CN2819600Y - 螺旋永磁场电动机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种永磁式开关磁阻电动机，具体地说是一种螺旋永磁场电动机，包括机座，轴承，控制系统，转子，定子，绕组；其特征在于：转子从外向内由固装为一体的圆环形永磁体、转子铁芯和转轴组成，圆环形永磁体轴向的环形柱面上N－S两极相互吻合组成螺旋形状；定子由瓦形极、环形座组成，环形座设有内壁凸起，瓦形极与内壁凸起固定连接，环形座与机座固定连接；瓦形极内壁与圆环形永磁体的环形柱面外壁相对应；绕组套在环形座的内壁凸起上；控制系统向绕组间歇供电。本实用新型可以采用传统电机的制造工艺与材料，充分利用现有技术制作，具有节能效果明显、效率高等优点。
Description
技术领域 本实用新型涉及一种永磁式开关磁阻电动机，具体地说是一种螺旋永磁场电动机。
背景技术 电动机在工农业生产、交通以及日常生活各个方面的应用不断发展，其电力消耗也在与日俱增。为了节约能源，国内外都在研制高效节能的新型电机，如“开关磁阻电机”就是一种新型高效率的电机，在国外已经得到大力推广，逐渐取代传统的交流异步电动机。
本人作为申请人之一的国内发明专利申请200510083403.8，是一种永磁式开关磁阻电动机，它充分利用了永磁能，比“开关磁阻电动机”更加节能，具有更高的效率。但是若利用现有技术来制作这种电动机，需要进行比较大的改造。
实用新型内容 本实用新型的目的在于提供一种与专利申请200510083403.8原理相同，具备其所有特点，在制造上可以采用传统电机的制造工艺与材料，充分利用现有技术制作的节能、高效率的螺旋永磁场电动机。
为了实现所述目的，本实用新型采用下述技术方案：一种螺旋永磁场电动机，包括机座，轴承，控制系统，转子，定子，绕组；其特征在于：转子从外向内由固装为一体的圆环形永磁体、转子铁芯和转轴组成，圆环形永磁体轴向的环形柱面上N-S两极相互吻合组成螺旋形状；定子由瓦形极、环形座组成，环形座设有内壁凸起，瓦形极与内壁凸起固定连接，环形座与机座固定连接；瓦形极内壁与圆环形永磁体的环形柱面外壁相对应；绕组套在环形座的内壁凸起上；控制系统向绕组间歇供电。
本实用新型螺旋永磁场电动机的运转原理是：电机的转动力矩，源于转子和定子的相互作用力，本实用新型的螺旋形状永磁体转子环形柱面的360°，划分为四个瓦形区域，以纵向中心线沿反时针方向有N、N-S、S、N-S区域，它们分别构成一组N-S大磁场和两组N-S小磁场。
在定子绕组未通电时，转子永磁力与定子作用，转子的N-S极总是停在定子纵向中心线相应的上、下位置，即N极停在定子的上位置，S极停在定子的下位置；(或者是N极停在定子的下位置，S极停在定子的上位置)；从而构成N-S“大磁回路”。
当定子绕组通电后，定子的瓦形极产生电磁场，与转子永磁场相互作用，使转子沿反时针方向转过90°，在此转动过程中，电磁场对两组N-S小磁场构成“推拉磁路”。
在转子转过90°的同时，定子绕组断电，转子在永磁力的作用下，继续转动90°，转子N极停在定子的下位置，S极停在定子的上位置；接着定子绕组又通电90°(电流方向改变)，断电90°，依次类推，转子便连续运转，并输出转矩。
本实用新型的控制系统，其主要特征是向电机定子绕组采取间歇供电，即供电时电机主要是靠电磁力推动，而断电时，电机是靠永磁力推动的。
本实用新型的控制系统，可采用开环控制系统，也可采用闭环控制系统。
本实用新型可制成单相电动机、双相电动机及三相电动机。
本实用新型具有开关磁阻电机的优点，同时，由于转子由永磁体制作，充分利用了永磁材料的潜能，所以比一般的开关磁阻电机进一步提高了节能效果。本实用新型的主要特点是：
1、采用螺旋永磁场及“大磁回路”、“推拉磁路“的循环原理，既利用了电磁力，又充分发挥了永磁力的作用，从而提高了机电转换效率。
2、采用间歇供电具有明显的节能效果。
3、采用开环控制时，可用变频器直接启动、运转和无级调速。
4、采用闭环控制时，若应用交流电源，晶闸管开关电路可实现同步转速；若应用直流电源，功率晶体管开关电路则可实现无级调速。
5、电机在小功率和不满负荷下运行时，同样具有较高的效率，明显优于传统的单相异步电动机。
本实用新型与发明专利申请200510083403.8原理相同，具备其所有特点；专利申请200510083403.8采用“轴向磁场”，本实用新型采用“径向磁场”，现有的电机结构形式，基本上都采用“径向磁场”，所以，本实用新型可以采用传统电机的制造工艺与材料，充分利用现有技术制作。
附图说明 图1是本实用新型的结构示意简图，
图2是图1的A-A剖视图，
图3是转子端面的结构图，
图4是图3中转子的圆环形永磁体的展开图，
图5是两相电机定子端面的结构示意图，
图6是三相电机定子端面的结构示意图，
图7是单相电机定子端面的结构示意图，
图8是图5、图6、图7的B-B剖视图，
图9是未通电时转子与定子的相互作用示意图，
图10是未通电时单相电机的定子绕组方位示意图，
图11是未通电时转子四个瓦形区的方位示意图，
图12是通电后转子与定子的相互作用示意图，
图13是通电后转子旋转90°其四个瓦形区的方位示意图，
图14是断电后转子又旋转90°其四个瓦形区的方位示意图，
图15是定子绕组供电电流波形图，
图16是单相电机开环控制系统脉冲式变频器输出电流波形图，
图17是两相电机开环控制系统脉冲式变频器输出电流波形图，
图18是三相电机开环控制系统脉冲式变频器输出电流波形图，
图19是单相电机闭环控制电路图，
图20是两相电机闭环控制电路图，
图21是闭环控制位置开关组件图，
图22是单相电机闭环控制位置开关滑环的左视图，
图23是两相电机闭环控制位置开关滑环的左视图，
图24是本实用新型的装配结构图。
图中：1-转子，101-圆环形永磁体，102-转子铁芯，103-转轴，2-定子，201-瓦形极，202-环形座，3-绕组，4-机座，401-机座孔，402-端盖，5-轴承，6-控制系统，7-位置开关组件，701-滑环座，702-滑环，703-电刷，704-电刷座，705-分离槽，706-内环，707-外环。
具体实施方式
实施例1 开环控制系统的单相电机
如图1所示：一种螺旋永磁场电动机，包括机座4，轴承5，控制系统6，转子1，定子2，绕组3；参见图2、图3与图4，转子1从外向内由固装为一体的圆环形永磁体101、转子铁芯102和转轴103组成，圆环形永磁体101轴向的环形柱面上N-S两极相互吻合组成螺旋形状，圆环形永磁体101由永磁材料，如钕铁硼、铁氧体等加工制作；参见图7与图8，定子2由两块瓦形极201、环形座202组成，瓦形极201固定连接于环形座202，瓦形极201与环形座202均由导磁材料，如矽钢片、软铁氧体制作，机座设有机座孔401，定子2的环形座202固定于机座孔401内；环形座202设有内壁凸起，瓦形极201与内壁凸起固定连接；瓦形极201内壁与圆环形永磁体101的环形柱面外壁相对应；绕组3套在环形座202的内壁凸起上；控制系统6向绕组3间歇供电。
本实用新型，即螺旋永磁电动机的运转原理是：电机的转动力矩，源于转子1和定子2的相互作用力，如图11和图4-2所示：本实用新型的转子1的圆环形永磁体101环形柱面的360°，划分为四个瓦形区域，从端面纵向中心线沿反时针方向有N区域、N-S区域、S区域、N-S区域，参见图4，它们分别构成一组N-S大磁场和两组N-S小磁场。
图9是未通电时转子1与定子2的相互作用示意图，在定子绕组未通电时，转子1永磁力与定子2作用，参见图11：转子1其N-S极总是停在定子2的A-B位置，即N极停在定子2的A位置，S极停在定子2的B位置；(或者是N极停在定子的B位置，S极停在定子的A位置)；从而构成“大磁回路”，该“大磁回路”如图9中虚线方向所示。
当定子绕组通电后，参见图12与图13：定子2的瓦形极201产生电磁场，与转子1永磁场相互作用，使转子1沿反时针方向转过90°，在此转动过程中，电磁场对两个N-S小磁场构成“推拉磁路”，该“推拉磁路”如图12虚线所示。
当转子1转过90°的同时，定子绕组3断电，转子1在永磁力的作用下，继续转动90°，即相对初始状态转动了180°，参见图14：转子1N-S极停到与定子2的A-B相反的位置，即N极停在定子的B位置，S极停在定子的A位置；接着定子绕组又通电90°(电流方向改变)，断电90°，依次类推，转子便连续运转，并输出转矩。
图15示出了为单相电机定子绕组供电的波形图，该图说明本实用新型的一个主要特征是间歇供电，即供电时电机主要是靠电磁力推动，而断电时，电机是靠永磁力推动的。
本实施例单相电机采用的是开环控制系统，如图1所示：由变频器作为控制系统6直接带动电机的启动、运转和调速，变频器6是单相变频器，该单相变频器不是普通的正弦波交流变频器，而是采用矩形波形、正负脉冲式的单相变频器，图16示出了单相电机的变频器输出的波形图。
实施例2 闭环控制系统的单相电机
本实施例仅是控制系统采用闭环控制系统，其它与实施例1相同。单相闭环控制系统的供电波形与单相开环控制系统的对应波形大致一样，其具体实现过程是：位置开关组件7固定在电机转轴103和端盖402上，该位置开关组件7，根据电机转角发出信号，来控制由半导体功率器件组成的电子开关的导通与关闭，从而来控制电机的起动、运转和调速。
半导体功率器件，可以采用功率晶体管，也可以采用晶闸管，以及功率开关集成模块等，相应的电源可以采用直流或交流。
本实施例的半导体功率器件采用晶闸管及交流电源。
图19示出单相电机采用晶闸管及交流电源的控制电路，其中N为单向绕组，开关K1、K2用来与位置开关组件7连接，开关K1、K2并接后与单相绕组N串联在交流电路回路；如图21与图22所示：位置开关组件7由滑环座701、滑环702、电刷703与电刷座704组成，滑环702固接于滑环座701，参见图24：位置开关组件7的滑环座701与电机端盖402相固接；位置开关组件7的电刷座704固装在转轴103上；电刷703安装于电刷座704，电刷703用石墨或金属材料制成，电刷座704由绝缘材料制成，电刷座704的中心孔与电机转轴103连接；滑环702由内环706与外环707组成，内环706与外环707之间设有分离槽705，电刷703端面与分离槽705两边的内环706与外环707的端面紧密接触；四个等分槽将外环707分成四个扇形块，从两个扇形块与内环706引出四根导线，组成K1与K2两个开关接头。图22的K1、K2两个开关接头与其对应的控制电路图19中的K1、K2相连接。由于内环706与外环707之间设有分离槽705，分离槽705使内环706与外环707相分离、不接触，所以K1、K2是不导通的；而电刷刚好从内环706与外环707的中间滑过，将相应的外环扇形块和内环706接通，即K1、K2开关导通；于是工作电流便通过绕组N，电机便启动。电机的转动带动电刷703依次导通和切断K1、K2，从而实现了电机的闭环控制。
实施例3 开环控制系统的两相电机
参见图5与图8：本实施例的定子2由四块瓦形极201与环形座202组成；具有四个绕组3(即两对绕组)；其开环控制系统的变频器6是两相变频器，是采用矩形波形、正负脉冲式的两相交流变频器；图17示出了两相电机交流变频器输出的波形图：对于两相电流、两对绕组的电机，其电流i1与i2的相位差为π/2；其它与实施例1相同。
实施例4 闭环控制系统的两相电机
参见图5与图8：本实施例的定子2由四块瓦形极201与环形座202组成；具有两对绕组3；其它的机械部分与实施例1相同；本实施例的闭环控制系统由晶闸管作为半导体功率器件组成其电子开关，并采用交流电源。图20示出了两相电机闭环控制电路图，其中N1、N2分别为两相绕组，开关K1、K2、K3、K4用来与位置开关组件7连接；开关K1、K2并接后与绕组N1串联组成第一开关绕组，开关K3、K4并接后与绕组N2串联组成第二开关绕组，第一开关绕组与第二开关绕组并联在交流电路回路；如图21与图23所示：该位置开关组件7的结构与实施例2的不同点是：从四个扇形块与内环706引出八根导线，组成K1、K2、K3、K4四个开关接头，该位置开关组件7的其它结构与实施例2相同。
同理，图23的K1、K2、K3、K4四个开关接头与其对应的控制电路图20中的K1、K2、K3、K4相连接。由于内环706与外环707之间设有分离槽705，分离槽705使内环706与外环707相分离、不接触，所以K1、K2、K3、K4是不导通的；而电刷刚好从内环706与外环707的中间滑过，将相应的外环扇形块和内环706接通，即K1、K2、K3、K4开关导通；于是工作电流便通过绕组N1、N2，电机便启动。电机的转动带动电刷703依次导通和切断K1、K2、K3、K4，从而实现了电机的闭环控制。
实施例5 开环控制系统的三相电机
参见图6与图8：本实施例的定子2由三块瓦形极201、环形座202组成；具有三个绕组3；其开环控制系统的变频器6是三相变频器，是采用矩形波形、正负脉冲式的三相交流变频器；图18示出了三相电机交流变频器输出的波形图：对于三相电流、三个绕组的电机，其电流i1、i2、i3的相位差依次为2π/3，其它与实施例1相同。
Claims (9)
1、一种螺旋永磁场电动机，包括机座，轴承，控制系统，转子，定子，绕组；其特征在于：所述转子(1)从外向内由固装为一体的圆环形永磁体(101)、转子铁芯(102)和转轴(103)组成，所述圆环形永磁体(101)轴向的环形柱面上N-S两极相互吻合组成螺旋形状；所述定子(2)由瓦形极(201)、环形座(202)组成，所述环形座(202)设有内壁凸起，所述瓦形极(201)与内壁凸起固定连接，所述环形座(202)与所述机座(4)固定连接；所述瓦形极(201)内壁与所述圆环形永磁体(101)的环形柱面外壁相对应；所述绕组(3)套在所述环形座(202)的内壁凸起上；所述控制系统(6)向所述绕组(3)间歇供电。
2、如权利要求1所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述转子(1)的圆环形永磁体(101)环形柱面的360°，划分为四个瓦形区域，从端面纵向中心线沿反时针方向有N区域、N-S区域、S区域、N-S区域，它们分别构成一组N-S大磁场和两组N-S小磁场。
3、如权利要求1所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述机座(4)设有机座孔(401)，所述定子(2)的所述环形座(202)固定于所述机座孔(401)内。
4、如权利要求1所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述螺旋永磁场电动机按所述定子(1)的相数分为单相电机、两相电机和三相电机；所述单相电机具有两块所述瓦形极(201)和两个所述绕组(3)、所述两相电机具有四块所述瓦形极(201)和四个所述绕组(3)、所述三相电机具有三块所述瓦形极(201)和三个所述绕组(3)。
5、如权利要求1至4任意一项所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述控制系统(6)是开环控制系统，由交流变频器作为控制系统(6)直接带动电机的启动、运转和调速，所述交流变频器(6)是采用矩形波形、正负脉冲式变频器；单相电机使用单相交流变频器；两相电机使用两相交流变频器；三相电机使用三相交流变频器。
6、如权利要求4所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述控制系统(6)是闭环控制系统，闭环控制系统有位置开关组件(7)固定在所述转轴(103)和端盖(402)上，所述位置开关组件(7)根据电机转角发出信号，来控制由半导体功率器件组成的电子开关的导通与关闭；所述半导体功率器件采用功率晶体管、晶闸管、功率开关集成模块中的一种，相应的电源是直流电源或交流电源。
7、如权利要求6所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述位置开关组件(7)由滑环座(701)、滑环(702)、电刷(703)与电刷座(704)组成；所述滑环(702)固接于所述滑环座(701)，所述滑环座(701)与所述端盖(402)相固接；所述电刷(703)安装于所述电刷座(704)，所述电刷(703)用石墨或金属材料制成，所述电刷座(704)由绝缘材料制成，所述电刷座(704)的中心孔与所述转轴(103)连接；所述滑环(702)由内环(706)与外环(707)组成，所述内环(706)与所述外环(707)之间设有分离槽(705)，所述电刷(703)端面与所述分离槽(705)两边的所述内环(706)与所述外环(707)的端面紧密接触；四个等分槽将所述外环(707)分成四个扇形块。
8、如权利要求6或7所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述螺旋永磁场电动机是单相电机；半导体功率器件是晶闸管；电源是交流电源；开关K1、K2并接后与单相绕组N串联在交流电路回路组成控制电路；从两个扇形块与所述内环(706)引出四根导线，组成K1、K2两个开关接头。
9、如权利要求6或7所述的一种螺旋永磁场电动机，其特征在于：所述螺旋永磁场电动机是两相电机；半导体功率器件是晶闸管；电源是交流电源；开关K1、K2并接后与绕组N1串联组成第一开关绕组，开关、K3、K4并接后与绕组N2串联组成第二开关绕组，第一开关绕组与第二开关绕组并联在交流电路回路；从四个扇形块与所述内环(706)引出八根导线，组成K1、K2、K3、K4四个开关接头。
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