一种电子换向有刷直流电动机的制作方法

本实用新型属于直流电动机技术领域，尤其涉及一种电子换向有刷直流电动机。

背景技术：

直流电动机由于控制性能好而得到广泛的应用。在某些特殊的场合，比如火箭、卫星、空间站、飞机等空天设备中，需要直流电动机的重量越轻越好；如何优化直流电动机的设计，降低直流电动机的重量是人们十分关心的一个问题。传统的直流电动机由定子、转子和换向装置三大主要部分构成。定子由硅钢片重叠紧固而成，在定子硅钢片内有齿槽，在齿槽内放置绕组，绕组中通过电流就形成了直流电动机的主磁场。转子也是有硅钢片叠加而成，转子既为主磁场提供通路，也为转子绕组提供支撑。换向装置使转子线圈中的电流的方向适时改变，转子中的电流受到电磁力，带动转子不断旋转。在传统的直流电动机中，由于换向装置通过机械运动的方式使碳刷和换向环之间不断地连通和断开，在机械连通和断开的时候容易产生电弧，从而影响换向装置的寿命，进而影响直流电动机的整体性能，而在转子轴直径很小的情况下，机械换向成为极难完成的事。为了克服直流电动机在机械换向中产生的电弧，产生了无刷直流电动机，无刷直流电动机的转子磁极有永磁铁构成，而定子由硅钢片和嵌入硅钢片中的绕组构成，根据转子的位置，通过电子的方式适时切换定子绕组中的电流方向，从而使转子不断地旋转。

综上所述，现有的直流电动机的质量较大，难以满足航空航天或其它需要轻量化的场合，同时，直流电动机的转子质量较大，惯性也较大，会降低直流电机的动态响应速度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种电子换向有刷直流电动机，旨在解决现有的直流电动机的质量较大的问题。

本实用新型是这样实现的，一种电子换向有刷直流电动机，所述电子换向有刷直流电动机设置有定子和转子；

所述定子使用永磁铁按照halbach方式排列成空心圆柱；

所述转子采用无硅钢片支持的绕组结构。

进一步，所述绕组的引出线与换向环相连接，引出线与换向环相连接；换向环通过电刷与电子换向电路相连接，换向环通过电刷与电子换向电路相连接。

进一步，所述定子使用无硅钢片halbach永磁结构；永磁体的形状为空心圆柱，侧面为长方形，端面为圆环面；也可以是能够拼接成近似圆柱形的梯形；永磁体拼接成空心圆柱体后，每个永磁体2的磁场的方向按照halbach磁场的方向进行排列。

进一步，所述支撑结构为外固定永磁体的结构，使用碳纤维材料制作。

进一步，所述转子的线圈可以是一个，也可以是多个。

进一步，所述电子换向电路采用有刷电子换向方式。

本实用新型提供的电子换向有刷直流电动机，为了减轻直流电动机的重量，把直流电动机的转子做成空心永磁结构或halbach永磁结构；或在定子的外表面贴一层habach永磁结构为定子铁芯的外部提供磁通路，从而简化定子结构，减轻直流电动机的重量。在直流电动机的重量组成中，硅钢片占主要部分，如果能够最大限度地减少甚至取消硅钢片的使用，则必然带来直流电动机重量的减轻。通过对现有技术的分析，本实用新型的电子换向有刷直流电动机结构以减轻电动机的重量；定子采用halbach永磁结构，使定子内部空间形成强磁场，定子外部为弱磁场；转子使用轻型材料做为绕组的支撑，不需要使用硅钢片作为转子绕组的支撑结构和导磁回路，从而使直流电动机不使用硅钢片，使用有刷电子换向的方式，减轻直流电动机的重量。在直流电动机的结构中，定子使用永磁铁按照halbach方式排列，在定子的内部空间形成强磁场，在定子的外部空间则基本没有磁场；而转子使用导线绕制在骨架上；而转子电流的换相采用电子方式换相，从而减轻直流电动机的重量，实现直流电动机的轻量化。

本实用新型使用电子换流电路对有刷直流电动机的转子绕组中的电流进行换向，避免了机械换向引起的电弧好火花，使换向的速度更快，换向装置的寿命更长；直流电动机使用无硅钢结构，使得直流电动机的重量减轻；在直流电动机转子抽直径很小的情况下也能使用有刷换流方式，为小微型直流电动机的轻量化提供了条件。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的电子换向有刷直流电动机的定子结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的电刷和换向环的结构示意图；

图中：101、直流电动机定子永磁铁支撑结构；102、永磁铁；103、永磁铁的磁力线方向；201、电子换向电路；202、第一电刷；203、第二电刷；204、第一换向环；205、第二换向环；206、第一半绕组；207、第二半绕组；208、电流方向；308、电流方向。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。

如图1和图2所示，定子3使用无硅钢片halbach永磁结构。永磁体2的形状为空心圆柱沿径向切开的一部分，就是永磁体2的内表面和外表面为圆柱面，侧面为长方形，端面为圆环面；也可以是能够拼接成近似圆柱形的梯形等其它形状。永磁体2拼接成空心圆柱体后，每个永磁体2的磁场的方向按照halbach磁场的方向进行排列，使空心圆柱体内空间呈强磁场，空心圆柱体外为弱磁场分布。按照halbach的排列方式，在空心圆柱体内空间的磁场分布可以是奇数对磁极，也可以是偶数对磁极。由于偶数对磁极在空心圆柱体内的磁场的大小和方向都具有轴对称性，转子上的平面线圈受到大小和方向相同的力，从而不能使转子转动，要使转子转动，只有转子线圈为非平面结构，这样使转子线圈结构复杂，且使转子轴产生非对称力矩，加大转子轴承磨损，采用奇数对磁极的方式进行halbach永磁结构方式。

在奇数对磁极中，以一对磁极为例说明halbach的磁极布置方式。在图2中，2为永磁铁；永磁铁2的个数按照空心圆柱体的大小和对空心圆柱体内的正弦磁场的要求而定。永磁铁2拼接为空心圆柱体。每块永磁体2的磁场方向按照在空心圆柱体内表面附近(或内表面转子线圈所经过的空间)磁场汇聚、并呈正弦分布的方排列；南北极上永磁铁的方向为径向方向，北极上永磁体的磁力线指向圆心，南极上永磁体的磁力线方向背离圆心；在北极两边的永磁铁的磁力线逐渐偏转，指向空心圆柱体北极内表面附近，在南极两边的永磁铁的磁力线也逐渐偏转，由空心圆柱体南极内表面附近向外发散；在空心圆柱体内南北极的平行的的永磁铁的磁力线方向与空心圆柱体内磁力线方向相反。这样，在空心圆柱体的南北极内表面附近由于各个永磁铁磁力线的叠加而形成强磁场；在空心圆柱体的外表面由于永磁铁内部磁力线的顺向性，使得磁力线从永磁体内穿过，而很少散发到空心圆柱体的外部空间中去，从而在空心圆柱体的外表面形成弱磁场。

支撑结构1为外固定永磁体的结构，只要能够固定永磁铁，无涡流效应，满足直流电动机的安装要求的材料和结构都可以，如果需要追求最轻，可以使用碳纤维材料制作。

转子3采用无硅钢结构。由于定子已经采用永磁铁产生磁场，所以不需要转子形成高导磁回路以减小励磁电流。只要在转子线圈中通过电流，磁场中的电流会产生磁场力，磁场力带动转子旋转，使转子旋转，不需要硅钢片。根据定子的磁极对数和对转子轴机械脉动的要求不同，转子线圈可以是一个，也可以是多个。

电子换向电路4采用有刷电子换向方式。转子绕组的每一根引出线与一个换向环相连接。换向环为导电良好的金属环或其它导电良好的材料；每一个换向环为一个完整的环形，环形表面光滑无接头无缝隙；换向环套装在转子轴上，并与转子轴绝缘；换向环间彼此绝缘。换向环通过电刷与外部电路相连接。

以转子的一个绕组为例，半绕组206的引出线与换向环204相连接，半绕组207的引出线与换向环205相连接；换向环204通过电刷202与电子换向电路201相连接，换向环204通过电刷203与电子换向电路相连接。

工作时，以转子的一个旋转方向为例，电子换向电路通过电刷202向换向环204施加高电压，通过电刷203向换向环205施加低电压，则转子绕组中的电流方向为208，在半绕组206中，电流从左向右流，在半绕组207中，电流从右向左流。绕组在磁场中受到电磁力，带动转子旋转，当绕组旋转到两个半绕组切割的磁力线方向反向的位置时，如果继续保持绕组中的电流方向不变，则绕组会朝相反的方向运动，如果一直保持电流的方向不变，则转子经过来回振荡后静止下来，最终转子不会不停旋转。所以，当绕组旋转到两个半绕组切割的磁力线方向反向的位置时，及时改变绕组中电流流过的方向，转子才会继续保持以前的旋转方向并继续旋转。当绕组旋转到两个半绕组切割的磁力线的方向反向时，电子换向电路通过电刷203向换向环204施加低电压，通过电刷203向换流环205施加高电压，则转子绕组中的电流为308，在半绕组206中，电流从右向左流，由于电流和切割的磁力线方向同时反向，所以半绕组206所受的磁场力的方向保持不变；在半绕组207总，电流从左向右流，由于电流和切割的磁力线方向同时反向，所以半绕组207所受的磁场力也不变。

在每次半绕组切割的磁力线方向反向时，就通过电子换向电路改变转子绕组中电流的方向，从而保持转子绕组所受的力的方向不变，使转子沿原来的方向继续旋转。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。