CN1138239A - 双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达 - Google Patents

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Abstract

本发明的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达主要为一种非叠绕而可无限延展排列构成的直流电枢绕组，不仅可适用于回转型直流机，特别是适用于线型直流电机，以及不仅适用于马达亦适用于发电机。

Description

双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达
本发明涉及双侧交错导流非封闭电枢绕组直流马达。
传统直流电机通常由叠绕组(lap winding)或波绕组(wavewinding)所构成，无论何种绕组皆须回归换向片的起点而呈封闭状并回归单侧设置的换向器。
本发明的目的是提供双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，主要为揭示一种可无限延展排列构成双侧交错导流的直流电枢绕组，不仅可适用于回转型直流电机，特别是适用于线型直流电机，以及不仅适用于马达亦适用于发电机。
本发明的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的构成主要包括：
电枢绕组为呈两侧独立连接换向片的条状或圈状导体，在运动中沿切割磁场的方向连续排列，每组电枢绕组两侧分别具有换向片；
垂直于导体方向至少设有一组磁极或至少一对以上磁极垂直迎向电枢绕组；
磁路包括由磁极及与磁极相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体(或相对极性的磁极)所构成，两者之间供设置电枢绕组；
磁场与电刷组共同设置于同一体(运动体或固定体)；
电枢和磁极的匹配与电枢的输出接线有关，包括并联法与串联法。
以下配合附图详细说明本发明的特征及优点：
图1为此项双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的并联式线型电动机实施例。
图2为此项双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的串联式线型电动机实施例。
图3A为由多组齿状铁芯构成第二导磁体应用于图1结构的X-X剖示图。
图3B为由多组齿状铁芯构成第二导磁体应用于图1结构的Y-Y剖示图。
图4A为由平面铁芯构成第二导磁体应用于图1结构的X-X剖示图。
图4B为由平面铁芯构成第二导磁体应用于图1结构的Y-Y剖示图。
图5A为由相异性磁极构成第二导磁体应用于图1结构的X-X剖示图。
图5B为由相异性磁极构成第二导磁体应用于图1结构的Y-Y剖示图。
图6为此项双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流电动机的并联接线回转式马达应用例的正视图。
图7为图6的右视图。
图8为图6的左视图。
图9为此项双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的单独圈绕的绕组分布示意图。
图10为此项双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的交错圈绕的绕组分布示意图。
A1，A2，A3，A4……An-1，An-电枢绕组
B101，B102，B103，B104，B105，B106，B107——电刷
B201，B202，B203，B204，B205，B206，B207——电刷
CL1，CL2，CL3，CL4……CLn-2，CLn-1，CLn——换向片
CR1，CR2，CR3，CR4……CRn-2，CRn-1，CRn——换向片
M100——磁路铁芯
P100，P101——磁极
601，602——磁极
603，604——电刷
605，606——辅助电刷
607，608——换向片
609——圆筒状转子
610——电枢绕组
如图1所示为双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的并联式线型电动机实施例，图中主要包括：
垂直于导体方向至少设有一组磁极或至少一对以上磁极垂直迎向电枢绕组；
磁路包括由磁极及与磁极相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体(或相对极性的磁极)所构成，两者之间供设置电枢绕组
磁场与电刷组共同设置于同一体(运动体或固定体)，与电枢绕组作相对运动，磁场可来自于电流激磁或永磁式磁场；
电枢绕组A1～An为顺序排列，其两端分别连接换向片CR1～CRn及CL1～CLn，电枢绕组的数目不受所耦合设有电刷及磁极的互动体长度的限制而可无限增加；
至少两组电刷组成90°电机角度差，分别耦合于电枢绕组两侧的换向片上，电刷组的最窄宽度为能与另一侧电刷组同时导通至少一组的电枢绕组；电刷组最大宽度为略窄于180°电机角度，以能与另一侧电刷组(或两组)同时导通180°所涵盖的电枢绕组，使其所涵盖电枢绕组在正常情形下分别呈不同电流流向，以与其所分别耦合磁场的磁力线产生反电势(BMF)或电动机的作用。
上述图1所示的并联式电动机的应用例中，正电流由电刷B101进入，经电枢绕组A1～A4，再经电刷B102逆向流过电枢绕组A5～A8流至电刷B103，再通往负极而往下延伸，电刷B101及B105共同并联于同一电极，电刷B103及B107共同并联于另一电极，B102、B104、B106作为引流辅助电刷，而呈并联式的线型电动机状态。
图2所示为双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的串联式线型电动机实施例，图中包括：
垂直于导体方向至少一组磁极或至少一对磁极垂直迎向电枢绕组；
磁路包括由磁极及与磁极相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体(或相对极性的磁极)所构成，两者之间供设置电枢绕组；
磁场与电刷组共同设置于同一体(运动体或固定体)，与电枢绕组作相对运动；
电枢绕组A1～An为顺序排列，其两端分别连接换向片CR1～CRn及CL1～CLn，电枢绕组的数目不受所耦合设有电刷及磁极的互动体长度的限制而可无限增加；
至少两组电刷组成180°电机角度差，分别耦合于电枢绕组两侧的换向片上，电刷组的最窄宽度为能与另一侧电刷组同时导通至少一组的电枢绕组；电刷组最大宽度为略窄于360°电机角度，以能与另一侧电刷组(或两组)同时导通360°所涵盖的电枢绕组，使其所涵盖电枢绕组在正常情形下分别呈不同电流流向，以与其所分别耦合磁场的磁力线产生反电势(EMF)或电动机的作用。
上述图2所示的串联式电动机的应用例中，正电流由电刷B201进入，经电枢绕组A1～A4，经电刷B202改变方向流过电枢绕组A5～A8至电刷B203，再改变方向流过电枢绕组A9～A12至电刷B204，再改变方向流经电枢绕组A21～A24至最后一组电刷B207接至负电极，而成串联式的线型电动机状态。
前述图1及图2所示的磁路结构型态包括由磁极及与磁极相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体两者之间供设置电枢绕组，上述第二导磁体的构造包括如下结构型态：
(1)构成第二导磁体的磁路铁芯M100由具有共同根部的多组齿状铁芯排列而成，与磁极P100相对构成磁路，而各齿状铁芯间供嵌入电枢绕组A1～An，此状态下电枢绕组与齿状磁路铁芯共同被驱动，图3A为此项电枢绕组直流马达的磁路铁芯采用具有供嵌入电枢绕组的导体槽结构的X-X剖视图；图3B为此项电枢绕组直流马达的磁路铁芯采用具有供嵌入电枢绕组的导体槽结构的Y-Y剖视图。
(2)电枢绕组呈薄片状排列，则构成第二导磁体的磁路铁芯呈平板状耦合面置于电枢绕组的底部(非朝向磁极P100的一侧)，而固定或与电枢同一体以与磁极P100作相对驱动，如图4A为此项电枢绕组直流马达的磁路铁芯沿图1电枢绕组背面的X-X线截取的剖视结构示意图；图4B为此项电枢绕组直流马达的磁路铁芯沿图1电枢绕组背面的Y-Y线截取的剖视结构示意图。
(3)电枢的另一面设有与磁场磁极P100相对的异极性磁极P101及磁路以构成第二导磁体，并与原磁场磁极P100构成共同结构体，而与电枢绕组作相对运动，如图5A为此项电枢绕组直流马达采用夹设于电枢绕组两侧的磁极及磁路所构成的X-X剖视结构示意图；图5B为此项电枢绕组直流马达采用夹设于电枢绕组两侧的磁极及磁路所构成的Y-Y剖视结构示意图。
在上述并联式与串联式线型电动机应用例中，可藉著磁极极轴与同电流流向电枢绕组的中线轴间为同轴或依电枢反应作领前或滞后的调整，根据此项领前或滞后而决定发电机或电动机的电枢反应方向。
此外，上述电刷组与磁极的结构可进一步制成可作相对电机角的驱动调整，包括用机械式位移机构以构成或对设置于不同电机角的绕组激磁，藉上述磁极与同电流流向电枢绕组原中线轴的领前(或滞后)角度的调整，使运动体与静体间的互斥力或互吸力作相对的大小调整，由于其推进与浮升或吸引力来自同一动力源，特别适用于例如高速电动轨道列车驱动，并可将电刷与电枢绕组的换向片间制成具有能适应其上下位移调整的弹性耦合结构；上述电枢反应或运动体与静体间互斥力(或吸引力)所需的同电流流向电枢绕组的中线轴与磁极极轴的领前或滞后角度可为藉移动磁极或移动电刷组而达成。
前述图1及图2的实施例中，导体与磁极间的运动介面型态包括：
导体为直线状并与磁极极面平行，且与运动方向呈90°交叉角或增加或减少若干度呈斜角或呈V型或其他曲线状结构以减少推力的脉动。
导体与磁极相对运动的耦合面形状，以运动方向的垂直断面视之，可为呈直线或V型、U型、W型、M型、 型、 型或其他曲线型状，以配合各种不同场合的需求。
此外，在回转式的应用中，由于转子形成一圆形结构(圆筒形或盘形或锥形转子及相对磁极的定子)，仅适用于并联法，如图6、7、8为此项双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的并联接线回转式马达应用例，图中圆筒状转子609具有纵向分布电枢绕组610，两端分别通往换向片607、608；至少两组输出入电刷组603、604分别涵盖贴合近180°电机角的换向片，前两组电刷问的间隙需大于单一换向片的宽度以避免短路；另有相同组数的辅助电刷605、606与前述输出入电刷间呈90°电机角度差设置而涵盖贴合近180°电机角的换向片，前两组电刷间的间隙需大于单一换向片的宽度以避免短路；磁场磁极601、602可为外激式或以永久磁铁构成，在不计换向角下，其极轴与输出入电刷轴线相叠合。
此项双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达的各种应用中，双侧导流的电枢绕组除呈单一导体双侧导流的结构特征型态外，亦可进一步保有双侧导流的特征而将绕组呈多匝圈绕而各绕组顺序互叠，其圈绕的方式包含：
单独圈绕经相邻异极性磁极的相同机械角的位置呈全节距分布(如图9)，或略小于相同机械角的位置分布；
依序交错圈绕设多组相邻磁极的相同机械角的位置呈全节距分布(如图10)，或略小于相同机械角的位置分布。

Claims (9)

1.一种双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达主要包括：
电枢绕组为呈两侧独立连接换向片的条状或圈状导体，在运动中沿切割磁场的方向连续排列，每组电枢绕组两侧分别具有换向片；
垂直于导体方向至少设有一组磁极或至少一对以上磁极垂直朝向电枢绕组；
磁路由磁极及与磁极相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体(或相对极性的磁极)所构成，两者之间供设置电枢绕组；
磁场与电刷组共同设置于同一体(运动体或固定体)；
电枢与磁极的匹配与电枢的输出接线有关，包括并联法与串联法。
2.如权利要求1所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，应用于并联式线型电动机，其特征在于主要构成包括：
垂直于导体方向至少设有一组磁极或至少一对以上磁极垂直朝向电枢绕组；
磁路由磁极及与磁极相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体(或相对极性的磁极)所构成，两者之间供设置电枢绕组；
磁场为与电刷组共同设置于同一体(运动体或固定体)，与电枢绕组作相对运动，磁场可来自于电流激磁或永磁式磁场；
电枢绕组A1～An为顺序排列，其两端分别连接换向片CR1～CRn及CL1～CLn，电枢绕组的数目不受所耦合设有电刷及磁极的互动体长度的限制而可无限增加；
至少两组电刷组成90°电机角度差，分别耦合于电枢绕组两侧的换向片上，电刷组的最窄宽度为能与另一侧电刷组同时导通至少一组的电枢绕组；电刷组最大宽度为略窄于180°电机角度，以能与另一侧电刷组(或两组)同时导通180°所涵盖的电枢绕组，使其所涵盖电枢绕组在正常情形下分别呈不同电流流向，以与其所分别耦合磁场的磁力线产生反电势(EMF)或电动机的作用。
3.如权利要求1所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，应用于串联式线型电动机，其特征在于包括：
垂直于导体方向至少一组磁极或至少一对磁极垂直朝向电枢绕组；
磁路包括由磁极及与磁极相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体(或相对极性的磁极)所构成，两者之间供设置电构绕组；
磁场为与电刷组共同设置于同一体(运动体或固定体)，与电枢绕组作相对运动；
电枢绕组A1～An为顺序排列，其两端分别连接换向片CR1～CRn及CL1～CLn，电枢绕组的数目不受所耦合设有电刷及磁极的互动体长度的限制而可无限增加；
至少两组电刷组成180°电机角度差，分别耦合于电枢绕组两侧的换向片上，电刷组的最窄宽度为能与另一侧电刷组同时导通至少一组的电枢绕组；电刷组最大宽度为略窄于360°电机角度，以能与另一侧电刷组(或两组)同时导通360°所涵盖的电枢绕组，使其所涵盖电枢绕组在正常情形下分别呈不同电流流向，以与其所分别耦合磁场的磁力线产生反电势(EMF)或电动机的作用。
4.如权利要求1，2或3所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，其特征在于其磁路结构型态由磁极及与磁极作相对设置以共同构成封闭磁路的第二导磁体所构成，两者之间供设置电枢绕组，上述第二导磁体的构造包括如下结构型态：
(1)构成第二导磁体的磁路铁芯M100由具有共同根部的多组齿状铁芯排列而成，与磁极P100相对构成磁路，而各齿状铁芯间供嵌入电枢绕组A1～An，此状态下电枢绕组与齿状磁路铁芯共同被驱动；
(2)电枢绕组呈薄片状排列，则构成第二导磁体的磁路铁芯呈平板状耦合面置于电枢绕组的底部(非朝向磁极P100一侧)，而为固定或与电枢同一体以与磁极P100作相对驱动；
(3)电枢的另一面设有与磁场磁极P100相对的异极性磁极P101及磁路以构成第二导磁体，并与原磁场磁极P100构成共同结构体，而与电枢绕组作相对运动。
5.如权利要求1，2或3所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，其特征在于可藉着磁极极轴与同电流流向电枢绕组的中线轴间为同轴或依电枢反应作领前或滞后的调整，根据此项领前或滞后而决定发电机或电动机的电枢反应方向；其电刷组与磁极结构可进一步制成可作相对电机角的驱动调整，包括用机械式位移机构以构成或对设置于不同电机角的绕组激磁以达成，藉上述磁极与同电流流向电枢绕组的中线轴的领前(或滞后)角度的调整，以使运动体与静体间的互斥力或吸力作相对的大小调整，由于其推进与浮升或吸引力来自同一动力源，特别适用于例如高速电动轨道列车驱动，并可将电刷与电枢绕组的换向片间制成具有能适应其上下位移调整的弹性耦合结构；上述电枢反应或运动体与静体间互斥力(或吸引力)所需的同电流流向电枢绕组的中线轴与磁极极轴中领前或滞后角度可藉移动磁极或移动电刷组而达成。
6.如权利要求1，2或3所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，其特征在于其导体与磁极间的运动介面型态包括：
导体为直线状并与磁极极面平行，且与运动方向呈90°交叉角或增加或减少若干度呈斜角或呈V型或其他曲线状结构以减少推力的脉动；
导体与磁极相对运动的耦合面形状，以运动方向的垂直断面视之，可为呈直线或V型、U型、W型、M型、
Figure A9510646000041
型、 型或其他曲线型状，以配合各种不同场合的需求。
7.如权利要求1所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，其特征在于在回转式的应用中，由于转子形成一圆形结构(圆筒形或盘形或锥形转子及相对磁极的定子)，仅适用于并联法，其主要构成包括：圆筒状转子609具有纵向分布电枢绕组610，两端分别通往换向片607、608；至少两组输出入电刷组603、604分别涵盖贴合近180°电机角的换向片，前两组电刷间的间隙需大于单一换向片的宽度以避免短路；另有相同组数的辅助电刷605、606与前述输出入电刷间呈具90°电机角度差设置而涵盖贴合近180°电机角的换向片，前两组电刷间的间隙需大于单一换向片的宽度以避免短路；磁场磁极601、602可为外激式或以永久磁铁构成，在不计换向角下，其极轴与输出入电刷轴线相叠合。
8.如权利要求1，2，3，4，5，6或7所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达，其特征在于其电枢绕组除呈单一导体双侧导流的结构特征型态外，亦可进一步保有双侧导流的特征而将绕组呈多匝圈绕而各绕组顺序互叠，其圈绕的方式含：
单独圈绕经相邻异极性磁极的相同机械角的位置呈全节距分布或略小于相同机构角的位置分布；
依序交错圈绕设于多组相邻磁极的相同机构角的位置呈全节距分布或略小于相同机械角的位置分布。
9.如权利要求1所述的双侧交错导流非封闭型电枢绕组直流马达包括应用于发电机。
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