CN104953775A - 永磁直流磁换向电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是机电能量转换领域中的永磁直流电机及其磁换向技术.本发明的永磁直流磁换向电机的主要结构分为两个部分；定子和转子.定子由机壳，保护罩，定子多极永磁体，线圈骨架，电枢绕组和轴承等组成.定子又分成电枢绕组方向相同，定子多极永磁体磁极相反的两个部分.转子由转子多极永磁体，短路环，支承体和轴组成.双定子电枢在360度内合成恒定安培力，成为永磁直流磁换向电机.本发明的永磁直流磁换向电机；运行连续，平稳，性价比高.本发明开创了电机换向的一个新分支；磁换向电机.本发明或将引起电机行业的变革，替代现有永磁直流有刷电机或无刷电机.本发明的磁换向电机是一项极具市场潜力和竞争力的永磁直流电机技术方案。

Description

永磁直流磁换向电机

技术领域 本发明涉及的是机电能量转换领域中的永磁直流电机及其磁换向技术.自从1821年法拉第发明第一台电动机至今已经走过了近200年.随着现代电子控制技术和电子器件的发展，为克服有刷电机换向的缺陷和制约，工程师们进行了不懈的努力.20世纪30年代提出了用电力电子器件取代机械换向器的概念.1955年美国人D.Harrison等首次申请了用晶体管线路换向的专利.1962年，霍尔元件被应用到角位置检测.20世纪70年代以后，演变为晶闸管无换向器电机.所谓的无换向器电机，无刷电机均指电子换向电机.偶然也有例外，如中国专利；双转子单极永磁直流无刷电机(CN201110375459)，但该方案犯了电磁学上的一个兵家大忌；气隙磁场也即电枢工作磁场不能为同极性磁场构成.即便该方案可行，但其磁路长，漏磁大，结构复杂，也难以推广.该专利的实质未脱离电流换向思路.现有网上资料检索表明；永磁电机采用磁换向技术尚无先例.

背景技术 永磁直流电机以永磁体磁场为媒介实现机电能量转换.在永磁体磁场相对静止的条件下，要实现永磁直流电机的连续运行，传统方法是电枢电流换向.永磁直流电机经典方案是使用整流子电刷换向.经典方案的优点是；结构简单成本低廉，缺点是；整流子电刷机械磨损，寿命短，产生电火花和噪声大.永磁直流电机现代方案是用电子开关控制直流换向，借以消除经典方案的缺点.但该方案控制复杂成本高昂，目前尚难以替代大批量的永磁直流有刷电机.又对大功率超大功率永磁直流无刷电机还要依赖大功率超大功率电子开关的研制.问题是；是否存在第三种永磁直流电机方案；既保留经典永磁直流有刷电机方案的优点，又保留现代永磁直流无刷电机优点，又不受大功率超大功率电子开关研制制约，且性价比高的永磁直流电机换向方案？

发明内容 本发明的一个目的在于提出用磁换向取代永磁直流电机电流换向的概念并加以实施.本发明明确指出；既保留经典永磁直流电机有刷方案的优点；结构简单成本低廉，又保留现代永磁直流无刷电机方案优点；无磨损，无电火花和噪音小，又不受大功率超大功率电子开关研制制约，且性价比高的第三种永磁直流电机；永磁直流磁换向电机是存在的.电枢绕组直流不换向，采用磁换向，不是天方夜潭.本发明以安培定律，牛顿运动第三定律，能量守恒定律和保守场叠加原理为依据，采用双定子，单转子，多极(N对，2N极)永磁体结构；使单定子电枢感受的永磁体磁场随转子作0～Bmax的周期性变化，双定子电枢在360度内合成产生恒定电流恒定磁场的安培力.本发明的永磁直流磁换向电机；无铁损，运行连续，平稳.本发明的永磁直流磁换向电机定子多极永磁体和转子多极永磁体允许零磁场区间的存在，整块磁体经一次磁化而成，与现代无刷电机相比也大大减少了制作成本.本发明适用四种电机；永磁直流磁换向脉动电动机，永磁磁换向脉动发电机，永磁直流磁换向电动机，永磁直流磁换向发电机.本发明开创了电机换向的一个新分支；磁换向电机.本发明或将引起电机行业的变革，改变现有电机行业的发展方向，进一步推动电机学科不断向前发展.

附图说明

图1为本发明的永磁直流磁换向电机(径向场)对称中心剖视结构示意图

图2为图1的A向视图

图3为图1的B向视图

图4为本发明的永磁直流磁换向电机(轴向场)对称中心剖视结构示意图

图5为图4的A向视图

图6为图4的B向视图

具体实施方式

组成

如图1图4，本发明的永磁直流磁换向电机主要分成两个部分；定子和转子.定子由壳体1，保护罩13，定子多极永磁体2，3，隔离环11，12，线圈骨架4和电枢绕组5，轴承10等组成.定子又分成电枢绕组方向相同，定子磁极相反的两个部份，称双定子结构.电枢绕组用于感应电动势，通过直流电流，产生安培力或电磁转矩.转子由转轴9，转子多极永磁体6，短路环7及其连接部分8组成.定子多极永磁体与转子多极永磁体之间的空间为电枢绕组的气隙磁场.

N对，2N极(N为正整数)的定子多极永磁体2或3和转子多极永磁体6构成权利要求1的电机气隙磁场气.电机气隙磁场场强随转子多极永磁体旋转呈0～B_max周期性变化.

两定子多极永磁体2和3位置布置相差一磁极，以实现权利要求2的功能；消除转子转动时，单定子和单转子多极永磁体磁极间的相互阻力.

两定子多极永磁体2和3以及转子多极永磁体6满足权利要求3，为一次磁化而成的圆环多极轴向磁场磁体，也可以是一次磁化而成的圆柱多极径向磁场磁体.

双定子磁体单定子电枢绕组产生脉动转矩，构成权利要求4的功能，成为永磁直流磁换向脉动电动机.

双定子磁体单定子电枢绕组产生脉动转矩，构成权利要求5的功能，成为永磁磁换向脉动发电机.

双定子电枢绕组产生合成恒定转矩，构成权利要求6的功能，成为永磁直流磁换向电动机.

双定子电枢绕组产生合成恒稳电动势，构成权利要求7的功能，成为永磁直流磁换向发电机.

永磁直流磁换向电机的工作原理

众所周知，电磁场是保守场适用于叠加原理.当载流导线位于永磁体磁场中时，载流导线受到一安培力dF＝Idl x B作用.若将载流导线固定，阻碍产生永磁体磁场的永磁体的运动摩擦阻力足够小，根据牛顿第三定律，作用反作用定律；dF₁＝-dF₂，产生永磁体磁场的永磁体受到一与载流导线所受安培力大小相等方向相反的安培力作用.进一步，如图，若将载流导线与产生永磁体磁场的定子永磁体一起固定，产生永磁体磁场的转子永磁体运动的摩擦阻力足够小时，根据牛顿第三定律，产生永磁体磁场的转子永磁体受安培力作用而转动.随着转子永磁体的运动，载流导线感受到的永磁体磁场的磁力线逐渐变少，安培力随之变小，转子永磁体的受力也随之改变.在这同时，转子磁钢受到相临同极性定子磁钢和异极性定子磁钢的推拉作用而阻碍其运动，在电流不变状态下，电机转子在定子，转子磁钢平衡位置摆动.为使转子转动，必需克服定子转子磁钢的这种推拉阻力.根据能量守恒定律，电机装配时，我们引入第二定子.第二定子与第一定子多极磁体错开一个磁极如图2图3和图5图6.第二定子与转子磁极的相互推拉作用与第一定子与转子的推拉作用恰恰相反，转子磁钢相对错开一个磁极的两定子磁钢在一周内阻力和斥力相互抵消.至此，安培力成为推动永磁直流磁换向电机连续平稳运行的动力来源.

本发明的永磁直流磁换向电机性价比高，既适用于替换目前各种中小型永磁直流有刷，无刷电动机，大功率超大功率直流电动机，高速直流电动机，又适用于直流发电机或脉动发电机，是一款极具市场潜力和竞争力的永磁直流电机。

Claims (7)

1.一种永磁直流磁换向电机，其特征在于采用定子多极永磁体2或3和转子多极永磁体6组成电机气隙磁场.气隙磁场场强随转子多极永磁体旋转呈0～B_max周期性变化。

2.根据权利要求1的电机，其特征还在于构成电机气隙磁场的永磁体采用双定子单转子结构.两定子多极永磁体2和3位置布置相差一磁极，以消除转子转动时，单定子和单转子多极永磁体磁极间的相互阻力。

3.根据权利要求1和权利要求2构成的永磁体结构气隙磁场，其特征还在于其气隙磁场可以是一次磁化而成的圆环多极永磁体轴向磁场，也可以是一次磁化而成的圆柱多极永磁体径向磁场。

4.根据权利要求1和权利要求2构成的电机，其特征还在于单定子电枢绕组产生脉动转矩，成为永磁直流磁换向脉动电动机。

5.根据权利要求1和权利要求2构成的电机，其特征还在于单定子电枢绕组产生脉动电动势，成为永磁磁换向脉动发电机。

6.根据权利要求1和权利要求2构成的电机，其特征还在于双定子电枢绕组产生合成恒定转矩，成为永磁直流磁换向电动机。

7.根据权利要求1和权利要求2构成的电机，其特征还在于双定子电枢绕组产生合成恒稳电动势，成为永磁直流磁换向发电机。