環式電機的製作方法

2023-11-01 05:47:52 2

專利名稱：環式電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於各種發動機、電動汽車及機械等領域使用的電機，具體地說是一種無軸環式電機。
背景技術：
目前，現有的各種電機都是由轉軸、軸承、端蓋、外殼等部件構成的獨立式結構，它與其它機械的傳動是通過皮帶、齒輪或轉軸連接完成工作的。隨著國民經濟的發展、科學技術的進步和人民生活的提高，都對電機的性能提出了更新更高的要求。特別是汽車領域，仍然使用的還是傳統獨立式結構的風冷發電機和電磁開關起動機。現代汽車正在向大功率、低排汙、高度的經濟性和工作可靠性以及舒適豪華性等方面發展，更高的經濟性要求和電器負荷的不斷增加，使現今汽車的發電機、起動機及12V供電系統已不能適應現代需求。

發明內容本發明的目的在於提供一種簡化改變傳統電機結構與機械傳動模式，使電機與發動機或其它機械設備的結合更合理緊湊，實現高效「機/電」一體化，降低生產成本，並最大限度提高電機的驅動可靠性和工作效率的無軸環式電機。
為實現上述目的，本發明採取的技術方案為一種環式電機，沒有傳統電機本體轉軸、端蓋、外殼、軸承等零部件，只由環狀形定子組體與環狀形轉子組體兩部分組成，將環狀形定子組體設計安裝在發動機體、飛輪殼體或其它機械固定體上，將環狀形轉子組體設計安裝在發動機旋轉飛輪或其它機械旋轉體上，利用發動機或其它機械裝置的轉軸、軸承和外殼等構成機械/電機一體化新結構，使電機與發動機或其它機械裝置共軸運轉直接驅動。
本發明提供的環式無軸電機具有以下特點①、建立機電新理念，採用新的設計概念與分析方法，只用環狀形定子組體和轉子組體兩部分，構成一種全新「機/電」一體化無軸環式電機。
②、改變了傳統的電機結構及安裝傳動模式。無電機本體轉軸、軸承、端蓋、外殼等部件，利用其它機械轉軸、軸承和外殼等構成機械/電機一體化結構，具有與其它機械共軸運轉、直接驅動的工作特性，使電機及機械裝置結構更簡單合理緊湊，徹底消除了電機的維修保養等問題。
③、環式電機具有軸向尺寸短，傳動力矩大，定子和轉子可無鐵心，安裝使用方便，生產成本低，無需散熱裝置，工作溫度低，驅動可靠性高，使用壽命長等特點。
④、環式電機結構形式靈活多樣，按不同的安裝結構有邊環式、外環式、內環式以及多組定子和轉子構成的環式組合電機和並聯電機等，可作為永磁同步、感應異步、步進、並聯、組合、無刷直流、起動/發電復用等各種類型的電機使用。
⑤、環式電機應用廣泛，且在各領域的每一項應用都將構成一種新結構的高效機/電一體化裝置。
⑥、在汽車領域，可設計機/電一體化結構高效節能發動機。環式起動/發電復用裝置，具有大功率多電壓供電特性，使發動機實現了電動水泵、電動空調等全電動化自動控制。使發動機具有無皮帶傳動、低噪音、極高的工作可靠性和經濟性，以及最大限度提高了發動機整體的使用壽命。還可將環式起動/發電機設計為混合動力電動汽車，起動機在發動機起動至高速時起加速輔助作用，使汽車很快達到經濟行駛速度，此時起動機又作為發電機供蓄電池充電和用電負載使用。從而使21世紀的汽車使用大功率多電壓「機/電」一體化高效節能發動機成為現實。
⑦、在水泵領域，使水泵與電機實現一體化結構，取消了水泵電機風冷式散熱部件及外殼、端蓋、軸承等零部件。環式電機定子組體安裝在水泵體上，定子組體採用泵水循環散熱結構方式，將定子組體產生的熱量由循環泵水帶走，構成一種結構簡單合理並無噪音的高效水泵。同功率的環式電機比現有水泵電機省銅40％，省矽鋼片60％，效率大大提高，工作溫度很低，傳動力矩大。還可實現同體雙電機運轉二級泵水新型水泵，大大提高了泵水揚程。


圖1為環狀形定子組體的主視圖；圖2為圖1的A-A剖視圖；圖3為環狀形永磁轉子組體的主視圖；圖4為圖3的俯視圖；圖5為環狀形感應轉子組體的主視圖。
圖6為圖5的俯視圖；圖7為300°環狀形定子鐵心的結構示意圖；圖8為360°環狀形定子鐵心與繞組的安裝示意圖；圖9為內環式電機結構示意圖；圖10為圖9的B-B剖視圖；圖11為外環式感應轉子組體主視圖；圖12為圖11的C-C剖視圖；圖13為環狀形並聯定子組體的主視圖；圖14為圖13的D-D剖視圖；圖15為環狀形並聯永磁轉子組體的結構示意圖；圖16為圖15的E-E剖視圖；圖17為環式起動/發電機結構示意圖；圖18為環式起動/發電機控制電路原理圖；圖19為環式異步電機結構示意圖。
具體實施方式
圖中1-定子組體；2-永磁轉子組體；3-感應轉子組體；4-定子鐵心；5-固定底板；6-間隙調整墊片；7-永久磁鐵；8-轉子繞組；9-定子繞組；10-導磁鐵心；11-安裝孔；12-固定孔；13-嵌線槽；14-鋁合金；15-內導電環；16-外導電環；17-導電條；18-控制電路；19-MOSFET 柵極驅動電路；20-發動機氣缸體；21-發動機曲軸；22-發動機飛輪；23-離合器；24-發動機飛輪外殼體；25-變速箱；26-變速箱傳動軸；27-水泵旋轉飛輪；28-水泵進水口；29-水泵出水口；30-通水孔；31-泵水葉輪；32-水泵轉軸；33-水泵殼體。
本發明提供的環式電機，主要由環狀形定子組體1和環狀形永磁轉子組體2(或感應轉子組體3)構成，將環狀形定子組體1設計安裝在發動機體、飛輪殼體或其它機械固定體上，將環狀形轉子組體2設計安裝在發動機旋轉飛輪或其它機械旋轉體上，利用發動機或其它機械裝置的轉軸、軸承和外殼等構成機械/電機一體化新結構，使電機與發動機或其它機械裝置共軸運轉直接驅動。
該環式電機按不同的安裝結構可分為邊環式、內環式、外環式、並聯式以及多組定子組體、轉子組體構成的組合式等。
邊環式電機主要由環狀形定子組體1和環狀形永磁轉子組體2或感應轉子組體3構成。
如圖1、2所示，環狀形定子組體1由環狀形定子鐵心4(有單面槽鐵心、雙面槽鐵心和無槽鐵心)、固定底板5、間隙調整墊片6、定子繞組9(可採用多種布線方式)等構成。定子鐵心4上繞有定子繞組9，將其通過固定孔12固定在底板5的上端面上，調整墊片6通過安裝孔11安裝在底板5的下端面上。定子鐵心4可以有120°、180°、300°、360°等環狀形。
如圖3、4所示，環狀式永磁轉子組體2由多塊帶定位孔的扇形(或圓形等其它形狀)的永久磁鐵7，依次按N-S極交替安裝在專用模具中，用鋁合金14(或高強度塑料)壓注製成永磁轉子組體2，最後充磁使用。鋁合金14上設有安裝孔11。
將上述圖1、2所示的環狀形定子組體1安裝在發動機體(飛輪殼體)或其它機械固定體端面上，將上述圖3、4所示的環狀形永磁轉子組體2安裝在發動機旋轉飛輪或其它機械旋轉體端面上，這樣，環狀式定子組體1與環狀形永磁轉子組體2便構成一種邊環式永磁電機。
如圖5、6所示，這是一種環狀式感應轉子組體3，它由內圓形導電環15、外圓形導電環16與多根連接兩環的導電條17構成轉子繞組8，專用環狀式轉子繞組8可採用銅條或鋁條焊接製成，將一組或多組繞組8安裝後，放入專用模具通過注鋁或注塑構成感應轉子組體3，環狀形感應轉子組體3與圖1、2所示的環狀形定子組體1構成一種邊環式感應電機。
圖7所示的是一種300°環狀形定子鐵心，其上有嵌線槽13，300°定子鐵心由矽鋼片衝壓卷繞製成。
圖8所示的是另一種360°環狀形定子鐵心，它由帶料矽鋼片衝槽卷繞製造，或採用分片衝壓疊卷對焊製成，其上開有固定孔12。繞組9用專用卡具及高精度繞線機製成，並嵌入定子鐵心的端面嵌線槽13中，繞組9裝配後通過專用模具注塑構成整體全封式定子組體1，或直接注塑為無鐵心繞組體。
內環式電機是一種內轉子環式電機，也就是說環狀形永磁轉子組體2或環狀形感應轉子組體3在環狀形定子組體1內部運轉工作。
圖9、10所示為一種永磁內環式電機。環狀形定子組體1直接安裝固定在發動機飛輪外殼體或其它機械旋轉體外部的固定體上，環狀形永磁轉子組體2安裝在發動機飛輪的外周或其它機械旋轉體外周上，構成一種內環式永磁電機。其中由矽鋼片衝壓疊製成的環狀形定子鐵心4與繞組9通過嵌線注塑構成全閉式環狀形定子組體1，環狀形定子組體1的嵌線槽13設在定子鐵心4的內圓上。將一定對數的瓦片形永久磁鐵7，依次按N-S極方式交替固定在圓環形導磁鐵心10的外周上，構成環狀形永磁轉子組體2；導磁鐵心10也可採用矽鋼片衝壓疊成，導磁鐵心10上衝有梯形永磁安裝孔和注鋁孔，鐵心注鋁後嵌入梯形永磁7，構成環狀形永磁轉子組體2。
內環式感應電機，其環狀形感應轉子組體3由兩同徑圓形導電環15、16與多根連接兩環的導電條17構成轉子繞組8，轉子繞組8由銅和鋁條焊接製成，繞組8放入內環式專用模具通過注鋁14或注塑，構成內環式感應轉子組體3，將其安裝在發動機飛輪的外周或其它機械旋轉體外周上，它與固定在發動機飛輪外殼體或其它機械旋轉體外部固定體上的環狀形定子組體1一起構成感應內環式電機。
外環式電機是一種外轉子環式電機，也就是說環狀形轉子組體2在環狀形定子組體1外部運轉工作。
圖11、12所示為一種外環式感應轉子組體3的結構示意圖，它由兩同徑圓形導電環15、16與多根連接兩環的導電條17構成轉子繞組8，外環式轉子繞組8由銅和鋁條焊接製成，轉子繞組8放入專用外環式模具通過注鋁或注塑構成外環式感應轉子組體3。定子組體1與上述相同，仍由矽鋼片衝壓疊製成的環狀定子鐵心4與繞組9通過安裝注塑構成，與內環式定子組體1不同的是，嵌線槽13通常設在定子鐵心4的外圓上。定子組體1安裝在旋轉體內部的固定體上，感應轉子組體3通過安裝孔11固定在定子組體1外部的旋轉體上，構成一種感應外環式電機。
同樣，由矽鋼片衝壓製成的帶有梯形磁鐵安裝孔和注鋁孔的圓環形轉子導磁鐵心10，通過注鋁後安裝梯形永久磁鐵7，構成永磁外轉子組體2，它與定子組體1構成一種永磁外環式電機。
圖13、14是一種邊環式並聯電機定子組體1的結構圖，其定子組體1由固定底板5、間隙調整墊片6、兩套不同直徑的環形定子鐵心4和繞組9構成。兩套定子鐵心4與繞組9固定在底板5的上端面上，注塑構成全封邊環式並聯定子組體1。
圖15、16是一種邊環式並聯永磁轉子組體2的結構圖，由兩組多塊帶定位孔的扇形(或圓形等其它形狀)的永久磁鐵7，依次按N-S交替安裝在專用模具中，用鋁合金14(或高強度塑料)壓注製成並聯永磁轉子組體2，最後充磁使用，構成並聯雙永磁轉子組體2。
上述並聯定子組體1安裝在發動機氣缸體或其它機械的固定體端面上，兩套定子繞組並聯工作，轉子組體2安裝在發動機飛輪或其它機械旋轉體端面上。並聯定子組體1與並聯永磁轉子組體2構成一種特殊的邊環式並聯永磁電機。當然，與此同理，還可採用多組環狀形定子組體1和環狀形轉子組體2或3構成各種並聯或組合環式電機。
圖17是一種發動機用永磁環式起動機、發電機復用裝置，即是一種環式起動/發電機。其定子組體1採用36槽12極單層鏈式三相繞組布線結構，整體安裝注塑構成環形定子組體1，定子組體1可採用起動繞組和發電繞組多繞組結構。將定子組體1安裝在發動機氣缸體20的後端面上。採用6對12塊扇形釹鐵硼永磁材料7，通過注鋁充磁製成環形永磁轉子組體2，永磁轉子組體2安裝在飛輪22的前端面上。將定子組體1與永磁轉子組體2調整構成一定徑向氣隙並磁通方向為軸向的邊環式電機。圖中21-曲軸；23-離合器；24-發動機飛輪外殼體；25-變速箱；26-變速箱傳動軸。
如圖18所示，該裝置採用一套低功耗、大電流的功率半導體變流器，使用新型功率MOSFET構成三相橋式電路。當起動發動機時，該電路將汽車12V(或24V)直流電逆變為三相交流電，供定子組體1的三相繞組產生旋轉交變磁場，從而感應永磁轉子組體2與飛輪按發動機工作方向旋轉。在較短的時間內使發動機起動運轉工作，起動電流方向如圖實線箭頭所示。發動機起動完畢後即正常運轉工作，此時，永磁轉子組體2與飛輪22按起動方向繼續旋轉使定子組體1感應產生三相交流電，這時利用MOSFET反向特性，在柵源控制信號的作用下，使電流由MOSFET的漏極流向源極(S→D)，從而使功率半導體變流器又作為三相全控整流調壓電路工作，把定子組體1輸出的三相交流電，通過調壓整流成直流電供給蓄電池和汽車電器負載，電流的流向如圖虛線箭頭所示。其中18-控制電路；19-MOSFET柵極驅動電路。
圖19是一種環式三相異步電機構成的一種水泵，三相定子組體1安裝在水泵殼體33的端面上，感應轉子組體3安裝在飛輪27的端面上，構成一定徑向氣隙並磁通方向為軸向的三相感應異步電動機。當定子組體1通三相交流電時，感應轉子組體3隨飛輪27旋轉，並通過轉軸32帶動葉輪31旋轉工作泵水。水輸入進水口28，由葉輪31通過通水孔30泵入水泵體內，水在泵體內循環後，通過出水口29輸出。定子組體1採用泵水循環散熱結構，即泵水經過葉輪31加壓通過通水孔30進入泵體內循環後輸出，定子組體1與水泵殼體直接相連，定子組體1產生的熱量通過循環水帶走，這樣大大降低了環式電機的工作溫度。小功率水泵旋轉飛輪無需安裝散熱風扇，大功率異步電機旋轉飛輪用鋁合金壓注製成，並帶有散熱孔和散熱風扇，便於降低感應轉子組體3的工作溫度。環式電機構成的水泵實現了水泵與電機一體化結構，取消了電機外殼、端蓋、軸承傳動裝置等部件，簡化了結構、降低了成本，構成一種工作溫度很低、結構簡單合理緊湊的水冷式無噪音的高效水泵。
權利要求
1.一種環式電機，其特徵在於它只由環狀形定子組體(1)與環狀形轉子組體(2或3)兩部分組成，將環狀形定子組體(1)安裝在發動機體或飛輪殼體及其它機械固定體上，將環狀形轉子組體(2或3)安裝在發動機旋轉飛輪或其它機械旋轉體上，利用發動機或其它機械裝置的轉軸、軸承和外殼等構成機械/電機一體化新結構，使電機與發動機或其它機械裝置共軸運轉直接驅動。
2.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於上述環狀形定子組體(1)由環狀形定子鐵心(4)、固定底板(5)、間隙調整墊片(6)、定子繞組(9)等構成，定子鐵心(4)上繞有定子繞組(9)，將其通過固定孔(12)固定在底板(5)的上端面上，間隙調整墊片(6)通過安裝孔(11)安裝在底板(5)的下端面上。
3.根據權利要求2所述的環式電機，其特徵在於上述定子鐵心(4)可以製成120°、180°、360°等環狀形結構，繞組(9)嵌入定子鐵心(4)後用專用模具注塑成整體全封式定子組體(1)；或將繞組(9)注塑為無鐵心環式定子組體(1)，定子繞組(9)可採用起動繞組和發電繞組多繞組結構。
4.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於上述環狀形轉子組體(2)由多塊帶定位孔的扇形、圓形或其它形狀的永久磁鐵(7)，依次按N-S極交替安裝在專用模具中，用鋁合金或高強度塑料(14)壓注製成永磁轉子組體(2)充磁使用，鋁合金或高強度塑料(14)上設有安裝孔(11)。
5.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於上述環狀形轉子組體(3)是由內圓形導電環(15)、外圓形導電環(16)與多根連接兩環的導電條(17)構成轉子繞組(8)，轉子繞組(8)可採用銅條或鋁條焊接製成，將安裝好的一組或多組繞組(8)，放入專用模具通過注鋁或注塑構成感應轉子組體(3)。
6.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於上述環狀形轉子組體(3)由兩同徑圓形導電環(15、16)與多根連接兩環的導電條(17)構成轉子繞組(8)，轉子繞組(8)由銅和鋁條焊接製成，轉子繞組(8)放入專用外環式模具通過注鋁或注塑構成外環式感應轉子組體(3)。
7.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於上述環狀形定子組體(1)安裝在發動機體或飛輪殼體及其它機械固定體端面上，環狀形轉子組體(2或3)安裝在發動機旋轉飛輪或其它機械旋轉體端面上，構成一種永磁或感應邊環式電機。
8.根據權利要求1或7所述的環式電機，其特徵在於將環狀形定子組體(1)安裝在發動機氣缸體(20)的後端面上，將環狀形永磁轉子組體(2)安裝在發動機飛輪(22)的前端面上，將定子組體(1)與永磁轉子組體(2)調整構成一定徑向氣隙並磁通方向為軸向的邊環式電機。
9.根據權利要求1或7所述的環式電機，其特徵在於三相環狀形定子組體(1)安裝在水泵殼體(33)的端面上，採用泵水循環散熱式結構，感應轉子組體(3)安裝在水泵飛輪(27)的端面上，構成一定徑向氣隙並磁通方向為軸向的三相感應異步環式電機。
10.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於上述環狀形定子組體(1)直接安裝固定在發動機飛輪殼體或其它機械旋轉體外部的固定體上，環狀形轉子組體(2或3)安裝在發動機飛輪的外周或其它機械旋轉體外周上，構成一種永磁或感應內環式電機。
11.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於上述環狀形定子組體(1)安裝在旋轉體內部的固定體上，環狀形轉子組體(2或3)安裝在定子組體(1)外部的旋轉體上，構成一種感應或永磁外環式電機。
12.根據權利要求1所述的環式電機，其特徵在於可以採用多組上述環狀形定子組體(1)和環狀形轉子組體(2或3)構成一種並聯或組合環式電機。
全文摘要
一種無軸環式電機,只由環狀形定子組體(1)與環狀形轉子組體(2或3)兩部分組成,將環狀形定子組體(1)安裝在發動機體或飛輪殼體及其它機械固定體上,將環狀形轉子組體(2或3)安裝在發動機旋轉飛輪或其它機械旋轉體上,利用發動機或其它機械裝置的轉軸、軸承和外殼等構成機械/電機一體化新結構,使電機與發動機或其它機械裝置共軸運轉直接驅動。該環式電機改變簡化了傳統電機結構與機械傳動模式,使電機與發動機或其它機械設備的結合更合理緊湊,實現高效「機/電」一體化結構,降低了生產成本,並最大限度提高電機的驅動可靠性和工作效率。它還具有無需散熱裝置、工作溫度低、電動/發電功率大、工作效率高、傳動力矩大等特性,並消除了電機的維修保養等問題。
文檔編號H02K5/16GK1350357SQ0112569
公開日2002年5月22日 申請日期2001年9月8日 優先權日2001年9月8日
發明者賀雷 申請人:賀雷