摘 要：本文是關(guān)于不需要換向器的直流電機(jī)新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由2個(gè)被隔離的互斥的磁場(chǎng)，以及在該磁場(chǎng)中的螺線管線圈所組成。在該線圈中通入直流電流，螺線管將產(chǎn)生與磁場(chǎng)、電流方向垂直的方向運(yùn)動(dòng)，形成一種不需要換向器的直流電動(dòng)機(jī)；反之，當(dāng)螺線管按與磁場(chǎng)垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺線管中產(chǎn)生直流電壓，連接線圈二端，即可產(chǎn)生直流電流輸出。通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整電機(jī)的能力將得到極大的拓展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；發(fā)電機(jī)；直流；互斥磁場(chǎng)；無(wú)換向器

1 引言

1831年，英國(guó)科學(xué)家米切爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理；1834年，法國(guó)莫里茨·雅可比發(fā)明了直流電動(dòng)機(jī)；1866年法國(guó)馮·西門(mén)子發(fā)明了自激式直流發(fā)電機(jī)；1870年，比利時(shí)工程師齊納布·格拉姆發(fā)明直流發(fā)電機(jī)，能夠產(chǎn)生大量電能的發(fā)電機(jī)才得以問(wèn)世。

電的啟動(dòng)從蓄電池到發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，都是從直流開(kāi)始的。交流電的發(fā)展是借助于變壓器解決了長(zhǎng)距離輸電后才蓋過(guò)了直流電機(jī)的光芒。電鍍、電冶煉、光電及交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源所需的直流電，雖然可以用電力整流元件，把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但從某些工作性能方面來(lái)看，交流整流電源還不能完全取代直流發(fā)電機(jī)。

直流電機(jī)的一大缺陷是換向器，換向器由多個(gè)換向片組成，分別聯(lián)接到電樞的各個(gè)轉(zhuǎn)子繞組中，轉(zhuǎn)子繞組在磁場(chǎng)中的不同位置切割磁力線，產(chǎn)生的是交變電流，經(jīng)過(guò)換向器將交變電流換向?yàn)榧冎绷麟?，換向器與電刷接觸再將電流輸送到外回路產(chǎn)生直流功率。

為了克服上述缺陷，出現(xiàn)了一種單極直流電機(jī)。如圖1所示，當(dāng)2個(gè)環(huán)形勵(lì)磁線圈通直流電時(shí)，電機(jī)氣隙的整個(gè)圓周上將產(chǎn)生單一極性的磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)圓筒形銅質(zhì)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，樞軸的兩端即產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其方向是固定不變的。此電動(dòng)勢(shì)由電刷從電樞兩端引出提供電流，無(wú)換向問(wèn)題，但仍然離不開(kāi)電刷。

2 工作原理

圖2、3為這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。

如圖 2、3所示，該直流電機(jī)裝置主要由互斥磁場(chǎng)的二組磁極和鐵芯中環(huán)構(gòu)成，鐵芯中環(huán)上繞有線圈。中環(huán) 3 兩側(cè)相對(duì)布置的磁體1和磁體2與中環(huán)3所形成的氣隙磁場(chǎng)方向與導(dǎo)電線圈4在磁場(chǎng)內(nèi)的部分相互垂直，且磁體1和磁體2的磁場(chǎng)方向相反相斥。下面先以電動(dòng)機(jī)為例介紹其工作原理，參見(jiàn)圖2。

當(dāng)套在中環(huán)3上的導(dǎo)電線圈4通電時(shí)，在中環(huán)3兩側(cè)磁場(chǎng)中的部分導(dǎo)線L1和L2內(nèi)的電流方向是相反的，而兩側(cè)磁場(chǎng)的方向也是相反的，這樣根據(jù)磁場(chǎng)中載流導(dǎo)線受力的左手定則，左側(cè)磁場(chǎng)給予導(dǎo)線4的作用力恰好是沿著圓周方向并同向，作用力從紙面向前；而對(duì)于右側(cè)導(dǎo)線，磁場(chǎng)方向與電流方向二者都與左側(cè)相反，所以按照左手定則，其作用力仍然是從紙面向前。

力的幅值與電流強(qiáng)度I、磁場(chǎng)內(nèi)的導(dǎo)線長(zhǎng)度L1、L2成正比，方向隨電流的方向變化而變化；設(shè)F1為導(dǎo)電線圈L1部分所受到的磁力，F(xiàn)2為導(dǎo)電線圈L2部分所受到的磁力， B為兩側(cè)磁場(chǎng)在導(dǎo)線位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度（假設(shè)相同），則根據(jù)安培定律，線圈4所受到的合力為：

磁場(chǎng)1和2既可以采用永磁體，也可以采用勵(lì)磁體?？砂创嗽碓O(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，如果將鐵芯中環(huán)做成環(huán)狀定子，永磁體磁場(chǎng)放在轉(zhuǎn)軸上，則就可能創(chuàng)造出無(wú)任何滑環(huán)電刷的直流電機(jī)。與所有電機(jī)都是可逆的原理一樣，上述直流電動(dòng)機(jī)也可以成為無(wú)換向器的直流發(fā)電機(jī)或無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)。

參考圖3，此時(shí)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)鐵芯中環(huán)2移動(dòng)，引起導(dǎo)電線圈 4 在磁場(chǎng)中L1和L2部分切割磁力線，從而在L1和L2中分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并通過(guò)導(dǎo)電線圈 4給外界輸出電能。

設(shè)E為導(dǎo)電線圈4中的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V1為線圈的L1部分的移動(dòng)速度，V2為線圈的L2部分的移動(dòng)速度，則根據(jù)電磁感應(yīng)定律，按照右手定則，得：

發(fā)電機(jī)的功率P=EI，I為線圈內(nèi)的電流。

按照磁荷理論，可以計(jì)算出本結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，從而估算線圈所受到的作用力，或者能夠發(fā)出的電力，用于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)際產(chǎn)品。這里就不作專(zhuān)門(mén)的展開(kāi)了。

3 結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

本裝置最主要的特點(diǎn)是構(gòu)造了兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的磁場(chǎng)，讓線圈不同的部分處于不同的磁場(chǎng)中切割磁力線，以達(dá)到提供扭矩或產(chǎn)生電力的效果。

顯而易見(jiàn)的，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度、受力導(dǎo)線到旋轉(zhuǎn)軸心的距離（力臂）等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)能力的寬幅變化，適應(yīng)各種用途之需。

導(dǎo)電線圈4形成一種螺線環(huán)的結(jié)構(gòu)，這種狀態(tài)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要集中在環(huán)內(nèi)，磁力線近似為同心環(huán)，與工作磁場(chǎng)呈垂直的關(guān)系，對(duì)其影響有限。

與交流異步電動(dòng)機(jī)的原理不同，本裝置的電動(dòng)機(jī)輸入信號(hào)與輸出扭矩之間不存在相位差，且扭矩的大小能夠獨(dú)立于轉(zhuǎn)速；嚴(yán)格的直流信號(hào)，或各種各樣的復(fù)雜變化的電流信號(hào)都可以驅(qū)動(dòng)本電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并輸出所期望的精確結(jié)果。

與目前受到廣泛應(yīng)用的直流發(fā)電機(jī)的原理不同，本裝置沒(méi)有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，不需要換向器，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的無(wú)刷直流輸出，當(dāng)然也不需要電子整流器，直接供給直流電，適合所有需要直流電的場(chǎng)合，特別是在汽車(chē)發(fā)電機(jī)中。由于當(dāng)今所有汽車(chē)發(fā)電機(jī)均為交流發(fā)電機(jī)，須經(jīng)過(guò)整流濾波才能獲得直流電，然后才可能向蓄電池供電。

直流電機(jī)曾經(jīng)是最重要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換電氣設(shè)備，但直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，效率低，換向器更是“麻煩制造者”，不但易造成磨損和引起火花，降低可靠性，增加維護(hù)保養(yǎng)成本，而且產(chǎn)生的碳粉會(huì)飄落在電機(jī)繞組上，降低電機(jī)的絕緣性能。所以直流電機(jī)基本上已被帶電力電子控制設(shè)備的交流電機(jī)所取代。然而，如果沒(méi)有換向器甚至是無(wú)刷結(jié)構(gòu)，那么就可以成為一種不帶電力電子控制的直流驅(qū)動(dòng)或直流發(fā)電裝置，在許多場(chǎng)合其性能甚至可能超越交流電機(jī)。

此外，盡量減小磁場(chǎng)氣隙、采用硅鋼片作為鐵芯等成熟技術(shù)也可以應(yīng)用到本裝置中，發(fā)揮出與傳統(tǒng)電機(jī)同樣顯著的功效。

參考文獻(xiàn)

[1]程守洙，江之永 普通物理學(xué)第二冊(cè)（第三版），1983

[2]秦曾煌 電工學(xué)下冊(cè)，1982