球形笼式转子型直流电动机 本发明的主题为一种球形笼式转子型直流电动机。
已经知道有非常大量的直流电动机。用电动机驱动的车辆的直流电动机构成其中的一个大族。
美国专利NO.4948998描述了一种高度可靠的双换向器式直流电动机，它备有两个布置在转子铁心中的独立且平行的绕组。通过位于电动机两侧的电刷系统并通过换向器，绕组可被单独地使用或一起使用。转子是圆柱形非自载式的，且定子含有励磁绕组。
在文献EP0481774(A2)的公开页中描述了一种敞开型鼠笼式直流电动机的配置，它具有在两端上的换向器和有铁心的圆柱形转子。推荐将这种配置主要用于大电流的铁路牵引电动机，但是该说明书并未提供有关实现磁路、定位支承、冷却等的布置、实际指南或指导。
ESCAP公司(瑞士)1989的产品目录描述了具有低惯性矩和无铁心转子的直流电动机，其中，自载式的圆柱形转子是所谓的绕线(紧密蜂窝形)线圈。这种结构将有效转矩减少约30％，加大了线圈的长度并按同样的比例加大了其电阻。在太平洋科学公司(美国，伊利诺斯州)1989年的产品目录中所描述的小惯性地且具有无铁心(空心)自载式转子的直流电动机与之相似。
从美国专利NO.4019075中可以知道有一种微型直流电动机的无铁心转子线圈。用复绕法形成的叠绕组有比较大的线圈头即无用的部分。由它们形成的自载式转子是圆柱形的，并具有单侧的换向器。
从美国专利NO.4181966可以知道具有单侧换向器的另一种圆柱形技术方案，在此情况下，场磁铁位于转子的内侧，而软磁轭则位于转子的外侧。
按照美国专利NO.4110645的技术方案，具有圆柱形无铁心自载式转子的直流电动机的场磁铁位于转子的外侧，而磁通传导轭则位于转子的里由。
在匈牙利专利NO.189040中也描述了一种圆柱形直流电动机，其中，按照图2，其配置中的转子是一个圆盘形的线盘，具有相当大的附加线圈头导线长度和质量。按照其图3，该方案的转子上的双转子和换向器也是圆盘形的并用印刷电路制造，而电刷则是沿径向取向的。
在美国专利NO.4082971的图1中可以看到一种部分地与上述最后一个方案相似的电动机，它具有用双印刷电路板制造的转子和换向器，其区别在于，驱动同一个轴的两个转子有分开的、独立的定子磁路，这是因为，在轭之间设有铝的间距器和外壳部分。
已经提出了对具有更高效率的小电流和中等电流电动机的需求。
因此，本发明的目的为减少那些能加大损耗因而降低效率的构件的作用和质量，并增加单位体积的功率。
解决方案的关键是由于认识到损耗的根源主要是电动机的激励电路及其非均匀性和弥散，以及另一方面，是由转子线圈头的较大长度引起的附加电阻损耗。
为了消除上述缺点并满足所提出的要求，本发明人发现球形结构是合适的。
激励电路的最佳设计的一个技术方案是采用最好是用合金制造的高能量双侧永磁铁，其磁力线在较大的角度范围内是沿径向的，其直接后果为感应线(B)垂直于电流(I)的方向，并且进一步垂直于所产生的力(F)。
简言之：很容易看到这样一个明显的事实，即在球形电动机的转子的情况下，在上述角度范围内的任一点，垂直性的要求都得到满足。
第二个问题，即转子的设计是一个更为复杂的问题。换句话说：有意义的效率提高只能通过减少按照功率公式I2R转变成热的能量而达到。可以认为，通过采用球形外壳的转子就可以解决，该转子由横截面较大的铜型材制造，与此同时，其强度适于传递转矩。
本发明的目的可通过设计一种球形笼式转子型直流电动机而达到，该电动机的定子由一内部和一包围它的球壳形外部组成，内部用空心的球形磁通传导软磁轭做成，球壳形外部由扇形部分组成或铸造在内部上，并且用永磁铁做成，输出轴是一带花键的管形轴，它穿过内部的孔伸出。笼式转子是一个球形回转面，它角度对称地包围并封闭具有夹层结构的铁磁定子，该转子由铜型材组成，并沿平行于带花键的管形轴的几何轴线的平面形成弧形，其绝缘的毂部用带螺纹的夹紧套筒固定在带花键的管形轴上，铜型材的端部被机加工成与带花键的管形轴的几何轴线垂直的平面并形成圆盘形换向器，该换向器弹性地耦合至最好用青铜-石墨或水银做的电刷上，其终端被做成插头-插座式夹持器或夹紧螺钉。定子的内部可以具有子午线晶格结构。笼式转子可以有不同于球形的形状，例如转动的椭球体，甚至为铁饼形，不过，它必须是一个回转体。笼式转子的赤道有一环面形状，它设有玻璃纤维增强的耐热塑料加强环，该加强环被扇形的永磁铁主极同心地包围，而该主极又被用两个在其边缘彼此压在一起的半球形部分做成的软磁轭的壳形结构包围，后者又被包含开口的轻金属合金如铝合金的空心外壳包围，在定子与带花键的管形轴之间，并且在外壳与带花键的管形轴之间都布置有最好为滚子轴承的轴承和密封元件。在带花键的管形轴内，在电动机的几何中心的范围内，形成较大的开口；在换向器的平面上，形成较小的开口和形成汽化器扼流圈的肋片形空气入口。
壳体可以用两个设有通风口的半圆形部分做成，它们可以用例如螺栓固定在一起，不过，也可以采用具有恰当强度的球形塑料网状或网格制品。从笼式转子的外罩开始，在部分平面上，在永磁铁的主极中，在软磁轭壳结构中，以及在外壳部分中，都形成具有一沿切向的出口端部段的排气通道。在上述端部段的出口部分处布置有切向消声器。
下面用一实施例并借助附图详细描述了按照本发明的球形笼式转子型直流电动机，在图中：
图1示出了电动机的剖视图；
图2示出了更详细的剖视图。
电动机有一带花键的管形轴1，此轴在其直径较大的中间段有一定子，该定子包括一个用磁通传导软磁轭做成的球形空心内部2和一个包围上述内部2的永磁铁外部3，所述外部由扇形部分组成或被浇铸在内部2上。定子被一个角度对称的其形状为球壳形回转面的笼形转子6包围该转子用铜型材最好是成型的板或棒制造，它们在平行于带花键的管形轴1的几何轴线13的平面中形成弧形，型材的端部在带花键的管形轴1上构成圆盘状扇形的换向器10A、10B、……，后者被机加工成一个垂直于带花键的管形轴1的几何轴线13的平面。在靠近换向器10A、10B的地方，弹性地放置最好用青铜-石墨做成的圆盘状扇形的电刷11A、11B、……，其终端14A、14B被做成插头-插座式夹持器或夹紧螺钉。绝缘的毂部4A、4B；5A、5B用带螺纹的夹紧套筒21A、21B固定在带花键的管形轴1上。
笼式转子6在其最大直径即赤道处由一用绝缘材料最好是玻璃纤维增强的耐热塑料做成的环7加强，后者(通过同时在其中形成空气通道)压机模塑在已经装在定子上的笼式转子6上。笼式转子6被永磁铁的主极8包围，该主极的形状为用平行于带花键的管形轴1的几何轴线13的平面做边界的球形壳体段，永磁铁的主极8本身又被也呈球形壳体形状的沿最大直径(“赤道”)剖分的软磁轭9的壳形结构包围。在装配好的电动机的永磁铁主极8之间的空间中，所产生的磁场方向是径向的。
最后，球形笼式转子直流电动机的外部由外壳部分12A和12B组成，这些外壳部分也是球形的，在其最大直径处用螺栓固定在一起，并且设有肋片形开口而且最好成丝网状地布置在其外侧上，同时用轻金属如铝的合金制造。
也可以采用球形塑料网或网格制品，以代替外壳部分12A和12B。
在定子的空心内部2和外部3以及带花键的管形轴1之间，设置滚子轴承16A和16B以及设有孔的轴承箱18A、18B，并在外壳部分12A、12B与带花键的管形轴1之间设置滚子轴承17A、17B和密封元件19A、19B。在带花键的管形轴的几何轴线的范围内，形成大的开口。轴承箱18A、18B的孔将开口15与笼式转子6的空间连接起来。
对于按照本发明的球形笼式转子直流电动机的操作，最好采用压缩空气，来自带花键的管形轴1的一端(或两端)的压缩空气在轴中经过，通过穿过带花键的管形轴1的在其几何中心范围内的开口15以及穿过设置在带花键的管形轴1的在换向器10A、10B的平面中的较小孔20A、20B而进入电动机内部，然后压缩空气穿过轴承箱18A、18B的孔并穿过外壳部分12A、12B的(未示出的)肋片形孔离开电动机。
在图2中，同样的参考标号自然代表同样的元件。此外，在换向器10A、10B的平面中，形成汽化器扼流圈22A、22B，并从笼式转子6的外罩开始，在剖分平面上，在永磁铁主极8中，在软磁轭壳结构9中，以及在外壳部分12A、12B中，都形成具有沿切向的出口端部段的排气通道23A、23B。气流路径24A、24B用虚线示出。
按照本发明的球形笼式转子型直流电动机的操作如下：
与已知的电动机相似，其操作基于这样一个事实，即力作用在一个电流在其中流动并放在磁场中的导体上。
当电流如图所示地沿箭头所示的方向在笼式转子6的导电元件6A、6B、……中流动时，力从纸面向上地作用在左手侧的弧形导电元件6A上，并从纸面向下地作用在右手侧的弧形导电元件6B上，其直接结果为，笼式转子6力图逆时针方向地转动带花键的管形轴1。
如果电流的方向反过来，则笼式转子6将顺时针方向旋转。
很容易看出，如果电流方向每半转反向一次，就可以保持转动的连续性。随着气流的路径也可以容易地看出，电动机同时像一个设有子午线隔板的双侧入口式离心鼓风机或透平地起作用。
所有的电动势都是能量转换E的结果。其理由是，在上述的电和磁之间有另一基本的简单关系，它不随已知的物理学定律改变而且可以演变成一个新的方程式，该方程式为球形电动机和发电机给出下列能量平衡关系：
2πMn＝EI＝I2rω
如果I的单位为A，r的单位为m，ω的单位为S-1，则得到的感生电动势E的单位为V，得到的由电动机作用的整体磁转矩的单位为Nm。
构成本发明主题的球形笼式转子型直流电动机的优点如下：
-不管其几何尺寸如何，所有球形笼式转子型直流电动机的效率都是相同的，超过90％。
-转子的球形和在大的角度范围内实际上是沿径向的强磁场使之有可能将导线的无用长度尽可能地做成最小，并且没有线圈头；
-自载笼式转子6的惯性矩小，此外，没有由线圈头产生的无功分量，因此电动机特别适合于快速驱动(例如伺服电动机)；
-由于效率较高，故可以生产质量与体积较小的电动机，它们在航空系统例如用于飞机、卫星等的系统的情况下特别有利；
-电动机的可靠性较高，而且由于双换向器和电刷系统，电刷的寿命较长；
-借助于大电流敞开笼式转子并通过增加电刷的数量和铜型材或铜棒即构成笼式转子的导电元件的数量，可以减少轴转矩的波动，这使得在例如破旧车辆、摩托车、小汽车等的情况下除了采用加强环之外采用惯性质量变得是不必要的；
-由于实际上封闭的磁场，故可以大大地减少电动机的有害的附加磁辐射，这在航空系统的情况下是有利的；
-易于与电动机共同使用不同种类的半导体脉宽调制斩波器(晶闸管，矩形脉冲断开(GTO)晶闸管、晶体管和动力用的金属氧化物半导体场效应晶体管(POWER-MOSFET)元件实现)；
-无铁心笼式转子的作用也像一个具有子午线隔板的双侧入口式离心鼓风机或透平；
-带花键的管形轴使之有可能例如在体育竞赛飞行器的情况下将电动机用作单流推进器透平。