本發(fā)明涉及直流旋轉(zhuǎn)電機領(lǐng)域，確切地說是一種沒有碳刷和電子換向裝置的永磁直流旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

在直流電機系列中，分有刷直流電機和無刷直流電機。有刷直流電機具有可逆性，既可以作為直流電動機使用；也可以作為直流發(fā)電機使用。作為電動機使用時，有刷直流電機的電刷裝置有兩項功能，一是將直流電流導(dǎo)入導(dǎo)出電樞繞組、二是換向作用；作為發(fā)電機使用時，電刷裝置的功能則是將電樞繞組感應(yīng)產(chǎn)生的交流電整流后導(dǎo)出。無刷直流電機只是將機械電刷換向器換成用電子(霍爾元件)換向技術(shù)，其作用同樣是換向功能。有刷直流電機具有調(diào)速特性好，且方便、平滑、調(diào)速范圍廣；過載能力強、能實現(xiàn)頻繁變速、制動以及逆向旋轉(zhuǎn)等優(yōu)點。但是，電刷裝置由于換向產(chǎn)生環(huán)火及使用壽命短是一個不可消除的缺點。無刷直流電機上裝配的電子換向器一般為光電或磁性傳感器，而該傳感器及相配套的電子元件對工作環(huán)境是有一定的要求的，否則會失效使電機無法工作。

永久磁鐵在電機領(lǐng)域占有一定的地位，永磁體有N極和S極之分、能夠吸引鐵磁質(zhì)材料。就磁性能來說，物質(zhì)可分為三類：一類是順磁質(zhì)；一類是抗磁質(zhì)；第三類是鐵磁質(zhì)。鐵磁質(zhì)具有很高的磁導(dǎo)率μ_r、既能夠被永久磁鐵的磁場吸引也有隔離屏蔽磁場的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有直流旋轉(zhuǎn)電機上安裝的有刷換向或無刷換向存在的缺點，提供一種沒有任何形式的換向裝置、故障率低、使用壽命長的無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計方法。

技術(shù)方案

結(jié)構(gòu)形式：如附圖3和附圖4所示，利用本發(fā)明設(shè)計的永磁直流旋轉(zhuǎn)電機，主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子主要由圓筒形組合式鐵芯8和環(huán)繞在鐵芯上的電樞繞組1組成，組合式鐵芯由位于內(nèi)側(cè)圓筒形鐵磁質(zhì)鐵芯8a和位于鐵芯外側(cè)的圓環(huán)形非鐵磁質(zhì)鐵芯8b組成。圓筒形鐵磁質(zhì)鐵芯8a的內(nèi)側(cè)設(shè)置有用來嵌直流繞組的槽口、圓環(huán)形非鐵磁質(zhì)鐵芯8b外側(cè)也設(shè)有用來嵌直流繞組的槽口；直流線圈繞組1環(huán)繞在組合鐵芯的內(nèi)外槽口內(nèi)。轉(zhuǎn)子上安裝永磁磁體2，安裝形式是：多塊永磁體的同性磁極(N極或S極)的極面都面向定子繞組或者說都面向轉(zhuǎn)子圓心。轉(zhuǎn)子與定子之間設(shè)有氣隙9，氣隙磁場為轉(zhuǎn)子永磁磁場。

工作原理：下面通過兩個實驗結(jié)合附圖1和附圖2說明本發(fā)明的設(shè)計原理。

實驗一：實驗?zāi)康模鹤C明載流線圈在非勻強磁場中線圈除轉(zhuǎn)動外還要平動。

具體做法：參見圖1，其中(a)(b)圖表示傳統(tǒng)永磁直流電機的工作原理示意圖。當(dāng)線圈1通過碳刷5及滑環(huán)4接通直流電源后，根據(jù)左手定則：線圈1的ab線段受到的電磁力f_a向左，cd線段受到的電磁力f_b向右。假如線圈1固定在可以轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸6上，那么線圈1將按順時針旋轉(zhuǎn)，3表示旋轉(zhuǎn)方向；假如轉(zhuǎn)軸6固定不能轉(zhuǎn)動，那么線圈1和轉(zhuǎn)軸6不能產(chǎn)生向左或向右方向平動的力，因為線圈1和轉(zhuǎn)軸6受到ab線段和cd線段的合力為零。圖(c)(d)是去掉上端永磁體2的示意圖。此時穿過線圈1的ab線段和cd線段的磁場為非勻強磁場，ab線段處的磁場強度B大于cd線段處的磁場強度。根據(jù)左手定則，線圈1上ab線段和cd線段受到的電磁力的大小和方向都不同，因此線圈1和轉(zhuǎn)軸6受到的合力和合力矩不為零，線圈1既有圍繞轉(zhuǎn)軸6旋轉(zhuǎn)的力也有使轉(zhuǎn)軸平動的力f_e，平動力的大小為：f_e＝f_c-f_d?？梢姡狠d流線圈在非勻強磁場中線圈除轉(zhuǎn)動外還要平動，并且ab線段處的場強B越大cd線段處的場強越小平動的力f_e越大。

實驗二：實驗?zāi)康模鹤C明鐵磁質(zhì)圓筒對于放在圓筒內(nèi)的同磁極磁場有屏蔽作用。

具體做法：參見圖2，圖中8表示一個用鐵磁質(zhì)材料加工而成的圓筒，轉(zhuǎn)軸6的外側(cè)裝有鐵磁質(zhì)套件7，套件7的外側(cè)裝有瓦片狀永磁體2。當(dāng)轉(zhuǎn)軸6上兩塊永磁體2的N極都面向鐵磁質(zhì)圓筒8時，圓筒外側(cè)的磁場強度B很小。測試的方法是：選任意一點p，然后拿一鐵磁質(zhì)實驗塊放在點p處，當(dāng)永久磁體2外側(cè)沒有圓筒8時，實驗塊會快速被磁鐵N極吸引；當(dāng)永久磁體2外側(cè)有圓筒8時，實驗塊被磁鐵N極吸引力很小，如果圓筒8的壁厚達到一定尺寸時，實驗塊甚至不被磁鐵N極吸引。由此證明：鐵磁質(zhì)環(huán)形圓筒對于放在圓筒內(nèi)的永磁磁場有屏蔽作用；屏蔽效果與圓筒的壁厚和磁導(dǎo)率成正比。

本發(fā)明正是利用以上兩個實驗結(jié)果，設(shè)計了一種沒有碳刷和電子換向的永磁直流旋轉(zhuǎn)電機。參見圖3，圖中定子線圈1環(huán)繞在圓筒形鐵芯8上。當(dāng)線圈1接通直流電源，使鐵芯內(nèi)側(cè)線圈導(dǎo)體的電流流出“⊙”；使鐵芯外側(cè)線圈導(dǎo)體的電流流入此時根據(jù)右手定則：線圈電流產(chǎn)生的磁場幾乎全部在鐵芯8內(nèi)閉合。永磁體的磁場由于鐵芯8的屏蔽作用，使內(nèi)側(cè)線圈導(dǎo)體所處的磁場強度B遠高于外側(cè)線圈導(dǎo)體處的磁場強度。對于同一匝導(dǎo)(圖中選擇最上端的一匝線圈)線來說，根據(jù)左手定則內(nèi)側(cè)導(dǎo)體受到的電磁力F_f遠大于外側(cè)導(dǎo)體的電磁力F_g。再根據(jù)力學(xué)關(guān)系：永磁體上受到的電磁力為F_h＝F_f-F_g。由以上分析：在圖3中，如果將圓筒8和線圈1作為定子、轉(zhuǎn)軸6和永磁體2作為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上受到的合力為：內(nèi)側(cè)線圈導(dǎo)體受到的電磁力f_f之和與外側(cè)線圈導(dǎo)體受到的電磁力f_g之和的差，那么轉(zhuǎn)子將按順時針旋轉(zhuǎn)?？梢姡河捎诰€圈1接通的是直流電源其電流的方向不變，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力的方向也不變，故轉(zhuǎn)子會連續(xù)轉(zhuǎn)動工作。改變通電線圈的正負極轉(zhuǎn)子可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。這就是本發(fā)明的基本原理。

利用本發(fā)明設(shè)計的無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機具有可逆性。圖4(a)表示無換向永磁直流發(fā)電機的示意圖。圖4(a)表示無換向永磁直流電動機的示意圖。發(fā)電原理：當(dāng)外動力拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子永磁體2的(N極)磁力線被定子線圈1內(nèi)側(cè)的導(dǎo)線切割，在線圈中產(chǎn)生感生直流電動勢?？梢姡景l(fā)明作為直流發(fā)電機使用時，也不用整流裝置且發(fā)出的直流電平穩(wěn)、幾乎不含交流成分；直流電的電壓只與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速有關(guān)。所以，利用本發(fā)明所述的方法設(shè)計的無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機，既可以作為直流電動機使用；也可以作為直流發(fā)電機使用。當(dāng)作為發(fā)電機使用時，實際上是一臺同極永磁直流發(fā)電機。可見，不管是作發(fā)電機使用還是作電動機使用，都不用換向裝置。

綜合以上兩個實驗結(jié)果和對圖3圖4的分析，說明利用本發(fā)明所述的設(shè)計方法設(shè)計的直流電機，無論是結(jié)構(gòu)原理還是工作原理都具有可行性。本發(fā)明的設(shè)計原理，是根據(jù)載流線圈在磁場中受到安培力的作用和導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感生電動勢的原理、以及鐵磁質(zhì)具有隔離屏蔽磁場的特性來設(shè)計的。其結(jié)構(gòu)原理是：主要由定子繞組和轉(zhuǎn)子永久磁鐵組成，定子繞組沿軸向環(huán)繞在圓筒狀鐵磁質(zhì)鐵芯的筒壁上；轉(zhuǎn)子上多塊永久磁鐵的相同磁極極面都面向定子繞組。利用本發(fā)明的設(shè)計方法，可以設(shè)計制造單定子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機，也可以設(shè)計制造雙定子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機；并且實現(xiàn)了在沒有換向裝置的情況下旋轉(zhuǎn)工作。其有益效果是：使永磁直流旋轉(zhuǎn)電機去掉了換向裝置，克服了由于換向使直流電機壽命短的缺點；消除掉了傳統(tǒng)無刷直流電機的傳感器及相配套的電子元件對工作環(huán)境的要求；還具有加工工藝簡單、制造成本低、故障率低，使用壽命長的優(yōu)點。

附圖說明

圖1表示載流線圈在不同形式的磁場中受到電磁力作用的實驗示意圖。

圖2表示鐵磁質(zhì)具有隔離屏蔽磁感線作用的實驗示意圖。

圖3表示無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機的基本原理示意圖。

圖4(a)表示第一種實施方案中作為發(fā)電機使用的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖4(b)表示第一種實施方案中作為電動機使用的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖5表示第二種實施方案的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖6表示第三種實施方案的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖7表示定子鐵芯的結(jié)構(gòu)形式示意圖。

(1)繞組線圈，(2)永磁體，(2a)永磁體的磁感線，(3)旋轉(zhuǎn)方向，(4)換向滑環(huán)，(5)換向器碳刷，(6)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸，(7)鐵磁質(zhì)套件，(8)定子鐵芯，(8a)設(shè)有繞線槽口的鐵磁質(zhì)鐵芯，(8b)設(shè)有繞線槽口的順磁質(zhì)鐵芯，(8c)鐵磁質(zhì)磁路，(8a1)凹槽，(8b1)凸極，(8a2)定位圓弧，(8a3)長方形鐵磁質(zhì)磁路槽，(9)轉(zhuǎn)子與定子之間的空氣氣隙，(10)定子定位環(huán)，(11)內(nèi)定子固定板。

具體實施方式

具體實施方式：下面通過幾個例子結(jié)合附圖作進一步描述。

實施例1：單定子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計方案

圖4(a)表示單定子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的設(shè)計方案；圖4(b)表示單定子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電動機的設(shè)計方案。兩種方案的結(jié)構(gòu)形式相同，主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子部分：由轉(zhuǎn)軸6、轉(zhuǎn)子鐵磁質(zhì)套件7及瓦片狀永磁體2組成；定子部分：由鐵磁質(zhì)定子鐵芯8a、非鐵磁質(zhì)定子鐵芯8b和直流繞組1組成。轉(zhuǎn)子與定子之間設(shè)有氣隙9。所述的鐵磁質(zhì)定子鐵芯8a為圓筒形狀，內(nèi)側(cè)設(shè)有用來纏繞線圈的槽口；非鐵磁質(zhì)定子鐵芯8b也為圓環(huán)形狀，外側(cè)設(shè)有用來纏繞線圈的槽口；線圈1沿內(nèi)外槽口環(huán)繞在鐵芯上。轉(zhuǎn)子上的兩塊永磁體的N極極面都面向定子繞組裝配。

作為發(fā)電機使用：

參見圖4(a)，當(dāng)轉(zhuǎn)子在其它動力拖動按順時針旋轉(zhuǎn)時，相當(dāng)于定子繞組按逆時針旋轉(zhuǎn)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律及右手定則：定子鐵磁質(zhì)圓筒形鐵芯內(nèi)側(cè)的導(dǎo)體切割轉(zhuǎn)子上兩塊N極的磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；當(dāng)定子線圈接有負載時，定子線圈內(nèi)側(cè)導(dǎo)體的感生電流的方向流入紙面、外側(cè)導(dǎo)體流出“⊙”紙面。轉(zhuǎn)子按如此方向旋轉(zhuǎn)下去，定子線圈內(nèi)感應(yīng)電動勢的方向不變、電流的方向也不變，電動勢屬性為直流電壓；感應(yīng)電動勢的大小與轉(zhuǎn)子的速度成正比?？梢?，用本發(fā)明所述的方法作為發(fā)電機使用時，發(fā)出的感應(yīng)電動勢為直流電動勢，無需任何形式的換向及整流裝置。

作為電動機使用：

參見圖4(b)，當(dāng)定子線圈1接通直流電源且使定子鐵芯的內(nèi)側(cè)導(dǎo)線電流流出“⊙”、外側(cè)導(dǎo)線電流流入根據(jù)左手定則，此時轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子磁場與載流定子繞組的相互作用下產(chǎn)生順時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子順時針3旋轉(zhuǎn)。由于定子繞組電流為直流其方向不變、轉(zhuǎn)子永磁體的磁場方向也不變，所以轉(zhuǎn)子會連續(xù)旋轉(zhuǎn)無需對定子繞組電流進行換向。由于該實施方案其永磁磁路中有非鐵磁質(zhì)介質(zhì)，會有一定量的漏磁，所以適合于設(shè)計小型無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電動機。改變繞組與電源正負極的接法，使定子鐵芯的內(nèi)側(cè)導(dǎo)線電流流入外側(cè)導(dǎo)線電流流出“⊙”，根據(jù)左手定則轉(zhuǎn)子按逆時針旋轉(zhuǎn)。

實施例2：雙磁極、雙定子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計方案

參見圖5，其中兩個定子的結(jié)構(gòu)完全相同只需在兩定子之間設(shè)鐵磁質(zhì)磁路8c和定位塊10。圖(a)為沿軸向的剖視圖、圖(b)為沿A-A向的剖視、圖(c)為沿B-B向的剖視。該方案的永磁磁路路徑：右側(cè)永磁體的N極→轉(zhuǎn)子鐵磁質(zhì)套件7→左側(cè)永磁體S極→左側(cè)永磁體N極→氣隙9→左側(cè)定子鐵芯8a→鐵磁質(zhì)磁路8c→右側(cè)定子鐵芯8a→氣隙9→右側(cè)永磁體S極。工作原理與實例1完全相同。由于該方案的永磁磁路完整，不會產(chǎn)生漏磁，所以適合設(shè)計大型無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機。

實施例3：外轉(zhuǎn)子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計方案

參見圖6，與實例1和實例2不同的是：該設(shè)計方案是把永磁體2安裝在外轉(zhuǎn)子鐵磁質(zhì)套件7上，圓筒形鐵芯及線圈為定子。圖中的11表示內(nèi)定子固定板。該方案因永磁磁路中有非鐵磁質(zhì)介質(zhì)，存在漏磁，比較適合設(shè)計制造小型外轉(zhuǎn)子無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電動機。

定子鐵芯的加工制作工藝及繞線方式：

如圖7所示，本發(fā)明的無換向永磁直流旋轉(zhuǎn)電機的設(shè)計方法，其定子鐵芯為組裝體。設(shè)計時應(yīng)從定子線圈1纏繞工藝便利方面考慮。圖7(a)表示實施例1的定子鐵芯的結(jié)構(gòu)形式。定子鐵芯為兩個半圓，繞線時可分別按設(shè)計要求的匝數(shù)和線規(guī)將兩個半圓鐵芯的線圈繞好后，再組裝成一個整體的定子。此方案能夠容易實現(xiàn)機械化繞線。組裝時依靠設(shè)置在兩半圓結(jié)合部的定位凹槽8a1和凸極8b1來實現(xiàn)。圖7(b)表示實施例2的定子鐵芯的結(jié)構(gòu)形式。該方案與上述的工藝基本相同，不同之處在于兩半圓鐵芯的組裝定位依靠兩件鐵磁質(zhì)磁路(8c)完成。每個半圓形鐵芯上設(shè)有用來與電機外殼體定位圓弧8a2和用來安裝鐵磁質(zhì)磁路8c的長方形孔8a3。半圓形鐵芯是用薄硅鋼片沖壓成型，然后疊壓而成。同樣，繞線時可分別按設(shè)計要求將兩個半圓鐵芯的線圈繞好后，再組裝成一個整體的定子。最后再將兩個相同定子鐵芯組合成雙定子，由于每個定子的端部有線圈，所以兩定子鐵芯之間應(yīng)安裝定位環(huán)10。