CN102197574A - 包括同步电机和异步电机的混合机器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于连接到多相供电网络的旋转电机(1)，其包含：包含具有永久磁体(12)的转子(11)的多相同步电机(10)及轴向连接在一起的多相异步电机(20)以及转换系统，所述转换系统被安排使得：在所述电机起动阶段期间，将异步电机(20)电连接到所述网络以将同步电机(10)的速度提升到能够使当直接连接到所述网络时所述同步电机能够运行的速度，以及在后续阶段期间，将同步电机(10)电连接到所述网络。

Description

包括同步电机和异步电机的混合机器
技术领域
本发明的目的是一种包括同步电机和异步电机的旋转电机，其也称为“混合电机”。
背景技术
WO 89/03936或US 2003/0071533公开了使用包括起动笼的永磁转子以启动同步电机。当必须在大量负荷(诸如所述电机的额定转矩)下起动时，可证明这样的解决方案是不恰当的。
而且，由于转子上存在永久磁体及起动笼，磁体的磁通量强度最好不大于定子磁通，以免对所述电机的比功率密度不利。
需要进一步改进所述混合电机。
发明内容
本发明旨在解决此需求。实施本发明的示例涉及连接到多相供电网络的旋转电机，其包含：
-包含具有永久磁体的转子的多相同步电机及轴向连接的多相异步电机，及
-转换系统，其被设计成：
-在所述电机起动阶段，将异步电机电连接到所述供电网络，以使异步电机驱动的同步电机的速度提升到使其能够以直接连接到所述网络的方式运行的速度，及
-在后续阶段，将同步电机电连接到所述供电网络。
词语“轴向连接电机”应当理解为表示两个电机至少具有一个公共轴，例如一整体轴或由具有相同轴线的两部分相继组装而构成的一轴。
通过将同步电机与异步电机组合，这样的电机可能因效率明显大于单个异步电机的效率而获益，例如增益在10％与15％之间。
相比于单个异步电机，同步电机的含永久磁体的转子的存在可能为所述电机获得较高的功率因数。
而且，能够直接将同步电机连接到供电网络的事实(即，不需要调频器作为中介物)可能获得一较大效率，例如所述效率比通过调频器运作的同步电机的效率至少大5％。
同步电机可以包含2*NSy个磁极，且异步电机可以包含2*NAs个磁极，NAs＝NSy-1，其可促进同步操作，起动阶段结束时达到的速度能够接近同步电机同步速度。
同步电机的相位设置得与供电网络相位的顺序相同，以避免使定子电磁场沿着与同步电机转子的旋转方向的相反方向旋转，即同步电机转子所连接的异步电机最初采用的方向。
异步电机可以包含一笼式转子。所述笼式转子例如由铝或铜或诸如黄铜或青铜的另一合金构成。
所述转子笼的槽可以为单个或双个。
所述同步电机可以包含不含笼的转子。
利用这样的同步电机，为了促进同步，期望针对异步电机的转子的一旋转速度且因此针对连接到所述异步电机的同步电机的转子的旋转速度(其大致等于所述同步速度)得到所述异步电机传递的最大电机转矩，所述最大电机转矩除了其它方面外还取决于转子笼的电阻及定子绕组的选择。同步电机的同步速度由供电网络的频率及同步电机的极对数目决定。
词语“大致上等于所述同步速度”应当理解为表示在同步电机的同步速度的±10％范围内的同步电机的转子的旋转速度。
因此，异步电机的绕组被有利地制造以使当它们连接到供电网络时，在大致等于同步速度的一速度下产生最大电机转矩。
实施本发明的示例通过避免像已知的混合电机那样规定转子笼的具体尺寸及材料而为异步电机的制造带来更大的自由，在已知的混合电机中，所述笼及所述永久磁体由相同转子支撑。
有三个自由度来改变异步电机传递的最大电机转矩，所述三个自由度即异步电机的转子笼的尺寸、用于转子笼生产的材料或多个材料及异步电机的定子绕组的选择，以在供电网络的给定频率下获得具有四个、六个、八个、十个、十二个、十四个或十六个磁极或者甚至更多磁极的同步电机的同步速度下的最大电机转矩。例如，取决于转子笼的绕组及材料，当由异步电机传递的电机转矩最大时，具有四个磁极的异步电机的速度接近具有六个磁极或八个磁极的电机的同步速度。
作为一变形，所述同步电机的转子包含永久磁体及转子笼。对于异步电机的转子的转速以及由于该转速所引起的与异步电机相连的同步电机的转子的、小于同步电机的同步速度的转速，例如同步速度的80％的转速，例如同步速度的50％-80％之间的转速，利用这样的同步电机，能够获得通过异步电机所传输的最大电机转矩。
所述异步电机可仅在起动阶段期间电连到所述网络或者在起动阶段之后保持与所述网络连接。
所述异步电机可以不具有永久磁体。
根据第一实施例，所述电机包含内部置有同步电机与异步电机的单独壳套。
根据另一实施例，仅有所述同步电机置于第一壳套内，所述异步电机置于此第一壳套外，置于第二壳套中。例如，所述第二壳套通过螺钉紧固到大体上位于所述第一壳套的一个纵向端部处的凸缘上。
所述异步电机可以相对紧凑，所述异步电机的长度与所述同步电机的长度之间的比率例如在20％与35％之间，所述异步电机的长度在异步电机的定子的绕组端部线圈之间测得，所述同步电机的长度在同步电机的定子的绕组端部线圈之间测得。
所述同步电机与异步电机的轴例如安装在所述电机的单独壳套上或者当所述电机包含两个壳套时，安装在所述电机的第一壳套上。所述轴可以由设置在所述电机的单独壳套的两个纵向端部处的轴承支撑，或者如果合适，可以由设置在所述电机的第一壳套的两个纵向端部处的轴承支撑。
所述转换系统可以包含控制电路及同步电路。
所述控制电路可以包含机电式开关或者半导体电源开关。
所述同步电路例如包含电压观测器，当同步电机由异步电机驱动时，所述电压观测器被安排以比较供电网络的电压与同步电机定子的绕组中所感应的电动势。
当同步电机由异步电机驱动时，所述同步电路例如被安排以比较供电网络的相序与同步电机定子的绕组中所感应的电动势的相序。
所述同步电路可以或者可以不包括被安排以检测同步电机的旋转频率的速度观测器。所述同步电路例如不具有霍尔效应传感器、编码器或测速解析器。
所述同步电路例如包含至少一个可编程电子元件，例如微控制器。
所述控制电路例如被安排以根据自所述同步电路接收到的信息选择性地对同步电机或异步电机供电。
以上提到的实施本发明的示例能够产生一般视为灵活的同步化，当所述同步电机的绕组中感应的电压的频率大致等于所述网络的供电频率时，执行此同步，同时所述网络的所述相与所述同步电机的所述相之间的电势差被抵消。
实施本发明的其它示例涉及一种起动连接到多相供电网络的旋转电机的方法，所述旋转电机包含轴向连接到同步电机的异步电机以及包含转换系统，此方法包含在于以下的步骤：
-在所述电机起动阶段，仅将异步电机电连接到所述网络以将同步电机提升到使其能够以直接连接到所述网络的方式运行的速度，及
-在后续阶段，将所述同步电机电连接到所述网络。
能够使所述同步电机以直接连接到所述网络的方式运行的所述速度例如是所述同步电机的同步速度。
作为一变形，能够使所述同步电机以直接连接到所述网络的方式运行的所述速度小于所述同步电机的同步速度，例如其小于所述同步速度的80％，其特别是在所述同步速度的50％到80％之间。
在所述起动期间，所述异步电机可以承受负载转矩。
所述旋转电机例如是风扇，且负载转矩(例如为平方转矩)由制冷系统提供。
作为一变形，所述负载对应于恒定或线性抗转矩，例如与速度成线性函数关系的负载转矩或者恒定的负载转矩。
在所述后续阶段期间，仅有所述同步电机可以电连接到所述网络。
根据实施本发明的示例，所述同步操作可以至少部分由抗负载转矩执行。
本方法可包含以下的步骤：在所述起动阶段期间，在将所述同步电机电连到所述网络之前，比较所述同步电机的绕组中感应的电动势与所述供电网络的电压。
附图说明
当阅读下文非限制性示例的详细描述及研究附图后，可更好地理解本发明，其中：
图1以轴向横截面图示意性且部分地示出了根据本发明的电机的第一示例，
图2是根据本发明的电机的第二示例的视图，类似于图1，
图3是根据本发明的电机的示意图，
图4示意性示出了根据本发明的控制电路的示例，
图5示出了图4中示出的电路的运行程序，
图6是根据本发明的同步电路的示例的逻辑形式表示，
图7是一图表，其示出了借助本发明，针对供电网络的给定频率获得不同同步速度的可能性，
图8时根据本发明的同步电机的另一示例的横截面图。
具体实施方式
图1及图2示出了根据本发明的两个典型的混合旋转电机1。
电机1是多相旋转电机，例如三相。
此电机1具有一额定功率，例如范围从250W到4kW。
电机1包含同步电机10及异步电机20，它们沿着所述电机的旋转轴X轴向连接。
可从图1及图2中看到，与同步电机10相比，异步电机20相对紧凑。
异步电机20例如是四极电机，同步电机10例如是六极电机。
同步电机10包含转子11，转子11包含永久磁体12，永久磁体12例如可以是设置在表面上的或嵌入设置的磁体。转子11例如是通量集中转子。
在图1及图2中示出的示例中，转子11不含转子笼，但如果同步电机10的转子11包含转子笼，其不违反本发明。
图8的示例中，同步电机10包含含有永久磁体12及转子笼15的转子，其中仅示出了转子笼15的笼条。
在考虑的示例中，同步电机是具有内转子的径向电机，转子11由包含绕组14的定子13环绕。
图1及图2的示例中的异步电机20也是具有内转子21的径向电机。
显然，本发明不局限于这样的示例，所述同步电机及所述异步电机可以是例如具有外转子的径向电机。在一未示出的变形中，同步电机10可以是一盘状电机。
在图1及图2的示例中，异步电机20包含笼式转子21，笼式转子21由多个导电杆22形成，导电杆22在它们的端部处通过没有示出的两个导电环连接。
所述示例中的异步电机20的转子21不具有永久磁体。
可从图1及图2中看到，两个电机具有公共轴4，公共轴4可以为整体式。图1的示例中的此轴4被安装在电机的壳套8中的被前凸缘6a与后凸缘6b所支撑的两个轴承7上，所述前凸缘6a和后凸缘6b由壳套8的两个纵向端部所形成。
在所述示例中，前凸缘6a具有中央孔30，轴4通过中央孔30延伸到壳套8的外部。
可从图1中看到，根据此实施例，轴4仅在壳套8的一个端部处延伸到所述壳套外。
还是在此示例中，同步电机10及异步电机20都安置在所述电机的壳套8内。
在图2中示出的变形中，电机1包含第一壳套8及第二壳套9，同步电机10安置在第一壳套8内，异步电机20安置在第二壳套9内。
可从图2中看到，例如，第二壳套9通过螺钉固定到第一壳套8的后凸缘6b。
在图2的示例中，轴4在各个中央孔30的帮助下穿过凸缘6a与6b的每一个。
轴4由轴承7支撑，轴承7分别由前凸缘6a与后凸缘6b支撑。
图3中示意性示出的电机1还包含转换系统5，转换系统5用来将同步电机的定子13及异步电机的定子23连接到供电网络2。
转换系统5包含开关，在图3的示例中，所述开关分别是与同步电机10相关联的机电继电器100和与异步电机20相关联的机电继电器200。在所述示例中，继电器100及200各包含绕组及一系列接点。
显然，本发明不局限于利用机电继电器实施开关100及200。
作为一变化，这些开关可以是触头、晶体管、晶闸管、双向晶闸管或固态继电器。
在所述示例中，转换系统5包含控制电路40及同步电路60，分别示意性地表示在图4及图6中。
从图4中可看到，控制电路40可包含两个电路部分41及42，每一电路部分为继电器100或200的绕组提供供电，以允许此继电器例如从打开状态转换为闭合状态。
在所述示例中，两个电路部分41及42并联安装在开关43与接地端45之间。开关43与提供例如为12V与400V之间的电压的电源44串联地安装。
电路部分41包含继电器100，继电器100与并联安装的支路46及47串联，支路46包含开关101，且支路47包含串联安装的两个开关201及103。
电路部分42包含与开关102串联的继电器200，开关102与并联安装的两个支路48及49串联，支路48包含开关202，且支路49包含开关203。
开关43、101、102、103、201及203可以是机电式开关或半导体开关。例如，开关43、101、102、103、201及203的类型与开关100及200相同。
开关202例如是可控开关。在图4的示例中，开关202可以例如通过按钮而被控制为闭合。
开关101、102和103、与201、202和203分别被设置成分别根据开关100、100的状态而改变状态。
当开关200从打开状态改为闭合状态时，开关201及203例如从打开状态切换为闭合状态。
当开关100从打开状态切换为闭合状态时，开关102例如从闭合状态切换为打开状态，而开关101从打开状态切换为闭合状态。
现在接着是参考图5描述图4中示出的控制电路的运行程序。
在所述电机起动之前，开关101、103、201、202及203为打开状态，且开关102闭合。
在第一步骤51中，开关202被命令闭合，尤其是通过按钮的动作而被命令闭合。此步骤51后，继电器200的绕组通过闭合的开关102及202电连接到电源44，这使电力通过供电网络2提供给异步电机20，且因此异步电机20起动。
在步骤52中，开关201及203切换到闭合位置，除其它方面外，其使得能够确保继电器200的绕组自供电，而与开关202的随后动向无关。
在步骤53中，控制电路40接收来自同步电路60的给同步电机10供电的命令，将在下文中看到。接收此命令引起开关103闭合。当完成此步骤时，继电器100的绕组通过闭合的开关201及103电连接到电源44。
在步骤54中，开关101切换到闭合位置，而开关102切换到打开位置，其导致从电源44供给继电器200的绕组的电力供应被中断，且因此通过供电网络到异步电机20的供电被中断。
在步骤55中，因开关200的状态变换，开关201及203切换到打开位置，则继电器100的绕组的电力供应确保通过闭合的开关101。因此，完成此程序后，仅有继电器100的绕组被电源44供电，且因此仅有同步电机10电连到网络2。
现在接着描述根据本发明的示例性的同步电路60的逻辑表示形式。
例如，利用一可编程电子元件产生此同步电路，所述可编程电子元件例如为微控制器。
在所述示例中，当同步电机10被与其连接的异步电机20所驱动时，同步电路60设置成通过比较供电网络2的电压与同步电机10的定子13的绕组14中所感应的电动势来提供电压观察功能。
所述电压观察功能利用方块61、62及63处理，这些方块用于观察电压相位。
方块61接收同步电机10的定子13的U相的端点处的电压Us及供电网络2的U相的端点处的电压Ur作为输入。
类似地，方块62接收与V相有关的输入Vs及Vr，及方块63接收与W相有关的输入Ws及Wr。
这些方块61、62及63输出表示同步电机的所述相与供电网络的那些相之间的电势差的信号。
来自方块61、62及63的输出信号例如为：
-在同步电机的定子的端子处感应的电动势与网络电压之间有相位差的情况下或者当这两个电压表现出不同频率时，所述输出信号为包含载波及振幅的无线电信号，或者
-当两个相比较的电压表现出相同频率时，所述输出信号为正弦波，所述正弦波的振幅对应所述同步电机的定子的绕组中感应的电动势的振幅与供电网络的电压振幅之差。
如果恰当的话，由方块64执行解调操作以将振幅从所述载波中分离出来。
同步电路60还设置成通过方块65执行一操作，该操作用来检测同步电机10的定子13的绕组14中感应的电动势与供电网络2之间的最小电势差。可从图6中看到，方块65接收来自方块64的输出信号，将其作为输入。
当同步电机10由与其连接的异步电机20驱动时，同步电路还设置成通过方块66比较同步电机10的定子13的绕组14中产生的电动势的相序与供电网络2的电压的相序。
方块65及方块66输出处的信号发送到图6中示意性表示的逻辑电路67。
逻辑电路67具有三个输出70、71及72。
输出70对应于根据上文中描述的步骤50将给同步电机10供电的命令发送到控制电路40。
输出71及72对应于将用以停止系统的命令发送到控制电路40，以使得通过对一未示出的继电器采取动作而导致停止对异步电机20供电。
当已由方块65执行检测最小电压且方块66完成比较相序时，且当已检测到同步电机10的定子13的绕组14中产生的电动势的相位与供电网络2的相位之间的顺序相同时，逻辑电路的输出70被激活，以根据步骤53将用来给同步电机10供电的命令发送到控制电路40。
当方块66已检测到同步电机10的绕组14中产生的电动势与供电网络2之间的相序不同时，逻辑电路67的输出71被激活，以将停止系统的命令发给控制电路40。
如果方块66检测到所述相位相同，但方块65没有检测到最小电压，则逻辑电路67启动时间延迟74。在预定时间间隔后，如果方块65没有检测到最小电压，则逻辑电路67的输出72被激活，以将停止系统的命令发给控制电路40。
图7以图表形式示出了可借助根据本发明的示例性实施例的电机1而得到的同步速度的示例，该电机1中的同步电机不具有转子笼。
供电网络2的频率例如为50Hz。显然本发明不局限于这样的电频率值，所述电频率值能够是例如60Hz。在1000转/分钟的速度下，所述异步电机传递例如在15Nm与40Nm之间特别是20Nm与25Nm之间的最大电机转矩。针对转子笼22的不同电阻值，曲线100、110、120及130给出了作为转子21的旋转速度的函数的异步电机20的电机转矩。直线140、150及160分别表示具有四个、六个及八个磁极的同步电机10的同步速度。
可看到，通过改变转子笼22的电阻值，得到适合于不同同步速度值的负载点200、210和220。
在未示出的另一示例中，可选择异步电机20的定子23的绕组24，使得异步电机20的最大电机转矩可适用于不同的同步速度值，所述不同的同步速度值取决于同步电机10的磁极的数目。
本发明尤其适用于通风领域，特别是用来生产电风扇，以及液压技术领域，特别是用来生产液压泵。
在权利要求书中，除非另有规定，词语“包含一”应当理解为表示“包含至少一个”。

Claims (20)

1.一种用于连接到多相供电网络(2)的旋转电机(1)，该旋转电机包含：
包含具有永久磁体(12)的转子(11)的多相同步电机(10)及轴向连接的多相异步电机(20)，及
转换系统(5)，该转换系统被设计成：
在所述电机起动阶段期间，将所述异步电机(20)电连接到所述网络(2)以将所述同步电机(10)的速度提升到使其能够通过直接连接到网络(2)的方式运行的速度，及
在后续阶段将所述同步电机(10)电连接到所述网络(2)。
2.如前一权利要求所述的电机，所述同步电机(10)包含2*NSy个磁极且所述异步电机(20)包含2*NAs个磁极，其中NAs＝NSy-1。
3.如前述任一权利要求所述的电机，所述异步电机(20)包含笼式转子(21)。
4.如前述任一权利要求所述的电机，所述同步电机(10)包含不具有转子笼的转子(11)。
5.如前一权利要求所述的电机，所述异步电机在大致等于所述同步电机(10)的同步速度的旋转速度下产生最大电机转矩。
6.如权利要求1到3中任一项所述的电机，所述同步电机包含笼式转子。
7.如前一权利要求所述的电机，所述异步电机在旋转速度低于所述同步电机(10)的同步速度的情况下、尤其是旋转速度小于所述同步电机(10)的同步速度的80％的情况下产生最大电机转矩。
8.如前述任一权利要求所述的电机，该电机包含壳套(8)，在壳套(8)内置有所述同步电机(10)与所述异步电机(20)。
9.如权利要求1到7中任一项所述的电机，该电机包含内部置有所述同步电机(10)的第一壳套(8)及内部置有所述异步电机(20)的第二壳套(9)。
10.如前述任一权利要求所述的电机，所述异步电机(10)的长度与所述同步电机(20)的长度之间的比率在20％与35％之间。
11.如前述任一权利要求所述的电机，所述转换系统(5)包含控制电路(40)与同步电路(60)。
12.如前一权利要求所述的电机，所述同步电路(60)包含电压观测器(61、62、63)，所述电压观测器(61、62、63)被安排以当所述同步电机(10)被所述异步电机(20)驱动时比较所述供电网络的电压与所述同步电机(10)的绕组(14)中所感应的电动势。
13.如权利要求11或权利要求12所述的电机，所述同步电路(60)被安排以当所述同步电机(10)被所述异步电机(20)驱动时比较所述供电网络(2)的电压的相序与所述同步电机(10)的绕组(14)中所感应的电动势的相序。
14.如权利要求11到13中任一项所述的电机，所述同步电路(60)不具有速度观测器。
15.如前述任一权利要求所述的电机，所述控制电路(40)被安排以根据自所述同步电路(60)接收的信息选择性地对所述同步电机(10)或所述异步电机(20)供电。
16.一种起动连接到多相供电网络(2)旋转电机(1)的方法，该旋转电机包含轴向连接到同步电机(10)的异步电机(20)与转换系统(5)，所述方法包含以下步骤：
在所述电机起动阶段，仅将所述异步电机(20)电连接到所述网络(2)以将所述同步电机(10)的速度提升到使所述同步电机(10)能够通过直接连接到所述网络(2)的方式运行的速度，及
在后续阶段，将所述同步电机(10)电连接到所述网络(2)。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述使所述同步电机(10)能够通过直接连接到所述网络(2)的方式运行的速度是所述同步电机(10)的同步速度。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述使所述同步电机(10)能够通过直接连接到所述网络(2)的方式运行的速度小于所述同步电机(10)的同步速度，特别是小于所述同步电机(10)的同步速度的80％。
19.如权利要求16到18中任一项所述的方法，其中在所述后续阶段，只有所述同步电机(10)电连接到所述网络(2)。
20.如权利要求16到19中任一项所述的方法，所述方法包含以下的步骤：在所述起动阶段期间，在将所述同步电机(10)电连接到所述网络(2)之前，比较所述同步电机(10)中所感应的电动势与所述供电网络(2)的电压。
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