專(zhuān)利名稱：一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)，特別是涉及一種面向電樞鐵芯的轉(zhuǎn)子圓周表面具有眾多齒并固連眾多同極向永磁材料組件結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
眾所周知，電機(jī)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其最基本的內(nèi)容為在一個(gè)具有N極和S極的基礎(chǔ)磁場(chǎng)系統(tǒng)中，導(dǎo)線(線圈)沿磁力線截面方向運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生感生電流，感生電動(dòng)勢(shì)的大小視導(dǎo)線(線圈)在單位時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)面積內(nèi)的磁通量變化率而定。反之，當(dāng)通電導(dǎo)線(線圈)放置在磁場(chǎng)中時(shí)，磁通量的變化會(huì)使通電導(dǎo)線(線圈)產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)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(dòng)勢(shì)越大，或通電導(dǎo)線(線圈)的定向運(yùn)動(dòng)量越大。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)用前者原理可制作成發(fā)電機(jī)，運(yùn)用后者原理可制作出電動(dòng)機(jī)，兩者均可表述為一種可逆的電磁能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置，習(xí)慣上通稱電機(jī)。
下面以常規(guī)旋轉(zhuǎn)式電機(jī)為例詳細(xì)敘述其工作原理。在所述附圖中，P為轉(zhuǎn)子中N極或S極的數(shù)量，T為電樞鐵芯中線槽或齒的數(shù)量。


圖1是T＝12P的常規(guī)旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)的側(cè)視簡(jiǎn)圖。在圖1中，一個(gè)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(dòng)。永久磁鐵組件3有四個(gè)交替的N和S極，并且它們之間均相隔90°，即P＝2，電樞鐵芯4的齒6面對(duì)永久磁鐵組件3的磁極，每個(gè)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(duì)位置根據(jù)轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)而變化。
圖2表示對(duì)圖1中常規(guī)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展開(kāi)圖，它是沿X-X’和Y-Y’線進(jìn)行展開(kāi)的，在特征結(jié)構(gòu)分析時(shí)這些線成一行。電樞鐵芯4有24個(gè)繞組槽。從a到X，它們以等同的15°角相隔并且24個(gè)齒設(shè)置在兩相鄰的繞組槽之間，即T＝24，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(gè)繞組線圈圍繞電樞鐵、、芯4的5個(gè)齒。也就是說(shuō)，A1繞在繞組槽a和f內(nèi)，A2繞在繞組槽g和1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(jī)械角度。因此，當(dāng)提供三相電流給三相繞組組A、B和C時(shí)，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(jī)的側(cè)視簡(jiǎn)圖，T＝6P，除T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(jī)的構(gòu)造與圖1所示的常規(guī)電動(dòng)機(jī)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(gè)交替的N和S極，它們相互以90°角隔開(kāi)，即P＝2。電樞鐵芯14的齒16面對(duì)永久磁鐵組件13的磁極，每個(gè)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(shí)，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(duì)而改變。
圖4表示圖3中常規(guī)發(fā)電機(jī)沿X-X’和Y-Y’線的展開(kāi)圖，分析特征結(jié)構(gòu)時(shí)這些線成一行，電樞鐵芯14有從a到1設(shè)置有12個(gè)以相等30°角相隔的繞組槽，12個(gè)齒設(shè)置在兩相鄰的繞組槽之間，即T＝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(gè)繞組線圈圍繞電樞鐵芯14的3個(gè)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(jī)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。
在已有技術(shù)的改進(jìn)中，一種技術(shù)改進(jìn)措施是將轉(zhuǎn)子磁極數(shù)P加大至數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)，在磁極的NS交替排布中相隔一定的間距，通過(guò)配合運(yùn)用電樞鐵芯的繞齒線圈繞組獲得較高的機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)使電機(jī)制作的材耗降低。如中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1109300.5所公開(kāi)的。
本發(fā)明的目的在于本發(fā)明的目的之一是在大數(shù)磁極NS交替間隔排布的電機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提供一種圓周表面帶有常規(guī)磁性材料制作的齒、轉(zhuǎn)子齒與齒之間相隔有同極向排布的永磁極、轉(zhuǎn)子齒與永磁極按一定規(guī)則組成的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使上述同數(shù)量級(jí)體積重量、同數(shù)量級(jí)轉(zhuǎn)速的電機(jī)的能量材耗比及機(jī)械能與電能的雙向轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高，降低材耗及制作成本。
本發(fā)明的目的之二是提供一種與磁通量分布狀態(tài)相適應(yīng)的、改進(jìn)的繞齒線圈繞組結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高電機(jī)的電磁能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的目的之三為市場(chǎng)提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用的高頻發(fā)電機(jī)，通過(guò)內(nèi)置或配置于電機(jī)的普通電子電路，可有效實(shí)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(jī)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。
本發(fā)明的目的之四是為市場(chǎng)提供一種容易通過(guò)常規(guī)電子電路控制的高頻電動(dòng)機(jī)，以適應(yīng)電動(dòng)車(chē)對(duì)多用途電機(jī)及控制的需求，從而提供一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的電機(jī)包括由轉(zhuǎn)軸、內(nèi)置或配置于電機(jī)的常規(guī)電子電路、常規(guī)磁性材料制作的圓周表面設(shè)置有P個(gè)齒的轉(zhuǎn)子和由帶齒的電樞鐵芯及線圈繞組構(gòu)成的定子、電樞鐵芯面向轉(zhuǎn)子圓周表面的齒，線圈繞組導(dǎo)線環(huán)繞齒布線，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的齒與齒之間固連有P個(gè)同極向排布的條形永磁極，轉(zhuǎn)子齒與永磁極按m間距面向電樞鐵芯交替排布，P＝12～180。
還包括電機(jī)電樞鐵芯的圓周表面有比常規(guī)電機(jī)多數(shù)倍的線槽和齒，所述的線槽和齒以電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)或磁極數(shù)P為基準(zhǔn)，可設(shè)置T個(gè)線槽間的齒，T＝2～18P，T為偶數(shù)。例如選擇P＝20，T＝120。兩個(gè)相鄰齒的平均可距N(即齒中心線之間的間距)為一對(duì)齒槽位，齒的沿Z線截面形狀可以是矩形、T形或其它形狀。轉(zhuǎn)子及電樞鐵芯圓周表面沿X-X’線和Y-Y’線的齒向，可以是沿Y軸的直形齒，也可以是沿Y軸傾斜小于15°機(jī)械角度的斜形齒，線圈導(dǎo)線在線槽內(nèi)環(huán)繞齒布線形成線圈繞組。
所述的轉(zhuǎn)子齒和永磁極的長(zhǎng)度基本相同(沿Z線即轉(zhuǎn)軸線方向)，所述的轉(zhuǎn)子齒和永磁極沿Z線的結(jié)構(gòu)截面可以是扇性、矩形、半圓形或其它任意形狀。轉(zhuǎn)子齒沿X線的平均寬度D1與永磁極沿X線的平均寬度D2的關(guān)系為D1＝0.5～1.5D2。轉(zhuǎn)子齒及永磁極的高度H(沿Y線)與電機(jī)設(shè)計(jì)功率W相關(guān)，一般選取的經(jīng)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)為W≤10kw時(shí)H＝0.5-5mm，W＝10～200kw時(shí)H＝1.5-15mm，W≥200kw時(shí)H＝3-50mm。所述的P個(gè)永磁極按m間距與P個(gè)轉(zhuǎn)子齒交替密集排布，其間距m與配套設(shè)計(jì)的電樞鐵芯圓周表面X-X’線相鄰兩齒的平均間距N相關(guān)，m＝0.3-0.8N。并且該間距m的空間可用環(huán)氧樹(shù)脂全部填充，可起到進(jìn)一步固連磁極及減少電機(jī)噪音的雙重效果。上述轉(zhuǎn)子2D1、D2、m的示意圖及電樞鐵芯相鄰兩齒中心線間距N的示意圖詳見(jiàn)附圖6-a和附圖6-b所示。
所述的圓周表面帶P個(gè)齒的轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子齒的齒與齒之間固連有同極向排布的條形永磁極，P個(gè)永磁極與P個(gè)轉(zhuǎn)子齒按間距m交替密集排布，永磁極的表面場(chǎng)強(qiáng)大于6000高斯。該表面帶齒及磁極同向排布結(jié)構(gòu)特征的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)式電機(jī)中既可制作為內(nèi)轉(zhuǎn)子，如圖7-a和圖7-b所示，示圖中2P＝60(30個(gè)轉(zhuǎn)子齒及30個(gè)同極向排布的磁極)，其結(jié)構(gòu)排布沿X-X’線和Y-Y’線的展開(kāi)圖如附圖8-a所示，其磁通量密度分布示意圖如附圖8-b所示；也可制作為外轉(zhuǎn)子形式，如圖9-a和圖9-b所示。
在本發(fā)明提供的一種永磁極同向排布的帶齒轉(zhuǎn)子的表面空間，與常規(guī)電機(jī)相比形成了磁極排布大一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)的密集變化分布表面磁場(chǎng)。與常規(guī)設(shè)置P＝4的電機(jī)轉(zhuǎn)子相比較(其磁通密度分布示意圖詳見(jiàn)附圖5所示)，其特征之一是表面磁路遠(yuǎn)遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)磁區(qū)分布的磁路要短，矢量分布更有利于繞組線圈沿磁力線截面做有用功的效率。特征之二是磁極同極向相間于轉(zhuǎn)子齒以特定的m間距交替密集排布，因此處于兩同極向磁極之間的轉(zhuǎn)子齒，由于磁通量密集分布可視作兩個(gè)同向磁極之間的一個(gè)反極向等效磁極，該同向磁極與轉(zhuǎn)子齒相間交替密集排布的結(jié)果，靜態(tài)時(shí)等效于N極和S極的交替排布。重要的是，該轉(zhuǎn)子齒等效反磁極的磁力線空間分布本質(zhì)僅僅是一種導(dǎo)磁通途，容易通過(guò)變化轉(zhuǎn)子齒截面形狀變換磁力線的空間分布。電樞鐵芯齒表面磁場(chǎng)相對(duì)位移也會(huì)影響該轉(zhuǎn)子齒等效反磁極的磁力線空間分布。當(dāng)電樞鐵芯的線圈繞組改變?yōu)槔@齒線圈時(shí)，電樞鐵芯表面的齒可等效視為一個(gè)動(dòng)態(tài)微磁極，該微磁極與轉(zhuǎn)子齒等效反磁極將在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中大大加強(qiáng)電機(jī)內(nèi)磁空間的磁通量變化率。在永磁極與轉(zhuǎn)子齒的交替排布中設(shè)置特定的間距m以及D1D2的選擇范圍，正是為了加強(qiáng)電機(jī)在運(yùn)行中的這種磁相互作用引起的磁通量變化率。因此，當(dāng)電樞鐵芯線圈繞組以同樣速率掃過(guò)本發(fā)明大數(shù)同極向磁極與轉(zhuǎn)子齒交替排布的表面磁區(qū)時(shí)，所獲得的磁通量變化率要比通過(guò)NS極向相對(duì)變化較小的常規(guī)電機(jī)要大得多，從而使電機(jī)獲得能量倍增效果。
所述的繞齒線圈繞組，其中最簡(jiǎn)單的單相繞組導(dǎo)線環(huán)繞齒沿電樞鐵芯圓周連續(xù)布線結(jié)構(gòu)，如圖10所示，表示的是該繞組導(dǎo)線沿X-X’線和Y-Y’線的展開(kāi)示圖。線圈導(dǎo)線環(huán)繞齒連續(xù)布線的特點(diǎn)為繞齒1/2圈、再沿下一個(gè)齒反向繞齒1/2圈，當(dāng)繞組導(dǎo)線環(huán)電樞鐵芯圓周繞滿一周回到始點(diǎn)槽時(shí)，可繼續(xù)繞第2、3……周，直到線槽口繞滿線或已達(dá)到所設(shè)計(jì)線圈匝數(shù)為止，線圈匝數(shù)和感生電動(dòng)勢(shì)的正比關(guān)系與常規(guī)電機(jī)的倍增原理相同。
另一種兩相繞組導(dǎo)線環(huán)繞齒沿電樞鐵芯圓周的連續(xù)布線方法展開(kāi)圖，如圖11所示，特點(diǎn)為線圈導(dǎo)線繞齒3/4圈、相隔兩個(gè)槽(或3個(gè)齒)再同向繞齒3/4圈沿電樞鐵芯圓周表面連續(xù)布線形成線圈繞組。
第三種線圈繞組為三相繞組導(dǎo)線環(huán)繞齒沿電樞鐵芯圓周的連續(xù)布線方法展開(kāi)圖，如圖12所示，特點(diǎn)為線圈導(dǎo)線繞齒3/4圈、相隔4個(gè)槽(或5個(gè)齒)再同向繞齒3/4圈沿電樞鐵芯圓周表面連續(xù)布線形成線圈繞組。如此類(lèi)推組成多相電機(jī)的線圈繞組。
第四種線圈繞組為兩根、三根或k根線導(dǎo)線環(huán)繞齒沿電樞鐵芯圓周的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)，其展開(kāi)圖如圖13、14所示。其中雙線并行沿電樞鐵芯圓周表面繞齒形成單相繞組的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖，如圖13所示；雙線并行沿電樞鐵芯圓周表面繞齒形成雙相繞組的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖，如圖14所示，如此類(lèi)推形成k線并行繞齒的多相線圈繞組，k一般為2-30根。
第五種線圈繞組為一種繞齒線圈串聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)如圖15所示，其中導(dǎo)線環(huán)繞某個(gè)齒繞L圈形成該繞齒線圈，與相隔G個(gè)齒的若干個(gè)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(jī)的線槽線圈串聯(lián)形成繞組的原理相同，如此類(lèi)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)。
所述的線圈繞組特征與已有技術(shù)的不同首先是電樞鐵芯的線槽和齒的作用功能不可其次是布線結(jié)構(gòu)與常規(guī)電機(jī)的布線特征不同，常規(guī)電機(jī)電樞鐵芯中線槽的作用用于放置成組的繞組線圈，通過(guò)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)明提供的一種與轉(zhuǎn)子齒和永磁極交替排布轉(zhuǎn)子表面磁場(chǎng)相適應(yīng)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)線環(huán)繞n個(gè)齒沿電樞鐵芯的圓周表面連續(xù)布線形成繞組，n為小于T的正整數(shù)。在繞齒線圈與磁極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，有效切割磁力線的是繞齒線圈在槽中的線段。由于本發(fā)明的繞組線圈特點(diǎn)是環(huán)繞齒布線并且齒數(shù)T為大數(shù)，由此帶來(lái)多種多樣的繞齒布線方法，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(gè)繞齒線圈串聯(lián)形成同一相繞組。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于由于本發(fā)明電機(jī)采用了轉(zhuǎn)子齒與同極向永磁極相可排布的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其表面磁場(chǎng)與電樞鐵芯繞齒線圈的動(dòng)態(tài)激發(fā)磁場(chǎng)更易產(chǎn)生穩(wěn)定分布的互激諧振，其輸出能量一般比同樣材耗的常規(guī)電機(jī)大50％以上。同時(shí)，由于所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子齒由常規(guī)磁性材料制作，使本發(fā)明電機(jī)使用永磁材料的用量減少約50％，由于常規(guī)磁性材料的價(jià)格比永磁材料(如釹鐵硼)低得多，從而使電機(jī)制作成本也得到下降。由于電樞鐵芯圓周表面齒數(shù)T和配合磁激諧振的磁極數(shù)及(轉(zhuǎn)子齒)等效反向磁極數(shù)遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)高出一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此運(yùn)用本發(fā)明方法原理制作的發(fā)電機(jī)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(jī)高出一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)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(jī)有所不同。例如當(dāng)2P＝60，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分(50轉(zhuǎn)/秒)時(shí)，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(shí)用時(shí)如非應(yīng)用高頻交流電，可通過(guò)內(nèi)置或外配的電路，通過(guò)整流、濾波、變頻等常規(guī)電子電路方法變換為實(shí)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(jī)相比，由于本發(fā)明電機(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)，可以通過(guò)繞組布線的不同方法形成比常規(guī)電機(jī)更豐富多彩的相位分布，為電子電路控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)提供了更簡(jiǎn)單實(shí)用的眾多控制方案，這一電機(jī)控制方向是近年電動(dòng)車(chē)研制技術(shù)的熱點(diǎn)。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明圖1是P＝2、T＝12P的常規(guī)內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)的側(cè)視簡(jiǎn)2表示對(duì)圖1中常規(guī)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展開(kāi)3表示另一種P＝2、T＝6P的常規(guī)內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的側(cè)視簡(jiǎn)4表示圖3中常規(guī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)沿X-X’和Y-Y’線的展開(kāi)5表示常規(guī)P＝2的電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)一周的機(jī)械角度。
圖6-a為本發(fā)明提供的一種由常規(guī)磁性材料制作的帶齒轉(zhuǎn)子2的圓周表面?zhèn)纫暺拭鎴D，重點(diǎn)示意環(huán)形轉(zhuǎn)子組件3的m、D1、D2、H以及磁極排布特點(diǎn)。
圖6-b為電樞鐵芯4的側(cè)視剖面圖，重點(diǎn)示意相鄰兩齒平均間距N。
圖7-a和圖7-b為本發(fā)明提供的一種由P個(gè)永磁極7與P個(gè)轉(zhuǎn)子齒8形成環(huán)形轉(zhuǎn)子組件3在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的剖面分布示意圖，2P＝60。圖中轉(zhuǎn)子組件3僅標(biāo)列90°機(jī)械角度15個(gè)轉(zhuǎn)子齒及磁極的交替排布，其余270°機(jī)械角度磁極排布相同，重點(diǎn)示意內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)中轉(zhuǎn)子齒8與同極向設(shè)置的磁極7交替密集排布的結(jié)構(gòu)。
圖8-a為圖7方案設(shè)計(jì)的電機(jī)沿X-X’線和Y-Y’線的展開(kāi)示意圖，重點(diǎn)示意環(huán)形轉(zhuǎn)子組件3中的永磁極7與轉(zhuǎn)子齒8交替排列的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。圖中轉(zhuǎn)子組件3僅標(biāo)列轉(zhuǎn)子齒8與永磁極7在兩側(cè)的排列，示意每12°機(jī)械角度設(shè)置一個(gè)同極向的永磁極或轉(zhuǎn)子齒，中間空白未標(biāo)列部分的磁極與轉(zhuǎn)子齒排布情況相同。圖中N和S表示永磁極的磁極向。
圖8-b為圖7方案設(shè)計(jì)的電機(jī)中轉(zhuǎn)子組件3表面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(jī)轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)一周的機(jī)械角度。
圖9-a和圖9-b為本發(fā)明在外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的側(cè)視簡(jiǎn)圖，重點(diǎn)示意永磁極7同極向與轉(zhuǎn)子齒8在外轉(zhuǎn)子中的交替排布結(jié)構(gòu)。
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(jìn)行繞齒布線的一種示意結(jié)構(gòu)，所表示的是該繞組沿X-X’線和Y-Y’線的展開(kāi)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(jìn)行繞齒6布線形成單相和雙相線圈繞組的一種示意結(jié)構(gòu)，所表示的是該繞組沿X-X’和Y-Y’的展開(kāi)示圖。
圖15所示的是兩個(gè)不同的繞齒線圈串聯(lián)形成同一相線圈繞組的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖面說(shuō)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-電樞鐵芯表面齒7-永磁極單體8-轉(zhuǎn)子表面齒
A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4---重疊繞組線圈實(shí)施例1按圖7-a制作一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)，該電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子2的外圓周上具有28個(gè)轉(zhuǎn)子齒8，轉(zhuǎn)子齒8的齒與齒之間交替排布有28塊釹鐵硼單體7，轉(zhuǎn)子齒8和釹鐵硼磁極之間的間距全部為m＝1.2mm，28個(gè)磁極單體7與常規(guī)磁性材料制作的28個(gè)轉(zhuǎn)子齒8交替均勻分布固連在一體組成轉(zhuǎn)子2，永磁材料單體7的N極全部面向電樞鐵芯。其中構(gòu)成永磁單體7沿旋轉(zhuǎn)軸方向的長(zhǎng)度與常規(guī)磁性材料制作的轉(zhuǎn)子齒8組件長(zhǎng)度相同，其截面為矩形，厚度1mm，轉(zhuǎn)子齒8寬度為永磁極7寬度的0.9，磁極單體7的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為7500高斯，設(shè)計(jì)電機(jī)功率為3000瓦左右。本實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)式單相發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)剖面示意圖見(jiàn)附圖7-a，電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁單體7的組合結(jié)構(gòu)沿X-X’線和Y-Y’線的展開(kāi)示意圖見(jiàn)附圖8-a，電樞鐵芯4表面的齒6為矩形齒，齒數(shù)T＝112，齒寬與線槽寬相同，環(huán)繞齒布線的線圈繞組方法見(jiàn)附圖10。該電機(jī)當(dāng)輸入3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)矩時(shí)，可在單相繞組兩端獲得輸出1400周交流電，其輸出電壓取決于電樞鐵芯圓周表面的繞齒線圈繞組匝數(shù)。用本實(shí)施例制作出的發(fā)電機(jī)，通過(guò)內(nèi)置或配置于電機(jī)的常規(guī)電子電路，機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至88％以上，與同樣材耗的常規(guī)電機(jī)相比，能量體積比或能量重量比均可達(dá)到常規(guī)電機(jī)的1.5倍以上。
實(shí)施例2本實(shí)施例提供一外轉(zhuǎn)子形式的旋轉(zhuǎn)式單相發(fā)電機(jī)，基本數(shù)據(jù)和其它結(jié)構(gòu)均與實(shí)施例1相同，只是外轉(zhuǎn)子的環(huán)形永磁材料組件在內(nèi)圈，如附圖9所示。繞組方法與實(shí)施例1相同，其展開(kāi)圖如附圖8-a所示。本實(shí)施例亦可達(dá)到實(shí)施例1所述的效果。
實(shí)施例3在另一種運(yùn)用本發(fā)明的單相旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)常規(guī)實(shí)施例中，以實(shí)施例1所述的單相內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)線路為電樞盤(pán)中的單相繞組兩端提供波形特征與之相適應(yīng)的1400周交流電源，使磁性材料制作的電機(jī)轉(zhuǎn)子獲得扭矩。
運(yùn)用本實(shí)施例制作出的高頻電動(dòng)機(jī)，其電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至88％以上，重量比能量一般可達(dá)3-6kg/kw，能量重量比可達(dá)到常規(guī)電動(dòng)機(jī)的1.5倍以上。
實(shí)施例4在一種常規(guī)運(yùn)用本發(fā)明的單相旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)施例中，以實(shí)施例2所述的單相外轉(zhuǎn)子電機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)線路為單相繞組兩端提供波形特征與之相適應(yīng)的1400周交流電源，使磁性材料制作的電機(jī)轉(zhuǎn)子獲得扭矩。
運(yùn)用本實(shí)施例亦可達(dá)到實(shí)施例3所述的效果。
實(shí)施例5在一種運(yùn)用本發(fā)明原理的旋轉(zhuǎn)式兩相發(fā)電機(jī)實(shí)施例中，采用實(shí)施例1所述的內(nèi)轉(zhuǎn)子形式，常規(guī)磁性材料制作的內(nèi)轉(zhuǎn)子2的外圓周表面設(shè)置有30個(gè)齒S，齒與齒之間相隔有30個(gè)同極向排布的永磁極7，轉(zhuǎn)子齒8和永磁極7共同組成環(huán)形永磁材料組件3，電樞鐵芯4圓周表面的雙相繞組方法見(jiàn)附圖11。
本實(shí)施例的有關(guān)數(shù)據(jù)選取設(shè)計(jì)電機(jī)功率為50Kw，電樞鐵芯4內(nèi)圓周表面設(shè)置有T形齒6，齒數(shù)T＝120。永磁極沿旋轉(zhuǎn)軸方向的長(zhǎng)度與常規(guī)磁性材料制作的轉(zhuǎn)子齒長(zhǎng)度相同，截面為梯形，與常規(guī)磁性材料轉(zhuǎn)子組件固連的一邊為寬邊，面向電樞鐵芯一邊為窄邊，窄邊為寬邊的62％，厚度H為2.5mm。永磁極的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為8500高斯。轉(zhuǎn)子齒8的大小形狀與永磁極7相同，永磁極的S極全部面向電樞鐵芯，轉(zhuǎn)子齒8與永磁極7之間排布的間距2.0mm，30個(gè)永磁極與轉(zhuǎn)子齒沿電機(jī)轉(zhuǎn)子2圓周表面交替均勻分布。
該電機(jī)當(dāng)輸入3000轉(zhuǎn)/分的扭矩時(shí)，可在兩個(gè)繞組兩端獲得兩相輸出1500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圓周表面的繞齒線圈繞組匝數(shù)。用本方法制作出的發(fā)電機(jī)，機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至88％以上，與同樣材耗的常規(guī)電機(jī)相比，能量體積比和能量重量比均可達(dá)到常規(guī)電機(jī)的1.5倍以上。
實(shí)施例6在一種運(yùn)用本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式兩相發(fā)電機(jī)常規(guī)實(shí)施例中，選用實(shí)施例5的基本數(shù)據(jù)，但設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子形式，外轉(zhuǎn)子2的常規(guī)設(shè)計(jì)方法與常規(guī)方法相同。所不同的是外轉(zhuǎn)子的環(huán)形永磁材料組件在內(nèi)圈，如附圖9所示，兩相繞組選用雙線并行繞齒的方法，其展開(kāi)圖如附圖14所示。在并行繞齒的兩組同相線圈繞組中，分別將A2與A1’相連，B2與B1’相連，兩相繞組輸出端分別為A1A2’和B1B2’。
本方法實(shí)施例亦可達(dá)到實(shí)施例5所述的效果。
實(shí)施例7在另一種常規(guī)運(yùn)用本發(fā)明的兩相旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)施例中，以實(shí)施例5所述的兩相電機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)線路為電樞盤(pán)中的兩相繞組提供1500周的交流電源，該兩相電源的相位分布應(yīng)與本實(shí)施例的電機(jī)設(shè)計(jì)特征相匹配，使磁性材料制作的電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子獲得扭矩。
運(yùn)用本實(shí)施例制作出的電動(dòng)機(jī)，其電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至88％以上，重量比能量一般可達(dá)3-6kg/kw，能量比重量可達(dá)到常規(guī)電動(dòng)機(jī)的1.5倍以上。
實(shí)施例8在又一種運(yùn)用本發(fā)明的單相旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)常規(guī)實(shí)施例中，以實(shí)施例6所述的兩相電機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)線路為電樞盤(pán)中的兩相繞組提供1500周的交流電源，該兩相電源的相位分布應(yīng)與本實(shí)施例的電機(jī)設(shè)計(jì)特征相匹配，使磁性材料制作的電機(jī)外轉(zhuǎn)子獲得扭矩。
運(yùn)用本實(shí)施例制作出的電動(dòng)機(jī)，亦可達(dá)到實(shí)施例7所述的效果。
實(shí)施例9在一種常規(guī)運(yùn)用本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式三相發(fā)電機(jī)實(shí)施例中，電機(jī)轉(zhuǎn)子2為外轉(zhuǎn)子形式，外轉(zhuǎn)子2的內(nèi)圓周表面設(shè)置有齒8，齒與齒之間相隔有永磁極7，永磁極的極向排列全部為同向，其結(jié)構(gòu)剖面示意圖見(jiàn)附圖9，電機(jī)轉(zhuǎn)子2沿X-X’線和Y-Y’線展開(kāi)的示意圖見(jiàn)附圖8-a(方位相反)，繞組方法見(jiàn)附圖12。
有關(guān)數(shù)據(jù)選取設(shè)計(jì)電機(jī)功率為200kw左右。構(gòu)成電機(jī)轉(zhuǎn)子齒8的齒數(shù)和永磁極數(shù)均為P＝44，電樞鐵芯4的齒數(shù)T＝264。永磁極7沿旋轉(zhuǎn)軸方向的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子齒8相同，截面為扇形，扇形截面的上弧邊與普通磁性材料制作的轉(zhuǎn)子內(nèi)圈固連，下弧邊面對(duì)電樞鐵芯4，下弧邊長(zhǎng)為上弧邊長(zhǎng)的0.618，厚度11mm。轉(zhuǎn)子齒8的截面形狀大小與永磁極7向同。永磁材料的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為9000高斯，轉(zhuǎn)子齒和永磁極等間距6mm，44個(gè)永磁極7與44個(gè)轉(zhuǎn)子齒8沿電機(jī)轉(zhuǎn)子2的內(nèi)圓周表面交替均勻分布。
當(dāng)電機(jī)輸入2400轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)矩時(shí)，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圓周表面的繞齒線圈繞組匝數(shù)。用本方法制作出的高頻發(fā)電機(jī)，機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至88％以上，與同樣材耗的常規(guī)電機(jī)相比，能量體積比和能量重量比均可達(dá)到常規(guī)電機(jī)的1.5倍以上。
實(shí)施例10在又一種運(yùn)用本發(fā)明的三相旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)常規(guī)實(shí)施例中，以實(shí)施例9所述的三相電機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)線路為電樞盤(pán)中的三相繞組提供1760周的交流電源，該三相電源的相位分布應(yīng)與本實(shí)施例的電機(jī)線圈繞組設(shè)計(jì)特征相匹配，使磁性材料制作的電機(jī)外轉(zhuǎn)子獲得扭矩。
運(yùn)用本原理方法制作出的電動(dòng)機(jī)，電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率一般可制作至87％以上，能量體積比和能量重量比均可超過(guò)常規(guī)電機(jī)的30％以上。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括轉(zhuǎn)軸、內(nèi)置或配置于電機(jī)的常規(guī)電子電路、常規(guī)磁性材料制作的圓周表面設(shè)置有P個(gè)齒的轉(zhuǎn)子和由帶齒的電樞鐵芯及線圈繞組構(gòu)成的定子；電樞鐵芯面向轉(zhuǎn)子圓周表面的齒，線圈繞組導(dǎo)線環(huán)繞齒布線，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的齒與齒之間固連有P個(gè)同極向排布的條形永磁極，轉(zhuǎn)子齒與永磁極按m間距面向電樞鐵芯交替排布，P＝12～180。
2.按權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的定子由帶齒的電樞鐵芯及線圈繞組構(gòu)成，電樞鐵芯面向轉(zhuǎn)子圓周表面的齒的截面為矩形、T形或其它變形形狀，線圈繞組導(dǎo)線環(huán)繞齒布線。
3.按權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的與帶齒轉(zhuǎn)子固連的P個(gè)永磁極的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度大于6000高斯，磁極與轉(zhuǎn)子齒交替排布的間距m與配套設(shè)計(jì)的電樞鐵芯圓周表面齒的平均間距N相關(guān)，m＝0.3-0.8N。
4.按權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的按m間距交替排布的p個(gè)轉(zhuǎn)子齒和P個(gè)永磁極，其沿轉(zhuǎn)軸方向的長(zhǎng)度相同，截面形狀可以是扇形、矩形、半圓形或其它形狀。
5.按權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的交替排布的轉(zhuǎn)子齒平均寬度D1及永磁極平均寬度D2的關(guān)系為D1＝0.5～1.5D2。
6.按權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的與轉(zhuǎn)子齒按m間距交替排布的p個(gè)永磁材料單體，其沿轉(zhuǎn)子圓周徑向的高度H與電機(jī)功率W有關(guān)，當(dāng)W≤10kw時(shí)H＝0.5～5mm，W＝10～200kw時(shí)H＝1.5～15mm，W＞200kw時(shí)H＝3～50mm。
7.按權(quán)利要求2所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的帶齒電樞鐵芯的齒數(shù)T＝2～18P，T為偶數(shù)；線圈導(dǎo)線在線槽中環(huán)繞n個(gè)齒沿電樞鐵芯圓周表面連續(xù)布線，n為小于T的正整數(shù)，其中線圈導(dǎo)線為一根或k根線導(dǎo)線環(huán)繞齒沿電樞鐵芯4圓周的連續(xù)布線結(jié)構(gòu)，k＝2-30根。
8.按權(quán)利要求7所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的線圈導(dǎo)線在線槽中環(huán)繞n個(gè)齒沿電樞鐵芯圓周表面連續(xù)布線，或?qū)Ь€環(huán)繞某個(gè)電樞鐵芯表面齒繞L圈形成該繞齒線圈，與相隔G個(gè)齒的另一個(gè)同樣繞齒線圈串聯(lián)形成同一相線圈繞組，其中L＝1-200，G為0或小于m的正整數(shù)，所述的線圈繞組為一根或K根導(dǎo)線，K＝2-30根。
9.按權(quán)利要求1或2所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的帶齒的轉(zhuǎn)子及電樞鐵芯圓周表面的齒，沿轉(zhuǎn)軸平行線方向是0°機(jī)械角度，或是呈小于15°的機(jī)械角度的斜形齒。
10.按權(quán)利要求1或2所述的一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所述的由p個(gè)永磁極與P個(gè)轉(zhuǎn)子齒按m間距交替排布的轉(zhuǎn)子永磁組件結(jié)構(gòu)設(shè)置在面對(duì)電樞鐵芯的外圓周表面，或設(shè)置在面向電樞鐵芯的內(nèi)圓周表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)子具有同向磁極排布結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機(jī),包括:轉(zhuǎn)子設(shè)置有P個(gè)齒,齒與齒之間固連有P個(gè)同極向排布的條形永磁極,轉(zhuǎn)子齒和磁極按m間距面向電樞鐵芯交替排布,線圈導(dǎo)線沿電樞鐵芯面向轉(zhuǎn)子的圓周表面連續(xù)布線形成繞組,和內(nèi)置或配置于電機(jī)的常規(guī)電子電路。該電機(jī)可獲得效率在85%以上的電能和機(jī)械能雙向控制轉(zhuǎn)換。與同樣材耗的常規(guī)電機(jī)比較,能量輸出大30%以上。
文檔編號(hào)H02K1/27GK1375907SQ01109809
公開(kāi)日2002年10月23日 申請(qǐng)日期2001年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月16日
發(fā)明者劉粵榮 申請(qǐng)人:劉粵榮