專利名稱：轉(zhuǎn)子勵(lì)磁無換向器直流電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
直流電機(jī)包括直流發(fā)電動機(jī)和直流電機(jī)。直流電動機(jī)具有調(diào)速方便平滑，調(diào)速范圍寬廣，過載能力大等優(yōu)點(diǎn)；直流發(fā)電機(jī)具有提供無脈動電力，輸出電壓便于精確地控制和調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)；因此直流電機(jī)在各個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用。
通常的直流電機(jī)，勵(lì)磁磁極屬于定子部份，且其沿定子內(nèi)圓磁極的設(shè)置是按異名磁極相間來設(shè)置的。這種設(shè)置方式使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電樞繞組和勵(lì)磁磁極之間存在相對運(yùn)動。在這樣的前提下，為了使電機(jī)輸出方向不變的電流和轉(zhuǎn)速，換向器是必不可少的部件。換向是一種十分復(fù)雜的過程。換向不良時(shí)將會產(chǎn)生強(qiáng)烈的換向火花，影響電機(jī)的正常運(yùn)行，因此換向器的存在是使直流電機(jī)故障率和維護(hù)工作量增加的原因。要提高直流電機(jī)的性能，就必須去掉換向器。在這個(gè)方面前人已經(jīng)作了一些工作，從直流電動機(jī)的角度看?，F(xiàn)有的無換向器直流電動機(jī)有無刷直流電動機(jī)和單極直流電動機(jī)兩種形式。無刷電動機(jī)的實(shí)質(zhì)是用電子換向取代機(jī)械換向，這種直流電動機(jī)除了電動機(jī)本體外，還必須有一套電子換向系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上略嫌復(fù)雜。單極直流電動機(jī)其沿定子內(nèi)圓的磁極是同名磁極，因此不需換向，但普通單極電動機(jī)須工作在低電壓大電流狀態(tài)下，限制了這種電機(jī)容量的提高。超導(dǎo)單極電動機(jī)雖能工作在高電壓狀態(tài)下，為了維持超導(dǎo)條件，制冷和絕熱措施又必不可少，在結(jié)構(gòu)上也嫌復(fù)雜。
鑒于上述各種直流電機(jī)存在的問題，本發(fā)明的任務(wù)是獲得一種沒有機(jī)械和電子換向器且能工作在高電壓下的直流電機(jī)。
本發(fā)明的基本思想是使勵(lì)磁磁極與電樞同步轉(zhuǎn)動，從而消除電樞與磁極之間的相對運(yùn)動，使換向過程成為不必要。以下結(jié)合附圖對發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
附

圖1是兩極轉(zhuǎn)子勵(lì)磁直流電機(jī)垂直于軸中心線的縱剖示意圖。(以下簡稱兩極電機(jī))附圖2是兩極電機(jī)串勵(lì)接線圖。
附圖3是兩極電機(jī)并勵(lì)接線圖。
附圖4是兩極電機(jī)他勵(lì)接線圖。
附圖5是六極轉(zhuǎn)子勵(lì)磁三相交流電機(jī)轉(zhuǎn)子縱剖示意圖。(以下簡稱六極電機(jī))附圖6是六極電機(jī)△形接線線圖。
附圖7是六極電機(jī)￥形接線圖。
附圖8是六極電機(jī)a、b、c、三極的氣隙磁通和電流波形圖。
附圖9是瓦狀永磁體勵(lì)磁轉(zhuǎn)子縱剖圖。
附圖10是塊狀永磁體勵(lì)磁轉(zhuǎn)子縱剖圖。
在附圖1中、(1)是定子、(2)是轉(zhuǎn)子、(3)是勵(lì)磁繞組、(4)是氣隙、(5)是電樞繞組。
定子(1)由外殼，定子鐵心、電刷等部份構(gòu)成。外殼包括端蓋，端蓋上裝有軸承，用來支持轉(zhuǎn)軸。外殼處于電機(jī)的最外層。定子鐵心用軟磁材料制成，位于外殼與氣隙之間，為了減弱渦流，定子鐵心可由沖片迭成，電刷由刷架和刷體構(gòu)成，刷架固定于定子上，刷體位于刷架的刷握中，有一定的活動余地，通過刷簧的壓力與位于轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)緊密接觸，電刷的數(shù)量(組數(shù))如下，當(dāng)電機(jī)設(shè)計(jì)為使用直流或單相交流電源且電機(jī)采用串勵(lì)并勵(lì)方式時(shí)，電刷為兩組；他勵(lì)為四組。當(dāng)電機(jī)設(shè)計(jì)為使用三相交流電源時(shí)，△形接法為三組；￥形接法中性點(diǎn)外接時(shí)為四組。各組電刷組內(nèi)接通，組間絕緣。定子上沒有繞組主要起支持轉(zhuǎn)子、固定刷架和閉合磁路的作用。
轉(zhuǎn)子(2)由轉(zhuǎn)子體，轉(zhuǎn)軸、集電環(huán)等部份構(gòu)成，轉(zhuǎn)子由軟磁材料(迭片或整體)制成。轉(zhuǎn)子體的外圓柱面上均勻地開有若干溝槽作嵌電樞繞組之用，溝槽有直槽和斜槽兩種，直槽的特點(diǎn)是溝槽與轉(zhuǎn)軸中心線平行。轉(zhuǎn)軸由機(jī)械強(qiáng)度高的材料制成，軸上裝有集電環(huán)，集電環(huán)的數(shù)量位置必須與電刷相適應(yīng)，本發(fā)明的電刷與集電環(huán)與繞線形電動機(jī)(或同步電機(jī))的電刷和集電環(huán)極相似，當(dāng)轉(zhuǎn)子的外圓由不同半徑的圓弧光滑連接而成則形成偏心氣隙。
勵(lì)磁繞組(3)是套在磁極上的集中繞組，作用是繞組通電后產(chǎn)生氣隙磁通，以電樞繞組的位置作參照，勵(lì)磁繞組的位置特點(diǎn)是繞組的外層導(dǎo)線距定子內(nèi)圓較遠(yuǎn)，內(nèi)層導(dǎo)線距轉(zhuǎn)軸中心線較近。
電樞繞組(5)的作用是它的有效部份(位于氣隙槽中的部份)，在本繞組電流和氣隙磁通的共同作用下將受到電磁力的作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
兩極電極的結(jié)構(gòu)如前所述，其工作原理是當(dāng)直流電源通過電刷和集電環(huán)向電樞繞組和勵(lì)磁組供電時(shí)，若兩繞組的電流方向如附圖1中所示，根據(jù)安培定律，電樞繞組的有效部份(氣隙槽中的部份)在氣隙磁通和電流的共同作用下，將受到電磁力的作用而形成轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動過程中電樞電流和氣隙磁通的相對方向不發(fā)生變化，因此不用換向即可保持相對不變的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿著附圖1氣隙中弧線箭頭所示的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動，完成電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。
如果兩極電機(jī)采用他勵(lì)(或滿足自勵(lì)條件)，轉(zhuǎn)子由外力拖動，電樞繞組中自由電荷受洛侖茲力的作用作定向運(yùn)動形成電流，通過集電環(huán)、電刷向負(fù)載供電而成發(fā)電機(jī)。這說明本發(fā)明亦和普通直流電機(jī)一樣具有可逆性。
同普通直流電機(jī)一樣，本發(fā)明亦可采用串勵(lì)、并勵(lì)、他勵(lì)等勵(lì)磁方式，附圖2——附圖4分別是這幾種勵(lì)磁方式的接線圖。在這幾幅圖中L1表示勵(lì)磁繞組，L2表示電樞繞組，小圓圈表示繞組按向集電環(huán)的輸出端。
本發(fā)明亦可制成三相交流電動機(jī)，這種電機(jī)的定子部份與前述兩極電機(jī)無異，不同之處僅在于轉(zhuǎn)子上。附圖5是一種六極電機(jī)轉(zhuǎn)子縱剖圖，圖中(6)是勵(lì)磁繞組，(7)是電樞繞組。圖5所示的六極電機(jī)的每個(gè)磁極上套有一個(gè)集中勵(lì)磁線圈，六極共有6個(gè)勵(lì)磁線圈。同兩級電機(jī)一樣每對磁極(a和d、b和e、c和f)共用一個(gè)電樞線圈，共3個(gè)電樞線圈。因此六極電機(jī)的轉(zhuǎn)子可看作三個(gè)相間60°的兩極電機(jī)的轉(zhuǎn)子組合而成，附圖5中各級上的直線箭頭表示各極勵(lì)磁線圈電流所產(chǎn)生的磁通的方向，轉(zhuǎn)子外的弧線箭頭表示在圖示電流方向下的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向。
圖6是六極△形接線圖，圖中La、Lb、Lc、Ld、Le、Lf分別是磁極a、b、c、d、e、f上的勵(lì)磁線圈，L3、L4、L5分別是磁極a和d、b和e、c和f上的電樞線圈，由接法可知La、L3、Ld，Lb、L4、Le，Lc、L5、Lf的電流分別同相。
圖7是六極電極的￥形接線圖，顯然，若中性點(diǎn)0通過集電環(huán)和電刷外按時(shí)，￥形接法比△形接法要多一組(即四組)集電環(huán)和電刷，但是，如果將A、B、C三組電刷短接作一組，0點(diǎn)集電環(huán)和電刷為另一組，用直流電源供電這時(shí)三相交流電機(jī)變作直流電機(jī)。
圖8是六極電機(jī)a極、b極、c極磁通Ф和電樞i電流的波形圖，d極、e極、f極的磁通和電樞電流波形分別與a極、b極、c極一樣。
由于用交流電供電各極的磁通是交變的，但因?yàn)橥瑢Υ艠O的勵(lì)磁繞組與電樞繞組的電流同相，當(dāng)某極的磁通過零反向時(shí)，該極的電樞電流也過零反向，因此某槽電樞線圈的有效部份的受力方向相對于該點(diǎn)切線方向不變，相對于該點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩方向亦不變。
同普通直流電機(jī)相比，本發(fā)明除保留直流電機(jī)原有優(yōu)點(diǎn)外，由于將勵(lì)磁磁極由定子移到轉(zhuǎn)子，便由集電環(huán)取代了換向器，因此提高了電機(jī)的可靠性，降低了維護(hù)工作量，減弱了對無線電設(shè)備的干擾，由于不存在換向過程，也就不必設(shè)置均壓線和換向極，因此而有利于簡化電機(jī)的制造工藝。降低電機(jī)的生產(chǎn)成本。當(dāng)本發(fā)明作電動機(jī)并且由交流電供電時(shí)，電動機(jī)可以用調(diào)壓來調(diào)速。當(dāng)本發(fā)明用作發(fā)電機(jī)時(shí)，在負(fù)載和勵(lì)磁一定的條件下，輸出電壓只是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，電壓比用普通直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓更平滑。
最后，再對本發(fā)明作一些補(bǔ)充說明一、關(guān)于勵(lì)磁繞組和電樞繞組的區(qū)別。前面從作用和位置上對兩種繞組作了界定，其實(shí)，根據(jù)畢一薩定律，電樞繞組也必然要產(chǎn)生磁通，這些磁通中的一部份也必然會通過氣隙，從這個(gè)意義上講，氣隙磁通是勵(lì)磁繞組和電樞繞組產(chǎn)生的磁通的矢量和，雖然如此，由于兩種繞組作用不同，因此它們各自產(chǎn)生的磁通在氣隙磁通所占的比例和份額也就不同，利用這個(gè)關(guān)系，本發(fā)明從磁通量的數(shù)量角度對兩種繞組作進(jìn)一步的界定，勵(lì)磁繞組是該繞組產(chǎn)生磁通在氣隙磁通中占份額較大(例如≥55％)的繞組。
二、關(guān)于勵(lì)磁繞組的電磁轉(zhuǎn)矩。由于電樞繞組也要產(chǎn)生磁通，根據(jù)安培定律，勵(lì)磁繞組也會受到電磁力的作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。并且，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向恰好與電樞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反。因此，采用以下兩個(gè)措施(1)在功率一定的條件下，提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，或增大轉(zhuǎn)子的直徑從而低降電樞繞組安匝數(shù)，(2)增大勵(lì)磁繞組與定子內(nèi)圓的距離。這兩個(gè)措施都是為了減弱勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。
三、前面，對本發(fā)明進(jìn)行描述時(shí)，有的地方用“繞組”有的地方用“線圈”、本發(fā)明是在以下定義上使用這兩個(gè)名稱，“繞組”是整體的概念，“線圈”是局部的概念，即“線圈”的集合才是繞組。例如六極電機(jī)的全部勵(lì)磁線圈稱為勵(lì)磁繞組，單個(gè)勵(lì)磁線圈就稱為勵(lì)磁線圈。
四、前文中曾提及勵(lì)磁通可永磁體來產(chǎn)生，但沒有對永磁體的形狀作進(jìn)一步的描述現(xiàn)補(bǔ)充于此，1、將永磁材料制成瓦狀永磁體，使之緊密地復(fù)蓋于轉(zhuǎn)子體的圓柱面上(位于轉(zhuǎn)子體與氣隙之間如附圖9所示，圖中(8)是瓦狀永磁體)其大小厚薄以滿足氣隙磁密為度。2、用永磁體來制成轉(zhuǎn)子體或轉(zhuǎn)子體的一部份來滿足氣隙磁密的要求。(附圖10是一種例子、圖中(9)是塊狀永磁體)，對上述兩種永磁磁極的共同要求是永磁體磁極極性安排，必須滿足使轉(zhuǎn)子獲得最大轉(zhuǎn)速為條件。
五、繞組的結(jié)構(gòu)，在一般的情況下勵(lì)磁繞組(線圈)是集中繞組(線圈)，而電樞繞組(線圈)將一個(gè)繞組(線圈)位于磁極氣隙中的部份均勻地分布于各個(gè)氣隙溝槽中，若每個(gè)磁極上只有一個(gè)溝槽，則電樞繞組(線圈)也是集中繞組(線圈)，圖中只畫一兩槽示意。
六、前述的兩極和六極電機(jī)，轉(zhuǎn)子在定子的內(nèi)部，屬于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。亦可根據(jù)相同的原理，制成外轉(zhuǎn)子電機(jī)。
權(quán)利要求
一、一種由集電環(huán)取代換向器，定子無繞組的直流電機(jī)，其特征是勵(lì)磁繞組和電樞繞組同在轉(zhuǎn)子上。
二、一種由集電環(huán)取代換向器，定子無繞組、無永磁勵(lì)磁體的永磁勵(lì)磁直流電機(jī)，其特征是永磁勵(lì)磁體與電樞繞組同在轉(zhuǎn)子上。
全文摘要
轉(zhuǎn)子勵(lì)磁無換向器直流電機(jī)，由集電環(huán)取代換向器，定子無繞組，它的勵(lì)磁繞組和電樞繞組同在轉(zhuǎn)子上，勵(lì)磁磁極與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，因此取消了換向器，做到既保持直流電機(jī)調(diào)速方便平滑、范圍寬廣，過載能力大和直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓便于精確控制及調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，又提高了直流電機(jī)工作的可靠性，通過合理安排電機(jī)的極數(shù)和繞組的接法，還可制成交直兩用電機(jī)和三相交流電機(jī)，擴(kuò)大轉(zhuǎn)子勵(lì)磁無換向器電機(jī)的應(yīng)用范圍。
文檔編號H02K57/00GK1114797SQ9410833
公開日1996年1月10日 申請日期1994年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月7日
發(fā)明者羅代云 申請人:羅代云