專利名稱：交、直流互勵式直流發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電機領域，具體涉及一種直流發(fā)電機。
目前的現(xiàn)有技術中，直流發(fā)電機普遍采用換向裝置，結構復雜，制造困難，換向器使用壽命有限而維護保養(yǎng)不便，且電機的發(fā)電功率與電壓均較低。
本發(fā)明提供了一種無換向器的直流發(fā)電機。
本發(fā)明的交、直流互勵式直流發(fā)電機，包括定子和轉子兩大部分，在電機內部裝設有啟動磁極，啟動磁極由永磁材料制成或者由有獨立直流電源供電的電磁鐵構成，啟動磁極僅裝設在定子上或僅裝設在轉子上；電機內部包含有直流繞組和多相對稱交流繞組兩類繞組；當啟動磁極裝設在定子上時，直流繞組也僅繞制在定子上，相應地多相對稱交流繞組即僅繞制在轉子上，此時電機構成啟動極靜止式交、直流互勵直流發(fā)電機；當啟動磁極裝設在轉子上時，直流繞組也僅繞制在轉子上，相應地多相對稱交流繞組即僅繞制在定子上，此時電機構成啟動極旋轉式交、直流互勵直流發(fā)電機；電機的多相對稱交流繞組在電機內部本身短接構成閉合回路；為了控制電機工作時多相對稱交流繞組中流通的電流強度及限制繞組溫升，可在各相繞組中串接入阻值適當?shù)碾娮杌蚩勺冸娮瑁浑姍C的直流繞組外接輸出端子連接負載；為了調控電機工作時直流繞組中流通的電流強度，可在直流繞組的輸出端子之間與負載相并聯(lián)接入阻值適當?shù)碾娮杌蚩烧{電阻。
現(xiàn)結合電機的動態(tài)工作過程進一步說明其結構特征。當電機的轉子在原動機的拖動下旋轉，電機內部已經本身短接構成回路的多相對稱繞組因切割啟動磁極在定子內腔空間建立的磁場而感應產生的多相對稱交流電流，該電流在定子內腔空間建立的是沿圓周傳播的空間脈振磁場波，這是本發(fā)明的關鍵所在，本發(fā)明的設計者認為，多相對稱繞組流通多相對稱交流電流時所建立的是在空間三百六十度傳播的脈振磁場波，該磁場波的磁場的磁力線在空間位置上并不進行轉動，只是其幅值和方向隨時間發(fā)生改變，宏觀上在圓周形成一列三百六十度傳播的橫波，即此空間圓周脈振磁場波。所謂旋轉磁場，實質上即此磁場波，即此空間圓周波動磁場。旋轉磁場的實質是波動磁場，它僅是磁場的幅值在圓周上依次傳播，磁場本身和磁場的磁力線并未轉動，因此，當有繞組元件在此空間圓周脈振磁場波的磁場中的位置與其幅值相重合并同步旋轉時，元件邊的導體并不是不切割該磁場及磁力線，而是將切割該磁場及磁力線而感應產生方向衡定且量值最大的直流電勢。在本發(fā)明的交、直流互勵式直流發(fā)電機中，為實現(xiàn)這一要求，作了如下設計直流繞組在定、轉子上的繞制，其繞制方向與啟動磁極的直軸正交，在多相對稱交流繞組的各相繞組中與前述已接入的電阻串聯(lián)再接入容量適當?shù)碾娙莼蚩烧{電容；多相對稱繞組中串入電容是為了改善交流繞組的內功率因數(shù)角，令COS＝1，或近似等于1。這樣，當轉子在原動機的拖動下持續(xù)旋轉，電機內部閉合的多相對稱繞組中流通多相對稱交流電流并在定子內腔空間建立起如上所述的空間圓周波動磁場，與波動磁場的幅值的位置重合并與幅值同速旋轉的元件繞組切割磁場磁力線而感應產生直流電勢，當該繞組即直流繞組攜帶負載或聯(lián)入電阻構成通路流通直流電流，即在空間建立起一個直流繞組磁場，該磁場與啟動極磁場方向基本一致而相疊加，對啟動極磁場起助磁作用而合成一更強的磁場，電機的多相對稱交流繞組由于獲得了更強的勵磁而產生的電勢和電流更強，它對直流繞組的影響也進一步加強，如此反復循環(huán)，當負載功率與電機的輸入功率平衡時，這一過程即達到穩(wěn)定；調整電機交流繞組中串入的電阻和電容，或者調整在直流繞組的輸出端與負載相并聯(lián)的電阻，即可隨時調控電機的運行狀態(tài)。對于啟動磁極是由外接獨立直流電源供電的電磁鐵構成的電機，還可以通過調整啟動磁極的勵磁電流來調控電機的運行狀態(tài)。
為方便理解本發(fā)明的動態(tài)工作原理，現(xiàn)結合對異步電動機的動態(tài)過程分析作一輔助說明。本發(fā)明的設計者認為，當異步電動機定子繞組中流通三相對稱正弦交流電流，三相對稱繞組建立起三個在空間上按正弦規(guī)律分布在時間上按正弦規(guī)律變化的脈振磁場，因為定子繞組本身不旋轉，各繞組所產生的磁場也不會旋轉；但由于三相繞組流通的交流電流在時間上按相序依次達到最大值，且三相繞組在空間上又是按相序對稱繞制，則三相繞組各自所建立的磁場就會在空間圓周的六個方向上依次出現(xiàn)各自的幅值，這正如在水面上由質點的振動而形成的一列沿平面?zhèn)鞑サ乃?，三相繞組在空間三百六十度建立的三個磁場依次振動而形成了一列沿圓周傳播的空間圓周脈振磁場波。根據(jù)對此磁場波對異步電動機轉子上的三相繞組的影響作互感分析所得結果，完全符合使轉子產生電磁轉矩的要求。異步電動機的轉子正是由于此波動磁場的波動在轉子繞組中感生的電流而獲得電磁轉矩的。從嚴格上說，感應電動勢包括感生電動勢和動生電動勢兩類。靜止時的異步電動機的轉子繞組中只存在互感和自感作用的感生電動勢分量而無切割磁力線產生的動生電動勢分量。一旦異步電動機的轉子在電磁轉矩的拖動下開始旋轉，其對磁場磁力線的切割才開始發(fā)生。但切割產生的動生電勢動卻是一種負向轉矩分量，它與感生電動勢的方向相反。當異步電動機的轉子達同步轉速時，其轉子繞組中的感生電動勢即消減為零，拖動轉子旋轉的電磁轉矩同時消減為零，此時，轉子繞組中只表現(xiàn)為切割磁力線產生的動生電動勢并且是一種衡定的直流量，電機也就可以構成一種直流發(fā)電機。本發(fā)明的交、直流互勵式直流發(fā)電機，正是利用這一原理，依據(jù)這一分析設計的。
本發(fā)明的交、直流互勵式直流發(fā)電機，由于利用交、直流繞組的互勵作用實現(xiàn)直流發(fā)電，省卻了直流電機通常采用的換向器，所以減化了電機結構，改善了電機性能，使電機的使用維護均較為方便，并可以制造大功率、高電壓的直流發(fā)電機。
現(xiàn)結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的工作原理和結構特征作進一步說明。
附

圖1是空間圓周脈振磁場波的形成過程分析圖附圖2是三相對稱繞組的三相電勢圖附圖3是啟動極旋轉式交、直流互勵直流發(fā)電機的徑向剖面示意圖；附圖4是圖3所示電機的定子鐵芯及沖片圖；附圖5是圖3所示電機的兩種轉子模型圖；附圖6是啟動極靜止式交、直流互勵直流發(fā)電機的徑向剖面示意圖；附圖7是圖6所示電機的轉子鐵芯沖片圖；附圖8是交、直流互勵直流發(fā)電機內部勵磁原理圖。
附圖1描述了三相對稱繞組流通三相對稱交流電流時在一個周期的七個瞬間三相繞組所各自建立的磁場的變化情況。從圖中可以看出，在從a-g的過程中，各相繞組所建立的磁場都在各自的空間方位上振動，在一個周期的不同時刻，沿逆時針方向各相繞組所建立的磁場依次達到各自的正向或反向最大值，從而在宏觀上形成一列在空間三百六十度傳播的磁場波。所謂旋轉磁場，實質上是磁場進行脈振所形成的波在旋轉，或說波沿旋轉的方向進行傳播，而構成該磁場波的各個分磁場并未轉動，因此，當有導體與該磁場波沿圓周方向同步旋轉時，將切割該磁場波的磁場磁力線而感應產生衡定的直流電動勢。這即是本發(fā)明的工作原理。參照圖2可以幫助理解圖1所分解的過程。
附圖3是啟動極旋轉式交、直流互勵直流發(fā)電機的徑向剖面示意圖，圖3-1是定子，3-2轉子，3-3直流繞組，3-4啟動磁極。當轉子旋轉時，定子鐵芯中繞制的三相對稱繞組在定子內腔空間建立起圓周脈振磁場波，直流繞組切割磁場波的磁場而感應產生直流電勢。
交、直流互勵直流發(fā)電機的定子鐵芯和轉子鐵芯均應由硅鋼片沖槽疊制。附圖4是圖3所示電機的定子鐵芯沖片及組裝圖。圖4-a為圓形沖片，4-b為扇形沖片，4-c是定子鐵芯組裝圖。
附圖5是圖3所示電機的兩種轉子模型，圖5-a在轉子的軸端特設了一個啟動磁極，圖5-b所示的轉子的大齒即啟動磁極。
附圖6是啟動極靜止式交、直流互勵直流發(fā)電機的徑向剖面示意圖，圖6-1為啟動磁極，6-2直流繞組，6-3轉子。在轉子上繞制著多相對稱交流繞組。附圖7為圖6所示電機的轉子鐵芯沖片。
附圖8是為說明交、直流互勵直流發(fā)電機的內部勵磁原理而繪制的，在一部交、直流互勵式直流發(fā)電機的內部結構中，相當于有兩部電機，只不過交流發(fā)電機的多相對稱繞組在電機內部本身短接構成閉合回路，利用繞組中流通的交流電流為直流發(fā)電機進行勵磁；直流發(fā)電機在向外輸出電能的同時又為交流發(fā)電機的發(fā)電進行勵磁。圖中的多相對稱繞組中串入電容是為了提高交流發(fā)電機的功率因數(shù)，令COS＝1，或盡量接近于1。
權利要求
1.一種交直流互勵式直流發(fā)電機，由定子和轉子兩大部分構成，根據(jù)電磁感應原理設計，其特征是在電機內部裝設有啟動磁極，啟動磁極由永磁材料制成或者由有獨立直流電源供電的電磁鐵構成，啟動磁極僅裝設在定子上或僅裝設在轉子上；電機內部包含有直流繞組和多相對稱交流繞組兩類繞組；當啟動磁極裝設在定子上時，直流繞組也僅繞制在定子上，相應地多相對稱交流繞組即僅繞制在轉子上；當啟動磁極裝設在轉子上時，直流繞組也僅繞制在轉子上，相應地多相對稱交流繞組即僅繞制在定子上；直流繞組在定、轉子上的繞制，其繞制方向與啟動磁極的直軸正交(附圖3)；電機的多相對稱交流繞組在電機內部本身短接構成閉合回路，電機的直流繞組外接輸出端子連接負載。
2.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于為了控制電機工作時多相對稱繞組中流通的電流強度及限制繞組溫升，可在各相繞組中串接入阻值適當?shù)碾娮杌蚩勺冸娮琛?br> 3.根據(jù)權利要求1或2所述的電機，其特征在于為了提高多相對稱交流繞組的內功率因數(shù)令COS＝1，或盡量接近于1，可在多相對稱交流繞組的各相繞組中串接入容量適當?shù)碾娙莼蚩烧{電容。
4.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于為了調整直流繞組中流通的電流強度，可在直流繞組的輸出端之間與負載相并聯(lián)接入阻值適當?shù)碾娮杌蚩烧{電阻。
5.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于對于啟動磁極是由外接獨立直流電源供電的電磁鐵構成的電機，可以通過調整啟動磁極的勵磁電流來調控電機的運行狀態(tài)。
6.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于電機的直流繞組的鐵芯可由剩磁較強的材料制作而取代啟動磁極，電機由直流繞組鐵芯的剩磁磁場啟動。
7.根據(jù)權利要求1或5所述的電機，其特征在于定子鐵芯和轉子鐵芯均由導磁率較高的薄硅鋼片沖槽疊制而成。
全文摘要
本發(fā)明提供的交直流互勵式直流發(fā)電機，利用多相對稱繞組流通多相對稱交流電流時在空間建立的圓周脈振磁場波，令與該磁場波同步旋轉的繞組元件切割該磁場波的磁場而感應產生直流電壓和直流電流，再利用該直流電壓和電流為多相對稱繞組的交流發(fā)電進行勵磁，從而實現(xiàn)了無換向器的交直流互勵式直流發(fā)電。由于省略了換向裝置，使得本發(fā)明結構簡單，性能可靠，運行維護較為方便，可廣泛應用于直流發(fā)電機的各種應用領域。
文檔編號H02K19/30GK1161595SQ9710055
公開日1997年10月8日 申請日期1997年1月31日 優(yōu)先權日1997年1月31日
發(fā)明者張寧寧 申請人:張寧寧