一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機的製作方法
2023-08-07 18:37:21 1
專利名稱：一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電機，特別是涉及一種面向電樞鐵芯的轉子圓周表面具有眾多齒並固連眾多同極向永磁材料組件結構的旋轉電機。
眾所周知，電機的工作原理是基於法拉第電磁感應實驗現象，其最基本的內容為在一個具有N極和S極的基礎磁場系統中，導線(線圈)沿磁力線截面方向運動會產生感生電流，感生電動勢的大小視導線(線圈)在單位時間內所掃過面積內的磁通量變化率而定。反之，當通電導線(線圈)放置在磁場中時，磁通量的變化會使通電導線(線圈)產生定向運動，其運動方向可由右手定則判定。磁通量的變化率越大，導線(線圈)的感生電動勢越大，或通電導線(線圈)的定向運動量越大。在實際應用中，運用前者原理可製作成發電機，運用後者原理可製作出電動機，兩者均可表述為一種可逆的電磁能與機械能轉換裝置，習慣上通稱電機。
下面以常規旋轉式電機為例詳細敘述其工作原理。在所述附圖中，P為轉子中N極或S極的數量，T為電樞鐵芯中線槽或齒的數量。
圖1是T＝12P的常規旋轉式電動機的側視簡圖。在圖1中，一個圓環形永久磁鐵組件3固定在由普通磁性材料製成的轉子2的外部圓周上，永久磁鐵組件3與轉子2一起繞旋轉軸1轉動。永久磁鐵組件3有四個交替的N和S極，並且它們之間均相隔90°，即P＝2，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。轉子2的旋轉軸1可旋轉地支撐在電樞鐵芯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轉子2的旋轉而變化。
圖2表示對圖1中常規電動機內部結構的展開圖，它是沿X-X』和Y-Y』線進行展開的，在特徵結構分析時這些線成一行。電樞鐵芯4有24個繞組槽。從a到X，它們以等同的15°角相隔並且24個齒設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。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，A2繞在繞組槽g和1內，A3繞在繞組槽m和r內，A4繞在繞組槽s和x內。B1圍繞在繞組槽e和j內，B2繞在繞組槽k和p內，B3繞在繞組槽q和v內，B4繞在繞組槽w和d內。C1繞在繞組槽i和n內，C2繞在繞組槽O和t內，C3繞在繞組槽u和b內，C4繞在繞組槽c和h內。繞組線圈A1、A2、A3和A4串聯連接，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之間的相位差等於120°(電角度)，這裡180°電角度等於永久磁鐵的360/P的1極距。在圖1中，P＝4，所以180°電角度等於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，便可獲得加速轉子2的扭矩。
圖3表示另一種常規旋轉發電機的側視簡圖，T＝6P，除T和P的關係以及繞組間距外，圖3所示的常規發電機的構造與圖1所示的常規電動機的逆向原理相同。圓環形永久磁鐵組件13固定在由磁性材料製成的轉子12的外部圓周上，永久磁鐵組件13和轉子12繞旋轉軸11一起旋轉。永久磁鐵組件13有四個交替的N和S極，它們相互以90°角隔開，即P＝2。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。轉子12的旋轉軸11可旋轉地支撐在電樞鐵芯14上。因此，轉子12旋轉改變位置時，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中常規發電機沿X-X』和Y-Y』線的展開圖，分析特徵結構時這些線成一行，電樞鐵芯14有從a到1設置有12個以相等30°角相隔的繞組槽，12個齒設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。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，A2繞在繞組槽d和g內，A3繞在繞組槽g和內j，A4繞在繞組槽j和a內，B1繞在繞組槽c和f內，B2繞在繞組槽f和i內，B3繞在繞組槽i和l內，B4繞在繞組槽l和c內、C1繞在繞組槽e和h內，C2繞在繞組槽h和k內，C3繞在繞組k和b內，C4繞在繞組槽b和e內。繞組線圈A1、A2、A3和A4串聯連接形成第一相的繞組組A。繞組線圈B1、B2、B3和B4串聯連接形成第二相的繞組組B。繞組線圈C1、C2、C3和C4串聯連接形成第三相的繞組組C。在繞組組A、B和C之間的相位差等於120°電角度。在圖3中，P＝4，所以180°電角度等於90°機械角度。因此，加速轉子12的轉矩便可在三相繞組組A、B和C中獲得三相交流電。
在已有技術的改進中，一種技術改進措施是將轉子磁極數P加大至數十個甚至數百個，在磁極的NS交替排布中相隔一定的間距，通過配合運用電樞鐵芯的繞齒線圈繞組獲得較高的機械能與電能轉換效率，同時使電機製作的材耗降低。如中國專利申請號01109300.5所公開的。
本發明的目的在於本發明的目的之一是在大數磁極NS交替間隔排布的電機基礎上，進一步提供一種圓周表面帶有常規磁性材料製作的齒、轉子齒與齒之間相隔有同極向排布的永磁極、轉子齒與永磁極按一定規則組成的新型轉子結構，使上述同數量級體積重量、同數量級轉速的電機的能量材耗比及機械能與電能的雙向轉換效率進一步提高，降低材耗及製作成本。
本發明的目的之二是提供一種與磁通量分布狀態相適應的、改進的繞齒線圈繞組結構，以進一步提高電機的電磁能與機械能轉換效率。
本發明的目的之三為市場提供一種簡單實用的高頻發電機，通過內置或配置於電機的普通電子電路，可有效實現波形和頻率的多用途變換，使電子電路控制的多用途發電機更加簡單實用。
本發明的目的之四是為市場提供一種容易通過常規電子電路控制的高頻電動機，以適應電動車對多用途電機及控制的需求，從而提供一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機。
本發明的目的是這樣實現的本發明的電機包括由轉軸、內置或配置於電機的常規電子電路、常規磁性材料製作的圓周表面設置有P個齒的轉子和由帶齒的電樞鐵芯及線圈繞組構成的定子、電樞鐵芯面向轉子圓周表面的齒，線圈繞組導線環繞齒布線，其特徵在於所述轉子的齒與齒之間固連有P個同極向排布的條形永磁極，轉子齒與永磁極按m間距面向電樞鐵芯交替排布，P＝12～180。
還包括電機電樞鐵芯的圓周表面有比常規電機多數倍的線槽和齒，所述的線槽和齒以電機轉子的齒數或磁極數P為基準，可設置T個線槽間的齒，T＝2～18P，T為偶數。例如選擇P＝20，T＝120。兩個相鄰齒的平均可距N(即齒中心線之間的間距)為一對齒槽位，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軸傾斜小於15°機械角度的斜形齒，線圈導線在線槽內環繞齒布線形成線圈繞組。
所述的轉子齒和永磁極的長度基本相同(沿Z線即轉軸線方向)，所述的轉子齒和永磁極沿Z線的結構截面可以是扇性、矩形、半圓形或其它任意形狀。轉子齒沿X線的平均寬度D1與永磁極沿X線的平均寬度D2的關係為D1＝0.5～1.5D2。轉子齒及永磁極的高度H(沿Y線)與電機設計功率W相關，一般選取的經驗參考數據為W≤10kw時H＝0.5-5mm，W＝10～200kw時H＝1.5-15mm，W≥200kw時H＝3-50mm。所述的P個永磁極按m間距與P個轉子齒交替密集排布，其間距m與配套設計的電樞鐵芯圓周表面X-X』線相鄰兩齒的平均間距N相關，m＝0.3-0.8N。並且該間距m的空間可用環氧樹脂全部填充，可起到進一步固連磁極及減少電機噪音的雙重效果。上述轉子2D1、D2、m的示意圖及電樞鐵芯相鄰兩齒中心線間距N的示意圖詳見附圖6-a和附圖6-b所示。
所述的圓周表面帶P個齒的轉子，在轉子齒的齒與齒之間固連有同極向排布的條形永磁極，P個永磁極與P個轉子齒按間距m交替密集排布，永磁極的表面場強大於6000高斯。該表面帶齒及磁極同向排布結構特徵的轉子在旋轉式電機中既可製作為內轉子，如圖7-a和圖7-b所示，示圖中2P＝60(30個轉子齒及30個同極向排布的磁極)，其結構排布沿X-X』線和Y-Y』線的展開圖如附圖8-a所示，其磁通量密度分布示意圖如附圖8-b所示；也可製作為外轉子形式，如圖9-a和圖9-b所示。
在本發明提供的一種永磁極同向排布的帶齒轉子的表面空間，與常規電機相比形成了磁極排布大一至兩個數量級的密集變化分布表面磁場。與常規設置P＝4的電機轉子相比較(其磁通密度分布示意圖詳見附圖5所示)，其特徵之一是表面磁路遠遠比常規電機磁區分布的磁路要短，矢量分布更有利於繞組線圈沿磁力線截面做有用功的效率。特徵之二是磁極同極向相間於轉子齒以特定的m間距交替密集排布，因此處於兩同極向磁極之間的轉子齒，由於磁通量密集分布可視作兩個同向磁極之間的一個反極向等效磁極，該同向磁極與轉子齒相間交替密集排布的結果，靜態時等效於N極和S極的交替排布。重要的是，該轉子齒等效反磁極的磁力線空間分布本質僅僅是一種導磁通途，容易通過變化轉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相對位移也會影響該轉子齒等效反磁極的磁力線空間分布。當電樞鐵芯的線圈繞組改變為繞齒線圈時，電樞鐵芯表面的齒可等效視為一個動態微磁極，該微磁極與轉子齒等效反磁極將在動態運行中大大加強電機內磁空間的磁通量變化率。在永磁極與轉子齒的交替排布中設置特定的間距m以及D1D2的選擇範圍，正是為了加強電機在運行中的這種磁相互作用引起的磁通量變化率。因此，當電樞鐵芯線圈繞組以同樣速率掃過本發明大數同極向磁極與轉子齒交替排布的表面磁區時，所獲得的磁通量變化率要比通過NS極向相對變化較小的常規電機要大得多，從而使電機獲得能量倍增效果。
所述的繞齒線圈繞組，其中最簡單的單相繞組導線環繞齒沿電樞鐵芯圓周連續布線結構，如圖10所示，表示的是該繞組導線沿X-X』線和Y-Y』線的展開示圖。線圈導線環繞齒連續布線的特點為繞齒1/2圈、再沿下一個齒反向繞齒1/2圈，當繞組導線環電樞鐵芯圓周繞滿一周回到始點槽時，可繼續繞第2、3……周，直到線槽口繞滿線或已達到所設計線圈匝數為止，線圈匝數和感生電動勢的正比關係與常規電機的倍增原理相同。
另一種兩相繞組導線環繞齒沿電樞鐵芯圓周的連續布線方法展開圖，如圖11所示，特點為線圈導線繞齒3/4圈、相隔兩個槽(或3個齒)再同向繞齒3/4圈沿電樞鐵芯圓周表面連續布線形成線圈繞組。
第三種線圈繞組為三相繞組導線環繞齒沿電樞鐵芯圓周的連續布線方法展開圖，如圖12所示，特點為線圈導線繞齒3/4圈、相隔4個槽(或5個齒)再同向繞齒3/4圈沿電樞鐵芯圓周表面連續布線形成線圈繞組。如此類推組成多相電機的線圈繞組。
第四種線圈繞組為兩根、三根或k根線導線環繞齒沿電樞鐵芯圓周的連續布線結構，其展開圖如圖13、14所示。其中雙線並行沿電樞鐵芯圓周表面繞齒形成單相繞組的連續布線結構展開圖，如圖13所示；雙線並行沿電樞鐵芯圓周表面繞齒形成雙相繞組的連續布線結構展開圖，如圖14所示，如此類推形成k線並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繞組結構如圖15所示，其中導線環繞某個齒繞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形成同一相線圈繞組。該串聯線圈繞組結構與常規電機的線槽線圈串聯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或小於m的正整數。
所述的線圈繞組特徵與已有技術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構與常規電機的布線特徵不同，常規電機電樞鐵芯中線槽的作用用於放置成組的繞組線圈，通過連接線把不同槽的線圈串聯相連成同一相的繞組。本發明提供的一種與轉子齒和永磁極交替排布轉子表面磁場相適應的繞組結構特徵為線槽的作用並非用於放置成組的繞組線圈，而是作為環繞齒布線的通道，繞組線圈的導線環繞n個齒沿電樞鐵芯的圓周表面連續布線形成繞組，n為小於T的正整數。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。由於本發明的繞組線圈特點是環繞齒布線並且齒數T為大數，由此帶來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，亦可繞齒形成線圈後再將不同齒的若干個繞齒線圈串聯形成同一相繞組。
本發明的優點在於由於本發明電機採用了轉子齒與同極向永磁極相可排布的轉子結構，其表面磁場與電樞鐵芯繞齒線圈的動態激發磁場更易產生穩定分布的互激諧振，其輸出能量一般比同樣材耗的常規電機大50％以上。同時，由於所設計的轉子齒由常規磁性材料製作，使本發明電機使用永磁材料的用量減少約50％，由於常規磁性材料的價格比永磁材料(如釹鐵硼)低得多，從而使電機製作成本也得到下降。由於電樞鐵芯圓周表面齒數T和配合磁激諧振的磁極數及(轉子齒)等效反向磁極數遠比常規電機高出一至兩個數量級，因此運用本發明方法原理製作的發電機在同樣的轉子轉速情況下，在線圈繞組兩端輸出的是頻率比常規電機高出一至兩個數量級的高頻交流電，此輸出電流頻率特徵與常規輸出50周的發電機有所不同。例如當2P＝60，電機轉速為3000轉/分(50轉/秒)時，輸出的是頻率為1500周的交流電，從而有效適應很多應用領域對高頻電流和特殊波形電流的需求。實用時如非應用高頻交流電，可通過內置或外配的電路，通過整流、濾波、變頻等常規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50周交變電流的配屬儀器製作成本。
與常規50周頻率的電機相比，由於本發明電機的內置轉子磁極數P和電樞鐵芯齒數T均高出一至兩個數量級，可以通過繞組布線的不同方法形成比常規電機更豐富多彩的相位分布，為電子電路控制電機運行狀態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製技術的熱點。
下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細的說明圖1是P＝2、T＝12P的常規內轉子旋轉式電動機的側視簡2表示對圖1中常規電動機內部結構的展開3表示另一種P＝2、T＝6P的常規內轉子旋轉發電機的側視簡4表示圖3中常規旋轉發電機沿X-X』和Y-Y』線的展開5表示常規P＝2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°表示電機轉子2旋轉一周的機械角度。
圖6-a為本發明提供的一種由常規磁性材料製作的帶齒轉子2的圓周表面側視剖面圖，重點示意環形轉子組件3的m、D1、D2、H以及磁極排布特點。
圖6-b為電樞鐵芯4的側視剖面圖，重點示意相鄰兩齒平均間距N。
圖7-a和圖7-b為本發明提供的一種由P個永磁極7與P個轉子齒8形成環形轉子組件3在旋轉電機中的剖面分布示意圖，2P＝60。圖中轉子組件3僅標列90°機械角度15個轉子齒及磁極的交替排布，其餘270°機械角度磁極排布相同，重點示意內轉子電機中轉子齒8與同極向設置的磁極7交替密集排布的結構。
圖8-a為圖7方案設計的電機沿X-X』線和Y-Y』線的展開示意圖，重點示意環形轉子組件3中的永磁極7與轉子齒8交替排列的特點和結構。圖中轉子組件3僅標列轉子齒8與永磁極7在兩側的排列，示意每12°機械角度設置一個同極向的永磁極或轉子齒，中間空白未標列部分的磁極與轉子齒排布情況相同。圖中N和S表示永磁極的磁極向。
圖8-b為圖7方案設計的電機中轉子組件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°表示電機轉子2旋轉一周的機械角度。
圖9-a和圖9-b為本發明在外轉子旋轉式電機的側視簡圖，重點示意永磁極7同極向與轉子齒8在外轉子中的交替排布結構。
圖10～12所示的是線圈導線沿電樞鐵芯4圓周表面的線槽5和齒6進行繞齒布線的一種示意結構，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所示的是線圈導線雙線並行沿電樞鐵芯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一種示意結構，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形成同一相線圈繞組的一種結構示意圖。
圖面說明如下1、11-轉軸 2、12-轉子3、13-圓環形永磁轉子組件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-轉子表面齒
A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4---重疊繞組線圈實施例1按圖7-a製作一臺內轉子發電機，該電機內轉子2的外圓周上具有28個轉子齒8，轉子齒8的齒與齒之間交替排布有28塊釹鐵硼單體7，轉子齒8和釹鐵硼磁極之間的間距全部為m＝1.2mm，28個磁極單體7與常規磁性材料製作的28個轉子齒8交替均勻分布固連在一體組成轉子2，永磁材料單體7的N極全部面向電樞鐵芯。其中構成永磁單體7沿旋轉軸方向的長度與常規磁性材料製作的轉子齒8組件長度相同，其截面為矩形，厚度1mm，轉子齒8寬度為永磁極7寬度的0.9，磁極單體7的表面磁場強度為7500高斯，設計電機功率為3000瓦左右。本實施例中的旋轉式單相發電機，其結構剖面示意圖見附圖7-a，電機轉子永磁單體7的組合結構沿X-X』線和Y-Y』線的展開示意圖見附圖8-a，電樞鐵芯4表面的齒6為矩形齒，齒數T＝112，齒寬與線槽寬相同，環繞齒布線的線圈繞組方法見附圖10。該電機當輸入3000轉/分的轉矩時，可在單相繞組兩端獲得輸出1400周交流電，其輸出電壓取決於電樞鐵芯圓周表面的繞齒線圈繞組匝數。用本實施例製作出的發電機，通過內置或配置於電機的常規電子電路，機械能和電能的轉換效率一般可製作至88％以上，與同樣材耗的常規電機相比，能量體積比或能量重量比均可達到常規電機的1.5倍以上。
實施例2本實施例提供一外轉子形式的旋轉式單相發電機，基本數據和其它結構均與實施例1相同，只是外轉子的環形永磁材料組件在內圈，如附圖9所示。繞組方法與實施例1相同，其展開圖如附圖8-a所示。本實施例亦可達到實施例1所述的效果。
實施例3在另一種運用本發明的單相旋轉電動機常規實施例中，以實施例1所述的單相內轉子電機為基礎，通過電子開關線路為電樞盤中的單相繞組兩端提供波形特徵與之相適應的1400周交流電源，使磁性材料製作的電機轉子獲得扭矩。
運用本實施例製作出的高頻電動機，其電能與機械能的轉換效率一般可製作至88％以上，重量比能量一般可達3-6kg/kw，能量重量比可達到常規電動機的1.5倍以上。
實施例4在一種常規運用本發明的單相旋轉電動機實施例中，以實施例2所述的單相外轉子電機為基礎，通過電子開關線路為單相繞組兩端提供波形特徵與之相適應的1400周交流電源，使磁性材料製作的電機轉子獲得扭矩。
運用本實施例亦可達到實施例3所述的效果。
實施例5在一種運用本發明原理的旋轉式兩相發電機實施例中，採用實施例1所述的內轉子形式，常規磁性材料製作的內轉子2的外圓周表面設置有30個齒S，齒與齒之間相隔有30個同極向排布的永磁極7，轉子齒8和永磁極7共同組成環形永磁材料組件3，電樞鐵芯4圓周表面的雙相繞組方法見附圖11。
本實施例的有關數據選取設計電機功率為50Kw，電樞鐵芯4內圓周表面設置有T形齒6，齒數T＝120。永磁極沿旋轉軸方向的長度與常規磁性材料製作的轉子齒長度相同，截面為梯形，與常規磁性材料轉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。永磁極的表面磁場強度為8500高斯。轉子齒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，轉子齒8與永磁極7之間排布的間距2.0mm，30個永磁極與轉子齒沿電機轉子2圓周表面交替均勻分布。
該電機當輸入3000轉/分的扭矩時，可在兩個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，其輸出電壓取決於電樞鐵芯圓周表面的繞齒線圈繞組匝數。用本方法製作出的發電機，機械能與電能的轉換效率一般可製作至88％以上，與同樣材耗的常規電機相比，能量體積比和能量重量比均可達到常規電機的1.5倍以上。
實施例6在一種運用本發明的旋轉式兩相發電機常規實施例中，選用實施例5的基本數據，但設計為外轉子形式，外轉子2的常規設計方法與常規方法相同。所不同的是外轉子的環形永磁材料組件在內圈，如附圖9所示，兩相繞組選用雙線並行繞齒的方法，其展開圖如附圖14所示。在並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』。
本方法實施例亦可達到實施例5所述的效果。
實施例7在另一種常規運用本發明的兩相旋轉電動機實施例中，以實施例5所述的兩相電機為基礎，通過電子開關線路為電樞盤中的兩相繞組提供1500周的交流電源，該兩相電源的相位分布應與本實施例的電機設計特徵相匹配，使磁性材料製作的電機內轉子獲得扭矩。
運用本實施例製作出的電動機，其電能與機械能的轉換效率一般可製作至88％以上，重量比能量一般可達3-6kg/kw，能量比重量可達到常規電動機的1.5倍以上。
實施例8在又一種運用本發明的單相旋轉電動機常規實施例中，以實施例6所述的兩相電機為基礎，通過電子開關線路為電樞盤中的兩相繞組提供1500周的交流電源，該兩相電源的相位分布應與本實施例的電機設計特徵相匹配，使磁性材料製作的電機外轉子獲得扭矩。
運用本實施例製作出的電動機，亦可達到實施例7所述的效果。
實施例9在一種常規運用本發明的旋轉式三相發電機實施例中，電機轉子2為外轉子形式，外轉子2的內圓周表面設置有齒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，其結構剖面示意圖見附圖9，電機轉子2沿X-X』線和Y-Y』線展開的示意圖見附圖8-a(方位相反)，繞組方法見附圖12。
有關數據選取設計電機功率為200kw左右。構成電機轉子齒8的齒數和永磁極數均為P＝44，電樞鐵芯4的齒數T＝264。永磁極7沿旋轉軸方向的長度與轉子齒8相同，截面為扇形，扇形截面的上弧邊與普通磁性材料製作的轉子內圈固連，下弧邊面對電樞鐵芯4，下弧邊長為上弧邊長的0.618，厚度11mm。轉子齒8的截面形狀大小與永磁極7向同。永磁材料的表面磁場強度為9000高斯，轉子齒和永磁極等間距6mm，44個永磁極7與44個轉子齒8沿電機轉子2的內圓周表面交替均勻分布。
當電機輸入2400轉/分的轉矩時，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，其輸出電壓取決於電樞鐵芯圓周表面的繞齒線圈繞組匝數。用本方法製作出的高頻發電機，機械能和電能的轉換效率一般可製作至88％以上，與同樣材耗的常規電機相比，能量體積比和能量重量比均可達到常規電機的1.5倍以上。
實施例10在又一種運用本發明的三相旋轉電動機常規實施例中，以實施例9所述的三相電機為基礎，通過電子開關線路為電樞盤中的三相繞組提供1760周的交流電源，該三相電源的相位分布應與本實施例的電機線圈繞組設計特徵相匹配，使磁性材料製作的電機外轉子獲得扭矩。
運用本原理方法製作出的電動機，電能與機械能的轉換效率一般可製作至87％以上，能量體積比和能量重量比均可超過常規電機的30％以上。
權利要求
1.一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，包括轉軸、內置或配置於電機的常規電子電路、常規磁性材料製作的圓周表面設置有P個齒的轉子和由帶齒的電樞鐵芯及線圈繞組構成的定子；電樞鐵芯面向轉子圓周表面的齒，線圈繞組導線環繞齒布線，其特徵在於所述轉子的齒與齒之間固連有P個同極向排布的條形永磁極，轉子齒與永磁極按m間距面向電樞鐵芯交替排布，P＝12～180。
2.按權利要求1所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的定子由帶齒的電樞鐵芯及線圈繞組構成，電樞鐵芯面向轉子圓周表面的齒的截面為矩形、T形或其它變形形狀，線圈繞組導線環繞齒布線。
3.按權利要求1所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的與帶齒轉子固連的P個永磁極的表面磁場強度大於6000高斯，磁極與轉子齒交替排布的間距m與配套設計的電樞鐵芯圓周表面齒的平均間距N相關，m＝0.3-0.8N。
4.按權利要求1所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的按m間距交替排布的p個轉子齒和P個永磁極，其沿轉軸方向的長度相同，截面形狀可以是扇形、矩形、半圓形或其它形狀。
5.按權利要求1所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的交替排布的轉子齒平均寬度D1及永磁極平均寬度D2的關係為D1＝0.5～1.5D2。
6.按權利要求1所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的與轉子齒按m間距交替排布的p個永磁材料單體，其沿轉子圓周徑向的高度H與電機功率W有關，當W≤10kw時H＝0.5～5mm，W＝10～200kw時H＝1.5～15mm，W＞200kw時H＝3～50mm。
7.按權利要求2所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的帶齒電樞鐵芯的齒數T＝2～18P，T為偶數；線圈導線在線槽中環繞n個齒沿電樞鐵芯圓周表面連續布線，n為小於T的正整數，其中線圈導線為一根或k根線導線環繞齒沿電樞鐵芯4圓周的連續布線結構，k＝2-30根。
8.按權利要求7所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的線圈導線在線槽中環繞n個齒沿電樞鐵芯圓周表面連續布線，或導線環繞某個電樞鐵芯表面齒繞L圈形成該繞齒線圈，與相隔G個齒的另一個同樣繞齒線圈串聯形成同一相線圈繞組，其中L＝1-200，G為0或小於m的正整數，所述的線圈繞組為一根或K根導線，K＝2-30根。
9.按權利要求1或2所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的帶齒的轉子及電樞鐵芯圓周表面的齒，沿轉軸平行線方向是0°機械角度，或是呈小於15°的機械角度的斜形齒。
10.按權利要求1或2所述的一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機，其特徵在於所述的由p個永磁極與P個轉子齒按m間距交替排布的轉子永磁組件結構設置在面對電樞鐵芯的外圓周表面，或設置在面向電樞鐵芯的內圓周表面。
全文摘要
本發明涉及一種轉子具有同向磁極排布結構的旋轉電機,包括:轉子設置有P個齒,齒與齒之間固連有P個同極向排布的條形永磁極,轉子齒和磁極按m間距面向電樞鐵芯交替排布,線圈導線沿電樞鐵芯面向轉子的圓周表面連續布線形成繞組,和內置或配置於電機的常規電子電路。該電機可獲得效率在85%以上的電能和機械能雙向控制轉換。與同樣材耗的常規電機比較,能量輸出大30%以上。
文檔編號H02K1/27GK1375907SQ01109809
公開日2002年10月23日 申請日期2001年3月16日 優先權日2001年3月16日
發明者劉粵榮 申請人:劉粵榮