專利名稱：換向式無刷直流電機的制作方法
技術領域：
換向式無刷直流電機是一種用于大功率高壓(或大電流)直流電產生(發(fā)電機)和應用(電動機)的直流電機。
大功率高壓直流電在遠距輸電特別是海底電纜輸電方面有巨大的優(yōu)點。直流電動機能在寬廣范圍內平滑而經濟地調速，并有較高的過載能力和較大的起動力轉矩的優(yōu)點。但是傳統直流電機需換向器，故要消耗較多的有色金屬，且可靠性差不能產生和應用大功率高壓直流電。因而人們設計出無刷直流發(fā)電機和無刷直流電動機(它們主要是應用可控硅整流及逆變技術)，但是在實施中它們還存在過載能力低、高次諧波分量大及輔助環(huán)節(jié)多且復雜的缺點。為解決上述直流電機缺點，繼承換向獲得直流電方案和無刷設計思路，現設計出換向式無刷直流電機。
換向式無刷直流電機是一種帶勵磁機(轉樞交流電機)的同軸無刷電機--其中主電機為轉樞交流電機。換向式無刷直流電機包括定子、轉子兩大部分。

圖1、圖2展示出一臺最簡單的兩極換向式無刷直流電機模型。其中定子包括主電樞繞組1、主電樞鐵芯2、勵磁機磁極鐵芯3、勵磁機勵磁繞組4、接線端口5、勵磁機接線端口6，轉子包括主磁極鐵芯7、主勵磁繞組8、勵磁機電樞繞組9、勵磁機電樞鐵芯10、轉軸11。圖中電流方向、磁通方向、轉子旋轉方向為參考方向。
我們知道單相兩極交流發(fā)電機(帶勵磁繞組)能夠發(fā)出交流電的一個必要條件是勵磁繞組電流方向始終不變。即當發(fā)電機輸出電流將變化的瞬間(電樞導線越過中性面時)若改變勵磁電流方向，那么發(fā)電機輸出電流方向將不再變化(由右手定則可以判定)，此時我們就獲得了直流電，這就是磁極換向原理--實質上它與電樞用換向片換向等效。磁極換向獲得直流電條件為勵磁電流頻率和初始電角度與發(fā)電機輸出電流頻率和初始電角度相同(或相差180度電角度)。
現輔以圖1、圖2闡明本發(fā)明工作原理(以發(fā)電機工作原理為例)。在電機模型中，我們是用兩個單相兩極交流電機同軸聯結滿足磁極換向條件的。其中勵磁機為轉樞式電機，主發(fā)電機為轉場式電機，且勵磁機電樞繞組與磁極繞組在空間位置上機械角度相同。在電機模型中直流電獲得過程為首先通過原動機帶動轉子按逆時針以轉速n旋轉，再通過端口6輸入直流電，于是在勵磁機電樞產生感生電流(電流方向圖中已標識出)并作用于主磁極繞組8而建立主勵磁磁場，這樣在主電樞繞組1將產生感生電流。由于磁極換向作用，轉子雖不停地旋轉，但主電樞繞組任意導線所受磁通方向卻始終不變--因為主磁極每轉半周，它的勵磁電流方向就改變一次，于是主磁極磁場方向改變，所以主磁通方向相對于任意主電樞繞組導線始終不變--因而通過端口5即可獲得脈動直流電。
上述換向式無刷直流發(fā)電機模型的輸出電流和電壓波型脈動大，因而得不到幅值穩(wěn)定的直流電。因此必須增加切割磁力線的導線數，同時為了提高磁通密度及改善換向性能和運行可靠，我們還應增加主發(fā)電機的磁極對數P和勵磁機相數M(P與M越大輸出電流越穩(wěn)定、換向性能越好，考慮到電機的造價因素，所以P與M一般選取在3-100之間)，并且每對主勵磁繞組的輸入端與每相勵磁機電樞繞組的輸出端一一對應連接(即P=M)。另外根據電機容量及用途，應適當選擇不同的冷卻方式。由于直流電機可逆，所以當我們往電樞輸入直流電，轉子即可輸出動力，不過這種直流電動機無起動力矩——因此需輔助起動裝置。換向式無刷直流發(fā)電機與換向式無刷直流電動機結構相同。
本發(fā)明使用無刷勵磁有利于提高主發(fā)電機勵磁電流、勵磁功率及轉速，而采用磁極換向方式在主電樞上即可獲得直流電，應用轉場設計則可取得大功率高壓(或大電流)電流--綜上換向式無刷直流電機可獲得大功率高壓(或大電流)直流電(功率在10MW以上)。因而本發(fā)明適應于大功率高壓直流輸電系統直流電源、大型電冶廠大電流直流電源--可由直流發(fā)電廠直接供給、航空用高速無刷直流電機。換向式無刷電動機可用于電力拖動系統和電氣測量系統。本發(fā)明特別適應于易燃易爆場合。
下面我們舉一個換向式無刷直流發(fā)電機實例。它的構造如圖3(縱向剖面圖)，定子包括主電樞鐵芯2、主電樞繞組1、機座13、勵磁機磁極鐵芯3、勵磁機勵磁繞組4、軸承14。轉子包括勵磁機電樞鐵芯10、勵磁機電樞繞組9、主磁極鐵芯7、勵磁繞組8、風扇12、轉子軸11。主電樞、勵磁機磁極固定在機座上；勵磁機電樞、主磁極與冷卻用風扇同軸聯結裝在轉子軸上，轉子通過軸承安裝在機座上。上圖4為本例各繞組的接線原理圖，它顯示出各繞組電流方向及磁通方向(其中設轉子逆時針旋轉)。其轉子上勵磁機電樞繞組線相數A為3，磁極對數P為3，勵磁機每相電樞繞組與主磁極每對勵磁繞組對應連接，電機冷卻方式為風冷。此發(fā)電機輸出電流已經比較穩(wěn)定。
權利要求1．一種帶勵磁機的磁極換向式同軸無電刷直流電機，勵磁機為轉樞式交流電機，主電機為轉場式交流電機，包括定子，轉子兩大部分，勵磁機電樞與主磁極同軸聯接組成轉子；其特征在于勵磁機相數M與主磁極對數P相等，勵磁機每相電樞繞組的輸出端與主磁極每對勵磁繞組的輸入端一一對應連接；
2．根據權利要求1所述的換向式無刷直流電機其特征是P與M的最佳值為3-100；
專利摘要換向式無刷直流電機是一種帶勵磁機的同軸無電刷直流電機,其勵磁機為轉樞式交流電機,主電機為轉場式交流電機。本實用新型是通過交流電機磁極繞組1勵磁電流在中性面換向,進而從其電樞2獲得直流電,并且通過勵磁機電樞3與主電機的主磁極4同軸聯結實現無刷工作。它可廣泛用作遠距直流輸電系統的電源,大型電冶廠的電源,航空用高速無刷直流發(fā)電機,或用于電力拖動系統和電氣測量等,特別適應于易燃易爆場合。
文檔編號H02K23/02GK2325920SQ9723720
公開日1999年6月23日 申請日期1997年6月13日 優(yōu)先權日1997年6月13日
發(fā)明者賈鳳斌 申請人:賈鳳斌