专利名称：无换向装置单磁极直流电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发电、配电的设备－－直流电机。它是由机壳、端盖、定子铁心、定子绕组、转轴、转子铁心等组成。
目前，普遍使用的直流电机有“带有铜片换向器的普通直流电机”、“交流电机和硅整流器件组成的直流发电机”、“单极直流电机”、“无刷永磁直流电机”等。
“带有铜片换向器的普通直流电机”，其换向器制造工艺非常复杂，在使用时，换向器上易产生电火花，甚至产生环火；由于使用了换向器，使电机的额定电压不能过高。
“交流电机与硅整流器件组成的直流发电机”，交流电机发出的电，经硅整流后，电压波形不能很直，还存在一定的脉动成份。硅整流器件要受反向电压和额定电流的限制，使它不能组成高压很大功率的直流发电机。
“单极直流电机”是由定子磁轭、环形磁极、励磁线圈、转子、电刷等组成。这种电机常常将电刷改用为液态金属集流系统，而一般可作为集流系统的液态金属是汞和钠钾合金，汞是有毒的，液态金属钠钾合金，化学性质非常活泼，当曝露于空气之中，有爆炸的危险。
“无刷永磁直流电机”，用了电子元件，致使电机功率不能很大，并增多了接头、元件，给检修带来了不便，成本又高。
本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种“无换向装置单磁极直流电机”，该直流电机没有使用维修不便的换向装置，而且能实现高压，发出的电压波形直，制造工艺简单，成本低，效率高。
本实用新型的目的可以通过以下措施来达到由机壳、端盖、定子铁心、定子绕组、转子铁心、转轴等组成的无换向装置单磁极直流电机，其转轴由前段(1)、中段磁体(4)、后段(7)组成，其中段磁体(4)的两端各显示一个极性，并将中段磁体(4)的一端装在磁性端盖(12)的轴孔内，另一端位于转子铁心(9)的圆孔(2)内；机壳(11)是由磁性材料部分(24)和非磁性材料部分(23)相间隔，呈矩齿形交叉结合而成，定子铁心(10)固定在机壳(11)的内侧磁性材料部分(24)上；在定子铁心(10)和机壳(11)的非磁性材料部分(23)的内侧面上，分别开有槽(22)、(21)。转轴的中段磁体(4)为永磁体，也可以是被圆环形绕组线包构成的励磁线圈所产生的磁场磁化而成的电磁体。上述所说的转轴都可以是一根通轴，只是中段为磁体。在转轴的前段(1)一侧的磁性端盖(12)为磁性材料组成，另一侧的端盖(8)是由非磁性材料制成。定子绕组(6)是采用两套绕组(6)、(6a)，并将定子绕组(6)、(6a)的线包，一边嵌入非磁性材料部分(23)上开的槽(21)内，一边嵌入定子铁心(10)上开的槽孔(22)内；采用一套定子绕组(6)时，只是在定子绕组(6)上引出一个或多个中间抽头，其定子绕组(6)的线包最少匝数为一匝。在转轴的前段(1)的一端开有一个圆柱凸台，中段磁体(4)的一端开有一个能使圆柱凸台嵌入的孔；在转子铁心(9)的中心部位开有两端相通的圆孔(2)，将转轴的中段磁体(4)的未开孔端和后段(7)的一端装入圆孔(2)内，并固定。
如下图1本实用新型结构示意图。
图2转轴的中段磁体示意图。
图3转轴、转子铁心结构示意图。
图4机壳结构示意图。
图5机壳、定子铁心的剖示图。
图6电机绕组接线示意图。
图7电机的展开图。
图8电机内磁场示意图。
图9电机发电状态工作原理图。
图10电机在电动状态的工作原理图。
图11两套定子绕组端名称。
附图给出了本实用新型的实施例。
以下结合附图对本实用新型作进一步详述本实用新型－－无换向装置单磁极直流电机，如图1所示，它是由机壳(11)、定子铁心(10)、转子铁心(9)、端盖(8)、磁性端盖(12)、轴承盖(13)、定子绕组(6)、风叶(3)、吊环(5)、转轴等组成，其特征在于转轴由前段(1)、中段磁体(4)、后段(7)组成；转轴的中段磁体(4)的一端装在由磁性材料制成的磁性端盖(12)的轴孔内，另一端位于转子铁心(9)的圆孔(2)内。中段磁体(4)为永磁体，两端各显示一个极性(如图2所示)；由前段(1)、中段磁体(4)、后段(7)组成的转轴，在转轴的前段(1)的一端开有一个圆柱凸台，中段磁体(4)的一端开有一个能使圆柱凸台嵌入的孔，在转子铁心(9)的中心部位开有两端相通的圆孔(2)，将转轴的中段磁体(4)的未开孔端和后段(7)的一端装入圆孔(2)内，并固定，如图3所示。中段磁体(4)也可以是被圆环形绕组线包构成的励磁线圈所产生的磁场磁化而成的电磁体，转轴可以是一根通轴，仅中段为磁体。机壳(11)是由磁性材料部分(24)和非磁性材料部分(23)相间隔、呈矩齿形交叉结合而成(如图4所示)，机壳(11)的磁性材料部分(24)起着导磁作用，是组成磁路的一部分，机壳(11)的非磁性材料部分(23)，起着减少横轴电枢反应磁场的作用。转轴的前段(1)一侧的磁性端盖(12)为磁性材料制成，另一侧的端盖(8)由非磁性材料制成。定子铁心(10)是由扇面形硅钢片叠制而成，并固定在机壳(11)的内侧磁性材料部分(24)上；在定子铁心(10)和机壳(11)的非磁性材料部分(23)的内侧面上，分别开有槽(22)、(21)(如图5所示)，定子绕组(6)的线包一边嵌入非磁性材料部分(23)内侧面上开的槽(21)内，另一边嵌入定子铁心(10)内侧面上开的槽(22)内，嵌入槽(22)内的线包边起产生电势的作用，嵌入(21)内的线包边只起连通电势的作用，即只起将槽(22)内的线包边产生的电势串联起来的作用。当定子绕组(6)的线包采用串联接线方式时，其接线如图6所示，图6中，S为定子铁心(10)所呈现的极性，箭头表示定子绕组(6)的线包内电流的方向，V表示绕组相对运动的方向。定子绕组(6)采用两套绕组(6)、(6a)时(如图7所示)，定子绕组(6)、(6a)的线包一边嵌入槽(21)内，另一边嵌入槽(22)内；采用两套定子绕组(6)、(6a)有以下作用一是电机在三个不同的规定电压值下，可获得同样的转速，二是在同一个电压值下，可获得三个不同的转速，三是当两套定子绕组(6)、(6a)的其中之一接通直流电源作电动机运转时，另一套绕组将会在转动着的转子磁场作用下，产生电势；若两套定子绕组(6)、(6a)的匝数不同，则内部产生的电势也不相同，这就构成了直流变压器。定子绕组(6)是一套绕组时，只是在定子绕组(6)上引出一个或多个中间抽头，同样，这种结构也能构成直流变压器。定子绕组(6)用一套绕组时，其线包的匝数最少为1匝。当定子绕组(6)的线包匝数为1匝时，就可以省去嵌入槽(21)内的仅起连线作用的线包边(因为该边不产生电势，也不起连接作用)，此时，若各线包之间采用并联的接线方式，则定子绕组(6)就成为鼠笼的形状，嵌入槽(22)内的线包边就成为鼠笼上的鼠笼条，线包并联时的连线就成鼠笼两端的端环。
本实用新型结构中的机壳(11)的磁性材料部分(24)、定子铁心(10)、转子铁心(9)、磁性端盖(12)、都起导磁作用，并且转轴的中段磁体(4)两端各显示一个极性，这就使电机内部形成一个如下的磁回路中段磁体(4)－－转子铁心(9)－－气隙－－定子铁心(10)－－机壳(11)的磁性材料部分(24)－－磁性端盖(12)－－中段磁体(4)(如图8所示)。由图8可以看出转子铁心(9)在定子铁心(10)腔内呈现为单极性，这是由于磁性端盖(12)参与导磁和转轴采用中段磁体(4)而产生的结果。
工作原理由图8电机内磁场示意图可以看出转子铁心(9)在定子铁心(10)腔内呈现为单极性，所以，当转子铁心(9)转动时，在定子铁心(10)腔内将有一个单极性的磁场在旋转，嵌在定子铁心(10)上开的槽(22)内的绕组线包边将会切割磁力线，产生感应电势，在定子铁心(10)和转子铁心(9)之间的气隙内的磁场磁力线形状是辐射形，其方向均为从转子铁心(9)指向定子铁心(10)，如图8所示。
1、本实用新型发电的原理。
从电机转轴的左侧向右看去，转子在原动机的带动下逆时针方向转动，则嵌入定子铁心(10)上开的槽(22)内的定子绕组(6)的线包边相对于转子是沿顺时针方向转动来切割磁力线的。以转子的转轴正上方嵌入定子铁心(10)上开的槽(22)内的线包边为例，如图9示，线包边运动的方向为垂直纸面向外的，磁力线的方向是由下向上的，根据右手定则判断出线包边内产生的电势、电流的方向是“由右至左”的；同样方法可以判断出每个嵌入槽(22)内的线包边均产生方向为“从右至左”的电势、电流。嵌入非磁性材料部分(23)上开的槽(21)内的线包边，不切割磁力线，(这是由于磁力线都聚集在磁性材料构成的磁回路里边，在非磁性材料部分(23)内几乎无磁力线通过)，因而不产生感应电势。于是，这些不产生电势的线包边就把嵌入槽(22)内的线包边产生的电势连接起来，这样，每个线包边内将产生一定数值的直流电压；根据接线方式的不同，各线包之间连接可采用串联、并联或先部分串联、再并联的方式，将各线包内产生的直流电压连接在一起。各线包之间采用串连的接线方式时，绕组接线图可参看图6。从连接后得出的两个端头之间，就会获得一定数值的直流电压。由此可以看出，这种直流电机是不需要采用换向装置的。
2、本实用新型作为电动机运行时的工作原理当电机的定子绕组(6)接通直流电源后，在定子绕组(6)线包的每个边内均有直流电流通过。嵌入非磁性材料部分(23)上开的槽(21)内的线包边，由于其周围无磁场(因为磁场聚集在磁性材料构成的磁回路里)，它不与转子磁场发生相互作用；嵌入定子铁心(10)上开的槽(22)内的线包边处在磁场中，它与转子磁场发生相互作用－－产生力的作用。如图10所示，以在转轴正上方嵌入槽(22)内的定子绕组(6)的线包边为例，该线包边内的电流方向为从左至右，磁力线方向为向上的，根据左手定则可以判断出该线包边受力的方向为垂直纸面向外；同理可知在转轴正下方嵌入槽(22)内的线包边受力的方向为垂直纸面向里的，每个嵌入槽(22)内的线包边受力的方向都是和欲使定子绕组(6)转动的方向一致的。从转轴的左端向右看去，定子绕组(6)的受力的方向是欲使它顺时针方向转动；根据作用与反作用定律可知，转子受力的方向为欲使转子逆时针方向转动的方向；由于定子绕组(6)是被定子固定，不会转动，则转子就会向逆时针方向转动，这样，就成了直流电动机。
如图11所示定子绕组(6)的两个端头分别为P、Q，定子绕组(6a)的两端头分别为K、H，两绕组中P和K为同名端。
在制造时，按照同一转速设计出两套绕组(6)、(6a)的额定电压分别U1和U2。
在电机单独使用定子绕组(6)时，采用额定电压U1；在电机单独使用定子绕组(6a)时，采用额定电压U2；当将电机的两个定子绕组(6)、(6a)串联在一起(Q与K相连或者H与P相连)，则采用额定电压(U1＋U2)，这样，就可以在三个不同的规定电压下获得同一个转速。
在制造时，定子绕组(6)、(6a)的匝数取不相同的数值；当两个定子绕组(6)、(6a)串联(P与H相连或Q与K相连)时，则又得到一个匝数值。当电机单独使用定子绕组(6)，或单独使用定子绕组(6a)或将两套定子绕组(6)、(6a)串连起来使用时，接于同一电压下，由于这三种情况的绕组匝数不相同，则每匝线包获得的电压也不相同，根据公式“U＝ε＝BLV”，可以看出电机将会出现三个转速。这样，就使采用两套定子绕组(6)、(6a)的电机，在同一个电压下可以获得三种不同的转速。
3、本实用新型作为直流变压器时的工作原理
由上述电动机和发电机的工作原理可以得出当定子绕组(6)内通入直流电时，嵌入槽(22)的内线包边与转子磁场相互作用，就会使转子转动；反过来，转子转动，单极性磁场也转动，单极性磁场又切割嵌入槽(22)内的线包边，使该线包边产生电势。
对于采用两套绕组(6)、(6a)的电机，当把该电机的一套绕组(6)接入直流电源作为电动机空载运行时，定子绕组(6)内的电流驱使转子转动；而转子的单极性磁场又切割了定子绕组(6a)，在定子绕组(6a)中被嵌入槽(22)内的线包边就产生了电势；定子绕组(6)和定子绕组(6a)内的电势的大小由其各自的串联总匝数决定。这样，在制造时改变定子绕组(6a)的匝数，将会在定子绕组(6a)内得到不同的电势、电压，这就达到了直流电变压的目的。
定子绕组只用一套绕组，而绕组上引出一个或者几个中间抽头，也可以实现直流变压。其原理与有两套绕组(6)(6a)的直流电机实现直流变压的原理相同。
本实用新型的优点是无换向装置，能实现高压输出，发出的电压波形直，结构简单、节省材料，效率高，成本低，维修方便。本实用新型两台同轴连结，可实现直流无级调压。
权利要求1.一种无换向装置单磁极直流电机，由机壳、端盖、定子铁心、定子绕组、转子铁心、转轴组成，其特征在于a、转轴由前段(1)、中段磁体(4)、后段(7)组成，其中段磁体(4)的两端各显示一个极性；b、转轴的中段磁体(4)的一端装在由磁性材料制成的磁性端盖(12)的轴孔内，另一端位于转子铁心(9)的圆孔(2)内；c、机壳(11)由磁性材料部分(24)和非磁性材料部分(23)相间隔、呈矩齿形交叉结合而成，定子铁心(10)固定在机壳(11)的内侧磁性材料部分(24)上；d、在定子铁心(10)和机壳(11)的非磁性材料部分(23)的内侧面上分别开有槽(22)、(21)。
2.根据权利要求1所述的无换向装置单磁极直流电机，其特征在于转轴的中段磁体(4)为永磁体。
3.根据权利要求1所述的无换向装置单磁极直流电机，其特征在于转轴的中段磁体(4)是被圆环形绕组线包构成的励磁线圈产生的磁场磁化而成的电磁体。
4.根据权利要求1或2或3，所述的无换向装置单磁极直流电机，其特征在于转轴是一根通轴，中段为磁体。
5.根据权利要求1所述的无换向装置单磁极直流电机，其特征在于，在转轴的前段(1)一侧的磁性端盖(12)为磁性材料制成，另一端的端盖(8)由非磁性材料制成。
6.根据权利要求1所述的无换向装置单磁极直流电机，其特征在于，定子绕组(6)是采用两套绕组(6)、(6a)，并将定子绕组(6)、(6a)的线包一边嵌入定子铁心(10)上开的槽(22)内，一边嵌入非磁性材料部分(23)上开的槽(21)内。
7.根据权利要求1所述的无换向装置单磁极直流电机，其特征在于，定子绕组(6)是一套绕组，并在定子绕组(6)上引出一个或多个中间抽头，其定子绕组(6)的线包最少匝数为一匝。
8.根据权利要求2所述的无换向装置单磁极直流电机，其特征在于，转轴的前段(1)的一端开有一个圆柱凸台，中段磁体(4)的一端开有一个能使圆柱凸台嵌入的孔，在转子铁心(9)的中心部位开有两端相通的圆孔(2)，将转轴的中段磁体(4)的未开孔端和后段(7)的一端装入圆孔(2)内，并固定。
专利摘要本实用新型涉及一种发电、配电的设备——无换向装置单磁极直流电机。它是由机壳、端盖、定子铁心、转子铁心、定子绕组、转轴等组成，转轴的中段为磁体或永磁体，两端各显示一个极性，机壳是由磁性材料部分和非磁性材料部分相间隔、呈锯齿形交叉结合而成，有一侧的端盖为磁性端盖，由于端盖参与导磁和转轴中段为磁体，就使转子铁心在定子铁心腔内呈现为单极性。本实用新型的优点在于没有使用维修不便的换向装置，发出的电压波形直，制造工艺简单，成本低，效率高。
文档编号H02K57/00GK2036332SQ8820522
公开日1989年4月19日 申请日期1988年5月4日 优先权日1988年5月4日
发明者王天卫, 王天智 申请人:王天卫, 王天智