CN212413017U - 差频式高频电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种差频式高频电机，包括定子、转子、定子线圈、转子线圈和传动轴，所述传动轴位于该差频式高频电机中轴线上，所述定子、定子线圈、转子和转子线圈分布在传动轴外侧，还包括高频励磁发电机，所述高频励磁发电机连接在转子线圈上，所述高频励磁发电机上输入有两相或三相的低功率高频电流，输出的高频励磁电流输入转子线圈中。本实用新型使用高频输入电流，使电机的制造成本大幅降低，体积缩小；特别是用在汽车或船舶驱动上，既方便了动力传输，也方便了速度调节；使用前景广阔，无论是电机制造还是使用者都可节约大量成本，节能降耗，既能产生良好的经济效益，也可获得良好的社会效益。

Description

差频式高频电机

技术领域

本实用新型属于高频电机技术领域，尤其涉及一种差频式高频电机。

背景技术

电机，包括发电机、电动机，因为历史原因，发电机与电动机的输入均采用频率很低的工频50、60HZ，导致电动机与发电机内部的线圈电磁材料消耗大，制造成本高，特别是为了输出大功率电流的电机，需要将体积制作的十分巨大，整个结构十分笨重，导致安装、运输都很不方便。因此，如何开发一种体积小且可输出大功率的电机成为本领域技术人员的研究方向。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种差频式高频电机，该差频式高频电机使用高频输入电流，使电机的制造成本大幅降低，体积缩小，使用前景广阔，无论是电机制造还是使用者都可节约大量成本，节能降耗。

本文所称高频电机指工作频率远高于50至60HZ的市电工频频率的旋转电机，工作频率大于1000HZ的频率，本技术中实际远高于工频频率，以目前的技术与材料技术，而企业使用的频率在数十千赫兹范畴，在需要时也可以增至MHZ范围。电机转子与定子电流的频率始终不同，转速感应的频率与励磁频率始终存在数量极的差距，故称为差频。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种差频式高频电机，包括定子、转子、定子线圈、转子线圈和传动轴，所述传动轴位于该差频式高频电机中轴线上，所述定子、定子线圈、转子和转子线圈分布在传动轴外侧，还包括高频励磁发电机，所述高频励磁发电机连接在转子线圈上，所述高频励磁发电机上输入有两相或三相的低功率高频电流，输出的高频励磁电流输入转子线圈中。

上述技术方案中进一步改进的技术方案如下：

1.上述方案中，所述高频励磁电流通入转子线圈后，会产生一个高速旋转磁场，在所述定子线圈通入一高频电流，所述定子与转子存在频率差或相位差时，则传动轴输出转矩与转速，此时差频式高频电机实现电动机功能。

2.上述方案中，所述高频励磁电流通入转子线圈后，会产生一个高速旋转磁场，在所述传动轴上输入动力源，则定子线圈输出高频电流，此时差频式高频电机实现发电机功能。

3.上述方案中，所述定子线圈通入一个高于或低于转子线圈输入电流频率的两相或三相高频电流，产生一个旋转方向与转子相同的旋转磁场，所述传动轴输出动力至机械设备上。

4.上述方案中，所述定子线圈频率比转子线圈频率高时，转子旋转方向与高速旋转磁场方向相同；所述定子线圈频率比转子线圈频率低时，转子转动方向与高速旋转磁场方向相反，通过调节转子线圈的频率，可以调节转速及转向。

5.上述方案中，所述定子线圈通入一个与转子线圈同频的两相或三相电流，通过调节定子线圈与转子线圈的相位，使传动轴产生转速与转矩。

6.上述方案中，所述定子相位始终超前于转子，则转子一直朝旋转磁场同方向呈加速状态，调节相位的大小可以调节转矩。反之，可以让定子相位始终滞后于转子，则转子一直朝旋转磁场反方向呈加速状态。通过位置传感器和速度传感器经闭环自动控制，可以依负载调节电机转矩大小即转速和旋转方向

7.上述方案中，所述差频式高频电机内设置多个定子绕组，通过改变转子线圈的联结方式，使对应的定子线圈输出多个高频电流。

8.上述方案中，所述联结方式除改变磁极对数外，包括以下四种情况：

1)高频励磁发电机励磁方向与传动轴同方向，发电机转子旋转磁场的旋转方向与传动轴转动方向相同时，发电机输出频率与高频励磁发电机输入频率相同；

2)高频励磁发电机励磁方向与传动轴同方向，而发电机主转子旋转磁场旋转方向与传动轴转动方向相反时，发电机输出频率比高频励磁发电机输入侧低；

3)高频励磁发电机励磁方向与传动轴方向相反，而发电机主转子旋转磁场旋转方向与传动轴转动方向相同时，发电机输出频率比高频励磁发电机输入侧高；

4)高频励磁发电机励磁方向与传动轴方向相反，而发电机主转子旋转磁场旋转方向与传动轴转动方向相反时，发电机输出频率与高频励磁发电机输入频率相同。

9.上述方案中，所述联结方式1)和4)得到的发电机为同频发电机。

10.上述方案中，所述定子和转子铁芯采用硅钢片或铁氧体铁芯。

11、上述方案中，高频电机的结构形式包括以下几种：

1)励磁发电机直径比定子直径小很多，转子励磁线圈由导线与转子线圈通连；

2)转子励磁发电机的定子铁芯与主定子铁芯直径相同并被分作两段，只是轴向厚度不同，转子铁芯也分作两段，转子近似工频电动机的鼠笼转子，中间的导线连接部分可兼作冷却风扇。这种结构较简单，制造工艺难度较低；

3)励磁授电采用滑环和电刷与转子励磁线圈通连，与现存的绕线式电机结构基本相同，只是匝数很少。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型差频式高频电机，其使用高频输入电流，使电机的制造成本大幅降低，体积缩小；特别是用在汽车或船舶驱动上，既方便了动力传输，也方便了速度调节；使用前景广阔，无论是电机制造还是使用者都可节约大量成本，节能降耗，既能产生良好的经济效益，也可获得良好的社会效益。

2、本实用新型差频式高频电机，其通过在定子侧与转子侧输入不同的高频电流，以两频率差作为电机转速的基础，从而达到了减小电机体积的效果，在大功率高频电机领域将可能将电机的成本降低八成以上。

3、本实用新型差频式高频电机，其通过在转子侧输入高频电流，配合机械动力源的输入，可在定子侧输出高频大功率电流，相当于一个高频功率放大器。

附图说明

附图1为本实用新型高频电机的第一种结构示意图。

附图2为本实用新型高频电机的第二种结构示意图。

附图3为本实用新型高频电机的海浪发电应用结构示意图。

图中：1、高频励磁发电机；2、定子线圈；3、转子线圈；4、传动轴；5、轴承；6、定子铁芯；7、转子铁芯；8、固定桩；9、传动滑杆；10、重力浮子。

具体实施方式

在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利的具体含义。

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述：

一种差频式高频电机，包括定子、转子、定子线圈2、转子线圈3和传动轴4，所述传动轴4位于该差频式高频电机中轴线上，所述定子、定子线圈2、转子和转子线圈3分布在传动轴4外侧。

实施例1：作为高频电动机使用时：

一种差频式高频电机，还包括高频励磁发电机1，所述高频励磁发电机1连接在转子线圈3上，所述高频励磁发电机1上输入有两相或三相的低功率高频电流，输出的高频励磁电流输入转子线圈3中，使转子产生一个高速旋转磁场，而在定子线圈中通入高于或低于激磁频率的两相或三相电流，使定子产生旋转方向与转子相同的旋转磁场；

当定子频率比转子频率高时，转子将朝旋转磁场方向相同的方向旋转，转子输出一个处于两者频率之差的转速，转速与两频率之差值正相关；

反之，当定子频率比转子频率低时，转子旋转方向与高频旋转磁场方向相反，转子输出一个处于两者频率之差的转速，转速与两者频率之差正相关，同时还与电机的磁极对数反相关；

转子输出转矩，这样就完成了电能转换为机械能的电动机功能，完成电动机的功用。调节励磁侧的频率既可以平滑调节转速，也可以调节转向，而且励磁侧所需功率不大。

当两者频率相同时，转子转速为零；通过改变转子和定子间的相位差而使高频电动机产生转矩，这种高频电动机的体积也会更小。其原理如下：在高频电动机的定子线圈2和转子线圈3中通入同频率的高频电流，利用安装在转子上的位置传感器和速度传感器，调节转子励磁与定子的高频电流相位，使之产生转矩。如果通过位置传感器让定子相位始终超前于转子，则转子一直处于朝旋转磁场同方向的加速状态，调节相位的大小可以调节转矩。反之，可以让定子相位始终滞后于转子，则转子一直朝旋转磁场反方向呈加速状态。通过位置传感器和速度传感器经闭环自动控制，可以依负载调节相位来改变电机转矩大小即转速和旋转方向；使之产生所需要的转速和转矩使电动机工作，这有点类似无刷直流电动机和矢量控制的工作原理。该电机与基于差频作为转速基础的电机所不同之处在于该转子电流始终工作于纯高频，因为采用同一频率，理论上可适用的频率可以更高

不过由于是采用同频调相高频工作的电动机，如果由于伺服系统出现故障而保护系统不够完善，没有及时反应，出现失速险情的几率非常大，这将限制某些场合对这种形式电动机使用的可能。

此高频电动机中定子线圈与转子线圈输入的电流频率大于1000HZ。

实施例2：作为高频发电机使用时：

一种差频式高频电机，还包括高频励磁发电机1，所述高频励磁发电机1连接在转子线圈3上，所述高频励磁发电机1上输入有两相或三相的低功率高频电流，输出的高频励磁电流输入转子线圈3中，使转子产生一个高速旋转磁场，同时在传动轴上连接动力源，为转子提供机械能；

如励磁旋转磁场与转子转向相反，使转子线圈切割磁力线产生电流，则在转子线圈内产生励磁频率加转子转速的频率。只要励磁发电机磁场旋转方向与对应于定子侧的转子所产生的旋转磁场方向相同，则在定子输出侧产生频率与励磁输入同频率的电动势(还与定子线圈和转子线圈的磁极对数相关)。由此实现将机械能变为电能的发电机功能。

通过改变转子线圈的联结方式，可以改变定子线圈的输出频率：具体的联接形式有以下几种：

1)励磁发电机励磁方向与传动轴同方向，而发电机转子旋转磁场的旋转方向与轴转动方向相同时，发电机输出频率与励磁发电机所加频率相同。

即：fc＝fr

式中：fc是输出频率，fr是励磁发电机输入频率(下同)。

2)励磁发电机励磁方向与传动轴同方向，而发电机转子旋转磁场旋转方向与轴转动方向相反时，发电机输出频率比励磁发电机输入侧低。

即：fc＝fr-2fz

式中：fz是轴旋转所产生频率(为叙述简便暂且都将磁极对数设为1)。

3)励磁发电机励磁方向与传动轴方向相反，而发电机转子旋转磁场旋转方向与轴转动方向相同时，发电机输出频率比励磁发电机输入侧高。

即：fc＝fr+2fz (鼠笼形转子的发电机即属于此类)。

4)励磁发电机励磁方向与传动轴方向相反，而发电机转子旋转磁场旋转方向与轴转动方向相反时，发电机输出频率与励磁发电机输入频率相同。

即：fc＝fr (通常发电机或作为同频发电机时较适合的连接方式)。

所述联结方式1)和4)得到的发电机为同频发电机。

实施例3：将高频发电机与高频电动机组合使用时：

一种差频式高频电机，还包括高频励磁发电机1，所述高频励磁发电机1连接在转子线圈3上，所述高频励磁发电机1上输入有两相或三相的低功率高频电流，输出的高频励磁电流输入转子线圈3中，使转子产生一个高速旋转磁场，同时在传动轴上连接动力源，为转子提供机械能，此时高频电机实现发电机功能；此高频发电机中设置两组定子绕组，两组定子线圈由于转子线圈的联结方式不同而输出两个或以上不同频率电势的发电机；

将此两个高频电流分别通入电动机的定子线圈和转子线圈侧，实现电动机的功用。

此结构将发电机与电动机组合使用，实现了电动机不同频率高频电流的输入，可应用于汽车等多领域中。

高频电动机及高频发电机均可采用以下几种结构：

如图1所示，高频励磁发电机1直径比定子铁芯6的直径小很多，定子铁芯6上缠绕有定子线圈2，转子铁芯6上缠绕有转子线圈3，高频励磁发电机1的转子励磁线圈由导线与转子线圈3通连，传动轴4与机壳连接的位置处设有轴承5。

如图2所示，高频励磁发电机1的定子铁芯与定子铁芯6直径相同并被分作两段，只是轴向厚度不同，转子铁芯7也分作两段，转子近似工频电动机的鼠笼转子，中间的导线连接部分可兼作冷却风扇。这种结构较简单，制造工艺难度较低。

3、感应励磁式高频电机的结构形式第三种：励磁授电采用滑环和电刷与转子励磁线圈通连，与现存的绕线式电机结构基本相同，只是匝数很少。

本实用新型上述内容进一步解释如下：

1、发电机和电动机作为电磁型动力转换设备，由于在同电流下频率越高，用于电磁特性的电器线圈所需同等磁场强度的励磁匝数越少，因此使用频率越高，电机所需材料越少，体积也就越小，而且伴随的是铜损更小，效率得到提升，电动机调节转速时只需调节励磁侧的频率即可，所需调节的功率比较小，方便降低成本。

2、高频发电机用途也可作为大功率长波(KHZ)、短波(MHZ级)高频功率放大器(同频发电机)，只要使转子线圈经适当连接，调换励磁发电机旋转磁场与主励磁产生的旋转磁场方向，由于轴端磁场频率与轴转速互补，这样输出的频率与励磁频率高度一致，与转动速度无关。

3、可作为材料加工(中频淬火)的中频电源发电机使用。

4、除了一般用途之外，因为采用此技术的同频发电机可作为高频功率放大器，为特殊应用领域所需要的高功率高频发生器提供了应用渠道。

5、在船舶中用于作为远距离动力传输。由于此技术可使高频大功率发电机和电动机的体积小型化，而且调速、调向方便，这样可以将船舶的燃油发动机安装在任意方便的位置，不受传统体积笨重的机械传动装置的束缚。

6、在汽车制造业，可在降低成本的同时实现全电控制，无极变速，可以通过自动控制装置让发动机始终工作在高效区间，提高汽车的燃油效率，更由于动力传输体积的小型化，提高运输效益。

7、在需要速度联动的生产环节(如造纸、封装等行业)，可由一台高频发电机供电，在发电机侧统一调节频率进而调节生产线转速，实现精准调节，还能降低设备购置成本。

8、因为同频发电机可基本忽略转速，转速只与功率相关，特别适用于低转速的水轮发电机组和风能发电机，可大大降低成本，励磁侧可以采用市电，只要转子联接正确，使机组输出频率与励磁频率相同处于同频发电机状态即可，而且运行时可以基本消除并网操作时对电网的冲击。

9、由于大功率差频式高频电动机成本大幅降低，在很多场合下还能省去变速装置的购置，代之以小巧的电子变频等调速装置。

10、采用鼠笼形转子的高频发电机可以使制造起来工艺简单化，工作更可靠，减少维护负担。

11、由于功率放大器形式的同频发电机，励磁频率较高，对机械低速度动力源适用性好，理论上可应用于海浪发电，如图3所示，在海面上设置固定桩8将高频发电机固定在海面上方，此高频发电机连接在传动滑杆9上，传动滑杆9的底部设有重力浮子10，此重力浮子10位于海面上，随海浪起伏，由于同频发电机绕组经适当连接后可使输出频率不受运动速度影响，只要在适当时机输入高频电流，使励磁磁场运动方向与外加动力逆向，该直线或摆幅高频发电机即成为同频发电机，解决海浪运动速度低而且变化大，能量不易提取的困难。

12、只要高频电机工作频率超过了音频范围(20KHZ以上)，电机的噪声将会大大降低，可使工作环境更友好。

使用此技术必须注意的是，为了防止电动机转子和定子电流没有同时加入或在故障状态时转子转速超速，需采取相应的保护措施以防发生飞车事故。但在使用于一台发电机对应一台电动机的单闭环结构内时，技术上很容易克服，基本不成为问题。发电机的励磁需有电抗器或电容等限流措施，以防励磁电流过大。另外，在工作于高频率时，磁极对数应大于2，否则可能因金属轴受到漏磁的影响而产生高温。

本实用新型差频式高频电机，其将大大节约电机制造成本。如果普遍采用此技术，将使电机的制造行业和使用单位，大幅节约成本，取得很好的降耗环保效果，在为企业创造非常可观的经济效益的同时，也能取得良好的社会效益。

这种技术由于频率控制、电流控制的难度，在初始运用阶段仅限于交通运输工具，如汽车、船舶、飞机等一台发电机对应一台电动机的单闭环结构，需在技术积累成熟后可以应用于其他领域。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种差频式高频电机，包括定子、转子、定子线圈(2)、转子线圈(3)和传动轴(4)，所述传动轴(4)位于该差频式高频电机中轴线上，所述定子、定子线圈(2)、转子和转子线圈(3)分布在传动轴(4)外侧，其特征在于：还包括高频励磁发电机(1)，所述高频励磁发电机(1)连接在转子线圈(3)上，所述高频励磁发电机(1)上输入有两相或三相的低功率高频电流，输出的高频励磁电流输入转子线圈(3)中。

2.根据权利要求1所述的差频式高频电机，其特征在于：所述高频励磁电流通入转子线圈(3)后，会产生一个高速旋转磁场，在所述定子线圈(2)通入一高频电流，所述定子与转子存在频率差或相位差时，则传动轴(4)输出转矩与转速，此时差频式高频电机实现电动机功能。

3.根据权利要求1所述的差频式高频电机，其特征在于：所述高频励磁电流通入转子线圈(3)后，会产生一个高速旋转磁场，在所述传动轴(4)上输入动力源，则定子线圈(2)输出高频电流，此时差频式高频电机实现发电机功能。

4.根据权利要求2所述的差频式高频电机，其特征在于：所述定子线圈(2)通入一个高于或低于转子线圈(3)输入电流频率的两相或三相高频电流，产生一个旋转方向与转子相同的旋转磁场，所述传动轴(4)输出动力至机械设备上。

5.根据权利要求4所述的差频式高频电机，其特征在于：所述定子线圈(2)频率比转子线圈(3)频率高时，转子旋转方向与高速旋转磁场方向相同；所述定子线圈(2)频率比转子线圈(3)频率低时，转子转动方向与高速旋转磁场方向相反，通过调节转子线圈(3)的频率，可以调节转速及转向。

6.根据权利要求2所述的差频式高频电机，其特征在于：所述定子线圈(2)通入一个与转子线圈(3)同频的两相或三相电流，通过调节定子线圈(2)与转子线圈(3)的相位，使传动轴(4)产生转速与转矩。

7.根据权利要求6所述的差频式高频电机，其特征在于：所述定子相位超前于转子时，转子一直朝旋转磁场同方向呈加速状态，调节相位的大小可以调节转矩；反之，所述定子相位滞后于转子，则转子一直朝旋转磁场反方向呈加速状态。

8.根据权利要求3所述的差频式高频电机，其特征在于：所述差频式高频电机内设置多个定子绕组，通过改变转子线圈(3)的联结方式，使对应的定子线圈(2)输出多个高频电流。

9.根据权利要求8所述的差频式高频电机，其特征在于：所述联结方式包括以下四种情况：

1)高频励磁发电机(1)励磁方向与传动轴(4)同方向，发电机转子旋转磁场的旋转方向与传动轴(4)转动方向相同时，发电机输出频率与高频励磁发电机(1)输入频率相同；

2)高频励磁发电机(1)励磁方向与传动轴(4)同方向，而发电机主转子旋转磁场旋转方向与传动轴(4)转动方向相反时，发电机输出频率比高频励磁发电机(1)输入侧低；

3)高频励磁发电机(1)励磁方向与传动轴(4)方向相反，而发电机主转子旋转磁场旋转方向与传动轴(4)转动方向相同时，发电机输出频率比高频励磁发电机(1)输入侧高；

4)高频励磁发电机(1)励磁方向与传动轴(4)方向相反，而发电机主转子旋转磁场旋转方向与传动轴(4)转动方向相反时，发电机输出频率与高频励磁发电机(1)输入频率相同。

10.根据权利要求1所述的差频式高频电机，其特征在于：所述定子和转子铁芯采用硅钢片或铁氧体铁芯。

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