專利名稱：轉(zhuǎn)子變極繞組聯(lián)結(jié)的多段組合法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交流變極電動機(jī)和諧波起動電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組聯(lián)結(jié)法和結(jié)構(gòu)。
在傳統(tǒng)的交流變極多速繞線型異步電動機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子上存在滑環(huán)和電刷，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難和降低起動和運(yùn)行的可靠性。
本發(fā)明專利“諧波起動方法及按該方法起動的電動機(jī)”(美國專利號4736147中國專利申請審定號85102382)提出的諧波起動繞線型異步電動機(jī)中，采用的轉(zhuǎn)子繞組方案大多數(shù)是由許多包含兩段繞組并聯(lián)構(gòu)成的小組通過串、并聯(lián)構(gòu)成。這種繞組方案存在下列嚴(yán)重缺點(1)構(gòu)成并聯(lián)小組的兩段繞組幾乎都是空間上相差180機(jī)械角度，因此并聯(lián)時連接線很長，對于大中型電機(jī)來說，由于連接線很粗大，且互相交叉，很難布置和緊固，以致在工藝上無法實現(xiàn);(2)由于每小組并聯(lián)支路只有二條，其合成電阻較大，隨之與小組串聯(lián)的起動電阻元件要求有較大的電阻值，因此須安裝很長的電阻絲，使電阻絲在轉(zhuǎn)子上的布置很困難。由于這些嚴(yán)重缺點，使利用中國專利85102382中所述的技術(shù)較難在中大型電機(jī)中應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于提出一種稱為“多段組合法”的轉(zhuǎn)子變極繞組聯(lián)結(jié)法，以克服上述變極繞線型異步電動機(jī)和諧波起動電動機(jī)存在的缺點，使這二種電動機(jī)能在社會上得以更好地推廣應(yīng)用。
設(shè)諧波起動電動機(jī)的運(yùn)行極對數(shù)為P，所取起動諧波的極對數(shù)為Q。對有幾個轉(zhuǎn)速相應(yīng)地有幾種極對數(shù)的多速電動機(jī)來說，設(shè)P為最主要(一般為功率最大)的極對數(shù)，而Q為要求起動特性最好(起動電流小而起動轉(zhuǎn)矩大)但運(yùn)行時間較短而功率較小的一個極對數(shù)。則“多段組合法”把整個轉(zhuǎn)子繞組劃分為Pm或Qm段(式中m＝3，4，5…等整數(shù))或2Qm段(式中m＝2，3，4…等整數(shù))，每一分段繞組串聯(lián)的線圈數(shù)及其空間分布情況和聯(lián)接方式都相同，例如每段串聯(lián)的線圈可以都是空間上依次相鄰，也可以是每段由兩小段反接串聯(lián)構(gòu)成(這時第一小段的末端與第二小段的末端聯(lián)接在一起)，所說兩小段在空間上隔開一定距離，并且兩小段自己則各由若干個空間上依次相鄰的線圈串聯(lián)而成。這Pm2(或Qm2或2Qm2)個分段繞組對稱地分布于轉(zhuǎn)子圓周上，段與段之間等距離。
上述的分段繞組可以聯(lián)結(jié)成若干個“閉合回路”，或并聯(lián)為若干個“并聯(lián)組”，視分段情況而定，分述如下若把轉(zhuǎn)子繞組劃分為Pm2段，則應(yīng)將這些分段繞組分別串聯(lián)為m2個“閉合回路”，每個“閉合回路”串聯(lián)空間上對稱分布的P段繞組，段與段之間在空間上相距360°/P機(jī)械角度，隨之對P對極磁場說，各段繞組感應(yīng)電動勢的相位差為P×360°/P＝360°，即同相位，因此每一“閉合回路”內(nèi)P段繞組的感應(yīng)電動勢直接相加，產(chǎn)生環(huán)流于回路內(nèi)的電流。由于各分段繞組的結(jié)構(gòu)相同，因而其漏阻抗相等。于是，不難證明，上述環(huán)流經(jīng)過每段繞組引起的漏阻抗電壓降的大小恰好等于每段繞組的感應(yīng)電動勢，兩者互相抵消，因而每段繞組兩端處的二個“結(jié)點”(即相鄰二段聯(lián)結(jié)在一起之處)之間的電壓為零。
這就說明，可在“閉合回路”周圍相鄰兩結(jié)點之間接上一個電阻值相同的電阻元件，如此構(gòu)成一個有P個邊的電阻多邊形。顯然，這時電阻多邊形上沒有電流，從而保證電動機(jī)在主要極對數(shù)P運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子上沒有額外損耗，因而有較高的效率。此外還應(yīng)看出，這時轉(zhuǎn)子上的m2個“閉合回路”對P對極磁場說依次位移P×360°/Pm2＝360°/m2電角度，構(gòu)成一個m2相的對稱電路系統(tǒng)，因此轉(zhuǎn)子電流只產(chǎn)生順序的P對極旋轉(zhuǎn)磁場，而不產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的逆序磁場。
對定子產(chǎn)生的Q對極磁場說，每個“閉合回路”內(nèi)的P個電動勢構(gòu)成一個P相的對稱系統(tǒng)，因此其合成結(jié)果為零，不在回路內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流。這一點可舉例說明如下設(shè)P＝4，Q＝3或5，則每個“閉合回路”內(nèi)有四個電動勢，若由Q＝3對極的磁場所感應(yīng)產(chǎn)生，則四個電動勢的相位差為3×360°/4＝270°＝360°-90°，故得其合成結(jié)果為
同理，若Q＝5，則電動勢的相位差為5×360°/4＝360°+90°，同樣可得合成電動勢為
因此不產(chǎn)生在“閉合回路”內(nèi)環(huán)流的電流。但這時構(gòu)成“閉合回路”的每個分段繞組都并聯(lián)著一個電阻值相同的電阻元件，因而有電流環(huán)流于每段繞組和與其并聯(lián)的電阻元件構(gòu)成的回路內(nèi)，稱為局部環(huán)流。于是，每個“閉合回路”及其聯(lián)結(jié)的電阻元件中存在著P個局部環(huán)流。和前面分析電動勢的情況一樣，可以證明這P個局部環(huán)流構(gòu)成一個P相的對稱系統(tǒng)，它們聯(lián)合產(chǎn)生一個Q對極的順序旋轉(zhuǎn)磁場，而不產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的逆序磁場。由于上述局部環(huán)流通過電阻元件，因而改善電動機(jī)采用Q對極磁場時的起動特性，使起動電流減小而起動轉(zhuǎn)矩增加。
上述與每個“閉合回路”連接的電阻多邊形可以合并為一個大多邊形，它由Pm2個電阻元件構(gòu)成。該多邊形的Pm2個邊所連接的結(jié)點就是m2個“閉合回路”的Pm2個結(jié)點，其連接次序與這些結(jié)點在轉(zhuǎn)子圓周上的排列次序一致。
顯然，上述由電阻元件構(gòu)成的每個多邊形聯(lián)結(jié)都可改為星形聯(lián)結(jié)，這時每個電阻元件的一端聯(lián)結(jié)在一起構(gòu)成星形的中性點，而電阻元件的另一端接到“閉合回路”的“結(jié)點”上。
若把轉(zhuǎn)子繞組劃分為Qm2段，其中m2＝3，4，5…等整數(shù)，則應(yīng)將這些分段繞組分別并聯(lián)為m2個“并聯(lián)組”，每個“并聯(lián)組”并聯(lián)空間上對稱分布的Q段繞組，段與段之間在空間上相距360°/Q機(jī)械角度，隨之對Q對極磁場說，各段繞組感應(yīng)電動勢的相位差為Q×360°/Q＝360°，即同相位，因此每個“并聯(lián)組”兩頭的兩個結(jié)點之間存在一個大小等于每段繞組電動勢的電壓。現(xiàn)于每個“并聯(lián)組”的兩個結(jié)點之間連接一個電阻值相等的電阻元件，則將有電流通過所說的電阻元件。由于m2個“并聯(lián)組”在空間上依次位移360°/(Qm2)機(jī)械角度，對Q對極磁場說則依次位移Q×360°/Qm2＝360°/m2電角度，因此前述通過“并聯(lián)組”及與其串聯(lián)的電阻元件的電流是一個m2相的對稱電流系統(tǒng)，它們聯(lián)合產(chǎn)生一個Q對極的順序旋轉(zhuǎn)磁場，而不產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的逆順磁場。在此情況下，由于所說的電阻元件的作用，改善了電動機(jī)用于Q對極時的起動特性。
顯然，上述的轉(zhuǎn)子繞組聯(lián)結(jié)法也可改為把每個“并聯(lián)組”的一個結(jié)點聯(lián)結(jié)在一起構(gòu)成一個中性點，再將其另一個結(jié)點串聯(lián)一個電阻值相等的電阻元件之后再聯(lián)結(jié)在一起構(gòu)成另一個中性點，這時共有m2個電阻元件，構(gòu)成一個星型聯(lián)結(jié)。在這里還可進(jìn)一步把由電阻元件構(gòu)成的星型聯(lián)結(jié)改為多邊形聯(lián)結(jié)，這時m2個電阻元件分別聯(lián)結(jié)于m2個“并聯(lián)組”的“結(jié)點”之間。
至于定子產(chǎn)生的P對極磁場所發(fā)生的情況分析如下對P對極磁場說，每個“并聯(lián)組”所并聯(lián)Q段繞組的電動勢構(gòu)成一個Q相的對稱系統(tǒng)?？膳e例說明設(shè)P＝4，Q＝5，則五段并聯(lián)繞組在空間上依次位移360°/5＝72°機(jī)械角度，對P＝4對極說為4×360°/5＝360°-72°電角度，隨之五段繞組電動勢的相位差為依次位移72°，因此是一個五相的對稱電動勢系統(tǒng)，它們在“并聯(lián)組”內(nèi)部產(chǎn)生五相對稱電流。這時每個“并聯(lián)組”兩頭的二個“結(jié)點”都是中性點，它們之間的電壓為零，因而沒有電流流出“并聯(lián)組”，所說的電阻元件上沒有電流，這就保證了電動機(jī)在P對極下具有高效率。此外，由于這時每個“并聯(lián)組”都是對稱的多相系統(tǒng)，流著對稱的多相電流，自然，整個轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生一個P對極的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。
若把轉(zhuǎn)子繞組劃分為2Qm2段，其中m2＝2，3，4…等整數(shù)，并把它們分別并聯(lián)為m2個“并聯(lián)組”，則每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的2Q段繞組并聯(lián)而成，現(xiàn)將這2Q段繞組沿轉(zhuǎn)子圓周依次編號，且并聯(lián)時將奇數(shù)段繞組的首端和偶數(shù)段繞組的末端聯(lián)結(jié)在一起，而另一端則與此相反，即奇數(shù)段的末端和偶數(shù)段的首端聯(lián)結(jié)在一起。如此并聯(lián)可稱為正反交叉并聯(lián)，即第1段正接，第2段反接，第3段正接，第4段反接…如此交替地并聯(lián)。至于電阻元件的連接法則和前面說的一樣。
上述繞組每個“并聯(lián)組”并聯(lián)的2Q段繞組在空間上對稱分布，段與段之間依次位移360°/2Q機(jī)械角度，隨之對Q對極磁場說，相鄰兩段繞組感應(yīng)電動勢的相位差為Q×360°/2Q＝180°，即反相位。但因采用正反交叉并聯(lián)的聯(lián)結(jié)法，反相位與反接法結(jié)合在一起就變?yōu)橥辔?，因此每個“并聯(lián)組”并聯(lián)的2Q條支路的電動勢是同相位、同大小，它們產(chǎn)生的電流必定通過電阻元件，因而能改善電動機(jī)的起動特性，和前面論述的情況一樣。
至于P對極磁場所感應(yīng)于轉(zhuǎn)子中的電流情況，也和前述的一樣，即每個“并聯(lián)組”所并聯(lián)2Q段繞組的電動勢構(gòu)成一個2Q相的對稱系統(tǒng)，因而產(chǎn)生只在“并聯(lián)組”內(nèi)部流通的2Q相對稱電流，所說的電阻元件上沒有電流。這一點也可用前面舉過的例子說明設(shè)P＝4，Q＝5，則每個“并聯(lián)組”并聯(lián)2Q＝10段繞組在空間上依次位移360°/10＝36°機(jī)械角度，對P＝4對極說為4×36°＝144°＝180°-36°電角度，于是用反接法并聯(lián)的相鄰兩段繞組的電動勢相位差為180°-36°+180°＝360°-36°＝-36°，這說明并聯(lián)10段繞組的電動勢依次有相位差36°，是一個10相的對稱電動勢系統(tǒng)，它們產(chǎn)生10相的對稱電流。
從上述可見采用本發(fā)明的“多段組合法”來聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)子繞組時，在電動機(jī)性能上達(dá)到采用Q對極時能顯著改善電動機(jī)的起動特性，而采用P對極時能保證電動機(jī)運(yùn)行時有較高的效率，在結(jié)構(gòu)、工藝上與已有電動機(jī)比較具有下列的突出優(yōu)點與傳統(tǒng)的變極多速繞線型異步電動機(jī)比較，轉(zhuǎn)子上無滑環(huán)、無電刷、無電的觸點和不需要外串起動電阻器，因而簡化制造工藝、降低成本、用戶維護(hù)容易和提高電動機(jī)起動和運(yùn)行的可靠性。
與已提出的諧波起動繞線型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)方案比較，只要選取較大的起動諧波的極對數(shù)Q，就必然能大大簡化接線，取消在中大型電機(jī)中難以實現(xiàn)的將許多相距180°機(jī)械角度的二段繞組并聯(lián)在一起的連接法，以及由于采用多并聯(lián)(2Q條)支路的聯(lián)結(jié)法，大大降低所需電阻元件的電阻值，從而使電阻元件的安裝、固定達(dá)到安全、可靠的要求，為諧波起動方法在中大型電動機(jī)中推廣、應(yīng)用創(chuàng)立了很好條件。
事實上，已在實驗室研制了多臺采用本發(fā)明聯(lián)結(jié)方案的中型電動機(jī)，取得很好效果。
下面利用四個附圖和實施例對本發(fā)明的轉(zhuǎn)子繞組的具體聯(lián)結(jié)法作進(jìn)一步的說明。


圖1 Z2＝84，2P＝8，2Q＝6，m2＝3，采用多“閉合回路”的轉(zhuǎn)子繞組方案;
圖2 Z2＝84，2P＝8，2Q＝6，m2＝2，采用多“并聯(lián)組”的轉(zhuǎn)子繞組方案;
圖3 Z2＝64，2P＝6，2Q＝8，m2＝2，采用多“并聯(lián)組”的轉(zhuǎn)子繞組方案;
圖4 Z2＝54，2P＝4，2Q＝6，m2＝3，采用多“并聯(lián)組”的轉(zhuǎn)子繞組方案。
實例一、Z2＝84，2P＝8，取2Q＝6，m2＝3，采用雙層疊式繞組，這時P＝4，把轉(zhuǎn)子繞組劃分為Pm2＝4×3＝12段，每段串聯(lián)84/12＝7個線圈，分為兩個小段，一個小段串聯(lián)相鄰4個線圈，一個小段串聯(lián)相鄰3個線圈，兩者的中心點位移10.5個槽距(84/8＝10.5為8極極距)，然后反接串聯(lián)構(gòu)成一個分段繞組，同樣結(jié)構(gòu)型式的12個分段繞組對稱地分布于轉(zhuǎn)子圓周上，段與段之間位移84/12＝7個槽距。將如此劃分的12個分段繞組聯(lián)結(jié)成三個(m2＝3)“閉合回路”，每一回路串聯(lián)空間上對稱分布的4個分段繞組。最后在每個“閉合回路”周圍接上4個電阻元件Rst便得圖1所示的轉(zhuǎn)子繞組聯(lián)接方案。
實例二、Z2＝84，2P＝8，取2Q＝6，m2＝2，采用雙層疊式繞組，把轉(zhuǎn)子繞組劃分為2Qm2＝6×2＝12段，每段的結(jié)構(gòu)型式和上一例一樣，將這12個分段繞組分別并聯(lián)為m2＝2個“并聯(lián)組”，每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的2Q＝6段繞組并聯(lián)而成，但并聯(lián)時第1、3和5段為正接，而第2、4和6段為反接。每個“并聯(lián)組”的兩個端點間連接一個電阻值相等的電阻元件Rst，為了便于接線，可把第一個“并聯(lián)組”的一個端點和第二個“并聯(lián)組”的一個對應(yīng)端點聯(lián)結(jié)在一起，如圖2所示。
實例三、Z2＝64，2P＝6，取2Q＝8，m2＝2，采用雙層疊式繞組，把轉(zhuǎn)子繞組劃分為2Qm2＝8×2＝16段，每段串聯(lián)空間上相鄰的64/16＝4個線圈。將這16個分段繞組分別并聯(lián)為m2＝2個“并聯(lián)組”，每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的2Q＝8段繞組并聯(lián)而成，但并聯(lián)時第1、3、5、7四段為正接，而第2、4、6、8四段為反接，至于二個電阻元件Rst的連接法則和上例一樣，整個繞組聯(lián)結(jié)方案如圖3所示。
實例四、Z2＝54，2P＝4，取2Q＝6，m2＝3，采用雙層疊式繞組，把轉(zhuǎn)子繞組劃分為2Qm2＝6×3＝18段，每段串聯(lián)54/18＝3個線圈，將這18個分段繞組分別并聯(lián)為m2＝3個“并聯(lián)組”，每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的2Q＝6段繞組并聯(lián)而成，但并聯(lián)時第1、3、5段為正接，而第2、4、6段為反接，至于三個電阻元件Rst則采用星形接法，整個繞組聯(lián)結(jié)方案如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種把轉(zhuǎn)子繞組劃分為Pm2段，其中P為電動機(jī)的主要運(yùn)行極對數(shù)，m2=3，4，5…等整數(shù)，每段繞組串聯(lián)的線圈數(shù)及其空間分布情況和聯(lián)結(jié)方式都相同，并且所說Pm2段繞組對稱地分布于轉(zhuǎn)子圓周上，段與段之間等距離的繞線型轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于將分段繞組分別串聯(lián)為m2個“閉合回路”，每個“閉合回路”串聯(lián)空間上對稱分布的P段繞組，這時每兩段繞組的聯(lián)結(jié)處構(gòu)成一個“結(jié)點”，在相鄰兩“結(jié)點”之間固定地連接一個電阻元件，每個“閉合回路”所連接的電阻元件構(gòu)成一個有P邊的多邊形，整個轉(zhuǎn)子上共有m2個由電阻元件構(gòu)成的多邊形。
2.一種按照權(quán)利要求1聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于把m2個由電阻元件構(gòu)成的多邊形合并為一個大多邊形，它由Pm2個電阻元件構(gòu)成一個有Pm2邊的多邊形，多邊形的角(即兩邊的聯(lián)結(jié)點)分別連接到“閉合回路”的“結(jié)點”。
3.一種按照權(quán)利要求1和2聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于把由電阻元件構(gòu)成的每個多邊形聯(lián)結(jié)改為星形聯(lián)結(jié)，這時每個電阻元件的一端聯(lián)結(jié)在一起構(gòu)成星形的中性點，而電阻元件的另一端接到“閉合回路”的“結(jié)點”。
4.一種把轉(zhuǎn)子繞組劃分為Qm2段，其中Q為電動機(jī)的短時運(yùn)行或只在起動時才采用的極對數(shù)，m2＝3，4，5…等整數(shù)，每段繞組串聯(lián)的線圈數(shù)及其空間分布情況和聯(lián)結(jié)方式都相同，并且所說Qm2段繞組對稱地分布于轉(zhuǎn)子圓周上，段與段之間等距離的繞線型轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于將分段繞組分別并聯(lián)為m個“并聯(lián)組”，每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的Q段繞組并聯(lián)而成，這時每個“并聯(lián)組”的兩頭形成二個“結(jié)點”，在這二個“結(jié)點”之間連接一個電阻元件，或者把每個“并聯(lián)組”的一個“結(jié)點”聯(lián)結(jié)在一起構(gòu)成一個中性點，將其另一個“結(jié)點”串聯(lián)一個電阻元件之后再聯(lián)結(jié)在一起而構(gòu)成另一個中性中，在此情況下，共有m2個電阻元件，構(gòu)成一個星形聯(lián)結(jié)。
5.一種按照權(quán)利要求4聯(lián)接的轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于由電阻元件構(gòu)成的星形聯(lián)結(jié)改為多邊形聯(lián)結(jié)，這時m2個電阻元件分別連接于m2個“結(jié)點”之間。
6.一種按照權(quán)利要求4和5聯(lián)接的轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于把轉(zhuǎn)子繞組劃分為2Qm2段，其中m2＝2，3，4…等整數(shù)，每個“并聯(lián)組”由空間上對稱分布的2Q段繞組并聯(lián)而成，但并聯(lián)時采用正反交叉接法，即若將這2Q段沿轉(zhuǎn)子圓周依次編號，則并聯(lián)時將奇數(shù)段的首端和偶數(shù)段的末端聯(lián)結(jié)在一起，而另一端為奇數(shù)段的末端和偶數(shù)段的首端聯(lián)結(jié)在一起。
7.一種按照權(quán)利要求1、2及3聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于所說的每段繞組由空間上隔開一定距離的兩小段繞組反接串聯(lián)(即第一小段的末端與第二小段的末端聯(lián)結(jié)在一起)構(gòu)成，并且兩小段繞組各由若干個空間上依次相鄰的線圈串聯(lián)而成。
8.一種按照權(quán)利要求4、5及6聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子變極繞組，其特征在于所說的每段繞組由空間上隔開一定距離的兩小段繞組反接串聯(lián)(即第一小段的末端與第二小段的末端聯(lián)結(jié)在一起)構(gòu)成，并且兩小段繞組各由若干個空間上依次相鄰的線圈串聯(lián)而成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種繞線型轉(zhuǎn)子變極繞組的聯(lián)接法，把轉(zhuǎn)子繞組劃分為很多段，將其組合為多個閉合回路或多個并聯(lián)組而達(dá)到對一種極數(shù)說提高其起動特性，而對另一種極數(shù)說保證具有較高的運(yùn)行效率，轉(zhuǎn)子上無滑環(huán)，無電刷，結(jié)構(gòu)簡化，維護(hù)容易，可靠性提高。本發(fā)明很適合用作變極多速電動機(jī)和諧波起動電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組。
文檔編號H02K17/14GK1041071SQ8810649
公開日1990年4月4日 申請日期1988年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月4日
發(fā)明者許實章 申請人:華中理工大學(xué)