CN1057554A - 多笼多极三相交流电动机及其起动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及鼠笼式转子三相交流电动机，是一种 多笼多极三相交流电动机及其起动方法。

它采用的定、转子绕组结构不同于现有的三相交 流电动机，其转子绕组采用多鼠笼式，其定子绕组采 用单一绕组多种极数的形式；其起动方法则由某一笼 数的转子绕组与某一种极数的定子绕组相配合，由最 高极数定子绕组接入电源起动，逐步加速达到电机额 定转速。

本发明的三相交流电动机，可获得很高的起动转 矩和很小的起动电流，而且效率高，过载能力大，可以 甩掉昂贵的补偿起动器。

Description

本发明涉及鼠笼式转子三相交流电动机，是一种多笼多极三相交流电动机及其起动方法。

现有的基本系列三相交流电动机，其定、转子绕组结构及起动方法的特点如下：

1、定、转子绕组结构：电动机的定子绕组结构只具有一套绕组，而这个绕组联接成只具有一种极数，异步电动机的转子绕组一般只具有一个鼠笼结构，但为了改善起动性能，也有制成为两个鼠笼结构的，同步电动机的转子绕组在这里只是指阻尼绕组，一般只具有一个鼠笼结构。

2、起动方法：为了降低电动机过大的起动冲击电流和保持适当的起动转矩，一般采用附加装置的降压起动法，目前以补偿起动器为勉强能符合要求的起动附加装置。这种装置不仅另加昂贵的设备，增大第一次投资，而且起动转矩和起动电流之间的矛盾几乎仍是难以解决的，即仍然是起动转矩过小而起动电流过大。对中、大型电动机来说，这尤其是一个无法解决的突出问题。

3、运行性能  由于受到起动电流的限制，这种电动机的起动转矩明显偏低，其它性能包括最大转矩、最小转矩及效率等在设计上也均受到影响而偏低，不能获得较佳的数值。

本发现的目的，是提供一种通过对上述三相交流电动机的定、转子绕组结构进行改进，而有效地解决上述第二、第三两部份问题的多笼多极三相交流电动机及其起动方法。

本发明具有下述优点：

1、电动机全压起动，起动过程平滑而稳定。

2、起动转矩很大，可达到或稍许超过现有电动机的最大转矩。

3、起动电流很小，只有现有电动机起动电流的30%-40%左右。

以上三点是本发明三相交流电动机的最大优点，也是本发明的主要目的。

4、由于起动性能获得很好的解决，故电磁设计取得最为优越的条件，从而本发明的三相交流电动机具有其它优良的性能;（a）最大转矩大，过载能力强;（b）最小转矩大;（c）效率较高。

5、在装置上可甩掉如补偿起动器等昂贵的附加设备。

6、由于鼠笼型异步电动机具有坚固耐用，造价低廉等优点，现既能很好地解决起动性能，故本发明的发展前途，有可能淘汰掉绕线型转子异步电动机。

7、电动机可运行于二种、三种或者四种转速，形成为一台单绕组多速电机，这是本发明的附带优特点。

本发明的三相交流电动机所采用的定、转子绕组结构及起动方法大大不同于现有的三相交流电动机，其特征如下：

1、定、转子绕组结构：

（a）定子绕组结构  定子上仍只嵌装有一套绕组，但这个绕组却联接成具有二种、或者三种、或者四种极数。因此，电动机可运行于二种、或三种、或四种转速，这不是本发明的目的，但也成为一种附带的优特点。这种多极数绕组的获得，可根据以下几种方法去设计：（1）极幅调制法;（2）矢量法;（3）电磁空间法。至于选用几种极数，采用哪一种方法，其原则是：在电动机基本极数下运行时，获得最佳的运行性能，而在其它极数下，则获得所要求的最大的起动转矩和最小的起动电流以及平滑稳定的起动过程。变极绕组的推导设计，不属本专利范围，不作赘述。可由设计者任意选用哪一种方法设计变极绕组。

为了获得大的起动转矩和平滑稳定的起动过程，有些情况下，定子绕组结构也可制成为两套绕组：最高极数与基本极数属于一套绕组;第二高极或者第二、第三两种高极数属于另一套绕组。前一套绕组的电流密度按正常法则选取，后一套绕组只负担起动过程的短暂负荷，电流密度可取得高些。

（b）转子绕组结构：不同于现有的交流电动机，转子鼠笼具有二笼、或者三笼、或者四笼的结构，如图（1）中分图a）、b）、c）所示。对于特大功率的电动机，还可增加转子绕组的鼠笼数。

见图（1）b）c）所示三、四笼的转子绕组结构，第一笼位于转子铁芯园周最上层，其槽形采用工艺上最简单的园形槽，槽开口可取得宽，以减低这一笼的电抗值，第二笼位于第一笼的下层，稍有一点距离，使该笼的电抗比第一笼为大，其槽形也制为园形，槽开口窄;第三笼位于第二笼的紧下层，槽形采用工艺上较为简单的瓶形或近似瓶形，槽开口窄;第四笼位于第三笼的紧下层，槽开口窄，其槽形也为瓶形或近似瓶形，第三、四两笼所采用槽开口及槽形均在于使得其电抗值远较第一、二笼为大，而电阻值则较第一、二笼为小。

当转子绕组为三笼时，其中第一笼和第三笼由一窄沟连通为一体，第二笼为一独立体，两者在转子铁芯园周上相隔一个齿距;当转子绕组为四笼时，第一笼和第三笼由一窄沟连通为一体，第二笼和第四笼由一窄沟连通为一体，两者在铁芯园周上相隔一个齿距。

见图（2），第一、二两笼铁芯两端的端环离开铁芯均有一个距离，但第二笼的这个距离比第一笼的为小，这样做的目的，均在于使第一、二笼的电抗值小;第三、四两笼铁芯两端的端环则紧贴铁芯，以增大其电抗值。第一、二笼的导条和端环还可起到冷却作用，以代替转子两端的风扇。

第一笼的导条及端环采用熔点高、热容量大和电阻系数很高的特殊材料制成;第二笼的导条和端环采用黄铜制成，这样设计的目的在于增大这两笼的电阻值，特别是大大增大第一笼的电阻值。第三笼及第四笼的导条和端环均采用纯度高的紫铜制成，以减低其电阻值。

第三、四笼的面积比第一、二笼的面积要大得较多，一般取2-4倍为合适。

见图（1）a）所示二笼的转子绕组结构，第一笼的位置，槽形及槽开口均如前。第二笼在第一笼的下面，相隔有一个较大的距离，槽形采用瓶形或近似瓶形，槽开口窄。此时，两笼可分别为独立体，相互间在铁芯园周上相隔一个齿距;或者由一窄沟连通为一体、第一笼的端环位置如前述，第二笼的端环则紧贴铁芯。第一笼导条和端环的材料如前述，第二笼的导条和端环则用纯度高的紫铜制成。第二笼的面积比第一笼一般也取2-4倍合适。

2、起动方法

本发明的起动方法，普遍适用于大、中、小型鼠笼式三相交流电动机，特别是用以解决中、大型鼠笼式异步电动机和带有类鼠笼式阻尼绕组的同步电动机的起动问题。

本发明的起动方法，首先是选择好转子绕组的鼠笼数和定子绕组的极数，互相配合，进行周密设计，其原则是，务使电动机获得很高的起动转矩和很小的起动电流，并使整个起动过程平滑稳定，而在基本极数下运行时，获得最佳的运行性能。

就异步电动机而论，二极数的定子绕组可以配用转子绕组二笼、或者三笼、或者四笼的结构，三极数和四极数的定子绕组也都可以配用转子绕组二笼、或者三笼、或者四笼的结构;就同步电动机而论，转子绕组即阻尼绕组结构均制成为二笼，而单一的定子绕组，则可绕制成为二极数、或者三极数、或者四极数的结构。

起动时，外施电源直接全压接入电动机的引出端线，首先接通定子绕组最高极数（例如设计为4/6/8极比三极数，起动时，定子绕组联接成为8极绕组）的引出线。起动瞬间，转子绕组感应电流的频率与电源频率一致，转子各笼电流的分配依电抗值的大小来决定，第三、第四两笼的电抗值此时最大，远超过第一、第二两笼，故起动瞬间的转子电流，几乎全部流过第一、第二两笼，而特别集中在第一笼上。因第一笼的电阻值特别大，故电动机的起动转矩很大，基本上接近电动机的最大转矩，如图（3）中的a点所示。起动以后，电流的分配发生变化，转矩-转速曲线平滑地向右移动，如图（3）中①、②、③、④等曲线所示。当电动机转速接近8极同步转速时，改换接触器将电源接入6极绕组的引出线上，如图（3）所示，转矩-转速曲线又依⑤、⑥、⑦、……等曲线平滑地向右移动。当转速接近6极同步转速时，改换接触器将电源接入基本极4极绕组的引出线上，如图（3）所示，转矩-转速曲线又依⑧、⑨、⑩……等曲线向右移动，最后到达电动机的额定转速。

从上可见，如图（3）中沿小园圈所连成的虚线所示，整个起动过程中电动机的加速转矩，基本上始终接近于最大转矩而最后到达电动机的额定转速，整个起动过程是平滑稳定的。至于起动电流则将远为降低，当采用三极数定子绕组起动时，起动电流只有现有电动机起动电流的30%-40%左右，其值与最高极数对基本极数的比值，所设计第一笼电阻值的大小密切相关。

3、运行性能

已如前述，电动机的起动转矩很大，起动电流很小，这是本发明的最大优点;相应，电动机的最小转矩也远比现有电动机的最小转矩为大。

由于解决了起动电流与起动转矩间的矛盾，故电动机的设计十分灵活，即具有优越的设计条件，因而可获得比现有电动机更大的最大转矩和较高的效率值，而功率因数仍可达到标准的要求。

Claims (10)

1、一种多笼多极三相交流电动机，其特征是：(a)将现有的三相交流电动机的转子绕组结构，由原来的单一鼠笼型改进为多鼠笼型；(b)将现有的三相交流电动机的定子绕组结构，由原来的单一绕组单一种极数改进为单一绕组多种极数。

2、一种多笼多极三相交流电动机的起动方法，其特征是：选择好转子绕组多鼠笼结构的具体笼数，再选择好定子绕组单一绕组多种极数结构的具体极数，进行设计，然后两者配合进行电动机的起动。

3、根据权利要求1所述的多笼多极三相交流电动机，其特征是：（a）转子绕组的多鼠笼结构主要有二笼、三笼和四笼三种类别，对于特大功率的电动机，还可制成为更多的笼数;第一笼位于转子铁芯园周最上层，其槽形为园形槽，槽开口较宽;第二笼位于第一笼的下层，其槽形也为园形，槽开口窄，当转子绕组结构为二笼时，则第二笼槽形为瓶形或近似瓶形;第三笼位于第二笼的紧下层，槽形为瓶形或近似瓶形，槽开口窄;第四笼位于第三笼的紧下层，槽开口窄，其槽形为瓶形或近似瓶形。（b）当转子绕组结构为二笼时，两笼可分别为独立体，相互间在铁芯园周上相隔一个齿距，或者由一窄沟连通为一体;当转子绕组结构为三笼时，其中第一笼和第三笼由一窄沟连通为一体，第二笼为一独立体，两者在铁芯园周上相隔一个齿距;当转子绕组结构为四笼时，第一笼和第三笼由一窄沟连通为一体，第二笼和第四笼由一窄沟连通为一体，两者在转子铁芯园周上相隔一个齿距。

4、根据权利要求1所述之三相交流电动机，其特征是：转子绕组第一笼导条及端环采用熔点高、热容量大和电阻系数很高的特殊材料制成，其铁芯两端的端环离开铁芯有一个距离;第二笼导条和端环采用黄铜制成，其铁芯两端的端环离开铁芯也有一个距离，但较第一笼端环的相应距离为小，或者端环紧靠铁芯;第三笼和第四笼的导条和端环均采用纯度高的紫铜制成，其铁芯两端的端环均紧靠铁芯;当转子绕组结构为二笼时，第二笼导条及端环的材料为紫铜，端环紧靠铁芯。

5、根据权利要求1所述之三相交流电动机，其特征是，定子绕组结构为单一绕组，但绕制联接成具有多种极数，有二极数、三极数和四极数三种类别，这种单一绕组多种极数的绕组的设计，可依据“极幅调制”、“矢量法”和“电磁空间”法中的任一种方法推导进行，其推导方法不属本专利范围。

6、根据权利要求1所述之三相交流电动机，其特征是，定子绕组也可制成为两套绕组，其中最高极数和基本极数属于一套绕组，中间的第二高极数或者第二和第三高极数属于另一套绕组，前者的电流密度按正常法则选取，后者的电流密度可取得高。

7、根据权利要求2所述之多笼多极三相交流电动机的起动方法，其特征是：就异步电动机而论，二极数的定子绕组可以配用转子绕组二笼、或者三笼、或者四笼的结构，三极数和四极数的定子绕组也都可以配用转子绕组二笼、或者三笼、或者四笼的结构;就同步电动机而论，转子绕组即阻尼绕组的结构均制成为二笼，而单一的定子绕组，则绕制成为二极数、或者三极数、或者四极数的结构。

8、根据权利要求2所述之多笼多极三相交流电动机的起动方法，其特征是：选择好转子绕组笼数和定子绕组极数的配合，进行设计以后：（a）当定子绕组为二极数时，则首先向高极数的引出线接入三相电源起动电机，待转子转速接近这个极数的同步转速时，立即将这个极数的引出线从电源断开，而改接入基本极数的引出线，从而迅速达到电动机的额定转速;（b）当定子绕组为三极数时，则首先向最高极数的引出线接入三相电源起动电机，待转子转速接近这个极数的同步转速时，立即改接入第二高极数的引出线，待转子转速接近这第二高极数的同步转速时，再立即改接入基本极数的引出线，从而电机迅速达到额定转速;（c）当定子绕组为四极数时，则首先将三相电源接入最高极数的引出线，其次改接入第二高极数的引出线，再其次改接入第三高极数的引出线，最后接入基本极数的引出线，电机迅速达到额定转速。

9、根据权利要求1所述之三相交流电动机，其特征是，电动机可运行二种、三种或者四种转速，形成为一台单绕组多速电动机。

10、根据权利要求1所述之三相交流电动机，其特征是，转子绕组第一、第二两笼的导条和端环，还可起到冷却作用，构成为转子铁芯两端的内风扇。

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