CN201975971U - 笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机，主要包括爪极、卡环、电枢绕组、励磁绕组、电枢铁心、磁极铁心、转子位置传感器、控制器、机座、端盖和风扇。电枢为条形电枢或环形电枢，磁极为条形磁极，6个或6个以上条形磁极与6个或6个以上的条形电枢或1个环形电枢的两端插在两个卡环的插孔中，且露出定子铁心的两端，组成笼形定子；转子主要由两个爪极和转轴组成，爪极有4个或4个以上的爪，两个爪极轴向相对，两个爪极位于笼形定子的两侧；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接。在磁极牵引爪极旋转的同时，电枢发出直流电，无需电刷、集电环和整流器，实现输出机械能的同时，“回收”部分电能。

Description

笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机

技术领域

本实用新型涉及一种电力系统，特别是一种笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机。

技术背景

开关磁阻电动机(SR)是近些年发展的新型调速电机，结构简单结实、调速范围宽且性能好，现已广泛用在仪器仪表、家电、电动汽车等领域。磁阻电机的主要特点是转子上没有线圈。磁阻电动机利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。现有的开关磁阻电动机以双凸极电机为主。磁阻电机的转子上没有线圈，无需电刷和滑环，是一种无刷调速电机。但也正是因为转子上没有线圈，通过转子的磁通被“浪费”掉了。

根据百度百科对无刷直流发电机的定义：无刷直流发电机由无刷交流发电机与半导体整流器组成，是输出直流电的发电机整流器组合装置。即现有直流发电机要么通过电刷和换向器输出直流电，要么通过整流器输出直流电。

本实用新型采用爪对极结构，用卡环将若干定子磁极和电枢接成一个笼形整体，定子磁极产生轴向磁通，定子磁极牵引爪极转动的同时，电枢感应电动势产生直流电，实现输出机械能的同时，直接输出直流电，而且无需电刷和整流器。其实同时输出机械能与电能并不矛盾，电枢绕组切割磁力线发电并不会削弱定子磁场对转子的牵引力。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种在输出机械能的同时，能“回收”部分电能的笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机。

本实用新型是这样实现的：一种笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、电枢铁心(9)、磁极铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)，其特征是：磁极铁心为条形铁心，条形铁心上绕有一个轴向励磁绕组，组成轴向条形磁极；电枢铁心为条形铁心或环形铁心，电枢铁心上绕有一个轴向电枢绕组，组成条形电枢或环形电枢；卡环上平均分布有6个或6个以上数量为偶数的插孔，6个或6个以上的数量为偶数的条形磁极的两端插在两个卡环的插孔中，且露出磁极铁心的两端，环形电枢固定在两个卡环内侧的大孔中，且露出环形铁心的两端，组成一个有6个或6个以上数量为偶数的磁极和一个电枢的笼形定子，或者，卡环有两层插孔，6个或6个以上数量为偶数的条形磁极的两端插在两个卡环的其中一层插孔中，且露出磁极铁心的两端，6个或6个以上的数量为偶数的条形电枢的两端插在两个卡环的另一层插孔中，且露出电枢铁心的两端，组成一个有6个或6个以上数量为偶数的磁极和6个或6个以上数量为偶数的电枢的笼形定子；爪极有4个或4个以上数量为偶数的爪，两个轴向相对的爪极固定在转轴上，分别位于笼形定子的两侧；磁极的数量比爪极的爪的数量多2个或4个或6个；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接，组成由2相或2相以上励磁电源分别供电的定子磁极；爪极的爪与磁极铁心的端面之间留有气隙，爪极的爪与电枢铁心的端面之间留有气隙；转轴从卡环的内孔或环形电枢铁心的内孔无接触穿过；转子位置传感器由定子(14)和转子(15)两部分组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上或爪极上，转子位置传感器的定子固定在端盖或机座上，或者，转子位置传感器的定子与控制器设在一起；控制器主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，控制器固定在端盖或机座上。

发电机的工作原理：当磁极的其中一相通电时，与通电磁极距离最接近的爪极的爪受磁力的牵引作用旋转至与通电磁极相对的位置，转子位置传感器检测到转子已经旋转至既定的位置，通过控制器发出断开该相磁极的电流、接通下一相磁极的电流的指令，下一相磁极通电并吸引与其距离最接近的爪极的爪，实现转子的持续旋转；磁通从磁极的N极发出，经过爪极、电枢，从另一爪极回到磁极的S极，形成完整的磁路；通电磁极在吸引爪极的过程中，通过电枢的磁通发生变化，电枢绕组感应到电动势且产生电流；由于通过电枢的磁通是轴向磁通，而且磁通的方向不变，因此电枢产生的电流方向不会改变，可直接输出直流电；利用控制器中的功率变换器调节励磁电流的电压，以调节电机输出的转速和转矩大小；电机在输出机械旋转运动动力的同时，产生直流电。

磁极铁心的数量比爪极的爪的数量多2个或4个或6个，磁极铁心与爪极的爪数之比为6∶4或8∶6或8∶4或10∶8或12∶8或12∶10或12∶6等等，亦称为6/4极或8/6极或8/4极或10/8极或12/10极或12/6极等结构的发电电动机。6/4极采用3相励磁电源，8/6极采用4相励磁电源，8/4极采用2相励磁电源，10/8极采用5相励磁电源。

若电枢为条形电枢，则条形电枢的数量与条形磁极的数量相同，而且条形电枢与条形磁极径向对齐。

转子位置传感器起着转子位置的跟踪作用，它将转子的位置信号转换成控制电路所需的电信号。常用的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。

电磁式位置传感器是利用电磁感应的效应得到转子的位置信号。其基本原理是：在转子上有一个扇形的导磁片，随着转子的转动发出相应的电信号。

光电式位置传感器由随转子一起旋转的遮光罩和固定不动的光源和光电管组成。若干只光电管由遮光罩控制依次受到光线照射，使各相励磁绕组轮流通电，于是电动机能持续地旋转。

磁敏式位置传感器也是由定子和转子两部分组成，在转轴上安装永磁磁极，磁敏元件设在定子上。磁敏元件用对磁场敏感的半导体材料制成，常用的有霍尔元件、磁敏二极管和磁敏电阻。磁敏元件检测到的转子位置信号经过处理后，可控制电动机的励磁绕组按顺序通电。

控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成。来自位置传感器的控制信号经信号处理单元处理后，送到功率逻辑开关单元，用作控制电机各相励磁绕组的通、断电。控制器中包含了功率变换器、位置处理器及相驱动器三部分。

目前已有许多专用于控制电机的集成电路，组成开环或闭环控制系统，以调节和控制电机的转速。

电枢产生的直流电可作为电机的部分励磁电源反馈至磁极，以减少对外部励磁电源的依赖。磁极采用双段结构能有效利用电枢产生的电流，双段结构电机的其中一段磁极的励磁电源由外部电源提供，另一段磁极的励磁电源则由电枢产生的电源提供。电枢产生的直流电也可以输送至外部负载。

所述发电电动机为单段结构的发电电动机或双段结构的发电电动机。双段结构的发电电动机的笼形定子有两段，在两段笼形定子之间设有中间爪极(18)。两段磁极通以同向励磁电流，两段磁极的磁通方向相同。

爪极类似于普通爪极式交流发电机的爪极，但普通爪极式交流发电机的两块爪极的极爪呈鸟嘴形状，两块爪极的极爪是交错设置的，在两块爪极的极爪形成若干径向或切向磁场，而笼形爪对极式电机的两块爪极的极爪分别设在磁极的两侧，极爪对着笼形磁极的凸极，极爪的端面或极爪的凸极端面是平的，两块爪极形成的磁场始终是轴向磁场。

爪极为放射状爪极或盘式爪极。放射状爪极一般铸成一个整体，一个放射 状爪极至少有4个爪，爪极的爪朝径向放射状对称凸出。盘式爪极由托盘和导磁条组成，托盘用非导磁材料制成，托盘上平均分布有4个或4个以上的导磁条。

爪极的爪为直爪或弯爪或平斜爪或弯斜爪。弯爪是指爪极的爪先朝径向延伸、再朝轴向弯曲90度，平斜爪是指爪极的爪从径向看是平的，不是弯的，但又朝切向倾斜一定的角度，弯斜爪是指爪极的爪从径向看是朝轴向弯曲90度角的，但又朝切向倾斜一定的角度。根据每个爪上的凸极数量的不同，弯爪又分为单凸极弯爪和多凸极弯爪，弯斜爪又分为单凸极弯斜爪和多凸极弯斜爪。由于中间爪极所承载的磁通量较两侧的爪极要大，因此中间爪极要做得比侧爪极更厚，中间爪极做成一个整体，中间爪极也可以用两个独立的爪极替代。

盘式爪极的导磁条和放射状爪极用软铁材料制成，如电工纯铁、单晶合金、硅钢等。

条形磁极的铁心和条形电枢的铁心为直条形或斜条形铁心；条形铁心的两端平直，条形铁心呈“一”字型，或者，条形铁心的两端凸起，条形铁心呈“工”字型。从径向看，直条形铁心与转轴是平行的，斜条形铁心与转轴是交叉的。铁心用软铁材料制成，如电工纯铁、硅钢片、单晶合金等。

卡环为单层插孔的卡环或双层插孔的卡环，单层插孔的卡环上平均分布有6个或6个以上数量为偶数的矩形插孔，双层插孔的卡环上有两层矩形插孔，每层插孔有6个或6个以上，两层插孔径向对齐。磁极铁心绕上励磁绕组后，两端分别插在两个卡环的矩形孔中固定，而且铁心的两端露出来形成凸极，条形电枢的两端分别插在两个卡环的另一段矩形孔中固定。卡环上设有通风散热孔(17)或槽，以利于散热。定子铁心与卡环用卡位连接或键连接或销连接或螺纹连接或焊接或胶粘的方法固定。卡环用非铁磁性材料制成，如铝合金、不锈钢、阻燃塑胶、陶瓷、钢化玻璃等。若卡环用金属材料制造，卡环与定子铁心的连接处还要用绝缘漆作绝缘处理。

条形磁极是单绕组磁极，励磁绕组是轴向绕组；电枢是单绕组电枢，电枢绕组是轴向绕组。励磁绕组和电枢绕组用漆包线绕制而成，如漆包铜线、漆包铝线、漆包合金线等。

接线盒设在机座上。控制器可与接线盒设在一起，也可以设在端盖内侧，也可以单独设在机座上。

电机用风扇或液体冷却装置冷却，和/或，在机壳上设散热片散热。风扇固定在转轴上，或者，在爪极上铸有风扇叶片。双段结构的发电电动机可设双个风扇或多个风扇，分别设在转子的两侧和/或中间。为了方便搬运，可在机座上设吊攀。

附图说明

图1、图2、图3、图4为本实用新型第一实施例结构示意图。

图5、图6、图7、图8为本实用新型第二实施例结构示意图。

图9为本实用新型第三实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

第一实施例

参见图1电机整体结构平面示意图，图2定子结构分解合成图，图3转子结构示意图，图4转、定子合成图。一种笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、电枢铁心(9)、磁极铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)。磁极铁心为“工”字形条形铁心，条形定子铁心上绕有一个轴向励磁绕组，组成轴向条形磁极；电枢铁心为环形铁心，电枢铁心上绕有一个轴向电枢绕组，组成环形电枢；卡环上平均分布有6个插孔，6个条形磁极的两端插在两个卡环的矩形插孔中，且露出磁极铁心的两端，环形电枢固定在两个卡环内侧的大孔中，且露出环形铁心的两端，组成一个有6个磁极和一个电枢的笼形定子；爪极为放射状爪极，爪极有4个朝径向呈放射状凸起的直爪，两个轴向相对的爪极固定在转轴上，分别位于笼形定子的两侧；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接，组成由3相励磁电源分别供电的定子磁极；爪极的爪与磁极铁心的端面之间留有气隙，爪极的爪与电枢铁心的端面之间留有气隙；转轴从环形电枢铁心的内孔无接触穿过；转子位置传感器由定子(14)和转子(15)两部分组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上，转子位置传感器的定子固定在后端盖上；控制器固定在机座上，控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成闭环控制系统，以调节和控制电机的转速。控制器中包含了功率变换器、位置处理器及相驱动器三部分。来自位置传感器的控制信号经信号处理单元处理后，送到功率逻辑开关单元，用作控制电机各相励磁绕组的通、断电。卡环用铝合金材料制成，卡环与磁极铁心用环氧树脂固定，卡环与电枢环形铁心用环氧树脂固定，即卡环与铁心之间作绝缘处理。卡环上平均分布有6个通风散热孔(17)。风扇固定在转轴上，风扇位于前端盖的内侧。前端盖设有进风口，后端盖设有出风口。转轴通过轴承定位于前端盖和后端盖。 接线盒与控制器设在一起。电枢产生的直流电作为部分励磁电源反馈给磁极，同时减少外部励磁电源的电流。

第二实施例

参见图5电机整体结构平面示意图，图6定子结构示意图，图7转子结构示意图，图8转、定子合成图。一种笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、电枢铁心(9)、磁极铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)。卡环有两层插孔，6个条形磁极的两端插在两个卡环的外层插孔中，且露出磁极铁心的两端，6个条形电枢的两端插在两个卡环的内层插孔中，且露出电枢铁心的两端，组成一个有6个磁极和6个电枢的笼形定子。磁极与电枢径向对齐。爪极为盘式爪极，由托盘和导磁条组成，托盘用非导磁材料制成，托盘上平均分布有4个导磁条。转轴从卡环的内孔无接触穿过。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

第三实施例

参见图9电机整体结构平面示意图。一种双段结构的笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、电枢铁心(9)、磁极铁心(10)、后爪极(11)、中间爪极(18)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)。笼形定子有两段，在两段笼形定子之间设有中间爪极(18)，中间爪极由两个独立的爪极组成。两段磁极通以同向励磁电流，两段磁极的磁通方向相同。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

Claims (10)

1.一种笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、电枢铁心(9)、磁极铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)，其特征是：磁极铁心为条形铁心，条形铁心上绕有一个轴向励磁绕组，组成轴向条形磁极；电枢铁心为条形铁心或环形铁心，电枢铁心上绕有一个轴向电枢绕组，组成条形电枢或环形电枢；卡环上平均分布有6个或6个以上数量为偶数的插孔，6个或6个以上的数量为偶数的条形磁极的两端插在两个卡环的插孔中，且露出磁极铁心的两端，环形电枢固定在两个卡环内侧的大孔中，且露出环形铁心的两端，组成一个有6个或6个以上数量为偶数的磁极和一个电枢的笼形定子，或者，卡环有两层插孔，6个或6个以上数量为偶数的条形磁极的两端插在两个卡环的其中一层插孔中，且露出磁极铁心的两端，6个或6个以上的数量为偶数的条形电枢的两端插在两个卡环的另一层插孔中，且露出电枢铁心的两端，组成一个有6个或6个以上数量为偶数的磁极和6个或6个以上数量为偶数的电枢的笼形定子；爪极有4个或4个以上数量为偶数的爪，两个轴向相对的爪极固定在转轴上，分别位于笼形定子的两侧；磁极的数量比爪极的爪的数量多2个或4个或6个；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接，组成由2相或2相以上励磁电源分别供电的定子磁极；爪极的爪与磁极铁心的端面之间留有气隙，爪极的爪与电枢铁心的端面之间留有气隙；转轴从卡环的内孔或环形电枢铁心的内孔无接触穿过；转子位置传感器由定子(14)和转子(15)两部分组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上或爪极上，转子位置传感器的定子固定在端盖或机座上，或者，转子位置传感器的定子与控制器设在一起；控制器主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，控制器固定在端盖或机座上。

2.根据权利要求1所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述发电电动机为3相6/4极或4相8/6极或2相8/4极或5相10/8极结构的笼形爪对极式无刷开关磁阻发电电动机。

3.根据权利要求1所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述发电电动机为单段结构的发电电动机或双段结构的发电电动机；双段结构的发电电动机的笼形定子有两段，在两段笼形定子之间设有中间爪极(18)。

4.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述卡环为单层插孔的卡环或双层插孔的卡环；单层插孔 的卡环上平均分布有6个或6个以上数量为偶数的矩形插孔，双层插孔的卡环上有两层矩形插孔，每层插孔有6个或6个以上，两层插孔径向对齐；卡环用非铁磁性材料制成，卡环上设有通风散热孔(17)或槽。

5.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述转子位置传感器为电磁式位置传感器或光电式位置传感器或磁敏式位置传感器。

6.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，组成开环或闭环控制系统。

7.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是电枢产生的直流电作为电机的部分励磁电源反馈给磁极，或者，输送至外部负载。

8.根据权利要求1或2或3述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述爪极为放射状爪极或盘式爪极；盘式爪极由托盘和导磁条组成，托盘用非导磁材料制成，托盘上平均分布有4个或4个以上的导磁条；爪极的爪为直爪或弯爪或平斜爪或弯斜爪；盘式爪极的导磁条和放射状爪极用软铁材料制成。

9.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是条形磁极的铁心和条形电枢的铁心为直条形或斜条形铁心；条形铁心的两端平直，条形铁心呈“一”字型，或者，条形铁心的两端凸起，条形铁心呈“工”字型。

10.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式无刷开关磁阻直流发电电动机，其特征是条形电枢的数量与条形磁极的数量相同，而且条形电枢与条形磁极径向对齐。 

Images