CN1363979A - 轴向绕组直流无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明轴向绕组直流无刷电动机,其结构由机壳、端盖、轴承、定子、转子、传感定子、传感转子、驱动电路等构成。其特征是永磁体装置在定子上,固定不动,定子中部为两个轴向螺旋线管绕组,每个绕组两端有偶数对极的永磁体,外缘是导磁的瓦形支架。转子外缘为两个管状软磁体,每个软磁体两端与定子永磁体相对部分有与定子极对数相同的齿,转子中心有非磁性隔离管,管中心装置电机轴,电机轴支于二轴承上,轴承安装置在二端的端盖上,端盖与机壳相连。两个绕组正反向轮流通电,构成四拍运转电机。本发明轴向绕组直流无刷电动机具有工艺结构简单、牢固,绕组导体利用率高、力矩大的优点。

Description

轴向绕组直流无刷电动机

本发明轴向绕组直流无刷电动机是一种全新的直流无刷电动机，它的绕组为固定于定子上的两个带有骨架的轴向螺旋线管。该轴向绕组通电后使转子上的管状软磁材料磁体产生磁通，该磁通使转子上的与定子永磁体相对的齿变为磁极，这些磁极与定子相互产生磁作用而使转子旋转。转子上有带永磁体的传感转子。而后端盖上有传感定子。传感定子上的霍尔开关元件作为位置传感器检测转子的位置。控制电路按传感定子上检测得到的转子位置信号在转子处于一定位置时对轴向绕组通以对应的定方向的电流。两个轴向绕组轮流通以正反两个方向的电流，构成四拍运转电机。通常将定子做成偶数极对数，如二对极、四对极等。本实施例中举出的是四对极电机。对于中小型电机，四对极实施方案为最佳方案。

下面结合本发明轴向绕组直流无刷电动机的一个实施例的附图，对该电机作进一步说明。图1为轴向绕组直流无刷电机的结构示意图，它的外部结构件为非导磁体机壳9、前端板1、后端板10。前后各一个轴承3。电机的转子外缘为管状软磁体7和22，中部有非磁性隔离管18，该管一般用无磁不锈钢管制成。转子中心为钢轴2，它支撑于轴承3上，轴承3装置于前端板1和后端板10上。定子由永磁体4和21、瓦形支架5和20、以及轴向绕组6和19组成，分成前后完全相同的两段，两段间有无磁的隔环8隔开。两个绕组的引线13通过磁体4和21与机壳9、瓦形支架5和20与机壳9间的槽缝以及后端盖10上的圆孔、通路套管12、通过尾罩11后壁引到外部，与控制电路(未标)连接。在后端盖10上装置有传感定子17。在电机轴的尾部装置有转感转子16。传感定子的引线14通过通路套管15穿过尾罩11的后壁引到外部，与控制电路(未标)连接。

图2为本发明轴向绕组直流无刷电动机的定子与转子磁极部分横面图。该实施例中，永磁体采用瓦形结构。在本实施例图2中，瓦状钕铁硼永磁体2与软磁体1相贴，呈如图示的极性相间的排列，其极对数为4，即有4个N极和4个S极。相邻磁极用铝块6隔开。如图1所示，定子和转子都分为相同的两段。设图中左边的为第一段，右边的为第二段。第一段左边的N性磁极通过软磁体1紧贴处于第一段中部的瓦形支架5的一端，瓦形支架5的另一端又与右边的软磁体1相贴。到达右边的S极磁极。磁力线从N极出发，经过瓦形支架5到达S极。若左边的磁极为S极，磁力线从右边的N极出发，经过另一个瓦形支架到达左边的S极，再通过转子管状软磁体7闭合。

在相邻的瓦形支架间有宽度与瓦形支架宽度相当的大的间隙，增大间隙的目的是增加两个瓦形支架间磁阻，以减少漏磁。其中的一条间隙槽缝被用来引出定子绕组引线。

如图2所示，转子的管状软磁体在对着定子永磁体的一段形成4个齿，齿和槽所占的圆周角度大体相等。转子中部为厚不锈钢管4和电机轴5。若用不锈钢轴，就可以去掉不锈钢管。定子的两段制成磁极的周向位置相同的结构，而将转子的两段齿的周向位子相互错开1/4极距，即错开半个齿宽22.5°机械角。也可以使转子齿周向位置一致而使定子磁极错开1/4极距。

传感转子是一个铝质圆盘，在对着传感定子上霍尔开关元件的径向位置上有一道环形槽，槽中均匀分布着4块弧度稍大于22.5°的弧形磁片。传感定子是一块半圆形中间有半圆孔的印制板，上面均匀分布着4个间距为22.5°的霍尔开关元件，呈弧形分布。印制板上的电路将这些元件连接起来，并用导线引出电机本体，与控制电路连接。它固定在电机的后端盖上，与电机二定子的相对周向位置不变。霍尔元件就是电机转子位置传感器。

电机的工作原理是：当电机的一个绕组通以一定方向电流时，转子的这一段软磁体其一端的齿为S极，另一端的齿为N极，这两端的磁极与定子上两端的磁极相互作用，产生切向力使电机转动。

设在初始状态时，对应于A相驱动电路的霍尔传感器处于传感转子磁极之下，受到传感的霍尔传感器将这一信号送到A相驱动电路，激发电路工作，向第一段的绕组通以正向电流，这时转子的第一段上，左边的齿为S极，右边的齿为N极，它的位置与定子上相近的N极和S极有一个周向角度差，磁极相互作用产生切向力，使转子顺时针转动，直至转子齿左边的S极对准定子左边磁极N极，转子达到稳定位置，才停止转动。

在这一位置下，A相的位置传感器停止作用，A相电流断。B相的位置传感器开始作用，B相通电，第二段的定子绕组通以正方向电流。由于第二段转子错开22.5°，右边的转子齿要达到稳定位置，还需顺时针转动22.5°，故在B相电流驱动下，转子顺时针转动22.5°，达到第二个稳定位置。

在第二个稳定位置下，B相霍尔传感器停止作用，B相电流断。C相传感器开始作用，C相电流通，第一个绕组通以反相电流。由于两段转子错开22.5°，故转子又顺时针转动22.5°，达到第三个稳定位置。

在第三个稳定位置下，C相传感器停止作用，D相传感器开始作用，D相电流通，第二个绕组通以反向电流，仍因两段转子齿错开22.5°，转子又顺时针转子22.5°，到达第四个稳定位置。

在第四个稳定位置下，D相传感器停止作用，A相传感器开始传感，使A相导通，电机顺时针旋转，重复开始的过程，这样驱动电路以四拍方式轮流对电机绕组供电，电机就不停地沿同一方向运转。

电机在实际工作中，不等到达到稳定位置就换路，这靠调节传感转子的位置来实现。一次性固定地改变方向，也可以用调节传感转子位置来实现。若电机作伺服电机使用，要随机地反复改变电机的转向，就要用方向控制电路来实现。

本发明轴向绕组直流无刷电动机与传统的径向绕组、永磁体为转子的直流无刷电动机相比，它除了具有直流无刷电动机的无触点、无火花、无电磁干扰的共同优点外，还具有如下优点：

1.绕组为轴向绕组，工艺极为简单，绕制和拆装都很容易。

2.绕组导体利用率高，全部绕组在通电时均产生磁通，不存在径向绕组电机两端有一段无效导体的情况，故导体利用率比一般电机提高30％左右。

3.轴向绕组绕在骨架上，绝缘性好。又因骨架紧贴瓦形支架，靠近机壳，散热也较容易。

4.永磁体固定，成为定子的一部分。这一点不同于其它的所有直流无刷电动机。固定的永磁体更容易制作。由于磁体固定不动，不受离心力影响，就不会带来强度上的问题，固定也较容易，比在转子上用永磁体简单可靠。

5.比起一般径向绕组直流无刷电动机来，本发明轴向绕组直流无刷电动机在同样机壳尺寸的条件下，定子的内径相对较大，故能产生较大的力矩。

本发明轴向绕组直流无刷电动机驱动电路采用双H桥电路，为调速的需要，驱动电路采用PWM调制电路进行调速。

Claims (4)

1.一种轴向绕组直流无刷电动机，其结构由机壳、端盖、轴承、定子、转子、传感定子、传感转子、驱动电路等构成。其特征是：永磁体装置在定子上，固定不转动，定子中部为两个轴向螺旋线管绕组，螺旋线管绕组两端为偶数极对的永磁体，定子外缘是软磁的瓦形支架，转子外缘为两个管状的软磁体，每个软磁体两端与定子永磁体相对部分有与定子极对数相同的齿，转子中心有非磁性材料隔离管，管中心装置电机轴。电机轴支于二轴承上，轴承装置在二端的端盖上，端盖与机壳相连。

2.根据权利要求1所述的轴向绕组直流无刷电动机，其特征是：转子齿所占的周向角度与槽所占的周向角度大体相同。

3.根据权利要求1所述的轴向绕组直流无刷电动机，其特征是：其定子和转子具有相同的两段，其定子的每段中各有一个轴向螺线管绕组以及各自的永磁体和导磁瓦形支架。若两段的转子齿周向位置相同，则两端定子磁极就要在周向错开1/4极距。也可以使定子磁极周向位置一致，而使两段转子齿周向错开1/4极距。

4.根据权利要求1所述的轴向绕组直流无刷电动机，其特征是：控制电路在位置传感器的控制下分别在不同时间向两个轴向绕组供给正向或反向的电流，构成电机的四拍运转。

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