CN103269141B - U型电控磁动机 - Google Patents

Abstract

U型电控磁动机属永磁能开发领域，本发明主要由导磁材料机壳、前后端盖、主轴、位置检测电路板、遮挡盘、U型定子、凸极式转子、轴承、内外轴承压盖等组成，U型定子由导磁材料、电磁线圈、永磁铁组成，定子铁芯与机壳内圆壁栓接；凸极转子与主轴键接，传感器槽型光藕装在主轴后端盖外侧位置检测电路板上；本发明三相绕组通过控制器控制定子线圈，使其作用于转子导磁凸极上，驱动转子旋转，从而以较小的电能消耗使永磁能得到有效转换。

Description

U型电控磁动机

技术领域

本发明属永磁能开发领域，具体涉及永磁能利用的U型电控磁动机。

背景技术

石油、煤碳等化石矿物燃料，提供了世界91％的一次商品能源，其中煤碳占28％，石油占40％；然而地球上矿物燃料的储量是有限的，由于人类无限制的开采，正快速地走向枯竭，据统计，人类每年要燃烧掉40亿吨煤25亿吨石油；并以每年3％的速度增长，照此下去，科学家们估计，地球上的煤还可维持二、三百年，而石油就只有五、六十年的用量了，而且过度的开发和不加限制的消耗这些化石能源，还带来了极其严重的负面作用，如诱发全球性温室效应、雾霾、干旱、洪灾、酸雨等一系列问题，极大的污染了人类赖以生存的环境，因此，寻找新型替代能源，解决未来世界能源需求问题已成为人类社会面临的头等大事。

当前，人类把替代化石能源的希望寄托在发展太阳能、核能和氢能，并以风能、生物能、海洋能等其它新能源作为局部补充，但人们忽视了一个更好的、潜在的、巨大的和高密度的能源，那就是永磁能，虽然人们认识到了永磁铁本身存在着强大的势能，并在永磁电机上得到很好的运用，但是，把永磁能作新能源加以研究和开发利用，在世界范围内还没有引起足够重视，全世界釹铁硼年产量可达15万吨，铁氧体年产量丰富，可以满足永磁能转换设备的需求，永磁铁可以反复充磁使用，因此，永磁能具备了替代庞大化石能源的首要有利条件，当前的主要课题是找出利用永磁能的方法和科学的设计方案。

人们熟知的电磁铁，如图(13)所示01是永磁铁，02是衔铁，03是U型导磁材料，04是电磁线圈，在U型电磁铁两极内侧放置永磁铁01；将电磁线圈04通上直流电后，所产生的N极和S极与永磁体01的N极和S极同极性叠加后作用于衔铁02，使之具有气隙的衔铁02向上运动；这一现象证明，永磁能磁力线和U型电磁铁产生磁力线共同作用于衔铁02做功，证明了永磁铁永磁能发挥了作用。

当电磁铁电磁线圈04断电瞬间，永磁铁01N极磁力线通过电磁线圈内部导磁材料回到永磁铁01S极后被屏蔽(短路)，此时永磁铁01对外不显磁性，同时永磁铁01磁力线切割了电磁线圈04；使得电磁线圈两端具有一定的电动势，通过控制电路将此电能反馈到电网或蓄电池储备，此现象证明，永磁铁01只能被导磁材料屏蔽(短路)，对外不显磁性，同时还具有切割电磁铁线圈产生电动势的功能，

上述现象表明，进行以永磁能为主的U型电控磁动机研究，可以实现少量电能的消耗开发永磁能的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用电能开发永磁能的U型电控磁动机，实现永磁能做功为主，电能做功为辅，控制电路为准的目的，

本发明由良好导磁材料机壳1、前端盖2、后端盖3、主轴4、转子5、U型定子6、定子线圈7、永磁铁8、螺栓9、螺栓10、螺栓11、轴承12、轴承外挡盖13、轴承内挡盖14、遮挡盘15、位置检测电路板16、接线盒17、位置信号接线盒18、控制器19、定位键20、轴承21、挡光罩22、注油孔23、油封24、油封25、传感器槽型光藕26、定位孔27、半圆孔28、轴孔29、键槽30、遮挡沿31、凹槽孔32、网罩06、风叶07等主要部件组成，如图2所示，其中永磁铁8设置在U型定子6铁芯工作电磁极N极与S极内侧中，并且与工作电磁极内侧紧密配合，如图12所示，本发明的控制器19由电容充电控制电路、电路供电电源，主电源整流滤波电路、主功率不对称半桥IGBT电路、霍尔电流传感器电路、电流反馈接口电路、功率开关驱动电路、保护电路、显示电路、操作输入电路、DSP(TMS320LF2407)处理器、RS-232串行接口电路、与上位机交换数据电路、位置检测电路等组成。

所述的转子5具有十个等份凸极，凸极与凸极内侧凹槽032两侧圆心角是24度，每个凸极圆心角是12度。所述的U型定子6具有十二个等份凸极和其上对应设置的六组定子线圈7，其中定子线圈7分别缠绕在U型定子6电磁铁横向导磁极柱上。

所述的永磁铁8可以串联、并联或串并联设置于U型定子6工作磁极N极与S极内侧中，使得永磁能合理的发挥出来。

本发明的U型定子线圈7的相数为A、B、C三相；每相两组线圈即可串联连接，也可并联连接。

较佳的，还包括：位置检测单元和位置检测电路板16，用以确定所述U型电控磁动机机械本体中的定子和转子相对位置，产生一相对位置信号给所述的控制器19。

其中，如图(1)所示，所述的位置检测单元包括：

一传感器承载位置检测电路板16，其设置在所述的U型电控磁动机后端盖3外侧，所述的传感器承载位置检测电路板16上固定设有复数组传感器槽型光藕。

一遮挡盘15如图(1)所示，其固定设置在所述U型电控磁动机主轴4上及所述的转子轴后端盖3的外侧上，所述的遮挡盘15边缘具有一环形的遮挡沿31，在所述的遮挡沿31上均布设有复数个槽孔，其中，所述的遮挡沿31位于所述的传感器槽中，位置检测电路板16轴向有一组定位固定孔27，U型电控磁动机相数是三相，槽型光藕用三个，此电路板16与所述的后端盖3外壁固定。

较佳的，所述的传感器槽型光藕为三个，其之间与圆心连接的夹角为60度，

较佳的，所述的U型电控磁动机U型定子6电磁铁工作磁极N极与S极内侧放置永磁铁8，如图3所示；并且工作电磁极N极与永磁体N极相对应，工作电磁极S极与永磁铁8S极相对应。

较佳的，所述遮挡盘15的外径比所述的转子5外径小，且所述的遮挡盘15沿圆周上均布有十个凹槽孔32和十个凸出遮挡沿31；其中所述的遮挡盘15凸出遮挡沿31分别与所述的转子5十个凸极对应，并且遮挡沿31圆心夹角是12度，凹槽孔32圆心夹角是24度。

较佳的，所述的传感器槽中设置槽型光藕或霍尔器件及与之对应的永磁铁，

与现有技术比较本发明的有益效果在于：机电一体化、结构简单、成本低、各相独立工作，控制***可靠性高，主功率电路简单可靠，起动转矩高、起动电流小、可控参数多，调速性能好，适用于频繁起动，停止以及正反转运行，效率高，且在调速过程中损耗电能极小，电磁线圈瞬间断电，永磁铁磁力线切割电磁线圈，电磁线圈两端产生感应电动势，通过能量反馈电路，将其能量反馈到电网或蓄电池储备；使永磁能完全做功，充分体现了永磁能做功为主，电能做功为辅，电路控制为准的目的。

综上所述，U型电控磁动机遵循的原理是：输入永磁能加上输入电能等于输出机械能，此原理是本人通过数次实验检验得出的结论。

较佳的，所述的U型电控磁动机，科学的利用以下六个方法：

(1)定转子段数大于或等于1的奇偶数，定子凸极个数比上转子凸极个数等于1.2，U型定子铁芯机壳用导磁良好的金属材料；

(2)永磁铁8镶嵌在U型定子6电磁铁N、S极内侧的中部，永磁铁铁8与U型定子6电磁铁并联，永磁铁8靠近转子5凸极外侧；

(3)利用电磁场和永磁场同性叠加原理；

(4)利用磁路最短，磁阻最小原理。

附图说明

图(1)为本发明U型电控磁动机的机械本体的剖视结构示意图

图(2)为本发明U型电控磁动机的定转子剖视结构示意图

图(3)为本发明U型定子电磁极及永磁体构造示意图

图(4)为本发明U型电控磁动机的转子结构示意图

图(5)为本发明U型电控磁动机传感器承载盘位置检测电路板的主视图

图(6)为本发明U型电控磁动机传感器承载盘检测电路板的A-A向剖视图

图(7)为本发明U型电控磁动机传感器承载盘位置检测电路板中安装槽型光藕的电路原理图

图(8)为本发明U型电控磁动机遮挡盘主视图

图(9)为本发明U型电控磁动机传感器承载盘位置检测电路板中安装霍尔组件的电路原理图

图(10)为本发明U型电控磁动机遮挡盘B-B向剖视图

图(11)为本发明U型电控磁动机位置检测板与遮挡盘安装位置结构示意图

图(12)为本发明U型电控磁动机总体功能框图

图(13)为本发明U型电控磁动机U型电磁铁与永磁铁演示原理图

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明，

本发明的U型电控磁动机包括：

一磁动机机械本体，以及磁动机电控部分；其中所述的磁动机机械本体为所述U型电控磁动机机械全体部分，用以实现磁动机的动力输出；所述的磁动机电控制部分，用以实现对磁动机机械本体的动力输出控制，如启动、正转、反转、调速以及停止；还包括实现对U型电控磁动机的运行安全进行监控，

请参阅图(1)所示，其本发明U型电控磁动机的机械本体的剖视结构示意图，所述U型电控磁动机机械本体主体结构包括：良好导磁材料机壳1以及设置在所述磁动机良好导磁材料机壳1两侧的前端盖2、后端盖3，用以形成一个磁动机的内部工作空间；在所述的机壳1的内壁上均布设置U型定子6以及机壳1壁上固定定子螺栓孔。

所述的U型定子6具有十二个凸极，即六对U型电磁铁，且其上对应设置有六组定子线圈7。

所述的U型电控磁动机有三相A、B、C；A相绕组是由U型定子6电磁铁相对互差180度两绕组组成，两个绕组可以串联连接也可以并联连接，其两端引线接到接线盒17内部端子上；B相绕组是由U型定子6电磁铁相对互差180度两绕组组成，两个绕组可以串联连接也可以并联连接，其两端引线接到接线盒17内部端子上，C相绕组是由U型定子6电磁铁相对互差180度两绕组组成，两个绕组可以串联连接也可以并联连接，所述的永磁铁8设置在U型定子6电磁铁下端电磁N极与S极内侧，并且永磁铁8N极与U型定子6电磁铁N极相对应，永磁铁8S极与U型定子6电磁铁S极相对应，所述的U型定子6上端两极柱与良好导磁材料机壳1内圆周侧用螺栓9固定。

在所述的U型电控磁动机机械本体的中央设置转子5，所述的转子5具有十个凸极和十个凹槽，转子5通过一根主轴4以定位键20的形式，实现转子5和主轴4的固定连接，所述的U型电控磁动机前端盖2、后端盖3和所述的主轴4之间设置有轴承12、21；所述的前端盖2前端轴承12采用的是圆柱轴承；用以承受较大的扭矩，所述的后端盖3后端轴承21采用的是圆珠轴承，所述的轴承12、21的外侧与主轴4之间设置油封24、25，用以防止漏油、粉尘进入，需要强调的是本发明还包括：一位置检测电路板16和遮挡盘15，用以确定所述U型电控磁动机机械本体中的U型定子6和转子5相对位置，产生一相对位置信号给所述的控制器19，其中位置信号线和三相A、B、C绕组接线端分别放置在接线盒18和17内。

所述的位置检测电路板16包括：

一传感器承载电路板16，其设置在所述的后端盖3外侧，所述的传感器承载盘电路板16上固设有复数组传感器槽型光藕26。

一遮挡盘15，其固定设置在所述的主轴4上及所述的后端盖3伸出轴端一侧上，所述的遮挡盘15边缘具有一环形的遮挡沿31，在所述的遮挡沿31上均布设置有复数个凸凹槽孔，其中所述的遮挡沿31位于所述的传感器槽型光藕26中，并且遮挡盘凹槽孔32宽度是凸遮挡沿31宽度2倍；即凸遮挡沿31宽度圆心夹角是12度，凹槽孔32宽度圆心夹角是24度。

请参阅图(5)和图(6)所示，其分别为本发明U型电控磁动机传感器承载盘位置检测电路板的主视图以及A-A向剖视图，所述的传感器承载盘电路板16为半圆盘状，其轴向的边缘设置有定位孔27，定位孔27的数量为四个也可以是多个，本实施例以四个定位孔27为例，所述的定位孔27在所述的传感器承载盘电路板16板面上成40度圆心角排列；所述的传感器承载盘电路板16中间设有半圆孔28，用以穿过所述的主轴4；位置检测电路板16板面上排列有三个传感器槽型光藕26，其中相邻的传感器槽型光藕26之间圆心夹角为60度，所述的传感器承载盘位置检测电路板16中装设为光藕或霍尔组件，其中若装设有槽型光藕，则所述的传感器槽型光藕26的一侧装设有发光二极管元件，所述的传感器槽型光藕26的另一侧装设有接收的光敏晶体管元件(请参阅图(7)所示，其本发明U型电控磁动机承载盘位置检测电路板中安装槽型光藕的电路原理图)，若设置的是霍尔组件，所述的传感器的一侧装设有霍尔芯片元件H₁、H₂、H₃，所述的遮挡沿31上遮挡部分的一侧设有永磁铁8，此时所述的传感器承载盘位置检测电路板16仅有一侧是有用途的(请参阅图(9)所示，其为本发明U型电控磁动机传感器承载盘位置检测电路板中安装霍尔元件的电路原理图)。

请参阅图(8)和图(10)所示，其分别为本发明U型电控磁动机遮挡盘主视图以及B-B向剖视图，所述的遮挡盘15为圆盘状，其外径小于所述的转子5的外径，其中设置一个轴孔29，在所述的轴孔29上开设有键槽30，用以通过键实现与所述的主轴4的连接，从而保证所述的遮挡盘15与所述的转子5实现同步转动，所述的遮挡盘15具有一个台阶，所述的台阶用以抵靠在所述的转子主轴4上，实现轴向定位；所述的遮挡盘15在安装完毕凸型齿遮挡沿31经位于所述的传感器槽型光藕26之间，在所述的遮挡盘15随所述的转子5转动时，所述的遮挡沿31在所述的遮挡盘15圆周上间隔均布有十个凹槽孔32和间隔均布有十个凸型齿遮挡沿31，但是所述的遮挡盘15圆周上的凹槽孔32圆心夹角是凸型遮挡沿31圆心夹角2倍，即凸型齿遮挡沿31圆心夹角是12度，则凹槽孔32圆心夹角是24度；所述的凹槽孔32与凸型齿遮挡沿31间隔均布，由于所述的遮挡盘15与所述的转子5之间的相对位置关系是固定的，因此凹槽孔32、遮挡沿31的设置也是有规定的，即所述的十个凸型遮挡沿31与所述的转子5十个凸极对应，因此所述的遮挡沿31与遮挡沿31之间形成的凹槽孔32的圆周角为24度；从而在转子5转动过程中，使由于所述的遮挡盘15上的凹槽孔32和遮挡沿31的交替排列，从而使所述的光藕导通关断产生脉冲位置信号，或者是所述的霍尔芯片获取所述的位于遮挡沿31磁铁的磁场产生位置信号，从而将其传输给所述的U型电控磁动机控制部分，以其对U型电控磁动机的转动进行控制。

本发明的工作原理

请参阅图(12)所示，其为本发明U型电控磁动机的总体功能框图，结合该图用以阐述本发明的整个工作运行过程中，所述的U型电控磁动机机械本体部分和控制器之间的协作运行过程如下：

首先合闸送电(三相交流电源或蓄电池电源)，电路供电电源将输出直流电压供给其它电路，此时DSP处理器自动复位，通过操作输入电路发出启动指令，控制电路的主交流接触器三个主触点闭合，主电源整流滤波电路得电，并且在电容充电控制电路作用下，直流电压通过限流充电电阻向滤波电解电容充电，当充电电压达到额定直流电压75％时，直流侧的主交流接触器三个并联主触点闭合，供给主功率器件IGBT电路工作用。

当所述的操作输入电路发出正转指令时，DSP处理器得到正转指令，并且通过设置于U型电控磁动机机械本体内部光位置检测电路板16检测出定子、转子相对位置信号，此位置信号通过位置反馈接口电路送到DSP处理器指定的输入端，同时DSP输出正转逻辑控制信号；此控制信号按预先设计程序输出到功率开关驱动电路，经功率开关驱动电路隔离放大信号驱动主功率IGBT电路，主功率IGBT电路采用不对称半桥式电路，每相U型电控磁动机电磁线圈与上下主功率IGBT管串联，此时相关各相绕组电磁线圈得电，在逻辑控制信号及PWM作用下，该U型电控磁动机正转运行，其正转运行速度快慢，可以通过操作输入电路调速电位器输出模拟调速指令(电压大小)送到DSP处理器调速接收端口，DSP处理器接收速度指令后，控制其输出端PWM信号；使其达到调速目的，同时位置反馈接口电路输出一路脉冲信号到DSP处理器一接口端，DSP处理器输出口两路信号给显示电路，显示出最高位四位数字，即每分钟多少转。

当操作输入电路发出停止指令时，操作输入电路输出停止指令送到DSP处理器，DSP处理器关断PWM信号，U型电控磁动机停止运行，此时若要有制动功能只有一相绕组电磁线圈通电工作，其电流是额定电流80％，该机处在制动(刹车)状态，制动力矩大小，可以通过操作输入电路电位器进行调整控制，其控制制动力矩大小原理是控制该导通相控制信号PWM脉冲宽窄，使其电流从0——80％额定电流值，PWM脉冲宽窄是由该导通相霍尔电流传感器检测输出电流信号通过电流反馈接口电路输出给DSP处理器，该处理器包括软件设计保护值(电流值)。

硬件设计保护值，DSP处理器在电流信号和内部设计程序作用下输出控制信号PWM脉冲，调整该制动(刹车)相绕组电磁线圈电流大小，从而达到制动(刹车)力矩大小控制。

当操作输入电路输出反转指令时，DSP处理器得到反转指令，并且通过设置于U型电控磁动机机械本体内部光位置检测电路板16检测出定子、转子相对位置信号，此信号通过DSP处理器换相输出反转逻辑控制信号，此信号按预先设计程序输出到功率开关驱动电路，经功率开关驱动电路隔离放大信号驱动主功率IGBT电路，主功率IGBT电路采用不对称半桥式电路，每相U型电控磁动机电磁线圈与上下主功率IGBT管串联，此时相关各相绕组电磁线圈得电，在控制信号PWM作用下，该U型电控磁动机反转运行，其反转运行速度快慢，可以通过操作输入电路调速电位器输出模拟调速指令(电压大小)送到DSP处理器接收到速度指令后，控制其输出端PWM信号，使其达到调速目的，同时位置反馈接口电路输出二路脉冲信号给显示电路，显示出最高四位数字，即每分钟多少转。

当主电源整流滤波电路输出直流电压高于额定直流电压1.2倍时保护电路输出过压信号给DSP处理器，DSP处理器关断控制信号PWM脉冲输出同时，保护电路输出过压信号给继电器控制电路，使继电器控制电路动作，切断主交流接触器线圈供电，达到过压保护目的，当主电源整流滤波电路，交流输入三相电源电压过高时，压敏电阻保护，使断路器或空气开关跳闸断电。

当三相整流桥过温、磁动机内部电磁线圈过温、IGBT功率模块过温、滤波电解电容过温时，四支温度传感器分别输出电压信号，送给DSP处理器温度检测端，DSP处理器立即关闭PWM脉冲信号，显示电路显示出各部分过温信息。

当改变DSP处理器相关参数时，通过串行接口电路与DSP处理器进行通讯，可以修改相关参数。

另外，主功率IGBT电路有六支能量反馈二极管，当某相绕组电磁线圈断电后，自感电动势通过该相两支能量反馈二极管和该相电磁线圈组成能反馈回路，向滤波电解电容或蓄电池充电达到能量反馈目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性，本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可以对其进行许多改变、修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种U型电控磁动机，它由良好导磁材料机壳1、前端盖2、后端盖3、主轴4、转子5、U型定子6、定子线圈7、永磁铁8、螺栓9、螺栓10、螺栓11、轴承12、轴承外挡盖13、轴承内挡盖14、遮挡盘15、位置检测电路板16、接线盒17、位置信号接线盒18、控制器19、定位键20、轴承21、挡光罩22、注油孔23、油封24、油封25、传感器槽型光藕26、定位孔27、半圆孔28、轴孔29、键槽30、遮挡沿31、凹槽孔32、网罩06、风叶07、凹槽032主要部件组成，其中U型定子6两个导磁极柱上端与良好导磁材料机壳1内壁通过螺栓9栓接固定并且形成一个U型导磁磁路，所述的转子5设置在一主轴4上；并且转子5通过定位键20与主轴4紧配合固定，所述的主轴4通过轴承12、轴承21与所述的磁动机良好导磁材料机壳1两端的前端盖2、后端盖3相连接，在所述的轴承12、轴承21的外端设置有油封24、油封25；所述前端盖2、后端盖3与机壳1两端通过螺栓10栓接固定；所述的轴承外挡盖13前端盖2轴承12通过螺栓11与轴承内挡盖14栓接固，所述的位置检测电路板16固定在后端盖3与主轴4同心圆上，所述的遮挡盘15与主轴4通过定位键20紧配合，其位置设在后端盖3外侧，并用挡光罩22将位置检测电路板16、遮挡盘15保护好，所述的挡光罩22固定在后端盖3外侧，位置信号线设置于接线盒18的接线柱上，所述的转子5具有十个凸极和十个凹槽032，转子5凸极与凸极内侧凹槽032两侧圆心角是24度；所述的U型定子6具有相等六对磁极U型电磁铁和其上对应设置的六组绕组定子线圈7；并且永磁铁8并联设置在U型定子6U型电磁铁工作磁极柱N极与S极两竖壁面内侧中，永磁铁8的N极和S极分别和U型定子6电磁铁的工作磁极N极和S极一一对应，即同极对应，所述的定子线圈7产生的磁力线方向与永磁铁8的磁力线方向一致；所述的定子线圈7设置于U型定子6靠近良好导磁材料机壳1内壁两导磁极柱上，绕组引线设置于接线盒17的接线柱上；所述的U型定子6的相数大于等于3的奇偶数，所述的U型定子6电磁铁N、S极在所对圆心角相等，即12度；U型定子6电磁铁N、S极内侧所对圆心角是每个磁极所对圆心角的2倍，即24度；每个相邻U型定子6电磁铁内侧所对圆心角12度；U型电磁铁磁极工作面的弧长均相等；所述的一位置检测电路板16和遮挡盘15，用以确定所述U型电控磁动机机械本体中的定子和转子相对位置，产生一相对位置信号给所述的U型电控磁动机控制器19，所述的传感器承载盘位置检测电路板16，其设置在U型电控磁动机后端盖3外侧，所述的传感器承载盘检测电路板16上固定设有复数组传感器槽型光藕，所述的传感器位置检测电路板16上有槽型光藕三个，其之间与圆心连线的夹角为60度；一遮挡盘15，其固定设置在所述的U型电控磁动机后端盖3主轴4伸出端侧，并用定位键20配合固定，所述的遮挡盘15边缘具有十个凸极和十个凹槽孔32，凹槽孔32宽度是凸极遮挡沿31宽度2倍，凹槽孔32和凸极遮挡沿31同心圆夹角分别是24度和12度，并且凸凹间隔均布在同一圆周上，其中所述的遮挡沿31凸极位于所述的传感器槽型光藕中。

2.根据权利要求1所述的U型电控磁动机，其特征有两项：

(1)定转子段数大于或等于1的奇偶数，定子凸极个数比上转子凸极个数等于1.2，U型定子铁芯机壳用导磁良好的金属材料；

(2)永磁铁8镶嵌在U型定子6电磁铁N、S极内侧的中部，永磁铁铁8与U型定子6电磁铁并联，永磁铁8靠近转子5凸极外侧。