一种电励磁同极型旋转电机

摘要

本发明公开了一种电励磁同极型旋转电机，其结构特征是：转子为不含永磁体的实心转子，其端部凸、凹极均匀分布，且上下两端为反对称结构。电励磁绕组沿转子周向绕制，通入外加电流产生空间磁场，激励磁通从转子一端出来，经过磁环、气隙进入转子另一端，使其上下端部磁极极性相反。定子绕组与转子中心轴线平行且沿转子周向均匀分布，并按一定规律绕制，定子绕组通入三相电流，产生空间旋转磁场，对应转子凸极感应电磁力带动电机旋转。因为转子为不含永磁体的实心结构，且沿其周向磁场无磁极极性交变，因此具有结构简单、转子强度高和旋转铁耗低等优势。做电动机用时，可作为力矩电机，亦可作为发电机使用。

权利要求

1.一种电励磁同极型旋转电机，包括：定子部分和转子，其特征在于：所述定子部分包括机壳，定子绕组，上、下磁环，上、下环形电路板，上、下环形端盖，内、外绝缘套筒，定子轴承；定子绕组与长度轴线平行，且沿转子周向均匀分布安装在内、外绝缘套筒之间，实现固定和绝缘；磁环设置在中央部分的两侧，同轴地沿长度轴线延伸，固定在机壳和上、下环形端盖之间，环形电路板设置在内、外绝缘套筒的两侧，同轴地沿转子长度轴线延伸，固定在上、下环形端盖上；内、外绝缘套筒沿长度轴线同轴设置，其中外绝缘套筒被压紧在上、下磁环之间，内绝缘套筒被压紧在上、下环形电路板之间；定子轴承安装在机壳上下两端；转子部分包括转子和励磁绕组；转子为不含永磁体的实心转子，转子为中部和上、下端部的三段式结构，中部为圆柱体结构，上、下端部凸、凹极均匀分布，且上、下端部呈反对称式结构；励磁绕组在外绝缘套筒中部沿转子周向绕制且绕制方向一致；

所述定子和转子彼此被有效气隙隔开，有效气隙为2-4mm；定子包括铝合金材料的机壳上端，机壳侧端，机壳下端，机壳上端和机壳下端各固定一个铝合金材料的环形端盖；DT4材料的上、下磁环，沿长度轴线同轴放置在机壳侧端上，被环形端盖压紧；FR4环氧材料的外绝缘套筒，沿长度轴线同轴设置，被压紧在磁环之间；FR4环氧材料的内绝缘套筒，沿长度轴线同轴设置，被压紧在环形电路板之间；扁铜线组成的定子绕组，与长度轴线平行且沿转子周向均匀分布，位于内绝缘套筒、外绝缘套筒内，与上、下环形电路板的焊盘连接并固定，构成闭合回路；转子为不含永磁体的实心结构，材料选用40CrNiMoA，包括转子圆柱体的中间部分和凸、凹极均匀分布的两端部，即上端部,下端部；上端部,下端部的凸、凹极彼此呈反对称分布。

2.根据权利要求1所述的电励磁同极型旋转电机，其特征在于：所述转子，上、下端部凸极个数为4，且相邻两凸极中心线夹角为90度。

3.根据权利要求1所述的电励磁同极型旋转电机，其特征在于：所述励磁绕组通入两相直流电流，产生的磁势经转子一端经磁环和气隙，回到转子另一端，形成闭合回路，使转子上下端部磁极极性相反，磁场沿转子周向无磁极极性交变，只有强弱的变化。

4.根据权利要求1所述的电励磁同极型旋转电机，其特征在于：所述定子绕组连接到上、下环形电路板上的焊盘，上、下环形电路板中电路上的走线需要保证相邻组同相绕组中的电流流向相反。

说明书

一种电励磁同极型旋转电机

技术领域

[0001] 本发明设计涉及一种发电机/电动机，特别涉及一种电励磁的同极型电机。

背景技术

[0002] 现有的异步电机、永磁电机和开关磁阻电机，均为异极型电机，定子电流产生的时间和空间磁场以及转子励磁磁场沿转子周向有极性交变，产生额外的旋转铁耗。

[0003] 高速永磁电机转子需要采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套或碳纤维、玻璃纤维等复合材料护套的转子结构，以满足高转速下所需抗拉强度，保证永磁转子的安全运行。转子结构强度相对较低，设计装配工艺相对复杂。

[0004] 还有一种旋转直流同极电机，定子采用永磁体励磁，为含转子电枢的外转子结构，磁场沿转子周向无极性交变，但励磁磁场强度不可调节，且只适用于中低速场合。

发明内容

[0005] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种电励磁同极型旋转电机，具有结构简单，电机旋转铁耗低，转子结构鲁棒性强的优点。

[0006] 本发明采用的技术方案是：一种电励磁同极型旋转电机，定子部分由机壳，定子绕组，磁环，端部环形电路板及内、外绝缘套筒组成，其特征是：定子绕组与长度轴线平行，且沿转子周向均匀分布安装在内、外绝缘套筒之间，实现固定和绝缘，磁环设置在中央部分的两侧，同轴地沿长度轴线延伸，固定在机壳和上、下环形端盖之间，环形电路板设置在内、外绝缘套筒的两侧，同轴地沿转子长度轴线延伸，固定在上、下环形端盖上，内、外绝缘套筒沿长度轴线同轴设置，其中外绝缘套筒被压紧在上下磁环之间，内绝缘套筒，被压紧在上下环形电路板之间；转子部分包括转子和励磁绕组，其特征是：转子为不含永磁体的实心转子，为中部和上下端部的三段式结构，中部为圆柱体结构，其端部凸、凹极均匀分布，且上下两端呈反对称式结构；励磁绕组在外绝缘套筒中部沿转子周向绕制。

[0007] 所述装于定子上的轴承，安装在机壳上下两端，所述转子任一端部凸极个数为4，且相邻两凸极中心线夹角为90度，励磁绕组通入两相直流电流，产生的磁势经转子一端通过气隙，经磁环，再通过气隙，回到转子另一端，形成闭合回路，使转子上下端部磁极极性相反，沿转子周向无磁极极性交变，只有磁场强弱的变化，励磁磁场的强弱可通过增大励磁线圈中外加电流或增加励磁绕组匝数来实现；定子绕组连接到端部环形电路板上的焊盘，电路上的走线需保证相邻组同相绕组中的电流流向相反,定子绕组通入三相电流，产生空间旋转磁场，转子凸极感受电磁力带动电机旋转；为省略机械换向器，通过控制三相定子绕组导通顺序实现电子换向的同极型旋转电机。

[0008] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0009] (1)简化转子结构，提高转子结构鲁棒性。传统的永磁电机多采用烧结钕铁硼永磁材料，其抗压强度较大能够达到1000MPa，而抗拉强度很小仅有80MPa左右，需要采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套或碳纤维、玻璃纤维等复合材料护套的新型转子结构，需要对护套应用弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立高速永磁转子应力计算模型，来确定护套和永磁体之间的过盈量，这种复合结构的永磁电机转子分析设计与加工装配工艺复杂；本发明中的转子采用电励磁方式，为不含永磁体的实心钢转子结构，抗拉强度大于等于980MPa，能够实现简化转子结构，提高转子结构鲁棒性。

[0010] (2)改善电机旋转铁耗。传统的的异步电机、永磁电机和开关磁阻电机均为异极型电机，定子磁场与转子励磁磁场沿转子周向均有极性交变；本发明中的同极型电机由于其磁场沿转子周向没有极性交变，仅有幅值的变化，从产生机理上可有效改善电机旋转铁耗。

附图说明

[0011] 图1是根据本发明实施例的电励磁同极型旋转电机的部分截除的透视图。

[0012] 图2是根据本发明实施例的电励磁同极型旋转电机的局部侧视剖面图，以便露出由励磁绕组产生的激励磁通。

[0013] 图3是根据本发明实施例的电励磁同极型旋转电机的机壳局部侧视剖视图；

[0014] 图4(a)是根据本发明实施例的电励磁同极型旋转电机的上端定、转子磁极示意图；

[0015] 图4(b)是根据本发明实施例的电励磁同极型旋转电机的下端定、转子磁极示意图；

[0016] 图5(a)是根据本发明实施例的电励磁同极型旋转电机的上端环形电路图；

[0017] 图5(b)是根据本发明实施例的电励磁同极型旋转电机的下端环形电路图。

具体实施方式

[0018] 同时按照附图阅读以下的描述，可以更好地理解本发明。这些附图只是作为举例说明给出的，但对本发明绝非限制性的。

[0019] 如图1和图2所示，本发明电励磁同极型旋转电机11，包括定子16、励磁绕组4和具有轴14的转子5，轴14具有长度轴线15，转子5绕轴线15旋转。该定子16和转子5彼此被有效气隙17隔开。有效气隙17是电机设计中的重要参数，在本发明的一个实施例中，有效气隙17为2-4mm，优选3mm。

[0020] 定子16包括铝合金材料的机壳上端10，机壳侧端28，机壳下端6，机壳上端10和机壳下端6各固定一个铝合金材料的环形端盖1,18。在可替代实施例中，上、下环形端盖1、18上各分别固定一块上、下环形电路板2,19。用于连接定子绕组8构成回路。在可替代实例中，机壳下端6和机壳上端10各安装一个滚动轴承21,22，支撑转子5旋转。

[0021] DT4材料的上、下磁环9,20，沿长度轴线15同轴放置在机壳侧端28上，被环形端盖1,18压紧。

[0022] FR4环氧材料的外绝缘套筒3，沿长度轴线15同轴设置，被压紧在磁环9,20之间。

[0023] FR4环氧材料的内绝缘套筒7，沿长度轴线15同轴设置，被压紧在环形电路板2,19之间。

[0024] 扁铜线组成的定子绕组8，与长度轴线15平行且沿转子5周向均匀分布，位于内绝缘套筒3、外绝缘套筒7内，与上、下环形电路板2,19的焊盘连接并固定，构成闭合回路。

[0025] 转子5为不含永磁体的实心结构，材料选用40CrNiMoA，包括转子圆柱体的中间部分23和凸、凹极均匀分布的两端部，即上端部24,下端部25。上端部24,下端部25的凸、凹极彼此呈反对称分布。在一个实施例中，转子5具有约40mm的半径r，约210mm的长度l；整体电机11具有约200mm的外径R，约230mm的电机总长度L。所述转子，上、下端部凸极个数为4，且相邻两凸极中心线夹角为90度。

[0026] 励磁绕组4，沿转子5周向绕制在外绝缘套筒7中部，励磁绕组4通入外加直流电流产生空间磁场，在一个方案中，激励磁通从上端部24出来，经过上、下磁环9,20和气隙17进入下端部25，构成磁回路，如图2所示。使转子上、下端部24,25磁极极性相反，磁场沿转子5周向无磁极极性交变，只有强弱的变化。励磁绕组4经过机壳10的走线槽27，如图3所示。最终从机壳上端10引出。励磁磁场的强弱可通过调节励磁绕组电流或改变励磁绕组线圈匝数决定。

[0027] 定子绕组8连接到环形电路板2,19上的焊盘，环形电路板2,19上的走线需要保证相邻组同相绕组中的电流流向相反。定子绕组8通入三相电流，产生空间旋转磁场，对应转子5凸极感应电磁力带动电机旋转。在一个方案中，转子上端部分24磁极极性为N，以A相电流为例，从电机的上表面向下看去，定子绕组8中的A相绕组中电流流向如图4(a)所示，呈顺时针方向，产生的电枢磁场方向为N极朝外，上端部分24凸极感受电磁力带动转子顺时针旋转。从电机的下表面向上看去，定子绕组8中的A相绕组中电流流向如图4(b)所示，呈逆时针方向，产生的电枢磁场方向为N极朝内，转子下端部分25凸极感受电磁力带动转子顺时针旋转，最终结果是转子5顺时针旋转。通过控制定子绕组8的A、B、C三相绕组依次导通，进而实现转子5的连续旋转，定子感应磁场强弱可通过调节定子电流大小来实现。在一个实施例中，定子选取直径为3.4mm的扁铜线，三根扁铜线编为一组代表某相，按A-B-C-A的顺序沿圆周均匀排列，每相绕组各含8组，共计24组。

[0028] 环形电路板2,19的焊盘与定子绕组8相连，上、下环形电路板2,19上的走线连接同向绕组使电流闭合。在一个方案中，上、下环形电路板2,19电路图如图5(a),图5(b)所示，图中的字母代表对应相绕组，走线需保证定子绕组8中相邻组同相绕组中的电流流向相反。定子绕组8从机壳10引出。

[0029] 在一个方案中，使用光电码盘12来检测转子5位置，光电码盘12沿长度轴线15同轴设置，安装在转子轴14上，码盘读数头26固定在上端环形电路板2上，用来检测光电码盘12的读数。码盘读数头26引出线从机壳10引出。

[0030] 上述详细描述了电励磁同极型旋转电机的示例实施例，但系统并不局限于此处描述的特殊实施例。虽然说明书参照了示例实施例，但可以理解，本领域技术人员可以再说明书的范围内作出各种不同的变形和等效替换。另外，在不背离本说明书主旨的情况下，可以作出修改适应特定环境或材料。因此，说明书不局限在作为最佳实施方式公开的特殊实例中，公开的内容包括落入权利要求保护的范围的所有实例。