CN201937416U

CN201937416U - 永磁垂轴式电动机

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Publication number: CN201937416U
Application number: CN2011200054713U
Authority: CN
Inventors: 赵明林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-01-10

Abstract

本实用新型公开了一种永磁垂轴式电动机，包括电机外壳和电机主轴，所述电机主轴位于电机外壳内，它包括同轴设置的一对定子和转子，所述转子位于两个定子之间，所述定子与转子并列；所述转子与电机主轴固定连接，转子呈哑铃形状，转子上绕有线圈；所述定子与电机外壳固定连接，所述定子与电机主轴之间环向设有间隙，所述定子上绕电机主轴环向设有定子永磁体，相邻的定子永磁体之间设有一个“空”位A，两个定子上相同位置的定子永磁体的磁极相反并构成一个磁场。本实用新型的优点：1、由于磁体与转子并列，磁极间的距离更近，可小到同功率电动机磁极距离的1/3。一般情况下，磁极距离缩小1/2，磁场增强到4倍，电磁力增大到4倍。因此磁场更强，所产生的电磁力更大，功率也更大。

Description

永磁垂轴式电动机

技术领域

本实用新型涉及电动机领域，尤其是涉及一种永磁电动机。

背景技术

永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。

表面式永磁同步电机也称为永磁转矩电机，相对内置式永磁同步电机而言，其弱磁调速范围小，功率密度低。该结构电机动态响应快，并可望得到低转矩脉动，适合用作汽车的电子伺服驱动，如汽车电子动力方向盘的伺服电机。

内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入，结构灵活，设计自由度大，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。

电动汽车是未来汽车的发展趋势，然而现在的电动机并不能满足电动汽车的动力需要。现在的非永磁电动机，由于结构原因磁体线圈所产生的磁场小。它耗电量比永磁电动机大。用在电动汽车上时，速度慢，充电时间长，由于蓄电池蓄电能力小，因此电动汽车续航能力差。现在的永磁电动机，充磁不方便；且磁体距离较远，所产生的磁场小。由于现在永磁体制造能力的限制，不能制造大体积的永磁体，功率较小。限制了电动汽车的发展。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种体积小、功率大、耗电低的永磁电动机。

本实用新型的技术方案是：

永磁垂轴式电动机，包括电机外壳和电机主轴，所述电机主轴位于电机外壳内，它包括同轴设置的一对定子和转子，所述转子位于两个定子之间，所述定子与转子并列；所述转子与电机主轴固定连接，转子呈哑铃形状，转子上绕有线圈；所述定子与电机外壳固定连接，所述定子与电机主轴之间环向设有间隙，所述定子上绕电机主轴环向设有定子永磁体，相邻的定子永磁体之间设有一个”空”位A，两个定子上相同位置的定子永磁体的磁极相反并构成一个磁场。

所述定子包括定子框，所述定子永磁体沿圆周方向设置在定子框内。

在电机主轴与转子连接处电机主轴向中心凹陷，线圈位于凹陷内，在径向方向该处线圈的外缘到电机主轴轴线的距离小于定子永磁体的内沿到电机主轴轴线的距离。

在所述定子框上定子永磁体的外侧还设有辅助磁体，对应在转子的外侧设有形状与辅助磁体形状相适应的突出部分。

所述辅助磁体沿转子的切线方向设置。

所述辅助磁体数量为8块，辅助磁体的磁极与其内侧的定子永磁体磁极相同，顺时针相邻的辅助磁体的磁极也与该辅助磁体相同。

所述电机主轴上还设有电刷和换向器，所述换向器与线圈连接。

所述每一侧定子永磁体的数量为4块。

所述定子永磁体的形状为扇环。

本实用新型的优点：

1、由于磁体与转子并列，磁极间的距离更近，可小到同功率电动机磁极距离的1/3。一般情况下，磁极距离缩小1/2，磁场增强到4倍，电磁力增大到4倍。因此磁场更强，所产生的电磁力更大，功率也更大。相比普通永磁电动机，耗电量更小，用在电动汽车上时它的工作时间更长，汽车的续航里程也更长，理论上可提高到9倍。并且它是永磁电动机，与同功率的非永磁电动机相比，耗电量更小。

2、磁体与转子并列，永磁体充磁也更方便，充磁也只半年冲一次，并且单个磁体体积较小，便于制造，成本较低。转子（设计为直径30厘米，宽4.5厘米）与磁体（设计厚度5厘米）间隔排列，共用磁极，既降低成本，又提高效率。此外，如果磁极共用，也可以省去辅助磁体以及转子的突出部分。

3、此电动机能直接安装到汽车轮轴上，省去传动装置。

4、其结构简单，主要包括转子实体、线圈、永磁体、定子框、电机主轴、电刷及电刷盒，结构紧凑，与同功率电动机相比，体积更小，质量更小。

将本实用新型应用在电动汽车上，将大大推动电动汽车的发展，同时减少温室气体的排放，减缓全球气候变暖进程。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型采用直流电时的结构示意图；

图3是电机主轴、定子、转子以及电机主轴上附件的结构示意图；

图4是左侧定子的结构示意图；

图5是右侧定子的结构示意图；

图6是转子的结构示意图；

图7是转子上非磁性实体的结构示意图；

图8是定子框结构示意图；

图9是右侧定子去除辅助磁体后的结构示意图；

图10是转子不设突出部分时的结构示意图；

图11是转子上线圈的结构示意图。

具体实施方式

如图1、3所示，本实用新型包括电机壳体1，电机壳体1内横向安装有电机的主轴2，电机主轴2上固定连接有转子3，转子3两侧同轴各设有一个定子4，定子4与电机主轴2之间环向设有间隙。定子4通过定子框9与电机壳体1固定连接。当电机主轴2转动时，转子3随电机主轴2同轴转动，而定子4固定不动。

定子4：

如图4、5所示，定子4包括定子框9与永磁体。如图8所示，单个定子框9包括一个外圆框11和内圆框12，外圆框11圆周上还均匀设有四根用来和电机壳体1连接的支撑5。外圆框11的外圆半径等于内圆框12的内圆直径，把外圆框11所在的圆平均分成8份。

永磁体包括定子永磁体10和辅助磁体14。

在外圆框11和内圆框12之间装上4块定子永磁体10，外圆框11上装8块辅助磁体14，定子永磁体10形状为扇环。安装时，相邻的两个定子永磁体10之间留有一个”空”位A，且相邻定子永磁体10的磁极相反，即S-空-N-空- S-空- N-空。辅助磁体14的磁极与其内侧的定子永磁体10的磁极相同，顺时针相邻的”空”位A上侧辅助磁体14的磁极也相同，即S-S，N-N，S-S，N-N。两个定子4则共有8块定子永磁体10和16块辅助磁体14，左侧定子4上的定子永磁体10和辅助磁体14的磁极与右侧定子4各磁体的磁极正好相反。

转子3：

如图6所示，转子3由非磁性实体6和线圈7组成。非磁性实体6为空心，非磁性实体6与电机主轴2固定连接。如图7所示，非磁性实体6呈哑铃形状。

如图8所示，线圈7按顺时针方向紧密缠绕非磁性实体6，线圈7的两端通过电机主轴2的内部与电机主轴2上的换向器（指用绝缘体与电机主轴连接的铜片）连接。

此处电机主轴2的截面形状为圆的两侧均减去线圈7的厚度，因为如果电机主轴2此处的截面形状仍是为圆，则该处的线圈7会与定子永磁体10作用，产生反向的作用力。所以应当使该处的线圈7不处于定子永磁体10构成的磁场中心内。

如图7所示，非磁性实体6的形状可以看作：一个大圆减去一个小圆，其中大圆半径=小圆直径（小圆是指电机主轴2的截面形状），然后再分成8份，只保留相对应的两份。

线圈7所缠绕的厚度以与小圆去掉部分的宽度相等为宜。

非磁性实体6两端各设有一突出部分8，因为在运行中转子3会出现一段无磁力状态（指转子3上的线圈7与定子4上的“空”位A相对时），突出部分8能使线圈7也同样凸起一部分，使位于突出部分8的边缘线圈与定子4上的16块辅助磁体14相对应，并在运行中产生磁力，使转子3不会出现无磁力状态，且能增大电磁力。

当然，由于转子3具有惯性，不会出现停止。因此非磁性实体6两端也可以不设置突出部分8，如图9、10所示，定子上的16块辅助磁体14可去除，定子4外缘突出部分8也不再形成与非磁性实体6相对应的角度。

电机主轴2：

电机主轴2与转子3固定连接，与定子4、电刷盒15通过轴承转动连接。电机主轴2内设置穿线孔，供线圈7的引线通过。

换向器13固定在电机主轴2上。如图1所示，使用交流电时，换向器13、是两个并列闭合环，闭合环各连接线圈7的其中一条导线。

如图2所示，使用直流电时，换向器是由4片金属片间隔绕转电机主轴2一周组成，相对的两金属片连接同一导线，四片相对应的范围依次是“S空”，、“N空”、“S空”、“N空”，换向器与电机主轴2之间有绝缘体绝缘。

电刷盒15：电刷盒15内是电刷和换向器13的接触设置，并有两条引出导线，用来连接电源。

本实用新型工作过程如下：

在引出线两端加上电压，使线圈7内有交变电流通过，线圈7处在永磁体的磁场里，并且线圈7与磁场方向垂直，根据弗莱明左手定则，磁场方向与电流方向及电磁力方向两两垂直。磁场方向与电流方向垂直，使通电线圈产生与之垂直的电磁力，并作用在转/3上，从而使转子3绕电机主轴2转动。

当采用直流电时，当转子转动1/4圈时，永磁体所产生磁场的方向改变了，因此用换向器16改变电流方向，使所产生的电磁力方向不变，作用方向不变，使转子绕同一方向转动。此种情况在2/4、3/4、4/4圈时各改变一次，也就是说，转动一圈电流方向改变4次，如此循环，使转子连续转动。而对于交流来说，就不必变换方向，因为交流是自行改变方向的，故而所产生的电磁力方向不变，转子转动的方向不变。转子转动的快慢是由交流频率决定的，频率越高转动越快。

因为永磁体长期使用会消磁，所以需要半年充一次磁，使用充磁机把电能转化成磁能储存在永磁体内。

需要说明的是：定子4与电机主轴2之间也可以通过轴承连接。由定子永磁体10构成的磁场数量也可以为2个、3个、5个等等，但相邻磁场之间必须有无磁场的“空”位，避免线圈在两个磁场之间的受力方向不一致，出现停顿现象。同样，转子3外形以及线圈7的厚度可以根据需要进行调整。这样的近似变化均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.永磁垂轴式电动机，包括电机外壳和电机主轴，所述电机主轴位于电机外壳内，其特征在于：它包括同轴设置的一对定子和转子，所述转子位于两个定子之间，所述定子与转子并列；所述转子与电机主轴固定连接，转子呈哑铃形状，转子上绕有线圈；所述定子与电机外壳固定连接，所述定子与电机主轴之间环向设有间隙，所述定子上绕电机主轴环向设有定子永磁体，相邻的定子永磁体之间设有一个“空”位，两个定子上相同位置的定子永磁体的磁极相反并构成一个磁场。

2.根据权利要求1所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：所述定子包括定子框，所述定子永磁体沿圆周方向设置在定子框内。

3.根据权利要求1或2所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：在电机主轴与转子连接处电机主轴向中心凹陷，线圈位于凹陷内，在径向方向该处线圈的外缘到电机主轴轴线的距离小于定子永磁体的内沿到电机主轴轴线的距离。

4.根据权利要求2或3所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：在所述定子框上定子永磁体的外侧还设有辅助磁体，对应在转子的外侧设有形状与辅助磁体形状相适应的突出部分。

5.根据权利要求4所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：所述辅助磁体沿转子的切线方向设置。

6.根据权利要求5所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：所述辅助磁体数量为8块，辅助磁体的磁极与其内侧的定子永磁体磁极相同，顺时针相邻的辅助磁体的磁极也与该辅助磁体相同。

7.根据权利要求1或2所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：所述电机主轴上还设有电刷和换向器，所述换向器与线圈连接。

8.根据权利要求1或2所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：所述每一侧定子永磁体的数量为4块。

9.根据权利要求1或2所述的永磁垂轴式电动机，其特征在于：所述定子永磁体的形状为扇环。