專利名稱:無電刷無換向器式直流電機的制作方法
本申請對象屬于直流電機技術(shù)領(lǐng)域：
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現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)型直流電機，雖然有優(yōu)點調(diào)速(對電動機而言)或調(diào)節(jié)(對發(fā)電機而言)特性平滑無級、范圍大，控制方便。對電動機而言，能頻繁地進行無級快速起動、制動、反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化的各種要求。但又有缺點有一套容易損壞的“刷一器”裝置，使之與其它電機相比，結(jié)構(gòu)較復雜、制造較困難(全國只有少數(shù)電機廠才能生產(chǎn))、價格較昂貴(以換向器與電樞繞組加工費用為主)、維護修理很不方便(修理周期最長)，從而使該電機使用范圍很有限，其中的直流發(fā)電機目前已逐漸被可控硅整流裝置所取代。
現(xiàn)有技術(shù)1、《淺談無刷直流電動機的現(xiàn)狀和發(fā)展方向》毛鼎品，西安微電機研究所，見《中國電工技術(shù)學會年會論文集”專題論文報告摘要”》中國電工技術(shù)學會編86年7月P19，文中提到的國內(nèi)、外這種旋轉(zhuǎn)型直流電機無刷是不假，但都不是真正直流電機，而是交流電機，它們都離不開電子式位置檢測裝置。2、《直線電機科技成果匯編》第一集、中國電工技術(shù)學會直線電機研究組編85年12月P42，文中提到的也是“機電結(jié)合的精密電子產(chǎn)品”與本申請對象的完全兩樣，并且后者的功率很小。
本申請對象的任務(wù)是保留、甚至擴大該電機上述最可貴的優(yōu)點，設(shè)法去掉“刷一器”裝置，使之成為各電機中結(jié)構(gòu)較簡單，制造較容易(任一工廠都能制造)、價格較便宜(以金屬機械加工費用為主，其成本將要降低三分之二以上)、運行較可靠、維護修理較方便、使用范圍較廣泛的電動機或發(fā)電機。
解決上述任務(wù)的方案是如附圖1所示，在現(xiàn)有的二極直流電機原理圖中，把放置在原理位置即電樞表面幾何中性線上的一個電刷(例如正電刷)及顯示某個磁極(例如N極)厚度的某個側(cè)面a，二者沿電樞園周方向移動，一直移到正刷與負刷相重合、a側(cè)面與b側(cè)面相遇為止，即附圖1(a)→(b)→(c)→(d)，這樣由原來圖1(a)里只占定子一定寬度的磁極，最后擴展為占據(jù)電機整個定子空間的環(huán)形磁極，如圖1(d)所示，同時使轉(zhuǎn)子電樞上切割定子磁極感應(yīng)同一方向電勢ea的電樞導體數(shù)，由原來圖1(a)的只占半個電樞最后擴展到整個電樞，如圖1(d)所示。于是①由于整個電樞導體的電勢都是同一個方向，故不會出現(xiàn)現(xiàn)有直流電機那種過程極復雜的變換電流方向問題，即換向問題，因而不再需要換向器、換向極、及其經(jīng)典式的換向理論;②由于環(huán)形磁極是個勻強磁場，故不會再出現(xiàn)現(xiàn)有直流電機那種令初學者難以理解的磁極禮帽形磁密分布波與電樞馬鞍形磁密分布波的逐點合成“過程”。更不會出現(xiàn)由于合成的和尚帽形磁密分布波波峰過高，使局部磁路過飽和而導致每極磁通量略為變小的電樞反應(yīng)“結(jié)果”。故也不需要穩(wěn)定繞組了。也不會出現(xiàn)由于帽峰磁密過高而使局部換向片間電位梯度劇增而導致環(huán)火的危險，因而不再需要在磁極掌表面開槽嵌入補償繞組，③由于電樞繞組上沒有換向器(片)與電刷，故再也不會有現(xiàn)有直流電機那種復雜多變的，也是令初學者難以理解的電樞繞組展開圖、繞線表與支路圖，從而簡化了該電機的電樞繞組構(gòu)成原理。
由此可見本申請對象的新型直流電機不僅從現(xiàn)有直流電機的構(gòu)造上徹底去掉最容易損壞的換向器，甚至電刷，還簡化了令初學者難懂的“電樞繞組構(gòu)成原理”及“電樞反應(yīng)原理”，徹底廢棄掉復雜的“換向理論及其改善措施”，為電機書的編著者、印刷出版者、教書者、讀書者、電機設(shè)計制造者都節(jié)省了時間、精力、人力、物力與財力。還使目前仍處于研究階段復雜的交流調(diào)速理論及其昂貴的電子調(diào)速裝置失去意義。
為了使上述擴展后的直流電機徹底廢棄電樞上的電刷，必須把它的原來作旋轉(zhuǎn)運動的電樞繞組倒裝到定子上，變?yōu)殪o止的電樞電路，以便不經(jīng)過電刷而直接與外電路相連;于是經(jīng)過擴展后的環(huán)形定子磁極及其激磁繞組只好倒裝到轉(zhuǎn)子上。此激磁繞組需要用機械強度高的粘結(jié)劑浸透，固化成一定形狀后，套入電機轉(zhuǎn)子各個部位上。這樣可增加新型電機的機械強度。如眾所周知，現(xiàn)有直流電機的最高轉(zhuǎn)速，一方面受到換向條件不允許惡化，即電刷下火花等級的限制，另一方面受到轉(zhuǎn)子電樞繞組兩個端部綁扎線機械強度(離心力)的限制。本申請對象的新型直流電機則徹底去掉這兩個限制，從而可提高該電機之最高轉(zhuǎn)速nmax;這對電動機而言，可擴大其調(diào)速范圍D＝〔nmax↑/nmin〕↑;對發(fā)電機而言，可提高其空載特性曲線UO＝f(If)＝k·nmax的高度，起到相當于提高該電機磁路性能的作用。由于轉(zhuǎn)子是環(huán)形磁極，故再也不會有現(xiàn)有直流電機那種流經(jīng)轉(zhuǎn)子的方向不斷變換的交變磁通，故可用薄鋼板代替昂貴的硅鋼片，這不僅把現(xiàn)有直流電機電樞鐵芯能量損耗也全部省下來，從而提高了該電機之運行效率，降低了電機之體溫，還開創(chuàng)了制造電機少用甚至不用硅鋼片的先例。
為了使定子電樞每個元件的兩個邊都能切割磁通，感應(yīng)在空間里方向相反在元件里卻是相加的電勢ey＝ea1+ea2，在定子電樞內(nèi)、外兩側(cè)必須設(shè)置兩個極性相同的轉(zhuǎn)子磁極，如附圖2、圖12所示(例如都是N極)，形成本申請對象一個總的構(gòu)思下的四種結(jié)構(gòu)特點兩個同性磁極中間夾一個電樞(以下簡稱“兩極夾一樞”)，或者，在兩個電樞中間方向相反，在元件里卻是相加的電勢ey＝ea1+ea2，在定子電樞內(nèi)、外兩側(cè)必須設(shè)置兩個極性相同的轉(zhuǎn)子磁極(如附圖2所示，例如都是N極)。形成本申請對象的新型直流電機的兩個結(jié)構(gòu)特點兩個同性磁極中間夾一個電樞(以下簡稱為“二極夾一樞”)，或兩個電樞中間夾一個磁極(以下簡稱為“二樞夾一極”)。
利用附圖三個主要實施例圖2、圖8、圖9，對本申請對象作進一步說明圖1、是把現(xiàn)有的直流電機擴展為本申請對象的新型電機的邏輯推理圖。
圖2、是無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型直流電機剖面圖。
圖3、是圖2的A-A局部剖面圖，主要表明轉(zhuǎn)子內(nèi)、外兩個磁極及其激磁繞組的空間徑向位置。
圖4、是圖2的B-B局部剖面圖，主要表明定子電樞元件的兩個邊切割徑向磁通后感應(yīng)兩個方向相反的電勢(一個為
，另一個為⊙)。
圖5、是圖4中局部定子電樞的立體圖，主要表明圖4中兩個在空間里方向相反的電勢在元件內(nèi)卻是相加的。
圖6、是圖5中局部電樞元件的首端、尾端穿過磁軛(端蓋)的出線孔，引到外面，用連接線接成的電樞回路。
圖7、是本申請對象新型直流電機電樞繞組展開圖。
圖8、圖9，是無電刷無換向器式直線型直流電機兩個不同結(jié)構(gòu)剖面圖。
如圖2所示，申請對象是“二極夾一樞”。兩個同性磁極是直接壓裝在轉(zhuǎn)軸(1)上的園柱形轉(zhuǎn)子內(nèi)磁極(2)，與通過磁軛(3)用鍵槽(3′)緊固到轉(zhuǎn)軸(1)上的園筒形轉(zhuǎn)子外磁極(4)。這兩個同性轉(zhuǎn)子磁極(2)(4)，由固定到定子鐵芯(5)兩側(cè)的四個環(huán)形激磁繞組(6)(7)(6′)(7′)提供磁源，形成四個磁通回路，如附圖2中的虛線表示。夾在這兩個轉(zhuǎn)子磁極(2)(4)中間的是定子電樞〔包括電樞繞組(10)(11)及鐵芯(5)。以下簡稱為(10)(11)及(5)〕。其中定子鐵芯(5)從軸向分割成若干塊后，就能很方便地把電樞繞組(10)(11)直接繞到各個電樞槽(8)(9)里。電樞鐵芯(5)的每一塊的一端，用螺栓固定到端蓋(磁軛)(12)上，另一端則用螺栓固定到凹形定子鐵箍(13)上。象普通電機那樣，兩個端蓋通過螺栓固定到機座(14)上(機座不作為磁軛)，轉(zhuǎn)軸(1)則通過軸承安裝到兩個端蓋(12)與(12′)上。如若采用滾珠軸承，則在磁軛(12)上的軸承外側(cè)，還必須裝非磁性材料做的外套(15)，以防止?jié)L動的滾珠切割磁軛(12)里的磁通而產(chǎn)生附加鐵耗，使?jié)L珠體溫變高。
如圖3所示，是固定不動的激磁繞組(6)(7)或(6′)(7′)及由此而產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)子同性磁極(2)(4)，把定子電樞(5)夾在中間，形成“兩極夾一樞”。
如圖4所示，是轉(zhuǎn)子上的兩個同性磁極(2)(4)以同一方向切割定子電樞元件兩個邊(10)(11)，并且感應(yīng)出兩個在空間方向相反的電勢ea1、ea2。
如圖5所示，上述兩個電勢在電樞元件內(nèi)卻是相加的ey＝ea1+ea2，而每個元件的首端與尾端穿過端蓋(12)上的出線孔(16)被引到外側(cè)，并用連接線(17)接成電樞回路。
如圖6所示，是在圖5上的端蓋(12)外側(cè)電樞元件出線端的連接線(17)把各個元件順向串聯(lián)成支路〔四個激磁繞組的首、尾端也從端蓋(12)上引出，從略，也可在內(nèi)部連線后穿過(12)引出〕。
如圖7所示的是本申請對象的新型直流電樞繞組展開圖，它與現(xiàn)有直流電機相比，是夠簡單的了。
從圖5知，由于電樞各元件是直接繞到電樞內(nèi)、外的兩個槽里的，故電樞元件的兩個端部的導線長度，只有電樞鐵芯(5)的厚度那么一點點長，又沒有換向器，與現(xiàn)有直流電機兩個“∧”形長長的端部及換向器相比，本申請對象的新型直流電機，不僅節(jié)省一半許的用銅量，降低造價，更重要的是使電樞電阻Ra減少到現(xiàn)有直流電機的一半許，電機之銅耗(I2aRa)與內(nèi)壓降(IaRa)也減一半許，這樣不但使電機的運行效果提高了，當按發(fā)電機運行時，還使其輸出的外特性U＝f(I)硬度提高幾乎一倍、電壓波動率△U減小近一半，即輸出電壓的相對穩(wěn)定度提高一倍許;當按電動機運行時，其輸出的機械特性n＝f(M)的硬度也提高近一倍，轉(zhuǎn)速波動率即靜差率δ＝△n/nO＝IaRa/U∞Ra減小近一半，即轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性提高近一倍，或金屬切削機床加工精度可提高近一倍。由于Ra減小近一半，使系統(tǒng)過渡過程時間t∞TM∞Ra縮短近一半，從而提高了頻繁起動、制動設(shè)備(如龍門刨床)的勞動生產(chǎn)率。由于新的機械特性是如此之硬，電機單價又不會超過普通鼠籠式異步電動機〔注〕，故它完全可以取代后者，直接輸出低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，讓電機直接與被驅(qū)動的主軸相連(如化工系統(tǒng)工廠中的攪拌機電動機群)，從而省去齒輪減速機構(gòu)，完全省去由于經(jīng)常調(diào)換齒輪而造成的停機停產(chǎn)時間及庫存的齒輪備用件，給工廠帶來效益。
注現(xiàn)有直流電機單價是同容量的普通鼠籠電動機的三倍以上。
由于本申請對象的新型直流電電機結(jié)構(gòu)變得如此簡單，單價又是如此便宜，輸出電壓又是如此穩(wěn)定，運行效率又是如此高，故完全有可能用本申請的新型直流發(fā)電機重新取代后來的可控硅整流裝置。這樣又可省去可控硅整流電路中的平波電抗器上的電感量，從而又進一步縮短了該電動機的過渡過程時間，提高了頻繁起動、制動設(shè)備(如龍門刨床)的勞動生產(chǎn)率。
另外，在圖2中為了避免由激磁繞組(6)(7)產(chǎn)生的磁通被機座(14)所分流，特在磁軛(12)與機座(14)之間裝以非磁性材料制成的墊圈(20′)。
以上圖1～圖6，都是無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型直流電動機或發(fā)電機的實施例。
如圖8、圖9所示的是無電刷無換向器式直線型直流電機的二個實施例。其中圖8所示的仍然是“二極夾一樞”，“極動樞不動”，圖9所示的卻是“二樞夾一極”“樞動極不動”。
如圖8所示，是由一個固定在磁軛(12)下側(cè)的長條形或分段(為繞制方便而分段)的激磁繞組(6)提供磁源的長條形活動的二個同性磁極(2)(4)，與夾在它們中間不動的電樞(10)(5)〕及兩個滑軌(18)構(gòu)成的無電刷無換向器式直線型直流電動機或發(fā)電機。其中兩個磁極(2)(4)用螺栓穿過為防止磁極被工作臺(19)短路而設(shè)置的非磁極材料墊片(20)，墊到工作臺下部，構(gòu)成作返往運動的活動體。電樞〔(10)(5)〕用螺栓固定到磁軛(12)上，與激磁繞組(6)一起構(gòu)成一個不動體。其中電樞各元件的首端與尾端穿過磁軛(12)的出線孔(16)，在外側(cè)串或并聯(lián)成回路，使維修方便。由于無電刷無換向器，只要選擇粗導線繞制元件，
就允許通過較大的電樞電流，產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，故可以用它來驅(qū)動大型作往返運動的機床(如龍門刨床)。但是如果想把上述“二極夾一樞”結(jié)構(gòu)的直線電動機用來驅(qū)動牽引機車，必然使現(xiàn)有的鋼軌數(shù)增加一倍，這太浪費鋼材。為此需改用圖9所示的“二樞夾一極”的結(jié)構(gòu)型式其中激磁繞組(6)與兩個電樞〔(10)(5)〕是運動體，而夾在兩個電樞中間的磁極(鋼軌)(2)變成不動體，二者在滑軌(18)上作相對的直線運動，這樣現(xiàn)有的鋼軌數(shù)就可以不變，只是兩個有限長的電樞外側(cè)的導線利用不起來罷了，但總比無限長的鋼軌數(shù)增加一倍劃得來。
如眾所周知那樣，用這種直線電動機直接驅(qū)動機械設(shè)備作直線運動的優(yōu)點在于省去傳動機構(gòu)，減小設(shè)備容積，使傳動效率永遠是一，從而節(jié)省了大量的原材料與能量損耗，同時還省去傳動機構(gòu)的GD3，又進一步縮短過渡過程的時間，提高了頻繁起動、制動設(shè)備的勞動生產(chǎn)率。
顯然，圖8、圖9所示的直線型直流電機各部件都是平行關(guān)系，故它比圖2所示的園形的電機的加工費用省，造價便宜。
圖2、圖8、圖9所示的新型直流電機與現(xiàn)有直流電機一樣，既可以做成伺服電動機，也可做成測速發(fā)電機，其中包括永磁式電機在內(nèi)。它們照樣也有他激、并激、串激與復激。它們的電樞槽形也是小容量采用梨形槽，較大容量一律采用矩形槽。
此外還有一個特點由于它沒有用銅制成的換向器，故其電樞繞組就可以選用便宜的鋁導線，為“以鋁代銅”開辟了一條新渠道。
權(quán)利要求
1.一臺主要由電樞(包括電樞繞組及鐵芯)與磁極(包括激磁繞組與鐵芯)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)型直流電機。本申請對象的特征在于一臺由兩個同性磁極即內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極(2)與外轉(zhuǎn)子磁極(4)，及夾在這兩個磁極中間的定子電樞[(10)(11)及(5)]與定子上的四個激磁繞組(6)(7)(6′)(7′)所構(gòu)成的無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型直流電動機或發(fā)電機。
2.一臺主要由電樞(包括電樞繞組及鐵芯)與磁極(包括激磁繞組及鐵芯)構(gòu)成的直線型直流電機。本申請對象的特征在于一臺主要由兩個長條形同性磁極(2)(4)及夾在這兩個磁極中間的一個長條形或分段的電樞〔(10)及(5)〕、激磁繞組(6)與兩個滑軌(18)所構(gòu)成的無電刷無換向器式直線型直流電動機或發(fā)電機。
3.一臺主要由電樞(包括電樞繞組及鐵芯)與磁極(包括激磁繞組及鐵芯)構(gòu)成的直線型直流電機。本申請對象的特征在于一臺主要由一個長條形或分段的激磁繞組(6)、兩個電樞〔(10)(5)〕及夾在這兩個電樞中間的一個長條形磁極(2)與滑軌(18)所構(gòu)成的無電刷無換向器式直線型直流電動機或發(fā)電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的直流電機，其特征在于一臺主要只由定子上的四個激磁繞組(6)(7)(6′)(7′)中的任意三個所形成的兩個同性轉(zhuǎn)子磁極(2)(4)，以及夾在這兩個磁極中間的一個定子電樞〔(10)(11)及(5)〕所構(gòu)成的無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型直流電動機或發(fā)電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的直流電機，其特征在于一臺主要只由定子上四個激磁繞組(6)(7)(6′)(7′)中，在空間處在對角線位置上的任意兩個(6′)(7)或(6)(7′)所形成的兩個同性轉(zhuǎn)子磁極(2)(4)，以及夾在這兩個磁極中間的一個定子電樞〔(10)(11)及(5)〕所構(gòu)成的無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型直流電動機或發(fā)電機。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的直流電機，其特征在于一臺主要由定子上的四個激磁繞組(6)(7)(6′)(7′)中在空間處在水平位置上的任意兩個(6)(6′)或(7)(7′)所形成的一個轉(zhuǎn)子磁極(2)或(4)及一個定子電樞〔(11)(10)及(5)〕所構(gòu)成的無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型電流電動機或發(fā)電機。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的直流電機，其特征在于一臺主要由定子上的四個激磁繞組(6)(7)(6′)(7′)中的任意一個所形成的轉(zhuǎn)子磁極(2)或(4)及一個定子電樞〔(10)(11)及(5)〕所構(gòu)成的無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型直流電動機或發(fā)電機。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1、要求4到要求7所述的直流電機，其特征在于主要是只有一個或一個以上永久磁鋼代替一個或一個以上的激磁繞組所形成的一個轉(zhuǎn)子磁極(2)或(4)，或兩個轉(zhuǎn)子磁極(2)(4)及夾在這兩個磁極中間的一個定子電樞〔(11)(10)及(5)〕所構(gòu)成的無電刷無換向器式旋轉(zhuǎn)型永磁直流電動機或發(fā)電機。
9.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的直線型直流電機。其特征在于一臺主要由永久磁鋼〔代替激磁繞組(6)〕、二個長條形同性磁極(2)(4)及夾在這兩個磁極中間的一個長條形或分段的電樞〔(10)及(5)〕與兩個滑軌(18)所構(gòu)成的無電刷無換向器式直線型永磁直流電動機或發(fā)電機。
10.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的直線型直流電機。其特征在于一臺主要用永久磁鋼〔代替激磁繞組(6)〕、長條形或分段的兩個電樞〔(10)及(5)〕及夾在這兩個電樞中間的一個磁極(2)、滑軌(18)所構(gòu)成的無電刷無換向器式直線型永磁直流電動機或發(fā)電機。
專利摘要
無電刷無換向器式直流電機
文檔編號H02K57/00GK86104917SQ86104917
公開日1988年2月17日 申請日期1986年8月8日
發(fā)明者馮秀琳 申請人:馮秀琳導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan