高效节电直流永磁电机 一.技术领域：本发明涉及一种直流电机，特别是涉及一种结构新颖的高效节电直流永磁电机。
二.背景技术：随着人类文明的不断进步，工业化生产成为世界各国和城市增加国民经济收入的主要途径，广大农村的城市化、工业化也逐渐成为一种人类文明发展的潮流。但世界的繁荣和进步是以人类有限的物质资源、能源消耗为代价的，无论是工业发达的先进国家或是工业落后的第三世界国家，目前严重的资源、能源危机已成为全球性问题。世界各相邻国家的疆域土地纷争，除了维护国家主权完整因素外，对地下资源、海洋资源的争夺也是一个很大的原因。为了降低能源消耗，保证有限资源的充分利用，避免后代子孙坐吃山空，现在世界各国都在开发节能产品，尤其在工业、家用电器领域和工业锅炉燃料利用结构创新等方面，同行业科技竞争也进入白热化。为了子孙后代的千秋万业，世界各国重视节能机电设备的研制，已把现有能源的充分开发利用作为重要的研究课题。高速发展的现代科技，对于新型电动机的节能技术也进行了不断的探索。
正如我国，随着国民经济地飞速发展，综合国力大大增强，能源危机却是日益突出。虽然一些大型水电站、核电站、热电站不断建成投产，但在用电高峰季节，许多地方拉闸限电，严重影响了国民经济发展和人民生活。排除体制改革进程中行业间的利益纷争因素外，能源的缺乏才是罪魁祸首。一方面是能源供应紧张，另一方面是各种高耗能的设备仍在大量使用，造成能源的极大浪费。单是电力机械、电动机等设备能量的转化、利用率低，其造成的能源浪费就是不可估量。尤其电动机，大量应用于工农业生产、服务行业，哪怕其能源利用率稍稍提高一点点，全国节约下来的电能所能发挥的作用也是不可估量的，况且以前的电动机，极少对电机永磁的磁性潜能进行开发利用。
目前应用最多的电动机大多是交流异步电动机和直流励磁电动机，其结构形式也大同小异，都含有定子和转子、电枢、电刷等，要么定子与转子都缠绕电磁线圈，要么就是定子或转子一个是永磁材料制成，另一个缠有绕组线圈，结构复杂，对包绕精度技术要求较高，线圈还容易发热，电机长时间运转或缺相(交流电机)容易烧毁，严重影响电机使用寿命，电能利用率低。直流永磁电机在运转过程中，转子永久磁极与定子上所对电磁极在相互作用的全过程都对励磁线圈供电，转子在运转过程中永磁与电磁在靠吸引力运动过程中始终存在同性排斥、异性相吸现象，线圈绕组本身消耗电能，产生热量，还得克服磁性相斥力，这样的电机肯定耗电量大。
发明专利申请，公开号CN1449095A提出了一种直流激磁磁力电机，在转子上装有若干组同极性转子磁极，定子和机座相连并装有若干组同极性定子磁极，定子磁极和转子磁极至少有一种是激磁磁极，在由电刷、金属滑环、同步分电开关金属片组成的同步分电控制装置下工作，转子磁极横断面中心线与定子磁极横断面中心线形成一个小于45度的作用夹角，在任一时刻只有一组处于作用夹角范围内的激磁磁极通电激磁，定子磁极对数大于转子磁极对数，改变电源极性可实现电机的正反转。本发明通过改变定子磁极与转子磁极相互对应的关系，使二者数量不同且设有一定的夹角，有效的利用了磁力性能，其存在的缺点是，电机结构较复杂，不利于实施，对电机的传统结构业没有明显突破，节能效果有限。
实用新型专利公开号CN2269666Y提出一种永磁直流电机，其定子转轴的外面设有导磁圆筒，导磁圆筒上设有N对永磁极，N＝2、3、4……，N、S极交替排列，转子铁芯设多个沟槽和线圈绕组，形成N对对应的电磁极，每个绕组两端分别和二刷片相连，和定子相连的有两组电刷，分别和一根电源线相连。其结构与传统电机在结构上也没有实质性突破，节电效果不高。
三.发明内容：本发明所要解决的技术问题：为减低能源消耗，达到节约用电目的，充分利用电机永磁性能，开发出一种高效节电直流永磁电机。
本发明所采用的技术方案：一种高效节电直流永磁电机，含有机座，机壳，定子，转子，励磁线圈，电刷，以及换向器，机壳和机座相连，定子固定在机壳内壁，转子安装于定子中心位置，转子的转轴通过轴承固定在两端盖上，端盖和机壳固定为一体，定子由永磁材料构成，该定子上固定有电刷架，电刷架设有同输入电源相连接的电刷I、II，转子铁芯有硅钢片套轴叠加而成，每组铁芯中间嵌装永磁体，各永磁体均以同一极性向外排列，每组铁芯缠绕励磁线圈，每组线圈内侧一端和设在转子上的换向器连接，换向器通过电刷I离合接通电源，每组线圈的另一端连接套装在转轴上同转轴绝缘的短路金属环，短路金属环通过电刷II连接另一根电源导线。
组成定子的永磁体磁极至少为一对，永磁体为整体式，或为分体组合式，永磁体为磁石，或为磁钢，沿机壳内壁圆周分布，永磁体为磁钢时，每对磁极连接处的间隙内填充磁绝缘材料，在定子永磁体上设有电刷架固定螺孔。
所述的直流永磁电机，定子为一对永磁体，即两对N、S磁极，沿机壳内壁一周对称分布；定子或为三对永磁体，沿机壳内壁呈120°夹角均匀分布；定子永磁体或为两对，或为四对，或为五对，或为六对，永磁体为一端尺寸较大另一端尺寸相对较小的近似虎头蛇尾形状。
所述的直流永磁电机，转子为永磁体，或为永磁体和硅钢片叠合而成，定子如按三对永磁极数，则转子电磁铁芯的沟槽极数为4，或为5，或为7，或为8，或为10，或为11，或为13，或为14，或为16，或为17，或为19，或为20，或为22，或为23，或为25，或为26，或为28，或为29，或为31，或为32，或为35，或为37，或为38，或为40；定子为两对N、S磁极时，转子电磁铁芯的沟槽极数为4以上的偶数个，或为3以上的奇数个；永磁体为电磁铁芯，沟槽极数为任意自然数。
各铁芯电磁线圈或与电源串联连接，每一槽极一绕的线圈的首尾连接，每两个线圈的中间抽头连接设在转轴上的换向器，换向器通过电刷分别连接电源的正极和负极；转子沟槽、铁芯形状为横截面为齿轮状的柱形，或为带有一定厚度的齿轮体组合，电磁线圈可按立“0”形或卧“0”形缠绕；组合式转子电磁线圈可按“∞”形或“”形交叉套绕，或余之类推套绕。
一种高效节电直流永磁电机，含有机壳，机座，定子，转子，励磁线圈，电刷，以及换向器，机壳和机座相连，定子固定在机壳内壁，转子安装于定子中心位置，转子转轴通过轴承固定在两端盖上，端盖和机壳连接固定，转子为永磁体，定子铁芯为永磁体，或为硅钢片叠加永磁体构成，定子每一槽彀铁芯缠绕励磁线圈，各线圈的一端和电源负极连接，各线圈的另一端分别连接定子上的换向器，换向器通过设在转轴上的电刷连接电源正极。
所述的直流永磁电机，转子由永磁材料套轴叠加而成，磁铁均以同一极性向外排列或左右并排，定子铁芯叠加的永磁件皆用N或S同一极性向外排列，沿机壳内壁圆周分布，电磁铁芯的沟槽极数为4，或为5，或为7，或为8，或为10，或为11，或为13，或为14，或为16，或为17，或为19，或为20，或为22，或为23，或为25，或为26，或为28，或为29，或为31，或为32，或为35，或为37，或为40；转子或为硅钢片叠加永磁体构成，转子永磁体磁极体为三对，或为两对；转子永磁体磁极体为四对时，电刷为4个均布，定子电磁铁芯以一沟槽一绕组，沟槽极数为3，或为5；转子永磁体磁极体为五对时，电刷为5个均布，定子电磁铁芯以一沟槽一绕组，沟槽极数为4，或为6；转子永磁体磁极为六对时，定子电磁铁芯以一沟槽一绕组，沟槽极数为5，或为7。
一种高效节电直流永磁电机，含有转子机壳，定子，励磁线圈，电刷，定子通过轴承固定在转子机壳中心位置，转子机壳内部由永磁材料构成，定子铁芯有硅钢片嵌加永久磁铁叠合而成，每组铁芯缠绕励磁线圈，每组线圈一端和设在定子一侧的换向器连接，换向器同连接电源的电刷离合连接，所有线圈的另一端和设在定子上同输入电源连接的金属导体相连。
所述的直流永磁电机，组成转子的永磁件为3对N、S磁极，沿机壳内壁圆周分布，定子铁芯硅钢片叠合永磁体皆用N或皆用S外向设置，或依次一个向里，一个向外，电磁铁芯的沟槽极数为5，或为8，或为11，或为13，或为14，或为16，或为17，或为19，或为20，或为22，或为23，或为25，或为26，或为28，或为29，或为31；转子永磁体极数至少为1对，或为2对，或为4对，或为5对，或为6对。
所述的直流永磁电机，组成转子的永磁件为1对，或为2对，定子硅钢片叠合永磁体皆用N极或皆用S极外向设置，或N、S磁极依次一个向里，一个向外，电磁铁芯的沟槽极数为3～40其中任意一个自然数；或者转子由硅钢片叠合永磁体构成电磁铁芯，定子由永磁体构成。
本发明的有益积极效果：
1.本发明直流永磁电机，结构简单明确，新颖，绕线简单，容易制作，定子与转子皆采用永磁材料，充分利用磁性材料同性相斥、异性相吸作用力转化为机械能作功，利用电磁力克服同性相斥产生的障碍力，节电效果明显。
2.本发明直流永磁电机，电源接入及电刷装置结构简单可靠，设计巧妙，可在需要克服磁性相斥产生障碍力时接通电源产生电磁力有效抵消定子、转子斥力，并可在异性相吸强化磁场极性，促进能量有效转化，提出一种能源利用新方式，可大幅度节约电能，缓解当前用电紧张情况。
3.本发明直流永磁电机的推广实施，可促进当前有限电能合理有效利用，减少发电设备投资，本发明直流永磁电机的使用，将为工厂、企业节约大量电费，降低生产成本，本发明具有较好的市场应用前景和较好的社会经济效益。
四.附图说明：
图1：高效节电直流永磁电机结构示意图
图2：定子永磁体磁极与转子铁芯结构示意图
图3：阳极电刷结构示意图之一
图4：阳极电刷结构示意图之二(也可作为阴极电刷)
图5：定子铁芯与转子永磁体结构示意图
图6：图5所示电机换向器及固定架结构示意图
图7：图5所示电机换向器电刷结构示意图
图8：电风扇式高效节电直流永磁电机结构示意图
五.具体实施方式：
实施例一：参见图1、图2、图4，图中1为前、后端盖，2为机壳，3为定子永磁体，4为轴承，5为阳极电刷，6为碳刷，7为密封盖，8为阴极电刷，图4中的阳极电刷也作为阴极电刷使用，9为转轴，10为固定在转轴上同其绝缘的导电金属圆环，11为转子，13为转子铁芯，定子沿机壳内壁一周以120°夹角设置三只永磁体A1、A2、A3，每只永磁体的内弧面曲率半径较小，形成三对N、S磁极，相应的在定子上固定三个阳极电刷。转子11是由硅钢片和永久磁铁套轴叠合制作而成，围绕转子11周面体设置成沟槽和励磁线圈铁芯13，励磁铁芯13内嵌装有永磁体，本实施例电机转子沟槽极数为7个，转子沟槽极数也可为14个，或16个，或17个，或19个，或22个，或23个，或38个，或40个不等。围绕各极槽磁芯分别缠绕电磁线圈14，7个极槽铁芯套绕7个绕组，各极槽铁芯套绕的绕组线圈一端一起或分别和设在转轴上转子一侧的导电金属圆环10连接(见图1)，导电金属圆环10通过阴极电刷8连接电源负极，阴极电刷这里为一个，也可为两个，各绕组线圈另一端分别和设在转轴上转子另一侧的换向器16相连接，换向器16通过均布的三个阳极电刷5上的碳刷6离合连接电源正极。图中17为电刷固定螺孔。图3为阳极电刷的另一种结构形式，图中15为电刷架，电刷架15上设有三个电刷件。本发明直流电机采用低压直流稳压电源供电，稳压电源整流输出接入电机正、负电源输入端，转子转动时经电刷离合接通各电磁线圈电源，产生电励磁。
工作原理：本发明高效节电电机，由于转子既是电磁件，又是永久磁件，转子的永久磁性S或N被定子的永磁性N或S异性相吸引，同性相排斥，当转子永磁件在转动中遇到其本身固有的与定子永磁件N、S同性相排斥的障碍阻力时，电源通过电刷将电传输给电枢绕组线圈，产生电磁，将永磁体S极性变成N极性，促进转子铁芯的永磁S变成电磁N性，被定子的永磁N性相排斥，消除转子和定子工作转动产生的障碍阻力，同时起到电磁加助永磁功能之作用，当电磁体N极性转动到定子的永磁体S极性时，切割电磁N性，恢复成永磁的S极性，导致形成为转子与定子的永磁S、S同性斥动，于是就形成周而复始的转动，充分利用了磁性潜能。
本发明高效节电直流电机，主要是作为低压直流电机使用，也可用于制作220V的交流变直流的直流电源电机。在实现克服磁体同性相斥产生障碍阻力时，也可采用方波形发生器，使其频率与电机内结构绕组同性产生斥力的频率一致。本发明电机的电源可采用单相桥式整流、电容滤波输出，在采用倍压整流时，电机转速可提高一倍，尤其适用于高速电机。
实施例二：参见图1，图2，图3，本实施例大体结构同实施例一，其不同之处在于：共阴极导电金属圆环10(图2中)固定在转子11一侧端面上，换向器16绝缘固定在转轴9上，在图3所示阳极电刷架上径向固定、设有连接电源负极的阴极电刷，该电刷对应连接阴极导电金属圆环10。本实施例节电电机转子铁芯沟槽极数为29个。图中标号及其代表意义同实施例一，不重述。
实施例三：参见图1，图中标号同实施例一相同的，代表意义相同，不重述。本实施例定子永磁体磁极为五对N、S，沿机壳2内壁一周均匀分布，转子铁芯沟槽极数为6个，也可为4个，所有电磁线圈首、尾端依次串联连接，每两个电磁线圈的中间抽头连接设在转轴上的换向器，换向器通过两个对称排列的电刷分别连接电源的正、负极。
实施例四：参见图5，图6，图7，本实施例节电电机与实施例一不同之处是：转子为永磁体，定子为硅钢片叠加永磁体构成，定子铁芯缠绕电磁线圈。图中9为转轴，11为转子，21为定子永磁体及电磁铁芯，22为定子电磁绕组，转子永磁体23为3对N、S磁极，定子电磁铁芯为4沟槽，24为换向器固定架，12为换向器固定架固定螺孔，彼此间相互绝缘的换向器16连接定子上电磁线圈一端，所有电磁线圈的另一端短接连接电源负极，换向器16通过阳极电刷架5上的碳刷6短路连接阳极导电金属环19，离合接通电磁线圈电源，换向器16和阳极导电金属环19之间设绝缘材料层26，图7中标号6所示为碳刷，5为阳极电刷，28为套装转轴固定孔，29为弹簧，30为调节螺钉，本实施例电刷为图7所示以套轴固定孔为中心的三个一体式。
实施例五：参见图5，图6，图7，本实施例定子转子结构基本同实施例四，不同之处在于，转子永磁体磁极为四对，对应电刷为4个均布，永磁体均为一端尺寸较大另一端尺寸相对较小的近似虎头蛇尾形状，定子永磁体沟槽极数为5，也可为3。
当转子永磁体磁极也可为二对，磁石定子永磁体铁芯沟槽极数可为2至40中的任意数。转子永磁体也可为六对，定子永磁体沟槽极数为5个或7个。
实施例六：参见图7、图8，本实施例高效节电直流电机为电风扇式直流电机。含有转子机壳18，转子永磁体33，带有励磁线圈的定子34通过轴承固定在转子机壳18中心位置，转子机壳18内壁设有5对永磁体磁极，35为转子机壳壳体与磁极永磁体之间的内衬材料层，定子34由硅钢片嵌加永久磁铁叠合构成定子沟槽铁芯，定子永磁体极性均为S极向外，每组铁芯缠绕励磁线圈，所有线圈的一端连接电机直流电源输入的负极，每组线圈的另一端和设在定子一侧的换向器16连接，连接电源正极的阳极导电金属环19和换向器16处于定子同一侧平面，相互之间通过绝缘材料层32绝缘，阳极电刷5为五个，固定在转子体上，五个碳刷围绕阳极导电金属环19和换向器16均布，碳刷6接通连接电源正极的阳极导电金属环19和换向器16，离合接通定子励磁线圈电源。此时图7中的固定螺孔28与转子体上设置的电刷固定螺孔对应。本实施例定子铁芯沟槽极数为4个，或者为7个。
实施例七：本实施例同实施例六不同之处在于：转子磁极为三对N、S，定子沟槽极数为22个，电刷对应为三个。
实施例八：本实施例同实施例六不同之处在于：转子磁极为两对N、S，电刷对应为两个，定子铁芯沟槽极数可为3至40中任意个数。
下表为2004年3月7日至11日第七次对本发明高效节电直流永磁电机以吊扇形式及与其它普通电机吊扇的运行对比实验结果：
产品生产厂家品牌、型号功率扇叶规格 实验运行时间吊扇转速(r/h) 电表 转数平均每小时耗电量(kw.h)上海市华岭机械厂瑞雪牌FC3型68W 1200mm 7号上午8:30---9:30 8号下午3:30---4:30 8号晚上8:30---9:30 6525 7080 5820 112 120 95 0.0545本发明节电电机68W 1200mm 8号上午9:40---10:40 8号上午10:50---11:50 8号下午4点---5点 6900 7080 7200 7 8.5 9 0.00408上海市华岭机械厂瑞雪牌FC3型68W 1050mm 10号上午9:30---10:30 10号上午11点---12点 10号晚上12点---1点 6050 7200 7777 113 120 134 0.0612广东顺德县桂州扇厂C5601型60W 1050mm 10号上午8点---9点 10号下午4点---5点 10号晚上8:30---9:30 8400 8600 8200 138 133 119 0.065本发明节电电机68W 1050mm 11号上午9:30---10:30 11号上午10:50---11:50 11号下午3点---4点 6900 6600 6300 7 6 5.5 0.00308备注：对比吊扇额定电压均为交流220V，50HZ；本发明电机吊扇电源采用桥式整流直流电源；运行时间均为一小时。电表采用金雀集团制表厂DD28-2型单相2000转一度。上述实验结果和发明人进行的另一项实验，其结果是基本吻合的：对比风扇电机(上海华岭FC3型)连续运转10个小时，电表转947转，本发明电机风扇连续远转10个小时，电表转67转，前者每小时耗电0.04735度，而本发明电机每小时耗电0.00335度，节电效果非常明显，二者相差达十几倍之多。