CN1008314B - 交流同步电动机 - Google Patents

Abstract

交流同步电动机包括：(A)软磁材料制的定子，其上有交流绕组以生成旋转磁场，还有激磁绕组环绕一个磁极片并以单相交流电激磁，(B)同定子共同作用的转子，包括：(1)可被磁极片磁化的永磁材料制的外层，以及与其相连的(2)软磁材料体，以及(3)磁性材料制的支承体对起动时旋转磁场感性的横向电流有规定的电阻。起动后，激磁线圈能把外部可磁化永磁材料层磁化成某种极性模式，从而产生高转矩推动转子进入同步。

Description

交流电动机广泛地用于商业、工业、家庭和其他方面需要旋转推动力的地方。迄今对于大多数应用来说，最简单、一般也是最可靠的电动机就是交流感应电动机，其中用的最为广泛的一种形式就是通常的鼠笼式电动机。但是这种感应电动机有着一些众所周知的缺点。大多数交流感应电动机在起动时总是造成特别大的起动电流，这种电流往往是该电动机在满载和全速运行下所需电流的五倍到七倍，有时甚至高达九倍之多。即使是1马力左右的小型感应电动机，当驱动一个电锯或某些大型用具时，在超动时由于超动电流很大而在它所运行的地点造成电灯发暗。这种很大的起动电流还能造成保险丝熔断以及其他一些不利情况。因此，对于大容量的交流感应电动机例如在10马力（7.5瓩）以上，常常需要设置一个起动器以减少过高的起动电流，使其限制在可允许的限度内。但是这种超动器本身的费用往往和电动机本身相差不多，同时还减少了电动机的起动转矩。感应电动机还有着功率因数低的特点，而这种情况又造成输电线路上的问题。由于在低转速下功率因数很低，为使拖动大惯性载荷的感应电动机在起动时不致由于大起动电流造成电动机严重过热往往很难做到。感应电动机的性能是当电动机的运行速度小于同步速度时，也就是在滑差速度时，其转矩甚小，此时，怎样增加转矩，是要解决的技术关键。滑层指的是电动机定子旋转磁场的转速和转子机械转速之差。滑差的大小与电动机的设计和负载情况有关。现今电动机的转差率一般在 2%到5%。滑差使得电动机转轴速度随负载的变化而变化，同时还造成一定的电力损耗和不利的电动机绕组和转子鼠笼的发热。使用高阻值的转子能减小起动冲击电流，但是却成比例地造成更高的运行滑差。

从事电机技术的人们对交流电动机的同步速度Ns所下的定义和理解如下：以每分钟转速（RPM）表示的同步速度Ns由下列公式给出：

Ns＝120f/p

其中f为交流电频率，以每秒周波数表示，即赫兹（Hz）表示;P为电动机定子旋转磁场的极数。

常见的绕线磁极式同步电动机以同步速度运转（即滑差为零）并能达到等于1的输入功率因数，比感应电动机有更高的效率。同步电动机的问题是它只在同步速度时给出转矩，而在任何其他速度下都不能给出转矩，因此，不能自静止情况下起动。为使其能自静止情况下起动，现今的同步电动机转子除了有磁极磁场绕组以外还有短路的绕组。这种短路绕组能提供起动转矩，如同感应电动机那样，直到使电机转速接近同步速度。此时，就给磁场绕组通以直流电进行激磁，从而把同步电动机转子拉入同步，即与定子旋转磁场转速相同的同步速度。但是当电动机拖动的负载的惯性很大，以致于在输入频率的 1/2 周波时间内不能使电动机加速到同步速度，电动机就不能进入同步，同时还会受到严重损坏。这一情况大大限制了这种电动机能被拉入同步所能拖动的负载的惯性的大小。

永磁同步电动机在负载的惯性方面，与常见的同步电动机一样，有着相同的限制。例如在英国专利号为1，056，605中公开的 那种电动机是一种永磁交流同步电动机，其定子有用于放置三相电源绕组的槽，其转子由永磁材料层、叠片铁心及贯穿叠片铁心的短路笼条所构成。但这种电动机有许多缺点，从静止到起动，从起动到到达同步速度的全过程中，电动机没有较好的转矩特性;在接近同步速度时，电动机有很大的转矩波动;当这种电动机在达到同步速度之前，不能施加大的负载。另外，为使起动所需的鼠笼绕组有独立的磁路而留有必要的空间，以及为了避免起动时转子永久磁铁的退磁，这种永磁同步电动机的转子结构变得十分复杂，与通常的鼠笼式感应电动机和本发明的电动机相比，在制造费用上也大得多，其尺寸和使用范周也受到限制。通常市场上供应的永磁同步电动机的功率一般在5马力（3.75瓩）以下。

由于市场供应的小功率绕线磁极同步电动机的成本很高，厂家一般不生产功率在50至100马力（37.5-75瓩）以下的这种电动机。应当提及的是，同步电动机不论是绕线磁极式的还是永久磁极式的，比容量相同的感应电动机在结构上复杂得多，在成本上要高出几倍。

在过载情况下，同步电动机可能被迫离开同步速度。此时，如果不能立即终止电力输入和/或抛掉负载就会造成重大损害。当电力传输线中的交流电力被短暂遮断后而企图重新起动同步电动机时，由于转子磁场相对于定子磁场有较大的相位漂移，往往会产生很大破坏性的电流冲击。

在先有技术中，制造一种小功率的同步感应电动机，这种电动机也叫作磁滞电动机。是用硬化钢或类似的易磁化的永磁材料布置在一个无磁性的心体上的实心转子结构。这种小电动机能运行在同步速度 上，但是由于其构造和靠磁滞损失来取得转矩，使得其转矩如此之小，对这种小尺寸的电动机不能承受大的负载。因此，其功用主要限于很小的负载，如推动时钟的小型同步拖动系统等通常功率小于十分之一马力（0.075瓩）的地方。电机手册中列出的这种电动机的额定功率为每公斤转子重量约40瓦左右（即每磅转子重量约20瓦左右）。

长久以来就感到需要一种交流电动机，这种电动机从静止直到一预定同步速度都能给出连续的、数值上可观的转矩;同时结构简单，成本低廉;不带电刷、整流子或有绝缘的转子绕组;这种电动机还应能在相当大的负载下起动而不致自电源吸取超过大约2至4倍的全速满载额定电流，同时不需设置费钱的起动器而能直接使其与电源相连进行起动。这种电动机应能容易地达到同步速度而不论在其额定容量限度内合理地施加在其轴上的阻力矩和负载惯性大小为何。还希望这种电动机在正常运行情况下有高的电机效率和接近1的功率因数。

本发明的发明人相信，以下所述的先有技术是他们所知的本发明最相关的先有技术：

1.美国专利号4，227，136，题为“变速交流电动机”，于1980年10月7日颁发给本发明的发明人之一。与此专利的最大不同之处在于本发明具有几个新颖的部件和特点，使电动机有固定同步速度的高性能电动机所应有的运行特性。本发明中的电动机转子有三个与电和磁相关的部件，其中一个至关重要的部件就是有着较比高的导电率和较比高的导磁率的第三体。而前述专利中的电动机只有一层永磁材料加在软磁材料薄片叠成的转子心体上。此外，这个发明的电动机中的永磁材料层具有不同一般的特性，使电动机的性能得到显著的改进。另外，本发明中的电动机定子在定子铁心的某些选定位置上 装有反馈绕组，该绕组与一个电容器线路合在一起共同调节电动机运行时激磁线圈中合成产生的交流电流的相位和大小，从而对转子磁极实行控制，在起动中当转速接近同步速度时使电动机转矩达到最优状态。

2.美国专利号4，168，459，题为“不可间断的动力馈送系统”，于1970年9月18日颁发给本发明的一位发明人。这个专利涉及的是拖动电动发电机组的感应电动机的，并且只涉及到带调节绕组和补充绕组的一个发电机，这些绕组在设计上和功能上与本发明中的电机反馈绕组彼此各不相同。

本发明提供一种不带电刷、不带整流子、结构简单的交流电动机，这种电动机也不需要带绝缘的转子绕组，并可在相当大的转轴阻力矩和/或负载惯性情况下自静止起动并达到同步速度同时又不发生过大的温升，在起动时，它从电源吸取的电流也不超过大约其满载电流的2至4倍。对于50倍于通常使用而容量类同的同步电动机转子惯性，这种电动机能很容易地把惯性负载自静止起动并拉入同步。该电动机同时还具有很高的电机效率。它还能直接与交流电源连通进行起动而不会产生有害的电流冲击。如果需要的话，这种电动机还能很容易地加以控制，使其运行在功率因数大致等于100%的情况下。可以设计该电动机用于有着任意适当频率的多相或单相交流电源和很宽的电压范围之内。

本发明提供的一种交流同步电动机，包括：

一个定子，与定子相连的轴承支持一个转子，以便绕轴相对定子旋转，定子包括一个以高导磁率软磁材料制成的心体，具有较低的涡流损失，该心体有与转子同轴的旋转曲面，在靠近旋转表面的心体内 装有许多电源绕组，当用交流电源供电时产生一个绕轴转动的旋转磁场，还有可用单相交流电供电的激磁线圈围绕着一个磁极铁心，该磁极有一个基本处于旋转面并平行转子轴线的磁化极面;本发明的特征在于：

转子有三个电磁相连的主要部分：第一部分是一个具有高矫顽力和低导电率的可磁化的永磁材料制作的第一层，该层有外露的旋转曲面，与定子的旋转曲面互相匹配，两个曲面之间留有间隙供旋转之用;第二部分是一层有很高导磁率和很低涡流损失的铁磁材料。它与第一层紧密接触，为来自第一层的磁通提供一条低磁阻的磁路;第三部分在磁路的结构上与第二部分紧密相连，是用高导磁材料和高导电率的铁磁材料制成的一层或一环形部件，第三部分和第二部分都是用硅钢片叠装而成，用按一定间隔排列的短路实心导体沿轴向穿通叠装体，并使其与第一部分有一定的距离;定子有反馈绕组放在与激磁线圈有一定位置关系的槽中，并有电容器共振电路装置和激磁线圈相连，以使激磁线圈产生选定大小和相位的单相激磁交流电流;

当电动机起动和处于低转速运转时，定子旋转磁场在第三部分材料中产生环形电流造成与上述旋转磁场相互作用的磁场，从而给转子施加一个大的转矩，当电动机处于接近同步速度的高速运转时，通过电容器共振电路装置使激磁线圈受到选定大小和相位的单相电流的激磁，使磁极交变地磁化成很强的北极和南极，磁极的磁化面把第一部分的永磁材料受控地磁化成南北极极性，该南北极与定子旋转磁场之间有一定相位，从而产生一个强大的转矩把转子加速到同步速度，转子的上述各部分互相配合保持转子的转速与定子旋转磁场同步。

本发明的交流电动机包括一个由轴承支持的转子，轴承的转子提供转动支持。在转子上装有三个相互有着电、磁连系的主要部分。第一个组成部分是一层有着很高矫顽力和很低导电率的可磁化的永磁材料，例如铁素体永磁材料。这个第一层有一个露在外面的外表面，其 形状最好是圆柱形，虽然它也可以是任何与转子轴线共轴的旋转曲面。转子的第二部分是一层有着很高导磁率和很低涡流损失的铁磁材料，这层材料与第一层紧密接触，为的是使它能独自为来自第一层背面的至少部分磁通量提供一条低磁阻的磁路。转子的第三部分是由有着高导磁率和较比高的导电率的铁磁材料制成的一层或环形部件。这一部分与第二部分相接触并支持第二部分。这个第三部分可以有各种不同的物理结构。它可以是一个软钢制成的实心环;也可以由其他有良好导电率的铁磁材料制成;它还可以用硅钢片叠装而成，同时用短路导体把叠装的硅钢片穿通。转子的第二和第三部分也可以都由整块硅钢片叠装而成，同时用按一定间隔排列的短路实心导体将硅钢片铁心沿轴向穿通，同时使这些实心导体与第一层保持一定的距离。

转子可以是任何一种可用于电机的形状，例如（a）常规电动机转子的有着较小的转动惯量的形状，这也就是一个环形圆柱体，其外表面呈圆柱形而可置于定子膛内。或者（b）一种有着较大转动惯量的形状，在这里，使受到轴承支持的轴端与一个尺寸较大的中空柱状壳相连。这个柱状壳例如可以用钢制造，它能成为转子第三部分的组成部分，或是把第三部分牢牢地固定于并使之处于壳体内壁里面，第二部分和以可磁化永磁材料制成的那一层也都附着于这个壳体以形成一个圆柱形内表面。在所有这些电动机改型中，一种转子构造可以有很多通常与转子轴线平行的洞孔，这些洞孔与硅钢片平面垂直并穿通这种软磁材料叠成的铁心。这些洞孔到以永磁材料制成的第一层有一定的距离，在洞孔中装配着良好的导电材料。这些导电体在其两端都加以连通短路，且无需加以绝缘。

电动机的定子最好包括以下各部分：一个由低涡流损耗和高导磁率材料制成的有槽的铁心，例如以硅钢片叠装而成的圆柱形铁心。这个心体的内圆柱面正好面对转子外露的外圆柱面，在轴向长度上，两个柱面也大致相同，可以互相匹配。两个圆柱面之间留有间隙供旋转之用。在定子沟槽中放有三组不同的绕组。大多数处在软磁材料体内的沟槽都装有以绝缘导线绕成的电源绕组，用以推动转子转动。这些绕组是以人们熟知的方式加以布置的，为的是当通以交流电后产生一个绕转子轴心线转动的旋转磁场。在定子的软磁材料体中，至少还有一个平行于转子轴线的磁极。在某些应用中，这个磁极相对于转子轴线有轻度的偏斜。在每边都开有较大的沟槽。在大沟槽中放有以单相交流电激磁的激磁线圈，该磁极的尖端有比较狭窄的外露表面。在这里磁场磁通密度达到很强的尖峰，而其极性则随激磁线圈中的交流电而交替地改变。在转子旋转时，当激磁线圈接通了交流电后，磁极外表面就马上将转子上转到与磁极最接近处的这一部分永磁材料层加以磁化并造成有着所需磁极强度的南极和北极。

转子上的永磁材料被磁化成为南极和北极的磁性形式，随着转子的转动，这些磁极将轮流在激磁线圈中产生一个交流电动势，其中电动势与电源主绕组的旋转磁场在激磁线圈中感生的电势合在一起，可以对其大小和形状加以调节以提供一个有着选定大小和相位的单相交流电。这样一来，一个反馈绕组就被放置在定子沟槽中，用来产生一个交流电势输给激磁线圈，激磁线圈以上述方式得到的合成交流电势有着选定的大小，相对于电源绕组的旋转磁场，它还有着所希望的相角位移。备有包括一个电容器的共振电路装置，用来提高反馈绕组 和激磁线圈中感生的合成交流电势的有效性，使其调节激磁线圈中的交流电流的大小和相位关系。这个电流是转子所产生并由电源绕组所感生的电动势（emf）所造成。这样一来，接连激磁线圈的电路可以由自己提供电能而不需直接与交流电源相连。但是当情况需要时，也可以将通往电源绕组的多相交流电中的一相或定子绕组上的抽头用来直接向激磁线圈供送电能。

在规定激磁线圈所用的有着“选定的大小和相位”的交流电时，要求这个单相交流电的大小能使线圈产生足够强大的峰值磁场以致使得与线圈相关的磁极的顶面所产生的磁场强度足以把靠近它的永磁材料磁化到基本上饱和的状态。当要求这一交流电流要有“选定的相位”时，意思是说，上述被磁化的旋转层的磁极极性须与定子旋转磁场的极性紧密地配合一致，或是顶多有点相位滞后，依施加的载荷情况而定。这样，永磁材料层上的一个北极基本上与旋转磁场的南极成一直线，而永磁材料层上的一个南极与旋转磁场的北极基本上成一直线。这样就为这些极性不同的磁极间的相互吸引提供了最有利的条件，从而为转子提供最大的转矩。

若电动机是由多相交流电来供送电能，在某些应用中对定子希望使用多个激磁线圈。把激磁线圈沿定子的圆周分布，例如，对于一个三相交流电源来说，就可以使用三个激磁线圈，并使其彼此相隔120°，以保证更加平衡的三相线电流以及当电动机在加速到同步速度过程中，取得更大的每安培电流输入所给出的转矩。在其他情况下也可使用每相多个激磁线圈的方法，例如给一个接在三相交流电源上的电动机配置了六个激磁线圈。

把本发明中的一个二极电动机自静止起动并达到同步速度的过程 中，所发生的变化顺序如下：设电能由一个60赫兹多相交流电源供应，二极电动机的同步速度为3600RPM（每分钟转数），如果电源绕组布置得当，绕组将造成一个二极旋转磁场，可以在每分钟3600转的速度旋转。电源绕组的匝数和加在电源绕组上的电压可以加以选择，使得这个旋转磁场生成的磁力线把转子上的永磁材料层进行磁化和再磁化，使之顺次交替成为北极和南极，并具有所需的磁极强度，从而造成一个磁滞转矩。另外，旋转的磁力线也将穿透转子的第二部分包括紧靠永磁材料下面的软磁材料制作的主体，磁力线还将延展通过转子的第三部分。这第三部分可以是一个实心圆环或是一个由若干短路的导电体穿过的叠装体而构成的铁心。在旋转运动中，磁力线将会切过短路绕组并造成这些短路导体中有电流流动，结果便产生了转矩。这种情况与通常的笼形感应电动机的情况相同。与之相类似，旋转磁场在一个钢制实心园环中也会产生电流。此种电流与旋转磁场交互作用就产生了转矩。短路绕组的电阻或实心环中感生的电流在很大程度上对于定子上的电源绕组自电源汲取的起动电流起着决定性的作用。因此，短路绕组或实心园环的设计必须挑选适当的材料和尺寸大小以使其具有足够大的电阻，从而获得所需的转矩，并把定子电源绕组在起动中汲取的最大电流，在正常情况下不超过电动机在同步速度和满载时所需电流的大约2至4倍。

在这些限制条件下，本发明的电动机一般地可以直接与交流电源相连，从而不再需要价钱很贵的起动器。这个电动机能够十分平稳地起动和加速，同时还给出很大的转矩，使得相当大的负载都可以加在转子上，即使是从静止开始也能实现。因此，风扇及其类似的装置，由于在低速时只给转子施加很小或中等大小的负载，所以在任何时候 都可把负载直接与电动机相连。当电动机速度达到其感应/磁滞转矩给定的实际可达速度的上限，即一般约为同步速度的75%到80%时，就把单相交流电通到激磁线圈中去。这个单相交流电可以来自反馈绕组，或者来自向电源绕组馈送多相交流电力的同一电力线中的适当的一相或者来自这些电源绕组上的抽头。当接入这个单相交流电后，相应的磁极就施加一个强大的交变磁场，其磁通的相当大的一部分将穿过永磁材料层并通过转子第二部分和气隙回到定子。这部分磁通就使转子上永磁材料层的正好转到最接近磁极外露顶面处的那一部分受到磁化并使之基本上达到饱和程度，从而造成一列顺次交替的北极和南极。这些磁极的位置是这样来定位的，使得它们同定子的旋转磁场有着很强的相互作用，并显著增强转矩而不需汲取过多的交流电流，同时使转子发挥着连续的高转矩，一直加速到同步速度。

很明显，短路绕组造成的转矩只是在达到全速度的75～80%（即转差率为20%-25%）左右之前，才要求它有充分大的数值，在本例中，这个速度约为2700～2900RPM。因此，转子用的导体具有的电阻要比通常感应电动机实际所用的电阻大得多。当把这个较比高的转子电阻与通常的鼠笼式感应电动机实际能用的电阻作比较时，可以看出它能显著改善起动时的转子功率因数，从而相对于输入的线电流来说，提高了起动转矩。这个转矩和磁滞转矩合在一起，显著地提高了这种电动机起动大惯性负载的能力，如离心机、干燥机、飞轮储能系统等，同时还保持低的电流输入和较小的电动机绕组温升。

为了进一步提高转子的加速度或在起动时应付更大负载的能力，可以在电源绕组上设有抽头以减少由交流电源供电的绕组匝数，从而减少绕组的阻抗并增大汲取的电流，因而增大电动机发出的转矩。可 以用设置一个接触器或其他开关的方法，于某个予定速度时接通或断开这种抽头与电源的联系。当抽头被断开后，电动机的转矩就会随着汲取电流的增大而显著增大。但是，如果希望的话，汲取的电流可以限制为满载运行电流的2至4倍。转子迅速而又平稳地加速以达到更高的速度。这个方法适用于起动负载随转子速度增大而增大的电动机，例如，拖动离心式鼓风机以输送空气或气体的电动机或是拖动那种要求比正常起动转矩更高的负载之处，如往复式的水泵或空气压缩机等。

转子中的短路绕组的作用主要是帮助电动机自静止起动和达到低于同步速度的中等速度。当运行在同步速度时，它们并不增加电动机的转矩，只是当负载变化时有助于减少电动机的“振荡”。因此，短路绕组的设计、数目和电阻主要是为起动目的提供最有效的组合而进行计算的。

为了能从图中清楚地看到感应电动机，通常的同步电动机和本发明中的电动机各自可供比较的转矩/速度特性，可以参见本文的附图1。图中的曲线A是典型的普通感应电动机的转矩-速度特性曲线。当从静止起动时，感应电动机汲取的电流非常大，但是这个电流却与施加的电压有很大的相位差，结果只能产生不很大的转矩，这个转矩一般在增速的最初阶段还会稍许减少。随着转子速度的增大，功率因数变得越来越好，转矩也越来越大，直到速度达到全运行速度的大约70～80%，转矩达到其最大值，这一点就是曲线上的点V。过了点V之后，转矩迅速自V下降至其正常运行点X处的数值。点X所代表的速度百分率总是比代表同步速率的点Y略小，但却是很重要的百分数。点X和点Y的水平间隔就是转子的滑差。

转子上带起动绕组的普通同步电动机在起动时有着与感应电动机相似的特性，因为起动绕组基本上是一种容量有限的感应电动机转子绕组。因此，这种同步电动机从静止起动时也是沿着曲线A直到点X。当转子速度达到点X所代表的速度后，就以额定大小的直流电流对正规使用的磁场绕组进行激磁。这时，转子必须在输入交流电频率的半个周波时间内自点X加速达到点Y。到达点Y就是说转子已达到同步速度并可发挥其拖动满载稳定负载的转矩。在同步速度运行时，一个同步电动机能够承担中等程度的过负载直到点Z，但当负载阻矩超过了点Z所代表的转矩，电动机就会中止运行。因此，图1中的垂直线O-Z代表着同步电动机的运行负载转矩曲线。

自这些曲线中可以看出，无论是鼠笼式感应电动机，还是永磁式同步电动机，或是激磁式同步电动机都不能使其在图中以X-O-Y规定的三角形领域中发出稳定的转矩。

本发明的电动机有代表性的转矩-速度曲线有两个：曲线B-F-H-D-Z代表的是不带定子绕组抽头的电动机的特性曲线;曲线E-J-V-K-G代表的是带定子抽头的电动机的特性曲线。带抽头是为了取得更高的起动转矩直到点G。对于常规的转矩方式起动，起动转矩的大小能与感应电动机的相同，但是它汲取的起动电流比相同容量的感应电动机汲取的起动电流小，当转子速度达到大约为同步速度的75～80%的点F，就以交流电供给激磁线圈，于是转矩立刻显著增大直到达到点H处的最大值。当转子在加速而速度在增加时，转矩沿着线D逐渐减小直到代表同步速度的点Z具有的转矩。转子平稳而又容易地达到了同步转速。本发明的这种电动机在三角形面积X-O-Y中的任何一点直到 点Z，都能提供相当大的转矩。

在高加速转矩方式起动中，电动机定子绕组的抽头被用来减少电源绕组的阻抗，从而获得更高的起动转矩。曲线E显示当向抽头供送电能所获得的大大增加了的起动转矩。这使得电动机能加速非常沉重的负载。当速度达到点J时，就向激磁线圈供送电能从而使转子转矩增大到数值V。随着转子速度继续增加，转矩/速度曲线K逐渐下降直到同步速度点G。在这一点G或在曲线K上的任一点，输入的交流电力已被转移到整个定子绕组上去了以使电机作正常运行，而电机的转矩则降至曲线D的数值。

设电动机以同步速度旋转，同时转子也不发生振荡，转子和旋转磁场都以同一速度转动，旋转磁场的磁力线并不受到转子中的短路绕组的切割，因此短路绕组中没有电流环行，因而也没有电能损耗。因此这种电动机消除了所有的发生在通常感应电动机中的那种转子绕组损耗，而在感应电动机中，转子和旋转磁场之间必须有滑差发生，为的是产生出转子转矩。

一旦达到了同步速度，从理论上说就不再需要以交流电供给激磁线圈继续使转子上的永磁材料层磁化，因为这时层上的北和南磁极的状态模式是保持不变的。实际上，为了控制由于电动机负载突然变化而引起的转子的振荡，以及为了避免发生由于交流电源频率变化引起的各种问题，最好还是在某种程度上继续向激磁线圈供送单相交流电。只要电动机在运行，就一直这样作。由于这种电动机中的激磁线圈所需要的能量只占输给电动机总功率的很小一个百分数，这样做并不意味着很大的能量损失。为了避免某些或甚至大部分能量损耗在使电动机在达到同步速度的全部过程中用来保持激磁线圈的磁化，可 以用电控制装置很容易地向激磁线圈提供所需的单向交流电，也就是说，视情况采用每十分之一的交流电周波，或较之大一些或小一些的频率。

当同步运行时，转子有一套基本的永磁磁场磁极，用与定子的电源绕组产生旋转磁场相一致的相位转动。通常这样设计转子磁场的大小，使其在定子绕组中产生的反电动势基本上与加到定子输入端上的交流电动势相同。在这种情况下，从电源线上不需要任何磁化电流，而电动机在输入功率因数1的十分经济的条件下运行。

因此，本发明的电动机是一种可以直接接电源线的电动机，在启动时，通常只用较低的起动电流就能启动静止的具有较大惯量的轴承和负载，并可以达到很大的转矩使其加速运转，同时电动机处于这种大负载之下运转时只有很低的温升。没有什么困难就能平稳地加速电动机，从而当负载在合理范围内变化时，电动机都能达到稳定的同步速度，并且还能维持其同步运动速度。另外，该电动机的结构简单，功率高，并且符合或超过了甚至在商业上专门设计的最好的高功效的相同额定功率的交流电机。

图1是电动机的转矩和速度之间的关系曲线;

图2是按照本发明的具有高转动惯量的一种形式电动机的横向剖面;

图3是该电动机的电路示意图;

图4是实施本发明的一种改型的低转动惯量电动机的轴向截面图;

图5是按照本发明构成的电动机的电流、转矩与速度（每分钟转速）之间的关系曲线;

图6是本发明转子中使用的适用的两种铁氧体材料的磁滞回线的 关系曲线;

图7是该电动机的另一种变化形式的垂直剖面。

参照图2，电动机10是本发明中具有高转动惯量转子的一种形式。电动机10包括一个带底脚14的外壳或机座12，一个有一定空间的外壁16，其中放置用20指示的定子。定子20包括一个固定的筒状支持物22，将其牢牢地固定在外壳或机座12上，筒状支持物22的中央有洞孔24，电导体可穿过该洞孔。软磁材料体26精细地装配在支持物22上，该材料具有高的导磁率和电阻，例如是软铁磁材料或硅钢片叠装层，用几个螺栓28将叠装层与一个较外层的绝缘套筒紧紧夹住。心体或叠装体26上有很多一般平行于电动机轴线的沟槽30，沟槽沿心体圆周方向布置。沟槽中放有电源绕组32，绕组是这样布置的，当给它接通交流电时，它能产生一个旋转磁场。为了在叠装体圆周上的一处提供一个激磁线圈，使用一个磁极34，它有着较比狭窄的外露极面36，在它的两边各有一对较比大的沟槽37，其中放有激磁线圈38。这个线圈能以单向交流电向其供电以便给磁极产生一个很强的交变磁场，这个磁场是北极和南极磁性的迭次交替。定子的外圆周表面39，如图所示，是圆柱形的，但是也可以是任何一般以支座22的中心为轴的旋转面形状。在选定的槽30中还可以放有反馈绕组，该绕组接在与激磁线圈38相连的线路中。

在定子20周围是转子40，转子由轴承支持，而轴承最好是装在管状支座22上。空心圆柱壳42可转动地支持在这些轴承上，在圆柱壳中放着用软磁材料制的心体44，例如用硅钢片叠成的叠装体，心体牢固地固定在壳体42的壁上。在叠装体上有着一般沿圆周布置 的很多个完全穿透心体40的洞孔，其中埋填着导电体48。导电体可以是钢的、铝的、铜的或铜合金的。导电体穿过整个叠装体，其顺长方向一般平行于转子40的轴线。这些导电体48的两端被短路。心体44的内表面50是一个圆柱面，与转子轴线共轴。与此圆柱面紧密相连的是层52，该层以可磁化的永磁材料制成，如铁氧体，其适当的例子是钡铁氧体，钡锶铁氧体和锶铁氧体。层52可以用粘合剂粘在表面50上，使用环氧树脂或任何其他合适的粘合材料。层52可以包含着大量截面为矩形或弓形的小扁块，其径向厚度可自大约0.2到1.0吋（0.5到2.54cm）。层52的外露外表面应当与定子表面39相互匹配且有同一轴线，同时二者之间要有充分小的间隙，使当转子旋转时，两个表面不会相擦。

在操作电动机10过程中，为使转子40自静止直到同步速度，可以使公用供电线或其他交流电源直接与电源绕组32相连，以产生一个自圆柱面39伸展出去并绕着转子轴线转动的旋转磁场。三相或二相交流电势也能方便地加在人所共知的适当布置的绕组上，可以形成那样一个旋转磁场。对于小电动机，若把绕组分开的部分适当地加以设计，也可以使用单相交流电。例如，可以使电源向一个绕组直接馈电，而使第二个绕组移位于第一个并与一个适当大小的电容器串联，且也由同一电源向其馈电。这样也能造成一个旋转磁场。这是按照电气技术中人所共知的实践进行设计的。

旋转磁场的磁力线进入磁性材料层52，并可按设计条件部分地将其磁化，藉助于磁滞效应给转子造成一个磁滞转矩。

此外，磁力线还穿入软磁体44中，当它旋转时，就会被短路导体48所切割，从而在导体中产生相当大的电动势（emf）或电势， 结果在这些短路导体48中有强大的电流流动。这种电流与旋转磁场相互作用，有效地在转子40上造成一个强大的转矩。

在本发明的最佳实施方案中，很重要的一点是如何选择短路导体48的数目及其电阻的大小，使得在起动时产生所需的转矩而其中的电流又不致使电源绕组32汲取超过其在同步速度和满载时汲取电流的大约2至4倍。当作了这样的安排之后，转子就能在承担着相当大的负载自静止情况下起动和平稳地加速。若起动电流比上述电流大出很多，就将有必要设置比较昂贵的电动机起动器。但当短路绕组的设计使得起动电流比2倍额定电流值小很多时，起动转矩就变得如此之小，以致于电动机不能带着相当大的负载起动，并使电动机的加速时间过度地延长。应当理解，若是同意接受一个更大的起动电流，譬如，等于或超过4至5倍满载同步速度电流，为的是取得更高的转矩，本发明电动机的构造仍能显示出很多相当大的优点，超过任何先有的电动机。

一旦电动机转子40达到了大约其同步速度的75～80%，就用单相交流电给激磁线圈38馈电，使磁极34磁化以造成一个强大的南北极性交替改变的磁场。这个磁场的较大一部分磁通，以比同步速度小得多的速度穿过层52进入心体44，其中相当大的一部分自埋设的导体48之间穿过曲面50，再经过层52回到定子表面39。基本上使整个的可磁化永磁材料层52，在转子40旋转中都穿过紧靠近磁极面36的地方，从而层52被磁化为北极和南极的某种状态。这种状态当转子不在同步速度时的每一转中都有变化或移位。当这种表层磁化状态发生变化的时候，转子的转矩大大增加。这是因为磁性材料层52上的磁极的位置在相位上正好使它们与定子 绕组生成的旋转磁场的磁极发生最有效和最有力的相互作用。在正常情况下，只要负载是在合理范围内变化，包括相当大的过负载在内转子加速达到同步速度，并一直维持其同步速度，在满载转矩时转子就能容易又平稳地达到同步速度，而通常的同步电动机在进入同步速度之前需要在半个周波内，自接近同步速度到完成同步速度，要作关键性的困难的一跃。二者相比，差别是很明显的。

在一次原型电动机的应用试验中，有一个电动发电机组，要起动和加速至同步速度的负载的转动惯量，约为8.32公斤平方厘米。在满载和同步速度下，电动机必须给出2.3877公斤厘米的负载转矩。在一次短暂的断电事件中，速度自3600R.P.M.（每分钟转数）降到了3150R.P.M.，仍然还带着原来的负载。在恢复供电后，电动机表现出有能力立即再度起动并加速到同步速度，同时还带着满载负载。市场上没有任何大小合适的电动机能满足这些要求。事实上，NEMA（美国全国电气制造商协会）制订的指导准则建议需要用一个300马力（225瓩）的感应电动机来满足这些要求。而一个按照本发明制造的12瓩（16马力）的电动机，有着如图2所示的构造，可以十分满意的达到所有这些要求。电动机的效率超过90%而其正常的功率因数接近于1。

在转子速度达到选定的数值后就开始向激磁线圈38送电。这可以由一个操作者进行手动操作。对操作者可有某种速度指示器，例如与电动机相连的仪表或转速表。但是，电动机也可以配备一个自动的机械式离心开关，放在转子上，当转子速度达到预定速度时，可以使这个开关发生作用。使用60周波交流电时，一个二极电动机的预定速度可以是2700至3000R.P.M.，而四极电动机，可以是1350 至1500R.P.M.。离心开关触动后，打开一个开关，把单相交流电送入激磁线圈。一种类似的用作接通和关断用的自动离心开关久已为人所知，它广泛地用在单相电动机上。此外，还有很多种电动开关，能与速度响应，可在任何转子速度将激磁线圈电路接通，并能在转速降到该预定速度之下断开这个电路。例如，一个定子上的传感线圈可以由与它协作的转子上的一个或多个小型永久磁铁供送电能。当转子速度增大，传感线圈中的电压增高，当达到某一给定电压时，使一个固体开关起作用，以接通一个开关电路，给激磁线圈送电。另一种办法是使用频率敏感电路装置，使它响应传感线圈的一个预定频率输出，来接通激磁开关电路。

假设交流电源频率没有变化，一旦转子40达到了同步速度，层52就被完全磁化成通常不变的极性状态，而不再需要随着每转一周而改变极化状态，如在转子在加速过程中需要的那样，因此，似乎可以停止向激磁线圈供电，而使整个电动机效率更高。一般来说，激磁线圈使用的功率不到输给电动机的总功率的3%，而这一百分率在10瓩以上的电动机中变得更小。

但是，若电动机的负载有显著增减，旋转磁场上的一点对于转子上某一定点的空间关系，随着转子调到新的转矩角，就会有轻微的变动。在转子调整到新的转矩位置过程中，转子会“走过了头”，这时若是转子上的短路绕组不能很快阻尼掉这种“过头”，就会出现“振荡”。为了避免在某些情况下会出现的这种“振荡”，还为了避免交流电源中的频率漂移和扰动，有必要用单向交流电在或长或短有规律的间隔上向激磁线圈38供电。可以把电子控制器和电子开关放进与激磁线圈38相关的线路中，以在适当的相位上向其供电激磁，例如 每十周交流电，有一周或几周内向其供电激磁，为的是调节层52的磁化，然后，通往线圈38的单相交流电就被切断几个周波。激磁线圈也可以随着“转子振荡”引起的输入电流或功率的变化而对之供电，其方式是力图减少“振荡”。

参见附图3。图中画有电动机10用的电气操作和控制器的电路图，特别地展示通往定子20的电路。外面的电源线60在图中画成三相输入线进入一个断路器62。断路器中不仅有断路器元件，还有熔断器，避雷器和其他保安部件。自断路器出来，三条导线64进入一个抽头转换双掷开关66，其中每条线使一个三刀开关的一个刀带电。抽头转换器可以是一个装在断路器组合体62中的一个接触器，也可以是一个单另的开关，这个开关能用手操作，或用电磁铁操作，或用响应转子速度的致动器来操作。在把承担正常转矩负载的电动机自静止起动时，把开关66推离全开位置直到每个刀或触点与引线72A，72B和72C中的一个触点连接起来，输送交流电势到形成绕组32的各线圈的终端，使所有线圈都受到电能供应而每个线圈的全阻抗都在起作用。某一条线汲取的交流电流决定于这一阻抗，而这个电流又造成有着一定强度的旋转磁场，而这个磁场就造成一定大小的转矩，其效果是推动转子转动和加速。这一方式叫做电动机的“正常方式”。

如果想要更高的转矩，可以使抽头转换开关66最初先不与引线72A，72B，72C连接，而是与引线74A，74B，74C连接，把交流电势输给抽头76A，76B，76C。抽头是在形成绕组32的线圈上一定的地点抽出的。抽头仅向线圈的缩短的一部分输送交流电势，这时只是更小的线圈阻抗在起作用。对于相同的电源 电势，一个大得多的电流向绕组32供送电能，从而增大了旋转磁场的磁通量，并直接增大了作用在转子上转矩。在实际中，曾经有过把转矩增大2至3倍，视抽头位置而定，这个方式叫作电动机的“加速方式”。

反馈绕组33通过一个电容线路与激磁线圈38相连，在电容线路中有一个引线90引自第一个接头并连接到一个与速度响应的开关和控制单元92，单元92的一个引线93通到激磁线圈38的一个接头，一个引自激磁线圈38的另一个接头的引线95通到电容器94的一个接头，而引线91却把反馈绕组33的第二个接头连到电容器94的另一个接头上。在某些应用中，电容器94可以接在引线91和引线93之间，如图中虚线所示;因此，与激磁线圈38和反馈绕组33形成并联。图中画的反馈绕组33位于一般与激磁线圈38直径相对的线槽中。但在实际中，反馈绕组所在位置可以是其他线槽，所选择的位置与电动机的设计和应用的特殊性有关。

激磁电路的运行情况如下：当转子达到了约为其同步速度的75～80%的速度时，速度响应开关92就将自引线90至引线93的电路闭合，使反馈绕组的交流电势立刻输往激磁线圈38，电路中还包括通往电容器94的接头的引线91和95。激磁线圈38中也有交流电势感生，这是由转动着的转子上的磁极，例如在层52上的，凭着其磁场以及定子的旋转磁场所感生的。共振电路把这几个交流电势合起来，使得一个有着选定大小和相位的交流电流通过激磁线圈38，并在磁极34的极面36上造成一个交变的有强大磁化力的磁通，使磁性层52上的选定部分基本上被磁化到饱和水平，成为很强的北极和南极构成的一种状态，层52上的这些磁极与旋转磁场 产生强烈的相互作用而使转矩大大增加。转子于是很快地但很平稳地增大速度，并达到了同步速度，并且转子还能承担着满载而无任何困难。

因此，本发明的电动机既能以“正常方式”起动，也能以“加速方式”起动，或是依次使用这两个方法，直到转子速度达到大约其同步速度的75～81%，然后对激磁线圈供电，以使转子在任一方式下继续以高转矩进行加速直到达到同步速度。

当速度响应开关92把共振电路与激磁线圈接通时，在某些应用中有时希望同时操作抽头转换开关66以使电源线64的交流电力为整个绕组33供送电能，为此，可设置一个如电磁铁那样的装置，由开关92来供电和控制，当一个2极60赫兹电动机的速度达到了2700～2900R.P.M.时，就向其供电以把开关66变位，使电源线只进入引线72A，72B，和72C而使全部绕组32都受到电能供应。在任何情况下，当达到同步速度时，都必须使抽头转换开关切断通往低阻抗绕组的电力供应而把交流电源电力供应给全部绕组。

应当理解，抽头76A，76B，76C和抽头转换开关66在一个电动机中并不是非有不可或非用不可。它们主要是用来使电动机能加速沉重的或变化的负载。特别希望使用绕组32上的绕组抽头的情况是当电源电压突然中断，电动机开始失速，跌到譬如说2900至3150R.P.M.（对于一个2极60赫兹电动机）。这样，当电源电压又很快恢复时，就把电动机运行在抽头76A，76B，和76C上，使转子甚至在短暂过载的情况下加速并回到同步状态。

参见图4。图中表示实施本发明的电动机100的第二种构造的 轴向截面图。电动机100有着低转动惯量结构，相似于大多数普通的电动机，其中转子有着较小的外径，并由一个较大的外面的定子环绕着。电动机有两个铃状端盖102，每个正中有一个放轴承的凹座，其中放有滚珠轴承106支持着转子108，转子上有可转动的传动轴110，其中有一个外伸的轴径111，在上面可以装一个皮带轮或齿轮。在铃状端盖102里边，转子108有一个右侧夹紧盘112固定不动地装在轴110的一个凸肩上，另有一个左侧夹紧盘114固定在轴的另一头。这个左侧夹紧盘可以用一个开口弹簧垫圈固定，或用旋在轴110左端适当螺纹上的螺帽来固定。紧紧地夹在夹紧盘112和114中间的是一个中心带孔的圆柱形叠装体116。它是以软磁材料制成的，如3%硅钢片等。叠装体可滑动但不可转动地固定在轴110上。叠装体116上有很多小孔118将其完全穿透。这些小孔沿周向分布于整个园周上，孔的方向一般平行于转子轴线，但孔至叠装体外圆柱面要有一定距离。在这些孔中装有不加绝缘的导电体120，其两端伸出于叠装体116的端面之外。使这些伸出的终端与夹紧盘112和114电连接，从而使之在电气上被短路了。夹紧盘112和114在外园周高出于叠装体116的外园周面。在它们之间放有一个右侧层123和一个左侧层124，都是用可磁化永磁材料制成，如铁氧体。将该层以强力粘合剂如环氧树脂又硬又坚实地粘在周向表面122上，粘合剂是涂在表面122和层123和124的底面上的。为了确保二者间最可靠的粘合以避免离心力破坏层123和124与面122的粘合，在高速电动机中可以使用有高电阻率的玻璃或金属纤维的紧包扎，或使用其他材料层以形成周向限制薄带125，然后施加一层粘合剂以形成一个坚固的挡拦物。此物 当转子旋转时抵抗住离心力并形成一个外圆柱面126。此外，在表面122上可以开有楔形缺口，用形状与之相辅的铁氧体材料制成的楔子顺着轴向插入缺口中，以提供一种机械式的抗离心力结合方法。无论使用哪一种结合方法，都必须处理好永磁材料层和心体之间的热学和力学性质上的差异。转子制成后，其外表面126是一个圆柱体的形状。

电动机100的定子130有一个外包的园柱壳131，放在并牢固地挡在铃状端盖102外缘上的几个缺口132中。软磁材料制的心体包括一个右圆柱形叠装体134和一个左圆柱叠装体136，都是以软磁材料如硅钢片叠装而成。二者之间用一个间隔圈135隔开并放在圆柱壳体131之内，用螺栓或类似物把这个组合体紧紧夹在一起和固定住。叠装体134和136的内表面是一个内圆柱面。这个面与转子的外圆柱面126之间必须留有转动用的空隙。叠装体134和136上的线槽141在曲面140处是敞开的，有电源绕组142和143置于其中，当给绕组供交流电时，该绕组能提供一个旋转磁场。在这个改型中有两个激磁线圈，当然在一些定子铁心较短的电动机上，为了某些用途，也可以使用一个连续的激磁线圈。第一个激磁线圈144的功用是通过它的磁极的极面148来使层123磁化，而另一个激磁线圈146的功用是通过与它相关的磁极的极面147来使层124中的永磁材料磁化。激磁线圈146可以放第一个激磁线圈所在直径的另一端或其他位置以获得所需特性供某些应用。在叠装体134的几个线槽141中，放有一个反馈绕组150。同样地，在叠装体136的线槽中141中，放有反馈绕组151。这些线槽中的每一个里边，还可能放有电源绕组的一些线圈。把多个激磁 线圈相对转子做轴向对称的布置的作法有一些有利之处。

参看附图5。这是按照本发明制成的电动机自静止起动并加速至同步速度过程中，电动机发出的转矩和汲取的电流的曲线图。电动机使用的是60赫兹、230伏、三相交流电。电动机是二极结构，其容量是25马力（18.7瓩），其构造基本上如图2所示。

曲线J表示的是电动机以正常方式，即全部电源绕组都受到电力供应来起动的情况。当电动机接上了电源，它汲取的初始电流是最大的，约为106安培，当转子达到2800R.P.M的速度时，电流才慢慢减到了76安培。从曲线K可以看出电动机的起动转矩是28磅呎，而后在1000R.P.M.速度时转矩稍许降低到2公斤厘米（18磅呎）。而后转矩上升，在2800R.P.M.速度时再稍快地降至大约1.65公斤厘米（14.5磅呎）。在2800R.P.M.速度时，开始以单相交流电供给激磁线圈，于是电动机汲取的电流立刻跌至66安培而转矩却上升至一个初始峰值的5.36公斤厘米（48磅呎）左右，如曲线K表示。当转子速度继续上升，电流和转矩几乎直线下降到拉入同步速度3600R.P.M.之前的约46安培和4.95公斤厘米（43.5磅呎）。在同步速度上，转矩和输入电流的数值决定于与电动机相连的负载。在所有情况下，电动机容易又平稳地加速至同步速度，即使带着相当大的负载。电动机是一个高惯量设计，这种设计的电机总是有很高的扇风损失。即使如此，试验显示电动机的效率在25马力输出时为91%。在15马力输出时，效率只少许下降到89%;当输出负载只有7.5马力时，效率为79%。对于很多电动机，当按上述比例减少输出负载时，效率一般有急剧的降低，常常低于60～70%。

图5中用的试验电动机也在“加速方式”起动中作了试验。定子电源绕组上的抽头定在大约只有全绕组的65%的绕组被供以电能，使阻抗约为全绕组阻抗的一半。初始输入电流约为210安，初始转矩约为5.9公斤厘米（52磅呎）。当转矩平稳下降到2800R.P.M.的5公斤厘米（44磅呎）时，输入电流降至178安培，在2800R.P.M处，开始给激磁线圈供电，当恰在到达同步速度3600R.P.M之前，转矩增大到6.8公斤厘米（60磅呎）以上，而电流跌到96安培。

试验电动机经过重复多次起动和加速，既用正常方式也用加速方式使其达2800R.P.M，然后使激磁线圈通电以使转子带着满载达到同步速度，然后切断电源以模拟短暂的电力供应中断。可使电动机速度下跌至3150R.P.M.或更低，至此，又恢复了全电压电力供应。在所有情况下，每次电动机都实现了再起动和平稳的加速，同时承担着负载。没有发生电流冲击、过热或其他障碍。电动机很顺当地达到了完全同步速度。本发明的电动机的另一个优良可贵之点是其在任何速度下都很平静。所描述的这个25马力（18.7瓩）电动机的噪声水平在1公尺处低于70A级分贝（dbA）。

很多种可磁化永磁材料均可用于本发明的电动机。例如，图2中的层52最好是用不导电的永磁材料制成，例如铁氧体。金属永磁材料如可以使用铝镍钴合金，如果能将其以某种方式制造，如将其粉末与树脂粘结剂混合以减少由激磁引起的涡流至可接受的程度。

钡铁氧体和钡锶铁氧体在本发明的实际应用中给出了优异的结果。更新和更好的铁氧体及类似的可磁化永磁材料正在研制中并在将来可供用于制造永磁材料层，如图中所示的层52或层123和124。 给出电动机优良结果的两种铁氧体的磁滞曲线表示在图6中。几年来曾在市场上供应过一种有取向的钡铁氧体，其商业代号叫作五级铁氧体。这种材料也在一个能代表实际电动机磁路的装置中作了试验。把这种材料的一个厚0.33吋（0.84cm）的样品作磁滞回线试验。作法是在一个方向，然后再在相反方向施加一个磁化力。图中样品的磁通密度用高斯表示，是用奥斯特表示的磁化力的函数。曲线M就是这种样品的磁滞回线。这种材料的闭路磁性参数是Br＝4000高斯和Hc＝2300奥斯特

另一种有供应的代号叫作S4109的铁氧体也作了相同的试验。这种材料显示出方得多和小得多的磁滞回线。这就是图中的回线N。相应的闭路参数是Br＝4100和Hc＝900。虽然这个样品厚达0.64吋（1.64cm），它却比曲线M的材料制的更短的样品需要更小的磁化力以使其达到饱和。这一事实表明，可以用类似S4109这样的材料制成更厚的层以减少电机阻抗和改良其性能，同时又不增加对激磁的要求。这些曲线在第二象限的形状对于材料用于本电动机是特别地重要。曲线M上的点Om是在第二象限中的一个典型工作点。曲线M在这一点比在点On有着更陡的坡度和更低的高斯值，因此，在这个典型工作点处，材料N可以用来制作更厚的磁铁。在点On处，材料N有着比材料M在点Om处高出约50%的磁通密度;另外还由于磁铁更厚，曲线On的坡度较之材料M更为平缓，因此能给出更好的电动机控制特性。图2中的铁氧体层52以及图4中的铁氧体层123和124的最佳厚度与铁氧体或其他永磁材料的特性有关。如铁氧体M和其他类似材料当用于40马力（30瓩）以下的电动机时，其厚度可自大约0.2至0.4吋（0.5至1.0cm）， 而当用于容量更大的电动机时，厚度约自0.3至0.5吋（0.75至1.3cm）;但曲线N代表的材料能更有效地用在更大的厚度，对于大至40马力的电动机，厚度可自约0.5至0.7吋（约1.2至1.8cm），而对于更大的电动机可用1吋（2.54cm）或更大的厚度。相对导磁率由运行点On和Om处的曲线M和N的坡度来表示，其值大略为1。使用更厚的磁性层能有效地增大自定子绕组磁场来看的磁气隙，并成反比地减少电机阻抗。因此，使用一种有着如曲线N所示特点的磁性材料能使电动机接受更大的输入电流而不致达到过大的转矩角，从而使电动机能以同样大的电机尺寸发出大得多的转矩。

铁氧体材料N当于用图2所示电动机中的层52时，曾给出十分优异的结果，这是由于这样一个事实，即以奥斯特表示的矫顽力Hc的数值比完全饱和材料的剩磁B以高斯表示的数值要小45%。任何有相似性质的铁氧体或可磁化永磁材料都是非常适用于这个新颖的同步电动机。

参见附图7，其中表示的是本发明另一种改型电动机的横截面。电动机200包括一个带有安装支座204，外支承机壳202。在机壳中，支持着一个定子，一般以206表示，定子上有个支承轴208，其上有中央孔210，通过这个孔可以引进去定子的引线和控制线路。园柱形带槽的叠装体214是以高导磁率铁磁材料薄片叠装而成的，用带绝缘的螺栓将其固定在轴208上。电源绕组216安装在比较小的线槽218中。线槽分布在叠装体214的大部分园周上，而叠装体214有着园柱形的外表面220。两个较大的线槽222分列在一个磁极224的两边，磁极有一个磁化尖也叫极面的部分226。 在这些槽222中放有激磁线圈228。激磁线圈与一个适当的共振电路相连，可以用单相交流电供电。反馈绕组放在选定的线槽216中，它与共振电路相连，从而可以向激磁线圈输送一个补充性交流电流以调节激磁线圈电流的相位和大小，从而使激磁线圈能把磁极交变地磁化成北极和南极磁性。磁极再把永磁材料层加以磁化以使电动机能以适当的转矩运动。电动机200的转子230包着定子206并绕着它旋转。转子支在与定子相关的轴承上。转子230包括三个电磁彼此相关的主要部分：1，一个可磁化的永磁材料层238，它有着很高的矫顽力和电阻率，它的表面234与定子的表面220相匹配，同时二者之间留有转动间隙;2，一个由软磁材料制的柱状壳236，其材料有着低涡流损失，壳236的一个面237支持着层238并为层238中的背面磁通提供低磁阻磁路;3，壳体部分236的另一面240附在一个厚重的柱状环形壳232的壁上，环形壳232是以高导磁率和良导电率的铁磁材料制成的，软钢就是一种适用的材料。电动机200运行情况和图2至4所示的电动机相同。

本发明的电动机在很多应用方面有很大价值。这是因为它有着新颖独特的性质。它的高超的电机效率对于所有的应用领域都是一个极重要的因素。

Claims (12)

1、一种交流同步电动机，包括：

一个定子，与定子相连的轴承支持一个转子，以便绕轴相对定子旋转，定子包括一个以高导磁率软磁材料制成的心体，具有较低的涡流损失，该心体有与转子同轴的旋转曲面，在靠近旋转表面的心体内装有许多电源绕组，当用交流电源供电时产生一个绕轴转动的旋转磁场，还有可用单相交流电供电的激磁线圈围绕着一个磁极铁心，该磁极有一个基本处于旋转面并平行转子轴线的磁化极面；本发明的特征在于：

转子有三个电磁相连的主要部分：第一部分是一个具有高矫顽力和低导电率的可磁化的永磁材料制作的第一层，该层有外露的旋转曲面，与定子的旋转曲面互相匹配，两个曲面之间留有间隙供旋转之用：第二部分是一层有很高导磁率和很低涡流损失的铁磁材料。它与第一层紧密接触，为来自第一层的磁通提供一条低磁阻的磁路：第三部分在磁路的结构上与第二部分紧密相连，是用高导磁材料和高导电率的铁磁材料制成的一层或一环形部件，第三部分和第二部分都是用硅钢片叠装而成，用按一定间隔排列的短路实心导体沿轴向穿通叠装体，并使其与第一部分有一定的距离；定子有反馈绕组放在与激磁线圈有一定位置关系的槽中，并有电容器共振电路装置和激磁线圈相连，以使激磁线圈产生选定大小和相位的单相激磁交流电流；

当电动机起动和处于低转速运转时，定子旋转磁场在第三部分材料中产生环形电流造成与上述旋转磁场相互作用的磁场，从而给转子施加一个大的转矩，当电动机处于接近同步速度的高速运转时，通过电容器共振电路装置使激磁线圈受到选定大小和相位的单相电流的激磁，使磁极交变地磁化成很强的北极和南极，磁极的磁化面把第一部分的永磁材料受控地磁化成南北极极性，该南北极与定子旋转磁场之间有一定相位，从而产生一个强大的转矩把转子加速到同步速度，转子的上述各部分互相配合保持转子的转速与定子旋转磁场同步。

2、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：转子的第二部分是一个环状叠装体，它的一个圆面与永磁材料的第一层接触，上述第三部分包括一个与上述环状叠装体接触的另一个相邻的叠装体，并且在第三部分中有电导体横向延伸穿过叠装体，这些电导体在其末端形成电的短路。

3、如权利要求2所述的交流同步电动机，其特征在于：转子的第三部分包括许多电导体，将上述电导体绕轴沿圆周布置，在其末端形成电的短路，上述沿圆周布置的电导体埋在其圆周半径与第一层的圆周半径有一定距离的位置上。

4、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：转子的第二部分是一个高导磁率铁磁材料制成的圆环状环绕转子的叠装体，第三部分是用铁磁材料制成的实心圆环，并将上述圆环状的叠装体固定在实心圆环上。

5、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：转子形状是一个圆柱状壳体，并将定子包于其中以提供大的转动惯量，第三部分放在壳体的内表面并固定在壳体上，第二部分在第三部分内部并与其相连，可磁化的永磁材料的另一层固定在第二部分的内表面上，其外露面是一个内圆柱面，从定子的轴承到柱状壳体的最外部分有伸延的支持装置。

6、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：定子的槽内有电源绕组，在定子心体的两个相邻槽中有激磁线圈，从而介于两个相邻槽之间的交接部分构成磁极，在心体的其他槽内有反馈绕组，放置反馈绕组的方位使之在转子旋转时产生选定的交流电势，激磁线圈也可以连接到多相交流电中的一相上，向电源绕组供电，从而使选定相位和大小的单相交流电可以由共振电路装置输送给激磁线圈。

7、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：定子上的电源绕组有抽头，以改变电源对其供电的绕组匝数，以便使转子自静止起动并加速到高速过程中改变输给电源绕组的电流。

8、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：激磁电路控制装置包括速度响应开关和控制装置，用来响应选定的转子速度，对激磁线圈以单相交流电进行供电的控制。

9、如权利要求8所述的交流同步电动机，其特征在于：用来控制单相交流电向激磁线圈供电的开关和控制装置，并在选定的间隔上和所要求的时间周期内以与加给电源绕组的交流电有一定相位关系的单相交流电输送给激磁绕组，当转子以同步速度旋转时，在永磁材料层内产生磁极极性，该磁极极性与输入到电动机的交流电流有适当的相位关系。

10、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：当用多相交流电向定子上的电源绕组供电时，在软磁材料制作的定子的槽内，放有若干个激磁线圈，其数目至少等于多相交流电的相数，这些激磁线圈沿着定子圆周基本上是按对称形式布置的。

11、如权利要求1所述的交流同步电动机，其特征在于：作为转子第一层的一种永磁材料，该材料的矫顽力Hc的数值小于其完全磁化后的剩磁感应强度数值的45%。

12、如权利要求11所述的交流同步电动机，其特征在于：所用的永磁材料是一种永磁铁氧体。

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