专利名称：一种磁激谐振式旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机，特别是涉及一种由众多具有矩形或T形齿构造的电枢铁芯圆周表面及绕组线圈沿线槽绕齿布线的磁激谐振式旋转电机。
电机的工作原理是基于法拉第电磁感应实验现象，其最基本的内容为在一个具有N极和S极的基础磁场系统中，导线(线圈)沿磁力线截面方向运动会产生感生电流，感生电动势的大小视导线(线圈)在单位时间内所扫过面积内的磁通量变化率而定。反之，当通电导线(线圈)放置在磁场中时，磁通量的变化会使通电导线(线圈)产生定向运动，其运动方向可由右手定则判定。磁通量的变化率越大，导线(线圈)的感生电动势越大，或通电导线(线圈)的定向运动量越大。在实际应用中，运用前者原理可制作成发电机，运用后者原理可制作出电动机，两者均可表述为一种可逆的电磁能与机械能转换装置，习惯上通称电机。
常规的永磁旋转式电机工作原理如下所述在所述的附图中，P为电机转子中N极和S极的磁极数，P为偶数，m为电枢铁芯中线槽或齿的数量。
图1是m＝6P的常规旋转式电动机的剖面图。在图1中，一个圆环形永久磁铁组件3固定在由普通磁性材料制成的转子2的外部圆周上，永久磁铁组件3与转子2一起绕旋转轴1转动。永久磁铁组件3有四个交替的N和S极，即P＝4，四个磁极之间均相隔90°，电枢铁芯4的齿6面对永久磁铁组件3的磁极，每个齿在两相邻的绕组槽5之间形成。转子2的旋转轴1可旋转地支撑在电枢铁芯4上。因此，在电枢铁芯4的齿6和永久磁铁组件3的磁极之间的相对位置根据转子2的旋转而变化。
图2表示所述图1常规旋转电动机内部结构的展开图，它是沿X-X’和Y-Y’线进行展开的，在特征结构分析时这些线成一行。电枢铁芯4有24个绕组槽，即m＝24，从a到x，它们以等同的15°角相隔并且24个齿设置在两相邻的绕组槽之间，重叠绕组线圈A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4被卷绕在从a到x的绕组槽内。从A1绕到C4中的每个绕组线圈围绕电枢铁芯4的5个齿。也就是说，A1绕在绕组槽a和f内，A2绕在绕组槽g和l内，A3绕在绕组槽m和r内，A4绕在绕组槽s和x内。B1围绕在绕组槽e和j内，B2绕在绕组槽k和p内，B3绕在绕组槽q和v内，B4绕在绕组槽w和d内。C1绕在绕组槽i和n内，C2绕在绕组槽O和t内，C3绕在绕组槽u和b内，C4绕在绕组槽c和h内。绕组线圈A1、A2、A3和A4串联连接，从而形成第一相的绕组组A。绕组线圈B1、B2、B3和B4串联连接，从而形成第二相的绕组组B。绕组线圈C1、C2、C3和C4串联连接，从而形成第三相的绕组组C。绕组组A、B和C之间的相位差等于120°(电角度)，这里180°电角度等于永久磁铁的360/P的1极距。在图1中，P＝4，所以180°电角度等于90°机械角度。因此，当提供三相电流给三相绕组组A、B和C时，便可获得加速转子2的扭矩。
图3表示另一种常规旋转发电机的剖面图，m＝3P，除m和P的关系以及绕组间距外，图3所示的常规发电机的构造与图1所示的常规电动机的逆向原理相同。圆环形永久磁铁组件13固定在由磁性材料制成的转子12的外部圆周上，永久磁铁组件13和转子12绕旋转轴11一起旋转。永久磁铁组件13有四个交替的N和S极，即P＝4，它们相互以90°角隔开。电枢铁芯14的齿16面对永久磁铁组件13的磁极，每个齿在两相邻的绕组槽15之间形成。转子12的旋转轴11可旋转地支撑在电枢铁芯14上。因此，转子12旋转改变位置时，电枢铁芯14的齿16与永久磁铁组件13磁极之间的位置也相对而改变。
图4表示图3中常规发电机沿X-X’和Y-Y’线的展开图，分析特征结构时这些线成一行，电枢铁芯14有从a到1设置有12个以相等30°角相隔的绕组槽，12个齿设置在两相邻的绕组槽之间，即m＝12，重叠绕组A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4围绕在绕组槽a到1内。从A1到C4的每个绕组线圈围绕电枢铁芯14的3个齿。即，A1绕在绕组槽a和d内，A2绕在绕组槽d和g内，A3绕在绕组槽g和内j，A4绕在绕组槽j和a内，B1绕在绕组槽c和f内，B2绕在绕组槽f和i内，B3绕在绕组槽i和l内，B4绕在绕组槽l和c内、C1绕在绕组槽e和h内，C2绕在绕组槽h和k内，C3绕在绕组k和b内，C4绕在绕组槽b和e内。绕组线圈A1、A2、A3和A4串联连接形成第一相的绕组组A。绕组线圈B1、B2、B3和B4串联连接形成第二相的绕组组B。绕组线圈C1、C2、C3和C4串联连接形成第三相的绕组组C。在绕组组A、B和C之间的相位差等于120°电角度。在图3中，P＝4，所以180°电角度等于90°机械角度。因此，加速转子12的转矩便可在三相绕组组A、B和C中获得三相交流电。但是，上述的电机存在耗材多和能源利用率低的缺点。
本发明的目的在于为了克服上述已有技术的缺点和不足，提供一种圆周表面带矩形齿或T形齿的定子电枢铁芯的新结构，并且结合沿线槽绕齿连续布线的线圈绕组结构，使该电机与通常同数量级电机体积重量、同数量级转速的电机相比可以获得更大的能量。
本发明的目的之二是在采用新的定子结构的基础上，结合磁极密集交替排布组成的环形永磁材料组件与常规磁性材料组件固连而成的转子，以提高电机的电磁能与机械能转换效率。
本发明的目的之三是为市场提供一种简单实用的高频发电机，通过内置或配置于电机的通常电子电路，可有效实现波形和频率的多用途变换，使电子电路控制的多用途发电机更加简单实用。
本发明的目的之四是为市场提供一种容易通过常规电子电路控制的高频电动机，以适应电动车对多用途电机的需求，从而提供一种高效实用的磁激谐振式旋转电机。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的一种磁激谐振式旋转电机，包括转子、定子、转轴和内置或配置于电机的常规电子电路，其特征在于所述的定子电枢铁芯圆周表面设置有齿，所述的齿是矩形齿或T形齿，齿数为m，m＝32-960之间的偶数，绕组线圈沿电枢铁芯的线槽环绕齿连续布线，电枢铁芯的线槽和齿与电机永磁转子组件的P个磁极相对。
还包括在上述的电机中，电机转子由P个条形永磁材料单体按D间距NS极交替密集排布组成的环形永磁材料组件3与常规磁性材料组件固连而成，环形永磁转子组件面向电枢铁芯。
所述的电枢铁芯圆周表面设置的矩形齿或T形齿，是指沿转轴方向(Z轴)横截面的形状，沿转轴横截面的大小设计可以以绕组线圈导线的直径d为基准，d由电机设计的最大电流值决定。矩形齿的齿高为H1，T形齿的齿高为H2，H1H2＝1-20d。矩形齿相邻两齿中心线的间距(即一个齿和一个槽位为W)W＝2-30d，齿表面宽度S1＝1-15d，线槽宽度V1＝1-15d。T形齿的齿柱宽度S2＝1-10d，齿表面宽度S3＝3-29d，以齿柱为平衡点的两边齿面高度H3＝0.5-3d，线槽口齿面与齿面之间的间距V2＝1-5d，相邻两齿中心线的间距W＝3-30d。上述矩形齿H1、S1、V1和W的图示详见附图5，T形齿H2、S2、S3、H3、V2和W的图示详见附图6。
所述的电枢铁芯4圆周表面设置的矩形齿或T形齿，其沿X-X’线和Y-Y’线的齿向或槽向，可以是沿Y轴的直形齿(槽)，也可以是沿Y轴倾斜小于15°机械角度的斜形齿(槽)。所述的设置在电枢铁芯圆周表面齿与齿之间的线槽，其沿转轴方向的横截面存在两个边角(矩形齿)或四个边角(T形齿)，该边角可以是90°直角或准直角，最好是圆角，圆角的弧度和绕组线圈导线截面的弧度相同为最佳值。这一设计要求，与本发明提供的绕组线圈导线在线槽5中环绕齿6连续布线的结构相适应，线圈导线绕齿布线形成线圈绕组是转子与电枢铁芯相对运动时产生磁激谐振的重要原因。
常规电机电枢铁芯绕组线圈的布线结构特征为线槽的作用用于放置成组的绕组线圈，通过连接线把不同槽的线圈串联相连成同一相的绕组。本发明提供的绕组结构特征为线槽的作用并非用于放置成组的绕组线圈，而是作为环绕齿布线的通道，绕组线圈的导线在线槽中环绕n个齿连续布线形成绕齿线圈绕组，n为小于m的正整数。在绕齿线圈与磁极的相对运动中，有效切割磁力线的是绕齿线圈在槽中的线段。该绕组线圈可视作一个等效变形的螺线管，齿成为该螺线管内置的铁芯。当带P个永磁极7的转子相对电枢铁芯旋转运行时，绕齿线圈被激发出较强的感生电流，因此电机运行时的齿表面成为一个动态微磁极。由于绕齿线圈在相对转子永磁极运动时感生的齿表面微磁极，会在运行中反过来影响转子永磁极表面的磁场分布变化。该磁场分布变化率越大，电枢铁芯中绕齿线圈的感生电流越大，齿表面激发的微磁极场强越大，在相对转子的运行中将进一步加剧电机内磁空间的磁通量变化率。该转子与定子的动态连锁作用与反作用，使电机在运行开始后瞬间进入一种磁场互激谐振状态，该互激谐振状态由于被制约于磁性材料的磁饱和值，因而迅速进入动态平衡，形成了电机内磁空间相对稳定的磁激谐振回路，使电机得以在磁场互激谐振平衡态中运行。上述这一磁激谐振回路大大加强了电机内磁空间的磁通量变化率，因此运用这一磁激谐振原理制作出的电机，可获得比常规电机高得多的能量，运用这一原理及基础结构的电机，可称之为磁激谐振式电机。
以上所述的电机在运行中转子永磁极磁场与电枢铁芯绕齿微磁极磁场的互激谐振程度，与转子磁极数P和电枢铁芯齿数m的数量大小以及磁极排布的结构密切相关。当转子转速一定时，P越大，m越大，转子磁极与电枢铁芯绕齿线圈微磁极之间的相互影响越大，因此大数的磁极P更有利于电机内原生和动生磁场的动态互激，磁极排布结构选择合适时更有助于磁激谐振形成。在电机的实际设计中，齿数m的设置可以与电机转子永磁组件中的磁极数P互为基准，m＝1-9P，并且P为大于16小于m的偶数。例如选择m＝120，P＝40。
本发明提供的一种转子2面向电枢铁芯4表面的磁极7排布结构与常规电机不同，常规电机P＝4的转子NS磁极交替排布见附图1和附图2，特点为N极和S极交替排布之间的间距不作特别规定，其电枢铁芯4的磁通量周期分布示意图见附图7。本发明提供的一种磁极数为P的电机转子磁极结构剖面分布图、沿X-X’和 Y-Y’线展开图及其电枢铁芯磁通量周期分布图如附图8-a、b和c所示。图示中P＝60，其结构为P个磁极按N极和S极交替排布，但磁极之间特定为间距D，D的选择范围以电枢铁芯4相邻两齿间距W为基准，D＝0.3-0.8W。
本发明的圆周表面带矩形齿或T形齿的电枢铁芯4，既适用于外转子电机，也适用于内转子电机。当制作一台内转子电机时，电枢铁芯4的矩形齿或T形齿设置在电枢铁芯面对转子2的内圆周表面，如附图8-a所示；外转子电机的矩形齿或T形齿设置在电枢铁芯4面对转子2的外圆周表面，如附图9所示。
采用本发明提供的一种圆周表面带矩形齿或T形齿、绕组线圈环绕齿连续布线的电枢铁芯以及P个磁极NS交替间隔排布的转子，同样匝数的绕组线圈以相同速率相对转子磁极运动可获得更大的感生电动势，或在同样电能输入情况下可使转子获得更大的扭矩。因此，运用本发明可以在同等体积、重量的电机中获得更大的输出能量。由于本发明的绕组线圈特点是环绕齿连续布线并且齿数m为大数，由此带来多种多样的绕齿布线结构，例如既可绕齿沿电枢铁芯圆周表面布线形成绕组，亦可绕齿形成线圈后再将不同齿的若干个绕齿线圈串联形成同一相绕组。
本发明所述的一种最简单的单相绕组环绕齿沿电枢铁芯4圆周连续布线结构，如图10所示，表示的是该绕组沿X-X’线和Y-Y’线的展开示图。线圈导线环绕齿6连续布线的特点为绕齿1/2圈、再沿下一个齿反向绕齿1/2圈，当绕组导线环电枢铁芯4圆周绕满一周回到始点槽时，可继续绕第2、3……周，直到线槽口绕满线或已达到所设计线圈匝数为止，线圈匝数和感生电动势的正比关系与常规电机的倍增原理相同。
本发明提供的一种两相绕组环绕齿6沿电枢铁芯4圆周的连续布线方法展开图，如图11所示，特点为线圈导线绕齿3/4圈、相隔两个槽(或3个齿)再同向绕齿3/4圈沿电枢铁芯4圆周表面连续布线形成线圈绕组。
本发明提供的一种三相绕组环绕齿6沿电枢铁芯4圆周的连续布线方法展开图，如图12所示，特点为线圈导线绕齿3/4圈、相隔4个槽(或5个齿)再同向绕齿3/4圈沿电枢铁芯4圆周表面连续布线形成线圈绕组。如此类推组成多相电机的线圈绕组。
所述的绕组线圈结构还包括一种两根、三根或k根线绕组环绕齿沿电枢铁芯4圆周的连续布线结构，其展开图如图13、14所示。其中双线并行沿电枢铁芯4圆周表面绕齿6形成单相绕组的连续布线结构展开图，如图13所示；双线并行沿电枢铁芯4圆周表面绕齿6形成双相绕组的连续布线结构展开图，如图14所示，如此类推形成k线并行绕齿的多相线圈绕组，k一般为2-30的正整数。
本发明所述的绕组线圈还包括另一种绕齿线圈串联绕组结构如图15所示，其中导线环绕某个齿6绕L圈形成该绕齿线圈，与相隔G个齿的若干个同样绕齿线圈串联形成同一相线圈绕组。该串联线圈绕组结构与常规电机的线槽线圈串联形成绕组的原理相同，如此类推组成多相绕组。所述的L＝1-200，G为0或小于m的正整数。
本发明的优点在于由于本发明电机的转子永磁场与绕齿线圈激发磁场的互激谐振作用，其输出能量一般比常规电机大30％以上。同时，由于电枢铁芯4圆周表面齿数m和配合磁激谐振的N、S交替磁极数P远比常规电机高出一至两个数量级，因此运用本发明制作的发电机在同样的转子转速情况下，在线圈绕组两端输出的是频率比常规电机高出一至两个数量级的高频交流电，此输出电流频率特征与常规输出50周的发电机有所不同。例如当磁极数P＝60，电机转速为3000转/分(50转/秒)时，输出的是频率为1500周的交流电，从而有效适应很多应用领域对高频电流和特殊波形电流的需求。实用时如非应用高频交流电，可通过内置或外配的电路，通过整流、滤波、变频等常规电子电路方法变换为实用所需的直流、方波、正弦波或其它任意频率及波形的电流，降低获得非常规50周交变电流的配属仪器制作成本。
与常规50周频率的电机相比，由于本发明电机的内置转子磁极数P和电枢铁芯齿数T均高出一至两个数量级，可以通过绕组布线的不同结构形成比常规电机更丰富多彩的相位分布，为常规电子电路控制电机运行状态提供了更简单实用的众多控制方案，这一电机控制方向是近年电动车研制技术的热点。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细的说明图1是m＝6P的常规内转子旋转式电动机的剖面2表示对图1中常规电动机内部结构的展开3表示另一种m＝3P的常规内转子旋转发电机的剖面4表示图3中常规旋转发电机沿X-X’和Y-Y’线的展开5为本发明提供的一种在电枢铁芯4圆周表面设置的矩形齿6的截面形状及图示。
图6为本发明提供的一种在电枢铁芯4圆周表面设置的T形齿6的截面形状及图示。
图7表示常规P＝4的电机电枢铁芯4的磁通密度分布示意图，图中纵轴表示磁通密度，横轴360°表示电机转子旋转一周的机械角度。
图8-a为本发明提供的一种实施例，即一种由P个永磁材料单体7形成环形永磁转子组件3在旋转电机中的剖面图，P＝60。图中永磁转子组件3仅标90°机械角度15个NS磁极的交替排布，其余270°机械角度磁极排布相同，重点示意永磁单体7在环形永磁材料组件3中NS极交替间隔密集排布的结构。
图8-b为图8-a实施例设计P＝60的电机沿X-X’线和Y-Y’线的展开示意图，重点示意环形永磁转子组件3中的永磁材料单体7排列的特点和结构。图中永磁转子组件3仅标列P＝60个磁极在两侧的排列，示意每6°机械角度设置一个永磁材料单体7，中间空白未标列部分的磁极排布情况相同。图中N和S表示永磁材料单体7的磁极向。
图8-c为图8-a实施例设计P＝60的电机中环形永磁转子组件表面3的磁通密度分布示意图，图中纵轴表示磁通密度，横轴360°表示电机转子旋转一周的机械角度。
图9为本发明在外转子旋转式电机的剖面图，重点示意永磁材料单体7在外转子环形永磁组件3中的结构排布。
图10～12所示的是线圈导线沿电枢铁芯4圆周表面的线槽5和齿6进行绕齿连续布线的一种实施例结构，所表示的是该绕组沿X-X’线和Y-Y’线的展开示图，图10中A-A’为单相绕组的两端，图11中A-A’、B-B’为两相绕组的两端，图12中A-A’、B-B’、C-C’为三相绕组的两端。
图13和图14所示的是线圈导线双线并行沿电枢铁芯4圆周表面的线槽5进行绕齿6布线形成单相和双相线圈绕组的另一种实施例结构，所表示的是该绕组沿X-X’和Y-Y’的展开示图。
图15所示的是两个不同的绕齿线圈串联形成同一相线圈绕组的另一种结构示意图。
图面说明如下1、11-转轴 2、12-转子3、13-圆环形永磁转子组件4、14-电枢铁芯
5-线槽 6、16-齿7---转子永磁单体PA1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4---重叠绕组线圈H1——矩形齿的齿高 H2——T形齿的齿高S1——矩形齿的齿面宽度 S2——T形齿的齿柱宽度H3——T形齿两边齿面高度S3——T形齿的齿表面宽度V1——矩形齿的齿表面间 V2——T形齿的齿表面间距W——相邻两齿中心线间距实施例1按图8-a制作一台电枢铁芯内4圆周表面设置有m＝120个矩形齿6的内转子发电机，所述的定子电枢铁芯4的内圆周表面齿6高H＝10d，矩形齿6宽S1＝5d，d为绕组线圈的导线直径，由设计电机的最大过载电流值确定。120个矩形齿6沿电枢铁芯4内圆周表面均匀分布，矩形齿6与齿之间的间距V1＝5d，电枢铁芯4的120个矩形齿6面向电机内转子2。转子2面对电枢铁芯4的永磁材料组件3磁极数P＝60，磁极7表面磁场强度6500高斯，磁极之间的间距D＝5d，60个磁极沿转子外圆周表面NS极交替排布。本实施例中的旋转式单相发电机转子2永磁单体7(使用钕铁硼)的组合结构沿X-X’线和Y-Y’线的展开示意图见附图8-b；电枢铁芯4表面的线圈绕组结构按附图10制作，当单相绕组在线槽5中环绕齿6沿电枢铁芯4内圆周表面绕满一周时，继续绕第2、3……周，直至线槽5被线圈导线绕满，线圈绕组的两端A-A’为发电机输出端。该电机当输入3000转/分的转矩时，可在单相线圈绕组两端获得输出1500周交流电，其输出电压取决于电枢铁芯4的绕齿6线圈绕组的匝数。用本实施例制作出的发电机，通过内置或配置于电机的常规电子电路，机械能和电能的转换效率一般可制作至85％以上，与绕组线圈及铁芯材耗同样多的常规电机相比，其输出能量与电机的体积比或重量比均可达到常规电机的1.3倍以上。
实施例2本实施例提供一外转子形式的旋转式单相发电机，基本数据和其它结构均与实施例1相同，只是电枢铁芯4设置的矩形齿6在外圆周表面，面向外转子2，如附图9所示。电枢铁芯4圆周表面的线槽5的两个边角为圆角，圆角弧度与绕组线圈导线的横截面弧度相同。转子磁极数P与实施例1相同，其展开图如附图8-b所示(转子和电枢铁芯的方位相反)。本实施例亦可达到实施例1所述的效果。
实施例3在另一种运用本发明的单相旋转电动机常规实施例中，以实施例1所述的单相内转子电机为基础，通过配置电子开关线路为电枢铁芯4的单相绕组两端提供波形特征与之相适应的1500周交流电源，使磁性材料制作的电机转子2获得扭矩。
运用本实施例制作出的高频电动机，其电能与机械能的转换效率一般可制作至85％以上，重量比能量一般可达5-8kg/kw，能量重量比可达到常规电动机的1.3倍以上。
实施例4在另一种运用本发明的单相旋转电动机实施例中，以实施例2所述的单相外转子电机为基础，通过配置电子开关线路为单相绕组两端提供波形特征与之相适应的1500周交流电源，使磁性材料制作的电机转子2获得扭矩。
运用本实施例亦可达到实施例3所述的效果。
实施例5在另一种运用本发明原理的旋转式双相电机实施例中，采用附图8-a所示的内转子2形式，电枢铁芯4圆周表面设置有112个T型齿6，112个T形齿6沿电枢铁芯4内圆周表面均匀分布，线圈导线在线槽5中绕齿6形成双相绕组的连续布线结构见附图11。
本实施例的有关数据选取电枢铁芯4内圆周表面的T形齿沿转轴平行方向(Y轴)倾斜5°机械角度，T形齿6的齿高H2＝9d，齿柱宽S2＝2d，齿面高H3＝1d，d为电机最大过载电流值确定的绕组线圈导线直径，线槽口齿面与齿面之间的间距V2＝1.5d，齿表面宽S3＝8d。线圈导线在线槽5中环绕齿6沿电枢铁芯4圆周表面连续布线，当绕满一周时，继续绕第2、3……周，直至线槽被绕满为止。电机转子2外圆周表面的永磁极数P＝56，永磁极7的表面磁场强度为7500高斯，N极和S极的交替等间距D＝4.8d，56个永磁极7沿电机转子2外圆周表面NS极交替均匀分布，形成环形永磁转子组件3。
该电机当输入3000转/分的转矩时，可在两个线圈绕组两端获得两相输出1400周交流电，两相相位分布由绕组在电枢铁芯的分布方位而定，其输出电压取决于电枢铁芯的绕齿线圈绕组匝数。用本方法制作出的发电机，与同样多绕组线圈及铁芯材耗的常规电机相比，机械能与电能的转换效率一般可制作至86％以上，能量体积比和能量重量比均可达到常规电机的1.3倍以上。
实施例6在另一种运用本发明的旋转式两相发电机常规实施例中，选用实施例5的基本数据，但制作一台外转子形式的电机，与实施例5所不同的是电枢铁芯4圆周表面T形齿设置在外圆周上，如附图9所示，两个T形齿相间的4个边角均为圆角，弧度与线圈导线截面的弧度相同。两相绕组方法与实施例5选用的结构相同，其展开图如附图11所示。
本方法实施例亦可达到实施例5所述的效果。
实施例7在另一种运用本发明的两相旋转电动机实施例中，以实施例5所述的两相电机为基础，通过电子开关线路为电枢铁芯4的两相绕组提供1400周的交流电源，该两相电源的相位分布应与本实施例的电机设计特征相匹配，使磁性材料制作的电机内转子2获得扭矩。
运用本实施例制作出的电动机，其电能与机械能的转换效率一般可制作至86％以上，重量比能量一般可达5-8kg/kw，能量比重量可达到常规电动机的1.3倍以上。
实施例8在又一种运用本发明的单相旋转电动机实施例中，以实施例6所述的两相电机为基础，通过配置电子开关线路为电枢铁芯4的两相绕组提供1400周的交流电源，该两相电源的相位分布应与本实施例的电机设计特征相匹配，使磁性材料制作的电机外转子2获得扭矩。
运用本实施例制作出的电动机，亦可达到实施例7所述的效果。
实施例9在又一种运用本发明的旋转式三相发电机实施例中，采用外转子结构，电枢铁芯4的外圆周表面设置有264个T形齿6，264个T形齿6沿电枢铁芯4的外圆周表面均匀分布。电机转子2的永磁极7沿转子内圆周表面的环形结构剖面示意图见附图9，电机转子2及电枢铁芯4沿X-X’线和Y-Y’线展开的示意图见附图8-b(方位相反)，绕组线圈导线环绕齿6的布线方式见附图12，但采用双线并行绕齿的方法，双线并行绕齿示意图见附图13或附图14。
有关数据选取电枢铁芯4外圆周表面的T形齿基本数据及间距V2与实施例5相同。绕齿线圈的两条并行导线沿电枢铁芯4外圆周绕满一周后，继续绕第2、3……周，绕至设计匝数为止。两组并行绕齿线圈的两端头和尾相连串联成一个线圈绕组，即A2和A1’相连，A1和A2’作为线圈绕组输出端。其余两相绕组的并行绕齿线圈串联方法相同，形成相位分布不同的三相绕组。电机转子2的内圆周环形永磁组件3的磁极数P＝88，永磁材料的表面磁场强度为9000高斯，磁极之间的排布间距D与实施例5所述相同，88个永磁极沿电机转子2的内圆周表面NS极交替均匀分布。
当电机输入2400转/分的转矩时，可在三相绕组中获得输出1760周交流电，三相相位分布由绕组在电枢铁芯的分布方位而定，其输出电压取决于电枢铁芯的绕齿线圈绕组匝数。用本方法制作出的高频发电机，与同样转子永磁材料表面磁场强度和同样多绕组线圈及铁芯材耗的常规电机相比，机械能和电能的转换效率一般可制作至86％以上，其输出能量与电机的体积比或重量比均可达到常规电机的1.3倍以上。
实施例10在又一种运用本发明的三相旋转电动机常规实施例中，以实施例9所述的三相电机为基础，通过电子开关线路为电枢铁芯4的三相绕组提供1760周的交流电源，该三相电源的相位分布应与本实施例的电机线圈绕组设计特征相匹配，使磁性材料制作的电机外转子2获得扭矩。
运用本原理方法制作出的电动机，电能与机械能的转换效率一般可制作至86％以上，其输出能量与电机的体积比或重量比均可超过常规电机的30％以上。
实施例11在一种运用本发明的多相旋转电机实施例中，采用外转子结构，电枢铁芯4的外圆周表面设置m＝224个矩形齿6，齿面宽S1＝3d，齿高H1＝8d，齿间距V1＝4d，即本实施例中电枢铁芯的外圆周长为224(S1+V1)＝1568d，d为绕组线圈导线的直径。线圈导线环绕矩形齿6绕制成2×8d的双层线圈，占位为半个线槽5，形成一个独立的绕齿线圈。其余各齿的绕齿线圈方式类同。
在224个绕齿线圈中，将同相位分布的绕齿线圈串联组合成同一相的若干个线圈绕组，绕齿线圈串联组合成同一相绕组的方式与常规电机的绕组串联原理相同，由此可根据转子2的磁极数P和线圈串联方式组合出所需的多相发电机。转子永磁极数选择P＝112个N极和S极，沿转子内圆周NS极交替排布，N极和S极的间距D＝3.5d。该发电机可通过内置或配置的电子线路，当转子转动时为多相绕组提供高频输出电流。与同样转速及材耗的常规电机相比，用本实施例方法制作的高频发电机，其机械能与电能的转换效率可达85％以上，所输出的能量与电机重量比或体积比均可超出常规电机30％以上。
实施例12在上述实施例11的逆向应用中，根据实施例11所述选择的转子磁极数P和绕齿线圈串联方式决定的相位分布情况，为电机线圈绕组提供频率与之相适应的交变电流，可使设置有P个永磁极的转子2获得扭矩。用本方法制作出的电动机，与常规同样材耗的电动机相比，其输出能量与电机的重量比或体积比可达到常规电机的1.3倍以上，电能与机械能的转换效率可达85％以上。
权利要求
1.一种磁激谐振式旋转电机，包括定子、转子、转轴和内置或配置于电机的常规电子电路，其特征在于所述的定子电枢铁芯圆周表面的两个线槽之间设置有m个沿转轴截面形状为矩形或T形的齿，齿数m＝32-960之间的偶数，齿与齿之间是电枢铁芯的线槽，绕组线圈沿电枢铁芯的线槽环绕齿连续布线，电枢铁芯的线槽和齿与电机永磁转子组件的磁极相对，其中线槽或齿设在电枢铁芯面对转子的内圆周表面，或线槽或齿设在电枢铁芯面对转子的外圆周表面。
2.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的矩形齿的齿高H1＝1-20d，齿面宽S1＝1-15d，两齿表面之间的间距V1＝1-15d，相邻两齿中心线之间的间距W＝2-30d，其中d＝绕组线圈导线直径。
3.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的T型齿，其齿高H2＝1-20d，齿柱宽S2＝1-10d，两边齿面高度H3＝0.5-3d，齿面宽S3＝3-29d，线槽口齿面与齿面之间的间距V2＝1-5d，相邻两齿中心线之间的间距W＝3-30d，其中d＝绕组线圈导线直径。
4.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的矩形齿或T型齿是其沿转轴方向具有0°机械角度的直形齿，或者是倾斜小于15°机械角度的斜形齿。
5.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的电枢铁芯的线槽内边角为直角或圆角，圆角的弧度和线圈导线截面的弧度相同。
6.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的电枢铁芯圆周表面的齿数m与永磁转子组件的磁极数P的关系为m＝1～9P，并且P为大于16小于m的偶数。
7.如权利要求6所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的永磁转子组件的P个磁极，是在转子常规磁性材料组件面向电枢铁芯的圆周表面按D间距NS极交替排布，D＝0.3-0.8W。
8.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的绕组线圈沿电枢铁芯的线槽环绕齿连续布线，是采用一根或k根导线并行同步绕齿Q圈、相隔n个齿再绕齿Q圈沿电枢铁芯圆周表面连续布线形成线圈绕组，其中k为2-30根，Q＝1/2、3/4或正整数与1/2或3/4的和数，n为0或小于m的正整数，k根线圈导线并行同步绕齿布线按并联、串联或交叉组合联接。
9.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述线圈沿电枢铁芯的线槽环绕齿连续布线，是线圈导线环绕齿L圈形成m个独立绕组线圈后，再将相隔G个齿的不同绕齿线圈串联形成同一相绕组或多相绕组，L为1-200，G为0或小于m的正整数。
10.如权利要求1所述的一种磁激谐振式旋转电机，其特征在于所述的圆周表面带m个矩形齿或T形齿的定子电枢铁芯，包括发电机定子或电动机定子。
全文摘要
本发明涉及一种磁激谐振式旋转电机。该电机包括:定子、转子、转轴和内置或配置于电机的常规电子电路,其特征在于:所述的定子电枢铁芯圆周表面设置有齿,所述的齿是矩形齿或T形齿,齿数为m,m=32－960之间的偶数,绕组线圈沿电枢铁芯的线槽环绕齿连续布线,电枢铁芯的线槽和齿与电机永磁转子组件的P个磁极相对。本发明的电机使电能和机械能的双向转换效率达85%以上,其输出能量与电机重量比或体积比均大于同样材耗的常规电机30%以上。
文档编号H02K1/27GK1374732SQ0110962
公开日2002年10月16日 申请日期2001年3月13日 优先权日2001年3月13日
发明者刘粤荣 申请人:刘粤荣