CN104124847B - 一种基于动圈电机的动量轮 - Google Patents
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Abstract
一种基于动圈电机的动量轮，外壳上盖与外壳底座的中心支撑柱间形成空腔，转轴内圈固定在空腔内外壳底座中心支撑柱的外周圈上，在空腔内转轴的外圈上固定有绕制线圈的转子铁芯，转子铁芯与线圈构成动量轮的转子部分，在转子铁芯和线圈的上部与下部、外壳上盖和外壳底座的内壁上分别固定电机的定子部分即永磁体，其充磁方向为上下方向，在转子铁芯与外壳底座间的空腔中放置滑环；本发明动量轮在运行中，输入单相直流电压，线圈中电流运行波动很小；由于转子与定子的相对位置不影响磁路，因此不需要实时测量转子位置的外加电路，减少电路的复杂性；由于定子采用整块永磁体，线圈所在空间的磁场强度较高，在电流较小的情况下依然可以提供较大的转矩。
Description
技术领域
本发明涉及动量轮技术领域，具体涉及一种基于动圈电机的动量轮。
背景技术
现有动量轮主要采用无刷直流电机作为动力源，这些直流电机工作原理为：定子为线圈缠绕铁芯，线圈为三相缠绕方式，通电通入三相直流电，直流电波形为方波，三相之间相位各相差120度。工作时，通入电流，在线圈与转子永磁体的气隙间产生旋转的磁场，带动永磁体转动。其作为动量轮的缺点：需要在运行时测量电机转子的位置，从而调整电机的输入电流波形及相位，因此需要复杂的驱动线路；由于电流换向，运行波动较大，尤其是低速运行下性能不好；实际运行时的转矩并不大，不能应用于对转矩要求较高的情况。
而对于另一种结构的动量轮基于盘式电机：盘式电机的工作原理与无刷直流电机的工作原理相同，将定子线圈和动子磁体都制作为盘状，电机的磁路为轴向，因此也称为轴向磁路无刷直流电机。这种电机由于采用的也是三相方波电流，因此也需要在电机运行时测量转子的位置，增加电机控制电路的复杂性；同时也存在运行波动的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于动圈电机的动量轮；动量轮在运行过程中，输入为单相直流电压，线圈中电流较为稳定，运行波动很小；由于动量轮转子与定子的相对位置不影响磁路，因此不需要实时测量转子位置的外加电路，减少电路的复杂性；由于动量轮定子采用整块钕铁硼永磁体，因此线圈所在空间的磁场强度较高，在电流较小的情况下依然可以提供较大的转矩。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于动圈电机的动量轮，包括外壳底座4，固定于外壳底座4上的外壳上盖1，所述外壳上盖1与外壳底座4的中心支撑柱间形成空腔，转轴7的内圈固定在空腔内外壳底座4中心支撑柱的外周圈上，在空腔内转轴7的外圈上固定有转子铁芯5，转子铁芯5上绕制线圈2，转子铁芯5与线圈2共同构成动量轮的转子部分，在所述转子铁芯5和线圈2的上部与下部、外壳上盖1和外壳底座4的内壁上分别固定电机的定子部分即永磁体3，其充磁方向为上下方向，且两块永磁体的充磁方向关系为上面的永磁体3向下为N极或S极，则下面的永磁体3向上为N极S极，在转子铁芯5与外壳底座4之间的空腔中放置滑环6。
所述转子铁芯5采用硅钢片压制成，其形状为双层环形，外环5-1上绕制线圈2，内环5-2与转轴7固连，内环5-2和外环5-1之间由四个位置对称的连筋5-3相连接。
所述转轴7的轴承采用角轴承，为中空环形，固定于外壳底座4的中心支撑柱的台阶之上。
所述外壳上盖1和外壳底座4的材料为45号钢。
所述永磁体3的材料为钕铁硼。
所述永磁体3采用环氧材料分别粘贴在外壳上盖1和外壳底座4的内壁上。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1、由于动量轮的结构设计，转子为线圈绕制于环柱形铁芯之上，且定子永磁体分别位于转子的上下方，因此动量轮的磁路简单。磁路从永磁体的N极出发，通过转子一面的线圈，进入铁芯，再通过转轴，外壳底座以及上盖回到永磁体的S极。
2、由于动量轮的定子为一对完整的永磁体，因此转子线圈部分的磁场较为均匀，产生的安培力与线圈中通过的电流成线性关系，因此动量轮的可控性较强。并且电机定子为整块永磁体，转子为对称铁芯线圈，因此动量轮运行的情况不受转子的位置影响，不需要复杂的实时测量转子位置的控制电路。
3、由于动量轮的输入为单相直流电压，线圈中的电流较三相情况下更为稳定，动量轮运行波动小，在低速情况下，运行也稳定。
4、由于动量轮定子采用整体的永磁体，在转子线圈处的电磁场强度较大，容易产生较大的安培力，因此可以在较低的输入电压下依旧可以提供较高的转矩。
5、由于动量轮转子为铁芯上绕制线圈，因此可以很容易的根据实际需要增加或者减小线圈匝数，从而改变动量轮的性能。
附图说明
图1为本发明基于动圈电机的动量轮剖面示意图。
图2为本发明转子铁芯的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1、图2和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种基于动圈电机的动量轮，包括外壳底座4，固定于外壳底座4上的外壳上盖1，所述外壳上盖1与外壳底座4的中心支撑柱间形成空腔，转轴7的内圈固定在空腔内外壳底座4中心支撑柱的外周圈上，在空腔内转轴7的外圈上固定有转子铁芯5，转子铁芯5上绕制线圈2，转子铁芯5与线圈2共同构成动量轮的转子部分，在所述转子铁芯5和线圈2的上部与下部、外壳上盖1和外壳底座4的内壁上分别固定电机的定子部分即永磁体3，其充磁方向为上下方向，且两块永磁体的充磁方向关系为上面的永磁体3向下为N极或S极，则下面的永磁体3向上为N极S极。由于动量轮的转子为线圈，需要滑环为线圈提供电力，在转子铁芯5与外壳底座4之间的空腔中放置滑环6。
作为本发明的优选实施方式，所述转子铁芯5采用硅钢片压制成，其形状为双层环形，外环5-1上绕制线圈2，内环5-2与转轴7固连，内环5-2和外环5-1之间由四个位置对称的连筋5-3相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述转轴7的轴承采用角轴承，为中空环形，固定于外壳底座4的中心支撑柱的台阶之上。
作为本发明的优选实施方式，所述外壳上盖1和外壳底座4的材料为45号钢。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体3的材料为钕铁硼。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁体3采用环氧材料分别粘贴在外壳上盖1和外壳底座4的内壁上。
本发明的工作原理为：
由于动量轮采用上下结构，上下两层定子为钕铁硼永磁体，中间一层为漆包线绕制铁芯而成的转子，且永磁铁为环柱形，在转子线圈处的磁场均匀，因此对于动量轮来说，其运行的转矩与线圈中通过的电流大小呈线性关系，因此动量轮的运行控制较为简单。
动量轮启动时，通过滑环6向线圈2两端加载一个启动电压，此时线圈2中通过一个电流，而线圈2处在定子永磁体3产生的磁场当中，因此产生安培力，力的方向为切向方向，由于线圈2绕制在转子铁芯5之上，因此带动整个转子转动，动量轮即开始运行。
动量轮开始运行后，可根据对于动量轮的转矩、转速等的性能需求，通过外加的控制电路改变输入滑环中的输入电压，从而调节转子线圈中的电流大小，以此来改变动量轮的运行状态，来满足我们对动量轮的要求。
Claims (6)
1.一种基于动圈电机的动量轮，其特征在于：包括外壳底座(4)，固定于外壳底座(4)上的外壳上盖(1)，所述外壳上盖(1)与外壳底座(4)的中心支撑柱间形成空腔，转轴(7)的内圈固定在空腔内外壳底座(4)中心支撑柱的外周圈上，在空腔内转轴(7)的外圈上固定有转子铁芯(5)，转子铁芯(5)上绕制线圈(2)，转子铁芯(5)与线圈(2)共同构成动量轮的转子部分，在所述转子铁芯(5)和线圈(2)的上部与下部以及外壳上盖(1)和外壳底座(4)的内壁上分别固定电机的定子部分即永磁体(3)，其充磁方向为上下方向，且两块永磁体的充磁方向关系为上面的永磁体(3)向下为N极或S极，则下面的永磁体(3)向上为N极或S极，在转子铁芯(5)与外壳底座(4)之间的空腔中放置滑环(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于动圈电机的动量轮，其特征在于：所述转子铁芯(5)采用硅钢片压制成，其形状为双层环形，外环(5-1)上绕制线圈(2)，内环(5-2)与转轴(7)固连，内环(5-2)和外环(5-1)之间由四个位置对称的连筋(5-3)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于动圈电机的动量轮，其特征在于：所述转轴(7)的轴承采用角轴承，为中空环形，固定于外壳底座(4)的中心支撑柱的台阶之上。
4.根据权利要求1所述的一种基于动圈电机的动量轮，其特征在于：所述外壳上盖(1)和外壳底座(4)的材料为45号钢。
5.根据权利要求1所述的一种基于动圈电机的动量轮，其特征在于：所述永磁体(3)的材料为钕铁硼。
6.根据权利要求1所述的一种基于动圈电机的动量轮，其特征在于：所述永磁体(3)采用环氧材料分别粘贴在外壳上盖(1)和外壳底座(4)的内壁上。
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