不需要换向器的直流电机研究

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摘 要：本文是关于不需要换向器的直流电机新结构。该结构由2个被隔离的互斥的磁场，以及在该磁场中的螺线管线圈所组成。在该线圈中通入直流电流，螺线管将产生与磁场、电流方向垂直的方向运动，形成一种不需要换向器的直流电动机；反之，当螺线管按与磁场垂直方向运动时，螺线管中产生直流电压，连接线圈二端，即可产生直流电流输出。通过结构参数的调整电机的能力将得到极大的拓展。

关键词：电动机；发电机；直流；互斥磁场；无换向器

1 引言

1831年，英国科学家米切尔・法拉第发现了电磁感应原理；1834年，法国莫里茨・雅可比发明了直流电动机；1866年法国冯・西门子发明了自激式直流发电机；1870年，比利时工程师齐纳布・格拉姆发明直流发电机，能够产生大量电能的发电机才得以问世。

电的启动从蓄电池到发电机和电动机，都是从直流开始的。交流电的发展是借助于变压器解决了长距离输电后才盖过了直流电机的光芒。电镀、电冶炼、光电及交流发电机的励磁电源所需的直流电，虽然可以用电力整流元件，把交流电转换为直流电，但从某些工作性能方面来看，交流整流电源还不能完全取代直流发电机。

直流电机的一大缺陷是换向器，换向器由多个换向片组成，分别联接到电枢的各个转子绕组中，转子绕组在磁场中的不同位置切割磁力线，产生的是交变电流，经过换向器将交变电流换向为纯直流电，换向器与电刷接触再将电流输送到外回路产生直流功率。

为了克服上述缺陷，出现了一种单极直流电机。如图1所示，当2个环形励磁线圈通直流电时，电机气隙的整个圆周上将产生单一极性的磁场。当转轴带动圆筒形铜质电枢旋转时，枢轴的两端即产生感生电动势，其方向是固定不变的。此电动势由电刷从电枢两端引出提供电流，无换向问题，但仍然离不开电刷。

2 工作原理

图2、3为这种电机的结构原理图。

如图 2、3所示，该直流电机装置主要由互斥磁场的二组磁极和铁芯中环构成，铁芯中环上绕有线圈。中环 3 两侧相对布置的磁体1和磁体2与中环3所形成的气隙磁场方向与导电线圈4在磁场内的部分相互垂直，且磁体1和磁体2的磁场方向相反相斥。下面先以电动机为例介绍其工作原理，参见图2。

当套在中环3上的导电线圈4通电时，在中环3两侧磁场中的部分导线L1和L2内的电流方向是相反的，而两侧磁场的方向也是相反的，这样根据磁场中载流导线受力的左手定则，左侧磁场给予导线4的作用力恰好是沿着圆周方向并同向，作用力从纸面向前；而对于右侧导线，磁场方向与电流方向二者都与左侧相反，所以按照左手定则，其作用力仍然是从纸面向前。

力的幅值与电流强度I、磁场内的导线长度L1、L2成正比，方向随电流的方向变化而变化；设F1为导电线圈L1部分所受到的磁力，F2为导电线圈L2部分所受到的磁力， B为两侧磁场在导线位置的磁感应强度（假设相同），则根据安培定律，线圈4所受到的合力为：

磁场1和2既可以采用永磁体，也可以采用励磁体。可按此原理设计旋转电机，如果将铁芯中环做成环状定子，永磁体磁场放在转轴上，则就可能创造出无任何滑环电刷的直流电机。与所有电机都是可逆的原理一样，上述直流电动机也可以成为无换向器的直流发电机或无刷直流发电机。

参考图3，此时动力源驱动铁芯中环2移动，引起导电线圈 4 在磁场中L1和L2部分切割磁力线，从而在L1和L2中分别产生感应电动势，并通过导电线圈 4给外界输出电能。

设E为导电线圈4中的总感应电动势，V1为线圈的L1部分的移动速度，V2为线圈的L2部分的移动速度，则根据电磁感应定律，按照右手定则，得：

发电机的功率P=EI，I为线圈内的电流。

按照磁荷理论，可以计算出本结构磁场内各点的磁感应强度B，从而估算线圈所受到的作用力，或者能够发出的电力，用于设计开发实际产品。这里就不作专门的展开了。

3 结构与性能特点

本装置最主要的特点是构造了两个相对独立的磁场，让线圈不同的部分处于不同的磁场中切割磁力线，以达到提供扭矩或产生电力的效果。

显而易见的，通过调整导线在磁场中的长度、受力导线到旋转轴心的距离（力臂）等参数，可以实现电机能力的宽幅变化，适应各种用途之需。

导电线圈4形成一种螺线环的结构，这种状态所产生的磁场主要集中在环内，磁力线近似为同心环，与工作磁场呈垂直的关系，对其影响有限。

与交流异步电动机的原理不同，本装置的电动机输入信号与输出扭矩之间不存在相位差，且扭矩的大小能够独立于转速；严格的直流信号，或各种各样的复杂变化的电流信号都可以驱动本电动机运转，并输出所期望的精确结果。

与目前受到广泛应用的直流发电机的原理不同，本装置没有旋转磁场，不需要换向器，能够实现真正意义上的无刷直流输出，当然也不需要电子整流器，直接供给直流电，适合所有需要直流电的场合，特别是在汽车发电机中。由于当今所有汽车发电机均为交流发电机，须经过整流滤波才能获得直流电，然后才可能向蓄电池供电。

直流电机曾经是最重要的机电能量转换电气设备，但直流电机的结构复杂，制造成本高，效率低，换向器更是“麻烦制造者”，不但易造成磨损和引起火花，降低可靠性，增加维护保养成本，而且产生的碳粉会飘落在电机绕组上，降低电机的绝缘性能。所以直流电机基本上已被带电力电子控制设备的交流电机所取代。然而，如果没有换向器甚至是无刷结构，那么就可以成为一种不带电力电子控制的直流驱动或直流发电装置，在许多场合其性能甚至可能超越交流电机。

此外，尽量减小磁场气隙、采用硅钢片作为铁芯等成熟技术也可以应用到本装置中，发挥出与传统电机同样显著的功效。

参考文献

[1] 程守洙，江之永 普通物理学第二册（第三版），1983

[2] 秦曾煌 电工学下册，1982