動圈式電動機的製作方法

2023-10-10 00:13:04

專利名稱：動圈式電動機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種直流電動機，特別是一種永磁式直流電動機。
背景技術：
傳統永磁式直流電動機主要由定子、轉子和機殼等組成，其轉子鐵芯相對於軸心 是固定的。如

圖1所示，以具有四個線圈的直流電動機為例，線圈101、102、103、104套在 鐵芯上，為直流電動機的四個繞組，永久磁鐵105和106作為定子。在不通電的情況下，線 圈101、103在永久磁鐵105和106的作用下，呈現出N極與S極，由於磁性物質與永久磁 鐵相互吸引，電機處於制動狀態。當其起動後，其中線圈101和線圈103仍然沒有通電，在 永久磁鐵的作用下，線圈101、103處於制動狀態，但是線圈102和線圈104已經通電，在電 流的作用下，建立了與永久磁鐵磁場相垂直的轉子磁場。在磁力的作用下，電動機開始順 時針旋轉。但是，由於線圈101和線圈103未通電，相當於兩個鐵塊被吸在永久磁鐵上，只 有102、104兩個線圈所產生的電動力克服永久磁鐵105，106對線圈101和線圈103的吸引 力，電動機才能轉起來。即電動機是在制動的情況下開始旋轉的。這就給電能造成了極大 的浪費，這也是直流電動機將電能轉換為機械能效率不高的主要原因，其轉換效率一般在 60% —80%之間。圖2是傳統永磁式直流電動機的運行過程。在圖2中，轉子在電力的作用下，旋轉 了 45°度。線圈101、102、103和104均通電，線圈101、102呈現出S極，線圈103和線圈 104呈現出N極。合成磁場仍然與永久磁鐵的磁場相垂直。但是這段時間內四個線圈都不 是90°，電能轉換成機械能是要打折扣的，其折算係數約為0. 7。如上所述，傳統永磁式直流電動機如果是四個極，則以旋轉90°為一個周期。當上 述的電動機的轉子轉過90°後，則只有電機的線圈101和線圈103通電，線圈102和線圈 104不通電，電機仍然處於制動狀態。綜上所述，傳統的永磁式直流電動機，由於轉子的結構不能跟隨電機的狀態而變 化，在電動機旋轉一周的過程中，有四次處於制動狀態，從而造成了電能的浪費，使得電動 機的電能轉換效率不高。

實用新型內容為了解決上述的問題，本實用新型的目的在於提供一種有效節約電能，提高電能 轉換效率的電動機。本實用新型解決其問題所採用的技術方案是一種動圈式電動機，包括設置在底座上的機殼，所述機殼內設有作為定子的永久 磁鐵和轉子，所述轉子的輪輻上設有線圈繞組，所述永久磁鐵水平方向放置，所述線圈繞組 可沿輪輻徑向方向移動，所述轉子軸上設有線圈角度信號檢測器，所述輪輻上設有線圈位 置信號檢測器，所述線圈角度信號檢測器與線圈位置信號檢測器與控制器電連接。作為上述技術方案的進一步改進，所述線圈繞組帶有能與其一起沿輪輻徑向方向移動的鐵芯。作為上述技術方案的進一步改進，所述角度信號檢測器為金屬片。作為上述技術方案的進一步改進，所述位置信號檢測器為金屬片。作為上述技術方案的進一步改進，所述輪輻為無磁性輪輻。本實用新型的有益效果是本實用新型的動圈式電動機可以通過位置檢測器和角 度檢測器檢測出線圈的狀態並反饋給控制器，由控制器根據轉子線圈的位置，實時控制線 圈的通電時間和順序，而線圈繞組可以移動，可以利用重力和永久磁鐵的吸引力避免制動 過程，充分利用了電能，更加有效地實現了電能向動能的轉換，提高了電動機效率，達到了 節約電能的目的。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明圖1是傳統直流電動機示意圖；圖2是傳統直流電動機運行過程示意圖；圖3是本實用新型結構示意圖；圖4是本實用新型運行狀態示意圖；圖5是本實用新型單片機控制器示意圖；圖6是本實用新型轉子軸結構示意圖；圖7是本實用新型線圈位置信號檢測器工作原理圖；圖8是本實用新型線圈角度信號檢測器工作原理圖；圖9是本實用新型線圈整流供電工作原理示意圖。
具體實施方式
參照圖3及圖4，本實用新型的一種動圈式電動機，包括設置在底座1上的機殼2， 所述機殼2內設有作為定子的永久磁鐵3，4和轉子5，所述轉子5的輪輻51上設有線圈繞 組6，7，8，9，所述永久磁鐵3，4水平方向放置，所述線圈繞組6，7，8，9可沿輪輻51徑向方向 移動，所述轉子軸52上設有線圈角度信號檢測器10，所述輪輻51上設有線圈位置信號檢測 器11，所述線圈角度信號檢測器10與線圈位置信號檢測器11與控制器電連接。結合圖3，在靜止狀態下，四個線圈均未通電，線圈6和線圈8在永久磁鐵3和4的 作用下，變成兩個小磁鐵，呈現出N極和S極。這時線圈6和線圈8被永久磁鐵3，4吸引， 線圈6和線圈8的重力對轉子的扭矩相互抵消，而線圈7和線圈9的重力不產生扭矩，電機 處於制動狀態。當線圈1通電時，線圈6的左邊是S極，右邊是N極，這時線圈6受到了永久磁鐵 3的排斥，由於線圈8被永久磁鐵4吸引，電動機不會旋轉，只是線圈6向右移動，在這一段 時間內電力作了功。當線圈1移動內側以後，線圈3夾在兩個N極磁性的中間，磁場相互抵 消，重力開始做功。另一方面由於永久磁鐵3，4的作用，線圈7和線圈9受到永久磁鐵3和 4的吸引，迫使電動機轉動。實際上，永久磁鐵也在做功。且重力和永久磁鐵所做的功大於 電能所做的功。由於線圈6的右邊是N極，永久磁鐵4又是N極，線圈8處於兩個N極磁場的中間，磁場之間相互抵消，線圈8不受磁場的影響，只受到重力的作用。由於線圈8和線圈6相對於軸芯的位置發生的變化，在重力的作用下，轉子5產生了扭矩，轉子5開始順時針方向旋轉。圖4是轉子順時針旋轉45°度時的情況，這時線圈6和線圈8都帶電。在電流的 作用下，變成兩個電磁鐵。而線圈7和線圈9不帶電，但是在永久磁鐵3，4的作用下，也變 成兩個小磁鐵。這時兩個通電的線圈6和線圈8受到永久磁鐵3，4的排斥，而兩個不通電 的線圈7和線圈9受到永久磁鐵3，4的吸引，使電動機按順時針方向旋轉。對於線圈7和 線圈9來說，是永久磁鐵3，4在做功。綜上所述，在電動機未轉動之前，首先線圈做水平運動，是電能在做功。在電動機 開始轉動的45°度內，重力吸引線圈8，使其向下運動，是重力在做功。在45° 90°度之 間，永久磁鐵吸引線圈7和線圈9，迫使線圈7和線圈9處於水平狀態，這一時期是永久磁鐵 3，4在做功。動圈式電動機起動旋轉45°度時，四個線圈都受到磁場的影響，線圈6通電後產 生的電磁力推動轉子按順時針方向旋轉。線圈7沒有通電，但是受到永久磁鐵4的吸引；線 圈8通電後，產生的極性剛好與永久磁鐵4的極性相同，產生的排斥力推動轉子順時針方向 旋轉。線圈9沒有通電，受到永久磁鐵3的吸引，吸引力推動轉子順時針方向旋轉。綜上所述，四個線圈所產生的力都是推動轉子按順時針方向旋轉，線圈6，8是電 力做功，線圈7，9是永久磁鐵做功。當轉子5順時針旋轉90°度時，線圈6、7、8和9都不帶電，在永久磁鐵的作用下， 線圈7會向永久磁鐵4靠近，再次處於靜止狀態。此時，與啟動前狀態相同，只是線圈的位 置發生了變化。圖3中，線圈6、8是水平方向，線圈7、9是垂直方向；而轉過90°後，線圈 6，8變成了垂直方向，線圈7、9變成了水平方向。這也說明，一個四極的電動機，變化過程是 旋轉90°度為一個周期。動圈式電動機和普通電動機相比，其主要特點是消除了傳統電動機的制動狀態。對於傳統的電動機來說，水平方向的兩個線圈繞組沒有通電，被永久磁鐵磁化後 和永久磁鐵吸在一起，這是一種制動狀態；而在動圈式電動機中，水平方向線圈6，8通電 後，線圈產生的磁性與永久磁鐵3，4是同一極性，產生排斥力，從而消除了電動機的制動狀 態。動圈式電動機和普通的電動機相比，其還具有實現勢能向動能轉換的特點。當線 圈6通電後會向右移動，移到轉子的內側(軸芯的位置)，線圈6產生的磁場恰巧抵消了永 久磁鐵3的磁場，使得線圈8不再受永久磁鐵的吸引，這時重力對線圈8起作用，線圈8開 始向下移動，實現了勢能向動能的轉換。動圈式電動機和普通的電動機相比，其利用永久磁鐵提高了線圈的勢能。永久磁 鐵的吸引力不僅可以克服地球的引力，而且可以提高線圈的勢能。本來地球對線圈8和線 圈9的引力都會給轉子5產生扭矩，但由於這兩個線圈對稱於中軸心，所以會相互抵消。但 是，當線圈8通電以後，其不但受到地球的引力，而且還受到永久磁鐵4排斥。線圈9沒有 通電，一方面受到地球的引力，另一方面受到永久磁鐵3的引力，這兩個引力對轉子產生的 扭矩是相反的。只是永久磁鐵離轉子非常近，磁鐵的引力大於地球的引力，轉子5還是沿著 順時針的方向旋轉，從而提高線圈9的勢能。[0037]此外，由圖2可知，傳統電動機在45°度角時，是四個線圈都通電，產生的電磁力 需要乘以係數cos45° =0.7。而動圈式電動機利用地球的引力和永久磁鐵的吸引力，迫使 轉子自動旋轉。這相當於利用了地球的引力和永久磁鐵的吸力，從而使得動圈式電動機與 傳統電動機相比在效率上有很大的提高。當電動機沒有通電時，永久磁鐵3、4兩個磁極首先將線圈6和線圈8磁化，並吸著 6、8兩個線圈，使電動機很難轉動。線圈7和線圈9通電後，產生的電磁力克服永久磁鐵對 線圈6、8的吸引力的情況下才能使轉子5轉起來。從另一個角度來看，在電流和永久磁鐵的作用下，線圈7和線圈8呈現S極，線圈 6、9呈現N極，四個繞組的合成磁場向右偏轉45°度。這說明電流產生的電磁力要乘以系 數cos45° = 0. 707。幾乎有30%的電能被浪費了，這是由於傳統電動機結構上的缺陷造成 的。對於動圈電動機來說，可以避開電動機在制動情況下起動的問題。動圈式電動機起動時，線圈6首先通電，由於永久磁鐵4吸引著線圈8，轉子不會轉 動，只能是線圈6向右移動。當線圈6移動到右邊時，線圈6的右邊是N極，永久磁鐵5也 是N極，兩個磁極相互抵消，線圈8不再受磁場的影響，這時地球的引力佔主導地位。本來 線圈6與線圈8對稱於軸芯，重力產生的扭矩相互抵消，而現在線圈6移到右邊以後，線圈 8的重力產生的扭矩大於線圈6所產生的扭矩，使轉子按順時針方向旋轉。綜上所述，傳統的電動機在運行中，由於永久磁鐵的作用，電動機旋轉一周有四次 制動的過程；而動圈式電動機由於線圈可以移動，利用了重力和永久磁鐵的吸引力，避免了 制動過程，充分利用了電能，更加有效地實現了電能向動能的轉換。由於動圈式電動機利用了地球的重力和永久磁鐵的吸引力，至少可以把電動機從 70 %提高到90 %，甚至可以把效率提高到95 %。動圈式電動機在起動的瞬間，線圈8與線圈6在重力的作用下，對於軸芯來說已經 失去了平衡，線圈8產生的扭矩大於線圈6產生的扭矩，電動機順時針方向旋轉，這時是重 力做功。而傳統電動機在起動的瞬間，線圈103與線圈101在重力的作用下，對於軸芯來說 是完全平衡的，線圈103產生的扭矩等於線圈101產生的扭矩，這種情況下，重力不做功。綜上所述，傳統電動機轉子上的各點對稱於轉子的軸芯，重力產生的扭矩相互抵 消，而永久磁鐵對未通電的線圈又產生了制動作用。雖然線圈8產生的重力做了功，但是線圈9上升的高度與線圈8下降的高度一樣， 實際上是相互抵消了。但是，在時，永久磁鐵3正在吸引線圈9，提高了線圈9的勢能，實際 上永久磁鐵也在做功。這是由於永久磁鐵3非常靠近線圈9，所以永久磁鐵3對線圈9的 提升力大於線圈9所產生的重力，因為線圈9沒有通電，線圈9的上升只能是永久磁鐵做的 功。可以看出兩種電動機的推動轉子轉動的力的方向是一致的，但是，傳統電動機的 四個繞組都帶電，而動圈式電動機只有兩個繞組帶電，而轉子轉動的原因更大程度上取決 於地球的重力和永久磁鐵的吸引力。這就達到了節約電能的目的。綜合以上，本實用新型的動圈式電動機可以通過位置檢測器和角度檢測器檢測出 線圈的狀態並反饋給控制器，而根據轉子線圈的位置，由控制器實時控制線圈的通電時間 和順序，由於線圈可以移動，利用重力和永久磁鐵的吸引力，避免了制動過程，充分利用了電能，更加有效地實現了電能向動能的轉換，有效地利用了地球和永久磁鐵的引力，提高了電動機效率，達到了節約電能的目的。當然，如自行車只能幫助人省力而不能產生能量一 樣，動圈式電動機它只能節約電能，而不會產生能量。此外，作為優選實施方式，在本實施例中所述線圈繞組6，7，8，9帶有能與其一起 沿輪輻51徑向方向移動的鐵芯。當線圈不帶電時，受永久磁鐵的影響。帶電時又受到線圈 電流的影響。參考圖5，本實施例中，所述控制器為一個單片機控制器。其中Pl 口作為輸入口， 用於檢測轉子線圈的位置與轉子角度，P3 口作為輸出口，用於控制電動機線圈的通電。作為優選，本實施例中所述輪輻為無磁性輪輻，例如銅、鋁或塑料等，但是不能用 鐵。參考圖6，對於本實用新型的具有四極的動圈式電動機，共需要八個整流片、八個 碳刷、四個線圈位置檢測片和四個線圈角度檢測片。轉子5上的線圈可能在轉子的內側，也可能在轉子的外側。線圈在不同的位置，決 定了線圈的帶電情況。線圈位置的檢測，可以在轉子的外側安裝相應的金屬片，四個磁極的 外側放置了四個金屬片，這四個金屬片與軸上的四個金屬片相對應，而軸上的四個金屬片 對應著四個碳刷。無論轉子轉到任何角度，碳刷都能與金屬片接觸。其中，放在轉子5軸上的四個線圈位置檢測片12，它們對應著轉子外側輪輻51上 的四個線圈位置信號檢測器11，當線圈位於轉子外側時，線圈位置檢測片12對地短路，位 置檢測信號輸出低電平。當線圈位於轉子內側時，線圈位置檢測片12與地斷開，位置檢測 信號輸出高電平。作為優選，所述的線圈位置檢測片12為金屬片，分別對應著單片機的 P14、P15、P16和P17四個埠。需要說明的是，軸上的四個金屬片與線圈的外殼是連在一 起的，而這四個金屬片又是與三極體的基極連在一起的，在磁極外側的金屬片又是與地是 連在一起的。參考圖7，當線圈與金屬片接觸時，三極體Tl截止，光電耦合器14不工作，線圈角 度檢測器11的輸出為高電平，單片機的Pl 口得到高電平「1」信號。轉子繼續旋轉後，線圈 脫離金屬片，三極體基極得到高電平，三極體Tl導通，光電耦合器14開始工作，線圈角度檢 測器11的輸出為低電平，單片機的Pi 口得到低電平「0」信號。線圈角度信號檢測器10由四個金屬檢測片組成，對應著單片機的P10、P11、P12和 P13四個埠，需要注意的是，軸上的四個金屬片與線圈的外殼是連在一起的，而這四個金 屬片又是與三極體的基極連在一起的，在磁極外側的金屬片又是與地是連在一起的。這四 個轉子角度信號檢測器10分布在轉子5軸上不同的角度上，對應著四個碳刷，四個碳刷排 列在一條直線上，當碳刷與角度信號檢測器10接觸時，轉子角度信號檢測器10對地短路， 角度檢測信號輸出低電平；當碳刷與檢測器斷開時，轉子角度信號檢測器10對地斷開，角 度檢測信號輸出高電平。並且，當碳刷與檢測片接通時，光電耦合器不工作，PlO 口呈現高 電平。參考圖8，碳刷與金屬片接觸時，三極體Tl截止，光電耦合器不工作，線圈角度檢 測器11的輸出為高電平，單片機的Pl 口得到高電平「1」信號。轉子繼續旋轉後，碳刷脫離 金屬片，三極體基極得到高電平，三極體Tl導通，光電耦合器14開始工作，線圈角度檢測器 11的輸出為低電平，單片機的Pl 口得到低電平「0」信號。[0058]此外，轉子5軸上還設有八個線圈供電整流片13，它們對應著四個線圈，線圈的頭 和尾分別接在相對應的兩個整流片13上，確保線圈能在轉子旋轉的180°度內導電。至於 導電多少時間，由控制器完成。當轉子旋轉180°度後，線圈的頭和尾對調一次，線圈中的電 流就會反向流動。結合圖4，轉子上的線圈在軸的上部和下部所呈現的極性不同。當線圈在上部時， 外側呈S極；轉到下部時，外側呈N極。線圈相對於永久磁鐵的位置決定了線圈的帶電情 況，其變化周期為180°度。線圈何時通電與兩個因素有關，一是轉子相對於永久磁鐵的角度，二是線圈是在 轉子的內側還是外側。由於線圈在磁場中的位置不同，所產生的磁場中的極性也不同，電流 的方向也不同。本實用新型仍然採用傳統電動機的方法改變電流的方向，一個線圈對應於 兩片整流片，對應於線圈的頭和尾。轉子轉動一周，剛好兩個整流片和電源的正負極發生一 次變化。也就是電流方向的變化由轉子自動完成，而線圈何時通電由單片機控制器完成。參考圖9，可以看出，當單片機P30 口輸出為高電平，三極體Tl導通，光電耦合器開 始工作，T3和T4都導通，線圈Ll通過碳刷gll和gl2兩個碳刷對地產生電流。碳刷帶電 的極性不變，一個碳刷接地，另一個碳刷接三極體的發射極。當轉子旋轉180°度時，線圈 的頭和尾剛好也旋轉180°度，也就是說，a、b兩點對換一次，本來是a點與碳刷gll相接， 而在旋轉180°度後，b點與碳刷gll相接，a點與碳刷gl2相接。對於線圈位置信號檢測 器11，當線圈6處於轉子的外側時，光電耦合器不工作，P14 口呈現高電平。單片機通過輸 入指令，採集信號，經過軟體處理後，P30 口輸出高電平，光電耦合器開始工作，線圈6通電， 電機開始旋轉。當電機旋轉一定的角度，碳刷與檢測片脫離接觸，與此同時，線圈6也已經 移動到轉子的內側，單片機通過輸出指令，使P30 口輸出低電平，光電耦合器不工作，線圈6 不通電。這時電機轉子已轉過了 90°度。另外三個90°度的工作過程與第一個90°度是 一樣的。當然，本發明創造並不局限於上述實施方式，熟悉本領域的技術人員在不違背本 實用新型精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請 權利要求所限定的範圍內。
權利要求一種動圈式電動機，包括設置在底座(1)上的機殼(2)，所述機殼(2)內設有作為定子的永久磁鐵(3，4)和轉子(5)，所述轉子(5)的輪輻(51)上設有線圈繞組(6，7，8，9)，其特徵在於所述永久磁鐵(3，4)水平方向放置，所述線圈繞組(6，7，8，9)可沿輪輻(51)徑向方向移動，所述轉子軸(52)上設有線圈角度信號檢測器(10)，所述輪輻(51)上設有線圈位置信號檢測器(11)，所述線圈角度信號檢測器(10)與線圈位置信號檢測器(11)與控制器電連接。
2.根據權利要求1所述的動圈式電動機，其特徵在於所述線圈繞組(6，7，8，9)帶有 能與其一起沿輪輻(51)徑向方向移動的鐵芯。
3.根據權利要求1所述的動圈式電動機，其特徵在於所述角度信號檢測器(10)為金屬片ο
4.根據權利要求1所述的動圈式電動機，其特徵在於所述位置信號檢測器(11)為金屬片ο
5.根據權利要求1或2所述的動圈式電動機，其特徵在於所述輪輻(51)為無磁性輪輻ο
專利摘要本實用新型公開了一種動圈式電動機。包括設置在底座上的機殼，機殼內設有作為定子的永久磁鐵和轉子，轉子的輪輻上設有線圈繞組，永久磁鐵水平方向放置，線圈繞組可沿輪輻徑向方向移動，轉子軸上設有線圈角度信號檢測器，輪輻上設有線圈位置信號檢測器，線圈角度信號檢測器與線圈位置信號檢測器與控制器電連接。本實用新型的動圈式電動機可以通過位置檢測器和角度檢測器檢測出線圈的狀態並反饋給控制器，由控制器根據轉子線圈的位置，實時控制線圈的通電時間和順序，而線圈繞組可以移動，可以利用重力和永久磁鐵的吸引力避免制動過程，充分利用了電能，更加有效地實現了電能向動能的轉換，提高了電動機效率，達到了節約電能的目的。
文檔編號H02K29/12GK201577014SQ20092026480
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者于斌, 史曉強, 張建超, 胡成偉 申請人:廣州民航職業技術學院