CN201134605Y - 高效低惯量长寿命空芯电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高效低惯量长寿空芯电机，包括电机外壳、安装在电机外壳内的转子、定子、与转子固定连接的电机转轴、与转子同步转动的换向器以及与换向器配合的滚动电刷结构；滚动电刷结构包括滚动电刷；换向器和滚动电刷相配合的面分别为相凹凸配合的回转面，回转面的母线为曲线，形成良好的接触，并且回转面的母线为曲线，使得两者的接触线长度大大加长，消除了传统滚动电刷在有限的空间内不能承受大电流的瓶颈，使有刷电机能够真正做到大功率、高效率、高动态性能和长寿命。该电机比传统有刷电机效率提高8％以上，换向器寿命可以超过10000小时。且转子采用磁碟式转子，而定子采用聚磁双面定子，使得该电机功率密度高、功率大、效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及稀土永磁电机，特别的，涉及一种高效低惯量长寿命的空心电机。
背景技术
传统的有铁芯有刷电机的转动惯量、机电时间常数、转矩波动都较大，齿槽结构又成为散热的瓶颈。铁芯结构的存在，使铜损和铁损成为电机的主要损耗。由于电刷与换向器之间存在着相对线速度很大的滑动摩擦，导致电刷和换向器的磨损很快，严重影响了有刷电机的寿命和可靠性；加之电刷和换向器之间存在接触电火花，造成电能的大量损失，因而大大降低了有刷电机的效率。传统的滚动电刷由于电刷和换向器之间是线接触，要通过大的电流，就要使电刷与换向器接触线尽量长，这样不但增加了换向器的长度，浪费材料，而且造成了电机结构上的不协调。正是由于传统电机的这些不足，限制了这些电机的应用场合。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的电刷与换向器之间接触线短难以满足大电流需求的缺陷，提供一种电刷与换向器之间为滚动接触、并且其接触线较长的高效低惯量长寿命空芯电机。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高效低惯量长寿空芯电机，包括电机外壳、安装在所述电机外壳内的磁碟式转子、与转子配合的聚磁双定子、与所述转子固定连接的电机转轴、与所述转子同步转动的曲面换向器以及与所述换向器配合的滚动电刷结构；所述滚动电刷结构包括滚动电刷；所述换向器和滚动电刷相配合的面分别为相凹凸配合的回转面，所述回转面的母线为曲线。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述滚动电刷设置在所述换向器外侧形成外切接触、或者所述滚动电刷设置在所述换向器内侧形成内切接触、或者分别将所述滚动电刷设置在所述换向器外侧和内侧形成外切和内切接触。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述换向器为外凹内凸型或者外凸内凹型；
当所述换向器为外凹内凸型时，设置在所述换向器外侧的所述滚动电刷为凸型滚动电刷，而设置在所述换向器内侧的所述滚动电刷为凹型滚动电刷；
当所述换向器为内凹外凸型时，设置在所述换向器外侧的所述滚动电刷为凹型滚动电刷，而设置在所述换向器内侧的所述滚动电刷为凸型滚动电刷。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述滚动电刷结构还包括通过螺钉固定与所述电机外壳上的可更换电刷盒、固定在所述电刷盒内用于固定电刷的刷握、以及设置在所述刷握内推动所述电刷的弹簧。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述刷握上设有用于定位所述电刷的电刷定位柱和刷握边卡。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述定子为分别固定设置在所述电机外壳相对两侧内壁上的永磁阵列定子；所述转子为设置在所述两个定子之间的磁碟式转子绕组，所述转子绕组包括至少一个分别由导电材料绕制成型的多边形线圈；并且所述多边形线圈相错一定角度叠置并整形后固化成盘状。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述导电材料为一根或多根具有一定长宽比的扁形导电条。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述转子绕组的截面形状分别为“工”形，通过加固结构相对固定安装在所述电机转轴上。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述定子为导磁材料做成的圆盘；所述圆盘上开设有未贯通的凹槽，在所述凹槽内镶嵌有永磁体。
在本实用新型的高效低惯量长寿空芯电机中，所述永磁体的南极和北极交替分布，并且其数量为四的倍数，每个所述永磁体的形状为扇环形。
实施本实用新型具有以下有益效果：换向器和滚动电刷相配合的面分别为相凹凸配合的回转面，形成良好的接触，并且回转面的母线为曲线，使得两者的接触线长度大大加长，消除了传统滚动电刷在有限的空间内不能承受大电流的瓶颈，使有刷电机能够真正做到大功率、高效率、高动态性能和长寿命。经过具体实施的实例证明，该高效低惯量长寿电机比传统有刷电机效率提高8％以上，换向器寿命可以超过10000小时。
另外本实用新型还有以下的特点：
1、机电时间常数小：动态性能好；
2、高效率：无铁损耗，低接触电阻，火花小，绕组内阻低，温升小，电机效率高；
3、过载能力强：空芯磁碟式转子结构使电机有很高的抗过载能力和峰值转矩；
4、超低的转动惯量：空芯磁碟式转子使电机有极低的转动惯量；
6、超长的寿命：凸型滚动电刷结构使电机寿命是传统的8-10倍。
7、无齿槽效应：空芯磁碟式转子结构使电机无齿槽效应和磁阻转矩。
8、宽高效率范围：电机在1/4负载和满载之间均有较高的效率。
9、堆叠式结构：功率随着单体增多可以线性增长，尤其适合轮毂电机、混合动力的应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是具有本实用新型结构的电机总体图。
图2是具有本实用新型结构的精密绕组转子结构剖面图。
图3是具有本实用新型结构的转子内部线圈绕线结构图。
图4是本实用新型结构的永磁定子及磁轭盘的平面图。
图5是本实用新型结构的凹型换向器的整体结构示意图。
图6是本实用新型结构的凹型换向器的剖面示意图。
图7是本实用新型结构的凸型滚动电刷的结构示意图。
图8是凹型滚动电刷的结构示意图。
具体实施方式
图1是具有本实用新型结构的电机总体图，该电机包括电机外壳、相对安装在电机外壳内侧的聚磁双定子1、设在两个定子1之间的绕组空芯转子2、固定螺钉3、通过加固结构5与转子固定连接的电机转轴4、设在定子1和电机转轴4之间的轴承6、通过电刷盒安装在电机外壳上的滚动电刷结构7、以及与滚动电刷配合的转向器。电刷盒通过固定螺钉3固定安装在电机外壳上。通过电机转轴带动设备输出机械功率。
图2是具有本实用新型结构的精密绕组转子结构剖面图。图中的8是线圈的有效边，是电磁能量转换的主体。图中的9是线圈端线的压接部分，即相邻的两个不同相的绕组重叠部分。由若干个用一根或多根具有一定长宽比的扁形导电材料绕制形成的多边形线圈叠置并相错若干角度构成该绕组，经过整形后通过热固材料固化成型，制成图2形状的转子结构，这样大大节省了电机轴向的长度，使电机能够满足极其苛刻的薄型安装场合。
图3是具有本实用新型结构的转子内部线圈绕线结构图，图中的10是电机的U相，图中的11是电机的V相，图中的12是电机的W相。通过滚动电刷和换向器的机械换向，使电机的转子绕组形成旋转磁场，带动转轴输出机械功率。
图4是永磁定子平面图，为导磁材料做成的圆盘；圆盘上开设有未贯通的凹槽，在凹槽内镶嵌有永磁体。图中的13是磁极的N极，图中的14是磁极的S极。图中的15是具有隔磁作用和轴向磁场增强的隔磁阵列。永磁体的N、S极交替分布。永磁体的数目是4的倍数，如4、8、12、16、20、24等。永磁体的形状是扇环形状。隔磁阵列由与主磁极充磁方向正交的隔磁体构成，主要是减少极间漏磁，轴向磁场增强和起到磁束缚的作用。经过具体的实施实例证明，在同体积永磁体情况下，该聚磁结构比普通的单边永磁体结构气隙磁密增强10％左右。而且极大的改善了极面下气隙磁密的均匀性。
图5、图6分别是凹型换向器的整体结构和剖面图。图中16是换向器的整体结构。图中17、18分别是换向器的内表面和外表面，内、外表面均为回转面，回转面的为曲线，例如圆弧、双曲线等。在本实施例中，换向器为外凹内凸型，即外表面向内凹入、而内表面向内突出。该换向器结构既还可以做成内凹外凸型，即外表面向外突出、而内表面向内凹入。该换向器可以使用凸型滚动电刷，也可以使用凹型滚动电刷，也可以同时使用两种电刷组成可承受更大功率的双刷结构。
当换向器为外凹内凸型时，设置在换向器外侧的滚动电刷为凸型滚动电刷，而设置在换向器内侧的滚动电刷为凹型滚动电刷。
当换向器为内凹外凸型时，设置在换向器外侧的滚动电刷为凹型滚动电刷，而设置在换向器内侧的滚动电刷为凸型滚动电刷。
图7、图8是内外滚动电刷的结构图。图中19是电刷编织引线，通过引线将电流传递给电刷和换向器。图中20是电刷弹簧。图中21是刷握固定螺丝，通过螺丝将刷握固定在可更换的电刷盒内。图中22是电刷刷握，对电刷起定位和保护作用。图中23是电刷定位柱。图中25是刷握边卡。通过定位柱和刷握边卡使电刷稳定的保持在刷握内最小摩擦的位置。图中24、26分别是凹型滚动电刷和凸型滚动电刷，凸型滚动电刷可以用于外滚动结构中，凹型滚动电刷可以用于内滚动结构中，也可以内外同时用组成可承受更大功率的双刷结构。凸型滚动电刷在适当的压力下和凹型换向器接触，电机在转动时凸型电刷和凹型换向器之间几乎无相对运动。滚动电刷与换向器配合的表面为回转面，回转面的母线为曲线，例如圆弧、双曲线等。
本实用新型的工作原理是：电源通过凸型滚动电刷与换向器的良好接触传递给磁碟式空芯绕组，磁碟式空芯绕组由凸型电刷和凹型换向器的机械换向作用形成不断变化的旋转磁场，带动空芯转子转动并输出功率。由于凸型滚动电刷和换向器之间是滚动摩擦，因而这个相对运动的线速度比传统的电刷与换向器之间的相对线速度要小很多，从而使电机比传统有刷电机有更高的效率和更长的寿命。
该电机由凸型滚动电刷、磁碟式空芯转子和轴向磁场的聚磁双定子组成。具有效率高、无铁损耗、转动惯量低、接触火花小、电刷寿命长、启动力矩大、过载能力强、功率密度高、控制性能好等优点。从根本上解决了传统低惯量电机的一系列不足。因此广泛应用于机器人、数控机床、无人机、空间飞行器、电动汽车、雷达、尖端医疗器械、高速雕刻机和研磨机等需要超高性能的场合。
以上所述，尽管为了描述的需要，公开了本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来讲，依据本实用新型的同样的实用新型制造原理，还可以作出若干变形和改进，但是这些均属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种高效低惯量长寿空芯电机，包括电机外壳、安装在所述电机外壳内的磁碟式转子、与转子配合的聚磁双定子、与所述转子固定连接的电机转轴、与所述转子同步转动的曲面换向器以及与所述换向器配合的滚动电刷结构；所述滚动电刷结构包括滚动电刷；其特征在于，所述换向器和滚动电刷相配合的面分别为相凹凸配合的回转面，所述回转面的母线为曲线。
2.根据权利要求1所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述滚动电刷设置在所述换向器外侧形成外切接触、或者所述滚动电刷设置在所述换向器内侧形成内切接触、或者分别将所述滚动电刷设置在所述换向器外侧和内侧形成外切和内切接触。
3.根据权利要求2所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述换向器为外凹内凸型或者外凸内凹型；
当所述换向器为外凹内凸型时，设置在所述换向器外侧的所述滚动电刷为凸型滚动电刷，而设置在所述换向器内侧的所述滚动电刷为凹型滚动电刷；
当所述换向器为内凹外凸型时，设置在所述换向器外侧的所述滚动电刷为凹型滚动电刷，而设置在所述换向器内侧的所述滚动电刷为凸型滚动电刷。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述滚动电刷结构还包括通过螺钉固定与所述电机外壳上的可更换电刷盒、固定在所述电刷盒内用于固定电刷的刷握、以及设置在所述刷握内推动所述电刷的弹簧。
5.根据权利要求4所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述刷握上设有用于定位所述电刷的电刷定位柱和刷握边卡。
6.根据权利要求4所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述定子为分别固定设置在所述电机外壳相对两侧内壁上的永磁阵列定子；所述转子为设置在所述两个定子之间的磁碟式转子绕组，所述转子绕组包括至少一个分别由导电材料绕制成型的多边形线圈；并且所述多边形线圈相错一定角度叠置并整形后固化成盘状。
7.根据权利要求6所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述导电材料为一根或多根具有一定长宽比的扁形导电条。
8.根据权利要求7所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述转子绕组的截面形状分别为“工”形，通过加固结构相对固定安装在所述电机转轴上。
9.根据权利要求8所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述定子为导磁材料做成的圆盘；所述圆盘上开设有未贯通的凹槽，在所述凹槽内镶嵌有永磁体。
10.根据权利要求9所述的高效低惯量长寿空芯电机，其特征在于，所述永磁体的南极和北极交替分布，并且其数量为四的倍数，每个所述永磁体的形状为扇环形。
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| CN109365611A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-02-22 | 华南理工大学 | 一种电脉冲辅助旋压成形机床 |
| CN111725680A (zh) * | 2020-02-21 | 2020-09-29 | 黄国铭 | 一种滚动换向装置 |
| JP7637204B1 (ja) | 2023-09-27 | 2025-02-27 | 上銀科技股▲分▼有限公司 | 回転テーブル用電動ブラシモジュール |
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