专利名称：交、直流互励式直流发电机的制作方法
技术领域：
本发明属于电机领域，具体涉及一种直流发电机。
目前的现有技术中，直流发电机普遍采用换向装置，结构复杂，制造困难，换向器使用寿命有限而维护保养不便，且电机的发电功率与电压均较低。
本发明提供了一种无换向器的直流发电机。
本发明的交、直流互励式直流发电机，包括定子和转子两大部分，在电机内部装设有启动磁极，启动磁极由永磁材料制成或者由有独立直流电源供电的电磁铁构成，启动磁极仅装设在定子上或仅装设在转子上；电机内部包含有直流绕组和多相对称交流绕组两类绕组；当启动磁极装设在定子上时，直流绕组也仅绕制在定子上，相应地多相对称交流绕组即仅绕制在转子上，此时电机构成启动极静止式交、直流互励直流发电机；当启动磁极装设在转子上时，直流绕组也仅绕制在转子上，相应地多相对称交流绕组即仅绕制在定子上，此时电机构成启动极旋转式交、直流互励直流发电机；电机的多相对称交流绕组在电机内部本身短接构成闭合回路；为了控制电机工作时多相对称交流绕组中流通的电流强度及限制绕组温升，可在各相绕组中串接入阻值适当的电阻或可变电阻；电机的直流绕组外接输出端子连接负载；为了调控电机工作时直流绕组中流通的电流强度，可在直流绕组的输出端子之间与负载相并联接入阻值适当的电阻或可调电阻。
现结合电机的动态工作过程进一步说明其结构特征。当电机的转子在原动机的拖动下旋转，电机内部已经本身短接构成回路的多相对称绕组因切割启动磁极在定子内腔空间建立的磁场而感应产生的多相对称交流电流，该电流在定子内腔空间建立的是沿圆周传播的空间脉振磁场波，这是本发明的关键所在，本发明的设计者认为，多相对称绕组流通多相对称交流电流时所建立的是在空间三百六十度传播的脉振磁场波，该磁场波的磁场的磁力线在空间位置上并不进行转动，只是其幅值和方向随时间发生改变，宏观上在圆周形成一列三百六十度传播的横波，即此空间圆周脉振磁场波。所谓旋转磁场，实质上即此磁场波，即此空间圆周波动磁场。旋转磁场的实质是波动磁场，它仅是磁场的幅值在圆周上依次传播，磁场本身和磁场的磁力线并未转动，因此，当有绕组元件在此空间圆周脉振磁场波的磁场中的位置与其幅值相重合并同步旋转时，元件边的导体并不是不切割该磁场及磁力线，而是将切割该磁场及磁力线而感应产生方向衡定且量值最大的直流电势。在本发明的交、直流互励式直流发电机中，为实现这一要求，作了如下设计直流绕组在定、转子上的绕制，其绕制方向与启动磁极的直轴正交，在多相对称交流绕组的各相绕组中与前述已接入的电阻串联再接入容量适当的电容或可调电容；多相对称绕组中串入电容是为了改善交流绕组的内功率因数角，令COS＝1，或近似等于1。这样，当转子在原动机的拖动下持续旋转，电机内部闭合的多相对称绕组中流通多相对称交流电流并在定子内腔空间建立起如上所述的空间圆周波动磁场，与波动磁场的幅值的位置重合并与幅值同速旋转的元件绕组切割磁场磁力线而感应产生直流电势，当该绕组即直流绕组携带负载或联入电阻构成通路流通直流电流，即在空间建立起一个直流绕组磁场，该磁场与启动极磁场方向基本一致而相叠加，对启动极磁场起助磁作用而合成一更强的磁场，电机的多相对称交流绕组由于获得了更强的励磁而产生的电势和电流更强，它对直流绕组的影响也进一步加强，如此反复循环，当负载功率与电机的输入功率平衡时，这一过程即达到稳定；调整电机交流绕组中串入的电阻和电容，或者调整在直流绕组的输出端与负载相并联的电阻，即可随时调控电机的运行状态。对于启动磁极是由外接独立直流电源供电的电磁铁构成的电机，还可以通过调整启动磁极的励磁电流来调控电机的运行状态。
为方便理解本发明的动态工作原理，现结合对异步电动机的动态过程分析作一辅助说明。本发明的设计者认为，当异步电动机定子绕组中流通三相对称正弦交流电流，三相对称绕组建立起三个在空间上按正弦规律分布在时间上按正弦规律变化的脉振磁场，因为定子绕组本身不旋转，各绕组所产生的磁场也不会旋转；但由于三相绕组流通的交流电流在时间上按相序依次达到最大值，且三相绕组在空间上又是按相序对称绕制，则三相绕组各自所建立的磁场就会在空间圆周的六个方向上依次出现各自的幅值，这正如在水面上由质点的振动而形成的一列沿平面传播的水波，三相绕组在空间三百六十度建立的三个磁场依次振动而形成了一列沿圆周传播的空间圆周脉振磁场波。根据对此磁场波对异步电动机转子上的三相绕组的影响作互感分析所得结果，完全符合使转子产生电磁转矩的要求。异步电动机的转子正是由于此波动磁场的波动在转子绕组中感生的电流而获得电磁转矩的。从严格上说，感应电动势包括感生电动势和动生电动势两类。静止时的异步电动机的转子绕组中只存在互感和自感作用的感生电动势分量而无切割磁力线产生的动生电动势分量。一旦异步电动机的转子在电磁转矩的拖动下开始旋转，其对磁场磁力线的切割才开始发生。但切割产生的动生电势动却是一种负向转矩分量，它与感生电动势的方向相反。当异步电动机的转子达同步转速时，其转子绕组中的感生电动势即消减为零，拖动转子旋转的电磁转矩同时消减为零，此时，转子绕组中只表现为切割磁力线产生的动生电动势并且是一种衡定的直流量，电机也就可以构成一种直流发电机。本发明的交、直流互励式直流发电机，正是利用这一原理，依据这一分析设计的。
本发明的交、直流互励式直流发电机，由于利用交、直流绕组的互励作用实现直流发电，省却了直流电机通常采用的换向器，所以减化了电机结构，改善了电机性能，使电机的使用维护均较为方便，并可以制造大功率、高电压的直流发电机。
现结合附图和具体实施例对本发明的工作原理和结构特征作进一步说明。
附
图1是空间圆周脉振磁场波的形成过程分析图附图2是三相对称绕组的三相电势图附图3是启动极旋转式交、直流互励直流发电机的径向剖面示意图；附图4是图3所示电机的定子铁芯及冲片图；附图5是图3所示电机的两种转子模型图；附图6是启动极静止式交、直流互励直流发电机的径向剖面示意图；附图7是图6所示电机的转子铁芯冲片图；附图8是交、直流互励直流发电机内部励磁原理图。
附图1描述了三相对称绕组流通三相对称交流电流时在一个周期的七个瞬间三相绕组所各自建立的磁场的变化情况。从图中可以看出，在从a-g的过程中，各相绕组所建立的磁场都在各自的空间方位上振动，在一个周期的不同时刻，沿逆时针方向各相绕组所建立的磁场依次达到各自的正向或反向最大值，从而在宏观上形成一列在空间三百六十度传播的磁场波。所谓旋转磁场，实质上是磁场进行脉振所形成的波在旋转，或说波沿旋转的方向进行传播，而构成该磁场波的各个分磁场并未转动，因此，当有导体与该磁场波沿圆周方向同步旋转时，将切割该磁场波的磁场磁力线而感应产生衡定的直流电动势。这即是本发明的工作原理。参照图2可以帮助理解图1所分解的过程。
附图3是启动极旋转式交、直流互励直流发电机的径向剖面示意图，图3-1是定子，3-2转子，3-3直流绕组，3-4启动磁极。当转子旋转时，定子铁芯中绕制的三相对称绕组在定子内腔空间建立起圆周脉振磁场波，直流绕组切割磁场波的磁场而感应产生直流电势。
交、直流互励直流发电机的定子铁芯和转子铁芯均应由硅钢片冲槽叠制。附图4是图3所示电机的定子铁芯冲片及组装图。图4-a为圆形冲片，4-b为扇形冲片，4-c是定子铁芯组装图。
附图5是图3所示电机的两种转子模型，图5-a在转子的轴端特设了一个启动磁极，图5-b所示的转子的大齿即启动磁极。
附图6是启动极静止式交、直流互励直流发电机的径向剖面示意图，图6-1为启动磁极，6-2直流绕组，6-3转子。在转子上绕制着多相对称交流绕组。附图7为图6所示电机的转子铁芯冲片。
附图8是为说明交、直流互励直流发电机的内部励磁原理而绘制的，在一部交、直流互励式直流发电机的内部结构中，相当于有两部电机，只不过交流发电机的多相对称绕组在电机内部本身短接构成闭合回路，利用绕组中流通的交流电流为直流发电机进行励磁；直流发电机在向外输出电能的同时又为交流发电机的发电进行励磁。图中的多相对称绕组中串入电容是为了提高交流发电机的功率因数，令COS＝1，或尽量接近于1。
权利要求
1.一种交直流互励式直流发电机，由定子和转子两大部分构成，根据电磁感应原理设计，其特征是在电机内部装设有启动磁极，启动磁极由永磁材料制成或者由有独立直流电源供电的电磁铁构成，启动磁极仅装设在定子上或仅装设在转子上；电机内部包含有直流绕组和多相对称交流绕组两类绕组；当启动磁极装设在定子上时，直流绕组也仅绕制在定子上，相应地多相对称交流绕组即仅绕制在转子上；当启动磁极装设在转子上时，直流绕组也仅绕制在转子上，相应地多相对称交流绕组即仅绕制在定子上；直流绕组在定、转子上的绕制，其绕制方向与启动磁极的直轴正交(附图3)；电机的多相对称交流绕组在电机内部本身短接构成闭合回路，电机的直流绕组外接输出端子连接负载。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于为了控制电机工作时多相对称绕组中流通的电流强度及限制绕组温升，可在各相绕组中串接入阻值适当的电阻或可变电阻。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于为了提高多相对称交流绕组的内功率因数令COS＝1，或尽量接近于1，可在多相对称交流绕组的各相绕组中串接入容量适当的电容或可调电容。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于为了调整直流绕组中流通的电流强度，可在直流绕组的输出端之间与负载相并联接入阻值适当的电阻或可调电阻。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于对于启动磁极是由外接独立直流电源供电的电磁铁构成的电机，可以通过调整启动磁极的励磁电流来调控电机的运行状态。
6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于电机的直流绕组的铁芯可由剩磁较强的材料制作而取代启动磁极，电机由直流绕组铁芯的剩磁磁场启动。
7.根据权利要求1或5所述的电机，其特征在于定子铁芯和转子铁芯均由导磁率较高的薄硅钢片冲槽叠制而成。
全文摘要
本发明提供的交直流互励式直流发电机，利用多相对称绕组流通多相对称交流电流时在空间建立的圆周脉振磁场波，令与该磁场波同步旋转的绕组元件切割该磁场波的磁场而感应产生直流电压和直流电流，再利用该直流电压和电流为多相对称绕组的交流发电进行励磁，从而实现了无换向器的交直流互励式直流发电。由于省略了换向装置，使得本发明结构简单，性能可靠，运行维护较为方便，可广泛应用于直流发电机的各种应用领域。
文档编号H02K19/30GK1161595SQ9710055
公开日1997年10月8日 申请日期1997年1月31日 优先权日1997年1月31日
发明者张宁宁 申请人:张宁宁