CN100448138C - 混联交流感应电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型交流感应电动机，这种电动机理论和实践上完全消除了传统交流感应电动机5次、7次谐波磁势形成的谐波旋转磁势，降低了电机的损耗和温升，提高了电机的功率因数和效率。制造成本基本不增加，是一种极有实用价值和开发前景的新型换代产品。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及一种交流感应电动机。
(二)背景技术：
在交流感应电动机中，每相电流产生的磁势中存在着谐波磁势，特别是低级次谐波磁势，这些谐波磁势合成一定的谐波旋转磁势，对电机的运行产生不良的影响，引起电机温升提高，噪音增大，效率下降以及功率因数下降，本发明针对这一问题提出一种混联交流感应电动机，较为理想地解决了上述问题。
(三)发明内容：
设三相感应电动机中任何一相通入单位电流，在电动机的磁路气隙中产生分布磁势，由于磁势的正负半周期旋转对称、正半周期或负半周期前半部分和后半部分对称，因而磁路气隙中A、B、C三相的单位电流的磁势可展成下述三角函数表达式：
FA＝f1cosα+f3cos3α+f5cos5α+…
FB＝f1cos(α-120°)+f3cos3(α-120°)+f5cos5(α-120°)+…
FC＝f1cos(α-240°)+f3cos3(α-240°)+f5cos5(α-240°)+…
(1)
上述α表示磁路气隙中点的位置角坐标。
而A、B、C三相电流为：
IA＝Icosωt
IB＝Icos(ωt-120°)
IC＝Icos(ωt-240°)
(2)
近似认为电机磁化过程是线性的，因而磁路气隙中，各相磁势是上述(1)、(2)式中对应式之积：
FA(α，t)＝FAIA＝{f1cosα+f3cos3α+f5cos5α+…}Icosωt
FB(α，t)＝FBIB＝{f1cos(α-120°)+f3cos3(α-120°)+f5cos5(α-120)+…}Icos(ωt-120°)
FC(α，t)＝FCIC＝{f1cos(α-240°)+f3cos3(α-240°)+f5cos5(α-240°)+…}Icos(ωt-240°)
(3)
上式中三相磁势均沿气隙径向，上式三式相加，就是气隙中总磁势分布：
F＝FA(α，t)+FB(α，t)+FC(α，t)＝
＝1.5f1Icos(α-ωt)+1.5f5Icos(5α+ωt)+1.5f7Icos(7α-ωt)
+1.5f11Icos(11α+ωt)+1.5f13Icos(13α-ωt)+…+
+1.5f(6n-5)Icos[(6n-5)α-ωt]+1.5f(6n-1)Icos[(6n-1)α+ωt]+…
(4)
上式中第一项代表基波旋转磁势，它以ω角速度旋转，第二项、第四项代表5次、11次谐波旋转磁势，它们分别以-(1/5)ω、-(1/11)ω角速度旋转，第三项、第五项代表7次、13次谐波旋转磁势，它们分别以(1/7)ω、(1/13)ω速度旋转，图1表示了这些计算结果。这些谐波旋转磁势旋转速度和基波旋转磁势旋转角速度ω不同步，甚至反向，因而对电机的运转起着不良的影响，级次越低的谐波旋转磁势影响越显著，因而在电机设计中尽可能消除5次和7次谐波磁势。现有的方法还不能完全消除5次和7次谐波磁势。本发明针对这一问题，提出一种混联交流感应电动机，很大程度克服了上述缺陷，从而提高了感应电动机的运行效率，降低了温升，提高了功率因数。
现在讨论六相交流感应电动机的磁场问题。设电动机中任何一相通入单位电流，在电动机的磁路气隙中产生分布磁势为：
F1＝f1cosα+f3cos3α+f5cos5α+…
F2＝f1cos(α-30°)+f3cos3(α-30°)+f5cos5(α-30°)+…
F3＝f1cos(α-120°)+f3cos3(α-120°)+f5cos5(α-120°)+…
F4＝f1cos(α-150°)+f3cos3(α-150°)+f5cos5(α-150°)+…
F5＝f1cos(α-240°)+f3cos3(α-240°)+f5cos5(α-240°)+…
F6＝f1cos(α-270°)+f3cos3(α-270°)+f5cos5(α-270°)+…
(7)
六相绕组分别通过的电流为：
I1＝Icosωt
I2＝Icos(ωt-30°)
I3＝Icos(ωt-120°)
I4＝Icos(ωt-150°)
I5＝Icos(ωt-240°)
I6＝Icos(ωt-270°)
(8)
作(7)、(8)两式各对应式之积：
F1(α，t)＝F1I1＝{f1cosα+f3cos3α+f5cos5α+…}Icosωt
F2(α，t)＝F2I2＝{f1cos(α-30°)+f3cos3(α-30°)+f5cos5(α-30°)+…}Icos(ωt-30°)
F3(α，t)＝F3I3＝{f1cos(α-120°)+f3cos3(α-120°)+f5cos5(α-120°)+…}Icos(ωt-120°)
F4(α，t)＝F4I4＝{f1cos(α-150°)+f3cos3(α-150°)+f5cos5(α-150°)+…}Icos(ωt-150°)
F5(α，t)＝F5I5＝{f1cos(α-240°)+f3cos3(α-240°)+f5cos5(α-240°)+…}Icos(ωt-240°)
F6(α，t)＝F6I6＝{f1cos(α-270°)+f3cos3(α-270°)+f5cos5(α-270°)+…}Icos(ωt-270°)
(9)
电机气隙磁场随空间和时间总分布为(9)式中各式之和：
F＝F1(α，t)+F2(α，t)+F3(α，t)+F4(α，t)+F5(α，t)+F6(α，t)
＝3f1Icos(α-ωt)+3f11Icos(11α+ωt)+3f13Icos(13α-ωt)+…+
3f(12n-11)Icos((12n-11)α-ωt)+3f(12n-1)Icos((12n-1)α+ωt)+…
(10)
(10)式中3f1Icos(α-ωt)是基波旋转磁势，它以ω角速度旋转。其余各项为谐波旋转磁势，它们的旋转角速度都不是ω。图2表示了这些计算结果。但是，我们注意到这些谐波旋转磁势的最小级次是11，与三相感应电机比较，它不存在5、7、17、19、…这些级次的旋转磁势，尤其是5次和7次谐波旋转磁势。这就使得六相感应电动机性能上优于三相感应电动机。
以下讨论如何由三相交流电源实现六相驱动问题。
图3、图4是三相电源驱动星形负载和三角形负载的两种连接方式，其中图3是三相电源输出端同时连接星形负载和三角形负载。这种方式称为星形三角形并联连接方式。假定这种星形负载和三角形负载各自都是对称的，即各自的负载完全相同，并且三角形负载中的每个负载和星形负载中的每个负载复阻抗之比是一个常实数，即在相同的交流电压下，它们的电流是同相位的。这样，可以得到，星形负载和三角形负载各自的电流是对称的，而且从图5电流相量分析还可以得到
超前
超前
超前
图4是三相电源输出端先连接星形负载的输入端，星形负载的另一端不共接，而连接一个三角形负载，这种方式称为星形三角形串联连接方式，同样假定星形负载和三角形负载各自都是对称的，由图6电流相量分析同样可以得到
超前
超前
超前这样，上述任何一种连接方式都可以得到两组对称分布的三相电流，而这两组三相电流两两相位差30°，如果每个负载作为电机的一相绕组，这些绕组在空间电角度差与它们相位差相同，就会得到一个六相电动机的模型，但情况与前述推导过程不同的是这两组电流的大小不同，但可以取这两组绕组的匝数不同，使各组绕组单独通过相应的电流时，产生的磁势大小完全相同，这样两组绕组产生的旋转磁势就和前述计算结果完全一致。即可以完全消除5次、7次旋转谐波磁势。
为了准确叙述本发明的构思和结构，对交流感应电动机的两相绕组的夹角和几何夹角定义如下：设一个p(p＝1、2、3…)对极交流感应电动机，一相绕组的两端分别为A、X，另一相绕组的两端分别为B、Y，若规定A、B为这两相绕组各自的输入端，X、Y为这两相绕组的输出端，这两相绕组都从输入端到输出端通以相同方向的电流，若其中一相绕组产生的磁场转过最小角度α(α≥0)与另一相绕组电流产生的磁场同极性磁极中心位置完全重合，就称这两相绕组在A、B为输入端时夹角为α机械角度或者夹角为pα电角度。对换其中一相绕组的输入和输出端，得到两相绕组夹角为(180°/p)-α或者180°-pα，把α和(180°/p)-α的较小机械角度值或者pα和180°-pα较小电角度值称为这两相绕组的几何夹角。
混联交流感应电动机由定子和转子构成，定子结构如下：当其极对数为p(p＝1、2、3…)时，定子的每相绕组单独通过电流时，产生沿定子圆周等角度分布的p(p＝1、2、3…)对磁极。它的定子有六相绕组，分为两个三相绕组。其中一个三相绕组称为三角形绕组，三角形绕组中任何两个绕组的夹角为120°电角度，采用三角形连接，即第一相绕组的输出端和第二相绕组的输入端连接，第二绕组的输出端和第三绕组的输入端连接，第三绕组的输出端和第一绕组的输入端连接，这三个连接部分以下称为连接端。另一个三相绕组称为星形绕组，它的三个绕组和三角形绕组的三个绕组相间、并是等间隔分布，即星形绕组中的每相绕组都和三角形绕组中两相绕组几何夹角分别为30°电角度，而三角形绕组中的每相绕组和星形绕组中的两相绕组几何夹角也为30°电角度，把和三角形绕组一个连接端连接的两相绕组几何夹角都是30°电角度星形绕组中的绕组，称为这个连接端对应的绕组。再这样规定每相星形绕组的输入端和输出端，使得每相星形绕组和与它所对应的三角形绕组连接端所连接输入端的那相三角形绕组夹角为30°电角度，而和这个连接端连接输出端那相三角形绕组夹角为150°电角度。星形绕组和三角形绕组采用两种方式连接：(1)串联方式，将三角形绕组的每个连接端和其对应的星形绕组输出端连接，星形绕组中的三相绕组的三个输入端连接三相交流电源。(2)并联方式，将三角形绕组的每个连接端和其对应的星形绕组输入端连接，并连接到三相交流电源，星形绕组中的三相绕组的三个输出端连接在一起。
上述混联交流感应电动机的定子绕组两种连接方式还未涉及绕组感应电动势与施加电压的平衡关系，事实上对于串联连接方式，星形绕组的电流是三角形绕组的电流的
倍为了使这两个电流产生相等的磁势，因而三角形绕组的匝数应是星形绕组的匝数
倍，同样，并联连接方式，三角形绕组施加电压是星形绕组施加电压的
倍，因而三角形绕组的反电势也应该是星形绕组反电势的
倍，因此三角形绕组的匝数还应是星形绕组的匝数
倍。两种情况都要求三角形绕组的匝数应是星形绕组的匝数
倍。因为线圈的匝数都是整数值，匝数比无法做到严格的倍，实际操作时，取的近似值。
(四)附图说明：
图1是三相感应电动机谐波分析图，图2是六相感应电动机谐波分析图，两图中表格第一行数字代表谐波磁势的级次，第二行符号空格表示这个级次旋转谐波磁势不存在，圆圈代表基波旋转磁势，方形符号代表这个级次的旋转谐波磁势存在但和基波磁势转向相反，三角形符号代表这个级次的磁势存在，且和基波磁势转向相同但不同步。图3是三角形负载和星形负载并联方式连接示意图，图4是三角形负载和星形负载串联方式连接示意图，图5、图6分别是图3、图4两种负载连接方式电流相量分析图，图7、图8是混联交流感应电动机定子绕组串联方式和并联方式示意图。
(五)具体实施方式：
图7、8是p＝1的混联交流感应电动机定子绕组实施方式，其中AA′、BB′、CC′为三角形绕组中的三个绕组，A、B、C为这三个绕组各自的输入端，A′、B′、C′为这三个绕组各自的输出端，A连接C′，B连接A′，C连接B′，这三个连接部分AC′、BA′、CB′都是连接端。DD′、EE′、FF′为星形绕组中的三个绕组，这三个绕组分别是AC′、BA′、CB′连接端对应的绕组，规定D、E、F分别为这三相绕组的输入端。串联连接如图1所示，D′、E′、F′分别和AC′、BA′、CB′连接端连接，D、E、F三端连接三相交流电源。并联连接如图2所示，D、E、F分别和AC′、BA′、CB′连接端连接再连接三相交流电源，D′、E′、F′三端连接在一起。
从上述分析可以看出，混联交流感应电动机不仅可以完全消除5、7、17、19…等级次谐波磁势造成的旋转磁势，并且还可以利用短距绕组和分布绕组方法消除11、13次谐波磁势造成的旋转磁势，而且电机制造结构并不发生变动，制造成本基本不增加。因而本发明应用前景极为广阔。
Claims (2)
1、一种由定子和转子构成的混联交流感应电动机，当其极对数为自然数p时，定子的每相绕组单独通过电流时，产生沿定子圆周等角度分布的p对磁极，其主要特征在于：所述的混联交流感应电动机的定子有六相绕组，分为两个三相绕组；其中一个三相绕组称为三角形绕组，三相绕组中任何两个绕组的夹角为120°电角度，采用三角形连接，即第一相绕组的输出端和第二相绕组的输入端连接，第二相绕组的输出端和第三相绕组的输入端连接，第三相绕组的输出端和第一相绕组的输入端连接，这三个连接部分以下称为连接端；另一个三相绕组称为星形绕组，它的三个绕组和三角形绕组的三个绕组相间、并是等间隔分布，即星形绕组中的每相绕组都和三角形绕组中两相绕组几何夹角分别为30°电角度，而三角形绕组中的每相绕组和星形绕组中的两相绕组几何夹角也为30°电角度，把和三角形绕组一个连接端连接的两相绕组几何夹角都是30°电角度星形绕组中的绕组，称为这个连接端对应的绕组；每相星形绕组的两端中，其中和这相星形绕组对应的三角形绕组连接端相近的一端，称为这相星形绕组的输入端，另一端称为这相星形绕组的输出端；星形绕组和三角形绕组采用两种方式中的任何一种来连接：(1)串联方式，将三角形绕组的每个连接端和其对应的星形绕组输出端连接，星形绕组中的三相绕组的三个输入端连接三相交流电源；(2)并联方式，将三角形绕组的每个连接端和其对应的星形绕组输入端连接，并连接到三相交流电源，星形绕组中的三相绕组的三个输出端连接在一起。
2、根据权利要求1所述的混联交流感应电动机，其主要特征在于：定子绕组中三角形绕组的匝数应是星形绕组的匝数
倍的近似值。
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