交流闭合感应电机的制作方法

本发明涉及一种电机，尤其是具有闭合电磁场的交流闭合感应电机。

背景技术：

1、现有各种交流电机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置，它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的。

2、三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场(定子绕组内三相电流所产生的合成磁场)和转子电流转子绕组内的电流)的相互作用，当定子的对称三相绕组连接到三相电源上时，绕组内将通入对称三相电流，并在空间产生旋转磁场，磁场沿定子内圆周方向旋转，当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电动势e，由于电动势e的存在，转子绕组中将产生转子电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力f(其方向由左手定则定)，该力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩的作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩作用，便按旋转磁场的旋转方向旋转起来。但是，转子的旋转速度n恒比旋转磁场的旋转速度n0(称为同步转速)小，因为如果两种转速相等，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁通，便不能产生感应电动势和电流，也就没有电磁转矩，转子将不会继续旋转。因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。

3、开关磁阻式电机是交流电机，在转子旋转时，磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以，该电动机的定、转子均采用双凸极结构，并用硅钢片叠制而成。在每个定子磁极上都装有简单的集中绕组，并把径向相对的两个定子磁极上的绕组以串联或并联的方式构成一相。在转子上无任何绕组，也无永磁体。按照电动机的相数，可分为奇数相和偶数相。按照电动机的磁路结构，可分为两极型长磁路结构和四极型短磁路结构。按照电动机的通电励磁模式，有单相励磁和多相励磁之分。

4、同步磁阻电动机本质是一种具有磁阻性质的同步电机，其运行原理与开关磁阻电动机相似，与传统的交、直流电动机有着根本的区别，它不像传统电动机那样依靠定、转子磁场相互作用形成转矩，而遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩，这种转矩叫做磁阻转矩。而有别于开关磁阻电动机的定子开关旋转磁场，同步磁阻电动机的定子磁场为正弦波旋转磁场。同步磁阻电动机定子一般采用传统三相交流电动机的定子结构，但其转子结构比较特殊，转子上开有很多槽。特殊的转子结构实现同步磁阻电动机交、直轴磁路巨大的磁阻差异，呈现强烈的凸极性，从而产生磁阻性质的驱动转矩。同步磁阻电动机的定子一般采用的是传统的三相交流电动机的定子结构。区别主要在转子结构上。随着技术的发展，同步磁阻电动机的转子结构不断的在演变，现阶段转子的结构形式主要有两种，横向叠片形式(tla)和轴向叠片各向异性形式(ala)，ala结构由高导磁材料与非导磁绝缘材料沿轴向交替叠压而成，具有非常强烈的凸极性，因此转矩密度和功率因数都较高，但是工艺复杂，制造不便。tla结构采用传统的冲制与叠压工艺，转子结构简单，机械强度高，生产成本低。但是相对来说凸极性不如ala结构强烈，因此转矩密度和功率因数较ala结构有所不如。同步磁阻电机本质同步磁阻电动机是一种具有磁阻性质的同步电机，其运行原理遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩。与传统直流电动机相比，同步磁阻电动机没有电刷和环，简单可靠，维护方便，与传统交流异步电动机相比，同步磁阻电动机转子上没有绕组，则没有转子铜耗，提高了电机的效率，与开关磁阻电机相比，同步磁阻电动机转子表面光滑、磁阻变化较为连续，避免了开关磁阻电机运行时转矩脉动和噪声大的问题，同时同步磁阻电动机定子为正弦波磁场，控制简单，硬件平台成熟，从而降低了驱动控制系统的成本费用，与永磁同步电机相比，同步磁阻电动机转子上没有永磁体，成本更低，无弱磁难和失磁的问题，长期使用效率更稳定。

5、现有各种无刷直流电机，都不是真正意义上的直流电机，这些所谓的直流电机仅仅是输入电流为直流，且并不稳定，有刷直流电机和无刷直流电机的电机内部磁电工作过程和工作原理都是交流电磁场，所以这些所谓的直流电机依然存在变压器中必然存在的铁损和铜损，由于铁损和铜损的存在，使得有刷直流电机和无刷直流电机在高速转动时能量损失很大，并且发热严重，所以很难超高速运行。现在所有电机和直流电机都是依据法拉第电枢式发展起来的，直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。导体受力的方向用左手定则确定。无刷电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。无刷电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同.在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等).绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同.可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷电动机也叫做永磁无刷直流电动机。有刷电动机的2个铜刷或者碳刷是通过绝缘座固定在电动机后盖上直接将电源的正负极引入到转子的换相器上，而换相器连通了转子上的线圈，3个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的2块磁铁形成作用力而转动起来。由于换相器与转子固定在一起，而刷与外壳(定子)固定在一起，电动机转动时刷与换相器不断的发生摩擦产生大量的阻力与热量。所以有刷电机的效率低下损耗非常大。但是它同样具有制造简单，成本低廉的优点。

6、由于电机电枢回路电阻和电感都较小，而转动体具有一定的机械惯性，因此当电机接通电源后，起动的开始阶段电枢转速以及相应的反电动势很小，起动电流很大。最大可达额定电流的15～20倍。这一电流会使电网受到扰动、机组受到机械冲击、换向器发生火花。因此直接合闸起动只适用于功率不大于4千瓦的电动机(起动电流为额定电流的6～8倍)为了限制起动电流，常在电枢回路内串入专门设计的可变电阻，广泛应用于各种中小型直流电动机中。但由于起动过程中能量消耗大，不适于经常起动的电机和中、大型直流电动机。但对于某些特殊需要，例如城市电车虽经常起动，为了简化设备，减轻重量和操作维修方便，通常采用串电阻起动方法。对容量较大的直流电动机，通常采用降电压起动。即由单独的可调压直流电源对电机电枢供电，控制电源电压既可使电机平滑起动，又能实现调速。此种方法电源设备比较复杂。

7、无刷电机的控制结构，无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响，n＝120.f/p。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。空心杯电机的线圈看上去像一个水杯，所以叫空心杯，空心杯电动机作为一种直流电动机，在结构上突破了传统电机的转子结构形式，其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电动机所无法达到的控制和拖动特性。无铁芯转子，这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。节能特性能量转换效率很高，其最大效率一般在70％以上，控制特性起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，(铁芯电动机一般在100毫秒以上)；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2％以内。另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2。由于空心杯电动机克服了有铁芯电动机不可逾越的技术障碍，而且其突出的特点集中在电动机的主要性能需要快速响应的随动系统。如导弹的飞行方向快速调节，高倍率光驱的随动控制，快速自动调焦，高灵敏的记录和检测设备，工业机器人，仿生义肢，航模等，但由于空心杯电机的线圈生产工艺极其复杂，生产自动化程度远不如铁芯电动机，导致其生产成本高，劳动力成本高，而且对操作者的技能水平要求高。给大规模生产带来很多困难和限制，由于空心杯电机的线圈只能做的很薄，所以只能在微型电机领域应用，扭力小功率低，一般功率只有几瓦，最大也就几百瓦，而新能源电车电机一般都在几十千瓦以上。

技术实现思路

1、现有交流电动机因其结构较为简单，价格低廉，广泛应用于各行各业中，是世界上使用最为广泛的电动机，全球大部分发电量都是通过交流电动机消耗掉的，因此，交流电动机的能效十分重要，我国使用的大部分交流电动机都是低于三级能效的低效电动机，小功率交流电动机的能效普遍低于百分之八十，但即使是一级能效的小型交流电动机也不超过百分之九十，只有大功率一级能效交流电动机的效率能够达到百分之九十七，但成本高难以推广应用，现有交流电动机体积笨重，能效低的主要原因主要是定子导线绕组是开放性导线绕组，在原始设计上就存在缺陷，为了方便转子的安装，导线绕组二端以半圆环避开转子端面，因此，这种导线绕组的电磁场都不是闭合的，二端是开放电磁场，导致对转子的感应效果很差，其次，因为导线绕组要铁芯支撑同时增强感应磁场，限制了导线绕组的使用密度，这种开放性的布线方式带来的不利后果，一是，大幅增加了铁芯涡电流铁耗，二是，限制了导线使用量，限制了导线电阻的降低，从而也限制了电机功率，三是，导线绕组二端冗余导线几乎达到一半，这相当于增加了一半的电阻铜耗，四是导线绕组二端冗余导线成半圆环绕开转子，在转子二端形成无用的轴向变化磁场，从而在转子铁芯中产生不必要的电涡流铁耗，同时也在转子二端短路环中产生环电流增加了铜损耗，五是，为了避免导线绕组二端冗余导线太多的不利效果，通常转子的长度要远大于直径，而交流电动机普遍使用的是50赫兹工频电源，在转速被限定的情况下，增加转子的直径就是增加电机输出动力和功率的最好方法，六是，因为转子的长度要远大于直径，转子的铝条或铜条就要做的长一些，这又增加了转子的电阻，也增加了铝条或铜条的应力形变，七是，电感体的最佳形状是圆柱形，其次是正方形，最差是长方形，宽度与厚度的比值越大，电感效果也就越差，而现有交流电机的绕线方式恰恰是最差的长方形。总结，现有交流电动机的导线绕组为了避开转子，不得不将导线绕组二头绕成半圆环，形成开放电磁场，也不得不采用铁芯定子来固定导线绕组，同时用铁芯定子补偿开放电磁场的磁场损失，综上所述，现有交流电动机一系列问题的根本原因是导线绕组为开放电磁场。本来完美的导线绕组一定是闭合电磁场，需要做的是如何让闭合电磁场的导线绕组绕开转子的输出轴，而不是绕开整个转子。

2、为了克服现有交流电动机的不足，提高交流电动机的能效和功重比，本发明针对现有交流电动机的缺点，采用闭合电磁场的导线框，导线框的电流方向沿着所述感应体的轴向和端面环绕，形成闭合感应磁场，导线框把整个转子感应体套在里面，只需要避开轴杆就行，而不是避开整个转子端面，通过机壳来固定导线框，甚至可以不用铁芯定子，实现低电阻，高功重比，输出扭力大，高能效的目的。

3、为实现上述目的，本发明所采取的第一种技术方案：包括转子、机壳、、导线框、轴承，其特征在于：所述的转子包括轴杆和感应体，所述的轴杆与所述的感应体紧密连接，所述的感应体与所述的轴杆同轴线配装，所述轴杆的一端作为动力输出轴，所述的机壳是支撑导线框和转子的固定件，所述的机壳呈筒形或是筒形架构，一端或二端有盖，所述机壳二端的中心有轴承座，所述转子的轴杆安装有轴承，所述的轴承套装在所述机壳二端中心的轴承座中，所述的导线框是矩形导线绕组，或是圆环形导线绕组，所述的导线框有二相或三相，所述二相或三相以一定角度沿着转子圆周分布，所述导线框的电流方向沿着所述感应体的轴向和端面环绕，形成闭合感应磁场，所述的导线框与感应体之间有旋转间隙，所述的机壳和所述的导线框固定不动，所述的导线框通以交流电形成旋转磁场，在所述的感应体中产生闭环电流和径向磁场，旋转磁场拖动所述的感应体在所述导线框之中相对转动。

4、本发明所采取的第二种技术方案：包括转子、机壳、导线框、轴承、定子，其特征在于：所述的转子包括轴杆和感应体，所述的轴杆与所述的感应体紧密连接，所述的感应体与所述的轴杆同轴线配装，所述轴杆的一端作为动力输出轴，所述的机壳是支撑定子和转子的固定件，所述的机壳呈筒形或是筒形架构，一端或二端有盖，所述机壳二端的中心有轴承座，所述转子的轴杆安装有轴承，所述的轴承套装在所述机壳二端中心的轴承座中，所述的导线框是矩形导线绕组，或是圆环形导线绕组，所述的导线框套有定子，所述的定子有圆口，所述的定子套着所述的感应体，所述定子的轴向高度等于或大于所述感应体的轴向高度，所述的定子的圆口与感应体之间有旋转间隙，所述的导线框有二相或三相，所述二相或三相以一定角度沿转子圆周分布，所述的导线框套着所述的感应体，所述导线框的电流方向沿着所述感应体的轴向和端面环绕，形成闭合感应磁场，所述的导线框通以交流电形成旋转磁场，在所述的感应体中产生闭环电流和径向磁场，旋转磁场拖动所述的感应体在所述定子的圆口之中相对转动。

5、所述的感应体是铝制或铜制鼠笼结构，套有硅钢叠叠片铁芯，加上轴杆就形成鼠笼式转子，所述的鼠笼结构包括铝导条和铝短路环，或铜导条和铜短路环，所述的铝导条或铜导条相对于轴杆平行或倾斜，或是，所述的感应体由铝圆筒，套有硅钢叠片铁芯，又或是，所述的感应体是硅钢叠片铁芯，所述硅钢叠片铁芯开有若干个v形隔磁槽，所述隔磁槽中或嵌有永磁体，所述的感应体的直径等于或大于高度。

6、所述的机壳呈筒形或是筒形架构，所述的筒形架构是指机壳只有最基本的筒形受力骨架，没有封闭面的开放结构。所述机壳的材质可以是一种或多种材质组合，一般是铸铁或铝合金。

7、所述的导线框有三相，所述的定子是正六边形硅钢叠片铁芯，中间有圆口，三相导线框沿着六边形定子周边呈星形相互交叉，120度均匀分布，每一相导线框都分为二组，二组导线框平行分布在所述的轴杆二边，所述的三相导线框的线端按照三相异步感应电机的星形接法连接，或是按照三角形接法连接，所述的机壳呈正六边形筒，有前端盖和后端盖，所述机壳二端的中心有轴承座，所述机壳内壁六个面的中线有轴向凸条，或是，所述定子六个面的中线上有轴向凸条，所述轴向凸条的宽度等于或大于轴杆的直径，所述的轴向凸条处于相邻的二组导线框之间。

8、所述的导线框有u、v、w三相，每一相导线框有二组，每一组又有若干个线框，所述的u、v、w三相，每一个线框沿着六边形定子的周边呈星形相互交叉套装。即u相绕完第一圈后，v相绕第二圈，之后，w相绕第三圈，然后，u相接着绕第四圈，v相绕第五圈，w相绕第六圈，依次类推。这样的好处是消除u、v、w三相导线框在端面的间隙差异带来的感应强度差异。

9、所述的导线框有三相，三相导线框分别套着三个t形硅钢叠片铁芯定子，三个弧形硅钢叠片铁芯定子，三个弧形硅钢叠片铁芯定子组合成一个有内圆口的定子，所述定子的内圆口套着所述的转子，所述的三相导线框的线端按照三相异步感应电机的星形接法连接，或是按照三角形接法连接，所述的机壳呈等边三角形筒，或是，由三个长等边面和三个短等边面构成的六边形筒，有前端盖和后端盖，所述机壳二端的中心有轴承座，所述机壳三个内角有固定角，所述的固定角呈倒立的等腰三角棒形，所述的固定角处于相邻的二组导线框之间，或是，所述的机壳由三角形骨架和三角形筒构成，所述的三角形骨架由二个等边三角形盖板和三个等腰三角形棒或是三个菱形棒构成，所述的二个等边三角形盖板中心有轴承座，所述等边三角形盖板的三个角有螺丝孔，所述的等腰三角形棒二端中心有螺丝孔，有螺栓连接二个等边三角形盖板和三个等腰三角形棒。

10、本电机安装方式有卧式和立式二种，所述的安装方式是卧式时，所述机壳的底面有机座框，所述的机座框有螺丝孔，所述的安装方式是立式时，所述机壳的前端有机座框，所述的机座框有螺丝孔，所述机壳的侧面设置有导线引出孔和螺丝孔，所述的后盖有接线桥和绝缘线盒，所述机壳外表面有散热片，所述散热片呈轴向分布，所述的轴杆从后盖伸出连接有散热风扇，所述后端盖有风扇罩，或是，所述的后端盖设置有导线引出孔和螺丝孔，所述的后端盖有接线桥和绝缘线盒。

11、所述的导线框是三相多组时，多组三相导线框的电磁场排列方式，是二极磁场排列，或是四极磁场排列，或是六极磁场排列，或是八极磁场排列。

12、所述的导线框用环氧树脂凝固加强结构。

13、在所述感应体二边的轴杆上有台阶，或是有卡槽和卡簧，用以固定轴的位置。

14、所述的导线框是圆环形导线绕组时，所述的感应体是铝制或铜制球形鼠笼结构，所述的导线框有三相，三相导线框沿着转子圆周呈星形相互交叉，120度均匀分布，每一相导线框都分为二组，二组导线框平行分布在所述的轴杆二边，所述三相导线框的线端按照三相异步感应电机的星形接法连接，或按照三角形接法连接，所述的导线框用环氧树脂凝固加强结构，所述的机壳是二个半圆球合成一个球形，所述半圆球机壳的中心有轴承座，所述机壳内壁有轴向凸条，所述轴向凸条的宽度等于或大于轴杆的直径，所述的轴向凸条处于相邻的二组导线框之间。圆环形导线绕组是感应效果最佳形式，球形闭合感应电机的功率密度最大，缺点就是安装形态不稳定，可应用于风道电机领域，管道电机。

15、本发明的有益效果是：现有交流电动机因其结构较为简单，价格低廉，广泛应用于各行各业中，是世界上使用最为广泛的电动机，全球大部分发电量都是通过交流电动机消耗掉的，因此，交流电动机的能效十分重要，我国使用的大部分交流电动机都是低于三级能效的低效电动机，小功率交流电动机的能效普遍低于百分之八十，但即使是一级能效的小型交流电动机也不超过百分之九十，只有大功率一级能效交流电动机的效率能够达到百分之九十七，但成本高难以推广应用，现有交流电动机体积笨重，能效低的主要原因主要是定子导线绕组是开放性导线绕组，在原始设计上就存在缺陷，为了方便转子的安装，导线绕组二端以半圆环避开转子端面，因此，这种导线绕组的电磁场都不是闭合的，二端是开放电磁场，导致对转子的感应效果很差，其次，因为导线绕组要铁芯支撑同时增强感应磁场，限制了导线绕组的使用密度，这种开放性的布线方式带来的不利后果，一是，大幅增加了铁芯涡电流铁耗，二是，限制了导线使用量，限制了导线电阻的降低，从而也限制了电机功率，三是，导线绕组二端冗余导线几乎达到一半，这相当于增加了一半的电阻铜耗，四是导线绕组二端冗余导线成半圆环绕开转子，在转子二端形成无用的轴向变化磁场，从而在转子铁芯中产生不必要的电涡流铁耗，同时也在转子二端短路环中产生环电流增加了铜损耗，五是，为了避免导线绕组二端冗余导线太多的不利效果，通常转子的长度要远大于直径，而交流电动机普遍使用的是50赫兹工频电源，在转速被限定的情况下，增加转子的直径就是增加电机输出动力和功率的最好方法，六是，因为转子的长度要远大于直径，转子的铝条或铜条就要做的长一些，这又增加了转子的电阻，也增加了铝条或铜条的应力形变，七是，电感体的最佳形状是圆柱形，其次是正方形，最差是长方形，宽度与厚度的比值越大，电感效果也就越差，而现有交流电机的绕线方式恰恰是最差的长方形。总结，现有交流电动机的导线绕组为了避开转子，不得不将导线绕组二头绕成半圆环，形成开放电磁场，也不得不采用铁芯定子来固定导线绕组，同时用铁芯定子补偿开放电磁场的磁场损失，综上所述，现有交流电动机一系列问题的根本原因是导线绕组为开放电磁场。本来完美的导线绕组一定是闭合电磁场，需要做的是如何让闭合电磁场的导线绕组绕开转子的输出轴，而不是绕开整个转子。

16、本发明采用闭合电磁场的平行四边形导线框，导线框的电流方向沿着感应体的轴向和端面环绕，形成闭合感应磁场，电磁感应效果增加几十倍，还可以放弃定子铁芯，通过机壳来固定导线框，导线框把整个转子感应体套在里面，只需要避开轴杆就行，而不是避开整个转子感应体的端面，转子的直径等于或大于高度，综合效率能够达到百分之九十九，重量体积可以减少到现有交流电机的十分之一左右，且工艺制作更简单，生产成本更低。作为新能源汽车电机应用，转速是永磁电机的几倍，能实现超高速旋转，转速可以达到4万转每分钟以上，功率一千千瓦，功率密度几十千瓦每公斤。