CN1199949A - 交流感应子无级调速电机 - Google Patents
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Abstract
一种交流感应子无级调速电机,其特征是通过控制感应子前后两段铁心,各自伸进定子铁心的长度比,实现直接控制三相交流感应电机的电磁转矩T,使其紧紧跟随给定转速n时的负载转矩TL的变化,达到使交流电机不需外加调速装置,就能直接实现按所给定转速稳态高效率调速运行。交流感应子无级调速电机与风机、泵等设备配套使用时起动电流小于额定电流、调速范围大、效率高、可靠性及寿命比鼠笼电机还高,能大量节约电能。比用变频器方案调速、能节约80%以上的设备投资,电机调速运行时的温升和噪音成倍下降,且无高次谐污染电网。
Description
本发明涉及一种调速电机，特别涉及一种交流感应子无级调速电机。
三相交流感应电动机与直流电动机相比，具有结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用以及效率高的优点，因此被广泛应用。
三相交流感应电动机自身调速方法有：鼠笼型用变极方法有级调速，绕线转子型通过滑环在转子输出端串联三相电阻调速。
为了使大量风机和泵类设备、以变速运行调节流量、代替挡风板和阀门调节流量，来达到大量节约电能的目的，国内在70-80年代发展起来的交流电机绕线转子串级调速装置和从国外引进的交流电机定子变频调速装置，以及绕线转子双馈调速电机***等，都属于使用大功率电力电子开关器件的高效率无级调速***，其效率一般可达85％～90％，比过去的电磁滑差调速电机以及交流调压调速装置等的效率提高很多。但是，这些高效率无级调速装置体积大、技术复杂、价格昂贵、其运行功率因数低，晶闸管串级调速装置的功率因数为0.3至0.5。特别应该指出的是上述各种调速装置都使用大功率电子开关器件，由此给调速***带来许多负效应，如定子变频调速装置，由于变频器输出端供给三相交流电机的电流中，含有大量高次谐波和尖峰电压脉冲，致使三相交流电机的各种性能与力能指标都下降很多，在一定程度失去了交流感应电动机的许多优点。在变频器的电源侧，由三相交流变直流过程，产生严重污染电网的高次谐波。上述这些与电机配套使用的调速装置，其自身也需耗电。风机、泵类设备运行在85％至90％额定速度时已不再节电，90％以上调速运行反而多耗电。此外，变频器的可靠性问题尚未很好解决，以及较高的维修费用等，都是目前在国内不能象三相异步感应电动机那样，被广泛应用的原因。
本发明的目的之一是，提供一种技术简单、价格低廉、容易制造的交流感应子无级调速电机；
目的之二是，提供一种坚固耐用、运行高度可靠、维护费用低，象维护鼠笼电机那样简单的交流感应子无级调速电机；
目的之三是，提供一种比串级调速***功率因数高，比变频调速***效率高，以及能在小于额定电流下顺利无噪声起动的交流感应子无级调速电机；
目的之四是，提供一种高电压，大功率而又不产生高次谐波污染电网的交流感应子无级调速电机；
目的之五是，提供一种能在额定转矩情况下连续堵转或超低速运行的交流感应子无级调速电机；
目的之六是，提供一种比功率相当于多速三相交流变极电机的交流感应子无级调速电机；
目的之七是，提供一种能在各种有易燃气体场合使用的防爆交流感应子无级调速电机；
最后一个目的是，提供一系列造价低，并能在各行业实际使用性能指标上，优于现有各种中小型调速电机***的交流感应子无级调速电机；
本发明的技术方案是：一种交流感应子无级调速电机，包括电机壳体、定子铁心、三相绕组、鼠笼转子、转子轴、前后端盖及前后轴承，其特征是：
1、感应子由两头和中间三段铁心及整体鼠笼绕组组成，在其较短的中间段，有使感应子两头改变绕组极性的移相结构。
2、感应子与电机主轴、前后端盖之间，有使感应子沿轴向相对定子铁心作往复运动的机构。
3、定子铁心与壳体、前后端盖之间，有使定子铁心沿转子轴向、相对感应子铁心作往复运动的机构。
4、感应子由设置在壳体内侧，铁心长度比为1∶2至1∶4的两个三相定子，并使两个定子的绕组相位差180°串联组成。
5、感应子由前后两段，绕组相位差180°的转子铁心组成，其中一段铁心的长度为定子铁心(17)总长的0.65至1.1倍，另一段铁心的长度为定子铁心(17)总长的0.15至0.5倍，另外短铁心上的每相绕组匝数等于或多于长铁心的每相匝数，两个铁心的三相或两相绕组都是串联的，并在感应子的两个绕组之间，有使三相或两相串联接线处短路的触点，或设置三相交流电容器。
6、感应子的前后两段铁心长度，一段为定子铁心总长度的0.15至0.5，另一段为定子铁心总长度的0.7至1.1，并在中间段的中间处，有用非磁性材料制成的不导磁隔片，不导磁隔片可用铝合金或高强度氮化硅陶瓷制成。
7、感应子的鼠笼绕组导条，在较短的中间段有使导条扭转90°至180°电角度的变极性移相结构，以使在定子铁心中的每根导条两头，感应出相位相反的转子电势E2’和E2”。
8、感应子的前后两段铁心冲片，用带有圆弧或其它曲线形状的，变极性移相槽口(20)的磁性冲片，前后两段反向组合，以使感应子的每根导条，在前后两段铁心表面被圆弧槽口引导到不同极性的定子磁通势中，在每根导条的两头感应出相位差180°电角度的转子电势。
从图2可以看出a角等于30°时，两端反相组合后，其每根导条两头的槽口相差60°，这在一个6极电机的定子中，就等于移相180°电角度，在一个10极电机定子中，只需把转子槽口(20)移相180°，相当于180°电角度，达到反相的目的。图2中a角等于30°的冲片，再加上中间段的斜孔导板，将鼠笼导条扭转30°，就能使转子在4极电机中移相180°电角。
9、一个长度相当于设在壳体内侧的感应子主铁心(23)1.5倍左右的鼠笼转子，能在感应子主铁心(23)和付铁心(25)的空腔中，受推拉轴承(38)控制沿轴向来回移动，当鼠笼转子的一端，移进付铁心(25)的全部空腔时，鼠笼转子每根导条的两头，都有相等长度，在极性相反的两个定子铁心中，使鼠笼转子两头感应出180°的反相转子电势，致使转子无电流、无转矩产生。
10、电机主轴(5)的前端有安装皮带轮的法兰盘，中段有传动花健(9)、在感应子的磁轭中心，固定有一端带径向止推轴承的有内花键转子套(8)、以及滑套(10)。
11、A感应子(16)与端盖(15)之间，安装有调节感应子铁心，沿轴向相对定子铁心位置的推拉轴承(7)，螺纹套筒(6)，外径有蜗轮齿或齿轮的螺母(4)，支承并限制螺纹套筒转动的内花健板(14)。
B、鼠笼转子(36)与端盖之间，安装有推拉轴承(38)，有槽螺纹套筒(39)，内孔是螺母的蜗轮(30)，以及内花键板(28)。
12、后端盖或前端盖轴承孔中，有容纳螺纹套筒伸进部分，及测速发电机或轴编码器(2)的空腔，空腔前端安装电机前轴承(1)，后部有固定在端盖内侧、支承并限制有键槽螺纹套筒(6)转动，以及限制外径有齿的螺母(4)轴向串动的内花键板(14)。
13、后端盖或前端盖一侧，装设有与螺母(4)外径上的蜗轮或齿轮相配套的传动机构，通过这些机构与电动伺服***，或手动、液动、气动机构相连接。
交流感应子无级调速电机所具有的优点是：
1、本发明的交流感应子无级调速电机，是建立在现有技术最成熟、优点最多的三相交流感应电动机的基础上结合在制造与使用方面都早已成熟并高度可靠的，精密花键轴机械传动***，与各种精密机械普遍采用的精密丝杠控制***。上述这些精密而又高度可靠的技术、早已标准化、系列化，其制造成本都很低。因此，交流感应子无级调速电机，基本上具备了三相交流感应电动机的全部优点。
2、交流感应子无级调速电机的比功率，可同三相交流多速变极电机相比。
3、交流感应子无级调速电机，能在小于额定电流，无起动噪声状态下顺利起动。
4、无论是调速运行或额定转速运行，感应子的超前电流都能给定子以有效的功率因数补偿，使定子能在最小电流下运行，提高电机自身效率。
5、由于这种调速电机的起动电流及拖动风机或水泵调速运行时的电流都远比普通三相交流感应电机小，加上这种电机长时间堵转也不会超过额定电流的自身固有特性，应该说交流感应子无级调速电机，在可靠性与使用寿命方面都要超过现有三相交流感应电动机。因而节省维修费和提高生产效率。
6、对电网侧来说，这种交流感应子无级调速电机，有三个优点(1)没有冲击电网的大起动电流；(2)不产生污染电网的高次谐波；(3)感应子能产生超前90°的激磁电流，可显著提高定子的功率因数。
7、由于交流感应子无级调速电机本身具有连续精确调节转矩和调节转速的功能，无须再购买价格昂贵，而且维修与管理费用也都很高的串级调速装置，或变频调速装置等。
8、用交流感应子无级调速电机，拖动风机、水泵等机械设备，在90％以上的额定转速下运行时，也能大量节电。
9、由于制造交流感应子无级调速电机，所使用的各种材料、生产工艺、需用的设备等，都与制造普通三相交流电机基本机同，因此，能用现有设备，制造大容量、高电压的交流感应子无级调速电机。
10、控制交流感应子无级调速电机，非常容易，只需转动螺母(4)、或丝杠等能使电机转子相对定子铁心轴向移动，调节电机的电磁转矩T、使其T＝TL就能简单的使设备达到稳态运行。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种交流感应子无级调速电机典型实施例纵剖面结构图。
图2是本发明的交流感应子无级调速电机、转子铁心上使用的其中一种变极性移相槽口示意图。
图3是本发明的双定子铁心交流感应子无级调速电机实施例纵剖面结构图。
图4是本发明的交流感应子无级调速电机的T--S曲线图。图4a、b中，T是电机输出的电磁转矩，S是转差率，TL是负载转矩，1～6和1～3是曲线的编号。
图中1-前轴承；2-轴编码器；3-蜗杆；4-外径有齿的螺母；5-带法兰盘电机主轴；6-有键槽螺纹套筒；7-推拉轴承；8-有内花健转于套；9-电机主轴上的传动花健；10-滑套；11-后轴承；12-冷却风扇；13-风扇罩；14-内花键板；15-前端盖；16-感应子；17-定子铁心；18-三相定子绕组；19-后端盖；20-变极性移相槽口；21-前端盖；22-感应子主绕组；23-感应子主铁心；24-感应子付绕组；25-感应子付铁心；26电机壳体；27-后端盖；28-内花键板；29-蜗杆；30-内孔是螺母的蜗轮；31-电机主轴；32-后轴承；33-前轴承；34-有内花键转子套；35-主轴上的传动花健；36-鼠笼转子；37-滑套；38-推拉轴承；39-有槽螺纹套筒。
在图1所示的实施例中，将绕制有三相定子绕组(18)的定子铁心(17)，压装在电机壳体内侧的中间，感应子(16)压装在带滑套(10)的有内花键转子套(8)的外径上，推拉轴承(7)的外环压装在转子套前端内孔端部，并在轴承(7)外端加装轴向限位长圈，推拉轴承(7)的内环孔固定在有键槽螺纹套筒(6)的外径上。把前轴承(1)带滚子保持架的内环压装在电机主轴(5)的前端，轴编码器(2)的内环装在轴承(1)内环的一端。前轴承(1)的滚子轴承外环压装在前端盖(15)轴孔承中。在前端盖内侧按顺序装入外径有齿的螺母(4)，内花键板(14)后，用螺钉将(14)固定在前端盖(15)内侧。将带有内花键套的感应转子组件***定子铁心孔中，前端盖用螺钉装在电机壳体前端面的孔中。然后按顺序装入电机主轴(5)，装有后轴承(11)的后端盖(19)，冷却风扇(12)，风扇罩(13)，以及装在前端盖(15)上的蜗杆(3)。
旋转带止推端面的蜗杆(3)，使外径有蜗轮齿的螺母(4)在螺纹套筒(6)的螺纹上旋转，因螺母(4)在轴面被内花键板限位在前端盖上，有槽螺纹套筒(6)也被内花键板的3个键限制转动。由于螺母(4)的旋转，形成螺纹套筒(6)沿轴向相对前端盖(15)运动，再通过推拉轴承(7)带动高速旋转的感应转子沿着轴向相对定子铁心往复运动。
在图3所示的实施例中，电机壳体(26)内孔中装有带绕组(22)的感应子主铁心，与带与绕组(24)的付铁心，装配时使两个三相绕组的相位差为60°电角，串联接线时应使一个绕组的A相同另一个绕组的相位差120的B相或C相联接，使主绕组(22)同付绕组(24)相位差180°电角。
由后端盖(27)的内侧孔中装有内孔是螺母的蜗轮(30)和蜗杆(29)最后用螺钉将内花键板(28)固定在后端盖(27)内侧孔中，螺纹套筒39，推拉轴承(38)，有内花键转子套(34)，滑套(37)，都同实施例l的装配方法一样。前后轴承(33)、(32)的内环都压装在电机主轴(31)上边，前端盖(21)、后端盖(27)分别装到壳体两端的孔中。
当感应子长铁心的一头全部伸进定子铁心中时，其感应子另一头的短铁心早已被全部拉出定子铁心，在这种状态，交流感应子无级调速电机，基本与普通三相感应电机相同，这时的T-S特性曲线如图4b中的曲线(6)所示。感应子短铁心的一端因为没有磁回路，加上转差率很小，转子电流频率F2很低，仅有几HZ，漏抗很小。如将感应子长铁心的部分长度推出定子铁心，使另一头的短铁心进入定子铁心，由于感应子中间段的变极性移相结构使鼠笼导条扭转180°电角度，长铁心处于定子N极磁通势下面的导条被中间段扭转到定子的S极磁通势下面才通入短铁心段，这样就使感应转子导条的两头处于两个异性的磁通势中与磁通相对运动，在每根导条的两头同时感应出相位相反的两个转子电势，长铁心的E2 1与短铁心的E2”，在一个普通三相整体定子铁心(17)中，能使转子形成一个可精确控制其有效值大小的差电势--E2 1-E2 11＝E2°，这个差电势的大小，是由感应子两头的两段铁心，伸进定子铁心的长度比来确定的。当两段铁心所对应的定子铁心长度相等时，其每根导条上的有效电势E2°等于零。此时转子无电流，电磁转矩T等于零。
调节感应子相对定子铁心位置，就能有效的调节转子电流，使电机达到无级调速的目的。
如前面所述，当交流感应子无级调速电机，感应子的长铁心一头全部伸进定子铁心状态后，就成为一个普通三相异步电机，其三相对称定子绕组，接到三相对称交流电源上，就在定、转子铁心气隙中，产生由三相正弦电流合成的旋转磁通势F，转子导条与旋转磁通势F之间，由于存在着滑差而形成导条相对磁场运动，使转子导条绕组随着滑差的大小而感生大小不同的电流，形成自己的磁场，并与定子旋转磁场相互作用而产生电磁转矩T，并同配套设备负载转矩TL平衡，使电机转子拖动负载稳态运行。一但负载TL或电磁转矩T发生变化，使T＜TL，传动***就减速，使***达到新的平衡点，
当传动***出现T＞TL时就会加速，使转子滑差S减小而减小电磁转矩T，使***达到另一个新的平衡点。由于三相交流感应电动机的固有机械特性比较硬，如图4a中的曲线(3)和b中的曲线(6)，在转差率S变化很小的情况下，就能有效地使转矩T得到调节，电机自身就能使电磁转矩T自动跟随TL的变化，这是三相异步感应电动机的最大优点，但也是它难以有效无级调节转速的根本原因。
将交流感应子无级调速电机，感应子短铁心一头连续推进定子铁心中，就使电机输出的机械特性曲线如图4b中的曲线(6)，向着(5)、(4)、(3)、(2)、(1)连续过渡，使电磁转矩T连续下降。更为重要的是，它与降低交流电机端电压调速方式根本不同，从图4a中的T-S曲线(1)、(2)、(3)与曲线TL相交的情况可以看出，降低交流电机定子端电压，也可使风机、泵负载，在较大的转差范围调速运行、但由于调压装置有较大谐波，其转子电流也无法控制，以及处于低的功率因数状态下运行，常使电机过热烧坏，这种低效率的调速方法，现已基本不用。
交流感应子无级调速电机，是通过调节转子电流来达到高效调速的，还由于转子电流I2与E2”电势方向相反，能有效地在定子绕组中感应出超前电网0-90°相位的定子电势E1，从而大大改善了电机的功率因数。
由上述原因，交流感应子调速电机的T-S特性曲线是由曲线(6)的线性段向下方转，把原来只能在转差率很小的范围内稳态运行的特性，变成了一个几乎能在S接近1.0的转差率条件下正常稳态高效率运行。，如图4b中的一条转矩按转速平方关系下降的水泵负载转矩曲线TL，其在6条曲线相交处的S轴坐标，就是交流感应子无级调速电机的6个转速。
对交流感应子无级调速电机，是通过简单地控制转子轴向位置来直接控制转子电流和定子电流的，又可以说是直接控制电磁转矩T的，这就使交流电机中多个非线性变量交织耦合，而给出的电磁转矩T，能用一个非常简单的转子轴向位置来代替。
当负载转矩TL是一个恒转矩设备，按需要调到某一特定转速运行时就将轴编码器输出的实际转速信号与输入的给定转速比较，用高于给定值的信号控制减小电磁转矩T，用低于给定信号去控制使转矩T增加，使转子的轴向位置紧紧跟随给定信号的轨迹，来达到精确控制转速的目的。
Claims (10)
1、一种交流感应子无级调速电机，包括电机壳体、定子铁心、三相绕组、鼠笼转子、转子轴、前后端盖及前后轴承，其特征在于：
A、感应子由两头和中间三段铁心及整体鼠笼绕组组成，在其较短的中间段有使感应子两头改变绕组极性的移相结构；
B、感应子与电机主轴、前后端盖之间，有使感应子沿轴向相对定子铁心作往复运动的机构，
C、定子铁心与壳体、前后端盖之间，有使定子铁心沿转子轴向、相对感应子铁心作往复运动的机构；
D感应子由设置在壳体内侧，铁心长度比为1∶2至1∶4的两个三相定子，并使两个定子的绕组相位差180°串联组成。
2、根据权利要求1所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：感应子由前后两段绕组相位差180°的转子铁心组成，其中一段铁心的长度为定子铁心(17)总长的0.65至1.1倍，另一段铁心的长度为定子铁心(17)总长的0.15至0.5倍，另外短铁心上的每相绕组匝数等于或多于长铁心的每相匝数，两个铁心的三相或两相绕组都是串联的，并在感应子的两个绕组之间，有使三相或两相串联接线处短路的触点、或设置三相交流电容器。
3、根据权利要求1所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：感应子的前后两段铁心长度，一段为定子铁心总长度的0.15至0.5，另一段为定子铁心总长度的0.7至1.1，并在中间段的中间处，有用非磁性材料制成的不导磁隔片。
4、根据权利要求1和3所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：感应子的鼠笼绕组导条，在较短的中间段有使导条扭转90°至180°电角度的变极性移相结构。
5、根据权利要求1、3和4所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：感应子的前后两段铁心冲片，用带有圆弧或其它曲线形状的，变极性移相槽口(20)的磁性冲片，前后两段反向组合。
6、根据权利要求1所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：一个长度相当于设在壳体内侧的感应子主铁心(23)1.5倍左右的鼠笼转子，能在感应子主铁心(23)和付铁心(25)的空腔中，受推拉轴承(38)控制沿轴向来回移动。
7、根据权利要求1至6所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：电机主轴(5)的前端有安装皮带轮的法兰盘、中段有传动花健(9)，在感应子的磁轭中心固定有一端带径向止推轴承的有内花键转子套(8)以及滑套(10)。
8、根据权利要求1至7所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：
A、感应子(16)与端盖(15)之间，安装有调节感应子铁心沿轴向、相对定子铁心(17)位置的推拉轴承(7)、螺纹套筒(6)，外径有蜗轮齿或齿轮的螺母(4)、及内花键板(14)。
B、鼠笼转子(36)与端盖之间，装有推拉轴承(38)、有槽螺纹套筒(39)、内孔是螺母的蜗轮(30)，以及内花键板(28)。
9、根据权利要求1至8所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：后端盖或前端盖轴承孔中，有容纳螺纹套筒伸进部分及测速发电机或轴编码器(2)的空腔，空腔前端安装电机前轴承(1)，后部有固定在端盖内侧、支承并限制螺纹套筒(6)转动，以及限制外径有齿的螺母(4)轴向串动的内花键板(14)。
10、根据权利要求1至9所述的交流感应子无级调速电机，其特征在于：后端盖或前端盖一侧、装设有与螺母(4)外径上的蜗轮或齿轮相配套的传动机构、通过这些机构与电动伺服***或手动、液动、气动机构相连接。
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| CN 97112037 CN1199949A (zh) | 1997-05-16 | 1997-05-16 | 交流感应子无级调速电机 |
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| CN 97112037 CN1199949A (zh) | 1997-05-16 | 1997-05-16 | 交流感应子无级调速电机 |
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| CN1199949A true CN1199949A (zh) | 1998-11-25 |
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| CN 97112037 Pending CN1199949A (zh) | 1997-05-16 | 1997-05-16 | 交流感应子无级调速电机 |
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| CN (1) | CN1199949A (zh) |
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1997
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |