[发明专利]一种单极交直流通用电机

说明书

本发明创造属于高导磁单极电机技术领域。

传统的单相电机的定子是由定子线圈、磁极、磁轭组成，有限的磁极极靴的面积决定了磁场的有效作用面积的大小，且气隙磁场按正弦规律分布，高次谐波分量大；同时因定子磁极的缘故，转子导体的利用率不高，仅处在磁极下的载流导体才能受到磁场的作用，这样，使得单相电机无论是功率转换效率，转矩的大小，材料的利用率等都达不到最佳状态。有鉴于此，专家提出超导电机的设计。如图1所示的两组线圈(5)为超导线圈，利用该线圈产生的极强气隙磁场，方向相反，这样在两线圈中间的气隙磁场是垂直于线圈轴线，空间分布为360°圆周垂直于外面的转子导体。目前，受超导材料本身的影响，这种电机只能作直流电机使用，这种设计虽然优点多，但实现很困难，且费用高。但这种磁路的设计思想值得借鉴。另外，圆盘形电枢直流伺服电机，如图2所示，它的定子是由永久磁铁(11)和前后磁轭(13)组成，电枢绕组线圈沿电枢圆盘(12)径向圆周排列，电流由径向流过圆盘表面与轴向磁场作用而产生转矩，气隙磁场在360°圆周与电枢正交。

本发明的目的是利高导磁材料作磁路，改变线圈磁势的分布，使之在360°圆柱面形成气隙磁磁场，提高气隙磁场的有效使用面积。

目的之二；使气隙磁场中转子载流体的利用效率最高，转子能获得最大的单向合成转矩。

本发明的任务通过以下技术路线实现的：定子磁极采用高导磁材料做成一对圆柱面磁极，分内磁极(1)和外磁极(2)的同轴圆柱体，定子线圈(3)是常导厚壁线圈装配在内磁极(1)和外磁极(2)之间；转子铁芯(4)是高导磁材料制成的圆柱体，且镶嵌在内磁极(1)和外磁极(2)之间，转子和定子的轴心线相重合，定子线圈所产生的磁势，经定子磁轭、气隙和电枢转子铁芯(4)形成闭合磁回路，当电机工作时，所有载流导体电流流向一致，转子电流经外电源由一对集电环而进入转子回路，取代换向器。

利用高导磁材料作磁回路，目的是充分利用磁路的高饱和值，同时使得气隙磁场方向在空间360°圆周上与转子载体正交。定子无特定磁极，磁极既是磁轭的一部分，也是定子的外壳。根据磁路定理Φ_Bm＝ζ_m/∑R_mi＋SR_mo＝NI_a/∑R_mi＋SR_mo式中磁势ζ_m＝NIa

铁芯磁阻R_mi＝L_i/μ_lμ_oS_i

气隙磁阻R_mo＝INR₂/R₁/2πμ_oL₁N为线圈匝数，I_a为励磁电流，

各段的磁场B_mi＝Φ_Bm/S_i

从磁性材料的B-H曲线，查出对应于某一磁密B的H值。如磁路是气隙，则H＝Bmi/μ_o

为实现本目的之二，转子铁芯(4)设计成圆柱体面，在其轴向开有齿槽(7)及端部开通孔(8)，转子铁芯轴面上每一个齿槽(7)所对应的通孔(8)之间穿有导条(导线)形成一小线圈回路，众多的小线圈回路单向串联成转子线圈。

铁芯(4)采用高导磁材料，转子线圈均匀地分布在铁芯(4)圆周上。区别于传统电机转子线圈的整矩或短矩绕组，它一边分布在齿槽(7)中，而另一边则巧妙地安排在通孔(8)里，线圈两边电流的走向恰好相反。由于铁磁屏蔽作用，通孔(8)里的磁密为零。通孔(8)中的载流体将不受电磁力的作用，这样使得转子获得最大单向合成转矩，转子屏蔽的效果以磁屏蔽效率η来定义，η为背景场H_o与屏蔽场H_i之比值即η＝Ho/H_i显然η越大越好，以软磁圆筒形屏蔽罩为例，壁厚为t，长度为L，内半径为r，由于空气的磁导率接近1，而圆筒壁的磁导率μ＞＞1，因此外磁场的磁感应线将主要沿圆筒壁穿过，在圆筒中央空腔内，磁场将大大减弱。

当L＞＞8r时，则η₁＝H_o/H_i≈μt_o/2r