專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電機(jī)的制作方法
一種電機(jī)
技術(shù)范圍-
本發(fā)明屬于電機(jī)。它是一種發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)。特別是其作用原理是基于導(dǎo) 線環(huán)周磁場(chǎng)變化而作用的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)。 技術(shù)背景
作為應(yīng)用電磁感應(yīng)的作用而制成的電機(jī)，既往的發(fā)電機(jī)原理是導(dǎo)線切割磁 力線而產(chǎn)生電流，且導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁力線垂直時(shí)，感生電勢(shì)最強(qiáng)；而電動(dòng)機(jī)
則是在磁場(chǎng)中有一個(gè)導(dǎo)線通過(guò)電流的時(shí)，導(dǎo)線將會(huì)運(yùn)動(dòng)，且在與磁力線垂直時(shí)， 力最大。導(dǎo)線產(chǎn)生電流的方向和運(yùn)動(dòng)的方向都可分別由右手、左手定則來(lái)判斷。
一個(gè)問(wèn)題是作為發(fā)電機(jī)，對(duì)結(jié)構(gòu)中的"導(dǎo)線"來(lái)說(shuō)，就產(chǎn)生了一個(gè)有效部 分及無(wú)效部分的區(qū)別即，只有能切割到磁力線的導(dǎo)線，或者說(shuō)是只有在磁力 線范圍內(nèi)的導(dǎo)線才能感生電勢(shì)，而其余的部分，則不能感生電勢(shì)。具體到電機(jī) 結(jié)構(gòu)上說(shuō)，在電機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子的線槽內(nèi)的導(dǎo)線才是有效部分，此外則屬無(wú)效 部分。
電機(jī)的繞組都是往復(fù)重疊的，多為"一匝二槽"，從而有二個(gè)"槽內(nèi)線"和 兩個(gè)"槽外線"。槽內(nèi)有效，槽外則無(wú)效，又常常是槽外線長(zhǎng)于槽內(nèi)線，因此結(jié) 論之一是既往電機(jī)中導(dǎo)線的利用率甚低。査各工程手冊(cè)可知，既往結(jié)構(gòu)電機(jī) 導(dǎo)線利用率僅為35~48%。
在電機(jī)學(xué)中的經(jīng)典公式肯定了這一點(diǎn)
對(duì)發(fā)電機(jī)，繞組或?qū)Ь€上產(chǎn)生的電勢(shì)是^ = ^";對(duì)電動(dòng)機(jī)，通電繞組或?qū)?線在磁場(chǎng)中的力是F-BLI。式中B:磁感應(yīng)強(qiáng)度，L:在磁場(chǎng)中切割磁力線的導(dǎo)
線的有效長(zhǎng)度，"是導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)速度，I是在磁場(chǎng)中通過(guò)導(dǎo)線的電流。這兩個(gè)公式
共同前提條件是導(dǎo)線磁力線相互間夾角是9(T。這里的都用長(zhǎng)度L而不用匝數(shù)
的公式表明導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電勢(shì)、動(dòng)能都只與在磁場(chǎng)中有效長(zhǎng)度L有關(guān)。
第二個(gè)問(wèn)題是電機(jī)的線槽的數(shù)量及影響，各種發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)中繞線型結(jié)構(gòu) 的線槽，都是在定子、轉(zhuǎn)子上分布的，有幾個(gè)到近百個(gè)。線槽的數(shù)量雖依應(yīng)用 和性質(zhì)而定，但不管槽多、少，它有好處，也有很多弊端，甚至已是性能和指 標(biāo)的嚴(yán)重障礙。槽與槽相鄰，造成繞組與繞組互相疊壓，僅只就在這個(gè)有限空 間中，在大容量高壓電機(jī)中，耐壓就有了限度，大型電站的發(fā)電機(jī)在當(dāng)前國(guó)內(nèi)
外都是20-24KV，而電站向外輸送則須是110KV 500KV，電動(dòng)機(jī)則更低了。
這是既往電機(jī)的遍布線槽結(jié)構(gòu)模式的缺陷。
第三個(gè)問(wèn)題是，遍布線槽的鐵芯結(jié)構(gòu)在形態(tài)上是凸凹不平的布局，表現(xiàn)在磁 場(chǎng)分布上也必然是不均滑的分布，這是造成奇次諧波重要原因之一 。
第四個(gè)問(wèn)題是工藝上的繁瑣，電機(jī)的容量越大，導(dǎo)線截面越大，以彎折工藝 來(lái)實(shí)現(xiàn)槽間過(guò)渡已不可能。只好以一匝，甚至半匝作為施工的"基元"。從而增 加了匝和匝間，甚至半匝之間的鏈接工藝。對(duì)用水冷、氣冷或者是油內(nèi)冷的導(dǎo) 線，這道工序是很復(fù)雜的。
第五個(gè)問(wèn)題是由上述原因造成的生產(chǎn)周期的加長(zhǎng)、成本增加。 發(fā)明的內(nèi)容
本發(fā)明所提出的電機(jī)，其作用機(jī)制完全不同于既往的電機(jī)機(jī)制，對(duì)發(fā)電機(jī)它 不是應(yīng)用導(dǎo)線切割磁力線的原理制成。對(duì)電動(dòng)機(jī)它不是通電導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)中 產(chǎn)生力而造成旋動(dòng)。
它是基于在導(dǎo)線環(huán)周的磁場(chǎng)變化而作用的機(jī)理制成的電機(jī)。現(xiàn)結(jié)合圖1 從原理上加以說(shuō)明。如圖1所示，在導(dǎo)線001旁的徑向平面上，設(shè)有一個(gè)電磁
鐵002，當(dāng)電磁鐵002因其上繞組003通有交變電流而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)線 001環(huán)周也呈現(xiàn)有大小和方向上的磁分布變化，這種在導(dǎo)線001周?chē)淖兓?場(chǎng)將使導(dǎo)線001感生電勢(shì)。
圖2所示的是在導(dǎo)線001旁，設(shè)有一個(gè)永久磁鐵004，并形成一個(gè)在導(dǎo)線 001環(huán)周的靜態(tài)磁場(chǎng)，當(dāng)在這個(gè)永久磁鐵的磁中心點(diǎn)裝一個(gè)旋軸005，并以導(dǎo)線 的軸向斷面，即徑向位為軸、旋動(dòng)時(shí)，靜磁場(chǎng)變位翻轉(zhuǎn)。當(dāng)磁極旋過(guò)180°時(shí)， 環(huán)周磁場(chǎng)換向。過(guò)程中環(huán)周磁場(chǎng)的平面與導(dǎo)線間夾角改變，以及磁極位置改變， 這便是環(huán)周磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小和方向改變。因此永久磁鐵的周期旋動(dòng)，導(dǎo)致在導(dǎo) 線中感生交變電勢(shì)。對(duì)發(fā)電機(jī)，永久磁鐵旋動(dòng)時(shí)，造成導(dǎo)線001的環(huán)周磁場(chǎng)產(chǎn) 生大小和方向的變化，而使導(dǎo)線001感生電勢(shì)。對(duì)電動(dòng)機(jī)磁鐵004不動(dòng)，導(dǎo) 線001通電流，方向向上時(shí)，導(dǎo)線受力方向向右，當(dāng)磁鐵004旋動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線OOl 向左、右周期移動(dòng)。
圖3是永久磁鐵004的磁場(chǎng)平面與導(dǎo)線軸向位相同，其旋動(dòng)瞬間便是一個(gè)導(dǎo) 線001與磁力線垂直、并完全切割磁力線的瞬間。由于上、下兩磁力線相反， 導(dǎo)線OOl中感生電勢(shì)為零。電動(dòng)機(jī)的情況是，當(dāng)磁力線平面平行于導(dǎo)線001的 軸向，即正切于磁力線時(shí)，通電導(dǎo)線001受力為零。這就是本發(fā)明的新型電機(jī) 作用機(jī)制的基礎(chǔ)。
這是本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)并付諸應(yīng)用的不同于"切割磁力線"模式的原理或現(xiàn)象。
接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的示意圖如圖4所示， 一個(gè)方框?qū)Т挪牧戏Q(chēng)為定子101，在它的 中部設(shè)有一個(gè)旋動(dòng)磁場(chǎng)，稱(chēng)為轉(zhuǎn)子102。轉(zhuǎn)子102與定子101之間，或者說(shuō)在 轉(zhuǎn)子102兩側(cè)有兩個(gè)方區(qū)空間，各形成一個(gè)閉合的磁路，即環(huán)周模式的磁場(chǎng)。 穿過(guò)兩個(gè)環(huán)周磁場(chǎng)中心，即轉(zhuǎn)子102外周繞有導(dǎo)線繞組106，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋動(dòng)時(shí)， 在繞組106上產(chǎn)生交流電勢(shì)。以上是發(fā)電機(jī)運(yùn)用。如在繞組106上通交變電流， 則轉(zhuǎn)子102旋動(dòng)而成為交流電動(dòng)機(jī)。旋動(dòng)的磁場(chǎng)可以是永磁式，也可以是電磁 式。圖中略去了電磁式轉(zhuǎn)子的通電繞組。此種結(jié)構(gòu)是用唯一的一個(gè)旋動(dòng)磁場(chǎng)， 稱(chēng)為單磁源式結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的特點(diǎn)
首先是，繞組導(dǎo)線的全部都處在參與電磁感應(yīng)的相互作用中，這可從圖4 的結(jié)構(gòu)模式中看出。
它表明導(dǎo)線利用率的100%。這不僅僅意味著新結(jié)構(gòu)在導(dǎo)線利用率上是既往 結(jié)構(gòu)的2 3倍。更重要的是意味著同容量的電機(jī)的內(nèi)阻減少40~70%，電機(jī)運(yùn)行 中的發(fā)熱減少40~70%。對(duì)超大容量的電站發(fā)電機(jī)，這是很重要的能耗和效率指 標(biāo)。
第二，定子不需多線槽和多繞組，是此種結(jié)構(gòu)的重要特征。不同電壓輸出或 不同的相位輸出，都可自成一體，成為一個(gè)唯一的獨(dú)立繞組，而不需要既往結(jié) 構(gòu)的多個(gè)線槽的多繞組，且須以串聯(lián)、并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
沒(méi)有了多槽分布，則因多槽結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的磁場(chǎng)分布影響而產(chǎn)生的諧波，將被 克服。
第三，工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于大容量電機(jī)，既住結(jié)構(gòu)中導(dǎo)線彎折很困難，所以 匝與匝間有接頭，這個(gè)接頭是很麻煩的，因?yàn)椴粌H僅是電路保障上的要求，而 且還是導(dǎo)線內(nèi)部的水冷、氣冷或油冷系統(tǒng)的要求。新結(jié)構(gòu)是大半徑彎曲， 一根 管線一直繞到底，所以工時(shí)、周期大為縮短。
第四，由于定子沒(méi)有繞組疊壓，相間或線間繞組獨(dú)立，可大幅提升輸出電壓， 可省去電機(jī)與電網(wǎng)間的升、降壓變壓器。
第五，由于節(jié)省材料、簡(jiǎn)化工藝從而使電機(jī)的生產(chǎn)成本、運(yùn)營(yíng)成本都大幅降低。


圖1導(dǎo)線因環(huán)周磁場(chǎng)變化而感生電勢(shì)的原理示意圖
圖2導(dǎo)線在永久磁鐵旋動(dòng)產(chǎn)生變動(dòng)的環(huán)周磁場(chǎng)中感生電勢(shì)的示意圖
圖3環(huán)周磁場(chǎng)中導(dǎo)線正切于磁力線時(shí)，感生電勢(shì)為零的示意圖
圖4以環(huán)周磁場(chǎng)改變而作用的電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理示意圖的側(cè)視平面圖
圖5以環(huán)周磁場(chǎng)改變而作用的電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理示意圖的俯視平面圖
圖6單相交流電機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖的軸向平面圖
圖7單相交流電機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)視平面圖
圖8三相電機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖的軸向剖面圖
圖9三相電機(jī)中的一個(gè)相位的結(jié)構(gòu)示意圖
圖10新型直流電機(jī)的原理示意圖
圖ll直流電機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)視平面圖
圖12直流電機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖的軸向平面圖
圖中001:在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線；002:環(huán)形或弧形導(dǎo)磁材料；003:在環(huán)形或 弧形導(dǎo)磁材料上的繞組；004:弧形永久磁鐵；005:旋軸；101:定子；101-1: 上定子鐵芯；101-2:下定子鐵芯；101A: A相定子；101B: B相定子；101C: C相定子；102:轉(zhuǎn)子；102-1:轉(zhuǎn)子左側(cè)磁源；102-2:轉(zhuǎn)子右側(cè)磁源；103:轉(zhuǎn) 子軸；104:定子繞組；104-1:上定子繞組；104-2:下定子繞組；104A: A相 定子繞組；104B: B相定子繞組；104C: C相定子繞組；105:雙磁源轉(zhuǎn)子間芯 鐵，106:繞組或?qū)Ь€；201:轉(zhuǎn)子定位夾板；202:電機(jī)整機(jī)定位板；203:軸 承；301:永久磁鐵磁極；302:往復(fù)線同位同步旋動(dòng)的轉(zhuǎn)子；304:直流電機(jī)激 磁繞組；305:往復(fù)線同位同步旋動(dòng)的繞組；305-1:往復(fù)線同位同步旋動(dòng)的上 繞組；305-2:往復(fù)線同位同步旋動(dòng)的左繞組；305-3:往復(fù)線同位同步旋動(dòng)的下 繞組；305-4:往復(fù)線同位同步旋動(dòng)的右繞組；306:直流電機(jī)整流子；307:炭 刷。
具體實(shí)施例方式
下面，闡述
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的電機(jī)，從種類(lèi)上完全相似于既往的切割磁力線的模式，有交流電機(jī)、 直流電機(jī)，有單相式、多相式，電磁式、永磁式，以及多種的派生出來(lái)的電機(jī)。 現(xiàn)以基本類(lèi)型做一說(shuō)明。 實(shí)施例之一單相交流電機(jī)。
最簡(jiǎn)單的實(shí)用類(lèi)型如圖6所示。圖6中，在軸103的上下分別有兩個(gè)類(lèi)C
型鐵的定子鐵芯101-1、 101-2，在這兩個(gè)定子鐵芯101-1和101-2的對(duì)口處，有 兩個(gè)固定在軸上的轉(zhuǎn)子102-1、 102-2，具有各自的磁場(chǎng)，稱(chēng)雙磁源式。在兩轉(zhuǎn)
子之間有芯鐵105，連通磁路，它是兩個(gè)相反方向?qū)?yīng)的環(huán)磁磁路，如圖7中 上部，兩磁源的磁極相反。它有兩個(gè)各自獨(dú)立的定子繞組104-1和104-2。圖7 是圖6的側(cè)視圖。
實(shí)施例之二是三相交流電機(jī)，仍先以發(fā)電機(jī)作說(shuō)明，
圖8、圖9所示為三相交流電機(jī)。它可被看作是三個(gè)單相電機(jī)的組合，只是 共用轉(zhuǎn)子而已。
由于在三個(gè)各間隔120 。分布的獨(dú)立的定子鐵芯101A、 IOIB、 IOIC及三個(gè) 定子繞組104A、 104B、 104C，它們各屬于當(dāng)前電網(wǎng)常用的A、 B、 C三相。轉(zhuǎn) 子102-1， 102-2,裝在定子對(duì)應(yīng)的其二端，也稱(chēng)為雙磁源式。102-1和102-2這
兩個(gè)磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)位的極性不同。二個(gè)磁源之間有轉(zhuǎn)子間芯鐵105連通。
在上述結(jié)構(gòu)中所用的轉(zhuǎn)子，也有繞線式和鼠籠式二種，結(jié)構(gòu)上除尺寸、外形
不同外，完全相同于既往結(jié)構(gòu)繞線式轉(zhuǎn)子、鼠籠式轉(zhuǎn)子模式。 實(shí)施例之三是直流電機(jī)。
先做原理性說(shuō)明。如圖10所示。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子302，其上部繞組305-1， 下部繞組305-3的往復(fù)線，不是既往方式分別對(duì)應(yīng)于上、下兩個(gè)不同磁極上， 而是同時(shí)對(duì)應(yīng)在同一磁極上，此時(shí)的感生電勢(shì)或場(chǎng)中受力為最大，從定義角度 說(shuō)，當(dāng)繞組的往復(fù)線305-1， 305-3分別以同速、同向、同時(shí)、垂直切割磁力線 時(shí)，感生電勢(shì)或場(chǎng)中受力為最大。因?yàn)閺沫h(huán)磁作用說(shuō)，只有此種情況下，繞組 往復(fù)線305-1， 305-3的環(huán)周動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)最強(qiáng)，也即穿過(guò)繞組中心的磁通最大。在 圖10中所示結(jié)構(gòu)是以導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的模式示出的。定子301為一永磁或電 磁結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子302的上下兩端有兩個(gè)繞組305-1、 305-3。當(dāng)轉(zhuǎn)子302旋動(dòng)在 所示位置時(shí)，磁力線對(duì)兩繞組的往復(fù)線，經(jīng)定子301的圖外部分構(gòu)成環(huán)繞繞組 導(dǎo)線305-1， 305-3的磁場(chǎng)變化，從而感生電勢(shì)。如圖10所示旋動(dòng)方向時(shí)，其感 生電流方向如導(dǎo)線端部所示。
圖ll、圖12為實(shí)際結(jié)構(gòu)示意圖。該直流電機(jī)的定子301為一對(duì)磁極。當(dāng)用 電磁式結(jié)構(gòu)時(shí)，另用定子繞組304激磁，電樞為四繞組305-1~305-4，各自的二 個(gè)出線端分別為l-2， 3-4， 5-6， 7-8。它們是分別聯(lián)在轉(zhuǎn)子302的一端的整流子 306上，它的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有整流子相同。繞組端的數(shù)碼與整流子的數(shù)碼對(duì)應(yīng)聯(lián)接。 另外，在與磁力線垂直的中位上裝有碳刷307以輸出直流電壓。它可逆為電動(dòng) 機(jī)使用。
權(quán)利要求
1、本發(fā)明的電機(jī)其特征在于在結(jié)構(gòu)上它由定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子繞組、軸及為上述部件的定位、支撐件等組成；在作用原理或機(jī)制上是依據(jù)在導(dǎo)線環(huán)周的磁場(chǎng)在大小和方向的改變而發(fā)生作用的。即作為發(fā)電機(jī)，感生電勢(shì)的機(jī)理是以導(dǎo)線為軸心，在這個(gè)導(dǎo)線外周環(huán)繞的磁場(chǎng)，令其改變大小和方向，從而使導(dǎo)線產(chǎn)生電勢(shì)；作為電動(dòng)機(jī)，其機(jī)理是以通電導(dǎo)線為軸心，在這個(gè)通電導(dǎo)線的外周，使其磁場(chǎng)的大小和方向上連續(xù)周期性改變，從而產(chǎn)生連續(xù)周期的旋動(dòng)力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述電機(jī)，其特征在于可制成單相、三相等交流電機(jī)、 直流電機(jī)。以及派生出的但應(yīng)用同一原理的其它類(lèi)型的電機(jī)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述電機(jī)，其特征在于它可以是單磁源的，也可以是多磁源的結(jié)構(gòu)方式。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機(jī)，其特征在于其定子繞組，不是以圓周遍布線槽的方式定位，而是繞在全部或部分的定子鐵芯上，即非多線槽布線方式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 4所述的電機(jī)的定子繞組，不存在繞組間的疊壓，各繞組在空間上是獨(dú)立的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 4所述電機(jī)，其特征在于因其繞組環(huán)繞于導(dǎo)磁材料，故導(dǎo)線全部都是有效線段，即導(dǎo)線的利用率是100%，或全部導(dǎo)線都具電磁感應(yīng)作用。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l、 3所述電機(jī)，其特征在于對(duì)繞組即電磁感應(yīng)的導(dǎo)線所施加的環(huán)周磁場(chǎng)可以是對(duì)繞組全部、做全封閉的，也可以是一處局部的，或 多處局部的。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2所述電機(jī)，其特征在于當(dāng)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線， 不是單一的一根線時(shí)，作為繞組的往復(fù)線，如果在同一磁場(chǎng)中同步、同時(shí)、同 向運(yùn)動(dòng)，都垂直切割磁力線時(shí)，作為發(fā)電機(jī)時(shí)繞組的感生電勢(shì)最大，都平行于磁力線時(shí)，感生電勢(shì)為零；作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，都垂直切割磁力線時(shí)，產(chǎn)生的力最大，都平行于磁力線時(shí)，產(chǎn)生的力為零。
全文摘要
一種電機(jī)它在結(jié)構(gòu)上是由定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子繞組、軸及相關(guān)的定位部件組成。在作用原理上，它是依據(jù)在導(dǎo)線周?chē)艌?chǎng)的大小及方向上改變而作用的，該電機(jī)不需要定子上的眾多的線槽結(jié)構(gòu)，并且繞組導(dǎo)線的所有線段都發(fā)生電磁感應(yīng)作用，即百分之百有效。由于定子繞組是各自獨(dú)立的，不存在多線槽、多繞組之間的疊壓，所以不僅克服耐壓障礙，而且不存在多組之間、多匝之間接頭問(wèn)題，減少很多工序及成本，節(jié)約能源。本發(fā)明的電機(jī)可有交流電機(jī)、直流電機(jī)和其它特種用途電機(jī)。
文檔編號(hào)H02K3/04GK101345446SQ200710012020
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2007年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月10日
發(fā)明者唐文晶, 徐凌宇, 徐懷宇, 徐文廷, 徐淑英, 蘇坤祥, 郭非凡 申請(qǐng)人:徐文廷