CN1032719A

CN1032719A - 圆环电机及其变矩机

Info

Publication number: CN1032719A
Application number: CN 87105098
Authority: CN
Inventors: 孙国华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1989-05-03

Abstract

本发明圆环电机及其变矩机属电机技术领域，主要解决直接从电枢输出入交直流电及电机低损耗无级调速问题，其特征是有两个磁极转子而无换向器 (仅做直流电机时无电刷)，定子由电枢及电枢支架构成，电枢夹在两个磁极之间。本发明可一机多用：交直流电机、交直流电机放大机及电机变矩机，并且可以应用于发电、高压交直流输电及电力传动等系统中。

Description

本发明属电机技术领域。

普通直流电机是在旋转电枢式交流电机基础上借助于机械换向器、电刷实现交直流变换的、有诸如电磁干扰波强，电刷磨损严重，换向器成本高，电枢绕组利用率不高，输出入电压低，单机容量有限等缺点（《电机学》）。由晶体管、晶闸管（可控硅）、霍尔元件等换向的的直流电机，因这些半导体器件过载能力差、易老化、大功率管子质量难以保证，成本高，所以只适用于特殊用途的场合，并且输出电压中含有大量交流成分，需经滤波、稳压后才能向电子设备供电（《电工学》、《硅变流工程》樊元武编著1983年版、《磁敏感元件及其应用》无刷直流电机一节，黄得星编著1987年版）。交流电机虽然结构简单，运行可靠，但散热能力差，起动转矩小，没有变频电源等复杂设备就不能实现大范围低损耗无级调速，并且变频电源等设备成本高，过载能力差（《电机学》、《电机及控制》）。现有交直流电机变矩机结构复杂，成本高《电机学》）。

本发明的目的在于：采用不同于现有电机的结构和原理，实现直接从电枢输出入交直流电，集交直流电机、电机变矩机为一体，在没有复杂设备的前提下提高交流电机的起动、调速性能，降低电机变矩机的成本。

圆环电机及其变矩机是一部交流多用机，它既可做交直流电机。又可做交直流电机放大机及交直流电机变矩机。其结构主要由定子、转子两大部分构成。

定子部分主要由机座1、端盖2、圆环柱体电枢3、电枢支架4及电刷装置5等构成。电枢由上面开有槽的圆环柱体铁芯及通过环孔绕在其上的绕组构成。

转子部分由两个圆环（扇环）形磁A、B、转轴6、磁轭7、励磁绕组8、集电环9、内齿轮10、外齿轮11等构成。内齿轮10、外齿轮11分别固定在磁极A、B上，并与同轴的外齿轮12、13一起构成齿轮机构。磁极A、B磁轭7之间滚珠14。

此还可根据不同使用环境采用其他固定电枢的方法，增设保护冷却设备。

如果仅做电机变矩机，可不要齿轮机构（见附图2）。另外，这时还可根据磁极形状选择不同的电枢形式：如果磁极呈圆环形，电枢绕组可用覆在电枢铁芯上的导电膜取代;如果磁极呈扇环形，电枢绕组则应该用互相绝缘的闭合导体取代（见附图4、5）。

本发明的工作原理。

一、电动机：当励磁绕组及电枢绕组中同时流过电流时，两磁极间产生磁场，电枢绕组的与磁极接近的各有效边将受到电磁F的作用，电磁力F的方向由左手定则确定，大小由安培力公式确定

F＝N（R-r）I（t）×B（t）（1）

其中r、R分别为圆环柱体电枢的内外半径;I（t）是电枢中电流强度，是时间的函数;B（t）是励磁电流I_f在两转子磁极间产生磁场的磁感应强度，也是时间的函数;N为电枢绕组有效边的匝数。

根据牛顿第一定律可知，磁极转子一定受到与电磁力F方向相反的反作用力的作用。这个反作用力分别推动两个磁极转子向相反的方向旋转，经齿轮机构从转轴输出一个合转矩M。如果不考虑机械阻力矩，则

M＝ 1/2 N（R²-r²）I（t）×B（t）（2）

做直流电机时，I（t）、I_f都是直流，由（2）式可知M的方向不变其调速原理也同普通直流电机，可参阅《电工学》、《电机学》有关内容;电机的励磁方式既可是串激，也可是并激，他激或复激。另外磁极也可是永磁体这时电机无刷。

做交流电动机时，I（t）、B（t）是随时间变化的，M时正时负，但在一个周期内（对周期性交流电而言）可能输出一个平均转矩，并且这个平均乜傻鳎虼私涣鞯缍牡魉傩酝绷鞯缍谎谩Ａ硗獠捎玫缈乖谋銲（t）、I_f大小或相位时输出平均转矩可变，从而实现无损无级调速。

二、发电机及电机放大机：电机是可逆的，上述电动仅过来就是发电机反向旋转两个转子磁极，电枢绕组中就产生动生电动势E（t）

E（t）＝2Nπ（R²-r²）B（t）×n （3）

其中π为圆周率，n为转子磁极的转速，其余符号意义同前。

由（3）式可知，当电机转子转动方向不变时，电动势E（t）的“方向”（实际上是产生动生电动势的罗仑兹力的方向）由磁感应强度B（t）决定，而B（t）的方向上励磁电流I_f的方向或永磁体的极性决定，因此当励磁电流I_f为直流时，电机就是直流发电机或直流电机放大机;当励磁电流为交流电时，电机就是交流发电机或交流电机放大机;如果励磁电流中既有交流成分又有直流成分，则此时电机为交直流电机放大机。

三、电机变矩机：上述电机的同轴齿轮12、13与齿轮10、11分离后即成了电机变矩机。电机变矩机的工作原理实际上是发电机、电动机工作原理的有机组合。

当较子磁极A旋转时，与之接近的电枢绕组有效边中产生动生电动势E_A（t）

E_A（t）＝πN（R²-r²）B（t）×n_A（4）

如果接通电枢绕组，电枢中就会产生电流I（t）、电流I（t）在磁场中受到电磁力作用。因电枢绕组与转子磁极A、B接近的两部分中电流方向相反，所以它的受力方向相反。根据牛顿第二定律可知，转子磁极A、B受到分别与上述力方向相反的反作用力F¹，反作用力F¹驱动转子B朝转子A旋转的方向转动。转子B的转动在电枢绕组中产生与E_AE_A（t）“方向”相反的电动势E_B（t）

E_B（t）＝πN（R²-r²）B（t）×n_B（5）

根据全电路欧姆定律可得电枢绕组中的电流为

I(t)= (E_A(t)-E_B(t))/(Ra) = (πN(R²-r²)(n_A-n_B)×B(t))/(2Ra) （6）

其中R_a为电枢绕组的电阻，其它符号意义同前。

磁极转子B受到的反作用力为

F¹= 1/2 L (t)×B(t)L= (πN(R²-r²)(n_A-n_B)×B²(t)(R-r))/(2Ra) (7)

因此磁极转子B所受相对于转轴的转矩为

Mg=F× (R+r)/2 = (πN(R²-r²)²B²(t)×(n_A-n_B))/(4Ra) (8)

同理，转子B受到的电磁转矩为

M_A＝-M_B（9）

由（8）、（9）式可知，M_A、M_B的大小、方向在电机尺寸一定时仅与磁感应强度B（t），转速差n_A-n_B有关。如果此时磁感应强度B（t）及转子A的转速n_A不变，则M_A、M_B将随n_B的变化而变化。

本发明与现有电机的比较。

本发明除具有起动、调速性能好的优点外与普通直流电机相比还有如下特点：

（1）因无换向器，电机除起动、断开电源的瞬间外，正常运行时不产生电磁干扰波。

（2）直流电是从固定的电枢绕组输出入的，所以输出入电压高。

（3）电枢绕组的利用率高。

（4）散热能力强，特别是转子磁极为扇环时更是如此，

（5）单机容量大，制造容易、节省有色金属、成本低、维修方便。

与晶体管、晶闸管、霍尔元件等换向的直流电机相比具有如下特点。

（1）过载能力强，适用范围广：小至记录设备用电机，大至电力机车的电机。

（2）成本低，制造安装方便。

与交流电机相比有如下特点：

（1）散热能力强。

（2）起动转矩大，调速性能好，转速与电源频率无关，并且可采用电抗元件改变电流实现无损耗无级，有级调速。

（3）电机做成两级或二的整数倍级时，可以使用相位差90°电角的两相电，此时输出转矩平稳。

（4）电机做成三级或三的整数倍级时，可使用三相对称交流电，此时输出转矩也平稳。

（5）制造容易，节省材料，成本低。

由上述特点可知，该电机变矩与由普通发电机、电动机组成的变矩相比有制造容易，节省材料，成本低的优点。

本发明对高压直流输电具有重大意义。

众所周知，直流电与交流电相比有许多特点：直流电没有相位、电磁干扰波小、电流通过导体时无集肤效应，电流的有效值等于其最大值。因此直流输电时，只要发电机输出电压相等即可并网，输电线利用率高、架设方便、节省材料，输电损耗小。但是由于普通机械换向器直流电机不能发出高压直流电，直流输电在与交流输电竞争时败。现在世界上普遍采用的高压直流输电系统附图7所示。由于这个系统中功率半导体整流器，功率半导体逆变器的成本高、致使这个系统在一定的输电距离范围内比同功率的交流输电系统成本高。本发明中的直流电机可发出高压直流电，用于直流输电时，不需整流器滤波器及稳压器，因此成本将大大低于同功率的交流输电。如果用户端采用半导体直流降压器，那么可直接向一些特殊工厂、设备如电解、电冶厂，电力机车提供直流电。（参阅《直流输电》浙江大学发电教研室直流输电科研组编1985年6月新一版、水利电力出版社出版）

本发明对机械传动的意义

任何机动车辆、舰艇都需要离合器及制动器。现今社会上常用的离合器其基本形式不外牙嵌式和摩擦式。牙嵌式离合器只适用于传递转矩不大、低速的场合。摩擦式离合器虽然适用于各种转速，接合平稳，振动冲击较小，传递的扭矩、接合速度可调，过载时能打滑，但是接合、分离过程中会出现摩擦、发热量大、磨损严重，接合、分离速度并不非常理想。如果采用发明中的电机变矩机做离合器，则除具备摩擦离合器的优点外，还克服了其缺点，并且可进行遥控，操作方便，可减轻架驶员的疲劳程度。另外这种离合器的成本低、安装方便。

现今的机械制动器都是靠摩擦力进行工作的，尽管制动速度快，但机件磨损严重、发热量大、致使制动器常出故障。采用电机变矩机做制动器时，不仅磨损小，而且可实现遥控，还可回收部分车辆能量。电机变矩机用于电力机车时、制动时可把机车的动能转变成电能反馈到电网供其它车辆使用。

设计内容

圆环电机的设计可分两部分：电机主体部分、齿轮传动机构部分。齿轮机构设计请参阅《机械原理》、《机械零件》，在此仅说明一下设计要求：保证两个转子的转速相等。下面说明电机主体的设计。

一、设计程序（见设计程序图：图8）

二、设计准则

1、电枢铁芯尺寸要保证额定功率下不能出现磁饱和。

2、磁极面积与圆环柱体端面面积相等。

本发明的实施涉及到机械、冶金、电子使用单位等许多方面。因此要求有关各方密切协作，这样可最大限度地节省材料，提高产品质量。

附图说明

图1、圆环电机及其变矩机

图2、圆环电机变矩机

图3、扇环磁极转子

图4、磁极为扇环时电机变矩机电枢

图5、磁极为圆环时电机变矩机电枢

图6、圆环电机及其变矩机电枢

图7、现行高压直流输电系统原理方框图

图8、设计程序图

Claims

1、圆环电机及其变矩机是一部交直流多用机，主要由转子、定子两部分构成，其特征在于：

(1)转子有两个，其磁极都呈圆环(扇环)形，其中一转子由磁极、转轴、圆环柱体磁轭、外齿轮、集电环等构成；另一转子由磁极、内齿轮构成，与转轴是间隙配合。内、外齿轮与同轴的两个齿轮一起构成换向机构。

(2)定子主要由电枢及电枢支架构成。电枢由上面开有槽的圆环柱体铁芯及通过环孔绕在其上的绕组构成。

(3)电枢夹在两磁极之间。

2、圆环电机做变矩机使用时，其特征在于同轴的两个外齿轮与上述内外齿轮脱离啮合。

3、根据权力要求1、2所述的电机，其特征在子，做无刷直流电机时，磁极由永磁材料做成。

4、根据权力要求1、2所述的电机，其特征在于：如果仅做电机变矩机，不要齿轮机构。磁极为圆环时，电枢绕组可用覆在铁芯上的导电膜取代;磁极为扇环时，电枢绕组可用相互绝缘的闭合导体取代。