CN87102678A - 电动机 - Google Patents

Abstract

说明书中公开了一种电动机，该电动机的定子和转子中的一个由宽度均匀的磁极组成。磁极宽度占有的中心角是将整个360°圆周分成整数份得到的；另一个是按这样一种方式构成的电枢。在整个360°圆周按相的倍数等分而得到的一个中心角范围内，上述电枢具有两个或多个不同的宽度，且在被等分的每个中心角范围内的上述电枢只允许一相电流通过，而不叠绕有流过另一相电流的线圈。

Description

本发明涉及到一种电动机。

这里所用的术语“磁极”意指一种产生一个具有特定极性磁场的机械部件，例如永久磁铁和电磁铁。这里所用的术语“电枢”意指一种机械部件，该部件包括由一个线圈缠绕的一个铁心、一个“空心”（coreless）铁心或类似的元件，而无论它是一个转子或定子，当电流通过线圈时，它即产生一个磁场。就线圈产生磁场而论，它也可以选择为包括一个空心线圈。

此外，用来作为磁极的电枢，可以由绕有一个线圈的一组铁心组成，也可以由一个绕向相同的线圈环绕每一个相邻铁心所组成，这都可以被称为是一个电枢。

这里所用的术语“由磁极和电枢占有的中心角”意指各相邻机械部件的边界之间的中心角。如果在各相邻的机械部件之间存在气隙，它意指某气隙的中心和相邻的气隙的中心之间的一中心角。然而，在表示电气相位时，可以用电角度来代表。

到现在为止，电动机包括有感应电动机，同步电动机和整流子式电动机。包括有位于机壳中心部份内的一个定子和位于上述定子的外侧圆周上的一个转子的电动机，通常包括位于上述定子的外圆周上并由线圈缠绕的许多铁心，从而在上述定子的外圆周上产生一个旋转磁场。线圈绕组可以为整距绕组或短距绕组。图2中示出一个众所周知的、具有一个整距绕组在三相交流电下运行的电动机实例的垂直剖面图。

图2中所示的电动机包括一个八极转子5和一个具有24个定子铁心2的定子1，这些铁心2分布于定子1的外圆周上。为了简化，图2的垂直剖面图中，所示定子1一对槽3只绕有一匝线圈。线圈4是在装于定子1上的许多定子电枢2上叠绕一根导线构成的，其安排方式是：导线跨越每组相邻的两个槽缠绕。从而构成A、B、C三相各自的线圈。

图3示出这种电动机的运行。图3的上部为图2的电动机转子5和定子1的机械角度在外圆周2π（360°）内的线性展开图。图3的下部为三相交流电通过定子时，在某一瞬间所产生的一个磁场。

在运行中，某一瞬时每个电枢中产生三相交变磁场φA、φB和φC，合成磁场的位置（由虚线表示）随着时间的推移由于各相相位的变化而呈旋转变化。这就在定子1中电枢2的外圆周上产生一个旋转磁场。该旋转磁场吸引或推斥转子5中的磁极N和S，使转子5旋转。

然而，在这样一种三相八极的电动机中，（1）如果采用上述那种线圈绕组，磁场φA、φB和φC基本在所有位置上彼此偏离，如图3的下部所示，结果在电枢2中可得到合成的磁场。所以，通过定子1中电枢2的电流未必全都用来产生功率。（2）如图2所示，整距线圈是由在两个槽3上绕有一根导线而构成的。三相线圈的形式导致这样一种结构，即定子1的每个铁心装有三层线圈，如图2所示。这样在某一部分由于线圈叠绕而变厚，这在生产某种细瘦型电动机的情况下，例如转动圆盘的各种电动机，可能是一个致使的缺点。如果在每个磁极上绕一单个线圈，导线就不绕过这样的一个槽。然而，在这种情况下，就不能得到整距绕组。（3）另一个缺点是：具有这种线圈绕组的电动机，为了获得较高输出功率，在线圈绕组中必须有更多的匝数，这就要求定子1中的槽3较大，这样，不可避免地使电动机本身也较大。

因此，本发明的一个目的即是提供一种细瘦型电动机。这种电动机克服了先有技术电动机的上述缺点，而又可以具有高输出功率。

根据本发明，定子1和转子5中的一个是由宽度均匀的磁极构成，该宽度占有的中心角为将整个圆周角2π分成整数份而得到，在这一点上，这种结构与常规的电动机的结构是相同的。

然而，根据本发明，对于上述磁极每一个电枢占有的中心角是彼此不相同的，使在整个圆周2π角度除以相数的倍数所得到的角度范围内的电枢中包括具有两个或多个不同宽度的电枢，从而，磁极和电枢之间的位置关系总是互相偏离的，以获得高输出功率。此外，由外圆周等分获得的每一个中心角范围内的电枢绕有一个线圈，这个线圈仅通过某一相电流，这个线圈不被通过另一相电流的另一线圈所叠绕;这样一来，先有技术电动机所具有的上述缺点，例如电枢2上叠绕线圈4造成一部分变厚以及由流动其他相电流的线圈而造成磁通偏移均得到消除。因此，通过有效地利用电流去提供输出，电动机可以做得尺寸较小、重量较轻，并根据可以获得的线圈绕组数目，提供高输出功率。

下面通过给出的本发明的实施方案，以附图及说明对本发明做进一步介绍。

图1示出本发明的第一个实施方案的一个三相十极电动机的垂直剖面图。

图2示出先有技术带有叠绕绕组的三相八极电动机的垂直剖面图。

图3示出表示图2中电动机运行的展开图。

图4和图5示出转子、电枢和磁场相互对照的展开图，表示图1中本发明第一实施方案的三相十极电动机的运行。

图6到图9示出展开图，表示转子和电枢相互对照关系。

图10示出本发明第二个实施方案的一个三相八极电动机的垂直剖面图。

图11和图12是展开图，示出转子、电枢和磁场的相互关系，说明图10中本发明第二个实施方案的三相八极电动机的运行。

图13至16为展开图，示出转子和电枢的相互关系。

图17表示本发明的另一个实施方案的一种电动机垂直剖面图。

图18和图19示出图1实施方案的一种改型的垂直剖面图（在图1中电动机铁心的宽度是变化的）。

图20表示转子和定子的相互关系，以说明输出的差别。

图1示出一种三相十极电动机的垂直剖面图，该电动机是本发明的一个实施方案。定子1中的电枢2、2′的线圈4实际上在相应的铁心上绕许多匝，为了清楚起见，每一个电枢只表示为具有两匝。

参照图1，电枢2、2′设置在定子1的外圆周上，定子1位于机壳之内（未示出），线圈4绕在电枢2、2′上。转子5在定子1的外侧圆周上定位。转子5适合围绕定子1中的电枢2、2′的外圆周而旋转，转子5的内圆周表面的2π角度被等分成整数，如10份。这样磁极N、S占有转子5中的π/5中心角，交替地位于转子5的内圆周表面上。每个旋转磁极是由永久磁铁或绕有通有直流电流的线圈的电枢组成。

另一方面，如图1所示，定子1具有电枢2、2′，电枢2、2′由在定子1外圆周中的12个电枢铁心上绕制线圈4（示出为两匝）构成。定子1被相数（3）的某一倍数所分。在这种情况下，采用一个单倍数，即定子1的整个圆周2π角等分为3份，于是定子1分成三相A、B和C，每相角度为2π/3。在这些相内分别设置4个电枢2、2′。

此外，具有较宽宽度的电枢2和具有较窄宽度的电枢2′设置在占有2π/3的中心角范围之内，且电枢2、2′两者占有的中心角的总角度必须包含在2π/3角以内。

换句话说，由于电枢2、2′两者占有的中心角的总角度必须包含在2π/3角内，每个具有较宽宽度的电枢2占有的中心角定为π/5，而具有较窄宽度的电枢2′占有的中心角定为π/15，其三个具有较宽宽度的电枢2和一个具有较窄宽度的电枢2′均匀地设置在中心角2π/3范围内。

在这种排列中，具有较宽宽度的电枢2占有的中心角和具有较窄宽度的电枢2′占有的中心角之总和由下式给出：

3×π/5+1×π/15＝2π/3

于是，这些电枢2、2′包含在定子1的整个圆周2π被分成3份所得到的角度范围中。

也就是说，每个电枢2、2′占有的中心角包含有将中心角2π/3按3∶3∶3∶1的比例分开所获得的几种宽度。

宽的电枢2和窄的电枢2′类似地置于占有定子1的别的中心角的其他部分中。电流流过每个定子1中的电枢2、2′，三相A、B、C中的每一相都经过2π/3中心角。在这种情况下，每个线圈4的绕组都是这样的：仅仅某一相的电流流过某一电枢2、2′，而其它相的线圈不叠绕在该相的电枢铁心上，如图1所示。

这种设计的电动机的运行的说明如下。

图4是与图3相似的视图。在图中，整个圆周上2π角度在某一瞬时线性展开，以便对上面介绍的三相十极电动机的运行加以说明。

在图4中，以展开图的形式，表示出在上部的转子5的磁极，而定子1的电枢2、2′示在图的下部。转子5中，磁极N和S以π/5的机械角度间隔等分成5份。这意味着，整个圆周2π角等分成10份。另一方面，定子1的电枢2、2′中，A、B、C三相电流分别通过在空间上间隔2π/3中心角的绕组。在一相中，示出三个具有较宽宽度的电枢2和一个具有较窄宽度的电枢2′，均匀地置于各自的相中，如前所述。

在图4的下面部分，示出定子电枢2、2′中在某一瞬时流过三相交流电流所产生的三相交变磁场的方向。在同一相内，磁场具有两个相反方向，这是因为各个电枢2、2′的绕组线圈绕向相反。

在这样一种关系中，假定转子5中的磁极是从图的左侧以N₁、S₁、N₂、S₂……次序排列，那么，在定子1内的电枢2、2′上缠绕的线圈中流过三相交流电，在某一瞬时所产生的A、B、C各相的磁场波形表示在图4的下部。在定子1A、B、C各相中电枢2、2′被激励出的磁极，在图4中用磁极符号NA、SA……表示。

此时，图4的转子5中磁极S₂被磁极NB吸引，磁极N₃被磁极NB排斥而被磁极SB吸引，磁极S₃被磁极SB排斥而被磁极NB吸引。于是，直到磁极S₅都产生相似的效应，转子5中的每个磁极将产生使转子5向右转动的输出功率，如图4所示。

磁极N₁和NA，磁极S₁和SA以及磁极N₂和NA，由于它们在此瞬间形成了“中性区”，所以没有输出。但是，一旦转子5稍微移到右边一点（如图中所示），磁极N就被磁极NA排斥而被磁极SA吸引，磁极S₁被磁极SA排斥而被磁极NA吸引。于是，转子5中每个磁极都产生使转子5向右转动的输出功率。

当转子5中的磁极向右移动π/15机械角时，转子5和定子1中的电枢2、2′之间的磁极的关系如图5所示。

即在此瞬间，转子5的位置与图4的位置比较，向右超前一个π/15机械角。另一方面，流过电枢2、2′的电流相位超前π/3电角度。在此情况下，B相中电枢2、2′的磁场方向与图4那一瞬间的方向相反。

同样，在此瞬间，磁极N₁被磁极NA排斥而被磁极SA吸引，磁极S₁被磁极SA排斥而被磁极NA吸引。于是，就产生了使转子5向右转动的输出功率。在图5所示的瞬间，磁极S₂和SB、磁极N₃和NB以及磁极S₃和SB分别形成一个“中性区”。然而，一旦转子5稍微向右转动，就又产生使转子向右旋转的输出功率。

图6表示转子5和电枢2、2′的极性，与图5相比，转子5进一步向右转动π/15机械角。图6示出当电枢2、2′中流过的三相交流电的相位比图5中的那一瞬间的相位超前π/3角时，转子5和电枢2、2′中在该瞬间产生的磁场的极性。

即与图5相比，此时转子5向右超前π/15的机械角度，而电枢2、2′中流过的电流的相位也超前π/3电角度，因此C相中流过的电流方向改变了，C相中电枢2、2′中产生的磁场方向与图5的方向相反。

在此时，磁极N₁被磁极NA排斥而被磁极SA吸引，磁极S₁也被磁极SA排斥和被磁极NA吸引，于是产生了使转子5向右旋转的输出功率。磁极N₄和NC、磁极S₄和SC以及磁极S₅和NC均构成“中性区”。然而，一旦转子5稍向右旋转，如上面所介绍的，使转子5向右旋转的输出功率就会产生。

图7～9表示，与前面的图相比，当转子5向右超前π/15的机械角且定子1的电枢2、2′中流过的电流相位超前π/3电角度时，转子5和定子1的电枢2、2′中的极性。很清楚，在图7中A相产生的磁场方向与图6中的方向相反，图8中B相产生的电枢2、2′的磁场方向与图7的方向相反。因此定子1的电枢2、2′的极性已经改变。然而，转子5和定子1的电枢2、2′之间的关系在任何时刻与图4和图5所介绍的均相同，而使转子5向右旋转的输出功率在所有位置均能产生（在“中性区”中，转子5和定子1之间的关系与对图4和图5所介绍的相同）。

下面叙述的是本发明的另一个实施方案。图10示出本发明另一个实施方案的三相八极电动机的一个垂直剖面图。定子1的电枢2、2′中的线圈4实际上在相应的铁心上绕有许多匝，为了清楚起见，图中仅示出两匝，这与图1相似。

本实施方案与图1的实施方案类似。即转子5位于定子1的外侧圆周上，转子5的整个圆周2π角被整数8等分，占有中心角π/4的每一N、S极，在转子5中为交替布置。

另一方面，定子1的电枢排列成：在2π/3范围内设有一个占π/3中心角的宽电枢2、一个占2π/9中心角的中等宽度的电枢2′和一个占π/9中心角的窄电枢2″。

于是，所有电枢2、2′、2″都包括在2π/3范围内，这可从下式中看出：

π/3+2π/9+π/9＝2π/3

其他的两个2π/3部份的排列与此类似。

A、B、C三相电流分别流过每个占2π/3中心角的电枢。因此，对于某一相，仅有一个电流流过电枢2、2′和2″，这与第一实施方案是类似的。

图10中所示的是示范性电动机的运行，在下面将参照图11予以说明。

图11与图3类似，是一张展开图;上部示出转子5的磁极，而下部示出定子1的电枢2、2′、2″。由通过的电流在定子1的电枢2、2′、2″中产生的一个三相交变磁场示于图的下部。磁场在同一相中是彼此反向的，这是因为电枢2、2′、2″具有绕向不同的线圈绕组，这与图4等图类似。

在此时，磁极N₂被磁极SB吸引，磁极S₂被磁极SB排斥而被磁极NB吸引，依此类推直到磁极S₄。在转子5中每个磁极（如图11所示）产生使转子5向右旋转的输出功率，但如果电枢2、2′、2″通过三相交流电流，则会在A相产生反向转矩，因此按常规的方法将A相的电流在图11的那瞬间切断。同样图12中C相的电流、图13中B相的电流和图14中A相的电流，以此类推直至图16，这些图中相应的相电流都被切断，所有图均未标明定子1的这些电枢2、2′、2″中的极性。

图12至16表示这样一种情况，即转子5向右超前π/12的机械角，且流过电枢2、2′、2″的三相交流电流的相位超前π/3电角度。在任何时刻，都可以产生使转子5向右旋转的输出功率。

虽然本发明已对三相八极电动机和三相十极电动机作了有关叙述，但相数和极数可以由那些技术熟练人员自由地选择和设计为任何一个合理的数值，只要满足权项的要求即可。勿需赘言，本发明的电枢可以用作转子5，而定子1可以用作磁场系统，诸如一种永久磁铁。

如果需要设计一种较轻型电动机的话，本发明的电枢也可以是空心的。

以上的任一种实施方案中，同一相的电流通过的线圈所占有的中心角是将整个圆周2π分成相的份数而得到的，然而线圈占有的中心角也可以通过将整个圆周分成相数的倍数而得到，每一相电流流过线圈的次数可以为该相数的这一倍数。也就是说，图17示出整个圆周被分成相数的二倍，即3×2，则A、B、C三相每一相的线圈的中心角等于π/3，並布置成这样：A、B、C再次串联，各相的电流又流过另一相。图4至9中每一图从左端到右端，如果将角范围压缩成π，对本实施方案可作更容易的解释。很清楚，本实施方案的电动机，如同图4至9的实施方案，在任何瞬间都有一个有效的旋转输出功率。

参照图1的实施方案，对为什么在同一相内出现反向磁场的原因已作了说明，此一机理适用于图1所示的线圈只有一个线圈绕组的情况。如果在A相中第二和第四个电枢与A相中其他两个电枢的线圈绕向相同，那么，与A相中电流相差π电角度的电流流过，也会产生同样的效果。上述各实施方案都是参照Y接法来描述的。当然，用△接法也是可以的。

当用允许外加多相电流的电动机来说明上述实施方案时，不需赘言，本发明也可以应用于各种电动机，诸如用直流电源和探测电枢位置的传感器，并根据传感器探测到的信号使一个交流电流通过电枢的电动机等等。

显然，图1所示的电枢结线可以用图18的那种电枢结线代替，这种电枢结构中具有相等宽度的铁心由线圈缠绕并安排成这样：电枢的宽度与图1的电枢2、2′宽度相同，极性与图1也一样。此外，也可以用如图19中的那种线圈布置，即是每一极上绕一个线圈。宽度均匀的铁心被线圈缠绕并布置成这样：电枢宽度与图1的电枢2、2′相同，其极性与图1也相同。在这种布置中，电动机的运行与图1所说明的方式相同。

本发明的电动机结构和运行如上所述。在三相电动机中，定子1的电枢2、2′中磁极占有的角度较在转子5内侧均匀分开设置的磁极N、S所占有的角度小。在A、B、C各相中，其电枢具有两种或多种不同的宽度，因此，在定子1相对于转子5的任何角度位置上，都有一些方向相反的磁极。

通常，当转子中的磁极和电枢中的磁极之间的关系呈图20（B）所示那样都处于相同角度时，或相位发生π电角度的偏移（如图20（C）所示）时，则无输出功率产生。相反地，如图20（A）所示，当转子5的磁极和电枢2的磁极偏差π/2电角度时，电动机将要产生最大的输出功率。

由于这个原因，在任何瞬时任意角度位置都使转子5和电枢2是互相偏移的，因此本发明的电动机总可以保持产生输出功率并具有良好的效率。

其次，绕在定子1的电枢2上的线圈，并不叠绕在其它相的电枢上。因此，（1）本发明的电动机与先有技术的电动机是不同的;在本发明的电动机中，电枢的线圈在被激磁时所产生的磁通并不互相抵消，这意味着所有的电枢都被有效地激励。其次，由于在任何时候每个电枢实际上起到产生使转子旋转的输出功率，所以有可能使电动机做得重量较轻，而却能产生较高的输出功率。因此，（2）施于每个线圈的功率实际上都用来产生输出功率。另外，（3）可以使电动机的尺寸做得较细瘦，从而提供了一种高输出细瘦型电动机。这是因为没有线圈跨绕在两个或多个不同的铁心上。以上介绍的优越性为容许有较短的线圈，且使线圈中产生的电感量降低。

Claims (1)

1. 一种包括一个定子和一个转子的电动机，其中上述定子和上述转子中的一个是由宽度均匀的磁极组成，磁极宽度占有的中心角是由上述定子和上述转子中的一个的整个360°圆周分成整数份得到的，而上述定子和上述转子中的另一个是按这样一种方式构成的电枢：其整个360°圆周按相数的倍数等分而得到的一个中心角范围内，上述电枢具有两个或多个不同的宽度，且在被等分的每个中心角范围内的上述电枢只允许一相电流通过，这些电枢不叠绕有流过另一相电流的线圈。

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