CN1702942A - 变速电动机 - Google Patents

Abstract

一种外转子变速电动机，该电动机被施加单相交流电，并且其转子被设置在定子外侧，该变速电动机包括：第一主绕组和第二主绕组，其设置在该电动机的定子上以形成多个极；频率检测器，用于检测施加到该电动机上的交流电频率；以及继电器，如果被检测到的频率为60Hz，则该继电器使所述第一主绕组和第二主绕组串联，并且如果被检测到的频率为50Hz，则该继电器使所述第一主绕组和第二主绕组并联。即使施加不同频率的电力，该电动机的速度也能保持恒定，由此能够减少电动机的制造费用，并且减少电力消耗，以及减少来自电动机的电磁振动噪音。

Description

变速电动机

技术领域

本发明涉及一种变速电动机，尤其涉及一种被施加单相交流电的外转子式变速电动机，其中，检测施加到该电动机上的交流电频率，并根据检测到的频率高低设置继电器，以允许设置在电动机中的主绕组彼此串联或并联，从而使电动机运转并与单相交流电的频率特性相匹配。

背景技术

图1是显示一般的外转子电动机的转子和定子的分解立体图。

一般的电动机包括：定子，在该定子上安装有绕组；以及转子，在该转子上形成有永久磁铁、铝导线(aluminum conductor)或铁芯(core)。该电动机是这样的一种装置，其致使流过安装在定子上的绕组的电流发生周期性变化，并且，由于电流变化导致磁场的周期性变化，而在转子中产生扭矩，由此获得旋转功率。

根据定子和转子的位置，电动机一般被分为内转子电动机和外转子电动机。如图1所示，外转子电动机具有转子位于定子外侧的结构，从而外转子通过流过定子绕组的电流变化而旋转。

由于外转子电动机的转子设置在定子的外侧，所以外转子电动机比内转子电动机具有更大的转动半径。因此，相比内转子电动机而言，外转子电动机增加了每单位体积的扭矩。由此，无需昂贵的启动装置，外转子电动机就能够被用来承载(load)需要高启动扭矩的负荷。在需要外转子电动机和内转子电动机产生相同扭矩的情况下，外转子电动机还可具有比一般的内转子电动机更为紧凑的结构。

一般的单相感应电动机需要有启动装置，这些启动装置通常被分为分相启动式、罩极式、电容运转式、推斥启动式等等。

图2是显示一般的电容运转单相感应电动机的电路图。

一般的电容运转单相感应电动机包括：主绕组M1、辅助绕组S1和与辅助绕组S1串联的电容C1。当施加单相交流电E1到电动机上时，主绕组M1产生交变磁场，并且辅助绕组S1产生辅助磁场，该辅助磁场与主绕组M1产生的交变磁场异相90度。

由于主绕组M1产生的交变磁场和辅助绕组产生的辅助磁场异相90度，所以两个磁场不会抵消，而是组合产生旋转磁场，由此旋转单相感应电动机。

但是，上述的一般的单相感应电动机存在下述问题，即电动机的速度根据施加到电动机上的交流电频率而变化。

感应电动机的转速由等式″n＝120f/p″确定，其中″f″为频率，″p″为极数。在制造电动机时，电动机的极数被设定为一特定值。因此，如果电动机被设计为在50Hz的额定工频下运转却用在60Hz电力的情况下，那么该电动机的转速会比用在50Hz电力情况下的电动机转速增加20％。

传统地，为了防止电动机在60Hz市电下运转时速度增加，使用于改变输入频率的倒相电路连接到电动机上，或者使用外施电压开/关控制方法，或者使用制动装置或皮带或齿轮机械地减小电动机的转速。

但是，这些传统的方法增加了电动机的制造费用，或者由于对外电(applied power)的电开/关控制或由于机械减速而产生噪声，因此减小了电力的效率。

另一方面，在传统的电容运转单相感应电动机以额定频率运转的情况下，可能需要将电动机的转速改变为高速或低速，以适合于当将该电动机应用于家用电器时的运转模式。

当单相感应电动机在额定频率下运转时，电动机保持恒速，该速度与后面将要描述的电动机扭矩曲线和负载扭矩曲线相遇的交点相对应，因此，必须设置单独的装置以允许进行速度控制。

但是，如果设置单独的装置，会增加电动机的制造费用。为了克服该问题，传统上使用具有较低制造费用的变极单相感应电动机作为电动机速度控制装置。

图3是显示传统的2极-4极变极单相感应电动机的结构示意图。

如图3所示，变极单相感应电动机包括四个绕组，即2极主绕组1a、1b，2极辅助绕组2a、2b，4极主绕组3a、3b、3c、3d以及4极辅助绕组4a、4b、4c、4d，它们穿过定子的槽(slots)而缠绕于定子上。通过在2极运转模式下驱动使用2极主绕组和2极辅助绕组的电动机，以及在4极运转模式下驱动使用4极主绕组和4极辅助绕组的电动机，来改变电动机的转速。

但是，如上构成的传统的变极单相感应电动机具有下述问题：使用用于改变极数的四个绕组增加了槽的截面积，同时由于增加的定子铁耗，使得电动机的效率显著降低。并且，由于限制了可达到的最小可变速度，所以难以增大可变速度范围。

发明内容

因此，考虑到上述问题而获得本发明，并且本发明的目的在于提供一种变速电动机，其中，即使在使用50Hz或60Hz的市电频率或者普遍地使用50Hz和60Hz的市电频率时，也可以在没有单独的驱动装置的情况下，通过切换安装于电动机中的绕组之间的连接状态来控制电动机的转速，使转速保持恒定，从而可以减少制造成本、电磁振动噪音以及电动机的电力消耗，并且可以使不同市电频率下的电动机速度保持恒定，而且在将恒定频率的恒定电压施加到电动机时，还可以改变速度。

本发明的另一目的在于提供一种变速电动机，其中，当该电动机在额定频率下运转时，在没有单独的变速装置的情况下，可以通过切换设置于电动机中的绕组之间的连接状态而在特定范围内改变转速，从而减少电动机的制造成本并改善电动机的耐用性。

根据本发明的一个方案，可以通过提供这样一种变速电动机来实现上述和其它目的，该变速电动机包括：多个主绕组，其缠绕在该电动机的定子上以形成多个极；以及继电器，用于切换所述主绕组的连接状态，以根据施加到该电动机上的交流电频率使所述主绕组串联或并联。

根据本发明的另一方案，提供一种变速电动机，该变速电动机包括：频率检测器，用于检测施加到该电动机上的交流电频率；第一主绕组和第二主绕组，其设置在该电动机的定子上以形成多个极；以及继电器，如果被检测到的频率为60Hz，则该继电器使所述第一主绕组和第二主绕组串联，并且如果被检测到的频率为50Hz，则该继电器使所述第一主绕组和第二主绕组并联。

根据本发明的又一个方案，提供一种变速电动机，该变速电动机包括：多个主绕组，其缠绕在该电动机的定子上以形成多个极；以及继电器，用于允许所述主绕组串联/并联，以增加该电动机的可变转速范围。

优选地，如果该电动机以高速旋转，则该继电器使所述主绕组并联；如果该电动机以低速旋转，则该继电器使所述主绕组串联。

本发明使用外转子电动机作为变速电动机，并且，即使将不同频率的电力施加到该电动机上时，通过切换绕组之间的串联和并联可保持该电动机转速恒定。因而，可以防止由于电动机的速度增加而导致的温度增加所引起的电动机的损坏。因为没有单独的倒相电路或制动装置就可控制电动机速度，所以可以减少电动机的制造费用，并且减少电磁振动噪音。

附图说明

从下面结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点。其中：

图1是显示一般的外转子电动机的转子和定子的分解透视图；

图2是显示一般的电容运转电动机的电路图；

图3是显示传统的2极-4极变极单相感应电动机的结构示意图；

图4是显示根据本发明的变速电动机的电路图；

图5a和图5b是显示根据本发明的变速电动机的绕组的串联/并联状态的电路图；以及

图6a至图6d是显示根据本发明的变速电动机的转速和扭矩的曲线图。

具体实施方式

现在，参考附图描述根据本发明的变速电动机的优选实施例。

根据本发明的变速电动机是施加单相交流电的单相感应电动机。如果该电动机是转子设置于定子外侧的外转子电动机，那么它就具有比内转子电动机更大的转动半径，以至于每单位体积都会产生更高的扭矩，由此可以根据下面将要描述的串联/并联绕组的连接状态，更进一步地增加电动机的低转速和高转速的范围。

图4是根据本发明优选实施例的变速电动机的电路图。

如图4所示，根据本发明该优选实施例的变速电动机包括：第一主绕组10；第二主绕组20；以及继电器30，用于使第一主绕组10和第二主绕组20彼此并联或串联。给电动机施加恒定频率的单相交流电E1。该变速电动机还包括频率检测器40，用于检测施加到电动机上的电力频率。

由于该变速电动机为两个主绕组中的每一个主绕组都形成有三个极，所以该电动机是6极电动机。该电动机还可以具有任何其它数量的极，如2个极或4个极。

所施加的交流电的额定频率可以根据各国情况不同地进行设置。通常，由于电动机的转速与所施加的电力频率成比例，所以当施加60Hz频率的电力时，电动机会以比施加50Hz频率电力时的速度高20％的速度进行旋转。

当如上所述施加不同频率的交流电时，频率检测器40检测频率，并且继电器30允许第一主绕组10和第二主绕组20根据被检测的频率并联或串联，以便保持电动机的旋转速度恒定。

继电器30控制电器盒(box)Box1中的连接板的节点a和b的连接状态，以及电器盒Box2中连接板的节点c和d的连接状态，以切换主绕组的连接状态。当施加50Hz的低频交流电时，继电器30允许第一主绕组10和第二主绕组20彼此并联，以增加电动机的转速。为此，继电器30控制第一电器盒Box1和第二电器盒Box2，以便使电器盒Box1中的连接板上的节点a和b彼此连接，并使电器盒Box2中的连接板上的节点c和d彼此连接。

当施加60Hz的高频交流电时，继电器30允许第一主绕组10和第二主绕组20彼此串联，以减小电动机的转速。为此，继电器30控制第一电器盒Box1和第二电器盒Box2，以便使电器盒Box1中的连接板上的节点a连接到电器盒Box2中的连接板上的节点d。继电器30的连接状态控制操作允许电动机在没有独立的驱动装置的情况下改变电动机的转速。

下面将参考图5a和图5b，更详细地描述根据继电器控制操作的绕组的串联/并联状态。

图5a和图5b是显示根据本发明的电动机的绕组的串联/并联状态的电路图。图5a显示了通过继电器30将第一主绕组10和第二主绕组20并联时的电路；图5b显示了通过继电器30将第一主绕组10和第二主绕组20串联的电路。

如果施加到电动机上的交流电频率为50Hz并且施加的交流电压为220V，则继电器使主绕组彼此并联，如图5a所示，从而将220V的电压施加到每个主绕组上。

如果施加到电动机上的交流电频率为60Hz，则继电器使主绕组彼此串联，如图5b所示，从而将110V的电压施加到每个主绕组上。

如果施加到每个绕组上的电压发生变化，那么流经每个绕组的电流就会发生变化，从而由变化的电流产生的磁场强度也发生变化，由此在转子中感应出电流。被感应的电流产生旋转扭矩以致使转子旋转。由于旋转扭矩与施加电压的振幅成比例，所以绕组并联时的电动机转速要比绕组串联时的电动机转速高。

继电器30的控制操作将由于施加60Hz的电力到电动机而引起的电动机的转速增加和由于串联绕组而引起的转速降低结合起来，并且将由于施加50Hz的电力到电动机而引起的电动机的转速减小和由于并联绕组而引起的转速增加结合起来，由此保持电动机转速恒定。

如上所述，当可以将不同市电频率的交流电施加到电动机上以使电动机旋转时，如果给电动机施加60Hz的交流电，则电动机转速与该频率成比例地增加，由此增加电动机的温度，其导致电动机的损坏。为了防止该问题，必须增加电动机的体积。因此，在使用由继电器30进行绕组连接控制的同时，本发明采用用于电动机的外转子结构，从而使每单位体积都产生更高的扭矩，由此实现电动机体积以及在电动机中产生的噪音程度的减小。

根据本发明的变速电动机可以应用于洗碗机、干燥设备、干衣机或洗衣机。特别地，当将本发明应用于洗衣机时，即使将不同频率的交流电施加于电动机，本发明也允许电动机具有相同的转速。下面参考图6a到图6d描述根据绕组的串联/并联状态以及供电的市电频率，电动机转速和电动机中产生的扭矩之间的关系。

图6a是显示根据本发明的电动机的转速和扭矩之间的整体关系曲线图；图6b是显示仅对于将不同频率的交流电施加到电动机的情况下转速和扭矩之间的曲线图；以及图6c和图6d是显示当将额定频率的电力施加到电动机时电动机可变速度范围的曲线图。

图6a至图6d中的曲线A表示：当给电动机施加60Hz频率的交流电并且使绕组并联时，电动机转速和电动机中产生的扭矩之间的关系；曲线B表示：当给电动机施加相同频率的电力并且使绕组串联时，电动机转速和电动机中产生的扭矩之间的关系。

图6a至图6d中的曲线C表示：当给电动机施加50Hz频率的交流电并且使绕组并联时，电动机转速和电动机中产生的扭矩之间的关系；曲线D表示：当给电动机施加相同频率的电力并且使绕组串联时，电动机转速和电动机中产生的扭矩之间的关系。

旋转电动机需要将一定量的扭矩作用于连接于电动机的负载。在曲线图中，用负载扭矩曲线L表示该负载所需的扭矩量。

当施加到电动机上的市电交流电频率发生变化并且使用该电动机的洗衣机执行烘干循环时，如果将50Hz频率的交流电施加到洗衣机，则继电器使得设置在电动机中的主绕组并联。在此，电动机的扭矩曲线C与负载曲线L在点m处相交，由此洗衣机在特定速度S1下进行干燥循环。

如果频率检测器40检测到供电频率为60Hz，继电器就将主绕组的连接状态切换到串联。由此，电动机的扭矩曲线B与负载曲线L在点m处相交。尽管供电频率发生变化，也允许洗衣机在特定速度S1下进行干燥循环。

如图5c和5d所示，如果施加到洗衣机的电力具有50Hz或60Hz的额定频率，那么就根据洗涤或干燥循环情况串联或并联该电动机的主绕组，以改变速度。

特别地，如果电动机的主绕组并联，则扭矩曲线A或C与负载曲线L在点I或m处相交，从而电动机以较高速度S2或S1旋转。另一方面，如果电动机的主绕组串联，则扭矩曲线B或D与负载曲线L在点m或n处相交，从而电动机以较低速度S1或S3旋转。

尽管为了说明的目的，已经将本发明的优选实施例揭示如上，但是，如在所附权利要求中所揭示的一样，在不脱离本发明的范围和精神下，本领域的技术人员可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (10)

1.一种变速电动机，包括：

多个主绕组，其缠绕在该电动机的定子上以形成多个极；以及

继电器，用于允许所述主绕组串联或并联来增加该电动机的可变转速范围。

2.一种变速电动机，包括：

多个主绕组，其缠绕在该电动机的定子上以形成多个极；以及

继电器，用于切换所述主绕组的连接状态，以根据施加到该电动机上的交流电频率使所述主绕组串联或并联。

3.一种变速电动机，包括：

第一主绕组和第二主绕组，其都设置在该电动机的定子上以形成多个极；

频率检测器，用于检测施加到该电动机上的交流电频率；以及

继电器，如果该频率检测器检测到的频率为60Hz，则该继电器使该第一主绕组和该第二主绕组串联，并且如果该频率检测器检测到的频率为50Hz，则该继电器使该第一主绕组和该第二主绕组并联。

4.如权利要求1所述的变速电动机，其中如果该电动机以高速旋转，则该继电器使所述主绕组并联；如果该电动机以低速旋转，则该继电器使所述主绕组串联。

5.如权利要求1至3中任一项所述的变速电动机，其中该电动机形成6个穿过所述主绕组的极。

6.如权利要求1至3中任一项所述的变速电动机，其中该电动机是被施加单相交流电的外转子电动机。

7.如权利要求1至3中任一项所述的变速电动机，其中该电动机是用于干衣机的电动机。

8.如权利要求1至3中任一项所述的变速电动机，其中该电动机是用于洗碗机的电动机。

9.如权利要求1至3中任一项所述的变速电动机，其中该电动机是用于洗衣机的电动机。

10.如权利要求9所述的变速电动机，其中该电动机中的主绕组在清洗循环期间并联，并且在干燥循环期间串联。

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