磁转化发动机的制作方法

1.本发明涉及一种磁转化发动机，属于电机技术领域。


背景技术：

2.电机是现在普遍使用的实现电能机械能相互转换的能量转换装置，在生活的每一个领域都得到了广泛的应用。现代电机技术发展一百多年以来，技术上已经日益发展成熟，种类不断推陈出新，除了传统的变压器、直流电机、同步交流电机、异步交流电机外，近年来还发展出了步进电机、磁阻电机、直线电机等新型电机。
3.当前，随着人们环保意识的不断增强，为了保护大气不受污染，电动汽车的发展和普及已经成了必然的趋势。但是，目前发展电动汽车存在若干技术上的瓶颈，其中之一就是电机的问题。由于电动汽车使用的是蓄电池供电，在技术上最容易实现的是采用直流电机驱动，但传统的直流电机虽然调速方便，但存在转矩不足等缺陷，很难被在电动汽车中广泛使用。现在较为普遍的解决方式是通过电力电子变流技术将蓄电池输出的直流电转换为交流电，再通过交流电驱动车内安装的异步电动机。这主要是为了利用异步电动机工作转矩大的特点。但传统的异步电动机启动不是很方便，调速性能也没有直流电机好，在电动汽车需要突然启动加速时问题尤为突出，而且使用电力电子变流装置不仅成本会增加很多，而且其控制也颇为复杂，因此此项技术不是电动汽车的理想技术。
4.为了解决上述的问题，各大电动汽车厂商纷纷开发出新的电机驱动技术。有的大公司制造的电动汽车上另外安装了发电机组，用离合器切换，在汽车滑行时使其发电，向电池组充电，但这样使电动汽车造价提高，车身加重，加大了汽车的负担。也有用风力、太阳能发电来补充能量的，同样也存在价格高、车身重的缺陷。中国发明专利zl 98108693.4也公开了一种主要用于电动汽车的多功能永磁直流无刷电机。该电机由电机本体、位置传感器、控制电路组成，传感器输出的换向信号送控制电路，控制电机各绕组轮流导通，电机各绕组由一开关控制，使其或串连或并联。该电机可以利用绕组换向时产生的反电势回收的能量。当汽车在运行途中滑行时，该电机兼作发电机，向主电池组供电，从而减少能量的消耗，提高能源的使用效率。还有的发明创造利用永磁材料的特性，在电机的转子内增加永磁环和感应增势环来增加电动机在做功过程中的磁场强度，从而降低电机启动时的所需要的电流，增大其运行中的转矩。
5.但上述的各种改进无一例外是在现有电机结构和运行方式上的修修补补。上述直流电机和交流电机的根本性缺陷并没有得到真正的消除。电动汽车界和其他社会各界迫切需要一种对现有的电机结构有根本性改进的新型电机的出现。
6.本人前期发明的磁转化发动机，专利号：zl201610996316x存在技术缺陷。经过本人的技术创新，并产生积极的有益效果。1.在铁芯附加磁极内设制阻磁缺口，改变定子磁极磁场的分布，实现磁阻总是趋于“磁阻最小”而产生的切向磁拉力即
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磁转矩。2.在铁芯的两侧设制了凸凹槽，有效提高电流磁场切割转子永磁通线，从而节约绕组电流。3.在转子内设置了隔磁圈和花键套，优化了转子结构和材料，改变了热处理工艺，从而提高综合机械性
能和装配质量与装配效率。4.由一组绕组通电改为二组绕组串联在一起同时通电，解决了由一组绕组通电，在关断后定、转子之间产生的制动转距，机械效率显著增加。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对现实的迫切需要，提供一种新型的无污染、噪声低、起动速度快、性能可靠、高效节能使用成本低廉的磁转化发动机（电动机），除电动机之外，还包括功率变换器、控制器和位置检测器等组成部分。
8.为解决上述的技术问题，本发明采用下述的技术方案。
9.一种磁转化发动机（电动机），其特征在于：所述磁转化发动机的定子分为定子a部（35）和定子b部（36），其结合处的内侧为铁芯（6）的周围为绕组线圈（7）所环绕，铁芯（6）的两侧联接铁芯附加磁极（5），铁芯附加磁极（5）用复合工程材料成型为一体；花键轴（8）贯穿转子左（13）内花键套（33），定位套（25），转子右（14）内花键套（33）；所述定子（4）的两侧联接端盖左（11）与端盖右（15），端盖左（11）和端盖右（15）的心部为轴承（9），轴承（9）的心部与花键轴（8）联接；所述定子（4）和端盖左（11）和端盖右（15）用螺栓和螺母紧固为一整体；所述电动机铁芯（6）的两侧设有铁芯凸凹槽（30）；所述电动机铁芯附加磁极（5）设有磁变向缺口（31）；所述电动机转子左（13）和转子右（14）上设置内花键套（33）、隔磁圈（32） ；所述定位套（25）的两侧联连转子左（13）和转子右（14），定子（4）圆心内孔两侧连接压力轴承（26），压力轴承（26）两侧连接转子左（13）和转子右（14）；所述电动机经功率变换器接入电源，电动机与位置检测器和电流检测器相连接，位置检测器和电流检测器接控制器，控制器控制功率变换器；所述电动机定子各绕组并联在一起，各自由与之串接的功率变换器电路驱动；所述发动机的转子圆周上均匀安装有永磁体（1）和软磁极（2）；所述绕组分为三相绕组即y、x、z ，每项绕组分别由二相绕组串联组成，y项绕组与z相绕组以首进尾出的方式串联在一起，x相绕组与y相绕组以首进尾出的方式串联在一起，z相绕组与x相绕组以首进尾出的方式串联在一起。
10.所述电动机定子绕组铁芯附加磁极之间设有缺口（24）；所述转子永磁极与软磁极之间设有缺口（23）；所述转子软磁极设有缺口（3）；所述光电器件固定盘（17）用螺栓（20）与端盖右（15）紧固在一起，截光器（19）与花键轴用螺栓（28）紧固为一体，光电器件（18）固定在光电器件固定盘（17）上；所述定子绕组相串接功率变换器电路包括两个功率开关器件，两个二极管和一个电感，其中一个功率开关器件的阳极接一个二极管的阳极，另一个开关器件的阴极接二极管的阴极，它们之间并接在一起，与转子绕组相串接；所述两个功率开关器件的阴极和阳极之间接有电感；所述铁芯附加磁极（5）与定子（4）用复合工程材料成型为一整体；所述定子（4）内部装有冷却剂，外部设有冷却剂循环系统散热。
11.本磁转化发动机具有如下突出的点。
12.1、由于转子上安装了永磁体和软磁极，永磁在磁转化发动机总转矩中占有很大比例，从而节约了电能也提高了机械效率。
13.2、由于电机的结构创新，使电磁与永磁之间，永磁与感生电流之间的相互作用，实现磁能转化为机械能的一种磁转化发动机。
14.3、体积小，结构简单，省电，比现有的直流电机和异步电动机具有更高的效率，转
速可调，用途广泛，能满足特殊负载的需要。
15.4、电机的电磁转矩，只需要单方向电流，这样在功率变换器中每相绕组可以只用两个开关器件与电动机绕组串联。该功率变换器与现有交直流电机驱动系统相比，功率变换器结构简单，成本低，可靠性高。
16.5、由于转子的转动惯量小，转矩/转动惯量比值高，因此电动机有良好的动态响应。另外，本电机有较大的起动转矩，同时又没有像异步电动机在高转差率下起动时那样大的起动电流，因此它适宜频繁起动，制动的场合。
17.6、电机驱动系统运行时，电动机绕组通电状态是与转子位置变化相同步的，所以不会产生失步现象。
18.7、电机在运行时可以发电，发电时不产生制动转矩，感生电流磁场还可以产生转矩，这样感生电流和续流电流同时对蓄电池充电。
附图说明
19.附图1为发明的整体结构图。
20.附图2为电动机定子结构图。
21.附图3为图2的a-a剖面图。
22.附图4为铁芯附加磁极结构图。
23.附图5为图4的俯视图。
24.附图6为电动机转子结构和磁极分布图。
25.附图7为铁芯结构图。
26.附图8为图7的左视图。
27.附图9为电动机磁极展开图。
28.附图10电动机驱动系统的整体方框图。
29.附图11为功率变换器实施例电路原理图。
30.附图12为定子制作单件图。
31.附图13为绕组线圈接线图。
具体实施方式
32.本发明所述的磁转化发动机的整体结构如图1所示，其中1为永磁体，2为软磁极，3为转子磁极缺口，4为定子，5为铁芯附加磁极，6为铁芯，7为绕组线圈， 8为花键轴，9为轴承，10为轴承端盖，11为端盖左，12为螺栓，13为转子左，14为转子右，15为端盖右，16为螺母，17为光电器件固定盘，18为光电器件，19为截光器，20为光电器件固定盘紧固螺栓，21为垫圈，22为防护罩，23为软磁极与永磁极之间的缺口，24为铁芯附加磁极之间的缺口，25为定位套，26为推力轴承，27为引线孔，28为截光器紧固螺栓，29为弹性档圈，30为铁芯凸凹槽，31为磁变向缺口，32为隔磁圈，33为内花键套，34为铁芯附加磁极凸凹槽，35为定子a，36为定子b。
33.从图1中看到，所述磁转化发动机的定子分为定子a35和定子b36，其结合处的内侧为铁芯6的周围为绕组线圈7所环绕，铁芯附加磁极用复合工程材料成型为一体；花键轴8贯穿转子左13内花键套33、定位套25、转子右14内花键套33；所述定子4的两侧联接端盖左11
与端盖右15，端盖左11和端盖右15的心部为轴承9，轴承9的心部与花键轴联接；定子4和端盖左11和端盖右15用螺栓和螺母紧固为一整体；所述定位套25的两侧联连转子左13和转子右14，定子4圆心内孔两侧连接压力轴承26，压力轴承26两侧连接转子左13和转子右14；下面分别对电动机的结构和工作原理说明如下：一、电动机转子花键轴贯穿转子左内花键套、定位套、转子右内花键套。转子左，转子右上分别设有永磁体和软磁极。转子左、转子右上的永磁体和软磁极为对称制作。转子左和转子右之间的定位套，定位转子与定子之间的工作气隙。转子左和转子右设有缺口3，如果没有这个缺囗，永磁磁通线自由形成闭合回路直接影响电机的转矩。转子永磁极与软磁极之间设有缺口23，缺口的宽度要大于定、转子之间的工作气隙，这样有利于转子磁通与定子磁通闭合产生转矩，从而降低转子磁极磁损。电动机转子左和转子右上安装内花键套、隔磁圈。隔磁圈应选用不导磁材料制作，它的作用是阻断转子左经过电机花键轴、定位套与转子右中的磁通形成闭合回路造成的磁损。当隔磁圈的径向厚度大于定、转子之间的工作气隙时，根据磁阻的基本性质，磁通总是以最小的路径闭合，达到阻断转子左和转子右磁通的目的，从而提高电机的效率。现有技术用不锈钢制成的内花键套，奥氏体不锈钢不带磁性，可以起到隔磁作用，硬度很低。 马氏体不锈钢经热处理后可以增加强度和硬度，但有磁性，不能起到隔磁作用。要想满足机件的综合机械性能，内花键套采用钢件制作。钢件可以直接进行热处理，可以得到不同的机械性能，降低制造成本提高产品质量。由于转子内花键与轴中的外花键采用动配合，要求机件具备较高的耐磨性和较高的冲击韧性，必须采用综合机械性能较高的钢件制造，才能保证综合的机械性能，不锈钢不具备钢件的综合技术指标的条件。当发动机在装配时，转子与轴之间、定子与端盖之间、端盖与轴之间、轴与轴承之间、定子与定子之间的机加工尺寸偏差，磁转化发动机在装配过程中的偏差及磨损偏差，发动机在长期运行中轴承的轴向力磨损及其它部位的磨损等都会引起工作气隙的变化，使得在结构安装与调试中工作气隙的调整很难实现最佳位置，这样在转子内花键与轴中的外花键采用间隙配合实现工作气隙的自动调整定位，有利于提高产品质量及装配效率，有利于大规模化生产及维修。内花键套和外花键套应具有较高的硬度和较高的冲击韧性，否则不具备实用性。
34.电动机定子。由于电动机的绝大部分能量都消耗在定子上，减少定子铁芯的截面积，提高铁芯的利用率是电机技术创新改造的关键。本电动机的定子铁芯短，并且是独立的，从而就减少了铁芯的截面积，减少了铁耗，提高铁芯的有效利用率，降低了绕组电流，提高了电机机械效率。
35.定子分为定子a和定子b，其结合处的内侧为铁芯的周围为绕组线圈所环绕，铁芯的两侧为铁芯附加磁极，铁芯附加磁极用复合工程材料成型为一体。从图3中看到，定子的a和b的接合处设有凸凹槽，定子的分件a为凹槽，定子分件b部为凸槽，它们的作用是定位和固定。电动机定子铁芯附加磁极之间设有缺口24。在铁芯附加磁极设有磁变向缺口，如图5所示。磁变向缺口的作用：使铁芯附加磁极中的磁通线以磁阻最小路径与转子磁通线闭合，有利于定子磁通线与转子磁通以同性相斥、异性相吸产生切向磁拉力。如果没有这个磁变向缺口（现有技术没有这个缺口），只有铁芯附加磁极的c部满足磁通切向条件产生转矩，而铁芯附加磁极的b部磁通不存在切向条件不会产生转矩。磁变向缺囗可以大幅度提高电动机的转矩，参照图9。
36.铁芯采用软磁材料，其形状可以制成梯形，长方形等。为提高电机的转矩， 在电动机铁芯的两侧设有铁芯凸凹槽（现有技术中未设），如图7所示。用铁芯凹槽的宽度与深度调整磁阻的变化。当铁芯凹槽的深度大于定、转子之间的工作气隙时，依照磁通总是与最小路径闭合原理，永磁通线就会与转子异性磁极闭合产生切向磁拉力，即电磁转矩。在给绕组通电时，由于铁芯内部电磁场的方向与转子永磁场的方向相同产生排斥力，使电磁切割铁芯中永磁通与转子异性磁极闭合产生切向磁拉力。当发动机在发电时，由于凸槽的磁阻最小作用，使穿过铁芯中的磁通线比较均匀分布在铁芯内，提高绕组感生电流。由于凸槽与铁芯附加磁极紧密联接，转子永磁极的n极经过铁芯与转子右s极闭合产生切向磁拉力（如图9中的a、x绕组所示）。随转子的转动，使铁芯磁通逐渐增多，引起铁芯磁通的变化产生感生电流，感生电流的磁场方向与转子磁极的磁场方向相反（同性相斥），阻碍原来磁场的增加。由于转子永磁场与感生电流磁场方向相同，在铁芯凹槽内空气隔磁的排斥作用，使感生电流磁通线在铁芯内部形成回路，同样也引起铁芯内磁通量的变化产生感生电流。
37.图4是附加磁极结构图。 铁芯附加磁极的周边设有斜面或凹凸槽，斜面或凹凸槽主要是起固定粘接复合工程材料的作用。斜面或凹凸槽的周边设有弹性材料，弹性材料的作用是解决铁芯附加磁极材料和复合工程材料之间的，由于温度的变化引起的膨胀系数的改变对机件的影响和密封作用，采用耐热性能良好弹性材料。定子分件a、b部为对称制作。在定子装配时先在定子分件b部上安装铁芯，各相绕组连接后与定子分件a部联接固定为一整体，这样定子内部构成一个完全密封的空间，定子内部采用浸漆处理。由于电机大部分热量集中在定子内，所以在定子内部采用冷却剂冷却，外部设有冷却剂循环系统散热。使铁芯不至于过热，由于冷却剂填充了空间，对于电机的电磁噪声也起到抑制作用。
38.从图2可以看到，在定子的圆周上均匀安装9个铁芯，每个铁芯圆周角度为20度，9个铁芯的两侧为铁芯附加磁极，每个铁芯附加磁极圆周角度为40度，这样有利于步距相切，增多磁极的相切面，如图9所示。图13是绕组接线图，绕组分为三相绕组即y、x、z ，每相绕组分别由二相绕组串联组成（现有技术是单绕组供电），y项绕组与z相绕组串联在一起：x相绕组与y相绕组串联在一起：z相绕组与x相绕组串联在一起。这里需要指出的是：定子的磁极数量越多，定、转子的直径越大，步距角越小，运行越平稳，因此适用于低速大转矩的场合应用；反之定子磁极数量少，定、转子的直径越小，步距角角度大，适用于高速运行。为拓宽电动机的性能，可以改变磁极的分布。
39.为使电机根据用户的实际需要运行，本电动机还需要安装驱动控制系统，该系统包括功率变换器，控制器和位置检测器。图10显示了配备有驱动控制系统的电动机的整体系统框图。其中电源经功率变换器进入电动机，电动机带动机械负载。电动机与位置检测器相连，位置检测器接控制器，控制器控制功率变换器，控制指令输入控制器内，对整个电机的运行进行控制。电动机同时与电流检测器相连接，而电流检测器采集的信号送控制器。电动机发电产生的感生电流反馈给电源或给电池组充电。功率变换器是电机控制技术中常用的电力电子设备，用来为电机提供运行所需要的电能。它可用蓄电池供电，也可以用交流整流供电。功率变换器主要由电力电子器件及驱动电路，整流二极管等组成。本电动机所用的一种功率变换器的主电路为图11所示，图中s1-s6为开关器件，vd1-vd6为续流二极管，标有x，y，z的三个电感线圈代表电动机的三相绕组。每组有两个功率开关器件作为可控的主开关，图中 x相的为s1和s4，y相的s2和s5，z 相的s3 和s6。每相又有两只二极管用来在开关
关断时为绕组中的电流提供续流通路。功率变换器可以有多种形式，由于都是现有的成熟技术，此处不再详述。
40.控制器综合处理位置检测器，电流检测器提供的电机转子位置，速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对电机运行状态的控制，是驱动系统的指挥中枢。控制器由单片机及外围接口电路等组成。这种控制器的实现也是现有成熟的技术，此处不多赘述。
41.位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。位置传感器采用光电器件采集信号，截光器上开有与电动机转子上的软磁极数量和角度相等的缺口，固定在花键轴的右侧，随着转子的转动，决定三相绕组的开通与关断时刻，光电器件固定在光电器件固定盘上，光电器件固定盘用螺栓与端盖右固定在一起，截光器与花键轴用螺栓固定为一体，光电器件与光电器件固定盘紧固为一体，如图1所示。
42.电动机的运行原理。对图9的说明。图9是电动机定子、转子磁极的展开图，图中的a、b、c是电动机绕组在开通到关断，在一个通电角度内定、转子磁极的不同位置的图解。 该电动机的转矩是磁阻性质的，其运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿最小的路径闭合的，磁场扭曲而产生的切向磁拉力，即电磁转矩。
43.设转子向顺时针方向转动。从图9、a中看到，在ｙ相（y相与z相绕组串联在一起，参照图13）定、转 子磁极的位置，是y相位置传感器发出信号导通的位置，触发开关器件s1和s4导通，则y相绕组通电，在y相铁芯中产生电流磁场，其磁场方向与转子永磁场的方向相反，使电流磁场切割永磁磁通线，改变磁通的路径，使之与转子磁极以同性相斥，异性相吸产生切向磁拉力，拉动转子向顺时针方向转动。当转子转到图9中c的y相位置时，位置传感器发出关断信号，y相绕组续流。只要是按照位置传感器发出的开通与关断位置信号，对y、x、z三相绕组轮流通电，转子就会不停的转动。
44.绕组分为三相绕组即y、x、z ，每项绕组分别由二相绕组串联组成，y项绕组与z相绕组以首进尾出的方式串联在一起：x相绕组与y相绕组以首进尾出的方式串联在一起：z相绕组与x相绕组以首进尾出的方式串联在一起，图13所示。现有技术是给单相绕组通电，当绕组断电后，转子永磁极与铁芯产生制动转矩。采用二相绕组串联通电，克服了以上弊病，而且可以增强电机转矩，参照图9。
45.电动机的发电过程：根据楞次定律，设转子顺时针方向转动。从图9中a、x相绕组可以看到，转子上安装的永磁体引起铁芯的磁通量增加，在绕组中产生感生电流，其感生电流的磁场方向与转子永磁极的磁场方向相反，阻碍原来的磁通量增加，该电流设为正向电流。当转子上的永磁极与铁芯相对齐时，铁芯中没有磁通变化，绕组感生电流几乎为零。随转子转动，铁芯中的磁通减少，在y相绕组中产生反方向电流，其感生电流磁场方向与永磁极的磁场方向相同，阻碍原来磁通量减少，该电流设为反向电流。
46.当给绕组通电时，正好是转子磁极均匀分布在定子铁芯内瞬间没有磁通的变化，绕组电流几乎为零时通电有利于绕组开通。
47.从图9中的c看到，当x相绕组在通电时正好是y相绕组断电续流时刻，根据安培定则判断，绕组续流的电流方向与x相绕组通电的电流方向相同，这样通电电压的正极与续流电压的负极串联在一起，有利于绕组电流的开通，从而节约电能。
48.在图9，a、b中x相绕组中看到，如果在发电角内
ⅹ
相绕组开路，转子永磁极与铁芯
闭合产生永磁磁阻转矩。如果x相绕组加负载（电池充电）处于发电状态，永磁极的n极经过铁芯与永磁极s极闭合产生切向磁拉力；感生电流磁场（铁芯内产生）方向与转子左、右的磁场方向相反 ，磁场方向相反的磁场又与转子 磁极方向相同的磁极闭合产生转矩（如图9，b、x相绕组所示）。因此，电机在发电时也可以产生切向磁拉力 一 即电磁转矩。
49.转子磁极与定子磁极之间气隙的定位。从图6中看到，转子左和转子右的轴心上加工成内花键，转子轴上加工成外花键，内、外花键采用动配合。定位套的两侧联连转子左和转子右，定子圆心内孔两侧连接压力轴承，压力轴承两侧连接转子左和转子右。由于转子上安装了永磁体，转子左和转子右对定子磁极的吸引力是很大的，该吸引力完全作用在定位套上。在转子与定子之间设有推力轴承，它的作用是固定定、转子之间的工作气隙。由于转子左上的永磁极与转子右上的永磁极对定子磁极产生的吸引力相等，使吸引力相互抵消，这样推力轴承不承受载荷，只起到定、转子磁极之间工作气隙的定位。这样有利于电机的安装与维修，可免去电机工作气隙的调整，也不至于轴侧轴承磨损而导致的电机工作气隙的变化。推力轴承不允许承受载荷，只起电机工作气隙的定位。
50.转子中的永磁场是不改方向的，可以减少涡流的产生。永磁体受温度的影响很大，如果在耐热温度以内，当温度下降后，永磁可以恢复，超出耐热温度，可造成永久性失磁。如何控制电机内部温度，也是永磁在电机中应用需要解决的核心问题。电机的转子采用板式结构，且转子内侧磁极凹凸不平，加大空气流动，起到散热的作用。转子软磁极设有缺口3可以消除转子中的内应力，可使转子不易变形稳定尺寸，而且也起到空气对流散热。另外定子内部采用冷却剂冷却，这样不会使电机内过热，导致永磁失磁。利用铁芯绕组通电后，可对永磁体充磁。