CN101371424B - 变速单相感应电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变速单相感应电动机。通过彼此间隔设置多个定子，并且使多个磁性转子对应于各自的定子，电动机可以达到高效且变速的性能，例如不使用昂贵逆变器驱动设备的低成本的无刷直流(BLDC)电动机。本发明的目的在于提供一种变速单相感应电动机，其可以达到高效且变速的性能。

Description

变速单相感应电动机
技术领域
本发明涉及一种单相感应电动机，尤其涉及一种变速单相感应电动机，其可以达到高效且变速的性能，例如不使用昂贵逆变器的低成本的无刷直流(BLDC)电动机。
背景技术
图1是根据现有技术的感应电动机的纵截面图，以及图2是图1中感应电动机的横截面图。
参见图1和图2，常规的感应电动机包括电动机壳10，其用以形成外表；定子100，其置于电动机壳10的内圆周面上，并且其上具有按照圆周方向的绕线；感应转子20，其旋转插入定子100中；以及磁性转子30，其旋转插入定子100和感应转子20之间。
电动机壳实施为具有开口的圆柱形容器。封盖开口的壳10a与电动机壳10耦合。安装槽10b置于电动机壳10的下面。用于旋转支撑旋转轴11的轴承12置于安装槽10b上。
定子100包括具有预定长度的定子铁心110，以及在圆周方向上的位于定子铁心110内的绕组线圈120。
定子铁心110作为层合机，通过彼此层叠的多个层形成。定子铁心110包括具有预定宽度的环形的轭部111，以及以预定长度从轭部111向内圆周面延伸的多个齿112。在齿112和齿112之间形成槽，并且用以将感应转子20插入定子铁心110的腔体110a在齿112的每端形成。
绕组线圈120绕齿112缠绕多次，并且置于齿112和齿112之间形成的槽113上。
感应转子20包括具有预定长度的圆柱棒状的转子铁心21，以及插入转子铁心21的导体棒22。感应转子20插入定子100的腔体110a中。
转子铁心21作为层合机，通过彼此层叠的多个层形成。旋转轴11被耦合至转子铁心21的中心。
磁性转子30包括具有预定厚度的圆柱型的磁体31，以及具有杯状并且用以支撑磁体31的保持架。磁体31旋转插入定子100的腔体110a的内圆周面和感应转子20的外圆周面之间。
轴承槽32a置于保持架32的下面，并且用以旋转支撑旋转轴11的轴承33与轴承槽32a耦合。一旦轴承33与旋转轴11耦合，保持架32就可以自由地绕旋转轴11进行中心旋转。
以下将描述常规感应电动机的运行。
当对定子100的绕组线圈120供电时，产生旋转磁场。通过产生的旋转磁场，磁性转子30以同步转速旋转。
由于旋转由磁体构成的磁性转子30，所以产生具有密集磁通量的旋转磁场。通过所产生的旋转磁场而旋转感应转子20。
由于旋转感应转子20，感应转子20的旋转力通过旋转轴11传送至需要旋转力的部分。
然而，常规的感应电动机具有下述问题。由于磁性转子30的磁体31产生的密集磁通量，常规的感应电动机对于外力的变化不敏感，因此其总是以相同的速度运行。传统的方法，例如需要低成本的电压相位控制，无法改变感应电动机的每分钟转数(rpm)。也就是说，因为感应电动机对速度变化有限制，所以其在没有昂贵的逆变器驱动装置时不能变速运行。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种变速单相感应电动机，其可以达到高效且变速的性能，例如不使用昂贵的逆变器驱动设备的低成本的无刷直流(BLDC)电动机。
为了实现本发明的目的，提供一种变速单相感应电动机，包括：电动机壳；旋转轴，其与所述电动机壳旋转耦合；感应转子，其具有整体耦合至所述旋转轴的转子铁心，并且具有插入所述转子铁心的导体棒；多个定子，其具有用于插入所述感应转子的腔体，所述多个定子沿着旋转轴方向彼此间隔设置，并且部分或全部地形成旋转磁场；以及多个磁性转子，其插入所述多个定子与所述感应转子之间，所述多个磁性转子旋转耦合至旋转轴，并且分别对应所述多个定子。
根据本发明的另一个目的，提供一种变速单相感应电动机，包括：电动机壳；旋转轴，其与所述电动机壳旋转耦合；感应转子，其具有被整体耦合至所述旋转轴的转子铁心，并且具有被插入所述转子铁心的导体棒；多个定子，其具有用于插入所述感应转子的腔体，所述多个定子沿着旋转轴方向彼此间隔设置；多个磁性转子，其插入所述多个定子与所述感应转子之间，所述多个磁性转子旋转耦合至旋转轴，并且分别对应所述多个定子，以及控制单元，其选择性向所述多个定子供电以便所述多个定子可以部分或全部地形成旋转磁场。
附图说明
图1是根据现有技术的感应电动机的纵截面图；
图2是图1中感应电动机的横截面图；
图3是根据本发明实施例的变速单相感应电动机的纵截面图；
图4是图3中变速单相感应电动机的方框图；以及
图5是当图3中变速单相感应电动机以高速、中速和低速运行时，第一开关和第二开关中每一个开关的操作示意图。
具体实施方式
本发明将参考下文中的优选实施例，并结合附图进行详细说明。
以下将对根据本发明的混合式感应电动机进行详细描述。
图3是根据本发明实施例的变速单相感应电动机的纵截面图，图4是图3中变速单相感应电动机的方框图；以及图5是当图3中变速单相感应电动机以高速、中速和低速运行时，第一开关和第二开关中每一个开关的操作示意图。
相同的参考数字表示与前文相同的部分，并因此省略对与前文相同部分的描述。
参考图3和图4，根据本发明的变速单相感应电动机包括电动机壳10；旋转轴11，其与电动机壳10旋转耦合；感应转子20，其具有整体耦合至旋转轴11的转子铁心21，并且具有插入转子铁心21的导体棒22；多个定子70和80，其具有用于插入感应转子20的腔体70a和80a，所述定子70和80朝向旋转轴11彼此间隔设置，并且部分或全部地形成旋转磁场；多个磁性转子40和50，其被插入定子70和80与转子铁心21之间，多个磁性转子40和50被旋转耦合至旋转轴11，并且分别对应于定子70和80；以及控制单元90，其用于选择性地向定子70和80供电以便定子70和80可以部分或全部地形成旋转磁场。
多个定子70和80包括第一定子70和第二定子80，在沿旋转轴11的方向上所述第二定子80的长度小于所述第一定子70的长度。由于第一定子70的长度L1大于第二定子80的长度L2，因此由第一定子70产生的旋转磁场大于由第二定子80产生的旋转磁场。仅对第一定子70供电使得旋转轴11旋转时产生的旋转磁场大于仅对第二定子80供电使得旋转轴11旋转时产生的旋转磁场，并且旋转轴11因此而旋转相对较快。当对第一定子70和第二定子80都供电时，因为由第一定子70和第二定子80产生的旋转磁场彼此合成，旋转轴11旋转最快。相应地，可以控制旋转轴11的速度。
第一定子70具有第一定子铁心71和第一绕组线圈72。第一定子铁心71通过彼此层叠的多个层形成，每一层在第一定子铁心的中心处具有腔体70a。第一绕组线圈72缠绕在第一定子铁心71上以产生旋转磁场。
第二定子80置于第一定子70的下面，并具有第二定子铁心81和第二绕组线圈82。第二定子铁心81通过彼此层叠的多个层形成，每一层在第二定子铁心的中心处具有腔体80a。第二绕组线圈82缠绕在第二定子铁心81上以产生旋转磁场。
磁性转子40和50包括第一磁性转子40和第二磁性转子50，所述第一磁性转子40在沿旋转轴11的方向上的长度对应于第一定子70的长度L1，所述第二磁性转子50在沿旋转轴11的方向上的长度对应于第二定子80的长度L2。
第一磁性转子40包括第一磁体41和第一保持架42，所述第一磁体41具有预定厚度并且为圆柱形，所述第一保持架42为杯形并且用于支撑第一磁体41。第一磁体41被旋转插入第一定子70的腔体70a的内圆周面和感应转子20的外圆周面之间。第一轴承43与第一保持架42的一边耦合，并且第一轴承43与旋转轴11耦合。由于第一轴承43与旋转轴11耦合，所以第一保持架42可以自由地绕旋转轴11进行旋转。
第二磁性转子50置于第一磁性转子40的下面。第二磁性转子50包括第二磁体51和第二保持架52，所述第二磁体51具有预定厚度并且为圆柱形，所述第二保持架52为杯形并且用于支撑第二磁体51。
第二磁体51被旋转插入第二定子80的腔体80a的内圆周面和感应转子20的外圆周面之间。第二轴承53与第二保持架52的一边耦合，并且第二轴承53与旋转轴11耦合。由于第二轴承53与旋转轴11耦合，所以第二保持架52可以自由地绕旋转轴11进行旋转。
参见图4和图5，控制单元90包括第一开关91、第二开关92以及判断单元93，所述第一开关91用于向第一定子70供电(Vac)或切断其电力，所述第二开关92用于向第二定子80供电(Vac)或切断其电力，所述判断单元93用于控制第一开关91或第二开关92的操作。
第一开关91实施为继电器或硅控整流器(silicon control rectifier，SCR)以便向图3中第一定子70的第一绕组线圈72供电或切断其电力。
第二开关92实施为继电器或硅控整流器(SCR)以便向图3中第二定子80的第二绕组线圈82供电或切断其电力。
判断单元93实施为可编程微计算机，并且控制第一开关91和第二开关92中每一个开关的操作。当高速旋转旋转轴11时，直到驱动停止时间(drivingfinishing time)(tf)，判断单元93一直开启第一开关91和第二开关92。当低速旋转旋转轴11时，直到驱动停止时间(tf)，判断单元93仅开启第二开关92。判断单元93开启第一开关91和第二开关92直到初始驱动时间(initial driving time)(ti)，以便获得变速单相感应电动机的初始驱动扭矩(initial driving torque)。
参见图4和图5，下文将对变速单相感应电动机的高速驱动模式进行描述。
判断单元93开启第一开关91和第二开关92直到驱动停止时间(tf)。
一旦第一开关91开启，则向第一定子70的第一绕组线圈72供电以产生旋转磁场。第一磁性转子40通过产生的旋转磁场以同步转速进行旋转。当第一磁性转子40旋转时，因为第一磁性转子40由第一磁体41构成，所以产生具有密集磁通量的旋转磁场。
一旦第二开关92开启，则向第二定子80的第二绕组线圈82供电以产生旋转磁场。第二磁性转子50通过产生的旋转磁场以同步转速进行旋转。当第二磁性转子50旋转时，因为第二磁性转子50由第二磁体51构成，所以产生具有密集磁通量的旋转磁场。
在此，由第一定子70产生的旋转磁场和由第二定子80产生的旋转磁场彼此合成，因此可以高速旋转感应电动机20。
由于感应电动机20高速旋转，所以感应电动机20的旋转力通过旋转轴11以高速传送至需要旋转力的部分。
参见图4和图5，下文将对变速单相感应电动机的中速驱动模式进行描述。
判断单元93开启第一开关91和第二开关92直到初始驱动时间(ti)以便获得变速单相感应电动机的初始驱动扭矩。然后，判断单元93仅开启第一开关91直到驱动停止时间(tf)。
一旦第一开关91开启，则向第一定子70的第一绕组线圈72供电以产生旋转磁场。第一磁性转子40通过产生的旋转磁场以同步转速进行旋转。当第一磁性转子40旋转时，因为第一磁性转子40由第一磁体41构成，所以产生具有密集磁通量的旋转磁场。
由于仅通过第一定子70产生旋转磁场，所以感应电动机20中速旋转，感应电动机20的旋转力通过旋转轴11以中速传送至需要旋转力的部分。
参见图4和图5，下文将对变速单相感应电动机的低速驱动模式进行描述。
判断单元93开启第一开关91和第二开关92直到初始驱动时间(ti)以便获得变速单相感应电动机的初始驱动扭矩。然后，判断单元93仅开启第二开关92直到驱动停止时间(tf)。
一旦第二开关92开启，则向第二定子80的第二绕组线圈82供电以产生旋转磁场。第二磁性转子50通过产生的旋转磁场以同步转速进行旋转。当第二磁性转子50旋转时，因为第二磁性转子50由第二磁体51构成，所以产生具有密集磁通量的旋转磁场。
由于仅通过第二定子80产生旋转磁场，感应电动机20低速旋转，感应电动机20的旋转力通过旋转轴11以低速传送至需要旋转力的部分。
综上所述，变速单相感应电动机在不使用昂贵的逆变驱动装置的条件下可以实现高速、中速和低速旋转。通过包括插入在第一磁性转子40和第二磁性转子50之间的第三磁性转子、第三定子以及用于向第三定子供电或切断其电力的第三开关，变速单相感应电动机可以实现多种速度。
根据本发明的变速单相感应电动机可以以低成本应用于任何变速电动机。
显然对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明精神或范围的条件下可以对本发明做出各种修改和变化。因此，本发明涵盖了所有落入权利要求及其等效的保护范围内的各种修改和变化。

Claims (7)

1.一种变速单相感应电动机，包括：
电动机壳；
旋转轴，其与所述电动机壳旋转耦合；
感应转子，其具有整体耦合至所述旋转轴的转子铁心，并且具有插入所述转子铁心的导体棒；
多个定子，其具有用于插入所述感应转子的腔体，所述多个定子沿着旋转轴方向彼此间隔设置，并且部分或全部地形成旋转磁场；以及
多个磁性转子，其插入所述多个定子与所述感应转子之间，所述多个磁性转子旋转耦合至旋转轴，并且分别对应所述多个定子。
2.如权利要求1所述的变速单相感应电动机，其中在旋转轴方向上，一组彼此对应的定子和磁性转子所具有的长度不同于另一组彼此对应的定子和磁性转子所具有的长度。
3.如权利要求1所述的变速单相感应电动机，其中所述多个定子包括：
第一定子；以及
第二定子，其在所述旋转轴方向上的长度短于所述第一定子的长度，
其中所述多个磁性转子包括：
第一磁性转子在所述旋转轴方向上的长度对应于所述第一定子的长度；以及
第二磁性转子在所述旋转轴方向上的长度对应于所述第二定子的长度。
4.一种变速单相感应电动机，包括：
电动机壳；
旋转轴，其与所述电动机壳旋转耦合；
感应转子，其具有整体耦合至所述旋转轴的转子铁心，并且具有插入所述转子铁心的导体棒；
多个定子，其具有用于插入所述感应转子的腔体，所述多个定子沿着旋转轴方向彼此间隔设置；
多个磁性转子，其插入所述多个定子与所述感应转子之间，所述多个磁性转子旋转耦合至旋转轴，并且分别对应所述多个定子，以及
控制单元，其选择性地向所述多个定子供电以便所述多个定子部分或全部地形成旋转磁场。
5.如权利要求4所述的变速单相感应电动机，其中在旋转轴方向上，一组彼此对应的定子和磁性转子所具有的长度不同于另一组彼此对应的定子和磁性转子所具有的长度。
6.如权利要求4所述的变速单相感应电动机，其中所述多个定子包括：
第一定子；以及
第二定子，其在所述旋转轴方向上的长度短于所述第一定子的长度，
其中所述多个磁性转子包括：
第一磁性转子在所述旋转轴方向上的长度对应于所述第一定子的长度；以及
第二磁性转子在所述旋转轴方向上的长度对应于所述第二定子的长度。
7.如权利要求6所述的变速单相感应电动机，其中所述控制单元包括：
第一开关，其向第一定子供电或切断其电力；
第二开关，其向第二定子供电或切断其电力；以及
判断单元，其控制第一开关和第二开关中每一个开关的操作。
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