CN101228680A - 用于提高电机效率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

单相或多相交流电机或同步发电机，包括主绕组和执行主绕组磁场的去饱和的附加绕组。每个附加绕组通过至少一个电容器以与各自主绕组不同的相位角和与各自主绕组相反的磁场方向来供给。在每个主和附加绕组上使用的绕线的总横截面具有预定大小并且优选地遵循主绕组大约三分之二(2/3)的比例以及附加绕组大约三分之一(1/3)的比例，并且各电容值是预定的。每个附加绕组的匝数为其各自主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％－100％)。两个绕组在同一操作中同时形成。

Description

用于提高电机效率的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有由相同发明者于2003年6月24日提交的共同未决美国专利申请No.10/602,966的优先权，该美国专利申请又涉及于2002年6月25日提交的申请号0207820000的法国专利申请，该法国专利申请现已被授权为法国专利No.FR2841404。

技术领域

本发明涉及电机和同步发电机，特别是，其涉及能在负载的大范围内以非常高效率运行的电机或发电机。

背景技术

单相交流电机通常用于低马力应用。其范围可以从很小的马力延伸至大约十马力。当马力需要超过十马力时通常使用三相电机。

于1984年5月1日授予给Wanlass的题为“Polyphase ElectricMachine Having Controlled Magnetic Flux Density”的美国专利No.4,446,416A公开了一种具有主绕组和附加控制绕组的定子铁芯。通过控制定子铁芯中的磁通密度来优化多相电机中磁通密度。特别是，缠绕在磁芯上的主多相定子绕组包括多个绕组，其中每个绕组代表一个相。将电容器串联连接到每个绕组。电容器能减少无功功率。

在1976年9月9日公布的授予给Wen的题为“Single PhaseInduction Motor”的德国专利申请No.2508374中也公开了一种附加电机绕组技术。Wen公开了具有两个起动绕组以增大起动电容电压的单相电机。Wen还公开了具有两组起动绕组以提供更好的运行功率因数和改良的起动转矩的单相感应电机。

Wanlass和Wen电机，如同目前所知的所有电机一样，在满负载下最高效率操作而在低负载状态下效率低。因此，传统电机可在满负载状态期间具有大于0.90的功率因数而在低负载下具有0.50或更低的功率因数。

电力公司给出了向任意电机提供能量的精确反百分比的功率因数。以0.70功率因数运转的电机比以全功率因数(unity power factor)(0.999或1.00)运转的电机多使用百分之三十(30％)的安培数。由于需要补充安培需求，可能使供应能量的发电机过载并且将同时转移给驱动器(柴油机或涡轮机)，其将需要更多的能量以满足该新的需求。该新的需求(以千瓦计)与原先的需求是相同的。唯一的变化仅在于功率因数。因此，使用不能在所有负载下都以高功率因数运行的电机是不可取的。

因此需要一种能在所有负载下以高功率因数运行的电机。然而，由于低负载下效率低是电机的固有特性，因此多年来传统观念都认为当减小其上施加的负载时电机将总是以减小的效率运行。要在低负载状态下获得0.90和以上的范围内的功率因数是不可能的。

在供应使用低功率因数(P/F)常规电机的消费者时，则任何的电力生产者在其生产的方面蒙受损失。如果电机经常在低工作循环(dutycycle)(从空载至百分之七十五(75％)负载)下使用或者电机是通过V.F.D(可变频率驱动)来供给的，则会遭受更大的损失。当电机通过降低频率来降低速度时，其会自动地使功率因数下降。

例如：在0.88功率因数下在四百六十(460)伏特拉出(pull)三十(30)安培的电机(A)将消耗21.03KW(30安×460伏×1.732×0.88P/F)。

在0.68的平均P/F下运转的另一个相同H.P.的电机(B)，也将消耗21.03KW。而安培数增加到38.83安培(38.83安×460伏×1.732×0.68P/F)。

电机(A)消耗的KW与电机(B)消耗的KW是相同的。这就意味着供应电机(B)，电力公司将不得不使其发电机生产比供应电机(A)多29.4％的安培数。产生电的发电机典型地是由柴油机或蒸汽轮机驱动的。电流是负载和空载发电机的一个因素，因此电机的上述对比的直接结果就是为产生相同的21.03KW，对于电机(B)比电机(A)多消耗29.4％的能量(柴油机燃料，煤，等等)。

由此可推断电机(B)的拥有者对于其21.03KW应该比电机(A)的拥有者支付更多。替换的是，可要求电机(B)的拥有者将所述低功率因数电机换成高功率因数电机。

于是，所需要的是改进电机以增加电机的功率因数，使得相对于传统的、低功率因数的电机，执行给定任务所需要需要较少的能量。例如，如果功率因数能增大到0.98，上述电流将下降到26.93安培。将安培数乘以460伏和1.732和0.98P/F得到21.03KW。注意，功率因数P/F为0.68时抽取(draw)电流为38.83安培，P/F为0.88时电流为30.0，P/F为0.98时电流为26.93安培。

然而，鉴于在形成本发明时总体上考虑的现有技术，怎样充分增大电机的功率因数对于电机领域的普通技术人员不是显而易见的。

发明内容

本发明包括一种用于在交流电机的整个工作范围，即从空载至满负载，提高其效率的开创性方法。其非常新颖的步骤包括选择用于第一导体的第一线径(wire size)和用于第二导体的第二线径以使第一线径大于第二线径的步骤。缠绕第一导体以形成主绕组，而缠绕第二导体以形成附加绕组。附加绕组的匝数至少等于主绕组的匝数的一半，以及可以等于但不大于主绕组的匝数。电容器与附加绕组串联电连接。然后，附加绕组和电容器与第一绕组并联电连接。附加绕组相对于主绕组反向连接，以使第一绕组中的电流以第一方向流动，而附加绕组中的电流以与第一方向相反的第二方向流动。

为单相或多相电机的每个相提供主绕组和附加绕组以及电容器。

在三相电机中，主绕组的三个和附加绕组的三个和电容器以三角形或星形连接(也称为“Y”或“Y字型(Wye)”结构)。

为了确定与附加绕组串联的电容器的电容值(以微法为单位)，确定当其上供应有线电压时的交流电机在满负载下所抽取的电流。该值(以微法为单位)是通过交流电机在满负载下所抽取的电流乘以经验系数(常数)的结果再除以线电压的平方而获得的。

所述经验系数落入从大约0.25×10⁶至大约0.30×10⁶的范围内。

选择第一和第二线径，以使第一线径的横截面积比第二线径的横截面积大大约三分之二(2/3)到三分之一(1/3)的比例。

缠绕第一导体以形成主绕组的步骤优选地与缠绕第二导体以形成附加绕组的步骤同时进行。在执行缠绕第一导体的步骤的期间内的至少部分时间，执行附加绕组的这种缠绕。

本发明的交流电机在所有负载状态下以非常高的功率因数运行。如在此所使用的，术语“交流电机”包括单相或具有至少三相的多相交流电机。该术语也包括具有至少两个极的同步发电机。为方便起见，下列公开中称为电机，但应该理解这里所定义的较宽泛的术语“电机”可替代每处对电机的引用。

本发明的新型的电机包括几乎与传统电机一样的主绕组。然而，其区别在于也提供了具有去饱和(de-saturation)功能的附加绕组。每个附加绕组与电容器串联电连接。每个附加绕组和电容器与主绕组并联电连接。值得注意的是，附加绕组相对于与其相关联的主绕组反向连接，以使流过主绕组的电流的方向与流过附加绕组的电流的方向相反。此外，流过主绕组的电流与流过附加绕组的反向电流是异相的。适当大小的电容器允许执行本发明方法所需要的精确相移。

每个主和附加绕组上所使用的绕线的总横截面积根据特定的比例分别分配给每个绕组。具体地，将总横截面积定义为一个整体，于是，主绕组的横截面积大约是该整体的三分之二(2/3)，而附加绕组的横截面积大约为该整体的三分之一(1/3)。

本发明进一步包括一种用于交流电机的新型的绕组方法。具体地，电机的两个绕组优选在同一操作以同一时间完成，作为一个步骤。

本发明也包括用于计算与附加绕组串联连接的电容器的值(以微法为单位)的方法。电容器的值(以微法为单位)与实际的满负载电流成正比，与线电压的平方成反比。分子乘以在0.25×10⁶至0.30×10⁶范围内的乘数或一个常数。

根据本发明的单相电机包括与主共用点以及线电压的第一和第二主电位线电连接的第一和第二主绕组。其进一步包括与第一和第二主绕组并联电连接到绕组电容器以及第一和第二电位线的第一和第二附加绕组。第一和第二附加绕组分别产生与和其相关的第一和第二主绕组反向的磁场。

起动绕组电连接在第一和第二电位线的预选线和起动电容器之间。开关电连接在起动电容器和第一和第二电位线的预选线之间。

第一和第二主绕组中每个的主绕线横截面积大约是和其相关的第一和第二附加绕组的横截面积的两倍。三分之二至三分之一(2/3-1/3)的比例也应用于单相和多相绕组中。

本发明还具有另外的方面，其不仅改善了电机的功率因数也减小了千瓦消耗。

附图说明

为了全面地理解本发明的实质和目的，参考附图，在附图中：

图1为现有技术的单相电机的示图；

图2为改良的现有技术的单相电机的示图；

图3为现有技术的三相三角形结构电机的示图；

图4为现有技术的三相星形结构电机的示图；

图5为现有技术的三角形结构电机的示图；

图6为现有技术的星形结构电机的示图；

图7为现有技术的具有四极的电机的绕组内部连接的示图；

图8为根据本发明教导的单相电机的示图；

图9为根据本发明教导的三角形结构三相电机的示图；

图10为根据本发明教导的星形结构三相电机的示图；

图11为根据本发明教导的三角形邻近极、三相电机上的四极的绕组内部连接的示图；

图12为根据本发明教导的三角形结构电机的示图；

图13为根据本发明教导的三角形结构电机的示图；

图14为根据本发明教导的星(或Y)形结构电机的示图；以及

图15为根据本发明教导的三角形结构电机的示图。

具体实施方式

参见图1，可以看出，总体上图解描述现有技术的单相电机，并以附图标记10表示。

单相电机10包括运转绕组12、起动绕组14和运转电容16。当达到运转速度时，电容器16在起动程序后，立即使起动绕组失相。这不能改善电机10的功率因数。流过绕组14的电流以与绕组12有关地流动，从而确定应用电机所需要的转动方向。

单相电机通常包括起动电容器，该起动电容器与形成起动绕组电路的一部分的离心式开关或隔离继电器(disconnecting relay)串联。以微法为单位精确地计算运转电容器的大小可使电机的效率最佳化，从而增强起动转矩、起动和运转电流以及温度。

例如，图2图解描述这种改进的单相电机，总体上以10a来表示。电机10a包括运转绕组12、起动绕组14、起动电容器16、离心式开关或隔离继电器18、以及运转电容器20。

图3图示现有技术的具有以三角形结构设置的主绕组21、23和25的三相电机。三相的各自进入线电压表示为R、S和T。

图4图示现有技术的具有以星形结构设置的主绕组21、23和25的三相电机。三相的各自进入线电压表示为R、S和T。星形连接的中心点表示为0。

在现有技术的三相电机中，极的数量由特定应用所需要的速度来确定。内部连接星形或三角形结构，以传送特定应用所需的转矩、马力以及电压内部相关。

图5示出了现有技术的改进型三相三角形结构电机30。三个主绕组表示为21、23和25，而三个附加绕组表示为27、29和31。附加绕组电容器表示为33、35和37，三相线电压连接表示为R、S和T。

附加绕组27与电容器33串联，并且所述附加绕组27和电容器33与主绕组21并联电连接。附加绕组27与主绕组21以相同方向连接。因此，电流以相同方向流过主绕组21和附加绕组27。电容器33使流过附加绕组的电流变相，使得所述电流与流过主绕组21的电流异相。这减小了电机的无功功率，并且仅提高了额定满载时的功率因数。

绕组27、29和31具有与绕组21、23和25相同的匝数。

附加绕组29与电容器35串联，并且所述附加绕组29和电容器35与主绕组23并联电连接。附加绕组29与主绕组23以相同方向连接。因此，电流以相同方向流过主绕组23和附加绕组29。电容器35使流过附加绕组的电流变相，使得所述电流与流过主绕组23的电流异相。这减小了电机的无功功率，并且仅提高了额定满载时的功率因数。

附加绕组31与电容器37串联，并且所述附加绕组31和电容器37与主绕组25并联电连接。附加绕组31与主绕组25以相同方向连接。因此，电流以相同方向流过主绕组25和附加绕组31。电容器37使流过附加绕组的电流变相，使得所述电流与流过主绕组25的电流异相。这减小了电机的无功功率，并且仅提高了额定满载时的功率因数。

图6示出了现有技术的三相星形结构电机。三个主绕组表示为21、23和25，以及三个附加绕组表示为27、29和31。三个附加绕组电容器表示为33、35和37，以及三相线电压连接表示为R、S和T。主绕组的星形中心点表示为OP，而附加绕组的星形中心点表示为OS。如图5的三角形结构那样，每个附加绕组与和其相关的电容器串联电连接，以及每个串联的附加绕组和电容器与和其相关的主绕组并联电连接。附加绕组与和其相关的主绕组以相同方向连接。每个附加绕组具有与和其相关的主绕组相同的匝数。

图7为现有技术的电机的绕组图。其示出了绕组间隔连接，并示出了四个极，其中每个表示在每个相A、B和C中(在主绕组Y和附加绕组V中，相A的四(4)个极，相B的四(4)个极，和相C的四(4)个极)。在线R中的连接点对于主绕组Y表示为40，对于附加绕组V表示为42。线S中的对于主绕组Y表示为44，对于附加绕组V表示46。线T中的对于主绕组Y表示48，而对于附加绕组V表示为50。附加绕组电容器表示为52、54和56。注意，该绕组是物理上不平衡的图案。三角形连接44相对于三角形连接40和48是不均匀的(uneven)。

此外，三角形连接46相对于三角形连接点42和50是不均匀的。这种物理上的不平衡影响了两种绕组之间相对于电机的转动方向(顺时针或逆时针)的相角滑移(slip)。这种类型的绕组内部连接影响了在一个转动方向上节约能量。

将图5、6和7的技术应用于传统三相电机，使整体铜密度增加大约百分之十五(15％)，并将传统绕组以二分之一(1/2)的比例分成两种单独的绕组。

将常规电机变为图5、6和7的技术需要如下条件：

-将整体铜密度增加大约百分之十五(15％)

-将传统绕组以1/2的比例分成两(2)种单独的绕组

-转变原来绕组邻近极叠绕的布置(不能使用交替极(consequent pole)的设计)

-遵照相同数量的整个电路将原类型连接转变为三角形结构。(该技术存在星形结构选择，但场测试显示其既无效率改善也不能改善消耗)。

-如下计算附加绕组电容值：

$C=P\×\frac{{\left(460\right)}^2}{{\left(E\right)}^2}\×1.5$

其中：

C为每一相的电容器值(以微法为单位)；

P为电机的理论额定马力；

1.5为源于实践经验的乘数；以及

460为恒定基电压。

该公式不能精确地计算最优电容值，因为其没有考虑在电机负载参数下工作的实际场。这种类型的电机运行在较好功率因数下，因此能节约一定的能量。然而，其质量较差并且工作寿命相对较短。

图8A、8B、8C和8D示出了根据本发明教导的单相电机。

在图8A中，主绕组以两个部分表示，分别示为62a和62b，由中点0分隔。主绕组的中心点用作双电压的目的，这样就能像任意常规电机中那样如果电压变化或输出马力的变化需要的话允许选择串联或并联连接选项。

类似的，附加绕组也包括两个部分，示为64a和64b，与电容器66串联。起动绕组示为68，起动电容器示为70，以及离心式开关或隔离继电器示为72。值得注意的是，附加绕组64a、64b反向并联连接到其各自的主绕组62a、62b。

在图8B中，主绕组以两个部分表示，分别示为62a和62b，彼此并联电连接。对于其它方面，图8B中的电路与图8A的电路相同。

在图8C中，附加绕组64a、64b彼此并联电连接，与电容器66串联。对于其它方面，图8C中的电路与图8B的电路相同。

在图8D中，附加绕组64a、64b彼此并联电连接，与电容器66串联。对于其它方面，图8D中的电路与图8A的电路相同。

图9图示根据本发明教导的三角形缠绕的三相电机。主绕组示为22、24和26，并且三角形连接。附加绕组示为28、30和32，而附加绕组电容器示为34、36和38。附加绕组以及各自的附加绕组电容器也以三角形结构电连接。三个主绕组的三角形连接点分别示为R、S和T。进入线电压连接点示为Ra、Sa和Ta。每个附加绕组以与其各自的主绕组不同的相来供给，从而使其进入反向场状态。每个附加绕组也具有预定电容值，其根据本发明的方法产生精确的相移。

附加绕组28与电容器34串联，并且所述绕组和电容器34与主绕组24并联电连接。附加绕组28相对于主绕组24反向连接。因此，流过主绕组24电流处于第一方向，并且流过附加绕组28的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动。

附加绕组30与电容器36串联，并且所述附加绕组30和电容器36与主绕组26并联电连接。附加绕组30相对于主绕组26反向连接。因此，流过主绕组26电流处于第一方向，而流过附加绕组30的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动。

附加绕组32与电容器38串联，并且所述附加绕组32和电容器38与主绕组22并联电连接。附加绕组32相对于主绕组22反向连接。因此，流过主绕组22的电流处于第一方向，而流过附加绕组32的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动。

附加绕组28、30和32具有比各自的主绕组22、24和26小的匝数。然而，即使附加绕组具有与其各自主绕组一样多的匝数，也可以观测到电机操作中的改善。但是，如果附加绕组的匝数大于主绕组的匝数，基本上降低了效率。此外，如果附加绕组的匝数小于和其相关的主绕组的匝数的一半，效率就会更低。由此可推算出，每个附加绕组的匝数应该在和其相关的主绕组匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间。实际的比例取决于应用；此外，匝数可以通过增加和减少附加绕组中支路数(number of circuits)而改变，进一步示于图13和14中。

图10图示根据本发明教导的星形缠绕的三相电机。三个主绕组示为22、24和26并以星形结构缠绕。三个附加绕组示为28、30和32并以星形结构缠绕。附加绕组电容器示为34、36和38。星形连接点示为O并且三个线电压连接示为R、S和T。

与图9中所示的星形结构一样，每个附加绕组与和其相关的电容器串联电连接，以及每个串联连接的附加绕组和电容器与和其相关的主绕组并联电连接。附加绕组相对于和其相关的主绕组反向连接，并且每个附加绕组的匝数至少等于主绕组匝数的一半但不大于所述主绕组的总匝数。

特别是，利用与各自的主绕组不同的相来供给每个附加绕组。与主绕组24并联电连接，与绕组22物理上嵌套(physically nested)并与其反向连接的附加绕组28，通过电容器34连接到主绕组24的线R上。与主绕组26并联连接，与绕组24物理上嵌套并与其反向连接的附加绕组30，通过电容器36连接到主绕组26的线S上。与主绕组22并联连接，与绕组26物理上嵌套并与其反向连接的附加绕组32，通过电容器38连接到主绕组22的线T上。这清楚地示出了附加绕组的反向场状态。

图11示出了根据本发明具有四极、一个三角形相邻极的三相电机的绕组内部连接，其中所述四极每一示于每个相A、B和C中(在主绕组Y和附加绕组V中，相A的四(4)个极，相B的四(4)个极，和相C的四(4)个极)。对于线R中的连接点对于主绕组Y表示为80，对于附加绕组V表示为82a、82b的。对于线S中的连接点对于主绕组Y表示为84，对于附加绕组V表示为86a、86b。对于线T中，连接点88表示主绕组Y的，连接点90a、90b表示附加绕组V的。附加绕组电容器分别示为92、94和96。

换句话说，每个主和附加绕组各自的三角形连接是主绕组的三个三角点80、84和88以及附加绕组的82a、82b、86a、86b和90a、90b。在主绕组Y中，连接优选彼此是对称和等距的。这种新颖的结构校正与转动方向有关的效率和节约能量的问题。该示例示出了四极的一个三角形电路的结构，其校正了三角结构中在其它速度和多支路数下的旋转问题。

图12中所示的绕组具有新型绕组的最高效率。主绕组示为22、24和26，并且为三角形缠绕。附加绕组示为28、30、32；注意它们相对于其各自的主绕组的反向连接。与附加绕组串联连接的电容器分别示为34、36和38。主绕组和附加绕组都以三角形结构设置。附加绕组物理上嵌套于三角缠绕的主绕组内。由于这里没有与电源线的直接或硬的电连接，即绕组仅仅由电容器来供给，从而实现了最高效率。这消除了与彼此相反的电流相关的问题，并能允许主绕组的最大去饱和。

图13中所示的绕组具有第二最高效率。主绕组22、24和26以三角形结构设置，但附加绕组28、30和32以星形结构连线，并物理嵌套于主绕组的三角形结构内。绕组电容器34、36和38分别与附加绕组28、30和32串联连接。

图14示出了具有与图13的绕组同样效率的绕组。主绕组22、24和26彼此以星形结构电连接，但是它们在物理上嵌套于每个各自的附加绕组28、30和32内。附加绕组28、30和32以三角形结构电连接，并在物理上嵌套于主绕组的星形(Y)设置内。如所有实施例一样，绕组电容器34、36和38与它们各自的附加绕组28、30和32串联连接。此外，如所有实施例一样，附加绕组相对于它们各自的主绕组反向连接，而附加绕组和电容器与它们各自的主绕组并联连接。

图15和图9中图示的实施例能获得第三最好的效率。主绕组22、24和26以及附加绕组28、30和32均是以三角结构电连接并在物理上嵌套，但在相比图14和15，可以看出图15中附加绕组28、30和32相对于图14中它们各自的位置逆时针旋转了一百二十度(120°)。因此，附加绕组30与主绕组22平行地相邻设置，反向连接于其，附加绕组32与主绕组24平行地相邻设置，反向连接于其，以及附加绕组28与主绕组26平行地相邻设置，反向连接于其。

将传统的单相或三相电机变为根据本发明教导的电机，可获得如下优点：第一，与传统电机相比，不改变铜密度。第二，将传统绕组分成两种不同且分离的绕组，遵循大约为三分之一(1/3)和三分之二(2/3)的比例。此外，不需要改变绕组布置的原类型，相邻极或交替极。

根据本发明，两种绕组可在单一步骤中仅在一个操作中同时缠绕和插入。

计算每个相的附加绕组电容器的值(以微法为单位)是可行的。该值与每个相的实际满负载时的电流(以安培为单位)成正比，并与线电压(以伏特为单位)的平方成反比。然后该值时序(timing)由大约在0.25×10⁶至0.3×10⁶之间的倍乘因数来确定。两绕组的新型互联是场方向相反且彼此不同相。

新型绕组在所有负载状态下提高总效率，显著地改善功率因数，并且充分地降低起动电流和工作电流。例如，传统十马力电机在空载时抽取大约六(6)安培的电流，而在加入在此公开的附加绕组和电容器后仅抽取约零点六(0.6)安培。在满负载状态下，同一电机传统地运行在大约0.74至0.84的功率因数下，而在根据本发明缠绕时从百分之二十五(25％)机械负载至满机械负载及以上运行在0.99的功率因数。

在单相电机中，第一和第二主绕组在各自的第一端处连接到主共用点，以及在各自的第二端处连接到线电压的第一和第二电位线。第一和第二附加绕组每个与绕组电容器串联电连接，并与第一和第二电位线并联电连接，以及与第一和第二主绕组反向连接。第一和第二附加绕组中的每个产生与和其相关的第一和第二主绕组产生的电磁场方向相反的电磁场。

第一和第二主绕组具有第一线径，而第一和第二附加绕组的每个具有第二线径。第一线径大约是第二线径的两倍。

多相电机包括在具有线电压的三个连接点处以三角形结构连接的多个主绕组。每个主绕组具有第一线径。附加绕组和绕组电容器与每个主绕组并联连接。附加绕组具有小于所述第一线径的第二线径。附加绕组相对于和其相关的主绕组的反向连接产生与和其相关的主绕组的电磁场方向相反的电磁场。

本发明属于开创性发明，因为其充分地提高了交流电机或同步发电机在整个范围的负载状态下的效率。在许多情况下，其使得电机即使在空载和低负载状态下也能以超过0.90的功率因数运行。这样的性能节约了运行电机所需要的能量的一半。在美国大约百分之六十四(64％)的电能被AC电机消耗，由本发明所产生的节约是巨大的。鉴于本发明的开创性地位，本发明所附的权利要求法律上应该给予宽泛的解释，以保护本发明的精神或实质内容免受侵犯。

在此引入2002年6月25日提交的法国专利申请0207820000，现为法国专利No.FR2841404，以作为参考。

因此应该看出，有效地实现了上述目的以及可从前述的描述中显而易见的那些目的。由于可以在不脱离本发明范围的情况下，对上述结构进行一定的改变，所以包括在前述的描述或附图中的所有内容应解释为示例性的而不是限制性的。

也应该理解，所附的权利要求旨在覆盖在此描述的本发明的所有一般的和特定的特征，而从语言上讲，对本发明范围的所有陈述可以说都落在其间。

以上就是对本发明所进行的描述。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1. 一种单相电机绕组，包括：

主绕组，其具有预定匝数；

附加的去饱和绕组，其匝数至少等于所述主绕组的所述预定匝数的大约一半但不超过所述主绕组的所述预定匝数；

电容器，其与所述附加的去饱和绕组串联电连接；

所述电容器和所述附加的去饱和绕组，与所述主绕组并联电连接；以及

所述附加的去饱和绕组相对于所述主绕组反向连接，以使电流以第一方向流过所述主绕组，以及以第二方向流过所述附加的去饱和绕组，所述第二方向与所述第一方向相反。

2. 如权利要求1所述的单相电机，进一步包括：

由具有第一预定横截面的导体形成的所述主绕组，以及由具有第二横截面的导体形成的所述附加的去饱和绕组；

所述第一和第二预定横截面以一定比例彼此相关；

所述比例为大约三分之二(2/3)至三分之一(1/3)。

3. 一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此串联电连接的两个半部分；

附加的去饱和绕组，其具有彼此串联连接的两个半部分；

电容器，其与所述两个半部分串联连接；

所述附加的去饱和绕组和所述电容器与所述主绕组并联连接；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加的去饱和绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

4. 如权利要求3所述的单相电机，进一步包括：

起动绕组、起动电容器和开关装置，其彼此串联连接并与所述主和附加的去饱和绕组并联连接。

5. 一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此并联电连接的两个半部分；

附加的去饱和绕组，其具有彼此串联连接的两个半部分；

电容器，其与所述的两个附加的去饱和绕组半部分串联连接；

所述附加的去饱和绕组半部分和所述电容器与所述主绕组并联连接；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加的去饱和绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

6. 一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此并联电连接的两个半部分；

附加的去饱和绕组，其具有彼此并联连接的两个半部分；

电容器，其与所述的两个附加的去饱和绕组半部分串联连接；

所述附加的去饱和绕组半部分和所述电容器与所述主绕组并联连接；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加的去饱和绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

7. 一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此串联电连接的两个半部分；

附加的去饱和绕组，其具有彼此并联连接的两个半部分；

电容器，其与所述的两个附加的去饱和绕组半部分串联连接；

所述附加的去饱和绕组半部分和所述电容器与所述主绕组并联连接；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加的去饱和绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动；

所述附加的去饱和绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

8. 一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以三角形结构彼此连接；

第一、第二和第三附加的去饱和绕组，其以三角形结构彼此连接；

所述第一、第二和第三主和附加的去饱和绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组分别与所述第一、第二、和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二、和第三电容器，其分别与所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组串联连接，以使每个附加的去饱和绕组被以与供给所述第一、第二和第三主绕组中的电流不同的相来供给电流；以及

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

9. 一种星形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以星形结构彼此连接；

第一、第二和第三附加的去饱和绕组，其以星形结构彼此连接；

所述第一、第二和第三主和附加的去饱和绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组分别与所述第一、第二和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二和第三电容器，其分别与所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组串联连接，以使每个附加的去饱和绕组被以与供给所述第一、第二和第三主绕组中的电流不同的相来供给电流；以及

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

10. 一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以三角形结构彼此电连接；

第一、第二和第三附加的去饱和绕组，其以三角形结构彼此电连接和机械连接；

所述第一、第二和第三主和附加的去饱和绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组被嵌套于所述第一、第二和第三主绕组的三角形结构内；

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组分别与所述第一、第二和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二和第三电容器，其分别与所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组串联连接；以及

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

11. 一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以三角形结构彼此电连接和机械连接；

第一、第二和第三附加的去饱和绕组，其以星形结构彼此电连接；

所述第一、第二和第三主和附加的去饱和绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组分别与所述第一、第二和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二和第三电容器，其分别与所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组串联连接；以及

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

12. 一种星形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以星形结构彼此电连接；

第一、第二和第三附加的去饱和绕组，其以三角形结构彼此电连接；

所述第一、第二和第三主和附加的去饱和绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组分别与所述第一、第二和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二和第三电容器，其分别与所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组串联连接；以及

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

13. 一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以三角形结构彼此电连接；

第一、第二和第三附加的去饱和绕组，其以三角形结构彼此电连接；

所述第一、第二和第三主和附加的去饱和绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组分别与所述第二、第三和第一主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第二、第三和第一附加的去饱和绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二和第三电容器，其分别与所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组串联连接，以使每个附加的去饱和绕组被以与供给所述第一、第二和第三主绕组中的电流不同的相来供给电流，从而获得一百二十度(120°)的相移；以及

所述第一、第二和第三附加的去饱和绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

Claims (24)

1.一种用于提高交流电机的效率的方法，包括如下步骤：

选择用于第一导体的第一线径和用于第二导体的第二线径，以使所述第一线径大于所述第二线径；

缠绕第一导体以形成主绕组；

缠绕第二导体以形成附加绕组；

将电容器与所述附加绕组串联电连接；

将所述附加绕组和电容器与所述第一绕组并联电连接；以及

将所述附加绕组相对于所述主绕组反向电连接，以使所述第一绕组中的电流以第一方向流动，而所述附加绕组中的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

形成用于所述电机的每一相的所述主绕组和所述附加绕组以及电容器。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括如下步骤：

形成三个所述主绕组；

形成三个所述附加绕组和电容器；以及

将所述三个主绕组与三个附加绕组和电容以三角形结构电连接。

4.如权利要求2所述的方法，进一步包括如下步骤：

形成三个所述主绕组；

形成三个所述附加绕组和电容器；以及

将所述三个主绕组与三个附加绕组和电容以星形结构电连接。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

确定所述交流电机在满负载下所抽取的电流；

确定供应给所述交流电机的线电压；以及

通过将所述交流电机在满负载下所抽取的所述电流乘以经验系数来获得结果，并且将所述结果除以所述线电压的平方，而确定所述电容器的电容。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括如下步骤：

在大约0.25×10⁶至大约0.30×10⁶的范围内将值赋予所述经验系数。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

选择所述第一线径和所述第二线径，以使所述第一线径的横截面积大于所述第二线径的横截面积大约三分之二2/3至三分之一1/3的比例。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

选择所述第一导体的第一长度；以及

选择所述第二导体的第二长度，其大约为所述第一导体的长度的一半。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

选择所述第一导体的第一长度；以及

选择所述第二导体的第二长度，所述第二导体具有在从大约所述第一导体的长度的一半至等于所述第一导体的长度的长度范围内的长度。

10.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

对于在执行缠绕所述第一导体的所述步骤的期间的至少部分时间，同时执行所述缠绕第一导体以形成主绕组的步骤和所述缠绕第二导体以形成附加绕组的步骤。

11.一种单相电机绕组，包括：

主绕组，其具有预定匝数；

附加绕组，其具有的匝数至少等于所述主绕组的所述预定匝数的大约一半但不超过所述主绕组的所述预定匝数；

电容器，其与所述附加绕组串联电连接；

所述电容器和所述附加绕组与所述主绕组并联电连接；以及

所述附加绕组相对于所述主绕组反向连接，以使电流以第一方向流过所述主绕组，以及以第二方向流过所述附加绕组，所述第二方向与所述第一方向相反。

12.如权利要求11所述的单相电机，进一步包括：

由具有第一预定横截面的导体形成的所述主绕组，以及由具有第二预定横截面的导体形成的所述附加绕组；

所述第一和第二预定横截面彼此成比例；

所述比例为大约三分之二(2/3)至三分之一(1/3)。

13.一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此串联电连接的两个半部分；

附加绕组，其具有彼此串联连接的两个半部分；

电容器，其与所述两个半部分串联连接；

所述附加绕组和所述电容与所述主绕组并联连接；

所述附加绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动。

14.如权利要求13所述的单相电机，进一步包括：

所述附加绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

15.如权利要求14所述的单相电机，进一步包括：

起动绕组、起动电容器和开关装置，其彼此串联连接并与所述主和附加绕组并联连接。

16.一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此并联电连接的两个半部分；

附加绕组，其具有彼此串联连接的两个半部分；

电容器，其与所述两个附加绕组半部分串联连接；

所述附加绕组半部分和所述电容器与所述主绕组并联连接；

所述附加绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动；

所述附加绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

17.一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此并联电连接的两个半部分；

附加绕组，其具有彼此并联连接的两个半部分；

电容器，其与所述的两个附加绕组半部分串联连接；

所述附加绕组半部分和所述电容器与所述主绕组并联连接；

所述附加绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动；

所述附加绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

18.一种单相电机，包括：

主绕组，其具有彼此串联电连接的两个半部分；

附加绕组，其具有彼此并联连接的两个半部分；

电容器，其与所述的两个附加绕组半部分串联连接；

所述附加绕组半部分和所述电容器与所述主绕组并联连接；

所述附加绕组的每个半部分相对于所述主绕组的相关的半部分反向连接，以使流过所述附加绕组的所述半部分的电流相对于流过所述主绕组的所述半部分的电流以相反的方向流动；

所述附加绕组的每个半部分具有的匝数至少等于所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数的大约一半，但不超过所述主绕组的每个半部分的所述预定匝数。

19.一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二、和第三主绕组，其以三角形结构彼此连接；

第一、第二、和第三附加绕组，其以三角形结构彼此连接；

所述第一、第二、和第三主和附加绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二、和第三附加绕组分别与所述第一、第二、和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二、和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二、和第三附加绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二、和第三电容器，其分别与所述第一、第二、和第三附加绕组串联连接，以使所述每个附加绕组被以与供给所述第一、第二二、和第三主绕组的电流不同的相来供给电流；

所述第一、第二、和第三附加绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

20.一种星形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二、和第三主绕组，其以星形结构彼此连接；

第一、第二、和第三附加绕组，其以星形结构彼此连接；

所述第一、第二、和第三主和附加绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二、和第三附加绕组分别与所述第一、第二、和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二、和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二、和第三附加绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二、和第三电容器，其分别与所述第一、第二、和第三附加绕组串联连接，以使所述每个附加绕组被以与供给所述第一、第二、和第三主绕组的电流不同的相来供给电流；

所述第一、第二、和第三附加绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

21.一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二、和第三主绕组，其以三角形结构彼此电连接；

第一、第二、和第三附加绕组，其以三角形结构彼此电连接和机械连接；

所述第一、第二、和第三主和附加绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二、和第三附加绕组嵌套于所述第一、第二、和第三主绕组的三角形结构内；

所述第一、第二、和第三附加绕组分别与所述第一、第二、和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二、和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二、和第三附加绕组电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二、和第三电容器，其分别与所述第一、第二、和第三附加绕组串联连接；以及

所述第一、第二、和第三附加绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

22.一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二、和第三主绕组，其以三角形结构彼此电连接和机械连接；

第一、第二、和第三附加绕组，其以星形结构彼此电连接；

所述第一、第二、和第三主和附加绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二、和第三附加绕组分别与所述第一、第二、和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二、和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二、和第三附加绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二、和第三电容器，其分别与所述第一、第二、和第三附加绕组串联连接；以及

所述第一、第二、和第三附加绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

23.一种星形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以星形结构彼此电连接；

第一、第二和第三附加绕组，其以三角形结构彼此电连接；

所述第一、第二和第三主和附加绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加绕组分别与所述第一、第二和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二和第三附加绕组的电流以与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二、和第三电容器，其分别与所述第一、第二和第三附加绕组串联连接；以及

所述第一、第二和第三附加绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

24.一种三角形缠绕的三相电机，包括：

第一、第二和第三主绕组，其以三角形结构彼此电连接；

第一、第二和第三附加绕组，其以三角形结构彼此电连接；

所述第一、第二和第三主和附加绕组物理上彼此嵌套叠置；

所述第一、第二和第三附加绕组，分别与所述第一、第二、和第三主绕组并联且反向连接，以使流过所述第一、第二和第三主绕组的电流以第一方向流动，而流过所述第一、第二和第三附加绕组的电流与所述第一方向相反的第二方向流动；

第一、第二、和第三电容器，其分别与所述第一、第二、和第三附加绕组串联连接，以使所述每个附加绕组被以与供给所述第一、第二、和第三主绕组中的电流不同的相来供给电流，从而获得一百二十度(120°)的相移；以及

所述第一、第二、和第三附加绕组具有在与其相关的主绕组的匝数的百分之五十至百分之百(50％-100％)之间的预定匝数。

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