CZ278409B6

CZ278409B6 - Multi-phase electric machine

Info

Publication number: CZ278409B6
Application number: CS805602A
Authority: CZ
Inventors: Cravens L Wanlass
Original assignee: Wanlass Tech Inc
Priority date: 1979-08-14
Filing date: 1980-08-14
Publication date: 1994-01-19
Also published as: BE884791A; JPS56501032A; CA1163665A; MX150292A; WO1981000652A1; IN152698B; FR2463532B1; AU6331980A; FR2463532A1; US4446416A; IE801714L; IL60816A; AT375791B; CZ560280A3; ES494238A0; GB2074796B; CH667168A5; NO163588B; NO811270L; AU547734B2

Description

Vícefázový elektrický stroj

Oblast techniky

Vynález se týká vícefázových elektrických strojů, jmenovitě motorů a generátorů. Je popsán na motorech, konkrétně na trojfázových, ale není omezen pouze na ně.

Současný stav techniky

Současné indukční motory, zejména typy s klečovou kotvou, mají četná omezení. Například při zpomalení v důsledku vysokého zatížení odebírají značné proudy, které mohou mít za následek spálení motoru, pokud motor není chráněn pomocným vybavením. Tyto motory musí mít vysoký koeficient momentové přetížitelnosti, aby se předešlo zničení motoru při jeho přetížení. V důsledku toho musí být magnetická indukce udržována na úrovni, která při normálním chodu motoru není optimální. Tato poměrně nízká magnetická indukce při normálním chodu motoru je nutná vzhledem k možnému kolísání vstupního napětí. Protože magnetická indukce musí být udržována na poměrně nízké úrovni, musí být rozměry motoru podstatně větší, než by bylo pro získání požadovaného výstupního výkonu u ideálního motoru teoreticky nutné. Navíc výstupní výkon takového motoru je značně závislý na síťovém napětí a do značné míry také na síťovém kmitočtu. Dalším problémem spojeným s provozem běžných indukčních motorů jsou jejich vysoké rozběhové proudy. To způsobuje, že magnetická indukce je při nízké zátěži vyšší, než je skutečně nutné pro účinný provoz při takové zátěži. Pro motory všech velikostí musí být obvykle používány vnější prostředky pro omezení proudu nebo konstruovány speciální a drahé kotvy. Tyto problémy se vyskytují u jedno- i vícefázových motorů.

Dalším známým problémem je zkonstruování takového motoru, který by byl účinný v rozsahu běžných zátěží, měl vysoký účinník a současně měl vysoký záběrový moment a vysoký moment zvratu pokud to vyžadují příslušné alpikace.

Podstata vynálezu

Zařízení podle vynálezu odstraňuje nebo snižuje předchozí nevýhody vícefázových elektrických strojů tím, že magnetická indukce ve statoru je udržována na optimální úrovni v souladu se zatěžovacími podmínkami. Navíc zařízení umožňuje také na rozdíl od běžných indukčních motorů udržovat optimální velikosti proudu v kotvě v souladu se zatěžovacími podmínkami. Protože vyvolaná síla ve vodiči je dána vztahem:

F = B.l.I kde F - síla

B - magnetická indukce

- proud ve vodiči je zřejmé, že optimalizováním hodnot B a I pro dané 1 se optimalizuje síla a v důsledku toho kroutící moment a výkon motoru pro dané množství přítomného magnetického materiálu.

-1CZ 278409 B6

Podle vynálezu je magnetická indukce ve vícefázovém stroji optimalizována řízením magnetické indukce v jádru statoru.

Hlavní vícefázové vinutí statoru navinuté na magnetickém jádru zahrnující více vinutí z nichž každé představuje jednu fázi. S každým vinutím je do série zapojen kondenzátor. Na jádru je také navinuto vícefázové řídicí vinutí a je připojeno ke vstupním svorkám společně s odpovídajícími hlavními vinutími a s nimi do série připojenými kondenzátory. Řídicí vinutí a hlavní vinutí jsou vinuta v opačném smyslu, takže při nízké zátěži celková magnetická indukce od hlavních a řídicích vinutí, v podstatě navzájem sousedících v radiálním směru, je nízká a se zvyšující se zátěží magnetická indukce roste, protože se magnetické indukce vytvářené vinutími stávají navzájem sčitatelnými.

Vícefázové řídicí vinutí navinuté na uvedeném jádru z magnetického materiálu je spojeno se vstupními svorkami a je fyzicky umístěno na statoru tak, že vektorové vztahy proudů v řídicích vinutích, umístěných v podstatě v radiálním směru v sousedství hlavních vinutí, působí, že vektorový součet odpovídáj ících proudů se snižuje, když se zátěž zvyšuje a blíží se plnému zatížení.

Kondenzátory mají takovou kapacitu, aby napětí na kondenzátorech v kombinaci se vstupním napětím periodicky působila překročení magnetického toku potřebného k magnetickému nasycení jádra, takže jádro periodicky nelineárně přechází ze stavu vysoké magnetické indukce do stavu nízké magnetické indukce a naopak. Ve statorovém jádru je tedy udržována poměrně vysoká průměrná magnetická indukce bez nebezpečí, že vysoká vstupní napětí mají za následek nadměrně vysoké vstupní proudy. Kondenzátory omezují množství energie, která může být přenesena do kotvy i když kotva má velmi nízkou impendanci, takže proud kotvy může být také optimalizován. Impendance kotvy může být nižší než u běžného motoru a proud indukovatelný při nulové rychlosti motoru může být optimálnější než je běžné; přesto bude mít tento proud správnou hodnotu při normálních provozních rychlostech a normálních zátěžích. Motor podle vynálezu může být tedy mnohem lépe než běžné motory přizpůsoben pro užití pro velký počet aplikací nebo pro každou danou aplikaci.

Konečným výsledkem užití kondenzátorů v sérii s hlavním statorovým vinutím a provozu magnetického obvodu motoru v měkkém nasysení daném omezovacím efektem celkového energetického přenosu kondenzátorů je motor, který může být při většině režimů síťového napětí provozován při optimalizované magnetické indukci, aniž by vysoké vstupní napětí mělo za následek extrémně vysoké vstupní proudy. Jinými slovy vstupní proud a magnetická indukce stroje nebudou nadměrně nelineárně závislé na síťovém napětí, jak je tomu u běžných střídavých indukčních a jiných motorů. Vynález využívá skutečnost, že induktance vinutí motoru může absorbovat pouze tolik energie, kolik stačí k nasycení statoru motoru. Když se magnetický materiál motoru nasytí, vybijí se kondenzátory přes vinutí motoru a zdroj síťového napětí nabije kondenzátory na opačnou polaritu. Proud vinutí se potom obrátí a kondenzátory jsou potom zdrojem energie a udržují průchod proudu vinutími. To pokračuje dokud síťové napětí opět nezmění polaritu. Magnetický tok vyvolaný síťovým napěťím se potom sčítá s magnetickým tokem vyvolaným kondenzátory v hlavním vinutí. To pokračuje dokud cel

-2CZ 278409 δ6 kový magnetický tok působící na hlavní vinutí nepřevýší magnetický tok nasycení magnetického materiálu statoru a magnetický materiál motoru se opět nasytí. Kondenzátory se vybijí přes vinutí motoru po jejich nasycení a síťový zdroj nab.ije kondenzátory v opačné polaritě. Proud hlavním vinutím se znovu obrátí a kondenzátory se znovu stanou zdrojem proudu hlavním vinutím. To pokračuje dokud napětí sítě nezmění polaritu. Jak amplituda síťového napětí narůstá, magnetický tok síťového napětí plus magnetický tok kondenzátorů jsou opět ve fázi a sčítají se dokud není překročen magnetický tok nasycení hlavních vinutí a spojených magnetických materiálů. Magnetický materiál se opět nasycuje a induktance hlavních vinutí se opět značně snižuje a působí vybití kondenzátorů přes vinutí. Tento proces se opakuje každou polovinu cyklu a výsledkem je motor, který běží při maximální magnetické indukci a tedy s maximální silou, kroutícím momentem a výkonem.

Vynález umožňuje optimální magnetickou indukci a protože napětí na každém kondenzátorů je obvykle vyšší (ačkoliv nemusí být) než síťové napětí, magnetická indukce ve statorovém jádru je relativně nezávislá na síťovém napětí ve zcela širokém rozsahu amplitudy. Navíc každý kondenzátor brání nadměrným proudům procházejícím motorovým vinutím když se magnetický materiál nasytí protože pouze energie kondenzátorů tj. -

CV² může být přenesena odpovídajícím vinutím. Tento omezený přenos energie,

2 řízený kapacitou kondenzátorů a napětím.na kondenzátorů (tj.— CV ) zamezuje proudům ze sítě přes hlavní vinutí.

Výsledkem je střídavý motor, který bude pracovat v širokém ro.zsahu vstupních napětí s vysokou účinností a bude mít výtečné pracovní charakteristiky. Protože kondenzátory omezují množství energie přenášené hlavním vinutím každou polovinu cyklu, je možnost spálení motoru značně omezena a v některých uspořádáních není spálení motoru normálně možné. Jediné co se stane v případě přetížení motoru je, že se motor zastaví a jeho příkon bude značně omezen. To je důsledkem skutečnosti, že na sériových kondenzátorech motor značně bude mnohem nižší napětí než normálně, protože nebude pracovat v řízené fázi a úroveň energie — CV² bude omezená.

V třífázovém motoru jsou řídicí vinutí na statorovém jádru spojena paralelně s každým ze tří hlavních vinutí s kondenzátory a mohou motoru poskytnout poměrně vyšší záběrový kroutící moment. Řídicí vinutí mají vyšší impendanci než hlavní vinuti a proto proud řídicími vinutími je poměrně nízký ve srovnání, například s hlavními vinutími indukčního motoru.

Dále řídicí vinutí slouží k omezení vstupního proudu, protože s vzrůstem vstupního napětí nebo se vzrůstem rychlosti motoru tato vinutí začnou působit jako generátorová vinutí zásluhou zpětné elektromotorické síly převyšující vstupní napětí, a generují proud, který působí proti proudu hlavních vinutí. To je ovšem umožněno skutečností, že hlavní vinutí jsou primárním zdrojem výkonu motoru.

Radiálně sousedící vinutí jsou spojena magneticky. V třífázovém motoru proud sousedního řídicího vinutí předbíhá odpovídající proud hlavního vinutí, při nezatíženém motoru a je s ním v podstatě ve fázi a se vzrůstajícím zatížením se dostává z fáze a zvyšující měrou'vektorově přebíhá až o 180~ °.

Celková čistá magnetická indukce hlavních vinutí a odpovídajícím způsobem umístěných řídicích vinutí navinutých v opačném smyslu je při nízkém zatížení nízká a se zvyšujícím se zatížením magnetická indukce stoupá, protože se směr vektoru proudu příslušného řídicího vinutí mění.

Hlavní i řídicí vinutí vytváří každé alespoň dva magnetické póly, středy pólů hlavních vinutí se magneticky překrývají s póly řídicích vinutí a středy pólu řídicích vinutí se magneticky překrývají s póly hlavních vinutí.

V jiném výhodném provedení vynálezu jsou středy pólů řídicích vinutí fyzicky umístěny v podstatě mezi póly hlavních vinutí, čímž zvyšují záběrový moment motoru. V takovém případě zůstává elektrická vektorová reprezentace proudů odpovídajících sousedních hlavních a řídicích vinutí v podstatě nezměněna. Fyzické a magnetické změny jsou vyváženější. V některých případech mechanické rozmístění drážek statoru dovoluje takové fyzické a s tím související magnetické uspořádání dosáhnout pouze částečné.

V další výhodné podobě vynálezu je řídicí vinutí vinuto radiálně vně hlavního vinutí, takže mezera mezi hlavním vinutím a rotorem minimalizuje rozptyl reaktance hlavního vinutí.

Přehled obrázků

----- Vynález-je vysvětlen—na-připojeném výkresu, kde na obr. 1 je schematicky zobrazeno výhodné uskutečnění jednofázového motoru na obr. 2 je schéma prvního uskutečnění vícefázového motoru na obr. 3 je schéma druhého uskutečnění vícefázového motoru na obr. 4 je schéma třetího uskutečnění vícefázového motoru podle vynálezu na obr. 5 je schéma čtvrtého uskutečněni vícefázového motoru podle vynálezu na obr. 6 je zobrazen vícefázový motor podle vynálezu na obr. 7 je rozvinuté schéma cívek vinutí vícefázového motoru podle vynálezu na obr. 8 je vektorový diagram proudových a napěťových charakteristik fyzikálně odpovídajících hlavních a řídicích vinutí a na obr. 9 je schéma pátého uskutečnění vícefázového motoru podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn schematicky jednofázový motor s některými rysy přednostního provedení vícefázového stroje podle vynálezu. Je popisován pro snazší pochopení vynálezu. Indukční motor na střídavý proud s klečovou kotvou je obecně označen 10 a je vyobrazen se statorem 12 z magnetického materiálu a klečovou kotvou 14. Stator je zobrazen se čtyřmi pólovými nástavci 16, 18, 20 a 22. ačkoliv pólových nástavců může být podle potřeby více nebo méně. Uspořádání pólových nástavců je pouze schematické. Hlavní statorové vinutí 24 je navinuto na pólových nástavcích

-4CZ 278409 B6 a 20 a je spojeno se vstupními svorkami 26 prostřednictvím sériového kondenzátoru 28. Kondenzátor 28 nemusí mít žádnou určitou hodnotu, ale jeho kapacitance musí být dostatečně velká aby během běžného provozního režimu motoru udržela kapacitní účinník v sériovém obvodu zahrnujícím tento kondenzátor a vinutí 24. Pomocné vinutí 30 je navinuto na pólových nástavcích 18 a 22 a je zapojeno paralelně s vinutím 24 a kondenzátorem 28,. Pomocné vinutí 30 má s výhodou vyšší induktanci než hlavní vinutí 24. Může mít, například, více závitů tenčího drátu. Startovací kondenzátor 32 přemosťuje sériový kondenzátor 28 pomocí odstředivého spínače

34.

Činnost motoru znázorněného na obr. 1 byla již popsána shora. Stručně řečeno, když je na svorky 26 přivede střídavé napětí, začne se nabíjet kondenzátor 28 a hlavním vinutím 24 protéká proud. Pomocným vinutím 30 také protéká proud, který je fázově posunut proti primárně kapacitnímu proudu v hlavním vinutí 24, čímž je vytvořeno točivé pole, které roztočí kotvu 14.. V té době je podstatná část hnací síly vytvářena vinutím 30, protože hlavní vinutí 24 a kondenzátor 28 dosud nevstoupily do svého normálního provozního stavu. Jak se zvyšuje rychlost rotoru a protielektromotorická síla, změní se účinná induktance hlavního vinutí 24 tak, že toto vinutí 24 společně s kondenzátorem 28 se dostanou do svého provozního stavu. Jinými slovy, efektivní magnetický tok vinutím 24 a s ním spojeným magnetickým materiálem se dostatečně zvýší, aby umožnil činnost zařízení dříve popsaným způsobem, tj. kondenzátor 28 se bude periodicky nabíjet, vybíjet a znovu nabíjet v opačném směru a působit, že magnetický materiál spojený s vinutím 24 bude přecházet z nenasyceného do nasyceného stavu a přitom udržovat poměrně vysokou magnetickou indukci.

Jak se rotor přibližuje jmenovité rychlosti, snižuje se proud pomocného vinutí 20. S výhodou je toto vinutí navrženo tak; aby mělo minimální proud při jmenovité rychlosti a zatížení a při jmenovitém vstupním napětí. V případě, že zatížení stoupne nebo rychlost se naopak sníží, vinutí 30 propustí větší proud a přispěje opět k hnací síle motoru. Je to velmi žádoucí, protože to poskytuje přídavný kroutící moment po dobu přetížení, které by v případě, že by vinutí 30 nebylo k dispozici, mohlo způsobit, že kondenzátor 28 a vinutí 24 by vypadly z provozního stavu a motor bý se zastavil.

Kondenzátor 32 pomáhá zvýšit startovací moment tím, že zpočátku propustí větší proud hlavním vinutí 24. Potom, když motor dosáhne předem určenou rychlost, rozpojí se odstředivý spínač 34 a odpojí kondenzátor 32 z obvodu.

Podle vynálezu, který se týká trojfázových nebo jiných vícefázových motorů je kondenzátor zapojen v každé fázi. Obr. 2 až 5 a obr. 9 znázorňují schematicky různá uskutečnění třífázových motorů podle vynálezu. V každém z uvedených obr. jsou tři cívky tvořící hlavní statorové vinutí označeny 24a, 27b a 24c zatímco tři kondenzátory zapojené do série s těmito cívkami jsou označeny 28a. 28b a 28c. V případě takových vícefázových motorů nejsou nutná žádná startovací vinutí, ale užití pomocných vinutí je výhodné z dříve uvedených důvodů. V případě vynálezu pomocné vinutí působí jako řídicí vinutí, je zde tedy přednostně nazýváno řídicím vinutím. Obr. 2, 3, 4, 5 a 9 zobrazují taková kontrolní

-5CZ 278409 B6 vinutí, pro každou fázi jedno vinutí. Tato vinutí jsou označena 30a, 30b a 30c. V každém obrázku jsou znázorněna propojení vinutí k příslušným vstupním svorkám A, B a C, které odpovídají vstupním svorkám 26 v obr. 1 ovšem s tím rozdílem, že jsou určeny k propojení se zdrojem třífázového napětí a ne jednofázového napětí. V obr. 2, 3, 4 a 9 . je svorka D středním bodem spojení hlavních vinutí do hvězdy.

Věříme, že není nutné rozsáhlejší vysvětlení uskutečnění podle obr. 2 až 5 a obr. 9, protože jejich vlastnosti, konstrukce a činnost budou zřejmé odborníkovi v oboru na základě předchozího popisu uskutečnění jednofázového motoru podle vynálezu. Stručně řečeno, obr. 2 znázorňuje trojfázový motor, ve kterém jsou hlavní i pomocná vinutí zapojena do hvězdy; obr. 3 znázorňuje hlavní statorové cívky 24a, 24b a 24c zapojené do trojúhelníku s řídicími cívkami 30a. 30b a 30c zapojenými do hvězdy; obr. 4 znázorňuje hlavní statorové cívky zapojené do trojúhelníka; obr. 5 znázorňuje obě tato vinutí zapojená do trojúhelníka a obr. 9 znázorňuje hlavní vinutí se společným středním bodem D a řídicí vinutí s odděleným společným středním bodem D* , toto uspořádání dovoluje v podmínkách rychle se měnícího zatížení plynulejší regulaci nebo řízení než uspořádání podle obr. 2.

V obr. 6 je znázorněno vzájemné fyzické rozmístění dvanácti skupin cívek, které tvoří tři fáze motoru, přičemž každá fáze má čtyři oddělené skupiny cívek tvořící 4-pólový motor.

Skupiny cívek a póly hlavního vinutí jsou ve směru pohybu hodinových ručiček označeny čísly 1, 8A a 3 /představující fáze A, B a C prvního magnetického pólu/ představující fáze A, B a C druhého magnetického pólu/, 7, 5 a 9 /představující fáze A, B a C třetího magnetického pólu/ a 7a, 8. a 9a /představující fáze A, B a C čtvrtého magnetického pólu/. Řídicí vinutí jsou umístěna v radiálním směru vně hlavních vinutí a určují magnetické póly magneticky předbíhající póly hlavních vinutí v. podstatě o 90°. Pořadí je takové, že točivé pole vytvářené hlavním vinutím a točivé pole řídicím vinutím se otáčejí stejným směrem. Předbíhání magnetického pole o 90° je ekvivalentní fyzickému posunu přibližně o 45° a účinek magnetického předbíhání si osvětlíme sledováním vinutí ve směru proti pohybu hodinových ručiček jak je naznačeno šipkou 50. Skupiny cívek a póly řídicích vinutí jsou ve směru pohybu hodinových ručiček označeny čísly 8A', 3' a 4'/představující fáze A', B'a C' prvního magnetického pólu/, 2¹ , 6¹ , a 2' představující druhý magnetický pól/, 5 ¹ , 9' a 7A' /představující třetí. magnetický pól/ a 8' , 9A' a 1' /představující čtvrtý magnetický pól/.

Čísla hlavních a řídicích vinutí odpovídají přívodům skupin cívek tvořících část každého vinutí, pro každé fázové vinutí jsou čtyři skupiny cívek. To je lépe vidět na obr. 2 a 5, které zobrazují elektrická spojení čtyř skupin cívek tvořících vinutí každé fáze.

V obr. 6 je znázorněno fyzické rozmístění cívkových skupin kolem statoru. Je zobrazeno pouze propojení čtyř cívkových skupin tvořících fázi A hlavního vinutí a fázi A' řídicího vinutí. Vedení spojující fáze BaC hlavního vinutí a B' a C* řídicího vinutí nejsou zobrazeny v zájmu přehlednosti, ale každému odborníku bude

-.6CZ 278409 B6 zřejmé, jak jsou tato vinutí propojena po prostudování spojení fází A a A', která budou nyní popsána.

Skupiny cívek fáze A, které tvoří hlavní vinutí mezi 1 a 7a začínají cívkovou skupinou 100, která je spojená vedením 101 s cívkovou skupinou 102, která je opět vedením 103 spojena s cívkovou skupinou 104, která je opět vedením 105 spojena s cívkovou skupinou 106. která má volný vývod 7a. Každá z cívkových skupin v tomto příkladu má tři cívky a sousední cívkové skupiny 100, 102. 104 a 106 jsou vinuty v opačném smyslu, a tím způsobují, že sousední póly jsou navzájem opačné. Každá ze tří cívek kterékoli cívkové skupiny je vinuta ve stejném smyslu. Šipky 107, 108, 110 označují smysl proudu v příslušných cívkových skupinách. Vedení 101 spojuje konce 111 a 112 cívkových skupin 100 a. 102, vedení spojuje počátky 113 a 114 cívkových skupin 102 a 104 a vedení 105 spojuje konce 115 a 116 cívkových skupin 104 a 106. Vývody 1 a 7A vystupují z cívkových skupin 100 a 106 na jejich počátcích 117 a 118.

Řídicí vinutí z cívkových skupin fáze A' je podobné zapojena mezi vývody 8A' a 2'. Počínaje cívkovou skupinou 119, spojenou vedením 120 s cívkovou skupinou 121, spojuje vedení 122 cívkovou skupinu 121 s cívkovou skupinou 123, vedení 124 spojuje cívkovou skupinu 123 s cívkovou skupinou 125. Opačné proudy v radiálně sousedících vinutích jsou označeny šipkami 126, 127, 128 a 129. Vstupy a výstupy cívkových skupin řídicích vinutí jsou propojeny obdobně jako ve shora popsaném zapojení hlavního vinutí fáze A. Vedení 120 spojuje konec 130 cívkové skupiny 119 s koncem 131 cívkové skupiny 121, vedení 122 spojuje počátek 132 cívkové skupiny 121 s počátkem 133 cívkové skupiny 123, vedení 124 spojuje konec 134 cívkové skupiny 123 s koncem 135 cívkové skupiny 125. Vývody 8A’ a 2' vystupují z cívkových skupin 119 a 125 na jejich počátcích 136 a 137.

Podobně je fáze B dána vývody 2 a 8A odpovídajících cívkových skupin obdobně propojených vedeními se zbývajícími dvěma cívkovými skupinami fáze B. Fáze B' řídicího vinutí je dána vývody 9A' a 3.' odpovídajících cívkových skupin obdobně propojených vedeními se zbývajícími dvěma cívkovými skupinami fáze B'. Fáze C je dána vývody 3. a 9A odpovídajících cívkových skupin obdobně propojených vedeními se zbývajícími dvěma cívkovými skupinami fáze C. Fáze C* je dána vývody 4' a 7'odpovídajících cívkových skupin obdobně propojených vedeními se zbývajícími dvěma cívkovými skupinami fáze C'. Z popisu spojení cívkových skupin fází A a A' je zřejmé každému odborníkovi v oboru jak jsou cívkové skupiny fází B, B', C a C' propojeny.

Na obr. 6 a 7 jsou magnetické póly hlavních vinutí označeny čárkovanými čarami 32a. 32b, 32c a 32d a magnetické póly řídicích vinutí 34a, 34b, a 34d. Obr. 7 znázorňuje v rozvinutém tvaru rozložení magnetických pólů a cívek tvořících tyto póly. Střed každého pólu hlavního vinutí prochází fází B a střed pólů řídicího vinutí prochází vinutím B'. Konce každého pólu jsou mezi fázemi C a A respektive C a A'.

Kotva motoru je označena vztahovou značkou 14 a je zřejmé, že hlavní statorové vinutí je blíže kotvě 14 což má za následek snížení rozptylové reaktance hlavního vinutí a tedy minimalizace

-7CZ 278409 B€ ztrát. V případě, že by bylo blíže kotvě umístěno řídicí vinutí, bude vyšší rozptylová reaktance a popřípadě nižší účinnost, ale záběrový moment a moment zvratu budou vyšší.

Cívky řídicích vinutí jsou vinuty v opačném smyslu než cívky hlavního vinutí, takže při běhu·naprázdno nebo při nízkém-zatížení jsou magnetické toky, vytvářené hlavními a řídicími vinutími umístěnými fyzicky navzájem pod sebou, opačné a výsledný vytvářený čistý magnetický tok je minimální. Při vzrůstu zatížení začne proud řídicím vinutím více předbíhat proud hlavním vinutím a vlivem opačného smyslu vinutí působí, že magnetické toky odpovídajících si vinutí se vektorově přibližují a jejich vektorový součet roste.

V motoru podle obr. 6 je vzájemné postavení fází hlavního vinutí a odpovídajících fází řídicího vinutí následující:

hlavní	vinutí:		A	B C	A B	C	A	B C	A B	C
řídicí	vinutí:		A'	'C’A	B’C'	Ά'	B'	'C’A’	B’C	Ά'

N obr. 8 je uvedeno vektorové znázornění napětí a proudů ve vinutích umístěných na jedné radiální čáře. Znázorněny jsou napětí a proud v hlavním vinutí fáze A a v řídicím vinutí fáze B'. Vektor 36 znázorňuje napětí v hlavním vinutí fáze A a vektor 38 proud fáze A při běhu naprázdno. Jak zatížení vzrůstá pohybuje se proudový vektor 38 do polohy vektoru 40., který představuje polohu vektoru proudu při přetížení. Poloha při jmenovitém zatížení je mezi vektory 38 a 40, ale není znázorněna. V řídicím vinutí fáze B znázorňuje vektor 42 napětí ve vinutí, které je proti napětí fáze A pootočen o 120’. Při běhu naprázdno je proud v podstatě ve fázi s vektorem 38 a je znázorněn vektorem 44.

v ideální situaci znamená ve fázi” bez jakéhokoliv fázového posunů, á’takový motor bude ~pracovat—účinné—v blízkosti běhu naprázdno. Ve smyslu užitém v tomto případě musí být pojem ve fázi uvažován v širším významu v závislosti na konkrétním motoru. Ve výhodných uskutečněních podle vynálezu bude úhel mezi 0’ a 60°. Přednostně by měl být menší než 45’ pro případ činnosti motoru v rozsahu od běhu naprázdno do jmenovitého zatížení. Takový motor bude kombinovat dobré vlastnosti při běhu naprázdno s dobrými vlastnostmi při plném zatížení. Jestliže úhel ve fázi bude větší než 60’, vlastnosti při běhu naprázdno se zhorší, ale účinnost při přetížení se zlepší. Například na obr. 8 posun ve fázi je 67,8’ při běhu naprázdno. Jak lze vidět z tabulek uvedených později, které odpovídají stejnému motoru, který je vyznačen proudovými vztahy v obr. 8, je optimální účinnost tohoto motoru při 25% přetížení. Jestliže je optimální účinnost požadována, například při 50% přetížení bude tento shora definovaný fázový úhel nízkého zatížení dokonce větší než 67,8’.

Při zvyšování zatížení úhel předstihu mezi I_A a Io se posun do polohy vektoru 46 a vzájemné proudy se dostanou z fáze. Tento úhel se přibližuje, ale nedosáhne 180’ a proto vektorový součet proudu I_A a I_B se sníží. Tímto způsobem se zvýší účinník motoru, když je motor zatížen nad jmenovitý výkon. Podobná vektorová znázornění mohou být převedena pro ostatní sousední fáze, jmenovitě pro B a C', a C a A'.

8CZ 278409 B6

Optimalizovaná magnetická indukce je dosažena fyzickým umístěním fází A a B', Ba C', C a A' vedle sebe způsobem znázorněným v obr. 6 a 7 využitím proudů v těchto vinutích, jak je znázorněno a popsáno v obr. 8, k vytvoření příslušných magnetických toků sousedními vinutími A a B' , B a C', C a A’.

Magnetická indukce je optimalizována pro určité zátěžové podmínky, jak se odráží ve vektorových polohách I_A a Ι_β. To zase minimalizuje síťový proud pro určité zatížení. Řízení magnetické indukce takto vede k minimalizaci síťového proudu nutného pro určité zátěžové podmínky.

Pro srovnání, u standartního motoru je magnetická indukce relativně nezávislá na zatížení a tedy síťový proud je v podstatě nezávislý na zatížení, takže je menší rozdíl mezi Chodem naprázdno a plným zatížením. Podle vynálezu je magnetická indukce více závislá na zatížení, a proto při nižších zatíženích jsou nižší proudy, a to vyvolává vyšší účinnost v pracovním rozsahu motoru a nejen pouze v okolí jmenovitého zatížení.

V důsledku toho má motor podle vynálezu vyšší účinnost a vyšší účinník v daleko větším rozsahu než bylo dosud možné.

Bylo také zjištěno, že motor může pracovat při vyšším zatížení než je jmenovité s vyšší účinností než bylo dosud možné. V takovém stavu přetížení se vektor proudu I_B přesune z polohy vektoru 46 do polohy vektoru 48. V této poloze je fázový posun mezi I_A a I_B o málo menší než 180’. Vyšší účinník a efektivní pracovní podmínky přetrvají.

zkouškách trojfázového motoru Wanlass A18D2 model výkonu 1 HP tj. 746 W, 230 V, majícího 1 755 ot/min při

Při F-4427 o jmenovitém zatížení a majícího moment zvratu 16,7 mN byly dosaženy následující hodnoty. V sérii s každým hlavním vinutí byl zapojen kondezátor 10 uF. Při nízkém zatížení byl výkon motoru 42,5 W a hlavní vinutí odebíralo přibližné 510 w zatímco řídicí vinutí vracelo přibližně 390 W do Při výkonu 254,4 W hlavní řídicí vinutí vygenerovalo

Celková účinnost byla 35,4 %. zatímco sítě. Účinnost bylo hlavní vinutí spotřebovalo 479 režim z generátoru energie na sítě.

vinutí spotřebovalo 504 W,

174 W zpět do

76,8 %. Při jmenovitém zatížení W a řídicí vinutí změnilo svůj spotřebič a spotřebovalo 368 W a celková účinnost byla přibližné

87,3 %. Když motor běžel při přetížení na 1 417,7 W zvýšilo řídicí vinutí spotřebu a účinnost byla 84,6 %. Vcelku 1 HP motor efektivně pracoval v rozsahu od 373 W do zhruba 1 500 W při účinnosti převyšující 82,1 %, což je zlepšení proti dosavadním motorům. Se zvyšováním zatížení měnil proud v řídicích vinutích svou vektorovou polohu, jak bylo uvedeno dříve. Navíc účinník motoru byl v rozsahu od 0,9 do 0,97.

U některých uskutečnění vynálezu se ukázalo, že je žádoucí zvýšit záběrový moment a moment zvratu zlepšením symetrie magnetických polí. Vzájemná poloha hlavních a řídicích vinutí znázorněná v obr. 6 a 7 neumožňuje jejich přesný fyzický ani magnetický fázový posun o 90’ u třífázového, čtyřpólového motoru. Takový posun vyžaduje, aby střed pólů řídicích vinutí byl mezi póly hlavních vinutí a z těchto důvodu je nezbytné vinutí proti sobě posunout elektricky o nějakých 30°, to znamená fyzicky o 15°. Každá drážka v obvyklém statoru určuje elektrický posun o 20° /fyzicky 10°/ a proto u zkoušeného motoru byla vinutí posunuta elektricky o 20° a ne 30°, protože to bylo-fyzicky nemožné. Tím se zlepšilo postavení středů pólů řídicích vinutí do bodu blízkého- poloze mezi póly hlavních vinutí; zůstala odchylka pouze 10° elektrických. Souměrnost magnetického pole se zlepšila. Výsledkem tohoto nastavení bylo následující uspořádání pólů hlavních a řídicích vinutí;

hlavní vinutí: ABC ABC ABC ABC řídicí vinutí: C' A’B'C· A'B’C' A'B'C’ A'B'

Shora uvedené znázornění ukazuje tími Ca A, a C'a A', ale to je užitečné pro pochopení, pólů B a B' nyní padnou mezi konce pólů.

Důsledkem této změny bylo zlepšení a momentu zvratu bez nežádoucích účinku žení. Na zkoušeném motoru byly dosaženy síťové napětí kondenzátor v hlavním vinutí moment zvratu 16,516 mN při záběrový moment celkový proud zabrzděnou kotvou jmenovité zatížení 4,072 mN při příkon účinnost účinník

Parametry motoru pracujícího síťové napětí kondenzátor v hlavním vinutí moment zvratu 16,546 mN při záběrový moment celkový proud zabrzděnou kotvou přetížení o 25% 5,091 mN při příkon ú ’nnost účinník .230

203 zvětšené mezery mezi vinuže středy záběrového momentu na zbývající rozsah zatinásledujíci parametry:

V uF ot/min

13,462 mN

19,3 A

755 ot/min - 748,2 W

857 W

87,8 %

0,94 při 25% přetížení byly:

230 V uF

203 ot/min

13,462 mN

19,3 A

740 ot/min - 927,3 W

056 W

87,8 %

0,95

Přechod řídicích vinuti z generátorového režimu do motorového režimu nastal při přibližně 2,72 mN. To představovalo celkový vzrůst o 19 % ve srovnání s dříve popsaným nesoumérným motorem bez fyzického posunu.

V ostatních příkladech motorů nebo strojů majících odlišný počet magnetických pólů, například dva nebo šest pólů bude úhlové uspořádání vektorového znázornění odlišné. Dále počet drážek o které bude třeba posunout vinutí motoru, aby se dosáhlo optimální vektorové uspořádání, bude odlišný. Podobně počet fází stroje bude vyžadovat odlišné parametry.

Není třeba popisovat způsob, kterým by měly být vinuty tři cívky vícefázového hlavního statorového vinutí na jádru statoru, protože vyhoví jakákoliv běžná technika, jako je smyčkové vinutí nebo soustředné vinutí, jak bude zřejmé odborníkovi z oboru. Podobně nebyla popsána konstrukce kotvy, protože může být použita jakákoliv vhodná kotva, například klečová kotva nebo kroužková kotva.

V jiném příkladu podle vynálezu může být motor, například, navinut metodou dvojitých vinuti pro dvojí napětí.

Vynález se také týká případů, kdy existující motory mají být převinuty a rekonstruovány zde popsaným způsobem. V takovém případě standartní kostra motoru má stator, který má takové množství magnetického materiálu, které je nezbytné pro funkci stávajících standartních konstrukcí. Avšak když je rekonstruován podle vynálezu, aby pracoval při svém jmenovitém výkonu, není nutné využít všechen magnetický materiál, který je k dispozici. V takových případech bude motor vinut tak, že napětí na kondezátoru přičtené ke vstupnímu napětí nezpůsobí překročení magnetického toku pro nasycení jádra a jádro nebude pracovat periodicky mezi nasyceným a nenasyceným stavem. Jestliže bude magnetický materiál v takovém případě využit na svou maximální kapacitu podle vynálezu a bude periodicky překračován stav magnetického nasycení, potom celkové jmenovité hodnoty motoru budou vyšší než původně, a to nemusí být žádoucí pro konkrétní použití, kdy je požadován motor jmenovitého výkonu, který má pouze lepší účinník a užitné vlastnosti než standartní motor, který ale nemá mít zvýšený výkon. Výhodou vynálezu tedy je,, že mohou být rekonstruovány existující motory, aby ve shodě s vynálezem pracovaly periodicky mezi nasyceným a nenasyceným stavem, takže standartní kostra motoru může nyní dávat vyšší výkon při lepším účinníku a s vyšší účinností než bylo dřív možné.

I když pokládáme předchozí popis činnosti motoru za nejlépe vystihující fyzikální jevy vyskytující se při činnosti motoru, nemá toto vysvětlení žádným způsobem omezovat rozsah vynálezu, protože činnost motoru nebo stroje může být jednou vysvětlena lépe.

Výraz ve fázi byl shora vysvětlen ve vztahu k polohám vektorů proudů v hlavní'.’-; vinutích a sousedních řídících vinutích. Výraz mimo fázi znamená změnu z normálního stavu ve fázi mezi polohami vektorů těchto proudů. Nelze proto udat žádné omezení nebo hodnotu úhlu, která by definovala polohu vektoru mimo fázi.

Je třeba uvést, že vynález není omezen na určitou vyobrazenou nebo popsanou konstrukci motoru nebo stroje. Předchozí popis je pouze názorným příkladem a ne vymezením.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vícefázový elektrický stroj, zahrnující stator s jádrem z magnetického materiálu, rotor a hlavní vícefázové statorové vinutí navinuté na jádru z magnetického materiálu, vyznačující se tím, že vinutí každé fáze hlavního vícefázového statorového vinutí (24) je zapojené do série s jedním kondezátorem (28) a je spojené s vinutím odlišné fáze řídicího vinutí (30) navinutého na jádru z magnetického materiálu v opačném smyslu.
2. Vícefázový elektrický stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že je trojfázový a vinutí jednotlivých fází ( A, B, C) hlavního vinutí (24) a vinutí jednotlivých fází (A', B', C') řídicího vinutí (30) jsou proti sobě vzájemně radiálně postavena tak, že vinutí vždy jedné fáze hlavního vinutí (24) je postaveno proti vinutí nesouhlasné fáze řídicího vinutí (30) AB' , BC* , CA’.
3. Vícefázový elektrický stroj podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že středy pólů hlavních vinutí (24) se magneticky překrývají s magnetickými póly řídicího vinutí (30) a středy pólů řídicích vinutí (30) se magneticky překrývají s.magnetickými póly hlavních vinutí (24).
4. Vícefázový elektrický stroj podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že středy pólů řídicích vinutí (30) jsou magneticky umístěny mezi póly hlavních vinutí (24).
5. Vícefázový elektrický stroj podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že řídicí vinutí. (.30)„jsou vinuta._ radiálně _vné hlavních vinutí (24).
6.. Vícefázový elektrický stroj podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že hlavní vinutí (24) jsou vinuta radiálně vně řídicích vinutí (30).
7. Vícefázový elektrický stroj podle některého z nároku 1 až 6, vyznačující se tím, že kondenzátor (28) spojený s každým vinutím hlavního vinutí (24) je schopen nabití na napětí postačující v součtu se střídavým síťovým napětím k vyvolání většího magnetického toku napříč magnetickým materiálem statorového jádra než je magnetický tok potřebný k nasyceni magnetického materiálu.