CN1050650A

CN1050650A - 感应电动机

Info

Publication number: CN1050650A
Application number: CN90108139A
Authority: CN
Inventors: 佐竹利彦; 大野木幸男
Original assignee: Satake Corp
Current assignee: Satake Corp
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1991-04-10
Anticipated expiration: 2005-09-27
Also published as: AU6311390A; NO904185D0; KR950009295B1; FI103230B1; KR910007215A; NO178949B; CA2026095A1; DE69004662T2; CN1030487C; AU626774B2; FI103230B; NO178949C; DE69004662D1; CA2026095C; EP0421656B1; US5051639A; FI904632A0; NO904185L; MY106025A; DK0421656T3

Abstract

包括单个转子和并排配置的第一及第二定子的本发明的感应电动机，具有用于改变第一和第二定子产生的旋转磁场之间的相位差的相变装置。该相变装置包括用于使定子的相应定子绕组互连为在接通状态时相位差为0°的第一串联△—接法的第一接线转换开关和用于使相应定子绕组为在接通状态时相位差为120°的第二串联△—接法的第二接线转换开关。第一和第二开关均接通时，定子绕组互连变为相位差60°的并联Y-接法。在电动机工作期间，第一和第二开关中至少一个保持在接通状态。

Description

本发明涉及一种具有单个转子和多个定子的感应电动机，它能够平滑地起动并在从低速到高速的大范围内输出高驱动转矩，更准确地说，涉及一种电动机的相变装置，该装置在由围绕转子的定子产生的环绕转子的转子导电构件的旋转磁场中实现移相操作。

就在具有多个定子类型的感应电动机中控制转矩和速度的方法而言，一种适用的常规方法是使定子之间发生相位差。实现这种相位差的一种机械装置可以具有其中依靠定子的相对旋转来产生相位差的配置，因此一种电装置可以具有其中为产生几种类型的相位差而改变定子绕组接线法的配置。其它合用装置包括一种其中结合Y-△接线变换的装置。

根据连接到电动机的负载的负载特性或电动机的用途，例如，需要通过变换电动机的转矩或速度来满足负载和需要在电动机起动时使速度平稳增加，可从上述方法或装置中以若干不同方式选择任何合用方法。

本发明提供一种配置，其中提供有一定的分段相位差值以满足连接的负载并且参照上述对常规方法的说明可以认为其属于实现相位变换的电装置。

在上面说明的常规电装置中，相变由定子绕组的接线变换实现，因此，当有用的相位差可为0°，60°，120°，180°（电角度）时，所需的开关数量将超过一打或更多。这是这种装置生产成本高的原因之一。

还存在一种普通的感应电动机，其中为改进电动机起动特性起见，提供有一种Y-△接线转换装置。在这种电动机中，尽管只有一个定子，但它的接线是相当复杂的。

因此，本发明的目的在于提供一种相变装置，其中，尽管基于相位差的转矩特性如同利用常规方法获得的保持不变，但仅需要最少数量的开关用于转换操作，由此导致生产成本的显著降低。

按照本发明，提供一种感应电动机，它包括：具有轴向安装在一公共轴上的第一和第二转子铁心、于两个转子铁心之间具有气隙或无磁部分并在两个转子铁心上具有多个转子导电构件贯穿其中的以单体形式形成的单个转子;具有其上绕有多个多相绕组的第一和第二定子铁心、且并排排列环绕地面对着相应的转子铁心的第一和第二定子;以及用来改变由第一定子产生的围绕第一转子铁心的旋转磁场和第二定子产生的围绕第二转子铁心的旋转磁场之间的相位差的相变装置，该相变装置包括：

第一接线转换开关，该开关配置于第一定子的定子绕组和第二定子的定子绕组之间，当它处于接通状态时，使相应定子绕组相互连接成其中相位差为0°的串联△-接法;以及

第二接线转换开关，该开关配置于第一定子的定子绕组和第二定子的定子绕组之间，当它处于接通状态时，使相应定子绕组相互连接成其中相位差为120°的串联△-接法，

在电动机工作期间，至少第一开关和第二开关之一适合于总是接通。

按照本发明该装置中的第一和第二接线转换开关分别在定子之间提供电角度为0°和120°的相位差。更准确地说，当第一接线转换开关（下文简称为“第一开关”）接通且有电流通过时，将获得0°的相位差，而同样地当第二连接转换开关（下文简称为“第二开关”）接通且有电流通过时，获得120°的相位差。

在本发明的电动机中，第一和第二开关同时都接通并提供电流。这时，两个定子之间所获得的相位差为60°。因此，通过简单操作第一和第二开关中的任何一个或两个开关，可能获得三个不同的相位差，即电角度0°，60°，120°。

本发明的感应电动机的操作可以归纳如下;第一，当第二开关单独接通由此有电流提供时，电动机以120°的最大相位差起动。此后，负载沿着120°相位差的转矩特性曲线加速。其次，经过一段预定时间或当旋转速度达到预定数值之后，第一开关接通而第二开关保持在其接通状态，由此相位差转变为60°。负载进一步沿60°相位差的转矩特性曲线加速，从而导致电动机旋转速度的增加。最后，在第一开关接通以后经过一段预定时间周期或旋转速度达到预定数值时，仅将第二开关断开引起相位差变为0°其后电动机沿着与普通感应电动机一样的转矩特性曲线驱动连接于其上的负载。

如上所述，仅由两个开关（即，第一和第二接线转换开关）的开关操作，就可能以三个步骤来改变相位差，并提供其中用于实现必要的开关操作所需接线开关的数量显著少于常规装置所需数量的相位变换装置。另外，如上文已说明的，由于在电流流通期间至少两个开关之一在其接通状态保持不变，所以第一和第二开关的接触电容能够做的很小。而且，由于两个开关中至少一个在其接通状态保持不变，操作期间负载电流不可能中断，因此驱动转矩也不可能变为0。此外，甚至假若由于两个开关或两开关中某一个在接通状态出现开关故障时（例如，开关的连接触点融合在一起）这种故障也不可能形成任何电故障，因为存在其中第一开关和第二开关同时都处于通状态的情况。

在按照本发明的感应电动机中，完成电源连接和包括第一和第二接线转换开关的相变装置的连接所需接线数量，对电源为三条，对相变装置为6条，对三相电动机规范总数达9条线。相变装置提供在电源一侧，所需接线数量从电动机一侧来的为6条而从电源一侧来的为三条，这使这种感应电动机在施工现场进行安装和调整时存在某些困难。但是，通过合并相变装置和电动机并在其间应用固定接线，则在电源侧仅使用三条线即已足够，从而便于在任何施工现场安装该感应电动机。在大型普通电动机中，实现Y-△起动所需的6条线使接线工作变得复杂。然而，在按照本发明的感应电动机中，相变装置和感应电动机作为一个单元构成，因此所需接线对电源仅为三条。这样，甚至对大型电动机来说，在施工现场也仅需要如小型电动机情况下同样的方式确定对三条电源线的接线和电动机旋转的方向。

本发明的上述以及其它目的，特征和优点从以下参照附图对本发明最佳实施例的描述会变得更加明确，附图中：

图1是按照本发明的感应电动机部分断开的截面图;

图2是按照本发明的感应电动机的相变装置的接线图;

图3示出仅接通第一接线转换开关、相位差为0°的△-接法;

图4（a）示出第一和第二接线转换开关均接通、相位差为60°的Y-接法;

图4（b）是上述Y-接法的矢量图;

图5示出仅接通第二接线转换开关相位差为120°的△-接法;

图6是具有定时装置的控制装置对电动机的接线图;

图7是具有速度检测装置的控制装置对电动机的接线图;

图8是同时具有定时装置和速度检测装置的控制装置的接线图，以及

图9（a）和9（b）示出按照本发明的电动机获得的典型特性曲线。

此外对本发明的说明主要是关于具有鼠笼式转子和两个定子的感应电动机的相变装置，但是很显然本发明并非仅限于此。本发明可在一种绕线转子型感应电动机中体现，或与定子绕组的Y-△接线的转换结合以获得转矩特性的多样化。在转子铁心之间，可能具有气隙、无磁铁心或磁性铁心。

本专利申请的申请人在美国专利第4，785，213号（颁发于1988年9月15日，题为“可控变速感应电动机”）中详细公开了一种具有单个转子和多个定子的感应电动机的结构和功能。

图1示出作为本发明一个实施例的感应电动机的一部分。标号1表示具有多个定子的感应电动机，该电动机一般具有如下配置：磁性材料的转子铁心2，3在其间提供某一预定空间的情况下安装在转子旋转轴4上。在转子铁心2和3之间，可以提供或者无磁铁心5或者一个气隙。相应的安装在转子铁心2，3上的导电构件6…连接在一起以便在其上延伸通过由此形成单一转子7，导电构件6…的两端由短路环8，8短路。此外，在这种结构中，安装在转子7上的转子导电构件6…在转子铁心2，3之间的非磁性铁心部分5处由电阻元件9…加以短路。当流过导电构件6…的电流中存在预定矢量差时电阻元件9允许电流流通。所有安装于转子7上的导电构件6…不需要由电阻元件9…短路，根据连接负载的负载特性仅它们中的某一些可加以短路。

具有提供在定子铁心12a，13a上的定子绕组10，11的第一和第二定子12，13分别环绕地对着转子2和3并排配置。第一和第二定子12，13固定安装在机器框架14上。

第一和第二定子12，13的定子绕组10，11相互连接以便形成一种串联的△-接法。

下面，参照图2及以下各图对本发明的实施例进行说明。

图2示出绕组接线图。各相的定子绕组11在一侧端点（U1，V1，W1）通过电源转换装置S₀连接到三相电源的各相A，B，C上，并在另一侧端点（X1，Y1，Z1）连接到第一接线转换开关S₁的一侧触点。此外，相应各相的定子绕组10在一侧端点（U2，V2，W2）连接到第一接线转换开关S₁的另一侧触点，并在另一侧端点（X2，Y2，Z2）通过电源转换装置S₀连接到三相电流的各相B，C，A。第二接线转换开关S₂的一侧触点并联在第一接线转换开关S₁的一侧触点与定子绕组11之间的接合点上，其另一侧触点以这种方式连接到定子绕组10的一侧端点（U2，V2，W2），即在定子绕组10和定子绕组11之间将产生电角度为120°的相位差。

以下说明有关操作。

第一，当接通第一开关S₁并且接着接通电源开关S₀时，定子绕组11和定子绕组10形成相对三相电源A，B，C的串联△-接法，如图3所示。亦即，定子绕组11的绕组U1-X1与定子绕组10的绕组U2-X2是串联的，同样地，V1-Y1与V2-Y2以及W1-Z1与W2-Z2也是串联的，于是相位差为0°。通过各个绕组的电压为电源电压线间电压的一半。

其次，当第二开关S₂在开关S₁接通的状态下也接通时，定子绕组11和定子绕组10相对于电源形成并联Y-接法。在这种状态下的接线如图4（a）所示。绕组U1-X1两端的电压E₁和绕组U2-X2两端的电压E₁′的矢量关系如图4（b）所示，由此可以看到相位差变为60°。此处E_AB表示电源的线间电压。

在上述情况下电压E₁的大小与相位差为0°时比较要大2/

＝1.15倍。这种在电压上的增大是在容限范围内的并且不会在电动机的操作中带来任何问题。这是一个很大的优点，因为这样的电压增大使得转矩也增大。

然后，当只有第一开关S₁断开而第二开关S₂保持接通时，两个定子绕组10和11之间的相互连接正如已说明的形成120°的相位差。在这种状态下的接线如图5所示。每个绕组两端出现的电压是电源电压线间电压的一半。

正如前面已说明的，通过转换两个接线转换开关，即，第一开关S₁和第二开关S₂，可获得三种不同的相位差。

在相位差为60°时，定子绕组11的另一侧端点（X1，Y1，Z1）和定子绕组10的一侧端点（U2，V2，W2）处于短路状态，由此可知即使它们由于任何其它原因而被短路时仍不会存在发生任何电故障的可能性。

而且，由于完成必要的相位变换的第一和第二开关S₁，S₂在电动机操作期间至少它们中之一总是处在接通的状态并且在负载电流中没有短暂的转换中止，故能够使用于接线转换的开关的接触电容为最小，并因而把包括第一和第二开关S₁，S₂的相变装置接比例缩小。

从图2可知，当具有开关S₁，S₂的相变装置安装在电动机一侧时，从电源至电动机仅三条线就已足够，并不象在普通大型电动机中所见到的情形，它有可能从低速度范围直到高速度范围提供以高驱动力矩操作的电动机，而不需要留心对电动机Y-△起动的复杂接线过程。

现在，参照图6至图8对控制相变装置的方法进行说明。在图6所示的结构中，将感应电动机1连接到具有转换装置的三相电源22。此外，感应电动机以整体方式装备有相变装置20。相变装置20连接有一控制装置21，该控制装置21包括具有定时装置21a的时序电路。在图7所示的配置方面，将感应电动机1连接到配备有转换装置的三相电源22。感应电动机也以整体方式装备有相变装置20，该相位变换装置20与一个由，例如，硬逻辑电路组成的控制装置21连接。将来自用于检测电动机的旋转速度的速度检测装置21b的信号输入到控制装置21。如图8所示，控制装置21可同时具有定时装置21a和速度检测装置21b，在这种情况下，相变装置20通过控制装置21c加以控制。

如上所配置的装置的操作在下文中予以说明。

控制装置21根据由定时装置21a设置的时限或根据来自速度检测装置21b的信号控制相变装置20的第一和第二接线转换开关S₁、S₂的转换。

当控制装置21具有定时装置21a时，由于通常的Y-△起动以10秒的平均时间转换，相位差在起动时可能为120°，对常规操作的加速可在相位差为0°时进行，例如，从起动时的120°开始，随后，转换到下一相位差60°的时间设置为起动之后的4-5秒，从60°转换到0°的时间可以设置为产生60°相位差以后的4-5秒，因此，借助于相变装置20，相位差以三个步骤顺序地从120°变换到0°。当然，由定时器21a设置的时限可根据连接到电动机上负载的负载特性而进行变化。

具有速度检测装置21b的控制装置21可以是一个简单的逻辑电路或是一种根据有关需要其中装配有微处理器的装置。这种控制装置21采用最新技术并包括：接收来自速度检测装置21b的信号并用于实现这类信号的任何必要转换的电路，将转换的信号与预定基准值相比较的电路，存储预定基准值的电路，以及根据被转换信号与预定基准值之间的比较、输出任何必要控制信号的信号输出电路。来自信号输出电路的控制信号使相变装置20以时序方式产生必要的相位差。

例如，控制装置21的时限和预定基准值由负载特性和电动机的输出加以确定。每个控制装置用来简单地控制两个接线转换开关的转换，因此作为具有三级相位差的感应电动机的控制装置，它们能够结合在具有接线变换开关的相变装置中作为整体构件。

按照本发明的具有多个定子的感应电动机的转矩特性当然可根据电动机的设计变化，但是，由于相位差从180°到120°的变化是比较平缓的坡度，因此能够以常规电动机中采用的几乎同样的方法使用该电动机，常规电动机中相位变换是通过180°，120°，60°和0°4个步骤的电移位实现的。

图9（a）和9（b）分别是典型转矩-速度特性曲线和由按照本发明的感应电动机获得的电流-速度特性曲线。由上述特性曲线很容易知道，在低电流下起动以后，当旋转速度到达预定数值时，通过接线转换开关的时序转换操作，电动机能够顺利地产生展现高驱动转矩的稳定状态操作。图示特性曲线是由按照本发明的电动机获得的典型曲线。不用说根据导电构件6…的电阻值（即电阻元件9…的数值）特性曲线是可变的。

如上所说明的，本发明使得拥有多个定子的感应电动机能够通过简单的相变装置以三个步骤建立相位差，而且，这种相位差对应三个不同的状态，即，起动状态，过渡速度操作状态和正常或稳态操作状态。特别，除了电动机需要变速的情况，按照本发明的电动机适合达到改进起动特性的要求，例如，相对于具有恒定负载特性的负载或下降负载特性的负载，并适合达到减少起动时间的目的。此外，按照本发明的电动机不需要任何诸如变换器这样的昂贵装置。

电动机的接线允许相变装置具有简单的结构，即该装置整体地安装在电动机内部且接线是固定的，因此对三相电源可能仅有三条连接线，而且在对旋转方向的确定没有错误存在的范围内，任何人可以便利地完成电动机的必要接线和安装。

虽然本发明已在其最佳实施例中加以描述，不用说所用到的那些词语是描述性的而非限制性的，而且可在所附权利要求的权限内作出修改而不偏离本发明在其更广方面的实质范围和精神。

Claims

1、一种感应电动机，它包括：

具有轴向安装在公共轴上的第一和第二转子铁心(2，3)与形成于所述两个转子铁心之间的气隙或无磁性部分(5)并在所述两个转子铁心上具有多个转子导电构件(6)贯穿其中的以单体形式形成的单个转子(7)；

并排配置并环绕地面对着相应的转子铁心的第一和第二定子(12，13)，所述第一和第二定子具有其上绕有多个多相绕组(10，11)的第一和第二定子铁心(12a，13a)；以及

用来改变由所述第一定子(12)产生的围绕所述第一转子铁心(2)的旋转磁场和由所述第二定子(13)产生的围绕所述第二转子铁心(3)的旋转磁场之间的相位差的相变装置(20)，所述相变装置包括：

配置于所述第一定子(12)的定子绕组和所述第二定子(13)的定子绕组之间，当其处于接通状态时，使所述相应定子绕组(10，11)的相互连接为所述相位差为0°的串联的△-接法的第一接线转换开关(S₁)；以及

配置于所述第一定子(12)的定子绕组和所述第二定子(13)的定子绕组之间，当其处于接通状态时，使所述相应定子绕组的相互连接为所述相位差为120°的串联△-接法。

在电动机工作期间，至少所述第一开关(S₁)和所述第二开关(S₂)中之一适于总是接通。

2、按照权利要求1的感应电动机，其特征在于它包括装配于所述两个转子铁心（2，3）的气隙或无磁性部分（5）的电阻元件（9），并且其中所述多个转子导电构件（6）由所述电阻元件相互进行短路。

3、按照权利要求1的感应电动机，其特征在于进一步包括实现所述第一和（或）第二接线转换开关（S₁，S₂）的通/断控制的控制装置（21）。

4、按照权利要求3的感应电动机，其特征在于所述控制装置（21）具有控制所述第二接线转换开关（S₂）接通定时以后接通所述第一接线转换开关（S₁）的定时和所述第一连接转换开关（S₁）接通定时以后断开所述第二接线转换开关（S₂）的定时的定时装置（21a）。

5、按照权利要求3的感应电动机，其特征在于所述控制装置（21）具有检测电动机旋转速度并控制所述第二接线转换开关（S₂）接通定时之后接通所述第一接线转换开关（S₁）的定时和所述第一接线转换开关（S₁）的接通时间之后断开所述第二接线转换开关（S₂）的定时的速度检测装置（21b）。

6、按照权利要求1的感应电动机，其特征在于所述相变装置（20）作为一个整体安装在所述电动机的机器框架（14）上。

7、按照权利要求3的感应电动机，其特征在于所述控制装置（21）作为一个整体构件包括在所述相变装置（20）中。