新式直流电机

技术领域

本实用新型涉及一种直流电机，特别是一种无换向器、无电刷、铁损很 小的直流电机。

背景技术

直流电机在航空、航天、船舰、机床、机器人、自动控制、汽车、家电 等方面应用日益重要和广泛。直流电动机起动转矩大且调速性能好。直流电 机按其磁体类型分为电磁式和永磁式，永磁式无励磁绕组，比电磁式结构简 单、体积小、重量轻、用铜少、损耗小、效率高、更可靠，所以永磁直流电 机应用更广。但是，现有的电磁式直流电机既有换向器，又有电刷；现有的 永磁直流电机要么有换向器，要么有电刷，要么既有换向器，又有电刷；电 刷和换向器影响着现有直流电机的使用寿命。现有的直流电机中围绕电枢的 磁极沿圆周极性交替分布，且相邻的磁极隔有间隙，由于相邻的磁极隔有间 隙，电枢相对定子转一周，与电枢发生作用的磁力线不充分多，因而效率不 充分高。现有的直流发电机，工作时，电枢线圈种的磁场交替变化，除了能 产生欲求的感应电动势(大小和方向是变化的)，还在电枢铁心中产生涡流和 磁滞效应，这里的涡流和磁滞效应必然产生铁损和有害的热量；电机的使用 是可逆的，直流电机作为电动机，结构与直流发电机完全相同，现有的直流 电动机工作时，因为电枢中的电流方向不断交替变化而产生交变磁场，所以 同直流发电机一样，也会产生铁损和有害的热量。现有直流电机，有电刷、 有换向器、存在较大的铁损，因而不能通过加封闭外壳且抽真空作为储能装 置使用。

发明内容

本实用新型旨在解决现有直流电机结构复杂及工作中会产生铁损和有害 的热量等问题，力图降低成本，减少损耗，提高效率，延长使用寿命，还能 对该直流电机(用磁悬浮轴承)经简单地封闭后作为储能电机(装置)。

本实用新型按下述技术方案实现。

本实用新型由定子、转子及轴承组成，如图1、图2所示。

在径向充磁的圆环形永磁体每端固套一个轴向充磁的圆盘形永磁体，所 述的三个永磁体围成的U形环槽磁场是一个单极性磁场；按前述方法再制作 一个U形环槽单极性磁场，但其极性与前一个相反，将两个U形环槽磁场的 永磁体外表面用圆盘形和圆环形导磁体组合联接起来，两个U形环槽磁场地 永磁体与导磁体相贴的面是异极性的，因而磁力线相接通，如图1图2中虚 线所示；导磁圆环及导磁圆盘与非磁性圆环的内圆或非磁性轴的外圆联结， 在非磁性圆环或非磁性轴两端联接带有中孔的非磁性圆盘，非磁性圆盘与非 磁性圆环联接，而非磁性圆盘与非磁性轴是通过轴承联接的，非磁性圆盘的 中孔与轴承外圈的外圆联接，轴承内圈的内圆与非磁性轴的外圆联接；以上 所述的磁体组件，磁性及非磁性联接件，构成本实用新型的转子。

在非磁性绝缘圆环上绕带绝缘包皮的非磁性导线制成电枢线圈，电枢线 圈用非磁性绝缘圆环固定之，非磁性绝缘圆环与另一非磁性绝缘圆环的内圆 或非磁性绝缘轴的外圆联结，就构成了本实用新型的定子。

将电枢线圈两端面的大部分及外圆或内圆插入到转子U形环槽磁场内， 并与永磁体围成的U形环槽的壁离开一间隙；固定电枢线圈的非磁性绝缘圆 环的端面与非磁性圆盘内端面联接或与轴承内圈的内端面相接，将轴承的外 圈与非磁性圆盘的中孔过盈配合并联接；与转子外圆或内圆相对应的定子的 内圆或外圆之间有一间隙，与转子外端面或内端面相对应的定子的内端面或 外端面之间有一间隙；电枢线圈的输入端、输出端用带绝缘包皮的导线连接 引到电机的外面，并分别接电源的正极、负极，要求使左右电枢线圈横截面 中电流的流转方向相反。

联接或联系所述定子与转子的轴承为通用的机械轴承或磁悬浮轴承。

所述电枢线圈与围成U形环槽磁场的永磁体组组数相等，根据实际情况， 可设计成若干组，但最少为两组。

本实用新型作为直流电动机，其工作原理是：电磁学揭露，磁场中的通 电导体会受到作用力，作用力的大小由关系式F＝BIL计算，其中B表示磁感 应强度，I表示导体中的电流强度，L表示与磁场的磁力线垂直的导体在磁场 中的总长度尺寸，对线绕电枢线圈，L等于电枢线圈匝数与每圈平均周长之 积；作用力的方向依左手定则判定，即伸开左手，使大拇指与其余四指在同 一手掌平面内垂直，让手心正对磁场的N极，四指指向与导体中的电流方向 一致，这时大拇指就指示出导体的受力方向。在本实用新型中，如图1示， 若给左电枢线圈通入的直流电在电枢线圈剖面的上部看是顺时针方向的，而 在下部看就是逆时针方向的，同时，给右电枢线圈通入的同样大小的直流电 在电枢线圈剖面的上部看是逆时针方向的，而在下部看就是顺时针方向的， 用左手定则容易判定出，两个电枢线圈上半部分在磁场中每边受到的作用力 方向都离开观看者而去，即垂直指向纸里，而两个电枢线圈下半部分在磁场 中每边受到的作用力方向都向着观看者而来，即垂直指向纸外，这样，两个 电枢线圈同时产生相对转子的同向转矩，但电枢线圈被固定，所以转子将相 对电枢线圈转动。若同时改变两个电枢线圈中的电流方向，转子转动方向就 改变。所述的电机，一旦造就，B、L就为相对的定值，显然，只改变I的 大小就可改变转子的转速，而改变I的大小是容易实现的技术。

当所述转子运行时切断电源后，转子有惯性运动，那么电枢线圈中的感 生电流的磁场与转子永磁场相互作用，将阻碍转子转动动，因而只要减小电 枢线圈中的电流强度，不但减少了动力，而且同时产生制动力，实现刹车减 速，所以电枢线圈能辅助刹车。由此，可将电源设计制作成具有双向可调功 能的——既能给电枢线圈供电，又能从电枢线圈回收感应电能。

本实用新型作为直流发电机，工作原理与现有的直流发电机相同，遵循 电磁感应原理，即当转子被外界动力驱动旋转，电枢线圈相对于转子做切割 转子磁场磁力线的运动，从而在电枢线圈中产生感生电动势，其方向用右手 定则判定(这里不赘述)，若电枢线圈外接负载，则在闭合电路中形成感生电 流。本实用新型作为直流发电机使用，若只有两个电枢线圈，两个电枢线圈 中的电流方向相反，若两个电枢线圈的绕向相同，分别将一个的输入端与另 一个的输出端相接，从而形成两个线端，就相当于电源的正极和负极；若有 多个电枢线圈，其接法相似，只要保证各电枢线圈的电流流出本线圈后能会 合相加而增大。

在所述直流电机(轴承用磁悬浮轴承)的外围隔离一间隙制作非磁性封 闭外壳，其内壁与电机的定子联接，在其上打孔将电枢线圈的导电线引出， 并将空隙密封，然后将非磁性封闭外壳内抽成真空，这样成为储能电机(相 当于飞轮储能装置)。当给电机供电时，所述电机充当直流电动机，可使其转 子高速旋转而获能，当电枢线圈的导电线端外接负载时，所述电机充当直流 发电机向外供能，在储能期，电枢线圈的导电线端悬空。

以上所述电枢线圈还可以用非磁性导电材料制作成整体的，去掉非磁性 绝缘圆环。

与现有的直流电机相比，本实用新型有以下优点：

1、无换向器，无电刷，无硅钢片叠成的铁心，所以结构简单，造价低；

2、电机中的涡流损耗和磁滞损耗，即铁损，只发生在电机启停过程或 调速过程中，若电机稳定工作(电动机通恒稳直流电，发电机输入转矩和转 速不变)时，处在恒定磁场中的电枢线圈中是恒稳直流电，所以无铁损，节 能，效率极高；

3、因为无电刷、电机稳定工作时无铁损，所以可以连续工作较长的时 间，且使用寿命长；

4、若所述电机使用磁悬浮轴承，且所述电机无电刷、无换向器、转子 在真空中旋转，因而无机械摩擦能量损耗，而且由于所述优点2，所以所述 电机的作储能装置，比现有的飞轮储能、电感线圈储能、蓄电池储能、压缩 空气储能等装置优越。

附图说明

图1为具体实施方式一的结构示意图；

图2为具体实施方式二的结构示意图；

图3为具体实施方式三的结构示意图；

图4为具体实施方式四的结构示意图；

图5为具体实施方式五的结构示意图；

图6为具体实施方式六的结构示意图；

图7为具体实施方式七的结构示意图；

图8为具体实施方式八的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明。

具体实施方式一：如图1示，是内转子式直流电机，其转子这样构成： 在径向充磁的圆环形永磁体29两端固结轴向充磁的圆盘形永磁体28、3 1， 永磁体28、29、31围成的U形环槽磁场是一个单N(或S)极磁场；在径向 充磁的圆环形永磁体25两端固结轴向充磁的圆盘形永磁体24、26，永磁体 24、25、26围成的U形环槽磁场是一个单S(或N)极磁场；将两个U形环 槽磁场的永磁体用导磁圆盘7、12、17及导磁圆环2、23等导磁体组合联结 起来，所述两个U形环槽磁场的永磁体与所述导磁体相贴的面是异极性的， 因而导磁件中的磁力线相接通，如图中虚线示；将导磁圆环2、23及导磁圆 盘7、12、17固套在非磁性轴3的外圆；其定子这样构成：在非磁性绝缘圆 环9、14上同方向绕带绝缘包皮的非磁性导线制成电枢线圈10、15，电枢线 圈10、15，用非磁性绝缘圆环6、8、11、13、16固定之，在它们的外圆固 套非磁性绝缘圆环32，在非磁性绝缘圆环6、16、32的端面联接非磁性圆 盘1、18；轴承的内圈4、20联接到非磁性轴3的外圆，将轴承的外圈5、19 与非磁性圆盘圆1、18的内圆过盈配合并联接，件21为紧固螺母，件22为 非磁性垫圈，其端面分别与导磁圆盘17的外端面和轴承内圈的内端面贴合， 其内圆与非磁性轴3的外圆成过盈配合，其外圆不大于轴承内圈20的外圆； 非磁性绝缘圆环6、11、16的内圆离开转子的最大外圆一间隙，非磁性圆盘 圆1、18的内端面分别离开导磁圆盘7、17的外端面一间隙；电枢线圈10、 15放入U形环槽磁场内，但每面都离开永磁体一间隙；将电枢线圈10的输 入端与电枢线圈15的输出端用带绝缘包皮的导线30接在一起，将电枢线圈 10的输出端与电枢线圈15的输入端用带绝缘包皮的导线27接在一起，并穿 过非磁性圆环8和13两端面上的缺口从非磁性圆环32的轴向槽引出作为接 电端。

具体实施方式二：如图2示，是外转子式直流电机，其转子这样构成： 在径向充磁的圆环形永磁体64两端固结轴向充磁的圆盘形永磁体62、65， 永磁体62、64、65围成的U形环槽磁场是一个单N(或S)极磁场；在径向 充磁的圆环形永磁体60两端固结轴向充磁的圆盘形永磁体58、61，永磁体 58、60、61围成的U形环槽磁场是一个单S(或N)极磁场；将两个U形环 槽磁场的永磁体外表面用导磁圆盘43、46、49及导磁圆环59、63等导磁件 组合联结起来，所述两个U形环槽磁场的永磁体与导磁体相贴的面是异极性 的，因而导磁件中的磁力线相接通，如图中虚线示；将导磁圆环59、63和导 磁圆盘43、46、49固套在非磁性圆环42的内圆，在导磁圆盘43、49的外端 面放置非磁性垫圈41、50，在非磁性圆环42的端面联接非磁性圆盘33、51， 非磁性垫圈41、50的外端面与非磁性圆盘33、51的内端面相贴；其定子这 样构成：在非磁性绝缘圆环45、48上同方向绕带绝缘包皮的非磁性导线制成 电枢线圈44、47，电枢线圈44、47，用非磁性绝缘圆环40、34、57、55、 56固定之，它们的内圆与非磁性绝缘轴37的外圆过盈配合，并固定之；轴 承的内圈38、53过盈套在非磁性绝缘轴37的外圆并联接之，轴承的外圈39、 52过盈放入非磁性圆盘圆33、51的内圆并联接之，件54为紧固螺母；非磁 性绝缘圆环40、57、56的外圆离开转子的最小内圆一间隙，电枢线圈44、 47放入U形环槽磁场内，但每面都离开永磁体一间隙；将电枢线圈44的输 入端与电枢线圈47的输出端接在一起，将电枢线圈44的输出端与电枢线圈 47的输入端接在一起，然后分别用带绝缘包皮的导线36、35连接，并穿过 非磁性圆环34和55两端面上的缺口从非磁性轴37的轴向槽引出作为接电 端。

具体实施方式三：如图3示，将具体实施方式一(如图1示)所述的内 转子式直流电机的轴向充磁圆盘形永磁体26、28及导磁圆盘12用一个轴向 充磁圆盘形永磁体66代替，将导磁圆环2、23用导磁圆筒67代替，其它保 持不变。

具体实施方式四：如图4示，将具体实施方式二(如图2示)所述的外 转子式直流电机的轴向充磁圆盘形永磁体61、62及导磁圆盘46用一个轴向 充磁圆盘形永磁体68代替，将导磁圆环59、63用导磁圆筒69代替，其它保 持不变。

具体实施方式五：如图5示，将具体实施方式一(如图1示)所述的内 转子式直流电机的轴3改短为轴70，轴承用磁悬浮轴承，然后在所述电机外 作封闭外壳，外壳由与定子的非磁性绝缘圆环32联结的壳底71和壳体72 构成，壳底71和壳体72相焊接，导电线从封闭外壳穿孔引出，并用密封粘 结材料密封其空隙，73为其密封结，最后将电机外壳和封闭外壳之间的空气 抽出形成真空，从而制成一台储能电机。

具体实施方式六：如图6示，将具体实施方式二(如图2示)所述的外 转子式直流电机的轴37改短为轴75，轴承用磁悬浮轴承，然后在所述电机 外作封闭外壳，外壳由与定子的非磁性绝缘轴70联结的壳底76和壳体77 构成，壳底76和壳体77相焊接，导电线从轴端引出，并用密封粘结材料密 封其空隙，74为其密封结，最后将电机转子外壳和封闭外壳之间的空气抽出 形成真空，从而制成一台储能电机。

具体实施方式七：如图7示，将具体实施方式三(如图3示)所述的内 转子式直流电机的轴3改短为轴70后，在电机外面制作一个与具体实施方式 五同样的外壳，外壳与电机联结方法同具体实施方式五，最后将电机转子外 壳和封闭外壳之间的空气抽出形成真空，从而制成一台储能电机。

具体实施方式八：如图8示，将具体实施方式四(如图4示)所述的外 转子式直流电机的轴37改短为轴75后，在电机外面制作一个与具体实施方 式六同样的外壳，外壳与电机联结方法同具体实施方式六，最后将电机转子 外壳和封闭外壳之间的空气抽出形成真空，从而制成一台储能电机。