專利名稱：自換極式直流電機自換極式單相交流和交直流兩用電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是具有公知的直流電動機或發(fā)電機特性的電機方面的發(fā)明。它包括數(shù)種無任何換向裝置的新型直流電機及現(xiàn)有的單相交流換向器電動機和交直流兩用電動機的取代型。
現(xiàn)有的交流電動機應用廣泛，優(yōu)點眾多，但調速困難。其單相感應電動機由于起動和運行性能欠佳，故容量覆蓋面亦不寬?，F(xiàn)有的一般直流電動[或發(fā)電]機比起交流電動[或發(fā)電]機來構造較復雜，成本較高，運行維護也比較困難，使其應用受到限制；但是直流電動機有優(yōu)良的調速特性，過載能力大，能快速起動、制動和逆向運轉，其在許多場合仍有著不可取代的地位，尤其在一切型式的小容量[功率]電動機中它的效率最高，性能最為優(yōu)良，其應用日趨廣泛?，F(xiàn)有的一般直流電機和交流電機一樣都具備定子及轉子兩個基本組成部分，除此之外它還多了一套有接觸的機械換向裝置，從而引來了諸如電刷火花、無線電干擾、大的噪聲，電刷易磨損，需要維護等缺點，而壽命亦短。
近幾十年來，針對一般直流電動機的上述諸多缺點，已發(fā)展了一種新型的無刷直流電動機。其以電子換向裝置代替了一般直流電動機的機械換向裝置，因而保持了一般直流電動機的優(yōu)點而避免了上述諸多缺點。但該電動機結構仍較復雜，體積大、成本高，低速時轉速均勻性差，其過載能力受到電子換流能力的限制，且機械特性較一般直流電動機差。
至于現(xiàn)有的單相交流換向器[或交直流兩用]電動機是指具有換向器的交流[或交直流兩用]電動機。它和一般電磁式直流電動機結構相似，定子由凸極鐵心和勵磁繞組組成，轉子由隱極鐵心，電樞繞組、換向器和轉軸組成。一般為串勵式。它的突出優(yōu)點是外形尺寸小，重量輕，由于它亦有一套有接觸的機械換向裝置，因而亦具有一般直流電動機所存在的種種缺點；此外它的轉子鐵心槽內(nèi)繞有電樞繞組，使其電氣和機械的平衡性欠佳；凡此種種，限制了其轉速的提高，造成了體積，重量改善的困難。
本發(fā)明的目的是提供一類結構簡單，運行可靠，成本低，效率高，壽命長，調速特性和機械特性好，過載能力強，可逆轉，低噪聲，無換向火花和無線電干擾，容量覆蓋面寬，用途廣的無任何換向裝置的新型直流電動機和性能同樣優(yōu)異的新型直流發(fā)電機；還提供一類具有上類優(yōu)點，且轉速可達極高，調速范圍極寬，振動很小，體積很小，重量很輕的新型單相交流和交直流兩用電動機。
下面對能夠達到該目的之技術方案，結合附

圖1、2、3、4、5、6一一說明。
附圖1所示乃是一種2極自換極式永磁直流電動機[也可作發(fā)電機]的結構原理圖。該電動機由定子轉子和定、轉子之間的間隙—氣隙，以及支撐結構件[本例及下述各例(實施例除外)均省略未畫]等組成。圖1中的上弧片形鐵心[2]和下弧片形鐵心[3]均緊固在非導磁體機殼[門的內(nèi)腔表面上，其對應的端面[該處端面是指鐵心迭片厚度方向，(斜槽后即為接近厚度方向)的平面形端面，以后所述定子鐵心端面均同]是相互分離的，條形勵磁磁鋼[5]正好裝填在該分離處，其兩極面與上、下鐵心之端面相對應且相互緊貼。磁鋼[5]處之N、S表示其兩不同極性[其它附圖中的表示亦同]，該磁鋼宜采用高剩余磁密的永磁材料。上鐵心[2]與下鐵心[3]的形狀是完全相同的，它們均由鐵磁材料[如硅鋼片]沖制成帶有齒槽[采用交流電動機通用的槽形，其他定子沖片槽形亦同]的弧片形沖片之后迭成。該上，下鐵心共同構成該電動機的定子鐵心。電樞線圈[4]嵌放在上、下鐵心[2]、[3]的相應槽內(nèi)，由數(shù)個線圈組成一分布繞組。由圖1可見該繞組的布置及連接方式。這種繞組各線圈所跨槽數(shù)不等，按從左至右順序[也可按其他順序]，將第1個線圈的尾端[圖1中箭頭尖所示，其它圖中所示均同]，連接第2個線圈的首端[圖1中箭頭尾所示，其他圖中所示均同]，再將第2個線圈的尾端連接第3個線圈的首端……，依次正向串聯(lián)即可，是為同心式鏈式繞組。該電動機的電樞繞組還可按圖2所示那樣布置，這種繞組的各線圈所跨鐵心的槽數(shù)相等，一個線圈迭放在另一個線圈之上，稱之為等節(jié)距迭式繞組；其各個線圈的連接順序亦同，同心式鏈式繞組一樣為正向串聯(lián)。上述兩種繞組形式其效果完全相同。該電動機定子繞組還有單層繞組及多層繞組之分，上述繞組為單層繞組，多層繞組一般系指雙層繞組；主要應用于中型以上電機。該電動機也可采用雙層繞組，即在其鐵心的每個線槽中分上、下層嵌放兩條線圈邊，為使各線圈分布對稱，安排嵌線時某個線圈的一條邊如在上層，另一條線圈邊則一定在下層。如圖3所示，其線圈[1]和線圈[2]就是這樣排布的；圖3中還有若干線圈也是如此排布，省略未畫；該類線圈可按某一順序串連，亦可串連成兩條效果相同的支路，然后并聯(lián)，無論串聯(lián)或并聯(lián)最終應使所有處于定子上方的線圈邊與線圈[1]與[2]的上邊所流過的電流方向均相同，而處于下方的線圈邊則與線圈[1]與[2]的下邊所流過的電流方向均相同。[據(jù)此還可按需要組成較多的并聯(lián)支路，但應使各支路有相同的效果]。上述串聯(lián)和并聯(lián)電路的區(qū)別是串聯(lián)電勢2倍于并聯(lián)電勢，并聯(lián)電流2倍于串聯(lián)電流。而串聯(lián)輸入，出功率與并聯(lián)的基本相同。上述各式繞組可據(jù)需要選擇，而繞組中各線圈的匝數(shù)一般取相同，但也可取不同。[6]為星形轉子鐵心，一般由鐵磁材料[如硅鋼片]沖制成沖片之后迭成[也可由導磁材料制成整體式的]；[7]為轉軸，它可用非導磁材料制成或者用導磁金屬制成后再外裝非磁性套管[其它轉軸亦同]；將星形轉子鐵心[6]緊固在轉軸[7]上即構成一轉子。
由圖1可知，處于該電動機上方的轉子齒始終呈N極性，下方的則相反呈S極性，因此當該電動機接上直流電源后，電流流入電樞繞組[繞組中流過的電流方向始終不變]產(chǎn)生磁勢，該磁勢與轉子鐵心磁化后產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生順著單一方向[圖1中箭頭所指為順時針方向，其它圖中表示亦同]的轉矩。當該電動機帶動負載轉動后便在繞組中產(chǎn)生反電勢，而吸收一定的電功率，并通過轉子輸出一定的機械功率，從而能實現(xiàn)將電能轉換成機械能的過程。又從圖1可以推斷如下，設轉子初始位置如圖1所示，后即沿順時針方向旋轉，當轉子齒a由圖1所示位置隨轉子轉至圖1所示齒b的位置時，該齒a的磁極極性即由N極變成為S極；與此同時轉子齒C轉至齒d所處的原位置，它則由S極變成為N極；此時其它齒極性不變，而齒a、齒c則完成了一個自換極過程。該電動機[也即本發(fā)明所包括的各種電機]與現(xiàn)有直流電動機的本質區(qū)別就在于該電動機在運行中存在一個自換極過程，而現(xiàn)有直流電動機在運行中均有一個自換流過程。而凡直流類電機在運行中存在上述兩過程之一，即能定向旋轉。另外該電動機對于氣隙的要求與現(xiàn)有一般電動機相同。該電動機只要改變外電電壓的極性，即可改變轉向；其起動，調速與制動的方法與現(xiàn)有直流電動機相同。該電動機亦可作直流發(fā)電機使用，只要原動機拖動其轉子，以恒速定向旋轉，則通過其電樞繞組出線端便可向負載輸出直流電流。該電機既具有現(xiàn)有直流電機的一切優(yōu)點，由于沒有任何換向裝置，因此沒有由換向裝置給現(xiàn)有直流電機所引來的種種缺點，且沒有換向裝置所帶來的損耗、效率較現(xiàn)有直流電機高；而發(fā)熱的電樞繞組裝在外面的定子上，這樣，熱阻較小，散熱也容易；其結構簡單，運行可靠，成本低，壽命長，適合多種用途。再者，由于其轉子結構簡單、機械強度高，高速時動平衡性能好，尤宜于做成高速電機。
附圖4所示為-2極自換極電磁式直流電動機結構原理圖。其工作原理與圖1所示電機相似[后面所述各種結構的電機其工作原理亦同]，不同之處僅在于本例是電勵磁的，而上例是磁鋼勵磁的。圖4中的[1]是磁軛[或導磁機殼]，[2]為凸極式上弧片形定子鐵心，該電動機定子鐵心由兩個形狀完全相同的上、下凸極式弧片形定子鐵心構成；該兩個上、下凸極式定子鐵心是以其端面呈互相對應且相分離的狀態(tài)緊貼在磁軛[1]的內(nèi)腔表面上的，它們均由鐵磁材料[如硅鋼片]沖制成帶有齒槽的沖片之后迭成。電樞線圈[4][共數(shù)個]嵌放在定子鐵心槽內(nèi)[關于該繞組的布置及連接方式同上例，以后各例亦同]，勵磁繞組[3]為集中繞組安裝在定子鐵心極身上，星形轉子鐵心[5]緊固在非導磁轉軸[6]上[有關轉子的情況同上例，下同]。該電動機勵磁繞組的連接方式同現(xiàn)有一般直流電動機，有它勵、并勵、串勵及復勵幾種勵磁方式。此外該電動機同上例一樣亦可做成發(fā)電機。參照現(xiàn)有的交流換向器電動機的有關要求，該電動機還可做成沒有任何換向裝置的具有直流電動機特性的交流電動機，特別是應用較廣的單相交流串勵電動機，如果在其交流勵磁繞組的出線端串上增加的匝數(shù)，則就成為交直流兩用電動機。由于該電機與上例電機的結構形式基本相同，因而它也具備上例電機那樣的優(yōu)點，且適合做成各種容量的電機。至于該單相交流電動機，由于它能做到比現(xiàn)有交流換向器電動機更高的轉速因而在容量相同的條件下，兩者相比前者外形小、重量輕。
圖5所示亦是一種2極自換極電磁式直流電機或單相交流或交直流兩用電動機的結構原理圖。圖中只畫出了其對稱的上半部，它和圖4所示電機不同之處僅在于其定子鐵心雖仍分為上、下弧片形定子鐵心兩個部分，但它是雙凸極式[如果電機容量大還可做成3凸極式及以上的]的且相應地增加了勵磁繞組的個數(shù)[在該勵磁繞組及定子極身處置換成勵磁磁鋼也可，即變電磁式為永磁式，圖4亦同]。采用該種結構的電機能使磁場在定子鐵心上分布更趨均勻，還可縮小其外形尺寸。
圖6所示乃是一種4極自換極式永磁直流電動機的結構原理圖。如果將其勵磁磁鋼置換成勵磁繞組，則可改成電磁式直流電動機，同上述各例一樣，亦可做成直流發(fā)電機。圖6表示該電機結構呈水平對稱之上半部，圖中[1]為磁軛[或導磁體機殼]，[2]為瓦片形定子鐵心，共4塊其形狀完全相同，均由鐵磁材料[如硅鋼片]沖制成帶有槽形的沖片之后迭成，它們是沿園周而兩兩以其端面相對應且相互分離一定的距離來排布的，且各自緊貼在一塊瓦片形勵磁磁鋼[3]上[當然也可采用條形磁鋼，此時與磁鋼極面相接觸的導磁體亦應與之適應而要緊貼，下同]。該磁鋼宜采用高矯頑力永磁材料。[4]為電樞線圈，共數(shù)個，其布置及連接方式前面已述，[5]為緊固在非導磁轉軸[6]上的星形轉子鐵心，[5]和[6]即構成轉子。該電機磁路系統(tǒng)對提高氣隙磁密有利，且電樞反映對磁鋼無影響。該電機結構還可參照圖1作如下變動，①將瓦片形磁鋼去掉。②將全部瓦片形定子鐵心以其端面間呈互相分離狀態(tài)緊貼在非導磁機殼內(nèi)腔表面上。③在兩塊瓦片形定子鐵心相對應的端面之間的間隙處填裝上條形磁鋼，使轉子鐵心齒部被磁化后產(chǎn)生的磁極極性同未變動前。該變動后的結構較未變動的結構簡單，但無集中磁通的作用，故氣隙磁密較后者低。若想使該電機的氣隙磁阻變化減小，最好選用齒數(shù)較多的星形轉子，同時也可以使轉子或定子鐵心迭裝成有一角度的斜槽形式。上述辦法對本發(fā)明的各式電機均適用。參照圖6及現(xiàn)有的一般直流電機還可做成極數(shù)更多的自換極式直流電機[永磁式或電磁式]。極數(shù)的選擇一般應依據(jù)定子內(nèi)徑從小到大依次增多，使其經(jīng)濟性能良好。另外上述各式電機還可方便地改制成自換極式無槽電樞直流電機，該式電機其定子形狀與有槽式相似，僅其定子鐵心上無需開槽，因而其內(nèi)腔表面為無槽平滑園弧面，而電樞繞組則用環(huán)氧樹脂澆成剛性的殼體，直接排布在定子鐵心內(nèi)腔表面并固定之[關于繞組的情況有現(xiàn)有技術可資利用]至于其轉子和上述各轉子相似，只不過一般做得細長一些，用以提高最大的轉矩且減小機械時間常數(shù)。該無槽電機損耗小、效率高，過載能力強，力矩波動小，特別適用于各類自動化設備。下述各式電機亦可按上述辦法改制。
下面詳細描述本發(fā)明的幾個實施例。
本類實施例按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩類。就其結構特點而言既可做成驅動用電動機，也可做成控制用電機兩類。驅動與控制用電機其定、轉子結構相似，僅某些設計指標的要求有所不同。下述各例除個別改進型外，其余均系小容量2極自換極式直流或交流電機，它們都具有前面敘述過的該類電機的特點及優(yōu)點。當容量稍大時實施例所述電機的結構型式基本上不變，只需在各例電機轉軸上裝上風扇，用以進行冷卻。
圖7圖8共同表示本發(fā)明的實施例之一。其中圖7是沿圖8A-A線的全剖視圖[主視]。圖B是沿圖7B-B線的全剖視圖[右視]。
圖9、10、11共同表示實施例之二。其中圖9是沿圖10A-A線的全剖視圖[主視]，圖10是沿圖9B-B線的全剖視圖[左視]，圖11是沿圖9C-C線的全剖視圖[左視]，圖12、13、14共同表示該實施例的改進型，其中圖12是該實施例改進型的轉子。圖13為改進型左端橫截面[左視]示意圖，圖14為右端橫截面[左視]示意圖，圖15為另一改進型之轉子及勵磁線圈結構圖。
圖16圖17共同表示實施例之三。其中圖16是沿圖17A-A線的全剖視圖[主視]，圖17是沿圖16B-B線的全剖視圖[左視]。
圖18表示實施例之四，該圖形乃系該例電機與軸向成垂直的全剖視圖。
圖19表示實施例之五，該圖形乃系該例電機與軸向成垂直的全剖視圖。
圖20表示本發(fā)明電機的其中一種轉子結構。
圖21圖22共同表示本發(fā)明電機的一種拼裝式轉子磁心，其中圖21為主視圖，圖22為左視圖。
圖23圖24共同表示本發(fā)明的一種層移式轉子鐵心。其中圖23為主視圖，圖24為沿圖23A-A的全剖視圖[左視]。
圖25、26、27分別表示本發(fā)明電機星形轉子鐵心的幾種齒部變化。
圖7圖8共同表示實施例之一，一種2極自換極式瓦片形永磁直流電動機[或發(fā)電機]。
圖中[4]為導磁體機殼。[9]為6齒星形轉子鐵心，系由硅鋼沖片迭成；再將其緊固在非導磁轉軸[1]上，即構成該電機轉子。[2]為軸承。[3]為端蓋，均系支撐結構件。[6]為環(huán)形絕緣片。[7]為上弧片形定子鐵心，它系由硅鋼片沖成帶有齒槽的弧片形沖片后迭成。還有一下弧片形定子鐵心，它和上弧片形定子鐵心形狀完全相同。由鋁或銅制嵌件[10]將該上、下鐵心在其相互對應的端面處進行分隔并定位[該嵌件亦能增加散熱能力]。[8]為瓦片形勵磁磁鋼，宜采用高矯頑力永磁材料。[5]為電樞線圈，共4個，各線圈上、下邊分別嵌入上、下定子鐵心各相對應的槽內(nèi)，各線圈布置和連接成前面已述的單層同心式鏈式繞組之形式。從圖可見，該電機磁鋼的弧長有較大的選擇范圍，這對集中磁通，提高其氣隙磁密極為有利，同時該電機的磁路系統(tǒng)在負載時使交軸電樞反映磁通不經(jīng)過磁鋼，基本上不影響磁鋼的工作點，使磁鋼的利用率高。
圖9、10、11共同表示實施例之二，一種2極自換極三段式永磁直流電動機[或發(fā)電機]。
圖中[2]為軸承·[3]為端蓋·[4]為導磁體機殼·[5]為環(huán)形絕緣片·[6]為左段定子鐵心。該電機定子鐵心沿軸向被定位環(huán)[8]分隔成三段，其左、右段定子鐵心形狀完全相同，方位布置亦相同，厚度相等，中段定子鐵心形狀和左或右段定子鐵心完全相同，厚度為左或右段定子鐵心的2倍，但在機殼內(nèi)的方位布置卻不同，如先將左、右段定子鐵心在機殼內(nèi)左、右端定位并固定，即使該定子鐵心小內(nèi)徑半園部分[短弧面]處于該電機上方、大內(nèi)徑半園部分[長弧面]處于該電機下方；之后再將中段定子鐵心在機殼內(nèi)中部按左[右]段定子鐵心方位定位，再沿某一方向旋轉180°后固定即成；此時中段定子鐵心大內(nèi)徑半園部分處于該電機上方，而小內(nèi)徑半園部分處于該電機下方，各段定子鐵心均由帶有齒槽的近似環(huán)形硅鋼沖片迭成。[7]為電樞線圈共5個，各線圈的兩個有效邊均較長，每一有效邊是沿軸向從左至右嵌入左、中、右段定子鐵心呈軸向對應的槽內(nèi)的；從圖可見，處于鐵心正中的1個線圈就是如此嵌入各段定子鐵心的，而對稱地處于鐵心兩側，沿一園周方向布置的其他4個線圈也是如此嵌入的，圖中省略未畫。[9]為環(huán)形勵磁磁鋼，宜采用高矯頑力，高剩余磁密的永磁材料。[10]為導磁環(huán)。[11]為整體式星形轉子右鐵心。該電機轉子鐵心由磁鋼、導磁環(huán)分隔成左、中、右三段。上述各件均緊固在非導磁轉軸[1]上，構成本電機轉子。該轉子應按其各段鐵心與相應段定子鐵心呈一一對應狀安裝在電機上。該電機左、右段定、轉子之間其下部氣隙磁密極微[其轉子處于下方的齒部無磁性]，上部氣隙磁密大[處于上方的轉子齒始終呈S極性]，中段則相反[該處處于上方的轉子齒部基本無磁性，而處于下方的轉子齒始終呈N極性]。基于此，該電機在電樞繞組通入直流電流后，才能帶著負載定向旋轉[后面所述二或三段式其原理相似]。該電機定、轉子分三段布置能使其運行平穩(wěn)，減少機械損耗、該電機抗去磁能力強，磁鋼利用率高。
上述結構型式適宜于做成小容量的永磁直流電機，當容量較大時其結構應作適當變動，宜采用多極式。圖12、13、14共同表示的結構就是多極式之一——一種4極二段式自換極永磁直流電動機，也即本實施例之二的改進型。其它多極式照其類推即可。圖13、14分別表示在該電機[沿軸向]左端部和右端部的兩個橫截面示意圖，都系同一投影面上的剖視圖[如均為左視圖且畫成結構示意圖的形式]。該電機定子鐵心沿軸向分成左、右2段，其左段定子鐵心[2]和右段定子鐵心形狀完全相同，均是由帶有齒槽的近似環(huán)形硅鋼沖片迭成，但在導磁體機殼[1]內(nèi)的方位卻安裝得不同，這從圖示可見。該電機定子鐵心同三段式一樣均是用定位環(huán)將其沿軸向相互隔離成左、右兩段的。然后再壓裝在機殼的內(nèi)腔表面上。[3]為電樞繞組，共數(shù)個，按單層[也可雙層]同心式鏈式繞組方式布置和連接。圖中箭頭尖、尾表示嵌入鐵心槽內(nèi)的線圈有效邊上的電流流動方向，各線圈每一有效邊均是沿軸向嵌入左、右段定子鐵心呈軸向對應的槽內(nèi)的[與三段式相似]。[4]為轉子，該轉子結構見圖12中[2]和[5]分別表示左、右段星形轉子鐵心[整體式]，[3]為環(huán)形勵磁磁鋼，宜采用高矯頑力和高剩余磁密的永磁材料。[4]為導磁環(huán)，它們緊固在非導磁轉軸[1]上。該電機裝好后，其定、轉子左、右段鐵心應一一對正。另外該電機左、右段轉子鐵心也可采用圖20所示鐵心，它由硅鋼片沖制成星形沖片之后迭成，該星形鐵心[2]內(nèi)孔較大，兩段轉子鐵心之間仍用環(huán)形磁鋼及導磁環(huán)分隔且均壓裝在各自磁軛[3]上。而磁軛[3]是緊固在非導磁轉軸[1]上的。采用該轉子結構，鐵耗小。該改進型工作原理同未改進型三段式相同，容量較大時選擇二段多極式較三段式經(jīng)濟性能要好些。
將上述結構型式的多極式直流電機變型為同極的電磁式直流電機也很容易，后者的定子結構與前者基本相同，而各電樞線圈則均增為前者的2倍，而其有效邊則較前者短，各電樞線圈各自獨立地嵌入左段或右段定子鐵心槽內(nèi)，左、右兩段定子鐵心上的電樞繞組之線圈的布置和連接方式兩者完全相同。如4極二段電磁式電機，其定子左、右段情況分別與圖13、14所示相同，但左、右兩段是各自獨立的，不同于永磁式那樣有同一線圈邊嵌入左、右段定子鐵心呈軸向對應的槽內(nèi)，而使兩者連貫在一起。該左、右定子鐵心呈軸向隔離，間距要較永磁式的大。圖15表示該電機轉子及勵磁線圈結構圖，其中[1]為硅鋼沖片迭成的轉子鐵心，分左、右兩段壓裝在同一轉子磁軛[2]上，磁軛[2]又緊固在非導磁轉軸[3]上。該電機裝好后其左、右段定、轉子鐵心沿軸向應一一對正。[4]為一繞成環(huán)形的直流或交流勵磁線圈，該線圈按圖示方向通入直流[也可為交流]電流后就能在部分定、轉子之間形成氣隙磁通，該電機左、右段定子的電樞繞組采用單層同心式鏈式繞組形式。其勵磁線圈和電樞繞組的連接方式與現(xiàn)有的一般電磁式直流電動機相同。另外將該電機的勵磁線圈與電樞繞組正向串聯(lián)，且外接單向交流電源，即成單相交流電動機。
圖16、17共同表示實施例之三。一種2極自換極三段式永磁轉子直流電機。
圖中[2]為軸承。[3]為端蓋。[4]為非導磁體機殼。[5]為中段弧片形定子鐵心，該鐵心由帶有齒槽的硅鋼沖片迭成[或用無槽弧片形硅鋼沖片迭成也行，而電樞線圈則直接繞在該迭片鐵心上]。[8]為右段弧片形定子鐵心，還有一左段定子鐵心。該三段定子鐵心其沖片形狀完全相同，但如圖所示，其排布是不同的，即中段定子鐵心和左、右段定子鐵心分別安裝在該電機上方和下方[也可為下方和上方]。且中段定子鐵心其迭厚為左[右]段定子鐵心的2倍。該三段定子鐵心通過導磁柱[13]緊固連成一體。[6]為一有效邊穿過鐵心槽內(nèi)而直接繞在鐵心上的電樞線圈[線圈(9)亦同]，共9個線圈均繞有相同匝數(shù)[處于通過鐵心中間槽內(nèi)的線圈匝數(shù)也可比其兩傍的線圈匝數(shù)多]，各線圈以正向串聯(lián)方式連接。該電機轉子鐵心亦沿軸向分成三段，各段轉子鐵心間由導磁環(huán)[7]相隔離。轉子裝好后，其左、中、右各段應與定子左、中、右各段一一對正。[10]為軟鐵極靴[也可不用]。[11]為條形勵磁磁鋼[該磁鋼在左右段轉子鐵心中的極性排布與中段是相反的，即N極面對其磁軛，S極面對其極靴]。[12]為轉子磁軛，上述[10]、[11]、[12]各件如圖示拼裝為本電機所稱轉子鐵心，且緊固在非導磁轉軸[1]上。該鐵心和定子鐵心一樣，其中段厚度為左、右段厚度的2倍。在此需對實施例中的二段及三段式電機的工作原理及自換極含義作一補充說明。
現(xiàn)以圖9、10、11共同表示的實施例之二，三段式永磁直流電機為例。
前面已述該電機轉子分為左、中、右三段。設該轉子左段與中段初始態(tài)分別如圖10與圖11所示，給該電機通入直流電流后，轉子即沿順時針方向旋轉，當左段轉子齒A′由圖10所示位置隨著其轉子轉至圖10所示齒B′的位置時，該齒A′的磁極極性即由S極變成無磁性[或基本無磁性]；同時與左段轉子共軸的中段轉子之齒A由圖11所示位置隨著其轉子轉至圖11所示齒B的位置，該齒A的磁極極性即由無磁性[或基本無磁性]變成N極；若將齒A′與齒A看作一整體齒的兩個部分，即可視為該整體齒由S極變成N極，同理若將齒C′與齒C看作一整體齒的兩個部分，該整體齒也可視為由N極變成S極。與此同時其它整體齒極性不變。因此也可以說前面所述的兩個整體齒已完成了一個自換極過程，或者說廣義的自換極過程。該例電機右段轉子情況同左段，其它二段式電機工作原理與上述相同。在運行中均存在一個廣義的自換極過程。至于實施例之三，其中段[或左、右段]轉子中處于上[或下]方的轉子齒轉至處于下[或上]方時，雖然仍呈N[或S]極，但其電樞繞組通入直流電流后產(chǎn)生的磁勢與之[即下方齒或上方齒]作用所產(chǎn)生的轉矩甚微，所以處于上[或下]方的轉子齒轉至處于下[或上]方時看作由N[或S]極變成無磁性亦可。這樣其整體齒在運行時亦能產(chǎn)生廣義的自換極過程。如果將本發(fā)明二段及三段式電機之外的電機稱為單段式，這樣就可以概括地說本發(fā)明各類[段式]電機在運行中均存在一個自換極過程，因而均能定向旋轉。
圖18表示實施例之四，一種2極自換極電磁式直流電機。結構基本上和圖7、8所示電機相同，只不過將永磁式改型為電磁式。圖中[1]為非導磁體機殼，[5]為轉子[其結構與實施例之一轉子同]。[2]為凸極式定子鐵心，由帶有齒槽的硅鋼沖片迭成[若使安裝勵磁線圈方便，可采用分體拼裝，詳情參考現(xiàn)有電機即可]。其上、下半部呈對稱狀各開有4槽[圖中只畫了處于上半部中間位置的兩槽]。[3]為勵磁繞組。[4]為電樞線圈，共4個，構成一單層同心式鏈式繞組，它與勵磁繞組的連接方式與一般直流電機同，如果連接成串勵式，亦能做成單相交流串勵電動機，如果在勵磁繞組的出線端串上增加的適當匝數(shù)，便可構成一交直流兩用電動機。本例及所述各例，本發(fā)明的電磁式直流與交流電動機結構上均無甚差別。但設計指標的要求有所不同[本發(fā)明各類電動機與發(fā)電機亦同]。
圖19表示實施例之五，它是圖7、8所示電機的一種變型。即將瓦片形磁鋼改換為條形磁鋼，其安裝位置亦有變動。圖中[1]為非導磁體機殼。[2]為上弧片形定子鐵心，還有與之呈水平對稱排布的下弧片形定子鐵心，兩者形狀完全相同，均由帶有槽形的硅鋼沖片迭成；該上、下鐵心槽內(nèi)共嵌有4個電樞線圈[3][圖中只畫了位于中部的2個線圈的上有效邊]，布置和連接成單層同心式鏈式繞組。[4]為條形勵磁磁鋼，宜采用高剩余磁密的永磁材料。[5]為轉子，其結構型式與實施例之一電機轉子同。
圖20所示星形轉子之情況前面已述。
圖21、22共同表示一種由磁性材料壓制而成的拼裝式轉子磁心，由兩個相同的該磁心呈垂直狀拼裝好之后，再緊固在一非導磁轉軸上，即構成一個4齒星形轉子。其結構簡單，牢固可靠，節(jié)省工時，生產(chǎn)率高，宜于大批生產(chǎn)，適用于微型電機。
圖23、24共同表示一種分層移位式星形轉子鐵心，它由若干條形硅鋼沖片齊整的迭成后，再將其處于中間層次的迭片[如總迭片之半]均同向旋轉90。后固定而成。當然也可采用若干片為一迭，逐迭旋移一角度后，再固定而成。該結構簡單，運行時氣隙磁阻變化小。
圖25、26所示為轉子鐵心齒部的兩種改進，前者為T形齒，后者為倒梯形齒，用之亦可使電機運行時氣隙磁阻變化小。
圖27所示為轉子鐵心齒部的又一種變形，采用該梯形齒有集中磁通的作用，能提高氣隙磁密。
本說明書最后就前面已述的單段、二段與三段多極[含2和4極]式電機之結構型式再作一概述。
其一，本發(fā)明單段多極式電機的定子結構型式有下述幾種。
型式①，其定子鐵心由偶數(shù)[與極數(shù)相等，下同]個形狀完全相同的弧片形[或稱瓦片形，也可以是近似弧片形下同][定子]鐵心組成。該類鐵心系沿一園周而兩兩以其端面相對應且相應的兩端面間以相分離之狀來排布，且均緊固在非導磁機殼內(nèi)腔[表面]上；在各相分離處均填裝著勵磁磁鋼，該類磁鋼均以極面對應與之緊貼的鐵心之端面；各磁鋼的極性排布沿順[反]時針方向看，若以某塊磁鋼的極性排布定為正向，且為起點，則下一塊磁鋼的極性排布是與之相反的，再下一塊則與之相同為正向，接下的則又為反向；如此類推。
型式②，其定子鐵心由偶數(shù)個形狀完全相同的弧片形[定子]鐵心組成。該類鐵心均系沿一園周而兩兩以其端面相對應且相對應的兩端面間以相分離之狀來排布，且各弧片形鐵心緊貼[固]在各自的勵磁磁鋼的極面上，而各勵磁磁鋼另一極面均緊貼[固]在導磁體機殼內(nèi)腔上，各磁鋼之極面[或極面之切平面]均垂直于同一園周之半徑，相鄰弧片形鐵心上的磁鋼的極性排布是相反的[以園心為起點，沿著半徑向外看]。
型式③，其定子鐵心由偶數(shù)個形狀完全相同的凸極式弧片形[即帶極身的弧片形][定子]鐵心組成。該類鐵心系沿一園周而兩兩以其端面相對應且相對應的端面間以相分離之狀來排布，且各鐵心以其極身之弧形[或其他形狀]端面緊貼[固]在導磁體機殼之內(nèi)腔上[當該凸極式弧片形鐵心與園環(huán)形磁軛做為一體時稱凸極式定子鐵心，可采用非導磁機殼]，而安裝[或繞]在相鄰鐵心極身上的勵磁線圈所產(chǎn)生的磁極極性應是相反的[以園心為起點沿著半徑向外看]。
通電后上述各式定子結構其相鄰弧片形鐵心之槽內(nèi)嵌放[或排布在弧片形鐵心之平滑內(nèi)弧面上]的電樞線圈有效邊上流過的電流之方向應是相反的。上述各定子其他情況前面已述，但其弧片形鐵心也可做成整體式的[非迭片式]。
上述各結構之電機其星形[或稱齒輪狀]轉子結構在前面已述的單段式電機中已作說明。
其二，二段或三段多極式電機之定子結構為型式①，其定子鐵心沿軸向被分成二段或三段，且各段定子鐵心之間是相分離[隔]的，它們均緊固在導磁體機殼內(nèi)腔上。當分成二段時，其左、右兩段鐵心厚度相等[也可不等]。分成三段時其左、右兩段鐵心厚度相等，中段鐵心則為左或右段鐵心厚度的2倍[也可左、中、右三段各不相等]。各段鐵心的形狀完全相同，均為近似環(huán)形[有一例外，此前已敘稱型式②]。該環(huán)形之內(nèi)孔由不同半徑對應之弧面連貫而成。即組成該內(nèi)孔的某一段弧面其對應的半徑[或平均半徑]較長[稱長弧面]，則順一園周方向與之銜接的相鄰段弧面其對應的半徑[或平均半徑]較短[稱短弧面]，即各段弧面是按長——短——長——短………之變化規(guī)律排布且銜接的。各長弧面的弧長均相等，各短弧面的弧長亦相等，而其極數(shù)則等于2倍于長弧面的個數(shù)或者2倍于短弧面的個數(shù)。對于二段式，其左段定子鐵心上之長[短]弧面與右段定子鐵心上的短[長]弧面呈軸向對應。對于三段式則中段定子鐵心上的長[短]弧面與左、右兩段定子鐵心上之短[長]弧面呈軸向對應。
通電后，嵌放在長弧面所在部分鐵心槽內(nèi)[或排布在無槽鐵心平滑長弧面上]的電樞線圈有效邊上與嵌放在短弧面所在部分的鐵心槽內(nèi)[或排布在無槽鐵心平滑短弧面上]的有效邊上流過的電流之方向應相反。
上述定子結構的其它情況前面已作過敘述，但其各段定子鐵心可做成整體式的[非迭片式]。
上述結構之電機，其星形轉子結構及勵磁方式前面已作過詳述。但二段式電機，其左、右二段定子鐵心之厚度不相等時，其沿軸向被分成二段的轉子鐵心之左、右兩段厚度亦不相等，且和定子鐵心相應段應沿軸向一一對正。對于三段式電機，其左、中、右三段定子鐵心之厚度不相等時，其沿軸向被分三段的轉子鐵心之左、中、右三段亦不相等，且和定子鐵心相應段應沿軸向一一對正。
權利要求
1.由定子和轉子兩大主要部分組成的自換極式直流電機及自換極式單相交流和交直流兩用電動機，它們的特征在于按其結構型式可分為單段式，二段式及三段式幾種型式，其中的單段式電機又可分為下述3種型式型式①，其定子鐵心由與其極數(shù)相等而形狀完全相同的數(shù)個弧片形或近似弧片形鐵心所組成，該類鐵心系沿一園周而兩兩以其端面相對應且相對應的兩端面間以相分離之狀來排布，且均緊固在非導磁機殼內(nèi)腔上，在各相分離處均填裝著勵磁磁鋼，該類磁鋼均以極面對應與之緊貼的鐵心之端面，各磁鋼的極性排布沿順或反時針方向看是依次按正——反——正——反——……之循環(huán)變化排布的；型式②，其定子鐵心由與其極數(shù)相等而形狀完全相同的數(shù)個弧片形或近似弧形片鐵心所組成，該類鐵心系沿一園周而兩兩以其端面相對應且相對應的兩端面間以相分離之狀來排布，各弧片形鐵心緊貼在各自的勵磁磁鋼之極面上，而各勵磁磁鋼另一極面又均緊貼在導磁體機殼內(nèi)腔上，相鄰鐵心上的磁鋼的極性排布是相反的；型式③，其定子鐵心由與其極數(shù)相等而形狀完全相同的數(shù)個凸極式弧片形鐵心所組成，該類鐵心系沿一園周而兩兩以其端面相對應且相對應的兩端面間以相分離之狀來排布，且各鐵心以其極身之一端面緊貼在導磁體機殼之內(nèi)腔上，或者上述凸極式弧片形鐵心按上述方式來排布，且與環(huán)形磁軛做為一體，稱之為凸極式定子鐵心，安裝或繞在相鄰鐵心之極身上的勵磁線圈所產(chǎn)生的磁極極性是互為反向的；上述各式定子結構中，其相鄰弧片形鐵心之槽內(nèi)嵌放的，或排布在無槽弧片形鐵心之平滑內(nèi)弧面上的電樞線圈有效邊上，通電時流過的電流之方向是相反向的；上述各式單段式電機均采用星形轉子；該轉子系星形鐵心緊固在非導磁轉軸上，或星形鐵心緊固在非磁性套管上，而套管又緊固在導磁金屬轉軸上而成；又其中的二段式與三段式電機有如下型式型式①，其定子鐵心沿軸向被分成二段的稱二段式電機，被分成三段的稱為三段式電機，但無論定子鐵心被分為二段或三段，其各段定子鐵心之間是相分離的，且均緊固在導磁體機殼內(nèi)腔上，各段鐵心的形狀完全相同，均為近似環(huán)形，該環(huán)形之內(nèi)孔由長弧面與短弧面連貫而成，是按長弧面——短弧面——長弧面——短弧面——……之循環(huán)規(guī)律來排布且銜接的，各長弧面的弧長均相等，各短弧面的弧長亦均相等，而電機之極數(shù)則等于2倍于長弧面之個數(shù)或者2倍于短弧面之個數(shù)，對于二段式其左段定子鐵心上之長弧面和短弧面分別與右段定子鐵心上之短弧面和長弧面呈軸向對應，對于三段式，則中段定子鐵心之長弧面和短弧面分別與左和右段定子鐵心上之短弧面和長弧面呈軸向對應，嵌放在長弧面所在部分鐵心槽內(nèi)，或排布在無槽鐵心平滑長弧面上的電樞線圈有效邊上與嵌放在短弧面所在部分鐵心槽內(nèi)，或排布在無槽鐵心平滑短弧面上的電樞線圈有效邊上，通電后流過的電流之方向是相反的；三段式電機還有型式②，其定子鐵心沿軸向被分成三段，各段定子鐵心均是形狀完全相同的弧片形鐵心，其中段定子鐵心和左、右段定子鐵心分別安裝在其機殼內(nèi)腔之上、下不同的兩方，且通過導磁柱將該三段鐵心緊固連成一體，繞在各段鐵心上的各個電樞線圈均以正向串聯(lián)方式連接；上述二段式和三段式電機，其星形轉子鐵心亦沿軸向被分成二段和三段，轉子裝入電機后，轉子鐵心各段與定子鐵心相應段沿軸向呈一一對正狀，對于二段式電機之型式①，其轉子結構之一為，其轉子鐵心被分成左、右兩段，各段均采用整體式星形鐵心，兩段之間由環(huán)形勵磁磁鋼，導磁環(huán)所分隔，且均緊固在非導磁轉軸上；之二為，各段均由星形鐵磁材料或硅鋼沖片迭成，且通過迭片之內(nèi)孔，壓裝在磁軛上，兩段鐵心之間仍用環(huán)形勵磁磁鋼及導磁環(huán)分隔，且各自通過其磁軛均緊固在非導磁轉軸上；之三為，各段均由星形鐵磁材料或硅鋼沖片迭成，各段通過其孔以相離狀壓裝在同一轉子磁軛上，而磁軛又緊固在非導磁轉軸上或通過非磁性套管緊固在導磁金屬轉軸上，對于三段式電機之型式①，其轉子結構之一為，其轉子鐵心被分成左、中、右三段，各段均采用整體式星形鐵心，各段之間均由環(huán)形勵磁磁鋼，導磁環(huán)所分隔，且均緊固在非導磁轉軸上；之二為，各段均由星形鐵磁材料或硅鋼沖片迭成，且通過迭片之內(nèi)孔，壓裝在磁軛上，各段之間仍用環(huán)形勵磁磁鋼及導磁環(huán)分隔，且各自通過其磁軛均緊固在非導磁轉軸上，上述三段式電機分布在各段轉子鐵心之間的勵磁磁鋼之極性均沿軸向排布，且互為反向，二段式電機轉子上的勵磁磁鋼之極性系沿軸向排布；對于三段式電機之型式②，其轉子結構為，其轉子鐵心亦沿軸向被分成為左、中、右三段，各段鐵心均由條形勵磁磁鋼，轉子磁軛，或還有軟鐵極靴拼裝而成，各段轉子鐵心之間均由導磁環(huán)相分隔，且均緊固在非導磁轉軸上，其勵磁磁鋼在左、右段轉子鐵心中的極性排布與中段是相反的，即若左與右段鐵心上之磁鋼以N極面對其磁軛，S極面對其極靴，中段則反之，反之亦然。
2.根據(jù)權利要求1所述的電機，它的特征是其單段式電機之型式①為一2極永磁式直流電機，采用條形磁鋼勵磁；之型式②亦為一2極永磁式直流電機，系由鋁或銅制嵌件將其上、下弧片形鐵心在其相互對應的端面處進行分隔并定位，且采用瓦片形磁鋼勵磁；之型式③為一2極電磁式電機，采用凸極式定子鐵心。
3.根據(jù)權利要求1所述的電機，它的特征是其單段式電機之型式①均采用條形磁鋼勵磁，之型式②均采用瓦片形磁鋼勵磁。
4.根據(jù)權利要求1所述的電機，它的特征是其二段式電機中的左、右兩段定子鐵心的厚度相等，左、右兩段轉子的鐵心厚度亦相等，其三段式電機中的左、右兩段定子鐵心的厚度相等，中段定子鐵心的厚度則為左或右段鐵心厚度的2倍，其左、中、右段轉子鐵心之厚度分布亦同上所述。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的電機，它的特征是其二段式電機之型式①為一4極永磁式直流電機，其轉子采用該二段式電機的轉子結構之一或之二的型式；或者其二段式電機之型式①為一4極電磁式電機，其轉子采用該二段式電機的轉子結構之三的型式，且采用環(huán)形勵磁線圈勵磁。
6.根據(jù)權利要求1或2或4所述的電機，它的特征是其轉子具有拼裝式轉子磁心或分層移位式星形轉子鐵心。
7.根據(jù)權利要求1或2至5中之任一所述的電機，它的特征是其星形轉子鐵心之齒部采用T形或梯形或倒梯形齒。
8.根據(jù)權利要求1所述的電機，它的特征是其定子鐵心由帶有齒槽的鐵磁材料或硅鋼沖片迭成。
全文摘要
本發(fā)明是具有直流電動機或發(fā)電機特性的電機方面的發(fā)明。它包括數(shù)種新型的直流電機，以及現(xiàn)有的單相交流換向器電動機和交直流兩用電動機的取代型。按其結構形式，有單段、二段與三段式之分，按勵磁方式有電磁式與永磁式之別，按工作電源有交流與直流兩種。屬自換極原理，均無任何換向裝置，因而無換向裝置所引來的種種缺點；且結構簡單，成本低，有比現(xiàn)有的交、直流電機及無刷直流電動機之全部優(yōu)點更佳之優(yōu)點，而無其缺點；它品種多，容量覆蓋面寬，用途非常廣泛。
文檔編號H02K57/00GK1160945SQ9611808
公開日1997年10月1日 申請日期1996年4月1日 優(yōu)先權日1996年4月1日
發(fā)明者葉中午, 史玲 申請人:史玲