专利名称：转子励磁无换向器直流电机的制作方法
技术领域：
本发明属于旋转电机。
直流电机包括直流发电动机和直流电机。直流电动机具有调速方便平滑，调速范围宽广，过载能力大等优点；直流发电机具有提供无脉动电力，输出电压便于精确地控制和调节等优点；因此直流电机在各个方面有着广泛的应用。
通常的直流电机，励磁磁极属于定子部份，且其沿定子内圆磁极的设置是按异名磁极相间来设置的。这种设置方式使电机运转时电枢绕组和励磁磁极之间存在相对运动。在这样的前提下，为了使电机输出方向不变的电流和转速，换向器是必不可少的部件。换向是一种十分复杂的过程。换向不良时将会产生强烈的换向火花，影响电机的正常运行，因此换向器的存在是使直流电机故障率和维护工作量增加的原因。要提高直流电机的性能，就必须去掉换向器。在这个方面前人已经作了一些工作，从直流电动机的角度看。现有的无换向器直流电动机有无刷直流电动机和单极直流电动机两种形式。无刷电动机的实质是用电子换向取代机械换向，这种直流电动机除了电动机本体外，还必须有一套电子换向系统，在结构上略嫌复杂。单极直流电动机其沿定子内圆的磁极是同名磁极，因此不需换向，但普通单极电动机须工作在低电压大电流状态下，限制了这种电机容量的提高。超导单极电动机虽能工作在高电压状态下，为了维持超导条件，制冷和绝热措施又必不可少，在结构上也嫌复杂。
鉴于上述各种直流电机存在的问题，本发明的任务是获得一种没有机械和电子换向器且能工作在高电压下的直流电机。
本发明的基本思想是使励磁磁极与电枢同步转动，从而消除电枢与磁极之间的相对运动，使换向过程成为不必要。以下结合附图对发明进行详细描述。
附
图1是两极转子励磁直流电机垂直于轴中心线的纵剖示意图。(以下简称两极电机)附图2是两极电机串励接线图。
附图3是两极电机并励接线图。
附图4是两极电机他励接线图。
附图5是六极转子励磁三相交流电机转子纵剖示意图。(以下简称六极电机)附图6是六极电机△形接线线图。
附图7是六极电机￥形接线图。
附图8是六极电机a、b、c、三极的气隙磁通和电流波形图。
附图9是瓦状永磁体励磁转子纵剖图。
附图10是块状永磁体励磁转子纵剖图。
在附图1中、(1)是定子、(2)是转子、(3)是励磁绕组、(4)是气隙、(5)是电枢绕组。
定子(1)由外壳，定子铁心、电刷等部份构成。外壳包括端盖，端盖上装有轴承，用来支持转轴。外壳处于电机的最外层。定子铁心用软磁材料制成，位于外壳与气隙之间，为了减弱涡流，定子铁心可由冲片迭成，电刷由刷架和刷体构成，刷架固定于定子上，刷体位于刷架的刷握中，有一定的活动余地，通过刷簧的压力与位于转轴上的集电环紧密接触，电刷的数量(组数)如下，当电机设计为使用直流或单相交流电源且电机采用串励并励方式时，电刷为两组；他励为四组。当电机设计为使用三相交流电源时，△形接法为三组；￥形接法中性点外接时为四组。各组电刷组内接通，组间绝缘。定子上没有绕组主要起支持转子、固定刷架和闭合磁路的作用。
转子(2)由转子体，转轴、集电环等部份构成，转子由软磁材料(迭片或整体)制成。转子体的外圆柱面上均匀地开有若干沟槽作嵌电枢绕组之用，沟槽有直槽和斜槽两种，直槽的特点是沟槽与转轴中心线平行。转轴由机械强度高的材料制成，轴上装有集电环，集电环的数量位置必须与电刷相适应，本发明的电刷与集电环与绕线形电动机(或同步电机)的电刷和集电环极相似，当转子的外圆由不同半径的圆弧光滑连接而成则形成偏心气隙。
励磁绕组(3)是套在磁极上的集中绕组，作用是绕组通电后产生气隙磁通，以电枢绕组的位置作参照，励磁绕组的位置特点是绕组的外层导线距定子内圆较远，内层导线距转轴中心线较近。
电枢绕组(5)的作用是它的有效部份(位于气隙槽中的部份)，在本绕组电流和气隙磁通的共同作用下将受到电磁力的作用产生转矩使转子转动。
两极电极的结构如前所述，其工作原理是当直流电源通过电刷和集电环向电枢绕组和励磁组供电时，若两绕组的电流方向如附图1中所示，根据安培定律，电枢绕组的有效部份(气隙槽中的部份)在气隙磁通和电流的共同作用下，将受到电磁力的作用而形成转矩使转子转动。在转动过程中电枢电流和气隙磁通的相对方向不发生变化，因此不用换向即可保持相对不变的转矩，使转子沿着附图1气隙中弧线箭头所示的转动方向转动，完成电能与机械能之间的转换。
如果两极电机采用他励(或满足自励条件)，转子由外力拖动，电枢绕组中自由电荷受洛仑兹力的作用作定向运动形成电流，通过集电环、电刷向负载供电而成发电机。这说明本发明亦和普通直流电机一样具有可逆性。
同普通直流电机一样，本发明亦可采用串励、并励、他励等励磁方式，附图2——附图4分别是这几种励磁方式的接线图。在这几幅图中L1表示励磁绕组，L2表示电枢绕组，小圆圈表示绕组按向集电环的输出端。
本发明亦可制成三相交流电动机，这种电机的定子部份与前述两极电机无异，不同之处仅在于转子上。附图5是一种六极电机转子纵剖图，图中(6)是励磁绕组，(7)是电枢绕组。图5所示的六极电机的每个磁极上套有一个集中励磁线圈，六极共有6个励磁线圈。同两级电机一样每对磁极(a和d、b和e、c和f)共用一个电枢线圈，共3个电枢线圈。因此六极电机的转子可看作三个相间60°的两极电机的转子组合而成，附图5中各级上的直线箭头表示各极励磁线圈电流所产生的磁通的方向，转子外的弧线箭头表示在图示电流方向下的转子的转动方向。
图6是六极△形接线图，图中La、Lb、Lc、Ld、Le、Lf分别是磁极a、b、c、d、e、f上的励磁线圈，L3、L4、L5分别是磁极a和d、b和e、c和f上的电枢线圈，由接法可知La、L3、Ld，Lb、L4、Le，Lc、L5、Lf的电流分别同相。
图7是六极电极的￥形接线图，显然，若中性点0通过集电环和电刷外按时，￥形接法比△形接法要多一组(即四组)集电环和电刷，但是，如果将A、B、C三组电刷短接作一组，0点集电环和电刷为另一组，用直流电源供电这时三相交流电机变作直流电机。
图8是六极电机a极、b极、c极磁通Ф和电枢i电流的波形图，d极、e极、f极的磁通和电枢电流波形分别与a极、b极、c极一样。
由于用交流电供电各极的磁通是交变的，但因为同对磁极的励磁绕组与电枢绕组的电流同相，当某极的磁通过零反向时，该极的电枢电流也过零反向，因此某槽电枢线圈的有效部份的受力方向相对于该点切线方向不变，相对于该点的转矩方向亦不变。
同普通直流电机相比，本发明除保留直流电机原有优点外，由于将励磁磁极由定子移到转子，便由集电环取代了换向器，因此提高了电机的可靠性，降低了维护工作量，减弱了对无线电设备的干扰，由于不存在换向过程，也就不必设置均压线和换向极，因此而有利于简化电机的制造工艺。降低电机的生产成本。当本发明作电动机并且由交流电供电时，电动机可以用调压来调速。当本发明用作发电机时，在负载和励磁一定的条件下，输出电压只是转速的函数，电压比用普通直流发电机的输出电压更平滑。
最后，再对本发明作一些补充说明一、关于励磁绕组和电枢绕组的区别。前面从作用和位置上对两种绕组作了界定，其实，根据毕一萨定律，电枢绕组也必然要产生磁通，这些磁通中的一部份也必然会通过气隙，从这个意义上讲，气隙磁通是励磁绕组和电枢绕组产生的磁通的矢量和，虽然如此，由于两种绕组作用不同，因此它们各自产生的磁通在气隙磁通所占的比例和份额也就不同，利用这个关系，本发明从磁通量的数量角度对两种绕组作进一步的界定，励磁绕组是该绕组产生磁通在气隙磁通中占份额较大(例如≥55％)的绕组。
二、关于励磁绕组的电磁转矩。由于电枢绕组也要产生磁通，根据安培定律，励磁绕组也会受到电磁力的作用而产生电磁转矩。并且，励磁绕组产生的电磁转矩使转子的转动方向恰好与电枢组产生的电磁转矩使转子的转动方向相反。因此，采用以下两个措施(1)在功率一定的条件下，提高转子的转速，或增大转子的直径从而低降电枢绕组安匝数，(2)增大励磁绕组与定子内圆的距离。这两个措施都是为了减弱励磁绕组产生的电磁转矩。
三、前面，对本发明进行描述时，有的地方用“绕组”有的地方用“线圈”、本发明是在以下定义上使用这两个名称，“绕组”是整体的概念，“线圈”是局部的概念，即“线圈”的集合才是绕组。例如六极电机的全部励磁线圈称为励磁绕组，单个励磁线圈就称为励磁线圈。
四、前文中曾提及励磁通可永磁体来产生，但没有对永磁体的形状作进一步的描述现补充于此，1、将永磁材料制成瓦状永磁体，使之紧密地复盖于转子体的圆柱面上(位于转子体与气隙之间如附图9所示，图中(8)是瓦状永磁体)其大小厚薄以满足气隙磁密为度。2、用永磁体来制成转子体或转子体的一部份来满足气隙磁密的要求。(附图10是一种例子、图中(9)是块状永磁体)，对上述两种永磁磁极的共同要求是永磁体磁极极性安排，必须满足使转子获得最大转速为条件。
五、绕组的结构，在一般的情况下励磁绕组(线圈)是集中绕组(线圈)，而电枢绕组(线圈)将一个绕组(线圈)位于磁极气隙中的部份均匀地分布于各个气隙沟槽中，若每个磁极上只有一个沟槽，则电枢绕组(线圈)也是集中绕组(线圈)，图中只画一两槽示意。
六、前述的两极和六极电机，转子在定子的内部，属于内转子电机。亦可根据相同的原理，制成外转子电机。
权利要求
一、一种由集电环取代换向器，定子无绕组的直流电机，其特征是励磁绕组和电枢绕组同在转子上。
二、一种由集电环取代换向器，定子无绕组、无永磁励磁体的永磁励磁直流电机，其特征是永磁励磁体与电枢绕组同在转子上。
全文摘要
转子励磁无换向器直流电机，由集电环取代换向器，定子无绕组，它的励磁绕组和电枢绕组同在转子上，励磁磁极与转子同步转动，因此取消了换向器，做到既保持直流电机调速方便平滑、范围宽广，过载能力大和直流发电机的输出电压便于精确控制及调节的优点，又提高了直流电机工作的可靠性，通过合理安排电机的极数和绕组的接法，还可制成交直两用电机和三相交流电机，扩大转子励磁无换向器电机的应用范围。
文档编号H02K57/00GK1114797SQ9410833
公开日1996年1月10日 申请日期1994年7月7日 优先权日1994年7月7日
发明者罗代云 申请人:罗代云