CN101499700A - 永磁推挽无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种节能、高效、启动和运行平稳、成本低的永磁无刷旋转电机。该电机是一种在两端磁极存在两个气隙磁场的电机，变形的转子永磁体或定子电磁铁使转子磁极(或者定子磁极)在两端气隙磁场错开一定的极距，并通过技术手段使电机一端的气隙磁场小于另一端的气隙磁场，从而使电机无须启动装置就能保持定向旋转。转子磁极按“N、S……”成对相间排列。定子分换流式定子和换向式定子：换流式定子一端所有线圈的极性都一样(全部为N极或者S极，另一端全部为S极或N极)；换向式定子线圈磁极的极性按“N、S……”成对相间排列，交流换向式定子的磁极还可按“N、N、S、S……”成对相间排列。转子磁极与定子磁极之间的数量一般采用1∶1、1∶2或2∶3的比例配置。

Description

永磁推挽无刷电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷旋转电机，既可作发电机，又可作电动机。

背景技术

旋转电机是基于磁能生电、电能生磁和磁场与磁场间同名磁极相斥、异名磁极相吸的原理而制造的机电能量转换装置。现代电机产品种类繁多，应用十分广泛，但是，现有电机或多或少都存在一些缺陷。例如：交流异步电动机虽然具有结构简单、工作可靠、寿命长、成本低、保养简便的优点，但是，与直流电机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，其旋转磁场的产生需要从电网吸取无功功率，故功率因素低，无形中损失了大量电能。同步电机尽管工作效率高、噪音低、转矩波动小，但存在着启动困难，容易发生失步和堵转的问题。开关磁阻电机结构简单、工作可靠、启动性能好、调速性能好，但存在转矩脉动大、噪声大、功率密度和效率相对永磁电机偏低的缺陷。有刷直流电机虽有启动转矩大、响应快、噪音低、运行效率高、调速性能好等优点，但缺点也很明显：①换向时产生电磁干扰；②可靠性差，寿命短，维修困难；③噪声大。传统的无刷直流电机既具有有刷直流电动机同样的性能，又依靠电子换向，除去了电刷和换向器，无刷直流电动机***的变速范围更宽，运行更稳，而且起动力矩大、过载能力强、效率高、体积小、寿命长，但是需要启动装置，且存在转矩脉动的问题，使无刷直流电动机的应用受到了限制。

发明内容

本发明为克服旋转电机的缺点，提供了一种效率高、寿命长、噪音低、启动和运行平稳、无转矩脉动、无需启动装置、无电磁干扰的永磁推挽无刷电机。

本发明所述永磁推挽无刷电机(如图1)由转子1、定子2、转轴3、轴承5、端盖6、机壳7、电子开关电路8、叶轮9、转子位置传感器H等部分组成。其转子和定子的组合可以是内转子外定子，也可以是内定子外转子，还可以是一个定子两个转子，一个转子两个定子，或者是多定子多转子组合。电机的外形可以是圆柱状、菱柱状，或者是盘状。既可作电动机，又可作发电机。

本发明所述永磁推挽无刷电机是一种双气隙磁场电机，即定转子磁极两端分别存在气隙磁场的电机，其基本原理是：通过对转子永磁体或定子电磁铁进行变形处理(包括永磁体错开一定极距充磁、同绕组几个上下径向线圈错开一定极距装配等变形方法)，使转子磁极(或者定子磁极)在两端气隙磁场错开一定的极距，同时，通过扩大气隙的距离、减少线圈的匝数、减少永磁体的体积、减少永磁体的面积、减少永磁体的充磁量、采用不同的永磁材料等方法，使电机一端的气隙磁场小于另一端的气隙磁场。当气隙磁场强的那端的定子磁极与转子磁极在空间上对齐时，气隙磁场弱的那端定子磁极或转子磁极在空间上分别对应对方两个1/2左右的磁极，或者对应对方一个1/2左右的磁极(大于0，小于1)并与对方另一磁极接近。则定子磁极对对应或接近的转子同名磁极产生推力(排斥力)，对转子异名磁极产生拉力(吸引力)，从而使转子保持定向旋转。

本发明所述永磁推挽无刷电机的关键还在于转子永磁体(如图2、图3)和定子电磁铁(如图9)的形状及磁极的配置(如图11和图12)，且转子永磁体和定子电磁铁的形状具有互换性。当转子永磁体的形状为“

”

等异形磁铁，或者两段永磁体以“

”形状排列时，与“

”形或“

”形定子电磁铁配置；当转子永磁体为“

”形或“”时，定子电磁铁的形状为“

”、

、“”、“

”或“

”形；当转子永磁体及定子电磁铁均为“”形时，一端或两端采用“

”、“

”、或“

”形等异形磁轭进行磁传导。转子磁极与定子磁极分别成对设置，且转子磁极与定子磁极之间的数量一般采用1:1、1:2或2:3的比例配置。

本发明所述永磁推挽无刷电机的转子1由转子本体10、永磁体11、高强度非导磁箍12、转子永磁体磁轭13等部分构成。转子本体10用硅钢片叠压而成，也可以用塑料注塑成型或者用铝合金等金属材料铸造而成。转子本体的结构(如图7)可以是整体式，也可以由分体式组装而成。转子永磁体11的材料为钕铁硼或其它高磁能积永磁材料，其基本形状如图2、图3所示，永磁体可采用径向充磁或轴向充磁方式充磁。转子永磁体沿转子本体圆周间隔相等的贴于转子表面，或粘接镶嵌于转子本体的凹槽内或埋设于转子本体内，磁极按“N、S、……”成对相间排列。转子体外可加套高强度非导磁箍12用于防止电机高速旋转时磁体脱落，或用于固定分体式转子本体及永磁体。必要时，可根据需要配置转子永磁体磁轭(如图4)，以减少漏磁损失，同时，还可以通过延长磁轭增大转子半径，延伸着力点，达到省力节电的目的。磁轭由铁氧体、纯铁或低碳钢制造，采用***粘接或螺栓等方式连接于转子本体上。也可以将转子本体10、转子永磁体11、转子永磁体磁轭13用树脂模制成一个整体(可包括转轴)。内转子的形状为“

”、“

”、“”形，外转子的形状为“

”和“

”形。

本发明所述永磁推挽无刷电机的定子2由定子本体20、定子线圈铁芯21、定子线圈22、定子磁轭23、定子背轭24等部分构成。定子本体20的基本形状如图6所示，可采用精密铸造或硅钢片叠压而成，外定子电机可由机壳7替代。定子线圈铁芯21的基本形状如图5所示，可采用硅铁粉末冶金制造或硅钢片叠压而成。本电机定子绕组可采用分布式绕组或者集中式绕组(含螺线形线圈)，每相绕组内的各个线圈可串联或并联连接，线圈分为轴向线圈和径向线圈两种，其基本形状如图9所示。线圈22绕于铁芯21上，线圈22与铁芯21之间用耐高温绝缘套(架、垫)或涂层隔离。铁芯21采用粘接、焊接等方法直接与定子本体20连接固定，轴向螺线形线圈还可先装配于连接环、铰链板(如图8)等支承装置，再与定子本体20连接固定。必要时，可根据需要配置定子线圈背轭24(如图2和图3)或磁轭23(如图4)，以减少漏磁损失。定子铁芯21和磁轭23、背轭24可一体制造，或者分开制造后组装连成一体。线圈22之间或者线圈22与定子本体20间有通风道，用于降低电机温度。

本发明所述永磁推挽无刷电机的定子按线圈磁极排列不同有换流式定子和换向式定子之分：所谓换流式定子，即线圈磁极的极性不改变，而是通过电子换流开关使线圈产生间歇磁场的定子，该定子一端所有线圈的极性都一样(全部为N极或者S极，另一端全部为S极或N极)。换流式定子的磁极成对排列，且无论电源为多少相，其磁极对数应能被电源相数整除(单相电源分解为多相电源亦同)，每相电源依次连接一组绕组。所谓换向式定子，即线圈磁极的极性随电流方向的改变而改变的定子。换向式定子线圈磁极的极性按“N、S、……”成对相间排列，交流换向式定子的磁极还可按“N、N、S、S……成对相间排列。无论电源为多少相，换向式定子磁极的对数应能被电源相数整除(单相电源分解为多相电源亦同)，每相电源依次连接一组绕组。

本发明所述永磁推挽无刷电机电路的控制信号可以由转子位置传感器H获得，或者由方波信号发生器、正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路产生。转子位置传感器H可以是霍尔传感器、电感式传感器或光电传感器。传感器可以径向安装也可以轴向安装，可以直接以电机转子为感应对象，或者另外与电机转子同轴安装专门的传感信号感应转子。若需要，可在传感器非感应面周边设置隔磁装置。

本发明所述永磁推挽无刷电机的电路分为电动机电路和发电机电路，电动机电路又分为换流电路、换向电路和换流换向混合电路。直流电机可采用单相、二相及多项电源供电或输出电流。交流电机采用单相或单相分为若干相供电或输出电流。

(一)、电动机换流电路(如图13)。电流在电路中各支路间转移且不改变电流方向的电路，即换流电路。它包含直流换流电路和交流换流电路，其中直流换流电路又分为有位置传感器直流换流电路和无位置传感器直流换流电路。

1、有位置传感器直流换流电路。该电路是通过位置传感器获取转子位置信号，并由传感器直接控制电子换流开关的接通和关断，从而使电流在各支路间切换的直流电路。由转子位置传感器、电子换流开关、续流二极管等部分组成。其位置传感器可以是霍尔传感器、电感式传感器或光电传感器。根据传感器输出信号波形的不同，每相绕组(含单相分解为多相)安装一个或二个传感器；当电源为二相(或单相分解为二相)时，可分别安装三个、二个或一个传感器。传感器与电子换流开关相连，电子开关与电源和线圈绕组相连。电子换流开关可以是三极管(包括达林顿管)、光电耦合器、场效应管、可关断晶体管、绝缘栅双极晶体管以及IGBT等电子开关。续流二极管在电源与线圈之间连接。若需要电机倒转，采用手动倒顺开关或电子倒顺开关将电源反接，或者将电子开关控制信号源电线调换连接即可(特别说明：三相电源将其中两相调换位置即可，下同)。其变速控制可采用手动操作或电子自动控制可变电阻，实现无级变速。

2、无位置传感器直流换流电路。此电路是采用方波信号发生器、正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路产生信号，控制电子换流开关的接通和关断，从而使电流在各支路间切换的直流电路。将有位置传感器直流换流电路中的传感器用信号发生电路替换，就变成了本电路。采用正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路产生信号时，应设置一定的提前导通角，以保证电机平稳运行。其变速控制可采用可变电容或者可变电阻两种器件进行调速，实现无级变速。其倒转原理与有位置传感器直流换流电路相同。

3、交流换流电路。交流换流电路即电子换流开关在交流电正、负半周时，分别单向导通和关断不同支路的电路。电子换流开关可以是二极管、三极管(包括达林顿管)、光电耦合器、场效应管、普通晶闸管、可关断晶体管、绝缘栅双极晶体管以及IGBT等电子开关。除二极管以外，其它开关控制极的信号取自电源。其调速可采用变频调速。正半周绕组和负半周绕组各自再进行分相的电机可实现倒转(原理与有位置传感器直流换流电路相同)，否则不能倒转。

(二)、电动机换向电路(如图14)。电路内的电流随时间的推移而不断改变方向的电路即换向电路(特别说明：换向电机不能倒转，但功率较大)。它包括直流换向电路和交流换向电路，其中直流换向电路又分为有位置传感器直流换向电路和无位置传感器直流换向电路。

1、有位置传感器直流换向电路。该电路是通过位置传感器获取转子位置信号，并由传感器直接控制电子换向开关的接通和关断，从而改变电路中电流方向的直流电路。由转子位置传感器、电子换向开关等部分组成。其电子元器件与换流电路基本相同。

2、无位置传感器直流换向电路。即有位置传感器直流换向电路中的传感器用方波信号发生器、正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路替代即可。

3、交流换向电路。即利用交流电周期自然改变电流方向的特性，将交流电源直接与电机绕组相连。

(三)、电动机换流换向混合电路(如图15)。该电路将单相交流电进行分相，并通过电子换流开关在各相间进行换流(可用无极性电容替代后通电绕组的电子开关)，然后利用交流电自然换向现象进行换向。该电路换流开关的控制信号可由转子位置传感器产生，也可由方波信号发生器、正弦波信号发生器或梯形波信号发生器等信号发生装置产生。其定子可以是换流定子，也可以是换向定子。若需电机倒转，可将电子开关控制信号线路反接，或将电机电源反接。

(四)、发电机电路。当本电机作为直流发电机发电时，可通过二极管等电子器件将电流输送到储能设备(蓄电池或超级电容等)或直接供用电器使用；当本电机作为交流发电机发电时，可经过变压器、整流器、逆变器等设备后将电流输送到电网或直接供用电器使用。

必要时(如电动车辆作为动力使用时)，本发明所述永磁推挽无刷电机可同时将电动机电路和发电机电路一并连接于定子绕组的两端，并分别安装电动机开关和发电机开关，通过开关实现发电/电动功能转换。即作电动机时，闭合电动机开关，断开发电机开关；作发电机时，闭合发电机开关，断开电动机开关。其电动机开关和发电机开关可以是手动开关，也可以是电子开关。

本发明所述永磁推挽无刷电机的电子开关电路，可根据需要增加变压、整流、滤波、稳压、过流保护、过热保护、温度补偿等电路及电子元件偏置电路，也可以根据电路的需要(如级间耦合)增加必要的元器件。电机印刷电路板8可封装于电机壳内，也可另安装于专门的机外接线盒内。

本发明所述的永磁推挽无刷电机，转子轴3与定子2或机壳7连接部位为轴承5连接或间隙配合，其中大功率或高速电机根据电机的结构采用轴向轴承或径向轴承连接，小功率低速电机可采用间隙配合。轴承5可以是普通轴承，也可以是磁悬浮轴承或非导磁材料轴承。

本发明所述永磁推挽无刷电机有一叶轮9与转轴3同轴紧固安装，或者将转子磁轭13边缘设计成风叶形状，可作电机降温的风轮或作泵类产品的泵叶轮，通过空气或液体流过带走热量，能有效抑制电机的温升。采用分布式绕组的电机，若通过机壳散热，可不配置风扇。

本发明所述永磁推挽无刷电机具有非常明显的优点：

首先，本电机作电动机时，其转子能相对于定子保持定向旋转，所以无须启动装置，而且启动平稳，其控制电路因为仅仅只需要轮流开关各支路电源或者轮番改变电流方向而变得非常简单。同时，由于转子能定向旋转，所以在额定负载条件下，电机不存在堵转和失步的问题。

其次，节能是本电机的显著特点。因为：第一，由于采用高磁能积的永磁体作为励磁源，省去了励磁或电枢绕阻，减少了电能励磁损耗；第二，作电动机时，由于绕组两端与正负电路之间分别接有续流二极管，高速旋转的永磁体使未通电的定子线圈产生的反向电动势，能通过续流二极管回馈电源，不仅减少了磁滞损耗，还增加了电能；第三，本电机转子省去了电刷、滑环、换向器，不仅减少了铜耗，而且大大延长了电机的使用寿命；第四，本电机装有叶轮，电机定子上留有通风孔，使电机温升小，从而降低了电阻提高了电机功率；第五，设置定子或转子磁轭(含背轭)约束磁力线，增强气隙磁场的磁通量，提高电动机效率，部分电机还可通过延长磁轭增大转子半径，延伸着力点，达到省力节电的目的。

再次，本电机能保持恒转矩，使电机的转矩脉动小，运行平稳，噪音小。

再其次，因为永磁体的存在，所以停机时定子线圈的反电动势产生的制动力矩，对转子的磁滞增大，所以电机的惯量小。

最后，本发明所述永磁推挽无刷电机不仅可作为高效率的电动机，也可以作发电机使用，尤其在电动车辆领域，可根据车辆运行需要进行发电/电动功能转换，做到一机二用，提高电机的使用效率。

本发明所述永磁推挽无刷电机可广泛用于电动车辆、家用电器、航空、航海、工农业生产以及家用供电***等领域。

附图说明

图1：永磁推挽无刷电机轴向剖面例图(a、b为内转子外定子轴向线圈轴向气隙电机例图；c为外转子内定子轴向线圈轴向气隙电机例图；d、e为内转子外定子径向线圈径向气隙电机例图；f为外转子内定子径向线圈径向气隙电机例图)。

图2：转子永磁体及径向充磁永磁体背轭的径向基本形状例图。

图3：转子永磁体及径向充磁永磁体背轭的轴向基本形状例图。

图4：轴向线圈磁轭或轴向充磁永磁体磁轭的轴向基本形状例图(a1、b1为内转子或内定子***粘接式磁轭例图；a2、a3、b2、b3为内转子及内定子铆接或螺栓连接式磁轭例图；c1外转子***粘接式磁轭例图；c2、c3为外转子铆接或螺栓连接式磁轭例图)。

图5：定子线圈铁芯基本形状例图(a1、a4为外定子径向线圈铁芯例图；b1、b2为内定子径向线圈铁芯例图；c1-c4为轴向线圈铁芯例图)。

图6：定子本体轴向横截面例图(a为连接径向线圈的外定子本体例图；b1、b2为连接轴向线圈的外定子本体例图；c为连接径向线圈的内定子本体例图)。

图7：转子本体轴向横截面例图(a1-a4为内转子本体例图；b为外转子端面例图；c1-c4为分割式内转子本体例图)。

图8：外定子轴向线圈铰链板例图(a1-a4为径向例图；b1-b4为轴向例图)。

图9：定子线圈径向形状例图(a1-a9为轴向线圈例图；b1-b15为径向线圈例图)。

图10：轴向线圈轴向气隙电机端面例图(a1-a2为“

”形线圈配“

”永磁体且一端采用“”形永磁体磁轭的电机，停机时转子永磁体与定子线圈对齐的内转子外定子两端结构例图；b1-b2为停机时转子永磁体与定子线圈错开半个极距的内转子外定子两端结构例图；c为转子永磁体磁极与定子电磁极按2/3配置时的例图；d为外转子内定子例图)。

图11：换流式定子与转子磁极配置例图(a1-a4为一对永磁体转子配置一对电磁铁定子例图；b1-b4为二对永磁体转子配置二对电磁铁定子例图；c1-c2为二对永磁体转子配置三对电磁铁定子例图；d为三对永磁体转子配置三对电磁铁定子例图；e1-e2为四对永磁体转子配置四对电磁铁定子例图；)。

图12：换向式定子与转子磁极配置例图(a1-a8为一对永磁体转子配置一对电磁铁定子例图；b1-b3为二对永磁体转子配置二对电磁铁定子例图；c为单相变二相交流换向电机一对永磁体转子配置二对电磁铁例图)。

图13：电动机换流电路例图(a1-a5为单相变二相有位置传感器直流换流电路；a6为单相变三相有位置传感器直流换流电路；b为单相变二相交流换流电路)。

图14：电动机换向电路例图(a为单相有位置传感器直流换向电路；b为单相交流换向电路)。

图15：交流换流换向混合电路例图(a为二对永磁体转子配置二对电磁铁单向变二相电路例图；b为一对永磁体转子配置二对电磁铁单相变二相电路例图)。

图中主要部分的符号说明：1转子、10转子本体、11转子永磁体、12高强度非导磁箍、13转子磁轭，2定子、20定子本体、21定子线圈铁芯、22定子线圈、23定子磁轭、24定子背轭，3转轴，5轴承，6端盖、61端盖通风孔，7机壳，8电路板，9叶轮，H转子位置传感器。

本发明所述永磁推挽无刷电机是一个电机系列，包括但不限于附图所示内容，在不超出本电机的基本原理和权利要求范围内所作的任何改动，均受到本专利的保护。本电机的制造不排除使用已成熟的公共技术。

具体实施方案：

本发明所述永磁推挽无刷电机是一个电机系列，其具体实施方式很多，现略举几例加以说明。

实施例一：如图11b1为“二对‘

’形轴向充磁转子永磁体配置二对‘

’形换流式定子轴向磁极”的电机，采用图13a1所示“单相变二相直流换流电路”，由二个传感器(单极型或双极型均可)采集信号控制电路。当电动机未启动时，由于定子线圈铁芯被转子永磁体吸引，使传感器H1和H2总有一个转到对准转子S磁极的位置。所以如图11b1和图13a1所示，当传感器H2感应到转子磁极S2时，输出正信号，VT3和VT4导通，B绕组通电，定子磁极BN1、BN2与转子磁极N1、N2相排斥，定子磁极BS①、BS②分别与转子磁极S②、S①相排斥，几乎同时BS①、BS②分别与N②、N①相吸引；当BS①、BS②将S②、S①排斥出它们的“势力范围”时，BN1、BN2开始与S1、S2相吸引；当转子向右旋转90°时，S1与BN1、S2与BN2位置重叠，H2感应到转子磁极N1，输出负信号(单极性传感器不输出信号，下同)，VT3和VT4截止，B绕组断电；与此同时，H1感应到转子S1磁极，输出正信号，VT1和VT2导通，A绕组通电，定子磁极AN1、AN2分别与转子磁极N2、N1相排斥，定子磁极AS①、AS②分别与转子磁极S①、S②相排斥，几乎同时，AS①、AS②分别与N①、N②相吸；当AS①和AS②分别将S①、S②排斥出“势力范围”时，AN1和AN2分别与S2、S1产生吸引力，转子再向右旋转90°；当AN1与S2、AN2与S1位置重叠时，H1感应到转子磁极N2，输出负信号，VT1和VT2截止，A绕组断电，B绕组如前述通电……，由此不断重复上述过程，则电动机连续作向右旋转运动。若要电机倒转，可采用倒顺开关将电源反接，则定子线圈磁极与原来的磁极相反，定子线圈磁场与永磁体的作用力相反，因而电机改为向左旋转。若要对电机进行调速，可在电源串接一个可变电阻，通过调节可变电阻实现无级变速。

实施例二：如图11b4为“二对‘

’形转子永磁体配置二对‘

’形换流式定子径向磁极”的电机，其定子线圈靠近机壳的那端采用“

”形磁轭，对磁路进行轴向延伸，与此对应的转子相同端采用扇形磁轭，将磁轭进行径向延伸。该电机采用图13a3所示“单相变二相直流换流电路”，用一个双极型传感器控制电路，其开关为一对NPN和PNP三极管。当H感应到转子磁极S1时，输出正信号，VT1导通，定子A绕组通电，转子向右旋转90°；当H感应到转子磁极N2时，输出负信号，则VT1截止，同时VT2因其控制极感应负电信号而导通，定子B绕组通电，转子再向右旋转90°；接着，H感应到转子磁极S2，A绕组再次通电……，如此不断重复上述过程，则电动机连续作向右旋转运动。倒转与调速如实施例一所述。

实施例三：如图11c1为“二对‘

’形转子永磁体配置三对‘

’形换流式定子径向磁极”的电机，采用图13a6所示“单相变三相直流换流电路”，采用三个单极型传感器控制电路。参见图示，传感器H2感应到转子磁极S2时，输出正信号，VT3、VT4导通，B绕组通电，转子向右旋转60°；接着，传感器H2感应不到转子磁极，输出信号停止，VT3、VT4截止，B绕组断电，同时传感器H3感应到转子磁极S2，输出正信号，VT5、VT6导通，C绕组通电，转子又向右旋转60°；接下来传感器H3感应不到转子磁极，输出信号停止，VT5、VT6截止，C绕组断电，同时传感器H1感应到转子磁极S1，输出正信号，VT1、VT2导通，A绕组通电，转子再向右旋转60°……；如此不断重复上述过程，则电动机连续作向右旋转运动。如需要倒转，将其中两相电源交换连接即可。其调速与实施例一相同。

实施例四：如图11e1为“四对‘

’形转子永磁体配置四对‘

’形换流式定子轴向磁极”的电机，采用图13b所示“单相变二相交流换流电路”。当电源正半周时，VD1、VD3正向导通，A绕组通电，转子向右旋转45°；当电源负半周时，VD1、VD3反向截止，A绕组断电，同时VD2、VD4正向导通，B绕组通电，转子再向右旋转45°；A、B绕组如此循环通电，则电动机连续作向右旋转运动。其调速方法是采用变频调速，但本电机不能倒转。

实施例五：如图12b3为“二对‘

’形转子永磁体配置二对‘

’形换向式定子径向磁极”的电机，采用图14b所示“单相交流换向电路”。电源正半周时，电流从“+”流向“-”，转子与定子磁极产生排斥和吸引力，向左旋转90°，这时，所有定子磁极和转子磁极都处于相吸的状态；当电源负半周时，电流从“-”流向“+”，线圈内的电流方向与原来的电流方向相反，使线圈磁极与原来相反，打破了先前转子与定子磁极处于相吸的状态，再次从相互排斥到相互吸引，从而再向左旋转90°。由此，电流的方向不断改变，使定子线圈的磁极不断改变，从而使电机不断的旋转。其调速方法为变频调速，这种电机的旋转方向具有恒定性，不能倒转，但这种电机较同类型电机具有较大的功率。

实施例六：如图12c为“一对‘

’形转子永磁体配置二对‘

’形换向式定子轴向磁极”的电机，采用图15b所示“单相变二相交流换流换向混合电路”，另与转子同轴设置“N、S、N、S”四极感应转子，定子圆周相隔90°安装两个转子位置传感器(双极性、单极性均可)，一个与VT1、VT2相连，另一个与BCR相连。当电源在正半周时，电流由“+”经定子线圈流向“-”，若与VT1、VT2相连的转子位置传感器感应到S极，输出正信号，则VTI导通，A绕组正向通电，转子向左旋转90°；当转子位置传感器感应到N极，输出负信号或不输出信号，则VTI截止，A绕组断电，同时，另一转子位置传感器感应到S极，输出正信号，则BCR导通，B绕组正向通电，转子再向左旋转90°，电压过零时截止；当电源负半周时，电流由“-”经定子线圈流向“+”，与VT1、VT2相连的转子位置传感器感应到S极，输出正信号，则VT2导通，A绕组反向通电，A绕组磁极与原磁极相反，转子又向左旋转90°；当转子位置传感器感应到N极，输出负信号或不输出信号，则VT2截止，A绕组断电，同时，另一转子位置传感器感应到S极，输出正信号，则BCR导通，B绕组反向通电，B绕组磁极与原磁极相反，转子再向左旋转90°，电压过零时截止；接下来A绕组再正向通电……，由此使电机不断的旋转。其调速方法是采用变频调速。若要电机倒转，只需采用倒顺开关将电源反接即可。

Claims (10)

1、一种永磁推挽无刷电机，由定子、转子、转轴、轴承、叶轮、电子开关电路、端盖、机壳等部分组成。其转子和定子的组合可以是内转子外定子，也可以是内定子外转子，还可以是一个定子两个转子，一个转子两个定子，或者是多定子多转子组合。电机的外形可以是圆柱状、菱柱状，或者是盘状。既可作电动机，也可作发电机。

本发明所述永磁推挽无刷电机是一种双气隙磁场电机，即定转子磁极两端分别存在气隙磁场的电机，其基本原理是：通过对转子永磁体或定子电磁铁进行变形处理(包括永磁体错开一定极距充磁、同绕组几个上下径向线圈错开一定极距装配等变形方法)，使转子磁极(或者定子磁极)在两端气隙磁场错开一定的极距，同时，通过扩大气隙的距离、减少线圈的匝数、减少永磁体的体积、减少永磁体的面积、减少永磁体的充磁量、采用不同的永磁材料等方法，使电机一端的气隙磁场小于另一端的气隙磁场。当气隙磁场强的那端的定子磁极与转子磁极在空间上对齐时，气隙磁场弱的那端定子磁极或转子磁极在空间上分别对应对方两个1/2左右的磁极，或者对应对方一个1/2左右的磁极(大于0，小于1)并与对方另一磁极接近。则定子磁极对对应或接近的转子同名磁极产生推力(排斥力)，对转子异名磁极产生拉力(吸引力)，从而使转子保持定向旋转。

本发明所述永磁推挽无刷电机的关键还在于转子永磁体和定子电磁铁的形状及磁极的配置，且转子永磁体和定子电磁铁的形状具有互换性。当转子永磁体的形状为

等异形磁铁，或者两段永磁体以

形状排列时，与

形或

形定子电磁铁配置；当转子永磁体为

形或时，定子电磁铁的形状为

或

形；当转子永磁体及定子电磁铁均为

形时，一端或两端采用

或

形等异形磁轭进行磁传导。转子磁极与定子磁极分别成对设置，且转子磁极与定子磁极之间的数量一般采用1:1、1:2或2:3的比例配置。

本发明所述永磁推挽无刷电机电路的控制信号可以由转子位置传感器获得，或者由方波信号发生器、正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路产生。转子位置传感器可以是霍尔传感器、电感式传感器或光电传感器。传感器可以径向安装也可以轴向安装，可以直接以电机转子为感应对象，或者另外与电机转子同轴安装专门的传感信号感应转子。若需要，可在传感器非感应面周边设置隔磁装置。

2、根据权利要求1所述永磁推挽无刷电机的转子，其特征是转子由转子本体、永磁体、高强度非导磁箍、转子永磁体磁轭等部分构成。转子本体用硅钢片叠压而成，也可以用塑料注塑成型或者用铝合金等金属材料铸造而成。转子本体的结构可以是整体式，也可以由分体式组装而成。转子永磁体的材料为钕铁硼或其它高磁能积永磁材料，其基本形状如

等，永磁体可采用径向充磁或轴向充磁方式充磁。转子永磁体沿转子本体圆周间隔相等的贴于转子表面，或粘接镶嵌于转子本体的凹槽内或埋设于转子本体内，磁极按“N、S、……”成对相间排列。转子体外可加套高强度非导磁箍用于防止电机高速旋转时磁体脱落，或用于固定分体式转子本体及永磁体。必要时，可根据需要配置转子永磁体磁轭，以减少漏磁损失，同时，还可以通过延长磁轭增大转子半径，延伸着力点，达到省力节电的目的。磁轭由铁氧体、纯铁或低碳钢制造，采用***粘接或螺栓等方式连接于转子本体上。也可以将转子本体、转子永磁体、转子永磁体磁轭用树脂模制成一个整体(可包括转轴)。内转子的形状为形，外转子的形状为

和

形。

3、根据权利要求1所述永磁推挽无刷电机的定子，其特征是定子由定子本体、定子线圈铁芯、定子线圈、定子磁轭、定子背轭等部分构成。定子本体可采用精密铸造或硅钢片叠压而成，外定子电机可由机壳替代。定子线圈铁芯可采用硅铁粉末冶金制造或硅钢片叠压而成。本电机定子绕组可采用分布式绕组或者集中式绕组(含螺线形线圈)，每个绕组内的各个线圈可串联或并联连接，线圈分为轴向线圈和径向线圈两种，线圈绕于铁芯上，线圈与铁芯之间用耐高温绝缘套(架、垫)或涂层隔离。铁芯采用粘接、焊接或其它机械的方法直接与定子本体连接固定，轴向螺线形线圈还可先装配于连接环、铰链板等支承装置，再与定子本体连接固定。必要时，可根据需要另外配置定子线圈背轭与磁轭，以减少漏磁损失。定子铁芯和磁轭、背轭可一体制造，或者分开制造后组装连成一体。线圈之间或者线圈与定子本体间有通风道，用于降低电机温度。

4、根据权利要求1所述永磁推挽无刷电机的定子，其特征是定子按线圈磁极排列不同有换流式定子和换向式定子之分：所谓换流式定子，即线圈磁极的极性不改变，而是通过电子换流开关使线圈产生间歇磁场的定子，该定子一端所有线圈的极性都一样(全部为N极或者S极，另一端全部为S极或N极)。换流式定子的磁极成对排列，且无论电源为多少相，其磁极对数应能被电源相数整除(单相电源分解为多相电源亦同)，每相电源依次连接一组绕组。所谓换向式定子，即线圈磁极的极性随电流方向的改变而改变的定子，换向式定子线圈磁极的极性按“N、S……”成对相间排列，交流换向式定子的磁极还可按“N、N、S、S……成对相间排列。无论电源为多少相，换向式定子磁极的对数应能被电源相数整除(单相电源分解为多相电源亦同)，每相电源依次连接一组绕组。

5、根据权利要求1所述永磁推挽无刷电机的电子开关电路，其特征是电子开关电路分为电动机电路和发电机电路，电动机电路又分为换流电路、换向电路和换流换向混合电路。直流电机可采用单相、二相及多项电源供电或输出电流。交流电机采用单相或单相分为若干相供电或输出电流。

(1)、电动机换流电路。电流在电路中各支路间转移且不改变电流方向的电路，即换流电路。它包含直流换流电路和交流换流电路，其中直流换流电路又分为有位置传感器直流换流电路和无位置传感器直流换流电路。

①、有位置传感器直流换流电路。该电路是通过位置传感器获取转子位置信号，并由传感器直接控制电子换流开关的接通和关断，从而使电流在各支路间切换的直流电路。由转子位置传感器、电子换流开关、续流二极管等部分组成。根据传感器输出信号波形的不同，每相绕组(含单相分解为多相)安装一个或二个传感器；当电源为二相(或单相分解为二相)时，可分别安装三个、二个或一个传感器。传感器与电子换流开关相连，电子开关与电源和线圈绕组相连。电子换流开关为三极管(包括达林顿管)、光电耦合器、场效应管、可关断晶体管、绝缘栅双极晶体管以及IGBT等电子开关。续流二极管在电源与线圈之间连接。若需要电机倒转，采用手动倒顺开关或电子倒顺开关将电源反接，或者将电子开关控制信号源电线调换连接即可(特别说明：三相电源将其中两相调换位置即可，下同)。其变速控制可采用手动操作或电子自动控制可变电阻，实现无级变速。

②、无位置传感器直流换流电路。此电路是采用方波信号发生器、正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路产生信号，控制电子换流开关的接通和关断，从而使电流在各支路间切换的直流电路。将有位置传感器直流换流电路中的传感器用信号发生电路替换，就变成了本电路。采用正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路产生信号时，应设置一定的提前导通角，以保证电机平稳运行。其变速控制可采用可变电容或者可变电阻两种器件进行调速，实现无级变速。其倒转原理与有位置传感器直流换流电路相同。

③、交流换流电路。交流换流电路即电子换流开关在交流电正、负半周时，分别单向导通和关断不同支路的电路。电子换流开关可以是二极管、三极管(包括达林顿管)、光电耦合器、场效应管、普通晶闸管、可关断晶体管、绝缘栅双极晶体管以及IGBT等电子开关。除二极管以外，其它开关控制极的信号取自电源。其调速可采用变频调速。正半周绕组和负半周绕组各自再进行分相的电机可实现倒转(原理与有位置传感器直流换流电路相同)，否则不能倒转。

(2)、电动机换向电路。电路内的电流随时间的推移而不断改变方向的电路即换向电路(特别说明：换向电机不能倒转，下同)。它包括直流换向电路和交流换向电路，其中直流换向电路又分为有位置传感器直流换向电路和无位置传感器直流换向电路。

①、有位置传感器直流换向电路。该电路是通过位置传感器获取转子位置信号，并由传感器直接控制电子换向开关的接通和关断，从而改变电路中电流方向的直流电路。由转子位置传感器、电子换向开关等部分组成。其电子元器件与换流电路基本相同。

②、无位置传感器直流换向电路。即有位置传感器直流换向电路中的传感器用方波信号发生器、正弦波信号发生器、梯形波信号发生器等信号发生电路替代即可。

③、交流换向电路。即利用交流电周期自然改变电流方向的特性，将交流电源直接与电机绕组相连。

(3)、电动机换流换向混合电路。该电路将单相交流电分相，并通过电子换流开关在各相间进行换流(可用无极性电容替代后通电绕组的电子开关)，然后利用交流电自然换向现象进行换向。该电路换流开关的控制信号可由转子位置传感器产生，也可由方波信号发生器、正弦波信号发生器或梯形波信号发生器等信号发生装置产生。其定子可以是换流定子，也可以是换向定子。若需电机倒转，可将电子开关控制信号线路反接，或将电机电源反接。

(4)、发电机电路。当本电机作为直流发电机发电时，可通过变压、整流等电路将电流输送到储能设备(蓄电池或超级电容等)或直接供用电器使用；当本电机作为交流发电机发电时，可经过变压器、整流器、逆变器等设备后将电源输送到电网或直接供用电器使用。

6、根据权利要求5所述永磁推挽无刷电机的电子开关电路，其特征是所述电子开关电路可根据需要增加变压、整流、滤波、稳压、过流保护、过热保护、温度补偿等电路及电子元件偏置电路，也可以根据电路的需要(如级间耦合)增加必要的元器件。电机印刷电路板可封装于电机壳内，也可另安装于专门的机外接线盒内。

7、根据权利要求1所述永磁推挽无刷电机的电子开关电路，其特征是若需要所述永磁推挽无刷电机在不同时间分别执行电动机或发电机功能(如电动车辆作为动力使用时)，可同时将电动机电路和发电机电路一并连接于绕组的两端，并分别安装电动机开关和发电机开关，通过开关实现发电/电动功能转换。即作电动机时，闭合电动机开关，断开发电机开关；作发电机时，闭合发电机开关，断开电动机开关。其电动机开关和发电机开关可以是手动开关，也可以是电子开关。

8、根据权利要求1所述的永磁推挽无刷电机，转子轴与定子连接部位为轴承连接或间隙配合，其中大功率或高速电机根据电机的结构采用轴向轴承或径向轴承连接，小功率低速电机可采用间隙配合。轴承可以是普通轴承，也可以是磁悬浮轴承或非导磁材料轴承。

9、根据权利要求1所述的永磁推挽无刷电机，其特征是有一叶轮与转轴同轴紧固安装，或者将转子磁轭边缘设计成风叶形状，可作电机降温的风扇或作泵类产品的泵叶轮，定子线圈之间或者线圈与定子本体间有通风道，端盖设有通风孔，通过空气或液体流过带走热量，能有效抑制电机的温升。采用分布式绕组的电机，若通过机壳散热，可不配置风扇。

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