交流电机.pdf

本发明涉及电机，特别涉及交流电机。
    现有的电机：励磁电流稍大、总重量较大、分布绕组所在的槽形-产生径向振动与较大的齿谐波、交流电机中接通交流电的分布绕组-结构复杂。

    本发明的目的在于，提供：励磁电流稍小、总重量较轻、没有径向振动，齿谐波小（接通交流电的）绕组结构简单的电机。

    上述目的，由本发明的十个方案实现。在叙述方案之前，先定义名词与叙述导言，定子、转子间，供转动用的间隙（该处塞入塞尺，可判断是否对中），称为间隙△;由齿的磁位降，折算为本发明面积更大的空气长度L，则间隙与L之和，为计算气隙或“等值气隙”（简称为“气隙”δ）δ＝△+L-下文提及的气隙，均指“等值气隙”，其含义异于现有（人们把上述间隙称为气隙，本文不如此）。以铁心位置为特征，称两铁心为：“外铁心”（即处于外面的铁心，其脚注为1，或称为铁心1）和“内铁心”（位于外铁心内，其脚注为2，或称为铁心2）。现有技术的各项数据，用脚注d表示，本发明的各项数据，以脚注W表示;有必要区别两者时用上述脚注，未标脚注的，皆为本发明的结构代号或数据。本发明所述的电机，由外铁心外壳、内铁心、轴各一只（内、外铁心上，分别有）一只至多只绕组等主要部件组成，内铁心上一只绕组的例子、直流电机，外铁心一只绕组的实例：单相交流整流于电机，本发明解出二维场的偏微分方程，得出结论：铁心与其支持件间，若有磁导率更高地材料，该材料会使流入铁心的磁通更多。亦即总磁通相等时，与现有结构相比，更多磁通流经铁心、更少磁通流经铁心的支持件，从而减小励磁电流。利用这个结论，提出方案一、二、三、十。因所有方案均为独立的方案，所以把各方案的实施例与优点，分别列于该方案之后。本发明各方案为：一.外铁心的外表面、有磁导率更高的材料，其优点已如上述。只须比铁心磁导率更高的材料（例如：μ磁性合金、铝硅铁粉、镍铁钼导磁合金）处于外表面一薄层，即可改变边界条件，亦即达到予期目的。实施方法：可以把上述粉状的材料掺入粘合剂（例如环氧树脂）而成“油漆”，在该表面刷一层，也可以：二.外铁心的外表面与外壳的内表面之间填有铝硅铁粉。填充步骤举例：在外铁心与外壳（通常情况下，外壳即机座）的一端用环氧树脂封闭。凝固后，以封闭端为底，外铁心置振动台上、其中心线垂直于地面，自上端填入铝硅铁粉;填满后由振动力把粉粒振密（振实），加粉、再振，填实填满后，用环氧树脂封住。同理：三.内铁心的内表面，有磁导率更高的材料。其实施方法，同方案一。四.导言中所述的一只至多只绕组为分布绕组，其所在的铁心，具有磁导率与空气相同的齿，即齿由磁导率与空气相等的材料构成。这个方案的实施例，为：“外铁心内表面”与“内铁心外表面”之间，空出齿及导线的空间，分布绕组所在的铁心，浇铸有色金属（例如铝或铜）、非磁性铸钢、塑料（例如聚四氟乙烯、聚氯乙烯;必要时，塑料的中心，以铝为骨，可传递更大的力），由这些材料构成齿。齿与铁心结合为一体的方式：1）热箍;2）铁心表面开槽、槽底为宽度更大的梯形、T形或圆形;3）方案2）接近表面处开缝，缝中插入磁性薄片，薄片盖住槽口。1）、3）方式下，铁心的表面光滑。其他条件相同时，本方案的励磁电流≤现有结构的条件：△W≤△d+Ld;由此条件及相似原则，设计计算时可确定所须结构尺寸。此方案的优点：1）用以传递力的齿宽，小于现有结构，则容纳导线的有效面积更大、槽更浅，因而散热条件更好，则导线中电流密度更大，导线用量更少。2）磁力线垂直于（分布绕组所在的）铁心（即垂直于导线）、导线所在之处的磁密最大（也比现有的大）-若电机作为发电机、所生的电势最大;若电机作为电动机、所生的力矩最大这两种情况都是：由最优的结构，使得用料最省）。而且没有径向分力，消除现有结构中径向振动的根源，减轻轴承的径向撞击、从而延长其使用期限。3）铁心表面光滑的结构，设计及使用时，均免除齿谐波大及噪音大的困扰。此方案槽的面积小于现有结构，保持直径与现有结构相同的办法有二：加长铁心轴向长度，或且：五.分布绕组由磁性导线构成：导线为下列形式之一：1）磁性材料的粉末，以一定的体积比例，掺入熔化的紫铜中、拌匀。磁性粉末的熔点高于铜，掺入后并未熔化、与铜混合;以该混合材料制造导线;2）磁性材料与导电材料制成组合导线。最佳结构是：导线为方形，磁性材料与导电材料的分界面，平行于上述方形的两个面，（靠近良导电体且）与分界面平行的绝缘材料表面，作出标志;绕制绕组及下线时，使标志朝向间隙且分界面平行于槽底。此导线制法：在磁性板材的任一面，镀铜（电镀或化学镀），铜板置已镀铜的表面，两“轧辊”为电焊机的两极，该两种冷态的材料通过“轧辊”时，界面上电阻与电流，使该处铜熔化而融合为一.（轧辊不使材料变薄，只起“粘合”作用。）此结构的优点：A.导线的散热面更大，良导电体中，允许电流密度更大;B、磁力线集中于电的良导体处更充分发挥磁力线的效能，因之进一步节省材料、缩小外形。3）期望兼具电（流）与磁（力线）的良导体问世，以新材料制造导线。提出这一方案的原因在于：方案一的不等式△W＜△d+Ld表明：本发明的△W不应太大;但如果导线具有磁性（特别是其中磁性材料的磁导率μW高于现有铁心的μd时），情况就会改观，μW更高，且磁性材料在槽中所占面积的比例高于某个数值时，良导电体在槽中所占的面积可接近现有结构、而激磁电流不增大，磁导率高于矽钢片的材料，有：μ磁性合金、铝硅铁粉、镍铁钼导磁合金。方案为1）、2），而“励磁电流更小”的结论，可解释为：合计电的良导体与绝缘物所占空间，虽接近现有结构中槽的面积，但以μW更高的材料（其μW为矽钢片的5、7、25倍）局部替换现有结构中槽底以下μ更低的材料（替换指空间替换，两者磁力线方向不同）。另一结构是：以高磁导率的材料，制作本发明所述的铁心（局部或全部），但高磁导率材料的用量更多。现有槽形，采用此种导线，亦可略获（上述）效益;可见本方案是个独立的方案，不必附加以上任何方案，就可实施。二维场偏微分方程的解，还表明：内铁心的内径、不必像现有结构那么小，只须：六.内铁心：其内（表面直）径与（槽底处的直径，即）外径的比值，为（0.85～1.15）倍：外铁心（槽底直径，即）内径与外（表面直）径的比值。此方案更好的范围是（0.95～1.05）倍。改变内铁心内径等于轴径的现有结构，而采用本方案，最多节省20%硅钢片。第二个优点：内铁心的内径大，与之配合的轴，其直径更大，直径大、对材料要求低，所用材料可选价廉者。众所周知：除各绕组中通入的正弦电流具有所须的相位差外，只须各绕组所生的磁力线，在空间（按电角度）以相同的相位差、按正弦分布，便可产生旋转磁场;据此，绕组不必为分布绕组，只须七.导言中所述的：一只至多只绕组为集中绕组、与交流电相接，绕组所在的铁心极面，磁通密度按正弦分布（以轴的中心线为极座标的原点、计量其“电角度”），各铁心极面的中心线，在空间相差的电角度，等于各绕组所生（正弦波形）磁通的时间相位差。-此方案有两种实施例：1）单相交流电机：上述铁心极面为曲面，该曲面与（另一铁心的）圆柱面间的气隙长度，由该处磁力线确定，各气隙的倒数，其比值依电角度、按余弦（的绝对值）分布（其中“气隙为∞”处，磁通漏到另一曲面，可视为∞）。此例的铁心，由形状相同的硅钢片叠成。绕组如同线圈，绕在曲面另一侧的“铁心柱”上。2）三相或多相交流电机：处处气隙相同，而电角度不同之处，上述曲面的“单元面积”dS不同（单元面积由两个垂直于中心线的平面截取），且其数值按余弦（的绝对值）分布，铁心由形状不同的硅钢片叠成，绕组同上。该两实施例，均可采用磁极与铁心分开的结构（仿直流机、同步机）也可联为一体，而绕线不便。此两实施例的铁心极面为N极或S极，由其上绕组的电流方向确定。多极电机，仅电角度不同，上述结构的性质（即各矽钢片形状是否相同）不变。此方案的集中绕组，就是线圈，因之工艺也与线圈一样简单。第二个优点为：集中绕组的磁势比分布绕组大，因之只需更少导线，就可产生所需磁通。此方案的应用范围：同步电机的交流绕组（用作发电机时，“与交流电相接”理解为：与其他发电机并联）、导步电机的定子绕组、整流子电机的定子绕组。选用以上方案，于同步机中，可描述为八.方案七附加：外铁心外表面与外壳内表面之间、内铁心与轴的缝隙中，均填充铝硅铁粉。九.方案八附加：A.另一铁心上的绕组为分布绕组，此铁心的齿、由磁导率与空气相等的材料构成，B.分布绕组由磁性导线构成，C.内铁心：其内（表面直径）与（槽底处的直径，即）外径的比值，为（0.85～1.15）倍：外铁心（槽底直径即）内径与外（表面直）径的比值。就形成异步电机的较佳实施例。十.实施方案六（其内铁心的内径较大），须轴的直径较大;为减轻总重量及节省轴的材料，轴的结构应为：轴上有轮与圆盘形轮幅，由轮支持内铁心。此方案的目的在于：磁力线有畅通的路径;因此，其最佳实施例为：盘形轮幅上无孔，且于锻造轴时一并锻出、盘形轮幅有若干个，其轴向距离相等（端部轮幅与铁心端部的距离，等于上述距离的一半），由几节轮分别套上不同的轮幅、轮与轮幅电焊为一体，再机加工轮的外径。轮与内铁心有缝隙、供填入高磁导率的粉末，内铁心以花键的形状获得对中。本方案可单独用于现有结构，也可与上述任何方案同时实施，与方案六同时实施，最多可减轻10%总重。以上十个方案，总说明于下：所述的各种绕组，可装于外铁心、也可装于内铁心;方案一至方案六、加上方案十，除用于交流机外，还可用于直流机、整流子电机;所有结构，均可用于发电机、也可用于电动机。

    上述方案全部实施后，可达如下效果：没有径向振动、减轻轴承的径向撞击（从而延长其使用寿命）、没有齿谐波、噪音小（由方案四获得）;励磁电流较小（由方案一至三获得）;总重量较轻（由方案六及十获得）;交流绕组的结构简单、导线用量省（由方案七至九获得）。

    附图表示本发明的两个实施例。图1是三相两极交流机结构图，图2是A-A剖面;图2是单相两极交流机的磁极图，图4是B-B剖面。图1表示出齿〔8〕、磁极〔12〕、磁性薄片〔13〕（详方案四的C）、外铁心〔1〕、内铁心〔2〕、外壳〔7〕、轴〔3〕等部件的形状，可用于直流机。各图其他标号的含义：4、5、6-交流绕组（形式为集中绕组）;9、14-高磁导率材料（粉末）;12-某相的S极;10、11-其他两相的N极。为表示细部，各图均不按比例。

    利用端盖上的弹性垫衬，把各磁极固定于轴向位置。本发明未述之结构与装配方法，与现有技术相同。