专利名称:无整流器电机及其变矩机等特种电机的制作方法
发明所属技术领域：
属于电机技术领域：
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对本发明的理解、检索、审查有参考作用的现有技术，并且引证反映该项技术的文件《电工学的理论基础》、《电机学》、《电机及拖动》、《电机设计》、《电机制造工艺学》、《车辆传动理论》、《运输机械的热电驱动装置》等。
发明的目的(一)创造比现有整流器电机性能更优越、更先进的无整流器电机及其变矩机等特种电机。
(二)创造比现有车辆动力传动系统性能更优越、更先进的机电综合动力传动系统。
(三)创造比现有船舶、潜艇、鱼雷动力推进系统性能更优越、更先进的机电综合推进系统。
(四)创造比现有电机拖动系统性能更优越、更先进的无整流器电机拖动系统。
(五)创造比现有电力系统性能更优越、更先进的综合优选电力系统。
发明的内容本发明所解决的中心技术问题是，革除阻障电机向更先进、更优越性能发展的整流(换向)器。创造比现有电机性能更优越、更先进的无整流(换向)器电机体系。
本发明是在长期探索、研究电机理论和实践(实验)的基础上;是在批判“根据电磁感应现象制造无整流子直流电机之不可能”的错误理论;对各种电磁感应现象从理论和实践(实验)两方面进行全面探索、研究、综合分析，从而得出全电磁感应定律理论基础上，创立无整流器电机基础理论指导下而发明的(关于无整流器电机基础理论的论文，将在申请请求对本发明进行实质审查时提交)。
本发明总的独立而明显的实质技术特征是无整流(换向)器电机体系。
本发明“属于一个总的发明构思的两项以上的发明”。现将发明主要项目分述如下(一)无整流器直流电机;
(二)无整流器直流电机变矩机;
(三)无整流器交流电机;
(四)无整流器交流电机变矩机;
(五)无整流器特种用途电机。
(一)无整流器直流电机1.无整流器直流电机的主要结构无整流器直流电机的主要结构如图1所示，主要有定子和转子两大部分组成。
定子部分包括机座1、环形磁轭2、环形磁极3、激磁绕组4、液态金属导体5(汞或钠钾合金22%Na，78%K)或电刷5、端盖等不转动的部件。
转子部分包括电枢轴6、轴集流环7、电枢盘Ⅰ、Ⅱ、盘集流环8、轴承9、风扇等转动的部件。
此外还有通风、防护装置。如风机、冷却器、过滤器、防护罩和挡风板等等。
定子是用导磁性能好的材料-电工钢制成，是电机磁路的重要组成部分，磁极和磁轭是环形整体水平分半结构。环形磁轭内装有环形激磁绕组。激磁绕组是和电枢轴同心排列的。
转子为双转子，由转子电枢盘Ⅰ和转子电枢盘Ⅱ。两转子电枢盘的构造是基本上相同的。转子电枢盘是用导电导磁性能都好的电工钢制成，是盘状整体结构，电枢盘的外圆边缘是集流环，通过电刷或液态金属导体使两电枢盘外缘相互滑接连通。两电枢轴的集流环通过电刷或液态金属导体滑接分别与外电路正负端连通。
2 无整流器直流电机的基本工作原理(1)无整流器直流发电机的基本工作原理当激磁绕组和直流电源接通时，激磁绕组通过直流电流而激磁，发电机磁路中便有磁通，且磁通密度B基本上是均匀分布的，磁通通过发电机电枢盘Ⅰ和电枢盘Ⅱ。
当发动机拖动发电机两转子电枢盘Ⅰ、Ⅱ向相反方向旋转时，两电枢盘Ⅰ、Ⅱ均单方向切割恒定磁通密度B而感应产生动生直流电动势，动生直流电动势的方向可用右手定则判定。一个电枢盘上感应产生的动生直流电动势为E1＝Blν (1-1)在这里切割磁通密度B的导体的有效长度为l＝γ外-γ内。即发电机电枢盘的有效半径宽。导体运动的速度ν为发电机电枢盘有效半径宽的平均线速度，即ν平＝γ平ω1＝ (γ外+γ内)/2 ω1。所以E1＝Blν平＝B(γ外-γ内)·( (γ外+γ内)/2 ω1)E1＝ 1/2 (γ2外-γ2内)Bω1(1-2)因ω1＝2πn1代入上式，得E1＝ 1/2 (γ2外-γ2内)B2πn1。
E1＝(γ2外-γ2内)πBn1。 (1-3)式中E1-电枢盘Ⅰ上的动生直流电动势，单位是伏;
γ外-电枢盘Ⅰ有效外半径，单位是米;
γ内-电枢盘Ⅰ有效内半径，单位是米;
B-气隙磁感应强度，单位是韦/米2;
n1-电枢盘Ⅰ的转速，单位是转/秒。
同样，发电机转子电枢盘Ⅱ感应产生的动生直流电动势为
E2＝(γ2外-γ2内)πBn2。 (1-4)式中n2-电枢盘Ⅱ的转速，单位是转/秒。
由于两电枢盘Ⅰ、Ⅱ在同一个磁场内，向相反的方向转动，两电枢盘上的动生直流电动势E1、E2，通过两电枢盘外缘集流器串联，经两电枢轴集流器向外电路供给直流电能。即将机械能转变为直流电能，不用整流(换向)器。
因发电机两转子电枢盘的转速相等n1＝n2，E1＝E2。所以总电动势为E2＝2E1＝2E2＝2(γ2外-γ2内)πBn1(1-5)上式说明总动生直流电动势E12随电枢盘的有效半径宽(γ外-γ内)。气隙磁感应强度B、电枢盘转速n1、n2的增大而相应增大。
无整流器直流电机，一般都可采用双转子电枢盘Ⅰ、Ⅱ，因双电枢盘直流电机，具有单位功率的体积小、重量轻、成本低、电压较高等优点。
无整流器直流发电机的激磁方式，可采用它激式、自激式、自激式又可分为并激式、串激式和复激式。
(2)无整流器直流电动机的基本工作原理无整流器直流电机是可逆的。当无整流器直流电机的激磁绕组和电枢盘，同时有直流电源供电时，由于电枢盘是在磁场内的载流导体，根据电磁力定律，必然有电磁力作用，此电磁力的方向可用左手定则判定，电磁力的大小为F1＝BIl。 (1-6)此电磁力作用在电枢盘轴上的电磁转矩为M1＝F1γ平＝BIlγ平。 (1-7)
因l＝γ外-γ内，γ平＝ (γ外+γ内)/2 。代入上式，得M1＝(γ外-γ内)· (γ外+γ内)/2 BI。
M1＝ 1/2 (γ2外-γ2内)BI。 (1-8)式中M1-电枢盘Ⅰ上的电磁转矩，单位是牛顿·米;
γ外-电枢盘Ⅰ有效外半径，单位是米;
γ内-电枢盘Ⅰ有效内半径，单位是米;
B-气隙磁通密度，单位是韦/米2;
I-通过电枢盘Ⅰ的直流电流，单位是安。
由于双转子电枢盘Ⅰ、Ⅱ是串联，电枢盘Ⅱ的电磁力为F＝(γ外-γ内)BI，电磁力的方向与电枢盘Ⅰ的方向相反。电枢盘Ⅱ的电磁转矩为M2＝ 1/2 (γ2外-γ2内)BI。
由于两电枢盘Ⅰ、Ⅱ的电磁转矩的方向相反，必须通过齿轮机构使其同方向相加，或直接拖动双转子工作机，获得总电磁转矩为M1 2＝M1+M2＝(γ2外-γ2内)BI。 (1-9)上式说明总电磁转矩M1 2随电枢盘有效半径宽(γ外-γ内)、气隙磁通密度B和电枢盘流过的电流Ⅰ的增大而相应增大。
无整流器直流电动机的激磁方式，可采用它激式、并激式、串激式和复激式。
(二)无整流器直流电机变矩机1.无整流器直流电机变矩机的主要结构无整流器直流电机变矩机，实质就是无整流器直流发电机和电动机的组合。它的主要结构和无整流器直流电机基本相同，如图2所示。
定子部分是发电机、电动机共用的定子机座1、定子环形磁轭2和磁极3，磁轭内固定有激磁绕组4，液态金属导体5(汞或钠钾合金22%Na，78%K)或电刷5等。
转子部分由发电机电枢盘Ⅰ、电动机电枢盘Ⅱ、电枢轴6、非磁性导电轴10、轴集流环7、盘集流环8、轴承9等。
发电机电枢盘Ⅰ发出的直流电能，直接供给电动机电枢盘Ⅱ。两电枢盘Ⅰ、Ⅱ通过外缘集流器5、8和两电枢盘中央非磁性导电轴10集流器5、7滑接连通，而直接构成电枢闭合回路。电枢回路路程最短，而回路导体的截面积却可以很大，因此，电枢回路的总电阻非常小，这是无整流器直流电机变矩机很重要的结构特点。
2.无整流器直流电机变矩机的基本工作原理无整流器直流电机变矩机的基本工作原理。实质就是无整流器直流发电机、电动机的基本工作原理的综合。
(1)直流电机变矩机发电机的基本工作原理当直流电机变矩机的激磁绕组和直流电源接通时，激磁绕组通过直流电流面激磁，电机变矩机磁路中便有磁通，且磁通密度B基本上是均匀分布的，磁通通过直流电机变矩机的发电机电枢盘Ⅰ和电动机电枢盘Ⅱ，如图2虚线箭头所示。
当发动机拖动电机变矩机发电机转子电枢盘Ⅰ旋转时，电枢盘Ⅰ的有效半径宽(γ外-γ内)单方向切割气隙恒定磁通密度B而感应产生动生直流电动势，直流电动势的方向可用右手定则判定，直流电动势的大小为E1＝(γ2外-γ2内)πBn1。 (2-1)(2)直流电机变矩机电动机的基本工作原理由于电机变矩机电动机电枢盘Ⅱ和发电机电枢盘Ⅰ通过集流器连通，使两电枢盘Ⅰ、Ⅱ直接构成电构回路。发电机电枢盘Ⅰ单方向切割恒定磁通密度B，感应产生动生直流电动势推动直流电流，由发电机电枢盘Ⅰ外缘集流器，流入电动机电枢盘Ⅱ外缘集流环，再从电动机电枢盘Ⅱ外缘流入电枢盘中央集流器5、7和导电轴10，流回发电机电枢盘Ⅰ中央构成闭合回路。电枢闭合回路路程达到尽可能最短的程度(类似短路)，而电枢回路的导体截面积却可以很大。因此，电枢回路的总电阻非常小。在较低的直流电压下，电枢回路的电流却很大。
很大的直流电流通过在磁场内的电动机电枢盘Ⅱ，电枢盘Ⅱ必然受到电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判定。电磁力F的大小与通过电枢盘Ⅱ的直流电流Ⅰ、磁场的磁通密度B以及在磁场中那部分载流导体-电枢盘Ⅱ的有效半径宽(γ外-γ内)成正比。即F＝BI(γ外-γ内)。(2-2)此电磁力作用在电动机电枢盘Ⅱ上的电磁转矩M2为电磁力F乘力臂r平= (γ内+γ外)/2 即M2＝BI(γ外-γ内)· (γ外+γ内)/2＝ 1/2 (γ2外-γ2内)BI. (2-3)电枢回路根据全电路欧姆定律I＝ (E1-E2)/(R)又因E1＝(γ2外-γ2内)πBn1;E2＝(γ2外-γ2内)πBn2代入全电路欧姆定律公式，得I =(γ2外－γ2内) πB n1-(γ2外－γ2内) π B n2R。]]>I =(γ2外－γ2内) πB (n1－n2)R。]]>代入(2-3)式，得M2=12( γ2外－γ2内)B 〔(γ2外－γ2内) πB (n1－n2)R〕。]]>(2-4)式中M2-电机变矩机电动机电磁转矩，单位是牛顿·米;
n1-电机变矩机发电机电枢盘Ⅰ的转速，单位是转/秒;
n2-电机变矩机电动机电枢盘Ⅱ的转速，单位是转/秒;
R-电机变矩机电枢回路总电阻，单位是欧姆。
(2-4)式说明电磁转矩M2随电枢盘有效半径宽(γ外-γ内)、气隙磁通密度B、电枢盘Ⅰ、Ⅱ的转速差(n1-n2)的增大而相应增大;随电枢回路的总电阻R的减小而增大。
电枢回路总电阻R的减小，不仅可增大电机变矩机的电磁转矩M2，同时可提高其效率，减小其发热量。
无整流器直流电机变矩机的激磁方式可采用它激式，和它激、自激相结合的双激式。
(3)无整流器直流电机变矩机无级变矩调速的基本工作原理由直流电机变矩机电动机电磁转矩M2公式M2=12( γ2外－γ2内)B 〔(γ2外－γ2内) πB (n1－n2)R〕。]]>可知n1-n2的转速差愈大，则M2也就愈大。当n2＝0时，转速差达最大，则M2也达最大。当n2逐渐提高时，转速差也逐渐减小，则M2也逐渐减小。当n2接近n1时，M2趋近零。变矩机电动机电磁转矩M2，由最大变到趋近零是无级变矩调速。且变矩调速范围广。无整流器直流电机变矩机具有自动适应阻转矩M3变化的能力。当M3＞M2时，n2下降，自动使M2＝M3。当M3＜M2时，n2上升，自动使M2＝M3。而且适应阻转矩M3变化的范围广。
无整流器直流电机变矩机的电磁转矩公式可以看出调节电机变矩机的磁感应强度B，即调节直流激磁电流量，也能调节电磁转矩M2的大小变化，这说明它不仅具有良好的自动适应性能，而且具有良好的可控性能。
无整流器直流电机变矩机的发电机电磁功率为P1＝M1ω1;电动机的电磁功率为P2＝M2ω2。电机变矩机的效率为η，则它们有如下的关系式P2＝ηP1＝M2ω2＝ηM1ω1。
M2＝ (ηM1ω1)/(ω2)因ω＝2πn 代入上式，得
M2=- (ηM12πn1)/(2πn2) = (ηM1n1)/(n2) 。
上式说明电机变矩机电动机的电磁转矩M2，随发电机电磁转矩M1，变矩机效率η、变矩机转速比n1/n2的增大而增大。
由M2n2＝ηM1n1。可知，电机变矩机具有恒功率无级变矩调速的特性。这一特性对各种车辆用的传动系统来说，是非常重要的特性。它一方面可使发动机始终处在最佳情况下工作，在一切行驶条件下都具有系统的稳定性，从而可降低耗油率;增加车辆的行驶路程和平均速度;延长发动机和传、行动部件的使用寿命。另一方面它能自动适应路面行驶阻力行驶，即自动无级变矩调速行驶，使操纵简便，使驾驶员容易掌握，并且减轻驾驶员的疲劳，提高了驾驶员持久工作的能力。也较容易实现遥控。
无整流器直流电机变矩机，不仅具有良好的无级变矩调速的特性，而且变矩调速的范围比液力变矩器大;效率比液力变矩器高;可控性比液力变矩器好。
(4)无整流器直流电机变矩机切断动力传递的原理无整流器直流电机变矩机切断动力传递的原理很简单。当切断电机变矩机的激磁电路，激磁电流I＝0时，气隙磁通密度B＝0，即使发动机拖动电机变矩机发电机电枢盘Ⅰ旋转，因没有磁通切割，所以也就没有动生直流电动势E1＝0。当然也就没有电流流过电动机电枢盘Ⅰ＝0，电动机电磁转矩M2＝0。此时，电机变矩机处于切断动力传递的状态。类似离合器处于分离状态。但它比离合器分离的更快、更彻底、更优越。
它和液力变矩器相比，液力变矩器就不能切断动力传递。因此，液力变矩器就不能与阶梯齿轮变速器组合，只能和行星齿轮变速器组合。而电机变矩机由于能有效快速切断动力传递。因此，它既可与阶梯齿轮变速器组合;又可与行星齿轮变速器组合。可组合成各种机电综合优选的传动系统。
(5)无整流器直流电机变矩机电磁制动的基本工作原理已知电机是可逆的，当电机变矩机处于逆运行状态(电磁制动状态)时，车辆动能推动电机变矩机电动机电枢盘Ⅱ转动的转速高于发电机电枢盘Ⅰ的转速。从而使电动机逆变为发电机，其电磁转矩-M2为制动转矩。此时电机变矩机实现电磁制动。电磁制动的制动转矩大，操作简便，没有机械磨损，可延长机件使用寿命，有时还可收回一部分车辆动能。这是机械摩擦式制动器所做不到的。
电机变矩机电磁制动有三种方式1°发电机回馈发动机制动当驾驶员对发动机进行减速-停止供油时，车辆由于惯性，或下坡重力运动时，车辆的动能推动电机变矩机电动机电枢盘Ⅱ高于发电机电枢盘Ⅰ转动(激磁电流保持原状)，使原电动机电枢盘Ⅱ逆变为发电机电枢盘，而原发电机电枢盘Ⅰ逆变为电动机电枢盘，并拖动发动机空转，利用发动机的空转矩进行制动。
2°发电机回馈充(供)电制动当车辆动能推动电机变矩机电动机电枢盘Ⅱ高于发电机电枢盘Ⅰ旋转时，其感应产生的动生直流电动势E2＞E1时，原来的电动机电枢盘Ⅱ逆变为发电机电枢盘，接通充电电路使其向蓄电池充电，或向用电设备供电，收回或利用一部分由车辆动能转换为电能的能量。
3°能耗制动当车辆动能推动电动机电枢盘Ⅱ高于发电机电枢盘Ⅰ旋转E2＞E1时，将E2与电阻相接，以电阻发热消耗由电动机逆变为发电机发出的电能。
(三)无整流器交流电机1.无整流器交流电机的主要结构无整流器交流电机的主要结构，由定子和转子两大部分组成。如图3所示。
定子部分包括机座1、环形磁轭2、环形磁极3、激磁绕组4、电刷(或液态金属导体)5、端盖等不转动的部件。
转子部分包括电枢轴6、轴集流环7、电枢盘Ⅰ、盘集流环8、风扇、轴承9等转动的部件。
此外，还有通风、防护装置。如风机、冷却器、过滤器、防护罩和挡风板等等。
定子部分的部件和无整流器直流电机基本相同，所不同的只是定子环形磁轭和磁极为硅钢片叠成，以减小涡流效应。磁轭内固定有激磁绕组，激磁绕组与电枢轴同心排列。
转子部分一般采用单转子，也可采用双转子结构。转子部分的部件，和无整流器直流电机基本相似。但转子电枢盘是用无硅的导电导磁性能都好的电工钢带螺旋卷成。它一方面是螺旋电枢绕组。另一方面也是转子铁芯。钢带螺旋电枢绕组一般为两个并联支路以上的多并联支路结构(图4)。每一支路的两端镀铜，一端与电枢轴焊接连通;另一端与电枢盘外缘盘集流环焊接连通。螺旋钢带之间由绝缘漆绝缘。电枢盘外缘集流环通过液态金属导体或电刷与外电路一端连通。电枢轴集流环通过液态金属导体或电刷与外电路另一端连通。
2.无整流器交流电机的基本工作原理(1)无整流器交流发电机的基本工作原理当激磁绕组和交流电源接通时，激磁绕组通过交流电流而激磁，发电机磁路中便有交变磁通，并且磁通密度B基本上是均匀分布的，交变磁通通过发电机电枢盘。此时，虽然电枢盘没有转动，但电枢盘上的螺旋绕组在交变磁通密度的感应下产生感生交变电动势(和变压器的原理类同)。
ε感＝-NeS (dB)/(dt) (3-1)式中 ε感-感生交变电动势，单位是伏;
Ne-等效包围磁通面积的匝数;
S-电枢盘有效磁通面积，单位是米2;
(dB)/(dt) -磁通密度对时间的变化率。
当发动机拖动发电机转子电枢盘在磁场内旋转时，电枢盘有效半径宽(r外-r内)单方向切割交变磁通密度B而感应产生动生交变电动势(和无整流器直流发电机原理类同，只是单方向切割的不是恒定磁通密度，而是交变磁通密度，所以感应产生的是动生交变电动势)。
ε动＝-B (ds)/(dt) ＝-B (d)/(dt) 〔 1/2 (γ2外-γ2内)ωt〕＝- 1/2 (γ2外-γ2内)Bω。 (3-2)根据全电磁感应定律，电枢盘螺旋电枢绕组的感应电动势为
ε＝-B (ds)/(dt) -NeS (dB)/(dt) ＝- 1/2 (γ2外-γ2内)Bω-NeS (dB)/(dt) 。(3-3)上式等号右边第一项为导体单方向切割交变磁通密度B感应产生的动生交变电动势ε感＝- 1/2 (γ2外-γ2内)Bω。感应产生动生电动势的非静电力是洛仑兹力。等号右边第二项为交变磁通密度B在螺旋电枢绕组上感应产生的感生交变电动势ε感＝-NeS (dB)/(dt) 。感应产生感生电动势的非静电力是感生(涡旋)电场力。
因ω＝2πn代入上式，得ε＝- 1/2 (γ2外-γ2内)B2πn-NeS (dB)/(dt)ε＝-(γ2外-γ2内)πBn-NeS (dB)/(dt) (3-4)式中 ε-螺旋电枢绕组的感应电动势，单位是伏;
γ外-电枢盘有效外半径，单位是米;
γ内-电枢盘有效内半径，单位是米;
B-交变磁通密度，单位是韦/米2;
n-转子电枢盘转速，单位是转/秒;
Ne-等效包围磁通面积的匝数;
S-电枢盘有效磁通面积，单位是米2(dB)/(dt) -磁通密度对时间的变化率。
(3-4)式说明1°无整流器交流发电机的感应电动势，由动生电动势ε动＝-(γ2外-γ2内)πBn和感生电动势ε感＝-NeS (dB)/(dt) 两部分合成。
2°感应电动势ε随电枢盘有效半径宽(γ外-γ内)磁通密度B、电枢盘转速n、螺旋电枢绕组的等效匝数Ne、电枢盘磁通面积S和磁通密度对时间的变化率的增大而相应增大。
3°感应电动势ε的频率和激磁电流的频率相等，与发电机转速无关。因此提高无整流器交流发电机转速不受频率的限制。电动势ε的频率调节可通过调节激磁电流的频率来实现。
4°无整流器交流发电机具有交直流通用的性能。当采用直流电激磁时，ε感＝-NeS (dB)/(dt) ＝0，发出的就只有动生直流电动势ε动＝-(γ2外-γ2内)πBn。
5°从用来把加在输入电路(激磁绕组)的功率进行放大的功能来看，它不仅可直流电功率放大，而且可交流电功率放大。
6°从输出发电机电压U出和输入激磁电压U入之比的功能来看。它还具有变压机(增压机或增流机)的功能。
7°它的激磁方式可采用它激式;也可采用它激和自激相结合的双激式。
(2)无整流器交流电动机的基本工作原理无整流器交流电机是可逆的。当无整流器交流电机的激磁绕组和螺旋电枢绕组，同时有交流电源供电时，由于电枢绕组是在磁场内的载流导体，且螺旋电枢绕组长lsind＝γ外-γ内，根据电磁力定律，载流导体必然受电磁力作用，此电磁力的方向可用左手定则判定，其大小为F＝Bilsind＝Bi(γ外-γ内)。 (3-5)此电磁力F作用在电枢盘轴上的电磁转矩M为
M＝Fγ平＝B(γ外-γ内)γ平因 γ平＝ (γ外＋γ内)/2 ，代入上式，得M＝(γ外-γ内) (γ外＋γ内)/2 Bi＝ 1/2 (γ2外-γ2内)Bi。
M＝ 1/2 (γ2外-γ2内)Bi。(3-6)式中 M-电枢盘轴上的电磁转矩，单位是牛顿·米;
γ外-电枢盘有效外半径，单位是米;
γ内-电枢盘有效内半径，单位是米;
i-通过螺旋电枢绕组的交变电流，单位是安;
B-气隙交变磁通密度，单位是韦/米2。
(3-6)式说明1°电磁转矩M随电枢盘有效半径宽(γ外-γ内)气隙磁通密度B和流过电枢绕组的电流i的增大而增大2°无整流器交流电动机激磁方式可采用串激式，并激式和复激式。
3°具有交、直流电通用的性能。
4°无级变矩调速的范围广，效率高，可靠性高，易于控制。
(3)无整流器感应电机的基本工作原理将无整流器交流电机电枢绕组外电路直接短路连接，同时并联电容器(并联电容器是为了提高功率因素)。
当激磁绕组有交流电源供电时，激磁绕组通过交流电流而激磁，电机磁路中便有交变磁通，交变磁通通过电机螺旋电枢绕组，螺旋电枢绕组在交变磁通密度的感应下而产生感生交变电动势为
ε感＝-NeS (dB)/(dt)感生交变电动势ε感推动感生交流电流经集流器、外电路短路及并联电容器，直接构成短路回路。短路交流电流流过螺旋电枢绕组，电枢绕组是在磁场内的载流导体，根据电磁力定律，必然有电磁力作用，此电磁力的方向可用左手定则判定，电磁力的大小为F＝Bilsinα。
因 lsinα＝γ外-γ内，代入上式，得F＝Bi(γ外-γ内)此电磁力F作用在电枢盘轴上的电磁转矩为M＝Bi(γ外-γ内)·γ平＝Bi(γ外-γ内) (γ外＋γ内)/2M＝ 1/2 (γ2外-γ2内)Bi式中 M-感应电机的电磁转矩，单位是牛顿·米;
γ外-电枢盘有效外半径，单位是米;
γ内-电枢盘有效内半径，单位是米;
B-气隙瞬时磁感应强度，单位是韦/米2;
i-电枢瞬时电流，单位是安。
上式说明感应电机的电磁转矩M随电枢盘的有效半径宽(γ外-γ内)，气隙磁通密度B和流过电枢盘绕组的感应交流电流i的增大而成正比例增大。无级变矩调速的范围广，效率高。
(四)无整流器交流电机变矩机1.无整流器交流电机变矩机的主要结构无整流器交流电机变矩机，实质就是无整流器交流发电机、电动机组。它的主要结构和无整流器交流电机基本相同，如图2所示。
定子部分由发电机、电动机共用的定子机座1，定子环形磁轭2和磁极3，系硅钢片叠成。磁轭内固定有激磁绕组4，汞5或电刷5等。
转子部分为双转子结构。由发电机转子电枢盘Ⅰ和电动机转子电枢盘Ⅱ，电枢轴6，非磁性导电轴10、轴集流环7、盘集流环8、轴承9等。为了使两电枢盘的感生电动势串联，两电枢盘上的螺旋电枢绕组的绕向是相反的。
发电机电枢盘Ⅰ发出的交流电能，直接供给电动机电枢盘Ⅱ。两电枢盘Ⅰ、Ⅱ通过外缘集流器5，8和两电枢盘中央非磁性导电轴10、集流器5、7滑接连通，而直接构成电枢闭合回路。
2.无整流器交流电机变矩机的基本工作原理无整流器交流电机变矩机的基本工作原理，实质就是无整流器交流发电机和电动机的基本工作原理的综合。
当交流电机变矩机的激磁绕组和交流电源接通时，电机变矩机磁路中便有交变磁通。交变磁通通过电枢盘Ⅰ、Ⅱ的螺旋电枢绕组两螺旋电枢绕组在交变磁通密度的感应下而产生感生电动势分别为ε1感＝-N1eS (dB)/(dt) (4-1)ε2感＝-N2eS (dB)/(dt) (4-2)式中 ε1感-变矩机发电机螺旋电枢绕组感生电动势，单位是伏;
ε2感-变矩机电动机螺旋电枢绕组感生电动势，单位是伏;
N1e-发电机螺旋电枢绕组等效包围磁通面积的匝数;
N2e-电动机螺旋电枢绕组等效包围磁通面积的匝数;
S-电枢盘有效磁通面积，单位是米2。
当发动机拖动电机变矩机发电机转子电枢盘Ⅰ在磁场中旋转时螺旋电枢绕组单方向切割交变磁通密度而感应产生动生电动势ε1动＝-B (ds)/(dt) ＝-(γ2外-γ2内)πBn1。
(4-3)此时无整流器交流电机变矩机的总感应电动势为ε12＝ε1动+ε1感+ε2感＝-B (ds)/(dt) -N1eS (dB)/(dt) -N2eS (dB)/(dt)＝-(γ2外-γ2内)πBn1-N1eS (dB)/(dt) -N2eS (dB)/(dt) 。(4-4)上式说明其总感应电动势ε12为三部分合成。
一是发电机螺旋电枢绕组的动生电动势ε1动＝-(γ2外-γ2内)πBn1;
二是发电机螺旋电枢绕组的感生电动势ε1感＝-N1eS (dB)/(dt) ;
三是电动机螺旋电枢绕组的感生电动势ε2感＝-N2eS (dB)/(dt) 。
若设计为 -N1eS (ds)/(dt) -N2eS (dB)/(dt) ＝-2N1eS (dB)/(dt) 则
ε12＝-(γ2外-γ2内)πBn1-2N1eS (dB)/(dt) 。(4-5)若设计为 -N1eS (dB)/(dt) +N2eS (dB)/(dt) ＝0则ε12＝ε1动＝-(γ2外-γ2内)πBn1。
由于电机变矩机电动机电枢盘Ⅱ和发电机电枢盘Ⅰ，通过集流器直接连通构成闭合电枢回路。电枢回路总感应电动势ε12推动电流i通过盘集流器流入电动机电枢盘Ⅱ螺旋电枢绕组，又通过轴集流器和导电轴流回发电机电枢盘Ⅰ螺旋电枢绕组构成闭合回路。
交流电流流过在磁场内的电动机电枢盘Ⅱ螺旋电枢绕组，螺旋电枢绕组必然受到电磁力作用，此电磁力的方向可用左手定则判定。电磁力的大小为F＝Bilsinα，因lsinα＝γ外-γ内。所以电磁力为F＝(γ外-γ内)Bi此电磁力作用在电动机电枢盘轴上的电磁转矩M2为电磁力F乘力臂γ平＝ (γ外＋γ内)/2 ，即M2＝(γ外-γ内) (γ外＋γ内)/2 ·Bi＝ 1/2 (γ2外-γ2内)Bi根据交流电全电路欧姆定律I＝ (E1－E2)/(Z)
因 ε1＝(γ2外-γ2内)πBn1+N1eS (dB)/(dt) 。
ε2＝(γ2外-γ2内)πBn2-N2eS (dB)/(dt) 。
I =〔(γ2外－γ2内) πB /b+N1eSdBdt-(γ2外－γ2内)πBn2+N2eSdBdtZ〕。]]>I = 〔(γ2外－γ2内) πB (n1－n2)+2N1eSdBdtZ〕。]]>M2=12( γ2外－γ2内)B 〔(γ2外－γ2内) πB (n1－n2)+2N1eSdBdtZ〕。]]>(4-6)式中 M2-交流变矩机电动机电磁转矩，单位是牛顿·米;
γ外-电枢盘有效外半径，单位是米;
γ内-电枢盘有效内半径，单位是米;
B-气隙交变磁通密度，单位是韦/米2n1-发电机转速，单位是转/秒;
n2-电动机转速，单位是转/秒;
N1e-螺旋电枢绕组等效包围磁通面积的匝数;
S-电枢盘有效磁通面积，单位是米2;
(dB)/(dt) -磁通密度对时间的变化率。
(4-6)式说明1°无整流器交流电机变矩机电动机电磁转矩M2随电枢盘有效半径宽(γ外-γ内)、气隙磁通密度B、电枢盘Ⅰ、Ⅱ的转速差(n1-n2)、螺旋电枢绕组等效匝数N1e、电枢盘有效磁通面积S、磁通密度对时间的变化率的增大而增大。随电枢回路的总阻抗Z的减小而增大。
2°电机变矩机电动机电磁转矩M2不仅随动生电动势ε1动＝(γ2外-γ2内)πB(n1-n2)增大而增大;同时随感生电动势ε感＝2N1e (dB)/(dt) 的增大而增大。这是直流电机变矩机所不具有的特性。若设计为N1eS (dB)/(dt) +N2eS (dB)/(dt) ＝0，即两螺旋电枢绕组的感生电动势的合成为零，则失去感生电动势的积极意义。
3°电机变矩机自动无级变矩调速的特性。电动机电磁转矩M2随电枢盘Ⅰ、Ⅱ的转速差(n1-n2)的增大而增大。当n2＝0时，转速差最大，则M2达最大值。当n2逐渐升高时，则M2也逐渐减小，直到趋近零。并且电磁转矩M2由最大变到趋近零是自动无级变矩调速;变矩调速的范围广;效率高。
4°电机变矩机的可控性好。电磁转矩M2随磁通密度的增大而增大。也随B的减小而减小。这说明电机变矩机可通过控制激磁电流i来控制电磁转矩M2的大小。当激磁电流i＝0时，B＝0M2＝0。即切断动力传递。
5°无整流器交流电机变矩机，具有交直流通用的性能。当用直流电源激磁、无整流器交流电机变矩机就转变为无整流器直流电机变矩机，基本工作原理就是无整流器直流电机变矩机的基本工作原理。
6°无整流器交流电机变矩机的激磁方式可采用它激式;也可采用它激和自激相结合的双激式。
(五)无整流器特种用途电机无整流器交、直流电机通用性比现有电机广，因此，它可构成的特种用途电机的种类比现有特种用途电机的种类多。如无整流器电机变矩机，电机(功率)放大机、变压机、变流机、变频机等等这里不能一一详细列举，只简要介绍几例。
1.无整流器电机(功率)放大机。用来把加在输入电路(激磁电路)的功率进行相当的放大，作为调节和控制用的特种发电机。电机放大机的额定输出功率PN与控制绕组(激磁绕组)额定输入功率PKM之比，称为功率放大系数KP，即KP＝ (输出功率)/(控制功率) ＝ (PN)/(PKN) 。
它与现有整流器直流电机放大机相比，不仅具有无整流器、效率高、工作可靠性高、使用寿命长，单位功率的体积小，重量轻成本低等优点;而且可交，直流电通用，即不仅可直流电功率放大，而且可交流电功率放大。
2.无整流器电机变压机。用来把一交、直流电压电能，转变为另一交、直流电压电能。变压机和变压器相比它不仅可同频率变压，还可变频变压。它不仅可交流变压，还可直流变压，或交、直流变压。
3.无整流器电机变流机。用来将交流电能转变为直流电能;或将直流电能转变为交流电能。
4.无整流器电机变频机。用来将某一频率的交流电能，转变为另一频率的交流电能。
六、无整流器电机及其变矩机等特种电机与现有电机相比所具有的优点(一)无整流器电机与现有整流器直流电机相比所具有的优点无整流器直流电机和整流器直流电机一样，具有无级变矩调速范围广，起动、过载、制动转矩大，易于控制等优点外。它还具有整流器直流电机所不具备的优点1.没有整流(换向)器2.没有电枢绕组;
3.电枢电流和电枢磁通共用一导电导磁体;
4.由于不用整流器和电枢绕组，所以用铜少;
5.由于没有限制转速的换向要求和电枢绕组结构安全的要求，所以它的转速可比整流器直流电机的高;
6.铁损耗很小，电枢铁心中几乎没有涡流和磁滞损耗;
7.用液态金属导体集流代替电刷，可以大大减少滑接连通的电压降及损耗;
8.由于无整流损耗、铁损耗小、液态金属导体集流损耗小，所以其效率高;
9.构造简单、结构紧凑、工艺性好;
10.工作可靠性高，使用期限长;
11.可设计成交、直流电通用;
12.由于上述优点综合的结果，可使其单位功率的体积小、重量轻、成本低，约均为现有整流器直流电机的1/2～1/4。
(二)无整流器直流电机变矩机与现有整流器发电机-电动机组相比所具有的优点无整流器直流电机变矩机和现有整流器发电机-电动机组一样，具有自动无级变矩调速范围广，起动、过载、制动转矩大，易于控制等优点外;还具有现有整流器发电机-电动机组所不具备的优点1.没有整流(换向)器;
2.没有电枢绕组;
3.发电机转子和电动机转子共用定子机座、磁场和激磁绕组;
4.发电机电枢盘Ⅰ和电动机电枢盘Ⅱ通过集流器，直接组成最短的电枢闭合回路(类似短路)，回路导体截面积却可较大，因此电枢回路电阻非常小;
5.电枢电流和电枢磁通共用一导电导磁体;
6.由于不用整流器和电枢绕组，所以用铜少;
7.由于没有限制转速的换向要求和电枢绕组结构安全的要求，所以它的转速可比整流器发电机-电动机组的高;
8.铁损耗很小，电枢铁心中几乎没有涡流和磁滞损耗;
9.用液态金属导体集流代替电刷，可以大大减少集流时的电压降及损耗;
10.由于无整流器损耗、铁损耗小、液态金属导体集流损耗小、电枢回路电阻小损耗小，所以其效率高;
11.可设计成交、直流电通用;
12.工作可靠性高，使用寿命长;
13.由于上述优点综合的结果，使其体积小，重量轻，成本低，单位功率的体积、重量、成本约均为整流器直流发电机-电动机组的1/4～1/8。
(三)无整流器交流电机与现有交流电机相比所具有的优点1.能交、直流电通用;
2.自动无级变矩调速范围广，变矩调速的效率高;
3.起动、过载、制动转矩大;
4.可控性能好;
5.没有铜电枢绕组;
6.电枢电流和电枢磁通共用一导电导磁体;
7.电机转速与频率无关，转速可选择高，频率可选择低，根据需要可选择各自的优势;
8.铁损耗小，电枢铁心、螺旋电枢绕组为同一体，没有涡流损耗;
9.用铜少;
10.构造简单、结构紧凑，工艺性好;
11.工作效率高;
12.由于上述优点综合的结果，使其体积小，重量轻，成本低，单位功率的体积、重量、成本，约均为现有交流电机的2/3～1/3。
(四)无整流器交流电机变矩机与现有交流发电机-电动机组相比所具有的优点1.能交、直流电通用;
2.自动无级变矩调速范围广，且变矩调速效率高;
3.起动、过载、制动转矩大;
4.可控性能好;
5.发电机转子和电动机转子共用一定子机座、激磁绕组、磁场;
6.电枢绕组不用铜;电枢电流和电枢磁通共用一导电导磁体;
7.转速与频率无关，可根据需要选择各自的优势，如选择高转速、低频率;
8.频率低，铁损耗小，电枢铁心没有涡流损耗;
9.用铜少;
10.构造简单，结构紧凑，工艺性好;
11.工作效率高;
12.由于上述优点综合的结果，使其体积小，重量轻，成本低，单位功率的体积、重量、成本，约均为现有交流发电机-电动机组的1/3～1/6。
(五)各种车辆采用无整流器电机及其变矩机实现机-电综合传动系统和电力传动系统所具有的优点1.具有自动适应车辆行驶(路面)阻力，无级变矩调速的性能，而且变矩调速的范围广，效率高。即具有恒功率传动的性能。使发动机经常处于最佳工作状态，提高发动机功率利用率，降低耗油率，从而提高车辆的机动性能、平均速度和增大最大行程;
2.无整流器电机及其变矩机是电磁力传动，不是机件直接刚性连接的机械传动，在一切行驶条件下都具有传动系统的稳定性，可避免由于直接碰撞而引起的发动机熄火和机件损坏，并可延长发动机、传动、行动部分的各机件的使用寿命;
3.可控性能好，能自动适应路面行驶阻力行驶，起动、过载、制动转矩大，操纵简便，减轻驾驶员的疲劳，从而提高驾驶员持久工作的能力，也较容易实现遥控;
4.无整流器电机及其变矩机可实现电磁制动，电磁制动转矩大，操作简便，没有机械磨损，可延长机件的使用寿命，有时还可回收车辆一部分动能，这是其它形式制动器所做不到的;
5.通用性广，并可实现组合系列化，适用于各种不同功率发动机和各种不同车型的需要;
6.无整流器电机变矩机能快速有效地切断动力传递。它不仅可与行星齿轮变速器组合，也可与固定轴齿轮变速器组合，组合成各种机电综合式传动系统，和齿轮倒档组合，可使车辆倒车和前进一样，实现自动适应路面行驶阻力，恒功率无级变矩调速行驶;
7.履带车辆两边履带主动轮，各自都采用无整流器电机或电机变矩机，可不用专门的转向机构，此时，不但可实现自动适应路面行驶阻力，恒功率无级变矩调速行驶，而且可实现任意半径转向，和原地转向，并且原地转向可实现一边履带前进，一边履带倒退，转向半径为1/2车宽的最小转向半径，并可大大减小原地转向的阻力，和对地面的破坏力。从而可提高履带车辆的机动性、平均速度、和增大最大行程;
8.无整流器发电机发出的电能，也可供车辆电气设备等使用;
9.无整流器电机传动很适合使用蓄电池或燃料电池作电源的电动车辆。电动车辆具有无声行驶的最大潜力，这对执行侦察任务，小规模隐蔽作战具有特殊意义，对城市车辆来说，具有减小城市噪声和空气污染的重大意义;
10.无整流器电机及其变矩机，本身具有无整流器、没有铜电枢绕组、构造简单、结构紧凑、工作可靠、使用期限长、损耗低、效率高、体积小、重量轻、成本低、单位功率的体积、重量、成本，约均为现有直流电力传动机组的1/4～1/8，交流电力传动机组的1/3～1/6。因此，它有效地克服了现有电力传动系统单位功率的体积大、重量大、成本高等严重缺点;同时它又继承和发展了电力传动系统的一系列优点。因此它一定会得到普遍推广，广泛使用。
11.由无整流器电机及其变矩机组成的车辆机电综合传动系统和电力传动系统，将会推动各种车辆的革新和发展，因它本身就是根据车辆发展规律科研的结果。同时它也为各种车辆的发展指明规律和方向-机电综合优选的发展方向。因各种车辆均为机械运动，所以必然与机械动能相联系，当然也就必然与机械传动相联系。机动车辆的实践又证明，各种机动车辆都需要用电，不用电的机动车辆是没有的，而且有向电气化方向发展的趋势，机动车辆越先进，用电的设备也就越多。因此，车辆发展的规律性方向必然是-机电综合优选的动力传动发展方向。这样我们就可越过车辆液力机械综合传动的发展阶段，而直接进入机电综合优选的发展阶段(时代)。这样我们就可生产出世界第一流先进水平的各种车辆，争夺世界冠军，取得国际市场的主动权。
同样，各种船舶、潜艇、鱼雷，采用无整流器电机及其变矩机，实现机电综合和电力拖动推进系统，也具有类似上述优点。工矿企业采用无整流器电机拖动系统。各特种用途的领域、场合、采用无整流器特种用途电机，都会具有类似前面所说的一系列优点。这里就不一一列举了。
七 实现本发明的最好方式无整流器电机及其变矩机等特种电机，具有无整流(换向)器，电枢绕组和电枢铁心合为一体，结构紧凑，构造简单，工艺性好，用铜少等优点。因此一般电机制造工厂，都可设计制造，当然随工厂设计制造工艺水平的不同，制造出无整流器电机及其变矩机等特种电机的性能水平也会有相应差别。最好和车辆制造工厂配合，设计制造车辆需要的无整流器电机变矩机，因它具有典型无整流器电机的优势，稍加改动就可作无整流器交、直流通用发电机、电动机、电机(功率)放大机等等，形成通用化、系列化、标准化产品。
权利要求
一、前序部分无整流器电机及其变矩机等特种电机，属于电机技术领域：
。1.本发明是在长期探索、研究电机理论和实践(实验)的基础上；是在批判“根据电磁感应现象制造无整流子直流电机之不可能”的错误理论；对各种电磁感应现象，从理论和实践(实验)两方面进行全面探索、科研、综合分析，从而得出全电磁感应定律理论基础上；创立无整流(换向)器电机基础理论指导下发明的。
2.本发明所解决的中心技术问题是，革除阻障电机向更先进、更优越性能发展的整流(换向)器。创造比现有电机性能更优越、更先进的无整流(换向)器电机体系；创造比现有车辆动力传动系统性能更优越、更先进的机电综合动力传动系统；创造比现有船舶、潜艇、鱼雷动力推进系统性能更优越、更先进的机电综合推进系统；创造比现有电机拖动系统性能更优越、更先进的无整流(换向)器电机拖动系统；创造比现有电力系统性能更优越、更先进的综合优选电力系统。
二、特征部分3.本发明总的独立而明显的实质技术特征是无整流(换向)器电机体系。
4.本发明“属于一个总的发明构思的两项以上的发明”。发明的各主要项目除共同具有总的独立而明显的实质技术特征无整流(换向)器外，还具有各自的从属技术特征，分述如下(一)无整流器直流电机1.因无整流(换向)器，所以根据全电磁感应定律，采用导体单方向切割稳恒磁通密度，感应产生动生直流电动势的基本工作原理;2.稳恒磁通密度在电机磁路中没有涡流，磁滞损耗，因此电机磁路可采用整体结构;3.电枢铁心和电枢导体(电枢绕组)合为一体，而且可整体结构，没有铜电枢绕组;4.一般采用双转子结构，单位功率的体积小、重量轻、成本低。(二)无整流器直流电机变矩机除具有(一)无整流器直流电机1、2、3、4、特征外，还具有5.发电机转子和电动机转子共用定子机座、磁场和激磁绕组;6.发电机电枢盘Ⅰ和电动机电枢盘Ⅱ通过集流器、直接构成最短的电枢闭合回路(类似短路)回路导体截面积大，因此电枢回路的总电阻非常小;7.自动无级变矩调速范围广，变矩调速的效率高。(三)无整流器交流电机1.因无整流(换向)器，根据全电磁感应定律，采用导体单方向切割交变磁通密度，感应产生动生交变电动势;和交变磁通密度，感应产生感生交变电动势相结合的基本工作原理;2.螺旋电枢绕组和电枢铁心合为一体，电枢铁心中无涡流损耗;3.电机转速和交流电频率无关;4.可交、直流电通用;5.自动无级变矩调速范围广，变矩调速的效率高。(四)无整流器交流电机变矩机除具有(三)无整流器交流电机1、2、3、4、5、特征外，还具有6.电机变矩机的发电机转子和电动机转子共用定子机座，磁场和激磁绕组;7.发电机电枢盘Ⅰ和电动机电枢盘Ⅱ通过集流器，直接组成最短的电枢闭合回路(类似短路)，回路导体截面积较大，因此电枢回路的总阻抗很小。(五)无整流器特种用途电机除具有前面所述无整流器电机的特征外，还具有其各自的特种特征。如1.无整流器电机(功率)放大机不仅可直流电功率放大，而且可交流电功率放大。2.无整流器电机变压机不仅可同频率变压而且可变频变压，交、直流电变压。3.无整流器电机变流机可将直流电变交流电，也可将交流电变直流电。4.无整流器电机变频机可将某一频率交流电转变为另一频率交流电。
专利摘要
本发明属于电机技术领域：
，解决电机不用整流器的技术问题，主要技术特征是无整流器，其比现有电机性能更优越，用途更广。附图是无整流器电机变矩机，激磁绕组4通过直流电流时，磁路(23ⅡⅠ 32)中有磁通。发动机拖动发电机电枢盘Ⅰ切割磁通感应动生直流电势，推动电流经集流器5、8流入电动机电枢盘Ⅱ，经集流器7、5、10流回电枢盘Ⅰ。电动机转子Ⅱ的电磁转矩拖动车辆或工作机运行，具有无级变矩调速等优越性能。
文档编号H02K57/00GK85100550SQ85100550
公开日1986年5月10日 申请日期1985年4月1日
发明者张敬业 申请人:张敬业导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan