專利名稱:爪極直流電機的制作方法
本發(fā)明屬直流電機類。
常用的直流電機是換向式電機。它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，轉(zhuǎn)子是電樞，用來感應(yīng)電勢、通過電勢，起機電能量轉(zhuǎn)換的作用，它包括電樞鐵心、電樞繞組、軸、換向器等，電樞繞組由許多分布在電樞表面的線圈組成。定子主要用來建立磁場並起機械支撐和防護作用，它主要包括主磁極、換向極、機殼、端蓋、軸承等。主磁極是用來產(chǎn)生氣隙磁場，以便電樞旋轉(zhuǎn)時感應(yīng)電勢，它包括主極鐵心和套在鐵心上的主極繞組(即勵磁繞組)兩部分。為了降低電樞旋轉(zhuǎn)時極靴表面的渦流損耗，主極鐵心一般用1～1.5毫米厚的低碳鋼板沖片疊壓而成，用鉚釘把疊片緊固成一整體，再用螺栓固定在機殼上，主極繞組大多用絕緣銅導線繞制成橫斷面呈矩形的繞組，成形極其困難，特別是大容量電機更困難。換向極是用來改善換向的，它由換向極鐵心和套在鐵心上的繞組構(gòu)成。小型電機的換向極鐵心用整塊鋼制成，對換向要求高的電機用1.0～1.5毫米厚的鋼片疊壓，用螺栓固定在機殼上。換向極裝在兩個主極之間，換向極的數(shù)目一般與主極數(shù)目相等。
如圖1所示，由于現(xiàn)有直流電機的每個主極上都安裝有一個主極繞組，當各主極繞組通過直流電后，在整個電樞周圍產(chǎn)生N極與S極相間的主磁場，使分布在電樞表面的電樞繞組感壓電勢。電機磁路的計算程序是φ→B→H→Hl→∑F→FB，即計算步驟是1.求每對極的磁通φ;
2.求每對極磁路中各段的磁密B;
3.根據(jù)各段的磁密B值，查出各段相應(yīng)的磁場強度H;
4.求各段的磁壓降Hl;
5.求每對極的磁勢∑F，∑F等于氣隙磁勢Fδ、齒磁勢Fz、電樞軛磁勢Fa、主極磁勢Fm、定子軛磁勢Fs之和;
6.求電機的總磁勢FB，F(xiàn)B＝P·∑F(P為電機的極對數(shù))。
因而，直流電機的磁路計算，可用圖2所示的串聯(lián)等值磁路表示。由此可知對于性能一定的直流電機所需的總磁勢FB等于全部對極的磁勢之和，即FB＝P·∑F，經(jīng)分析可知;性能一定的直流電機，F(xiàn)B＝P·∑F大約是一個常數(shù)，它和電機的極對數(shù)P無關(guān)，故無法用減少總磁勢的辦法來達到降低主極繞組用銅量的目的。
本發(fā)明旨在突破直流電機的傳統(tǒng)定子結(jié)構(gòu)，研制一種新的爪極定子結(jié)構(gòu)，以達到既不降低電機性能、不增加電機的重量和體積、不采用新材料，又要大大降低電機的總磁勢FB，從而大幅度地降低主極繞組用銅量，並保持每對極的磁通φ不變的目的。而且還要大大簡化制造工藝，便于推廣應(yīng)用，取得顯著的經(jīng)濟效益。
圖1為現(xiàn)有直流電機磁路圖。圖中(1)為主極繞組，(φ)為每對極的磁通。
圖2為現(xiàn)有直流電機等值磁路圖。
圖3為2P＝4爪極直流電機結(jié)構(gòu)和磁路示意圖。圖中(1)為電樞，(2)為機殼，(3)為爪式主極鐵心，(4)為螺栓，(5)為環(huán)形主極繞組，(6)為爪式換向極鐵心，(7)為換向極繞組。
圖4為爪極直流電機等值磁路圖。
本發(fā)明打破了直流電機傳統(tǒng)的用串聯(lián)等值磁路的設(shè)計思想及其傳統(tǒng)的定子結(jié)構(gòu)，采用了並聯(lián)等值磁路的設(shè)計思想，研制出了爪極式定子結(jié)構(gòu)。如圖3所示，爪極定子結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)形式的主極鐵心和換向極鐵心改為爪極式。即將爪式主極鐵心(3)(以下簡稱爪極鐵心)的爪根通過螺栓(4)固定在機殼(2)上，爪尖懸在空中，不與機殼接觸，爪的長度與電樞鐵心的長度一致，爪的橫截面積由電機的磁路計算而定，但通常應(yīng)使其內(nèi)磁密不大于14000高斯，最高處亦不大于16000高斯。並將電機的全部爪極鐵心分為兩組，其中一組沿機殼內(nèi)園以相距2個極距(即2τ)的距離均勻地布置在電樞(1)的同一端，形成一組極性相同(如N極)的同性極簇，好似伸出的手爪一樣，故稱為爪極。同樣地，另一組就形成另一組極性相同(如S極)的同性極簇布置在電樞(1)的另一端。兩組同性極簇(即N極簇和S極簇)在電樞長度范圍內(nèi)，相互犬牙般地交錯著，把電樞(1)包圍在中央，兩相鄰爪極之間相距一個極距τ的距離。
爪極直流電機的主極繞組(5)為一個集中的環(huán)形繞組，緊靠機殼內(nèi)園，把全部爪極鐵心包圍在一起。當主極繞組(4)通以直流電后，按照電磁感應(yīng)原理和磁通總是沿磁阻最小的路通行的原則，爪極所產(chǎn)生的磁通φ將沿N極→電樞鐵心→S極→機殼→N極形成閉合回路，而在整個電樞周圍亦形成N極與S極相間的主磁場，使電樞繞組感應(yīng)電勢。由于爪極直流電機的主極繞組由傳統(tǒng)式分散的、其個數(shù)等于2倍于電機極對數(shù)的矩形繞組，簡化為一個集中的環(huán)形繞組，不但簡化了工藝、易于制造、減少工時，而且大大節(jié)約了絕緣導線、大幅度減少了主極繞組的用銅量，有顯著的經(jīng)濟效益。
爪極直流電機的換向極鐵心(6)的形狀、長度及固定方式與爪式主極鐵心相似。但全部換向極鐵心及其換向繞組沿機殼內(nèi)園，彼此相距一個極距τ的距離，布置在電樞的同一端，而爪式換向極鐵心與爪式主極鐵心相距半個極距(即 1/2 τ)的距離。爪極式換向極鐵心的橫截面積也由磁路計算而定。爪式主極鐵心和爪式換向極鐵心均采用低碳鋼澆鑄或鍛制而成，與傳統(tǒng)的沖片疊壓工藝相比，可大大簡化制造工藝，大大提高材料的利用率。
為了減少漏磁，爪極直流電機的端蓋應(yīng)用非磁性材料制成。若采用鐵磁材料的端蓋時，必須在軸承室外加不小于20毫米厚的非磁性墊圈，如鋁等，以斷開軸與端蓋之間的磁路。機殼與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，只是電機總磁通Pφ是在機殼內(nèi)沿軸向通行，其磁密應(yīng)不起過14000高斯。
由于爪極式定子結(jié)構(gòu)是采用一個集中的環(huán)形繞組，將全部爪極鐵心包圍在一起，與電機的極對數(shù)無關(guān)。而且兩組同性極簇的爪極又分別布置在電樞的兩端，所有爪極的爪尖均懸在空中，不與任何部分接觸。所以當主極繞組通以直流電后，其主極磁路為一並聯(lián)等值磁路，如圖4所示。因而電機的總磁勢FB等于一對極的磁勢∑F，即FB＝∑F，而電機的總磁通Pφ等于各對極的磁通φ之和，電機的總磁勢不再象傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)那樣接近于一個常數(shù)，而是與極對數(shù)成反比。也就是說，對一臺傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電機，僅僅將其定子改為爪極式定子結(jié)構(gòu)，就可使電機的總磁勢減少到原來的1/P，可大幅度地降低主極繞組的用銅量，並保持電機的原性能不變，其效益是非常顯著的。
本發(fā)明既可用于設(shè)計制造直流電機，也可用于改造現(xiàn)有的直流電機，采用本發(fā)明設(shè)計制造或改造電機，不但可大幅度地降低電機的用銅量、大大簡化制造工藝，而且電機的低速性能很好，只要電機能轉(zhuǎn)動就為勻速運轉(zhuǎn)。本發(fā)明技術(shù)簡單，易于推廣應(yīng)用，有非常顯著的經(jīng)濟效益，電樞鐵心長度l與電機的極距τ的比值λ(即λ＝ (l)/(τ) )越大，效益越顯著。
實施例一臺直流電機的功率為3.2千瓦，電壓為220伏，勵磁電壓為24伏，轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分，極對數(shù)P＝2，λ＝1.48。
1.用本發(fā)明對該電機進行改造，即僅將定子改造為爪極式結(jié)構(gòu)，其結(jié)果電機的性能未變，主極繞組的用銅量由原來的9.6公斤減少為4.7公斤。
2.設(shè)計制造同參數(shù)的爪極直流電機。改變極對數(shù)使P＝3，則λ＝2.44，其結(jié)果不但主極繞組的用銅量由原來的9.6公斤減少到2.6公斤，而且電樞繞組和換向繞組及換向器的用銅量均有所下降。電機的性能不但沒有降低，而且電機的低速性能有顯著提高，該電機在10轉(zhuǎn)/分時還能勻速運轉(zhuǎn)，速度再低無法測試，實際上只要機能轉(zhuǎn)動就為勻速運轉(zhuǎn)。而同類型傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電機在30轉(zhuǎn)/分以下就呈步進狀態(tài)運轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1.爪極式直流電機的定子，主要由主磁極鐵心及主極繞組、換向極鐵心及其繞組、機殼、端蓋、軸承等組成，其特征在于主磁極鐵心為爪式主極鐵心(3)，主極繞組為一個集中的環(huán)形繞組(5)，換向極鐵心為爪式換向極鐵心(6)。
2.按照權(quán)利要求
1所述的爪極直流電機，其特征在于所述的爪式主極鐵心(3)的爪根通過螺栓(4)固定在機殼(2)上，爪尖懸在空中不與機殼接觸，爪的長度與電樞鐵心的長度一致，爪的橫斷面積由電機的磁路計算而定;爪式換向極鐵心的形狀、長度及固定方式與爪式主磁極鐵心相似，其橫截面積也由磁路計算而定。
3.按照權(quán)利要求
1、2所述的爪極直流電機，其特征在于將電機的全部爪極鐵心分為兩組，其中一組沿機殼內(nèi)園以相距兩個極距的距離均勻地布置在電樞(1)的同一端。同樣地，另一組布置在電樞(1)的另一端。兩組的爪極鐵心相互犬牙交錯地把電樞色圍在中央，兩個爪極鐵心之間相距一個極距。
4.按照權(quán)利要求
1、2所述的爪極直流電機，其特征在于所述的爪式換向極鐵心(6)及其換向繞組(7)沿機殼內(nèi)園布置在電樞(1)的同一端，兩相鄰爪式換向極鐵心之間相距一極距，而爪式換向極鐵心與爪式主極鐵心之間相距半個極距。
5.按照權(quán)利要求
1、2所述的爪極直流電機，其特征在于所述的爪式主極鐵心和爪式換向極鐵心，用低碳鋼澆鑄或鍛制而成。
專利摘要
本發(fā)明為爪極直流電機，突破了傳統(tǒng)的用串聯(lián)等值磁路的設(shè)計思想及其傳統(tǒng)的定子結(jié)構(gòu)，而采用并聯(lián)等值磁路的設(shè)計思想，研制出爪極式定子結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明設(shè)計制造或改造直流電機，不但可大幅度地降低電機的用銅量，大大簡化制造工藝，而且電機的低速性能很好。本發(fā)明技術(shù)簡單，易于推廣應(yīng)用，有非常顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。
文檔編號H02K1/12GK86101027SQ86101027
公開日1987年1月24日 申請日期1986年2月7日
發(fā)明者李心堯 申請人:國營虎溪電機廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan