专利名称:圆环自励直流发电机的制作方法
一、本发明所属技术领域：
是直流发电机制造。
二、圆环自励直流发电机与现有自励直流发电机相关的技术特征圆环自励直流发电机区别现有自励直流发电机一个重要特征是两者之间的工作原理不一致。进而，导致本发明装置具有新的独立特征，一是无换向器;二是改变了传统的直流发电机结构常规。
现有自励直流发电机工作原理属于旋转电枢式，它是以电枢旋转切割定子异性主磁极在电枢中感生交流电，借换向器和电刷以实现外电路的直流电和本机励磁以及与电枢绕组中交流电之间相互转换。
本发明工作原理特征是把“旋转电枢”和“旋转磁场”以及“单极切割”三种发电方式结合在一起，应用在本发明的一个装置中-一圆环自励直流发电机。
该机在原动机的拖动下，轴前端励磁直流发电机以圆环为电枢旋转切割静止的永磁体辅助磁极的单极和电磁铁主磁极的单极，在圆环电枢绕组产生感生直流电直接引线沿转轴输给后端自流发电机转子铁心励磁，转子的两端形成N极和S极，转子再以它的单极沿两圆环定子之间旋转，切割圆环定子绕组产生感生电动势和感生直流电，对外电路输出，同时，一部分回输前端励磁发电机励磁。进而，在一机中实现“旋转电枢”和“旋转磁场”以及“单极切割”发电。且无换向器和电刷。
本发明主要结构特征该装置是把直流励磁发电机和直流发电机组合在一起，通过一个转轴连结其旋转部件，用框架组成整机，前端是励磁机中端和后端是直流发电机。
主要结构件的特征是励磁发电机是由圆环铁心和绕组构成，它的主磁极是圆柱电磁铁和励磁绕组构成，启动辅助磁极是由圆柱永磁体构成。
直流发电机定子是由圆环铁心和绕组构成，转子是由圆柱体电磁铁和励磁绕组构成。
根据该机的工作原理和结构特征，可以用不同数量的圆环定子和转子以及应用不同数量的圆环电枢和主磁极相组合。制造不同功率和不同效率的自励直流发电机。
同时，也可以用增大或减小圆环铁心和圆柱体铁心的直径尺寸制造不同功率和不同效率的“圆环自励直流发电机”。该机应用于较广泛的直流电源方面。如车辆、船只、舰艇、冶炼、电解励磁等大中小功率的直流电源。
三、发明目的本发明目的在于改变现有自励直流发电机工作原理。进而，消除现有自励直流发电机复杂的结构装置，建立新的自励直流发电机结构装置，使该项制造技术有一个较大的进展，提高直流发电机的工作性能和达到大幅度降低造价，满足社会生产需要。
第二章 圆环自励直流发电机基本工作原理一、工作原理该机能量形式变换是依赖于电机定子与转子之间空气隙磁场。应用原理基于法拉第电磁感应定律。
该机由两大部件组成，一是提供励磁场的磁感应部件;另一个是产生感生电动势和感生电流的被感应部件。
它的工作原理应用三种发电方式，它由直流励磁发电机和直流发电机通过一个转轴同步运转而组成一部整机。
该整机的励磁发电机和直流发电机的工作原理各不相同。励磁机的工作原理是“旋转电枢式”和“单极切割式”相结合。
它是以两圆环铁心和绕组构成该机的电枢，在原动机拖动下两圆电枢旋转切割它中间静止的圆柱体电磁铁主磁极的单极和永磁体启动辅助磁极的单极。在旋转电枢中产生感生电动势和直流电。
直流发电机的工作原理是“旋转磁场”和“单极切割”相结合。它以圆柱体转子主磁极在两圆环定子中间分别以单极切割圆环定子绕组在定子绕组产生感生电动势和直流电。
前端旋转电枢产生的直流电为后端直流发电机转子励磁，后端直流发电机定子绕组产生的感生直流电为前端励磁机定子励磁，并同时对外电路输出，该圆环自励直流发电机，工作过程应用了“旋转电枢”和“旋转磁场”以及“单极切割”三种发电工作原理。
二、电流方向和磁场方向见附图(1)励磁过程，见附图(2)电流和磁场方向。
由于该机是单极切割无论在励磁机的电枢中和直流发电机的定子绕组中所产生的都是直流电，励磁机的定子主磁极和直流发电机的转子磁极的励磁电流也是直流电。所以，该机的感应部件和被感应部件都是直流电磁场。
该机这两大部件的绕线方式都是螺旋式，对它们的磁场方向的判断应用右手螺旋定则。
该机转子的磁极沿两圆环中间平面旋转时无论是顺时针还是逆时针，转子两端的磁极必然有一端是增磁而另一端是去磁。
见附图，电流和磁场方向。
当转子磁极的N极和S极在两圆环定子铁心中间顺时针旋转时N极所切割的那个圆环定子铁心平面内侧形成S极(增磁)，S极所切割的那个圆环定子铁心平面内侧形成S极(去磁)。
当转子逆时针旋转时与此相反，这是由于圆环定子绕组产生的感生电流方向所形成的。
同时，在圆环铁心外侧平面与圆环铁心内侧形成相反的磁场方向，无论圆环铁心内侧还是外侧所形成的异名磁场方向都是驱动绕组导体运动电荷沿螺旋式绕组同一方向作定向运动。进而，提高定子工作绕组的感生电动势和感生电流的强度，该机的中间圆环定子两侧是同名磁极切割，它加强了绕组导线电荷的定向运动速度。
三、工作特性和用途该机可以由若干个圆环定子片和转子组成一部整机，同时工作绕组不受定子腔空间限制，散热性能强，它的单机额定功率可以制成比现直流发电机额定功率大，又由于无换向器和电刷，所以当转速提高时和电压升高时不存在换向困难的技术问题。连续工作时间长。
该机输出电压和电流可以通过机端接线方法的改变不通过任何附加装置可以得到调整。
调整的方法是如果把每片定子工作绕组串联起来输出其电压大电流小。如果把每片定子工作绕组并联输出电压小电流大。
该机经试验证明输出电压波型稳定，电流波型稳恒。
用途它适合大中型功率直流电源的需要。
第三章 设计内容设计内容包括对该机电磁设计和结构设计两个相辅相成的组成部分。电磁设计要根据该机的技术要求并考虑制造运行的经济合理性和可靠性，决定该类型电机圆环铁心和圆柱型铁心的主要尺寸和个数。计算和设计数据调整等内容，应通过若干方案分析比较选定较优的设计方案。电磁设计决定该机有关尺寸和数据是结构设计的主要依据之一，它们最终应在圆环自励直流发电机部件的结构上体现出来。
自励直流发电机是系列性产品。因此，要从系列产品设计角度去考虑系列内各产品的功率安装尺寸和零部件尺寸的递增规律。
一、结构它的结构见主要结构件。
为适应不同功率和效率和使用环境条件的不同要求，大、中、小型圆环自励直流发电机的主要结构件的数量和尺寸应当不相同。
具体的体现是如，需设计较大功率的本发电机，就应增多定子片和转子，为满足本机励磁同时应增多圆环电枢个数和主磁极个数来组成一部整机的设计方案。同时，也可以根据使用环境的需要用增大它们铁心直径来调整不同功率和不效率。
这里所说的效率是指设计时圆环铁心过厚或转子直径过小都将影响它的效率。
二、设计程序见设计程序表和设计数据填充表。
该设计程序表是对设计本系列产品有秩序的设计工作的重要技术方案，是思维结构过程。设计数据填充表是服务于设计程序和具体结果方案。同时也可以用来调整内部结构数据所应用和有目的有程序去检索有关文献和技术数据的指导。
三、功率计算功率计算可参考现有直流发电机，同步发电机的计算方式。其算式如下PN＝CD2CLtnN式中PN-额定功率;
Da-转子铁心;
Lt-定子铁心长度;
C-利用系数，可参考现有发电机不同功率的利用系统。
功率确定圆环自励直流发电机是属于系列产品，因此对它的功率确定不应是单一的或独立的。应按现有直流发电机的功率等级来确定，现有直流发电机功率等级是根据电动机-发电机-电动控制系统考虑来确定的，关于对它功率等级的确定请查阅《电机工程手册》第四卷机械工业出版社一九八二年版。第21篇21-5页。
该机的电压等级请查阅《电机工程手册》第四卷。第21篇21-5页。
该机的转速等级请查阅《电机工程手册》第四卷。第21篇21-5页。
该机定子与转子之间气隙请参阅《实用电工手册》上册第882页，江西人民出版社一九八三年版。
该机气隙磁通密度一般应确定0.7-0.9特斯拉。
设计程序(一)1.额定转速、2.额定电压、3.额定电流、4.额定功率、5.估算效率(二)1.圆环铁心硅钢选定、2.圆环铁心体积、3.圆环铁心个数。
(三)1.圆环铁心外径、2.圆环铁心内径、3.圆环铁心面积、4.圆环铁心厚度。
(四)1.定子线圈匝数、2.铜导线型号规格选定、3.绝缘材料选定4.定子铁心体积。
(五)1.线圈体积、2.绕线在定子平面的厚度、3.三角齿厚度(六)1.定子框、2.转子轴、3.定子架、4.轴键、5.固定框支架(七)1.固定定子片螺杆、2.轴承前后端架、3.轴承选择(八)1.轴承内、2.轴承套、3.轴承外盖、4.机罩注意励磁发电机设计程序按上述一.五顺序进行。
圆环自励直流发电机数据填充表直流发电机部分
四、设计要点本发电机设计的关键在于正确选定圆环铁心的直径，内径和厚度，以及圆柱体磁极铁心的长度和直径，设计时还应首先选定铁心所需硅钢的类型，进而，确定转子铁心的总体积。硅钢的类型选择请参阅《电机工程手册》第二卷第八章，机械工业出版社一九八二年版。
五、转子体积的确定该直流发电机的转子和励磁机的定子是电磁感应部件，在结构上是一致的，它所起的作用和现有直流发电机主磁极所起的作用是相同的，只不过是几何形状有所不同。因此，对直流发电机的转子和励磁机的定子的体积确定应参照现有不同功率的直流发电机主磁极计算的结果数据来确定本发电机不同功率的转子和定子体积或按下式初步计算。
当该机气隙中的磁场强度和气隙的体积确定后所需主磁极的电磁铁的体积与磁能积BH成反比来计算，算式如下V=- (μ0(H′)2V′)/(BH)式中V-电磁铁的体积，μo-磁导率，近似1H′-气隙的磁感应强度。V′-气隙的体积。
BH-电磁铁的磁性能。
上式表明在该机气隙磁场强度H′和气隙体积V′确定后所需电磁铁的体积V与磁能积BH成反比。
显然，在选用不同磁能积(BH)m硅钢做铁心时(BH)m大，就可以使该机的磁铁体积缩小，可以节省磁性材料和缩小该机的体积。
励磁发电机辅助磁机体积的确定励磁发电机的辅助磁极是用永磁体材料制成圆柱型，所起的作用是相当于该机的剩磁，备启动时在圆环电枢产生感生直流电，当该机正常运行之后所起的作用是辅助电磁铁定子主磁极工作。
对主磁极体积的计算可采用上述直流电机转子体积的计算方法。它的结构装置见励磁发电机定子结构图(附图9C)。
启动辅助磁极体积不应设计过大。它的体积一般应是电磁铁主极体积的 1/4 - 1/6 。
辅助磁极硬磁性材料的选择。可参阅《实用电工手册》上册，江西人民出版社一九八三版第266页，永磁园钢的品种规格表。
六、转子尺寸的选择本装置直流电机的转子和励磁机的定子结构和作用是一致的，所以，选择它们的尺寸方法也应当是一致的。
根据所确定转子体积的基础上来确定它们的长度和直径比。
λ= (Lea)/(Da)式中Lea-铁心长。Da铁心直径。λ-比值。
根据本发电机的原明它的转子结构特征是直径较大，长度较短，这样有利于切割圆环绕组的有效长度，提高该机的利用率。
因此，该机的每一个转子λ= (Lta)/(Da) 的比值要小于1，一般应确定在0.5-1之间。同时应根据所设计的功率所决定的转子总体积来具体确定。
励磁机的辅助永磁铁定子磁极的长度应和电磁铁定子主磁极的长度一致，亦就是辅助磁极的长度应服从于主磁极的长度，然后才能确定本身的直径。
七、圆环铁心体积的确定圆环铁心它是该机的被感应部件，所起的作用是和现有直流电机的电枢是相同的。
因此，对它的体积确定应参照不同功率直流发电机所确定的电枢体积，来对照确定本发电机不同功率圆环铁心的体积、或按下式初步计算V=C (Pem)/(nN)式中C-电机常数 (Cm3r/min)/(KW)hN-额定转速r/minPem-电磁功率KWV-体积Cm3Pem＝PN (1+n)/(2n)其中PN-额定功率KW。n-电机效率(电机效率可参照直流发电机效率估算)八、圆环铁心直径，内径和厚度的确定圆环铁心直径，内径和厚度它是本类型发电机的主要尺寸，对它的尺寸大小的选择正确与否直接影响该产品的性能和经济效果。因此，设计时除按对它设计顺序进行还必须进行多设计方案的比较。
在确定该机圆环铁心总体积的前提下，设计顺序应当如下(参照附图之5)1、确定圆环外圆半径R。2、根据圆环外圆直径确定内径D与外径L(注意L必须与转子主磁极直径相等。设计时要相互对应考虑)。3、内径与外径长L和内圆直径D的比值一般应接近1∶1，λ＝ (L)/(D) ＝1∶1。4、该机圆环铁心总体积V比圆环面积S，余下数值为圆环铁心的厚度h。
计算式如下S＝π(R2-r2)其中S-圆环面积。R-圆环半径。
r-圆环内圆直径。
圆环铁心的总体积V比圆环面积S余下数值为铁心的厚度h＝ (V)/(S) 。
如果是由两个圆环组成的直流发电机。那么每片圆环定子片的厚度应是h＝ (V)/(S×2) 。
如果是由三个圆环组成的应是h＝ (V)/(S×4) 。这是因为中间定子片的厚度比边缘两个定子厚度大一倍。
例如两个边缘定子片的厚度分别为1Cm，中间这个定子片的厚度就是2Cm，所以、h＝ (V)/(S×4) 。
如果是由三个以上定子片构成的直流发电机，每块定子片的厚度均应按此种方法类推计算。
如果设计的结果使每片圆环铁心厚度较大，亦就是厚度一般大于圆环内径与外径L的 1/5 - 1/10 时，应当根据所设计的发电机功率的大小和适应环境等情况。应当重新调整圆环直径，缩小厚度。
九、圆环铁心构造和绕线方法圆环铁心构造由冲剪而成的圆环硅钢片叠压铆合，将铸造以及锻压的合金钢实心圆环铁心，其结构形状如图(圆环铁心)。
在圆环铁心平面按一定角度镶有凸起三角齿，其结构形状如图(7)镶有三角齿的圆环铁心。
三角齿的用途三角齿是和转子磁极构成气隙的极距，用于增大线圈导线的磁通量，并使定子绕组在圆环的面积上保持垂直。
三角齿的制造铸造然后机械加工，或用电工纯铁板冲剪铆合。三角齿的厚度要依据所设计圆环定子绕组在平面的厚度来确定三角齿的厚度。三角齿的厚度应稍高于线圈在圆环定子平面的厚度。可根据所设计的圆环定子直径的大小来确定装三角齿的数量量，安装的方法一般可用钻孔铆合，但铆订头且不出需出三角齿平面，可以用扩孔方法进行。
绕线方法在圆环定子铁心由内孔向外径按顺时针方向和按层次螺旋式绕线。在绕线之前可把一定数量的导线绕在一个绕线轴上，然后拿线轴进行绕线。
铁心和线圈之间要有良好的绝缘层，必要时绕线层间也应有绝缘层。
十、转子铁心构造和绕线方法直流发电机的转子和励磁定子采用锻制合金钢圆柱体，经车削而成，把转子压装在转子的框架中，然后在转子的两顶端装上励磁线圈的档圈，按顺时针螺旋式绕制励磁线圈。
十一、励磁发电机电枢和直流发电机转子的接线方法励磁发电机的电枢和直流发电机的转子是同轴同步旋转，故电枢的输出引线沿转轴连接转子励磁绕组，采用若干个线夹把它们之间的连线固定在转轴上。
电枢的输出端可采用并联输出给每个转子的励磁绕组。
十二、转子两端异名磁极的确定为明确转子和励磁机定子两端的异名磁极的该机的转子励磁线圈绕好后应通入直流电进行最后检查，确定输入电流的正负端并在接线端做出标记，以便连接励磁发电机圆环电枢的输出端。
十三、装配方法装配方法首先是安装配顺序进行，安装顺序见安装程序表。同时根据安装设备工具也可适当的改变安装程序。
安装大中型的该机应配备完整的吊放工具和必要的支架。
安装完毕固定定子螺杆后再进行最后一次调整转子和定子之间气隙，然后再进行下步框架固定安装。
机体全都安装完毕再进行励磁机电枢与转子的接线。检查接线和磁极方向，试运。
十四、制造工艺流程见附图12。
本发明与现有直流发电机相比具有的优点目前大规模应用的自励直流发电机所存在的相对缺欠是，它从励磁到发电都需要换向器和电刷、换向器和电刷它不仅消耗大量原材料，而且制造工艺十分复杂、生产周期长，造价和无刷电机相比高。
同时，这种发电机在长期运行中存在着不稳定因素，如有时出现电弧，电刷碳粉所致的短路。电刷和换向器的磨损更换等。生产实践证明有刷电机不仅造价高，维修费也远高于无刷电机。
现有自励直流发电机由于工作原理所决定，电枢必须安装在定子腔内。为了增大磁感应强度气隙甚小，这样，空气很难在定子腔和电枢之间对流散热，电机温升高，电力无功损耗大。
现有直流发电机由于是旋转电枢式发电。电枢不能在定子腔所占的空间太大，这样就限制了线圈匝数的增多。另一方面当转速过高，电压增高将引起换向器电弧，这就决定了单机功率不易过大。
本发明改变了原直流发电机的工作原理，消除了电枢放置在定子腔内从旋转电枢对外输电这一传统结构，使定子和转子之间空气对流得到明显改变，又由于转子单极切割工作绕组电机铁损小，电机温升可以大幅度下降。
本发明的单机功率和现有直流发电机单机功率相比可以较大幅度增大。这是因为工作绕组不在定子腔内和无换向器及电刷这一新的结构特征所决定的，并且对外输出的电压和电流通过本机输出端电路可以直接改变。
从结构装置可以明显说明本装置要比现直流发电机造价以成倍下降。
试验已经证明应用这种工作原理所研制的圆环自励直流发电机所产生的直流电压波形稳定，电流稳恒。因此，它的适应性很强。
它对发展运输工具动力能力和船只舰艇动力能力以及对大功率交流电网起到积极作用。
制造要点一、应按说明书中的设计程序和设计数据填充表进行实施方案的设计工作。
二、按该机附图九和说明书中的要求先制造一部几千瓦的小型样机，然后再进行不同功率的批量生产，同时应确立本企业对该机生产的技术数据，因该机属于系列性产品根据它的不同功率和效率以及应用环境应有本企业的生产特征。
三、固定该机定子片螺杆至少应取3个到4个，请阅附图六。
四、励磁机定子所需的定子电流大小应从直流发电机输出端直接调整，调整的方法是，如需励磁电流大可以从多个定子输出端并联接入励磁机定子绕组来满足额定电流。
五、根据大功率的需要直流发电机的转子架可以制成十字型，这样可以在一个转子架上安装四个转子，在励磁机定子架上可以安装四至六个定子铁心磁极，这样制造方法可以提高本机利用效率缩小该机的体积。
六、固定转子架除用螺栓外要采用轴键防止转子架与机轴松动。
七、机罩要根据应用环境采用薄铁板制成圆筒型，中间要留有接缝，把罩用螺丝固定在装配完毕的电机定子片外圆上的凸起点上，亦就是固定在定子片固定螺杆的凸起点上。
八、励磁机定子架如图9D所示，它的直径和内径应与直流发电机定子片相同，其厚度要根据所设计的功率大小来确定，以能够固定住定子主磁极并留有绕组空间为准。
九、励磁机旋转电枢与直流发电机边缘定子片相距一般应在1至3厘米左右。
十、定子铁心叠压工艺要点由于电机运行时铁心将承受电流的热效应而引起热应力的作用，铁心将要产生一定的膨胀，如果是采用硅钢片冲制成的圆环定子，在铁心压装不紧可引起冲片松动，以致造成绕制在铁心上的导线胀断，因此，铁心叠压时工艺要求片间要有①15-20kg2/cm2的压力。②叠压时采取分段加压方式。③大中型电机铁心分段加压时，可先加热到100℃然后冷却到40℃再提高压力压紧，或在加压过程中反复加热和冷却3-5次，使压力分布和传递均匀。
十一、直流发电机转子和励磁机电磁铁主磁极的锻件磁化性能请参阅《电机工程手册》第四卷第五章19-85、表19.5-6。采用锻件的钢种请参阅《电机工程手册》第12篇第15章〔31〕。
图1、励磁过程，其中A圆环定子;B转子;C转子架;D励磁机圆环电枢;F励磁机圆柱体定子磁极;E转轴;箭头电流方向。
图2、感生电流方向与磁场方向，其中箭头感生电流方向。
图3、励磁机圆环电枢铁心。
图4、螺旋式绕线的励磁机圆环电枢。
图5、圆环内外径。
图6、圆环定子铁心。
图7、镶有三角齿的圆环定子铁心(注圆环定子的两侧都镶有凸起三角齿)。
图8、绕线的定子铁心。
图9、圆环自励直流发电机样机，其中A励磁机旋转电枢。B励磁机的电磁铁主磁板。C励磁机的永磁铁辅助磁极。D励磁机定子架(注励磁机定子架采用非磁性金属，如铸造的铝合金)。E直流发电机定子。F直流发电机转子。
图10、励磁机旋转电枢和直流发电机转子。其中A励磁机旋转电枢。B直流发电机转子架(注转子架应采用非磁性金属，如铸造铝合金)。C直流发电机转子。
权利要求
1.自励直流发电机，特别是圆环自励直流发电机，该装置是把直流励磁机和直流发电机组合在一起，通过一个转轴连结其旋转部件，用框架组成整机。其特征在于a、所述励磁机以圆环为电枢切割静止的永磁体辅助磁极的单极和电磁铁主极的单极；b、所述直流发电机转子两端的单极沿两圆环定子之间旋转；c、励磁机是由圆环铁心和绕组构成，它的主磁极是圆柱电磁铁和励磁绕组构成，启动辅助磁极是由圆柱永磁体构成；d、直流发电机定子是由圆环铁心和绕组构成，转子是由圆柱体电磁铁和励磁绕组构成；e、该电机无电刷和换向器。
2.根据权利要求
1所述的电机，其特征是可以用不同数量的圆环定子和圆柱型转子以及不同数量的圆环电枢和主磁极相结合，制成不同功率的自励直流发电机。
3.根据权利要求
1、2所述的电机，其特征是直流发电机中间圆环定子两侧是同名磁极切割。
专利摘要
该发电机应用“旋转电枢”和“旋转磁场” 以及“单极切割”三种发电工作原理组成一部圆 环自励直流发电机。
文档编号H02K19/16GK85103867SQ85103867
公开日1986年3月10日 申请日期1985年5月4日
发明者王焕生 申请人:王焕生导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan