CN1761128A - Pct电机结构法和pc交流电机族 - Google Patents

Abstract

PC电机族是一种能改变现有交流电机的传统结构，大幅度缩减多极电机径向尺度40－70％和综合成本25－35％，实现无齿轮直接驱动低速发电或低速动力驱动的新电机，PC电机族包括同步电机、异步电机，感应电机、鼠笼电机，多速电机，变频机等全部交流电机品种。PC电机以其优异性能，胜任所有工业领域，特别适合于水力和风力发电，以及大型机械的无齿轮直接驱动。PCT是极组合技术的缩写，PCT实现了电机极从径向向轴向的转移，改善了多极电机的体型；电机转子功能向定子的转移，成就了无刷化；单一功能电机向多功能电机的转移，是电机结构技术的重大创新。

Description

PCT电机结构法和PC交流电机族

技术领域

本发明是关于交流电机结构的方法，具体地说是一种具有多种交流电机功能的结构方法，以及由该方法所构成的、涉及同步机、异步机，感应机、鼠笼机，多速机，变频机等多种交流电机新品种，属于电机技术领域。

背景技术

交流电机从发明至今，已经历了一个多世纪的发展阶段，已经形成成熟的理论，已经开发众多成熟的产品，是全球最大量的动力和能源的源头。在这一个多世纪中，其基本结构几乎没有大的变化。但是，应用实践中提出的一些迫切要求解决而看起来又很难得到解决的、由电机固有缺陷赞成的应用的瓶颈，期待电机结构上的大突破。这些缺陷是：

1、许多可供发电的动力源的转速偏低，而许多大型机械也需要低速驱动电机，但低速交流电机外形径向太大，成本很高，应用受限，不得不借助机械变速装置，从而增加设备成本、加大维护保养工作量，更引入无可避免的机械噪声，造成环境污染；

2、交流电机进行机电能量转换，离不开定子、转子间的电磁力矩作用，转子上必须满足电流进出转子的要求，必须依靠集电环和电刷达到电气连接。但是，除鼠笼电机外，对绝大多数交流电机来说，不依赖电子装置的无刷结构至今仍然可企而不可及；

3、交流电机的功能单一，又被唯一的一个同步转速所束缚，除个别特殊设计外，多速电机的理想难以在同一台电机中实现，电动机和变频机也是两种结构完全不同的机种，具有完全不同的功能，除非增加其它附加的器件或设备，二者很难直接融通功能、互换使用。

现有交流电机三大缺陷的根源及具体表现为：

由于在现有交流电机结构体系中，电机的同步转速N与电网频率F成正比，与电机的极对数P成反比，具体可表达为：N＝60F/P或

F＝N*P/60            (式1)

由于电网频率F是固定不变的，为了得到低同步转速，极对数P必然很大，大极对数电机或称多极电机成为直接驱动电机的唯一选择。

但是，在发电和电力驱动的许多场合，由电源频率决定的电机转速偏高，例如，在水力发电和风力发电技术领域，水轮机或风轮机的合适转速通常在每分钟几百转至几十转之间，这样的低转速，对于通常发电机来说，必须通过升速齿轮大幅提高转速后，才适合驱动通常极对数的发电机发电。如果不经升速机构而直接驱动发电机，除了电子变流技术外的唯一选择，就是采用多极发电机，才能发出工频交流电。可是，多极发电机与同功率的普通发电机相比，其径向尺寸大得多，才能容纳得下这么多的磁极，因此，它的体积、重量都要比普通发电机大一个甚至几个档次，短而胖的身躯，像个大饼，既难以配置和安装在机械设备上，制造、运输、安装、维修保养又有许多不便，而多极发电机的制造成本也比同功率的普通低极对数发电机高得多。

以全球最大的长江三峡的70万千瓦、75转/分的水力发电机为例，这样一种P＝40的大极对数发电机，定子铁芯内径18.5米，电机径向尺寸超过20米，像个扁平的大饼，制造不易。在技术上，目前还无法制造安装这么大功率的齿轮箱以提高转速，减小径向尺寸，大径向尺度极大地提高了发电机的制造成本。此外，几千上万安培的巨量励磁电流还得通过集电环、电刷输入转子，而无法实现无刷结构，既增加接触能耗，又增加维护保养成本。

对于风力发电机而言，由于大型风机转速更低，更需要通过齿轮箱提高转速，但由于风力发电机必须安装在野外高空几十米处，不得不经受严冬酷暑，温度的大范围变化，升速齿轮箱难以承受严酷环境，故障率高，维护保养工作量大，更有必要采用无齿轮箱的多极风力发电机。但据《太阳能》杂志2003年第3期《风力发电技术探讨》一文称，风力发电机的低速运行特性，要求发电机组采取多极的特殊结构，导致发电机组直径增大。如德国Enercon公司的E-40型500kw无齿轮风电机组，有84极，电机直径达到了4.8m，使机舱有突出部，影响了空气动力特性。

交流电机具有可逆运行的特性，当向发电机输入合适的电能时，发电机就运行在电动机工况。在各工业领域、交通运输和建筑施工等更广泛领域，更大量的电力驱动电机得到应用。在轧钢机、绞缆机、运输机或升船机等许多大型、重型机械中，普通电机产生的机械能的转速偏高，必须借助减速齿轮将机械速度降低到合适和安全的范围，齿轮是必不可少的，但齿轮带来了许多麻烦，特别是巨大的机械噪声很难消除，对环境造成严重的声污染；而采用现有的多极电机，虽然可以从根本上排除对齿轮的依赖，大大降低噪声水平，但是多极电机的直径太大，粗胖而短矮身躯的多极电机很难安装在这些大型机械中。

在中小型同步发电机技术领域，已经实现无刷结构，但是，这种无刷结构，还必须通过旋转整流器这一电子器件，才可能得到同步发电机所需要的直流励磁电流，还不是真正意义上的无刷化；而由于技术上的原因，电子器件还比较脆弱，可靠性、价格等因素还不允许其用于大型同步发电机，担当电网主力的机组还不能采用无刷结构。

此外，现有的交流电机的单机功能少，大都只有唯一的一个同步转速，即使有在同一台电机中实现双同步速的电机，但双速机的速度选择范围小，为得到双转速的风力发电机，大都还得使用二台电机。而变频机更必须采用二台同步电机组成机组，全部电能通过机械能这一中间环节才能得到不同频率的交流电，二次机电能量转换降低了机组效率。中国发明专利ZL90102983.1披露的高效感应式变频机，虽然是对同步变频机的改进，减少了机组成本，但是，还得使用二台电机分别进行驱动和变频发电，还有部分电能必须经由机械能这一中间环节进行转换，机组成本也还偏高，而电能转换效率却增加不多。而用同一台电机，既能经济地作电动机运行，同时又不需要添加任何设备，直接作变频机使用，更是奢望。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的交流电机结构，由这种结构设计制造的交流电机，可以克服现有交流电机的上述三大缺陷，特别是可以无须借助机械装置两在低速时高效运行，而该电机的径向尺寸比相同功率和相同同步转速的多极电机大幅减小，这种电机更容易制造，有更低的综合成本，有更多的应用功能。

本发明是通过称为极组合电机的结构方法实现的，所述结构的具体方法是，将一台极对数为P1的交流电机A和一台极对数为P2的绕线感应电机B同轴相联(13)，二台电机的转子多相绕组彼此反相序相接(122)，从而构成本发明的一台极对数为(P1+P2)的无刷结构交流电机，由此所构成的电机中的二个定子，分别执行现有一台普通交流电机的定子和转子功能。

由于上述新交流电机的极对数为所组合成的二台分电机极对数之和，故称为极组合交流电机(PC交流电机)，以下简称为PC电机。极组合结构方法称为极组合技术(Poles CombinationTechnology)，以下简称为PCT结构法或PCT法。

附图说明

图1A和图1B分别为传统的同步电机和绕线式感应电机的简要电磁原理图。图1A为同步电机，(11)为同步电机的定子，(12)为同步电机的转子，定子上有磁极(111)，转子上有多相绕组(121)，转子轴为(13)，同步电机的极对数为P1。图1B为感应电机，(21)为感应电机的定子，(22)为感应电机的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，转子轴同样为(13)，感应电机极对数为P2。

图2为PC同步电机的电磁原理图。在图2中，分电机A为同步电机，(11)为同步电机的定子，(12)为同步电机的转子，定子上有磁极(111)，转子上有多相绕组(121)，同步电机的极对数为P1；分电机B为感应电机，(21)为感应电机的定子，(22)为感应电机的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，感应电机极对数为P2。

图3为PC感应电机的电磁原理图。PC感应电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)；分电机A为绕线感应电机，(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有多相绕组(112)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；分电机B为绕线感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

图4为PC鼠笼电机的电磁原理图。PC鼠笼电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，鼠笼电机极对数为P1；分电机B为感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，感应电机极对数为P2。

图5为PC双速电机的电磁原理图。这是一种由PC鼠笼电机构成的PC双速电机，电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)后，再连接到集电环和电刷对(123)接通外电路(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，分电机A极对数为P1；分电机B为感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B极对数为P2。

图6为PC三速电机的电磁原理图。这同样是一种由PC鼠笼电机构成的PC三速电机，电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的二个转子绕组分别连接到各自的集电环和电刷对(123)和(124)，以接通外电路。(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，鼠笼电机极对数为P1；分电机B为感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B极对数为P2。

图7为PC同步变频电机的电磁原理图。即PC同步变频电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成。分电机A为同步电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)后，再连接到集电环和电刷对(123)接通外电路；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有磁极(111)，转子上有多相绕组(121)，分电机A极对数为P1；分电机B为感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B极对数为P2。

图8为PC鼠笼感应变频电机的电磁原理图。图8与图5的PC双速电机的结构完全相同，即，电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)后，再连接到集电环和电刷对(123)接通外电路；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，鼠笼电机极对数为P1。分电机B为感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B极对数为P2。

图9为PC感应电机与鼠笼电机复合后产生的PC复合鼠笼电机。图9中，左端为鼠笼电机部分，由定子(14)和其中的定子多相绕组(141)、转子(15)和其中的鼠笼绕组(151)构成，转子(15)与右端的PC感应电机联轴(13)，鼠笼电机的定子绕组(141)与PC感应电机分电机A的定子绕组(112)反相序相接(122)。

图10所示即为复合PC鼠笼电机。即把图3所示的PC感应电机与图4所示PC鼠笼电机二台PC电机同轴(13)相连，PC鼠笼电机中分电机B的定子绕组(211)与PC感应电机的中分电机A定子绕组(112)反相序相接(122)，复合制成的一种复合PC电机。

具体实施方式

为了理解PC电机结构的原理，或者说，PCT法的原理，有必要了解现有同步电机和感应电机中的电磁运动和机械运动之间的规律和关系式。

图1A和图1B分别为传统的同步电机和绕线式感应电机的简要电磁原理图。图中，图1A为同步电机，定子上有磁极(111)，转子上有多相绕组(121)，同步电机的极对数为P1。图1B为绕线式感应电机，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，感应电机极对数为P2。

当电机转速为N时，在同步电机转子绕组输出频率为F1的交流电。在感应电机的转子绕组加上Fr频率的交流多相电压时，输出频率为Fs的交流电。二台电机中的频率、转速、极对数之间的关系可以分别表达为(式2)和(式3)：

F1＝N*P1/60            (式2)，

Fs＝Fr+N*P2/60         (式3)。

PC同步电机的结构是，将称为分电机A的同步电机，和称为分电机B的绕线感应电机，同轴相连(13)；分电机A和分电机B的转子绕组(121)和(221)，通过连接线反相序相接(122)，从而构成一台无刷同步电机；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有磁极(111)，即磁体或/和励磁绕组，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B极对数为P2。

图2所示的PC同步电机的结构，恰好相当于将图1A和图1B两台电机的轴相连成为同轴(13)，同时，将两个转子绕组通过附加的连接线(122)反相序相接。由于在PC电机中，二个分电机的磁场间相互独立，不发生电磁偶合，与它们在图1A和图1B中分别运行的情况没有任何变化，因此，在PC同步电机中，(式2)、(式3)依然成立，由于F1＝Fr，所以在PC同步电机中，有关系式：

Fs＝Fr+N*P2/60＝N*P1/60+N*P2/60＝N*(P1+P2)/60    (式4)。

将PC同步电机中的关系式(式4)与常规同步电机中的关系式(式1)相比较可以发现，PC同步电机中的极对数，是构成PC电机的二台分电机极对数之和，或称作为分电机极对数的组合。

从图2和图1A的比较中还可以看出，PC同步电机与传统的同步电机相比，传统同步电机的转子功能已经转移到PC同步电机中其中一个分电机的定子上，所以，PC同步电机是天生的无刷结构电机，与传统意义上的现有无刷同步电机的结构也不同，因为后者转子上必须安装旋转整流器，才能得到励磁所需要的直流电，而PC同步电机同样为无刷电机，却不需要任何电子器件，这确实是一种真正意义上的无刷化。

为了进一步了解PC同步发电机工作的物理原理。假如P1等于P2，并假定PC同步发电机如图2所示，以一定转速N顺时针旋转，则分电机A转子绕组将产生Fr＝25Hz的多相电流，多相电流产生的旋转磁场方向应为逆时针。由于分电机A和分电机B的转子绕组是反相序相接的，当分电机A转子绕组产生的25Hz的多相电流进入分电机B的转子绕组时，即在分电机B的转子上产生一个顺时针的旋转磁场，该旋转磁场与电机转速N的方向一致，加快了该转子旋转磁场对分电机B的定子绕组的切割速度，所以分电机B的定子绕组就能输出50Hz的交流电。

PC感应电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，二个分电机都是绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)；在分电机A中，(11)为分电机的定子，(12)为分电机的转子，定子上有多相绕组(112)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；在分电机B中，(21)为分电机的定子，(22)为分电机的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

PC感应电机也是无刷结构，这对于从来必须借助电刷连接转子绕组的传统的绕线感应电机来说，是一个巨大的技术突破，没有了集电环和电刷，电机的制造成本可以降低、故障率减少，可靠性提高，维护保养简单，这些优点，是现有的绕线式感应电机所不具备的。

在PC感应电机中，不论是作为发电机还是作为电动机应用，二个定子绕组的功能等效，可以替换使用。以感应发电机的应用为例，假如PC感应电机由风轮机以一定范围内的变速N驱动旋转，同时在分电机A的定子绕组(112)上由电子变频电源供给可变频率F1的三相电压，调节F1，使Fs恰好等于电网频率F，则PC感应电机可以成为一台变速恒频风力发电机。当风速较低时，N也低，F1必须升高，变频电源供电比率较高，但由于低风速时，发电机所发电量较低，所以F1实际所供的功率并不大；当风速较高时，N也高，虽然发电机所发电量较高，但F1必须降低，变频电源供电比率小，风力作功大，交频电源供电量仍然较小。所以总的来说，变频电源F1所供电的功率是较低的，用该方案的风力发电机可以最大程度地截获风能，用最少的变频输入功率，获得最大量的低成本的电能输出。

PC鼠笼电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

与普通鼠笼电机相同，PC鼠笼电机也只有唯一的一个外接绕组(211)，可以用作鼠笼电动机，也可用作鼠笼发电机，在风力发电领域，PC鼠笼发电机因其结构简单、故障率低、并网容易，成为价廉物美的选择品种。

在上述三种PC电机中，多相绕组可以采用三相绕组，三相绕组是现有电机中所普遍采用的绕组结构，这样的绕组也是与电网的三相体制相一致的。在三相绕组中，可以视电机结构、应用方面的不同需要，采用星形接法或三角形接法。另外上述三种PC电机的转子绕组也可以采用不同于定子绕组的多相结构，例如二相绕组。

在三种PC电机作为风力发电机使用的实例中，与多极低速风力发电机相比，PC电机的磁极分布在P1和P2的二台分电机中，PC电机的径向尺寸理所当然地要比磁极集中分布在同一定子圆周的普通多极电机小了许多。假如P1＝P2，在同样功率和同样的同步转速的条件下，PC电机的径向尺寸可以比多极电机减小40％-50％，这是一种很大的结构缩减，是一种很有效的技术进步。当电机径向尺寸减小一半时，在相同的轴向尺寸下，电机的体积和重量应减少为四分之一，但由于PC电机的轴向长度成倍增大，所以PC电机的体积和重量也有所减少，但减少的幅度远没有径向尺寸减小的幅度大。PC电机都是无刷结构，没有了集电环和电刷，电机的制造成本可以降低，故障率减少，可靠性提高，维护保养简单，这些优点，是现有的同种类电机所不具备的。

综上所述可见，由PCT结构法及其构成的三种PC电机——PC同步电机、PC感应电机和PC鼠笼电机的结构，都有一定的共同点，那就是：

1、一台PC电机都由二个定子和二个转子组成，二个定子分别执行普通交流电机的定子和转子功能，所以任何PC电机都是无刷电机；

2、PC电机中的分电机B都必须是绕线式感应电机，视分电机A的不同而区别，如分电机A为XX(XX为：同步、感应或鼠笼)电机，则所构成的PC电机就是PC XX电机；

3、分电机A和分电机B的二个转子必须同轴(13)相连，分电机A的转子绕组和分电机B的转子绕组必须反相序相接(122)。

与为了得到低同步速而设计的多极电机相比，PC电机的径向尺度都可以得到大幅度的缩减，也就是说，PC电机的外形更趋向于普通电机，制造成本比多极电机低；而PC电机天生的无刷结构也是对现有同步电机和感应电机的重要技术改进，本发明的第一和第二个目的已经达到。

由于PC电机本身由二台独立的分电机组合而成，与普通交流电机相比，PC电机应该有不止一个同步转速，因此，PC电机的功能也绝对不像单一的普通电机那样，只有一个同步速，只有发电机和电动机二个简单的功能。

由PC电机之一种构成的双速电机例如图5所示。图5中的PC双速鼠笼电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)后，再连接到集电环和电刷对(123)接通外电路；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，分电机A极对数为P1；分电机B为感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

频率为F的多相交流电分别接在PC双速鼠笼电机定子绕组(211)或集电环和电刷对(123)时，可以在PC双速鼠笼电机中产生60*F/(P1+P2)或60*F/P1二种同步转速，在电机控制屏里用二只相互联锁的接触器可以实现电机转速的切换。

如果将PC双速鼠笼电机中的分电机A换成同步电机或感应电机，或者在PC同步电机或PC感应电机中增加集电环和电刷对(123)，将转子绕组引出，同样可以构成PC双速同步电机或PC双速感应电机，对照PC电机的结构和有关图例，本专业人员可以知道三种PC双速电机的结构。

一种由PC电机构成的三速电机例如图6所示。图6中的PC三速鼠笼电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的二个转子绕组分别连接到各自的集电环和电刷对(123)和(124)，以接通外电路；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

当频率为F的多相交流电接在PC三速电机的分电机B的定子绕组(211)、同时，二个分电机的转子绕组通过电刷(123)和(124)，在外电路反相序相接(122)时，可以在PC三速鼠笼电机中产生60*F/(P1+P2)的同步转速；当频率为F的多相交流电接在PC三速电机的分电机B的定子绕组(211)、同时，电刷(124)短接或通过阻抗短接，可在电机中产生60*F/P2的第二种同步转速；当频率为F的多相交流电接在PC三速电机的分电机A的电刷(123)上，产生如图示转向的旋转场时，又可在电机中产生60*F/P1的第三种同步转速。在电机控制屏里用多只相关联的接触器可以实现电机的三个转速的转换和连接，在连接的过程中，应当符合PC电机对相序的要求。图6为PC三速鼠笼电机的原理示意图。

与PC双速电机类似，如果将PC三速鼠笼电机中的分电机A换成同步电机或感应电机，就可以构成PC三速同步电机或PC三速感应电机。

从以上的阐述可以看出，在PC电机中增加集电环和电刷，将PC电机中的转子回路引出，分别利用PC电机的二、三个同步转速，可以得到PC双速鼠笼电机、PC双速感应电机、PC双速同步电机、PC三速鼠笼电机、PC三速感应电机和PC三速同步电机六种不同功能的新电机品种。

利用PC双速电机本身含有二个同步转速、二个同步转速对应二个不同的频率的特点，PC双速电机本身也是一种性能优异的变频机。图7为PC同步变频电机的电磁原理图，该机种的结构等同于PC双速同步电机，也可以认为图7的结构比图2多了一组集电环和电刷对(123)。即PC同步变频电机出同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为同步电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)后，再连接到集电环和电刷对(123)接通外电路；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有磁极(111)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

在图7中，如果在PC同步变频机的分电机B定子绕组(211)加上频率为Fs的多相交流电，将在定子(21)中产生一个顺时针的旋转磁场，通过二个转子和分电机A磁极的共同作用，电机即以N的转速稳定旋转。此时，在变频机的电刷(123)上可以得到频率为Fr的稳定多相交流电，其频率为：

Fr＝Fs*P1/(P1+P2)        (式5)。

显然，式5中的Fr应该小于Fs。

如果要使输出频率高于输入频率，可以将频率为Fi的交流电通过电刷(123)输入变频机的转子，则可以得到频率为Fo的交流电输出：

Fo＝Fi*(P1+P2)/P1        (式6)

如果P2＝7P1，Fi＝50Hz，则图7的PC同步变频机就是一台输入为工频，输出为400Hz的中频变频机。

将图7中的PC同步变频机中的同步电机(分电机A)换成鼠笼电机，就变成图8的PC鼠笼感应变频机。图8与图5的结构完全相同，即，电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，分电机A为鼠笼电机，分电机B为绕线式感应电机，同时分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)后，再连接到集电环和电刷对(123)接通外电路；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

PC鼠笼变频电机的结构比PC同步变频电机的结构简单，制造成本也较低，但是，由于鼠笼电机内存在转差，所以通过PC鼠笼变频电机所获得的交流电的频率比PC同步变频电机稍低。

很明显，PC同步变频电机和PC鼠笼变频电机，与背景技术中的同步变频机或感应变频机相比，结构紧凑，效率较高，制造容易，尤其是频率选择范围大大增加。

图8与图5的结构完全相同，这一点说明，PC双速电机与PC变频机具有完全相同的结构，也就是说，同一种结构的PC电机具有稳定的、双重的功能，既能作双速电机使用，又能作变频电机使用，这比现有电机的单一功能，是一种技术进步；另外，在PC双速电机与PC变频机中，第二转速或者输出频率的数值，可以通过不同的P1和P2的任意组合进行选择，比普通电动机或变频机容易得到多种转速或频率，对比现有普通电机来说，PC电机的单机具有多种功能的优点，又是一种技术进步。至此，本发明的第三个目的也已经达到。

为了进一步发挥PC电机的优点，例如，为了进一步减小PC电机的径向尺寸，进一步减小电机的体积、重量，使PC电机在外形上更接近普通的电机；例如，为了使双速、三速电机或变频电机也像其它PC电机那样具有无刷结构；例如，为了发电机、电动机、变频机三者之间有更接近的结构，有更多的功能，以便更容易替换使用。可以不断利用PCT方法，利用PC电机与普通电机间的连接，或PC电机间的连接，构成多种复合的PC电机，多种复合的PC电机主要有二大类：PC复合电机和复合PC电机。多种复合的PC电机有比PC电机同样多甚至更多的组合方式。

在阐述多种复合的PC电机结构前，有必要从PC电机领域的技术角度引入中继机和终端机的概念。在普通电机进入PC电机领域后，可以发现，在感应电机后面，总可以用PCT法连接其它任何一种普通电机或PC电机，不管这种联机是在定子侧实现还是转子侧实现，都能按后续机的需要进行连接，所以可以将感应电机或PC感应电机称为中继机，中继机可以无限多地在联机中使用，虽然也可以用在末端。而同步电机和鼠笼电机则完全不同，在这些电机后面，不可能再用PCT法连接其它任何一种普通电机或PC电机，它们只允许用在联机的末端，而且在整个联机中，只允许使用一台，故同步电机、鼠笼电机、PC同步电机和PC鼠笼电机称为终端机。

PC复合电机的结构是，由一台PC终端机——PC感应电机与另—台交流XX电机(XX为：同步电机、感应电机或鼠笼电机)复合后构成的一种无刷化交流电机，PC感应电机与XX电机同轴相连(13)，PC感应电机中分电机A的定子多相绕组(112)与XX电机定子多相绕组(141)反相序相接(122)，从而构成一台无刷结构的PC复合XX电机。

图9例为PC感应电机与鼠笼电机复合后产生的PC复合鼠笼电机。图9中，左端为鼠笼电机部分，由定子(14)和其中的定子多相绕组(141)、转子(15)和其中的鼠笼绕组(151)构成，转子与PC感应电机联轴(13)，鼠笼电机的定子绕组(141)与PC感应电机分电机A的定子绕组(112)反相序相接(122)。

除了PC复合鼠笼电机外，还有PC复合感应电机和PC复合同步电机，分别由PC感应电机与感应电机或同步电机复合而成，具体连接方法与PC复合鼠笼电机相同，只需将图9例中的鼠笼电机部分，换成同轴连接(13)的感应电机或同步电机，相应的定子绕组间按反相序相接(122)法则连接即可，根据类似的设计方法，可以设计、制造出PC复合同步电机或PC复合感应电机。

在上述三种PC复合电机中，电机的最低同步转速可以根据PCT法分析推导得出为：

N＝60*Fs/(P1+P2+P3)        (式7)

从(式7)中可以明显看出，作为一台电机，PC复合电机的总的极对数分别分布在三个分电机部分，所以它的径向尺寸将进一步减小，如果P1＝P2＝P3，在理论上，PC复合电机的定子内径将可比相同功率、相同同步转速的普通多极电机缩减为三分之一，相当于PC复合电机的径向尺寸约可减少50％至60％。

另外，与PC多速电机或PC变频机相比，PC复合电机的中间引出点在定子上，无须从转子上引流，不需要集电环和电刷，仍可以保持无刷结构；借助电机的外电路连接，还可以得到60*Fs/(P1+P2+P3)、60*Fs/(P1+P2)、60*Fs/P3三种同步转速；此外，PC复合电机既可以直接作为多极低速电机使用，也可以无须对电机本身做任何变动，就可以直接作为无刷的双速、三速电机或变频机使用。

复合PC电机的结构是，由一台作为中继机的PC感应电机与另一台终端机——极对数为(P3+P4)的PC XX电机(XX电机为：PC同步电机、PC感应电机或PC鼠笼电机)复合后构成的一类交流电机，中继机与PC XX电机同轴相连(13)，PC感应电机中分电机A的定子多相绕组(112)与PC XX电机分电机B的定子多相绕组(211)反相序相接(122)，从而构成一台无刷结构的复合PC XX电机。

复合PC电机是将二台PC电机复合而成的另一类交流电机，复合PC电机中的PC XX电机，可以是PC同步电机、PC感应电机或PC鼠笼电机，因此，所复合而成的复合PC电机，根据终端机的不同，分别称为复合PC同步电机、复合PC感应电机，或复合PC鼠笼电机。

图10所示即为复合PC鼠笼电机的结构原理图。即复合PC鼠笼电机由图3所示的PC感应电机与图4所示的PC鼠笼电机同轴相连(13)而成，PC感应电机中分电机A的定子绕组(112)与PC鼠笼电机中分电机B的定子绕组(211)反相序相接(122)。

复合PC电机与PC复合电机的区别是，前者是由二台或多台复合PC电机同轴相连、复合而成，而后者是由一台PC电机与一台普通电机复合而成。

二重复合PC电机，简称复合PC电机，是将二台PC电机复合而成的复合PC类交流电机，复合PC电机可以是复合PC同步电机，可以是复合PC感应电机，也可以是复合PC鼠笼电机。

在以图10为例的复合PC电机中，电机的最低同步转速为：

N＝60*Fs/(P1+P2+P3+P4)        (式8)

从(式8)中可以明显看出，作为一台总的电机，复合PC电机的极对数分别分布在四个分电机部分，电机的径向尺寸将进一步减小，如果P1＝P2＝P3＝P4，在理论上，复合PC电机的定子内径将可比相同功率、相同同步转速的普通多极电机缩减四分之三，相当于复合PC电机的径向尺寸将大幅度减少约60％至70％，同时，电机的体积、重量减少的幅度也比PC电机更大，电机的综合成本也将进一步降低。

与PC多速电机或PC变频机相比，复合PC电机无须增加集电环和电刷，就可以得到60*Fs/(P1+P2+P3+P4)、60*Fs/(P1+P2)、60*Fs/(P3+P4)三种同步转速。所以，复合PC电机既可以作为多极低速电机使用，也可以无须增加集电环和电刷，直接作为多速电机和变频机使用，PC族电机的多重工作性能得到充分体现。本发明的三个目的都已达到。

根据PCT法，多台PC电机进行复合构成的多重复合PC电机，将进一步发扬PC电机族的优点，拓展PC电机族的应用空间。m重复合PC电机由(m-1)台中继PC感应电机与一台终端PC电机(PC同步电机、PC感应电机或PC鼠笼电机)组成，m台PC电机的轴相连(13)；第一级PC感应电机中分电机A的定子多相绕组(112)与第二级PC电机分电机B定子多相绕组(211)反相序相接(122)，依此类推，直至第m台PC电机；从而构成一台无刷结构的m重复合PC电机。

m重复合PC电机的最低同步转速为60*F/(P1+P2+P3+P4+……+P2m)。

m重复合PC电机具有至少m个同步转速。

在m重复合PC电机的其中一个定子绕组输入Fi频率的交流电，可以得到至少m个不同频率的交流输出。

m重复合PC电机无须改动，即可以直接用于发电机、电动机、多速电机和多频输出的变频机。

在上述的PC同步电机中，以及PC电机族中，根据分电机A定子磁极(111)的不同，可以得到不同种类的终端PC同步电机，如：

分电机A定子磁极(111)如果采用永磁体，上述PC同步电机就是一台PC永磁同步电机。

分电机A定子磁极(111)如果采用励磁绕组，上述PC同步电机就是一台PC它励同步电机。

如果在PC同步电机中，分电机B的定子的多相绕组(211)改为单相绕组，就成为一台PC单相同步发电机。

在上述的PC鼠笼电机中，以及PC电机族中，根据PC鼠笼电机分电机B中，定子上的多相绕组(211)的不同，可以得到不同种类的PC鼠笼电机，如：

如果在PC鼠笼电机分电机B中，定子上的多相绕组(211)改变为二相绕组，利用分相电容产生的准二相电流，在二相绕组中建立旋转磁场，该PC鼠笼电机就成为一台PC电容分相单相鼠笼电机。

如果在PC鼠笼电机分电机B中，定子上的多相绕组(211)，改为罩极结构的磁路和绕组，则该PC鼠笼电机就成为一台PC单相罩极鼠笼电机。

在PC族电机中，二个转子的旋转磁场的方向总是相反的，定子磁场也不同，而转子和定子的漏磁也是无法避免的，为了防止不同转子和转子、不同定子和定子、交叉的不同转子和定子磁场间不必要的串扰或影响，在转子体间，或/和定子体间，可以增加漏磁屏蔽体。

在实际的PC族电机中，转子的磁屏蔽体也可同风扇结合为一体。

由于PC电机族的先进性，采用PCT法构成的机组，可以制造在同一机体内，也可以制造在分立的机体内，即使相关的电机并不总是处于同一电机机体内，例如PC电机或复合类PC电机，也可以由二台或二台以上独立机体的相关电机构成，而不影响其获得作为PCT电机组机种的性能。

归纳起来，上述PC族电机的共同优点可以用三个“转移”来总结：

第一个转移是电机的极从径向转移到轴向，从而使扁胖的低速多极电机向轴向转移，使PC电机在获得低同步速的同时，其外形也由扁平而粗胖的外形趋向正常的瘦长体型的传统电机机型，更接近于普通电机的安装要求，以及较多极电机更低的成本。

第二个转移是电机转子绕组的功能转移到定子。众所周知，电机发生机电能量转换，必须由电机中的定子和转子发生电磁偶合，能量转换才能实现。但是转子绕组位于转动着的转子上，电流进出转子必须经由集电环和电刷对，电流才能出入转子体。除了鼠笼电机无须电刷外，其它交流电机的无刷化一直是一个诱人而难于达到的目标。小型同步发电机已实现了无刷结构，但是必须在转子上增加旋转整流器或其它旋转电子元件，无刷化是有一定条件的；而在大型交流同步发电机中，由于种种原因，连有条件的无刷结构还实现不了，更妄论无刷化。在PC同步发电机中，励磁绕组和输出绕组分处在两个定子上，相当于将转子绕组的功能转移到了定子上，从根本上消除了设置集电环和电刷的必要性，实现了彻底的无刷化。对于绕线式感应电机，看来比同步电机更难实现无刷化，可是，PC电机天生的无刷优势，借助于转子绕组的功能顺利地转移到定子上，也就很容易地实现了感应电机的无刷化。

第三个转移是多种交流电机的功能转移到同一台电机中，或者说同一台交流电机的功能从单一性向多重性的转移。在本发明之前，除了普通的单速发电或单速驱动功能，可以在同一台电机转换通用外，多速电机或变频机实际采用的技术方案，很难由一台电机承担，必须由二台电机实现二种同步转速，或者通过机械偶合产生的机电能量形式变化来实现变频，各台电机之间没有电磁偶合，不直接产生电磁能量交换。虽然在形式上PC电机同样有二个定子、二个转子，但是这二个定子、二个转子间除了由同轴产生的机械连接外，都有直接的电气联系，是一个整体电机。所以，在PC电机中产生的机电能量转换或电源频率的转换，可以视为在同一台整体电机中产生的功能性转换，不再需要在不同的二台或多台电机中实现，也大大减少了机电能量的转换损失，提高了PC电机的效率。

PC电机的起动性能优于普通电机。从结构上分析，PC电机相当于二台电机起动力矩相加，所以PC电机起动力矩比普通电机大；同时，PC电机的等效电路相当于二台电机的串联连接，所以总的起动阻抗大于普通电机，起动电流相对较小，总的起动特性比普通电机优越。

PC电机的效率分析。与普通电机相比较，磁损耗因为磁载体的尺寸、体积的减少，略有减少。但是，由于绕组数量的增加，电阻损耗有一定的增加，二者相抵后，PC机的总损耗与普通电机相当，也可能略比普通电机大。但是，由于去掉了机械变速器，系统的机械损耗有所缩减，电刷的损耗也完全消除，所以PC电机的总效率应该不亚于普通电机。况且，大功率电机的效率本身比较高，PC电机主流是大功率电机，效率本来就相当高，所以PC电机族的效率应该是可以满足系统要求的。

Claims (19)

1、一种组合电机的结构方法，其特征在于，将一台极对数为P1的交流电机A和一台极对数为P2的绕线感应电机B同轴相联(13)，二台电机的转子多相绕组彼此反相序相接(122)，从而构成一台极对数为(P1+P2)的无刷结构交流电机，由此所构成的电机中的二个定子，分别执行现有一台普通交流电机的定子和转子功能。

2、根据权利要求1的方法设计、制造的极组合同步电机，其特征在于，该电机由一台极对数为P1的同步电机A和一台极对数为P2的绕线感应电机B同轴相联(13)；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有磁极(111)，即磁体或/和励磁绕组，转子上有多相绕组(121)；(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)；分电机A和分电机B的转子绕组(121)和(221)，通过连接线反相序相接(122)；分电机A的定子(11)和分电机B的定子(21)，分别替代普通同步电机的定子和转子功能，构成无刷结构。

3、根据权利要求1的方法设计、制造的极组合感应电机，其特征在于，所述电机由同轴(13)相连的、称为分电机A和分电机B的二个绕线式感应电机组成；在分电机A中，(11)为定子，(12)为转子，定子上有多相绕组(112)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；在分电机B中，(21)为定子，(22)为转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2；分电机A和分电机B的转子绕组反相序相接(122)；二个分电机的二个定子绕组，分别执行普通绕线感应电机的定子和转子绕组功能，构成无刷结构。

4、根据权利要求1的方法设计、制造的极组合鼠笼电机，其特征在于，所述电机由同轴(13)相连的分电机A和分电机B组成，同时分电机A和分电机B的二个转子绕组彼此反相序相接(122)；(11)为分电机A的定子，(12)为分电机A的转子，定子上有鼠笼绕组(113)，转子上有多相绕组(121)，分电机A的极对数为P1；分电机B为感应电机，(21)为分电机B的定子，(22)为分电机B的转子，定子上有多相绕组(211)，转子上有多相绕组(221)，分电机B的极对数为P2。

5、权利要求2、权利要求3或权利要求4的极组合电机，其特征在于，分电机A和分电机B的多相绕组均为三相绕组。

6、权利要求2、权利要求3、权利要求4或权利要求5的极组合电机，其特征在于，分电机A和分电机B的定子多相绕组为三相绕组，转子多相绕组为二相绕组。

7、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5或权利要求6的PC双速电机，其特征在于，其转子上为三相绕组，且与该三相绕组相连，还有三个集电环和与之接触的、固定于机体上的三个电刷(123)；在分电机B的定子绕组或转子绕组之一，通过外电路输入F频率的交流电，可以在同一电机上得到60*F/(P1+P2)和60*F/P1二个同步转速。

8、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5或权利要求6的PC三速电机，其特征在于，所述电机出极对数分别为P1和P2的分电机A和分电机B同轴组成；分电机A和分电机B的二个转子绕组分别连接到各自的集电环和电刷对(123)和(124)，以接通外电路；在分电机B的定子绕组或二个转子绕组三者之一，通过外电路输入同一频率F的交流电，并经过外电路一定的辅助连接，可以在同一电机上得到60*F/(P1+P2)、60*F/P2和60*F/P1的三种同步转速。

9、权利要求2的PC同步电机，其特征在于，电机还有一组集电环和电刷对(123)，且电机中所有的多相绕组均为三相绕组；二个转子绕组间的连线，还连接到集电环，通过电刷连接外电路；在转子绕组或在分电机B的定子绕组的其中之一输入某一频率的交流电，在上述绕组的另一端可以得到另一频率的交流输出，其功能相当于一台同步变频机。

10、权利要求4的PC鼠笼电机，其特征在于，电机还有一组集电环和电刷对(123)，且电机中所有的多相绕组均为三相绕组；二个转子绕组间的连线，还连接到集电环，通过电刷连接外电路；在转子绕组或在分电机B的定子绕组的其中之一输入某一频率的交流电，在上述绕组的另一端可以得到另一频率的交流输出，其功能相当于一台感应变频机。

11、权利要求3的PC复合电机，其特征在于，所述电机由一台PC感应电机与极对数为P3的第三交流电机(同步电机、感应电机或鼠笼电机)同轴相连(13)复合后构成；PC感应电机中分电机A的定子多相绕组(112)与第三交流电机定子多相绕组(141)反相序相接(122)，从而构成的一台无刷结构的电机，所述电机的最低同步转速为60*F/(P1+P2+P3)，所述电机无须改动，即可以直接用作发电机、电动机、双速电机和变频机。

12、权利要求3的复合PC电机，其特征在于，所述电机由一台PC感应电机与极对数为(P3+P4)的第二PC电机(PC同步电机、PC感应电机或PC鼠笼电机)同轴相连(13)复合后构成；PC感应电机中分电机A的定子多相绕组(112)与第二PC电机分电机B定子多相绕组(211)反相序相接(122)，从而构成的一台无刷结构的电机，所述电机的最低同步转速为60*F/(P1+P2+P3+P4)，所述电机无须改动，即可以直接用作发电机、电动机、双速电机和变频机。

13、权利要求3或权利要求12的极组合电机，其特征在于，所述电机由(m-1)台PC感应电机与一台第二PC电机(PC同步电机、PC感应电机或PC鼠笼电机)，共m台PC电机的轴相连(13)复合后构成的m重复合PC电机；第一级PC感应电机中分电机A的定子多相绕组(112)与第二PC电机分电机B定子多相绕组(211)反相序相接(122)，依此类推，直至第二PC电机，从而构成的一台无刷结构的电机，所述电机无须改动，即可以直接用作发电机、电动机、多速电机和多频输出的变频机。

14、权利要求2的PC同步电机，其特征在于，电机中分电机A定子磁极(111)为永磁体。

15、权利要求2的PC同步电机，其特征在于，电机中分电机A定子磁极(111)为直流励磁绕组。

16、权利要求4的PC鼠笼电机，其特征在于，所述电机的分电机B中，定子上的多相绕组(211)为二相绕组，利用外附的分相电容产生的准二相电流，单相交流输入可以在该二相绕组中建立旋转磁场，从而构成一台单相低同步转速的电机。

17、权利要求4的PC鼠笼电机，其特征在于，所述电机的分电机B中，定子(21)上的磁路和绕组为罩极结构，从而构成一台单相低同步转速的电机。

18、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5或权利要求6的极组合电机，其特征在于，在转子体间，或/和定子体间，还有磁屏蔽体，以防止漏磁对不相关磁极的干扰和影响。

19、权利要求18的极组合电机，其特征在于，所述分电机间的磁屏蔽体，与冷却风扇合为一体。

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