CN204258578U - 两用电动机 - Google Patents

Abstract

一种两用电动机，具有发电电动盘式定子、盘式转子以及机轴，两用电动机具有轴向两用径向两用机两种不同的结构，其中轴向两用机的主要结构是发电电动盘式定子和盘式转子两者相对穿过同一根机轴，其中径向两用机的主要结构是发电电动盘式定子和盘式转子两者分别固定在电机外壳圆筒形侧面内壁上和穿接在机轴上的圆筒形支架外侧面上；两用电动机在通电状态下工作时，就是一台增大功率的电动机，在外力驱动下工作时，就是一台增大功率的发电机。与普通电动机相比，两用电动机体积更小、重量更轻、功率更强大，特别适合在电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备领域中使用。

Description

两用电动机

技术领域                        

本实用新型涉及发电机技术领域，特别涉及一种新型的盘式电动机，该电动机与普通电动机相比，体积更小、重量更轻但功率更大动力更强，同时该电动机可作为发电机，在电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备领域中有着广泛的用途。

背景技术

近年来，盘式发电机得到很大发展，但盘式发电机的功率却受到到限定。我国专利外转子盘式发电机（ZL200820152739.4中国电子科技集团第二十一研究所），其发电功率较小。

发明内容

本实用新型的目的，就是要提供一种结构简单、体积轻小、价廉高效而使用方便的两用电动机，该两用电动机在通电情况下就是电动机，在外力驱动下就是发电机，可用于电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备。

为达到上述技术目标，本实用新型所采取的技术方案是：两用电动机具有发电电动盘式定子、盘式转子以及机轴，两用电动机具有轴向两用电动机，简称轴向两用机，和径向两用电动机，简称径向两用机两种不同的结构，其中轴向两用机的主要结构是发电电动盘式定子和盘式转子两者相对穿过同一根机轴，其中径向两用机的主要结构是发电电动盘式定子和盘式转子两者分别固定在电机外壳圆筒形侧面内壁上和穿接在机轴上的圆筒形支架外侧面上。所述发电电动盘式定子上固定有多路定子线圈，多路定子线圈的每一相线圈都是多路并联式线圈，即每一相线圈都不同于普通定子线圈的一路串联到底，多路并联式定子线圈是将每一相线圈都分成M段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端并接在一起，而将三相线圈的每一相首端导线引出。多路定子线圈等分M段的分段条件是：为确保发电工作时产生的电动势不低于在电动工作时的端电压，在将每一相线圈等分成M段的同时，线圈绕线的匝数也应增大到M倍，因此等分M段后每段线圈的匝数均为MN，在保持磁场和转速参数不变的情况下，每段线圈产生的感生电动势保持不。多路定子线圈等分M段的分段的条件，还必须满足每段线圈的绕线密度、绕线长度、绕线面积，绕线方式都完全相同。多路定子线圈等分M段后，每段线圈的绕线圈数增大M倍，则定子和转子各项参数需要计算修正；为尽量保持不等分M段时定子的尺寸，要按照线径系数ζ选择合适的绕线线径d。所述线径系数ζ是指线圈等分M段时采取的线径d是不等分M段应取线径d₀的ζ倍，使用计算式表达为ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]，d=ζd₀。所述轴向两用机和径向两用机内设置的发电电动盘式定子及盘式转子的数目均大于等于2时，两用电动机就形成轴向多盘机或径向多盘机，统称多盘机，多盘机的主体结构不变，只是发电电动盘式定子和盘式转子在数量上可以成倍增加。所述多盘机各盘上的定子线圈分段数目M、线圈匝数MN、磁钢参数和线圈线径、绕法及层数都完全相同，必须具有相同的相位和相同的功率。所述两用电动机在通电状态下工作时，就是一台增大功率的电动机，由于多路定子线圈等分M段形成的并联电路，使其在电动机工作下功率增大M倍；而在外力驱动下工作时，就是一台增大功率的发电机，由于多路定子线圈等分M段形成的并联电路，使其在发电机工作下功率增大M倍。

本实用新型由于设计了多路并联式定子线圈，在相同额定电压的条件下，与普通发电机相比，两用电动机体积更小、重量更轻、功率更强大，特别适合在电动汽车、风力发电及各类发电电动机械设备领域中使用，因而本实用新型的积极意义十分明显。

附图说明

下面结合附图及实施例，对本实用新型进一步说明

图1是本实用新型提出的一种两用电动机的总体结构示意图。

图2是本实用新型提出的一种多盘机结构示意图。

图3是本实用新型提出的另一种多盘机结构示意图。

图4是本实用新型提出的另一种多盘机结构示意图。

图5-1是普通电动机定子线圈结构示意图。

图5-2是本实用新型提出的一种三相多路定子线圈结构示意图。

图1、图2、图3中、图4，100是多路定子发电机，10A是轴向多盘机，10B是径向多盘机，1是机轴，11是花键， 2是盘式转子，21是转子磁钢，3是发电电动盘式定子，31是多路定子线圈， 4是电机外壳，5是轴承，6是引出线缆。

图5-1中，N是普通发电机每一相线圈的匝数。

图5-2中， MN是每一等分M段线圈的匝数。

具体实施方式

如图1、图2、图3、如4所示，100为两用电动机总体示意图、10A为轴向多盘机、10B为径向多盘机。其中轴向多盘机10A的发电电动盘式定子3和盘式转子2两两相对穿过同一根机轴1，多路定子线圈31安装在发电电动盘式定子3上；径向多盘机10B的发电电动盘式定子3和盘式转子2分别安装在电机外壳侧面圆筒形内侧面和机轴上的圆筒形支架的外侧面上，采用外转子式的转子磁钢21安装在电机外壳圆筒形内侧壁上，采用内转子式的转子磁钢21安装在机轴上的圆筒形支架的外侧面上。

如图,5-1、图52所示，多路定子线圈不同于普通电机的定子线圈，其每一相线圈都是多路并联式线圈，即每一相线圈都不同于普通一串到底的定子线圈，多路并联式定子线圈是将每一相线圈都分成M段，如两段、或三段、或四段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端并接在一起，而将三相线圈每一相的首端6引出。多路并联式定子线圈等分M段的分段条件是：为确保发电工作时产生的电动势不低于在电动工作时的端电压，在将每一相线圈等分成M段的同时，线圈绕线的匝数相应增大到M倍。由于多路定子线圈等分M段并联后，每一段线圈的绕线匝数增大M倍，在线径不变的情况下，每段线圈的宽度、长度、面积、体积都会增大，从而使定子的尺寸和各项参数产生很大变化，需要计算调整，这会使其体积尺寸相应增加。如果要想尽量保持不分段时的体积尺寸，可以按照线径系数为ζ选择合适的线圈绕线线径d。这里所说的线径系数ζ，是指线圈等分M段时所取线径d是不等分线圈时应取线径d₀的ζ倍。使用计算式表达为ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]，d=ζd₀。

如图2、图3、图4所示，两用电动机内设置的发电电动盘式定子及盘式转子的数目均大于等于2时，两用电动机就形成轴向多盘机或径向多盘机，统称多盘机，多盘机的主体结构不变，只是发电电动盘式定子和盘式转子在数量上可以成倍增加。多盘机各盘上的定子线圈分段数目M、线圈匝数MN、磁钢参数和线圈线径、绕法及层数都完全相同，必须具有相同的相位和相同的功率。 多路定子发电机在通电状态下工作时，就是一台增大功率的电动机，道理很明显，由于多路定子线圈等分M段形成的并联电路，使其在电动机工作下功率增大M倍；而在外力状态下工作时，就是一台增大功率的发电机，由于多路定子线圈等分M段形成的并联电路，使其在发电机工作下功率增大M倍。

下面分析多路定子线圈的工作原理。为了表述简单明了，分析从电动机入手。

首先必须强调，简单将每一相匝数为N的线圈等分M段并联制成的增大功率电动机，只能在电动模式下工作，只能是一台电动机。其火线电平ε ₀是动力电源外加的，在这里虽然每一相线圈等分M段，但动力电源ε ₀不变，于是这台电机等于具有M路电源ε ₀的电机，电流I增大M倍，即I=MI₀，其功率变为T=Iε ₀=M I₀ =MT₀，功率增大M倍，当然变成了大功率电机。但是，这台大功率电机的电动和发电过程并不是可逆的，等分成M段的线圈并连到一起使用机械力驱动旋转，根据发电原理ε= NBSω，同一台电机，虽然线圈匝数N、磁感应强度B、以及转速ω保持不变，但线圈的有效面积S减小到M倍，变成了S₀/M，其火线电平ε= NBSω=NB（S₀/M）ω=ε ₀/M，换句话说，由于并联电路并不能增大端电压，这台大功率电机在发电模式下工作，得到的火线电平仅仅是在电动模式下火线电平的M分之一，这当然无法正常使用。 

为了使这台电机在发电模式下得到同样的火线电平ε ₀，我们可以改变线圈绕线的匝数N，即把线圈绕线匝数增大到M倍变为MN，就可以达到目的了。这是因为：

第一、匝数增大到M倍，线圈有效面积减小到M倍，即N=MN₀，S=S₀/M，则发电机产生的火线电平：

ε= NBSω=（MN）B（S₀/M）ω=NBSω=ε ₀

     也就是说，等分M段并将匝数增大到M倍的定子线圈，在发电模式下工作，产生的火线电平ε ₀不变，且M段并联的电流是I=M I₀。

    因此，这台电动机在发电模式下工作，其发电功率应为T=Iε ₀=(M I₀)ε ₀=M T₀，理论上发电功率也增大M倍。这是一个令人振奋的数据。我们可以利用这一规律，制造体积更小、功率更加强大的发电机，特别是永磁盘式发电机。例如，应用多路定子线圈的技术原理制造风力发电机，将使发电机的体积更小更轻而功率更大，其建造成本更低效率更高，从而推动风力发电事业的更大发展。如果将这台发电机装在汽车上，将以其小巧轻灵而动力强劲，给汽车带来更大惊喜。

第二、上述发电功率增大M倍，是在线圈绕线线径不变的条件下实现的，即是说，电动发电均可增大M倍的条件是d= d₀。实际上，人们希望一台发电机铁芯线槽、体积尺寸基本不变的情况下，具有更高效率的发电功能。而在线圈绕线线径不变的情况下，将匝数N增大M倍，绕线的宽度和厚度会有很大变化，出现不可能再穿过原来大小不变的铁芯凹槽的情况，因而必须选择较细一点的导线绕制。由此，我们引入线径系数ζ，线圈线径选择是d和d₀的关系是d=ζd₀ ，其中ζ为：

ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]

使用ζ倍数选择的线圈绕线线径，能够满足线圈匝数增大到M倍时，d=ζd₀的较细导线 基本能够绕制在原大小的线圈槽中。

第三，导线的截面Δ和导线通过的最大电流I之间的关系是：Δ=ρIL/U，这其中ρ和U是要求保持不变的量，则等分M段线圈中的电流I 与不等分尸的电流之比为：Δ/Δ₀=IL/I₀L₀，而：Δ/Δ₀=（d/d₀）²，其中d=ζd₀，所以：

IL/I₀L₀=（d/d₀）²  化简：

I=ζ ²M I₀

这样，当M=3时，将M代入ζ ²经计算ζ²=0.464²，所以：

I=0.464²×3×I=0.646I₀

每一等份段线圈中电流为I，但多路定子线圈分为M路，则每一相线圈中的总电流ΣI=3I=1.94 I₀，由于每一等份段线圈所能达到的发电功率为T₀，则多路定子线圈M路并联的总功率就是：

ΣT=1.94 T₀

也就是说，多路并联式定子发电能力是原本来的1.94倍，将近增大了一倍。同样道理计算，当线圈4段时，总发电功率ΣT=2.8 T₀，将近增大了3倍，当M=5时，ΣT=3.5 T₀。选择较细的线径，明显降低了发电效率，但将发电效率成倍增大也是很大的收获。可以说，本两用电动机虽然体积较小，但在发电模式和电动模式上工作都十分出色。

Claims (9)

1.一种两用电动机 ，其特征在于：两用电动机(100)具有发电电动盘式定子(3)、盘式转子(2)以及机轴(1)，多路定子发电机(100)具有轴向两用电动机(10A)，简称轴向两用机，和径向两用电动机(10B)，简称径向两用机两种不同的结构，其中轴向两用机(10A)的主要结构是发电电动盘式定子(3)和盘式转子(2)两者相对穿过同一根机轴(1)，其中径向两用机(10B)的主要结构是发电电动盘式定子(3)和盘式转子(2)两者分别固定在电机外壳(4)圆筒形侧面内壁上和穿接在机轴(1)上的圆筒形支架外侧面上。

2.如权利要求1所述的两用电动机，其特征在于：发电电动盘式定子(3)上固定有多路定子线圈(31)，多路定子线圈(31)的每一相线圈都是多路并联式线圈，即每一相线圈都不同于普通定子线圈的一路串联到底，多路并联式定子线圈(31)是将每一相线圈都分成M段相等的等份，每一等份的首端并接在一起，每一等份的尾端并接在一起，最后将三相线圈的尾端并接在一起，而将三相线圈的每一相首端导线引出线缆(6)引出。

3.如权利要求2所述的两用电动机，其特征在于：多路定子线圈（31）等分M段的分段条件是：为确保发电工作时产生的电动势不低于在电动工作时的端电压，在将每一相线圈等分成M段的同时，线圈绕线的匝数N也应增大到M倍，因此等分M段后每段线圈的匝数均为MN。

4.如权利要求2所述的两用电动机，其特征在于：多路定子线圈等分M段的分段的条件，还必须满足每段线圈的绕线密度、绕线长度、绕线面积，绕线方式都完全相同。

5.如权利要求2所述的两用电动机，其特征在于：多路定子线圈等分M段后，每段线圈的绕线圈数增大M倍，则定子和转子参数需要计算调整；为尽量保持不等分M段时定子的尺寸，要按照线径系数ζ选择合适的绕线线径d。

6.如权利要求5所述的多路定子发电机，其特征在于：所述线径系数ζ是指线圈等分M段时采取的线径d是不等分M段应取线径d₀的ζ倍，使用计算式表达为ζ= Sin(360°/2M)/[1+Sin(360°/2M)]，d=ζd₀。

7.如权利要求1所述的两用电动机，其特征在于：轴向两用机(10A)和径向两用机(10B)内设置的发电电动盘式定子(31)及盘式转子(21)的数目均大于等于2时，两用电动机(100)就形成多盘机，多盘机的主体结构不变，只是发电电动盘式定子(31)和盘式转子(21)在数量上可以成倍增加。

8.如权利要求7所述的两用电动机，其特征在于：多盘机各盘上的多路定子线圈分段数目M、线圈匝数MN、磁钢参数和线圈线径、绕法及层数都完全相同，必须具有相同的相位和相同的功率。

9.如权利要求1、或2、或3、或4、 或5、或6、或7、或8所述的两用电动机，其特征在于：两用电动机(100)在通电状态下工作时，就是一台增大功率电动机，由于路定子线圈等分M段形成的并联电路，使其在电动机工作下功率增大M倍；两用电动机(100)在外力驱动下工作时，就是一台增大功率发电机，由于路定子线圈等分M段形成的并联电路，使其在发电机工作下功率增大M倍。