CN1024877C - 磁极磁场换向式直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无整流子直流电机。其电机的主磁极被分裂成若干个独立的子磁极，电枢铁芯采用凸极形式，励磁及控制器向各子磁极上的励磁绕组通以一定极位关系的电流，借助于各子磁极的磁场换向来取代电枢电流的换向。从而取消了电枢绕组上的换向整流子，使电机的端电压和容量不因换向间题而受限制。本发明可适合各种场合下的电力拖动，也可作直流电源使用。

Description

本发明涉及一种无整流子直流电机-磁极磁场换向式直流电机。

现有的直流电机大都是电枢电流换向式直流电机，即在电枢绕组上都存在机械接触式的整流子-机械换向器，而已有的无换向器电机或称无整流子电机则是由一组半导体变流器和一台同步交流电机所组成，半导体变流器实质上是一种无接触式换向器或称电子式换向器。这些直流电机电枢绕组中的电流都是交变的（单极电机除外），借助于电枢两端附加的接触式或非接触式换向整流流子才使输出（或输入电流转换为直流），因而其换向功率即为直流电机的额定功率。由于换向整流子的存在。对机械接触式换向器而言，不但限制其端电压和容量，而且在运行中易产生换向火花，严重的将产生环火;对无接触式换向器而言则需要一套昂贵的半导体变流器和控制系统装置与之配套，而且在过载或高速时会发生电子器件中的电流换向困难。

[日本]专利第1316688号载明了一种无整子电动机，在这种电动机中圆柱形转子铁芯非磁极部分的外圆槽内嵌有励磁线圈，电枢绕组施以具有一定极位关系的矩形波电流，根据其工作原理只能制造出小型轻量的无整流子电动机。

单极电机虽然也是一种无整流直流电机，由于其励磁极磁场是单向的，电枢绕组中流过的是同向稳定直流。但是电枢导体难以依次串联，所以是一种低电压、大电流的直流电机。由于电压低、电流大。因此电机接触压降及损耗成为影响电机运行效率和可靠性的重要因素。尽管采用超导材料励磁时对解决单极的这个缺陷具有显著的效果，然而超导体只有在下述三个临界状态才能保持其超导状态：临界温度TC、临界磁场强度H、临界电流密度J如果三者中任何一个超过其临界值则超导状态即被破坏而突然进入正常状态（即电阻不为零和导体内磁场不为零），其超导优势随之丧失，这是超导单极的局限。

本发明的目的是寻找一种现有技术易实现的、成本低、效率高、不受端电压和容量限制的无整流子直流电机。

本发明的技术方案是通过对直流电机的主磁极进行裂极并有效地控制励磁电流方向来实现磁极磙场换向的。

以下结合附图进行说明：

图1是该电机磁极裂极示意图（图中每个主磁极裂成3个子磁极）。

图2是该电机电枢绕组的连接原理图。

图3是该电机励磁绕组与励磁控制器的连接原理图。

本发明由机座、转子磁极铁芯（1）、励磁绕组（2）、定子电枢铁芯（3）、电枢绕组（4）、电刷（10）、滑环（11）、端盖和风扇等组成。其主要特点是转子磁极铁芯（1）每个磁极分裂成数个（不包含1）子磁极（5）、在每个子磁极（5）上分别安放有匝数相同的励磁绕组（2），两对应子磁 极（5）（图2中A与A′、B与B′、C与C′）上的励磁绕组（2）串联，但两线圈绕制方向相反，在各子磁极（5）极面中心位置上装有位置检测器（6）、各子磁极（5）上励磁绕组（2）与励磁及控制器（9）通过电刷（10）和滑环（11）相连;定子电枢铁芯（3）采用凸形结构，其上有2P个弧度相等的凸出部分（P为电机的极对数），其凸出弧度由轴线X与Y的夹角β确定，凸出部分的表面开有矩形槽，槽中安放有电枢绕组（4），电枢绕组（4）采用整距单选法连接，各个迭绕组依次串联，即：电枢绕组（4）导体在槽中分上下层安放，其中N区槽中的上层导体（7）依次与相邻S区槽中的下层导体（8）串联构成一条支路，而N区槽中的下层导体（8）依次与与相邻S区槽中的上层导体（7）串联构成另一条支路，在两支路并联处引出两端接头，成为电枢绕组（4）的输入（或输出）端。

从励磁电流的控制角度出发，本发明的转子磁极铁芯（1）每个主磁极以分裂成数个3的倍数个子磁极为最佳方案。

本发明的转子磁极铁芯（1）可采用硅钢片叠压成型、凸极部分与极轭冲压成整片，其子磁极数（即凸极数）m＝6P或6nP（P为极对数，n为非零正整数）。

本发明的工作原理参见附图2（以两极电机P＝1每个主磁极裂成3个子磁极为例），分别给A、B、C三个子磁极（5）上的励磁绕组（2）通以同向直流电流If，而对子磁极A′、B′、C上的励磁绕组分别通以同向的直流电流-If。若电枢绕组两端施加以稳定的直流电压时，电枢导体中的电流方向如图2所示。则N区的电枢导体由于恒定的电流通过，将受到子磁极A、B、C的磁场作用，其所受电磁力的方向均沿逆时针方向，根据作用力与反作用力定律，转子将受到一个沿顺时针方向的电磁转矩，此电磁转距驱动电机沿顺时针方向旋转。

当某子磁极轴线XX′重合时，子磁极极面中心的位置检测器（6）将由于磁导的变化而产生控制信号，励磁及控制器（9）接到信号后便使该子磁极励磁绕组中的电流逐渐减少，以保证在该子磁极轴线与OO′轴重合时，励磁电流为零。然后对该子磁极上绕组施加反方向励磁电流，以保证该子磁极轴线上YY′轴重合时，励磁电流为-If，并保持下去，而与该子磁极对应的子磁极上的励磁绕组中的电流变化则正好相反，因为两励磁绕组是反方向串联的，与此同时，其他两对应子磁极上励磁绕组中的电流维持不变。这样，在转轴上将输出恒定大小的电磁转矩去驱动机械负载。

以上所叙述的是本发明作为直流电动机时的技术方案及其工作原理。

若将本发明作为发电机使用时，其技术方案和工作原理完全相同。但如果在技术方案中用一台同轴的同步交流电机进行励磁则更佳，且可省去转子上的滑环和定子上的电刷装置。此时励磁电流是由同步交流电机提供的交流电流，因有自然过零点，使励磁功率的换向更为简单，成为自然换向。

本发明从根本上取消了直流电机整流子的存在，通过将主磁极进行裂极并控制励磁绕组中的电流方向，实现了直流电机的磁极磁场换向。由于本发明电枢绕组既不存在电子式换向器，也不存在机械式换向器，因而解决了电子式换向无刷直流电机的电子器件电流换向困难，换向损耗大等缺陷;同时也解决了机械式换向所带来的火花或环火而使电机端电压和容量受到限制以及应用时维护困难等问题，从而使制造大容量直流电机的梦想成为现实。其次，由于本电机不需要电枢换向器，只需要一套励磁及电子控制器（9），因而，与机械式换向直流电机相比，不仅节省了大量价格昂贵的铜材，而且铁芯损耗也大为降低（因为枢绕组通过的是稳定的直流）。从而使得本发明的直流电机造价大幅度降低，效率却比常规电机高;而与电子换向式直流电机相比，由于电机的励磁功率一般仅为电机额定功率的10%以下，因而本发明的励磁及换向控制器（9）的换向功率远远小于相同额定功率的电子式换向电机的换向功率，不仅其成本大大降低。而且其运行更为可靠。

本发明的性能与常规直流电机相同，通过控制电枢电压和励磁电流可方便地调节其转速。适用各种电力拖动，如冶金、机械、煤炭、石油、铁道、轻工、水电、国防等方向。由于取消了电枢的整流子，故能可靠地应用于航天、航空等常规直流电机所不能应用的领域。若作为直流电源使用，本发明可用于电解化工、电镀及其他容量直流系统。

Claims (3)

1、一种磁极磁场换向式直流电机，由机座、转子磁极铁芯(1)、励磁绕组(2)、定子电枢铁芯(3)、电枢绕组(4)电刷(10)、滑环(11)、端盖和风扇等组成，其特征是转子磁极铁芯(1)每个磁极分裂成数个子磁极(5)，每个子磁极(5)上分别安放有匝数相同的励磁绕组(2)，两对应子磁极(5)上的励磁绕组(2)串联，但线圈绕制方向相反，在各子磁极面中心位置上装有位置检测器(6)，各子磁极(5)上励磁绕组(2)与励磁及控制器(9)通过电刷(10)和滑环(11)相连，定子电枢铁芯(3)采用凸形结构，其上有2P(P为电机的极对数)个弧度相等的凸出部分，凸面上开有矩形槽，槽中安放有电枢绕组(4)，电枢绕组(4)采用整距单迭法连接，各个迭绕组依次串联，电枢绕组(4)导体在槽中分上下层安放，N区槽中的上层导体(7)依次与相邻S区槽中的下层导体(8)串联构成一条支路，而N区槽中的下层导体(8)依次与相邻S区槽中的上层导体(7)串联构成另一支路，在两支路并联处引出两端接头，成为电枢绕组(4)的输入(或输出)端。

2、根据权利要求1所述的磁极磁场换向式直流电机，其特征在于转子磁极铁芯（1）每个磁极分裂成数个3的倍数的子磁极。

3、根据权利要求1或2所述的磁极磁场换向式直流电机，其特征在于转子磁极铁芯（1）用硅钢片叠压成型，凸极部分与极轭冲压成整片。

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