CN1030024C - 感应电动机 - Google Patents

Abstract

包括以单体形式形成的单个转子以及并排配置的第一和第二定子的本发明感应电动机具有用来改变第一定子产生的旋转磁场和第二定子产生的旋转磁场之间的相位差的相变装置。该相变装置至少包括用来将定子绕组的串联接点短路或断开的第一和第二短路开关。通过第一和第二开关的转换操作电动机产生适合于起动操作，过渡速度操作和正常或稳态操作的三种不同的转矩曲线。

Description

本发明涉及一种具有单个转子和多个定子的感应电动机，它能够平滑地起动并在从低速到高速的大范围内输出高驱动转矩，更准确地说，涉及一种电动机的相变装置，该装置在由围绕转子的定子产生的、环绕着转子的转子导电构件的旋转磁场中实现移相操作。

就在具有多个定子类型的感应电动机中控制转矩和速度和方法而言，一种适用的常规方法是使定子之间发生相位差。实现这种相位差的一种机械装置可以具有其中依靠定子的相对旋转来产生相位差的配置，因此一种电装置可以具有其中为产生几种类型的相位差而改变定子绕组接线法的配置。其它合用装置包括一种其中结合y-△接线变换的装置。

根据连接到电动机的负载的特性或电动机的用途，例如，需要通过变换电动机的转矩或速度来满足负载和需要在电动机起动时使速度平稳增加，可从上述方法或装置中以若干不同方式选择任何合用方法。

本发明提供一种配置，其中提供有一定的分段相位差值以满足所连接的负载并且参照上述对常规方法的说明可以认为其属于实现相位变换的电装置。

在上面说明的常规电装置中，相变由定子绕组的接线变换实现，因此，当有用的相位差可为0°，60°，120°，180°（电角度）时，所需的开关数量将超过一打或更多。这是这种装置生产成本高的原因之一。

还存在一种普通的感应电动机，其中为改进电动机起动特性起见，提供有一种y-△接线转换装置。在这种电动机中，尽管只有一个定子，但它的接线是相当复杂的。此外，在y至△接线变化发生瞬间，负载电流的短暂中断导致转矩变化，而且，在上述接线变化以后，由负载电流的突然增加和立即产生转矩的突然变化引起不可避免的振动。按照常规y-△接线转换获得的转矩-速度和电流-速度特性曲线如图14所示。

因此，本发明的目的在于提供一种相变装置，其中尽管基于相位差的转矩特性如同利用常规方法获得的被保持不变，但仅需要最少数量的开关用于转换操作，由此导致生产成本的显著降低。应用本发明的相变装置，在有关开关的操作瞬间不会发生负载电流的中断，而仅仅发生很小的转矩变化及负载电流增加。

按照本发明，提供一种感应电动机，它包括：

具有轴向安装在一公共轴上的第一和第二转子铁心，于两个转子铁心之间具有气隙或无磁性部分并在两个转子铁心上具有多个转子导电构件贯穿其中的以单体形式形成的单个转子;

并排排列并环绕面对着相应的转子铁心的第一和第二定子，所述第一和第二定子具有其上绕有多个多相绕组的第一和第二定子铁心，第一和第二定子的多个多相绕组互连，以形成串联△-接法;以及具有分别置于第一和第二定子的不同相位的相应定子绕组的串联结点之间的短路开关，借助短路开关的操作来改变由第一定子产生的围绕第一转子铁心的旋转磁场和第二定子产生的围绕第二转子铁心的旋转磁场之间的相位差的相变装置。

在起动时，按照本发明，将电动机的定子绕组的接线配置为经由定子绕组的接线形成预定电相位差的串联△-接线法或并联y-接线法。由此获得的相位差可以是180°，120°和60°中的任何一个。在具有这种接线法的定子绕组中，提供有用来在定子绕组串联连接的各个接点之间实现短路的短路开关。例如，这种开关可由用来对一定串联连接点进行短路的第一短路开关和用来对其它接点进行短路的第二短路开关组成。由于将第一短路开关如此安排使得在其接通时仅短路掉部分串联接点，因此导致定子绕组一度不平衡。当第二短路开关也接通时，定子绕组的接线再次变为平衡连接。

由此，在电动机起动时定子绕组的接线是产生预定相位差（180°，120°和60°中之一）的串联△-接线法的情况下，当第一开关接通时，该接线法变为非平衡连接，而当第二开关也接通时，该接线法变为并联y-接线法，其相位差不同于串联△-接线法。在这种情况下，当具有-电相位差（180°，120°或60°）的串联△-接线法象现在这样直接变为并联y-接法时，相位差也同时变化。特别，当串联△-接法直接变为并联y-接法时，相应相位差变为180°→120°，120°→60°，以及60°→0°。

对本发明的感应电动机的操作可以归纳如下：第一，当合上电源开关时，电动机在使定子之间产生上述预定相位差的串联△-接法下起动，于是连接到电动机的负载就沿着预定相位差的转矩特性曲线加速。其次，经过一段预定时间之后或当旋转速度达到预定数值之后，第一开关合上或接通而第二开关保持在其断开状态，由此出现不平衡状态，使已成为不平衡绕组的一部分绕组两端的电压上升和转矩增大。因此，负载进一步沿着基于不平衡绕组的转矩特性曲线加速并且电动机的旋转速度增加。最后，在第一开关合上以后经过一段预定时间周期或旋转速度达到预定数值时，接通或合上第二开关使定子绕组的接线变为并联y-接法，在该场合，相位差比起动时由串联△-接法产生的相位差小60°，并且按照该并联y-接法的转矩特性曲线驱动负载。

另一方面，起动时定子绕组的接线很可能是产生预定相位差（180°，120°和60°中之任一）的并联y-接法。在这种情况下，定子绕组的接线通过断开第一开关变为不平衡状态，并通过断开除上述第一开关以外的第二开关，进一步变为相位差不同于起动时的并联y-接法的串联△-接法。在这种情况下，当具有电相位差（为180°，120°和60°）的并联y-接法按照现在这样直接变为串联△-接法时，相位差也同时变化。特别，当并联y- 接法直接变为串联△-接法时，相应相位差变成为180°→120°，120°→60°，和60°→0°。

由并联y-接法起动的感应电动机操作可以归纳如下：第一，当电源开关合上时，电动机在使定子之间产生上述预定相位差的并联y-接法下起动。于是，所加的负载就沿着预定相位差的转矩特性曲加速。其次，经过一段预定时间或当旋转速度达到预定数值之后，第一开关切断或打开而第二开关保持在其接通状态，由此定子绕组接线出现不平衡状态。据此使已成为不平衡绕组的一部分绕组两端的电压上升和转矩增大。因此，负载进一步沿着基于不平衡绕组的转矩特性曲线加速并且电动机的旋转速度增加。最后，在第一开关断开以后经过一段预定时间周期或旋转速度达到预定数值时，打开或切断第二开关使定子绕组的接线变为串联接法，在该场合相位差比起动时由并联y-接法产生的相位差小60°，并且按照该串联△-接法的转矩特性曲线驱动负载。

如上所述，仅由两个开关（即，第一和第二短路开关）的开关操作，就可能以三个步骤来改变相位差，并提供其中用于实现必要的开关操作所需接线开关的数量显著少于常规装置所需要开关数量的相位变换装置。另外，如上文已说明的，由于以串联△-接法或并联y-接法起动之后，至少两个开关之一总是处在其接通状态或断开状态，所以可使第一和第二开关的接触电容很小。而且，由于两个开关适合于短路或断开定子绕组的串联接点，操作期间负载电流不可能中断，因此驱动转矩也不可能变为0。此外，甚至假若由于两个开关或两开关中某一个在接通状态出现开关故障时（例如，开关的连接触点融合在一起），这种故障也不可能形成任何电故障，因为存在其中第一开关和第二开关同时都处于通状态的情况。

在按照本发明的感应电动机中，完成电源连接和包括第一和第二短路开关的相变装置的连接所需接线数量，对电源为3条，对相变装置为4条，对三相电动机规范总数达7条线。相变装置提供在电源一侧，所需接线数量从电动机一侧来的为6条而从电源一侧来的为三条，这会造成这种感应电动机在施工现场进行安装和调整的某些困难。但是，通过合并相变装置和电动机并在其间应用固定接线，则在电源一侧仅使用三条线即已足够，从而便于在任何施工现场安装该感应电动机。在大型普通电动机中，实现y-△起动所需的6条线使接线工作变得复杂。然而，在按照本发明的感应电动机中，相变装置和感应电动机作为一个单元构成，因此所需接线对电源仅为三条。这样，甚至对大型电动机来说，在施工现场也仅需要如小型电动机情况下同样的方式确定对三条电源线的接线和电动机旋转的方向。

本发明的上述以及其它目的、特征和优点从以下参照附图对本发明最佳实施例的描述会变得更加明确，附图中：

图1是按照本发明的感应电动机部分断开的截面图;

图2是按照本发明的感应电动机的相变装置的接线图;

图3示出产生预定相位差的△-接法;

图4（a）和4（b）示出在一个短路开关接通情况下的不平衡接线的线路图;

图5示出产生0°的相位差的并联y-接法;

图6（a）和6（b）示出由具有电阻元件的电动机获得的典型特性曲线;

图7（a）和7（b）示出由没有电阻元件的电动机获得的典型特性曲线;

图8示出产生预定相位差的并联y-接法;

图9示出产生0°的相位差的串联△-接法;

图10是具有定时装置的控制装置对相变装置的接线图;

图11是具有速度检测装置的控制装置对相变装置的接线图;

图12是同时具有定时装置和速度检测装置的控制装置对相变装置的接线图;

图13示出由具有按照本发明的相变装置的感应电动机获得的总的转矩-速度和电流-速度特性曲线;以及

图14示出由常规y-△变换装置获得的转矩-速度和电流-速度特性曲线。此处对本发明的说明主要是关于具有鼠笼式转子和两个定子的感应电动机的相变装置，但是很显然本发明并非仅限于此。本发明可在一种绕线转子型感应电动机中体现，或与定子绕组的y-△接法的转换结合以获得转矩特性的多样化。在转子铁心之间，可能具有气隙、无磁性铁心或磁性铁心。

本专利申请的申请人已在美国专利第4，785，213号（颁发于1988年9月15日，题为“可控变速感应电动机”）中详细公开了一种具有单个转子和多个定子的感应电动机的结构和功能。

图1示出作为本发明一个实施例的感应电动机的一部分。标号1表示具有多个定子的感应电动机，该电动机一般具有如下配置：磁性材料的转子铁心2，3在其间提供某一预定空间的情况下安装在转子旋转轴4上。在转子铁心2和3之间，可以提供或者无磁性铁心5或者一个气隙。相应的安装在转子铁心2，3上的导电构件6……连接在一起以便在其上延伸通过由此形成单一转子7，导电构件6…的两端由短路环8，8短路。此外，在这种结构中，安装在转子7上的转子导电构件6…在转子铁心2，3之间的非磁性铁心部分5处由电阻元件9…加以短路。当流过导电构件6…的电流中存在预定矢量差时电阻元件9允许电流流通。所有安装于转子7上的导电构件6…不需要由电阻元件9…短路，根据连接负载的负载特性仅它们中的某一些可以短路。

具有提供在定子铁心12a，13a上的定子绕组10，11的第一和第二定子12，13分别环绕地对着转子2和3并排配置。第一和第二定子12，13固定安装在机器框架14上。定子绕组10，11相互连接以便形成一种产生比如60°电角度相位差的串联△-接法。

下面参照图2及以下各图对本发明的实施例进行说明。

图2示出线路连接图。各项的定子绕组11在一侧端点（U₁，V₁，W₁）通过电源转换装置S₀连接到三相电源的各相A，B，C上，并在另一侧端点（X₁，Y₁，Z₁）连接到定子绕组10的一侧端点（Y₂，Z₂，X₂）。绕组10的另一侧端点（U₂，V₂，W₂）接到绕组11的一侧端点（U₁，V₁，W₁）上以便形成相对于电源的串联△-接法。第一短路开关S₁接在绕组11的端点X和绕组10的端点Z₂之间而第二短路开关S₂接在绕组11的端点Y₁和绕组10的端点X₂之间。

以下说明有关操作。

第一，当接通电源开关S₀时，定子绕组11和定子绕组10相对于三相电源A，B，C形成产生60°相位差的串联△-接法，如图3所示。各个定子绕组11，10相互如此连接使得在定子绕组11的线圈U₁-X₁两端的电压E₁和定子绕组10的线圈U₂-X₂两端的电压E′₁之间产生60°的相位差。出现在各线圈两端的每个电压E₁，E′₁是电源电压的线间电压的一半。

其次，当接通第一短路开关S₁使得绕组11的接点X₁和绕组10的接点Z₂短接时，相应定子绕组的接线变为不平衡状态，如图4所示。线圈V₂-Y₂和线圈V₁-Y₁并联连接。除连接在电源线C，A之间的线圈之外，其它线圈两端的电压增大，由此转矩增加。所获得的转矩特性曲线在串联△-接法获得曲线和并联y-接法获得曲线之间在一定速度范围内产生一中间曲线。在这种情况下电压的增加与在下文说明的并联y-接法情况下电压的增加相类似。为简化图4（a）所示接线图起见，图4（b）是将第一开关S₁看作中心点的接线图。

下面，当第二短路开关S₂也接通而第一开关S₁仍保持在其接通状态时，正如上面已说明的，定子绕组的接线变为产生0°相位差的并联y-接法。这种情况下的接线由图5所示。

在上述状态出现于线圈U₁-X₁两端的电压E₁的幅度与串联△-接法下相比要大2/ $\sqrt{3}$ ＝1.15倍。这种在电压上的增大是在容限范围内的并且不会在电动机的操作中带来任何问题。这是一个很大的优点，因为这样的电压增大使得转矩也增大。

正如前面已说明的，通过转换两个短路开关，即，第一开关S₁和第二开关S₂，可以获得分别适合于起动操作、过渡操作和稳态或正常操作的三种不同的转矩特性T₁，T₂和T₃。图6和图7示出由本发明电动机获得的典型特性曲线。图6（a）和（b）分别示出具有电阻元件9…的电动机的典型转矩-速度曲线和电流-速度曲线。当在相位差大的起动状态矢量差值电流在电阻元件9…中流通时，尽管电流低电动机仍可输出相当高的转矩。通过在对应转矩特性曲线T₁和T₂交点的转差率S_a将定子绕组接线变为不平衡状态，并进而在对应不平衡状态下转矩特性曲线峰值点的转差率Sb将其变为相位差为0°的接线，可以有效地增加电动机的旋转速度。图7（a）和图7（b）分别示出没有电阻元件9…的电动机的典型转矩-速度和电源-速度曲线。由于没有提供电阻元件9…，起动时在预定相位差和不平衡状态产生的转矩与提供电阻元件 9…的情况下所产生的转矩相比变得较低。不用说根据导电构件6…的电阻值，电阻元件9的电阻值或数值特性曲线是可变的。

在第一和第二开关S₁，S₂均接通、电子绕组11的另一侧端点（X₁，Y₁，Z₁）和定子绕组10的一侧端（X₂，Y₂，V₂）处在短路状态时相位差为0°，由此可知即使它们由于任何其它原因而被短路时仍不会存在发生任何电故障的可能性。

而且，由于完成必要的相位变换的第一和第二开关S₁，S₂是短路在串联△-接法的绕组的串联接点之间并且在负载电流中没有短暂的转换中止，故能使每个开关的接触电容为最小，因而可把包括第一和第二开关S₁，S₂的相变装置也按比例缩小。

从图2可知，当具有开关S₁，S₂的相位变换装置安装在电动机一侧时，从电源至电动机仅三条线就足够了，不象在普通大型电动机中所见到的情形，且有可能从低速度范围直到高速度范围提供以高驱动力矩操作的电动机，而不需要留心对电动机y-△起动的复杂接线过程。

另外，按照本发明的电动机可具有如下配置。即，能够形成实现顺序转换和在电动机起动时接线可为产生预定相位差的并联y-接法的配置，在电动机起动后的过渡时间周期一旦转变为不平衡连接，并在产生0°相位差或小于起动时的预定相位差60°的预定相位差的稳态操作条件下最终变为串联△-接法。图8示出电动机起动的状态，在该状态下两短路开关S₁，S₂均接通，由此形成并联y接法。图9示出稳态或正常操作期间的接线法，在该情况下短路开关S₁，S₂均断开，由此形成串联△-接法。

现在参照图10至图12对控制相位变换装置的方法进行说明。在图10所示的结构中，将感应电动机1连接到具有转换装置的三相电源22。此外，感应电动机以整体方式装备有相变装置20。相变装置20连接有一控制装置21，该控制装置21包括具有定时装置21a的时序电路。在图11所示的配置方面，感应电动机1连接到配备有转换装置的三相电源22。感应电动机也以整体方式装备有相变装置20，该相变装置20与一个由例如，硬逻辑电路组成的控制装置21连接。将来自用于检测电动机的旋转速度的速度检测装置21b的信号输入到控制装置21。如图12所示，控制装置21可同时具有定时装置21a和速度检测装置21b，在这种情况下，相变装置20通过控制装置21c加以控制。

如上所配置的装置的操作在下文中予以说明。

控制装置21根据由定时装置21a设置的时限或根据来自速度检测装置21b的信号控制相变装置20的第一第二短路开关S₁、S₂的转换。

当控制装置21具有定时装置21a时，由于通常的y-△起动以10秒的平均时间转接，相位差在起动时可能为60°，对常规操作的加速可在相位差为0°时进行，例如，从起动时的60°开始，随后，转换到不平衡状态的时间设置为起动之后的4-5秒，从不平衡状态转换到0°相位差的时间可以设置为产生不平衡状态以后的4-5秒，因此，借助于相变装置20，相位差以三个步骤顺序地从60°变换到0°。当然，由定时装置21a设置的时限可根据连接到电动机上负载的负载特性而进行变化。

具有速度检测装置21b的控制装置21可以是一个简单的逻辑电路或是一种根据有关需要其中装配有微处理器的装置。这种控制装置21采用最新技术并包括接收来自速度检测装置21b的信号并用以实现这类信号的任何必要转换的电路，将转换的信号与预定基准值相比较的电路，存储预定基准值的电路，以及根据被转换信号与预定基准值之间的比较、输出任何必要控制信号的信号输出电路。来自信号输出电路的控制信号使相变装置20以时序方式产生必要的相位差。

例如，控制装置21的时限和预定基准值由负载特性和电动机的输出加以确定，每个控制装置用来简单地控制两个短路开关的转换，因此作为具有三级相位差的感应电动机的控制装置，它们能够结合在具有接线变换开关的相变装置中作为整体构件。

如上所述，借助控制相变装置的控制装置获得的整个转矩特性曲线如图13所示，从图13可知转矩变化和工作电流（特别是起动电流）的范围与在常规y-△-接法变换（参见图14）中的相比可以保持较小。

而且，尽管至此说明的本发明的实施例集中在三级相位差上，根据负载特性，当然能够使用一种装置，由该装置，通过短路开关同时短路定子绕组 的所有串联接线接点。不象具有y-△-变换的装置，由于在转换时不存在负载电流中断并还因为具有多个定子，相变能够同时实现而且转矩特性能够从起动时的特性到稳态工作时的特性有效地改变。实现这种变换的装置是简单的而且不贵，并能够获得与以上所说明其它实施例同样或类似的优点。

如上所说明的，本发明使得拥有多个定子的感应电动机能够通过简单的相变装置以三个步骤建立相位差，而且，这种相位差对应三个不同的状态，即，起动状态，过渡速度操作状态和正常或稳态操作状态。特别，除了电动机需要变速的情况，按照本发明的电动机适合达到改进起动特性的要求，例如，相对于具有恒定负载特性的负载或下降负载特性的负载，并适合达到减少起动时间的目的。此外，按照本发明的电动机不需要任何诸如变换器那样的昂贵装置。

在该电动机中的接线允许相变装置具有简单的结构，即该装置整体地安装在电动机内部且接线是固定的，因此对三相电源可能仅有三条连接线，而且在对旋转方向的确定没有错误存在的范围内，任何人可以便利地完成电动机的必要接线和安装。

虽然本发明已在其最佳实施例中加以描述，不用说所用到的那些词语是描述性的而非限制性的，而且可在所附权利要求的权限内作出修改而不偏离本发明在其更广方面的实质范围和精神。

Claims (10)

1、一种感应电动机(1)，它包括：具有轴向安装在公共轴上的第一和第二转子铁心(2，3)与形成于所述两个转子铁心之间的气隙或无磁性部分(5)并在所述两个转子铁心上具有多个转子导电构件(6)贯穿其中的以单体形式形成的单个转子(7)，

并排配置并围绕地面对着相应的所述转子铁心(2，3)的第一和第二定子(12，13)，所述第一和第二定子具有其上绕有多个多相绕组(10，11)和第一和第二定子铁心(12a，13a)，所述第一和第二定子的所述多个多相绕组相互连接，以便形成串联△-接线，其特征在于还包括：

具有分别连接于所述第一和第二定子的不同相的所述各定子绕组的永久连接的串联接点之间和短路开关(S₁、S₂)、借助所述短路开关的断开或接通来改变由所述第一定子产生的围绕所述第一转子铁心的旋转磁场和由所述第二定子产生的围绕所述第二转子铁心的旋转磁场之间的相位差的相变装置(20)。

2、按照权利要求1的感应电动机，其特征在于：它包括装配于所述两个转子铁心（2，3）之间的气隙或无磁性部分（5）的电阻元件（9），并且其中所述多个转子导电构件（6）由所述电阻元件相互进行短路。

3、按照权利要求1的感应电动机，其特征在于所述相变装置（20）至少包括两个短路开关（S₁，S₂），并且将所述第一和第二定子（12，13）的所述定子绕组（12a，13a）相连接，以便在所述两个短路开关（S₁，S₂）接通时形成一种没有相位差的并联y-接法。

4、按照权利要求3的感应电动机，其特征在于：将所述第一和第二定子（12，13）的所述定子绕组（12a，13a）相连以便在所述两个短路开关（S₁，S₂）中任何一个接通时形成有预定相位差产生的不平衡连接。

5、按照权利要求1的感应电动机，其特征在于：所述相变装置（20）至少包括两个短路开关（S₁，S₂），并且将所述第一和第二定子的所述定子绕组相连接，以便在所述两个短路开关都接通时形成一种有预定相位差产生的并联y-接法。

6、按权利要求1的感应电动机，其特征在于：它进一步包括用来实现所述短路开关（S₁，S₂）的通/断（ON/OFF）控制的控制装置（21）。

7、按照权利要求6的感应电动机，其特征在于：所述控制装置（21）具有用来对所述短路开关（S₁，S₂）的接通或断开进行定时控制的定时装置（21a）。

8、按照权利要求6的感应电动机，其特征在于：所述控制装置（21）具有用来检测电动机的旋转速度和对所述短路开关（S₁，S₂）的接通或断开进行定时控制的速度检测装置（21b）

9、按照权利要求1的感应电动机，其特征在于：所述相变装置（20）安装在所述电动机的机器框架（14）上。

10、按照权利要求6的感应电动机，其特征在于：所述控制装置（21）作为一个整体构件包括在所述相变装置（20）中。

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