CN1115131A - 一种单极交直流通用电机 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高导磁单极电机，利用高导磁材料所形成的磁回路将常导线圈(3)所产生的磁势在360°空间的圆柱面，垂直于电枢转子的气隙磁场，使线圈(3)磁势得到充分利用，同时通过转子线圈单向串联，在通孔中的载流导体受到磁屏蔽，而齿槽的载流导体在磁场中只一面受力，因而合成转力矩最大。适合于单相交直流电机。作电动机用时，可成为力矩电机。亦可作为发电机运行。
Description
本发明创造属于高导磁单极电机技术领域。
传统的单相电机的定子是由定子线圈、磁极、磁轭组成，有限的磁极极靴的面积决定了磁场的有效作用面积的大小，且气隙磁场按正弦规律分布，高次谐波分量大；同时因定子磁极的缘故，转子导体的利用率不高，仅处在磁极下的载流导体才能受到磁场的作用，这样，使得单相电机无论是功率转换效率，转矩的大小，材料的利用率等都达不到最佳状态。有鉴于此，专家提出超导电机的设计。如图1所示的两组线圈(5)为超导线圈，利用该线圈产生的极强气隙磁场，方向相反，这样在两线圈中间的气隙磁场是垂直于线圈轴线，空间分布为360°圆周垂直于外面的转子导体。目前，受超导材料本身的影响，这种电机只能作直流电机使用，这种设计虽然优点多，但实现很困难，且费用高。但这种磁路的设计思想值得借鉴。另外，圆盘形电枢直流伺服电机，如图2所示，它的定子是由永久磁铁(11)和前后磁轭(13)组成，电枢绕组线圈沿电枢圆盘(12)径向圆周排列，电流由径向流过圆盘表面与轴向磁场作用而产生转矩，气隙磁场在360°圆周与电枢正交。
本发明的目的是利高导磁材料作磁路，改变线圈磁势的分布，使之在360°圆柱面形成气隙磁磁场，提高气隙磁场的有效使用面积。
目的之二；使气隙磁场中转子载流体的利用效率最高，转子能获得最大的单向合成转矩。
本发明的任务通过以下技术路线实现的：定子磁极采用高导磁材料做成一对圆柱面磁极，分内磁极(1)和外磁极(2)的同轴圆柱体，定子线圈(3)是常导厚壁线圈装配在内磁极(1)和外磁极(2)之间；转子铁芯(4)是高导磁材料制成的圆柱体，且镶嵌在内磁极(1)和外磁极(2)之间，转子和定子的轴心线相重合，定子线圈所产生的磁势，经定子磁轭、气隙和电枢转子铁芯(4)形成闭合磁回路，当电机工作时，所有载流导体电流流向一致，转子电流经外电源由一对集电环而进入转子回路，取代换向器。
利用高导磁材料作磁回路，目的是充分利用磁路的高饱和值，同时使得气隙磁场方向在空间360°圆周上与转子载体正交。定子无特定磁极，磁极既是磁轭的一部分，也是定子的外壳。根据磁路定理ΦBm＝ζm/∑Rmi＋SRmo＝NIa/∑Rmi＋SRmo式中磁势ζm＝NIa
铁芯磁阻Rmi＝Li/μlμoSi
气隙磁阻Rmo＝INR2/R1/2πμoL1N为线圈匝数，Ia为励磁电流，
各段的磁场Bmi＝ΦBm/Si
从磁性材料的B-H曲线，查出对应于某一磁密B的H值。如磁路是气隙，则H＝Bmi/μo
为实现本目的之二，转子铁芯(4)设计成圆柱体面，在其轴向开有齿槽(7)及端部开通孔(8)，转子铁芯轴面上每一个齿槽(7)所对应的通孔(8)之间穿有导条(导线)形成一小线圈回路，众多的小线圈回路单向串联成转子线圈。
铁芯(4)采用高导磁材料，转子线圈均匀地分布在铁芯(4)圆周上。区别于传统电机转子线圈的整矩或短矩绕组，它一边分布在齿槽(7)中，而另一边则巧妙地安排在通孔(8)里，线圈两边电流的走向恰好相反。由于铁磁屏蔽作用，通孔(8)里的磁密为零。通孔(8)中的载流体将不受电磁力的作用，这样使得转子获得最大单向合成转矩，转子屏蔽的效果以磁屏蔽效率η来定义，η为背景场Ho与屏蔽场Hi之比值即η＝Ho/Hi显然η越大越好，以软磁圆筒形屏蔽罩为例，壁厚为t，长度为L，内半径为r，由于空气的磁导率接近1，而圆筒壁的磁导率μ＞＞1，因此外磁场的磁感应线将主要沿圆筒壁穿过，在圆筒中央空腔内，磁场将大大减弱。
当L＞＞8r时，则η1＝Ho/Hi≈μto/2r
如是两层屏蔽则有η2＝Ho/Hi＝μ1t1/2r1·μ2t2/2r2{1－(r1＋t1/r2)2}
本发明的转子设计，类似于单层圆筒形屏蔽。当选用电磁纯铁做屏蔽罩时，η1可达到2000，即是当气隙磁场为10000GS，则圆筒磁场仅为5GS。
本发明创造所产生的积极效果通过以上分析计算可看到，用高导磁材料作磁路，改变气隙磁场的作用方向，提高了磁场的有效使用面积；转子载流体获得最大电磁作用力，转子的合成转矩大大提高；该发明创造使电机结构简单，基本上都是圆筒形，使制造、维修方便，生产成本低。
以下结合附图进一步详细说明技术内容。
图1是已有技术超导线圈设计图。
图2是已有技术圆盘形电枢直流伺服电机结构示意图。
图3是本发明定子磁路设计方案图。
图4是本发明转子结构的剖面图。
设励磁电流为IQ，根据磁路定理可求出气隙平均磁密Bm，见图3、4，设方向如图中所示，转子电流为I，根据磁感应定理，转子载流体所受磁力为：f＝BIL f的方向向左，这样f力力图使转子逆时针方向旋转。设转子导体有N匝线圈，则转子转矩为：T＝N·BIL·D/2＝NI·BπDL/2π＝N/2π·Φm·I转矩常数Cm＝N/2π即有T＝CmΦmI
其机械特性计算如下：转子外加电源电压为V，转速为n，则感生电动势E＝NBLV＝NBL·nπD/60
∵Φm＝BLπD
∴E＝CenΦ＝N/60n·Φm 电势常数Ce＝N/60
V＝E＋I·R式中R为转子电内阻，D为转子直径。n＝V/CeΦm·I·R/CeΦm当I＝0时，即空载，n＝no＝V/CeΦm即空载转速。经以上计算该发明创造与直流电机的机械特性完全一致。
例举最佳实施例一，
图1中定子线圈(3)是常导厚壁线圈，定子铁芯既是磁轭部分，又是定子的外壳部分，常导厚壁线圈，可以予先绕好成形后再装到定子磁回路，加工方便。转子铁芯用高导磁材料冲片叠制成一个圆柱体(4)，镶嵌在内磁极(1)和外磁极(2)之间，其轴线重合，转子柱面轴向开有齿槽(7)以及端部开有通孔(8)，载流导线从通孔(8)通过，在通孔(8)中的载流导体受到铁芯磁屏蔽，而在齿槽(7)中的载流导线将受到磁场力作用，转子线圈回路是一个单一串联回路，所以当线圈中有电流通过时，所受到的磁力作用大小相等，且转子表面受力均匀。气隙磁场也很均匀，而且谐波分量较小，电机噪音很小，震动小。气隙磁场在360°圆周上与转子导条或导线完全正交。当转子线圈中通电流时，转子因受到切向磁场力的作用而旋转。这种电机作用为发电机运行时，定子需要有剩磁或予先给定子励磁。此种电机主要作直流电动机运行，特别适于作力矩电机，它的优点是电磁转矩大，无振动，低噪音，高效率。
例二本发明创造中转子圆筒铁芯(4)加工成两部分，按紧配合设计，使通孔(8)与内部圆柱面相切，并将通孔(8)切开小口，这样转子线圈很容易绕制，绕制好转子线圈后，将内外两个部分装配成一个转子结构整体，不管转子处于空中任何位置，它都不会影响电机的正常启动；特别是作电动机运行时，它不用电容移相或附加启动绕组，电机也能正常启动。
Claims (4)
1. 一种单极交直流通用电机，定子由定子磁轭、线圈、磁极组成，转子由铁芯和转子线圈组成，其特征是：定子磁极用高导磁材料做成一对圆柱面磁极，分内磁极(1)和外磁极(2)的同轴圆柱体，定子线圈(3)是常导厚壁线圈装配在定子内磁极(1)和外磁极(2)之间；转子铁芯(4)是高导磁材料制成的圆柱体，且镶嵌在内磁极(1)和外磁极(2)之间；转子和定子的轴心线相重合，定子线圈所产生的磁势经定子磁轭、气隙及电枢转子铁芯(4)，形成闭合回路，当电机工作时，所有载流导体电流流向一致，转子电流经外电源由一对集电环而进入转子回路，取代换伺器。
2. 根据权利要求1所述的单极交直流通用电机，其特征是：转子铁芯(4)圆柱体面轴向开有齿槽(7)及端部开通孔(8)，轴面上每一个齿槽(7)所对应通孔(8)之间的小线圈回路单向串联而成转子线圈。
3. 根据权利要求1、2所述的单极交直流通用电机，其特征是：高导磁回路将常导定子线圈(3)产生的磁势形成360°空间圆柱面垂直于转子气隙空间，转子处于任一位置均能启动，且取代任何启动装置。
4. 根据权利要求2所述的单极交直流通用电机，其特征是：转子铁芯(4)圆筒部分加工成内外两部分，密切配合，使通孔(8)与内部圆柱面相切，将通孔(8)切开小口。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 93108129 CN1115131A (zh) | 1993-07-09 | 1993-07-09 | 一种单极交直流通用电机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 93108129 CN1115131A (zh) | 1993-07-09 | 1993-07-09 | 一种单极交直流通用电机 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1115131A true CN1115131A (zh) | 1996-01-17 |
Family
ID=4987018
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 93108129 Pending CN1115131A (zh) | 1993-07-09 | 1993-07-09 | 一种单极交直流通用电机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1115131A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100449908C (zh) * | 2001-07-31 | 2009-01-07 | 雅马哈发动机株式会社 | 旋转电机 |
| CN110085894A (zh) * | 2018-05-18 | 2019-08-02 | 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 | 一种燃料电池及其发动机 |
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1993
- 1993-07-09 CN CN 93108129 patent/CN1115131A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100449908C (zh) * | 2001-07-31 | 2009-01-07 | 雅马哈发动机株式会社 | 旋转电机 |
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| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
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