CN109474087B - 一种单极电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单极电机，包括机壳，机壳的两端分别安装有一个端盖，机壳内安装有与端盖转动连接的转轴，转轴上固定安装有转子，机壳内安装有与转子对应的定子，转子和定子之间设置有气隙；定子包括至少一个定子芯，定子芯面向转子的一侧排列设置有多个沿转轴的轴向延伸的导磁内齿，定子芯远离转子的一侧排列设置有向外倾斜延伸的导磁外齿，定子芯上设置有电枢绕组，导磁内齿上设置有多个与转轴垂直的内齿槽口；当转轴转动时，定子芯内的磁场是稳恒磁场，没有铁损，由于电枢绕组中的每匝线圈都产生同方向的电动势，串联后产生的电压很高，电流很小，电机容量大，效率高，价格低，使用可靠。

Description

一种单极电机

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种单极电机。

背景技术

1831年，法拉第发现了电磁感应现象，不久，他又利用电磁感应原理发明了世界上第一台发电机——法拉第圆盘发电机，经过一百多年的改进和发展，形成了现代结构的单极电机。目前，单极电机在冶炼及电化学行业中获得广泛应用。然而，由于单极电机输出的电压低，一般的输出电压只有几伏或十几伏，输出电流大，一般的输出电流可达几百安、几千安，甚至上万安，致使电刷温度高，损耗大，磨损快，且不能用于机械拖动，因此，其应用范围受到了很大限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种输出电压高、电流小、使用稳定可靠、且能用于机械拖动的单极电机。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种单极电机，包括机壳，所述机壳的两端分别安装有一个端盖，所述机壳内安装有与所述端盖转动连接的转轴，所述转轴上固定安装有转子，所述机壳内安装有与所述转子对应的定子，所述转子和所述定子之间设置有气隙；

所述定子包括至少一个定子芯，所述定子芯面向所述转子的一侧排列设置有多个沿所述转轴的轴向延伸的导磁内齿，所述定子芯远离所述转子的一侧排列设置有向外倾斜延伸的导磁外齿，所述定子芯上设置有电枢绕组，所述导磁内齿上设置有多个与所述转轴垂直的内齿槽口。

作为一种优选的技术方案，所述转子包括与所述转轴一体成型的导磁轴，所述导磁轴上安装有与所述定子芯一一对应的磁极。

作为一种优选的技术方案，所述磁极为环形磁铁。

作为一种优选的技术方案，所述磁极包括与所述导磁轴一体成型的绕组端子，所述绕组端子上设置有励磁绕组。

作为一种优选的技术方案，所述定子包括一个定子芯，所述导磁外齿成对设置在在所述定子芯上且所述导磁外齿自所述定子芯的中间向两侧外部倾斜延伸，所述导磁外齿的自由端部顶靠在两侧的所述端盖上，所述端盖为导磁端盖；

所述端盖靠近所述转子的内端设置有向所述转子延伸的导磁环，所述导磁环上设置有端盖槽口，所述端盖槽口的延伸方向与所述转子的轴向相同。

作为一种优选的技术方案，所述定子包括至少两个定子芯，所述导磁外齿成对设置在在所述定子芯上且所述导磁外齿自所述定子芯的中间向两侧外部倾斜延伸，相邻两个所述定子芯之间的导磁外齿相连，最外侧所述定子芯的所述导磁外齿的自由端部顶靠在两侧的所述端盖上，所述端盖为导磁端盖；

所述端盖靠近所述转子的内端设置有向所述转子延伸的导磁环，所述导磁环上设置有端盖槽口，所述端盖槽口的延伸方向与所述转子的轴向相同。

作为一种优选的技术方案，所述定子包括至少两个定子芯，所述定子芯的导磁外齿向一侧的外部倾斜延伸，相邻两个所述定子芯的所述导磁外齿相连。

作为一种优选的技术方案，所述转子包括与所述转轴一体成型的导磁轴，所述导磁轴上设置有与所述定子芯一一对应的凸环，所述凸环兼做磁极，相邻两个所述凸环之间设置有励磁线圈，所述转轴上安装为所述励磁线圈供电的电刷。

作为一种优选的技术方案，所述转轴与所述端盖之间安装有转动轴承。

作为一种优选的技术方案，所述电枢绕组安装在所述定子芯上且从相邻的所述导磁内齿之间和相邻的导磁外齿之间穿过。

由于采用了上述技术方案，一种单极电机，包括机壳，所述机壳的两端分别安装有一个端盖，所述机壳内安装有与所述端盖转动连接的转轴，所述转轴上固定安装有转子，所述机壳内安装有与所述转子对应的定子，所述转子和所述定子之间设置有气隙；所述定子包括至少一个定子芯，所述定子芯面向所述转子的一侧排列设置有多个沿所述转轴的轴向延伸的导磁内齿，所述定子芯远离所述转子的一侧排列设置有向外倾斜延伸的导磁外齿，所述定子芯上设置有电枢绕组，所述导磁内齿上设置有多个与所述转轴垂直的内齿槽口；当转轴转动时，定子芯内的磁场是稳恒磁场，没有铁损，由于电枢绕组中的每匝线圈都产生同方向的电动势，串联后产生的电压很高，电流很小，电机容量大，效率高，价格低，使用可靠。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例二的结构示意图；

图3是本发明实施例三的结构示意图；

图中：11-机壳；12-端盖；13-导磁环；14-端盖槽口；21-转轴；22-转动轴承；23-导磁轴；24-气隙；31-定子芯；32-导磁内齿；33-导磁外齿；34-电枢绕组；35-内齿槽口；4-磁极；51-励磁线圈；52-电刷。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，一种单极电机，包括机壳11，所述机壳11的两端分别安装有一个端盖12，所述机壳11内安装有与所述端盖12转动连接的转轴21，所述转轴21与所述端盖12之间安装有转动轴承22。所述转轴21上固定安装有转子，所述机壳11内安装有与所述转子对应的定子，所述转子和所述定子之间设置有气隙24；

所述定子包括至少一个定子芯31，所述定子芯31面向所述转子的一侧排列设置有多个沿所述转轴21的轴向延伸的导磁内齿32，所述定子芯31远离所述转子的一侧排列设置有向外倾斜延伸的导磁外齿33，所述定子芯31上设置有电枢绕组34，所述电枢绕组34安装在所述定子芯31上且从相邻的所述导磁内齿32之间和相邻的导磁外齿33之间穿过。所述导磁内齿32上设置有多个与所述转轴21垂直的内齿槽口35。

实施例一：

如图1所示，所述转子包括与所述转轴21一体成型的导磁轴23，所述导磁轴23上安装有与所述定子芯31一一对应的磁极4。所述磁极4为环形磁铁。作为另一种具体实施方式，所述磁极4包括与所述导磁轴23一体成型的绕组端子，所述绕组端子上设置有励磁绕组。

所述定子包括至少两个定子芯31，所述导磁外齿33成对设置在在所述定子芯31上且所述导磁外齿33自所述定子芯31的中间向两侧外部倾斜延伸，相邻两个所述定子芯31之间的导磁外齿33相连，最外侧所述定子芯31的所述导磁外齿33的自由端部顶靠在两侧的所述端盖12上，所述端盖12为导磁端盖12；

所述端盖12靠近所述转子的内端设置有向所述转子延伸的导磁环13，所述导磁环13上设置有端盖12槽口，所述端盖12槽口的延伸方向与所述转子的轴向相同。相邻定子芯31上的电枢绕组34构成电连接。

工作原理：如图2所示，转轴21上设有的环形磁极4激发磁场，相邻的磁极4产生的磁场方向相反。磁极4产生的一部分磁场，经定子与转子之间留有的气隙24→定子芯31的导磁内齿32→定子芯31→导磁外齿33→端盖12→回到磁极4，另一部分经定子与转子之间留有的气隙24→定子芯31的导磁内齿32→定子芯31→导磁外齿33→相邻定子芯31的导磁外齿33→定子芯31→导磁内齿32→气隙24，到相邻的磁极4，然后回到本磁极4，形成闭合回路。当转轴21在外力矩作用下转动时，定子芯31的相邻导磁内齿32和相邻导磁外齿33间的槽内装有的电枢绕组34切割磁力线，根据法拉第电磁感应定律，两者产生的电动势方向相同，但相邻导磁内齿32间的槽内装有的电枢绕组34垂直切割磁力线，而相邻导磁外齿33间的槽内装有的电枢绕组34非垂直切割磁力线，因而两者产生的电动势大小不相等，前者大于后者，叠加后电枢绕组34中产生电动势，方向与相邻导磁内齿32间的槽内装有的电枢绕组34产生的电动势方向相同，因而电枢绕组34中产生直流电流，这是单极直流发电机原理。同理，如果电枢绕组34中输入直流电流，根据安培定律，定子芯31相邻导磁内齿32和相邻导磁外齿33间的槽内装有的电枢绕组34受安培力作用，根据安培定理，靠近和远离转轴21的电枢绕组34中的电流对转轴21的力矩方向相反，大小不相等，前者大于后者，叠加后转轴21的转向与靠近转轴21的电枢绕组34中的电流对转轴21的力矩方向相同，由于定子芯31不动，所以转轴21转动，这是单极直流电动机的工作原理。

由于电枢绕组34中感应的是直流电流，磁极4产生的磁场是稳恒磁场，因而当转轴21转动时，定子芯31内的磁场是稳恒磁场，因而电机内没有铁损，又因流经电枢绕组34中的电流是直流，产生的损耗是直流铜损。由于电枢绕组34中的每匝线圈都产生同方向的电动势，串联后产生的电压很高，电流很小，所以它比现代结构的单极电机输出的电压高、电流小、电机容量大、效率高、价格低，使用可靠，既可以作为发电机，输出直流电流，又可以作为电动机用于机械拖动，适用范围广泛。

在本实施例中，端盖12、定子芯31、转轴21用电磁纯铁、硅钢及低碳钢等软磁性材料制作，机壳11用铝合金等非磁性材料制作，磁极4为环形永磁体，轴承用非磁性材料制作，导磁内齿32开口处可以用磁性槽泥或者磁性槽楔封口。

在本实施例中，作为发电机使用时，定子绕组可以引出多个输出端输出直流电流。

为了满足不同的输出功率需求，可以对固定在转子上的磁极4和定子芯31的数量进行扩展，扩展后多个相邻磁极4的极性相反，多个缠绕在定子铁芯上相邻电枢绕组34的首尾反向电连接，即假定电枢绕组34都顺时针绕制，则第一个电枢绕组34(从左到右)的末端与第二个电枢绕组34的末端电连接，第二个电枢绕组34的首端与第三个电枢绕组34的首端电连接，以此类推，最后，第一个电枢绕组34的首端与最后一个电枢绕组34的端线构成电机的出线端。

实施例二：

如图2所示，所述转子包括与所述转轴21一体成型的导磁轴23，所述导磁轴23上安装有与所述定子芯31一一对应的磁极4。所述磁极4为环形磁铁。

所述定子包括一个定子芯31，所述导磁外齿33成对设置在在所述定子芯31上且所述导磁外齿33自所述定子芯31的中间向两侧外部倾斜延伸，所述导磁外齿33的自由端部顶靠在两侧的所述端盖12上，所述端盖12为导磁端盖12；

所述端盖12靠近所述转子的内端设置有向所述转子延伸的导磁环13，所述导磁环13上设置有端盖12槽口，所述端盖12槽口的延伸方向与所述转子的轴向相同。

本实施例结构简单，使用可靠，能够满足电压需求低的场合使用。

实施例三：

如图3所示，所述定子包括至少两个定子芯31，所述定子芯31的导磁外齿33向一侧的外部倾斜延伸，相邻两个所述定子芯31的所述导磁外齿33相连。所述转子包括与所述转轴21一体成型的导磁轴23，所述导磁轴23上设置有与所述定子芯31一一对应的凸环，所述凸环兼做磁极4，相邻两个所述凸环之间设置有励磁线圈51，所述转轴21上安装为所述励磁线圈51供电的电刷52。

本实施例与实施例一的区别是：

1、设置励磁线圈51产生磁场，励磁线圈51由电刷52供电；

2、磁场回路不经过端盖12。

励磁线圈51产生的磁场，由磁极4经定子与转子之间留有的气隙24→定子芯31的导磁内齿32→定子芯31→导磁外齿33→相邻的定子芯31的导磁外齿33→定子芯31→导磁内齿32→气隙24→相邻的磁极4→导磁轴23→回到原磁极4，形成闭合回路。为了满足不同的输出功率需求，也可以对固定在转子上的励磁线圈51和定子芯31的数量进行扩展，扩展后的多个相邻的磁极4极性相反，多个缠绕在定子芯31上相邻电枢绕组34的线端首尾反向电连接。

在本实施例中，定子芯31、磁极4和转轴21用电磁纯铁、硅钢及低碳钢等软磁性材料制作，机壳11和端盖12用铝合金等非磁性材料制作。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种单极电机，包括机壳，所述机壳的两端分别安装有一个端盖，所述机壳内安装有与所述端盖转动连接的转轴，其特征在于：所述转轴上固定安装有转子，所述机壳内安装有与所述转子对应的定子，所述转子和所述定子之间设置有气隙；

所述定子包括至少两个定子芯，所述定子芯面向所述转子的一侧排列设置有多个沿所述转轴的轴向延伸的导磁内齿，所述定子芯远离所述转子的一侧排列设置有向外倾斜延伸的导磁外齿，所述导磁外齿成对设置在在所述定子芯上且所述导磁外齿自所述定子芯的中间向两侧外部倾斜延伸，相邻两个所述定子芯之间的导磁外齿相连，最外侧所述定子芯的所述导磁外齿的自由端部顶靠在两侧的所述端盖上，所述端盖为导磁端盖；所述定子芯上设置有电枢绕组，所述导磁内齿上设置有多个与所述转轴垂直的内齿槽口；

所述端盖靠近所述转子的内端设置有向所述转子延伸的导磁环，所述导磁环上设置有端盖槽口，所述端盖槽口的延伸方向与所述转子的轴向相同；

所述转子包括与所述转轴一体成型的导磁轴，所述导磁轴上安装有与所述定子芯一一对应的磁极。

2.如权利要求1所述的单极电机，其特征在于：所述磁极为环形磁铁。

3.如权利要求1所述的单极电机，其特征在于：所述磁极包括与所述导磁轴一体成型的绕组端子，所述绕组端子上设置有励磁绕组。

4.如权利要求1所述的单极电机，其特征在于：所述转轴与所述端盖之间安装有转动轴承。

5.如权利要求1至4任一权利要求所述的单极电机，其特征在于：所述电枢绕组安装在所述定子芯上且从相邻的所述导磁内齿之间和相邻的导磁外齿之间穿过。

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