交流電機無級調速的方法和這種電機的製作方法

2023-07-13 21:55:26

專利名稱:交流電機無級調速的方法和這種電機的製作方法
本發明是實現無級變速的交流電動機。
為達到電機調速的目的，目前採用的有直流電動機，它不僅需要相應功率的可調直流電源，而且換向器結構容易發生故障。
交流換向器變速電機除結構複雜外，也有這種缺點。
交流轉差調速電機、電磁調速電機，它們低速時效率非常低，而且調整、釋放轉差產生的多餘能量，也存在很多困難。根據「電氣傳動」85.1介紹，當前國內大力推廣將這部分能量利用電子器件整流、逆變、反饋電網的方法。這種方法可靠性差，成本高。
採用上述各種方案變速時，由於換向器運行時產生的火花，在功率電子器件的製造等多種原因，在大功率應用方面都受到限制。
此外，交流調壓調速電機輸出力矩與輸入電壓平方成正比，轉速降低，力矩明顯下降。這是一個很大的缺點。
在交流無級調速方面，世界上也出現一些新技術，如「科學畫報」80年第9期刊登的「交流無級變速電機」;「中小型電機」84年第4期介紹的「新型變速交流電動機」-4227136美國專利。
本發明電動機實質是多臺異步電機的組合，是將轉差電機感應出的交流電流所產生的旋轉磁場的頻率與電機機械轉動的旋轉頻率疊加，感應出具有附合要求的頻率的交流電壓加以利用，用以驅動輔助電機的稱為本發明Ⅰ型電機，用以反饋電網的稱為本發明Ⅱ型電機。
本發明的目的是克服現在電機調速時的各種缺點，產生出新型交流無級調速電動機。
本發明Ⅰ型電動機結構簡單，堅固;能作反轉、停轉等動作;該電機調速範圍寬，從零起調，調速平穩;該電機無起動過電流，適於頻繁起動;該電機無電刷，無換向器結構，運行時無火花，可靠性好，維修、保養方便。該電機具有恆功率特性，低速時輸出力矩大，低速性能好。
本發明Ⅰ型電機可用於電力拖動、升降設備、礦山、冶金等各方面。也可用於防爆等特殊場合下的無級調速。還可做為逆變裝置使用。
在大功率時，本發明Ⅰ型電機優點尤為突出。
本發明Ⅰ型電機結構如圖1所示。
由鐵芯和繞組構成的定子1、定子5與電機外殼14相固定，並安裝在底座13上。由鐵芯和繞組構成的轉子2，內轉子4固定在軸8上。由鐵芯和繞組構成的外轉子3通過外轉子支架15與軸12鋼性聯接，並通過軸承9、軸承10與軸8聯接，然後通過軸承7和軸承11與電機外殼14聯接。由鐵芯和繞組構成的轉子6固定在軸12上。因此軸8與軸12可以以不同的轉速獨立旋轉。定子1、轉子2、軸8構成轉差電機;外轉子3、內轉子4、軸8構成變頻電機;定子5、轉子6、軸12構成輔助電機。
將交流電源接轉差電機定子1的繞組，轉差電機轉子2的繞組沿軸8穿過軸承9接變頻電機內轉子4的繞組，轉差電機轉子2在定子1的繞組的旋轉磁場的作用下，帶動變頻電機內轉子4轉動，同時轉差電機轉子2的繞組將感應交流電流輸送給變頻電機內轉子4的繞組，適當接線，可使變頻電機內轉子4的繞組的電流產生的旋轉磁場方向與軸8機械轉動的方向相反。變頻電機外轉子3的繞組接輔助電機轉子6的繞組。變頻電機外轉子3在內轉子4的繞組的旋轉磁場的作用下，帶動軸12轉動，同時變頻電機外轉子3的繞組又是輔助電機轉子6的繞組的變頻電源。適當接線，使輔助電機轉子6的繞組的電流產生的旋轉磁場方向與軸12機械轉動的方向相反。輔助電機定子5可以是鼠籠結構或繞線的。這時輔助電機本身可產生與軸12機械轉動方向相同的電磁轉矩。
根據需要，可以將變頻電機外轉子3通過外轉子支架15與轉差電機軸8聯接，內轉子4與輔助電機軸12聯接，並將轉子2的繞組與外轉子3的繞組聯接，內轉子4的繞組與輔助電機轉子6的繞組聯接。其結構如圖2所示。這時外轉子3、內轉子4、軸12構成變頻電機。
輔助電機軸12作為本發明Ⅰ型電機的負載軸時，其輸出轉矩為變頻電機電磁轉矩與輔助電機電磁轉矩之和。在低速時，由輔助電機將轉差電機產生的多餘能量轉化為機械能，因此具有恆功率特性。低速時，由於輔助電機在轉矩輸出中起主要作用，大大增加了低速時的力矩輸出，低速性能好。
設f0為本電機輸入電源頻率;P1，P2，P3分別為轉差電機，變頻電機、輔助電機的電極數;△n為輔助電機正常運轉所要求的轉差數。n1為軸8的轉速;n2為軸12的轉速。
當本電機滿足方程( -(60 f0p12- n1)p12p22+ n1- n2)p22p32- n2= △n]]>其中△n≥0時，就可以正常運行。即必須滿足方程n1=120 f0+ ( P2+ P3) n2+ 4△nP3P1+ P2]]>對本電機調速範圍內任給定的n2和△n，調速該電機輸入電壓就可以滿足該方程要求。
若要求n2＝0，△n＝0時只要n1＝120f0/(P1+P2)。
令n10＝120f0/(P1+P2)當n1＝n10時，該電機狀態稱為本發明Ⅰ型電機的準備狀態。n1由0上升到n10的過程稱為該電機的準備過程。當該電機處於準備狀態時，軸12在任意負載下，轉速都為0。
在本電機開始起動時，n1＝0，n2＝0。這時該電機輸入電壓由0逐漸增加。只要n1＜n10，即該電機處於準備過程中時，變頻電機與轉差電機對軸8產生的電磁力矩方向相同，促使軸8轉速迅速增加，直到該電機完成準備過程，處於準備狀態為止。因此不論軸12負載如何，對軸8都是空載起動，所以起動迅速，且無起動過電流。由於這時輸入電壓低，過渡時間短，因此對軸12的反向衝量矩很小，對軸12影響不大，必要時可在準備過程中對軸12進行制動。隨著電機輸入電壓升高，n1增大，就可以調節軸12轉速連續變化，實現無級調速。
當n1接近轉差電機同步轉速時，n2獲得最大值。因此軸12的調速範圍為0≤n2≤nmax。其中nmax≈120P2f0/(P1(P2+P3))因此本發明Ⅰ型電機調速範圍很寬。
改變輸入電壓相序，可以使軸8和軸12逆轉。降低輸入電壓，可以使電機制動。
本發明Ⅱ型電機結構簡單，體積小，具有恆轉矩輸出特性。該電機結構如圖3所示。
由鐵芯和繞組構成的定子17與電機外殼19相固定，並安裝在底座1上。由鐵芯和繞組構成的轉子18、內轉子14固定在軸21上。由鐵芯和繞組構成的外轉子15固定在外轉子支架13上，並通過軸承9和軸承16與電機外殼19聯接。軸21通過軸承6與外轉子支架13聯接。通過軸承20與電機外殼19聯接。齒輪7固定在軸21上。齒輪5、齒輪4固定在軸22上，通過軸承3和軸承23與固定在底座1上的軸架2聯接。齒輪8固定在外轉子支架13上。齒輪7與齒輪5咬合;齒輪8與齒輪4咬合。因此軸21與外轉子15隻能以固定的速比轉動。齒輪7、齒輪5、齒輪4、齒輪8構成本電機齒輪系統。轉子18、內轉子14、外轉子15、外轉子支架13、軸21、齒輪系統構成轉子系統。電刷12通過電刷支架11固定在電機外殼19上。滑環10固定在外轉子支架13上。定子17、轉子18、軸21構成轉差電機、外轉子15、內轉子14、軸21構成變頻電機。
將交流電源接轉差電機定子17的繞組，轉差電機轉子18的繞組接變頻電機內轉子14的繞組，轉子18在定子17的繞組的旋轉磁場的作用下，帶動變頻電機內轉子14轉動，並通過齒輪系統使外轉子15按一定速比同向轉動，同時轉差電機轉子18的繞組將感應交流電流輸送給變頻電機內轉子14的繞組。適當接線，可以使變頻電機內轉子14的繞組的電流產生的旋轉磁場方向與軸21機械轉動的方向相同。變頻電機外轉子15的繞組的感應電壓由滑環10、電刷12引出。
設P1為轉差電機電極數，P2為變頻電機電極數，n1為軸21的轉速，n2為變頻電機外轉子的轉速。
為使本發明Ⅱ型電機輸出電壓頻率和電機輸入電壓頻率相同，必須滿足方程
((60 f0p12- n1)p12p22+ n1- n2)p22= 60 f0]]>即必須滿足方程 (n1)/(n2) = (P2)/(P2-P1)因此只要令本發明Ⅱ型電機中，變頻電機電極數多於轉差電機電極數，同時齒輪系統轉速比滿足n1/n2＝P2/(P2-P1)，就可以保證在軸21的任意轉速下，該電機輸入電壓與輸出電壓頻率相同，這樣就可以將轉差電機在調速時產生的多餘能量反饋電網。
當變頻電機電極數少於轉差電機電極數時，設計齒輪系統，使變頻電機內轉子、外轉子旋轉方向相反，同時轉速比滿足n1/n2＝P2/(P1-P2)利用轉子系統，就可以把變頻感應時產生的與軸21旋轉方向相反的電磁力矩變成該電機轉子系統的內力，而不會因此減小軸21的輸出轉矩。
調速本發明Ⅱ型電機輸出的反饋量，或調整該電機輸入電壓，或調整該電機輸入電壓及輸出反饋量的組合，可實現本發明Ⅱ型電機的無級調速。
該電機輸出轉矩為轉差電機的電磁轉矩。
補正 85100607文件名稱 頁 行 補正前 補正後說明書 3 9 n1＝120f0+(P2+P3)n2n＝120f0++4 (△n)/(P3) /P1+P2(P2+P3)n2+P3Δn/P1+P權利要求
1.一種利用轉差變頻實現交流電機無級調速的方法，其特徵在於將轉差電機、變頻電機等多臺異步電機組合在一起，不僅使轉差電機轉子帶動變頻電機轉子轉動，而且使該轉差電機轉子的感應電流在變頻電機內產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場的旋轉頻率與變頻電機轉子機械轉動的頻率相疊加，對另一個轉子產生適當頻率的旋轉磁場，以實現電機調速，或者另一個轉子再感應出具有附合要求的頻率的交流電壓加以利用，用以驅動輔助電機，或者用以反饋給電網。
2.一種根據權利要求
1的方法製造的，用以驅動輔助電機的交流無級調速電機，其特徵在於包括由定子(1)、轉子(2)、轉軸(8)構成的轉差電機，由外轉子(3)、內轉子(4)、轉軸(8)構成的變頻電機，由定子(5)、轉子(6)、轉軸(12)構成的輔助電機。定子(1)、定子(5)與安裝在底座上的電機外殼相固定。轉子(2)、內轉子(4)固定在轉軸(8)上，外轉子(3)通過外轉子支架與轉軸(12)鋼性聯接，並通過軸承(9)、軸承(10)與轉軸(8)聯接，通過軸承(7)、軸承(11)與電機外殼聯接，轉子(6)固定在轉軸(12)上，因此轉軸(8)與轉軸(12)可以以不同的轉速獨立轉動，將交流電源接到定子(1)的繞組，轉子(2)的繞組沿轉軸(8)穿過軸承(9)與內轉子(4)的繞組相連接，使內轉子(4)的繞組中的激勵電流(此電流是轉子(2)的繞組中的感應電流)所產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉軸(8)的機械轉動方向相反，外轉子(3)的繞組與轉子(6)的繞組相連接，使轉子(6)的繞組中的激勵電流(此電流是外轉子(3)的繞組中的感應電流)所產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉軸(12)的機械轉動方向相反，所說的轉軸(12)為負載軸。
3.一種根據權利要求
1的方法製造的，用以驅動輔助電機的交流無級調速電機，其特徵在於包括由定子(1)、轉子(2)、轉軸(8)構成的轉差電機，由外轉子(3)，內轉子(4)、轉軸(12)構成的變頻電機，由定子(5)、轉子(6)、轉軸(12)構成的輔助電機，定子(1)、定子(5)與安裝在底座上的電機外殼相固定，轉子(2)固定在轉軸(8)上，外轉子(3)通過外轉子支架與轉軸(8)鋼性聯接，並通過軸承(9)、軸承(10)與轉軸(12)聯接，然後通過軸承(7)、軸承(11)與電機外殼聯接，內轉子(4)、轉子(6)固定在轉軸(12)上，因此轉軸(8)與轉軸(12)可以以不同的速度獨立轉動，將交流電源接到定子(1)的繞組，轉子(2)的繞組與外轉子(3)的繞組相連接，使外轉子(3)的繞組中的激勵電流(此電流是轉子(2)的繞組中的感應電流)所產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉軸(8)的機械轉動方向相反，內轉子(4)的繞組沿轉軸(12)通過軸承(10)與轉子(6)的繞組相連接，使轉子(6)繞組中的激勵電流(此電流是內轉子(4)的繞組中的感應電流)所產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉軸(12)的機械轉動方向相反，所說的轉軸(12)為負載軸。
4.一種根據權利要求
2或3的交流無級調速電機，其特徵在於輔助電機各繞組圈數為0，即可以省略輔助電機，只保留轉差電機和變頻電機，仍以所說的轉軸(12)為負載軸。
5.一種根據權利要求
1的方法製造的，用以將多餘能量反饋電網的交流無級調速電機，其特徵在於包括由定子(17)、轉子(18)、轉軸(21)構成的轉差電機，由內轉子(14)、外轉子(15)、轉軸(21)構成的變頻電機，由齒輪(4)、齒輪(5)、齒輪(7)、齒輪(8)構成的齒輪系統，由滑環(10)、電刷支架(11)、電刷(12)構成的引出裝置。定子(17)與安裝在底座(1)上的電機外殼相固定，轉子(18)、內轉子(14)固定在轉軸(21)上，外轉子(15)通過外轉子支架(13)和軸承(9)、軸承(16)與電機外殼連接，轉軸(21)通過軸承(6)與外轉子支架(13)聯接，並通過軸承(20)與電機外殼聯接，電刷(12)通過電刷支架(11)固定在電機外殼上，滑環(10)固定在外轉子支架(13)上，外轉子(15)的繞組中的感應電壓由滑環(10)、電刷(12)引出，反饋給電網。
6.一種根據權利要求
5的交流無級調速電機，其特徵在於當轉子(14)的電極數P2大於轉子(18)的電極數P1時，齒輪(7)固定在轉軸(21)上，齒輪(4)、齒輪(5)固定在轉軸(22)上，通過軸承(23)軸承(3)與固定在底座上的軸架(2)聯接，齒輪(8)固定在外轉子支架(13)上，齒輪(5)與齒輪(7)咬合，齒輪(4)與齒輪(8)咬合，使外轉子(15)(轉速為n2)只能以固定的轉速比n1/n2＝P2(P2-P1)與轉軸(21)(轉速為n1)同向轉動，將交流電源接到定子(17)的繞組，轉子(18)的繞組與內轉子(14)的繞組相連接，使內轉子(14)的繞組中的激勵電流(此電流是轉子(18)的繞組中的感應電流)所產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉軸(21)的機械轉動方向相同。
7.一種根據權利要求
5的交流無級調速電機，其特徵在於當所說的內轉子(14)的電極數P2小於轉子(18)的電極數P1時設計齒輪系統，使外轉子(15)(轉速為n3)只能以固定的轉速比n1/n2＝P2/(P1-P2)與轉軸(21)(轉速為n1)反向轉動，將交流電源接到定子(17)的繞組，轉子(18)的繞組與內轉子(14)的繞組相連接，使內轉子(14)的繞組中的激勵電流(此電流是轉子(18)的繞組中的感應電流)所產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉軸(21)的機械轉動方向相同。
8.一種交流無級調速電機，其特徵在於利用所說的轉子(18)、內轉子(14)、外轉子(15)、外轉子支架(13)、轉軸(21)、齒輪系統組成的轉子系統，就可以把變頻感應時產生的與轉軸(21)的機械轉動方向相反的電磁力矩變成該轉子系統的內力，所以不會因此而減小轉軸(21)的輸出轉矩。
9.一種根據權利要求
6或7的交流無級調速電機，其特徵在於調正該電機的輸出反饋量，或調正該電機的輸入電壓，或調正該電機的輸入電壓與輸出反饋量的組合，就可以實現對電機的無級調速。
專利摘要
交流電機無級調速的方法和這種電機克服現有電機調速時的各種缺點。產生出新型交流無級調速電動機。I型電機無電刷、無換向器，可靠性好。該電機調速範圍寬，從0起調，無起動過電流，適於頻繁起動。該電機具有恆功率特性，低速性能好。該電機於大功率時，優點尤為突出。I型電機適用於一切需要無級變速電機的場合，及需要防爆場合。II型電機成本低，適用於風機調速。
文檔編號H02P23/00GK85100607SQ85100607
公開日1987年1月17日 申請日期1985年4月1日
發明者田永寧, 陶鳳白 申請人:田永寧, 陶鳳白導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan