專利名稱：無整流器直流電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是在長期探索、研究電機理論和實踐(實驗)的基礎(chǔ)上，反駁“根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象制造無整流子直流電機之不可能”技術(shù)偏見，創(chuàng)立無整流器直流電機基礎(chǔ)理論(原理)指導(dǎo)下發(fā)明的。
現(xiàn)有整流(換向)器電機，存在換向器結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，換向火花引起電刷與整流子磨損和燒蝕，可靠性差，使用期限短，單位功率的體積大、重量大、成本高等缺點。
本發(fā)明的目的就是解決直流電機不用整流(換向)器的問題。解決的技術(shù)方案電樞電動勢應(yīng)用直流電勢電磁感應(yīng)原理，不是采用傳統(tǒng)的交流電勢電磁感應(yīng)原理，電樞繞組與外電路直通直流電壓/電流，不用整流(換向)器。電樞繞組各元件(單匝線圈)內(nèi)外側(cè)兩有效(切割)邊長l1、l2，相對同性磁極，以顯著不同的線速度V1＜＜V2，同方向切割其所在處的磁感應(yīng)強度B1、B2，感應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)外側(cè)兩個直流電動勢e1、e2，內(nèi)側(cè)電動勢顯著小于外側(cè)電動勢(e1＝B1l1V1＜＜e2＝B2l2V2)，這兩個直流電動勢在空間坐標(biāo)上方向相同，但在單匝線圈回路上方向相反。
一、無整流器直流電機的實施方案無整流(換向)器直流電機是將直流電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機，它可用作發(fā)電機或電動機，還可以作其它特殊的用途。具有電磁式、永磁式、旋轉(zhuǎn)磁極式、旋轉(zhuǎn)電樞式、單電樞、多電樞、穩(wěn)恒直流電、脈沖直流電、多相脈沖直流電等多種實施方案。
1.電磁式旋轉(zhuǎn)磁極單電樞無整流器直流電機(一)結(jié)構(gòu)如

圖1、2所示。圖2是圖1A-A剖面圖。
(1)定子電樞部分由環(huán)形電樞鐵心5上繞有電樞繞組6，內(nèi)側(cè)有附加電樞鐵心7，還有電刷2，前后蓋等不轉(zhuǎn)動的部件。
電樞結(jié)構(gòu)保證電樞電動勢是應(yīng)用直流電勢電磁感應(yīng)原理，電樞繞組與外電路直通直流電壓/電流，不用整流(換向)器既無整流(換向)器。電樞繞組各元件(單匝線圈)外側(cè)有效邊長l2所在處距轉(zhuǎn)子軸中心線的半徑R顯著大于內(nèi)側(cè)有效邊長l1所在處距轉(zhuǎn)子軸中心線的半徑r，即R＞＞r(V2＞＞V1)。電樞繞組各線圈組在環(huán)形電樞鐵心外側(cè)為集中布置，使外側(cè)有效邊長l2所在處的磁感應(yīng)強度B2近似等于內(nèi)側(cè)有效邊長l1所在處的磁感應(yīng)強度B1(B2≈B1)。
電樞直流電壓/電流的大小，可以用改變電樞繞組各線圈組串、并聯(lián)的接法來實現(xiàn)。串聯(lián)電壓高電流小，并聯(lián)電流大電壓低。
輸出穩(wěn)恒直流電壓/電流的，電樞繞組各線圈組在環(huán)形電樞鐵心上的分布為與外磁極近似常數(shù)切割分布。輸出脈沖直流電壓/電流的電樞繞組各線圈組在環(huán)形電樞鐵心上的分布為與外磁極脈沖切割分布。輸出多相脈沖直流電壓/電流的，電樞繞組各線圈組在環(huán)形電樞鐵心上的分布為與外磁極多相脈沖切割分布。
電樞內(nèi)側(cè)附加電樞鐵心，增大只與內(nèi)側(cè)有效邊長l1一方相鏈的漏磁通，以減小、消除電動機狀態(tài)時的反電磁轉(zhuǎn)矩。
(2)轉(zhuǎn)子磁場部分外磁極4上套裝激磁繞組3，轉(zhuǎn)子磁路盤9，轉(zhuǎn)子軸8和滑環(huán)2等轉(zhuǎn)動的部件。
外磁極4極掌的磁感應(yīng)強度B2近似等于電樞繞組元件內(nèi)側(cè)有效邊長l1所在處的磁感應(yīng)強度B1(B2≈B1)。
激磁方式可以是他激、自激、并激或串激。
(二)工作原理(1)電樞電動勢不是采用傳統(tǒng)的交流電勢電磁感應(yīng)原理，而是應(yīng)用直流電勢電磁感應(yīng)原理。如圖3所示，當(dāng)激磁繞組3通入直流電時，磁感應(yīng)線分布及方向如圖中虛線箭頭所示。根據(jù)電磁感應(yīng)定律e＝BlV，當(dāng)外力拖動外磁極4旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組各元件(單匝線圈)內(nèi)外側(cè)兩有效(切割)邊長l1、l2，相對同性外磁極以顯著不同的線速度V1＜＜V2，同方向切割其所在處的磁感應(yīng)強度B1、B2，感應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)外側(cè)兩個直流電動勢e1、e2，內(nèi)側(cè)電動勢顯著小于外側(cè)電動勢，即e1＝B1l1V1＜＜e2＝B2l2V2，這兩個直流電動勢在空間坐標(biāo)上方向相同，但在單匝線圈回路上方向相反。因1方案電樞繞組元件(單匝線圈)內(nèi)外側(cè)兩效邊l1、l2是同相位布置的，相對同一磁極同方向同相位切割，感應(yīng)產(chǎn)生的直流電動勢為e＝e2-e1＝B2l2V2-B1l1V1。電樞繞組感應(yīng)直流電動勢/電流的方向按右手定則決定，如圖3電樞繞組6上的箭頭所示。
因電樞繞組內(nèi)外側(cè)有效導(dǎo)體數(shù)相等N1＝N2，線速度V＝ (πDn)/60 代入上式，得E = E2- E1= (B2N2l2πD2n)/60 - (B1N1l1πD1n)/60設(shè)B1N1l1＝B2N2l2則E＝(D2-D1) (BNlπn)/60電樞電動勢的大小和方向可用改變激磁電流的大小和方向來控制。
發(fā)電狀態(tài)電樞繞組直接向外電路輸出直流電壓/電流，不用整流(換向)器，也不用集流環(huán)電刷裝置。
(2)電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)電磁力定律F＝BlI，處于氣隙磁場中的載電流電樞繞組各元件有效邊受到電磁力的作用，若內(nèi)外側(cè)兩有效邊都處于內(nèi)外氣隙磁場中，由于內(nèi)外側(cè)兩有效邊長l1、l2上的電流方向相反，電磁力的方向也相反，此方向按左手定則決定。電磁轉(zhuǎn)矩為M = M2- M1= (B2N2l2ID2)/2 - (B1N1l1ID1)/2在發(fā)電狀態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩M1的方向與旋轉(zhuǎn)方向相同，在電動狀態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩M1的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，為反電磁轉(zhuǎn)矩，應(yīng)盡可能減小、消除，其方法有①盡可能減小內(nèi)直徑D1，②增大內(nèi)氣隙，③在環(huán)形電樞內(nèi)側(cè)附加電樞鐵心，增大只與內(nèi)側(cè)有效邊長l1一方相鏈的漏磁通，以減小、消除反電磁轉(zhuǎn)矩M1，當(dāng)反電磁轉(zhuǎn)矩M1小到可以忽略不計時，則電磁轉(zhuǎn)矩為M = Ma= (B2N2l2ID2)/22.永磁式旋轉(zhuǎn)磁極單電樞無整流器直流電機如圖4所示，結(jié)構(gòu)、工作原理與上述1方案相同，只是將電磁激磁改為永磁體3激磁(其余圖號與1方案相同)沒有激繞組、滑環(huán)和電刷裝置。
3.旋轉(zhuǎn)多電樞無整流器直流電機(一)結(jié)構(gòu)如圖5、6、7、8所示，圖6、7、8是圖5B-B剖面圖，分別顯示A相、B相、C相電樞繞組。
(1)定子磁場部分由外磁極4上套裝激磁繞組3，一起固定在定子機座10內(nèi)，還有前后蓋等不轉(zhuǎn)動的部件，磁極是軸向一對一對交替分布(NSSN，SNNS)。磁場不旋轉(zhuǎn)，激磁電路不用電刷和滑環(huán)。激磁方式可以是他激、自激、并激、串激和復(fù)激，還可以是永磁體激磁。
(2)轉(zhuǎn)子電樞部分由環(huán)形電樞鐵心5上繞有電樞繞組6，兩側(cè)電樞的厚度為中間電樞厚度的1/2，構(gòu)造相同，內(nèi)側(cè)有附加電樞鐵心7，還有滑環(huán)1或換接器滑片1，套裝在轉(zhuǎn)子軸8上成一整體旋轉(zhuǎn)。電樞結(jié)構(gòu)、工作原理與上述1方案類型相同的，只是將不旋轉(zhuǎn)電樞改為旋轉(zhuǎn)電樞，增加滑環(huán)1和電刷2，其它相同不再重復(fù)。
這里主要說明有換接器的無整流器直流電機的結(jié)構(gòu)特點(不同點)環(huán)形電樞鐵心5上繞有A、B、C多相電樞繞組，各相繞組的始端A、B、C與始端滑片A、B、C相接，各相繞組的末端X、Y、Z與末端滑片X、Y、Z相接。始端滑片A、B、C圍成的圓柱內(nèi)腔、間隙充注絕緣塑料壓制成始端換接器，與始端正電刷滑接。末端滑片X、Y、Z圍成的圓柱空隙、內(nèi)腔充注絕緣塑料壓制成末端換接器，與末端負(fù)電刷滑接。
各相電樞繞組的內(nèi)外側(cè)有效邊(l1、l2)的跨距大于磁極寬度，使該相電樞繞組內(nèi)外側(cè)有效邊的感應(yīng)直流電動勢e1、e2相隔一跨距相位角。
(二)工作原理(1)電樞電動勢與上述1方案基本相同，只是正負(fù)電刷與旋轉(zhuǎn)的始、末端換接器各相滑片換接，分別接通各相電樞繞組外側(cè)有效邊感應(yīng)的正向直流電動勢e2＝B2N2l2V2(圖6A1相)，切斷各相電樞繞組內(nèi)側(cè)有效邊感應(yīng)的反向直流電動勢e1＝B1N1l1V1(圖6A2相)，使正、負(fù)電刷對外電路只輸出各相電樞繞組的正向直流電動勢。
(2)電磁轉(zhuǎn)矩與上述1方案基本相同，只是載電流電樞繞組，只有外側(cè)有效邊在氣隙磁場中受到電磁力作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 M2= (B2N2l2ID2)/2。內(nèi)側(cè)有效邊不在磁場中，無電磁力作用。
二、無整流器直流電機與現(xiàn)有整流器直流電機相比的優(yōu)點1.制造成本低沒有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的整流(換向)器，用銅少，用硅鋼片少。
2.使用維修費用低沒有整流器的使用維修費用。
3.使用壽命長沒有整流換向火花引起的電刷與整流子的磨損和燒蝕。
4.工作可靠性高沒有復(fù)雜的整流器、電刷帶來的故障，散熱性能好，溫升低。
5.轉(zhuǎn)速高容量、電壓/電流不受換向困難的限制。
6.體積小、重量輕無整流器，轉(zhuǎn)速高。
7.效率高無整流(換向)損耗，鐵損小。
8.單位功率的體積、重量、成本約為整流器直流電機的1/2～1/3。
三、實現(xiàn)本發(fā)明的最好方式實施本發(fā)明的最好方式，要根據(jù)市場需要和制造廠的最佳結(jié)合來確定。一般微型永磁旋轉(zhuǎn)磁極式無整流器直流電機，如圖4所示，結(jié)構(gòu)最簡單、最便于實施。若是制造汽車直流電機的廠家，則應(yīng)實施電磁式旋轉(zhuǎn)磁極無整流器直流電機，如圖1、2、3所示。
權(quán)利要求
1.一種由環(huán)形電樞鐵心(5)上繞有電樞繞組(6)的電樞部分，和在環(huán)形電樞外側(cè)磁極(4)構(gòu)成的磁場部分組成的直流電機，其特征在于a、電樞電動勢是應(yīng)用直流電勢電磁感應(yīng)原理，電樞繞組與外電路直通直流電壓/電流，無整流(換向)器，b、電樞繞組各元件(單匝線圈)內(nèi)外側(cè)兩有效(切割)邊長(l1、l2)，相對同性磁極，以顯著不同的線速度(v1＜＜v2)，同方向切割其所在處的磁感應(yīng)強度(B1、B2)，感應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)外側(cè)兩個直流電動勢(e1、e2)，內(nèi)側(cè)電動勢顯著小于外側(cè)電動勢(e1=B1l1v1＜＜e2=B2l2v2)，這兩個直流電動勢在空間坐標(biāo)上方向相同，但在單匝線圈回路上方向相反，c、電樞繞組各元件外側(cè)有效邊長(l2)所在處距轉(zhuǎn)子軸中心線的半徑(R)顯著大于內(nèi)側(cè)有效邊長(l1)所在處距轉(zhuǎn)子軸中心線的半徑(r)即R＞＞r。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機，其特征在于電樞內(nèi)側(cè)有附加電樞鐵心，增大只與內(nèi)側(cè)有效邊長(l1)一方相鏈的漏磁通，以減小反電磁轉(zhuǎn)距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機，其特征在于電樞繞組元件(單匝線圈)內(nèi)外側(cè)兩有效邊(l1、l2)是同相位的，相對同一磁極同方向同相位切割，感應(yīng)產(chǎn)生的直流電動勢為e＝e2-e1＝B2l2V2-B1l1V1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機，其特征在于電樞直流電壓/電流的大小，可以用改變電樞繞組各線圈組串、并聯(lián)的接法來實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機，其特征在于輸出穩(wěn)恒直流電的，電樞繞組各線圈組在環(huán)形電樞鐵心上的分布為與外磁極近似常數(shù)切割分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機，其特征在于輸出脈沖直流電的，電樞繞組各線圈組在環(huán)形電樞鐵心上的分布為與外磁極脈沖切割分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機，其特征在于輸出多相脈沖直流電的，電樞繞組各線圈組在環(huán)形電樞鐵心上的分布為與外磁極多相脈沖切割分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電機，其特征在于正、負(fù)電刷與換接器各相滑片換接，分別接通各相電樞繞組外側(cè)有效邊感應(yīng)的正向直流電動勢e2＝B2N2l2V2，切斷各相電樞繞組內(nèi)側(cè)有效邊感應(yīng)的反向直流電動勢e1＝B1N1l1V1，使正、負(fù)電刷對外電路只輸出各相電樞繞組的正向直流電動勢。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、8所述的直流電機其特征在于各相電樞繞組內(nèi)外側(cè)有效邊(l1、l2)的跨距大于磁極寬度，使該相電樞繞組內(nèi)外側(cè)有效邊的感應(yīng)直流電動勢e1、e2相隔一跨距相位角。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、8、9所述的直流電機，其特征在于載電流電樞繞組，只有外側(cè)有效邊在氣隙磁場中受到電磁力作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩M2= (B2N2l2ID2)/2 。
全文摘要
無整流器直流電機，應(yīng)用直流電勢電磁感應(yīng)原理，電樞繞組元件內(nèi)外側(cè)兩有效邊，相對同性磁極以顯著不同的線速度，同方向切割其所在處的磁感應(yīng)強度，感應(yīng)直流電動勢，電樞繞組直接輸出直流電，不用整流(換向)器，可取代有整流器的直流發(fā)電機或電動機，具有構(gòu)造簡單，制造成本低，維修費用低，單位功率的體積、重量、成本約為整流器電機的1/2～1/3。
文檔編號H02K57/00GK1044019SQ8910009
公開日1990年7月18日 申請日期1989年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月5日
發(fā)明者張敬業(yè) 申請人:張敬業(yè)