，故本发明具有体积小、重量轻、功率密度大、扭矩大、直流性能优、制造简单、成本低廉、运行可靠、使用寿命长等特点。

Description

无换向轴向磁通直流电机

技术领域

本发明涉及直流电机技术领域，更具体地说涉及一种无换向轴向磁通的直流电机。

背景技术

1831年，英国科学家法拉第（Faraday）发现了电磁感应定律，并根据载流导体在磁场内受力发生机械运动的现象，制成了现代直流电动机雏形的实验模型，经过近二百年的改进和发展，形成了现代结构的直流发电机和直流电动机。目前，直流电机在电解、电镀、电冶炼、轮船推进、电气轨道牵引、机械加工以及造纸等诸多领域被应用，然而，由于直流电机装有换向器，比相同功率的交流发电机和交流电动机容量小、造价高、寿命短，使用不稳定，因此其应用范围受到了很大限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种功率密度大、效率高、造价低、寿命长，直流性能好、使用稳定可靠及应用范围广的无换向轴向磁通直流电机。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：无换向轴向磁通直流电机，包括机座，所述机座上固定安装有机壳，贯穿所述机壳转动装配有转轴，所述机壳内固定安装有定子，所述定子在所述机壳的内壁上围绕所述转轴设置，所述定子与所述转轴之间设有转子，所述转子固定连接在所述转轴上，且所述定子与所述转子之间形成有间隙；

所述转子包括在所述转轴外壁上均布且固定连接的若干电枢板，相邻所述电枢板间绝缘设置，各所述电枢板上分别连接有滑环装置；

与各所述滑环装置分别对应设有配合使用的电刷装置，所述机壳上还布置安装有电刷架，所述电刷装置固定于相邻的所述电刷架上，各所述电枢板在所述滑环装置、所述电刷装置的电连接配合下串联设置。

作为优选的技术方案，所述电枢板设置为两端面为扇形的金属体，且所述电枢板在两扇形的端面之间形成有内弧面与外弧面，所述电枢板的内弧面固定包覆在所述转轴的外表面上。

作为优选的技术方案，所述滑环装置包括在所述电枢板的两扇形端面上分别垂直向外延伸的外电枢板滑环和内电枢板滑环，且所述外电枢板滑环和所述内电枢板滑环分别与所述电枢板电连接设置，所述外电枢板滑环和所述内电枢板滑环均环绕所述转轴设置，且所述内电枢板滑环靠近所述转轴设置、所述外电枢板滑环远离所述转轴设置。

作为优选的技术方案，相邻的两所述电枢板上的所述外电枢板滑环在所述电枢板的两侧交替设置，相应地相邻的两所述电枢板上的所述内电枢板滑环在所述电枢板的两侧交替设置。

作为优选的技术方案，所述电刷装置包括靠近所述转轴设置的内电刷和远离所述转轴设置的外电刷，所述外电刷与所述外电枢板滑环配合，所述内电刷与所述内电枢板滑环配合。

作为优选的技术方案，所述定子包括套装于所述机壳内的绕组固定筒，所述绕组固定筒与所述机壳的内壁固定连接，所述绕组固定筒与所述机壳内壁之间夹装有励磁绕组。

作为优选的技术方案，所述定子包括套装于所述机壳内的杜瓦瓶固定筒，所述杜瓦瓶固定筒与所述机壳的内壁固定连接，所述杜瓦瓶固定筒与所述机壳内壁之间夹装有杜瓦瓶，所述杜瓦瓶内设有超导磁体，所述机壳的外部设有与所述杜瓦瓶连通的冷冻机。

作为优选的技术方案，所述电刷架在所述转子的两侧相对设置两个且分别固定安装在所述机壳的内壁上。

作为优选的技术方案，所述定子包括在所述机壳内壁上固定安装的两组磁轭，各所述磁轭内固定有相对设置的永磁体且所述永磁体间形成所述间隙，同一组所述磁轭内两所述永磁体相邻侧的极性相异设置，两组所述磁轭间相邻侧两所述永磁体的极性相同设置。

作为优选的技术方案，所述电枢板的端面为U型，所述电枢板的两侧壁对应设于两组所述磁轭内的所述永磁体间，所述电枢板对应的所述滑环装置设于侧壁的端部。

作为对上述技术方案的改进，所述磁轭的侧部设有呈鼠笼形布置的磁条，所述磁轭侧部沿所述转轴的轴向布置的所述磁条上绕制有励磁绕组。

由于采用了上述技术方案，无换向轴向磁通直流电机，包括机座，所述机座上固定安装有机壳，贯穿所述机壳转动装配有转轴，所述机壳内固定安装有定子，所述定子在所述机壳的内壁上围绕所述转轴设置，所述定子与所述转轴之间设有转子，所述转子固定连接在所述转轴上，且所述定子与所述转子之间形成有间隙；所述转子包括在所述转轴外壁上均布且固定连接的若干电枢板，相邻所述电枢板间绝缘设置，各所述电枢板上分别连接有滑环装置；与各所述滑环装置分别对应设有配合使用的电刷装置，所述机壳上还布置安装有电刷架，所述电刷装置固定于相邻的所述电刷架上，各所述电枢板在所述滑环装置、所述电刷装置的电连接配合下串联设置；本发明具有以下有益效果：无换向轴向磁通直流电机工作时没有涡流和磁滞损耗，电枢板的电流损耗小，因此电机的效率高，又因电枢板垂直切割的磁场面积大，电磁密度大，转子受力的半径长，结构紧凑，无效材料少，无换向装置，故本发明具有体积小、重量轻、功率密度大、扭矩大、直流性能优、制造简单、成本低廉、运行可靠、使用寿命长等特点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例二的结构示意图；

图3是本发明实施例三的结构示意图；

图中：1-机座；2-机壳；3-轴承；4-转轴；5-间隙；6-绕组固定筒；7-励磁绕组；8-电枢板；9-外电枢板滑环；10-内电枢板滑环；11-内电刷；12-外电刷；13-电刷架；14-杜瓦瓶固定筒；15-杜瓦瓶；16-超导磁体；17-冷冻机；18-磁轭；19-永磁体；20-电枢板滑环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

实施例一：

如图1所示，无换向轴向磁通直流电机，包括机座1，所述机座1上固定安装有机壳2，贯穿所述机壳2通过轴承3转动装配有转轴4，所述机壳2内固定安装有定子，所述定子在所述机壳2的内壁上围绕所述转轴4设置，所述定子与所述转轴4之间设有转子，所述转子固定连接在所述转轴4上，且所述定子与所述转子之间形成有间隙5，通过设置的所述间隙5，使所述转子能够在所述转轴4的带动下产生自由旋转且不会与所述定子互相干涉。

本实施例的所述定子包括套装于所述机壳2内的绕组固定筒6，所述绕组固定筒6与所述机壳2的内壁固定连接，所述绕组固定筒6与所述机壳2内壁之间夹装有励磁绕组7，所述励磁绕组7为沿所述机壳2内壁绕制的铜制螺旋管，且可与外部进行电连接。所述绕组固定筒6为不锈钢结构，具有良好的坚固性能。

所述转子包括在所述转轴4外壁上均布且固定连接的若干电枢板8，相邻所述电枢板8间绝缘设置，各所述电枢板8上分别连接有滑环装置，所述滑环装置用于实现电能传递。所述电枢板8设置为两端面为扇形的金属体如设置为铜制金属体，且所述电枢板8在两扇形的端面之间形成有内弧面与外弧面，所述电枢板8的内弧面固定包覆在所述转轴4的外表面上，即所述电枢板8形成扇形体结构。另外，还可以借助电枢板箍加强各所述电枢板8装配的牢固强度，以提高所述转子转动时的稳定性。

所述滑环装置包括在所述电枢板8的两扇形端面上分别垂直向外延伸的外电枢板滑环9和内电枢板滑环10，各所述电枢板8上的所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10均设置一个，且所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10分别与所述电枢板8电连接设置，所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10均环绕所述转轴4设置，所述内电枢板滑环10靠近所述转轴4设置、所述外电枢板滑环9远离所述转轴4设置，两者均为封闭的环体结构，用于实现电能传递。相邻的两所述电枢板8上的所述外电枢板滑环9在所述电枢板8的两侧交替设置，相应地相邻的两所述电枢板8上的所述内电枢板滑环10在所述电枢板8的两侧交替设置。通过所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10的上述布置方式，使所述电枢板8及与所述外电枢板滑环9、所述内电枢板滑环10连接处的剖面呈似于Z形的结构，并且相邻的两所述电枢板8相关部分的剖面呈Z形与反Z形间隔设置，以便于其它电连接部件的安装布置。

由于所述电枢板8设置为多个，且每个所述电枢板8上均对应设有所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10，多个所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10设置完毕后最终的状态为在各所述电枢板8的两侧呈套环状。为便于电能的产生需尽量使所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10在对应的所述电枢板8上远离设置，最好成对角设置，因此两者最好靠近所述电枢板8的两端设置，而所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10又为多个，为便于实现电连接及电能的传送，各所述电枢板8上的所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10长度可适当进行调整，如可以设置为套环状态下由外向内或由内向外沿所述转轴4的轴向渐短布置，以方便电连接部件的布置安装。在套装且相邻的所述外电枢板滑环9间、所述内电枢板滑环10间均可设置绝缘胶或绝缘层，使它们能够绝缘地抵靠在一起，以提高整个所述转子转动时的稳定性。

与各所述滑环装置分别对应设有配合使用的电刷装置。所述电刷装置包括靠近所述转轴4设置的内电刷11和远离所述转轴4设置的外电刷12，所述外电刷12与所述外电枢板滑环9配合，所述内电刷11与所述内电枢板滑环10配合。所述外电枢板滑环9和所述内电枢板滑环10的渐短布置即是为了便于所述内电刷11和所述外电刷12的布置，以解决各部件间的空间干涉问题。

所述机壳2上还布置安装有电刷架13，所述电刷装置固定于相邻的所述电刷架上，即所述内电刷11和所述外电刷12固定于相邻的所述电刷架13上，所述电刷架13在所述转子的两侧相对设置两个且分别固定安装在所述机壳2的内壁上，以便于两侧分布的所述内电刷11和所述外电刷12固定安装使用。各所述电枢板8在所述滑环装置、所述内电刷11、所述外电刷12的电连接配合下串联设置，借助图1理解所述电枢板8具体的串接方式，在图1中围绕所述转轴4设置了四个所述电枢板8，具体为：

外部电源→电流导线→第1个电枢板8的外电刷12（外端右侧）→第1个电枢板8的外电枢板滑环9→第1个电枢板8→第1个电枢板8的内电枢板滑环10（内端左侧）→第1个电枢板8的内电刷11→电流导线→第2个电枢板8的外电刷12（外端左侧）→第2个电枢板8的外电枢板滑环9→第2个电枢板8→第2个电枢板8的内电枢板滑环10（内端右侧）→第2个电枢板8的内电刷11→电流导线→第3个电枢板8的外电刷12（外端右侧）→第3个电枢板8的外电枢板滑环9→第3个电枢板8→第3个电枢板8的内电枢板滑环10（内端左侧）→第3个电枢板8的内电刷11→电流导线→第4电枢板8的外电刷12（外端左侧）→第4电枢板8的外电枢板滑环9→第4个电枢板8→第4电枢板8的内电枢板滑环10（内端右侧）→第4电枢板8的内电刷11→电流导线→电源。

本实施例当装在所述绕组固定筒6上的所述励磁绕组7通有直流电流时，所述励磁绕组7会产生磁场，且该磁场穿过所述绕组固定筒6沿所述转轴4的轴向布置，在所述机壳2内与所述电枢板8形成正交，当所述转轴4在外部力矩的作用下转动时，根据法拉第电磁感应定律，所述电枢板8切割磁力线并产生径向的直流电流和电位降，所述内电刷11和所述外电刷12把各所述电枢板8串联起来，将电流引出。由于磁场恒定，所以输出的是稳恒直流电流，且无需设置换向转轴，可作为直流发电机使用。或者，将直流电流经所述外电刷12引入所述电枢板8时，根据安培定律，所述电枢板8内的电流受安培力作用，在电磁力矩的作用下使所述转轴4产生转动，输出机械力矩，可作为直流电动机使用。

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于所述定子的结构不同。在本实施例中，所述定子包括套装于所述机壳2内的杜瓦瓶固定筒14，所述杜瓦瓶固定筒14与所述机壳2的内壁固定连接，所述杜瓦瓶固定筒14与所述机壳2内壁之间夹装有杜瓦瓶15，所述杜瓦瓶15内设有超导磁体16，所述机壳2的外部设有与所述杜瓦瓶15连通的冷冻机17。其中，所述超导磁体16利用Y-Ba-Cu-O高温超导线绕制而成，所述杜瓦瓶15用不锈钢制作，所述杜瓦瓶15内装有液态氮，所述冷冻机17制冷使所述杜瓦瓶15内的氮保持液态。可以在所述转轴4上相对装设力矩传导筒，所述力矩传导筒与对应端的所述内电枢板滑环10和所述外电枢板滑环9固定连接，以提高力矩传递的稳定性以及所述转子转动的稳定性。

本实施例中利用各所述内电枢板滑环10、所述外电枢板滑环9、所述内电刷11、所述外电刷12将各所述电枢板8进行串联的方式与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例三：

本实施例中所述定子与所述转子的具体结构形式与前述两实施例不同。如图3所示，本实施例的所述定子包括在所述机壳2内壁上固定安装的两组磁轭18，各所述磁轭18内固定有相对设置的永磁体19且所述永磁体19间形成所述间隙5，所述磁轭18在所述机壳2的内壁上呈环形布置，相应地所述永磁体19也设置为环形结构，用于提供恒定磁场。同一组所述磁轭18内两所述永磁体19相邻侧的极性相异设置，两组所述磁轭18间相邻侧两所述永磁体19的极性相同设置。所述电枢板8的端面为U型，两侧面为扇形结构且固定围绕在所述转轴4的外侧，所述电枢板8的两侧壁对应设于两组所述磁轭18内的所述永磁体19间，当所述转轴4带动所述电枢板8转动时，两所述电枢板8的侧壁均切割对应的磁场并产生电流，由于其两侧壁的磁场方向不同，因此在其两侧壁中会产生同流向电流，以便于电流输出。显然，设置所述永磁体19处可设置励磁线圈，或者，在所述磁轭18的侧部设有呈鼠笼形布置的磁条，所述磁轭侧部沿所述转轴4的轴向布置的所述磁条上绕制有励磁绕组，利于电机的降温散热。电机的冷却方式是公知技术，恕不赘述。

所述电枢板8对应的所述滑环装置设于侧壁的端部，实际上所述滑环装置包括在所述电枢板8两端部固定连接且沿所述转轴4的轴线方向延伸的电枢板滑环20，所述电枢板滑环20与所述电枢板8、与对应的所述内电刷11或所述外电刷12电连接设置。相邻的两所述电枢板8上的所述电枢板滑环20异侧设置且沿所述转轴4轴线方向上的延伸长度也可适当调整，以便于所述内电刷11或所述外电刷12的布置连接。

在本实施例中，各所述电刷架13贯穿所述机壳2与所述磁轭18朝向所述电枢板8延伸设置，用于固定对应的所述内电刷11或所述外电刷12。利用各所述电枢板滑环20、所述内电刷11、所述外电刷12将各所述电枢板8进行串联的方式与实施例一相似，在此不再赘述。其中，所述永磁体19用钕铁硼制造且沿轴向充磁，所述磁轭18用硅钢制作，所述电枢板8、所述电枢板滑环20用铜制造，所述内电刷11或所述外电刷12可以设置为液态金属导电滑环，每组所述电枢板8可用碳纤维制作的电枢板箍进行辅助固定，由于利用所述永磁体19代替了所述励磁绕组7，使本实施例的功率密度更大，效率更高，据此特点，本实施例可以作为汽车等交通工具轮毂电机使用。

在各实施例中介绍的结构分别形成了电机单体，在实际使用时，可以多个同轴串联设置，以扩大电机容量，也可以引出数组导线，分成多个电机使用，且使用灵活，既可以作为直流发电机使用，也可以作为直流电动机使用。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.无换向轴向磁通直流电机，包括机座，所述机座上固定安装有机壳，贯穿所述机壳转动装配有转轴，其特征在于：所述机壳内固定安装有定子，所述定子在所述机壳的内壁上围绕所述转轴设置，所述定子与所述转轴之间设有转子，所述转子固定连接在所述转轴上，且所述定子与所述转子之间形成有间隙；

所述转子包括在所述转轴外壁上均布且固定连接的若干电枢板，相邻所述电枢板间绝缘设置，各所述电枢板上分别连接有滑环装置；

与各所述滑环装置分别对应设有配合使用的电刷装置，所述机壳上还布置安装有电刷架，所述电刷装置固定于相邻的所述电刷架上，各所述电枢板在所述滑环装置、所述电刷装置的电连接配合下串联设置；

所述电枢板设置为两端面为扇形的金属体，且所述电枢板在两扇形的端面之间形成有内弧面与外弧面，所述电枢板的内弧面固定包覆在所述转轴的外表面上；

所述滑环装置包括在所述电枢板的两扇形端面上分别垂直向外延伸的外电枢板滑环和内电枢板滑环，且所述外电枢板滑环和所述内电枢板滑环分别与所述电枢板电连接设置，所述外电枢板滑环和所述内电枢板滑环均环绕所述转轴设置，且所述内电枢板滑环靠近所述转轴设置、所述外电枢板滑环远离所述转轴设置。

2.如权利要求1所述的无换向轴向磁通直流电机，其特征在于：相邻的两所述电枢板上的所述外电枢板滑环在所述电枢板的两侧交替设置，相应地相邻的两所述电枢板上的所述内电枢板滑环在所述电枢板的两侧交替设置。

3.如权利要求2所述的无换向轴向磁通直流电机，其特征在于：所述电刷装置包括靠近所述转轴设置的内电刷和远离所述转轴设置的外电刷，所述外电刷与所述外电枢板滑环配合，所述内电刷与所述内电枢板滑环配合。

4.如权利要求1所述的无换向轴向磁通直流电机，其特征在于：所述定子包括套装于所述机壳内的绕组固定筒，所述绕组固定筒与所述机壳的内壁固定连接，所述绕组固定筒与所述机壳内壁之间夹装有励磁绕组。

5.如权利要求1所述的无换向轴向磁通直流电机，其特征在于：所述定子包括套装于所述机壳内的杜瓦瓶固定筒，所述杜瓦瓶固定筒与所述机壳的内壁固定连接，所述杜瓦瓶固定筒与所述机壳内壁之间夹装有杜瓦瓶，所述杜瓦瓶内设有超导磁体，所述机壳的外部设有与所述杜瓦瓶连通的冷冻机。

6.如权利要求1所述的无换向轴向磁通直流电机，其特征在于：所述定子包括在所述机壳内壁上固定安装的两组磁轭，各所述磁轭内固定有相对设置的永磁体且所述永磁体间形成所述间隙，同一组所述磁轭内两所述永磁体相邻侧的极性相异设置，两组所述磁轭间相邻侧两所述永磁体的极性相同设置。

7.如权利要求6所述的无换向轴向磁通直流电机，其特征在于：所述电枢板的端面为U型，所述电枢板的两侧壁对应设于两组所述磁轭内的所述永磁体间，所述电枢板对应的所述滑环装置设于侧壁的端部。

8.如权利要求7所述的无换向轴向磁通直流电机，其特征在于：所述磁轭的侧部设有呈鼠笼形布置的磁条，所述磁轭侧部沿所述转轴的轴向布置的所述磁条上绕制有励磁绕组。