[发明专利]一种无换向装置的直流电机

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种电机，具体地说是直流电机。

背景技术

目前，无论交流发电机或直流发电机，电枢部分通过电磁感应产生电流几乎均为交流电，现有的直流发电机由于电机内部产生交变的感应电流，因此均采用换向器（和电刷）装置设计，以保证输出端电流为单一方向即输出直流电。当电机转动时，由于电刷摩擦，容易产生热量。直流发电机的换向器也会随着电机转速的提高，电流的增大，而产生电火花。这些不利因素对于大容量直流发电机的设计和制造产生了限制。此外，虽然近些年随着电力电子技术的发展，新型无刷直流电机通过引入电力电子设备代替传统换向器设备，但是依然存在故障率高，价格昂贵等缺陷。换向器设备大大降低了直流电机的可靠性，实际生产生活中直流电机故障大多发生在换向器和电刷故障，这也是近年来直流电机逐步被交流电机所取代的原因之一。

随着新型高温超导材料的发现，高温超导材料可以在液氮温区实现超导化，这使得近年来超导电机技术得到了飞速发展。传统上，大多数超导电机具有安装在转子上的超导磁场线圈作为电励磁部分，低温液体通常通过转子一端的传递连接器从固定低温冷却器供应到超导磁场线圈。传递连接器引导低温液体从固定部分到转子旋转部分。接着低温液体通过超导磁场线圈的冷却回路传送，然后回到传递连接器，以返回固定低温冷却器。超导磁场线圈受到热应力，离心应力，并且具有通过转子的电连接供给超导线圈动力，特别是高温超导（HTS）线圈，可能对机械应变很敏感而降低超导性能。因此，设计、制造以及运行这样的转子是困难的。近些年也有相当一部分利用超导块材强磁特性的超导电机出现，通过引入液氮使超导块材超导化，从而利用强磁特性发电。但是，由于超导电机内部电枢部分为交流电，存在交流损耗这一问题，目前世界范围内相关研究只能一定程度上降低交流损耗但尚无完全除去交流损耗的方法，这使得定子超导化与全超导电机的研究以及投入实际生产的可行性大大降低，这些都极大的限制了其应用。

对于专利申请号为200610146492.0，名称为用于动力应用的超导单极感应交流发电机，提供了一种发电机便携动力系统设计方案。该专利利用超导线圈产生磁场，通过转子上导磁极片使转子旋转时产生旋转磁场切割定子绕组从而发电。该专利相对于传统电机结构较为复杂，且没有明确关键技术中超导线圈如何供电并维持超导临界温度的具体实施方式和结构。此外，该专利设计电磁耦合方式较为繁琐，实施方式中指出第一极片与第二极片分别带有不同极性，电枢部分产生交流电，对于需要大型直流电机的应用场合受到限制。对于专利申请号为02138969.1，名称为无换向器直流发电两用电机，提供了一种无换向器两用电机，主要由“单极”转子和定子组成，利用导线相对转动切割“单极”转子的磁力线产生感应电流的原理进行设计，用于物理教学实验等。该专利没有给出具体电机设计实施方案，且没有考虑大型发电机或电动机在特定应用环境下电机结构上的特殊设计，对于工业，电力等领域实用价值不大。对于专利申请号为200420045313.0，名称为单极无换向直驱式直流电机，提供了一种单相极无换向直驱式直流电机，该电机具有筒形励磁磁场，磁场两极呈可相对运动状，线圈框套在环形铁芯上，电枢线圈至少等分为两组绕在线圈框上，绕有电枢线圈的环形铁芯套在筒形励磁磁场的两极之间，线圈框与励磁磁场的一极保持相对静止，环形铁芯内侧开有齿槽，环形铁芯通过此齿槽与传动轮配合联动于励磁磁场的另一极而与该极保持相对静止。根据该专利所表述内容，该专利属于直流电动机，专利中所述励磁磁场两极呈可相对运动状，线圈框与一极保持相对静止，经过分析，此专利中方案无法作为直流发电机使用。原因是，由于其电枢线圈5绕在导磁铁芯4上，带有电枢线圈5的导磁铁心4整体位于电机励磁磁场两极之间，铁心垂直与磁力线两端均绕有电枢绕组，因此在电枢绕组5与磁场相对运动时，通过左手定则分析可知，铁心两端的电枢绕组同时产生感应电流，这使得电枢无法产生直流电。并且，该专利作为直流电动机使用时，励磁磁场与轴旋转，铁心与电枢绕组也需要旋转，电枢通电方式复杂，并且由于铁心与块状轴承接触产生机械摩擦，这使得该专利作为电动机使用时具有结构复杂，可靠性低，效率不高等缺点。

此外，对于现有的交流电机或直流电机，无论是电动机还是发电机，由于在机电转换过程中，电枢部分中的电流均是交变的，这使得涡流损耗无法避免，而且由于电磁感应产生的交变磁场，电机中铁心的磁滞损耗通常也是无法避免的。特别是，对于电枢部分采用超导材料时，交流损耗较大，成为限制定子超导化和全超导电机设计制造的关键性问题。

发明内容