專利名稱：磁極磁場換向式直流電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無整流子直流電機-磁極磁場換向式直流電機。
現(xiàn)有的直流電機大都是電樞電流換向式直流電機，即在電樞繞組上都存在機械接觸式的整流子-機械換向器。而已有的無換向器電機或稱無整流子電機則是由一組半導體變流器和一臺同步交流電機所組成，半導體變流器實質上是一種無接觸式換向器或稱電子式換向器。這些直流電機電樞繞組中的電流都是交變的(單極電機除外)，借助于電樞兩端附加的接觸式或非接觸式換向整流子才使輸出(或輸入電流轉換為直流)，因而其換向功率即為直流電機的額定功率。由于換向整流子的存在。對機械接觸式換向器而言，不但限制其端電壓和容量，而且在運行中易產(chǎn)生換向火花，嚴重的將產(chǎn)生環(huán)火;對無接觸式換向器而言則需要一套昂貴的半導體變流器和控制系統(tǒng)裝置與之配套，而且在過載或高速時會發(fā)生電子器件中的電流換向困難。
〔日本〕專利第1316688號載明了一種無整子電動機，在這種電動機中園柱型轉子鐵芯非磁極部分的外園槽內嵌有勵磁線圈，電樞繞組施以具有一定極位關系的矩形波電流，根據(jù)其工作原理只能制造出小型輕量的無整流子電動機。
單極電機雖然也是一種無整流直流電機，由于其勵磁極磁場是單向的，電樞繞組中流過的是同向穩(wěn)定直流。但是電樞導體難以依次串聯(lián)，所以是一種低電壓、大電流的直流電機。由于電壓低、電流大，因此電機接觸壓降及損耗成為影響電機運行效率和可靠性的重要因素。盡管采用超導材料勵磁時對解決單極的這個缺陷具有顯著的效果，然而超導體只有在下述三個臨界狀態(tài)才能保持其超導狀態(tài)臨界溫度TC、臨界磁場強度H、臨界電流密度J如果三者中任何一個超過其臨界值則超導狀態(tài)即被破壞而突然進入正常狀態(tài)(即電阻不為零和導體內磁場不為零)，其超導優(yōu)勢隨之喪失。這是超導單極的局限。
本發(fā)明的目的是尋找一種現(xiàn)有技術易實現(xiàn)的、成本低、效率高、不受端電壓和容量限制的無整流子直流電機。
本發(fā)明的技術方案是通過對直流電機的主磁極進行裂極并有效地控制勵磁電流方向來實現(xiàn)磁極磁場換向的。
以下結合附圖進行說明

圖1是該電機磁極裂極示意圖(圖中每個主磁極裂成3個子磁極)。
圖2是該電機電樞繞組的連接原理圖。
圖3是該電機勵磁繞組與勵磁控制器的連接原理圖。
本發(fā)明由機座、轉子磁極鐵芯〔1〕、勵磁繞組〔2〕、定子電樞鐵芯〔3〕、電樞繞組〔4〕、電刷〔10〕、滑環(huán)〔11〕、端蓋和風扇等組成。其主要特點是轉子磁極鐵芯〔1〕每個磁極分裂成數(shù)個(不包含1)子磁極〔5〕、在每個子磁極〔5〕上分別安放有匝數(shù)相同的勵磁繞組〔2〕，兩對應子磁極〔5〕(圖2中A與A′、B與B′、C與C′)上的勵磁繞組〔2〕串聯(lián)，但兩線圈繞制方向相反，在各子磁極〔5〕極面中心位置上裝有位置檢測器〔6〕、各子磁極〔5〕上勵磁繞組〔2〕與勵磁及控制器〔9〕通過電刷〔10〕和滑環(huán)〔11〕相連;定子電樞鐵芯〔3〕采用凸形結構，其上有2P個弧度相等的凸出部分(P為電機的極對數(shù))，其凸出弧度由軸線X與y的夾角β確定，凸出部分的表面開有矩形槽，槽中安放有電樞繞組〔4〕，電樞繞組〔4〕采用整距單選法連接，各個迭繞組依次串聯(lián)，即電樞繞組〔4〕導體在槽中分上下層安放，其中N區(qū)槽中的上層導體〔7〕依次與相鄰S區(qū)槽中的下層導體〔8〕串聯(lián)構成一條支路，而N區(qū)槽中的下層導體〔8〕依次與與相鄰S區(qū)槽中的上層導體〔7〕串聯(lián)構成另一條支路，在兩支路并聯(lián)處引出兩端接頭，成為電樞繞組〔4〕的輸入(或輸出)端。
從勵磁電流的控制角度出發(fā)，本發(fā)明的轉子磁極鐵芯〔1〕每個主磁極以分裂成數(shù)個3的倍數(shù)個子磁極為最佳方案。
本發(fā)明的轉子磁極鐵芯〔1〕可采用硅鋼片疊壓成形，凸極部分與極軛沖壓成整片，其子磁極數(shù)(即凸極數(shù))m＝6P或6nP(P為極對數(shù)，n為非零正整數(shù))。
本發(fā)明的工作原理參見附圖2(以兩極電機P＝1每個主磁極裂成3個子磁極為例)，分別給A、B、C三個子磁極〔5〕上的勵磁繞組〔2〕通以同向直流電流If，而對子磁極A1、B1、C上的勵磁繞組分別通以同向的直流電流-If。若電樞繞組兩端施加以穩(wěn)定的直流電壓時，電樞導體中的電流方向如圖2所示。則N區(qū)的電樞導體由于恒定的電流通過，將受到子磁極A、B、C的磁場作用，其所受電磁力的方向均沿逆時針方向，根據(jù)作用力與反作用力定律，轉子將受到一個沿順時針方向的電磁轉矩，此電磁轉距驅動電機沿順時針方向旋轉。
當某子磁極軸線XX1重合時，子磁極極面中心的位置檢測器〔6〕將由于磁導的變化而產(chǎn)生控制信號，勵磁及控制器〔9〕接到信號后便使該子磁極勵磁繞組中的電流逐漸減小，以保證在該子磁極軸線與OO1軸重合時，勵磁電流為零。然后對該子磁極上繞組施加反方向勵磁電流，以保證該子磁極軸線上yy1軸重合時，勵磁電流為-If，并保持下去。而與該子磁極對應的子磁極上的勵磁繞組中的電流變化則正好相反，因為兩勵磁繞組是反方向串聯(lián)的。與此同時，其他兩對應子磁極上勵磁繞組中的電流維持不變。這樣，在轉軸上將輸出恒定大小的電磁轉矩去驅動機械負載。
以上所敘述的是本發(fā)明作為直流電動機時的技術方案及其工作原理。
若將本發(fā)明作為發(fā)電機使用時，其技術方案和工作原理完全相同。但如果在技術方案中用一臺同軸的同步交流電機進行勵磁則更佳，且可省去轉子上的滑環(huán)和定子上的電刷裝置。此時勵磁電流是由同步交流電機提供的交流電流，因有自然過零點，使勵磁功率的換向更為簡單，成為自然換向。
本發(fā)明從根本上取消了直流電機整流子的存在，通過將主磁極進行裂極并控制勵磁繞組中的電流方向，實現(xiàn)了直流電機的磁極磁場換向。由于本發(fā)明電樞繞組既不存在電子式換向器，也不存在機械式換向器，因而解決了電子式換向無刷直流電機的電子器件電流換向困難，換向損耗大等缺陷;同時也解決了機械式換向所帶來的火花或環(huán)火而使電機端電壓和容量受到限制以及應用時維護困難等問題，從而使制造大容量直流電機的夢想成為現(xiàn)實。其次，由于本電機不需要電樞換向器，只需要一套勵磁及電子控制器〔9〕，因而，與機械式換向直流電機相比，不僅節(jié)省了大量價格昂貴的銅材，而且鐵芯損耗也大為降低(因為樞繞組通過的是穩(wěn)定的直流)，從而使得本發(fā)明的直流電機造價大幅度降低。效率卻比常規(guī)電機高;而與電子換向式直流電機相比。由于電機的勵磁功率一般僅為電機額定功率的10%以下，因而本發(fā)明的勵磁及換向控制器〔9〕的換向功率遠遠小于相同額定功率的電子式換向電機的換向功率，不僅其成本大大降低，而且其運行更為可靠。
本發(fā)明的性能與常規(guī)直流電機相同，通過控制電樞電壓和勵磁電流可方便地調節(jié)其轉速。適用各種電力拖動，如冶金、機械、煤炭、石油、鐵道、輕工、水電、國防等方面。由于取消了電樞的整流子，故能可靠地應用于航天、航空等常規(guī)直流電機所不能應用的領域。若作為直流電源使用，本發(fā)明可用于電解化工、電鍍及其他大容量直流系統(tǒng)。
權利要求
1.一種磁極磁場換向式直流電機。由機座、轉子磁極鐵芯[1]、勵磁繞組[2]、定子電樞鐵芯[3]、電樞繞組[4]電刷[10]、滑環(huán)[11]、端蓋和風扇等組成，其特征是轉子磁極鐵芯[1]每個磁極分裂成數(shù)個子磁極[5]，每個子磁極[5]上分別安放有匝數(shù)相同的勵磁繞組[2]，兩對應子磁極[5]上的勵磁繞組[2]串聯(lián)，但線圈繞制方向相反，在各子磁極面中心位置上裝有位置檢測器[6]，各子磁極[5]上勵磁繞組[2]與勵磁及控制器[9]通過電刷[10]和滑環(huán)[11]相連，定子電樞鐵芯[3]采用凸形結構，其上有2P(P為電機的極對數(shù))個弧度相等的凸出部分，凸面上開有矩形槽，槽中安放有電樞繞組[4]，電樞繞組[4]采用整距單迭法連接，各個迭繞組依次串聯(lián)，電樞繞組[4]導體在槽中分上下層安放，N區(qū)槽中的上層導體[7]依次與相鄰S區(qū)槽中的下層導體[8]串聯(lián)構成一條支路，而N區(qū)槽中的下層導體[8]依次與相鄰S區(qū)槽中的上層導體[7]串聯(lián)構成另一支路，在兩支路并聯(lián)處引出兩端接頭，成為電樞繞組[4]的輸入(或輸出)端。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁極磁場換向式直流電機，其特征在于轉子磁極鐵芯〔1〕每個磁極分裂成數(shù)個3的倍數(shù)的子磁極。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的磁極磁場換向式直流電機，其特征在于轉子磁極鐵芯〔1〕用硅鋼片疊壓成形，凸極部分與極軛沖壓成整片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無整流子直流電機。其電機的主磁極被分裂成若干個獨立的子磁極。電樞鐵芯采用凸極形式，勵磁及控制器向各子磁極上的勵磁繞組通以一定極位關系的電流。借助于各子磁極的磁場換向來取代電樞電流的換向。從而取消了電樞繞組上的換向整流子。使電機的端電壓和容量不因換向問題而受限制。本發(fā)明可適合各種場合下的電力拖動，也可作直流電源使用。
文檔編號H02K29/00GK1055628SQ90105439
公開日1991年10月23日 申請日期1990年4月5日 優(yōu)先權日1990年4月5日
發(fā)明者危韌勇 申請人:長沙鐵道學院