CN86104917A - 无电刷无换向器式直流电机 - Google Patents

Abstract

无电刷无换向器式直流电机

本申请对象属于直流电机技术领域。

现有直流电机，由于有电刷与换向器，使该电机显得结构复杂、格价昂贵、制造与维护修理困难。本申请对象的技术特征在于将该电机的电枢与磁极的相对位置进行重新安排，设法去掉了换向器甚至去掉了电刷，从而克服了上述缺点，发扬了优点[例如提高了该电机较好的调速(电动机)或调节(发电机)性能]，扩大该电机的使用范围，使交流调速的研究失去意义，并且为电机书的编著者、出版者、教书者、读书者、电机设计制造者节省了时间、精力、人力、物力与财力。

Description

本申请对象属于直流电机技术领域。

现有的旋转型直流电机，虽然有优点：调速（对电动机而言）或调节（对发电机而言）特性平滑无级、范围大，控制方便。对电动机而言，能频繁地进行无级快速起动、制动、反转，能满足生产过程自动化的各种要求。但又有缺点：有一套容易损坏的“刷一器”装置，使之与其它电机相比，结构较复杂、制造较困难（全国只有少数电机厂才能生产）、价格较昂贵（以换向器与电枢绕组加工费用为主）、维护修理很不方便（修理周期最长），从而使该电机使用范围很有限，其中的直流发电机目前已逐渐被可控硅整流装置所取代。

现有技术：1、《浅谈无刷直流电动机的现状和发展方向》毛鼎品，西安微电机研究所，见《中国电工技术学会年会论文集”专题论文报告摘要”》中国电工技术学会编86年7月P₁₉，文中提到的国内、外这种旋转型直流电机无刷是不假，但都不是真正直流电机，而是交流电机，它们都离不开电子式位置检测装置。2、《直线电机科技成果汇编》第一集、中国电工技术学会直线电机研究组编85年12月P₄₂，文中提到的也是“机电结合的精密电子产品”与本申请对象的完全两样，并且后者的功率很小。

本申请对象的任务是：保留、甚至扩大该电机上述最可贵的优点，设法去掉“刷一器”装置，使之成为各电机中结构较简单，制造较容易（任一工厂都能制造）、价格较便宜（以金属机械加工费用为主，其成本将要降低三分之二以上）、运行较可靠、维护修理较方便、使用范围较广泛的电动机或发电机。

解决上述任务的方案是：如附图1所示，在现有的二极直流电机原理图中，把放置在原理位置即电枢表面几何中性线上的一个电刷（例如正电刷）及显示某个磁极（例如N极）厚度的某个侧面a，二者沿电枢园周方向移动，一直移到正刷与负刷相重合、a侧面与b侧面相遇为止，即附图1（a）→（b）→（c）→（d），这样由原来图1（a）里只占定子一定宽度的磁极，最后扩展为占据电机整个定子空间的环形磁极，如图1（d）所示，同时使转子电枢上切割定子磁极感应同一方向电势e_a的电枢导体数，由原来图1（a）的只占半个电枢最后扩展到整个电枢，如图1（d）所示。于是①由于整个电枢导体的电势都是同一个方向，故不会出现现有直流电机那种过程极复杂的变换电流方向问题，即换向问题，因而不再需要换向器、换向极、及其经典式的换向理论;②由于环形磁极是个匀强磁场，故不会再出现现有直流电机那种令初学者难以理解的磁极礼帽形磁密分布波与电枢马鞍形磁密分布波的逐点合成“过程”。更不会出现由于合成的和尚帽形磁密分布波波峰过高，使局部磁路过饱和而导致每极磁通量略为变小的电枢反应“结果”。故也不需要稳定绕组了。也不会出现由于帽峰磁密过高而使局部换向片间电位梯度剧增而导致环火的危险，因而不再需要在磁极掌表面开槽嵌入补偿绕组，③由于电枢绕组上没有换向器（片）与电刷，故再也不会有现有直流电机那种复杂多变的，也是令初学者难以理解的电枢绕组展开图、绕线表与支路图，从而简化了该电机的电枢绕组构成原理。

由此可见本申请对象的新型直流电机不仅从现有直流电机的构造上彻底去掉最容易损坏的换向器，甚至电刷，还简化了令初学者难懂的“电枢绕组构成原理”及“电枢反应原理”，彻底废弃掉复杂的“换向理论及其改善措施”，为电机书的编著者、印刷出版者、教书者、读书者、电机设计制造者都节省了时间、精力、人力、物力与财力。还使目前仍处于研究阶段复杂的交流调速理论及其昂贵的电子调速装置失去意义。

为了使上述扩展后的直流电机彻底废弃电枢上的电刷，必须把它的原来作旋转运动的电枢绕组倒装到定子上，变为静止的电枢电路，以便不经过电刷而直接与外电路相连;于是经过扩展后的环形定子磁极及其激磁绕组只好倒装到转子上。此激磁绕组需要用机械强度高的粘结剂浸透，固化成一定形状后，套入电机转子各个部位上。这样可增加新型电机的机械强度。如众所周知，现有直流电机的最高转速，一方面受到换向条件不允许恶化，即电刷下火花等级的限制，另一方面受到转子电枢绕组两个端部绑扎线机械强度（离心力）的限制。本申请对象的新型直流电机则彻底去掉这两个限制，从而可提高该电机之最高转速n_max;这对电动机而言，可扩大其调速范围D＝〔n_max↑/n_min〕↑;对发电机而言，可提高其空载特性曲线U_O＝f（I_f）＝k·n_max的高度，起到相当于提高该电机磁路性能的作用。由于转子是环形磁极，故再也不会有现有直流电机那种流经转子的方向不断变换的交变磁通，故可用薄钢板代替昂贵的硅钢片，这不仅把现有直流电机电枢铁芯能量损耗也全部省下来，从而提高了该电机之运行效率，降低了电机之体温，还开创了制造电机少用甚至不用硅钢片的先例。

为了使定子电枢每个元件的两个边都能切割磁通，感应在空间里方向相反在元件里却是相加的电势e_y＝e_a1+e_a2，在定子电枢内、外两侧必须设置两个极性相同的转子磁极，如附图2、图12所示（例如都是N极），形成本申请对象一个总的构思下的四种结构特点：两个同性磁极中间夹一个电枢（以下简称“两极夹一枢”），或者，在两个电枢中间方向相反，在元件里却是相加的电势e_y＝e_a1+e_a2，在定子电枢内、外两侧必须设置两个极性相同的转子磁极（如附图2所示，例如都是N极）。形成本申请对象的新型直流电机的两个结构特点：两个同性磁极中间夹一个电枢（以下简称为“二极夹一枢”），或两个电枢中间夹一个磁极（以下简称为“二枢夹一极”）。

利用附图三个主要实施例：图2、图8、图9，对本申请对象作进一步说明：

图1、是把现有的直流电机扩展为本申请对象的新型电机的逻辑推理图。

图2、是无电刷无换向器式旋转型直流电机剖面图。

图3、是图2的A-A局部剖面图，主要表明转子内、外两个磁极及其激磁绕组的空间径向位置。

图4、是图2的B-B局部剖面图，主要表明定子电枢元件的两个边切割径向磁通后感应两个方向相反的电势（一个为 ，另一个为⊙）。

图5、是图4中局部定子电枢的立体图，主要表明图4中两个在空间里方向相反的电势在元件内却是相加的。

图6、是图5中局部电枢元件的首端、尾端穿过磁轭（端盖）的出线孔，引到外面，用连接线接成的电枢回路。

图7、是本申请对象新型直流电机电枢绕组展开图。

图8、图9，是无电刷无换向器式直线型直流电机两个不同结构剖面图。

如图2所示，申请对象是“二极夹一枢”。两个同性磁极是：直接压装在转轴（1）上的园柱形转子内磁极（2），与通过磁轭（3）用键槽（3′）紧固到转轴（1）上的园筒形转子外磁极（4）。这两个同性转子磁极（2）（4），由固定到定子铁芯（5）两侧的四个环形激磁绕组（6）（7）（6′）（7′）提供磁源，形成四个磁通回路，如附图2中的虚线表示。夹在这两个转子磁极（2）（4）中间的是定子电枢〔包括电枢绕组（10）（11）及铁芯（5）。以下简称为（10）（11）及（5）〕。其中定子铁芯（5）从轴向分割成若干块后，就能很方便地把电枢绕组（10）（11）直接绕到各个电枢槽（8）（9）里。电枢铁芯（5）的每一块的一端，用螺栓固定到端盖（磁轭）（12）上，另一端则用螺栓固定到凹形定子铁箍（13）上。象普通电机那样，两个端盖通过螺栓固定到机座（14）上（机座不作为磁轭），转轴（1）则通过轴承安装到两个端盖（12）与（12′）上。如若采用滚珠轴承，则在磁轭（12）上的轴承外侧，还必须装非磁性材料做的外套（15），以防止滚动的滚珠切割磁轭（12）里的磁通而产生附加铁耗，使滚珠体温变高。

如图3所示，是固定不动的激磁绕组（6）（7）或（6′）（7′）及由此而产生的两个转子同性磁极（2）（4），把定子电枢（5）夹在中间，形成“两极夹一枢”。

如图4所示，是转子上的两个同性磁极（2）（4）以同一方向切割定子电枢元件两个边（10）（11），并且感应出两个在空间方向相反的电势e_a1、e_a2。

如图5所示，上述两个电势在电枢元件内却是相加的e_y＝e_a1+e_a2，而每个元件的首端与尾端穿过端盖（12）上的出线孔（16）被引到外侧，并用连接线（17）接成电枢回路。

如图6所示，是在图5上的端盖（12）外侧电枢元件出线端的连接线（17）把各个元件顺向串联成支路〔四个激磁绕组的首、尾端也从端盖（12）上引出，从略，也可在内部连线后穿过（12）引出〕。

如图7所示的是本申请对象的新型直流电枢绕组展开图，它与现有直流电机相比，是够简单的了。

从图5知，由于电枢各元件是直接绕到电枢内、外的两个槽里的，故电枢元件的两个端部的导线长度，只有电枢铁芯（5）的厚度那么一点点长，又没有换向器，与现有直流电机两个“∧”形长长的端部及换向器相比，本申请对象的新型直流电机，不仅节省一半许的用铜量，降低造价，更重要的是使电枢电阻R_a减少到现有直流电机的一半许，电机之铜耗（I² _aR_a）与内压降（I_aR_a）也减一半许，这样不但使电机的运行效果提高了，当按发电机运行时，还使其输出的外特性U＝f（I）硬度提高几乎一倍、电压波动率△U减小近一半，即输出电压的相对稳定度提高一倍许;当按电动机运行时，其输出的机械特性n＝f（M）的硬度也提高近一倍，转速波动率即静差率δ＝△n/n_O＝I_aR_a/U∞R_a减小近一半，即转速的相对稳定性提高近一倍，或金属切削机床加工精度可提高近一倍。由于R_a减小近一半，使系统过渡过程时间t∞T_M∞R_a缩短近一半，从而提高了频繁起动、制动设备（如龙门刨床）的劳动生产率。由于新的机械特性是如此之硬，电机单价又不会超过普通鼠笼式异步电动机^〔注〕，故它完全可以取代后者，直接输出低转速大转矩，让电机直接与被驱动的主轴相连（如化工系统工厂中的搅拌机电动机群），从而省去齿轮减速机构，完全省去由于经常调换齿轮而造成的停机停产时间及库存的齿轮备用件，给工厂带来效益。

注：现有直流电机单价是同容量的普通鼠笼电动机的三倍以上。

由于本申请对象的新型直流电电机结构变得如此简单，单价又是如此便宜，输出电压又是如此稳定，运行效率又是如此高，故完全有可能用本申请的新型直流发电机重新取代后来的可控硅整流装置。这样又可省去可控硅整流电路中的平波电抗器上的电感量，从而又进一步缩短了该电动机的过渡过程时间，提高了频繁起动、制动设备（如龙门刨床）的劳动生产率。

另外，在图2中为了避免由激磁绕组（6）（7）产生的磁通被机座（14）所分流，特在磁轭（12）与机座（14）之间装以非磁性材料制成的垫圈（20′）。

以上图1～图6，都是无电刷无换向器式旋转型直流电动机或发电机的实施例。

如图8、图9所示的是无电刷无换向器式直线型直流电机的二个实施例。其中图8所示的仍然是“二极夹一枢”，“极动枢不动”，图9所示的却是“二枢夹一极”“枢动极不动”。

如图8所示，是由一个固定在磁轭（12）下侧的长条形或分段（为绕制方便而分段）的激磁绕组（6）提供磁源的长条形活动的二个同性磁极（2）（4），与夹在它们中间不动的电枢（10）（5）〕及两个滑轨（18）构成的无电刷无换向器式直线型直流电动机或发电机。其中两个磁极（2）（4）用螺栓穿过为防止磁极被工作台（19）短路而设置的非磁极材料垫片（20），垫到工作台下部，构成作返往运动的活动体。电枢〔（10）（5）〕用螺栓固定到磁轭（12）上，与激磁绕组（6）一起构成一个不动体。其中电枢各元件的首端与尾端穿过磁轭（12）的出线孔（16），在外侧串或并联成回路，使维修方便。由于无电刷无换向器，只要选择粗导线绕制元件，

就允许通过较大的电枢电流，产生大转矩，故可以用它来驱动大型作往返运动的机床（如龙门刨床）。但是如果想把上述“二极夹一枢”结构的直线电动机用来驱动牵引机车，必然使现有的钢轨数增加一倍，这太浪费钢材。为此需改用图9所示的“二枢夹一极”的结构型式：其中激磁绕组（6）与两个电枢〔（10）（5）〕是运动体，而夹在两个电枢中间的磁极（钢轨）（2）变成不动体，二者在滑轨（18）上作相对的直线运动，这样现有的钢轨数就可以不变，只是两个有限长的电枢外侧的导线利用不起来罢了，但总比无限长的钢轨数增加一倍划得来。

如众所周知那样，用这种直线电动机直接驱动机械设备作直线运动的优点在于：省去传动机构，减小设备容积，使传动效率永远是一，从而节省了大量的原材料与能量损耗，同时还省去传动机构的GD3，又进一步缩短过渡过程的时间，提高了频繁起动、制动设备的劳动生产率。

显然，图8、图9所示的直线型直流电机各部件都是平行关系，故它比图2所示的园形的电机的加工费用省，造价便宜。

图2、图8、图9所示的新型直流电机与现有直流电机一样，既可以做成伺服电动机，也可做成测速发电机，其中包括永磁式电机在内。它们照样也有他激、并激、串激与复激。它们的电枢槽形也是：小容量采用梨形槽，较大容量一律采用矩形槽。

此外还有一个特点：由于它没有用铜制成的换向器，故其电枢绕组就可以选用便宜的铝导线，为“以铝代铜”开辟了一条新渠道。

Claims (10)

1、一台主要由电枢(包括电枢绕组及铁芯)与磁极(包括激磁绕组与铁芯)构成的旋转型直流电机。本申请对象的特征在于一台由两个同性磁极：即内转子磁极(2)与外转子磁极(4)，及夹在这两个磁极中间的定子电枢[(10)(11)及(5)]与定子上的四个激磁绕组(6)(7)(6′)(7′)所构成的无电刷无换向器式旋转型直流电动机或发电机。

2、一台主要由电枢（包括电枢绕组及铁芯）与磁极（包括激磁绕组及铁芯）构成的直线型直流电机。本申请对象的特征在于一台主要由两个长条形同性磁极（2）（4）及夹在这两个磁极中间的一个长条形或分段的电枢〔（10）及（5）〕、激磁绕组（6）与两个滑轨（18）所构成的无电刷无换向器式直线型直流电动机或发电机。

3、一台主要由电枢（包括电枢绕组及铁芯）与磁极（包括激磁绕组及铁芯）构成的直线型直流电机。本申请对象的特征在于一台主要由一个长条形或分段的激磁绕组（6）、两个电枢〔（10）（5）〕及夹在这两个电枢中间的一个长条形磁极（2）与滑轨（18）所构成的无电刷无换向器式直线型直流电动机或发电机。

4、根据权利要求1所述的直流电机，其特征在于一台主要只由定子上的四个激磁绕组（6）（7）（6′）（7′）中的任意三个所形成的两个同性转子磁极（2）（4），以及夹在这两个磁极中间的一个定子电枢〔（10）（11）及（5）〕所构成的无电刷无换向器式旋转型直流电动机或发电机。

5、根据权利要求1所述的直流电机，其特征在于一台主要只由定子上四个激磁绕组（6）（7）（6′）（7′）中，在空间处在对角线位置上的任意两个（6′）（7）或（6）（7′）所形成的两个同性转子磁极（2）（4），以及夹在这两个磁极中间的一个定子电枢〔（10）（11）及（5）〕所构成的无电刷无换向器式旋转型直流电动机或发电机。

6、根据权利要求1所述的直流电机，其特征在于一台主要由定子上的四个激磁绕组（6）（7）（6′）（7′）中在空间处在水平位置上的任意两个（6）（6′）或（7）（7′）所形成的一个转子磁极（2）或（4）及一个定子电枢〔（11）（10）及（5）〕所构成的无电刷无换向器式旋转型电流电动机或发电机。

7、根据权利要求1所述的直流电机，其特征在于一台主要由定子上的四个激磁绕组（6）（7）（6′）（7′）中的任意一个所形成的转子磁极（2）或（4）及一个定子电枢〔（10）（11）及（5）〕所构成的无电刷无换向器式旋转型直流电动机或发电机。

8、根据权利要求1、要求4到要求7所述的直流电机，其特征在于主要是只有一个或一个以上永久磁钢代替一个或一个以上的激磁绕组所形成的一个转子磁极（2）或（4），或两个转子磁极（2）（4）及夹在这两个磁极中间的一个定子电枢〔（11）（10）及（5）〕所构成的无电刷无换向器式旋转型永磁直流电动机或发电机。

9、根据权利要求2所述的直线型直流电机。其特征在于一台主要由永久磁钢〔代替激磁绕组（6）〕、二个长条形同性磁极（2）（4）及夹在这两个磁极中间的一个长条形或分段的电枢〔（10）及（5）〕与两个滑轨（18）所构成的无电刷无换向器式直线型永磁直流电动机或发电机。

10、根据权利要求3所述的直线型直流电机。其特征在于一台主要用永久磁钢〔代替激磁绕组（6）〕、长条形或分段的两个电枢〔（10）及（5）〕及夹在这两个电枢中间的一个磁极（2）、滑轨（18）所构成的无电刷无换向器式直线型永磁直流电动机或发电机。

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