CN103401393A - 一种无换向装置的直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种无换向装置的直流电机，包括外壳、电枢部分、励磁部分、转轴，电枢部分和励磁部分套装成工作部分后安装在外壳里，转轴穿过外壳和工作部分，工作部分的内层与转轴连接成一体随转轴转动，电枢部分包括鼠笼条导体、集电端环，鼠笼条导体插入到左右两个集电端环中，外壳内设置电流输入通路、电流输出通路，外壳外设置接线端子，电流输入通路、电流输出通路连接接线端子。本发明省去换向器甚至省去电刷装置，提高了机电转换过程中的能量利用效率，提高了电机的可靠性。

Description

一种无换向装置的直流电机

技术领域

本发明涉及的是一种电机，具体地说是直流电机。

背景技术

目前，无论交流发电机或直流发电机，电枢部分通过电磁感应产生电流几乎均为交流电，现有的直流发电机由于电机内部产生交变的感应电流，因此均采用换向器（和电刷）装置设计，以保证输出端电流为单一方向即输出直流电。当电机转动时，由于电刷摩擦，容易产生热量。直流发电机的换向器也会随着电机转速的提高，电流的增大，而产生电火花。这些不利因素对于大容量直流发电机的设计和制造产生了限制。此外，虽然近些年随着电力电子技术的发展，新型无刷直流电机通过引入电力电子设备代替传统换向器设备，但是依然存在故障率高，价格昂贵等缺陷。换向器设备大大降低了直流电机的可靠性，实际生产生活中直流电机故障大多发生在换向器和电刷故障，这也是近年来直流电机逐步被交流电机所取代的原因之一。

随着新型高温超导材料的发现，高温超导材料可以在液氮温区实现超导化，这使得近年来超导电机技术得到了飞速发展。传统上，大多数超导电机具有安装在转子上的超导磁场线圈作为电励磁部分，低温液体通常通过转子一端的传递连接器从固定低温冷却器供应到超导磁场线圈。传递连接器引导低温液体从固定部分到转子旋转部分。接着低温液体通过超导磁场线圈的冷却回路传送，然后回到传递连接器，以返回固定低温冷却器。超导磁场线圈受到热应力，离心应力，并且具有通过转子的电连接供给超导线圈动力，特别是高温超导（HTS）线圈，可能对机械应变很敏感而降低超导性能。因此，设计、制造以及运行这样的转子是困难的。近些年也有相当一部分利用超导块材强磁特性的超导电机出现，通过引入液氮使超导块材超导化，从而利用强磁特性发电。但是，由于超导电机内部电枢部分为交流电，存在交流损耗这一问题，目前世界范围内相关研究只能一定程度上降低交流损耗但尚无完全除去交流损耗的方法，这使得定子超导化与全超导电机的研究以及投入实际生产的可行性大大降低，这些都极大的限制了其应用。

对于专利申请号为200610146492.0，名称为用于动力应用的超导单极感应交流发电机，提供了一种发电机便携动力系统设计方案。该专利利用超导线圈产生磁场，通过转子上导磁极片使转子旋转时产生旋转磁场切割定子绕组从而发电。该专利相对于传统电机结构较为复杂，且没有明确关键技术中超导线圈如何供电并维持超导临界温度的具体实施方式和结构。此外，该专利设计电磁耦合方式较为繁琐，实施方式中指出第一极片与第二极片分别带有不同极性，电枢部分产生交流电，对于需要大型直流电机的应用场合受到限制。对于专利申请号为02138969.1，名称为无换向器直流发电两用电机，提供了一种无换向器两用电机，主要由“单极”转子和定子组成，利用导线相对转动切割“单极”转子的磁力线产生感应电流的原理进行设计，用于物理教学实验等。该专利没有给出具体电机设计实施方案，且没有考虑大型发电机或电动机在特定应用环境下电机结构上的特殊设计，对于工业，电力等领域实用价值不大。对于专利申请号为200420045313.0，名称为单极无换向直驱式直流电机，提供了一种单相极无换向直驱式直流电机，该电机具有筒形励磁磁场，磁场两极呈可相对运动状，线圈框套在环形铁芯上，电枢线圈至少等分为两组绕在线圈框上，绕有电枢线圈的环形铁芯套在筒形励磁磁场的两极之间，线圈框与励磁磁场的一极保持相对静止，环形铁芯内侧开有齿槽，环形铁芯通过此齿槽与传动轮配合联动于励磁磁场的另一极而与该极保持相对静止。根据该专利所表述内容，该专利属于直流电动机，专利中所述励磁磁场两极呈可相对运动状，线圈框与一极保持相对静止，经过分析，此专利中方案无法作为直流发电机使用。原因是，由于其电枢线圈5绕在导磁铁芯4上，带有电枢线圈5的导磁铁心4整体位于电机励磁磁场两极之间，铁心垂直与磁力线两端均绕有电枢绕组，因此在电枢绕组5与磁场相对运动时，通过左手定则分析可知，铁心两端的电枢绕组同时产生感应电流，这使得电枢无法产生直流电。并且，该专利作为直流电动机使用时，励磁磁场与轴旋转，铁心与电枢绕组也需要旋转，电枢通电方式复杂，并且由于铁心与块状轴承接触产生机械摩擦，这使得该专利作为电动机使用时具有结构复杂，可靠性低，效率不高等缺点。

此外，对于现有的交流电机或直流电机，无论是电动机还是发电机，由于在机电转换过程中，电枢部分中的电流均是交变的，这使得涡流损耗无法避免，而且由于电磁感应产生的交变磁场，电机中铁心的磁滞损耗通常也是无法避免的。特别是，对于电枢部分采用超导材料时，交流损耗较大，成为限制定子超导化和全超导电机设计制造的关键性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供省去换向器甚至省去电刷装置的一种无换向装置的直流电机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种无换向装置的直流电机，其特征是：包括外壳、电枢部分、励磁部分、转轴，电枢部分和励磁部分套装成工作部分后安装在外壳里，转轴穿过外壳和工作部分，工作部分的内层与转轴连接成一体随转轴转动，电枢部分包括鼠笼条导体、集电端环，鼠笼条导体插入到左右两个集电端环中，外壳内设置电流输入通路、电流输出通路，外壳外设置接线端子，电流输入通路、电流输出通路连接接线端子。

本发明还可以包括：

1、工作部分的内层为励磁部分，励磁部分为空心圆柱永磁体，励磁部分和转轴通过硅钢片相连，集电端环分别连接电流输入通路、电流输出通路。

2、工作部分的内层为励磁部分，励磁部分为空心圆柱高温超导磁体，励磁部分和转轴通过硅钢片或高强度非铁磁材料相连，集电端环分别连接电流输入通路、电流输出通路；所述的空心圆柱高温超导磁体包括由杜瓦外层和杜瓦内层组成的杜瓦容器，杜瓦外层和杜瓦内层之间为真空，杜瓦容器里设置高温超导块材，高温超导块材与杜瓦容器之间充有液氮；转轴的一端连接励磁液氮储备制冷箱，转轴里设置与励磁液氮储备制冷箱和杜瓦容器均连通的励磁液氮输入通路和励磁液氮输出通路；所述的励磁液氮输入通路为内螺纹结构，励磁液氮输出通路为外螺纹结构。

3、工作部分的内层为励磁部分，励磁部分为空心圆柱永磁体，励磁部分和转轴通过硅钢片相连，集电端环分别连接电流输入通路、电流输出通路；所述的鼠笼条导体和集电端环均为高温超导线材，鼠笼条导体外安装鼠笼条杜瓦容器，集电端环外安装集电端环杜瓦容器，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器均为内外层为杜瓦、中间为真空的结构，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器相连通，外壳上安装电枢液氮储备制冷箱，两个集电端环杜瓦容器分别通过电枢液氮输入通路和电枢液氮输出通路与电枢液氮储备制冷箱连通；所述的电枢液氮输入通路为内螺纹结构，电枢液氮输出通路为外螺纹结构。

4、工作部分的内层为电枢部分，工作部分的外层为空心圆柱永磁体的励磁部分，电枢部分通过硅钢片与转轴相连，外壳内部与两个集电端环对应的位置上安装电刷装置，电刷装置连接电流输入通路、电流输出通路。

5、工作部分的内层为电枢部分，工作部分的外层为空心圆柱高温超导磁体的励磁部分，电枢部分通过硅钢片与转轴相连，外壳内部与两个集电端环对应的位置上安装电刷装置，电刷装置连接电流输入通路、电流输出通路；所述的空心圆柱高温超导磁体包括由杜瓦外层和杜瓦内层组成的杜瓦容器，杜瓦外层和杜瓦内层之间为真空，杜瓦容器里设置高温超导块材，高温超导块材与杜瓦容器之间充有液氮；外壳上设置励磁液氮储备制冷箱，杜瓦容器通过励磁液氮输入通路和励磁液氮输出通路与励磁液氮储备制冷箱相连通。

6、工作部分的内层为电枢部分，工作部分的外层为空心圆柱永磁体的励磁部分，电枢部分通过硅钢片与转轴相连，外壳内部与两个集电端环对应的位置上安装电刷装置，电刷装置连接电流输入通路、电流输出通路；所述的鼠笼条导体和集电端环均为高温超导线材，鼠笼条导体外安装鼠笼条杜瓦容器，集电端环外安装集电端环杜瓦容器，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器均为内外层为杜瓦、中间为真空的结构，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器相连通，转轴的一端连接电枢液氮储备制冷箱，转轴里设置与电枢液氮储备制冷箱和两个集电端环杜瓦容器连通的励磁液氮输入通路和励磁液氮输出通路。

7、所述的励磁部分为空心圆柱高温超导磁体，鼠笼条导体、集电端环均为高温超导线材，外壳为中间为真空的杜瓦结构，外壳里充有液氮，外壳上安装外壳液氮储备制冷箱，外壳内部通过外壳液氮输入通路和外壳液氮输出通路与外壳液氮储备制冷箱相连通。

本发明的优势在于：本发明中所提到的直流电机结构与设计方案，作为发电机使用，可充分发挥单极电机低压、大电流的特点，能够充分满足工业生产以及特定行业领域用电需求。并且针对目前常规直流电机以及利用电力电子换向设备代替换向器的新型无刷直流电机，在设计方案中给出了无换向器、无电刷的设计方案，进一步提高了电机的效率和可靠性。本发明中给出了一种电枢电流为直流的设计方案，有效降低或消除了磁滞损耗、铁损（涡流损耗）和铜损。特别的，针对高温超导材料的特性，本发明给出了较为完整的设计方案以及冷却系统，解决了高温超导电机的交流损耗，为全超导电机的设计和生产制造提供了有利参考。另外，本专利以直流发电机为例列举了一系列设计方案，但不局限于这些设计方案，本专利中提到的原理方法以及结构上的设计均可做电动机使用，作为直流电动机使用时，本专利有益效果为大转矩、调速简单、调速精度易控制、能量转化率高、可靠性高等明显优势。

此外，本发明中提到的电枢部分应用超导线材的结构，有效解决了超导电机交流损耗问题，本发明中所提到的各种设计方案中向电机外输出均为低压、大电流直流电。在电机机壳外接线端子出线端接有DC/DC转换器即可实现用电设备所要求的电压、电流；在电机机壳外接线端子出线端与电力电子设备DC/AC逆变器相连，则可得到电网需要的交流电。由于电机输出为直流电，对于电力电子设备设计要求相对不高，因此所输出电能可按照实际需要加装相应DC/AC或DC/DC等电力电子设备解决，这使得本发明明显降低了传统电机设备对电力电子器件的严苛要求，能够有效降低电力电子设备的设计和运营成本。

附图说明

图1a是空心圆柱永磁体（同时也是高温超导块材）径向充磁示意图a，图1b是空心圆柱永磁体（同时也是高温超导块材）径向充磁示意图b；

图2a是空心圆柱永磁体（同时也是高温超导块材）磁力线方向示意图a，图2b是空心圆柱永磁体（同时也是高温超导块材）磁力线方向示意图b；

图3a是常规材料鼠笼式结构示意图a，图3b是常规材料鼠笼式结构示意图b；

图4是励磁部分利用永磁体的直流电机整体轴向剖面图；

图5是励磁部分利用永磁体的直流电机整体径向剖面图；

图6是励磁部分利用高温超导块材的直流电机转子轴向剖面图；

图7a是带有液氮通路的特制轴结构示意图a，图7b是带有液氮通路的特制轴结构示意图b；

图8是转轴侧装配高温超导块材的直流电机整体轴向剖面图；

图9是转轴侧装配高温超导块材的直流电机整体径向剖面图；

图10是电机内侧装配高温超导块材的直流电机整体轴向剖面图；

图11a是特制高温超导材料鼠笼条导体整体结构示意图a，图11b是特制高温超导材料鼠笼条导体整体结构示意图b；

图12是电枢部分采用高温超导材料直流电机整体剖面图；

图13是高温超导材料鼠笼条导体在转轴侧电机整体剖面图；

图14是励磁部分在转轴侧的电机内磁路规划分析图；

图15是电枢部分在转轴侧的电机内磁路规划分析图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-15，本发明中所提到设计方案的具体实施方式如下：

由附图1可以看到，通过径向充磁得到空心圆柱磁体（永磁体或超导块材），附图2中表示出磁体的磁力线分布，其磁力线方向为从内侧出发到外侧截止（即内表面为N极外表面为S极），或从外侧出发到内侧截止（即外表面为N极内表面为S极），磁体内、外表面磁场为单向、均匀磁场。为了便于说明且具有代表性，以下提到的空心圆柱磁体为永磁体或超导块材。

附图14与附图15均以空心圆柱磁体外表面为N极内表面为S极为例对电机内部磁路进行分析。附图14中所分析的电机为电枢部分固定，励磁部分与转轴同步旋转的电机类型，可概括实施方式一、三、五、七中电机内磁路。由附图14可以看出，导体、磁体、电机外壳、转轴、叠压硅钢片之间位置关系，又由于空气磁阻大于铁磁材料，根据磁力线遵循磁阻最小路径原则，磁力线应该由空心圆柱磁体外表面N极出发，依次经过空心圆柱磁体与鼠笼条导体之间气隙、鼠笼条导体达到电机机壳经由电机机壳达到转轴，再经过转轴通过转轴与空心圆柱磁体之间叠压的硅钢片回到空心圆柱磁体内表面S极，从而形成完整闭合磁路。附图15中所分析的电机为励磁部分固定，电枢部分与转轴同步旋转的电机类型，可概括实施方式二、四、六、八中电机内磁路。由附图15可以看出，导体、磁体、电机外壳、转轴、叠压硅钢片之间位置关系，由于空气磁阻大于铁磁材料，根据磁力线遵循磁阻最小路径原则，磁力线应该由空心圆柱磁体外表面N极出发，通过电机机壳到达转轴，再通过转轴与鼠笼条导体之间叠压的硅钢片、鼠笼条导体、鼠笼条导体与空心圆柱磁体内表面之间的气隙回到空心圆柱磁体内表面S极，从而形成完整闭合磁路。

实施方式一：参照附图4中电机整体轴向剖面图，方案一具体实施方式为：如附图3所示，图中给出了电枢部分的鼠笼式结构，包括鼠笼条导体1和集电端环2，鼠笼条导体与集电端环均为常规材料（如铜或铸铝），鼠笼条导体1均插入集电端环2中，构成电枢部分。电枢部分两端的集电端环2分别引出电流流入通路601和电流流出通路602，将感应电流引出至电机机壳外6接线端子603。励磁部分采用空心圆柱永磁体3，通过叠压的的硅钢片4与转轴5紧密连接，构成励磁部分。在电机工作时，转轴5一端通过外部原动机设备带动旋转，空心圆柱永磁体3随转轴5同步旋转构成空间旋转磁场，该磁场为单向、均匀、恒定磁场，与电枢部分构成相对运动，使得电枢部分的鼠笼条导体1均单向切割磁力线产生感应直流电，并且由电枢部分的集电端环2两端连接的电流输入通路601和电流输出通路602输送至电机机壳外6的接线端子603，向电机外部输送直流电。附图5给出了方案一电机设计中电枢与励磁部分的径向结构剖分示意图。

实施方式二：具体实施方式二中所用材料与部件与具体实施方式一中完全相同，结构上进行了调整，与具体实施方式一不同之处在于励磁部分固定，电枢部分随轴转动。励磁部分采用空心圆柱永磁体3，固定于电机机壳6内侧，产生空间静止磁场，空心圆柱永磁体内侧磁场为单向、均匀、恒定磁场。电枢部分位于转轴，电枢部分鼠笼式结构如图3中所示，其中鼠笼条导体1与集电端环2通过叠压的硅钢片4与转轴5紧密连接，特别的，集电端环2两侧特别设计制造电刷装置9，电刷装置9一端位于集电端环2侧，另一部分位于电机机壳6内侧。电机工作时，外部原动机带动转轴5转动，电枢部分的鼠笼条导体1随着转轴5同步旋转，与励磁部分产生的静止磁场构成相对运动，每一根鼠笼条导体1均切割单向、均匀、恒定磁场，产生感应直流电，通过集电端环2两端的电刷设备9传输至电机机壳6内的电流输入通路601和电流输出通路602，再通过电机机壳6外的接线端子603引出，向电机外输送直流电。

实施方式三：电枢部分采用鼠笼式结构，其结构如附图3所示，励磁部分采用高温超导块材，由于高温超导块材需要在超导临界温度（本发明中超导块材以YBCO为例，临界温度假定为77K即液氮温区）下才能实现超导化，产生强磁场，因此应用超导块材的励磁部分需要特殊设计，具体如附图6所示。首先，高温超导块材31需要放置于特定的并且充满液氮的杜瓦容器中，杜瓦容器需要特制，该杜瓦容器包括杜瓦外层311与杜瓦内层312，两层之间为真空，起到绝热作用，杜瓦内层制造时留有液氮输入通路701和液氮输出通路702，以便于液氮循环和补给。实际装配中，高温超导块材31需要与杜瓦容器先装配为整体，作为空心圆柱高温超导磁体301，再进行其他部件装配。空心圆柱高温超导磁体301装配完毕后通过叠压的硅钢片或非铁磁材料（如玻璃钢）41与特制转轴51紧密连接。特别的，叠压的硅钢片或非铁磁材料（如玻璃钢）41需留有液氮通路与空心圆柱高温超导磁体301和特制转轴51中的液氮通路相连。特制转轴51结构如附图7中所示，特制转轴51中需设计液氮通路，此液氮通路与空心圆柱高温超导磁体301与叠压的硅钢片或非铁磁材料41中的液氮通路结构相同。如附图7所示，特制转轴51中的液氮输入通路701与液氮出通路702外壁均为双层结构，液氮通路外层703与液氮通路内层704之间为真空，起到绝热作用。特别的，由于液氮为流体，因此将液氮输入通路701设计为内螺纹，这样在电机旋转时有利于液氮流入，而液氮输出通路702设计为外螺纹，这样有利于液氮流出。电机整体结构如附图8与附图9所示，电机运行时，特制转轴51一端与液氮储备制冷箱通过连接加固密封装置8与液氮储备制冷箱相连，另一端与原动机相连带动特制转轴51转动。特制转轴51转动时，液氮由液氮储备制冷箱内经过液氮输入通路701输送至空心圆柱高温超导磁体301处，使得高温超导块材31超导化产生强磁场，空心圆柱高温超导磁体301与特制转轴51同步旋转产生空间旋转磁场，与电枢部分的鼠笼条导体1产生相对运动，在鼠笼条导体1上产生感应直流电，通过集电端环2两端的输电通路将电流引出至电机机壳6外的接线端子603，向电机外输送直流电。因为高温超导块材在超导态时剩磁密通常比常规永磁体（如钕铁硼或铁氧体）大得多，因此可以考虑将叠压的硅钢片替换为高强度非铁磁材料（如环氧树脂）。

实施方式四：如附图10所示，励磁部分采用空心圆柱高温超导磁体301，电枢部分采用鼠笼式结构，其中鼠笼条导体1和集电端环2为常规导体。结构上，励磁部分在电机机壳6内侧固定，产生空间静止磁场，空心圆柱高温超导块材31需先与特制的杜瓦容器装配一体构成空心圆柱高温超导磁体301，杜瓦容器与电机机壳6内侧具有液氮输入通路701和液氮输出通路702，通路与电机机壳6上方的液氮储备制冷箱相连。电枢部分通过叠压的硅钢片4与转轴5紧密连接，集电端环2两端与电机机壳6内侧均带有电刷装置9，电机机壳6内侧的电刷装置9两端分别有电流输入通路601和电流输出通路602引出至电机机壳6外的接线端子603。电机工作时，液氮从液氮储备制冷箱中通过液氮输入通路701进入空心圆柱高温超导磁体301的杜瓦容器中使空心圆柱高温超导块材31超导化产生空间静止的单向、均匀、恒定磁场。原动机带动转轴5旋转，转轴5侧的电枢部分也与转轴5同步旋转，鼠笼条导体1与空心圆柱高温超导磁体301内侧磁力线构成相对运动，产生感应直流电，通过集电端环2两端的电刷装置9引出，在通过电机机壳6内的电流输入通路601和电流输出通路602输送至电机机壳6外的接线端子603，向电机外输送直流电。

实施方式五：励磁部分结构、材料与具体实施方式一中所述完全相同，电枢部分采用特制的鼠笼式结构，应用了高温超导线材，其结构与应用常规导体的鼠笼式结构有明显差异。如附图11所示，特制鼠笼条导体11采用超导线材，外部包有杜瓦结构的双层外壳，鼠笼条导体（超导线材）杜瓦外层111与鼠笼条导体（超导线材）杜瓦内层112之间为真空，起到热绝缘的作用。特制的集电端环21也采用超导线材，外部包有杜瓦结构的双层外壳，集电端环（超导线材）杜瓦外层211与集电端环（超导线材）杜瓦内层212之间为真空，起到热绝缘作用。结构上，鼠笼条导体（超导线材）11与集电端环（超导线材）21应先装配一体，二者杜瓦结构为联通状态，在集电端环（超导线材）21与电机机壳6-连接处有液氮通路7。电机机壳6上方放置液氮储备制冷箱，通过电机机壳6与集电端环（超导线材）21之间的液氮通路7与集电端环（超导线材）21与鼠笼条导体（超导线材）11进行液氮的补给和循环。集电端环（超导线材）21两端分别接有电流输入端601和电流输出端602，通过电机机壳6内走线连接至电机机壳6外的接线端子603。电机整体结构剖面图如附图12所示，电机工作时，液氮储备制冷箱中液氮通过液氮输入通路701输送至集电端环（超导线材）21一端，通过各鼠笼条导体（超导线材）21流入集电端环（超导线材）21另一端，在通过液氮输出通路702送回液氮储备制冷箱形成循环，从而使电枢部分整体维持在超导态。外部原动机带动转轴5旋转，空心圆柱永磁体3随轴同步旋转产生空间旋转磁场，由于该磁场为单向、均匀、恒定旋转磁场，与电枢部分的鼠笼条导体（超导线材）11产生相对运动，导体切割磁力线产生感应直流电。因为导体为超导态，导体中电阻可忽略不计，因此电枢端使用超导线材时铜损几乎可忽略不计。产生的感应直流电通过集电端环21两端的电流输入通路601和电流输出通路602引出至电机机壳6外的接线端子603，向电机外输送直流电。

实施方式六：励磁部分与具体实施方式二完全相同，电枢部分鼠笼式结构需特殊设计，其结构如附图11所示。特别的，特制的鼠笼式结构电枢位于电枢部分，转轴需要特制，其液氮循环通路需要规划。特制转轴51内设置有液氮输入通路701和液氮输出通路702，其具体结构与附图7中所示基本相同。如附图13所示，特制的鼠笼式电枢部分包括鼠笼条导体（超导线材）11和集电端环（超导线材）21，电枢部分通过叠压的硅钢片41与特制转轴51紧密连接，特制转轴51内液氮输入通路701与集电端环（超导线材）21一端相连，液氮输出702与集电端环（超导线材）21另一端相连，特制转轴51内液氮通路另一端通过特制转轴51与连接装置8连通到液氮储备制冷箱，形成完整液氮循环通路，其中连接装置8起到特制转轴51与液氮储备制冷箱之间连接、紧固、密封的作用。电机工作时，特制转轴51一端与原动机相连同步旋转，另一端通过连接装置8与液氮储备制冷箱相连。液氮由液氮储备制冷箱流出，经由液氮输入通路701，通过特制转轴51中的通路流入集电端环（超导线材）21一端，通过鼠笼条导体（超导线材）11流入集电端环（超导线材）21另一端，再经由液氮输出通路702回到液氮储备制冷箱中，完成循环，该过程保证电枢部分中的超导线材始终稳定保持在超导态。电枢部分的鼠笼条导体（超导线材）11与特制转轴51同步旋转，与固定的空心圆柱永磁体3产生的空间静止磁场产生相对运动，鼠笼条导体（超导线材）11中产生感应直流电，通过集电端环21两端的电刷装置9将电流引出，通过电机机壳6内侧的电刷装置与电流输入通路601和电流输出通路602将电流引出至电机机壳6外的接线端子603，向电机外输送直流电。

实施方式七：励磁部分实施方式与具体实施方式三相同，电枢部分实施方式与具体实施方式五相同。

实施方式八：励磁部分实施方式与具体实施方式四相同，电枢部分与具体实施方式六相同。

实施方式九：励磁部分采用径向充磁的空心圆柱高温超导块材（YBCO）31，电枢部分鼠笼条导体11与集电端环21均采用高温超导线材，与具体实施方案三～具体实施方案八中不同在于，高温超导块材与高温超导线材不需要与杜瓦容器提前装配，考虑到电机内部励磁部分与电枢部分均使用高温超导材料，电机可以在额定容量下尺寸明显缩小，因此考虑电机内部使用高温超导块材与高温超导线材的励磁部分与电枢部分结构可以与使用常规材料的励磁部分与电枢部分相同，为了保证高温超导材料维持在超导态，可将电机外壳6进行特殊设计，将电机外壳6设计为杜瓦结构，即双层中间真空的绝热结构。这样，在电机机壳6上方放置液氮储备制冷箱，通过液氮输入通路701和液氮输出通路702直接将液氮送入电机内部，使得励磁部分和电枢部分的高温超导材料完全浸没在液氮中，长期、高效、稳定运行于超导状态，这样即简化了结构又节约了设计成本。特别的，当电机机壳6设计为双层中间真空式结构时，电机机壳6与转轴5之间应特殊设计，保证密封性与相应的热绝缘性，这需要对电机机壳6与转轴5的制作和装配工艺提高要求。电机整体效果图与附图10和附图12相似，只是励磁部分和电枢部分均为裸露的超导材料，工作原理与之前提到的相同结构的设计方案相同。

此外，对于以九种具体实施方式中，接线端子603可单独外接DC/DC变换器使输出的电压、电流符合用电设备要求，也可单独外接DC/AC逆变器，得到电网需要的交流电，还可以在直接在电机设计阶段，将电力电子设备直接集成于接线端子603输出端，这样本发明中的电机可任意选择单独运行、并网运行等方式，这将大大拓宽本发明的应用领域与应用场合。

以上提到的九个具体实施方式均以发电机为例提出并具体说明，但本专利所提出的结构和设计方法对于电动机完全实用，比如具体实施方式一～九中，转轴5端不接原动机而是直接接入螺旋桨或传动装置等，在接线端子603处通入直流电，即可作为直流电动机。由于电枢部分鼠笼式结构中每根鼠笼条导体1中电流方向均相同，而空心圆柱永磁体3所产生的磁场为单向、均匀、恒定磁场，因此当电枢中通入直流电时，每根1鼠笼条导体在磁场中所产生的电磁力方向均相同，其合成转矩就非常大，且电枢部分使用鼠笼条导体（超导线材）11时，基本解决了直流电动机电枢端电流密度的限制，可以获得比现有电机大得多的转矩。此外，由电磁力公式F=Bli可知，直流电动机调速可通过输入端电流大小控制，因此本发明中所提到的电机结构调速能力将优越于现有的各类大中型电机。本发明除了直流电动机普遍优势之外还克服了传统直流电动机的缺陷，具有低功耗、稳定性高、大转矩、能量转换率高、平滑调速、调速简单等特点。特别的，本发明中所提到的使用高温超导材料的实施方式中，解决了传统电机中的铁损、铜损、磁滞损耗和超导电机中最关键的交流损耗问题。

Claims (8)

1.一种无换向装置的直流电机，其特征是：包括外壳、电枢部分、励磁部分、转轴，电枢部分和励磁部分套装成工作部分后安装在外壳里，转轴穿过外壳和工作部分，工作部分的内层与转轴连接成一体随转轴转动，电枢部分包括鼠笼条导体、集电端环，鼠笼条导体插入到左右两个集电端环中，外壳内设置电流输入通路、电流输出通路，外壳外设置接线端子，电流输入通路、电流输出通路连接接线端子。

2.根据权利要求1所述的一种无换向装置的直流电机，其特征是：工作部分的内层为励磁部分，励磁部分为空心圆柱永磁体，励磁部分和转轴通过硅钢片相连，集电端环分别连接电流输入通路、电流输出通路。

3.根据权利要求1所述的一种无换向装置的直流电机，其特征是：工作部分的内层为励磁部分，励磁部分为空心圆柱高温超导磁体，励磁部分和转轴通过硅钢片或高强度非铁磁材料相连，集电端环分别连接电流输入通路、电流输出通路；所述的空心圆柱高温超导磁体包括由杜瓦外层和杜瓦内层组成的杜瓦容器，杜瓦外层和杜瓦内层之间为真空，杜瓦容器里设置高温超导块材，高温超导块材与杜瓦容器之间充有液氮；转轴的一端连接励磁液氮储备制冷箱，转轴里设置与励磁液氮储备制冷箱和杜瓦容器均连通的励磁液氮输入通路和励磁液氮输出通路；所述的励磁液氮输入通路为内螺纹结构，励磁液氮输出通路为外螺纹结构。

4.根据权利要求1所述的一种无换向装置的直流电机，其特征是：工作部分的内层为励磁部分，励磁部分为空心圆柱永磁体，励磁部分和转轴通过硅钢片相连，集电端环分别连接电流输入通路、电流输出通路；所述的鼠笼条导体和集电端环均为高温超导线材，鼠笼条导体外安装鼠笼条杜瓦容器，集电端环外安装集电端环杜瓦容器，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器均为内外层为杜瓦、中间为真空的结构，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器相连通，外壳上安装电枢液氮储备制冷箱，两个集电端环杜瓦容器分别通过电枢液氮输入通路和电枢液氮输出通路与电枢液氮储备制冷箱连通；所述的电枢液氮输入通路为内螺纹结构，电枢液氮输出通路为外螺纹结构。

5.根据权利要求1所述的一种无换向装置的直流电机，其特征是：工作部分的内层为电枢部分，工作部分的外层为空心圆柱永磁体的励磁部分，电枢部分通过硅钢片与转轴相连，外壳内部与两个集电端环对应的位置上安装电刷装置，电刷装置连接电流输入通路、电流输出通路。

6.根据权利要求1所述的一种无换向装置的直流电机，其特征是：工作部分的内层为电枢部分，工作部分的外层为空心圆柱高温超导磁体的励磁部分，电枢部分通过硅钢片与转轴相连，外壳内部与两个集电端环对应的位置上安装电刷装置，电刷装置连接电流输入通路、电流输出通路；所述的空心圆柱高温超导磁体包括由杜瓦外层和杜瓦内层组成的杜瓦容器，杜瓦外层和杜瓦内层之间为真空，杜瓦容器里设置高温超导块材，高温超导块材与杜瓦容器之间充有液氮；外壳上设置励磁液氮储备制冷箱，杜瓦容器通过励磁液氮输入通路和励磁液氮输出通路与励磁液氮储备制冷箱相连通。

7.根据权利要求1所述的一种无换向装置的直流电机，其特征是：工作部分的内层为电枢部分，工作部分的外层为空心圆柱永磁体的励磁部分，电枢部分通过硅钢片与转轴相连，外壳内部与两个集电端环对应的位置上安装电刷装置，电刷装置连接电流输入通路、电流输出通路；所述的鼠笼条导体和集电端环均为高温超导线材，鼠笼条导体外安装鼠笼条杜瓦容器，集电端环外安装集电端环杜瓦容器，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器均为内外层为杜瓦、中间为真空的结构，鼠笼条杜瓦容器和集电端环杜瓦容器相连通，转轴的一端连接电枢液氮储备制冷箱，转轴里设置与电枢液氮储备制冷箱和两个集电端环杜瓦容器连通的励磁液氮输入通路和励磁液氮输出通路。

8.根据权利要求1所述的一种无换向装置的直流电机，其特征是：所述的励磁部分为空心圆柱高温超导磁体，鼠笼条导体、集电端环均为高温超导线材，外壳为中间为真空的杜瓦结构，外壳里充有液氮，外壳上安装外壳液氮储备制冷箱，外壳内部通过外壳液氮输入通路和外壳液氮输出通路与外壳液氮储备制冷箱相连通。

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