專利名稱：方波永磁倍頻調(diào)速同步鼠籠電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
倍頻調(diào)速電動機是一種改進的變頻調(diào)速電動機，該技術(shù)可以使變頻調(diào)速電動機的成本下降一半以上，并進一步提高工作效率。
背景技術(shù)：
目前已有的變頻調(diào)速電動機雖然具有靈活的控制方式及節(jié)電的突出優(yōu)點。但由于運行時轉(zhuǎn)子相對定子的旋轉(zhuǎn)運動，使得本來是線性關(guān)系的參變量轉(zhuǎn)化成為非線性關(guān)系。造成了無法求解轉(zhuǎn)子回路中的電壓或電流與定子繞組中電壓或電流的定量關(guān)系，因此轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的函數(shù)關(guān)系曲線T＝f(n)只能由實驗來測量。這也就無法充分發(fā)揮變頻調(diào)速技術(shù)的最大優(yōu)勢。
實際電動機的運行是由三個階段形成的，它們分別是堵轉(zhuǎn)階段、起動階段、穩(wěn)定運行階段。而非線性關(guān)系只在起動階段才出現(xiàn)，堵轉(zhuǎn)階段和穩(wěn)定運行階段中仍然存在著參變量的線性關(guān)系。只不過由于傳統(tǒng)觀念的局限，再加上經(jīng)典電磁基礎(chǔ)理論中存在的錯誤，使得電動機穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)子回路的整流效應(yīng)無法發(fā)現(xiàn)。而轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的整流效應(yīng)使轉(zhuǎn)子回路中只存在直流電流，因此轉(zhuǎn)子只輸出有功功率，這就是軸功率，無論是同步電機還是鼠籠電機都是如此，電動機或發(fā)電機也都是由整流效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。并且將參變量的非線性關(guān)系由整流效應(yīng)化解成為線性關(guān)系了。那么轉(zhuǎn)子回路中的整流電動勢是怎么形成的呢？下面討論這個難解的問題。
為了正確回答上面提出的問題，就必須先糾正經(jīng)典電磁理論中的錯誤，糾正錯誤的同時，也就是回答上述問題的過程。
實質(zhì)性技術(shù)內(nèi)容一 磁感應(yīng)定律中的錯誤經(jīng)典電磁基礎(chǔ)理論中給出的電磁感應(yīng)定律為(1)式 u——感應(yīng)電動勢，——磁通量，S——線圈包圍磁路截面積，B——磁通密度，當B是正弦函數(shù)時，則B＝BMSinωt代入(1)式得u＝-s2πfBMCosωt與變壓器公式 比較相差N倍。
而 又與電感系數(shù)L的定義式
自相矛盾。經(jīng)審核，原來(1)式和(2)式都是錯誤的，必須給予糾正，分別改寫為(3)式和(4)式才是正確的。
l是磁路長度，電感系數(shù)L與線圈匝數(shù)成正比，而不是與線圈匝數(shù)的平方成正比。于是安培環(huán)路定律B=μH=μNil]]>也與電磁感應(yīng)定律不矛盾了，同時也適用于交變電磁場了。
電磁感應(yīng)定律中另外一個嚴重錯誤就是由楞次定律來判定感應(yīng)電動勢的方向。即閉合回路的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，該電流產(chǎn)生的磁通量的變化率總是阻礙原磁通量的變化，該電流的方向就是感應(yīng)電動勢的方向。當＞0時成右手螺旋關(guān)系，當＜0時成左手螺旋關(guān)系。
1831年法拉第發(fā)表電磁感應(yīng)定律，并制成第一臺發(fā)電機模型之后，楞次給出的判定感應(yīng)電動勢方向的法則中顯然將閉合的感抗誤認為是純電阻了，因此將感應(yīng)電流(也就是激磁電流)與感應(yīng)電動勢誤認為是同相位了。在當年的技術(shù)條件下，無法測定感應(yīng)電動勢與激磁電流之間的相位差是可以理解的，但是有了示波器后很容易測出二者的相位差是 但是都沒有人糾正楞次定律的錯誤，也沒有人認真判定發(fā)電機定子線圈中輸出電壓與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁極之間的方向變化關(guān)系，也就是相位關(guān)系。這也就是至今仍沒有發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組的整流效應(yīng)的原因了。
二 轉(zhuǎn)子回路的整流效應(yīng)產(chǎn)生磁通的激磁電流與磁通同相位，因此二者同時改變方向，并相互垂直，滿足右手螺旋關(guān)系。但是感應(yīng)電動勢與激磁電流相位角差是 故感應(yīng)電動勢與磁通量之間不可能同時改變方向，也就不存在右手或左手螺旋關(guān)系了。所以感應(yīng)電動勢的正、負只能由磁通量的上升或下降來判定，為了簡單起見下面首先分析單相發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組回路的整流效應(yīng)。
1單相發(fā)電機空載電壓發(fā)電機轉(zhuǎn)子正、負磁極中的磁通密度B是恒定的，分別為Bm及-Bm，磁極面積S2應(yīng)等于磁路沿軸向長度l與轉(zhuǎn)子沿圓周上的弧長τ2的乘積S2＝lτ2…………………………(5)同樣定子繞組包圍磁路的面積S1應(yīng)等于l與沿定子內(nèi)徑弧長τ1的乘積S1＝lτ1…………………………(6)由于τ1＞τ2，所以下面所說定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極對齊的物理含義是指磁極的中心線相重合的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時以磁極中心線作為參考點來分析問題。
選定子繞組順時針饒向為正，穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)子負磁極與定子正磁極對齊時開始記時，因此l＝0時轉(zhuǎn)子穿過定子正繞組包圍磁路的磁通為負極大值-BmS1，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使-BmS1趨于0，當 時穿過定子正繞組的磁通正負相等，相互抵消而等于0，定子繞組的感應(yīng)電動勢u在t＝0時刻等于0，在t=T4]]>時刻等于正極大值Um，因此U為正弦函數(shù)U＝UmSinωt…………………………(7)而穿過定子繞組磁通的是余弦函數(shù)＝-mCosωt…………………………(8)(8)式和(7)式遵守電磁感應(yīng)定律。磁通量在 時刻換向，而感應(yīng)電壓在 時刻并不改變方向。在 時間內(nèi)，磁通量由0上升為正極大值，因此是正磁極轉(zhuǎn)子與該正向定子繞組磁路對齊，而該定子繞組的感應(yīng)電動勢由正極大值下降為0，U并不改變方向。因此在 時間內(nèi)，U與即不遵守右手螺旋關(guān)系，也不遵守左手螺旋關(guān)系。如果定子繞組與外電路接通，那么就會有電流通過，而電流又可分為有功電流和無功電流，下面分別分析有功電流和無功電流對轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的關(guān)系。
2定子有功電流使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢定子繞組與外電路純電阻接通后形成有功電流，而有功電流與電壓同相位，因此有下式i＝ImSinωt…………………………(9)有功功率W＝Ui＝UmImSin2ωt得W=UmIm2(1-Cos2ωt)······(10)]]>定量關(guān)系式(10)中有兩項，第一項 是電阻消耗的功率，第二項 是定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間交換的無功功率?？墒墙?jīng)典電磁基礎(chǔ)理論中將第二項隨便的忽略掉了。下面分析第二項與轉(zhuǎn)子的對應(yīng)關(guān)系。
有功電流在t＝0時刻為0，產(chǎn)生的磁通量＝0，在 時間內(nèi)該磁通量上升為最大值m，在 時刻轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)過 角，正好包圍定子正負磁極的面積各占一半，因此轉(zhuǎn)子繞組在 時刻穿過磁通量之和等于0，在 時刻穿過轉(zhuǎn)子繞組的磁通量才是極大值。因此轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)磁通量的變化率在 時間內(nèi)提高一倍，感應(yīng)電動勢U2的頻率提高一倍。但是U2在t＝0時刻等于負極大值，在 時刻等于0，在 時刻上升為正極大值，所以應(yīng)符合如下關(guān)系式。
U2＝-U2mCos2ωt…………………………(11)
注意有功電流引起的磁通量遠小于轉(zhuǎn)子磁極中的磁通量，因此它不會使轉(zhuǎn)子中電流磁通量改變方向，所以U2值永遠不會大于轉(zhuǎn)子激磁的直流電壓U4值，當U2與U4同方向時，相當于增大直流激磁電壓，而U2與U4反方向時，相當于減小直流激磁電壓，平均結(jié)果是直流激磁電壓不變。因此發(fā)電機輸出有功電流時，不需要額外增大直流激磁電壓。而平均的直流電流與U2的乘積就相當于有功功率中的第二相。U2的值為什么如此小，就是因為轉(zhuǎn)子磁路已經(jīng)飽合，因此導(dǎo)磁率已經(jīng)接近與真空導(dǎo)磁率μ0的值相差無幾，所以轉(zhuǎn)子繞組的感抗非常小。
3定子中無功電流使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢無功電流應(yīng)是余弦函數(shù)，因此關(guān)系式如下i＝ImCosωt…………………………(12)無功電流產(chǎn)生的附加磁通量與i是同相位的，在t＝0時刻，無功電流引起的磁通量為正極大值m，這時轉(zhuǎn)子與定子磁路對齊，因此在轉(zhuǎn)子繞組中引起的感應(yīng)電動勢U2L等于0，磁通下降U2L為負值。當t=T4]]>時刻，轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)過 角，這時轉(zhuǎn)子繞組與定子正、負磁極面積各占一半的位置對齊，因此穿過轉(zhuǎn)子繞組的磁通量等于0，而 時刻無功電流也下降為0，引起的磁通量也同時等于0，所以U2L在 時刻上升為負極大值。再經(jīng) 時間后到 時刻，轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)過π角，在 時刻轉(zhuǎn)子繞組與定子負磁極對齊，這時無功電流和由它產(chǎn)生的附加磁通量同時轉(zhuǎn)變?yōu)樨摌O大值。負負為正，所以該轉(zhuǎn)子繞組又與正極大值磁通量的磁極對齊，相當于t＝0時刻是等效的，因此U2L以后仍重復(fù) 時間的變化規(guī)律，為負值，所以U2l是相當于整流后的直流半波，不會改變方向，這就是轉(zhuǎn)子繞組的整流效應(yīng)。
由上面分析知道無功電流產(chǎn)生的附加磁通量總是與轉(zhuǎn)子直流磁通量反向。因此輸出無功電流時，發(fā)電機必須補償直流激磁電流，提高直流磁通量，以抵消無功電流對轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的去磁效應(yīng)，否則會大幅度降低發(fā)電機的輸出電壓，因此無功功率是要消耗發(fā)電機裝機容量的。但是容性電流又會加強轉(zhuǎn)子直流磁通量，提高發(fā)電機輸出無功的能力。另外發(fā)電狀態(tài)或者是電動機狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子相對定子繞組的相位不會發(fā)生變化。因此定子輸出電壓U正比于轉(zhuǎn)子直流激磁產(chǎn)生的直流磁通量，該直流磁通量足夠大，同步電機輸出電壓就會高于電網(wǎng)電壓而向外輸出有功功率，處于發(fā)電機狀態(tài)。反之當轉(zhuǎn)子直流激磁產(chǎn)生的直流磁通量小，同步電機輸出的電壓就會低于電網(wǎng)電壓而吸收有功功率，處于電動機狀態(tài)。
4轉(zhuǎn)子磁極中的直流磁通量在氣隙中的空間分布定子繞組包圍磁路的面積為S1，S1應(yīng)等于磁路沿軸向的厚度l與一個極所占弧度τ1的乘積，而τ1等于周長2πr與一相的極數(shù)2p之比，r是園半徑，p是極對數(shù)，則
S1=l2πr2p······(13)]]>穿過定子繞組磁通量極大值m等于轉(zhuǎn)子直流磁通密度B與S2的乘積 由上面分析知道，在 時間內(nèi)磁通量m下降為0，故(m-0)與 之比等于定子匝線圈感應(yīng)電動勢，乘以總匝數(shù)N等于輸出電壓U，則U=4BlπrNp.τ=NBlr4πfp······(15)]]>發(fā)電機使用每分鐘的同步轉(zhuǎn)數(shù)，本文使用每秒鐘同步轉(zhuǎn)數(shù)并記為ns，那么每秒鐘同步轉(zhuǎn)數(shù)ns等于電源電壓角頻率f與極對數(shù)p之比。
ns=fp]]>代入(15)式得U＝4πNBlrns…………………………(16)同樣采用動生電動勢U＝Blv的定量關(guān)系同樣可以導(dǎo)出(16)式。定子一根導(dǎo)線切割磁力線的線速度v等于角速度2πns與半徑r的乘積，將v＝2πnsr代入U＝Blv中，而N匝定子線圈有2N根導(dǎo)線切割磁力線，于是可得U＝4πNBlrns可見動生電動勢就是電磁感應(yīng)定律的另外一種表達方式。值得說明的是，U＝Blv與U=-SdBdt]]>相比較，對于交流正弦波相差 的相角差，下面分析形成 相角差的原因。
發(fā)電機穩(wěn)定運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是穩(wěn)定不變的，磁通密度B也是恒定不變的，因此按(16)式給出的輸出電壓U應(yīng)該是正、負交替變化的方波電壓。那么正弦波形是怎么形成的呢？原來同步電機轉(zhuǎn)子繞組包圍磁極的面積S2小于定子繞組包圍磁組的面積S1，由于轉(zhuǎn)子繞組是單線圈包圍磁路中的磁通密度B才是均勻分布并且總是極大值，而轉(zhuǎn)子一個磁極所占氣隙沿圓周的弧長包括磁極線圈所占的弧長。所以轉(zhuǎn)子磁通密度B沿圓周弧長呈現(xiàn)正弦分布，中心線處B值為極大值，而在磁極左、右兩側(cè)邊界處下降接近0，這就是在氣隙中正弦空間分布關(guān)系。因此當t＝0時定子繞組切割磁力線的密度接近0，對應(yīng)動生電動勢U等于0，而當t=T4]]>時刻定子繞組切割磁力線密度最大，對應(yīng)動生電動勢μ等于極大值，與感應(yīng)電動勢的相位是一致的。所以動生電動勢就是感應(yīng)電動勢，不但大小相等，而且相位、頻率都相同。但t＝0時刻定子繞組包圍磁路中的磁通量仍然是極大值，所以感應(yīng)電動勢不會由于氣隙中磁通密度呈現(xiàn)正弦分布而受影響。
由上面分析知道動生電動勢的定量關(guān)系式U＝Blv中的B為正弦函數(shù)分布，而且相位角延遲 因此成為余弦函數(shù)關(guān)系，與感應(yīng)電動勢相位一致。
三 鼠籠電動機的定量關(guān)系由前面推導(dǎo)知道動生電動勢與感應(yīng)電動勢是電磁感應(yīng)定律的不同表達形式。因此采用(16)式分析鼠籠電動機使問題簡單化了。由于轉(zhuǎn)子鼠籠條到軸心半徑r2，對應(yīng)一個磁極各自所占弧度雖然相等，但弧長相差的長度等于周長之差與磁極數(shù)2p之比，為2π(r1-r2)2p=π(r1-r2)p,]]>再加上定子槽寬大于轉(zhuǎn)子鼠籠條的寬度。由于鼠籠電動機穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)差率的范圍是1.5％～5％左右，所以每轉(zhuǎn)一周磁極對應(yīng)位置只差1.5％～5％的范圍，如此小的偏差不會影響定子與轉(zhuǎn)子磁路交鏈的磁通量，這就是說由電源頻率f=T2]]>時間內(nèi)產(chǎn)生的磁通量變化值不會因?qū)嶋H轉(zhuǎn)數(shù)n小于同步轉(zhuǎn)數(shù)n而減小。所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)條因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢仍與同步轉(zhuǎn)數(shù)成正比，將該電動勢記為Ue，一根導(dǎo)條中產(chǎn)生的Ue滿足下列關(guān)系式Ue＝4πBlrns…………………………(17)當轉(zhuǎn)子與定子磁極對齊的偏差積累到足夠大時，轉(zhuǎn)子中構(gòu)成磁極的鼠籠條會同時向前偏移一個鼠籠條的位置，例如開始由第1至第8根鼠籠條構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁路，那么積累偏差足夠大時則由第2至第9根鼠籠條構(gòu)成該磁路，以次類推，永遠不會因?qū)嶋H轉(zhuǎn)數(shù)n小于同步轉(zhuǎn)數(shù)n而出現(xiàn)相位的偏差，因此稱實際轉(zhuǎn)數(shù)n為準同步狀態(tài)。
那么實際轉(zhuǎn)數(shù)n產(chǎn)生的動生電動勢記為Ur，則Ur＝4πBlrn …………………………(18)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的純電阻為R，則導(dǎo)條中電流I2由如下定量關(guān)系式I2=Ue-UrR=4πBlrR(ns-n)······(19)]]>因而Ue-Ur是半波波形電壓差，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的整流效應(yīng)并不會改變方向，所以導(dǎo)條中流過的是直流電流，阻抗當然是純電阻了，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)小于準同步狀態(tài)時，也就是起動過程中，或堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，導(dǎo)條回路的感抗才會起作用，那種狀態(tài)由于轉(zhuǎn)速過低，因此Ur很小，轉(zhuǎn)子電流才會由下式給出。
I2=Ue-UrX······(20)]]>X是導(dǎo)條回路的感抗。變頻調(diào)速技術(shù)出現(xiàn)后，從起動開始就可以進入準同步狀態(tài)，因此(20)式已經(jīng)不必討論。1根導(dǎo)條受磁場作用力F＝BlI2，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條總根數(shù)為N2，則F=4πB2l2rN2R(ns-n)······(21)]]>轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩T＝Fr則T=4πN2B2l2r2R(ns-n)······(22)]]>(22)式就是鼠籠電動機穩(wěn)定運行時的轉(zhuǎn)矩定量關(guān)系式。
轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流是純電阻性質(zhì)的，當然I2折合到定子繞組中的電流就是有功分量了，將定子繞組中有功分量電流記為IR，定子繞組總匝數(shù)為N1則IR=4πN2B2l2r2N1R(ns-n)······(23)]]>定子繞組中軸功率記為WR，則WR=UIR=4πN2B2l2r2UN1R(ns-n)······(24)]]>定子繞組中激磁電流及損耗電流經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換如圖-1-所示。
損耗功率W1＝R1I12，損耗電壓U1＝R1I1激磁功率WL=WL1IL12,]]>激磁電壓UL＝WLIl軸功率WR=RIR22,]]>軸功率電壓UR2＝R2IR2，分別令UU1=K1,UU2=K2,UUR2=K3,I1IR1=K1,]]>ILIL′=K2,IR2IR=K3,]]>則W1=R1I12=UIR1······(25)]]>WL=WLIL2=UIL′······(26)]]>WR=RIR22=UIR······(27)]]>經(jīng)上述坐標轉(zhuǎn)換后，將激磁電流、損耗電流，軸功率電流都成為并聯(lián)關(guān)系，對應(yīng)的均是電源電壓U。這才是真實的鼠籠電動機的物理狀態(tài)。圖1電路只是電動機實際狀態(tài)的等效電路而已。
四 三相倍頻調(diào)速鼠籠電動機由轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流的定量關(guān)系式(19)知道鼠籠電動機穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子電流僅由同步轉(zhuǎn)數(shù)與實際轉(zhuǎn)數(shù)之間的轉(zhuǎn)數(shù)差所調(diào)控，當電源電壓提高或降低時，只能改變磁通密度B值的大小，當B值變化時，轉(zhuǎn)數(shù)差隨之改變，使轉(zhuǎn)子電流I2不受電源頻率f及電壓變化的直接影響，所以可以由變頻調(diào)速技術(shù)成倍提高電源頻率f，而不改變電源電壓值，同時將定子繞組導(dǎo)線匝數(shù)成倍減少，并將導(dǎo)線截面積成倍增大，這樣鼠籠電動機額定電流可成倍增大。
異步電動機電磁功率S等于感應(yīng)電動勢Ue與額定電流I及相數(shù)m的乘積。
S＝mUeI…………………………(28)同時電磁功率S還可由同步轉(zhuǎn)數(shù)ns，電動機定子內(nèi)徑D的平方，鐵心軸向長度l、利用系數(shù)C的乘積表示S＝CD2lns…………………………(29)因此異步電動機電磁功率與電源頻率f成正比，因為f與ns成正比，f＝nsp，所以將f提高一倍時，定子導(dǎo)線截面積增大一倍，匝數(shù)減少一倍，電阻下降4倍，因此銅損下降4倍，當額定電流增大一倍后，電磁功率增大一倍，但銅損耗與原來一樣，因此小于額定電流時的效率提高近一倍。而電動機用銅量和尺寸均不變，相當于電動機在原材料不變的情況下額定功率提高一倍，因此成本下降一半。當銅導(dǎo)線電流密度為4A時每公斤銅導(dǎo)線損耗是32瓦，而硅鋼片鐵損每公斤只有1.2瓦，因此頻率提高一倍后，鐵損增加不大。由于轉(zhuǎn)子是直流電流，不會引起鐵損，因此電動機損耗主要是銅損，所以電動機效率可提高。將4極電動機電源頻率提高一倍，同步轉(zhuǎn)數(shù)與2極電動機相等，成本是原4極電動機的一半，要比原2極電動機降低一半多，這就是倍頻調(diào)速電動機。
五 兩相方波倍頻調(diào)速鼠籠電動機現(xiàn)有同容量2極電動機要比4極電動機的價格高，就是由于2極要比4極線卷的銅線重量大，因為二者線卷數(shù)和根數(shù)相同，但2極線卷包圍磁路面積大，因此軸向長度相等而弧長是4極線卷的二倍，所以二極線卷使用銅線多。雖然二極比4極電動機尺寸小，硅鋼片雖然輕，卻沒有銅線價格高，這就是二極電動機成本高的原因，可見極數(shù)多時可節(jié)省銅導(dǎo)線。如果將4極電動機改為8極，定子由16槽16齒構(gòu)成，而轉(zhuǎn)子由12根導(dǎo)條構(gòu)成籠形短路12極轉(zhuǎn)子。定子繞組為兩相8極電動機，如果將逆變器額定輸出頻率提高一倍，則轉(zhuǎn)數(shù)仍保持4極時不變，可節(jié)省銅線25％左右，效率也同時提高。當將三相改為兩相正交線卷，輸入方波電壓，兩相之間相位差仍是 就會形成方波旋轉(zhuǎn)磁場。方波磁通密度可提高11％，由(22)式知道轉(zhuǎn)矩可提出21％。效率提高后在21％的基礎(chǔ)上又可提高到30％，所以兩相8極方波鼠籠電動機的總成本下降30％，效率提高21％，而轉(zhuǎn)數(shù)不變?？傊冾l技術(shù)改進成為倍頻調(diào)速電動機后，可任意提高頻率的倍數(shù)，大幅度降低成本，使其成本要比傳統(tǒng)鼠籠電動機與起動設(shè)備之和的成本還低，傳統(tǒng)鼠籠電動機將會被淘汰。
六 磁路歐姆定律中的錯誤由于傳統(tǒng)觀念的局限，討論電動機運行過程中的變量關(guān)系時，始終采用定子的有關(guān)變量，如輸入電壓和頻率、電流，而將輸出變量的磁通和速度總是由能量守恒定律相互關(guān)系直接求解電流與磁通的乘積等于轉(zhuǎn)矩，而將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動和相對關(guān)系忽略了。實際上轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動的獨立體系，這兩個有相對運動的體系應(yīng)采用坐標變換來求解。相對論的轉(zhuǎn)換關(guān)鍵在磁通密度空間分布正弦變量經(jīng)旋轉(zhuǎn)運動的坐標變換轉(zhuǎn)化成為以時間為變量正弦函數(shù)關(guān)系，這種轉(zhuǎn)換關(guān)系實際就是相對論中將時間作為矢量而成為四維空間的起源，因此這種轉(zhuǎn)換關(guān)系的學(xué)術(shù)價值另文討論。
按本文給出的氣隙中磁通密度B與磁動勢的定量關(guān)系要與磁路歐姆定律相矛盾。氣隙中的磁通量或磁通密度B是由磁動勢NI和導(dǎo)磁材料中磁化電流M共同產(chǎn)生的，但作用氣隙的磁動勢NI總是與磁化電流M相等，氣隙長度為l0時有下列關(guān)系式成立M＝NI …………………………(30)Bl0＝M+NI…………………………(31)經(jīng)典電磁理論中認為氣隙中磁通密度完全由激磁線圈中的磁動勢產(chǎn)生的，這與實際現(xiàn)象不相符合。例如永久磁鐵中的磁化電流在真空中照樣有磁通密度分布，可見永久磁鐵中的磁化電流能分布在真空中，正是對應(yīng)磁動勢NI等于0的狀態(tài)。實際上通電的空線圈中放入磁心后就能加強真空中的磁通密度的現(xiàn)象就是(30)及(31)式的最好證明。嚴格的實驗證明也不難拿一個沒有短路環(huán)的接觸器鐵心，將氣隙長度l0固定為1mm時，給激磁線圈通過工頻交流電壓，測出交流電壓U和激磁電流值I，代入變壓器公式U＝4.44NfSB就可計算出氣隙中的磁通密度。會發(fā)現(xiàn)在1mm氣隙中出現(xiàn)B等于1萬高斯的磁感應(yīng)強度時的磁動勢NI＝400安匝。
而磁路歐姆定律中氣隙的定量關(guān)系式如下Bl0＝NI認為1mm氣隙中產(chǎn)生1萬高斯磁通密度時的磁動勢為800安匝，這與實測不相符合。這種錯誤卻長期在經(jīng)典電磁理論中存在，并影響電動機氣隙磁通密度分布的計算結(jié)果。由于按錯誤的磁路歐姆定律將氣隙降落的磁動勢的值增大一倍，因此誤將額定電流與激磁電流相混淆，無法將激磁電流值從額定電流值中正確區(qū)分開來，也分不清有功電流的正確值，因此傳統(tǒng)電動機理論中無法討論轉(zhuǎn)子中有功電流與定子電流的關(guān)系。使轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線T＝f(n)無法求解。經(jīng)典電磁理論中還有其他錯誤，在另文中討論。
七 方波永磁倍頻調(diào)速同步鼠籠電動機由前面分析知道無論是同步電動機或者異步電動機，都必須有轉(zhuǎn)子導(dǎo)條回路中的電流將定子繞組中電流產(chǎn)生的附加磁通量抵消掉，才能保證轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)時引起的感應(yīng)電動勢與外電源電壓一致，使電動機穩(wěn)定運行。將轉(zhuǎn)子鐵心換成永磁磁極后成為永磁電動機同樣也應(yīng)該有轉(zhuǎn)子導(dǎo)電回路，因此永磁轉(zhuǎn)子磁極減少了激磁電流，所以轉(zhuǎn)矩大而效率最高。同步永磁電動機不需要直流激磁的炭刷裝置，使結(jié)構(gòu)簡單，因此縮小了同步電動機體積，并使其和鼠籠電動機的結(jié)構(gòu)一樣簡單。
我們知道同步電動機過載能力大，最主要的是轉(zhuǎn)速固定，并且當采用倍頻調(diào)速時，其轉(zhuǎn)速可事先確定和調(diào)控，這對實現(xiàn)數(shù)字化精確控制極為有利，對于高精尖技術(shù)裝置極為有利，因此數(shù)控車床及其他自動化裝置特別是聯(lián)動生產(chǎn)設(shè)備的控制可實現(xiàn)提前設(shè)定參變量，并大幅度提高精度。并且方波永磁同步電動機起動過程就是以同步運行方式起動的，在永磁磁極中設(shè)置鼠籠條。因此起動一開始就可精確控制每轉(zhuǎn)的時間，這是其他同步電動機無法達到的技術(shù)性能。那么本發(fā)明方波永磁同步電動機是如何起動的呢？下面討論這個技術(shù)難題。
實際上轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中通過直流電流時，只要將該導(dǎo)條中的正負電流分別處于正、負定子磁路中，那么導(dǎo)條所受定子磁通密度B的作用力F＝BlI的方向就是一致的，那么轉(zhuǎn)子就會總是向一個方向旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子磁極的數(shù)量是定子一相磁極的1.5倍以下，例如定子是兩相6極時，因此定子是12槽12齒，而轉(zhuǎn)子應(yīng)該是8槽8極，轉(zhuǎn)子分別由4個正極、4個負極交替構(gòu)成。正、負永磁磁極之間留有裝設(shè)導(dǎo)條的槽，并使導(dǎo)條形成短路回路。這樣就可克服掉轉(zhuǎn)子與定子之間的死點位置，同時形成同步運行方式的起動轉(zhuǎn)矩了。
由于12槽構(gòu)成兩相6極的定子繞組是每極只有一個線圈，兩相通過正、負交變的方波電壓時，會形成逐齒旋轉(zhuǎn)的方波磁場。因此8極轉(zhuǎn)子每極寬度是定子每齒寬度的1.5倍，故導(dǎo)條分別落在定子正、負磁極中，導(dǎo)條電流受定子磁場作用力方向一致，總是向著一個方向旋轉(zhuǎn)。永磁轉(zhuǎn)子磁極是方波磁場，那么要求定子磁通密度分布也應(yīng)該是方波，這樣磁通才能連續(xù)，使電動機運行穩(wěn)定。
在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的電流型逆變器的定子形成方波磁通，而轉(zhuǎn)子是鼠籠形轉(zhuǎn)子時，其轉(zhuǎn)子磁通密度空間分布仍然呈現(xiàn)正弦波變化方式，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成脈振現(xiàn)象，就是磁通分布形狀不一致，造成磁通分布不連續(xù)變化而出現(xiàn)脈振現(xiàn)象。
本發(fā)明方波永磁同步電動機定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極都是方波空間分布，而定子每極由2齒構(gòu)成，所占弧度大于轉(zhuǎn)子一個磁極所占弧度，所以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時在空間有拖曳余地，因此運行穩(wěn)定，過載能力會比三相同步電動機要強，而且起動轉(zhuǎn)矩大，使用方便。當逆變器輸出額定頻率提高三倍，即等于電源頻率50周波的三倍為150赫茲時，電動機每秒轉(zhuǎn)數(shù)為50轉(zhuǎn)，比4極電動機轉(zhuǎn)數(shù)提高一倍，額定功率也提高一倍，再加上方波磁通密度提高所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩增大的21％，因此總額定功率提高1.21倍，輸出額定功率時的效率提高20％以上。


附圖1是電動機阻抗等效電路圖。
附圖2是兩相方波永磁倍頻調(diào)速同步鼠籠電動機逆變器線路原理圖。
實施例1三相倍頻調(diào)速鼠籠電動機是由專用逆變器和專用電動機構(gòu)成。專用逆變器由原變頻調(diào)速逆變器改進而成，原逆變器輸出額定電壓時頻率等于電源頻率f，而倍頻調(diào)速逆變器輸出額定電壓時的頻率要提高k倍，k是大于1的正數(shù)，因此倍頻調(diào)速電動機逆變器額定頻率等于kf，而輸出電壓等于電源額定電壓，由于額定電流也同時提高k倍，所以輸出額定功率提高k倍，因此逆變器的電子開關(guān)器件輸出電流的能力也要提高k倍，但是逆變器中使用的其他元氣件可不變。專用電動機是由現(xiàn)有鼠籠電動機改進而成，改進的方法是將原三相定子繞組導(dǎo)線截面積增大k倍，而匝數(shù)減少k倍，由于線圈阻抗與匝數(shù)平方成正比，又與頻率一次方成正比，因此線圈阻抗減少k倍，而使額定電流提高k倍，導(dǎo)線電阻降低k的平方倍，銅損耗降低k2倍，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條截面積適當增大，轉(zhuǎn)數(shù)提高k倍，額定功率提高k倍，效率也同時提高，電動機其他技術(shù)參數(shù)不變，成本下降k倍。改進后的電動機由于阻抗降低k倍，當然不能直接與原電源聯(lián)接運行了，也不可能采用原變頻調(diào)速逆變器了，因此必須與倍頻調(diào)速專用逆變器配套使用。
實施例2兩相方波倍頻調(diào)速鼠籠電動機，由本文給出的電動機轉(zhuǎn)矩定量關(guān)系式知道，轉(zhuǎn)矩與磁通密度B的平方成正比，提高B可進一步提高材料利用率及效率。當采用兩相正交分布的定子繞組時，由于一相繞組中包圍另外一相產(chǎn)生的磁通正、負抵消而不會在該相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，所以兩相繞組之間互不干擾，也不會引起相間能量交換現(xiàn)象，故兩相繞組輸入方波電壓時，通電角可達180°，并可將每極中由一個線圈獨立激磁，克服采用并聯(lián)支路引起的分布系數(shù)降低鐵心利用率的缺點。
當一個磁極由兩齒構(gòu)成時，一對磁極是4個齒，兩相正交繞組輸入方波電壓時，4個齒中，有兩個齒分別保持B為正、負極大值不變，而另外兩齒B值快速由正變?yōu)樨摷坝韶撟優(yōu)檎?齒間隔分布，因此B的平均值為0.75，比正弦波形的平均值0.64提高11％。轉(zhuǎn)矩與B2成正比，因此兩相方波鼠籠電動機轉(zhuǎn)矩比三相電動機提高21％，原材料不變的情況下，效率提高的同時成本下降21％。
兩相方波鼠籠倍頻調(diào)速電動機的改進方法是將原三相4極電動機定子改為16槽、16齒，每相占8槽，每極占兩齒，構(gòu)成兩相8極電動機。而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)應(yīng)等于12，這樣即能克服死點位置，使起動時順利而平穩(wěn)，又可減少漏磁通，對于其他參數(shù)與現(xiàn)有鼠籠電動機設(shè)計參數(shù)不變。
兩相方波鼠籠倍頻調(diào)速逆變器的改進方法是將輸出額定電壓時的額定頻率提高1倍，將三相改為兩相，當采用對稱直流電源時，接線原理圖如圖-2-所示。只需要4個電子開關(guān)器件，輸出方波電壓，并在調(diào)壓過程中兩相之間只是頻率相等，相角差為 不在有矢量關(guān)系的制約，控制更加簡單，總成本要比三相倍頻調(diào)速電動機還低。由于k＝2，頻率提高一倍，電動機極數(shù)增大一倍，因此轉(zhuǎn)數(shù)與原4極電動機相同。
如果還希望提高出力能力，那么只要在k＝2的基礎(chǔ)上在增大k值即可。當k＝3時，轉(zhuǎn)數(shù)是原4極電動機的1.5倍，其他極數(shù)電動機做類似處理即可。
實施例3三相或單相整流電源加在兩個串聯(lián)的電解電容器C01和C02兩端構(gòu)成對稱直流電源，中間接點與兩相倍頻調(diào)速電動機定子線圈L1和L2相接，L1和L2分別并聯(lián)補償電容器C1和C2，C1和C2容量較小，L1和L2另一端分別經(jīng)L1′和L2′串聯(lián)后與IGBT管G1和G3串聯(lián)點以及G2和G4半串聯(lián)點相接，G1、G2、G3、G4分別并聯(lián)二極管Z1、Z2、Z3、Z4以及小電容C1′、C2′、C3＇、C4′。小電容C1′-C4′的容量是C1和C2容量的百分之一即可。當IGBT電子開關(guān)管以頻率16.6千赫調(diào)壓時，C1′和C2′以及C3′和C4′可吸收L1′或L2′釋放的能量，當L1或L2釋放能量又可經(jīng)Z3、Z1或Z4、Z2向電源釋放能量，因此C1′-C4′只能充電一次，然后又恢復(fù)到充電開始的電位，所以G1-G4接通時仍是低電位差，因此IGBT四個開關(guān)器件斷開或接通的總是很低的電壓，處于準諧振開關(guān)狀態(tài)，減少了開關(guān)高頻損耗。G1-G4控制信號由編程器B提供，分別由P1、P2、P3、P4輸出，控制IGBT的通斷。編程器根據(jù)電流表A測得的電流值調(diào)壓和變頻進行調(diào)速或起動倍頻調(diào)速電動機。
方波永磁同步倍頻調(diào)速鼠籠電動機只要將兩相方波鼠籠電動機的轉(zhuǎn)子鐵心改成永磁材料，適當充磁后，形成與兩相方波鼠籠倍頻調(diào)速電動機轉(zhuǎn)子相同齒數(shù)的磁極及鼠籠形導(dǎo)條短路回路即可，逆變器仍為兩相方波頻率提高k倍，其他參數(shù)與現(xiàn)有上述鼠籠電動機設(shè)計參數(shù)相同，同步電動機盡量減少漏磁通。如此改進后就成為方波永磁同步倍頻調(diào)速電動機了。例如將原三相4極電動機改為兩相6極時，則定子為12槽12齒的3對磁極，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和齒數(shù)為8，轉(zhuǎn)子形成4對正、負磁極。逆變器輸出額定頻率為120赫茲時，轉(zhuǎn)數(shù)n=fp=40]]>轉(zhuǎn)，輸出額定功率提高60％，如果還想提高轉(zhuǎn)數(shù)，可將額定頻率提高到150赫茲，轉(zhuǎn)數(shù)可提高為50轉(zhuǎn)，輸出額定功率可提高一倍。其他極數(shù)電動機做類似處理即可。
權(quán)利要求
1.三相倍頻調(diào)速電動機是由專用逆變器和專用電動機構(gòu)成，專用逆變器輸出額定電壓時的頻率要比原變頻調(diào)速逆變器的額定頻率f提高k倍，k是大于1的正數(shù)，電子開關(guān)器件的輸出電流的能力同時提高k倍，專用電動機的定子繞組的導(dǎo)線截面積提高k倍，導(dǎo)線匝數(shù)減少k倍，轉(zhuǎn)子導(dǎo)線截面積適當加大，其他設(shè)計參數(shù)不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1可將三相4極電動機改為兩相8極方波倍頻調(diào)速鼠籠電動機，定子槽、齒數(shù)分別等于16，每相由8個線圈構(gòu)成4對正、負磁極，轉(zhuǎn)子由12根鼠籠形導(dǎo)條構(gòu)成短路回路，形成12齒的正、負磁極，倍頻調(diào)速逆變器輸出額定頻率為100赫茲時對應(yīng)額定方波電壓值，或者再將額定頻率進一步提高，定子繞組導(dǎo)線截面積和匝數(shù)按頻率提高倍數(shù)做相應(yīng)處理，成為兩相方波鼠籠倍頻調(diào)速電動機，當然電動機也可以采用其他極數(shù)，逆變器額定頻率做相應(yīng)變動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，仿照權(quán)利要求2做類似處理，然后將轉(zhuǎn)子磁路中的鐵心換成永磁材料，充磁后形成正、負磁極，例如將原三相4極電動機改為兩相6極，定子齒、槽分別為12，而轉(zhuǎn)子齒數(shù)和導(dǎo)條數(shù)分別為8，形成4對正、負磁極，逆變器輸出額定頻率為120赫茲時，額定轉(zhuǎn)數(shù)為每秒40轉(zhuǎn)的方波永磁同步鼠籠電動機，當定子繞組導(dǎo)線截面積和匝數(shù)按頻率提高倍數(shù)做相應(yīng)處理，當然電動機也可以采用其他極數(shù)，逆變器額定頻率做相應(yīng)變動。
全文摘要
倍頻調(diào)速電動機的發(fā)明是糾正了電磁基礎(chǔ)理論中的錯誤，并在理論上取得了重大突破后取得了實質(zhì)性技術(shù)進步，導(dǎo)出了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的定量關(guān)系式，使同步電動機與異步電動機的結(jié)構(gòu)趨于一致，都象鼠籠電動機的結(jié)構(gòu)一樣簡單，并將逆變器輸出額定電壓時的額定頻率提高一倍，將鼠籠電動機定子繞組導(dǎo)線匝數(shù)減少一半，導(dǎo)線截面積增大一倍，這樣可使電動機的額定電流提高一倍，輸出的額定功率提高一倍，相當于將成本降低一半，形成三種機型，分別是倍頻調(diào)速鼠籠電動機，兩相方波倍頻調(diào)速鼠籠電動機，方波永磁倍頻調(diào)速同步鼠籠電動機。
文檔編號H02K1/22GK1945964SQ200510047339
公開日2007年4月11日 申請日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月8日
發(fā)明者王有元 申請人:王有元