CN203589856U - 车船用直流节能驱动电机 - Google Patents

Abstract

一种车船用直流节能驱动电机，包括机壳、起重环，腔内安装永久磁极，转子轴上安装铁芯与电枢绕组层间无隔离层，转子轴上安装导流环，轴与导流环绝缘，各导流环之间绝缘，导流盘通过支架安装在机腔内，导流盘内有数个由弹簧压紧的导流滚子，导流盘与导流环的位置相对应，导流滚子与导流环环面做弹性连接，电枢绕组的导线连接导流环，电源线连接导流盘，轴的两端，安装带滚动轴承的端盖，转子轴一端安装齿轮，另一端安装扇叶与扇叶盖，机腔内安装传感器，驱动电源由电子开关电路和数字信号处理器构成，本实用新型具有体积较小，重量较轻，可制作超大型电机，成本低，节约电能，使用寿命较长，是一种新型的电机。

Description

车船用直流节能驱动电机

技术领域

本实用新型涉及一利用电能转化为机械能的设备，特别涉及一种车船用直流节能驱动电机。 

背景技术

众所周知，1831年，法拉第发明了单极直流电机。1833年，法国发明家皮克西(Pixii)制成了第一台旋转磁极式直流电机。直流电机按结构及工作原理可划分为无刷直流电机和有刷直流电机。有刷直流电机可划分为：永磁直流电机和励磁直流电机。励磁直流电机的种类有：串励式直流电机、并励式直流电动机、他励式直流电机和复励式直流电机。永磁直流电机的种类有：稀土永磁电极直流电动机，铁氧体永磁直流电机和铝镍钴永磁直流电机。 

高压电机是指额定电压在1000V以上电动机。高压电机产生是由于电机功率正比于其输入电压与输入电流的乘积，低压电机功率增大到一定程度，输入电流受到导线截面的允许承受能力的限制，难于制作大功率电机，高压电机优点是功率大，承受冲击能力强；缺点是惯性大，启动和制动都比较困难。 

无刷直流电机具有定子绕线组和具有永久磁性的磁极转子。定子的绕线组连接到驱动电流的接线桩，电机内部不设置电刷与换向器。驱动电流受电子电路的控制，电子电路中设置电子开关与霍尔传感器检测系统，通过霍尔传感器检测系统或旋转式编码器检测到转子的位置。将信息输入电子反馈控制系统，通过微机处理输出的信息电流控制电子开关的动作与相位，产生旋转磁场，引导转子上的相对应的永久磁极跟随旋转，完成转速与转矩的输出。 

目前的城市污染，pm2.5产生的主要来源，人们把它们归结为：日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质；为消除汽车尾气的污染，人们推崇电动汽车在城市的使用。电动汽车的主要组成包括：电力驱动及动力传动系统。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制等主要装置组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同；电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个新的“热点”。 

发明内容

本实用新型的目的就是要提供一种用永久磁极制作电动机的定子磁场，转子上制有铁芯与电枢绕组，在转子轴上安装数个导流环，机构具有较小的体积，较轻的自重，可制作大型与超大型的动力设备，材料成本较低，节约电能，使用寿命较长，维修维护工艺简单，采用机电一体化模式的一种车船用直流节能驱动电机。 

本实用新型为解决其技术问题所采取的技术方案是：一种车船用直流节能驱动电机，机壳由轻型合金制成，机壳的顶部安装起重环，在机壳的内壁上，安装数对稀土永久磁极，形成环状闭合磁路，机壳的腔内安装转子轴，转子轴上安装数个导流环，转子轴与各导流环之间是绝缘的，各导流环之间也是相互绝缘的，数个导流盘通过绝缘支架连接在机壳内，导流盘内有数个由弹簧压紧的导流滚子，各导流盘与导流环的位置一一对应，各导流滚子与各导流环的金属环面做弹性连接，转子轴上电枢各绕组的首、尾连接线分别连接到各导流环上，驱动电源的各相电源线分别连接到各导流盘上，转子轴上连接铁芯与电枢绕组，电枢绕组 使用铁氟龙三层绝缘线，电枢绕组层间无需设置隔离层，不会产生层间击穿破坏；数对永久磁极构成的定子与转子轴上电枢绕组的铁芯之间有环形气隙，在转子轴的两端，均安装陶瓷滚动轴承，轴承座连接在机壳的两端盖上；在转子轴一端的轴伸上，安装有齿轮，在转子轴的另一端的轴伸上安装散热扇叶，在扇叶的外部，安装有扇叶盖，在机壳腔体内安装有电枢铁芯磁极位置霍尔传感器，电机的电流由驱动电源提供，驱动电源主要由电子开关电路和数字信号处理器构成。 

本实用新型的有益效果是：一种车船用直流节能驱动电机，机壳由轻型合金制成，目的是减轻整机的重量；机壳的顶部安装起重环，目的是在于安装及运输时便于起吊；在电机腔的内壁上，安装固定数对用稀土材质制成的永久磁极，目的是形成环状闭合永久磁路；电机腔的内部安装转子，转子上安装环形铁芯与电枢绕组，转子的轴上安装有数个导流环，各导流环之间与轴颈之间均是相互绝缘的，数个导流盘通过绝缘支架安装在机腔内，导流盘内有数个由弹簧控制的导流滚子，各导流盘与各导流环的位置一一对应，各导流滚子与各导流环的金属环面做弹性接触连接，转子电枢绕组的首、尾连接线连接到导流环上，电枢绕组使用铁氟龙三层绝缘线，电枢绕组之间无需设置绝缘隔离层，不仅可比传统的绝缘线节约1/3的体积，还可以耐受8000V左右高压电流，不会产生层间击穿破坏，节约了大量铜线材料，降低了制造成本；驱动电源的电源线连接到各导流盘上，目的是通过导流盘与导流环之间，用各导流滚子与各导流环的金属环面做弹性接触连接，将驱动电源的电流，用弹性连接的方式，将电流输送给转子的电枢，永久磁极定子与转子之间有一环形气隙，环形气隙的直径的大小，与电机的输出转矩相关联，环形气隙的直径越大，电机的输出转矩越大；机壳内腔通过绝缘支架连接数个导流盘，与各导流环的位置一一相对，导流盘内安装有数个金属导流滚子，数个金属导流滚子受其背后的弹簧压力控制与各导流环上的金属环面做多位的弹性接触链接，目的在于使导流盘与导流环之间建立可靠地稳定地连接，多位弹性的连接可以使得，这种连接方式，使得转子即使在高速旋转的状态下也会保持最少有两点以上的金属导流滚子与导流环之间，做可靠的接触连接，不会产生导流盘与导流环两者之间电流传输通路的间断，可有效地避免由于接触点的跳动分离，使得电流传输通路瞬时间断，误动作产生电弧及火花，对碳刷系统及周边的电器设备产生破坏及不良的电磁干扰，或者引起电机控制电源传感信号的相位误判，造成电机运行中的失稳；在转子轴颈的两端，均安装陶瓷滚动轴承，轴承座安装在各腔体的两端盖上，目的是形成简支梁结构，支撑转子在机腔内平稳地旋转，且具有长久的使用寿命；在各转子前端的轴伸上，均安装有齿轮，目的是在作为组合动力源时，可通过中间过轮，与各转子上的齿轮相互啮合连接，将各机腔内转子输出的力矩，组合在一起，作为合成力矩输出，使各机腔内的转子具有相同转向，各腔的电机可具有相同的接线方式，使得安装工艺得以简化，缩短安装工时；在转子的另一端，安装散热扇叶，在扇叶的外部，安装有保护网套，目的是将机壳内部产生的热量尽快地向机壳外发散；在机壳各腔体内安装有转子磁极位置霍尔传感器，目的是及时地检测转子上磁极的位置，将信号反馈给驱动电源主板内的数字信号处理器；电机的驱动电流由驱动电源提供，驱动电源主要由电子开关电路和数字信号处理器构成，其功能是：接收电动机的启动、停止、制动信号，用以控制电动机的启动、停止和制动；接收转子磁极位置传感器的反馈信号和正反转信号，用来控制各电子开关管的通断，及时改变转子上电枢绕组的 极性，以便使转子的旋转产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转子的转速，并提供保护和显示等功能；电动机的转子电枢绕组可制成三相对称星形连接法，由引线接入各自独立的导流环，驱动电源的直流电源通过各导流盘的导流滚子组与各导流环之间作多位导通连接，将直流电流引入电枢绕组，电枢电流产生的磁极磁场与电机腔的内壁镶崁的永久磁极形成的环形磁场相互作用，产生电磁转矩，转子电枢及铁芯产生跟随旋转，转过60度角，位置霍尔传感器，将位置检测信号，发送给驱动电源的数字信号处理器，数字信号处理器发出指令，控制电子开关电路，将转子轴上的电枢绕组上的电流切换方向，电枢铁芯的磁极发生相应的极性切换，使转子轴上的电枢绕组的铁芯磁极再次转过60度角，转子轴上电枢绕组的铁芯磁极周而复始地定向旋转与磁极切换交替进行，使电机转子产生连续旋转，输出不间断的转矩；环形磁场的励磁来源于永磁体，不需要从驱动电源中吸取励磁电流，环形磁场中无交变磁通，既无铜耗又无铁耗，因此效率高于同容量的异步电动机；永久磁极的磁场强度决定于永久磁极的材质，更决定于永久磁极的体积，就无刷直流电机而言，由于它的转子部分被设计成为安装永久磁极的磁场结构，转子直径的大小取决于电机内腔的直径与气隙的直径，采用较大直径的转子，可以营造出具有较高磁场强度的转子永久磁场，然而直径较大的转子磁极，由于永磁材料的加工问题，即使采用向细长型结构的模式，也会给提升磁场强度带来新的问题，例如需提升加工精度，扭矩承受问题，动平衡调试问题，增大转子的直径，会使得转子的转动惯量呈几何倍数的增加，做高速旋转的转子具有较大的转动惯量，会产生数倍的离心力，这就要求转子的永久磁极有较高的的机械强度，还要求与转子轴之间的连接也具备足够的机械强度；使用大直径永久磁极的转子，电机就需要具备较大直径的内腔空间来容纳，结果使得外部的定子磁极绕线组也具备较大的直径，造成电枢绕组铜线的长度成倍地增加，使得电机的重量提升，也使得电机的材料成本成倍地增加，综上所述，诸条件限制了无刷直流电机向制作大功率电机系列方向的发展；本实用新型推出的新型设计，避免了传统的直流无刷电机设计的软肋，电流不是输入定子的电枢，而是输入转子电枢的电枢绕线组，采用全新的导流盘与导流环，采用导流滚子的弹性接触引入电源电流的结构，避免了使用传统的碳刷结构产生电磁火花，影响其他电力系统的干扰，或者引起电机控制电源传感信号的相位误判，有效地克服了使用碳刷系统造成的使用寿命短，需要经常维护、维修，延误电机的工作时间，需要较高的维护维修资金等弊病，突破了直流可控式电机向大功率电机的方向发展的瓶颈，成为新一代直流调速电机的先进结构模型。 

附图说明

下面结合以车船用直流节能驱动电机制成三相对称星形接法结构的附图为例，对本实用新型作进一步说明。 

图1是本实用新型的结构示意图。 

图2是图1的A-A剖视图。 

图3是图1的B-B剖视图。 

图4是组合腔体的剖面图。 

图5是图4的俯视图。 

图1中，1、机壳，2、起重环，3、永久磁极，4、电枢绕组，5、导流盘，6、绝缘支架，7、转子轴，8、陶瓷轴承，9、散热扇叶，10、扇叶盖，11、机座， 12、固定孔，13、霍尔传感器，14、齿轮，15、端盖，16、气隙，17、导流环，18、导流滚子。 

图2中，1、机壳，2、起重环，3、永久磁极，4、电枢绕组，7、转子轴，11、机座，12、固定孔，16、气隙。 

图3中，1、机壳，5、导流盘，6、绝缘支架，7、转子轴，17、导流环，18、导流滚子。 

图4中，1、机壳，2、起重环，3、永久磁极，4、电枢绕组，7、转子轴，11、机座，12、固定孔，19、组合腔体 

图5中，2、起重环，19、组合腔体，20、起步电机 

具体实施方式

本实用新型在使用时，首先用钢丝绳或起重钩穿过机壳1顶部的起重环2，将电机移至工位点，在XY水平坐标内调平机座，让各预埋螺栓穿过机座11上相对应的各通孔12，使用力矩扳手旋紧各螺栓上的螺母，压紧弹簧防松垫圈，使机壳1与支撑平台牢固地连接；下面以电动机的转子电枢绕组做成三相对称星形接法为例，数对永久磁极3安装在机壳1的内腔壁上，形成环状闭合永久磁路，转子轴7上的电枢绕组4的头、尾端线均连接在相对应的导流环17上，驱动电源的输入电源线连接到机壳1内腔，通过绝缘支架6连接固定的导流盘5上，通过导流盘5内部由弹簧控制的数个导流滚子18，将电流输入转子轴7上的电枢绕组4，电枢绕组4通过铁芯产生磁场，铁芯磁场的磁极，受驱动电源的开关电路控制，跟随数对永久磁极3形成的环状闭合永久磁路，产生旋转，转过60度角，为检测电枢绕组4铁芯的极性，在机壳1的腔内安装有检测转子轴7上电枢绕组4铁芯磁极位置霍尔传感器13，磁极位置霍尔传感器13，将检测信号发送给驱动电源的数字信号处理器，数字信号处理器发出指令，控制电子开关电路，将转子轴7上的电枢绕组4上的电流切换方向，电枢绕组4的铁芯磁极发生相应的极性转变，使转子轴7上的电枢绕组4的铁芯再次转过60度角，磁极位置霍尔传感器13，再次将检测信号发送给驱动电源的数字信号处理器，数字信号处理器发出指令，控制电子开关电路，将转子轴7上的电枢绕组4上的电流字再次切换方向，转子轴7上的电枢绕组4铁芯磁极再次发生相应的极性转变，周而复始地定向旋转与磁极切换交替进行，产生连续转矩；在转子轴7的两端，均安装陶瓷滚动轴承8，轴承座安装在腔体的两端盖15上，构成简支结构，支撑转子轴7在机壳1的内腔内平稳地高速旋转，永久磁极3定子与转子轴7上的电枢绕组4铁芯之间具有环形工作气隙16，环形工作气隙16的直径的大小，与电机的输出转矩成正比，环形工作气隙16的直径越大，电机的输出转矩越大。为满足车船机舱安装使用本实用新型作为输出大功率动力设备的需求，本装置的机体还可以设计为组合腔体19包罗的模式，在每个机壳1的内腔壁上，均安装数对稀土永久磁极3，转子轴7上均安装有环形铁芯与电枢绕组4，各电枢绕组4使用铁氟龙三层绝缘线，各电枢绕组之间均无需设置绝缘隔离层，不仅可比传统的绝缘线节约1/3的体积，还可以耐受8000V左右高压电流，不会产生层间击穿破坏，节约了大量铜线材料，降低了制造成本；转子轴7上均安装固定数个导流环17，数个导流盘5均通过绝缘支架6安装在各机壳1的内腔，导流盘5内均有数个由弹簧压紧的数个导流滚子18，各导流盘5与各导流环17的位置一一对应，各导流滚子18与各导流环17的金属环面做弹性接触连接，转子轴7上电枢绕组4的首、尾连接线连接到导流环17上，驱动 电源用导电线分别连接到各导流盘5上，数对永久磁极3构成的定子与转子轴7上电枢绕组4的铁芯之间有小的环形工作气隙16；机壳1的腔内安装有检测转子轴7上电枢绕组4铁芯磁极位置霍尔传感器13在转子轴7的两端，均安装陶瓷轴承8，轴承座安装在各腔体的两端盖15上；在各转子轴7一端的轴伸上，均安装有齿轮14；在转子轴7的另一端的轴伸上，均安装散热扇叶9，在扇叶9的外部，安装有扇叶盖10；组合腔体19的基座上设置有固定孔12；组合腔体19内的各转子轴7的轴伸上安装的齿轮14可以通过中间过轮啮合连接，目的是在作为组合动力源时，将各机腔内转子输出的力矩，组合在一起，作为合成力矩输出，使用中间过轮，不仅可以缩小齿轮14的工作直径，还使各机腔内的转子可输出同向的旋转方向，在连接电源线时，各腔的电机可具有相同的接线方式，使得安装工艺得以简化，缩短安装工时；各电机在配合输出合成力矩时，可通过驱动电源的数字信号处理器，使得各转子轴7上的电枢绕组4铁芯的磁极，将各转子轴7上的电枢绕组4上电流的切换时刻作有序地控制，依次切换相互补偿，使组合力矩输出时的脉动变小，使电机的运行的工况更加耐受颠簸与震动，并使得噪音减小，转子的运转变得更加平滑；各电枢绕组4均使用铁氟龙三层绝缘线，电枢绕组之间无需设置绝缘隔离层，不仅可比传统的绝缘线节约1/3的体积，还可以耐受8000V左右高压电流，不会产生层间击穿破坏，各导流滚子18与各导流环17的金属环面做多位弹性的连接；采用高压电流驱动的组合腔体19内电机在初启动时较为困难，为此在设计组合腔体19包罗多孔腔电机的模式的列阵时，还采取了使用起步电机20对于多孔腔电机阵列预启动的的模式，起步电机20为一低压直流电机，首先将低压直流电输入起步电机20，起步电机20通过联轴器拖动组合腔体19内包罗的各电机的转速逐步上升一定的率速，再通过电源主板内的数字信号处理器，将高压电流输送到组合腔体19内的各单独电机的各电枢绕组4，使组合腔体19各腔内的各电机的各电枢绕组4及铁芯，在起步时达到软启动的目的。驱动电源主要由电子开关电路和数字信号处理器构成，其功能是：接收电动机的启动、停止、制动信号，用以控制电动机的启动、停止和制动；接收磁极位置霍尔传感器13的反馈信号和正反转信号，用来控制各电子开关管的通断，及时改变各转子轴7上各电枢绕组4上铁芯的极性，以便为转子轴7的旋转提供连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转子轴7的转速，并提供保护和显示等功能；功率电子器件和集成电路等构成；功率电源的供电电路是一个典型的电压型直-交-直升压电路，输出正反方向可控的高压直流电流。本实用新型为电机向大功率直流调速电机发展的方向提供了一种新的模型：具有较小的体积，较轻的自重，可并联组合制作大型与超大型的动力设备，材料成本较低，节约电能，使用寿命较长，维护工艺简单，在驱动电源上稍作改动，就可以作为各类电动机的制作模型，应用在社会的各个需求电力动力的范围，可对全社会工业经济的快速发展具有较大的促进作用。 

Claims (8)

1.一种车船用直流节能驱动电机，结构包括：机壳(1)由轻型合金制成，机壳(1)的顶部安装起重环(2)，电枢绕组(4)使用铁氟龙三层绝缘线，电枢绕组(4)层间无需设置隔离层；数对永久磁极(3)构成的定子与转子轴(7)上电枢绕组(4)铁心之间有环形气隙(16)；在转子轴(7)的两端，均安装陶瓷滚动轴承(8)，轴承座安装在机壳(1)腔体的两端盖(15)上；在转子轴(7)一端的轴伸上，安装有齿轮(14)；在转子轴(7)另一端的轴伸上安装散热扇叶(9)，在散热扇叶(9)的外部，安装有扇叶盖(10)；在机壳(1)腔体内安装有电枢绕组(4)铁心磁极位置霍尔传感器(13)，其特征是：电机的电流由驱动电源提供，驱动电源主要由电子开关电路和数字信号处理器构成。 

2.根据权利要求1所述的一种车船用直流节能驱动电机，其特征是：在机壳(1)腔的内壁上，安装数对稀土永久磁极(3)，形成环形闭合磁路。 

3.根据权利要求1所述的一种车船用直流节能驱动电机，其特征是：机壳(1)腔的内部安装有转子轴(7)，转子轴(7)上安装有环形铁芯与电枢绕组(4)。 

4.根据权利要求1所述的一种车船用直流节能驱动电机，其特征是：转子轴(7)上安装数个导流环(17)，转子轴(7)与导流环(17)之间是绝缘的，各导流环(17)之间也是相互绝缘的。 

5.根据权利要求1所述的一种车船用直流节能驱动电机，其特征是：数个导流盘(5)通过绝缘支架(6)安装在机壳(1)腔内，导流盘(5)内有数个由弹簧压紧的导流滚子(18)。 

6.根据权利要求1所述的一种车船用直流节能驱动电机，其特征是：各导流盘(5)与各导流环(17)的位置一一对应，导流滚子(18)与各导流环(17)的金属环面做弹性连接。 

7.根据权利要求1所述的一种车船用直流节能驱动电机，其特征是：转子轴(7)上电枢绕组(4)的首、尾连接线连接到各导流环(17)上。 

8.根据权利要求1所述的一种车船用直流节能驱动电机，其特征是：驱动电源的电源线连接到各导流盘(5)上。 

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