名称：一种三环式单向驱动电机
专利号：202511144190.9
专利权人：麦麦提·奥斯曼
技术领域
本发明涉及到电机技术领域，具体是指一种三环式单向驱动电机，旨在提升驱动效率与精确控制能力，适用于自动化设备、精密仪器以及需要高稳定单向转动的场合。
背景技术
在现有技术中，传统的电机主要包括直流电机、交流电机等多种类型。直流电机虽然调速性能好，但需要电刷和换向器，存在机械磨损和火花问题，使用寿命有限，并且维护成本较高。交流电机虽然结构简单、运行可靠，但在单向驱动的精准控制方面存在一定的不足，难以满足一些对单向驱动精度要求较高的应用场景。
此外，现有的电机在空间利用和磁场利用效率上存在一定的局限性。传统电机的磁场结构相对单一，通常是定子和转子之间的简单磁场作用，导致电机的体积较大而功率密度相对较低。在一些对空间要求较高的场合，如小型机器人、紧凑式自动化设备等，传统电机的应用受到了限制。
而且，对于一些需要单向驱动的设备，现有的电机往往需要额外的单向传动装置，如单向离合器等，这不仅增加了设备的复杂性和成本，还可能降低整个系统的传动效率和可靠性。在实际运行过程中，这些额外的装置可能会出现故障，影响设备的正常运行。
随着工业自动化和智能化的发展，对电机的性能提出了更高的要求，如更高的功率密度、更精准的单向驱动控制、更小的体积和更低的成本等。现有的电机技术已经难以满足这些日益增长的需求，因此需要开发一种新型的电机来解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的是以上技术问题，提供一种三环式单向驱动电机。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种三环式单向驱动电机，包括同轴设置的外层电磁环组件、中层永磁环组件及内层电磁环组件；
所述外层电磁环组件包括沿圆周均匀分布的6组第一电磁单元，分为三对对称设置：第一对第一电磁单元位于0°和180°位置，第二对第一电磁单元位于60°和240°位置，第三对第一电磁单元位于120°和300°位置，各对第一电磁单元同步通电且产生方向相对的径向磁场；
所述中层永磁环组件包括四块沿圆周交替设置的永磁体，其中0°和180°位置永磁体的N极朝向圆心，90°和270°位置永磁体的S极朝向圆心；
所述内层电磁环组件包含六组或八组沿圆周分布的第二电磁单元：当为六组时分为两组交替工作的电磁阵列，第一阵列包含0°、120°、240°位置第二电磁单元，第二阵列包含60°、180°、300°位置第二电磁单元；当为八组时分为两组交替工作的电磁阵列，第一阵列包含0°、90°、180°、270°位置第二电磁单元，第二阵列包含45°、135°、225°、315°位置第二电磁单元；
所述中层永磁环组件与内层电磁环组件之间设有单向轴承，其旋转方向与中层永磁环组件的驱动方向一致。
进一步的，所述外层电磁环组件的三对第一电磁单元采用循环通电模式，任一时刻保持两对第一电磁单元产生N极磁场、一对产生S极磁场。
进一步的，所述外层电磁环组件的通电顺序为：
第一工作周期：第一对和第二对第一电磁单元产生N极磁场，第三对第一电磁单元产生S极磁场；
第二工作周期：第二对和第三对第一电磁单元产生N极磁场，第一对第一电磁单元产生S极磁场；
第三工作周期：第三对和第一对第一电磁单元产生N极磁场，第二对第一电磁单元产生S极磁场。
进一步的，所述内层电磁环组件为八组时，第一阵列工作时0°与180°位置第二电磁单元产生N极径向磁场，90°与270°位置产生S极径向磁场；第二阵列工作时45°与135°位置第二电磁单元产生N极径向磁场，225°与315°位置第二电磁单元产生S极径向磁场；
当为六组时，第一阵列工作时0°、120°、240°位置第二电磁单元产生N极径向磁场，第二阵列工作时60°、180°、300°位置第二电磁单元产生S极径向磁场。
进一步的，所述单向轴承采用棘轮机构或斜撑离合器结构。
进一步的，所述外层电磁环组件与中层永磁环组件的径向间距为2-5mm，中层永磁环组件与内层电磁环组件的径向间距为1-3mm。
进一步的，所述永磁体采用钕铁硼永磁材料，表面磁感应强度不低于1.2T。
进一步的，所述内层电磁环组件为六组时，第二电磁单元的磁场方向切换间隔为60°，且相邻第二电磁单元的磁场极性呈交替分布。
进一步的，当内层电磁环组件采用六组配置时，其第二电磁单元绕组采用三角形接法；当采用八组配置时，其第二电磁单元绕组采用星形接法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、空间利用高效
三环同轴的结构设计使得电机在有限的空间内集成了多个磁场组件，大大提高了空间利用率。相较于传统电机，在相同的体积下，本发明的电机能够实现更高的功率输出，适用于对空间要求较高的应用场景。
2、单向驱动精准
通过单向轴承400的设置，电机能够实现精准的单向驱动，避免了反向旋转的问题。这对于一些需要单向稳定驱动的设备来说至关重要，如输送带、风机等，能够提高设备的运行稳定性和可靠性。
3、磁场利用充分
外层电磁环组件100的循环通电模式和内层电磁环组件300的交替工作电磁阵列，与中层永磁环组件200的永磁体磁场相互配合，充分利用了磁场的能量，提高了电机的效率。同时，合理的组件间距设置也确保了磁场的有效相互作用，进一步提升了电机的性能。
4、性能可调节性强
内层电磁环组件300有六组和八组两种配置可供选择，并且机械换向器包含可切换的电磁场极性反转装置。这使得电机的性能可以根据不同的应用需求进行调节，具有较强的通用性和适应性。
5、维护成本低
本发明的电机结构相对简单，没有传统直流电机的电刷和换向器等易磨损部件，减少了机械磨损和故障的发生概率，降低了维护成本，延长了电机的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种三环式单向驱动电机的实施例一。
图2是本发明一种三环式单向驱动电机的实施例二。
图3是本发明一种三环式单向驱动电机的组装示意图。
如图所示：100、外层电磁环组件；101、第一电磁单元；200、中层永磁环组件；201、永磁体；300、内层电磁环组件；301、第二电磁单元；400、单向轴承；500、输出轴。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
0、本发明的工作原理：
本发明的三环式单向驱动电机包括同轴设置的外层电磁环组件100、中层永磁环组件200及内层电磁环组件300。这种三环同轴的结构设计，能够充分利用空间，提高磁场的利用效率，从而提升电机的性能。
1.外层电磁环组件100
外层电磁环组件100包括沿圆周均匀分布的6组第一电磁单元101，分为三对对称设置：第一对第一电磁单元101位于0°和180°位置，第二对第一电磁单元101位于60°和240°位置，第三对第一电磁单元101位于120°和300°位置。各对第一电磁单元101同步通电且产生方向相对的径向磁场。
外层电磁环组件100的三对第一电磁单元101采用循环通电模式，任一时刻保持两对第一电磁单元101产生N极磁场、一对产生S极磁场。其通电顺序为：
第一工作周期：第一对和第二对第一电磁单元101产生N极磁场，第三对第一电磁单元101产生S极磁场；
第二工作周期：第二对和第三对第一电磁单元101产生N极磁场，第一对第一电磁单元101产生S极磁场；
第三工作周期：第三对和第一对第一电磁单元101产生N极磁场，第二对第一电磁单元101产生S极磁场。
通过这种循环通电的方式，外层电磁环组件100能够产生旋转的磁场，为电机的驱动提供动力基础。
2.中层永磁环组件200
中层永磁环组件200包括四块沿圆周交替设置的永磁体201，其中0°和180°位置永磁体201的N极朝向圆心，90°和270°位置永磁体201的S极朝向圆心。永磁体201采用钕铁硼永磁材料，表面磁感应强度不低于1.2T。这种永磁体的选择和分布方式，能够产生稳定且较强的磁场，与外层电磁环组件100和内层电磁环组件300的磁场相互作用，实现电机的驱动。
3.内层电磁环组件300
内层电磁环组件300包含六组或八组沿圆周分布的第二电磁单元301：
当为六组时分为两组交替工作的电磁阵列，第一阵列包含0°、120°、240°位置第二电磁单元301，第二阵列包含60°、180°、300°位置第二电磁单元301。第一阵列工作时0°、120°、240°位置的第二电磁单元301产生N极径向磁场，第二阵列工作时60°、180°、300°位置的第二电磁单元301产生S极径向磁场。此时，第二电磁单元301的磁场方向切换间隔为60°，且相邻第二电磁单元301的磁场极性呈交替分布。当采用六组配置时，其第二电磁单元301绕组采用三角形接法。
当为八组时分为两组交替工作的电磁阵列，第一阵列包含0°、90°、180°、270°位置的第二电磁单元301，第二阵列包含45°、135°、225°、315°位置的第二电磁单元301。第一阵列工作时0°与180°位置的第二电磁单元301产生N极径向磁场，90°与270°位置的第二电磁单元301产生S极径向磁场；第二阵列工作时45°与135°位置的第二电磁单元301产生N极径向磁场，225°与315°位置的第二电磁单元301产生S极径向磁场。当采用八组配置时，其第二电磁单元301绕组采用星形接法。
4.单向轴承400
中层永磁环组件200与内层电磁环300组件之间设有单向轴承400，其旋转方向与中层永磁环组件200的驱动方向一致。单向轴承400采用棘轮机构或斜撑离合器结构，能够确保电机实现单向驱动功能，避免反向旋转，提高电机的稳定性和可靠性。
5.输出轴500及机械换向器
内层电磁环组件300中心还设有输出轴500，输出轴500的机械换向器包含可切换的电磁场极性反转装置。该装置可以根据需要切换内层电磁环组件300的电磁场极性，进一步优化电机的性能和控制方式。
外层电磁环组件100与中层永磁环组件200的径向间距为2-5mm，中层永磁环组件200与内层电磁环组件300的径向间距为1-3mm。这种合理的间距设置，既能保证各组件之间的磁场能够有效相互作用，又能避免组件之间的机械干涉，确保电机的正常运行。
本发明的三环式单向驱动电机的工作原理基于磁场的相互作用。外层电磁环组件100通过循环通电产生旋转的磁场，该磁场与中层永磁环组件200的永磁体磁场相互作用，使中层永磁环组件200产生旋转趋势。
中层永磁环组件200的旋转通过单向轴承400传递给内层电磁环组件300。内层电磁环组件300的两组交替工作的电磁阵列，根据不同的配置产生相应的磁场，与中层永磁环组件200的磁场进一步相互作用，推动内层电磁环组件300旋转，从而带动输出轴500输出动力。
单向轴承400的作用是确保只有在中层永磁环组件200按照预定的驱动方向旋转时，才能将动力传递给内层电磁环组件300，避免反向旋转，实现电机的单向驱动功能。
机械换向器中的电磁场极性反转装置可以根据电机的运行状态和控制需求，切换内层电磁环组件300的电磁场极性，优化电机的转矩输出和运行效率。
2.1组装方式
确保所有组件清洁无损，包括外层电磁环组件100、中层永磁环组件200、内层电磁环组件300以及单向轴承400等。将六个第一电磁单元101按照设计位置固定在外层环上，确保电磁单元之间的电气隔离和机械稳固；设置电路连接，为后续的循环通电做准备。，将四块永磁体201按照N-S极对称分布固定在中层环上，确保磁极方向正确。该层与外层电磁环之间保持2-5mm的精确径向间距，使用定位销或激光校准确保位置准确。对于六组配置，按照0°、120°、240°和60°、180°、300°的位置安装电磁单元，确保绕组正确。八组配置则按照0°、90°、180°、270°和45°、135°、225°、315°的分布安装，使用星形接法。组件内部的电线应预先整理，避免在最终组装时造成干扰。
在内层电磁环下方精确安装单向轴承400，确保它与中层永磁环的接触面平整，采用精密定位工具。轴承的选择需考虑承载能力和转速要求，确保单向传递的顺畅。在内层电磁环中心安装输出轴500，轴上集成机械换向器，必要时加入电磁场极性反转装置。确保轴的同心度和换向器的正确位置，以保证转动平稳和控制精度。
将整个电机组装成一体，逐一检查各层间的间隙、对准和电气连接。进行无负载测试，检查电机的启动、运转、温升、噪声等性能指标，必要时进行微调。根据电机的应用环境，进行必要的密封处理，防止灰尘和湿气进入，延长使用寿命。
2.2实施例一：六组第二电磁单元的配置
在本实施例中，内层电磁环组件300配置了六组第二电磁单元301，这些电磁单元按照特定的几何分布，以实现高效的电磁力转换。具体分布如下：第一阵列包括0°、120°、240°位置的电磁单元，产生N极磁场；而第二阵列则包含60°、180°、300°位置的电磁单元，产生S极磁场。这种配置确保了在任何时候，两个对立位置的电磁单元产生的磁场方向相反，形成有效的驱动力矩。
每一组电磁单元采用高质量铜线绕制，确保电流通过时能产生稳定的磁场。这些电磁单元被固定在内层环上，精确对齐到预定角度。通过微处理器控制，实现电磁单元的快速切换。当第一阵列的电磁单元被激活产生N极磁场时，第二阵列相应位置的电磁单元则产生S极磁场，反之亦然。这种交替激活保证了电机的连续转动，并通过改变通电序列来调整转速和方向。
2.3实施例二：八组第二电磁单元的配置
在第二个实施例中，内层电磁环组件采用更为精细的八组第二电磁单元布局。这种配置分为两组阵列，第一阵列包括0°、90°、180°、270°位置的电磁单元，而第二阵列则是45°、135°、225°、315°位置的电磁单元。这样的设计旨在通过更密集的磁场分布来获得更加平滑的转矩曲线和更高的转速控制精度。
每组电磁单元设计为具有独立的绕组，便于精确控制磁场的极性和强度。采用星形接法以平衡电压分配，确保每个电磁单元的磁场强度一致。引入更复杂的控制算法，以优化各电磁单元的通断时机，实现细腻的磁场控制，从而达到更高的扭矩控制精度和减少振动。八组配置提供了更细致的磁场调控能力，适用于需要高度稳定和精细速度控制的精密设备，如医疗仪器、高端光学设备中的精确定位系统。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
