專利名稱：一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機，特別是涉及一種由眾多具有矩形或T形齒構(gòu)造的電樞鐵芯圓周表面及繞組線圈沿線槽繞齒布線的磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機。
電機的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)實驗現(xiàn)象，其最基本的內(nèi)容為在一個具有N極和S極的基礎(chǔ)磁場系統(tǒng)中，導(dǎo)線(線圈)沿磁力線截面方向運動會產(chǎn)生感生電流，感生電動勢的大小視導(dǎo)線(線圈)在單位時間內(nèi)所掃過面積內(nèi)的磁通量變化率而定。反之，當通電導(dǎo)線(線圈)放置在磁場中時，磁通量的變化會使通電導(dǎo)線(線圈)產(chǎn)生定向運動，其運動方向可由右手定則判定。磁通量的變化率越大，導(dǎo)線(線圈)的感生電動勢越大，或通電導(dǎo)線(線圈)的定向運動量越大。在實際應(yīng)用中，運用前者原理可制作成發(fā)電機，運用后者原理可制作出電動機，兩者均可表述為一種可逆的電磁能與機械能轉(zhuǎn)換裝置，習慣上通稱電機。
常規(guī)的永磁旋轉(zhuǎn)式電機工作原理如下所述在所述的附圖中，P為電機轉(zhuǎn)子中N極和S極的磁極數(shù)，P為偶數(shù)，m為電樞鐵芯中線槽或齒的數(shù)量。


圖1是m＝6P的常規(guī)旋轉(zhuǎn)式電動機的剖面圖。在圖1中，一個圓環(huán)形永久磁鐵組件3固定在由普通磁性材料制成的轉(zhuǎn)子2的外部圓周上，永久磁鐵組件3與轉(zhuǎn)子2一起繞旋轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動。永久磁鐵組件3有四個交替的N和S極，即P＝4，四個磁極之間均相隔90°，電樞鐵芯4的齒6面對永久磁鐵組件3的磁極，每個齒在兩相鄰的繞組槽5之間形成。轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)軸1可旋轉(zhuǎn)地支撐在電樞鐵芯4上。因此，在電樞鐵芯4的齒6和永久磁鐵組件3的磁極之間的相對位置根據(jù)轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)而變化。
圖2表示所述圖1常規(guī)旋轉(zhuǎn)電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展開圖，它是沿X-X’和Y-Y’線進行展開的，在特征結(jié)構(gòu)分析時這些線成一行。電樞鐵芯4有24個繞組槽，即m＝24，從a到x，它們以等同的15°角相隔并且24個齒設(shè)置在兩相鄰的繞組槽之間，重疊繞組線圈A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4被卷繞在從a到x的繞組槽內(nèi)。從A1繞到C4中的每個繞組線圈圍繞電樞鐵芯4的5個齒。也就是說，A1繞在繞組槽a和f內(nèi)，A2繞在繞組槽g和l內(nèi)，A3繞在繞組槽m和r內(nèi)，A4繞在繞組槽s和x內(nèi)。B1圍繞在繞組槽e和j內(nèi)，B2繞在繞組槽k和p內(nèi)，B3繞在繞組槽q和v內(nèi)，B4繞在繞組槽w和d內(nèi)。C1繞在繞組槽i和n內(nèi)，C2繞在繞組槽O和t內(nèi)，C3繞在繞組槽u和b內(nèi)，C4繞在繞組槽c和h內(nèi)。繞組線圈A1、A2、A3和A4串聯(lián)連接，從而形成第一相的繞組組A。繞組線圈B1、B2、B3和B4串聯(lián)連接，從而形成第二相的繞組組B。繞組線圈C1、C2、C3和C4串聯(lián)連接，從而形成第三相的繞組組C。繞組組A、B和C之間的相位差等于120°(電角度)，這里180°電角度等于永久磁鐵的360/P的1極距。在圖1中，P＝4，所以180°電角度等于90°機械角度。因此，當提供三相電流給三相繞組組A、B和C時，便可獲得加速轉(zhuǎn)子2的扭矩。
圖3表示另一種常規(guī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的剖面圖，m＝3P，除m和P的關(guān)系以及繞組間距外，圖3所示的常規(guī)發(fā)電機的構(gòu)造與圖1所示的常規(guī)電動機的逆向原理相同。圓環(huán)形永久磁鐵組件13固定在由磁性材料制成的轉(zhuǎn)子12的外部圓周上，永久磁鐵組件13和轉(zhuǎn)子12繞旋轉(zhuǎn)軸11一起旋轉(zhuǎn)。永久磁鐵組件13有四個交替的N和S極，即P＝4，它們相互以90°角隔開。電樞鐵芯14的齒16面對永久磁鐵組件13的磁極，每個齒在兩相鄰的繞組槽15之間形成。轉(zhuǎn)子12的旋轉(zhuǎn)軸11可旋轉(zhuǎn)地支撐在電樞鐵芯14上。因此，轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)改變位置時，電樞鐵芯14的齒16與永久磁鐵組件13磁極之間的位置也相對而改變。
圖4表示圖3中常規(guī)發(fā)電機沿X-X’和Y-Y’線的展開圖，分析特征結(jié)構(gòu)時這些線成一行，電樞鐵芯14有從a到1設(shè)置有12個以相等30°角相隔的繞組槽，12個齒設(shè)置在兩相鄰的繞組槽之間，即m＝12，重疊繞組A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4圍繞在繞組槽a到1內(nèi)。從A1到C4的每個繞組線圈圍繞電樞鐵芯14的3個齒。即，A1繞在繞組槽a和d內(nèi)，A2繞在繞組槽d和g內(nèi)，A3繞在繞組槽g和內(nèi)j，A4繞在繞組槽j和a內(nèi)，B1繞在繞組槽c和f內(nèi)，B2繞在繞組槽f和i內(nèi)，B3繞在繞組槽i和l內(nèi)，B4繞在繞組槽l和c內(nèi)、C1繞在繞組槽e和h內(nèi)，C2繞在繞組槽h和k內(nèi)，C3繞在繞組k和b內(nèi)，C4繞在繞組槽b和e內(nèi)。繞組線圈A1、A2、A3和A4串聯(lián)連接形成第一相的繞組組A。繞組線圈B1、B2、B3和B4串聯(lián)連接形成第二相的繞組組B。繞組線圈C1、C2、C3和C4串聯(lián)連接形成第三相的繞組組C。在繞組組A、B和C之間的相位差等于120°電角度。在圖3中，P＝4，所以180°電角度等于90°機械角度。因此，加速轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)矩便可在三相繞組組A、B和C中獲得三相交流電。但是，上述的電機存在耗材多和能源利用率低的缺點。
本發(fā)明的目的在于為了克服上述已有技術(shù)的缺點和不足，提供一種圓周表面帶矩形齒或T形齒的定子電樞鐵芯的新結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合沿線槽繞齒連續(xù)布線的線圈繞組結(jié)構(gòu)，使該電機與通常同數(shù)量級電機體積重量、同數(shù)量級轉(zhuǎn)速的電機相比可以獲得更大的能量。
本發(fā)明的目的之二是在采用新的定子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合磁極密集交替排布組成的環(huán)形永磁材料組件與常規(guī)磁性材料組件固連而成的轉(zhuǎn)子，以提高電機的電磁能與機械能轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的目的之三是為市場提供一種簡單實用的高頻發(fā)電機，通過內(nèi)置或配置于電機的通常電子電路，可有效實現(xiàn)波形和頻率的多用途變換，使電子電路控制的多用途發(fā)電機更加簡單實用。
本發(fā)明的目的之四是為市場提供一種容易通過常規(guī)電子電路控制的高頻電動機，以適應(yīng)電動車對多用途電機的需求，從而提供一種高效實用的磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，包括轉(zhuǎn)子、定子、轉(zhuǎn)軸和內(nèi)置或配置于電機的常規(guī)電子電路，其特征在于所述的定子電樞鐵芯圓周表面設(shè)置有齒，所述的齒是矩形齒或T形齒，齒數(shù)為m，m＝32-960之間的偶數(shù)，繞組線圈沿電樞鐵芯的線槽環(huán)繞齒連續(xù)布線，電樞鐵芯的線槽和齒與電機永磁轉(zhuǎn)子組件的P個磁極相對。
還包括在上述的電機中，電機轉(zhuǎn)子由P個條形永磁材料單體按D間距NS極交替密集排布組成的環(huán)形永磁材料組件3與常規(guī)磁性材料組件固連而成，環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子組件面向電樞鐵芯。
所述的電樞鐵芯圓周表面設(shè)置的矩形齒或T形齒，是指沿轉(zhuǎn)軸方向(Z軸)橫截面的形狀，沿轉(zhuǎn)軸橫截面的大小設(shè)計可以以繞組線圈導(dǎo)線的直徑d為基準，d由電機設(shè)計的最大電流值決定。矩形齒的齒高為H1，T形齒的齒高為H2，H1H2＝1-20d。矩形齒相鄰兩齒中心線的間距(即一個齒和一個槽位為W)W＝2-30d，齒表面寬度S1＝1-15d，線槽寬度V1＝1-15d。T形齒的齒柱寬度S2＝1-10d，齒表面寬度S3＝3-29d，以齒柱為平衡點的兩邊齒面高度H3＝0.5-3d，線槽口齒面與齒面之間的間距V2＝1-5d，相鄰兩齒中心線的間距W＝3-30d。上述矩形齒H1、S1、V1和W的圖示詳見附圖5，T形齒H2、S2、S3、H3、V2和W的圖示詳見附圖6。
所述的電樞鐵芯4圓周表面設(shè)置的矩形齒或T形齒，其沿X-X’線和Y-Y’線的齒向或槽向，可以是沿Y軸的直形齒(槽)，也可以是沿Y軸傾斜小于15°機械角度的斜形齒(槽)。所述的設(shè)置在電樞鐵芯圓周表面齒與齒之間的線槽，其沿轉(zhuǎn)軸方向的橫截面存在兩個邊角(矩形齒)或四個邊角(T形齒)，該邊角可以是90°直角或準直角，最好是圓角，圓角的弧度和繞組線圈導(dǎo)線截面的弧度相同為最佳值。這一設(shè)計要求，與本發(fā)明提供的繞組線圈導(dǎo)線在線槽5中環(huán)繞齒6連續(xù)布線的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，線圈導(dǎo)線繞齒布線形成線圈繞組是轉(zhuǎn)子與電樞鐵芯相對運動時產(chǎn)生磁激諧振的重要原因。
常規(guī)電機電樞鐵芯繞組線圈的布線結(jié)構(gòu)特征為線槽的作用用于放置成組的繞組線圈，通過連接線把不同槽的線圈串聯(lián)相連成同一相的繞組。本發(fā)明提供的繞組結(jié)構(gòu)特征為線槽的作用并非用于放置成組的繞組線圈，而是作為環(huán)繞齒布線的通道，繞組線圈的導(dǎo)線在線槽中環(huán)繞n個齒連續(xù)布線形成繞齒線圈繞組，n為小于m的正整數(shù)。在繞齒線圈與磁極的相對運動中，有效切割磁力線的是繞齒線圈在槽中的線段。該繞組線圈可視作一個等效變形的螺線管，齒成為該螺線管內(nèi)置的鐵芯。當帶P個永磁極7的轉(zhuǎn)子相對電樞鐵芯旋轉(zhuǎn)運行時，繞齒線圈被激發(fā)出較強的感生電流，因此電機運行時的齒表面成為一個動態(tài)微磁極。由于繞齒線圈在相對轉(zhuǎn)子永磁極運動時感生的齒表面微磁極，會在運行中反過來影響轉(zhuǎn)子永磁極表面的磁場分布變化。該磁場分布變化率越大，電樞鐵芯中繞齒線圈的感生電流越大，齒表面激發(fā)的微磁極場強越大，在相對轉(zhuǎn)子的運行中將進一步加劇電機內(nèi)磁空間的磁通量變化率。該轉(zhuǎn)子與定子的動態(tài)連鎖作用與反作用，使電機在運行開始后瞬間進入一種磁場互激諧振狀態(tài)，該互激諧振狀態(tài)由于被制約于磁性材料的磁飽和值，因而迅速進入動態(tài)平衡，形成了電機內(nèi)磁空間相對穩(wěn)定的磁激諧振回路，使電機得以在磁場互激諧振平衡態(tài)中運行。上述這一磁激諧振回路大大加強了電機內(nèi)磁空間的磁通量變化率，因此運用這一磁激諧振原理制作出的電機，可獲得比常規(guī)電機高得多的能量，運用這一原理及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的電機，可稱之為磁激諧振式電機。
以上所述的電機在運行中轉(zhuǎn)子永磁極磁場與電樞鐵芯繞齒微磁極磁場的互激諧振程度，與轉(zhuǎn)子磁極數(shù)P和電樞鐵芯齒數(shù)m的數(shù)量大小以及磁極排布的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定時，P越大，m越大，轉(zhuǎn)子磁極與電樞鐵芯繞齒線圈微磁極之間的相互影響越大，因此大數(shù)的磁極P更有利于電機內(nèi)原生和動生磁場的動態(tài)互激，磁極排布結(jié)構(gòu)選擇合適時更有助于磁激諧振形成。在電機的實際設(shè)計中，齒數(shù)m的設(shè)置可以與電機轉(zhuǎn)子永磁組件中的磁極數(shù)P互為基準，m＝1-9P，并且P為大于16小于m的偶數(shù)。例如選擇m＝120，P＝40。
本發(fā)明提供的一種轉(zhuǎn)子2面向電樞鐵芯4表面的磁極7排布結(jié)構(gòu)與常規(guī)電機不同，常規(guī)電機P＝4的轉(zhuǎn)子NS磁極交替排布見附圖1和附圖2，特點為N極和S極交替排布之間的間距不作特別規(guī)定，其電樞鐵芯4的磁通量周期分布示意圖見附圖7。本發(fā)明提供的一種磁極數(shù)為P的電機轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)剖面分布圖、沿X-X’和 Y-Y’線展開圖及其電樞鐵芯磁通量周期分布圖如附圖8-a、b和c所示。圖示中P＝60，其結(jié)構(gòu)為P個磁極按N極和S極交替排布，但磁極之間特定為間距D，D的選擇范圍以電樞鐵芯4相鄰兩齒間距W為基準，D＝0.3-0.8W。
本發(fā)明的圓周表面帶矩形齒或T形齒的電樞鐵芯4，既適用于外轉(zhuǎn)子電機，也適用于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。當制作一臺內(nèi)轉(zhuǎn)子電機時，電樞鐵芯4的矩形齒或T形齒設(shè)置在電樞鐵芯面對轉(zhuǎn)子2的內(nèi)圓周表面，如附圖8-a所示；外轉(zhuǎn)子電機的矩形齒或T形齒設(shè)置在電樞鐵芯4面對轉(zhuǎn)子2的外圓周表面，如附圖9所示。
采用本發(fā)明提供的一種圓周表面帶矩形齒或T形齒、繞組線圈環(huán)繞齒連續(xù)布線的電樞鐵芯以及P個磁極NS交替間隔排布的轉(zhuǎn)子，同樣匝數(shù)的繞組線圈以相同速率相對轉(zhuǎn)子磁極運動可獲得更大的感生電動勢，或在同樣電能輸入情況下可使轉(zhuǎn)子獲得更大的扭矩。因此，運用本發(fā)明可以在同等體積、重量的電機中獲得更大的輸出能量。由于本發(fā)明的繞組線圈特點是環(huán)繞齒連續(xù)布線并且齒數(shù)m為大數(shù)，由此帶來多種多樣的繞齒布線結(jié)構(gòu)，例如既可繞齒沿電樞鐵芯圓周表面布線形成繞組，亦可繞齒形成線圈后再將不同齒的若干個繞齒線圈串聯(lián)形成同一相繞組。
本發(fā)明所述的一種最簡單的單相繞組環(huán)繞齒沿電樞鐵芯4圓周連續(xù)布線結(jié)構(gòu)，如圖10所示，表示的是該繞組沿X-X’線和Y-Y’線的展開示圖。線圈導(dǎo)線環(huán)繞齒6連續(xù)布線的特點為繞齒1/2圈、再沿下一個齒反向繞齒1/2圈，當繞組導(dǎo)線環(huán)電樞鐵芯4圓周繞滿一周回到始點槽時，可繼續(xù)繞第2、3……周，直到線槽口繞滿線或已達到所設(shè)計線圈匝數(shù)為止，線圈匝數(shù)和感生電動勢的正比關(guān)系與常規(guī)電機的倍增原理相同。
本發(fā)明提供的一種兩相繞組環(huán)繞齒6沿電樞鐵芯4圓周的連續(xù)布線方法展開圖，如圖11所示，特點為線圈導(dǎo)線繞齒3/4圈、相隔兩個槽(或3個齒)再同向繞齒3/4圈沿電樞鐵芯4圓周表面連續(xù)布線形成線圈繞組。
本發(fā)明提供的一種三相繞組環(huán)繞齒6沿電樞鐵芯4圓周的連續(xù)布線方法展開圖，如圖12所示，特點為線圈導(dǎo)線繞齒3/4圈、相隔4個槽(或5個齒)再同向繞齒3/4圈沿電樞鐵芯4圓周表面連續(xù)布線形成線圈繞組。如此類推組成多相電機的線圈繞組。
所述的繞組線圈結(jié)構(gòu)還包括一種兩根、三根或k根線繞組環(huán)繞齒沿電樞鐵芯4圓周的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)，其展開圖如圖13、14所示。其中雙線并行沿電樞鐵芯4圓周表面繞齒6形成單相繞組的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)展開圖，如圖13所示；雙線并行沿電樞鐵芯4圓周表面繞齒6形成雙相繞組的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)展開圖，如圖14所示，如此類推形成k線并行繞齒的多相線圈繞組，k一般為2-30的正整數(shù)。
本發(fā)明所述的繞組線圈還包括另一種繞齒線圈串聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)如圖15所示，其中導(dǎo)線環(huán)繞某個齒6繞L圈形成該繞齒線圈，與相隔G個齒的若干個同樣繞齒線圈串聯(lián)形成同一相線圈繞組。該串聯(lián)線圈繞組結(jié)構(gòu)與常規(guī)電機的線槽線圈串聯(lián)形成繞組的原理相同，如此類推組成多相繞組。所述的L＝1-200，G為0或小于m的正整數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于由于本發(fā)明電機的轉(zhuǎn)子永磁場與繞齒線圈激發(fā)磁場的互激諧振作用，其輸出能量一般比常規(guī)電機大30％以上。同時，由于電樞鐵芯4圓周表面齒數(shù)m和配合磁激諧振的N、S交替磁極數(shù)P遠比常規(guī)電機高出一至兩個數(shù)量級，因此運用本發(fā)明制作的發(fā)電機在同樣的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速情況下，在線圈繞組兩端輸出的是頻率比常規(guī)電機高出一至兩個數(shù)量級的高頻交流電，此輸出電流頻率特征與常規(guī)輸出50周的發(fā)電機有所不同。例如當磁極數(shù)P＝60，電機轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分(50轉(zhuǎn)/秒)時，輸出的是頻率為1500周的交流電，從而有效適應(yīng)很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω哳l電流和特殊波形電流的需求。實用時如非應(yīng)用高頻交流電，可通過內(nèi)置或外配的電路，通過整流、濾波、變頻等常規(guī)電子電路方法變換為實用所需的直流、方波、正弦波或其它任意頻率及波形的電流，降低獲得非常規(guī)50周交變電流的配屬儀器制作成本。
與常規(guī)50周頻率的電機相比，由于本發(fā)明電機的內(nèi)置轉(zhuǎn)子磁極數(shù)P和電樞鐵芯齒數(shù)T均高出一至兩個數(shù)量級，可以通過繞組布線的不同結(jié)構(gòu)形成比常規(guī)電機更豐富多彩的相位分布，為常規(guī)電子電路控制電機運行狀態(tài)提供了更簡單實用的眾多控制方案，這一電機控制方向是近年電動車研制技術(shù)的熱點。
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細的說明圖1是m＝6P的常規(guī)內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式電動機的剖面2表示對圖1中常規(guī)電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展開3表示另一種m＝3P的常規(guī)內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的剖面4表示圖3中常規(guī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機沿X-X’和Y-Y’線的展開5為本發(fā)明提供的一種在電樞鐵芯4圓周表面設(shè)置的矩形齒6的截面形狀及圖示。
圖6為本發(fā)明提供的一種在電樞鐵芯4圓周表面設(shè)置的T形齒6的截面形狀及圖示。
圖7表示常規(guī)P＝4的電機電樞鐵芯4的磁通密度分布示意圖，圖中縱軸表示磁通密度，橫軸360°表示電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的機械角度。
圖8-a為本發(fā)明提供的一種實施例，即一種由P個永磁材料單體7形成環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子組件3在旋轉(zhuǎn)電機中的剖面圖，P＝60。圖中永磁轉(zhuǎn)子組件3僅標90°機械角度15個NS磁極的交替排布，其余270°機械角度磁極排布相同，重點示意永磁單體7在環(huán)形永磁材料組件3中NS極交替間隔密集排布的結(jié)構(gòu)。
圖8-b為圖8-a實施例設(shè)計P＝60的電機沿X-X’線和Y-Y’線的展開示意圖，重點示意環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子組件3中的永磁材料單體7排列的特點和結(jié)構(gòu)。圖中永磁轉(zhuǎn)子組件3僅標列P＝60個磁極在兩側(cè)的排列，示意每6°機械角度設(shè)置一個永磁材料單體7，中間空白未標列部分的磁極排布情況相同。圖中N和S表示永磁材料單體7的磁極向。
圖8-c為圖8-a實施例設(shè)計P＝60的電機中環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子組件表面3的磁通密度分布示意圖，圖中縱軸表示磁通密度，橫軸360°表示電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的機械角度。
圖9為本發(fā)明在外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式電機的剖面圖，重點示意永磁材料單體7在外轉(zhuǎn)子環(huán)形永磁組件3中的結(jié)構(gòu)排布。
圖10～12所示的是線圈導(dǎo)線沿電樞鐵芯4圓周表面的線槽5和齒6進行繞齒連續(xù)布線的一種實施例結(jié)構(gòu)，所表示的是該繞組沿X-X’線和Y-Y’線的展開示圖，圖10中A-A’為單相繞組的兩端，圖11中A-A’、B-B’為兩相繞組的兩端，圖12中A-A’、B-B’、C-C’為三相繞組的兩端。
圖13和圖14所示的是線圈導(dǎo)線雙線并行沿電樞鐵芯4圓周表面的線槽5進行繞齒6布線形成單相和雙相線圈繞組的另一種實施例結(jié)構(gòu)，所表示的是該繞組沿X-X’和Y-Y’的展開示圖。
圖15所示的是兩個不同的繞齒線圈串聯(lián)形成同一相線圈繞組的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖面說明如下1、11-轉(zhuǎn)軸 2、12-轉(zhuǎn)子3、13-圓環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子組件4、14-電樞鐵芯
5-線槽 6、16-齒7---轉(zhuǎn)子永磁單體PA1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4---重疊繞組線圈H1——矩形齒的齒高 H2——T形齒的齒高S1——矩形齒的齒面寬度 S2——T形齒的齒柱寬度H3——T形齒兩邊齒面高度S3——T形齒的齒表面寬度V1——矩形齒的齒表面間 V2——T形齒的齒表面間距W——相鄰兩齒中心線間距實施例1按圖8-a制作一臺電樞鐵芯內(nèi)4圓周表面設(shè)置有m＝120個矩形齒6的內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機，所述的定子電樞鐵芯4的內(nèi)圓周表面齒6高H＝10d，矩形齒6寬S1＝5d，d為繞組線圈的導(dǎo)線直徑，由設(shè)計電機的最大過載電流值確定。120個矩形齒6沿電樞鐵芯4內(nèi)圓周表面均勻分布，矩形齒6與齒之間的間距V1＝5d，電樞鐵芯4的120個矩形齒6面向電機內(nèi)轉(zhuǎn)子2。轉(zhuǎn)子2面對電樞鐵芯4的永磁材料組件3磁極數(shù)P＝60，磁極7表面磁場強度6500高斯，磁極之間的間距D＝5d，60個磁極沿轉(zhuǎn)子外圓周表面NS極交替排布。本實施例中的旋轉(zhuǎn)式單相發(fā)電機轉(zhuǎn)子2永磁單體7(使用釹鐵硼)的組合結(jié)構(gòu)沿X-X’線和Y-Y’線的展開示意圖見附圖8-b；電樞鐵芯4表面的線圈繞組結(jié)構(gòu)按附圖10制作，當單相繞組在線槽5中環(huán)繞齒6沿電樞鐵芯4內(nèi)圓周表面繞滿一周時，繼續(xù)繞第2、3……周，直至線槽5被線圈導(dǎo)線繞滿，線圈繞組的兩端A-A’為發(fā)電機輸出端。該電機當輸入3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)矩時，可在單相線圈繞組兩端獲得輸出1500周交流電，其輸出電壓取決于電樞鐵芯4的繞齒6線圈繞組的匝數(shù)。用本實施例制作出的發(fā)電機，通過內(nèi)置或配置于電機的常規(guī)電子電路，機械能和電能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至85％以上，與繞組線圈及鐵芯材耗同樣多的常規(guī)電機相比，其輸出能量與電機的體積比或重量比均可達到常規(guī)電機的1.3倍以上。
實施例2本實施例提供一外轉(zhuǎn)子形式的旋轉(zhuǎn)式單相發(fā)電機，基本數(shù)據(jù)和其它結(jié)構(gòu)均與實施例1相同，只是電樞鐵芯4設(shè)置的矩形齒6在外圓周表面，面向外轉(zhuǎn)子2，如附圖9所示。電樞鐵芯4圓周表面的線槽5的兩個邊角為圓角，圓角弧度與繞組線圈導(dǎo)線的橫截面弧度相同。轉(zhuǎn)子磁極數(shù)P與實施例1相同，其展開圖如附圖8-b所示(轉(zhuǎn)子和電樞鐵芯的方位相反)。本實施例亦可達到實施例1所述的效果。
實施例3在另一種運用本發(fā)明的單相旋轉(zhuǎn)電動機常規(guī)實施例中，以實施例1所述的單相內(nèi)轉(zhuǎn)子電機為基礎(chǔ)，通過配置電子開關(guān)線路為電樞鐵芯4的單相繞組兩端提供波形特征與之相適應(yīng)的1500周交流電源，使磁性材料制作的電機轉(zhuǎn)子2獲得扭矩。
運用本實施例制作出的高頻電動機，其電能與機械能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至85％以上，重量比能量一般可達5-8kg/kw，能量重量比可達到常規(guī)電動機的1.3倍以上。
實施例4在另一種運用本發(fā)明的單相旋轉(zhuǎn)電動機實施例中，以實施例2所述的單相外轉(zhuǎn)子電機為基礎(chǔ)，通過配置電子開關(guān)線路為單相繞組兩端提供波形特征與之相適應(yīng)的1500周交流電源，使磁性材料制作的電機轉(zhuǎn)子2獲得扭矩。
運用本實施例亦可達到實施例3所述的效果。
實施例5在另一種運用本發(fā)明原理的旋轉(zhuǎn)式雙相電機實施例中，采用附圖8-a所示的內(nèi)轉(zhuǎn)子2形式，電樞鐵芯4圓周表面設(shè)置有112個T型齒6，112個T形齒6沿電樞鐵芯4內(nèi)圓周表面均勻分布，線圈導(dǎo)線在線槽5中繞齒6形成雙相繞組的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)見附圖11。
本實施例的有關(guān)數(shù)據(jù)選取電樞鐵芯4內(nèi)圓周表面的T形齒沿轉(zhuǎn)軸平行方向(Y軸)傾斜5°機械角度，T形齒6的齒高H2＝9d，齒柱寬S2＝2d，齒面高H3＝1d，d為電機最大過載電流值確定的繞組線圈導(dǎo)線直徑，線槽口齒面與齒面之間的間距V2＝1.5d，齒表面寬S3＝8d。線圈導(dǎo)線在線槽5中環(huán)繞齒6沿電樞鐵芯4圓周表面連續(xù)布線，當繞滿一周時，繼續(xù)繞第2、3……周，直至線槽被繞滿為止。電機轉(zhuǎn)子2外圓周表面的永磁極數(shù)P＝56，永磁極7的表面磁場強度為7500高斯，N極和S極的交替等間距D＝4.8d，56個永磁極7沿電機轉(zhuǎn)子2外圓周表面NS極交替均勻分布，形成環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子組件3。
該電機當輸入3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)矩時，可在兩個線圈繞組兩端獲得兩相輸出1400周交流電，兩相相位分布由繞組在電樞鐵芯的分布方位而定，其輸出電壓取決于電樞鐵芯的繞齒線圈繞組匝數(shù)。用本方法制作出的發(fā)電機，與同樣多繞組線圈及鐵芯材耗的常規(guī)電機相比，機械能與電能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至86％以上，能量體積比和能量重量比均可達到常規(guī)電機的1.3倍以上。
實施例6在另一種運用本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式兩相發(fā)電機常規(guī)實施例中，選用實施例5的基本數(shù)據(jù)，但制作一臺外轉(zhuǎn)子形式的電機，與實施例5所不同的是電樞鐵芯4圓周表面T形齒設(shè)置在外圓周上，如附圖9所示，兩個T形齒相間的4個邊角均為圓角，弧度與線圈導(dǎo)線截面的弧度相同。兩相繞組方法與實施例5選用的結(jié)構(gòu)相同，其展開圖如附圖11所示。
本方法實施例亦可達到實施例5所述的效果。
實施例7在另一種運用本發(fā)明的兩相旋轉(zhuǎn)電動機實施例中，以實施例5所述的兩相電機為基礎(chǔ)，通過電子開關(guān)線路為電樞鐵芯4的兩相繞組提供1400周的交流電源，該兩相電源的相位分布應(yīng)與本實施例的電機設(shè)計特征相匹配，使磁性材料制作的電機內(nèi)轉(zhuǎn)子2獲得扭矩。
運用本實施例制作出的電動機，其電能與機械能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至86％以上，重量比能量一般可達5-8kg/kw，能量比重量可達到常規(guī)電動機的1.3倍以上。
實施例8在又一種運用本發(fā)明的單相旋轉(zhuǎn)電動機實施例中，以實施例6所述的兩相電機為基礎(chǔ)，通過配置電子開關(guān)線路為電樞鐵芯4的兩相繞組提供1400周的交流電源，該兩相電源的相位分布應(yīng)與本實施例的電機設(shè)計特征相匹配，使磁性材料制作的電機外轉(zhuǎn)子2獲得扭矩。
運用本實施例制作出的電動機，亦可達到實施例7所述的效果。
實施例9在又一種運用本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式三相發(fā)電機實施例中，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電樞鐵芯4的外圓周表面設(shè)置有264個T形齒6，264個T形齒6沿電樞鐵芯4的外圓周表面均勻分布。電機轉(zhuǎn)子2的永磁極7沿轉(zhuǎn)子內(nèi)圓周表面的環(huán)形結(jié)構(gòu)剖面示意圖見附圖9，電機轉(zhuǎn)子2及電樞鐵芯4沿X-X’線和Y-Y’線展開的示意圖見附圖8-b(方位相反)，繞組線圈導(dǎo)線環(huán)繞齒6的布線方式見附圖12，但采用雙線并行繞齒的方法，雙線并行繞齒示意圖見附圖13或附圖14。
有關(guān)數(shù)據(jù)選取電樞鐵芯4外圓周表面的T形齒基本數(shù)據(jù)及間距V2與實施例5相同。繞齒線圈的兩條并行導(dǎo)線沿電樞鐵芯4外圓周繞滿一周后，繼續(xù)繞第2、3……周，繞至設(shè)計匝數(shù)為止。兩組并行繞齒線圈的兩端頭和尾相連串聯(lián)成一個線圈繞組，即A2和A1’相連，A1和A2’作為線圈繞組輸出端。其余兩相繞組的并行繞齒線圈串聯(lián)方法相同，形成相位分布不同的三相繞組。電機轉(zhuǎn)子2的內(nèi)圓周環(huán)形永磁組件3的磁極數(shù)P＝88，永磁材料的表面磁場強度為9000高斯，磁極之間的排布間距D與實施例5所述相同，88個永磁極沿電機轉(zhuǎn)子2的內(nèi)圓周表面NS極交替均勻分布。
當電機輸入2400轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)矩時，可在三相繞組中獲得輸出1760周交流電，三相相位分布由繞組在電樞鐵芯的分布方位而定，其輸出電壓取決于電樞鐵芯的繞齒線圈繞組匝數(shù)。用本方法制作出的高頻發(fā)電機，與同樣轉(zhuǎn)子永磁材料表面磁場強度和同樣多繞組線圈及鐵芯材耗的常規(guī)電機相比，機械能和電能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至86％以上，其輸出能量與電機的體積比或重量比均可達到常規(guī)電機的1.3倍以上。
實施例10在又一種運用本發(fā)明的三相旋轉(zhuǎn)電動機常規(guī)實施例中，以實施例9所述的三相電機為基礎(chǔ)，通過電子開關(guān)線路為電樞鐵芯4的三相繞組提供1760周的交流電源，該三相電源的相位分布應(yīng)與本實施例的電機線圈繞組設(shè)計特征相匹配，使磁性材料制作的電機外轉(zhuǎn)子2獲得扭矩。
運用本原理方法制作出的電動機，電能與機械能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至86％以上，其輸出能量與電機的體積比或重量比均可超過常規(guī)電機的30％以上。
實施例11在一種運用本發(fā)明的多相旋轉(zhuǎn)電機實施例中，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電樞鐵芯4的外圓周表面設(shè)置m＝224個矩形齒6，齒面寬S1＝3d，齒高H1＝8d，齒間距V1＝4d，即本實施例中電樞鐵芯的外圓周長為224(S1+V1)＝1568d，d為繞組線圈導(dǎo)線的直徑。線圈導(dǎo)線環(huán)繞矩形齒6繞制成2×8d的雙層線圈，占位為半個線槽5，形成一個獨立的繞齒線圈。其余各齒的繞齒線圈方式類同。
在224個繞齒線圈中，將同相位分布的繞齒線圈串聯(lián)組合成同一相的若干個線圈繞組，繞齒線圈串聯(lián)組合成同一相繞組的方式與常規(guī)電機的繞組串聯(lián)原理相同，由此可根據(jù)轉(zhuǎn)子2的磁極數(shù)P和線圈串聯(lián)方式組合出所需的多相發(fā)電機。轉(zhuǎn)子永磁極數(shù)選擇P＝112個N極和S極，沿轉(zhuǎn)子內(nèi)圓周NS極交替排布，N極和S極的間距D＝3.5d。該發(fā)電機可通過內(nèi)置或配置的電子線路，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時為多相繞組提供高頻輸出電流。與同樣轉(zhuǎn)速及材耗的常規(guī)電機相比，用本實施例方法制作的高頻發(fā)電機，其機械能與電能的轉(zhuǎn)換效率可達85％以上，所輸出的能量與電機重量比或體積比均可超出常規(guī)電機30％以上。
實施例12在上述實施例11的逆向應(yīng)用中，根據(jù)實施例11所述選擇的轉(zhuǎn)子磁極數(shù)P和繞齒線圈串聯(lián)方式?jīng)Q定的相位分布情況，為電機線圈繞組提供頻率與之相適應(yīng)的交變電流，可使設(shè)置有P個永磁極的轉(zhuǎn)子2獲得扭矩。用本方法制作出的電動機，與常規(guī)同樣材耗的電動機相比，其輸出能量與電機的重量比或體積比可達到常規(guī)電機的1.3倍以上，電能與機械能的轉(zhuǎn)換效率可達85％以上。
權(quán)利要求
1.一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，包括定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸和內(nèi)置或配置于電機的常規(guī)電子電路，其特征在于所述的定子電樞鐵芯圓周表面的兩個線槽之間設(shè)置有m個沿轉(zhuǎn)軸截面形狀為矩形或T形的齒，齒數(shù)m＝32-960之間的偶數(shù)，齒與齒之間是電樞鐵芯的線槽，繞組線圈沿電樞鐵芯的線槽環(huán)繞齒連續(xù)布線，電樞鐵芯的線槽和齒與電機永磁轉(zhuǎn)子組件的磁極相對，其中線槽或齒設(shè)在電樞鐵芯面對轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周表面，或線槽或齒設(shè)在電樞鐵芯面對轉(zhuǎn)子的外圓周表面。
2.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的矩形齒的齒高H1＝1-20d，齒面寬S1＝1-15d，兩齒表面之間的間距V1＝1-15d，相鄰兩齒中心線之間的間距W＝2-30d，其中d＝繞組線圈導(dǎo)線直徑。
3.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的T型齒，其齒高H2＝1-20d，齒柱寬S2＝1-10d，兩邊齒面高度H3＝0.5-3d，齒面寬S3＝3-29d，線槽口齒面與齒面之間的間距V2＝1-5d，相鄰兩齒中心線之間的間距W＝3-30d，其中d＝繞組線圈導(dǎo)線直徑。
4.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的矩形齒或T型齒是其沿轉(zhuǎn)軸方向具有0°機械角度的直形齒，或者是傾斜小于15°機械角度的斜形齒。
5.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的電樞鐵芯的線槽內(nèi)邊角為直角或圓角，圓角的弧度和線圈導(dǎo)線截面的弧度相同。
6.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的電樞鐵芯圓周表面的齒數(shù)m與永磁轉(zhuǎn)子組件的磁極數(shù)P的關(guān)系為m＝1～9P，并且P為大于16小于m的偶數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的永磁轉(zhuǎn)子組件的P個磁極，是在轉(zhuǎn)子常規(guī)磁性材料組件面向電樞鐵芯的圓周表面按D間距NS極交替排布，D＝0.3-0.8W。
8.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的繞組線圈沿電樞鐵芯的線槽環(huán)繞齒連續(xù)布線，是采用一根或k根導(dǎo)線并行同步繞齒Q圈、相隔n個齒再繞齒Q圈沿電樞鐵芯圓周表面連續(xù)布線形成線圈繞組，其中k為2-30根，Q＝1/2、3/4或正整數(shù)與1/2或3/4的和數(shù)，n為0或小于m的正整數(shù)，k根線圈導(dǎo)線并行同步繞齒布線按并聯(lián)、串聯(lián)或交叉組合聯(lián)接。
9.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述線圈沿電樞鐵芯的線槽環(huán)繞齒連續(xù)布線，是線圈導(dǎo)線環(huán)繞齒L圈形成m個獨立繞組線圈后，再將相隔G個齒的不同繞齒線圈串聯(lián)形成同一相繞組或多相繞組，L為1-200，G為0或小于m的正整數(shù)。
10.如權(quán)利要求1所述的一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于所述的圓周表面帶m個矩形齒或T形齒的定子電樞鐵芯，包括發(fā)電機定子或電動機定子。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁激諧振式旋轉(zhuǎn)電機。該電機包括:定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸和內(nèi)置或配置于電機的常規(guī)電子電路,其特征在于:所述的定子電樞鐵芯圓周表面設(shè)置有齒,所述的齒是矩形齒或T形齒,齒數(shù)為m,m=32－960之間的偶數(shù),繞組線圈沿電樞鐵芯的線槽環(huán)繞齒連續(xù)布線,電樞鐵芯的線槽和齒與電機永磁轉(zhuǎn)子組件的P個磁極相對。本發(fā)明的電機使電能和機械能的雙向轉(zhuǎn)換效率達85%以上,其輸出能量與電機重量比或體積比均大于同樣材耗的常規(guī)電機30%以上。
文檔編號H02K1/27GK1374732SQ0110962
公開日2002年10月16日 申請日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月13日
發(fā)明者劉粵榮 申請人:劉粵榮