JP2024502380A - energy efficiency induction motor - Google Patents
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Abstract
本発明は、ステータと、回転磁場(RMF)を生成するためのステータのメイン巻き線(M)と、RMFによりステータのメイン巻き線(M)に対して回転するように配置されたロータとを備えたエネルギー効率誘導モータに関する。ステータは、ロータの回転により1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に誘導される交流EMFを生成するための追加の巻き線(A)を備えている。1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に作り出される交流EMFは、ステータに結合された電子制御ユニットを通してロータの完全な回転サイクルを通してステータのメイン巻き線(M)に同時にフィードバックされ、ステータのメイン巻き線(M)に連続して供給される得られたAC出力電力を作り出す。The present invention comprises a stator, a main winding (M) of the stator for generating a rotating magnetic field (RMF), and a rotor arranged to rotate relative to the main winding (M) of the stator by the RMF. The present invention relates to an energy efficient induction motor with. The stator comprises additional windings (A) for generating alternating current emfs induced in one or more additional windings (A) by rotation of the rotor. The alternating current EMF created in one or more additional windings (A) is simultaneously fed back to the main winding (M) of the stator throughout a complete rotational cycle of the rotor through an electronic control unit coupled to the stator. producing the resulting AC output power that is continuously supplied to the main winding (M) of.
Description
本発明は概して、エネルギー効率誘導モータに関し、より詳細には、ステータ巻き線で発生されるEMFを収集および操作し、したがって、モータを駆動するための動力要件の重要な部分を補うことによって、同じ容量の従来のモータと比較して、より少ない電流を消費する誘導モータに関する。 The present invention relates generally to energy-efficient induction motors, and more particularly, by collecting and manipulating the EMF generated in the stator windings and thus supplementing a significant portion of the power requirements for driving the motor, the same Regarding induction motors that consume less current compared to capacity conventional motors.
エネルギー需要の極端な増加で、様々なセクター、産業またはその他が、持続可能な形のエネルギーを採用し、再生可能なエネルギー源を利用することに目を向けている。これは、エネルギー要件および需要と同等となるように、生成されるエネルギー/動力を管理および保存するエネルギー効率デバイスを提供する必要性に関連付けられている。 With the extreme increase in energy demand, various sectors, industries or others are looking to adopt sustainable forms of energy and utilize renewable energy sources. This is associated with the need to provide energy efficiency devices that manage and store the energy/power produced to match energy requirements and demands.
技術の進化で、電気モータは、エネルギー資源の過剰な使用を要求する、様々な応用例で主な駆動動力として産業で使用されてきた。特に、三相誘導モータなどの誘導モータは、産業および農業セクターで主に使用され、これらのモータは生成されるエネルギーの合計エネルギーの65%を消費する。したがって、現在使用されている標準的モータと比較して、かなりの量のエネルギーを節約する必要がある。また、エネルギー効率モータを設計するために改良した効率を備えたこのようなモータのランニングコストを減らす必要がある。 With the evolution of technology, electric motors have been used in industry as the main driving power in various applications that require excessive use of energy resources. In particular, induction motors, such as three-phase induction motors, are mainly used in the industrial and agricultural sectors, and these motors consume 65% of the total energy produced. Therefore, there is a need to save a significant amount of energy compared to standard motors currently in use. There is also a need to design energy efficient motors to reduce the running costs of such motors with improved efficiency.
基本的に、モータへの入力電源のタイプ、およびロータのタイプによって、2つのタイプの誘導モータがある。入力電源のタイプに基づいて、誘導モータは、単相誘導モータ、および三相誘導モータとして分類される。モータのタイプに基づいて、誘導モータは、かご形モータおよびスリップリングモータまたは巻取タイプとして分類される。 There are basically two types of induction motors, depending on the type of input power to the motor and the type of rotor. Based on the type of input power source, induction motors are classified as single-phase induction motors, and three-phase induction motors. Based on the type of motor, induction motors are classified as squirrel cage motors and slip ring motors or wound type.
以下は、誘導モータの作動原理の例である。誘導モータのステータ巻き線にAC入力電源が供給される場合、交流流束はAC入力電源によりステータ巻き線の周りに作り出される。この交流流束は、同期速度で回転する。回転している流束は、「回転磁場」(RMF)と呼ばれる。 Below is an example of the working principle of an induction motor. When the stator windings of an induction motor are supplied with AC input power, an alternating current flux is created around the stator windings by the AC input power. This alternating flux rotates at a synchronous speed. The rotating flux is called a "rotating magnetic field" (RMF).
ステータRMFとロータ導体の間の相対速度は、ファラデーの電磁誘導の法則にしたがって、ロータ導体内の誘導emfを生じる。ロータ導体は短絡し、したがって、ロータ電流は誘導emfにより作り出される。その動作機構により、このようなモータは誘導モータと呼ばれる。これは、変圧器で生じる動作と同様であり、したがって、誘導モータはまた回転変圧器と呼ばれる。 The relative velocity between the stator RMF and the rotor conductor results in an induction emf in the rotor conductor according to Faraday's law of electromagnetic induction. The rotor conductors are shorted and therefore rotor current is created by the induced emf. Due to its operating mechanism, such motors are called induction motors. This is similar to the operation that occurs in a transformer, so induction motors are also called rotary transformers.
ロータ内の誘導電流はまた、その周りに交流流束を作り出す。このロータ流束は、ステータ流束に後れを取る。レンツの法則によれば、誘導ロータ電流の方向は、その産生の原因に対向する傾向があるようになっている。ロータ電流の産生の原因が回転しているステータ流束とロータの間の相対速度であるので、ロータはステータRMFに追い付こうとする。したがって、ロータは、相対速度を最小限に抑えるために、ステータ流束と同じ方向に回転する。しかし、ロータは、回転しているステータ流束またはRMFの同期速度に追い付くことに成功しない。これは、単相および三相誘導モータの両方の基本的な作動原理である。 The induced current within the rotor also creates an alternating current flux around it. This rotor flux lags behind the stator flux. According to Lenz's law, the direction of the induced rotor current is such that it tends to oppose the cause of its production. The rotor tries to catch up with the stator RMF because the cause of rotor current production is the relative speed between the rotating stator flux and the rotor. Therefore, the rotor rotates in the same direction as the stator flux to minimize relative speed. However, the rotor does not succeed in keeping up with the synchronous speed of the rotating stator flux or RMF. This is the basic working principle of both single-phase and three-phase induction motors.
三相誘導モータでは、三相供給が、高電流の消費を平衡化するために使用される。したがって、三相供給は、3HP定格以上を備えた誘導モータを運転する必要がある。 In three-phase induction motors, a three-phase supply is used to balance the high current consumption. Therefore, a three-phase supply requires operating an induction motor with a 3 HP rating or higher.
電気モータ、特に誘導モータのエネルギー効率は、高度に研究された分野である。誘導モータの効率を上げることによって、とても大量のエネルギーを保存することが可能である。誘導モータを設計するための従来の設計アプローチを使用することによって、産業効率基準を達成することが難しい。 Energy efficiency of electric motors, especially induction motors, is a highly researched area. By increasing the efficiency of induction motors, it is possible to store very large amounts of energy. Industrial efficiency standards are difficult to achieve by using traditional design approaches for designing induction motors.
現在既存の高効率誘導モータでは、設計変更は高品質コアを組み込み、モータの作動効率を向上させるために材料を巻き取ることによって行われる。このような設計変更は、費用効果的でない。近年、かなりの研究および投資が、高品質材料を使用する代わりに、エネルギー節約側で行われており、様々な設計変形形態により電気モータの電流効率を改良するための努力が行われている。 In currently existing high-efficiency induction motors, design changes are made by incorporating high-quality cores and winding materials to improve the motor's operating efficiency. Such design changes are not cost effective. In recent years, considerable research and investment has been made on the energy saving side, instead of using high quality materials, and efforts are being made to improve the current efficiency of electric motors through various design variants.
多くの場合、かご形誘導モータは固定速度応用例に好ましい。しかし、重要な巻取損失により、最適な効率を備えた電流誘導モータは、市販されていない。アモルファスコアおよび銅ロータバーの使用は、効率を増大させるために実施された他の解決法であるが、このような解決法は、費用の全体的な増加につながり、その産業全体での実施は実現可能ではないことがある。 Squirrel cage induction motors are often preferred for fixed speed applications. However, due to significant winding losses, current induction motors with optimal efficiency are not commercially available. The use of amorphous cores and copper rotor bars are other solutions that have been implemented to increase efficiency, but such solutions lead to an overall increase in costs and their implementation across the industry is not realized. Sometimes it's not possible.
特許文献1は、電気駆動システム設計に関する。電気フォークリフト交流電流駆動システムは、かご形誘導モータである。三相巻き線は、ステータの内周面のスロットに配置されている。閉ロータ生成回転磁場誘導は、電流を生成する。電気フォークリフト交流電流駆動システムの三相巻き線空間は、120°電位差により配置されている。かご形ロータであるロータタイプは、ロータ外縁部スロット内に鋳造アルミニウムストリップによって形成される。一定電圧周波数類推制御が逆変換のために正弦パルス幅変調(PWM)およびDC/ACインバータを使用した後、電圧は48Vである。電子モータの基本周波数は、正弦波基準電圧の周波数と同一である。交流電流電子モータによって必要とされる要素が、大きく減らされ、容易に損傷される部分は定期的な交換の必要がなく、保守がほとんど必要ない。直流電流電子モータと比較して、電子モータはより効率的であり、より安定的であり、より丈夫である。 WO 2005/000001 relates to electric drive system design. The electric forklift alternating current drive system is a squirrel cage induction motor. The three-phase windings are arranged in slots on the inner peripheral surface of the stator. The closed rotor generates a rotating magnetic field that generates an electric current. The three-phase winding space of the electric forklift alternating current drive system is arranged with a 120° potential difference. The rotor type, which is a squirrel cage rotor, is formed by cast aluminum strips within the rotor outer edge slots. The voltage is 48V after constant voltage frequency analogy control uses sinusoidal pulse width modulation (PWM) and DC/AC inverter for inversion. The fundamental frequency of the electronic motor is the same as the frequency of the sinusoidal reference voltage. The components required by alternating current electronic motors are greatly reduced, easily damaged parts do not need regular replacement, and little maintenance is required. Compared with direct current electronic motors, electronic motors are more efficient, more stable, and more durable.
特許文献2は、誘導モータ用の改良型エネルギーエコノマイザを保護するモータを開示している。標準的な変更されていないAC誘導モータは、正弦波源からステータ巻き線に結合された正弦波の各サイクルの一部を制御するように動作可能な信号反応波変更器を通して前記源から励起されるそのステータ巻き線を有する。改良型モータ電流復調器は、効率関連パラメータおよび過大なステータ巻き線流入電流に前記電流がゼロから増加する毎に応答して、波変更器を制御するための信号を作り出し、それにより、変化するモータ負荷および電源変更で最適なモータ効率を維持し、信号はまた、前記波変更器を抑制し、それにより、過大な入力電流状態、過大なモータ温度、またはその潜在的に損傷させる組合せ下で前記ステータ巻き線の電気供給を停止するモータ保護回路をも制御する。 US Pat. No. 5,001,000 discloses a motor protecting an improved energy economizer for an induction motor. A standard unmodified AC induction motor is excited from a sinusoidal source through a signal-responsive wave modifier operable to control a portion of each cycle of the sinusoidal wave coupled from the source to the stator windings. with its stator windings. An improved motor current demodulator produces a signal for controlling a wave modifier, thereby changing the efficiency related parameters and in response to each increase in said current from zero to an excessive stator winding inflow current. Maintaining optimal motor efficiency with motor load and power changes, the signal also inhibits the wave changer, thereby reducing the power consumption under excessive input current conditions, excessive motor temperature, or potentially damaging combinations thereof. It also controls a motor protection circuit that de-energizes the stator windings.
特許文献3は、電圧および周波数制御AC波変更器に関する。標準的な変更されていないAC誘導モータは、正弦波電力源からステータ巻き線に結合された正弦波の各サイクルの一部を制御するように動作可能な信号反応波変更器を通して前記源から励起されるそのステータ巻き線を有する。モータのロータに結合された比較的小さいAC発生器を備えた負荷検出手段は、モータに対する負荷の増加でステータ巻き線の場密度を増加させ、負荷の減少でステータ巻き線の場密度を減少させるように波変更器を制御するために、モータに対する負荷と共に変化する制御信号を作り出す。 WO 2005/000032 relates to voltage and frequency controlled AC wave modifiers. A standard unmodified AC induction motor is excited from a sinusoidal power source through a signal-responsive wave modifier operable to control a portion of each cycle of the sinusoids coupled to the stator windings. has its stator windings. A load sensing means comprising a relatively small AC generator coupled to the rotor of the motor increases the field density in the stator windings with increasing loads on the motor and decreases the field density in the stator windings with decreasing loads. To control the wave modifier, a control signal is created that varies with the load on the motor.
特許文献4は、誘導モータを励起するためのエネルギー節約AC電力制御システムを開示している。ここで、低速動作の可変比に対して低い固定比で低電力要件のための合計電力入力を減少させるために、エネルギーの短いバーストを提供するように正弦波電力源の周波数の2倍である繰返し比を有する鋸歯形制御信号の列(シーケンス)によって励起されるゲート電極を備えた制御システムにTRIACを通して接続された正弦波電源を記載している。 U.S. Pat. No. 5,300,300 discloses an energy saving AC power control system for exciting an induction motor. Here, the frequency of the sinusoidal power source is twice the frequency to provide short bursts of energy to reduce the total power input for low power requirements with a low fixed ratio versus a variable ratio for slow operation. A sinusoidal power supply is described connected through a TRIAC to a control system with a gate electrode excited by a sequence of sawtooth control signals having a repetition rate.
特許文献5は、直流電流電気モータ用電子通信を開示している。直流電流電子モータは、互いに相互接続された複数のコイル、および特定のrpmの下の強制通信および前記rpmの上の自己通信に応答する複数のゲート制御固体整流器からなるステータを備え、これらの整流器は、前記整流器がこれによって動作されるステータコイル接合点内にまたはそこから電流を選択的に流すためにコイルの接合点に接続されている。これは、モータのロータの極から角度付けして変位され、ロータが回転するときに位置がシフトする複数のステータ極を作り出す。様々なゲート電極の励起を制御するための複数のトリガアセンブリが提供され、前記トリガアセンブリはそれぞれ、ロータが回転するときにピックアップコイルに対して移動される磁気要素の位置によりその共振周波数が変化する周波数選択回路の一部を形成するピックアップコイルを備えている。正弦波発振器は、トリガアセンブリ内で周波数選択回路に結合され、発信器は2つの異なる出力周波数のいずれかを作り出すように動作し、ロータの回転の速度に反応する電子スイッチは、発振器の出力周波数を選択的に変化させる。これらの周波数の1つは、全てのロータ位置でトリガアセンブリ動作、および信頼性のある開始および極めて低速な動作に対する進化したSCRトリガタイミングを含む。他の周波数は、中および高速で作動する最も効率的なモータに対するSCRトリガタイミングを遅くする。 US Pat. No. 5,001,201 discloses electronic communication for a direct current electric motor. A direct current electronic motor comprises a stator consisting of a plurality of coils interconnected with each other and a plurality of gated solid state rectifiers responsive to forced communication below a certain rpm and self communication above said rpm, these rectifiers is connected to the coil junctions for selectively passing current into or from the stator coil junctions by which the rectifier is operated. This creates multiple stator poles that are angularly displaced from the poles of the motor's rotor and shift in position as the rotor rotates. A plurality of trigger assemblies are provided for controlling the excitation of the various gate electrodes, each trigger assembly having its resonant frequency varied by the position of the magnetic element that is moved relative to the pickup coil as the rotor rotates. It includes a pickup coil that forms part of the frequency selection circuit. The sine wave oscillator is coupled to a frequency selection circuit within the trigger assembly, the oscillator is operated to produce one of two different output frequencies, and an electronic switch responsive to the speed of rotation of the rotor selects the output frequency of the oscillator. selectively change. One of these frequencies includes trigger assembly operation at all rotor positions and advanced SCR trigger timing for reliable starting and very slow operation. Other frequencies slow down the SCR trigger timing for most efficient motors operating at medium and high speeds.
特許文献6は、誘導モータ用のエネルギーエコノマイザ制御電流開始および保護を開示している。この文献は、低負荷中にモータに対する電流を減少させるために、ステータ巻き線への電力入力の正弦波の一部の制御用の流入電流パラメータに関連する電圧パルスを生成するように動作可能なサンプル変圧器を記載している。それは、開始動作モード中にモータトルクの最大値を選択するための「手動設定可能手段」にさらに限られる。 US Pat. No. 5,200,303 discloses energy economizer control current initiation and protection for induction motors. This document is operable to generate voltage pulses related to incoming current parameters for control of a sinusoidal portion of the power input to the stator windings in order to reduce the current to the motor during low loads. A sample transformer is listed. It is further limited to "manually settable means" for selecting the maximum value of the motor torque during the starting operating mode.
特許文献7は、使用方法を含む効率最大化モータコントローラが、制御要素を通して電源からの既存モータ負荷用の電流およびメイン電圧の供給を計算および最適化するデジタル信号プロセッサ(DSP)での誘導モータへの電力伝達を有することを開示している。制御要素は、標準TRIAC、電界効果トランジスタ、絶縁ゲート双極トランジスタ、三象限TRIACまたは他の選択制御要素を含むことができる。モータ負荷および他のモータパラメータに対する電流要件のデジタル計算およびモータ制御フィードバックは、全てのモータ使用条件に対してモータ電流最適化を行うために、100万分の数秒で計算される。電流に対するモータ負荷要件およびその電流の供給の計算は、同時であることが効果的である。 U.S. Pat. No. 5,203,003 describes a method of using an efficiency maximizing motor controller to an induction motor with a digital signal processor (DSP) that calculates and optimizes the supply of current and mains voltage for an existing motor load from a power source through a control element. It is disclosed that the power transmission is as follows. The control elements may include standard TRIACs, field effect transistors, insulated gate bipolar transistors, three-quadrant TRIACs, or other selective control elements. Digital calculations of current requirements and motor control feedback for motor load and other motor parameters are calculated in millionths of a second to provide motor current optimization for all motor usage conditions. Advantageously, the calculation of the motor load requirement for current and the supply of that current is simultaneous.
したがって、同じ容量のあらゆる従来のモータと比較して少ない電流を消費し、モータを駆動するための電力要件の主な部分を補うためにモータによって生成される電力を効率的に収集するエネルギー効率誘導モータの需要が存在する。 Energy efficient induction therefore consumes less current compared to any conventional motor of the same capacity and efficiently harvests the power produced by the motor to supplement the main part of the power requirement to drive the motor There is a demand for motors.
従来および伝統的なアプローチの制限および欠点は、本願の残りにおよび図面を参照して記載したように、本発明のいくつかの態様で記載したシステムの比較を通して、当業者には明らかになるだろう。 Limitations and shortcomings of conventional and traditional approaches will become apparent to those skilled in the art through a comparison of the systems described in some aspects of the invention, as described in the remainder of this application and with reference to the drawings. Dew.
本発明の主な目的は、モータを作動させるための電力要件の主な部分を補うために、同じ容量の従来のモータと比較して、より少ない電流を消費し、入力電力要件に関して妥協することなく、あらゆる出力要件に対する三相メインAC電源の代わりに、単相メインAC電源によって作動することができる、エネルギー効率誘導モータを開発することである。 The main objective of the present invention is to consume less current and compromise on input power requirements compared to conventional motors of the same capacity, in order to compensate for the main part of the power requirements for operating the motor. The object of the present invention is to develop an energy efficient induction motor that can be operated by a single phase mains AC power supply instead of a three phase mains AC power supply for all power requirements.
本発明の別の目的は、より高い電流効率を保証するのに最も良く適した、オーダーメイドのステータ巻き線設計に結合された排他的に設計された電子モジュールを備えたエネルギー効率誘導モータを開発することである。 Another object of the invention is to develop an energy efficient induction motor with an exclusively designed electronic module combined with a tailored stator winding design, best suited to guarantee higher current efficiency. It is to be.
本発明の別の目的は、エネルギー効率誘導モータを開発することであり、誘導モータのステータ巻き線は、ロータの完全回転サイクル中にステータ巻き線内で生成される交流EMFによる連続して供給された得られた電力であり、したがって、交流EMF(生成されたEMF)は、モータの連続稼働中の主な供給電力源として働く。 Another object of the present invention is to develop an energy efficient induction motor, the stator winding of which is continuously fed by an alternating current emf generated in the stator winding during a complete rotation cycle of the rotor. The AC EMF (generated EMF) thus serves as the main supply power source during continuous operation of the motor.
本発明の別の目的は、同じ出力要件に対して三相モータと比較して、より低い電気、磁気および熱損失を有する単相誘導モータを設計することである。さらに、磁気および熱損失は、同じ出力電力要件の三相モータと比較して少ない。 Another object of the invention is to design a single phase induction motor with lower electrical, magnetic and thermal losses compared to a three phase motor for the same power requirements. Additionally, magnetic and thermal losses are less compared to three-phase motors with the same output power requirements.
本発明の別の目的は、産業的に製造することができ、費用効果的なエネルギー効率誘導モータを設計することであり、それによって、広範囲な応用可能性に対して産業および農業セクターに幅広く入手可能である。 Another objective of the present invention is to design an energy efficient induction motor that can be manufactured industrially and is cost effective, thereby making it widely available in the industrial and agricultural sectors for a wide range of application possibilities. It is possible.
特許請求の範囲により完全に記載されているように、図面の少なくとも1つに示されたおよび/またはこれに関して記載されたように、同じ容量の従来のモータと比較して、より少ない電流を消費するエネルギー効率誘導モータが開示されている。 Consumes less current compared to a conventional motor of the same capacity as shown in and/or described in at least one of the drawings, as more fully described in the claims. An energy efficient induction motor is disclosed.
エネルギー効率誘導モータは、ステータのメイン巻き線にメインAC電源を提供したとき回転磁場(RMF)を生成するためのメイン巻き線を備えたステータと、RMFによりステータのメイン巻き線に対して回転するように配置されたロータとを含む。ステータはさらに、ロータの回転により追加の巻き線内で誘導される交流EMFを生成するための1つまたは複数の追加の巻き線を含む。1つまたは複数の追加の巻き線内で作り出される交流emfはその後、収集され、操作され、ステータに結合された電子制御ユニット(ECU)を通してロータの完全な回転サイクルを通してステータのメイン巻き線に同時にフィードバックされる。ロータの回転中にこのように作り出されたエネルギーは、モータが発生器として部分的に機能するときに、誘導モータのエネルギー要件の主な部分を満たす。 An energy efficient induction motor comprises a stator with a main winding for generating a rotating magnetic field (RMF) when main AC power is provided to the stator's main winding, and the RMF causes the stator's main winding to rotate relative to the stator's main winding. and a rotor arranged as shown in FIG. The stator further includes one or more additional windings for generating alternating current EMFs induced in the additional windings by rotation of the rotor. The alternating current emf produced in one or more additional windings is then collected, manipulated, and simultaneously applied to the main windings of the stator through a complete rotational cycle of the rotor through an electronic control unit (ECU) coupled to the stator. Feedback will be given. The energy thus created during rotation of the rotor satisfies the main part of the energy requirements of the induction motor when the motor functions partly as a generator.
1つまたは複数の追加の巻き線内に作り出される交流EMFは、ECUに供給される。ECUは、メインAC電源のAC電圧および1つまたは複数の追加の巻き線内に作り出される交流EMFをそれぞれのDC電力に変換するための整流回路を含む。得られたDC電力は、それぞれのDC電力を加えることによって得られる。 The alternating current EMF created in one or more additional windings is supplied to the ECU. The ECU includes a rectifier circuit for converting the AC voltage of the main AC power supply and the alternating current EMF created in one or more additional windings into respective DC power. The resulting DC power is obtained by adding the respective DC powers.
得られたDC電力はその後、ECU内にインバータ回路によって得られたAC出力電力に変換される。ECUは、得られたAC出力電力の電圧および周波数を変化させるように構成された可変周波数駆動(VFD)制御モジュールを含む。 The obtained DC power is then converted into the obtained AC output power by an inverter circuit within the ECU. The ECU includes a variable frequency drive (VFD) control module configured to vary the voltage and frequency of the resulting AC output power.
ECUはまた、メインAC電源の周波数と得られたAC出力電力の周波数を同期させるように構成された周波数同期回路を含む。この段階では、ECUは切断スイッチを介してステータへの直接メインAC電源を切断してもよく、ステータはECUによって得られたAC出力電力のみが連続して供給される。 The ECU also includes a frequency synchronization circuit configured to synchronize the frequency of the main AC power source and the frequency of the resulting AC output power. At this stage, the ECU may disconnect the direct main AC power to the stator via the disconnect switch, and the stator is continuously supplied with only the AC output power obtained by the ECU.
本発明のこれらおよび他の機構および利点は、添付の図に沿って、本発明の以下の詳細な記載を検討することにより理解されてもよく、同様の参照番号は全体を通して同様の部品のことを言う。 These and other features and advantages of the present invention may be understood by considering the following detailed description of the invention, taken in conjunction with the accompanying figures, and like reference numerals refer to like parts throughout. say.
以下に記載した実施は、ステータのメイン巻き線にメインAC電源を提供したとき回転磁場(RFM)を発生するためのメイン巻き線を備えたステータと、RMFによるステータのメイン巻き線に対して回転するように配置されたロータとを含む開示されたエネルギー効率誘導モータで見られてもよい。ステータはさらに、ロータの回転により1つまたは複数の追加の巻き線内で誘導される交流EMFを作り出すための1つまたは複数の追加の巻き線を含んでいる。1つまたは複数の追加の巻き線内に作り出される交流emfはその後、収集され、操作され、ステータに結合された電子制御ユニット(ECU)を通してロータの完全回転サイクルを通してステータのメイン巻き線に同時に供給される。ロータの回転中にこのように作り出されるエネルギーは、モータが発生器として部分的に働くときに、誘導モータのエネルギー要件の大部分を満たす。 The implementation described below includes a stator with a main winding for generating a rotating magnetic field (RFM) when main AC power is provided to the main winding of the stator, and a rotating magnetic field with respect to the main winding of the stator due to the RMF. and a rotor arranged to do so. The stator further includes one or more additional windings for creating an alternating current EMF induced in the one or more additional windings by rotation of the rotor. The alternating current emf created in one or more additional windings is then collected, manipulated, and simultaneously fed to the main windings of the stator throughout a complete rotational cycle of the rotor through an electronic control unit (ECU) coupled to the stator. be done. The energy thus created during rotation of the rotor satisfies most of the energy requirements of an induction motor when the motor acts partly as a generator.
1つまたは複数の追加の巻き線内で作りされる交流EMFは、ECUに供給される。ECUは、メインAC電源のAC電圧、および1つまたは複数の追加の巻き線内で作り出される交流EMFをそれぞれのDC電力に変換するための整流回路を含む。得られたDC電力は、それぞれのDC電力を加えることによって得られる。 The alternating current EMF created in one or more additional windings is supplied to the ECU. The ECU includes a rectifier circuit for converting the AC voltage of the main AC power supply and the alternating current EMF created in one or more additional windings into respective DC power. The resulting DC power is obtained by adding the respective DC powers.
得られたDC電力はその後、ECU内でインバータ回路によって得られたAC出力電力に変換される。ECUは、得られたAC出力電力の電圧および周波数を変えるように構成された可変周波数駆動(VFD)制御モジュールを含む。 The obtained DC power is then converted to obtained AC output power by an inverter circuit within the ECU. The ECU includes a variable frequency drive (VFD) control module configured to vary the voltage and frequency of the resulting AC output power.
ECUはまた、メインAC電源の周波数で得られたAC出力電力の周波数を同期させるように構成された周波数同期回路を含む。この段階で、ECUは、切断スイッチを介してステータへの直接メインAC電源を切断してもよく、ステータはECUによって得られたAC出力電力のみが連続的に供給される。 The ECU also includes a frequency synchronization circuit configured to synchronize the frequency of the obtained AC output power with the frequency of the main AC power source. At this stage, the ECU may disconnect the direct main AC power to the stator via the disconnect switch, and the stator is continuously supplied with only the AC output power obtained by the ECU.
一実施形態によると、ECUは、誘導モータに負荷を加えたとき、電圧ピークと電流ピークの間の時間差を測定することによって電圧および電流における位相差を算出するように構成されたマイクロプロセッサを含む。 According to one embodiment, the ECU includes a microprocessor configured to calculate a phase difference in voltage and current by measuring a time difference between a voltage peak and a current peak when a load is applied to the induction motor. .
ECUは、複数のキャパシタを備えたキャパシタバンクを含み、複数のキャパシタの各キャパシタはその独自の容量値を有する。キャパシタバンクは、誘導モータの負荷を平衡化し、誘導モータへの電力入力およびメイン電力ラインの力率(PF)を安定化させる。キャパシタバンクは、誘導モータが曝される負荷の量に基づいて容量を変える複数のキャパシタを備えている。負荷の量は、ECUにおける電流変圧器(CT)コイルによって測定されたアンペア数の意味で反映される。 The ECU includes a capacitor bank with a plurality of capacitors, each capacitor of the plurality of capacitors having its own capacitance value. The capacitor bank balances the induction motor load and stabilizes the power input to the induction motor and the power factor (PF) of the main power line. The capacitor bank includes a plurality of capacitors that vary in capacitance based on the amount of load to which the induction motor is exposed. The amount of load is reflected in the sense of amperage measured by the current transformer (CT) coil in the ECU.
ECUはさらに、切換(ON/OFF)機能が誘導モータの負荷要件に基づいて誘導モータに電力を提供するようにキャパシタバンクから複数のキャパシタの1つのキャパシタを選択することを可能にするためのTRIACを含む。ECUは、ECU内でTRIACをスイッチオンすることによって、キャパシタバンクから所要の値の容量を追加する。負荷が増加すると、容量の値が増加する。負荷が変化すると、ECUはTRIACを切り換えることによって、キャパシタバンク内の容量値を変える。 The ECU further includes a TRIAC to enable a switching (ON/OFF) function to select one of the plurality of capacitors from the capacitor bank to provide power to the induction motor based on the induction motor's load requirements. including. The ECU adds the required value of capacitance from the capacitor bank by switching on the TRIAC within the ECU. As the load increases, the value of capacitance increases. When the load changes, the ECU changes the capacitance value in the capacitor bank by switching the TRIAC.
一実施形態によると、TRIACの切換機能は制御デバイスによって制御される。制御デバイスは、ECU内に配置される、またはECUの外部にある、のいずれかである。制御デバイスは、これに限らないが、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、マイクロプロセッサまたはネットワーク操作演算デバイスを含む。 According to one embodiment, the switching function of the TRIAC is controlled by a control device. The control device is either located within the ECU or external to the ECU. Control devices include, but are not limited to, microcontrollers, digital signal processors (DSPs), microprocessors, or network operating computing devices.
図1は、本発明の例示的実施形態による、エネルギー効率誘導モータの様々な構成部品および動作を示す略図である。図1を参照すると、ステータ102およびロータ104と、メインAC電源106と、ステータ102のメイン巻き線(M)と、ステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)と、メイン巻き線(M)内で生成される回転磁場(RMF)108と、1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に作り出される交流EMF110と、電子制御ユニット(ECU)112と、制御デバイス114と、誘導モータ100の得られたAC出力電力116および負荷118とを備えた誘導モータ100が示されている。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating various components and operation of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 1, a stator 102 and a rotor 104, a main
ステータ102は、メイン巻き線(M)および1つまたは複数の追加の巻き線(A)を備えている。メイン巻き線(M)および追加の巻き線(A)のそれぞれの終端部は、ECU112に接続される。
Stator 102 includes a main winding (M) and one or more additional windings (A). The terminal ends of each of the main winding (M) and the additional winding (A) are connected to
ステータ102のメイン巻き線(M)は、電力入力を提供するように、メインAC電源106をメイン巻き線(M)に接続したときRMF108を生成する。
The main winding (M) of the stator 102 produces RMF 108 when a main
ロータ104は、メイン巻き線(M)内に作り出されたRMF108により、ステータ102のメイン巻き線(M)に対して回転するように配置されている。ステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)は、ロータ104の回転により1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で誘導される交流EMF110を作り出す。メイン巻き線(M)および1つまたは複数の追加の巻き線(A)は、単芯ワイヤまたは多芯ワイヤを含んでいてもよい。
The rotor 104 is arranged to rotate relative to the main winding (M) of the stator 102 due to the RMF 108 created within the main winding (M). One or more additional windings (A) of stator 102 create an alternating
1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で作り出された交流EMF110はその後、収集され、操作され、ステータ102に結合されたECU112を通してロータ104の完全な回転サイクルを通してステータ102のメイン巻き線(M)に同時にフィードバックされる。ロータ104の回転中にこのように作り出されたエネルギー(交流EMF110)は、誘導モータ100が発生器として部分的に機能するときに、誘導モータ100のエネルギー要件の主な部分を満たす。
The alternating
ステータ(102)およびロータ(104)に関連する構成および動作詳細はさらに、図2、図3、図4、図5、図6および図7と併せて記載される。 Configuration and operational details related to stator (102) and rotor (104) are further described in conjunction with FIGS. 2, 3, 4, 5, 6, and 7.
ステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で作り出された交流EMF110は、ECU112に供給される。ECU112は、メインAC電源106のAC電圧および1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で作り出された交流EMF110をそれぞれのDC電力に変換する。得られたDC電力は、それぞれのDC電力を追加することによって得られる。
The alternating
得られたDC電力はその後、ECU112内で回路によって得られたAC出力電力116に変換される。ECU112はその後、ステータ102のメイン巻き線(M)に得られたAC出力電力116を供給する。したがって、ステータ102は、得られたAC出力電力116のみが連続して供給される。
The resulting DC power is then converted to AC output power 116 by circuitry within the
制御デバイス114は、ECU112の機能に対して重要である。制御デバイス114は、回転している間にロータ104によって生成された所要のトルク、周波数、および電力(交流EMF110)を提供することによって、ロータ104を回転させ、負荷118を駆動するのに必要な供給電力/エネルギー(RMF108)を制御する。制御デバイス114は、ECU112内に配置される、またはECU112の外部にある、のいずれかである。制御デバイス114は、これに限らないが、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、マイクロプロセッサまたはECU112の外部のネットワーク操作演算デバイスを含み得る。
Control device 114 is critical to the functioning of
メインAC電源106は、電力をECU112に提供し、その後、その機能を行い、負荷118を駆動するために誘導モータ100に所要の電力またはトルクを提供する。トルクを発達させるのに必要なエネルギーは、メインAC電源106のメイン電力ライン、およびロータ104の回転によりステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で生成される交流EMF110によって集合的に提供される。
Main
ECU112の様々な実施形態はさらに、図8および図9と併せて記載される。以下にさらに詳細に記載するように、ECU112は多数の機能部品および構成部品を含んでもよい。代替形態では、または加えて、多数のECUは誘導モータ100で利用してもよい。
Various embodiments of
図2は、本発明の例示的実施形態による、エネルギー効率誘導モータのステータの図である。図2を参照すると、フレームまたはヨーク202、ステータコア204、ステータスロット206およびステータ巻き線208を含む、ステータ102が示されている。 FIG. 2 is a diagram of a stator of an energy efficient induction motor, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 2, stator 102 is shown including frame or yoke 202, stator core 204, stator slots 206, and stator windings 208.
フレームまたはヨーク202は、きめ細かい合金鋳鉄またはアルミニウム合金で作られ、ステータ102の一体部を形成する。フレームまたはヨーク202の主な機能は、誘導モータ100の他の洗練された構成部品または部分に対して保護カバーを提供することである。 The frame or yoke 202 is made of fine-grained alloy cast iron or aluminum alloy and forms an integral part of the stator 102. The primary function of the frame or yoke 202 is to provide a protective cover for other sophisticated components or parts of the induction motor 100.
ステータコア204は、電気グレード鋼のシートからパンチ加工されたステータスロット206を含む積層から作られている。ステータスロット206内に設けられた空間は、1つまたは複数のセットの巻き線ワイヤを含むステータ巻き線208を収納するのに十分である。関連する態様では、ステータスロット206内に設けられた空間は、従来のスロットより大きくてもよい。巻き線ワイヤは、従来のモータで使用されるもののような絶縁ワイヤである。ステータスロット206のサイズは、ステータ巻き線208の均一な分配のために調節および維持されてもよい。 Stator core 204 is made from laminations that include stator slots 206 punched from sheets of electrical grade steel. The space provided within stator slot 206 is sufficient to accommodate stator windings 208, including one or more sets of winding wires. In a related aspect, the space provided within stator slot 206 may be larger than conventional slots. The winding wire is an insulated wire such as that used in conventional motors. The size of stator slots 206 may be adjusted and maintained for uniform distribution of stator windings 208.
ステータスロット206内に設けられた空間は、ロータ104を回転させるために必要な供給電力/エネルギー(RMF108)を運ぶメイン巻き線(M)と、ロータ104が回転している間に、1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で誘導される電力(交流EMF110)の伝達のために使用される1つまたは複数の追加の巻き線(A)とを含む1つまたは複数のセットの巻き線ワイヤを収納するように構成されている。ロータ104の回転中に作り出されるエネルギー(交流EMF110)は、誘導モータ100が発生器として部分的に機能するときに、誘導モータ100のエネルギー要件の一部を満たす。 The space provided within the stator slot 206 is provided with a main winding (M) that carries the supply power/energy (RMF 108) required to rotate the rotor 104, and one or one or more sets of windings comprising one or more additional windings (A) used for the transfer of electrical power (AC EMF 110) induced in the plurality of additional windings (A); The wire is configured to house the line wire. The energy created during rotation of rotor 104 (alternating current EMF 110) satisfies a portion of the energy requirements of induction motor 100 when it functions in part as a generator.
さらに、ステータ102は、空隙の均一性を保証するために注意深く機械加工された切り込みおよび穴を含む。誘導モータ100のステータ102内で使用されるシャフトおよび軸受は、あらゆる他の従来の誘導モータのようである。適切なサイズのボール軸受は、回転摩擦を減らし、径方向および軸方向負荷を支持するために使用される。ファンは、空気の適当な循環がステータ巻き線208を冷却することを可能にするために設けられている。誘導モータ100内で生成される熱は、より少ない電流消費のため、およびステータ巻き線208、すなわちロータ104を回転させるために必要な供給電力/エネルギー(RMF108)に対応するメイン巻き線(M)、およびロータ104が回転している間に1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で生成される電力(交流EMF110)の伝達に対応する1つまたは複数の巻き線(A)の相互に対向する動作により比較的少ない。したがって、冷却ファンのサイズを小さくすることができ、したがって、その点において一部のエネルギーを節約する。軸受は、シャフトの端部に格納され、フレームまたはヨーク202に固定されている。 Additionally, stator 102 includes carefully machined cuts and holes to ensure void uniformity. The shaft and bearings used within stator 102 of induction motor 100 are like any other conventional induction motor. Appropriately sized ball bearings are used to reduce rotational friction and support radial and axial loads. A fan is provided to allow adequate circulation of air to cool the stator windings 208. The heat generated within the induction motor 100 is transferred to the stator winding 208, i.e. the main winding (M) corresponding to the supplied power/energy (RMF 108) required to rotate the rotor 104, due to lower current consumption. , and one or more windings (A) to each other corresponding to the transfer of electrical power (AC EMF 110) generated in the one or more additional windings (A) while rotor 104 is rotating. Relatively little due to opposing movements. Therefore, the size of the cooling fan can be reduced, thus saving some energy in that regard. The bearing is housed in the end of the shaft and fixed to the frame or yoke 202.
ステータ102に必要とされる極の数および巻き線の数は、同期速度が等式Ns=120f/Pにしたがって、周波数に直接比例し、極の数に反比例し、式中、「Ns」は同期速度であり、「f」は周波数であり、「P」は極の数であるので、誘導モータ100の速度に基づいて決定される。 The number of poles and number of windings required for the stator 102 is such that the synchronous speed is directly proportional to the frequency and inversely proportional to the number of poles according to the equation Ns=120f/P, where "Ns" The synchronous speed is determined based on the speed of the induction motor 100 since "f" is the frequency and "P" is the number of poles.
本発明の例示的実施形態によると、ステータ102は、6つの極に必要とされるような合計24のスロットを備え、各極は図1に示すように4つのスロットを有する。各スロットは、1セットの2つの巻き線ワイヤ、ロータ104を回転させるために必要な供給電力/エネルギー(RMF108)に対応するメイン巻き線(M)、およびロータ104が回転している間に、1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で生成される電力(交流EMF110)の伝達に対応する1つまたは複数の追加の巻き線(A)を備えている。これらの巻き線のそれぞれの終端部は、ECU112に接続される。
According to an exemplary embodiment of the invention, stator 102 includes a total of 24 slots as required for six poles, each pole having four slots as shown in FIG. Each slot has one set of two winding wires, a main winding (M) corresponding to the supplied power/energy (RMF 108) required to rotate the rotor 104, and a One or more additional windings (A) are provided corresponding to the transfer of electrical power (AC EMF 110) generated in the one or more additional windings (A). The terminal ends of each of these windings are connected to
図3は、本発明の例示的実施形態による、エネルギー効率誘導モータのロータの図である。図3を参照すると、鋼材積層302、アルミニウムバー304、ロータシャフト306および端部リング308を備えたロータ104が示されている。
FIG. 3 is a diagram of a rotor of an energy efficient induction motor, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 3, rotor 104 is shown with
この特定の実施形態では、ロータ104はかご形タイプロータである。ロータ104は、ロータ104の鋼材積層302を分離するためのアルミニウムバー304を備えた、鋼材積層302のシリンダを含む。いくつかの実施形態では、ロータ104は、ロータシャフト306に平行またはほぼ平行であり、ロータ104の表面近くで、その表面内に埋め込まれた高導電性金属(典型的には、アルミニウムまたは銅)を含んでもよい。ロータ104の両端部で、ロータ導体は、ロータ導体と同様の材料の連続端部リング308によって短絡される。ロータ導体およびその端部リング308はそれに自体で、完全な閉回路を形成する。
In this particular embodiment, rotor 104 is a squirrel cage type rotor. The rotor 104 includes a cylinder of
交流電流がステータ巻き線208を通して流れる場合、RMF108が作り出される。これは、ロータ巻き線内で電流を誘導し、その独自の磁場を作り出す。ステータおよびロータ巻き線によって作り出された磁場の相互作用は、ロータ104上にトルクを作り出す。 When an alternating current flows through stator windings 208, RMF 108 is created. This induces a current within the rotor windings, creating its own magnetic field. The interaction of the magnetic fields created by the stator and rotor windings creates torque on the rotor 104.
RMF108は、短絡電流をロータバー内に流し始めさせるロータバー内に電圧を誘導する。これらのロータ電流は、ステータ102のRMF108と相互作用するその自己磁場を生成する。ロータ場は、RMF108である、その対象に対向しようとする。したがって、ロータ104はRMF108についていき始める。ロータ104がRMF108についていくときに、RMF108とロータ104の間の相対動作がこれ以上ないので、ロータ電流はゼロに下がる。したがって、ロータ104がゼロ接線力を経験すると、ロータ104はその時に対して減速する。ロータ104の減速の後に、ロータ104とRMF108の間の相対動作が再確立され、したがって、ロータ電流は再び誘導される。したがって、ロータ104の回転のための接線力は再び回復され、ロータ104はRMF108の後に再び回転し始める。このように、ロータ104は、RMF108の速度または同期速度(Ns)より低い一定速度を維持する。 RMF 108 induces a voltage in the rotor bar that causes a short circuit current to begin flowing into the rotor bar. These rotor currents generate their own magnetic fields that interact with the RMF 108 of the stator 102. The rotor field attempts to oppose its object, which is RMF 108. Therefore, rotor 104 begins to keep up with RMF 108. As rotor 104 follows RMF 108, the rotor current drops to zero since there is no more relative motion between RMF 108 and rotor 104. Therefore, when rotor 104 experiences zero tangential force, rotor 104 decelerates relative to the moment. After deceleration of rotor 104, relative motion between rotor 104 and RMF 108 is reestablished, and thus rotor current is induced again. Therefore, the tangential force for rotation of rotor 104 is restored again and rotor 104 starts rotating again after RMF 108. In this way, rotor 104 maintains a constant speed that is lower than the speed of RMF 108 or the synchronous speed (Ns).
図4は、本発明の例示的実施形態による、端末を示すエネルギー効率誘導モータのステータ巻き線の図である。図4を参照すると、第1のセットの巻き線(M1、M2)の位相Iのモータ巻き線端末(供給電力入力)、第2のセットの巻き線(MM1、MM2)の位相IIのモータ巻き線端末(供給電力入力)、第3のセットの巻き線(MMM1、MMM2)の位相IIIのモータ巻き線端末(供給電力入力)、第1のセットの巻き線(A1、A2)の位相Iのモータ巻き線端末(交流EMF出力)、第2のセットの巻き線(AA1、AA2)の位相IIのモータ巻き線端末(交流EMF出力)、および第3のセットの巻き線(AAA1、AAA2)の位相IIIのモータ巻き線端末(交流EMF出力)を含むステータ巻き線208が示されている。 FIG. 4 is a diagram of a stator winding of an energy efficient induction motor showing terminals, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 4, the phase I motor winding terminals (supply power input) of the first set of windings (M1, M2), the phase II motor windings of the second set of windings (MM1, MM2) Motor winding terminals (supply power input) of phase III of the third set of windings (MMM1, MMM2), phase I of the first set of windings (A1, A2) motor winding terminals (AC EMF output), phase II motor winding terminals (AC EMF output) of the second set of windings (AA1, AA2), and of the third set of windings (AAA1, AAA2). Stator windings 208 are shown including phase III motor winding terminals (AC EMF output).
M1およびM2、MM1およびMM2、およびMMM1およびMMM2は、ロータ104を回転させるために必要とされる供給電力/エネルギー(RMF108)に対応するステータ102の各巻き線コイルの2つの端部のことを言う。A1およびA2、AA1およびAA2、およびAAA1およびAAA2は、ロータ104が回転している間に、ステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で生成される電力である、交流EMF110の伝達に対応する同じセット内のステータ102のそれぞれの巻き線コイルの2つの端部のことを言う。
M1 and M2, MM1 and MM2, and MMM1 and MMM2 refer to the two ends of each winding coil of stator 102 corresponding to the supplied power/energy (RMF 108) required to rotate rotor 104. To tell. A1 and A2, AA1 and AA2, and AAA1 and AAA2 are the
誘導モータ100の内側の巻き線接続は、本発明の例示的実施形態により以下の通りである。 The internal winding connections of induction motor 100 are as follows according to an exemplary embodiment of the invention.
それぞれメインAC電源106を担持するM1、MM1およびMMM1は、ECU112に接続されている。M2、MM2およびMMM2は、図4に示すように、スター結線を形成するように共に結合される。
M1, MM1 and MMM1, each carrying a main
それぞれ交流EMF110を担持するA1、AA1およびAAA1は、ECU112に接続されている。A2、AA2およびAAA2は、図4に示すように、スター結線を形成するように共に結合される。
A1, AA1 and AAA1, each carrying an
図5は、本発明の例示的実施形態による、1セットのステータ巻き線内で生成された電力の図である。図5を参照すると、正弦波の図が示され、Msはロータ104を回転させるためにステータ102のメイン巻き線(M)によって担持される供給電力/エネルギー(RMF108)に対応する正弦波を示し、Asはロータ104の回転によりステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に生成された交流EMF110に対応する正弦波を示す。
FIG. 5 is a diagram of power generated within a set of stator windings, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 5, a diagram of a sine wave is shown, where M s represents a sine wave corresponding to the supplied power/energy (RMF 108) carried by the main winding (M) of the stator 102 to rotate the rotor 104. , A s indicates a sine wave corresponding to the alternating
図6は、本発明の例示的実施形態による、1セットのステータ巻き線内の流束分配を示す図である。図6を参照すると、ステータ102のメイン巻き線(M)内で作り出された回転磁束M1、およびステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で作り出された交流流束A1が示されている。 FIG. 6 is a diagram illustrating flux distribution within a set of stator windings, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 6, the rotating magnetic flux M1 created in the main winding (M) of the stator 102 and the alternating flux A1 created in one or more additional windings (A) of the stator 102 are It is shown.
回転磁束M1は、誘導モータ100のロータシャフト306を駆動するためのトルクを作り出すために、ステータ102のメイン巻き線(M)内で作り出される。交流流束A1は、ステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に交流EMF110を作り出す/生成する。回転磁束M1および交流流束A1は、位相内にあり、相互に反対の方向である。これらの流束は、120°離れて分配されている。
A rotating magnetic flux M1 is created within the main winding (M) of the stator 102 to create torque for driving the rotor shaft 306 of the induction motor 100. The alternating current flux A1 creates/generates an alternating
図7は、本発明の例示的実施形態による、エネルギー効率誘導モータの電力ライン分配を示す図である。図7を参照すると、電力入力としてのメインAC電源106、生成された電力出力としてのECU112および交流EMF110が示されている。
FIG. 7 is a diagram illustrating power line distribution for an energy efficient induction motor, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 7, main
図7に示すように、一回転が誘導モータ100の一全回転を示す2つの等しいセグメント/セクターに分割されると想定される。ロータ104が回転し始めている間、メインAC電源106(入力電力)からの電力を引き、電力出力として交流EMF110を同時に生成する/作り出す。
As shown in FIG. 7, it is assumed that one revolution is divided into two equal segments/sectors representing a complete revolution of the induction motor 100. While the rotor 104 begins to rotate, it draws power from the main AC power source 106 (input power) and simultaneously generates/produces an
図8Aは、本発明の例示的実施形態による、エネルギー効率誘導モータのステータの追加の巻き線内で作り出された電力/エネルギーを収集するためのECUの略図である。図8Aを参照して、整流回路802、インバータ回路804、可変周波数駆動(VFD)制御モジュール806、周波数同期回路808、切断スイッチ810およびマイクロプロセッサ812を含むECU112が示されている。
FIG. 8A is a schematic diagram of an ECU for collecting power/energy produced in additional windings of a stator of an energy efficient induction motor, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 8A, an
整流回路802は、メインAC電源106のAC電圧およびステータ102の追加の巻き線(A)内に作り出される交流EMF110をそれぞれのDC電力に変換するための1つまたは複数の整流器を含む。得られたDC電力814は、インバータ回路804にその後供給される、それぞれのDC電力を追加することによって得られる。
Rectification circuit 802 includes one or more rectifiers to convert the AC voltage of main
インバータ回路804は、得られたDC電力814を得られたAC出力電力116に変換するための1つまたは複数のインバータを含む。 Inverter circuit 804 includes one or more inverters to convert obtained DC power 814 to obtained AC output power 116.
VFD制御モジュール806は、得られたAC出力電力116の電圧および周波数を変化させるように構成されている。 VFD control module 806 is configured to vary the voltage and frequency of the resulting AC output power 116.
周波数同期回路808は、メインAC電源106の周波数と得られたAC出力電力116の周波数を同期させるように構成されている。得られたAC出力電力116はその後、ECU112からステータ102のメイン巻き線(M)に供給される。
Frequency synchronization circuit 808 is configured to synchronize the frequency of main
この段階では、切断スイッチ810は、ステータ102のメイン巻き線(M)へのメインAC電源106を切断するように構成され、その後、ステータ102のメイン巻き線(M)は、得られたAC出力電力116のみが連続して供給される。
At this stage, the disconnect switch 810 is configured to disconnect the main
マイクロプロセッサ812は、誘導モータ100に負荷をかけたとき、電圧ピークと電流ピークの間の時間差を測定することによって電圧および電流の位相差を算出するように構成されている。 The microprocessor 812 is configured to calculate the voltage and current phase difference by measuring the time difference between the voltage peak and the current peak when the induction motor 100 is loaded.
図8Bは、本発明の例示的実施形態による、エネルギー効率誘導モータのステータの多数の巻き線内で生成された電力/エネルギーを収集するためのECUの単純化略図である。図8Bを参照すると、駆動回路816、周波数制御回路818およびスイッチ820を含むECU112が示されている。
FIG. 8B is a simplified schematic diagram of an ECU for collecting power/energy generated within multiple windings of a stator of an energy efficient induction motor, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 8B,
駆動回路816は、メインAC電源106のAC電圧およびステータ102の多数の追加の巻き線(A)1-n内に作り出される交流EMF110をそれぞれのDC電力に変換するための整流器1-nを含む。多数の追加の巻き線(A)の各追加の巻き線内で作り出された交流EMF110は、それぞれのDC電力への変換のために駆動回路816の対応する整流器に供給される。例えば、整流器1は、追加の巻き線1内で作り出された交流EMF110をそれぞれのDC電力に変換し、整流器2は、追加の巻き線2内で作り出された交流EMF110をそれぞれのDC電力に変換し、整流器nは追加の巻き線n内で作り出された交流EMF110をそれぞれのDC電力に変換するなどである。
The drive circuit 816 includes rectifiers 1-n for converting the AC voltage of the main
得られたDC電力814は、得られたAC出力電力116を作り出すために周波数制御回路818にその後供給される、それぞれのDC電力を追加することによって得られる。 The resulting DC power 814 is obtained by adding the respective DC powers that are subsequently supplied to a frequency control circuit 818 to produce the resulting AC output power 116.
周波数制御回路818は、メインAC電源106の周波数で得られたAC出力電力116の周波数を同期するように構成されている。得られたAC出力電力116はその後、ECU112からステータ102のメイン巻き線(M)に供給される。この段階で、スイッチ820は、ステータ102のメイン巻き線(M)へのメインAC電源106を切断するように構成され、その後、ステータ102のメイン巻き線(M)は得られたAC出力電力116のみが連続して供給される。
Frequency control circuit 818 is configured to synchronize the frequency of AC output power 116 obtained with the frequency of main
図9は、本発明の例示的実施形態による、エネルギー効率誘導モータの負荷を駆動するためのトルクを作り出すように供給電力/エネルギーを制御するためのECUの略図である。図9を参照すると、マイクロコントローラ902、ステップダウン変圧器904、電流変圧器(CT)コイル906、キャパシタバンク(C3、C4、C5)908、TRIAC(TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6)910、デジタルアナログコンバータ912、およびディスプレイ914を含むECU112が示されている。
FIG. 9 is a schematic diagram of an ECU for controlling supplied power/energy to create torque to drive an energy efficient induction motor load, according to an exemplary embodiment of the invention. Referring to FIG. 9, a microcontroller 902, a step-down transformer 904, a current transformer (CT) coil 906, a capacitor bank (C3, C4, C5) 908, a TRIAC (TR1, TR2, TR3, TR4, TR5, TR6)
マイクロコントローラ902は、ECU112の機能に対して重要である。マイクロコントローラ902は、ロータ104を回転させる、および負荷118を駆動するために回転している間にロータ104によって生成されたトルク、周波数、および電力(交流EMF110)を制御するために必要な供給電力/エネルギー(RMF110)を制御する。ブリッジ整流器(図示せず)は、マイクロコントローラ902の動作のためにマイクロコントローラ902へのAC供給電圧をDC電圧に変換するために使用される。
Microcontroller 902 is critical to the functionality of
ステップダウン変圧器904は、ECU112の動作に専用である電力を提供する。誘導モータ100へのメインAC電源106のメイン電力ライン(位相)は、ECU112のステップダウン変圧器904と、ステータ巻き線208に接続され、メインAC電源106の中性ラインは、ECU112と、誘導モータ100の端子箱に接続されている。
Step-down transformer 904 provides power dedicated to the operation of
電力感知コンバータのCTコイル906は、入力電流を測定し、電流を安定化させる。CTコイル906の出力は、マイクロコントローラ902に接続されている。電流感知変圧器の入力は、電流を感知するためにライン/入力電圧に接続され、電流感知コンバータの出力はマイクロコントローラ902に接続されている。 The power sensing converter's CT coil 906 measures the input current and stabilizes the current. The output of CT coil 906 is connected to microcontroller 902. The input of the current sensing transformer is connected to the line/input voltage to sense current, and the output of the current sensing converter is connected to the microcontroller 902.
キャパシタバンク908は複数のキャパシタ(C3、C4、C5)を含み、複数のキャパシタ(C3、C4、C5)の各キャパシタはその独自の容量値を有する。キャパシタバンク908は、誘導モータ100の負荷118を平衡化し、誘導モータ100への電力入力およびメイン電力ラインの力率(PF)を安定化させるために使用される。 Capacitor bank 908 includes a plurality of capacitors (C3, C4, C5), each capacitor of the plurality of capacitors (C3, C4, C5) having its own capacitance value. Capacitor bank 908 is used to balance the load 118 of induction motor 100 and stabilize the power input to induction motor 100 and the power factor (PF) of the main power line.
TRIAC910は、切換(ON/OFF)機能が誘導モータ100の負荷要件に基づいて誘導モータ100に電力を提供するようにキャパシタバンク908から複数のキャパシタ(C3、C4、C5)の1つのキャパシタを選択することを可能にする。TRIACの切換機能は、この場合、マイクロコントローラ902である制御デバイス114によって制御される。誘導モータ100が異なる負荷で稼働している間に、負荷要件に基づいて、TRIAC910はキャパシタバンク908から所要の容量を選択する。TRIAC910の切換は、誘導モータ100への負荷118および入力電流を制御する。 TRIAC 910 selects one of the plurality of capacitors (C3, C4, C5) from capacitor bank 908 such that the switching (ON/OFF) function provides power to induction motor 100 based on the load requirements of induction motor 100. make it possible to The switching function of the TRIAC is controlled by control device 114, in this case microcontroller 902. While the induction motor 100 is running at different loads, the TRIAC 910 selects the required capacity from the capacitor bank 908 based on the load requirements. Switching of the TRIAC 910 controls the load 118 and input current to the induction motor 100.
ロータ104が回転し始める間に、ロータ104はメインAC電源106から電力を引き、ステータ102の1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で交流EMF110を同時に誘導する。電流消費は、CTコイル906によって測定され、この電流はECU112に提供される。電流はその後、負荷118に基づいてTRIAC910を活性化させるようにプログラミングされたマイクロコントローラ902の上を通過され、その後、トルク要件に適合するようにその中に提供された異なる定格を有するキャパシタバンク908内で複数のキャパシタ(C3、C4、C5)から特定のキャパシタを選択および接続するようにTRIAC910を起動させる。例えば、1HPモータでは、選択される容量の値は15から20μfである。
While rotor 104 begins to rotate, rotor 104 draws power from main
デジタルアナログコンバータ912は、マイクロコントローラ902の出力が接続される、中に設けられた集積回路(IC)である。デジタルアナログコンバータ912は、マイクロコントローラ902のデジタル出力信号をアナログ信号に変換し、その後、TRIAC910に与えられる。したがって、TRIAC910は誘導モータ100の負荷118を制御する。 Digital to analog converter 912 is an integrated circuit (IC) within which the output of microcontroller 902 is connected. Digital to analog converter 912 converts the digital output signal of microcontroller 902 to an analog signal that is then provided to TRIAC 910. TRIAC 910 therefore controls load 118 of induction motor 100.
例示的なシナリオによると、TRIAC910は、CTコイル906によって測定されるアンペア数の意味で反映された、誘導モータ100が曝される負荷118の量に基づいて容量を変えるキャパシタを有するキャパシタバンク908から、キャパシタ、例えばC3を選択する。 According to an exemplary scenario, the TRIAC 910 is configured from a capacitor bank 908 having capacitors that vary their capacitance based on the amount of load 118 to which the induction motor 100 is exposed, as reflected in the amperage sense measured by the CT coil 906. , a capacitor, for example C3.
シナリオによると、誘導モータ100が電源を入れられると、接続はECU112内に提供されたTRIAC1を切り換える手段によりキャパシタC3に対して行われ、誘導モータ100は回転し始め、ステータ102内に設けられた1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に交流EMF110を同時に生成する。負荷118が増加すると、TRIAC2はキャパシタC4を起動させる。負荷がさらに増加する場合、TRIAC3はキャパシタC5などを起動させる。このように、誘導モータ100の負荷118が平衡化される。
According to the scenario, when the induction motor 100 is powered on, a connection is made to the capacitor C3 by means of switching TRIAC1 provided in the
ECU112内に設けられたディスプレイ914は、異なる負荷での誘導モータ100の電圧、電流、周波数および電力消費を示している。
A display 914 located within the
様々な他の実施形態では、ECU112はまた、過負荷保護、短絡保護および過熱トリッピング配置を備えている。
In various other embodiments,
本発明は、他の従来のACモータと比較して性能におけるその信頼性による幅広い産業応用可能性を有するエネルギー効率誘導モータを提供する点で有利である。エネルギー効率誘導モータは、大きな範囲で電気の消費を減少させ、農業セクター、機関車セクター、および誘導モータを幅広く使用する他の産業において金銭的利益を提供する。 The present invention is advantageous in that it provides an energy efficient induction motor that has wide industrial applicability due to its reliability in performance compared to other conventional AC motors. Energy-efficient induction motors reduce the consumption of electricity to a large extent and provide financial benefits in the agricultural sector, locomotive sector, and other industries that use induction motors extensively.
本発明のエネルギー効率誘導モータは、より高い電流効率を保証するために、オーダーメイドのステータ巻き線設計に結合された専用に設計された電子モジュールを実施することによって、より少ない電流を消費する。 The energy-efficient induction motor of the present invention consumes less current by implementing a specially designed electronic module coupled to a bespoke stator winding design to ensure higher current efficiency.
本発明は、モータを駆動するための電力要件の一部がモータを稼働させている間に満たされるように、モータが回転している間に明白なEMF(交流EMF)を生成することが可能な、ステータ内に設けられた巻き線の実施により、同じ容量の従来のモータと比較して、より少ない電流を消費するエネルギー効率誘導モータを提供する。開示される発明はまた、入力電力要件に関して妥協することなく、三相誘導モータの代わりに単相誘導モータを使用することを可能にする。 The present invention is capable of producing an apparent EMF (alternating current EMF) while the motor is rotating, such that part of the power requirement for driving the motor is met while the motor is running. The implementation of the windings in the stator provides an energy efficient induction motor that consumes less current compared to conventional motors of the same capacity. The disclosed invention also allows single phase induction motors to be used instead of three phase induction motors without compromising on input power requirements.
さらに、開示した発明を使用して構築された単相誘導モータは、同じ出力要件に対する三相誘導モータと比較して、より低い電気、磁気および熱損失を有する。また、磁気および熱損失は、同じ出力電力要件の三相誘導モータと比較してより少ない。 Additionally, single-phase induction motors constructed using the disclosed invention have lower electrical, magnetic, and thermal losses compared to three-phase induction motors for the same power requirements. Also, magnetic and thermal losses are less compared to a three-phase induction motor with the same output power requirement.
当業者は、上で認識された利点および本明細書に記載された他の利点が単に例示的ものであり、本発明の様々な実施形態の利点の全ての完全な表現であることを意味していないことが分かるだろう。 Those skilled in the art will appreciate that the above-identified advantages and other advantages described herein are merely exemplary and are meant to be a complete representation of all of the advantages of various embodiments of the present invention. You can see that it is not.
本発明は、ハードウェア、またはハードウェアおよびソフトウェアの組合せで実現してもよい。本発明は、少なくとも1つのコンピュータシステム内で集中して、または分配して実現されてもよく、異なる要素がいくつかの相互接続されたコンピュータシステムにわたって広がってもよい。本明細書に記載した方法を行うようになっているコンピュータシステムまたは他の装置/デバイスを適合させてもよい。ハードウェアおよびソフトウェアの組合せは、コンピュータシステム上にロードされ実行される場合に、本明細書に記載した方法を行うようにコンピュータシステムを制御してもよいコンピュータプログラムを備えた汎用コンピュータシステムであってもよい。本発明は、他の機能も行う集積回路の一部を備えたハードウェア内で実現されてもよい。本発明はまた、媒体レンダリングデバイスの一部を形成するファームウェアとして実現されてもよい。 The invention may be implemented in hardware or a combination of hardware and software. The invention may be implemented centrally or distributed within at least one computer system, or the different elements may be spread across several interconnected computer systems. A computer system or other apparatus/device adapted to perform the methods described herein may be adapted. The combination of hardware and software is a general-purpose computer system comprising a computer program that, when loaded and executed on the computer system, may control the computer system to perform the methods described herein. Good too. The invention may be implemented in hardware with portions of integrated circuits that also perform other functions. The invention may also be implemented as firmware forming part of a media rendering device.
本発明はまた、本明細書に記載された方法の実施を可能にする全ての特性を含み、コンピュータシステム上でロードおよび/または実行される場合に、これらの方法を行うように構成されてもよいコンピュータプログラム製品に埋め込まれていてもよい。コンピュータプログラムは、本内容では、情報処理能力を備えたシステムに特定の機能を直接行わせることを意図した1セットの命令のあらゆる言語、コードまたは表記、またはa)別の言語、コードまたは表記への変換、b)異なる材料の形での複製のいずれかまたは両方の後のあらゆる表現を意味する。 The invention also includes all features that enable the implementation of the methods described herein, and may be configured to perform these methods when loaded and/or executed on a computer system. It may be embedded in a good computer program product. A computer program is defined herein as any language, code or representation of a set of instructions intended to cause a system equipped with information processing capabilities to perform a specific function directly, or a) into another language, code or representation. b) reproduction in the form of a different material, or any expression subsequent to either or both of the following:
本発明は特定の実施形態を参照して記載されているが、当業者は、様々な変更を行ってもよく、等価物を本発明の範囲から逸脱することなく代わりに使用してもよいことが分かるだろう。加えて、その範囲から逸脱することなく本発明の教示に特定の状況または材料を適合させるために多くの変形を行ってもよい。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に限るものではないが、本発明は添付の特許請求の範囲内にある全ての実施形態を含むことを意図している。 Although the invention has been described with reference to particular embodiments, those skilled in the art will appreciate that various modifications may be made and equivalents may be substituted without departing from the scope of the invention. You will understand. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from its scope. Therefore, it is intended that the invention not be limited to the particular embodiments disclosed, but that the invention will include all embodiments falling within the scope of the appended claims.
100 誘導モータ
102 ステータ
104 ロータ
106 メインAC電源
108 回転磁場
110 交流EMF
112 電子制御ユニット
114 制御デバイス
116 AC出力電力
118 負荷
202 フレームまたはヨーク
204 ステータコア
206 ステータスロット
208 ステータ巻き線
302 鋼材積層
304 アルミニウムバー
306 ロータシャフト
308 端部リング
802 整流回路
804 インバータ回路
806 可変周波数駆動制御モジュール
808 周波数同期回路
810 切断スイッチ
812 マイクロプロセッサ
816 駆動回路
818 周波数制御回路
820 スイッチ
902 マイクロコントローラ
904 ステップダウン変圧器
906 電流変圧器(CT)コイル
908 キャパシタバンク
910 TRIAC
912 デジタルアナログコンバータ
914 ディスプレイ
100 induction motor 102 stator 104
112 Electronic control unit 114 Control device 116 AC output power 118 Load 202 Frame or yoke 204 Stator core 206 Stator slot 208 Stator winding 302 Steel lamination 304 Aluminum bar 306 Rotor shaft 308 End ring 802 Rectifier circuit 804 Inverter circuit 806 Variable frequency drive control Module 808 Frequency synchronization circuit 810 Disconnect switch 812 Microprocessor 816 Drive circuit 818 Frequency control circuit 820 Switch 902 Microcontroller 904 Step-down transformer 906 Current transformer (CT) coil 908 Capacitor bank 910 TRIAC
912 Digital analog converter 914 Display
Claims (16)
前記RMF(108)により前記ステータ(102)の前記メイン巻き線(M)に対して回転するように配置されたロータ(104)と、を備えた誘導モータ(100)であって、
前記ステータ(102)はさらに、1つまたは複数の追加の巻き線(A)を含み、前記ロータ(104)の回転が前記ステータ(102)の前記1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に交流EMF(110)を誘導し、前記1つまたは複数の追加の巻き線(A)内で作り出された交流EMF(110)が前記ステータ(102)に結合された電子制御ユニット(ECU)(112)を通して前記ロータ(104)の完全な回転サイクルを通して前記ステータ(102)の前記メイン巻き線(M)にフィードバックされ、
前記ECU(112)は、前記メインAC電源(106)のAC電圧および前記1つまたは複数の追加の巻き線(A)内に作り出される前記交流EMF(110)をそれぞれのDC電力に変換するための整流回路(802)であって、得られたDC電力(814)が前記それぞれのDC電力を加えることによって得られる整流回路(802)と、
前記得られたDC電力(814)を得られたAC出力電力(116)に変換するためのインバータ回路(804)と、を備え、
前記ECU(112)は、前記ステータ(102)の前記メイン巻き線(M)に前記得られたAC出力電力(116)を供給するように構成されていることを特徴とする、誘導モータ(100)。 a stator (102) comprising a main winding (M) for generating a rotating magnetic field (RMF) (108) when the main winding (M) of the stator (102) is provided with a main AC power source (106);
an induction motor (100) comprising a rotor (104) arranged to rotate with respect to the main winding (M) of the stator (102) by the RMF (108),
The stator (102) further includes one or more additional windings (A), and rotation of the rotor (104) causes the one or more additional windings (A) of the stator (102) to an electronic control unit (ECU) for inducing an alternating current EMF (110) in said stator (102), said alternating current EMF (110) created in said one or more additional windings (A) being coupled to said stator (102); (112) to the main winding (M) of the stator (102) throughout a complete rotation cycle of the rotor (104);
The ECU (112) is for converting the AC voltage of the main AC power supply (106) and the AC EMF (110) created in the one or more additional windings (A) into respective DC power. a rectifier circuit (802) in which the obtained DC power (814) is obtained by adding the respective DC powers;
an inverter circuit (804) for converting the obtained DC power (814) into obtained AC output power (116);
An induction motor (100) characterized in that said ECU (112) is configured to supply said obtained AC output power (116) to said main winding (M) of said stator (102). ).
複数のキャパシタを備えたキャパシタバンク(908)であって、前記複数のキャパシタの各キャパシタはその独自の容量値を有し、前記誘導モータ(100)の負荷(118)を平衡化し、前記誘導モータ(100)への電力入力およびメイン電力ラインの力率(PF)を安定化させるキャパシタバンク(908)と、
ON/OFF切換機能が、前記誘導モータ(100)の負荷要件に基づいて、前記誘導モータ(100)に電力を提供するために前記キャパシタバンク(908)から前記複数のキャパシタの1つのキャパシタを選択することを可能にするためのTRIAC(910)と、を備えた、請求項1に記載の誘導モータ(100)。 The ECU (112) further includes:
A capacitor bank (908) comprising a plurality of capacitors, each capacitor of the plurality of capacitors having its own capacitance value, for balancing the load (118) of the induction motor (100) and for balancing the load (118) of the induction motor (100). a capacitor bank (908) that stabilizes the power input to (100) and the power factor (PF) of the main power line;
an ON/OFF switching function selects one of the plurality of capacitors from the capacitor bank (908) to provide power to the induction motor (100) based on a load requirement of the induction motor (100); An induction motor (100) according to claim 1, comprising a TRIAC (910) for enabling.
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