CN201733151U - 一种轴向磁场盘式电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型轴向磁场盘式电机。使用独立线圈嵌锁电磁阵列作为电机电枢绕组，即电机定子，电枢绕组与由磁性材料制作的转子在轴向上平行且同轴布置。本实用新型的有益效果是，能够有效减少电枢绕组磁间隙，提高磁效率，从而提高电机效率。使用添加导热体的树脂或聚氨酯固封，对提高电枢绕组的散热性能具有决定性的作用。
Description
技术领域
本技术涉及轴向磁场旋转电动装置，如轴向磁场的电动机和发电机等。这类装置的特点是转子和定子在轴向上同轴平行布置，即在洛伦茨定律的磁场下工作。同时，该技术还涉及到无铁芯电枢绕组的固封材料组成。
背景技术
1821年，法拉第在研究奥斯特发现的电流的磁作用时获得了一项重大发现：磁作用的方向是与产生磁作用的电流的方向垂直的。他由此制成了一种电动机，证明了导线在恒定磁场内的转动。这种原理性的电机，就是我们今天所称的轴向磁场电机。100多年来，由于材料和加工能力的限制，人们始终不能将这种具有高功率密度、运动部件少、体积小、重量轻等结构和机械特性的电机投入产品生产。不得已，才发展出了异步、同步、直流无刷等形形色色的电机系列。
自上世纪50年代开始，人们开始将轴向磁场电机技术应用于微型电机的研发，并逐步应用在计算机硬盘、微型磁带录音机上。进入上世纪80年代，国内外电机行业开始研究和发展中小型轴向磁场电机。尽管加工手段已今非昔比，但对于异形的独立线圈的绕制成形，以及独立线圈排列固封所使用的高分子材料，仍然没有取得突破性的进展。因此，这些轴向磁场电机，因结构和材料的原因，其电磁效率和散热能力均受到严重的限制。
发明内容
为了提高轴向磁场电机电枢绕组的磁效率，进而提高轴向磁场电机效率，同时提高电机绕组的散热效果，设计了一种新型的轴向磁场盘式电机。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
使用独立线圈嵌锁电磁阵列作为电机电枢绕组，即电机定子，电枢绕组与由磁性材料制作的转子在轴向上平行且同轴布置。
使用特殊制作的模具，将金属导线紧密且整齐排列绕制成独立线圈(11)，独立线圈(11)轴向截面形状为一个中空的扇面，四角圆弧过渡。
每个独立线圈有两个电磁工作段(12)，一个内延段(13)和一个外延段(14)。独立线圈内延段(13)和外延段(14)在轴向(31)上隆起，其隆起高度(23)为电磁工作段(12)轴向厚度(22)的0.5-1倍。
将多个独立线圈沿圆周方向嵌锁排列，使用添加导热体的树脂材料将圆形电磁阵列整 体固封，形成圆环状电磁阵列(15)，下称电磁阵列环。使用该电磁阵列环作为轴向磁场盘式电机定子。排列后的全部独立线圈的电磁工作段在圆周方向等分，误差小于±1°。
用于固封电磁阵列的树脂或聚氨酯固封材料(18)中添加的导热体是纤维状或片状的，且不具导电、导磁特性。
电机转子(19)是由嵌入轭铁(16)的永磁材料(17)组成的固定在一个连接输出轴上的圆盘。其中，独立线圈电磁工作段长度(21)与电机转子永磁材料在径向上的长度(27)相一致，误差小于±7％。
本实用新型的有益效果是，能够有效地减少电枢绕组的磁间隙，提高磁效率，从而提高轴向磁场盘式电机的效率。使用添加导热体的树脂或聚氨酯固封，对提高电枢绕组的散热性能具有决定性的作用，是制作大功率轴向磁场盘式电机的关键。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型方案示意图；
图2是独立线圈示意图，包括立体示意图2a，独立线圈尺寸关系图2b和独立线圈截面图2c；
图3是独立线圈嵌锁电磁阵列环示意图，包括电磁阵列环立体结构示意图3a和封装剖面示意图3b；
图4是电机核心结构示意图，为使用独立线圈嵌锁电磁阵列的轴向磁场电机构成示意；
图5是电机原理示意图，为使用独立线圈嵌锁电磁阵列的轴向磁场电机工作原理示意。
图中：
11-独立线圈，12-线圈电磁工作段，13-线圈内延段，14-线圈外延段，15-独立线圈嵌锁电磁阵列环，16-轭铁，17-磁材料，18-固封材料，19-转子；
21-线圈工作段长度，22-线圈工作段厚度，23-线圈隆起厚度，24-相邻电磁工作段圆周向夹角角度，25-电磁阵列外延段轴向厚度，26-电磁阵列中间段轴向厚度，27-磁铁长度；
31-轴向，32-径向，33-电流方向，34-磁场方向，35-旋转方向。
具体实施方式
图1是本实用新型的方案示意图。使用特殊制作的模具，将金属导线紧密且整齐排列绕制成独立线圈(11)，每个独立线圈有两个电磁工作段(12)，一个内延段(13)和一个外延段(14)。将多个独立线圈沿圆周方向嵌锁排列成一个圆形电磁阵列，使用添加导热体 的树脂材料将圆形电磁阵列整体固封成型，形成独立线圈嵌锁电磁阵列环(15)，下称电磁阵列环。使用该电磁阵列环作为轴向磁场盘式电机定子。
图2是独立线圈示意图，包括立体示意图2a，轴向线圈尺寸关系图2b和轴向线圈截面图2c。独立线圈是一个具有空间结构的，由金属导线紧密且整齐排列绕制的线圈。独立线圈的轴向截面形状为一个中空的扇面，四角圆弧过渡。此圆弧过渡的目的是防止线圈在绕制成型时对金属导线绝缘形成破坏。
电磁工作段(12)是独立线圈在扇面形状上的两直线边，每个独立线圈有两个电磁工作段。(21)是电磁工作段(12)的径向长度；内延段(13)和外延段(14)是电磁工作段在扇形径向(32)上的内、外连接延伸段。内延段(13)和外延段(14)在独立线圈(11)轴向(31)上隆起，其隆起的高度(23)为电磁工作段(12)轴向厚度(22)的0.5-1倍。
图3a是电磁阵列圆环立体结构示意图。独立线圈嵌锁电磁阵列是由若干如图2a所示的独立线圈按照一定秩序分组排列组成的。独立线圈嵌锁电磁阵列通常是三组、但不限于三组相嵌排列，并由独立线圈的内延段(13)和外延段(14)的隆起结构予以锁定。排列后的线圈具有如下特征：各相邻的电磁工作段在圆周向夹角的角度(24)是相等的，误差小于±1°，即组成电磁阵列的全部电磁工作段在圆周向等分布置，误差小于±1°。然后使用添加导热体的树脂材料将电磁阵列整体固封成电磁阵列环。
图3b是电磁阵列环的封装剖面示意图(未标出线圈)。电磁阵列环中间段轴向厚度(26)较电磁阵列外沿和内沿轴向厚度(25)小。该外形的优点是使包裹电磁工作段(12)的厚度尽可能小，从而使电磁阵列具有最小的磁间隙，以提高电磁效率。其中，用于固封电磁阵列的树脂或聚氨酯固封材料中添加纤维状或片状的、不具导电、导磁特性的导热体。该导热体在树脂或聚氨酯材料固化后形成热桥，用以提高电磁阵列工作时的热传导效率。
图4是不包括外壳、输出轴等部件的轴向磁场电机的核心结构组成示意图，它使用电磁阵列环(15)作为定子，电机转子(19)是由嵌入轭铁(16)的永磁材料(17)组成的固定在一个连接输出轴上的圆盘。其中，独立线圈电磁工作段长度(21)与电机转子永磁材料在径向上的长度27相一致，误差小于±7％。
图5是按照图4所示结构组成的轴向磁场电机的工作原理示意图(添加导热体的树脂或聚氨酯材料未画出)。其中，(33)是某瞬间流过作为定子的独立线圈嵌锁电磁阵列环(15)中一个或一组电磁工作段的电流方向，(34)是转子(19)上一组永磁体构成的磁场方向，(35)是转子(19)的旋转方向，即电机输出轴旋转方向。顺序或成组顺序对独立线圈嵌锁电磁阵列上的电磁工作段施加电流，定子上成对的磁场在洛伦茨力的作用下，按照(35)所指示的方向连续旋转。
独立线圈嵌锁电磁阵列(Individual Coil Interlock Electro Magnetic Array)作为轴向磁场盘式电机的核心部件——电枢绕组，是对轴向磁场电机制造工艺和材料的重要革新。独立线圈的特殊立体造型，是形成电磁阵列的布局、位置锁定和减小磁间隙的关键；在树脂或聚氨酯中添加导热体极大地改善了电枢绕组的热传导能力。这些技术的应用，使采用独立线圈嵌锁电磁阵列作为电枢绕组的轴向磁场电机，具有运动部件少、重量轻、体积小等特征，以及高功率密度、高控制精确度、高效率、低损耗、低噪声等优势，是一种结构简单、可靠性高、可低速大扭矩直接驱动的高品质电机。由于其高效节能和直接驱动的特点，具有可替代传统电机的广泛市场前景。
Claims (6)
1.一种轴向磁场盘式电机，其特征是：使用独立线圈嵌锁电磁阵列作为电机电枢绕组，即电机定子，电枢绕组与由磁性材料制作的转子在轴向上平行且同轴布置。
2.根据权利要求1所述的一种轴向磁场盘式电机，其特征是：独立线圈(11)轴向截面形状为一个中空的扇面，四角圆弧过渡。
3.根据权利要求2所述的一种轴向磁场盘式电机，其特征是：独立线圈内延段(13)和外延段(14)在轴向(31)上隆起，其隆起高度(23)为电磁工作段(12)轴向厚度(22)的0.5-1倍。
4.根据权利要求3所述的一种轴向磁场盘式电机，其特征是：多个独立线圈沿圆周方向嵌锁排列，使用添加导热体的树脂或聚氨酯材料固封，形成圆环状电磁阵列，排列后的全部独立线圈的电磁工作段在圆周方向等分，误差小于±1°。
5.根据权利要求4所述的一种轴向磁场盘式电机，其特征是：用于固封电磁阵列的树脂或聚氨酯固封材料(18)中添加的导热体是纤维状或片状的，且不具导电、导磁特性。
6.根据权利要求3所述的一种轴向磁场盘式电机，其特征是：电机转子(19)是由嵌入轭铁(16)的永磁材料(17)组成的固定在一个连接输出轴上的圆盘，其中，独立线圈电磁工作段长度(21)与电机转子永磁材料在径向上的长度(27)相一致，误差小于±7％。
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