CN204597737U - 盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机 - Google Patents

Abstract

一种电机领域的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，它是将盘式直流磁阻电动机与盘式永直流发电机组合成外电动机内发电机的一体结构型式，用盘式直流磁阻电动机拖动盘式永直流发电机发电，实现用小功率电能发电换取大功率电能的目的。此目的的实现，主要是其盘式直流磁阻电动机运用了杠杆原理及消除制动转矩的方法。它解决了目前我国发电主要靠煤炭、汽车靠石油的环保能源替代问题，能用于电网发电，优化电力结构，更适合用于电动汽车，把车载蓄电池储存的有限电能转换成大功率电能，满足电动汽车长时间高速运行的要求。

Description

盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机

技术领域：

本实用新型属于电机领域，涉及一种发电机，尤其适合用于电动汽车的发电机。

背景技术：

随着现代工业的发展和人民生活水平的提高，人们依赖的煤炭、石油等不可再生能源不断减少，生活环境日趋恶化，节能，环保，可持续发展已经成为当今社会发展的主题。目前我国的电力主要还是煤电，节能减排靠提高设备性能和效率等一系列措施还远远不够。另一方面，为汽车提供动力的石油不仅污染环境，而且我国的石油主要靠进口，国际油价存在诸多不稳定因素，会对我国的经济发展产生不利影响，所以环保、低廉、可再生的电能是替代煤炭、石油的最佳能源。刚起步的电动汽车靠蓄电池储存电能，由于储存大功率电能所需的蓄电池体积大，因此车载蓄电池储存的电能有限，满足不了电动汽车长时间高速运行的要求，充电时间较长，充电设施不完善等原因，还不能被广泛推广。

发明内容：

本实用新型在于提供一种用电发电的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，实现用小功率电能发电换取大功率电能的目的，解决了目前我国发电主要靠煤炭、汽车靠石油的环保能源替代问题，能用于电网发电，优化电力结构，更适合用于电动汽车，把车载蓄电池储存的有限电能转换成大功率电能，满足电动汽车长时间高速运行的要求。

本实用新型技术方案是：将盘式直流磁阻电动机与盘式永直流发电机组合成外电动机内发电机的一体结构型式，用盘式直流磁阻电动机(由盘式开关磁阻电动机优化而成，以下简称电动机)拖动盘式永直流发电机(以下简称发电机)发电。实用新型适合制造成n台电动机拖动m(2n-1≤m≤2n+1)台发电机的各种型式。实用新型由半圆机壳、电动机半圆定子、发电机半圆定子组、半圆定子固定件、实用新型转子、电刷、轴承、端盖构成。4n个电动机半圆定子按照磁极极面朝右、朝左的排列次序从左到右装在1个半圆机壳内，并用4n个半圆定子固定件固定，同时每2个对装在一起的半圆定子固定件夹装固定着m＝2n-1个发电机半圆定子组。半圆机壳一端加装1个半圆定子固定件，每2个对装在一起的半圆定子固定件夹装固定着m＝2n个发电机半圆定子组。半圆机壳另一端再加装1个半圆定子固定件，每2个对装在一起的半圆定子固定件夹装固定着m＝2n+1个发电机半圆定子组。半圆机壳及与其固定在一起的定子部件为两套组成圆形连接固定。组成圆形的2个半圆机壳两端安装2个端盖，2个端盖中心装有2个轴承，实用新型转子装在轴承内，其中1个端盖上安装有1个电刷。相邻且磁极极面相对的2个电动机半圆定子，轴向相对的定子磁极极面极性相异；组成圆形的2个电动机半圆定子，一半个数的定子磁极与另外一半个数的定子磁极极面极性相异。

电动机半圆定子：电动机半圆定子的铁芯用磁性薄板材料叠加制成，其磁轭一侧半圆环面固定有2及以上个定子磁极(也称定子齿，两齿之间为定子槽)，定子磁极上绕有线圈绕组，极头部位是极靴，极面为圆环扇形，极弧等于定子槽的槽弧(槽口处)，电动机半圆定子中心线两边对称。

发电机半圆定子组：发电机半圆定子组是2个发电机半圆定子用多根导磁条连接组成。 发电机半圆定子的铁芯用整块磁性材料制成，半圆环柱型，两侧半圆环受磁面均匀开有相等数量且相对的定子槽，定子槽之间的磁轭外圆面开有磁条装配槽，电枢绕组由一侧定子槽-铁芯外圆-另一侧定子槽-铁芯内圆置入定子槽，同一电枢绕组按同一方向绕制。导磁条用整块磁性材料制成，两端朝同一方向折成直角，2个端头与发电机半圆定子的磁条装配槽配合。导磁条2个端头分别固定于2个发电机半圆定子的磁条装配槽，导磁条与定子槽相对，数量与发电机半圆定子一侧受磁面的定子槽数相等。

半圆定子固定件：半圆定子固定件用非磁性材料制成，外圆部位与电动机半圆定子配合，可将电动机半圆定子固定在半圆机壳内；内圆部位设置有与发电机半圆定子组的导磁条配合且数量相等的半边封闭槽，2个对装在一起的半圆定子固定件可将1个发电机半圆定子组夹装固定在半圆机壳内。

实用新型转子：实用新型转子由电动机转子和发电机转子组合而成，具备电动机转子和发电机转子的所有特征。实用新型转子是将2n个A转子盘、2m-2n+1个B转子盘和1个滑环固定在轴上组成，A转子盘固定在与电动机、发电机定子同时配合工作的位置；B转子盘固定在只与发电机定子配合工作的位置，轴的一端固定滑环(电动机转子的滑环，或电动机、发电机转子的公用滑环)。A转子盘是将B转子盘的磁铁、圆环极靴、或连同导磁圆盘改装到C转子盘后的转子盘。

电动机转子：电动机转子是将2n个C转子盘和1个滑环固定在轴上组成，n个C转子盘与另外n个C转子盘齿槽相对。C转子盘由C半转子盘架、电动机转子磁极(也称转子齿)、斜极面磁通改向片、后沿面磁通改向片、改向片转动架和双向自保持电磁铁构成。电动机转子磁极用磁性薄板材料叠加制成，轴向导磁，横截面为圆环扇形，两端极面为凹槽形，极面中间是平极面(指与定子磁极极面平行的极面)，径向边处是斜极面(指与定子磁极极面不平行的极面)，极弧等于电动机定子磁极的极弧。斜极面磁通改向片位于电动机转子磁极极面正前方的转子表面，与电动机定子磁极的间隙均匀，过渡传导电动机转子磁极极面的磁通，用磁性薄板材料叠加制成，厚度尽可能薄，圆环扇形或相似形。后沿面磁通改向片位于电动机转子磁极极头旁边后沿面一侧的转子表面(转子磁极前、后沿面分别指转子转动时转子磁极的迎风面和背风面)，与电动机定子磁极的间隙均匀，过渡传导电动机转子磁极后沿面的磁通，用磁性薄板材料叠加制成，厚度尽可能薄，圆环扇形或相似形。改向片转动架用非磁性材料制成，内圆设置有滚轮，可在C转子盘内滚动；外圆均匀设置有与电动机转子磁极个数相等对数的圆环扇形片，每对2个轴向相对，圆环扇形片外侧面设置有后沿面磁通改向片的安装槽。C半转子盘架用非磁性材料制成，盘架中心开有轴孔，外圆部位均匀设置有电动机转子磁极的安装槽，数量与电动机定子极数相等，正对电动机转子磁极安装槽的外侧盘面设置有斜极面磁通改向片的安装槽，电动机转子槽的位置开有圆环扇形孔，与改向片转动架外圆的圆环扇形片配合。C半转子盘架中间圆部位是圆环槽，圆环槽与圆环扇形孔连通，圆环槽内均匀设置有2及以上个双向自保持电磁铁的安装定位柱。2个C半转子盘架对装，将与电动机定子极数相等个数的电动机转子磁极、2及以上个双向自保持电磁铁和1个改向片转动架装在转子盘内，2倍于电动机转子磁极个数的斜极面磁通改向片粘贴在两侧盘面的安装槽内，2倍于电动机转子磁极个数的后沿面磁通改向片粘贴在改向片转动架的圆环扇形片外侧面的安装槽内。轴的一端固定滑环用于为双向自保持电磁铁供电。双向自保持电磁铁具有断电自锁保持功能，即可推动改向片转动架，让后沿面磁通改向片在两个电动机转子磁极之间移动，使电动机转子磁极前、后沿面互换，实现电动机的正反转，又可将改向片转动架定位。

发电机转子：发电机转子是将2m+1个B转子盘、或再有1个滑环固定在轴上组成，相邻2个B转子盘相对的磁极极性相同。轴用整块磁性材料制成。B转子盘由B转子盘架、磁铁、圆环极靴和导磁圆盘构成。B转子盘架用非磁性材料制成，盘架中心开有轴孔，环绕轴孔开有几个磁铁的安装孔，安装孔内极性并联地装有几个轴向磁通的磁铁，磁铁可以是永磁铁，也可以是电磁铁，给发电机定子励磁的磁极装圆环极靴，未给发电机定子励磁的磁极装导磁圆盘将磁通传导给轴，经轴连通构成磁路。轴的一端或固定滑环用于为电磁铁供电。

附图说明：

图1～5是实用新型1台电动机拖动1台发电机的简单实施方式附图，图6～16是实用新型技术方案理由说明附图。

图1是总装示意图；

图2是半圆机壳内的定子部件装配示意图；

图3是图2中的发电机半圆定子组装配示意图；

图4是A转子盘装配示意图；

图5是B转子盘装配示意图；

图6是常规设计的盘式三相6/4极开关磁阻电动机M结构示意图；

图7是电动机M理想线性模型的相绕组电感变化规律L(θ)和角度位置控制相电流波形图电动i(θ)、发电i(θ)；

图8是电动机M常用主电路图；

图9是电动机M气隙磁通示意图；

图9-1是电动机M电动时的气隙磁通示意图；

图9-2是电动机M改用发电机发电时的气隙磁通示意图；

图10是举证的旋转式比例电磁铁磁路示意图及扭矩特性曲线图；

图11是电动机M力臂增大前后的定、转子磁极极头部位对比图；

图11-1是电动机M力臂增大前的定、转子磁极极头部位结构示意图；

图11-2是电动机M力臂增大后的定、转子磁极极头部位特殊结构示意图；

图11-3是电动机M力臂增大后的定、转子磁极极头部位常规结构示意图；

图12是电动机M_g2后沿面磁通改向片安装位置示意图；

图13是电动机M_g2理想线性模型的相绕组电感变化规律L(θ)和角度位置控制相电流波形图i(θ)；

图14是电动机M_S的两个电动机理想线性模型的绕组电感变化规律L(θ)和电流波形图i(θ)；

图15是电动机M_S实现对转速、转矩调节的主电路图；

图16是电动机M_S与永磁永直流发电机组合成的实用新型的能量转换过程图。

简单实施方式：

图1所示，实用新型半圆机壳(1)、端盖(6)用非磁性材料制成，组成圆形连接固定的2个半圆机壳(1)内固定有2套定子部件，两端安装2个端盖(6)，2个端盖(6)中心装有2个轴承(5)，实用新型转子装在轴承(5)内，其中1个端盖(6)上安装有1个电刷(2)。实用新型转子的轴(4)用整块磁性材料制成，轴(4)上固定有2个A转子盘和1个B转子盘，A转子盘固定在与电动机、发电机定子同时配合工作的位置；B转子盘固定在只与发电机定子配合工作的位置，2个A转子盘齿槽相对，相邻2个转子盘相对的(磁铁)磁极极性相同，轴(4)的一端再固定1个滑环(3)。

图2所示，电动机半圆定子(7)的铁芯用磁性薄板材料叠加制成，其磁轭一侧半圆环面固定有3个定子磁极，定子磁极上绕有线圈绕组，极头部位是极靴，极面为圆环扇形，极弧等于定子槽的槽弧，电动机半圆定子(7)中心线两边对称。半圆定子固定件(8)用非磁性材料制成，外圆部位与电动机半圆定子(7)配合，可将电动机半圆定子(7)固定在半圆机壳(1)内；内圆部位设置有与发电机半圆定子组的导磁条(11)配合且数量相等的半边封闭槽，2个对装在一起的半圆定子固定件(8)可将1个发电机半圆定子组夹装固定在半圆机壳(1)内。4个电动机半圆定子(7)按照磁极极面朝右、朝左的排列次序从左到右装在1个半圆机壳(1)内，并用4个半圆定子固定件(8)固定，同时中间2个对装在一起的半圆定子固定件(8)夹装固定着1个发电机半圆定子组。相邻且磁极极面相对的2个电动机半圆定子(7)，轴向相对的定子磁极极面极性相异；图1所示的组成圆形的2个电动机半圆定子(7)，一半个数的定子磁极与另外一半个数的定子磁极极面极性相异。

图3所示，发电机半圆定子组是2个发电机半圆定子用多根导磁条(11)连接组成。发电机半圆定子的铁芯(9)用整块磁性材料制成，半圆环柱型，两侧半圆环受磁面均匀开有相等数量且相对的定子槽，定子槽之间的磁轭外圆面开有磁条装配槽，电枢绕组(10)由一侧定子槽-铁芯(9)外圆-另一侧定子槽-铁芯(9)内圆置入定子槽，同一电枢绕组(10)按同一方向绕制。导磁条(11)用整块磁性材料制成，两端朝同一方向折成直角，2个端头与发电机半圆定子的磁条装配槽配合。导磁条(11)2个端头分别固定于2个发电机半圆定子的磁条装配槽，导磁条(11)与定子槽相对，数量与发电机半圆定子一侧受磁面的定子槽数相等。

图4所示，A转子盘由圆环极靴(12)、磁铁(13)、斜极面磁通改向片(14)、双向自保持电磁铁(15)、后沿面磁通改向片(16)、电动机转子磁极(17)、导磁圆盘(18)、A半转子盘架(19)和改向片转动架(20)构成。电动机转子磁极(17)用磁性薄板材料叠加制成，轴向导磁，横截面为圆环扇形，两端极面为凹槽形，极面中间是平极面，径向边处是斜极面，极弧等于电动机定子磁极的极弧。斜极面磁通改向片(14)位于电动机转子磁极极面正前方的转子表面，与电动机定子磁极的间隙均匀，过渡传导电动机转子磁极(17)极面的磁通，用磁性薄板材料叠加制成，厚度尽可能薄，圆环扇形。后沿面磁通改向片(16)位于电动机转子磁极(17)极头旁边后沿面一侧的转子表面，与电动机定子磁极的间隙均匀，过渡传导电动机转子磁极(17)后沿面的磁通，用磁性薄板材料叠加制成，厚度尽可能薄，圆环扇形。改向片转动架(20)用 非磁性材料制成，内圆设置有滚轮；外圆均匀设置有6对圆环扇形片，每对2个轴向相对，圆环扇形片外侧面设置有后沿面磁通改向片(16)的安装槽。A半转子盘架(19)用非磁性材料制成，盘架(19)中心开有轴孔，环绕轴孔的内圆部位开有5个磁铁(13)的圆环扇形安装孔。外圆部位均匀设置有6个电动机转子磁极(17)的安装槽，正对电动机转子磁极(17)安装槽的外侧盘面设置有6个斜极面磁通改向片(14)的安装槽，电动机转子槽的位置开有圆环扇形孔，与改向片转动架(20)外圆的圆环扇形片配合。中间圆部位是圆环槽，圆环槽与圆环扇形孔连通，圆环槽内均匀设置有3个双向自保持电磁铁(15)的安装定位柱。2个A半转子盘架(19)对装，将6个电动机转子磁极(17)、3个双向自保持电磁铁(15)和1个改向片转动架(20)装在转子盘内，12个斜极面磁通改向片(14)粘贴在两侧盘面的安装槽内，12个后沿面磁通改向片(16)粘贴在改向片转动架(20)的圆环扇形片外侧面的安装槽内。磁铁(13)安装孔内极性并联地装有5个轴向磁通的磁铁(13)，磁铁(13)是永磁铁，给发电机定子励磁的磁极装圆环极靴(12)，未给发电机定子励磁的磁极装导磁圆盘(18)将磁通传导给轴(4)。

图5所示，B转子盘由B转子盘架(21)、磁铁(13)和圆环极靴(12)构成。B转子盘架(21)用非磁性材料制成，盘架(21)中心开有轴孔，环绕轴孔开有5个磁铁(13)的圆环扇形安装孔，安装孔内极性并联地装有5个轴向磁通的磁铁(13)，磁铁(13)是永磁铁，磁铁(13)两侧磁极装圆环极靴(12)。

实用新型技术方案成立理由：

实用新型能够实现用小功率电能发电换取大功率电能，主要是其电动机运用了杠杆原理及消除制动转矩的方法。电动机运用杠杆原理后，消耗电功率保持不变，提高了输出机械功率；而消除制动转矩后，既保持输出机械功率不变，又兼备了发电功能，发出的电自用，大幅度减小了电源输入电功率。如图6所示常规设计的盘式三相6/4极开关磁阻电动机M(以下简称电动机M)，现通过将其优化成实用新型的(盘式直流磁阻)电动机，来说明实用新型的电动机具有的特点和优越性，并论证实用新型技术方案的可行性。(说明论证中假定磁路不饱和及忽略漏磁通的影响。)

一.SR开关磁阻电机简介及能量转换：

SR电机既可用作电动机SRM，又可用作发电机SRG。(关于SRM与SRG的详细技术说明请查阅其它资料。)电动机SRM就是旋转式电磁铁，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁芯在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。用俗话说，就是定子磁极通电产生的电磁吸力吸引转子磁极，使转子转动。电动机SRM在能量转换过程中，电能首先转换成磁能，再由磁能产生电磁吸力，对外输出机械转矩做功，从而转换成机械能。发电机SRG与电动机SRM的能量转换相反，而且磁路磁阻是由小逐步变大。

SR电机定子绕组电感L具有维持原电路状态的能力，与磁路磁阻成反比。当定子磁极与转子槽相对时，磁路磁阻最大，绕组电感最小；当定子磁极与转子磁极相对时，磁路磁阻最小，绕组电感最大。电动机M理想线性模型的相绕组电感变化规律L(θ)如图7所示(θ转子位置角)，常用主电路图如图8所示，图7中电动i为电动时角度位置控制(APC)相电流波形图，如果此电机用于发电，则角度位置控制相电流波形图如发电i。电动与发电分别工作在磁阻(或电感)变化的两个不同阶段，因此电动机M具备同时发电的条件。

根据式(8)：(iR相比要小的多，也可忽略不计)，磁链Ψ为电流i和转子位置角θ的函数，而磁链Ψ可用绕组电感L和电流i的乘积表示，忽略相间互感，即可以表示为：Ψ＝Ψ(i，θ)＝L(θ，i)×i式(11)

将式(11)代入式(8)： $U_S=\mathrm{iR}+\frac{\∂\mathrm{\Ψ}}{\∂i}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\frac{\∂\mathrm{\Ψ}}{\∂\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{iR}+(L+i\frac{\∂L}{\∂i})\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

$\±U_S=\mathrm{iR}+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{i\ω}\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}$    式(12)

式(12)中：iR电阻压降；变压器电势；旋转电势。旋转电势：“+”电动，消耗电功率，产生机械转矩；“-”发电，输出电功率，产生制动转矩。

将式(12)等号两边同乘以电流i：

$\±U_{S}i=i^{2}R+\mathrm{Li}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i^2\mathrm{\ω}\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}=i^{2}R+\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{1}{2}L{i}^2\right)+i^2\mathrm{\ω}\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}$   式(13)

式(13)中，电动时消耗电功率除去电阻损耗功率后，一部分用于增加磁场储能(+Li²/2)，一部分转换成机械总功率发电时发电总电功率，一部分由磁场储能释放而来(-Li²/2)，一部分由机械有功功率转换而来

二.电磁吸力分析：

图6所示，要使电动机M顺时针转动，依次给定子磁极B-C-A相绕组通电即可，气隙磁通示意图如图9-1所示。在图9-1中，极面气隙(指转子磁极极面正对着的气隙)磁通Φ_δ均匀分布，其磁力线总是与轴线平行，产生的电磁吸力F_δ为轴向力，没有切向分力，不是转子转动的动力，反而F_δ轴向力越大，电动机震动越大，噪音也就越大。目前噪音大是(开关磁阻)电动机的缺点，如果能减小F_δ轴向力，可以有效地降低噪音。

根据式(5)、(7)、(9)推出：  式(14)

前沿面气隙(指转子磁极前沿面与定子磁极之间的形成磁路的气隙)磁通Φ_δC分布不均匀，转子磁极前沿面与定子磁极极面夹角处的磁感应强度最强，其磁力线与轴线不平行，产生的电磁吸力F_δC存在切向分力，即切向电磁吸力，是转子转动的动力。当定子磁极极面面积S_d大、等于转子磁极前沿面导磁面积S_C时，磁通Φ_δC基本保持不变，电磁吸力F_δC也基本保持不变，当S_d越小于S_C时，磁通Φ_δC越小，电磁吸力F_δC也越小。如图10所示举证的旋转式比例电磁铁磁路示意图及扭矩(机械转矩)特性曲线，图9-1所示气隙磁通与图10磁路示意图所示气隙磁通一致。图10扭矩特性曲线所示转角为零，对应图9-1所示的极面气隙导磁面积S_δ为零，随着转角增大即S_δ的增大，扭矩并未增大，而是基本保持不变，甚至有所减小，说明电磁吸力F_δ与动力数值大小无关，S_d的减小对扭矩产生了影响，说明电磁吸力F_δC关系到动力(切向电磁吸力)的大小。

同理，若此电机用于发电，则后沿面气隙(指转子磁极后沿面与定子磁极之间的形成磁路的气隙)的电磁吸力F_δC关系到阻力(切向电磁吸力)的大小，气隙磁通示意图如图9-2所示。

三.电动机M优化成实用新型的电动机：

(一).运用杠杆原理和消除制动转矩的方法：

电动机M运用杠杆原理是在保持切向电磁吸力不变的情况下将力臂增大，使机械转矩增大，机械功率增大，同时还要消耗电功率保持不变。力臂增大后要保持切向电磁吸力不变，必须确保前、后沿面气隙的所有磁路参数不变，这样电磁吸力F_δC不变，切向电磁吸力也不变。关于电磁吸力F_δC的方向对切向电磁吸力大小的影响不必考虑，因为转子磁极前、后沿面与定子磁极极面始终垂直，电磁吸力F_δC的方向始终不会变。力臂增大后还要保持磁路最小磁阻不变，若变化，会使定子绕组最大电感变化，导致消耗电功率变化。力臂增大除铁芯长度加长外，关键在于定、转子磁极极头部位的变化，比如电动机M力臂由r增至2r，具体方法如下：

1.保持定子磁极的线圈绕组和中心铁芯不变；

2.定子磁轭中心圆半径由r增至2r，导磁截面积S_M不变或增大；

经上述两个步骤后，力臂增大前后，若绕组电流i相等，根据式(1)、(2)，定子线圈磁势F_M相等，气隙磁压降U_δ也相等。

力臂增大前，由于铁芯磁导率μ远远大于空气磁导率μ_o，根据式(2)～(6)，铁芯磁阻R_M远小于最小气隙磁阻，铁芯磁压降U_M远小于气隙磁压降U_δ，所以气隙磁压降U_δ可约等于磁势 F_M。力臂增大后，即便定子磁轭铁芯长度L_M加长，导磁截面积S_M不变，而铁芯磁阻R_M增量很小，铁芯磁压降U_M增量也很小，可忽略不计，所以气隙磁压降U_δ仍可约等于磁势F_M。若增大定子磁轭导磁截面积S_M更好，以保持铁芯磁压降U_M不变。力臂增大后，要保持磁路最小磁阻不变，主要是定、转子磁极之间的最小磁阻(力臂增大前的最小气隙磁阻)不能变。

3.如图11-1、2力臂增大前后的定、转子磁极极头部位对比图所示：

①.定子磁极极头增加极靴，径向b不变，极弧由y增至2y；

②.转子磁极径向b不变，极弧由w增至2w，前、后沿面轴向尺寸c不变，与定子磁极极面的距离仍为δ。原来2个极面之间的轴向尺寸缩小，与前、后沿面夹角处加工成过渡斜面，即转子磁极极面存在平极面和斜极面。在转子磁极极面正前方的转子表面装斜极面磁通改向片(14)，保持气隙δ不变，保持定、转子磁极之间的最小磁阻不变。

力臂增大后，定、转子磁极相对时的极面气隙导磁面积S_δ增大1倍，为使定、转子磁极之间的最小磁阻不变，根据式(5)，通常将气隙δ增至2δ，如图11-3所示。这时极面气隙磁通Φ_δ不变，根据式(7)，极面气隙磁感应强度B_δ为力臂增大前的1/2，根据式(14)，轴向电磁吸力F_δ减小1半，降低了噪音。但是气隙增至2δ后，前、后沿面气隙的磁路参数发生变化，比如磁阻R_δC增大、磁通Φ_δC减小等，所以电磁吸力F_δC一定减小。

为了保持电磁吸力F_δC不变，转子磁极加工成图11-2所示的结构型式，前、后沿面轴向尺寸c不变，与定子磁极极面的距离仍为δ，这样前、后沿面气隙的所有磁路参数都不会变。由于转子磁极斜极面的磁通磁力线不平行于轴线，斜极面上的电磁吸力存在切向分力，减小了机械转矩，所以能使斜极面不导磁最好。从目前科学研究，除超导体外的任何抗磁性材料都不能隔磁，只能减小磁通，若用超导体隔磁，从技术上也很难实现。虽然不能让斜极面不导磁，但可以让磁通磁力线改变方向，因此在转子磁极极面正前方的转子表面装斜极面磁通改向片(14)，并保持定、转子磁极之间的最小磁阻不变。斜极面磁通改向片(14)与定子磁极的间隙要均匀，过渡传导转子磁极极面的磁通，要用磁性薄板材料叠加制成，厚度越薄越好，可制成圆环扇形或相似形。增加斜极面磁通改向片(14)后，转子磁极极面的磁通必先垂直导向斜极面磁通改向片(14)，然后再传导给转子磁极，这样便取消了斜极面上的切向分力，而且轴向电磁吸力F_δ同样减小1半，降低了噪音。

为便于分析说明，设定电动机M经上述结构变化后的电动机为M_g1。电动机M_g1与电动机M的定子绕组没有变，两者只要转子位置角相同，磁路磁阻也几乎相等，所以电动机M_g1与电动机M理想线性模型的相绕组电感变化规律L(θ)相同(L、相等)，若两者运行时的角度位置控制相电流波形图i(θ)相同，且在同一转速匀速转动(i、di/dt、ω相等)，根据式(13)，两者消耗电功率相等。两者前、后沿面气隙的所有磁路参数都相等，电磁吸力F_δC相等，切向电磁吸力也就相等，电动机M_g1的机械转矩是电动机M的2倍，根据式(10)，电动机M_g1输出机械功率也是电动机M的2倍。电动机M_g1与电动机M主电路相同，都通过改变相绕组的通电次序来实现正反转。

如图7所示电动机M和M_g1的理想线性模型相绕组电感变化规律L(θ)和角度位置控制相电流波形图电动i(θ)，通常绕组在其电感增至最大之前断电，在其电感下降时使电流基本 衰减至零，若电流没有衰减至零，不仅会产生制动转矩，而且电动机将进入发电状态，旋转电势将起到与外加反向电压相互抵消的作用，使电流的下降速度变慢，制动时间更长。如果在绕组电感下降阶段能消除电流产生的制动转矩，则电动机可兼备发电功能。

为了消除制动转矩，同样采用改变磁通磁力线方向的办法，在电动机转子磁极极头旁边后沿面一侧的转子表面装后沿面磁通改向片(16)，如图12所示，让后沿面的磁通磁力线改变方向。后沿面磁通改向片(16)与电动机定子磁极的间隙要均匀，过渡传导转子磁极后沿面的磁通，要用磁性薄板材料叠加制成，厚度越薄越好，可制成圆环扇形或相似形。增加后沿面磁通改向片(16)后，后沿面的磁通必先垂直导向后沿面磁通改向片(16)，再沿后沿面磁通改向片(16)向转子磁极方向传导，最后再传导给转子磁极，这样传导磁路磁阻最小。增加后沿面磁通改向片(16)后，制动转矩并没有被完全消除。如图12所示的电动机转子磁极和后沿面磁通改向片(16)当前所在位置，此时电动机不会有制动转矩，因为此时所有的气隙磁通磁力线都平行于轴线。当后沿面磁通改向片(16)向右移动到其左侧边缘开始导磁时，电动机便会有微小的制动转矩，因为后沿面磁通改向片(16)虽薄，其左侧边缘截面的磁通虽小，但磁通磁力线不平行于轴线，截面上有微小的阻力。当后沿面磁通改向片(16)向右移动远离电动机定子磁极时，其左侧边缘表面的磁通磁力线也不平行于轴线，表面上也有微小的阻力。虽然制动转矩没有被完全消除，但已很小，可忽略不计。增加后沿面磁通改向片(16)后，绕组可以在其电感最大时断电，此后迅速进入发电状态，发出的电反馈给下一相绕组，可大幅度减小电源输入电功率。

设定电动机M_g1增加后沿面磁通改向片(16)后的电动机为M_g2。电动机M_g2与电动机M理想线性模型的相绕组电感变化规律L(θ)相同，电动机M_g2角度位置控制相电流波形图i(θ)如图13所示。根据式(13)，如果不存在任何能量损耗，电动机M_g2自身发电电功率正好满足自身电动所需电功率，但实际中存在电阻、机械等损耗，发电电功率才小于电动所需电功率，所以外部电源只要补充损耗功率，电动机M_g2便可正常运行。因此电动机M_g2输出机械功率不仅是电动机M的2倍，而且电源输入电功率要小的多。电动机M_g2要实现正反转，不仅要改变相绕组的通电次序，还要让后沿面磁通改向片(16)在两个转子磁极之间移动，使转子磁极前、后沿面互换后才可实现。

同理，若发电机SRG在转子磁极极头旁边后沿面一侧的转子表面装后沿面磁通改向片(16)，消除制动转矩，这样输入的机械功率只要等于损耗功率，发电机便可正常运行。

(二).电动机M_g2向实用新型的电动机的优化：

电动机M_g2是三相6/4极，主电路实现电动兼发电功能很繁琐，控制器需要元件多，影响效率，控制器体积也大。另外，如图13所示，电动机M_g2相绕组工作在转子位置角θ₁～θ₂、θ₃～θ₄电感增减区间，在0～θ₁、θ₂～θ₃、θ₄～θ₅电感水平线区间并不工作，(在θ₂～θ₃有电感水平线，是因为SR电机出于综合性能的考虑，一般其转子磁极极弧大于定子磁极极弧。)可以取消电感水平线区间，且θ₂～θ₃区间电流在下降，浪费电能，影响效率，因此将电动机M_g2优化成实用新型的电动机，优化如下：

1.保持定子磁极的线圈绕组和中心铁芯不变；

2.定子磁轭中心圆半径2r不变，导磁截面积S_M增大2倍(是原来的3倍)；

3.增加2个转子磁极，装斜极面、后沿面磁通改向片(14、16)；

4.定、转子磁极径向b不变，使定子磁极极弧、转子磁极极弧和定、转子槽的槽弧均相等。气隙δ不变，转子磁极前、后沿面轴向尺寸c不变，与定子磁极极面的距离仍为δ，调整两个平极面之间的轴向尺寸，保持定、转子磁极之间的最小磁阻不变；

经上述四个步骤优化后，电动机M_g2便由三相6/4极变为单相6/6极，并取消了电感水平线区间。单相6/6极电动机运行时为6个定子磁极同时电动或发电，所以定子磁轭内的磁通便增大2倍，通过第2项优化使得磁轭铁芯不会磁饱和，保持了铁芯磁压降U_M不变。优化前后，若绕组电流i相等，根据式(1)、(2)，气隙磁压降U_δ相等，前、后沿面气隙的所有磁路参数都相等，电磁吸力F_δC相等，切向电磁吸力也相等。

5.将上述两个单相6/6极电动机连轴组合，两个电动机的定子要齿齿相对，两个电动机的转子要齿槽相对，定子绕组也相连，组合后的电动机便是实用新型的电动机。

设定实用新型的电动机为M_S。电动机M_S运行时，转子不管处于任何位置角，其两个电动机总会有一个电动有一个发电，因此电动机M_S不需要位置传感器。电动机M_S的两个电动机理想线性模型的绕组电感变化规律L(θ)和电流波形图i(θ)如图14所示，两个电动机绕组电感叠加后是一条水平线，即电动机M_S整机绕组电感是一个常数，所以两个电动机的电流连通后平稳无波动，电动机M_S的电流特性好。电动机M_S若要调节转速和转矩，如图15所示主电路图，其控制器只需要一个斩波器用功率开关VT，运行时采用PWM电压斩波控制方式，通过控制VT来调节电压，间接改变绕组电流的大小，实现对转速和转矩的调节。若不需要调节转速和转矩，则不需要控制器。

电动机M_S不再工作在连续的开关模式，不具备开关性，电流又是直流，应称为“直流磁阻电动机”。电动机M_S在匀转速、定转矩运行时，电流i为常数，整机磁场储能恒定不变，发电的电动机释放的磁场储能正好用于增加电动的电动机磁场储能，这时电动的电动机消耗电功率除去电阻损耗功率后，全部转换成机械总功率，发电的电动机发电总电功率全部由机械有功功率转换而来。当电动机M_S在变转速、转矩运行时，电流i在变化，整机磁场储能随电流的变化而增减。

电动机M_S同电动机M_g2一样，只要外部电源补充损耗功率便可正常运行。如果两者绕组电流i相等，并在同一转速匀速转动，则每个定子磁极产生的机械转矩相等，根据式(10)，每个定子磁极产生的机械功率也相等。电动机M_S运行时为6个定子磁极电动，6个定子磁极发电；电动机M_g2运行时为2个定子磁极电动，2个定子磁极发电，因此电动机M_S输出机械功率是电动机M_g2的3倍，电阻损耗功率也是电动机M_g2的3倍。由于电动机M_S输出机械功率大，其轴直径大，轴承摩擦力大，所以电动机M_S机械损耗功率也大，大概是电动机M_g2的3倍。一般大功率电动机的效率要高、等于小功率电动机的效率；其次电动机M_S不需要控制器，或控制器元件少耗电少，效率高；再者电动机M_S取消了电感水平线区间，减少了电能浪费，提高了效率，因此电动机M_S比电动机M_g2电源输入电功率相对会小些。电动机M_S要实现正反转，则通过改变后沿面磁通改向片(16)的位置，使转子磁极前、后沿面互换即可。

电动机M_S相比电动机M，电源耗电功率小输出机械功率大，不需要控制器或控制器元件少，效率高，更经济，其综合性能远优于电动机M。

四.论证电动机M_S与永磁永直流发电机组合成的实用新型在额定运行工作状态时的发电情况：

为便于论证计算，假设电动机M_S运行时，其两个电动机一个总是电动，设定为M_SD；另一个总是发电，设定为M_SF。

实用新型在“电能-机械能-电能”的能量转换过程中，损耗包括电动机M_SD的电功损耗、电动机M_SF的电功损耗、实用新型机械损耗及永磁永直流发电机的电功损耗，能量转换过程如图16所示。

参数设定：

P_MSDD＝1  电动机M_SD消耗电功率为单位1；        P_MSe   电动机M_S电源输入电功率；

P_F        永磁永直流发电机输出的电功率；     η_j    实用新型机械效率；

η_MSDD    电动机M_SD的电功效率；               η_MSFD 电动机M_SF的电功效率；

η_FD      永磁永直流发电机的电功效率。

效率取值：

η_j＝85％：目前电机的机械效率均达到90％以上，η_j取保守值85％。

η_MSDD＝90％：目前常规设计的第二代开关磁阻电动机(整机)效率均达到85％以上，现只是电功效率，η_MSDD取保守值90％。

η_MSFD＝87％：电动机M_SF与电动机M_SD的电阻损耗功率i²R相等，因电动机M_SF的发电总电功率(即M_SF输入的机械有功功率)小于电动机M_SD的消耗电功率，所以η_MSFD应小于η_MSDD，η_MSFD取87％。

η_FD＝95％：永磁交流发电机电功效率已达到90％以上。永磁永直流发电机磁场不交变，无涡流损耗，电阻损耗又很小，其电功效率要高于永磁交流发电机的电功效率，η_FD取95％。

计算：

P_MSe＝P_MSDD-P_MSDD×η_MSDD×η_j×η_MSFD＝1-1×0.9×0.85×0.87≈0.33

P_F＝P_MSDD×η_MSDD×η_j×2×η_FD＝1×0.9×0.85×2×0.95≈1.45

$\frac{P_{\mathrm{MSe}}}{P_F}=\frac{0.33}{1.45}\≈\frac{1}{4.4}$     式(15)

通过式(15)看出，电动机M_S电源输入电功率P_MSe小于永磁永直流发电机输出的电功率P_F，实现了用小功率电能发电换取大功率电能的目的。

实用新型可使用磁力轴承，提高机械效率，再将实用新型的电动机M_S力臂适当增大，发电效果会更好。另外永直流发电机也是永直流电动机，可电动发电两用。

Claims (12)

1.一种盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，该机由半圆机壳(1)、电动机半圆定子(7)、发电机半圆定子组、半圆定子固定件(8)、实用新型转子、电刷(2)、轴承(5)和端盖(6)构成，所述组成圆形连接固定的2个半圆机壳(1)两端安装2个端盖(6)，2个端盖(6)中心装有2个轴承(5)，实用新型转子装在轴承(5)内，其中1个端盖(6)上安装有1个电刷(2)，所述半圆机壳(1)内相邻且磁极极面相对的2个电动机半圆定子(7)，轴向相对的定子磁极极面极性相异；所述组成圆形的2个电动机半圆定子(7)，一半个数的定子磁极与另外一半个数的定子磁极极面极性相异，其特征在于：所述4n个电动机半圆定子(7)按照磁极极面朝右、朝左的排列次序从左到右装在1个半圆机壳(1)内，并用4n个半圆定子固定件(8)固定，同时每2个对装在一起的半圆定子固定件(8)夹装固定着m＝2n-1个发电机半圆定子组，所述半圆机壳(1)一端加装1个半圆定子固定件(8)，每2个对装在一起的半圆定子固定件(8)夹装固定着m＝2n个发电机半圆定子组，所述半圆机壳(1)另一端再加装1个半圆定子固定件(8)，每2个对装在一起的半圆定子固定件(8)夹装固定着m＝2n+1个发电机半圆定子组，所述半圆机壳(1)及与其固定在一起的定子部件为两套组成圆形连接固定；包括所述实用新型转子。

2.根据权利要求1所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述电动机半圆定子(7)中心线两边对称，其磁轭一侧半圆环面固定有2及以上个定子磁极，定子磁极极弧等于定子槽的槽弧。

3.根据权利要求1所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述发电机半圆定子组是2个发电机半圆定子用多根导磁条(11)连接组成，所述发电机半圆定子的铁芯(9)用整块磁性材料制成，半圆环柱型，两侧半圆环受磁面均匀开有相等数量且相对的定子槽，定子槽之间的磁轭外圆面开有磁条装配槽，电枢绕组(10)由一侧定子槽-铁芯(9)外圆-另一侧定子槽-铁芯(9)内圆置入定子槽，同一电枢绕组(10)按同一方向绕制；所述导磁条(11)用整块磁性材料制成，两端朝同一方向折成直角，2个端头与发电机半圆定子的磁条装配槽配合，所述导磁条(11)2个端头分别固定于2个发电机半圆定子的磁条装配槽，导磁条(11)与定子槽相对，数量与发电机半圆定子一侧受磁面的定子槽数相等。

4.根据权利要求1所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述半圆定子固定件(8)，外圆部位与电动机半圆定子(7)配合，可将电动机半圆定子(7)固定在半圆机壳(1)内；内圆部位设置有与发电机半圆定子组的导磁条(11)配合且数量相等的半边封闭槽，2个对装在一起的半圆定子固定件(8)可将1个发电机半圆定子组夹装固定在半圆机壳(1)内。

5.根据权利要求1所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述实用新型转子由电动机转子和发电机转子组合而成，具备电动机转子和发电机转子的所有特征，所述实用新型转子的轴(4)和轴(4)上固定的2n个A转子盘、2m-2n+1个B转子盘，A转子盘固定在与电动机、发电机定子同时配合工作的位置；B转子盘固定在只与发电机定子配合工作的位置，所述A转子盘是将B转子盘的磁铁(13)、圆环极靴(12)、或连同导磁圆盘(18)改装到C转子盘后的转子盘。

6.根据权利要求5所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述电动机转子轴上固定的2n个C转子盘，n个C转子盘与另外n个C转子盘齿槽相对，所述C转子盘包括C半转子盘架，C半转子盘架中心开有轴孔，外圆部位均匀设置有电动机转子磁极(17)的安装槽，数量与电动机定子极数相等，正对电动机转子磁极(17)安装槽的外侧盘面设置有斜极面磁通改向片(14)的安装槽，电动机转子槽的位置开有圆环扇形孔，与改向片转动架(20)外圆的圆环扇形片配合，C半转子盘架中间圆部位是圆环槽，圆环槽与圆环扇形孔连通，圆环槽内均匀设置有2及以上个双向自保持电磁铁(15)的安装定位柱，所述2个C半转子盘架对装，将与电动机定子极数相等个数的电动机转子磁极(17)、2及以上个双向自保持电磁铁(15)和1个改向片转动架(20)装在转子盘内，2倍于电动机转子磁极(17)个数的斜极面磁通改向片(14)粘贴在两侧盘面的安装槽内，2倍于电动机转子磁极(17)个数的后沿面磁通改向片(16)粘贴在改向片转动架(20)的圆环扇形片外侧面的安装槽内。

7.根据权利要求6所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述电动机转子磁极(17)两端极面为凹槽形，极面中间是平极面，径向边处是斜极面。

8.根据权利要求6所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述斜极面磁通改向片(14)位于电动机转子磁极(17)极面正前方的转子表面，与电动机定子磁极的间隙均匀，过渡传导电动机转子磁极(17)极面的磁通，用磁性薄板材料叠加制成，厚度尽可能薄。

9.根据权利要求6所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述后沿面磁通改向片(16)位于电动机转子磁极(17)极头旁边后沿面一侧的转子表面，与电动机定子磁极的间隙均匀，过渡传导电动机转子磁极(17)后沿面的磁通，用磁性薄板材料叠加制成，厚度尽可能薄。

10.根据权利要求6所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述斜极面磁通改向片(14)为圆环扇形或相似形；所述后沿面磁通改向片(16)为圆环扇形或相似形。

11.根据权利要求6所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述改向片转动架(20)内圆设置有滚轮；外圆均匀设置有与电动机转子磁极(17)个数相等对数的圆环扇形片，每对2个轴向相对，圆环扇形片外侧面设置有后沿面磁通改向片(16)的安装槽。

12.根据权利要求5所述的盘式直流磁阻电动机电动永直流发电机，其特征在于：所述发电机转子的轴(4)和轴(4)上固定的2m+1个B转子盘，相邻2个B转子盘相对的磁极极性相同，所述轴(4)用整块磁性材料制成；所述B转子盘包括B转子盘架(21)，B转子盘架(21)中心开有轴孔，环绕轴孔开有几个磁铁(13)的安装孔，安装孔内极性并联地装有几个轴向磁通的磁铁(13)，给发电机定子励磁的磁极装圆环极靴(12)，未给发电机定子励磁的磁极装导磁圆盘(18)将磁通传导给轴(4)。