CN201256345Y - 高效永磁直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种高效永磁直流电动机，属电机技术领域，用于提高电机性能。其技术方案是，它由定子和转子构成，所述转子由转轴和依次套装于转轴上且沿径向分布磁极极性的内永磁环和外永磁环组成，内永磁环和外永磁环之间的间隙为电机磁隙，外永磁环通过轴承与电机外壳连接，所述定子由平行于转轴且均匀分布于内永磁环和外永磁环之间的磁隙中的多根均布的导线组成。本实用新型不仅磁能利用率和能量转换效率高、工作电压范围宽、输出转矩、转速调整范围大，而且结构简单，使用寿命长。

Description

高效永磁直流电动机

技术领域

本实用新型涉及一种改进的永磁直流电动(发电)机，属电机技术领域。

背景技术

永磁直流电动(发电)机，是早已被广泛使用的电器设备，由于其结构所固有的缺陷，现有永磁直流电动(发电)机普遍存在着下列不足：

1、磁能利用率低

现有电机，均是以通电线圈在磁场中受到的安培力为动力，线圈的每边导体始终处于单磁极工作状态，虽然有的电机在线圈中加入了高导磁铁心材料，但磁力线在穿过两个空气间隙后，严重的漏磁将使磁场强度大大降低，导致电动机或发电机的输出功率大大降低。另外，线圈中加入铁心还会增加电机的铁损。

2、能量转换效率低

现有电机可分为有刷、无刷两种类型，有刷电机的电刷接触处极易产生火花而发热，不仅浪费电能，而且还需要不断更换电刷，电机的使用寿命也颇受影响；无刷电机是用电子换向替代了整流子换向，其损耗有所下降，但电子开关控制电路复杂，易于产生故障。

另外，现有电机大多采用转子线圈，线圈匝数多，导线长，内阻大，从而也带来铜损。电机的铁损加上铜损，使其效率也大受影响。

3工作电压范围小

现有电机，当外接电压超过或低于额定电压，电机线圈存在被烧损的危险。

4、电机低压转速低

现有电机的转速低，一般在4000r/min以下，外接电压下降时，转速更低。由直流电动机输出转速计算公式

可知，要想提高转速，必须提高外接电源电压。它的这一特性使得以电瓶为电源的电动车辆的行驶速度难以提高。假如现有电动汽车所接电瓶电压为96V，最高行驶速度80km/h，要想使速度达到200km/h，电瓶所供电压必须达到240V，需用20块电瓶串接才能达到，而电动汽车经常携带20块电瓶，是很不现实的。它的这一特性大大限制了电动汽车的推广应用。

虽然电机采用单磁极结构，可提高电动机的转速，但输出的转矩密度低，转矩波动大。

5、输出转矩、转速调整范围小

由功率平衡方程

可知，现有电动机的输出转矩在小范围内可通过增减I_枢自行调整。但当转速降得很低时(如电动车爬坡时)，由

可知，E_反的大幅降低，可导致I_枢电流迅速增大，其结果是保护装置动作，降低所供电流或电机电枢线圈烧毁。它的这一特性使电动车辆的爬坡性能大大降低。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足、提供一种磁能利用率和能量转换效率高、工作电压范围宽、输出转矩、转速调整范围大的高效永磁直流电动机。

本实用新型的目的是以下述技术方案实现的：

一种高效永磁直流电动机，由定子和转子构成，所述转子由转轴和依次套装于转轴上且沿径向分布磁极极性的内永磁环和外永磁环组成，内永磁环和外永磁环之间的间隙为电机磁隙，外永磁环通过轴承与电机外壳连接，所述定子由平行于转轴且均匀分布于内永磁环和外永磁环之间的磁隙中的多根均布的导线组成。

转子和定子的空间位置可以互换。

上述高效永磁直流电动机，所述内永磁环和外永磁环为钕铁硼环形体，它们之间的磁隙宽度为2～4毫米。

上述高效永磁直流电动机，组成定子的多根均布的导线之间用树脂胶粘合在一起，相邻导线之间的间距为1～20毫米。

本实用新型用两个提供磁隙的永磁环作转子，磁隙小且无铁心，不仅不会产生铁损，而且磁隙中的磁场分布均匀，漏磁少，有利于提高磁能利用率；用分布于磁隙中的多根均布的导线作定子，取消了传统永磁直流电机的电刷和电子换向装置，提高了能量转换效率和输出电压、电流的稳定性，延长了使用寿命。同时，改变多根均布的导线的连接方式，还可使电机输出转矩、输出电压、转速的调节范围大大增加。本实用新型不仅磁能利用率和能量转换效率高、工作电压范围宽、输出转矩、转速调整范围大，而且结构简单，使用寿命长。

附图说明

图1是本实用新的结构示意图。

图中各标号为：1、非金属外壳；3、外永磁环N极；4、外永磁环S极；5、内永磁环S极；6、内永磁环N极；7、导线；8、非金属转子芯；9、转轴；10、底座。

文中所用符号：n、转速；U、电源电压；I_枢、电枢电流；E_反、反电动势；R_枢、电枢内阻；φ、直径；B、磁场强度；L、导体长度；V、导体速度；U_外、外接电源电压；I、电流；R、电阻；M_e、转矩；E、感应电动势。

具体实施方式

参看图1，内外永磁环为钕铁硼环形体，均采用径向充磁方向，经8次充磁制成，内外永磁环的充磁角度应相同，保证内外永磁环的磁力线重合。组成定子的多根均布的导线之间用树脂胶粘合在一起，并且和非金属外壳1固定在一起。外永磁环通过轴承与电机外壳连接，应保证外永磁环能自由转动。内永磁环通过非金属转子芯8套装于转轴9上。本实用新型的工作原理：

当定子导线中通入直流电(图中电流为流出方向)后，由安培定律可知，磁隙中的所有导线均受到安培力的作用，其大小相等、方向相同，由于各个导线是固定的，处于导线两侧的内外永磁环在导线的反作用力下，向导线所受安培力的反方向旋转。此时只要通入导线中的电流不间断，转子中的内、外永磁环将不停地加速旋转。由于内、外永磁环的旋转，将在导线中产生反向电压。由反向电压计算公式：E_反＝BLV可知，当转子的旋转速度V使E_反大于外接电源电压时，通入导线的电流将减小，其转子的转速相应降低。当U_外＝E_反+IR时，转子的转速处在一个稳定的状态。

当把该机作发电机使用时，只需用一动力机械拖动转子旋转，由楞次定律可知，导线中将产生感生电流，该发动机发出的直流电流、电压没有任何波动，是真正的直流电。

电动机启动时，可采用限流启动，改变输入定子导线电流的方向，可改变转子的旋转方向。

内永磁环和外永磁环之间的磁隙宽度为2～4毫米，可以认为没有漏磁，转子旋转过程中，导线始终处于磁隙中，大大提高了磁能的利用率。经试验，在永磁体磁场强度相等的情况下，本实用新型可使电动机的输出动力增加一倍，使发电机的发电量增加一倍。

本实用新型无电刷，无火花损耗。定子导线电阻非常小，一般在0.0001Ω～0.001Ω之间，导线自身的耗电量非常小，可忽略不计，而且耐压高。定子、转子中均无铁心，无铁损。定子导线始终垂直于磁力线，输出的动力或电动势始终是最大值，效率高达99.5％。

本实用新型的定子导线数量多，每一块导线相当于传统电动机的一对磁极，因此它的转矩输出密度非常高，转矩无任何波动。当把定子中的所有导线并联后，可认为定子是一根导线，R_铜非常小，电压平衡方程U＝E_反+I_铜R_铜中，I_铜R_铜可忽略不计，设电机的外接电源电压为4.5V，磁场强度B＝1.5T，定子导线的长度L＝0.05m，定子中心直径φ＝0.05m，由U＝E_反＝BLV得，

由以上计算可知，用36V、48V直流电使电动车的行驶速度达到200km/h，甚至达到500km/h、1000km/h也是完全可以实现的。

本实用新型可将定子导线串联，在不增加定子导线电流的情况下，降低转速，提高输出转矩。例如一台输入电压48V，输入电流50A的直流电动机，导线全部并联时的输出转速是3600转/分，转矩M_e＝6.4Nm，当定子导线分成三组串联时，由电压平衡方程U＝E_反+I_铜R_铜计算可知，转速将降到1200转/分，M_e＝19.1N.m，当定子导线分成十组串联时，其转速将降到360转/分，输出转矩可达M_e＝63Nm。通过改变定子导线的串并联方式，能很方便地对转速、转矩进行调整。

本实用新型中的导线可用多根串联的铜线取代，一根铜线相当于传统发电机中的一对磁极，如果用1000根铜线作定子导线，相当于电机中有1000对磁极，它发出的电量肯定是相当高的。例如一台B＝1.5T，单根导线长度L＝0.5m，定子中心直径φ＝0.33m，拖动机械的转速为6转/分，定子铜线1000根全部串联的发电机，感应电动势E＝NBLV＝1000×1.5×0.5×0.33×3.14×6/60＝78V，这么高的电压完全可以得到利用。

Claims (3)

1.一种高效永磁直流电动机，其特征是，它由定子和转子构成，所述转子由转轴(9)和依次套装于转轴(9)上且沿径向分布磁极极性的内永磁环和外永磁环组成，内永磁环和外永磁环之间的间隙为电机磁隙，外永磁环通过轴承与电机外壳连接，所述定子由平行于转轴(9)且均匀分布于内永磁环和外永磁环之间的磁隙中的多根均布的导线(7)组成。

2.根据权利要求1所述高效永磁直流电动机，其特征是，所述内永磁环和外永磁环为钕铁硼环形体，它们之间的磁隙宽度为2～4毫米。

3.根据权利要求1或2所述高效永磁直流电动机，其特征是，组成定子的多根均布的导线(7)之间用树脂胶粘合在一起，相邻导线(7)之间的间距为1～20毫米。