CN2735644Y - 电动自行车专用轮毂式无电感高效直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种供电动自行车所专用的轮毂式无电感高效直流电动机，本电动机运用了呈放射状进行排列且呈放射状进行通电的多根导线在一个与其垂直的匀强磁场中始终受到同方向力的作用的原理为基础而设计。其特征是：它由固定主轴、中间定子部分、前转子部分、后转子部分组成。其中固定主轴与中间定子相互连接固定成为一个整体来作为电动机的定子部分，而前转子与后转子则再通过其连接部分将它们连接固定成为一个整体来作为电动机的转子部分。本电动机结构简单而效率高且终身基本无需维护，是电动自行车最理想的动力源。

Description

电动自行车专用轮毂式无电感高效直流电动机

一、所属技术领域

本实用新型涉及到一种电动机，具体说是一种电动自行车专用的轮毂式无电感高效直流电动机，它又称为盘式无刷无电感直流电动机。

二、背景技术

普通直流电动机其基本原理为：通电线圈在一个磁场中受到力的作用。而这个通电线圈在一个磁场中始终分为两段有效长度导线或两个边，这两段有效长度导线在磁场中相对的通过方向相反的电流而同时产生磁场力的作用。如果把磁场作为定子通电线圈作为转子，那么通电线圈每转一周，则要改变一次电流的方向，或者不改变通电线圈电流的方向，那么转子每转一周则要改变一次磁场的极性。如果把通电线圈作为定子磁场作为转子，那么也同样磁场转一周，通电线圈就要改变一次电流的方向，或者不改变通电线圈电流的方向，那么也同样磁场转一周则要改变一次磁场的极性。

普通直流电动机采用换向器或者电子换相电路进行换流时，它们无论是对通电线圈进行换流还是对磁场进行改变极性，但总是需要按时改变着电流的大小，使线圈中的电流不断的发生着变化。当一个通电线圈中的电流大小发生改变时，其产生的电磁场也相映的发生变化，那么这个通电线圈内必然产生一个电感，这个电感始终阻碍着原电流的变化，当这个电感的电势较高时还会对电机产生较多的副面影响，使其工作效率降低。为解决以上电机的缺点，本实用新型提供了一种全新的无电感高效直流电动机。它工作时无需改变磁场的极性也无需改变通电线圈电流的方向，就能使电机正常运转，使其在各个方面提高了电机的工作效率。

三、实用新型的具体技术方案

(一)本电动机的工作原理及电动机的产生：本电动机利用呈放射状排列且呈放状进行通电的多根导线在一个与其垂直的匀强磁场中始终受到同方向力的作用的原理。呈放射状进行排列的多根导线可以设想成为是一个通电圆盘，即从圆的中心向圆盘的圆周边进行通电或者从圆盘的圆周边向圆的中心进行通电，这样总体来说其通电电流方向就是一致的。专门为这样的通电圆盘所提供磁场的磁铁为永磁体，这样的永磁体也应设计成圆盘状。这个圆盘状的永磁体就有两个面，即一面为S极，另一面为N极。(如附图1)当把通电圆盘与圆盘形永磁体进行吻合靠拢后，并在其中心设一根轴穿过通电圆盘和永磁体，或是通电圆盘与轴固定，或是圆盘形永磁体与轴固定均可。这样通电圆盘便处在与其磁力线垂直的圆盘形永磁体的磁场中，这样通电圆盘便会在圆盘形永磁体的均强磁场中受到力的作用而产生相对的运转。

(二)本电动机的实际设计模式方案；

本电动机设计通电圆盘与其中心穿过的轴相连接固定后作为定子，而把圆盘形永磁体通过轴承与其中心穿过的轴相连接后作为转子。实际中圆盘形定子外的两边各设一个圆盘形的转子，然后再在定子的外围将两个转子相连接起来并固定成一个整体式转子。实际中定子铁芯的外两边各设一个通电圆盘即导电电枢，而在两个外转子铁芯的内面均各设一个圆盘形的永磁体。在定子铁芯上安装的两个导电电枢中所流过的电流方向相反，即一个为从圆的中心部分向圆的外围呈放射方向流动，而另一个则从圆的外围向圆的中心部分呈反放射方向流动，这样电流才可以形成回路通道(如图3)。在两个转子铁芯上各安装的一个永磁体呈同极性的向中心定子面对，每一个永磁体的磁力线可分两路形成回路：即一路从一个面也就是一个极经过圆的外空间回到另一个极。另一路从其内圆的空间回到另一个极(如图2)。这样当定子上两个导电电枢通过电流时，也就是两个转子上的永磁体的磁场附近的导电电枢通过电流时，磁场与电枢便发生相对转动，即中间通电电枢的定子固定，而外两边磁场的两个转子再通过轴承与主轴相连接后同时转动，将它们从外圆处相连接固定后便形成一个整体式的转子进行转动。

(三)本电动机的各部分具体说明：

本电动机分为电机总成部分和电源与电机控制部分。

1、电机总成部分为前转子部分、后转子部分、中间定子部分、前后轴承及转子连接部分组成。

(1)前转子部分：由前转子铁芯、前永磁体、轴承座和超越离合器组成。前转子铁芯总体外形也呈圆盘状，中心的圆孔用于主轴从中穿过，中心圆孔与主轴之间只保持极小的间隙，可使它们之间能作相对的运动。前转子铁芯的外侧固定有圆筒形的轴承座，铁芯与轴承座应该是连接成整体，在轴承座的内圆部分用于安装固定轴承，其外圆部分用于安装超越离合器。在前转子铁芯的外圆部分有一圈环形的凸起部分和另一圈与其约成90°的环形的檐。在环形凸起部分上均匀设有一定数量的小孔，可用于卡固自行车车条然后再与轮圈相接，另一圈与其成90°环形的檐用于遮挡灰尘和雨水落入电机内部，还可增大其磁力线经过的面而减小其磁阻。转子铁芯主要用于粘贴固定圆盘形永磁体和对车轴进行力的支撑作用。转子铁芯要求采用高导磁且较抗拉力的材料加工，由于转子铁芯也是磁场磁力线回路的一部分，考虑到要减小磁阻，所以转子铁芯不能加工得太薄，否则磁阻增大而影响电机的效率。前永磁体呈圆盘形与转子铁芯紧粘贴固定，其中心圆孔部分用于主轴从中穿过并与主轴之间留有一定距离的间隙。本电动机的前永磁体设计采用N极面对导电板进行提供磁场。永磁体要求采用剩余磁感应强度高、矫顽力高、磁能积高且抗震的硬磁性材料加工。在实际中如果要求永磁体设计加工得较薄时，那么需要在永磁体表面，紧贴一片高导磁的磁靴来对永磁体进行保护，本电机所安装超越离合器与普通自行车所用的超越离合器相拟。

(2)后转子部分：由后转子铁芯、后永磁体、轴承座即制动毂组成。后转子的总体结构与前转子结构基本相同，只是与前转子的总体安装的方向改变了一下，所不同之处是后转子外侧面与其相连接的轴承座应比前转子的轴承座稍延长一些，它用于与自行车制动系统配合作制动毂使用。

(3)中间定子部分：由固定主轴、定子铁芯、前导磁块、后导磁块、前导电板、后导电板及前后导线穿孔组成。固定主轴和定子铁芯实际上是连接加工成一个整体固定不动的。固定主轴与定子铁芯的结构如果从其剖面图上看好象呈一个‘王’字形，定子铁芯最外圆处结构是中间呈凹槽状而两端却较为凸出，这样也是为了配合其相对应的转子铁芯而设计。因为定子铁芯和主轴是磁场磁力线回路的一部分，同时也是本电动机电枢所产生热以后进行散热的部分，所以定子铁芯应采用高导磁、高导热及抗机械变形的金属材料加工，在电机工作的过程当中固定主轴内还能产生较弱涡流现象，所以固定主轴除选用高导磁、高导热、高机械强度以外还要是高电阻的合金材料加工。

前导磁块与后导磁块分别粘贴在圆盘形定子铁芯的两个外平面上，其中心圆孔部分用于穿过主轴之后与定子铁芯进行固定。要求导磁块的内圆孔部分与固定主轴紧密的相连，导磁块的外圆部分也要求与定子铁芯的内圆表面紧密相连，这样才能将其磁阻减小到最低程度。圆盘形的导磁块主要用于磁场的导磁和改变原磁力线的路径作用。导磁块又由多片相互绝缘的导磁材料合并而成。因为导磁块是处在永磁块的附近，当磁场转动时其磁力线便会切割导磁块，用金属材料制成的导磁块中的自由电子便在磁场力的作用下从导磁块的外圆向中心部分流动或从中心部分向外圆流动，导磁块离磁场近的位置所感应的电势较高，而离磁场较远的位置所感应的电势较低或没有，这样电势高的部分就会与电势低的部分形成具有一定阻力的回路即涡流的产生，为避免电机工作中产生以上副面不良影响，所以应采用由多片相互绝缘的导磁材料合并成一个导磁块结构。导磁块要求高导磁高导热，因为它还要将导电电枢工作时产生的热直接传给定子铁芯，再由定铁芯将热散出。

前导电板与后导电板又分别粘贴在前导磁块与后导磁块各自向外的两个圆形平面上。导电板中心的圆孔用于穿过主轴后再与导磁块相固定。要求导电板中心圆孔与主轴之间是绝缘的，应采用在主轴上套一个绝缘环避免导电板与主轴之间发生导电。而导电板的外圆圆周部分又应该是与定子铁芯的内圆相连接而导电的，可采用锡焊接法将其圆周部分连接牢固。导电板可采用普能的铜材料加工而成，导电板的两个面在其导磁块可以绝缘彻底的情况下也可无需绝缘。前后导线穿孔设在主轴的中央，用于穿过导线后将电源输入到电动机导电电枢。

(4)转子连接部分：由连接杆和连接圈及其固定螺丝组成。本电动机前转子部分与后转子部分在没有设连接部分时，它们是两个独立的转子，只有在连接部分将它们连接固定后才能成为一个整体式的转子。在前转子与后转子的转子铁芯外圆处即成一斜坡状的这个檐上均匀伸出适当数量的连接杆，这些均匀排列的连接杆的另一端全部与一个连接圈进行固定。实际上两个转子铁芯与各自相连接的连接杆及连接圈是一个固定的整体，在安装时只要将前后转子进行合拢后再用螺丝将两个连接圈锁紧即可成为一个牢固的整体。这时从外观看电动机，除较凹陷的中间部分固定不动外其它部分都是同时转动的。这样设计由于没有把中间定子分部全部覆盖。所以中间定子部分的散热能力还是较好。本电动机既可采用自行车车条与外轮进行连接而成为整体车轮，也可采用非自行车车条整体轮辐式车轮进行连接。

(5)前后轴承分为前轴承与后轴承。前轴承安装在前转子铁芯外侧的轴承座内，后轴承安装在后转子铁芯外侧的轴承座内。轴承的内圈又与固定主轴相固定连接，在轴承外还应有轴承挡盖及固定螺丝。本电动机所用轴承应采用圆柱式滚珠滚动的轴承，这样轴承受到的压强就相对较小，其工作的耐磨程度便提高，这样可进一步使电动机保持最少的维护。

2、电源与电机控制部分为直流电源、总开关、脉宽调速斩波器、过流保护器组成。

(1)直流电源，本电动机采用蓄电池电源方式供电，它可采用较低的直流电压向电机供电(如10v左右电压)。因本电机的导电电枢无普通电机的多线圈式绕组，而只是一个简单的圆盘式整体结构，所以其总的感应反电动势相对比较小，电枢内阻相对更小，而且电枢也不会产生电感，所以应采用较低的电压供电，即在电源供电电功率一定的情况下，可降低电压而适当增大电流。这样在输入功率不变的情况下增大电流可进一步提高电动机工作时所产生的力矩，所以也就提高了效率。(因圆盘形导电电枢也可看作是由多根呈放射状排列的导线组成，当总电流通过电枢时，期再分给每一根导线的电流却是不多的，所以采取降低电压而增大电流不会使电枢产生多余的热量。)实际中供电电压应根据电动机工作时的反电动势电压决定。

(2)脉宽调速斩波器，主要用于对电动机进行调速。即采用普通直流电动机的电子调节方式，自接由晶体开关管脉宽调制PWM斩波器进行调速。

(3)过流保护器，主要用于对电机的使用电源与电机内的永磁体作安全保护。当因特殊情况使蓄电池超过额定电流供电时，会使其容量降低，使用寿命缩短。当导电电枢超过额定电流时会使其附近的永磁体产生退磁而不可逆的危险，所以应限制超过额定电流供电。安装了本电动机的自行车还应注意其电源连接导线切不可以搭铁，否则其效率降低更会损坏电动机。

(四)本实用新型与普通电动机相比较所具有的优点

1、本电动机无需普通直流电动机导电电枢所用的绝缘绕组式线圈，无需电刷与换向器，也无需现代无刷直流电动机所需要的位置传感器、电子换流电路及运算调速等集成电路。电机外连接线也相对要少。

2、本电动机电枢无电感现象也无电枢反应，本电机工作时定子及转子不会产生涡流损耗，导电电枢由于是一个圆盘形整体式块状结构的导电体，其通电电阻极小，工作时产生的反电动势也低无转矩脉动现象。其内部散热条件良好。

3、本电动机电枢导电部分均设在磁场附近与永磁体相对应，即导电部分均为有效长度，无普通电动机电枢的侧面导线连接部分，所以相对用铜量要减少。本电动机电枢导体与永磁体结构简单容易加工。

4、本电动机工作转矩较大效率高。其总体结构非常简单容易加工容易安装，其制造成本也相对降低。本电机如果无特殊情况下的变形损坏，可实现终身基本无需维护。

四、附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为圆盘形永磁体结构的正面与侧面剖面图及其剖面显示磁力线路径图。

图2本实用新型的实际永磁体平面图及平面显示其磁力线走向图。

图3本实用新型的实际前导电板与后导板平面图及其内部电流走向图。

图4本实用新型的具体剖面结构全图。

图5本实用新型的中间定子部分结构平面图。

图6本实用新型的后转子部分内部观看平面图。

图7本实用新型的前永磁体与后永磁体从剖面图结构观看其磁力线的走向路径图。

图8本实用新型的剖面结构观看其工作电流的走向路径图。

图9本实用新型的后转子部分、中间定子部分与前转子部分互相分离后的剖面结构图。

图10本实用新型的前转子部分外观平面图。

图11本实用新型从后转子端观看电机外部全结构的立体示意图。

图12本实用新型的电气部分电路连接框图。

图中：1、前转子部分；2、后转子部分；3、中间定子部分；4、前导电板；5、后导电板；6、定子铁芯；7、前导磁块；8、后导磁块；9、前转子铁芯；10、后转子铁芯；11、前永磁体；12、后永磁体；13、前轴承；14、后轴承；15、连接杆；16、连接圈、17、固定主轴；18、导线穿孔；19、制动毂；20、超越离合器；21、直流电源；22、总开关；23、脉宽调速斩波器；24、过流保护器；25、直流电动机。

五、附图具体实施方式

参照附图1，圆盘形永磁体有两个面，每个面即为一个极，其实这种形状的永磁体是将其每一个极面作了充分扩展放大的形式，使磁体的磁场作以充分的发挥利用。它的磁力线是从磁体N极平面部分均匀向外散射然后再向背后的S极平面均匀聚集而够成回路的磁体。

参照附图2，在圆盘形永磁体的中心部分留有一较小的圆形空间，这个圆形空间可供本电动机的主轴穿过，还能让其靠中心部分的磁力线从这个空间通道回到另一个极。即其磁力线一部分从N极出发绕过其外圆周后再回到背面的S极相同出发点，而另一部则从N极出发绕过其中心空间后再回到背面的S极相同出发点。如此使所有的磁力线都能够成各自的回路。

参照附图3，与圆盘形永磁体零件相配合的导电电枢即导电板的中心部分也留有一较小的圆形空间，它只供电动机主轴从中穿过，在主轴的限制下就使得导电板与永磁体之间始终在同一圆周范围内作相对的运转。图中a所示为前导电板4中的电流始终是从其内圆处以均匀向外呈发散的方向流动，其圆的中心点接电源正极。图中b所示为后导电板5中的电流始终是从其外圆处以均匀向内圆呈反发散的方向流动，其圆的中心点接电源负极。注意在实际应用中导电板的中心电源的接点应该至少分三路均匀的与导电板内圆处相固定连接，这样可更加均匀的将电流分布在导电板上。

参照附图4，本电动机由前转子部分1后转子部分2中间定子部分3及固定主轴17组成。其中前转子部分1又由前转子铁芯9及上面安装固定的前永磁体11前转子铁芯外侧连接的轴承座及轴承座外圈安装的超越离合器20组成。其中后转子部分2又由后转子铁芯10及上面安装固定的后永磁体12后转子铁芯外侧连接的延长轴承座即制动毂19组成。其中中间定子部分3又由中间定子铁芯6及定子铁芯前端安装固定的前导磁块7前导电板4，定子铁芯后端安装固定的后导磁块8后导电板5组成。其实中间定子铁芯6与固定主轴17是相连接固定成的一个整体，所以中间定子部分与固定主轴17就作为本电动机的定子部分。其实前转子部分1与后转子部分2又再通过各自的连接部分的连接杆15与连接圈16所将它们连接起来后固定成为一个整体作为本电动机的转子部分。转子部分与定子部分之间还要通过前滚柱式轴承13与后滚柱式轴承14作相对滚动连接，使它们之间始终保持较小的间隙作相对的运转。

参照附图7，本电动机的前永磁体11与后永磁体12设计它们的N极相面对中心定子部分3，它们的磁力线首先通过定子部分再通过各自的转子部分构成回路。其具体路径是：前转子部分1安装的前永磁体11的磁力线再分成两路出发后形成回路，即一路从N极出发穿过前转子部分与中心定子之间的间隙后再穿过前导电板4之后进入前导磁块7，在导磁块内向其外圆方向扩展开，再进入定子铁芯6的最外圆处的前端铁芯内，然后又通过定子外圆铁芯与前转子外圆铁芯之间的间隙再进入前转子铁芯9，在前转子铁芯内呈缩拢方向最后进入回到前永磁体的S极。另一路则从N极出发穿过前转子部分与中间定子部分之间的间隙后再穿过前导电板4之后进入前导磁块7，并在导磁块内向其内圆呈缩拢方向进入固定主轴17内，然后再通过固定主轴与前转子铁芯内圆之间的间隙后进入到前转子铁芯9，在前转子铁芯内呈外扩展方向最后进入回到前永磁体的S极。后转子部分2安装的后永磁体12的磁力线也是分成两路出发后形成回路，后永磁体磁力线的路径在其自己的流通范围内与前永磁体磁力线的路径基本是相同的。

参照附图8，电源电流从正极出发与固定主轴17前端的导线穿孔18内的导线相连接后，将电流首先传到中心定子部分的前导电板4的内圆处，该处的电流再向外呈发散性方向由其内圆向外圆周流动，然后进入定子铁芯6的外圆部分铁芯，又通过其外圆部分铁芯再进入后导电板5的外圆周处，该处的电流再向内呈反发散性方向由其外圆周向内圆处流动，后导电板内圆处又与固定主轴后端的导线穿孔内的导线相连接，最后电流经此导线流回电源负极。

参照附图11，固定主轴17与中间定子部分3相连接成为一个固定的整体作为本电动机的定子部分，前转子1与后转子2通过各自连接部分的连接杆15与连接圈16进行合并连接在一起再通过螺丝紧固后便成为了一个可以转动的整体作为本电动机的转子部分。

参照附图12，直流电源蓄电池21的电流首先经过总开关22与线路串联的溶断器，溶断器可对其后面的用电设备进行第一级保护。然后进入脉宽调速斩波器23对电动机进行调节速度的处理，然后再进入过流保护器24它只作对超过电动机的额定电流进行关断性保护，而对未超过额定电流时始终是保持着导通状态，这也是本电动机的第二极保护。最后将可控制的电流输送给直流电动机25使其可控而安全的正常工作。

Claims (5)

1、电动自行车专用轮毂式无电感高效直流电动机由前转子部分、中间定子部分、后转子部分、前后转子连接部分及轴承部分组成，其特征是：运用呈放射状路径进行通电的导电圆盘在与其垂直的圆盘形永磁体的匀强磁场中始终受到同方向旋转力做功，电动机定子部分安装的通电圆盘形导电板在其转子部分安装的圆盘形永磁体的匀强磁场中可受到同方向的旋转力，且在其中心位置设置一根主轴并将主轴与定子作固定连接，主轴与转子作旋转连接，那么定子与转子之间便可产生相对运转使转子对外做功。

2、根据权利要求1所述直流电动机，其特征是：前转子部分由前转子铁芯、前永磁体、轴承座及超越离合器组成。

3、根据权利要求1所述直流电动机，其特征是：中间定子部分由固定主轴、定子铁芯、前导磁块、前导电板、后导磁块、后导电板及前后导线穿孔组成。

4、根据权利要求1、所述直流电动机，其特征是：后转子部分由后转子铁芯、后永磁体及制动毂组成。

5、根据权利要求1所述直流电动机，其特征是：前后转子连接杆部分由前转子与后转子各自的连接杆和连接圈及固定螺丝组成，电动机的轴承部分由前滚柱轴承与后滚柱轴承组成。

Images