CN1059430A

CN1059430A - 非正弦波气隙磁场交流电动机

Info

Publication number: CN1059430A
Application number: CN 90107416
Authority: CN
Inventors: 陈传瓒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1992-03-11

Abstract

本发明非正弦波气隙磁场交流电动机具有多种绕组结构，其气隙磁场呈非正弦的平顶波形状。电动机的主绕组接成为Y形，其中心点可以接出；除主绕组外，各个绕组结构均另外装配各自的辅绕组串联电容器组成的线路。本发明交流电动机具有优良的性能，对原来效率等于80％左右的电机，其效率可提高 10％以上，功率因数接近于1，起动转矩和过载能力均有提高，而温升则下降。

Description

本发明涉及交流电动机，是一种非正弦波气隙磁场交流电动机。

在传统电工领域的理论与实践中，追求各电磁量按正弦变化，这已成为人们不可动摇的固定不变的观点。可以说，“正弦”二字在人们的头脑中，似乎是至高无上的。当然，这是由于正弦函数本身具备许多优点，并且电磁量的正弦变化，也确使各类电工产品获得较好的性能。按此，在交流电动机的设计中，电机气隙磁场及磁势空间波为正弦分布，一直是人们所追求的目标，并且为实现这一目标采取了许多技术措施，如采用正弦电源供电，设计对称的多相绕组，以及使电机工作于磁路临界饱和点之下……等等。

但是，现有的交流电动机，由于墨守正弦气隙磁场的观点，而电机磁路又存在饱和特性，这就使得现有传统的交流电动机存在一个很大的弱点。为了防止电机有过大的激磁电流而导致功率因数过低，也为了使电机有尽可能高的效率，气隙正弦磁场的幅值不得不取在临界饱和点之下，这样，电机气隙磁场的平均磁密值，便远远低于饱和磁密值，由此而导致轻载于铁而重载于铜的局面，以及随之而带来的以下一些不足之点：

（1）在这种轻载于铁的条件下，为了求得电机具有一定的出力，便只得给铜以重载，其一是铜导体的电流密度过高，故电动机的铜耗特别大，使得电机的效率过低;

（2）重载于铜的第二个局题，则是绕组匝数太多，故起动转矩不大、过载能力偏低;

（3）重载于铜的第三个问题，是使电机的大部分损耗热量集中于电机的内核部位，故热量不易散出，而导致温升过高;

（4）轻载于铁而重载于铜的另一个问题，是电机的有效材料没有得到充分利用，若就固定的材料而言，则出力过小，性能不佳，若就固定的出力而言，则用材料过多，而性能仍然不佳。

本发明的目的是，通过提供一种电磁量非正弦化的新的观点，采用相应的新的设计原则和绕组结构，而解决上面所述各个问题的丰正弦波气隙磁场交流电动机。

下面简述其电磁过程。

载流导体在磁场中的受力公式为：

F＝BLi……（1）

式中，F为电磁力，B为磁密值，L为导体有效长度。

由上可见，当导体中电流i为一定值时，如能使磁密值B增大，则导体所受之电磁力也将增大。对于一台电机来说，如果气隙磁场磁密值增大，则转子导体所受之电磁力增大，进深一步说，如果电机气隙磁场沿铁芯园周任何一点的磁密值均增大，即磁场具有均匀的最大值B，或者说磁场具有非正弦的平顶波形，则转子导体所受之总电磁力将为最大，因而电机的出力将有大幅度的增加，反之，如果电机的出力保持不变，则转子导体中的电流将大幅率下降，随之定子导体电流的有功分量也将大幅度下降，从而定、转子铜耗均将大为下降，而电机的效率则将大幅度上升。

本发明所设计制造或改造的交流电动机具有如下优点：

（1）如保持电机原来的出力不变，则可获得如下优良之性能

（a）电机的效率可提高到一个很高的水平，对原来效率等于81%左右的电机，其效率可提高10%～12%，对原来效率等于90%左右的电机，其效率可提高5%～6%;

（b）功率因数可接近于1;

（c）起动转矩可大幅度增大;

（d）过载能力可大幅度提高;

（e）电机的温升显著下降。

（2）如保持电机原来的性能不变，则可大幅度提高出力。

（3）如保持电机原来的出力和性能不变，则可大幅度节减活性材料。

本发明系利用电机磁路饱和的特性，使气隙磁密值B上升，而且每个极下磁密值基本上均匀分布而形成为非正弦的平顶波磁场。同时，另外采取一些措施来协同提高电机的效率和功率因数。这些协同措施是，在定子上加嵌辅绕组并为之匹配适当容值的电容器来达到所期望的目的。

配置电容器之后，电机的造价似乎要有所增加，但从以下几种情况来分析，则并不如此，或者可很快回收增加的造价费用：

（1）若保持电机的性能不变（功率因数仍可提高），则可大幅度提高电机的出力，这相当于提高了电机的机座号，故电机的造价不仅未增加，可能还有所下降;

（2）若保持电机的性能和出力不变，则可大幅度节减材料，材料节减费比之添加电容器所增加的费用可能还多些;

（3）若保持电机的出力和所用材料不变，则如上所述，可大大提高电机的性能，其中功率因数可接近于1，而效率可提高10%以上，故可大量节约能源面获取很高的经济效益以及社会效益。这样，便可在不太长的时间内回收添加电容器所增加的费用。依据本发明所采用的绕组结构，其所添加的电容器，电容值并不太大，故造价增加并不太多，而回收期是比较短的。

而且，由于电容器的容值不太大，故其体积自然也较小，可以制成为合适的形状，装置于电机的某些部位，使电机的总体积增加不多。

本发明交流电动机采用的绕组结构，大大不同于现行传统的交流电动机，具有不同的结构形式，今分别述其特征如下：

（1）如图①所示，第一种绕组结构的特征为、（a）电机主绕组[1]的三个相绕组接成为丫形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组[2]与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为丫形的主绕组[1]并联于电源。

（2）如图②所示，第二种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组[1]的三个相绕组接成为丫形，并与电源相接，其中心点可以接出：（b）三相三个第二辅绕组[3]与适当容值的电容器串联，然后接成为丫形，并与上述接成为丫形的主绕组[1]并联于电源，其中心点与主绕组[1]中心点相通。

（3）如图③所示，第三种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组[1]的三个相绕组接成为丫形，并与电源相接，其中心点可以接出;（b）三相三个第一辅绕组[2]与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与上述接成为丫形的主绕组[1]并联于电源;（c）三相三个第二辅绕组[3]与适当容值的电容器串联，然后接成为丫形，并与上述接成为丫形的主绕组[1]并联于电源，其中心点与主绕组[1]的中心点相通。

（4）如图④所示，第四种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组[1]的三个相绕组接成为丫形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组[2]与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为丫形的主绕组[1]并联于电源;（c）既不与主绕组[1]相联，也不与电源相联，独立的三相三个第三辅绕组[4]接成为开口三角形，并于缺口处接入一只适当容值的电容器。

（5）如图⑤所示，第五种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组[1]的三个相绕组接成为丫形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组[2]与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为丫形的主绕组[1]并联于电源;（c）既不与主绕组[1]相联，也不与电源相联;独立的三相三个第四辅绕组[5]，分别与适当容值的电容器串联，然后接成为丫形，并将三相三个端点短接，其中心点不与主绕组[1]的中心点相通。

（6）如图⑥所示，第六种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组[1]的三个相绕组接成为丫形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组[2]与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为丫形的主绕组[1]并联于电源;（c）既不与主绕组[1]相联，也不与电源相联，独立的两相两个第五辅绕组[6]分别与适当容值的电容器串联，然后本身短接，两部分在空间相距90°电角度。

下面简介一下上述各种绕组结构的设计原则。

本发明交流电动机的气隙磁场为非正弦的平顶波，故设计时应采用平顶磁势波激励平顶磁场波的平顶磁化曲线。设磁化曲线所示平顶磁势与平顶磁场幅值间的比值为：

F_δ/B_δ＝A……（2）

则第一步可选择一个合适的平顶气隙磁场的磁密值B_δ，由此得：

F_δ＝AB_δ……（3）

在此基础上，即可进行主绕组的设计，如前所述，主绕组的三个相绕组接成为丫形。

第一辅绕组的极数与主绕组的极数相同，其每相匝数在零值与主绕组每相匝数的百分之四十之间选择，包括零值。第二辅绕组的极数为主绕组极数的三倍，其每相匝数在零值与主绕组每相匝数的百分之三十之间选择，包括零值。

第三辅绕组的极数与主绕组极数相同，第四辅绕组与第五辅绕组的极数均为主绕组极数的三倍。这三个辅绕组的每相匝数，均与平顶波气隙磁场的磁密值密切相关，即在平顶波气隙磁场磁密值的四分之一至二分之一之间选择一磁密值进行设计得到。

最后，阐明一点，非正弦波气隙磁场这一原理，同样可应用于单相交流电动机，但不及应用于三相交流电动机上同等优越的效果。当单相电动机作两相运行时，则可获得较为优良的性能。

Claims

1、一种非正弦波气隙磁场交流电动机，其特征是：(a)不同于传统的气隙磁场为正弦分布的交流电动机，其气隙每极下磁密分布均匀，呈平顶波形状；(b)电机主绕组的三个相绕组接成为Y形，其中心点可以接出，并与电源相接；(c)为了促成气隙磁场改进为平顶波形，本发明采用多种绕组结构，每一结构均包含上面(b)项所述作Y联接的主绕组，另外再增加各自额外的一个或二个辅绕组，各辅绕组并串联适当容值的电容器而组成特殊的线路，或与主绕组相联，或与主绕组相隔离而成为独立体。

2、根据权利要求1所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其第一种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组的三个相绕组接成为Y形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为Y形的主绕组并联于电源。

3、根据权利要求1所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其第二种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组的三个相绕组接成为Y形，并与电源相接，其中心点可以接出;（b）三相三个第二辅绕组与适当容值的电容器串联，然后接成为Y形，并与上述接成为Y形的主绕组并联于电源，其中心点与主绕组中心点相通。

4、根据权利要求1所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其第三种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组的三个相绕组接成为Y形，并与电源相接，其中心点可以接出;（b）三相三个第一辅绕组与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与上述接成为Y形的主绕组并联于电源;（c）三相三个第二辅绕组与适当容值的电容器串联，然后接成为Y形，并与上述接成为Y形的主绕组并联于电源，其中心点与主绕组中心点相通。

5、根据权利要求1所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其第四种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组的三个相绕组接成为Y形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为Y形的主绕组并联于电源;（c）既不与主绕组相联，也不与电源相联，独立的三相三个第三辅绕组接成为开口三角形，并于缺口处接入一只适当容值的电容器。

6、根据权利要求1所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其第五种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组的三个相绕组接成为Y形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为Y形的主绕组并联于电源;（c）既不与主绕组相联，也不与电源相联，独立的三相三个第四辅绕组分别与适当容值的电容器串联，然后接成为Y形，并将三相三个端点短接，其中心点不与主绕组中心点相通。

7、根据权利要求1所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其第六种绕组结构的特征为：（a）电机主绕组的三个相绕组接成为Y形，并与电源相接;（b）三相三个第一辅绕组与适当容值的电容器串联，然后接成为△形，并与接成为Y形的主绕组并联于电源;（c）既不与主绕组相联，也不与电源相联，独立的两相两个第五辅绕组分别与适当容值的电容器串联，然后本身短接，两部份在空间相距90°电角度。

8、根据权利要求1、2、3、4所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其特征为：（a）第一辅绕组的极数与主绕组极数相同，其每相匝数在零值与主绕组每相匝数的百分之四十之间选择，包括零值;（b）第二辅绕组的极数为主绕组极数的三倍，其每相匝数在零值与主绕组每相匝数的百分之三十之间选择，包括零值。

9、根据权利要求1、5、6、7所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其特征为：（a）第一辅绕组的极数与主绕组极数相同，其每相匝数在零值与主绕组每相匝数的百分之四十之间选择，包括零值;（b）第三辅绕组的极数与主绕组极数相同，第四辅绕组及第五辅绕组的极数均为主绕组极数的三倍，这三个辅绕组的每相匝数，均与平顶波气隙磁场磁密值密切相关，即在平顶波气隙磁场磁密值之四分之一至二分之一之间选择一磁密值，进行设计获得。

10、根据权利要求1所述之非正弦波气隙磁场交流电动机，其特征是：非正弦波气隙磁场这一原理，同样可应用于单相交流电动机，但不及应用于三相交流电动机上同等优越之效果;当单相电动机作两相运行时，则可获得较为优良的性能。