【技术实现步骤摘要】
本专利技术是关于磁极磁对称经过调节的单相和多相电磁感应电机。随着公用事业费的提高、功率因数罚款制度和电力按需用量收费等制度的出现，先有技术的电动机具在许多缺点。目前使用的电动机，多数都是容量过大或效率不高。因此电费账单往往比实际需要的还多，这不外是由于电动机效率不高、用电量大和功率因数(千瓦/千伏安)低等原因。众所周知，功率因数与交流电压交流电流之间的相位关系有关。公用事业公司通常是在功率因数低于0.85(当相同波形的电压和电流完全同相时功率因数就等于1)时向用户收取额外费用。当电费率低时，这些缺点就不象现在这样重要。电力需求量(所需的总的有效电功率，但不一定是从线路上所用的)和功率因数罚款往往等于或高于基本电费。目前先有技术中效率最高的单相感应电动机是固定分相的电容器结构，但它们转矩特性低，而且只有当直接相绕组的磁场为辅助相绕组的磁场所平衡且它们各自的电流位移为90度时效率才高。在多数分相电容器电动机中，一个大的定子绕组是直接接到电源端子上，与电容器串联的较小辅助绕组也跨接在输入端两端。两定子绕组之间电流90度的位移只存在于设计负荷中;在其它负荷点上则存在磁通不成比例的分布情况，这促使转子和定子中产生负序电流，在气隙中产生空间谐波(例如气隙中磁通分布不呈正弦形的程度)和在定子端部线匝形成高漏抗。例如，相电压不平衡达3%数量级时会使电动机的损耗增加15%至20%。这种情况并不局限于单相电动机，多相电动机中当多相电压的供应出现不平衡时，这种现象也很普遍。单相和多相电动机中的这些损耗会使绝缘恶化，因转子过热而缩短轴承的使用寿命，除了过热，不平衡会引起磁致伸缩噪音...
【技术保护点】
一种感应电动发电机，该电机包括：一个可转的，可励磁的转子；一个工作时与所述转子有联系的固定定子；其特征在于：至少两个串联电气连接的绕组，每个绕组限定一对配置在定子最接近转子处的磁极；和电容器装置，与其中一个所述绕组并联连接， 所述连接再与另一个所述绕组串联，该电容器的容量应足以使该电容器与所述一个绕组形成准并联谐振电路，与所述另一个绕组形成准串联谐振电路。
【技术特征摘要】
US 1987-8-12 83137;US 1986-8-27 900700书也意味着要包括电机在这方面的应用。一般多相电动机设计时就有一个不能加以调节的旋转磁通波，此波在某些运行条件下会畸变成不对称。这种畸变或磁性上的不规则性会降低普通电动机的工作效率。本发明提供一种调节电路，它可以在无论多大的电动势下或任何波形情况下都能对磁极的磁区起均衡作用。磁通的这种轴对称排列减少了定子与转子之间气隙中不希望有的空间谐波，使更多的总有效磁通与转子绕组耦合，如图24所示。磁对称减少了在转子中产生负序电流的危害，提高转矩值而不致增加因磁饱和产生的磁滞损失。通过能量的中间传递和储存，以及缩短谐振电路中电流上升的时间还可以提高效率，这一点与普通电动机不同。下面谈谈多相电动机。准双谐振电路有一些重要的特点其检验和均衡网络、其产生旋转磁矢量的能力和电路作为相位倍增器的能力。因此线圈应配置得使其可以增强旋转正弦磁波。图8所示的是线圈适当配置的一个例子，但不言而喻，可改变线圈的配置方式和磁极数，以制造具有不同工作特性的电动机。因此本发明并不局限于图8所示的实施例。正如本发明的单相电动机的情况一样，在准谐振时，准串联谐振支路电容器和电感器两端压降的矢量和等于线电压(图19)，此外准并联支路电流的矢量和等于线电流(图19)。图9和10表示准双谐振多相电动机的两个电气原理图。图9中所示的结构示意地表示在图8中。图8中，各准谐振电路诸绕组相差90°电角度。需要理解的是，可以调节此角度以便在电动机上产生不同的转矩和工作特性。图8是鼠笼结构的多相交流感应电动机的示意图。该电动机有一钢片层叠制成的定子ST2和同样材料制成的转子RO2。为简化计，定子显示成具有12个突出返回磁路即铁轭BI2的磁极或齿TA、TB、TC等直至TL。齿的实际数目取决于电动机的结构尺寸、马力和转速。图中的电动机及其主要部件的结构尺寸仅仅是示意而已，并不表示其最佳的实际结构。从图中可以看到，定子有三组准双谐振电路，即每一个输入相有一组。第一准双谐振电路由串联联接的绕组WBa和WAa组成，分别绕在齿TA、TB、TC和TD上，诸绕组在中点MPa上串联联接，跨接在输入端A和B两端。诸绕组在这种连接方式下，中点就通过电容器CBa无源耦合到输入端子A上，即与绕组WBa并联，与WAa串联。转子绕组WC通过四磁极区即齿TA、TB、TC、TD、它们各自的气隙AG、转子磁性材料RO2和返回磁路即铁轭BI2磁耦合到定子绕组WBa和WAa。第二组准谐振绕组WBb和waB接到输入端子B和C上。它们绕在齿TE、TF、TG和TH上，同样也在中点MPb处串联连接，该连接则通过电容器CBb无源耦合到输入端子B上。转子绕组WC也通过四磁极区即齿TE、TF、TG、TH、它各自的气隙AG、转子磁性材料RO2和返回磁路即铁轭BI2紧密耦合到定子绕组WBb和WAb上。第三组准谐振绕线WBc和WAc接到输入端子A和C上。它们卷绕在齿TI、TJ、TK和TL上，在中点MPc处串联联接。连接中点MPc通过电容器CBc接到输入端子C上。副绕组WC通过四个磁极区即齿TI、TJ、TK、TL、它们各自的气隙AG、转子磁性材料RO2和返回磁路即铁轭BI2紧运地耦合到石绕组WBc和WAc上。图8所示的准双谐振多相电动机的工作原理如下。在端子A的电位为0且往正方向增加的情况下往端子A、B和C上施加多相交流电势时，电容器CBa开始充电。此充电电流流经绕组WAa，形成通过定子齿TC和TD、它们各自的气隙、转子磁性材料和返回磁路即铁轭BI2的磁路。同时，由于三相电源是同时加到定子上，因此存在与图11A所示类似的情况。图11A至11L表示标准感应电动机以30度增量转一整周时通过电动机的电流和磁路的情况。这些图旨在协助说明电动机中，特别是准双谐振感应电动机中，存在的极其复杂的情况。虽然先有技术的感应电动机和本发明产生的都是旋转磁通波，普通电动机中的磁通波在所有运行情况下并非一定就象本准双谐振电动机的磁通波那样是对称或均衡的。在图11A至11L中，实线和虚线表示流经定子绕组的电流，点划线表示通过定子和转子的磁路。普通多相电动机和按本发明原理制造的感应电动机在结构上的其中一个差别是，准双谐振感应电动机，例如，具有一个沿圆周在定子绕组之间交替的绕组，连接到电源输入端子A和B上。应该指出，与电容器串联连接的绕组在“WAa”命名中标有字母“A”，而下标字母则表示绕组的相序。因此考虑定子绕组WAa和WBa时，由于都具有下标字母“a”，所以该两个绕组都律此串联连接，绕组WAa则与电容器CBa串联联接，定子绕组WBa与电容器CBa并联联接。回头再看图11A至11L。普通电动机与本发明电动机在结构上的其中一个差别在于，本发包括在定子的两个原绕组之间配置有一个附加绕组。参后图11A，图中显示了齿TA、TK和TE在圆周上的配置方式。同时参看该图和图8，电源输入相A加到卷绕在齿TA上的绕组WBa，同时使电流流经卷绕在齿TE上绕组WBb。但绕组WAc绕在齿TK，也绕在齿TL上，而且该绕组在圆周上交替于绕组WBa与WBb之间。为使图简单明了起见，其它定子齿在圆周上的配置情况没有显示出来。图11B表示由于旋转磁通波转子顺时针转过30度的情况。在这种情况下，磁通波切割卷绕在齿TK和TL上的定子绕组。电源端子A和B之间的电势一旦达到其峰值，储存在电容器CBa中的能量就开始排放入绕组WBa中。此能量与储存在WAa的磁场中的能量一起，传递到绕组WBa，通过齿TA和TB、它们各自的气隙、转子磁性材料和返回磁路即铁轭BI形成一磁路。此磁通路径与图11L所示的类似，总的表示电动机在330度时的情况。电势也沿相对于端C的正方向上形成，从而使电流在绕组WAc中流通，力图使电容器CBc充电。当此电流开始在WAc中流动时，WBc中的磁场开始消失，于是储存在WBc的能量连同这时流入绕组是WAc中的能量就储存在电容器CBc和WAc的新磁场中。这使磁波的位置顺时针移动30度至图11A所示的0度位置。只要多相电源加到电动机端子A、B和C上，这个过程就持续着。因此在交流电流各新周期下，电动机上标有前缀WA(即WAx，其中X为a、b或c，各绕组系与各电容器串联联接)的绕组让电流通过，企图对它们各自的电容器进行充电。因此在这些绕组中有磁场形成，在有关各电容器两端形成电场即电势。随着电动机中各磁场的消失，储存在磁场中的能量被转换成电流，该电能不是储存在有关的绕组对中就是储存在有关的电容器中。另一方面，各电容器放电时，所储存的能量就转变为电流，该电流流入其有关的绕组中。因此就形成了用以调节能量的传递和交换的一个极其有效的系统，同时产生与图11A和11L所示相类似的旋转磁场。旋转磁通波的磁中心在多相电源每次前移30度就沿顺时针方向移动一个齿。还可以看出，存在着一个检验和均衡网络。由于所有绕组彼此的耦合系数高，因而电路中任何一相的过剩能量直接或间接传递到网络的另一部分。此均衡旋转磁通波或模型在交流电流各整个周期中持续着，将旋转磁通波向前推进一周。当电动机处于静止或停转情况下时，若往电动机端子A、B和C上加一电源时，由于旋转磁通波切割WC的所有转子绕组，所以总等效电纳高。这促使大量电流流入定子和转子绕组中，大部分电流被转换成机械转矩，力图使转子与旋转磁场同步。转子转速增加时，切割绕组的速率和总等效电纳下降，直至它在同步转速下达到理论零值为止。由于转子绕组WC与定子原绕组紧密磁耦合，转子绕组WC中任何积累的能量就如先前所述的那样，通过磁耦合返回并储存在无功元件(WAx、WBx或CBx，其中X为a、b或c)或定子电路中。此反馈还起调节谐振电路Q因数的作用，从而调节从电源所需能量的多少。在转子被锁定或零速的情况下，转子电流频率与线电流频率同，但从图6中可以看到，它随转子转速而下降，直至在同步转速下它又变零为止。图12A和12B表示接到一40马力准双谐振多相电动机的三相电源线中一相的线电流(IL)与所加电动势(线电压VL)之间的关系。输入的电源为三相460伏。图12A是在大致满负荷情况下线电压与线电流的关系图，图12B是在大致75%负荷下线电压与线电流的关系图。应该指出，线电压VL与统电流IL同相，且在整个负荷范围内，线路的功率因数接近1，如图5所示。另一独特和符合期望的特点是电流部分的扁平波形。由于I不是正弦电流，所以其均方根值即有效值相当大，因而引起比标准的正弦波电流所产生的还强的磁能传递。这减少了磁心材料中的磁滞损失，因为该电流并不驱使铁心饱和以完成与普通电动机同样的功，从而将矫顽磁力或需送回磁性材料的能量减少到零。减少谐波也必然减少磁心材料中的涡流损耗。使用准双谐振多相电动机时，过去发现，准双谐振均衡电路看来限制了多相电动机的用途，这是因为电动机转向不能象目前标准设计的电动机那样通过倒转输入相序(A-B-C相序改变为A-C-B相序)加以改变。而且工作电压不同时需要改变维持适当Q因数所需的容抗。这些缺点可用图13所示的开关网络加以克服。电动机转向的转换是通过两组反向接触器(C1，C2)和(C3，C4)完成的。电动机朝一个方向转动时，C2和C4保持打开，而C1和C3闭合。需要在相反方向转动时就进行反向转换。该网络基本上由两个电动机反向接触器组成，两接触器系这样接线，使上面两个起倒转相序的作用，下面两个相对于换相起颠倒绕组的作用。通过牺牲串联谐振支路的导纳放大系数，要获得类似的结果(即平衡的旋转磁通波)是通过将直接接到输入多相电源的定子原绕组(例如绕组WAa)接到端子A和形成星形接法的中性点，如图14B所示，定子辅绕组则接成三角形(图15)或星形接法(图14B)，并令其浮动或紧密地与定子主绕组(例如WBa′)磁耦合。可变更各绕组的角位移使电动机具有不同的工作特性。因此本发明不局限于绕组任何设定的角位移。并联浮动的概念如图14A、14B、15、16和17的电气原理图所示。由于浮动定子辅绕组只是与电源感应耦合，因而辅绕组的匝数可选择得采用在数量上最经济的容抗。电容器CBx(X为a，b或c)与WB并联连接以形成并联谐振电路，电路的Q因数按与准双谐振电路类似方法确定。浮动准并联谐振电路与相绕组配合工作的情况与准双谐振电路的类似。能量是以磁的形式在双绕组对与转子绕组之间传递的。电源是把原绕组被为零电抗即功率因数为1的绕组的，因此它只需供应转子机械转矩和电路电阻所需要的功率。线路只通过倒转输入的相序来改变转子的转向。还可采用双电压的原绕组而无需改变谐振电路的容抗。准双谐振多相电动机可用于要求大大降低起动电流但不要求反转运行的电动机的控制中。对要求高起动转矩和易于反转的电动机来说，浮动并联谐振电动机更为合适。定子辅绕组WB 也可接成就象它们是单独的单相线路时一样的接法。这些接线方法个个都可使电动机具有不同的工作特性，例如象藉星形一三角形起动等所能达到的特性。图14A是并联谐振或并联浮动多相交流鼠笼转子结构的感应电动机的示意图。电动机有一个钢片层叠成的定子ST2和同类材料制成的转子RO。为简化起见，定子系表示为具有十二个突出返回磁路即铁轭BI2的磁极或齿TA、TB、TC等直到包括TL，实际齿数取决于电动机的结构尺寸、马力和转速。这里电动机及其主要部件的结构尺寸仅仅是示意而已，因而该图并不表示电动机的实际最佳结构。定子有三个可以三角形接法或星形接法接到电源的原相绕组，以及三组浮动并联谐振电路，每个输入相一组。三个原相绕组WAa′、WAb′和WAc′系以星形接法接到输入端子A、B和C上。定子的三个辅绕组WBa′、WBb′和WBc′是浮动并联谐振电路的一个部分，在图14中系接成星形接法，与三个彼此连接成三角形接法的电容器CBa′、CBb′和CBc′并联。在此电路中，电容器CBb′与定子辅绕组WBb′及WBc′并联，但如图15所示，并联浮动电容器只需与一个定子辅绕组并联以形成浮动并联谐振电路。浮动并联电路由辅绕组WBa′、WBb′及WBc′和电容器CBa′、CBb′及CBc′组成。定子辅绕组分别绕在齿TC、TD、TG、TH、TK和TL上。定子原相绕组WAa′、WAb′和WAc′分别绕在齿TA、TB、TE、TF、TI和TJ上。辅绕组沿圆周交插在各原绕组之间，例如，WBa′交插在WAa′和WAb′之间。浮动电路与原相绕组及转子RO磁耦合。两组原绕组之间的实际相位移可以与图示的情况不同，产生各种各样的耦合-从紧耦合到几乎完全耦合。这些变化使电动机的工作特性产生所希望的变化，因此本发明并不局限于图14A所示的施例。下面简短介绍图14A所示的电动机的工作原理。当往输入端子A、B、C上接上多相交流电压时，原相绕组WAa′、WAb′和WAc′产生的旋转磁通波与图11A至11L标准电动机设计的旋转磁通波类似，因为它们是与标准电动机设计的绕组相类似的方式接到电源上的。该磁通波在定子磁性材料中旋转时，磁通切割浮动并联绕组WBa′、WBb′、WBc′连同转子RO中的绕组WC。这在浮动电路的绕组中产生电势，使电流在绕组中流动，因而在其有关齿中、各齿有关气隙、转子磁性材料RO和返回磁路即铁轭BI2中形成磁场。储存在电容器CBa′、CBb′和CBc′中的能量以电流的形式流入它们各自的绕组中。准并联谐振电路这种维持振荡的能力反映了飞轮效应，这是此电动机的一个宝贵特点。并联浮动电路不仅提供必需的磁化电流，而且由于其固有的浮动本性，因而该电路有助于磁极磁能的均化过程，从而对传递到转子绕组的能量流起调节作用。这使能量在双线绕组之间有一个中间交换或传递，因而是一种最有效的分布。由于积累的能量系储存在电动机的无功元件中，电源只需供应提供必要的机械转矩所需的能量，当然要补充任何消耗掉的能量。因此电动机在其整个负荷范围内以功率因数为1或接近1的情况下运转。参看图18A和18B，注意电流波形I扁平的顶部。图18A和18B展示结合图12A和12B所介绍的那种电动机分别在满负荷和75%负荷情况下线电压和线电流的关系。这种电流波形是极其理想的，因为其均方根值能级高于正弦波的，从而使在相同的时间范围内可以传递更多的能量。这样所需要的电流分量降低，从而使与电动机绕组有关的铜损耗减少。另一重要特点是切割转子RO中绕组WC的磁通波所具有的对称性。能量在双线绕组之间的中间交换所产生的这种对称或自然磁性调节作用提高了与转子的总磁耦合效果，因而减少各种损耗。这种特殊的布局还可以使电动机直接反转而无需改变电动机绕组的结构或复杂的开关机构。由于并联支路各绕组是浮动的，它们与变压器的副线圈相类似。这使得在线匝和接线方面可选择得足以降低为使Q因数达到适当值所需的电容器的成本和结构尺寸。虽然这里介绍的是三相电动机，本申请的权利要求书意味着包括根据本发明原理构成的多相电动机。结合本发明有关的创造性特点对1/3马力马拉松(Marathon)单相感应电动机进行了若干试验。表一将1/3马力马拉松单相感应电动机原来的产品的与结合准双谐振技...
【专利技术属性】
技术研发人员：加里迪安罗伯茨，
申请(专利权)人：SPC控股有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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