CN1171648A - 开关调速电动机 - Google Patents

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CN1171648A CN97110671A CN97110671A CN1171648A CN 1171648 A CN1171648 A CN 1171648A CN 97110671 A CN97110671 A CN 97110671A CN 97110671 A CN97110671 A CN 97110671A CN 1171648 A CN1171648 A CN 1171648A
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Abstract

开关调速电动机是一个电动机家族,其特征是:用波形是阶梯形的多相开关电源供电、改变开关频率即可调节电动机的转速、电动机电源端点不少于5个、运行时绕组产生的磁场是步进地旋转的,其步进角度不大于18度电角度、绕组的节距大于1、动行时每次通电的相绕组不少于2个。它有许多品种,如步进电动机、开关磁阻电动机、永磁同步电动机、磁滞同步电动机、异步电动机、串联同步电动机、无刷双馈电动机、有刷双馈电动机等。

Description

开关调速电动机
本项目涉及交流调速电动机
交流电动机转速的调节有许多方法。其中改变电源的频率是改变电动机转速的有效方法。这种可变频率的电源是逆变器提供的。按照逆变器输出的向每个电源端点提供的可变频率的电压或电流的波形的不同，变频电源分为二种类型。第一类是调制型变频电源，此时它的电压或电流的波形是调制波，例如脉宽调制波。第二类是开关型变频电源，此时它的电压或电流的波形是矩波形或阶梯形波。变频电源的类型不同导致对电动机的要求不同。本项目只涉及开关型变频电源所使用的电动机。
目前的开关调速电动机主要有开关磁阻电动机、步进电动机等数种，它们的主要缺点是：
1、电动机的绕组利用率低，有的开关调速电动机甚至是每次只有一个绕组参加运行。
2、绕组的节距小，有的绕组的节距是一个槽。
3、步距角大，每周拍数少。一般都不小于30°电角度。开关型电源只能在电动机绕组中产生步进的旋转磁场。这种旋转场驱动的电动机，其转子不会绝对地平稳旋转。只有步进角小，或每电源周期内的步数多时，电动机才会接近连续平稳地旋转的电动机。
4、运行时，开关电源所提供的步进地旋转的磁场的幅值有较大的变动。这导致电动机的力矩也有较大的变动。
本项目的愿望是克服上述的几种缺点。使开关调速电动机的品种增加，性能改善，应用范围扩大。
本项目提出的开关调速电动机有下述特征：
1、电动机由逆变器提供的开关型变频电源供电。
2、运行时，任何时候都有不少于二个相绕组参加运行。
3、绕组的节距不小于2个槽。
4、除磁组电动机外，它的步进角度不大于18°电角度。即每电源周期内的拍数不小于20。
5、除磁阻电动机外，电动机电源端点的数目不小于5个。
6、运行时电动机中旋转磁场的幅值的变化率小。它的磁场幅值的最小值与最大值的比值K在90％以上。
下面我们用例子说明改进后的电动机的特征并和原来的电动机加以比较。
例一、三相磁阻电动机
目前的定子12槽、转子8极的双凸极的磁阻电动机有三个相绕组，A- A、B- B、C- C，绕阻的节距为一个槽。绕组在定子槽中的相带分布如表1所示：表1    目前的12槽8极双凸极的三相磁阻
   电动机定子绕组的相带分布表
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
相带 AC BA CB AC BA CB AC BA CB AC BA CB
表中A- A、B- B、C- C为3个相绕组
表中A、B、C为首端有效边， A、 B、 C为末端有效边。它的接线图如图1所示。
它由3个可控的整流元件供电，运行时流过每个绕组的电流的方向不变。运行时依次接通三个相绕组使磁阻电动机旋转，每步15度机械角度合60度电角度。
为了说明运行情况，我们必须说明各可控的整流元件的通断状况。为此我们用整流元件所接的绕组的端点来的名称来叫这些整流元件。
绕组的运行情况如表1所示：
表3    表1绕组的运行情况表
序号 真 值  表     槽电流分布表及槽号
A B C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 1 0 0 1 -1 0 -1 1 0 1 -1 0 -1 1 0
2 0 1 0 0 -1 1 0 1 -1 0 -1 1 0 1 -1
3 0 0 1 1 0 1 -1 0 -1 1 0 1 -1 0 -1
真值表中，1表示该整流元件把绕组的相应端点与电源正极接通，0表示断开。由于所使用的是单级性通电方案，因此真值表中只有0、1两个数字。如果绕组的某个端点接在桥式逆变器的某个输出端点上，那末相应的真值表就有1、0、-1三个数值。0、1的意义已如上述，-1表示该端点通过可控的整流元件与直流电源的负极接通。
从表3可见绕组的利用率为33.3％。
今将表1的绕组的相带分布重新布置成表4的样子，并保持图1的接线图不变。表4    改进后的12槽3相8极磁阻电动机
   定子绕组的相带分布表
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
相带 B C A B C A B C A B C A
表4绕组的运行情况表如表5所示表5  表4绕组的运行情况表
序号   真值表 槽  号  及  槽  电  流  分  布
A B C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 0 1 1 1 -1 0 -1 1 0 1 -1 0 -1 1 0
2 1 0 1 0 -1 1 0 1 -1 0 -1 1 0 1
3 1 1 0 1 0 1 -1 0 -1 1 0 1 -1 0 -1
比较表3、表5可见二种运行情况下，槽电流的分布是一样的。新绕组每次有2个绕组参加运行，绕组利用率为66.6％，这表明在同样的槽内铜耗下电动机的力矩可以提高一倍，在同样的力矩下，槽内铜耗可以减少一半。
对于相数是奇数的磁阻电动机可以用类似的方法增加绕阻的利用率。
例二：一个定子10槽转子6极的双凸极磁阻电动机，采用5相绕组，A- A、B- B、C- C、D- D、E- E，它的定子绕组的相带分布如表6所示。表6    10槽5相二级单层绕组的相带分布表
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
相带 A D B E C A D B E C
表6的绕组可以用于驱动6极磁阻转子并可以采用单级性的逆变器电路，其接线图如图2所示。
用表6的5相二级单层绕组及图2的接线图驱动6极磁阻转子时的运行情况如表7所示。表7      10槽5相6极磁阻电动机驱动情况表
序号     真    值    表 转子位置 最大磁阻力矩相对值
A B C D E
1 1 1 0 0 1 0° 1
2 1 1 1 0 1 6° 0.809
3 1 1 1 0 0 12° 1
4 1 1 1 1 0 18° 0.809
5 0 1 1 1 0 24° 1
6 0 1 1 1 1 30° 0.809
7 0 0 1 1 1 36° 1
8 1 0 1 1 1 42° 0.809
9 1 0 0 1 1 48° 1
10 1 1 0 1 1 54° 0.809
11 1 1 0 0 1 60° 1
如果采用5相桥式逆变器作驱动电路。10槽磁阻电动机还有改进的余地。此时转子可采用八极转子、定子绕阻的相带分布仍为表6，其接线图如图3所示。
它的运行情况如表8所示。表8    10槽5相8极磁阻电动机运行情况表
序号   真  值  表 转子位置 最大磁阻力矩相对值
A B C D E
1 1 0 -1 0 0 0° 1
2 1 0 -1 -1 0 4.5° 0.809
3 1 0 0 -1 0 9° 1
4 1 1 0 -1 0 13.5° 0.809
5 0 1 0 -1 0 18° 1
6 0 1 0 -1 -1 22.5° 0.809
7 0 1 0 0 -1 27° 1
8 0 1 1 0 -1 31.5° 0.809
9 0 0 1 0 -1 36° 1
10 -1 0 1 0 -1 40.5° 0.809
11 -1 0 1 0 0 45° 1
同样的定子同样的绕组，按表8运行的8极磁阻电动机和按表7运行的6极磁阻电动机比较我们可以发现在同样的定子铜耗条件下8极磁阻电动机的最大力矩比6极磁阻电动机的最大力矩大一倍以上。磁阻电动机的工作原理常常和普通的交流电动机不一样。它的定子磁势的旋转速度和极对数可以和转子的极数和转子的旋转速度不一样，甚至二者的旋转方向也不一样。例如表8有磁阻电动机中，定子绕阻产生的是二极步进旋转磁势，每步的步进角是18°，而转子是8极磁阻转子它在运行时作步进旋转，每步步进角是4.5°，而且定子磁场的旋转方向和转子的旋转方向是互反的。在磁阻电动机中定子齿数与转子齿数比较接近时，往往可以提高磁阻电动机的力矩。而本项目提出的磁阻电动机是目前的开关磁阻电动机的改进。即增加了绕阻的节距，增加了绕阻的利用率。同时我们发现增加电动机电源端点的数目往往可以减小步进角度。
我们再举一个例子说明增加定子绕阻的节距可以提高电动机的力矩的例子。我们的例子是五相混合步进电动机的定子绕阻。这种电动机的定子绕阻是10槽4极5相绕组，它原来的相带分布如表9所示。表9    10槽4极5相绕组的一种相带分布
槽号 1 2 3 4     5 6 7 8 9 10
相带 AE BA CB DC ED AE BA CB DC ED
它的绕组接线图如图3。
它的绕组节距为1，其矩距绕系数为0.58780，今将绕组的节距改为2，短距绕组系数就变成了0.95，即为原来的1.6倍。改进后的绕组的相带分布表为表10。
表10    改进的10槽4极5相绕组的相带分布
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
相带 AD BE CA DB EC AD BE CA DB EC
表9、表10的运行次序和表8所列的运行次序一样。行运时在同样的安匝下，表10绕组的力矩是表9绕组的力矩的1.6倍。
对小型电动机来说扩大节距可能工艺上有困难。如果小型电动机采用塑封结构，那么定子绕组绕在定子齿和轭之间的，绕组的端部长度和绕组节距无关，这时这种工艺困难不存在了。
为了使开关调速电动机运行平稳必须增加电动机电源端点的数目n，因为随着n的增加，以电角度计的步进角度θe、运行时磁场幅值的稳定程度，即磁场幅值的最小值和最大值的比值K，等指标就会相对应地得到提高。下表是一些可以达到的指标。表11    电源端点数目和θe、κ的关系
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
n 3 5 6 7 9 10 11 12 13
θe 30 ° 18° 15° 12.85° 10° 9° 8.18° 7.5° 6.9°
κ 0.866 0.95 0.966 0.975 0.985 0.988 0.99 0.99 0.993
为了增加电动机的电源端点，需要有多电源端点的绕组和驱动这种绕组的开关型逆变器。
用于开关调速电动机的绕组有许多类型分别说明如下：
1、单路串联供电的多相绕组
这种绕组把所有的相绕组串联起来，由可变电压的直流电源供电，可以通过可控的整流元件把绕组二端短路起来，使该绕组不参加运行或者通过可控的整流元件使流过该绕组的电流改变方向。这样通过一些绕组不参加运行，反方向运行，正方向运行等等步骤，就可使绕组产生步进的旋转磁场驱动电动机旋转。今以表6的绕组加以说明。用这一绕组驱动6极磁阻转子可以用图2所示的单极性电路。单路串联绕组也有单极性电路，与图2相对应的单极性电路如图4所示。
图4的绕组运行时可参照表7列出相应的真值表。在图4中每个相绕组中通过的电流方向是不能改变的。
如果我们要求通过相绕组的电流方向是可以改变的，那么可以把这种绕组用图5的驱动线路使绕组运行。
图4、5中的单路串联绕组的控制复杂，使用的可控整流元件多。但每个绕组匝数少，运行时可以保证每个参加运行的绕组所通过的电流是一样的。另外这种绕组运行时，运行方式可以有许多式样，比较灵活，例如当相数很多时，它可以变更极对数，变更运行绕组的额定运行电压等。单路串联供电的多相绕组的特征是参加运行的相绕组串联起来成一个支路。
2、并联供电的多相绕组
它是每相绕组在运行时都接在电源的二端，因此它的绕组匝数多。图1、2中的绕组就是这样的绕组。这种绕组也有单极性和双极性二种供电方式。在图1、图2中，就是单极性供电方式。如果每个绕组通过桥式逆变器供电，就可变成双极性供电的方式了。用双极性供电时，绕组运行性能好，但使用的可控整流原件多。这种供电方式下，每个绕组中通过的电流很难保证时时一样。并联供电的多相绕组的特点是所有参加运行的相绕组互相并联起来。
3、多相星形绕组。星形接法的三相绕组就是例子。它的相数是任意的。它有一个和不少于3个相绕组接通的结点。这样的结点叫交汇点多相星形绕组的特点是有唯一的交汇点，即中心。
4、多相多边形绕组。这种绕组的所有相绕组互相串联起来形成一个环路。运行时电源电流分成二个支路流过绕组。而且在旋转的正弦磁势作用下，每个绕组形成的电势时间向量按绕组的串联起来的次序串联起来后，它们就会形成一个封闭的多边形。它的极对数没有限制，而且每极槽数可以是带分数。和直流电机的绕组不同它没有均压线。图3的绕组就是五相多边形绕组，再举例如下。
例一：7端点的7相7边形绕组。它的接线图如图6所示。
这种绕组一般是绕在槽数可以被7整除的电枢上，今以定子槽数为14的定子绕组为例进行说明。它的极对数可以是1、2、3。它们的相应的相带分布如表12、13、14所示。表12    2极14槽7端点7相7边形绕组的相带分布
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
相带 A E B F C G D A E B F C G D
表13    4极14槽7端点7相7边形绕组的相带分布
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
相带 AE BF CG DA EB FC GD AE BF CG DA EB FC GD
表14    6极14槽7端点7相7边形绕组的相带分布
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
相带 A C E G B D F A C E G B D F
表12、13、14的运行次序是一样的，今以二级绕组为例进行说明。如表15所示。表15    二极14槽7相7边形绕组运行情况表
序号     真    值    表 运行绕组对称中心 磁场方向 单位电流的磁势相对幅值
A B C D E F G
1 1 0 0 -1 0 0 0    3 0° 1
2 1 0 0 -1 -1 0 0 3    4 12.85° 0.975
3 1 0 0 0 -1 0 0    4 25.7° 1
4 1 1 0 0 -1 0 0 4    5 38.57° 0.975
5 0 1 0 0 -1 0 0    5 51.42° 1
6 0 1 0 0 -1 -1 0 5    6 64.28° 0.975
7 0 1 0 0 0 -1 0    6 77.14° 1
8 0 1 1 0 0 -1 0 6    7 90° 0.975
9 0 0 1 0 0 -1 0 7 102.85° 1
10 0 0 1 0 0 -1 -1 7    8 115.7° 0.975
11 0 0 1 0 0 0 -1    8 128.57° 1
12 0 0 1 1 0 0 -1 1    2 141.43° 0.975
13 0 0 0 1 0 0 -1    2 154.28° 1
14 -1 0 0 1 0 0 -1 2    3 167.14° 0.975
15 -1 0 0 1 0 0 0    3 180° 1
16 -1 0 0 1 1 0 0 3    4 192.85° 0.975
17 -1 0 0 0 1 0 0    4 205.71° 1
18 -1 -1 0 0 1 0 0 4    5 218.57° 0.975
19 0 -1 0 0 1 0 0    5 231.42° 1
20 0 -1 0 0 1 1 0 5    6 244.28° 0.975
21 0 -1 0 0 0 1 0    6 257.14° 1
22 0 -1 -1 0 0 1 0 6    7 270° 0.975
23 0 0 -1 0 0 1 0    7 282.86° 1
24 0 0 -1 0 0 1 1 7    8 295.71° 0.975
25 0 0 -1 0 0 0 1    8 308.57° 1
26 0 0 -1 -1 0 0 1 1    2 321.42° 0.975
27 0 0 0 -1 0 0 1    2 334.28° 1
例二：我们再举一个2极8槽4相8边形绕组。这一绕组可以用8相桥式逆器来驱动。如果它当作8槽4相6极磁阻电动机的定子绕组并且转子的步进角度是15°时，可以采用单极性逆变器来驱动。此时它的接线图为图7绕组的相带分布如表16。表16       2极8槽4相8边形绕组的相带分布表
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8
相带 A1A2 B1B2 C1C2 D1D2 A1A2 B1B2 C1C2 D1D2
运行情况如表17。表17     8槽4相6极磁阻电动机运行表
序号     真    值    表 运行绕组对称中心 磁场方向 转子位置
A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2
1 1 -1 0 0 0 0 0 0 23 0° 0°
2 0 0 1 -1 0 0 0 0 34 45° -15°
3 0 0 0 0 1 -1 0 0 45 90° -30°
4 0 0 0 0 0 0 1 -1 12 135° -45°
5 1 -1 0 0 0 0 0 0 23 0° -60°
从运行表可见，定子磁场和转子二者旋转的方向是不一样的，二者的旋转速度也不一致。由于供电的逆变器是单极性的，因此，定子磁场
转了135°以后突然回到了0°，但这不妨害转子连续旋转。按图7接线图运行，每次运行时4个绕组都有电流通过，绕组的利用率是100％。因此在保持槽中铜耗一样的条件下，按图7和表17运行可以提高力矩4倍。
从表15、表17可知，当多边形的边数为奇数时，整流元件数比较少，或者说每个电源周期内每个整流元件的步数比较多。而当边数为偶数时，每个整流元件的步数就比较少。但当边数是奇数时有时绕组二个支路中的绕组数可能不一样，有可能引起额外的损耗。
多边形绕组运行时，逆变器中的整流元件的利用率不高，即每个电源周期内整流元件的通流角度小。
我们的例子中多边形的边数较少，对于边数较多的多边形绕组，拟订起来并不困难。又我们的例子中，绕组的步距角都是一样的。这一点并不必要，如果一个槽中放置几个绕组，那么就会出现绕组的步距角不一致的情况。这种多边形绕组在直流电机中经常出现的，不过它比较简单而已。多相多边形绕组的特征是，在运行时它有二个并联支路没有交汇点。
5、多相多角星形绕组
这种绕组的特点是，所有的相绕组是互相串联起来，成一个环形，运行时大部份绕组的二端通过可控的整流元件与直流电源相接，故运行时每个绕组的额定电压就是电源电压，因此运行时并联支路数多，运行时可控的整流元件的通流角度大，运行时同时通导的可控的整流元件的数目多。在旋转的正弦磁通作用下，每个绕组就会感应出一个电势的时间向量。每相绕组的电势的时同向量按绕组的连接次序连接起来。那么它们就会画出多角星形的图形来。对5相绕组而言它就是5角星形，对7相绕组而言它就是7角星形。这种绕组大都用在电源电压较低，而功率又较大的电动机中，在理想的运行条件下，它具有所产生的磁势波形好、铜耗较小的特点，我们也以5相7相绕组为例进行说明。
例一：先说明5角星形绕组，它的相带分布和五边形绕组的相带分布一样如表6、表10所示。担它的接线图不同，它的接线图如图8所示。
今以表6的绕组进行运行，运行情况如表18。表18    二极五角星形绕组运行情况表
序号     真    值    表 运行绕组对称中心 磁场方向 磁场幅值相对大小
A B C D E
1 1 1 -1 -1 0   1 0° 0.95
2 1 1 -1 -1 -1 1    2 18° 1
3 1 1 0 -1 -1   2 36° 0.95
4 1 1 1 -1 -1 2    3 54° 1
5 0 1 1 -1 -1   3 72° 0.95
6 -1 1 1 -1 -1 3    4 90° 1
7 -1 1 1 0 -1   4 108° 0.95
8 -1 1 1 1 -1 4    5 126° 1
9 -1 0 1 1 -1   5 144° 0.95
10 -1 -1 1 1 -1 5    6 162° 1
11 -1 -1 1 1 0   1 180° 0.95
12 -1 -1 1 1 1 1    2 198° 1
13 -1 -1 0 1 1   2 216° 0.95
14 -1 -1 -1 1 1 2    3 234° 1
15 0 -1 -1 1 1   3 252° 0.95
16 1 -1 -1 1 1 3    4 270° 1
17 1 -1 -1 0 1 4 288° 0.95
18 1 -1 -1 -1 1 4    5 306° 1
19 1 0 -1 -1 1   5 324° 0.95
20 1 1 -1 -1 1 5    6 342° 1
21 1 1 -1 -1 0   1 360° 0.95
这一绕组还可以有其他运行方式。运行时我们假定，如果电源电压加在一个相绕组上，各绕组通过的电流是一样的，如果是二个绕组串联起来再接电源，那么通过串联绕组的电流会是其他绕组的一半。
例二：再以7相绕组为例加以说明，它的相带分布如表12、13、14，它的接线图如图9。
今以表12的绕组说明它们的运行情况，如表19所示。
多相多角星形绕组的特征是所有的相绕组互相串联起来成一个环形，运行时它的并联支路数不小于3，没有交汇点。
6、网状多相交流绕组
这种绕组比较复杂，它成网状结构。著名的例子是6相带三相交流绕组，和4端点二相交流绕组。这些绕组的特点是相绕组多，端点相对较少，它们的好处是绕组系数大谐波成分少，如标准的6相带三相交流绕组有6个相绕组，整距时绕组系数为1，它除基波磁势外没有3·5·7等次的谐波磁势及偶次谐波磁势。四端点二相交流绕组的绕组系数也为1，它除基波外设有偶次谐波磁势及3·5等次谐波磁势等。这些绕组的结构复杂，只在重要的电动机中得到应用。
网状多相机组的特点是它们的交汇点的数目不小于3，其接线图中有网眼。
7、多路多相交流绕组，或称多重多相交流绕组，它的重数是任意的，它的相数也是任意的。如二重五相绕组，三重三相绕组，五重三相绕组等。这种绕组可以并联供电的也可以串联供电的。并联供电时，供应每个多相交流绕组的逆奕器互相并联起来，同样，串联供电时向每个多相交流绕组供电的逆变器互相串联起来。采用多重多相交流绕组的目的在于增加电源端点的数目，减少步进角，提高电动机的运行质量、增加绕组运行灵活性。例如改变绕组的极对数等。我们举例加以说明。我们的例子大都是串联供电的，并联供电时的情况类似不赘。举例如下。表19    二极7角星形绕组的运行情况
序号     真    值    表 绕组运行时    的对称中心 磁场方向 磁场幅值相对大小
A B C D E  F  G
1 1 1 1 0 -1 -1 -1 3 0 0.975
2 1 1 1 1 -1 -1 -1 3.4 12.86° 1
3 0 1 1 1 -1 -1 -1 4 25.71° 0.975
4 -1 1 1 1 -1 -1 -1 4.5 38.57° 1
5 -1 1 1 1 0 -1 -1 5 51.43° 0.975
6 -1 1 1 1 1 -1 -1 5.6 64.29° 1
7 -1 0 1 1 1 -1 -1 6 77.14° 0.975
8 -1 -1 1 1 1 -1 -1 6.7 90° 1
9 -1 -1 1 1 1 0 -1 7 102.86° 0.975
10 -1 -1 1 1 1 1 -1 7.8 115.71° 1
11 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 128.57° 0.975
12 -1 -1 1 1 1 1 -1 1.2 141.43° 1
13 -1 -1 1 1 1 1 0 2 154.29° 0.975
14 -1 -1 1 1 1 1 1 2.3 167.14° 1
15 -1 -1 0 0 1 1 1 3 180° 0.975
16 -1 -1 -1 -1 1 1 1 3.4 192.86° 1
17 0 -1 -1 -1 1 1 1 4 205.71° 0.975
18 1 -1 -1 -1 1 1 1 45 218.57° 1
19 1 -1 -1 -1 0 1 1 5 231.43° 0.975
20 1 -1 -1 -1 -1 1 1 56 244.29° 1
21 1 0 -1 -1 -1 1 1 6 257.14° 0.975
22 1 1 -1 -1 -1 1 1 67 270° 1
23 1 1 -1 -1 -1 0 1 7 282.86° 0.975
24 1 1 -1 -1 -1 -1 1 18 295.71° 1
25 1 1 0 -1 -1 -1 1 1 308.57° 0.975
26 1 1 1 -1 -1 -1 1 12 321.43° 1
27 1 1 1 -1 -1 -1 0 2 334.29° 0.975
例一，20槽2极2重5相交流绕组及其运行，它有2套5相交流绕组，它们是：A1- A1、B1- B1、C1- C1、D1- D1、E1- E1及A2- A2、B2- B2、C2- C2、D2- D2、E2-E2，它们的相带分布如表20所示。接成二重5边形绕组串联供电时的接线图如图10所示，表20绕组的部份运行情况如表21所示。表20       20槽2极2重5相绕组的相带分布
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
相带 A1 A2 D1 D2 B1 B2 E1 E2 C1 C2 A1 A2 D1 D2 B1 B2 E1 E2 C1 C2
表21    2极2重5相绕组运行情况表
序号     真       值      表 绕组中心 磁场方向 相对大小
A1 B1 C1 D1 E1 A2 B2 C2 D2 E2
1 0 0 -1 0 1 0 -1 -1 0 1   1 0° 0.988
2 0 0 -1 0 1 0 0 -1 0 1 1    2 9° 1
3 1 0 -1 0 1 0 0 -1 0 1   2 18° 0.988
4 1 0 -1 0 0 0 0 -1 0 1 2    3 27° 1
5 1 0 -1 0 0 1 0 -1 0 1   3 36° 0.988
6 1 0 -1 0 0 1 0 -1 0 0 3    4 45° 1
7 1 0 -1 -1 0 1 0 -1 0 0   4 54° 0.988
8 1 0 0 -1 0 1 0 -1 0 0 4    5 63° 1
9 1 0 0 -1 0 1 0 -1 -1 0   5 72° 0.988
10 1 0 0 -1 0 1 0 0 -1 0 5    6 81° 1
表23    二重三相交流绕组的运行情况如下
序号     真    值    表 绕组中心 磁场方向 相对大小
A1  B1 C1 A2 B2 C2
1 1 -1 -1 1 -1 0   1 0° 0.96
2 1 0 -1 1 -1 0 1    2 15° 1
3 1 0 -1 1 -1 -1   2 30° 0.96
4 1 0 -1 1 0 -1 2    3 45° 1
5 1 1 -1 1 0 -1   3 60° 0.966
6 0 1 -1 1 0 -1 3    4 75° 1
7 0 1 -1 1 1 -1   4 90° 0.966
8 0 1 -1 0 1 -1 4    5 105° 1
9 -1 1 -1 0 1 -1   5 120° 0.966
10 -1 1 0 0 1 -1 5    6 135° 1
11 -1 1 0 -1 1 -1   6 150° 0.966
12 -1 1 0 -1 1 0 6    7 165° 1
13 -1 1 1 -1 1 0   1 180° 0.966
14 -1 0 1 -1 1 0 1    2 195° 1
15 -1 0 1 -1 1 1   2 210° 0.966
16 -1 0 1 -1 0 1 2    3 225° 1
17 -1 -1 1 -1 0 1   3 2440° 0966
18 0 -1 1 -1 0 1 3    4 255° 1
19 0 -1 1 -1 -1 1   4 270° 0.966
20 0 -1 1 0 -1 1 4    5 285° 1
21 1 -1 1 0 -1 1 5 300° 0.966
22 1 -1 0 0 -1 1 5    6 315° 1
23 1 -1 0 1 -1 1   6 330° 0.966
24 1 -1 0 1 -1 0 6    7 3445° 1
25 1 -1 -1 1 -1 0   1 360° 0.966
由于三相交流绕组已经在三相交流电动机中得到广泛的应用，因此应当利用这种绕组没有3次谐波磁势的特点加以利用。在开关调速电动机中，它常常以多重的三相交流绕组的形式出现，它可以是星形绕组也可以是三角形绕组。甚至可以同时存在二种接法的三相交流绕组。我们以串联供电方式加以说明，它的重数没有限制。当重数较多时，有时我们可以改变运行次序的方法改变绕组产生的磁场的极对数，我们举例加以说明：
例二：
一个12槽星形接法的二极三相交流绕组，它有二个三相绕组分别为A1- A1、B1- B1、C1- C1及A2- A2、B2- B2、C2- C2，它们的相带分布如表22所示。其接线图如图11。
表22    12槽2极二重三相绕组的相带分布表
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
相带 A1 A2 C1 C2 B1 B2 A1 A2 C1 C2 B1 B2
它的运行情况如表23所示(见20页)。
例三，再举一个15槽5重三相交流绕组，它有5个三相绕组，A1- A1、B1- B1、C1- C1；A2- A2、B2- B2、C2-C2；A3- A3、B3- B3、C3- C3；A4- A4、B4- B4、C4- C4；A5- A5、B5- B5、C5- C5都是星形接法。它们的相带分布如表24所示。表24    15槽5重三相交流绕组的相带分布表
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
相带 A1C1 A2C2 A3C3 A4C4 A5C5 B1A1 B2A2 B3A3 B4A4 B5A5 C1B1 C2B2 C3B3 C4B4 C5B5
串联供电时它的接线图和图11类似。不过重数是5而已。表24的5重三相绕组可以按二极绕组运行，也可按4极绕组运行。今列出部份运行情况加以说明。如表25、表26所示。表25    表24绕组按二极绕组时的部份运行情况表
序号     真    值    表 磁场方向 相  时大  小
A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 A4 B4 C4 A5 B5 C5
1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 1 -1 0 0 -1 1 0° 1
2 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 1 6° 0.995
3 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 12° 1
4 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 -1 1 -1 0 1 -1 0 18° 0.995
5 1 0 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 1 -1 0 24° 1
6 1 1 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 1 -1 0 30° 0.995
7 0 1 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 1 -1 0 36° 1
8 0 1 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 -1 1 -1 0 42° 0.995
9 0 1 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 48° 1
10 0 1 -1 1 1 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 54° 0.995
11 0 1 -1 0 1 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 0 60° 1
12 0 1 -1 0 1 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 -1 -1 66° 0.995
表24绕组还可以作为4极绕组来运行。这种情况的部分运行表列于表26。表26    表24绕组按4极绕组运行时的部分运行表
序号          真       值       表 磁场方向 相  对大  小
A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 A4 B4 C4 A5 B5 C5
1 1 0 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 1 0 -1 0 1 0° 1
2 1 0 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 1 1 -1 0 1 6° 0.995
3 1 0 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 -1 0 1 12° 1
4 1 0 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 -1 -1 1 18° 0.995
5 1 0 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 0 -1 1 24° 1
6 1 1 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 0 -1 1 30° 0.995
7 0 1 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 0 -1 1 36° 1
8 0 1 -1 -1 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 0 -1 1 42° 0.995
9 0 1 -1 -1 1 0 -1 1 0 -1 0 1 0 -1 1 48° 1
10 0 1 -1 -1 1 0 -1 1 1 -1 0 1 0 -1 1 54° 0.995
11 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 -1 0 1 0 -1 1 60° 1
12 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 -1 -1 1 0 -1 1 66° 0.995
13 0 1 -1 -1 1 0 -1 0 1 0 -1 1 0 -1 1 72° 1
表中磁场方向以电角度计。
在我们的说明中绕组大都是全节距，单层绕组。实际上为了节省用铜量和改善气隙磁势的波形，可以组织短矩的、双层的绕组。多重多相绕组的特征是它由几个多相绕组组成，每组多相绕组分别用多相逆变器供电，这些逆变器可以互相并联起来也可以互相串联起来。
开关调速电动机的品种
采用本项目提出的措施以后，开关调速电动机的性能改善了，品种扩大了。兹将开关调速电动机的品种说明如下：
一、步进电动机，其特点是绕组的节距不小于2个槽，每次运行时不少于2个相绕组参加运行以及可以采用增加绕组电源端点的办法使步进电动机的步进角度变小。
二、开关磁阻电动机，其特点是：采用双凸极的结构，定子磁势的极对数和转子磁极对数不一致。定子磁场的旋转速度和转子的旋转速度不一样，定子磁场的旋转方向也可以和转子的旋转方向不一样。定子磁场的旋转速度和转子的旋转速度的比值是一个常数，因此开关磁阻电动机是一种同步电动机，它由开关电源供电，改变开关电源的频率即可调整电动机的转速，绕组的节距不小于2个槽，每次参加运行的相绕组的个数不小于2。
开关磁阻电动机用开关电源驱动时，为了使电动机运行平稳，可以设想增加它的绕组的电源端点的数目。
今以6端点的电动机为例加以说明。我们的例子是表4所列的三相开关磁阻电动机。为了增加电动机绕组的电源端点的数目，我们将它的定子绕组改为二套三相绕组A1-B1-C1、A2-B2-C2，它们之间有30°电角度的相位差。我们的方案是绕组A1-B1-C1，是星形接法的三相绕组，绕组A2-B2-C2是三边形接法的三相绕组(即三角形接法的三相绕组)。绕组A2-B2-C2的相绕组的匝数是绕组A1-B1-C1的相绕的匝数的1.732倍；而绕组A1-B1-C1相绕组所用的导线的截面积是绕组A2-B2-C2，相绕组所用的导线的截面积的1.732倍。二套三相绕组用二重串联的三相桥式逆变器未驱动，它的接线图为图12。
绕组A1-B1-C1、A2-B2-C2的相带分布如表27所示。
表27    A1-B1-C1、A2-B2-C2相带分布表
槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
相带 B1B2 C1C2 A1A2 B1B2 C1C2 A1A2 B1B2 C1C2 A1A2 B1B2 C1C2 A1A2
其运行情况如表28所示(见25页)
表28中磁场方向以电角度计，转子位置以机械角度计。
从表28中可见，这种绕组及其相应的驱动方式有许多优点，主要有步进角小，定子磁场每步15°电角度，转子每步3.75°机械角度。每步转角均匀，电磁力矩变化率为93.3％。
磁阻电动机力矩和定子电流的平方成比例和定子电流的方向无关。这种电动机所用的桥式逆变器中可以省去一些可控的整流元件。例如三相桥式逆变器中可以省去一个可控的整流元件即为一例。这样做固然可以节省成本，但是可能会增加一些铁耗。
三、单馈多相电动机
这种电动机有一个定子和一个转子。定子上有多相绕组，它的电源端点大于5个，定子绕组用开关型单重或多重多相逆变器供电。它的转子可以有许多类型以型成不同的电动机品种，如表29所示。表28  表27绕组的运行情况表
序号     真    值    表 磁场方向 磁场幅值相对大小 转子位置 单位电流产生的最大力矩相对值
A1 B1 C1 A2 B2 C2
1 -1 1 -1 0 1 -1 0° 0.966 0° 0.933
2 0 1 -1 0 1 -1 15° 1 -3.75° 1
3 0 1 -1 1 1 -1 30° 0.966 -7.5° 0.933
4 0 1 -1 1 0 -1 45° 1 -11.25° 1
5 1 1 -1 1 0 -1 60° 0.966 -15° 0.933
6 1 0 -1 1 0 -1 75° 1 -18.75° 1
7 1 0 -1 1 -1 -1 90° 0.966 -22.5° 0.933
8 1 0 -1 1 -1 0 105° 1 -26.25° 1
9 1 -1 -1 1 -1 0 120° 0.966 -30° 0.933
10 1 -1 0 1 -1 0 135° 1 -33.75° 1
11 1 -1 0 1 -1 1 150° 0.966 -37.5° 0.933
12 1 -1 0 0 -1 1 165° 1 -41.25° 1
13 1 -1 1 0 -1 1 180° 0.966 -45° 0.933
14 0 -1 1 0 -1 1 195° 1 -48.75° 1
15 0 -1 1 -1 -1 1 210° 0.966 -52.5° 0.933
16 0 -1 1 -1 0 1 225° 1 -56.25° 1
17 -1 -1 1 -1 0 1 240° 0.966 -60° 0.933
18 -1 0 1 -1 0 1 255° 1 -63.75° 1
19 -1 0 1 -1 1 1 270° 0.966 -67.5° 0.933
20 -1 0 1 -1 1 0 285° 1 -71.25° 1
21 -1 1 1 -1 1 0 300° 0.966 -75° 0.933
22 -1 1 0 -1 1 0 315° 1 -78.75° 1
23 -1 1 0 -1 1 -1 330° 0.966 -82.5° 0.933
24 -1 1 0 0 1 -1 345° 1 -86.25° 1
25 -1 1 -1 0 1 -1 360° 0.966 -90° 0.933
表29  单馈开关调速电动机分类表
序号 转子结构 电动机名称
1 永久磁铁 永磁同步电动机
2 凸极转子 反应式同步电动机
3 磁滞转子 磁滞同步电动机
4 鼠笼转子 异步电动机
5 电磁铁 同步电动机
它们的共同特点是：
1、定子绕组有5个以上电源端点。
2、由开关型单重或多重多相逆变器供电，这些逆变器可以互相并联起来，也可以互相串联起来。
3、运行时它的定子磁场是步进地旋转的，其步进角不大于18°电角度。
4、它的绕组可以是单重的或多重的多相绕组。这些多相绕组可以是星形接法多相绕组，多边形接法的多相绕组，多角星形接法多相绕组以及比较复杂的网状多相绕组。
四、双馈开关调速电动机
双馈开关调速电动机，由二个电源向电动机供电。按电源种类它有二种类型：第一类是由三相交流电网和开关电源同时供电；第二类是由直流电源及逆变器产生的开关电源供电。
按供电方式它又可分为有刷的和无刷的二类。现在分别加以说明。
(一)由三相交流电源和开关电源供电的开关调速电动机。分二种：
a、有刷的双馈电动机
这种双馈电动机的转子结构和绕线转子三相交流异步电动机的转子结构一样运行时，三相交流电源通过电刷和集电环向转子供电。定子绕组是适合开关电源的，电源端点大于5的多相交流绕组，由开关电源供电。这种电动机的定子结构，绕组型式，接线图和单馈的开关调速电动机一样。运行时改变开关电源的开关频率，即可调节电动机的转速。
b、无刷的双馈电动机
这是一种复合的电动机，它是二个绕线转子多相交流电动机的复合体。转子有二个感应区分别和二个定子相匹配。转子的两个感应区各有一套多相交流绕组，它们的相数一样并把这二套多相交流绕组按逆序方向串联起来，以便它在运行时产生的旋转磁场的旋转方向互相相反。转子的二套多相交流绕组的极对数可以是不一样的。与转子的二个感应区配对的二个定子上各有一套多相交流绕组，它们的极对数和相应的转子绕组的极对数一样。这二套多相绕组中一套是三相交流绕组，这一套三相交流绕组是由三相交流电网供电的。另一套多相交流绕组和单馈电动机中，适合开关电源的多相交流绕组一样，运行时它由开关电源供电，运行时改变开关电源的开关频率即可调节电动机的转速。
(二)由逆变器和直流电源供电的双馈的开关调速电动机。这种电动机大部分是有刷的。它有二种：
a、向转子供直流电并和向定子绕组供电的逆变器互相串联起来的开关调速电动机。这种电动机的定子绕组及其供电的逆变器和单馈的开关调速电动机一样。此外它又向转子提供激磁用的直流电源使转子形成一个电磁铁。为了改善电动机的运行特性，将转子激磁线圈通过电刷和集电环与向定子供应开关电源的逆变器串联起来，这就组成了串联和同步电动机。这种电动机的力矩和定子电流的平方成比例。因此它的起动力矩大、低速的运行特性好，非常适合在运输起重机械上应用，这种电动机除激磁线圈产生的力矩外，还有反应同步力矩存在。为了改善电动机的运行性能应当使它的直轴电抗和交轴电抗的差别比较小，甚至要使其直轴电抗略小于交轴电抗。
b、定子绕组由多相逆变器供电，转子绕组也由多相逆变器供电的电动机。
当逆变器向转子绕组供电时，是需要通过电刷和集电环的，因此这种电动机的集电环的数目在不小于5个。供应定子开关电源的逆变器和向转子供应开关电源的逆变器应当互相串联起来。这种电动机除起动力矩大，低速运行性能好外，它的效率比较高，铁耗较低。
为了减少集电环的数目也可以把向转子绕组供电的逆变器放在转子上，这时只需向转子提供直流电源就行。但是这会使控制线路复杂化。
开关调速电动机的结构
开关调速电动机的结构和普通的交流电动机的结构类似，说明如下：
微型电动机定子可采用塑封的形式，此时定子是二个半环，这种结构的定子的工艺性好，另外也可采用内定子外转子的形式，它的优点也是定子制造工艺性好。对中小型电机可采用一般的结构形式，在特殊情况下也可以制成盘式电动机。
开关调速电动机一般电源的端点较多，因此应该将逆变器等电力电子元件尽可能与定子的电源端点靠近的以缩短连接导线的长度。
向开关调速电动机供电的多相逆变器有许多品种。其中串联供电的多重多相逆变器是多相逆变器的新品种。当开关调速电动机采用多重多相绕组时就可以使用这种逆变器。图10、图11、图12中的逆变器就是串联供电的多重多相逆变器。这种逆变器的特征是：1、由几个规格相同的多相逆变器组成。2、这些逆变器互相串联起来并用单一的直流电源供电。
开关调速电动机的应用
本项目的开关调速电动机有下述优点：
1、绕组的利用率高，故铜耗少。2、步进角小，故运转平稳。3、使用的电源简单。只要开关电源，不要经过调制，因此控制电路简单。4、绕组产生的磁场大小、方向容易认定只要知道逆变器的真值表和输入逆变器的直流电流的大小，就可知道绕组产生的磁场的大小和方向故容易控制，不需解耦。
因此本项目的调速电动机有广阔的应用前景，几乎所有工业部门，如机床、电动汽车、电力机车、泵、家用电器等，都可以使用这种电动机。因此它将占领原来的交流电动机和直流电动机的部份市场。特别是目前的开关磁阻电动机的市场大多数将被本项目的开关调速电动机所占领。
附图简要说明
图1是2相磁阻电动机接线图；图2是5相磁阻电动机接线图；图3是5相8极磁阻电动机接线图；图4是5相串联单极性绕线的接线图；图5是5相串联双极性绕组的接线图；图6是7相7边形绕组的接线图；图7是4相8边形绕组的接线图；图8是5相5角星形绕组的接线图；图9是7相7角星形绕组的接线图；图10是2路5相绕组的接线图；图11是2路三相绕组的接线图；图12是有2套三相绕组的磁阻电动机接线图。

Claims (8)

1、一种开关调速电动机，其特征是：
(a)由开关型多相逆变器提供的多相开关电源供电，改变逆变器的开关频率即可调整电动机的转速。
(b)电动机的电源端点的数目不少于5个。
(c)运行时，它的磁场是步进地旋转的，它的最小步进角度不大于18度电角变。
(d)电动机使用的绕组是：
a、单路串联多相绕组，其特征是参加运行的绕组互相串联起来，它只有一个支路。
b、并联供电的多相绕组，其特征是所有参运行的绕组都互相并联起来，它的并联支路数大于2。
c、星形接法的多相绕组，其特征是只有一个交汇点即中心。
d、多边形接法的多相绕组，其特征是：所有相绕组互相串联成一个环路，没有交汇点，运行时有二个支路。
e、多角星形接法的多相绕组其特征是所有相绕组互相串联成一个环路，没有交汇点，运行时有二个以上的支路。
f、网状的多相绕组，其特征是有二个以上的交汇点，其接线图中有环路。
g、多重多相绕组，其特征是由几个多相绕组组成，每个多相绕组用一多相逆变器供电，这些逆变器可以互相串联起来，也可以互相并联起来。
2、权利一的单馈的开关调速电动机，其特征是：
(a)只有一个定子和一个转子。定子上有权利一所列的多相绕组。
(b)用多相逆变器向定子绕组供电。
(c)电动机的转子可以是：
a、磁阻转子
b、磁滞转子
c、永磁转子
d、电磁铁
e、异步转子
3、权利一的无刷的双馈的开关调速电动机，其特征是：
(a)它是一种复合的交流电动机，它有一个转子、二个定子。转子上有2个感应区分别和2个定子配对。
(b)二个定子上都有多相绕组。其中一个定子的绕组是三相交流绕组，运行时它由三相交流电源供电。另一个定子的绕组是权利一所列的多相绕组，运行时它由多相开关电源供电。
(c)改变开关电源的频率就可调节电动机的转速。
(d)转子的二个感应区上都有多相绕组，这二个多相绕组的极对数可以不一样，但它们的相数是一样的。而且把转子上的二套多相绕组按逆序方向串联起来，使转子在运行时，转子的二个绕组所产生的旋转磁场的旋转方向是互相相反的。
4、权利一的有刷的双馈的开关调速电动机，其特征是：
(a)它有一个定子和一个转子。定子上有多相绕组，转子上有三相绕组。
(b)转子的结构和绕线转子三相交流异步电动机的结构一样，有集电环电刷装置及三相交流绕组。运行时三相交流电源通过电刷向转子供电。
(c)定子绕组是权利一所列的多相绕组，它由开关电源供电。
(d)改变开关电源的频率就可调节电动机的转速。
5、权利一的有刷的双馈的开关调速电动机，其特征是：
(a)定子上有多相绕组，并用多相逆变器向定子绕组供电。
(b)转子上有多相绕组，也用多相逆变器向转子绕组供电。
(c)向定子供电的多相逆变器可以和向转子供电的多相逆变器互相串联起来，或者互相并联起来。
(d)向转子供电的逆变器可以放在定子一侧，此时转子多相绕组的每一个电源端点都与一个集电环接通，并通过电刷接在逆变器上。
(e)向转子供电的逆变器也可以放在转子上。此时只需向转子提供直流电源即可，直流电源是通过集电环和电刷流入转子的。
6、权利一的开关调速的串联同步电动机，其特征是：
(a)定子上有多相绕组，并用逆变器向定子绕组供电。
(b)转子是一个电磁铁，需要直流电流激磁。
(c)转子上有二个集电环和二套电刷，集电环和激磁线卷相连接。
(d)定子上的直流电源通过集电环电刷使转子激磁。
(e)向定子供电的逆变器和向转子供直流电的直流电源是互相串联起来的。
(f)它的力矩和定子电流的平方成比例。
7、一种步进电动机，其特征是：
(a)绕组的节距大于1。
(b)运行时每次有不少于2个相绕组通过电流。
(c)可以用增加电源端点个数，增加绕组个数的方数，减少最小步进角度。
8、一种开关磁阻电动机，其特征是：
(a)它的结构是双凸极的，即转子是凸极转子，定子是开口槽的。
(b)运行时转子的旋转速度比定子磁场的旋转速度低得多。
(c)定子绕组的节距大于1。
(d)运行时，每次都有二个以上的相绕组通过电流。
(e)可以用增加电源端的数目和增加相绕组的数目来减小步进角度。
(f)电动机的力矩和逆变器提供的电流的平方成正比值，和电流的正负方向无关。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1301587C (zh) * 2004-03-03 2007-02-21 中国矿业大学 一种开关磁阻伺服电动机控制方法
CN101964576A (zh) * 2010-09-29 2011-02-02 浙江大学宁波理工学院 五相开关磁阻电机
WO2023164883A1 (zh) * 2022-03-03 2023-09-07 罗灿 轭绕组多极多速直流定子

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