CN1281285A - 圆盘式单极直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由励磁装置及相对作旋转运动的电枢本体组成的圆盘式单极直流电机。励磁装置为上圆环磁极4,上圆柱磁极3,上圆盘铁芯2构成。电枢本体由开有均匀分布、呈辐射状电枢槽的下圆环铁芯9,下圆柱铁芯12,及下圆盘铁芯10构成。电枢槽中的元件绕组7是绕制在由导磁材料制成的长条形支架8上的。支架上方的绕组部分共同产生感应电动势,故元件绕组感应电动势较高。励磁装置与电枢本体分置在气隙两边,故其安装容易。

Description

圆盘式单极直流电机

本发明涉及一种圆盘式单极直流电机。

在水利电力出版社，1984年5月出版的《电机理论与运行》一书下册“单极直流电机”一节中指出，单极电机是一种无换向器的直流电机，它的特点是工作的气隙磁场在整个圆盘电枢面上是同极性的，电枢没有绕组，电刷直接放在转子体上引出电流。其中圆盘式超导单极电机的结构是这样的：(1)采用超导线圈及两个圆柱状磁极建立一个圆盘形单极气隙磁场；(2)圆盘形电枢同轴于圆柱状磁极并置于气隙中；(3)圆盘形电枢本身亦做为呈辐射状的导条组；(4)圆盘形电枢中心部分和外围各作为一个通直流电电极。这样电枢通电后，导条受电磁作用，电枢转动时电枢带动电枢导条切割单极磁力线而感应电动势。

但，该单极直流电机有以下问题，(1)必须由超导线圈建立强磁场，否则电枢导条不能在正常转速下产生较强的感应电动势，亦不能输入较高的电压；(2)由于圆盘式电枢置于两个圆柱状磁极的中间，必须保证两边的气隙距离在正常范围，调整、安装较困难。

本发明的目的就是提供一种采用通常使用的单极恒磁场，在正常转速下，电枢部分就可感应较强的感应电动势，亦能输入较高的电压，并使电枢与磁极之间的气隙距离一次确定，因而，调整、安装方便的圆盘式单极直流电机。

本发明的圆盘式单极直流电机，包括产生单极恒磁主磁场磁极的励磁装置和相对励磁装置作旋转运动的电枢本体，两者中的一个作为旋转部件传递转矩。励磁装置为上圆盘铁芯及与上圆盘铁芯同轴心、固定在上圆盘铁芯下表面的、外径相同的、建立单极恒磁主磁场的上圆环磁极及与上圆盘铁芯同轴心、固定在其下表面的、外径小于上圆环磁极内径的上圆柱磁极组成。电枢本体由与上圆盘铁芯同轴心、外径与上圆盘铁芯相同的下圆盘铁芯，及与上圆环磁极同轴心、内外径相同的、固定在下圆盘铁芯上表面的下圆环铁芯，及与上圆柱同轴心、同外径的、固定在下圆盘铁芯上表面的下圆柱铁芯组成。上圆环磁极与下圆环铁芯之间有一圆环平面工作磁场气隙，上圆柱磁极与下圆柱铁芯之间有一圆平面非工作磁场气隙。由上圆环磁极产生的单极恒磁主磁场在工作磁场气隙中的磁力线方向均相同，由上圆柱磁极产生的单极恒磁场在非工作磁场气隙中的磁力线方向亦均相同，二气隙中的磁力线方向沿轴向观察正相反。下圆环铁芯的上表面上开有均匀分布、呈辐射状的电枢槽，电枢槽中安放元件，并用固定装置将元件固定在槽中。元件为绝缘导线在导磁材料制成的长条形支架上多匝绕制而成，支架的长度与电枢长度相同，电枢槽中的每一元件的多匝导线绕成的元件绕组最终以并联或串联形式接在电枢电源端子上。元件的支架与电枢槽紧密配合，支架将电枢槽隔成上槽与下槽，上槽为开口槽，下槽为闭合槽。下槽内的元件绕组部分被磁屏蔽，与主磁场不产生电磁作用，所有电枢槽的上槽内元件绕组中的感应电动势指向一致，且电流方向一致。

本发明中的励磁装置的上圆环磁极与上圆柱磁极可以均为永磁体。

本发明中励磁装置的上圆环磁极可以为永磁体，上圆柱磁极为导磁铁芯。

本发明中的励磁装置的上圆环磁极与上圆柱磁极也可以均为导磁铁芯，并在两磁极中间圆槽内固定放置一个与上圆盘铁芯同轴心的通电励磁绕组。

本发明中的励磁装置静止，电枢本体作旋转运动时，电枢本体的下圆盘铁芯下表面上还固定两个与下圆盘铁芯同轴心、与电枢电源端子电连接、并与外部静止电刷接触的、以使外部电负载或外电源接入的同心导电圆环。

本发明中的电枢本体静止，而采用电磁励磁的励磁装置作旋转运动时，励磁装置的上圆盘铁芯的上表面还固定两个与上圆盘铁芯同轴心、与励磁绕组的两个端子电连接、并与外部静止电刷接触的、以使外电源接入的同心导电圆环。

本发明中的圆环平面工作磁场气隙与圆平面非工作磁场气隙可以在同一个平面空间中。

本发明中的元件支架可以为开有上、下凹口的长条块，元件绕组绕在上、下凹口内，支架两外侧长条边的形状尺寸、高度与电枢槽的两内侧形状尺寸、高度相对应。

本发明中的元件支架的两外侧上边缘还可以有与电枢槽口楔沟形状尺寸相对应的、用于将元件固定在电枢槽中的凸块，凸块与楔沟紧密配合。

本发明的圆盘式单极主磁场的磁回路为上圆环磁极、圆环平面工作气隙、下圆环铁芯、下圆盘铁芯、下圆柱铁芯、圆平面非工作气隙、上圆柱磁极、上圆盘铁芯，回到上圆环磁极。在圆环平面工作气隙中建立了供电枢元件产生电磁作用的单极恒磁主磁场。元件支架使用了导磁材料，该支架可以将支架上的绝缘导线绕组定型，并同电枢槽一起将该绕组分割成两个部分，一部分绕组在支架与电枢槽的下槽中，该部分将不会产生电磁力矩。另一部分绕组在支架与电枢槽的上槽中，该部分受圆环面工作气隙中的主磁场影响，将有电磁作用，当电枢本体与励磁装置相对运动时，将会产生感应电动势。通过各元件绕组与电枢电源端子的连接，就可以使得下圆环铁芯上表面上均匀分布、呈辐射状按放的元件绕组中感应电动势指向一致且电流流向一致，这样而产生的电磁力矩的方向亦一致。每一元件绕组都可以产生较高的感应电动势，亦可加入较高的外电压。在各元件绕组以串联的情况下，总的感应电动势更高，加入的外电压亦允许更高。另外由于励磁装置与电枢本体分置于圆环平面工作气隙和圆平面非工作气隙的两边，这样只需一次调整两者之间的气隙距离就行了。

下面结合附图详细对本发明作描述。

图1为本发明第一个实施例全剖视图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为使用一种长条形支架元件置于电枢槽中配合截面放大图。

图4为另一种长条形元件支架放大示意图。

图5为图4中元件与电枢槽配合截面放大图。

图6为本发明第二个实施例全剖视图。

图7为本发明第三个实施例全剖视图。

实施例一，图1为励磁装置作旋转运动，通过转轴1传递力矩的本发明的圆盘式单极直流电机。励磁装置由三个部分组成，上圆盘铁芯2的下表面上同轴心固定了上圆环磁极4及上圆柱磁极3。两磁极均为单极性永磁体，即每磁极的平面上的极性是同一极性。在由上圆环磁极4、圆环平面工作磁场气隙5、下圆环铁芯9、下圆盘铁芯10、下圆柱铁芯12、圆平面非工作磁场气隙11、上圆柱磁极3、上圆盘铁芯2构成的磁闭合回路中，两磁极产生的磁力线流向是一致的，即二气隙中的磁力线方向沿轴向观察正相反。图1中上圆环磁极4的下表面为S极，上圆柱磁极3的下表面为N极。

图1中的电枢本体由铁芯部分和元件部分构成。铁芯部分的下圆环铁芯9、下圆柱铁芯12均同轴心地固定在下圆盘铁芯10的上表面，其中下圆环铁芯9与上圆环磁极4的内外径相等。下圆柱铁芯12与上圆柱磁极3的外径相等，但该外径小于下圆环铁芯9的内径。电枢本体的中心处还有轴孔13。下圆环铁芯上表面上还开有均匀分布、呈辐射状的电枢槽。如图2所示的辐射状电枢槽象征性地画有8个，实际的电枢槽个数可以由设计人员根据需要安排，电枢槽中按放了元件，并通过固定装置将元件固定在电枢槽中。

元件为绝缘导线多匝地绕在一个由导磁材料制成的长条形支架两个上、下面上构成的。支架的形式为多样，只要能使支架下面的绝缘导线绕组不与励磁磁场产生电磁作用即可。图3中看出绝缘导线绕组7被支架8与电枢槽6分割成两部分，下部分被支架8与电枢槽6构成的磁屏蔽回路进行了短路，与励磁磁场不起作用。为防止元件从电枢槽中脱落，再用胶木楔条将其固定。在图4中，支架的形状为开有上、下凹口的，由导磁材料制成的。该支架的两外侧上边缘还有两个与电枢槽楔沟对应的可以将元件固定在槽中的凸块18，元件的绝缘导线绕组多匝地绕在上、下凹口中。图5中可见这种支架有利于元件在槽中的便利安装，不需再使用其他的固定装置。支架8两外侧与电枢槽9两内侧紧密配合。

元件绕组的连接方式有并联和串联两种，并联和串联后的端头均接在电枢电源端子上。并联和串联时，应保证所有元件支架上部分的绕组中电流流向一致。图2为串联方法将各元件绕组连接，最后接在电枢电源端子14上，总感应电动势为各元件绕组感应电动势之和，此时总感应电动势较强。

结合图1、图2、图3，可以看出，电枢电源端子接外电源时，元件的上部分绕组与上圆环磁极之间产生电磁力矩，结果是励磁装置转动。其中由于圆环面工作磁场气隙5与圆平面非工作磁场气隙11在一个空间平面上，电枢本体与励磁装置分别在该空间平面的两侧，故易于调整。

实施例二，将上述方案中励磁装置的上圆柱磁极3改用导磁铁芯制成，其他结构均不改变，其工作过程除励磁磁场单独由上圆环磁极4产生以外，其余工作过程均与实施例一相同，有益效果不变。

实施例三，如图6所示的本发明圆盘式单极直流电机，其结构与实施例一大体相同，它采用了电磁励磁方法，即上圆柱磁极3与上圆环磁极4均为导磁铁芯制成，并在两磁极的中间圆槽内固定放置了一个通电励磁绕组16。由于该方案是电枢作旋转运动，故连接后的元件绕组最终的电枢电源端子接在与静止电刷(图中未画)接触的两个同心的内导电圆环17、外导电圆环15上。上圆盘铁芯2中还开有两个供励磁线圈端头16外接电源的通孔，下圆盘铁芯10中开有两个供电枢电源端子14连接两个导电滑环的通孔。

实施例四，如图7所示为本发明圆盘式单极直流电机的另一种实施例，与实施例二的不同之处在于该方案电机为电磁励磁的励磁装置作旋转运动，且圆环形工作磁场气隙5与圆平面非工作磁场气隙11不在同一个空间平面上，其余基本相同，由于采用电磁励磁，所以在上圆盘铁芯2上表面还固定有两个同轴心的导电圆环17、15，两圆环分别通过静止的两个电刷与外电源连接。又由于旋转部分的励磁装置上的上圆柱磁极3较短，相应的励磁装置质量较小，便于电动机工作模式下的起动。上圆盘铁芯2中还有两个供励磁线圈端头连接两个导电滑环的通孔。静止电枢中的电枢电源端子14则可以有多种方式与外负载或外电源连接。如从电枢槽中引出，在下圆盘铁芯10或下圆环铁芯9中开孔，从孔中引出。

本发明圆盘式单极直流电机的机壳及机壳以外的转轴部分可以采用非导磁材料制成，也可以采用其他性质的材料，制作外壳的材料只要不使磁极与电枢本体磁短路即可。机壳外转轴部分还可以采用其他方式将转轴与转轴的外部连接件进行磁隔离。

Claims (9)

1、一种圆盘式单极直流电机，包括单极性恒磁主磁场磁极的励磁装置和相对励磁装置作旋转运动的电枢本体，两者中的一个作为旋转部件传递转矩，其特征是：

(1)励磁装置为上圆盘铁芯及与上圆盘铁芯同轴心、固定在上圆盘铁芯下表面的、外径相同的上圆柱磁极，及与上圆盘铁芯同轴心、固定在其下表面的、外径小于上圆环磁极内径的上圆柱磁极组成；

(2)电枢本体由与上圆盘铁芯同轴心、外径与上圆盘铁芯相同的下圆盘铁芯，及与上圆环磁极同轴心、内外径相同的、固定在下圆盘铁芯上表面的上圆环铁芯，及与上圆柱磁极同轴心、同外径的、固定在下圆盘铁芯上表面的下圆柱铁芯组成；

(3)上圆环磁极与下圆环铁芯之间有一圆环平面工作磁场气隙，上圆柱磁极与下圆柱铁芯之间有一圆平面非工作磁场气隙，由上圆环磁极产生的单极恒磁主磁场在工作磁场气隙中的磁力线方向均相同，由上圆柱磁极产生的单极恒磁场在非工作磁场气隙中的磁力线方向亦均相同，二气隙中的磁力线方向沿轴向观察正相反；

(4)下圆环铁芯的上表面上开有均匀分布、呈辐射状的电枢槽，电枢槽中安放元件，并用固定装置将元件固定在槽中；

(5)元件为绝缘导线在导磁材料制成的长条形支架上多匝绕制而成，支架长度与电枢槽长度相同，电枢槽中的每一元件的多匝导线绕成的元件绕组，最终以并联或串联形式接在电枢电源端子上；

(6)元件的支架与电枢槽紧密配合，支架将电枢槽隔成上槽与下槽，下槽内的元件绕组被磁屏蔽，与主磁场不产生电磁作用，所有电枢槽的上槽内元件绕组中的感应电动势指向一致且电流方向一致。

2、根据权利要求1所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：励磁装置的上圆环磁极与上圆柱磁极均为永磁体。

3、根据权利要求1所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：励磁装置的上圆环磁极为永磁体，上圆柱磁极为导磁铁芯。

4、根据权利要求1所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：励磁装置为电磁励磁装置，励磁装置的上圆环磁极与上圆柱磁极均为导磁铁芯，在两磁极的中间圆槽内还固定放置一个与上圆盘铁芯同轴心的通电励磁绕组。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：励磁装置静止，电枢本体作旋转运动，电枢本体的下圆盘铁芯的下表面上还固定两个与下圆盘铁芯同轴心、与电枢电源端子电连接、并与一对静止电刷分别接触的、以使外部电负载或外电源接入的同心导电圆环。

6、根据权利要求4所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：励磁装置作旋转运动，电枢本体静止，在励磁装置的上圆盘铁芯的上表面还固定两个与上圆盘铁芯同轴心、与励磁绕组线圈的两个端子电连接、并与一对静止电刷分别接触的、以使外电源接入的同心导电圆环。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：圆环平面工作磁场气隙与圆平面非工作磁场气隙在同一个平面空间中。

8、根据权利要求1至6中任一项所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：元件支架为开有上、下凹口的长条块，元件绕组绕制在上、下凹口内，支架两外侧长条边的形状、高度与电枢槽的两内侧形状、高度相对应。

9、根据权利要求8所述的圆盘式单极直流电机，其特征是：支架的两外侧上边缘有与电枢槽上楔沟形状尺寸相对应的、用于将元件固定在电枢槽中的凸块，凸块与楔沟紧密配合。

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