專利名稱：圓環(huán)電機及其變矩機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬電機技術領域。
普通直流電機是在旋轉電樞式交流電機基礎上借助于機械換向器、電刷實現(xiàn)交直流變換的、有諸如電磁干擾波強，電刷磨損嚴重，換向器成本高，電樞繞組利用率不高，輸出入電壓低，單機容量有限等缺點(《電機學》)。由晶體管、晶閘管(可控硅)、霍爾元件等換向的的直流電機，因這些半導體器件過載能力差、易老化、大功率管子質量難以保證，成本高，所以只適用于特殊用途的場合，并且輸出電壓中含有大量交流成分，需經濾波、穩(wěn)壓后才能向電子設備供電(《電工學》、《硅變流工程》樊元武編著1983年版、《磁敏感元件及其應用》無刷直流電機一節(jié)，黃得星編著1987年版)。交流電機雖然結構簡單，運行可靠，但散熱能力差，起動轉矩小，沒有變頻電源等復雜設備就不能實現(xiàn)大范圍低損耗無級調速，并且變頻電源等設備成本高，過載能力差(《電機學》、《電機及控制》)?，F(xiàn)有交直流電機變矩機結構復雜，成本高《電機學》)。
本發(fā)明的目的在于采用不同于現(xiàn)有電機的結構和原理，實現(xiàn)直接從電樞輸出入交直流電，集交直流電機、電機變矩機為一體，在沒有復雜設備的前提下提高交流電機的起動、調速性能，降低電機變矩機的成本。
圓環(huán)電機及其變矩機是一部交流多用機，它既可做交直流電機。又可做交直流電機放大機及交直流電機變矩機。其結構主要由定子、轉子兩大部分構成。
定子部分主要由機座1、端蓋2、圓環(huán)柱體電樞3、電樞支架4及電刷裝置5等構成。電樞由上面開有槽的圓環(huán)柱體鐵芯及通過環(huán)孔繞在其上的繞組構成。
轉子部分由兩個圓環(huán)(扇環(huán))形磁A、B、轉軸6、磁軛7、勵磁繞組8、集電環(huán)9、內齒輪10、外齒輪11等構成。內齒輪10、外齒輪11分別固定在磁極A、B上，并與同軸的外齒輪12、13一起構成齒輪機構。磁極A、B磁軛7之間滾珠14。
此還可根據(jù)不同使用環(huán)境采用其他固定電樞的方法，增設保護冷卻設備。
如果僅做電機變矩機，可不要齒輪機構(見附圖2)。另外，這時還可根據(jù)磁極形狀選擇不同的電樞形式如果磁極呈圓環(huán)形，電樞繞組可用覆在電樞鐵芯上的導電膜取代;如果磁極呈扇環(huán)形，電樞繞組則應該用互相絕緣的閉合導體取代(見附圖4、5)。
本發(fā)明的工作原理。
一、電動機當勵磁繞組及電樞繞組中同時流過電流時，兩磁極間產生磁場，電樞繞組的與磁極接近的各有效邊將受到電磁F的作用，電磁力F的方向由左手定則確定，大小由安培力公式確定F＝N(R-r)I(t)×B(t)(1)其中r、R分別為圓環(huán)柱體電樞的內外半徑;I(t)是電樞中電流強度，是時間的函數(shù);B(t)是勵磁電流If在兩轉子磁極間產生磁場的磁感應強度，也是時間的函數(shù);N為電樞繞組有效邊的匝數(shù)。
根據(jù)牛頓第一定律可知，磁極轉子一定受到與電磁力F方向相反的反作用力的作用。這個反作用力分別推動兩個磁極轉子向相反的方向旋轉，經齒輪機構從轉軸輸出一個合轉矩M。如果不考慮機械阻力矩，則M＝ 1/2 N(R2-r2)I(t)×B(t) (2)做直流電機時，I(t)、If都是直流，由(2)式可知M的方向不變其調速原理也同普通直流電機，可參閱《電工學》、《電機學》有關內容;電機的勵磁方式既可是串激，也可是并激，他激或復激。另外磁極也可是永磁體這時電機無刷。
做交流電動機時，I(t)、B(t)是隨時間變化的，M時正時負，但在一個周期內(對周期性交流電而言)可能輸出一個平均轉矩，并且這個平均乜傻鰨虼私渙韉綞牡魎儺醞繃韉綞謊謾Ａ磽獠捎玫緲乖謀銲(t)、If大小或相位時輸出平均轉矩可變，從而實現(xiàn)無損無級調速。
二、發(fā)電機及電機放大機電機是可逆的，上述電動僅過來就是發(fā)電機反向旋轉兩個轉子磁極，電樞繞組中就產生動生電動勢E(t)E(t)＝2Nπ(R2-r2)B(t)×n (3)其中π為圓周率，n為轉子磁極的轉速，其余符號意義同前。
由(3)式可知，當電機轉子轉動方向不變時，電動勢E(t)的“方向”(實際上是產生動生電動勢的羅侖茲力的方向)由磁感應強度B(t)決定，而B(t)的方向上勵磁電流If的方向或永磁體的極性決定，因此當勵磁電流If為直流時，電機就是直流發(fā)電機或直流電機放大機;當勵磁電流為交流電時，電機就是交流發(fā)電機或交流電機放大機;如果勵磁電流中既有交流成分又有直流成分，則此時電機為交直流電機放大機。
三、電機變矩機上述電機的同軸齒輪12、13與齒輪10、11分離后即成了電機變矩機。電機變矩機的工作原理實際上是發(fā)電機、電動機工作原理的有機組合。
當較子磁極A旋轉時，與之接近的電樞繞組有效邊中產生動生電動勢EA(t)EA(t)＝πN(R2-r2)B(t)×nA(4)如果接通電樞繞組，電樞中就會產生電流I(t)、電流I(t)在磁場中受到電磁力作用。因電樞繞組與轉子磁極A、B接近的兩部分中電流方向相反，所以它的受力方向相反。根據(jù)牛頓第二定律可知，轉子磁極A、B受到分別與上述力方向相反的反作用力F1，反作用力F1驅動轉子B朝轉子A旋轉的方向轉動。轉子B的轉動在電樞繞組中產生與EAEA(t)“方向”相反的電動勢EB(t)EB(t)＝πN(R2-r2)B(t)×nB(5)根據(jù)全電路歐姆定律可得電樞繞組中的電流為I(t)= (EA(t)-EB(t))/(Ra) = (πN(R2-r2)(nA-nB)×B(t))/(2Ra) (6)
其中Ra為電樞繞組的電阻，其它符號意義同前。
磁極轉子B受到的反作用力為F1= 1/2 L (t)×B(t)L= (πN(R2-r2)(nA-nB)×B2(t)(R-r))/(2Ra) (7)因此磁極轉子B所受相對于轉軸的轉矩為Mg=F× (R+r)/2 = (πN(R2-r2)2B2(t)×(nA-nB))/(4Ra) (8)同理，轉子B受到的電磁轉矩為MA＝-MB(9)由(8)、(9)式可知，MA、MB的大小、方向在電機尺寸一定時僅與磁感應強度B(t)，轉速差nA-nB有關。如果此時磁感應強度B(t)及轉子A的轉速nA不變，則MA、MB將隨nB的變化而變化。
本發(fā)明與現(xiàn)有電機的比較。
本發(fā)明除具有起動、調速性能好的優(yōu)點外與普通直流電機相比還有如下特點(1)因無換向器，電機除起動、斷開電源的瞬間外，正常運行時不產生電磁干擾波。
(2)直流電是從固定的電樞繞組輸出入的，所以輸出入電壓高。
(3)電樞繞組的利用率高。
(4)散熱能力強，特別是轉子磁極為扇環(huán)時更是如此，(5)單機容量大，制造容易、節(jié)省有色金屬、成本低、維修方便。
與晶體管、晶閘管、霍爾元件等換向的直流電機相比具有如下特點。
(1)過載能力強，適用范圍廣小至記錄設備用電機，大至電力機車的電機。
(2)成本低，制造安裝方便。
與交流電機相比有如下特點(1)散熱能力強。
(2)起動轉矩大，調速性能好，轉速與電源頻率無關，并且可采用電抗元件改變電流實現(xiàn)無損耗無級，有級調速。
(3)電機做成兩級或二的整數(shù)倍級時，可以使用相位差90°電角的兩相電，此時輸出轉矩平穩(wěn)。
(4)電機做成三級或三的整數(shù)倍級時，可使用三相對稱交流電，此時輸出轉矩也平穩(wěn)。
(5)制造容易，節(jié)省材料，成本低。
由上述特點可知，該電機變矩與由普通發(fā)電機、電動機組成的變矩相比有制造容易，節(jié)省材料，成本低的優(yōu)點。
本發(fā)明對高壓直流輸電具有重大意義。
眾所周知，直流電與交流電相比有許多特點直流電沒有相位、電磁干擾波小、電流通過導體時無集膚效應，電流的有效值等于其最大值。因此直流輸電時，只要發(fā)電機輸出電壓相等即可并網，輸電線利用率高、架設方便、節(jié)省材料，輸電損耗小。但是由于普通機械換向器直流電機不能發(fā)出高壓直流電，直流輸電在與交流輸電競爭時敗?，F(xiàn)在世界上普遍采用的高壓直流輸電系統(tǒng)附圖7所示。由于這個系統(tǒng)中功率半導體整流器，功率半導體逆變器的成本高、致使這個系統(tǒng)在一定的輸電距離范圍內比同功率的交流輸電系統(tǒng)成本高。本發(fā)明中的直流電機可發(fā)出高壓直流電，用于直流輸電時，不需整流器濾波器及穩(wěn)壓器，因此成本將大大低于同功率的交流輸電。如果用戶端采用半導體直流降壓器，那么可直接向一些特殊工廠、設備如電解、電冶廠，電力機車提供直流電。(參閱《直流輸電》浙江大學發(fā)電教研室直流輸電科研組編1985年6月新一版、水利電力出版社出版)本發(fā)明對機械傳動的意義任何機動車輛、艦艇都需要離合器及制動器?，F(xiàn)今社會上常用的離合器其基本形式不外牙嵌式和摩擦式。牙嵌式離合器只適用于傳遞轉矩不大、低速的場合。摩擦式離合器雖然適用于各種轉速，接合平穩(wěn)，振動沖擊較小，傳遞的扭矩、接合速度可調，過載時能打滑，但是接合、分離過程中會出現(xiàn)摩擦、發(fā)熱量大、磨損嚴重，接合、分離速度并不非常理想。如果采用發(fā)明中的電機變矩機做離合器，則除具備摩擦離合器的優(yōu)點外，還克服了其缺點，并且可進行遙控，操作方便，可減輕架駛員的疲勞程度。另外這種離合器的成本低、安裝方便。
現(xiàn)今的機械制動器都是靠摩擦力進行工作的，盡管制動速度快，但機件磨損嚴重、發(fā)熱量大、致使制動器常出故障。采用電機變矩機做制動器時，不僅磨損小，而且可實現(xiàn)遙控，還可回收部分車輛能量。電機變矩機用于電力機車時、制動時可把機車的動能轉變成電能反饋到電網供其它車輛使用。
設計內容圓環(huán)電機的設計可分兩部分電機主體部分、齒輪傳動機構部分。齒輪機構設計請參閱《機械原理》、《機械零件》，在此僅說明一下設計要求保證兩個轉子的轉速相等。下面說明電機主體的設計。
一、設計程序(見設計程序圖圖8)二、設計準則1、電樞鐵芯尺寸要保證額定功率下不能出現(xiàn)磁飽和。
2、磁極面積與圓環(huán)柱體端面面積相等。
本發(fā)明的實施涉及到機械、冶金、電子使用單位等許多方面。因此要求有關各方密切協(xié)作，這樣可最大限度地節(jié)省材料，提高產品質量。


圖1、圓環(huán)電機及其變矩機圖2、圓環(huán)電機變矩機圖3、扇環(huán)磁極轉子圖4、磁極為扇環(huán)時電機變矩機電樞圖5、磁極為圓環(huán)時電機變矩機電樞圖6、圓環(huán)電機及其變矩機電樞圖7、現(xiàn)行高壓直流輸電系統(tǒng)原理方框8、設計程序圖
權利要求
1.圓環(huán)電機及其變矩機是一部交直流多用機，主要由轉子、定子兩部分構成，其特征在于(1)轉子有兩個，其磁極都呈圓環(huán)(扇環(huán))形，其中一轉子由磁極、轉軸、圓環(huán)柱體磁軛、外齒輪、集電環(huán)等構成；另一轉子由磁極、內齒輪構成，與轉軸是間隙配合。內、外齒輪與同軸的兩個齒輪一起構成換向機構。(2)定子主要由電樞及電樞支架構成。電樞由上面開有槽的圓環(huán)柱體鐵芯及通過環(huán)孔繞在其上的繞組構成。(3)電樞夾在兩磁極之間。
2.圓環(huán)電機做變矩機使用時，其特征在于同軸的兩個外齒輪與上述內外齒輪脫離嚙合。
3.根據(jù)權力要求1、2所述的電機，其特征在子，做無刷直流電機時，磁極由永磁材料做成。
4.根據(jù)權力要求1、2所述的電機，其特征在于如果僅做電機變矩機，不要齒輪機構。磁極為圓環(huán)時，電樞繞組可用覆在鐵芯上的導電膜取代;磁極為扇環(huán)時，電樞繞組可用相互絕緣的閉合導體取代。
全文摘要
本發(fā)明圓環(huán)電機及其變矩機屬電機技術領域，主要解決直接從電樞輸出入交直流電及電機低損耗無級調速問題，其特征是有兩個磁極轉子而無換向器(僅做直流電機時無電刷)，定子由電樞及電樞支架構成，電樞夾在兩個磁極之間。本發(fā)明可一機多用交直流電機、交直流電機放大機及電機變矩機，并且可以應用于發(fā)電、高壓交直流輸電及電力傳動等系統(tǒng)中。
文檔編號H02K21/24GK1032719SQ87105098
公開日1989年5月3日 申請日期1987年10月21日 優(yōu)先權日1987年10月21日
發(fā)明者孫國華 申請人:孫國華