一种无换向永磁直流旋转电机的设计方法与流程

本发明涉及直流旋转电机领域，确切地说是一种没有碳刷和电子换向装置的永磁直流旋转电机的设计方法。

背景技术：

在直流电机系列中，分有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机具有可逆性，既可以作为直流电动机使用；也可以作为直流发电机使用。作为电动机使用时，有刷直流电机的电刷装置有两项功能，一是将直流电流导入导出电枢绕组、二是换向作用；作为发电机使用时，电刷装置的功能则是将电枢绕组感应产生的交流电整流后导出。无刷直流电机只是将机械电刷换向器换成用电子(霍尔元件)换向技术，其作用同样是换向功能。有刷直流电机具有调速特性好，且方便、平滑、调速范围广；过载能力强、能实现频繁变速、制动以及逆向旋转等优点。但是，电刷装置由于换向产生环火及使用寿命短是一个不可消除的缺点。无刷直流电机上装配的电子换向器一般为光电或磁性传感器，而该传感器及相配套的电子元件对工作环境是有一定的要求的，否则会失效使电机无法工作。

永久磁铁在电机领域占有一定的地位，永磁体有N极和S极之分、能够吸引铁磁质材料。就磁性能来说，物质可分为三类：一类是顺磁质；一类是抗磁质；第三类是铁磁质。铁磁质具有很高的磁导率μ_r、既能够被永久磁铁的磁场吸引也有隔离屏蔽磁场的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有直流旋转电机上安装的有刷换向或无刷换向存在的缺点，提供一种没有任何形式的换向装置、故障率低、使用寿命长的无换向永磁直流旋转电机的设计方法。

技术方案

结构形式：如附图3和附图4所示，利用本发明设计的永磁直流旋转电机，主要由定子和转子组成。定子主要由圆筒形组合式铁芯8和环绕在铁芯上的电枢绕组1组成，组合式铁芯由位于内侧圆筒形铁磁质铁芯8a和位于铁芯外侧的圆环形非铁磁质铁芯8b组成。圆筒形铁磁质铁芯8a的内侧设置有用来嵌直流绕组的槽口、圆环形非铁磁质铁芯8b外侧也设有用来嵌直流绕组的槽口；直流线圈绕组1环绕在组合铁芯的内外槽口内。转子上安装永磁磁体2，安装形式是：多块永磁体的同性磁极(N极或S极)的极面都面向定子绕组或者说都面向转子圆心。转子与定子之间设有气隙9，气隙磁场为转子永磁磁场。

工作原理：下面通过两个实验结合附图1和附图2说明本发明的设计原理。

实验一：实验目的：证明载流线圈在非匀强磁场中线圈除转动外还要平动。

具体做法：参见图1，其中(a)(b)图表示传统永磁直流电机的工作原理示意图。当线圈1通过碳刷5及滑环4接通直流电源后，根据左手定则：线圈1的ab线段受到的电磁力f_a向左，cd线段受到的电磁力f_b向右。假如线圈1固定在可以转动的转轴6上，那么线圈1将按顺时针旋转，3表示旋转方向；假如转轴6固定不能转动，那么线圈1和转轴6不能产生向左或向右方向平动的力，因为线圈1和转轴6受到ab线段和cd线段的合力为零。图(c)(d)是去掉上端永磁体2的示意图。此时穿过线圈1的ab线段和cd线段的磁场为非匀强磁场，ab线段处的磁场强度B大于cd线段处的磁场强度。根据左手定则，线圈1上ab线段和cd线段受到的电磁力的大小和方向都不同，因此线圈1和转轴6受到的合力和合力矩不为零，线圈1既有围绕转轴6旋转的力也有使转轴平动的力f_e，平动力的大小为：f_e＝f_c-f_d。可见：载流线圈在非匀强磁场中线圈除转动外还要平动，并且ab线段处的场强B越大cd线段处的场强越小平动的力f_e越大。

实验二：实验目的：证明铁磁质圆筒对于放在圆筒内的同磁极磁场有屏蔽作用。

具体做法：参见图2，图中8表示一个用铁磁质材料加工而成的圆筒，转轴6的外侧装有铁磁质套件7，套件7的外侧装有瓦片状永磁体2。当转轴6上两块永磁体2的N极都面向铁磁质圆筒8时，圆筒外侧的磁场强度B很小。测试的方法是：选任意一点p，然后拿一铁磁质实验块放在点p处，当永久磁体2外侧没有圆筒8时，实验块会快速被磁铁N极吸引；当永久磁体2外侧有圆筒8时，实验块被磁铁N极吸引力很小，如果圆筒8的壁厚达到一定尺寸时，实验块甚至不被磁铁N极吸引。由此证明：铁磁质环形圆筒对于放在圆筒内的永磁磁场有屏蔽作用；屏蔽效果与圆筒的壁厚和磁导率成正比。

本发明正是利用以上两个实验结果，设计了一种没有碳刷和电子换向的永磁直流旋转电机。参见图3，图中定子线圈1环绕在圆筒形铁芯8上。当线圈1接通直流电源，使铁芯内侧线圈导体的电流流出“⊙”；使铁芯外侧线圈导体的电流流入此时根据右手定则：线圈电流产生的磁场几乎全部在铁芯8内闭合。永磁体的磁场由于铁芯8的屏蔽作用，使内侧线圈导体所处的磁场强度B远高于外侧线圈导体处的磁场强度。对于同一匝导(图中选择最上端的一匝线圈)线来说，根据左手定则内侧导体受到的电磁力F_f远大于外侧导体的电磁力F_g。再根据力学关系：永磁体上受到的电磁力为F_h＝F_f-F_g。由以上分析：在图3中，如果将圆筒8和线圈1作为定子、转轴6和永磁体2作为转子，转子上受到的合力为：内侧线圈导体受到的电磁力f_f之和与外侧线圈导体受到的电磁力f_g之和的差，那么转子将按顺时针旋转。可见：由于线圈1接通的是直流电源其电流的方向不变，所以作用在转子上的电磁力的方向也不变，故转子会连续转动工作。改变通电线圈的正负极转子可实现反转。这就是本发明的基本原理。

利用本发明设计的无换向永磁直流旋转电机具有可逆性。图4(a)表示无换向永磁直流发电机的示意图。图4(a)表示无换向永磁直流电动机的示意图。发电原理：当外动力拖动转子旋转时，根据电磁感应定律，转子永磁体2的(N极)磁力线被定子线圈1内侧的导线切割，在线圈中产生感生直流电动势。可见，本发明作为直流发电机使用时，也不用整流装置且发出的直流电平稳、几乎不含交流成分；直流电的电压只与转子的转速有关。所以，利用本发明所述的方法设计的无换向永磁直流旋转电机，既可以作为直流电动机使用；也可以作为直流发电机使用。当作为发电机使用时，实际上是一台同极永磁直流发电机。可见，不管是作发电机使用还是作电动机使用，都不用换向装置。

综合以上两个实验结果和对图3图4的分析，说明利用本发明所述的设计方法设计的直流电机，无论是结构原理还是工作原理都具有可行性。本发明的设计原理，是根据载流线圈在磁场中受到安培力的作用和导体切割磁力线产生感生电动势的原理、以及铁磁质具有隔离屏蔽磁场的特性来设计的。其结构原理是：主要由定子绕组和转子永久磁铁组成，定子绕组沿轴向环绕在圆筒状铁磁质铁芯的筒壁上；转子上多块永久磁铁的相同磁极极面都面向定子绕组。利用本发明的设计方法，可以设计制造单定子无换向永磁直流旋转电机，也可以设计制造双定子无换向永磁直流旋转电机；并且实现了在没有换向装置的情况下旋转工作。其有益效果是：使永磁直流旋转电机去掉了换向装置，克服了由于换向使直流电机寿命短的缺点；消除掉了传统无刷直流电机的传感器及相配套的电子元件对工作环境的要求；还具有加工工艺简单、制造成本低、故障率低，使用寿命长的优点。

附图说明

图1表示载流线圈在不同形式的磁场中受到电磁力作用的实验示意图。

图2表示铁磁质具有隔离屏蔽磁感线作用的实验示意图。

图3表示无换向永磁直流旋转电机的基本原理示意图。

图4(a)表示第一种实施方案中作为发电机使用的结构原理示意图。

图4(b)表示第一种实施方案中作为电动机使用的结构原理示意图。

图5表示第二种实施方案的结构原理示意图。

图6表示第三种实施方案的结构原理示意图。

图7表示定子铁芯的结构形式示意图。

(1)绕组线圈，(2)永磁体，(2a)永磁体的磁感线，(3)旋转方向，(4)换向滑环，(5)换向器碳刷，(6)转子转轴，(7)铁磁质套件，(8)定子铁芯，(8a)设有绕线槽口的铁磁质铁芯，(8b)设有绕线槽口的顺磁质铁芯，(8c)铁磁质磁路，(8a1)凹槽，(8b1)凸极，(8a2)定位圆弧，(8a3)长方形铁磁质磁路槽，(9)转子与定子之间的空气气隙，(10)定子定位环，(11)内定子固定板。

具体实施方式

具体实施方式：下面通过几个例子结合附图作进一步描述。

实施例1：单定子无换向永磁直流旋转电机的设计方案

图4(a)表示单定子无换向永磁直流旋转发电机的设计方案；图4(b)表示单定子无换向永磁直流旋转电动机的设计方案。两种方案的结构形式相同，主要由定子和转子组成，转子部分：由转轴6、转子铁磁质套件7及瓦片状永磁体2组成；定子部分：由铁磁质定子铁芯8a、非铁磁质定子铁芯8b和直流绕组1组成。转子与定子之间设有气隙9。所述的铁磁质定子铁芯8a为圆筒形状，内侧设有用来缠绕线圈的槽口；非铁磁质定子铁芯8b也为圆环形状，外侧设有用来缠绕线圈的槽口；线圈1沿内外槽口环绕在铁芯上。转子上的两块永磁体的N极极面都面向定子绕组装配。

作为发电机使用：

参见图4(a)，当转子在其它动力拖动按顺时针旋转时，相当于定子绕组按逆时针旋转。根据电磁感应定律及右手定则：定子铁磁质圆筒形铁芯内侧的导体切割转子上两块N极的磁力线产生感应电动势；当定子线圈接有负载时，定子线圈内侧导体的感生电流的方向流入纸面、外侧导体流出“⊙”纸面。转子按如此方向旋转下去，定子线圈内感应电动势的方向不变、电流的方向也不变，电动势属性为直流电压；感应电动势的大小与转子的速度成正比。可见，用本发明所述的方法作为发电机使用时，发出的感应电动势为直流电动势，无需任何形式的换向及整流装置。

作为电动机使用：

参见图4(b)，当定子线圈1接通直流电源且使定子铁芯的内侧导线电流流出“⊙”、外侧导线电流流入根据左手定则，此时转子在转子磁场与载流定子绕组的相互作用下产生顺时针旋转的转矩，转子顺时针3旋转。由于定子绕组电流为直流其方向不变、转子永磁体的磁场方向也不变，所以转子会连续旋转无需对定子绕组电流进行换向。由于该实施方案其永磁磁路中有非铁磁质介质，会有一定量的漏磁，所以适合于设计小型无换向永磁直流旋转电动机。改变绕组与电源正负极的接法，使定子铁芯的内侧导线电流流入外侧导线电流流出“⊙”，根据左手定则转子按逆时针旋转。

实施例2：双磁极、双定子无换向永磁直流旋转电机的设计方案

参见图5，其中两个定子的结构完全相同只需在两定子之间设铁磁质磁路8c和定位块10。图(a)为沿轴向的剖视图、图(b)为沿A-A向的剖视、图(c)为沿B-B向的剖视。该方案的永磁磁路路径：右侧永磁体的N极→转子铁磁质套件7→左侧永磁体S极→左侧永磁体N极→气隙9→左侧定子铁芯8a→铁磁质磁路8c→右侧定子铁芯8a→气隙9→右侧永磁体S极。工作原理与实例1完全相同。由于该方案的永磁磁路完整，不会产生漏磁，所以适合设计大型无换向永磁直流旋转电机。

实施例3：外转子无换向永磁直流旋转电机的设计方案

参见图6，与实例1和实例2不同的是：该设计方案是把永磁体2安装在外转子铁磁质套件7上，圆筒形铁芯及线圈为定子。图中的11表示内定子固定板。该方案因永磁磁路中有非铁磁质介质，存在漏磁，比较适合设计制造小型外转子无换向永磁直流旋转电动机。

定子铁芯的加工制作工艺及绕线方式：

如图7所示，本发明的无换向永磁直流旋转电机的设计方法，其定子铁芯为组装体。设计时应从定子线圈1缠绕工艺便利方面考虑。图7(a)表示实施例1的定子铁芯的结构形式。定子铁芯为两个半圆，绕线时可分别按设计要求的匝数和线规将两个半圆铁芯的线圈绕好后，再组装成一个整体的定子。此方案能够容易实现机械化绕线。组装时依靠设置在两半圆结合部的定位凹槽8a1和凸极8b1来实现。图7(b)表示实施例2的定子铁芯的结构形式。该方案与上述的工艺基本相同，不同之处在于两半圆铁芯的组装定位依靠两件铁磁质磁路(8c)完成。每个半圆形铁芯上设有用来与电机外壳体定位圆弧8a2和用来安装铁磁质磁路8c的长方形孔8a3。半圆形铁芯是用薄硅钢片冲压成型，然后叠压而成。同样，绕线时可分别按设计要求将两个半圆铁芯的线圈绕好后，再组装成一个整体的定子。最后再将两个相同定子铁芯组合成双定子，由于每个定子的端部有线圈，所以两定子铁芯之间应安装定位环10。