CN104578643B - 一种变极变速定子绕组控制法 - Google Patents

一种变极变速定子绕组控制法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种变极变速定子绕组控制法,其涉及一种应用于电动机的方法。一种变极变速定子绕组控制法中,主要由定子绕组、移相元件、控制开关、和控制线路的导线组成控制系统。一种变极变速定子绕组控制法采用四个单刀双掷开关对定子绕组进行变极控制,能用简单的控制线路实现小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机定子绕组变极变速。一种变极变速定子绕组控制法中,无论是在高转速状态还是在低转速状态,相邻的工作绕组异性定子磁极之间没有闲置的定子铁芯空间,定子铁芯空间得到充分利用。

Description

一种变极变速定子绕组控制法
技术领域
本发明是一种变极变速定子绕组控制法,其涉及一种应用于电动机的方法,特别是涉及一种应用于变极变速电动机的定子绕组控制法。
背景技术
交流异步电动机的效率较低,永磁同步电动机的效率高、功率因数高、节能效果显著,所以永磁同步电动机正逐渐取代交流异步电动机成为主流电动机。
变极变速技术方案是应用于三相交流异步电动机的一种节能技术,普遍应用在以油田游梁式抽油机所采用的双速电动机为代表的大中型三相交流异步电动机。家用电器的小型单相交流异步电动机多数采用定子绕组有中间抽头的技术方案实现电动机的有级变速。到目前为止,没有应用于家用电器的小型单相交流异步电动机的变极变速定子绕组控制技术方案。
随着大功率三极管等电子元件和钕铁硼永磁材料等关键技术获得突破,微型无刷直流电动机得到普及应用。无刷直流电动机需要配置专用电源控制器,普通永磁同步电动机无法自起动,需要配置变频器,由于专用电源控制器和变频器成本较高,制约了以变频变速为代表的节能技术在家用电器小型电动机中的应用。
若能用简单的控制线路实现小型电动机定子绕组的变极变速,则有利于变极变速异步起动永磁同步电动机节能技术,以低成本的优势在家用电器中普及应用。
普通变极变速交流异步电动机采用反向法,通过改变电动机定子绕组的接线方式,使全部定子绕组中一半数量定子绕组的电流方向反向,实现电动机的变极,达到变速目的。例如4极/8极单绕组双速三相交流异步电动机,4极时定子绕组为YY接法,8极时定子绕组为△接法。普通变极变速交流异步电动机在高转速时定子绕组的接线方式,使相邻的异性定子磁极之间有一个极弧宽度的定子铁芯空间没有定子磁场,有近一半的定子铁芯空间闲置,影响电动机的工作效率。
风机泵类负载的轴功率与转速的三次方成正比,因此应用于风机泵类负载的变极变速电动机采用双功率设计,即低转速时小功率输出,高转速时大功率输出,才能符合节能要求。
发明内容
本发明的目的是克服传统小型单相电动机定子绕组不能实现变极变速的缺陷,提供一种能用简单的控制线路实现小型单相电动机定子绕组变极变速的方法。本发明的实施方案如下:
本发明总的特征是一种变极变速定子绕组控制法应用于小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机。在一种变极变速定子绕组控制法中,主要由定子绕组、移相元件、控制开关、和控制线路的导线组成控制系统。定子绕组由起动绕组、工作绕组组成。起动绕组由外起动绕组、内起动绕组组成。工作绕组由后半工作绕组、前半工作绕组组成。移相元件可以采用电容器或电阻器。移相元件串联在起动绕组中。外起动绕组由若干个外起动线圈组成。内起动绕组由若干个内起动线圈组成。后半工作绕组由若干个后半工作线圈组成。前半工作绕组由若干个前半工作线圈组成。外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈各自的数量等于高转速时定子磁极数。若干个外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈均布在定子铁芯上。以某一个外起动线圈为起点,沿着定子磁场旋转方向依次排列的第一个外起动线圈、第一个内起动线圈、第一个后半工作线圈、第一个前半工作线圈为同一个组别绕组线圈,其它组别绕组线圈以此类推。
定子绕组的外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈的直边段安装在定子线槽内,可以组成双层绕组结构形式,也可以组成单层绕组结构形式。双层绕组结构形式的同一个定子线槽内安装有相邻绕组线圈的两个直边段。单层绕组结构形式的每一个定子线槽内只安装有某个绕组线圈的一个直边段。
以电动机高转速时定子磁极数为标准,外起动线圈与同一组别的内起动线圈空间位置相差0°电角度,外起动线圈与同一组别的后半工作线圈空间位置相差45°电角度,后半工作线圈与同一组别的前半工作线圈空间位置相差90°电角度。
在电动机高转速状态时,同一组别的后半工作线圈和前半工作线圈产生互为同性磁极的磁场,这两个磁场合并成为高转速定子磁场。同一组别的外起动线圈和内起动线圈产生互为同性磁极的起动磁场。外起动线圈和内起动线圈产生的起动磁场与同一组别的高转速定子磁场空间位置相差90°电角度。电动机在高转速异步起动和同步运行时,在起动绕组、工作绕组和移相元件的共同作用下,产生高转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向旋转。
以电动机低转速时定子磁极数为标准,外起动线圈与同一组别的内起动线圈空间位置相差0°电角度,外起动线圈与同一组别的后半工作线圈空间位置相差90°电角度,后半工作线圈与同一组别的前半工作线圈空间位置相差180°电角度。
在电动机低转速状态时,同一组别的后半工作线圈和前半工作线圈产生互为异性磁极的磁场,该磁场称为低转速定子磁场。同一组别的外起动线圈和内起动线圈产生互为同性磁极的起动磁场。外起动线圈和内起动线圈产生的起动磁场与同一组别的后半工作线圈产生的低转速定子磁场空间位置相差90°电角度。电动机在低转速异步起动和同步运行时,在起动绕组、工作绕组和移相元件的共同作用下,产生低转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向旋转。
一种变极变速定子绕组控制法中,无论是在高转速状态还是在低转速状态,相邻的工作绕组异性定子磁极之间没有闲置的定子铁芯空间,定子铁芯空间得到充分利用,一种变极变速定子绕组控制法使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的工作效率更高。
一种变极变速定子绕组控制法中,采用开关K1、开关K2、开关K3、开关K4四个控制开关对定子绕组进行变极控制。控制开关是单刀双掷开关。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一中,所有的后半工作线圈和前半工作线圈的首端或尾端从左至右依次连接在一起组成工作绕组阵列,工作绕组阵列的两端分别是工作绕组左接线端和工作绕组右接线端,从工作绕组阵列的中间引出工作绕组中间接线端。工作绕组左接线端与工作绕组中间接线端之间是左段工作绕组,工作绕组中间接线端与工作绕组右接线端之间是右段工作绕组。左段工作绕组的若干个后半工作线圈和前半工作线圈的磁极极性,不随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。右段工作绕组的若干个后半工作线圈和前半工作线圈的磁极极性,则随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。
开关K1的高速触点与工作绕组左接线端连接在一起,工作绕组左接线端通过导线与电源接线端L连接在一起。开关K1的中间触点与工作绕组右接线端连接在一起,工作绕组右接线端通过导线与开关K3的低速触点连接在一起。工作绕组中间接线端通过导线与开关K3的高速触点连接在一起。开关K3的中间触点通过导线与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一中,所有的外起动线圈和内起动线圈的首端或尾端从左至右依次连接在一起组成起动绕组阵列,起动绕组阵列的两端分别是起动绕组左接线端和起动绕组右接线端,从起动绕组阵列的中间引出起动绕组中间接线端。起动绕组左接线端与起动绕组中间接线端之间是左段起动绕组,起动绕组中间接线端与起动绕组右接线端之间是右段起动绕组。左段起动绕组的若干个外起动线圈和内起动线圈的磁极极性,不随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。右段起动绕组的若干个外起动线圈和内起动线圈的磁极极性,则随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。
开关K2的高速触点与起动绕组左接线端连接在一起,起动绕组左接线端通过导线与电源接线端L连接在一起。开关K2的中间触点与起动绕组右接线端连接在一起,起动绕组右接线端通过导线与电容C88的一端连接在一起,电容C88的另一端与开关K4的低速触点连接在一起。起动绕组中间接线端通过导线与电容C44的一端连接在一起,电容C44的另一端与开关K4的高速触点连接在一起。开关K4的中间触点通过导线与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图二与绕组接线图一相对比,工作绕组阵列的接线相同。绕组接线图二的起动绕组阵列接线中,用电容C11取代电容C88和电容C44。绕组接线图二的起动绕组阵列接线方式是:开关K2的高速触点与起动绕组左接线端连接在一起,起动绕组左接线端通过导线与电容C11的一端连接在一起,电容C11的另一端与电源接线端L连接在一起。开关K2的中间触点与起动绕组右接线端连接在一起,起动绕组右接线端通过导线与开关K4的低速触点连接在一起。起动绕组中间接线端通过导线与开关K4的高速触点连接在一起。开关K4的中间触点通过导线与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图三与绕组接线图一相对比,工作绕组阵列的接线相同。绕组接线图三的起动绕组阵列接线中,用低速电容组合取代电容C88,用高速电容组合取代电容C44。绕组接线图三的起动绕组阵列接线方式是:PTC起动器的PTC80与电容C80和电容C08组成低速电容组合。PTC起动器的PTC80与电容C80串联在一起,PTC起动器的PTC80与电容C80串联后的两端与电容C08的两端并联在一起,分别形成低速电容组合左接线端和低速电容组合右接线端。PTC起动器的PTC40与电容C40和电容C04组成高速电容组合。PTC起动器的PTC40与电容C40串联在一起,PTC起动器的PTC40与电容C40串联后的两端与电容C04的两端并联在一起,分别形成高速电容组合左接线端和高速电容组合右接线端。
开关K2的高速触点与起动绕组左接线端连接在一起,起动绕组左接线端通过导线与电源接线端L连接在一起。开关K2的中间触点与起动绕组右接线端连接在一起,起动绕组右接线端通过导线与低速电容组合左接线端连接在一起,低速电容组合右接线端与开关K4的低速触点连接在一起。起动绕组中间接线端通过导线与高速电容组合左接线端连接在一起,高速电容组合右接线端与开关K4的高速触点连接在一起。开关K4的中间触点通过导线与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一的变极变速控制过程是:
电动机低转速状态时,开关K1、开关K2、开关K3、开关K4的中间触点分别与各自开关的低速触点闭合。电动机工作电流沿着电流方向从电源接线端L出发,电流从左向右依次流过左段工作绕组的后半工作线圈二、后半工作线圈四、前半工作线圈壹、前半工作线圈叁,电动机工作电流再依次流过右段工作绕组的后半工作线圈一、后半工作线圈三、前半工作线圈贰、前半工作线圈肆,电动机工作电流再经过开关K3的低速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使工作绕组阵列的若干个后半工作线圈和前半工作线圈产生低转速定子磁场。
与此同时,电动机工作电流沿着电流方向从电源接线端L出发,电流从左向右依次流过左段起动绕组的外起动线圈Ⅱ、内起动线圈Ⅱ′、外起动线圈Ⅳ、内起动线圈Ⅳ′,电动机工作电流再依次流过右段起动绕组的外起动线圈Ⅰ、内起动线圈Ⅰ′、外起动线圈Ⅲ、内起动线圈Ⅲ′,电动机工作电流再经过电容C88,电流从开关K4的低速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使起动绕组阵列的若干个外起动线圈和内起动线圈产生起动磁场。
电动机低转速状态时,在起动绕组、工作绕组和移相电容C88的共同作用下,产生低转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向旋转。
电动机高转速状态时,开关K1、开关K2、开关K3、开关K4的中间触点分别与各自开关的高速触点闭合。电动机工作电流沿着电流方向从电源接线端L出发,一部分电流从左向右依次流过左段工作绕组的后半工作线圈二、后半工作线圈四、前半工作线圈壹、前半工作线圈叁。另外一部分电流从电源接线端L出发,经过开关K1的高速触点流至工作绕组右接线端,电动机工作电流从右向左依次流过右段工作绕组的前半工作线圈肆、前半工作线圈贰、后半工作线圈三、后半工作线圈一,电流在工作绕组中间接线端处汇合,电流再经过开关K3的高速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使工作绕组阵列的若干个后半工作线圈和前半工作线圈产生高转速定子磁场。
与此同时,电动机工作电流沿着电流方向从电源接线端L出发,一部分电流从左向右依次流过左段起动绕组的外起动线圈Ⅱ、内起动线圈Ⅱ′、外起动线圈Ⅳ、内起动线圈Ⅳ′。另外一部分电流从电源接线端L出发,经过开关K2的高速触点流至起动绕组右接线端,电动机工作电流从右向左依次流过右段起动绕组的内起动线圈Ⅲ′、外起动线圈Ⅲ、内起动线圈Ⅰ′、外起动线圈Ⅰ,电流在起动绕组中间接线端处汇合,电流再经过电容C44,电流从开关K4的高速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使起动绕组阵列的若干个外起动线圈和内起动线圈产生起动磁场。
电动机高转速状态时,在起动绕组、工作绕组和移相电容C44的共同作用下,产生高转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向旋转。
电动机低转速状态时,左段工作绕组与右段工作绕组串联,左段起动绕组与右段起动绕组串联,电动机定子绕组的总阻抗大,电动机工作电流小,电动机的电磁功率小。电动机高转速状态时,左段工作绕组与右段工作绕组并联,左段起动绕组与右段起动绕组并联,电动机定子绕组的总阻抗小,电动机工作电流大,电动机的电磁功率大。一种变极变速定子绕组控制法可以采用双功率设计,即低转速时小功率输出,高转速时大功率输出,符合节能要求。
在电动机从低转速状态到高转速状态的转换过程中,左段工作绕组的后半工作线圈二、后半工作线圈四、前半工作线圈壹、前半工作线圈叁所产生的磁极极性,不随着电动机转速状态而改变。右段工作绕组的后半工作线圈一、后半工作线圈三、前半工作线圈贰、前半工作线圈肆所产生的磁极极性,则随着电动机转速状态而改变。
与此同时,左段起动绕组的外起动线圈Ⅱ、内起动线圈Ⅱ′、外起动线圈Ⅳ、内起动线圈Ⅳ′所产生的磁极极性,不随着电动机转速状态而改变。右段起动绕组的内起动线圈Ⅲ′、外起动线圈Ⅲ、内起动线圈Ⅰ′、外起动线圈Ⅰ所产生的磁极极性,则随着电动机转速状态而改变。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一的控制过程中,电容C88是电动机低转速状态的起动电容和运行电容。电容C44是电动机高转速状态的起动电容和运行电容。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图二的控制过程中,电容C11作为电动机低转速状态和电动机高转速状态的起动电容和运行电容。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图三的控制过程中,电动机低转速状态,电动机刚起动时,PTC起动器的PTC80温度低,PTC80电阻值小,流经电容C80的工作电流大,电容C80和电容C08共同作为起动电容。电动机起动后进入运行状态,随着PTC80温度升高,PTC80电阻值迅速增大,相当于PTC80切断电容C80的通路,只有电容C08作为运行电容投入运行。电动机高转速状态,电动机刚起动时,PTC起动器的PTC40温度低,PTC40电阻值小,流经电容C40的工作电流大,电容C40和电容C04共同作为起动电容。电动机起动后进入运行状态,随着PTC40温度升高,PTC40电阻值迅速增大,相当于PTC40切断电容C40的通路,只有电容C04作为运行电容投入运行。
附图说明
说明书附图是一种变极变速定子绕组控制法的结构示意图和绕组接线图。其中图1是电动机高转速起动及同步运行时定子磁场分布示意图,定子绕组采用双层绕组结构形式,定子磁极为4极。图2是电动机低转速起动及同步运行时定子磁场分布示意图,定子绕组采用双层绕组结构形式,定子磁极为8极。图3是电动机高转速起动及同步运行时工作绕组磁通路径示意图,定子绕组采用双层绕组结构形式,定子磁极为4极。图4是电动机低转速起动及同步运行时工作绕组磁通路径示意图,定子绕组采用双层绕组结构形式,定子磁极为8极。
图5是电动机高转速起动及同步运行时起动绕组磁通路径示意图,定子绕组采用双层绕组结构形式,定子磁极为4极。图6是电动机低转速起动及同步运行时起动绕组磁通路径示意图,定子绕组采用双层绕组结构形式,定子磁极为8极。图7是一种变极变速定子绕组控制法的定子绕组采用单层绕组结构形式的示意图。
图8是一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一。图9是一种变极变速定子绕组控制法在电动机低转速起动及同步运行时,定子绕组中电动机工作电流路径和定子绕组磁极极性示意图,定子磁极为8极。图10是一种变极变速定子绕组控制法在电动机高转速起动及同步运行时,定子绕组中电动机工作电流路径和定子绕组磁极极性示意图,定子磁极为4极。图11是一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图二。图12是一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图三。
说明书附图中小写字母n和s代表工作绕组的磁极极性。定子内侧的双点划线代表工作绕组产生的同极性磁极的空间范围。小写字母n′和s′代表起动绕组的磁极极性。
说明书附图中大写字母A代表定子绕组的首端,大写字母X代表定子绕组的尾端。大写字母L代表电源接线端L,大写字母N代表电源接线端N。大写字母K1、K2、K3、K4分别代表开关K1、开关K2、开关K3、开关K4。大写字母K1、K2、K3、K4旁边的“低速”和“高速”分别代表开关K1、开关K2、开关K3、开关K4的“低速触点”和“高速触点”。
假设电动机工作电流从工作绕组的首端流向工作绕组的尾端时,工作绕组的磁极极性为n极,电动机工作电流从工作绕组的尾端流向工作绕组的首端时,工作绕组的磁极极性为s极。假设电动机工作电流从起动绕组的首端流向起动绕组的尾端时,起动绕组的磁极极性为n′极,电动机工作电流从起动绕组的尾端流向起动绕组的首端时,起动绕组的磁极极性为s′极。
说明书附图中“一”、“二”、“三”、“四”分别代表“后半工作线圈一”、“后半工作线圈二”、“后半工作线圈三”、“后半工作线圈四”。“壹”、“贰”、“叁”、“肆”分别代表“前半工作线圈壹”、“前半工作线圈贰”、“前半工作线圈叁”、“前半工作线圈肆”。
说明书附图中“Ⅰ”、“Ⅱ”、“Ⅲ”、“Ⅳ”分别代表“外起动线圈Ⅰ”、“外起动线圈Ⅱ”、“外起动线圈Ⅲ”、“外起动线圈Ⅳ”。“Ⅰ′”、“Ⅱ′”、“Ⅲ′”、“Ⅳ′”分别代表“内起动线圈Ⅰ′”、“内起动线圈Ⅱ′”、“内起动线圈Ⅲ′”、“内起动线圈Ⅳ′”。
说明书附图中“C88”是电动机低转速起动及运行时的起动及运行共用电容,“C44”是电动机高转速起动及运行时的起动及运行共用电容。“C11”是电动机高转速和低转速起动及运行时的起动及运行共用电容。“C08”是电动机低转速运行时的运行电容,“C04”是电动机高转速运行时的运行电容。“C80”是电动机低转速起动时的起动电容,“C40”是电动机高转速起动时的起动电容。“PTC80”是电动机低转速起动时的PTC起动器。“PTC40”是电动机高转速起动时的PTC起动器。PTC起动器是一种正温度系数的热敏电阻,受热后阻值变大。
图中标注有外起动线圈Ⅰ1、内起动线圈Ⅰ′2、后半工作线圈一3、前半工作线圈壹4、转子旋转方向5、定子磁场旋转方向6、外起动线圈Ⅱ7、内起动线圈Ⅱ′8、后半工作线圈二9、前半工作线圈贰10、外起动线圈Ⅲ11、内起动线圈Ⅲ′12、后半工作线圈三13、前半工作线圈叁14、外起动线圈Ⅳ15、内起动线圈Ⅳ′16、后半工作线圈四17、定子线槽18、定子铁芯19、前半工作线圈肆20、磁力线路径21、定子磁场方向22、电流方向23、导线24、定子绕组25、电容器26、控制开关27、起动绕组左接线端28、起动绕组中间接线端29、起动绕组右接线端30、工作绕组左接线端31、工作绕组中间接线端32、工作绕组右接线端33、高速电容组合左接线端34、高速电容组合右接线端35、低速电容组合左接线端36、低速电容组合右接线端37。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步叙述。
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7,一种变极变速定子绕组控制法应用于小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机。在一种变极变速定子绕组控制法中,主要由定子绕组25、移相元件、控制开关27、和控制线路的导线24组成控制系统。定子绕组25由起动绕组、工作绕组组成。起动绕组由外起动绕组、内起动绕组组成。工作绕组由后半工作绕组、前半工作绕组组成。移相元件可以采用电容器26或电阻器。移相元件串联在起动绕组中。外起动绕组由若干个外起动线圈组成。内起动绕组由若干个内起动线圈组成。后半工作绕组由若干个后半工作线圈组成。前半工作绕组由若干个前半工作线圈组成。外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈各自的数量等于高转速时定子磁极数。若干个外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈均布在定子铁芯19上。以某一个外起动线圈为起点,沿着定子磁场旋转方向6依次排列的第一个外起动线圈、第一个内起动线圈、第一个后半工作线圈、第一个前半工作线圈为同一个组别绕组线圈,其它组别绕组线圈以此类推。
定子绕组25的外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈的直边段安装在定子线槽18内,可以组成双层绕组结构形式,也可以组成单层绕组结构形式。双层绕组结构形式的同一个定子线槽18内安装有相邻绕组线圈的两个直边段。单层绕组结构形式的每一个定子线槽18内只安装有某个绕组线圈的一个直边段。
以电动机高转速时定子磁极数为标准,外起动线圈与同一组别的内起动线圈空间位置相差0°电角度,外起动线圈与同一组别的后半工作线圈空间位置相差45°电角度,后半工作线圈与同一组别的前半工作线圈空间位置相差90°电角度。
在电动机高转速状态时,同一组别的后半工作线圈和前半工作线圈产生互为同性磁极的磁场,这两个磁场合并成为高转速定子磁场。同一组别的外起动线圈和内起动线圈产生互为同性磁极的起动磁场。外起动线圈和内起动线圈产生的起动磁场与同一组别的高转速定子磁场空间位置相差90°电角度。电动机在高转速异步起动和同步运行时,在起动绕组、工作绕组和移相元件的共同作用下,产生高转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向5旋转。
以电动机低转速时定子磁极数为标准,外起动线圈与同一组别的内起动线圈空间位置相差0°电角度,外起动线圈与同一组别的后半工作线圈空间位置相差90°电角度,后半工作线圈与同一组别的前半工作线圈空间位置相差180°电角度。
在电动机低转速状态时,同一组别的后半工作线圈和前半工作线圈产生互为异性磁极的磁场,该磁场称为低转速定子磁场。同一组别的外起动线圈和内起动线圈产生互为同性磁极的起动磁场。外起动线圈和内起动线圈产生的起动磁场与同一组别的后半工作线圈产生的低转速定子磁场空间位置相差90°电角度。电动机在低转速异步起动和同步运行时,在起动绕组、工作绕组和移相元件的共同作用下,产生低转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向5旋转。
一种变极变速定子绕组控制法中,无论是在高转速状态还是在低转速状态,相邻的工作绕组异性定子磁极之间没有闲置的定子铁芯19空间,定子铁芯19空间得到充分利用,一种变极变速定子绕组控制法使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的工作效率更高。
参照图8、图9、图10、图11和图12,一种变极变速定子绕组控制法中,采用开关K1、开关K2、开关K3、开关K4四个控制开关27对定子绕组25进行变极控制。控制开关27是单刀双掷开关。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一中,所有的后半工作线圈和前半工作线圈的首端或尾端从左至右依次连接在一起组成工作绕组阵列,工作绕组阵列的两端分别是工作绕组左接线端31和工作绕组右接线端33,从工作绕组阵列的中间引出工作绕组中间接线端32。工作绕组左接线端31与工作绕组中间接线端32之间是左段工作绕组,工作绕组中间接线端32与工作绕组右接线端33之间是右段工作绕组。左段工作绕组的若干个后半工作线圈和前半工作线圈的磁极极性,不随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。右段工作绕组的若干个后半工作线圈和前半工作线圈的磁极极性,则随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。
开关K1的高速触点与工作绕组左接线端31连接在一起,工作绕组左接线端31通过导线24与电源接线端L连接在一起。开关K1的中间触点与工作绕组右接线端33连接在一起,工作绕组右接线端33通过导线24与开关K3的低速触点连接在一起。工作绕组中间接线端32通过导线24与开关K3的高速触点连接在一起。开关K3的中间触点通过导线24与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一中,所有的外起动线圈和内起动线圈的首端或尾端从左至右依次连接在一起组成起动绕组阵列,起动绕组阵列的两端分别是起动绕组左接线端28和起动绕组右接线端30,从起动绕组阵列的中间引出起动绕组中间接线端29。起动绕组左接线端28与起动绕组中间接线端29之间是左段起动绕组,起动绕组中间接线端29与起动绕组右接线端30之间是右段起动绕组。左段起动绕组的若干个外起动线圈和内起动线圈的磁极极性,不随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。右段起动绕组的若干个外起动线圈和内起动线圈的磁极极性,则随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变。
开关K2的高速触点与起动绕组左接线端28连接在一起,起动绕组左接线端28通过导线24与电源接线端L连接在一起。开关K2的中间触点与起动绕组右接线端30连接在一起,起动绕组右接线端30通过导线24与电容C88的一端连接在一起,电容C88的另一端与开关K4的低速触点连接在一起。起动绕组中间接线端29通过导线24与电容C44的一端连接在一起,电容C44的另一端与开关K4的高速触点连接在一起。开关K4的中间触点通过导线24与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图二与绕组接线图一相对比,工作绕组阵列的接线相同。绕组接线图二的起动绕组阵列接线中,用电容C11取代电容C88和电容C44。绕组接线图二的起动绕组阵列接线方式是:开关K2的高速触点与起动绕组左接线端28连接在一起,起动绕组左接线端28通过导线24与电容C11的一端连接在一起,电容C11的另一端与电源接线端L连接在一起。开关K2的中间触点与起动绕组右接线端30连接在一起,起动绕组右接线端30通过导线24与开关K4的低速触点连接在一起。起动绕组中间接线端29通过导线24与开关K4的高速触点连接在一起。开关K4的中间触点通过导线24与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图三与绕组接线图一相对比,工作绕组阵列的接线相同。绕组接线图三的起动绕组阵列接线中,用低速电容组合取代电容C88,用高速电容组合取代电容C44。绕组接线图三的起动绕组阵列接线方式是:PTC起动器的PTC80与电容C80和电容C08组成低速电容组合。PTC起动器的PTC80与电容C80串联在一起,PTC起动器的PTC80与电容C80串联后的两端与电容C08的两端并联在一起,分别形成低速电容组合左接线端36和低速电容组合右接线端37。PTC起动器的PTC40与电容C40和电容C04组成高速电容组合。PTC起动器的PTC40与电容C40串联在一起,PTC起动器的PTC40与电容C40串联后的两端与电容C04的两端并联在一起,分别形成高速电容组合左接线端34和高速电容组合右接线端35。
开关K2的高速触点与起动绕组左接线端28连接在一起,起动绕组左接线端28通过导线24与电源接线端L连接在一起。开关K2的中间触点与起动绕组右接线端30连接在一起,起动绕组右接线端30通过导线24与低速电容组合左接线端36连接在一起,低速电容组合右接线端37与开关K4的低速触点连接在一起。起动绕组中间接线端29通过导线24与高速电容组合左接线端34连接在一起,高速电容组合右接线端35与开关K4的高速触点连接在一起。开关K4的中间触点通过导线24与电源接线端N连接在一起。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一的变极变速控制过程是:
电动机低转速状态时,开关K1、开关K2、开关K3、开关K4的中间触点分别与各自开关的低速触点闭合。电动机工作电流沿着电流方向23从电源接线端L出发,电流从左向右依次流过左段工作绕组的后半工作线圈二9、后半工作线圈四17、前半工作线圈壹4、前半工作线圈叁14,电动机工作电流再依次流过右段工作绕组的后半工作线圈一3、后半工作线圈三13、前半工作线圈贰10、前半工作线圈肆20,电动机工作电流再经过开关K3的低速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使工作绕组阵列的若干个后半工作线圈和前半工作线圈产生低转速定子磁场。
与此同时,电动机工作电流沿着电流方向23从电源接线端L出发,电流从左向右依次流过左段起动绕组的外起动线圈Ⅱ7、内起动线圈Ⅱ′8、外起动线圈Ⅳ15、内起动线圈Ⅳ′16,电动机工作电流再依次流过右段起动绕组的外起动线圈Ⅰ1、内起动线圈Ⅰ′2、外起动线圈Ⅲ11、内起动线圈Ⅲ′12,电动机工作电流再经过电容C88,电流从开关K4的低速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使起动绕组阵列的若干个外起动线圈和内起动线圈产生起动磁场。
电动机低转速状态时,在起动绕组、工作绕组和移相电容C88的共同作用下,产生低转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向5旋转。
电动机高转速状态时,开关K1、开关K2、开关K3、开关K4的中间触点分别与各自开关的高速触点闭合。电动机工作电流沿着电流方向23从电源接线端L出发,一部分电流从左向右依次流过左段工作绕组的后半工作线圈二9、后半工作线圈四17、前半工作线圈壹4、前半工作线圈叁14。另外一部分电流从电源接线端L出发,经过开关K1的高速触点流至工作绕组右接线端33,电动机工作电流从右向左依次流过右段工作绕组的前半工作线圈肆20、前半工作线圈贰10、后半工作线圈三13、后半工作线圈一3,电流在工作绕组中间接线端32处汇合,电流再经过开关K3的高速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使工作绕组阵列的若干个后半工作线圈和前半工作线圈产生高转速定子磁场。
与此同时,电动机工作电流沿着电流方向23从电源接线端L出发,一部分电流从左向右依次流过左段起动绕组的外起动线圈Ⅱ7、内起动线圈Ⅱ′8、外起动线圈Ⅳ15、内起动线圈Ⅳ′16。另外一部分电流从电源接线端L出发,经过开关K2的高速触点流至起动绕组右接线端30,电动机工作电流从右向左依次流过右段起动绕组的内起动线圈Ⅲ′12、外起动线圈Ⅲ11、内起动线圈Ⅰ′2、外起动线圈Ⅰ1,电流在起动绕组中间接线端29处汇合,电流再经过电容C44,电流从开关K4的高速触点流入电源接线端N,形成电流闭合回路。使起动绕组阵列的若干个外起动线圈和内起动线圈产生起动磁场。
电动机高转速状态时,在起动绕组、工作绕组和移相电容C44的共同作用下,产生高转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向5旋转。
电动机低转速状态时,左段工作绕组与右段工作绕组串联,左段起动绕组与右段起动绕组串联,电动机定子绕组25的总阻抗大,电动机工作电流小,电动机的电磁功率小。电动机高转速状态时,左段工作绕组与右段工作绕组并联,左段起动绕组与右段起动绕组并联,电动机定子绕组25的总阻抗小,电动机工作电流大,电动机的电磁功率大。一种变极变速定子绕组控制法可以采用双功率设计,即低转速时小功率输出,高转速时大功率输出,符合节能要求。
在电动机从低转速状态到高转速状态的转换过程中,左段工作绕组的后半工作线圈二9、后半工作线圈四17、前半工作线圈壹4、前半工作线圈叁14所产生的磁极极性,不随着电动机转速状态而改变。右段工作绕组的后半工作线圈一3、后半工作线圈三13、前半工作线圈贰10、前半工作线圈肆20所产生的磁极极性,则随着电动机转速状态而改变。
与此同时,左段起动绕组的外起动线圈Ⅱ7、内起动线圈Ⅱ′8、外起动线圈Ⅳ15、内起动线圈Ⅳ′16所产生的磁极极性,不随着电动机转速状态而改变。右段起动绕组的内起动线圈Ⅲ′12、外起动线圈Ⅲ11、内起动线圈Ⅰ′2、外起动线圈Ⅰ1所产生的磁极极性,则随着电动机转速状态而改变。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一的控制过程中,电容C88是电动机低转速状态的起动电容和运行电容。电容C44是电动机高转速状态的起动电容和运行电容。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图二的控制过程中,电容C11作为电动机低转速状态和电动机高转速状态的起动电容和运行电容。
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图三的控制过程中,电动机低转速状态,电动机刚起动时,PTC起动器的PTC80温度低,PTC80电阻值小,流经电容C80的工作电流大,电容C80和电容C08共同作为起动电容。电动机起动后进入运行状态,随着PTC80温度升高,PTC80电阻值迅速增大,相当于PTC80切断电容C80的通路,只有电容C08作为运行电容投入运行。电动机高转速状态,电动机刚起动时,PTC起动器的PTC40温度低,PTC40电阻值小,流经电容C40的工作电流大,电容C40和电容C04共同作为起动电容。电动机起动后进入运行状态,随着PTC40温度升高,PTC40电阻值迅速增大,相当于PTC40切断电容C40的通路,只有电容C04作为运行电容投入运行。

Claims (3)

1.一种变极变速定子绕组控制法,其特征在于一种变极变速定子绕组控制法应用于小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机;在一种变极变速定子绕组控制法中,控制系统包括定子绕组(25)、移相元件、控制开关(27)、和控制线路的导线(24);定子绕组(25)由起动绕组、工作绕组组成;起动绕组由外起动绕组、内起动绕组组成;工作绕组由后半工作绕组、前半工作绕组组成;移相元件采用电容器(26)或电阻器;移相元件串联在起动绕组中;外起动绕组由若干个外起动线圈组成;内起动绕组由若干个内起动线圈组成;后半工作绕组由若干个后半工作线圈组成;前半工作绕组由若干个前半工作线圈组成;外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈各自的数量等于高转速时定子磁极数;若干个外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈均布在定子铁芯(19)上;以某一个外起动线圈为起点,沿着定子磁场旋转方向(6)依次排列的第一个外起动线圈、第一个内起动线圈、第一个后半工作线圈、第一个前半工作线圈为同一个组别绕组线圈,其它组别绕组线圈以此类推;
定子绕组(25)的外起动线圈、内起动线圈、后半工作线圈、前半工作线圈的直边段安装在定子线槽(18)内,组成双层绕组结构形式,或者组成单层绕组结构形式;双层绕组结构形式的同一个定子线槽(18)内安装有相邻绕组线圈的两个直边段;单层绕组结构形式的每一个定子线槽(18)内只安装有某个绕组线圈的一个直边段;
以电动机高转速时定子磁极数为标准,外起动线圈与同一组别的内起动线圈空间位置相差0°电角度,外起动线圈与同一组别的后半工作线圈空间位置相差45°电角度,后半工作线圈与同一组别的前半工作线圈空间位置相差90°电角度;
在电动机高转速状态时,同一组别的后半工作线圈和前半工作线圈产生互为同性磁极的磁场,这两个磁场合并成为高转速定子磁场;同一组别的外起动线圈和内起动线圈产生互为同性磁极的起动磁场;外起动线圈和内起动线圈产生的起动磁场与同一组别的高转速定子磁场空间位置相差90°电角度;电动机在高转速异步起动和同步运行时,在起动绕组、工作绕组和移相元件的共同作用下,产生高转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向(5)旋转;
以电动机低转速时定子磁极数为标准,外起动线圈与同一组别的内起动线圈空间位置相差0°电角度,外起动线圈与同一组别的后半工作线圈空间位置相差90°电角度,后半工作线圈与同一组别的前半工作线圈空间位置相差180°电角度;
在电动机低转速状态时,同一组别的后半工作线圈和前半工作线圈产生互为异性磁极的磁场,该磁场称为低转速定子磁场;同一组别的外起动线圈和内起动线圈产生互为同性磁极的起动磁场;外起动线圈和内起动线圈产生的起动磁场与同一组别的后半工作线圈产生的低转速定子磁场空间位置相差90°电角度;电动机在低转速异步起动和同步运行时,在起动绕组、工作绕组和移相元件的共同作用下,产生低转速定子旋转磁场,使小型单相变极变速异步起动永磁同步电动机或小型单相交流异步电动机的转子按照转子旋转方向(5)旋转;
一种变极变速定子绕组控制法中,采用开关K1、开关K2、开关K3、开关K4四个控制开关(27)对定子绕组(25)进行变极控制;控制开关(27)是单刀双掷开关;
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一中,所有的后半工作线圈和前半工作线圈的首端或尾端从左至右依次连接在一起组成工作绕组阵列,工作绕组阵列的两端分别是工作绕组左接线端(31)和工作绕组右接线端(33),从工作绕组阵列的中间引出工作绕组中间接线端(32);工作绕组左接线端(31)与工作绕组中间接线端(32)之间是左段工作绕组,工作绕组中间接线端(32)与工作绕组右接线端(33)之间是右段工作绕组;左段工作绕组的若干个后半工作线圈和前半工作线圈的磁极极性,不随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变;右段工作绕组的若干个后半工作线圈和前半工作线圈的磁极极性,则随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变;
开关K1的高速触点与工作绕组左接线端(31)连接在一起,工作绕组左接线端(31)通过导线(24)与电源接线端L连接在一起;开关K1的中间触点与工作绕组右接线端(33)连接在一起,工作绕组右接线端(33)通过导线(24)与开关K3的低速触点连接在一起;工作绕组中间接线端(32)通过导线(24)与开关K3的高速触点连接在一起;开关K3的中间触点通过导线(24)与电源接线端N连接在一起;
一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图一中,所有的外起动线圈和内起动线圈的首端或尾端从左至右依次连接在一起组成起动绕组阵列,起动绕组阵列的两端分别是起动绕组左接线端(28)和起动绕组右接线端(30),从起动绕组阵列的中间引出起动绕组中间接线端(29);起动绕组左接线端(28)与起动绕组中间接线端(29)之间是左段起动绕组,起动绕组中间接线端(29)与起动绕组右接线端(30)之间是右段起动绕组;左段起动绕组的若干个外起动线圈和内起动线圈的磁极极性,不随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变;右段起动绕组的若干个外起动线圈和内起动线圈的磁极极性,则随着电动机高转速状态或电动机低转速状态而改变;
开关K2的高速触点与起动绕组左接线端(28)连接在一起,起动绕组左接线端(28)通过导线(24)与电源接线端L连接在一起;开关K2的中间触点与起动绕组右接线端(30)连接在一起,起动绕组右接线端(30)通过导线(24)与电容C88的一端连接在一起,电容C88的另一端与开关K4的低速触点连接在一起;起动绕组中间接线端(29)通过导线(24)与电容C44的一端连接在一起,电容C44的另一端与开关K4的高速触点连接在一起;开关K4的中间触点通过导线(24)与电源接线端N连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种变极变速定子绕组控制法,其特征在于一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图二与绕组接线图一相对比,工作绕组阵列的接线相同;绕组接线图二的起动绕组阵列接线中,用电容C11取代电容C88和电容C44;绕组接线图二的起动绕组阵列接线方式是:开关K2的高速触点与起动绕组左接线端(28)连接在一起,起动绕组左接线端(28)通过导线(24)与电容C11的一端连接在一起,电容C11的另一端与电源接线端L连接在一起;开关K2的中间触点与起动绕组右接线端(30)连接在一起,起动绕组右接线端(30)通过导线(24)与开关K4的低速触点连接在一起;起动绕组中间接线端(29)通过导线(24)与开关K4的高速触点连接在一起;开关K4的中间触点通过导线(24)与电源接线端N连接在一起。
3.根据权利要求1所述的一种变极变速定子绕组控制法,其特征在于一种变极变速定子绕组控制法的绕组接线图三与绕组接线图一相对比,工作绕组阵列的接线相同;绕组接线图三的起动绕组阵列接线中,用低速电容组合取代电容C88,用高速电容组合取代电容C44;绕组接线图三的起动绕组阵列接线方式是:PTC起动器的PTC80与电容C80和电容C08组成低速电容组合;PTC起动器的PTC80与电容C80串联在一起,PTC起动器的PTC80与电容C80串联后的两端与电容C08的两端并联在一起,分别形成低速电容组合左接线端(36)和低速电容组合右接线端(37);PTC起动器的PTC40与电容C40和电容C04组成高速电容组合;PTC起动器的PTC40与电容C40串联在一起,PTC起动器的PTC40与电容C40串联后的两端与电容C04的两端并联在一起,分别形成高速电容组合左接线端(34)和高速电容组合右接线端(35);
开关K2的高速触点与起动绕组左接线端(28)连接在一起,起动绕组左接线端(28)通过导线(24)与电源接线端L连接在一起;开关K2的中间触点与起动绕组右接线端(30)连接在一起,起动绕组右接线端(30)通过导线(24)与低速电容组合左接线端(36)连接在一起,低速电容组合右接线端(37)与开关K4的低速触点连接在一起;起动绕组中间接线端(29)通过导线(24)与高速电容组合左接线端(34)连接在一起,高速电容组合右接线端(35)与开关K4的高速触点连接在一起;开关K4的中间触点通过导线(24)与电源接线端N连接在一起。
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