專利名稱：一種變頻驅(qū)動的縫紉機及其電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變頻驅(qū)動的縫紉機及其電動機，在國際專利分類表中，功能分類可屬 于H02P7/00。
背景技術(shù)：
三相逆變驅(qū)動三相電動機系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)備已大量使用，但用于功率相對小得多的單相 供電變頻驅(qū)動的縫紉機，逆變電路顯得單元數(shù)偏多而元件容量利用不足。復雜的電路也成 為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，通常需選用比較優(yōu)秀的單元元件或設(shè)置較復雜的保護電路和控制程 序，以至使用價格較高的智能功率模塊(IPM)和16位單片機等，明顯影響成本。為此， 本發(fā)明設(shè)計人提出以二相逆變驅(qū)動二相電動機或三相電動機的系統(tǒng)，可見于中國發(fā)明專利 ZL00131018.6和ZL01114863.2。這樣的系統(tǒng)可節(jié)省1/3的控制電路，因而成本顯著降低 且提高可靠性。其中，ZL01114863.2披露的是二相逆變驅(qū)動三相對稱電動機系統(tǒng)，說明書 所介紹的理論證明，在這樣的系統(tǒng)中，由具有一個公共輸出端、基波頻率和振幅相同而時 滯等于l/6周期的二相電源合成的結(jié)果，公共輸出端(標記為"C")與二相輸出端子(標 記為"A"和"B")上的基波電壓，依端子的順序為三相對稱電壓，可以驅(qū)動三相對稱電 動機對稱運行。但實際電路運行時，對電動機三個輸入端子上的電壓有效值測試結(jié)果是， 二相逆變輸出端子A和B對公共端子C的電壓L)ca和Ucb大致相等，但比二個輸出端子之間 的基波電壓UAB?。粚M入電動機三個輸入端子的電流有效值測試結(jié)果是，二相逆變輸出端 (受控端)子A和B的輸出電流Ia和Ib大致相等，但比公共端(非受控端)子C的電流 Ic比要大，即表明仍欠對稱，對效率和振動噪聲水平有影響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提出一種改良的設(shè)計，使變頻驅(qū)動的縫紉機中的二相 逆變驅(qū)動三相電動機系統(tǒng)盡可能對稱運行。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是， 一種變頻驅(qū)動的縫紉機，包括把來自電網(wǎng)的電源 轉(zhuǎn)換成變頻電源> 驅(qū)動三相電動機的結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)包括直流電源；時滯1/6周期和振幅 相同的二相逆變電路，連接在所述直流電源的輸出端，并且具有二個相輸出端和一個二相 輸出的公共端；三相電動機，連接在所述二相逆變電路的輸出端電動機的二個相端子連 接所述逆變電路二個相輸出端，電動機的第3個相端子連接所述逆變電路的二相輸出的公
共端；所述三相電動機具有這樣三相阻抗連接二相電源的二個輸出端子的二相阻抗相等， 且大于連接所述公共端的 一相的阻抗。
理論和實驗表明故意設(shè)計連接所述公共端的一相的阻抗較小，可適應(yīng)其連接相電源 實際電壓較低的情況，以增大電流，因而改善三相電流有效值的對稱性，提高效率和降低 振動噪聲。即該設(shè)計改進巧妙地以一個各相阻抗適當?shù)夭粚ΨQ的三相電動機，連接一個基 于二相逆變、理論對稱而實際不對稱的三相電源，意想不到地達到改善系統(tǒng)不對稱的效果。
所述變頻電源的典型設(shè)計是所述直流電源包括交流電源；整流濾波電路，為一組 正半波整流濾波電路和一組負半波整流濾波電路，其輸入端連接在所述交流電源的輸出 端，其輸出端與交流電源有一公共端；并且，所述逆變電路為雙半波4單元，每二個單元 為一組，二組各引出一個相輸出端和一個二相輸出的公共端。
所述三相電動機的三相阻抗最好設(shè)計為連接二相電源的二個輸出端子的二相阻抗相 為連接所述公共端的一相的阻抗的1.5 4.5倍。其典型設(shè)計是其定子鐵芯沖片為方形 和4角倒有圓弧的方圓外形，其定子槽數(shù)目為12乘以某一整數(shù)系數(shù)，在所述鐵芯4角圓 弧段各設(shè)置個數(shù)為所述系數(shù)乘以2的深槽，4直線段各設(shè)置個數(shù)即為所述系數(shù)的淺槽；定 子嵌線為星型連接的三相4極，三相繞組的末端連結(jié)在一起，始端連接所述公共端的一相 稱為第1相，分布于淺槽；始端連接二相電源的二個輸出端子的二相稱為第2相與第3相， 分布于深槽；第2相與第3相繞組的有效匝比為1，第1相與第2相的有效匝比為0. 5± 0.25。方形沖片有最高的材料開料利用率，4極電機繞組極距為機械角90度，第l相阻抗 小，因而使用較小的槽面積，可分布于沖片4直線段；另二相阻抗大，因而使用較大的槽 面積，可分布于沖片4角圓弧段，結(jié)果使方形沖片得到最合理的利用，提高了鐵芯的利用 率，因而降低了成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案和效果將在具體實施方式
中結(jié)合附圖作進一步的說明。
圖1是本實施例變頻驅(qū)動系統(tǒng)的電氣框圖2是本發(fā)明實施例電動機定子沖片圖3是本發(fā)明實施例電動機繞組展開和接線圖。
具體實施方式
本發(fā)明實施例變頻驅(qū)動縫紉機系統(tǒng)如圖1所示，主要由電動機7和控制裝置10組成。 控制裝置10包括由來自電網(wǎng)的例如220V50HZ的交流電源11，和連接于其輸出端并 把交流電源11整流而變換成直流電壓的整流濾波電路12所構(gòu)成的直流電源13;在直流電 源的輸出端連接的逆變電路14。在逆變電路14的輸出端連接著電動機7。此夕卜，逆變電
路14連接控制機構(gòu)15，并受其控制。此為典型的AC—DC—AC間接變換方式的控制裝置， 但并不限定于此，也可以是不設(shè)整流濾波電路的AC—AC直接變換方式的控制裝置。
整流濾波電路12包括由二極管D1和電容器C1組成的正電源的整流濾波電路；由 二極管D2和電容器C2組成的負電源的整流濾波電路。二組電源的整流濾波電路的零電位 點與電源11的一輸出線(通常為中性線)相連。此為本發(fā)明實施例提出的雙半波整流濾 波電路。但不限定于此，當需要高于電網(wǎng)電壓的變頻電源時，可使用全波和/或倍壓整流 濾波電路。
逆變電路13為雙橋路，備有二個高電位側(cè)單元(開關(guān)元件Vla、 Vlb各與其輸入連接 著的驅(qū)動電路Kla、 Klb的組合)，和二個低電位側(cè)單元(開關(guān)元件V2a、 V2b各與其輸入 連接著的驅(qū)動電路K2a、 K2b的組合)。開關(guān)元件Vla、 Vlb、 V2a和V2b的發(fā)射極和集電極 各并聯(lián)有續(xù)流二極管Dla、 Dlb、 D2a和D2b;但不限定于此，也可以是并聯(lián)或/和串聯(lián)適當 的電阻、電容、電感和半導體器件或其它壓敏元件組成的保護電路。上述開關(guān)元件可以使 用包含4個或2個IGBT的模塊，或者分立的IGBT元件；也可以使用除了 IGBT之外的功 率元件，例如功率型MOSFET、 GTR (BJT)和GT0等。此外，也可以是上述所有單元加上保 護電路封裝一體的集成功率模塊，如IPM等。
逆變電路13為雙半波4單元，每二個單元為一組，在控制機構(gòu)15的控制下，把直流 電源調(diào)制為有一個公共端、以二橋路中點為輸出的時滯等于1/6周期和振幅相同的二相電 源開關(guān)元件Vla、 V2a組成一組雙半波逆變電路，形成公共端C至輸出端子A的電壓
uCA=Umsincot;
開關(guān)元件Vlb、 V2b組成另一組雙半波逆變電路，形成公共端C至輸出端子B的電壓
UcB=Umsin(cot+ n /3)。 結(jié)果，輸出端子A和B及公共端C依端子的順序輸出三相對稱電壓
uAB=Umsin("t+2n/3);
uBC=Umsin(cot —2 it /3);
uCA=U sinon。
關(guān)于變頻調(diào)制的方式，本實施例為現(xiàn)有技術(shù)的電壓型脈寬調(diào)制(PWM、 SPWM等)方式，但 也可以為電流型或/和脈幅調(diào)制等方式；以及為了有更優(yōu)良的調(diào)速性能，還可以是進行變 頻調(diào)制的同時進行電壓調(diào)制。本實施例對傳統(tǒng)系統(tǒng)使用的這些現(xiàn)有技術(shù)的改變主要是
a) 傳統(tǒng)系統(tǒng)為三相調(diào)制，本實施例為二相調(diào)制；
b) 傳統(tǒng)系統(tǒng)相間時滯調(diào)制為l/3周期，本實施例相間時滯調(diào)制為l/6周期。 控制機構(gòu)15含有PWM輸出機構(gòu)，并在微計算機內(nèi)構(gòu)成，按照縫紉機運轉(zhuǎn)特性所需的
固有設(shè)定和動態(tài)調(diào)整的要求，除控制逆變電路13輸出的二相電源外，還控制其頻率、電 壓和波形。微計算機內(nèi)部和外圍會設(shè)有為本實施例電路保護、控制和電磁兼容所需的外圍 電路和元件。此外，微計算機還會包括縫紉機執(zhí)行各種縫紉方式，對相關(guān)傳感和控制功能 的處理；這些均屬于傳統(tǒng)系統(tǒng)已使用的現(xiàn)有技術(shù)。
電動機7可以就是現(xiàn)有技術(shù)已使用的三相交流異步電動機。但不限定于此，也可以是
其它的三相電動機，例如磁阻電動機，磁滯電動機和逆變型無刷直流電動機中的永磁同步 電動機等。
以上更詳細的內(nèi)容可見中國發(fā)明專利說明書CN1164824C。
本發(fā)明實施例變頻驅(qū)動縫紉機的三相電動機額定輸出功率300W，轉(zhuǎn)速1350r/m，其定 子沖片如圖2所示，繞組分布和接線如圖3所示。該電動機的結(jié)構(gòu)包括-
——見圖2，定子沖片方形尺寸B1^108mm(開料情況會使Bl設(shè)計值有土lmm差異)，4 角圓弧直徑Al二114mra，內(nèi)徑D1二70咖；24槽圓底槽，平行齒等齒寬，以齒為對稱中心均 布，4角圓弧段上的各4個槽均為深槽Z2，腰高hsll二9.5誦；4直線段各2個槽均為淺 Zl，腰高hsl2-5.7mm;各部分軛寬約為9mm，使鐵心得到更充分合理的利用，剛性也好。 槽口高hol和ho2為0. 7咖，槽口寬bsol和bso2為0. 7 mm，槽肩斜角zsl和zs2為30 ° ，上底寬bsll和bsl2為24. 5鵬;
——鐵心長度60mm;
——連接逆變橋二個輸出端子的引出線A和B，連接逆變電路公共端的引出線C; ——鼠籠轉(zhuǎn)子和其它機械機構(gòu)。
——繞組按圖3嵌線為三相4極、單層和節(jié)距為5;第1相4個線圈串聯(lián)依次分布于 第4和第9槽，第15和第10槽，第16和第21槽，第3和第22槽，共8個淺槽，每槽 導體數(shù)均為50;始端從第22槽引出，末端從第4槽引出；第2相4個線圈串聯(lián)依次分布 于第24和第5槽，第23和第18槽，第12和第17槽，第11和第6槽，共8個深槽，每 槽導體數(shù)均為100，始端從第6槽引出，末端從第24槽引出；第3相4個線圈串聯(lián)依次分 布于第20和第1槽，第19和第14槽，第8和第13槽，第7和第2槽，共8個深槽，每 槽導體數(shù)均為200，始端從第2槽引出，末端從第20槽引出；第1相的始端接引出線C， 第2相的始端接引出線A，第3相繞組的始端接引出線B，三相繞組的末端連結(jié)在一起。
由于第1相繞組導體數(shù)只有第2相或第3相的一半，阻抗約只有后者1/4，當其電壓 僅為后者一半的情況下，電流可增大一倍，使對稱性改善。由于不同的功率和逆變調(diào)制方 式的電壓對稱差異有別，可根據(jù)理論分析或?qū)嶒?，調(diào)整所述阻抗比例，即第l相槽導體數(shù) 與第2相或第3相槽導體數(shù)的比例。
以上設(shè)計的電動機的三相繞組均按照星形連接(又稱Y連接)，當然也可以是三角形 連接三相繞組的首末端按相序依次相連。在相同電源電壓下，三角形連接的相電壓理論 上為星形連接1.76倍，各相繞組需按星一三角阻抗轉(zhuǎn)換公式折算，每槽導體數(shù)大致為星 形連接1. 76倍，線截面相應(yīng)縮小為1/1. 76。
此外，定子也可以視功率或鐵芯大小相應(yīng)開槽為12槽、36槽或48槽等，并按照常規(guī) 電機電磁設(shè)計的類比方法，相應(yīng)修改上述繞組導體的分布和數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1、一種變頻驅(qū)動的縫紉機，包括把來自電網(wǎng)的電源轉(zhuǎn)換成變頻電源，驅(qū)動三相電動機的結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)包括直流電源(13)；時滯1/6周期和振幅相同的二相逆變電路(14)，連接在所述直流電源(13)的輸出端，并且具有二個相輸出端(A，B)和一個二相輸出的公共端(C)；三相電動機(7)，連接在所述二相逆變電路(14)的輸出端電動機(7)的二個相端子連接所述逆變電路(14)二個相輸出端(A，B)，電動機(7)的第3個相端子連接所述逆變電路(14)的二相輸出的公共端(C)；其特征在于，所述三相電動機具有這樣三相阻抗連接二相電源的二個輸出端子的二相的阻抗相等，且大于連接所述公共端的一相的阻抗。
2、 按照權(quán)利要求1所述變頻驅(qū)動的縫紉機，其特征是，所述直流電源(13)包括交流電源(ll);整流濾波電路(12)，為一組正半波整流濾波電路和一組負半波整流濾波電路，其輸入端連接在所述交流電源(ll)的輸出端，其輸出端與交流電源(11)有一公共端(C);并且，所述逆變電路(14)為雙半波4單元，每二個單元為一組，二組各引出一個相輸出端 (A, B)和一個二相輸出的公共端(C)。
3、 一種如權(quán)利要求l所述變頻驅(qū)動的縫紉機中的三相電動機，其特征在于該電動機連接二相電源的二個輸出端子的二相的阻抗為連接公共端的一相的阻抗的1. 5 4. 5倍。
4、 按照權(quán)利要求3所述三相電動機，其特征在于其定子鐵芯沖片為方形和4角倒有圓 弧的方圓外形，其定子槽數(shù)目為12乘以某一整數(shù)系數(shù)，在所述鐵芯4角圓弧段各設(shè)置 個數(shù)為所述系數(shù)乘以2的深槽(Z2) ， 4直線段各設(shè)置個數(shù)即為所述系數(shù)的淺槽(Zl);定子嵌線為星型連接的三相4極，三相繞組的末端連結(jié)在一起，始端連接所述 公共端的一相稱為第1相，分布于淺槽(Zl);始端連接二相電源的二個輸出端子的二 相稱為第2相與第3相，分布于深槽(Z2);第2相與第3相繞組的匝比為1，第1相 與第2相的有效匝比為0. 5±0. 25。
5、 按照權(quán)利要求4所述三相電動機，其特征在于其額定輸出功率40 250W,額定轉(zhuǎn)差 率0. 12±0. 03;定子鐵心沖片為方形尺寸108± l鵬和4角倒有圓弧的方圓外形，24槽 以齒為對稱中心等齒寬均布，在所述4角圓弧段各設(shè)置4個深槽(Z2) ， 4直線段各設(shè) 置2個淺槽(Zl);定子嵌線為三相4極，單層，節(jié)距為5，第1相與第2相的有效匝 比為0.4±0.15。
6、 按照權(quán)利要求5所述三相電動機，其特征在于所述淺槽和深槽的槽底與沖片外沿的 最短距離大致相等。
7、 按照權(quán)利要求6所述三相電動機，其特征在于所述定子鐵心沖片內(nèi)徑70mm;所述 淺槽和深槽均為圓底槽，槽口高(hol， ho2) 0.7咖，槽口寬(bsol， bso2)為0.7 咖，槽肩斜角(zsl, zs2) 30。，上底寬(bsll， bsl2) 4.5國；淺槽底寬(bs22) 5.8 mm，腰高(hsl2) 5. 7mm;深槽底寬(bs21) 6.8 ,，腰高(hsl2) 9. 5ram。
專利摘要一種變頻驅(qū)動的縫紉機，包括把來自電網(wǎng)的電源轉(zhuǎn)換成變頻電源，驅(qū)動三相電動機的結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)包括直流電源；時滯1/6周期和振幅相同的二相逆變電路，連接在所述直流電源的輸出端，并且具有二個相輸出端和一個二相輸出的公共端；三相電動機，連接在所述二相逆變電路的輸出端電動機的二個相端子連接所述逆變電路二個相輸出端，電動機的第3個相端子連接所述逆變電路的二相輸出的公共端；所述三相電動機具有這樣三相阻抗連接二相電源的二個輸出端子的二相的阻抗相等，且大于連接公共端的一相的阻抗。該電動機連接二相電源的二個輸出端子的二相的阻抗為連接公共端的一相的阻抗的1.5～4.5倍。該設(shè)計可達到改善系統(tǒng)不對稱的效果，因而提高效率和降低振動噪聲。
文檔編號H02P27/04GK201178400SQ20082004398
公開日2009年1月7日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者區(qū)長釗, 鐔丹中 申請人:金羚(棠下)實業(yè)有限公司