CN1067185C - 交流节能电动机 - Google Patents

Abstract

本发明的交流节能电动机由于在转子输出端，发明了一个由接近开关和V形槽盘式或螺旋式组成的，能根据电动机输出功率变化的输出功率发讯装置，并自动控制转换开关，改变定子绕组的连接方工，达到电动机从空载到满载的整个负载范围内实现高效运行，并且还能在起动时不需任何起动设备的情况下，实现星形接法或延边三角形接法起动功能的交流节能电动机。它可广泛地适用于负载变化较大的机床，起重运输机械、泵或风机的传动中。

Description

交流节能电动机

本发明的交流节能电动机涉及交流电动机技术领域。

现有技术的交流节能电动机，有中小型电机1984年第一期中刊载的“降低电机损耗若干措施的试验验证及高效率模样电机的研制”一文中介绍的YX型高效率电动机。虽然这种高效率电动机在额定功率点附近运行时效率较高，但如果运行在变工况情况下，特别对运行在短时满负荷，较长期轻负荷工况时，总的平均效率就不高，就体现不了高效率电机的效果，同时这种电机的较高效率是以增加金属材料的消耗为代价来实现的，因此电动机的生产成本也较高。公开号为CN2123828U的中国实用新型专利“自动调功多功电动机”和公开号为CN1044878A的中国发明专利申请“合调电机功率节电法和节能电动机”上述两个专利虽然提出了采取在定子绕组中多个抽头的方法，或采取在一个电机座中配置三段不同功率的电机铁芯和绕组，合成一个组合电动机的方法，通过转换开关，使电动机在不同的负载情况下由人工控制变换绕组的接法或变换三段不同功率中相应一段的功率来实行电动机的节能运行。但是由于电动机的负载是受工作机械工况变化的影响而变化的，因此没有自动检测装置是很难及时由人为能控制的，因而上述两个专利所表述的方法只能适用于电动机的负载变化不频繁而又有规律的场合；同时电机的生产也较复杂，用料也较多，因而使制造成本较高。

本发明的目的是提供一种能随电动机负载功率的变化，通过输出功率发讯装置，自动控制改变电机定子绕组的连接方式，达到能按电动机输出功率的变化，自动改变电动机的输入功率。实现电动机从空载到满载的整个功率范围内都能高效运行；并且还具有电动机在起动时能实行类似星、三角形或自藕减压起动特性，而不需其它附加起动设备的交流节能电动机。

下面结合附图说明本发明交流节能电动机的目的是这样实现的。图1为本发明交流节能电动机的实施结构图，它由定子绕组(13).转子(11).机座(7).轴承(14).端盖(12).风扇(17)等组成；其特征是在转子(11)的输出端，有一个由带输出轴端的被动V形槽盘(2)，一个主动V形槽盘(9)，三个以上的滚动体(4)，一个以上弹簧(3)，弹簧座(10)，一个由永磁体或金属制成的检测体(5)和一个以上的接近开关(1)。(6)组成的输出功率发讯装置；在每相定子绕组的各线头分别接在一个以上的转换开关(HK)相应的触点接线端上。其工作原理是：当交流节能电动机通过开关接通电源后，转子(11)在定子绕组(13)旋转磁场的作用下产生的旋转力矩，经转子(11)输出端的花键传给制有内花键的主动V形槽盘(9)，再经V形槽中的滚动体(4)传给被动V形槽盘(2)后经输出轴端输出。这时如果交流节能电动机的外负载处在满载功率的百分之二十五以下，主动V形槽盘(9)在弹簧(3)的预载弹力作用下与被动V形槽盘(2)靠得最近，这时由钢球或滚柱为滚动体(4)处在V形槽的中间“见图2a”，固结在主动V形槽盘(9)的检测体(5)没有对固结在端盖(12)上的干式舌簧管或湿式舌簧管或磁敏半导体或电感式或电容式等接近开关(6)或(1)产生作用，因此受接近开关(6)或(1)控制的触点式或密封触点式或由电力电子元件组成的无触点式转换开关(1HK)和(2HK)都处于失电常闭状态，交流节能电动机的定子绕组(13)的连接处在星形接法位置″见图3″，这时定子绕组(13)的每匝电压为额定的 $1/\sqrt{3}$ 倍，因此交流节能电动机这时相当于380伏线电压的220伏电压下运行，所以电动机的输入功率为额定功率的三分之一，因而运行的效率和功率因数都较高，达到了节约电能的目的。

当交流节能电动机的外载增加到额定满载功率的百分之二十五以上时，被动V形槽盘(2)由于外载负荷的反力矩，使与主动V形槽盘(9)V形槽中共同的滚动体(4)在V形槽斜面分力的作用下产生搓动“见图2b”，克服弹簧(3)的弹力，使主动V形槽盘(9)沿转子(11)轴的花键轴向移动，直到与弹簧(3)的弹力平衡，同时由于主动V形槽盘(9)的轴向位移使固结在其上的检测体(5)同步位移，当移到交流节能电动机的输出功率达到满载功率三分之一与弹簧(3)弹力平衡位置时，接近开关(6)导通，使转换开关(1HK)三个常闭与常开主触点得电转换，使定子绕组(13)的接法由星形换接成延边三角形，交流节能电动机即工作在大于星形接法时的输入功率下运行。这时如果定子绕组(13)每相只有一个抽头，那么每相绕组可按双层绕组的形式制造，其每相上下两层绕组的串接点为抽头，其延边三角形抽头点的功率可为额定功率的二分之一到三分之二之间。当交流节能电动机的外载负荷进一步增加，在负载反力矩的作用下主。被两V形槽盘(9)和(2)的搓动角进一步加大，同时在V形槽中滚动体(4)和V形槽斜面分力的推动下，迫使主动V形槽盘(9)进一步克服弹簧(3)的弹力轴向移动，直到负荷力矩与弹力达到新的平衡，当这一力矩的平衡点达到定子绕组(13)延边三角形接法功率的五分之四以上时，固结在主动V形槽盘(9)上的检测体(5)使接近开关(1)导通，转换开关(2HK)得电，三个主触点转换，这时定子绕组(13)的连接为三角形。当交流节能电动机的负载进一步加大到额定功率的百分之一百十时，固结在主动V形槽盘(9)上的检测体(5)随主动V形槽盘(9)的移动使接近开关(15)导通，这时电机过载信号装置得电而发出声或光的讯号报警，以利及时调整负载防止损坏电机。如果有必要也可加入自动控制电路，使电动机过载延时一段时间后自动切断主电源，以避免电机长期过载运行而损坏。

当交流节能电动机的负载减轻时，主动V形槽盘(9)在弹簧(3)弹力的作用下回移，当电动机的外载负荷减小到额定功率时，接近开关(15)由于检测体(5)随主动V形槽盘(9)的回移离去而关闭，报警元件(20)失电而停止报警。当电动机的外载负荷进一步减小到额定功率的三分之二或四分之一以下时，在弹簧(3)的弹力作用下，检测体(5)随主动V形槽盘(9)回移的同时，使接近开关(1)和(6)逐步关闭，逐个切断转换开关(2HK)和(1HK)控制电源，三个主触点转换使交流节能电动机的定子绕组(13)由三角形接法逐步变换为延边三角形和星形接法。因此本发明的交流节能电动机能根据外加负荷的变化，自动变换定子绕组(13)的连接方式，使之达到高效节能的目的。

另外当本发明的交流节能电动机的单机功率或负载设备的运转惯性较大而不宜全压直接起动时，只要按图13所示按下起动按扭(QA2)或(QA3)，切断转换开关(1HK)或(2HK)或(3HK)的电磁线圈电路，这时电动机只在星形或延边三角形的接法下起动，可在电动机不用其它任何减压起动设备的情况下达到降压起动特性的目的。

本发明的交流节能电动机由于能根据负载功率的变化，自动控制转换开关，变换定子绕组的连接方式，始终使电动机工作在较高的效率和功率因数下运行，因此与现有技术的交流电动机相比特别在变工况下具较高的效率和功率因数具有节能的优点。同时还能在不增加其它起动设备的情况下，具有达到星、三角或类似自藕减压起动功能的特点，从而可降低较大功率或驱动较大惯性负荷下电动机设备投资的优点。

图3为交流节能电动机的电气线路图，图中每相定子绕组(13)只为一个抽头，绕组抽头处的功率为电机额定功率的百分之五十到六十五之间，每相定子绕组(13)分两层嵌绕，抽头为两层绕组的串接点。两个三极触点式或密封触点式转换开关(1HK)和(2HK)，1KK、2KK和4KK为常开触点式的干式舌簧管或湿式舌簧管或磁敏半导体元件，或电感式或电容式接近开关。在这里与接近开关(4KK)相串接的超载报警装置(20)采用灯光讯号报警。

图4为交流节能电动机的另一种电气线路图，在这里两个转换开关(1HK)和(2HK)采用了由双向可控硅或可控硅等电力电子半导体元件组成的电力电子开关，取代触点式或密封触点式转换开关，使交流节能电动机能无触点化，并能使用于有可燃或易爆气体的场合，在这里超载报警装置(20)采用喇叭作发声报警讯号，图中(R)为降压电阻。

图5为交流节能电动机中能按电机转向的改变，自动改变风叶鼓风方向的可变风向式轴流风扇结构实施图，图5B为图5的俯视图。其工作原理是：当转子(11)带动轮毂(17)和其轮缘上的若干个小轴(17A)旋转时，由于风叶(17B)进、出口两边与小轴(17A)间的距离不同，因此在轮毂(17)旋转时风叶(17B)进、出口两边受重力和空气阻力的作用，使出口边滞后于轮毂(17)，直到被轮缘上的凸块(H)挡住为止。当电动机换向时风叶(17B)同样按上述过程在重力和空气阻力的作用下换向，实现了用轴流风扇取代能耗和噪音较大的离心式风扇的目的，从而进一步降低了电机的能耗。

图6为交流节能电动机的另一种实施结构图，在这里转子(11)输出端的功率发讯装置中的主动V形槽盘(9)。滚动体(4)和被动V形槽盘(2)由内孔制有与转子(11)轴相动配的花键的主动内螺旋(21)和与其相动配的被动外螺旋(22)组成的螺旋式所取代，同时在这里普通离心式风扇由如图5所述的可变风向式轴流风扇(17)所取代。其工作原理是当主动螺旋(21)在转子(11)的旋转力矩作用下，经螺旋面传递给被动螺旋(22)的同时，由于内外螺旋轴向升角的作用，产生了一个轴向分力，使主动螺旋(21)产生轴向移动并克服弹簧(3)的弹力，直到与主动螺旋(21)所产生的轴向分力相平衡，这时随主动螺旋(21)同时移动的检测体(5)，导通相应的接近开关(6)或(1)使电机的定子绕组(13)经转换开关(1HK)或(2HK)变换为延边三角形，或三角形接法，使电动机工作在较高的功率因数和效率下运行。其自动控制过程与图1所述相同，只是由于采用了较简单的螺旋发讯机构，因此只适用于单向旋转场合的传动中。

图7为交流节能电动机中密封触点式转换开关实施结构图，图8为图7的密封触点式转换开关的AA面剖视图，图中在用酚醛树脂或聚丙稀或ABS等塑料制成的基座(35)和上盖(36)内，有一个用玻璃或陶瓷等金属材料制成的，其内抽成真空或充入氩气或氮气等惰性气体的密封室(31)内，有三个接触桥式动触头(40)共同安放在一个由铁氧体或中间为玻璃或陶瓷。上下两面粘结铁磁材料制成的磁性体(39)中，其上下相对的地方各有一个静触头(37)，静触头(37)与外电路相连的一端，穿过与密封室(31)熔结的壁，固定在基座(35)上。在密封室(31)上面与磁性体(39)相对应的地方有一个永磁体(38)，在永磁体(38)磁力线的吸引下，使密封室(31)的磁性体(39)带动三个动触头(40)向上移动，直到三个动触头(40)的触点与静触头(37)的触点相接触，其触点的接触压力与永磁体(38)的磁力线强度有关。在密封室(31)的下面有一个由铁芯(32)线圈(34)组成的电磁铁安放在基座(35)内。其工作原理是当线圈(34)未通电流时，铁芯(32)没有磁场，这时密封室(31)内的磁性体(39)在密封室(31)上面永磁体(38)的磁力线作用下，带动三个动触头(40)与密封室(31)内上边的静触头(37)接触，使上边的三对静触头(37)处在常闭状态；当线圈(34)在接近开关(6)或(1)导通时，线圈(34)得电使铁芯(32)产生磁力线，由于铁芯(32)的磁场强度大于永磁体(38)，因此使密封室(31)内的磁性体(39)被吸下移，并带动三个动触头(40)下移，直到与上边的静触头(37)脱离接触，而与下边的静触头(37)接触为止。这时上边的三对静触头(37)由常闭变为常烂N下边的三对静触头(37)由常开变为常闭，完成触点接触的转换。

图9为交流节能电动机中密封触点式转换开关(HK)的另一种结构实施图，在这里密封室(31)内的三个动触头(40)为舌簧式结构，其非接触点的一端穿过与密封室(31)熔结的壁，伸出密封室(31)外固定在基座(35)上，并可与外电路连接，与每个动触头上下相对应的只有一个静触头(37)，因此与上述的图7相比，静触头(37)的数量可以减少一半，同时由于接触触点减少了一半其可靠性可以提高，其工作原理与图7所述相同。

图10为图9所述的交流节能电动机中密封触点式转换开关(HK)的剖视图。

图11为图9所述的交流节能电动机中密封触点式转换开关(HK)，取消了密封室(31)中舌簧式动触头(40)上边的静触头(37)而改变成的，适用于一般电路中通断电源的接触器实施结构图。当然也可以把图7中密封室(31)内，接触桥式动触头(40)上边的一对静触头(37)取消而改变成接触器。

图12为一种手动操作的转换开关实施结构图，在这里在密封室(31)的上下两面有一个用非磁性材料连成一体的永磁体(38)和(41)，在永磁体(41)的下面与基座(35)之间，有一个弹簧(42)，永磁体(38)和(41)在弹簧(42)弹力的作用下顶紧在上盖(36)中的操作凸轮(43)的中间凸缘位置上，这时上永磁体(38)和下永磁体(41)与密封室(31)内由用玻璃或陶瓷等绝缘材料制成的、并在其上下两面固结铁磁材料的磁性体(39)保持相同的距离，因此上下的磁场吸引力对磁性体(39)处于力的平衡状态，密封室(31)中的磁性体(39)在舌簧式动触头(40)的弹性作用下保持在中间位置，开关处在断开状态。其工作原理是当操作凸轮(43)向右转动时，由于操作凸轮(43)右侧的凸缘与轴心间的距离大于中间凸缘，因此使永磁体(38)和(41)同时下移并压缩弹簧(42)，这时由于密封室(31)上面的永磁体(38)靠近了密封室(31)中的磁性体(39)，而下面的永磁体(41)又拉开了与磁性体(39)内的距离，因此上面永磁体(38)对磁性体(39)的磁场强度增加，使磁性体(39)带动舌簧式动触头(40)上移，直到使动触头(40)的触点与上边的静触头(37)接触，电路导通并保持在导通位置。当需要操作凸轮(43)向左转动，这时由于左边凸缘到轴心的距离小于中部凸缘，因而在弹簧(42)弹力的作用下使永磁体(41)和(38)上移，使永磁体(41)与密封室(31)内磁性体(39)的距离靠近，这时永磁体(41)的磁性吸力使磁性体(39)带动舌簧式动触头(40)同步下移，直到舌簧式动触头(40)的触点与下边静触头(37)相接触，这时电路的通断已完成了转换。

所有上述交流节能电动机的密封触点式转换开关(HK)或接触器，其密封室(31)中的静触头(37)和动触头(40)可以根据控制电机的不同，制成单极、两极、三极、四极等多种。

图13为交流节能电动机具有星形接法，延边三角接法起动功能的电气线路图，在这里定子绕组(13)每相有两个抽头，因此使电机能在整个功率范围内，比只有一个抽头具有更高效率的运行特性，但为此也增加了一个接近开关(3KK)和一个转换开关(3HK)图中的交流接触器(CJ)为交流节能电动机的起动开关，(QA1)为星形接法的起动按扭，(QA2)和(QA3)为延边三角形接法起动按扭，(QA)为三角形接法起动接扭，(TA)为电动机的停止按扭。其工作原理是：当交流节能电动机需要以星形接法起动时，可按下(QA1)按扭，这时(CJ)得电起动，但同时由于转换开关(1HK)和与其串接的(2HK)和(3HK)的电磁电源被起动按扭(QA1)的连锁常闭触点(TA1)所切断，因此电动机只能在定子绕组(13)为星形接法的方式下起动，当操作者认为起动过程完成，或通过延时电路延时一定时间后，放开起动按扭(QA1)使(TA1)恢复常闭，这时电动机即进入如图1所述的自控节能运行状态。如果需要提高电动机的起动力矩或减少起动时间，那么只要按下(QA2)或(QA3)起动按扭，使(1HK)或(2HK)得电转换即可实现延边三角形接法的起动特性，如需要以三角接法直接起动那么只要按下(QA)即成。当然本电路所示的多种起动方法只是为了说明多种起动方式的可能，并非需要有这么多的起动按扭，在实际使用中只要根据实际运行和起动的要求，使用一对起动按扭即可。

本发明的交流节能电动机由于在转子的输出端发明了一个能根据电动机输出功率的变化，在预定的范围内发出输出功率讯号，自动控制转换开关，变换定子绕组的连接方式，使电动机能从空载到满载的整个功率范围内，按输出功率的大小自动变换输入功率，实现整个功率范围内的高效运行达到节能的目的，并且还能在起动中在不加任何起动设备的情况下，具有星、三角或延边三角起动特性和过载报警功能的交流节能电动机。它可广泛地应用于任何电力拖动的场合，特别适宜于机床、起重运输、经常变换输出流量的泵或风机的电力拖动中，有较大的节能效果和应用前景。

Claims (5)

1．一种交流节能电动机，由定子、转子、机座、端盖、轴承、风扇等组成，其特征是：在转子(11)的输出端上有一个弹簧座(10)和一个带有检测体(5)的主动V形槽盘(9)或主动内螺旋(21)，在主动V形槽盘(9)或主动内螺旋(21)与弹簧座(10)间有一个以上的弹簧(3)；在转子(11)输出端的外端，还有一个支承在端盖(12)和轴承(14)上的带有输出轴端的被动V形槽盘(2)或被动外螺旋(22)；当转子(11)的输出端上为V形槽盘结构时，在主、被动V形槽盘(9)和(2)间的各V形槽中还有一个滚动体(4)；一个以上的接近开关(1)、(6)、(15)分别固结在端盖(12)上，以共同组成一个输出功率的发讯装置；每相定子绕组(13)的各线头分别接在一个以上受接近开关(1)、(6)、(15)控制的各转换开关(HK)相应的触点接线端上。

2．根据权利要求1所述交流节能电动机，其特征在于定子绕组(13)有一个以上的抽头，当每相只有一个抽头时，其绕组分两层绕制，其每相的抽头为两层绕组的串接点。

3．根据权利要求1所述的交流节能电动机，其特征在于转换开关(HK)有触点式或密封触点式或电力电子式三种。

4．一种交流节能电动机的密封触点式转换开关(HK)由基座、上盖、铁芯、线圈、永磁体等组成，其特征是在基座(35)和上盖(36)内，有一个用玻璃或陶瓷等非金属材料制成的，其内抽成真空或充入氩气或氮气等惰性气体的密封室(31)内、有三个接触桥式或簧片式动触点(40)，共同安放在一个由铁氧体或中间玻璃或陶瓷、上下两面粘结铁磁材料制成的磁性体(39)中，其上下相对的地方各有一个静触头(37)，静触头(37)与外电路相连的一端，穿过与密封室(31)熔结的壁，固定在基座(35)上；在密封室(31)上面与磁性体(39)相对应的地方有一个永磁体(38)，在密封室(31)下面有一个铁芯(32)、线圈(34)组成的电磁铁安放在基座(35)内。

5．一种交流节能电动机的可变风向式轴流风扇由轮毂、风叶等组成，其特征是在轮毂(17)的轮缘上固结着若干个小轴(17A)和凸块(H)，在每个小轴(17A)上有一个进出口两边与小轴(17A)距离不同，可在轮毂(17)轮缘上的两凸块(H)间绕小轴(17A)摆动的风叶(17B)。

Images