CN1195918A - 一种单极直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单极直流电机,由定子、转子、电枢线圈等组成,其中电枢线圈安装在支承芯体上,电枢线圈的单元线圈有一条边被置于导磁性支承芯体的通槽中,该导磁性支承芯体的突出部分与定子磁轭或转子磁轭紧密贴合,共同对该边进行磁屏蔽,单元线圈的另一边处于气隙磁场中,与磁场互相作用完成机电能量转换。其中转子呈法兰状体或圆柱状体,动子为矩形状体,刚度强,能实现直流电机无刷化、节能、节材、无交流噪音、调速范围大、维护容易。

Description

一种单极直流电机

本发明涉及国际分类表H02K31/00所属的非周期电动机或发电机技术领域，特别涉及一种单极无换向器直流电机。

目前通用的电机一般主要包括转子、定子两部分，转子由转轴、铁心及其绕阻、滑环或换向器等构成。但采用换向器的电机噪声较大，机械能与电能互相转换率不高，单位体积内的输出功率不大。中国专利公报1996年1月17日公开了《一种单极交直流通用电机》(申请号93108129)其结构如图9所示，该专利申请初步实现了无换向器，其技术方案主要是：转子铁芯是高导磁材料制成的圆杯体，转子线圈均匀分布在铁芯圆周上，它的一边分布在齿槽中，另一边则安排在通孔里。由于铁磁屏蔽作用，通孔里的磁通密度为零。因而通孔中的载流体不受电磁力的作用，使转子仅受分布在齿槽中的线圈的安培力矩而旋转。这样它就为实现直流电机无换向器提供了技术可能。但是，该专利申请存在如下缺陷：

1.从图9中所示的定子结构中不难看出，因为其有无名元件22的存在(这正是该申请的发明点)不论采用轴向还是径向励磁的单极永磁体来替代其常导线圈15，都会使磁力线绕过圆管形气隙而短路，因此，该专利申请所述的电机无论由电枢绕组还是由励磁线圈作转子时，都需由电刷引入(或引出)电流，因而该专利申请不能使电机实现完全的无刷化，因此将会限制直流电机更广泛地推广应用。

2.其定子磁极只能采用高导磁材料制成一对同轴圆柱面磁极，构成一个管状的气隙空间，该气隙空间一端是由定子磁轭封闭的，另一端则敞开，杯状转子置于此气隙空间，转子中的受力部件只能有一端安装在轴上，这样结构的气隙对于提高转子的扭转刚度十分不利。

本发明的目的在于提供一种既能使转子具有足够高的强度，又能使旋转(或线性)直流电机或电枢线组电流频率低于5HZ的低频交流摆动电机实现无刷化，这种电机至少具有两个气隙，其转子可具有多种结构形状。

本发明的目的是这样实现的：

本发明由定子、转子、电枢线圈等组成，其电枢线圈设在支承芯体3上，支承芯体3用导磁材料制成，其侧面上均匀设有通槽19，电枢线圈的单元线圈2的一条边即2a边置于支承芯体3的通槽19中，支承芯体3的凸出部分与定子(或转子)磁轭紧密贴合，共同对置于通槽19中的单元线圈2和2a边进行磁屏蔽。单元线圈2的另一条2b边处于转(动)子与定子共同形成的气隙磁场7中，支承芯体3安装在定子或转子上；转子为圆柱体或法兰状体，动子为矩形体；气隙磁场7由装在定子和转子中的单个或多个磁源产生。

本发明具有显著的积极效果：

1.本发明具有二个以上气隙，不会防碍永磁体全部套装在导磁体和轴上，故转子呈圆柱体或法兰状体、动子呈矩形体，不仅刚度高，而且实现了无刷化，不需要换向器和电刷，提高了电机机械与电能互相转换效率，且无交流噪声，调速范围大，单位体积内的输出功率大。

2.应用范围广。申请号为93108129的专利申请提供的电机只能作力矩电机，由于本发明设置的支承芯体3可以安装在定子部件或转子部件上，因此本发明提供的电机不仅可作力矩电机，而且可以作一般用途和特殊用途的驱动电机或不受电压高低、电流大小限制的发电机，具有更好的调速性和能量回馈特性。

下面结合实施例及其附图进一步详细介绍本发明的具体结构。

图1为单极单磁路直流旋转电机的结构示意图

图2为图1A-A方面剖视图

图3为单极单磁路直流线性电机的结构示意图

图4为单极双磁路直流旋转发电机的结构示意图

图5为单极直流励磁单磁路无刷励磁发电机结构示意图

图6为图5的B-B方向剖视图

图7为单极单磁路外转子直流电机结构示意图

图8为单极单磁路磁滞转子铁芯直流电机结构示意图

图9为申请号93108129专利申请的结构图

其中：1.机壳；2.单元线圈；2a被磁屏蔽边；2b工作边；3.支承芯体；4.极靴；5.导轨；6、6′永磁体；7、7′、7″气隙磁场；8.导体磁；9.轴；10.轴承；11、11′端盖；12.磁体保持架；13.定子磁导；14.键；15.励磁线圈；16.转子磁导；17.转子法兰；18.磁滞体；19、19′通槽20.外磁极；21.内磁极；22.无名元件

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例为采用本发明技术的单极单磁路无刷直流旋转电动机。它的定子由导磁性机壳1充当，电枢线圈安装在圆环形的支承芯体3上，单元线圈2的2a边置于支承芯体3的外壁上开设的轴向通槽19中，机壳1的内壁和支承芯体3的外壁紧密贴合，且用键14连接在一起；单元线圈2的2a边直接被机壳1和支承芯体3磁屏蔽；其2b边处于支承芯体内壁上交错开设的轴向通槽19′中。转子由轴9、导磁体8及串联在一起的两个永磁体6和6′组成，共中导磁体套装在轴9上，永磁体6和6′的直径和壁厚相同，都套装在导磁体8上，其中永磁体6的内壁为S极、外壁为N级，永磁体6′的极性则与永磁体6的相反；轴9的两端安装在轴承10上，轴承10安装在机壳1两端的端盖11和11′的中部。两个串联的永磁体6和6′和支承芯体3的内壁之间形成两个气隙磁场7和7′，单元线圈的2b边受到气隙磁场7的安培力的作用，驱动转子绕轴9的中心线按ω方向旋转，其旋转力矩为：

M＝N.BILD/2

其中N为单元线圈的匝数，B为气隙磁场7的磁通量密度，I为电枢线圈中流入的电流强度，L为工作边2b的有效长度，D为转子直径。(以下相同)。

反之，若让转子按ω转速绕轴9转动，则电枢线圈产生感生电动势和感生电流

ε＝NBL.D/2.ω

其中ω为转子速度。

本实施例的工作气隙磁场呈圆筒形，两端均不封闭，永磁体6向6′套装在导磁体8上后两头都装在轴9上，整个转子呈圆柱状，强度高，能实现完全的无刷化。实施例2：

本实施例为采用本发明技术的单极单磁路直流线性电机，如图3所示，其动子为矩形体永磁体6、极靴4、非磁性的磁体保持架12组成，其中永磁体6安装在磁体保持架12上，永磁体6的两级装有极靴4，磁体保持架安装在导轨5上，刚度强。定子由导磁性机壳1充当，支承芯体3的外侧面与机壳1的内侧面紧贴在一起，单元线圈2的2a边置于支承芯体3外侧面上开设的通槽19中，被紧贴在一起的机壳1和支承芯体3磁屏蔽。单元线圈2的另一边2b边暴露在由永磁体6经极靴所建立的两个气隙磁场7和7′中。由于定子机壳1不动，电枢绕组线圈中通入电流后，由于安培力的作用，使永磁体6携同磁体保持架12、磁靴4沿着导轨5的方向以速度V向前平动，其受的力为F＝N.BIL；反之，当动子以速度V平动时，单元线圈2中即有感生电动势和感生电流产生，感生电动势为ε＝NBL.V。其中V为动子平动的速度，余同前。实施例3：

本实施例是采用本发明技术的单极双磁路直流旋转发电机，如图4所示，其转子由两个永磁体6、6′、磁极靴4组成，均直接安装在轴9上，永磁体6和6′分别置于极靴4的两端，刚度强。永磁体6和6′的与极靴4相接触的端为N极；分别与端盖11和11′相接触的另一端为S极；支承芯体3与极靴4靴之间及两个端盖11和11′与永磁体6和6′之间形成3个气隙7、7′、7″。本实施例有两条磁路，其一是从永磁体6的N极出发，经极靴4、气隙7与单元线圈2的2b边互相作用，经支承芯体3绕过单元线圈2的2a边，再经定子机壳1左半部左端导磁性端盖11、气隙磁场7″返回永磁体的S极；磁力线的另一路从永磁体6′和N极出发，也经过极靴4，气隙7，与单元线圈的工作边2b相互作用，往支承芯体3绕过单元线圈2的磁蔽边2a，再经机壳1的右半部的右端导磁性端盖11′，气隙7′返回永磁体6′的S极。

根据法拉弟电磁感应定律，当转子以ω弧度/秒(rad/s)旋转时，其感生电动势为：

ε＝N.B.L.D/2.ω

反之，当电枢绕组通入电流为I时，产生的旋转力矩为：

M＝N.I.BLD/2实施例4：

本实施例为采用本发明技术的单极直流励磁单磁路无刷励磁发电机。如图5和图6所示，本实施例与实施例1所不同的是它没有永磁体，而增加了定子磁导13、转子磁导16和励磁线圈15，其中动子磁导16套装在轴9上，电枢线圈及其支承芯体3通过键14安装在转子磁导16上，电枢线圈的单元线圈的2a边置于支承芯体3内壁的轴向通槽19中，支承芯体3内壁与转子磁导16的外壁字贴在一起，共同对单元线圈2的2a边磁屏蔽。定子磁导13与机壳1紧贴在一起，励磁线圈15安装在机壳1上。若向励磁线圈15中导入激励电流，励磁线圈周围即形成电磁场H，轴9在外界动力的驱动下按ω方向旋转，由于置于支承芯体3的通槽19中的单元线圈2的2a边被磁屏蔽，其工作边2b在电磁场H的作用下即能产生感生电动势ε＝N.B.L.D/2.ω。本实施例具有两个圆筒形的气隙7和7′，转子部件为圆柱体，刚度大，可实现无刷化。实施例5：

本实施例为采用本发明技术的单极单磁路外转子直流电动机，如图7所示，该电机的定子为固定在轴9上的导磁性法兰盘17，在法兰盘17的两端圆面上各装有电枢线圈及其圆环型导磁性支承芯体3；支承芯体3的两个端圆面上交错开设径向通槽(19)、支承芯体3与法兰盘17接触的圆环面部分互相紧贴，共同对单元线圈2的2a边磁屏蔽；其转子安装在定子的外面，由导磁性机壳1、导磁性端盖11和11′，非导磁性圆环型保持架12、永磁体6、极靴4及轴承10组成，两个保持架12分别与两个端盖11和11′连接在一起，其圆环体上均匀分布轴向通孔，孔中放置永磁体6；在保持架12的通孔中同一侧的永磁体的极性相同，两个保持架通孔中的永磁体呈串联状；保持架12的另一圆环面上装有极靴4，单元线圈2的2b边置于极靴4与支承芯体3的另一圆环面之间形成的气隙磁场7中。因轴9被固定，法兰盘17、支承芯体3及其上的电枢线圈却不能转动，如电枢线圈中通入电流，则装在定子外面的转子受到安培力的作用而转动，所受力矩为：

M＝NBILD/2

反之，如果外转子以ω速度转动，可在定子上产生感生电动势：ε＝BLD/2ω。这种结构的电机适合用于电动车轮、汽车窗玻璃升降电机、机床转台、吊扇等场合。实施例6：

本实施例是采用本发明技术的单极单磁路磁滞转子铁芯直流电动机。如图8所示，其定子由机壳1、端盖11、励磁线圈15组成，其中励磁线圈15置于两个电枢线圈及其支承芯体3之间并固定在机壳1上；转子由轴9及装在轴9上的圆柱形磁滞体18构成，支承芯体3的内侧圆柱面上交错开设轴向通槽9、支承芯体3的外侧圆柱面与机壳1紧贴在一起，共同对置于通槽19中的单元线圈2的2a边磁屏蔽，励磁线圈产生的电磁场控制磁滞体18的磁极性和剩余磁场大小；单元线圈2的2b边置于由磁滞体18与两个支承芯体3之间形成的气隙磁场7中。当励磁线圈15的励磁电流方向不变(如励磁线圈通过整流桥与主电路串联或并联时)但大小改变时磁滞体18的剩磁大小或气隙磁场7磁感应强度就依照磁滞回线B＝B(H)＝F(I)而发生变化，电动机的转速也就作非线性的变化，单元线圈2的电流方向改变时，转子的转速方向也随之改变，转子所受力矩为：

M＝NB(H)IL.D/2＝N.F(I).I.L.D/2

发电时的感生电势为ε＝N.F(I).L.D/2.ω

当励磁线圈15与主电路直接串、并联时，若电流方向改变而电流值大到足以改变磁滞材料的极性时，由于单元线圈15的电流方向和磁滞体18的极性都改变了，电动机转子的转向就能仍然保持不变，因而当所通电枢电流为低频(0～5HZ)时，电动机的转向将保持不变(最好是方波或矩形波)。

本电机主要适用于有振动会导致磁体失磁的场合(此时磁滞体18也可换成永磁体)以及不论电源极性如何，转子转向都一致的场合。

Claims (7)

1.一种单极直流电机，由定子、转子、电枢线圈等组成，电枢线圈的单元线圈(2)有一条边(2a)被磁屏蔽，其特征在于电枢线圈设在支承芯体(3)上，支承芯体用导磁材料制成，其侧面上均匀设有通槽(19)、电枢线圈的单元线圈(2)的一条边(2a)置于支承芯体(3)的通槽(19)中，通槽(19)之间的突出部分与用导磁材料制成的磁轭紧密贴合，共同对通槽(19)中的单元线圈(2)的(2a)边进行磁屏蔽；单元线圈(2)的另一条边(2b)处于转(动)子与定子共同形成的气隙磁场(7)中；支承芯体(3)安装在定子或转子上；转子为圆柱体或法兰状体，动子为矩形体；气隙磁场(7)由装在定子和转子中单个或多个磁源产生。

2.根据权利要求1所述的单极直流电机，其特征在于定子由导磁性机壳(1)充当，电枢线圈安装在圆环形的支承芯体(3)上，电枢线圈的单元线圈(2)的(2a)边置于支承芯体(3)的外壁上开设的轴向通槽(19)中，机壳(1)的内壁与支承芯体(3)的外壁紧密贴合，且用键(14)连接在一起；支承芯体(3)的内壁上也开设轴向通槽(19′)，且与通槽(19)交错开设；单元线圈的2b边置于支承芯体(3)的内壁上的通槽(19′)中；其转子由导磁体(8)，两个相同的永磁体(6)和(6′)，轴(9)组成，其中导磁体(8)套装在轴(9)上，两个串联的永磁体(6)和(6′)都套装在导磁体(8)上，其中一个永磁体的内壁为S极，外壁外为N极，另一个永磁体的极性则相反；轴(9)的两端安装在轴承(10)上，轴承(10)安装在机壳(1)两端的端盖(11)和(11′)的中部；两个串联的永磁体(6)和(6′)与支承芯体(3)的内壁之间形成两个气隙磁场(7)和(7′)。

3.根据权利要求1或2所述的单极直流电机，其特征在于其转子由永磁体(6)和(6′)、极靴(4)组成，三者均直接安装在轴(9)上，永磁体(6)和(6′)分别置于极靴(4)的两侧；两个永磁体与极靴(4)相接触端均为N极，分别与端盖(11)和(11′)相接触端均为S极；支承芯体(3)与极靴(4)之间及两个端盖(11)和(11′)与两个永磁体(6)和(6′)之间形成三个气隙(7、7′、7″)

4.根据权利要求1或2所述的单极直流电机，其特征在于其转子由转子磁导(16)、电枢线圈及其支承芯体(3)组成，其中转子磁导(16)套装在轴(9)上，电枢线圈及其支承芯体(3)通过键(14)安装在转子磁导(16)上，单元线圈2的2a边置于支承芯体(3)内壁的轴向通槽(19)中，支承芯体(3)的内壁与转子磁导(16)的外壁紧贴在一起，共同对单元线圈2的2a边磁屏蔽；定子磁导(13)与机壳(1)紧贴在一起，励磁线圈(15)安装在机壳(1)上，定子磁导(13)与支承芯体(3)之间形成气隙磁场(7)，单元线圈2的2b边置于气隙磁场(7)中。

5.根据权利要求1或2所述的单极直流电机，其特征在于其定子为固定在轴(9)上的导磁性法兰盘(17)，在法兰盘(17)的两端圆面上各装有电枢线圈及其圆环型导磁性支承芯体(3)、支承芯体(3)的两个端圆面交错开设径向通槽(19)，支承芯体(3)与法兰盘(17)接触的圆面部分互相紧贴，共同对单元线圈2的2a边磁屏蔽；其转子安装在定子的外面，由导磁性机壳(1)、导磁性端盖(11)和(11′)、非导磁性圆环型保持架(12)、永磁体(6)、极靴(4)及轴承(10)组成。其中两个保持架(12)分别与两个端盖(11)连接在一起，其环体上均匀分布轴向通孔，孔中放置永磁体(6)，在保持架(12)的通孔中同一侧面的永磁体(6)的极性相同，两个保持架通孔中的永磁体呈串联状；保持架(12)的另一圆环面上装有极靴(4)；单元线圈2的2b边置于极靴(4)与支承芯体(3)的另一圆环面之间形成的气隙磁场(7)中。

6.根据权利要求1或2所述的单极直流电机，其特征在于其定子由机壳(1)、端盖(11)、励磁线圈(15)组成，其中励磁线圈(15)置于两个电枢线圈及其支承芯体(3)之间并固定在机壳(1)上；转子由轴(9)及装在轴(9)上的圆柱形磁滞体(18)构成，两个电枢线圈及其圆柱形支承芯体(3)的内外圆柱侧面上交错开设轴向通槽(19)，支承芯体(3)的外圆柱侧面与机壳(1)紧贴在一起，共同对置于通槽(19)中的单元线圈2的2a边磁屏蔽，励磁线圈产生的电磁场控制磁滞体(18)的磁极性和剩余磁场的大小，单元线圈2和2b边置于由磁滞体(18)与两个支承芯体(3)之间形成的气隙磁场(7)中。

7.根据权利要求1所述的单极直流电机，其特征在于其动子由矩形永磁体(6)，极靴(4)，非磁性磁体保持架(12)组成，永磁体(6)安装在磁体保持架(12)上，永磁体(6)的两极装有极靴(4)，磁体保持架(12)安装在导轨(5)上；定子由导磁性机壳(1)充当，支承芯体(3)的外侧面与机壳(1)的内侧内紧贴在一起，单元线圈2的2a边置于支承芯体(3)外侧面上开设的通槽(19)中，被紧贴在一起的机壳(1)和支承芯体(3)磁屏蔽，单元线圈2的2b边处在由永磁体6经极靴(4)所建立的气隙磁场(7)中。

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