專利名稱：非正弦波氣隙磁場交流電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及交流電動機，是一種非正弦波氣隙磁場交流電動機。
在傳統(tǒng)電工領域的理論與實踐中，追求各電磁量按正弦變化，這已成為人們不可動搖的固定不變的觀點?？梢哉f，“正弦”二字在人們的頭腦中，似乎是至高無上的。當然，這是由于正弦函數(shù)本身具備許多優(yōu)點，并且電磁量的正弦變化，也確使各類電工產品獲得較好的性能。按此，在交流電動機的設計中，電機氣隙磁場及磁勢空間波為正弦分布，一直是人們所追求的目標，并且為實現(xiàn)這一目標采取了許多技術措施，如采用正弦電源供電，設計對稱的多相繞組，以及使電機工作于磁路臨界飽和點之下……等等。
但是，現(xiàn)有的交流電動機，由于墨守正弦氣隙磁場的觀點，而電機磁路又存在飽和特性，這就使得現(xiàn)有傳統(tǒng)的交流電動機存在一個很大的弱點。為了防止電機有過大的激磁電流而導致功率因數(shù)過低，也為了使電機有盡可能高的效率，氣隙正弦磁場的幅值不得不取在臨界飽和點之下，這樣，電機氣隙磁場的平均磁密值，便遠遠低于飽和磁密值，由此而導致輕載于鐵而重載于銅的局面，以及隨之而帶來的以下一些不足之點(1)在這種輕載于鐵的條件下，為了求得電機具有一定的出力，便只得給銅以重載，其一是銅導體的電流密度過高，故電動機的銅耗特別大，使得電機的效率過低;
(2)重載于銅的第二個局題，則是繞組匝數(shù)太多，故起動轉矩不大、過載能力偏低;
(3)重載于銅的第三個問題，是使電機的大部分損耗熱量集中于電機的內核部位，故熱量不易散出，而導致溫升過高;
(4)輕載于鐵而重載于銅的另一個問題，是電機的有效材料沒有得到充分利用，若就固定的材料而言，則出力過小，性能不佳，若就固定的出力而言，則用材料過多，而性能仍然不佳。
本發(fā)明的目的是，通過提供一種電磁量非正弦化的新的觀點，采用相應的新的設計原則和繞組結構，而解決上面所述各個問題的豐正弦波氣隙磁場交流電動機。
下面簡述其電磁過程。
載流導體在磁場中的受力公式為F＝BLi……(1)式中，F(xiàn)為電磁力，B為磁密值，L為導體有效長度。
由上可見，當導體中電流i為一定值時，如能使磁密值B增大，則導體所受之電磁力也將增大。對于一臺電機來說，如果氣隙磁場磁密值增大，則轉子導體所受之電磁力增大，進深一步說，如果電機氣隙磁場沿鐵芯園周任何一點的磁密值均增大，即磁場具有均勻的最大值B，或者說磁場具有非正弦的平頂波形，則轉子導體所受之總電磁力將為最大，因而電機的出力將有大幅度的增加，反之，如果電機的出力保持不變，則轉子導體中的電流將大幅率下降，隨之定子導體電流的有功分量也將大幅度下降，從而定、轉子銅耗均將大為下降，而電機的效率則將大幅度上升。
本發(fā)明所設計制造或改造的交流電動機具有如下優(yōu)點(1)如保持電機原來的出力不變，則可獲得如下優(yōu)良之性能(a)電機的效率可提高到一個很高的水平，對原來效率等于81%左右的電機，其效率可提高10%～12%，對原來效率等于90%左右的電機，其效率可提高5%～6%;
(b)功率因數(shù)可接近于1;
(c)起動轉矩可大幅度增大;
(d)過載能力可大幅度提高;
(e)電機的溫升顯著下降。
(2)如保持電機原來的性能不變，則可大幅度提高出力。
(3)如保持電機原來的出力和性能不變，則可大幅度節(jié)減活性材料。
本發(fā)明系利用電機磁路飽和的特性，使氣隙磁密值B上升，而且每個極下磁密值基本上均勻分布而形成為非正弦的平頂波磁場。同時，另外采取一些措施來協(xié)同提高電機的效率和功率因數(shù)。這些協(xié)同措施是，在定子上加嵌輔繞組并為之匹配適當容值的電容器來達到所期望的目的。
配置電容器之后，電機的造價似乎要有所增加，但從以下幾種情況來分析，則并不如此，或者可很快回收增加的造價費用(1)若保持電機的性能不變(功率因數(shù)仍可提高)，則可大幅度提高電機的出力，這相當于提高了電機的機座號，故電機的造價不僅未增加，可能還有所下降;
(2)若保持電機的性能和出力不變，則可大幅度節(jié)減材料，材料節(jié)減費比之添加電容器所增加的費用可能還多些;
(3)若保持電機的出力和所用材料不變，則如上所述，可大大提高電機的性能，其中功率因數(shù)可接近于1，而效率可提高10%以上，故可大量節(jié)約能源面獲取很高的經濟效益以及社會效益。這樣，便可在不太長的時間內回收添加電容器所增加的費用。依據本發(fā)明所采用的繞組結構，其所添加的電容器，電容值并不太大，故造價增加并不太多，而回收期是比較短的。
而且，由于電容器的容值不太大，故其體積自然也較小，可以制成為合適的形狀，裝置于電機的某些部位，使電機的總體積增加不多。
本發(fā)明交流電動機采用的繞組結構，大大不同于現(xiàn)行傳統(tǒng)的交流電動機，具有不同的結構形式，今分別述其特征如下(1)如圖①所示，第一種繞組結構的特征為、(a)電機主繞組[1]的三個相繞組接成為丫形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組[2]與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為丫形的主繞組[1]并聯(lián)于電源。
(2)如圖②所示，第二種繞組結構的特征為(a)電機主繞組[1]的三個相繞組接成為丫形，并與電源相接，其中心點可以接出(b)三相三個第二輔繞組[3]與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為丫形，并與上述接成為丫形的主繞組[1]并聯(lián)于電源，其中心點與主繞組[1]中心點相通。
(3)如圖③所示，第三種繞組結構的特征為(a)電機主繞組[1]的三個相繞組接成為丫形，并與電源相接，其中心點可以接出;(b)三相三個第一輔繞組[2]與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與上述接成為丫形的主繞組[1]并聯(lián)于電源;(c)三相三個第二輔繞組[3]與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為丫形，并與上述接成為丫形的主繞組[1]并聯(lián)于電源，其中心點與主繞組[1]的中心點相通。
(4)如圖④所示，第四種繞組結構的特征為(a)電機主繞組[1]的三個相繞組接成為丫形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組[2]與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為丫形的主繞組[1]并聯(lián)于電源;(c)既不與主繞組[1]相聯(lián)，也不與電源相聯(lián)，獨立的三相三個第三輔繞組[4]接成為開口三角形，并于缺口處接入一只適當容值的電容器。
(5)如圖⑤所示，第五種繞組結構的特征為(a)電機主繞組[1]的三個相繞組接成為丫形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組[2]與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為丫形的主繞組[1]并聯(lián)于電源;(c)既不與主繞組[1]相聯(lián)，也不與電源相聯(lián);獨立的三相三個第四輔繞組[5]，分別與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為丫形，并將三相三個端點短接，其中心點不與主繞組[1]的中心點相通。
(6)如圖⑥所示，第六種繞組結構的特征為(a)電機主繞組[1]的三個相繞組接成為丫形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組[2]與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為丫形的主繞組[1]并聯(lián)于電源;(c)既不與主繞組[1]相聯(lián)，也不與電源相聯(lián)，獨立的兩相兩個第五輔繞組[6]分別與適當容值的電容器串聯(lián)，然后本身短接，兩部分在空間相距90°電角度。
下面簡介一下上述各種繞組結構的設計原則。
本發(fā)明交流電動機的氣隙磁場為非正弦的平頂波，故設計時應采用平頂磁勢波激勵平頂磁場波的平頂磁化曲線。設磁化曲線所示平頂磁勢與平頂磁場幅值間的比值為Fδ/Bδ＝A……(2)則第一步可選擇一個合適的平頂氣隙磁場的磁密值Bδ，由此得Fδ＝ABδ……(3)在此基礎上，即可進行主繞組的設計，如前所述，主繞組的三個相繞組接成為丫形。
第一輔繞組的極數(shù)與主繞組的極數(shù)相同，其每相匝數(shù)在零值與主繞組每相匝數(shù)的百分之四十之間選擇，包括零值。第二輔繞組的極數(shù)為主繞組極數(shù)的三倍，其每相匝數(shù)在零值與主繞組每相匝數(shù)的百分之三十之間選擇，包括零值。
第三輔繞組的極數(shù)與主繞組極數(shù)相同，第四輔繞組與第五輔繞組的極數(shù)均為主繞組極數(shù)的三倍。這三個輔繞組的每相匝數(shù)，均與平頂波氣隙磁場的磁密值密切相關，即在平頂波氣隙磁場磁密值的四分之一至二分之一之間選擇一磁密值進行設計得到。
最后，闡明一點，非正弦波氣隙磁場這一原理，同樣可應用于單相交流電動機，但不及應用于三相交流電動機上同等優(yōu)越的效果。當單相電動機作兩相運行時，則可獲得較為優(yōu)良的性能。
權利要求
1.一種非正弦波氣隙磁場交流電動機，其特征是(a)不同于傳統(tǒng)的氣隙磁場為正弦分布的交流電動機，其氣隙每極下磁密分布均勻，呈平頂波形狀；(b)電機主繞組的三個相繞組接成為Y形，其中心點可以接出，并與電源相接；(c)為了促成氣隙磁場改進為平頂波形，本發(fā)明采用多種繞組結構，每一結構均包含上面(b)項所述作Y聯(lián)接的主繞組，另外再增加各自額外的一個或二個輔繞組，各輔繞組并串聯(lián)適當容值的電容器而組成特殊的線路，或與主繞組相聯(lián)，或與主繞組相隔離而成為獨立體。
2.根據權利要求1所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其第一種繞組結構的特征為(a)電機主繞組的三個相繞組接成為Y形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為Y形的主繞組并聯(lián)于電源。
3.根據權利要求1所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其第二種繞組結構的特征為(a)電機主繞組的三個相繞組接成為Y形，并與電源相接，其中心點可以接出;(b)三相三個第二輔繞組與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為Y形，并與上述接成為Y形的主繞組并聯(lián)于電源，其中心點與主繞組中心點相通。
4.根據權利要求1所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其第三種繞組結構的特征為(a)電機主繞組的三個相繞組接成為Y形，并與電源相接，其中心點可以接出;(b)三相三個第一輔繞組與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與上述接成為Y形的主繞組并聯(lián)于電源;(c)三相三個第二輔繞組與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為Y形，并與上述接成為Y形的主繞組并聯(lián)于電源，其中心點與主繞組中心點相通。
5.根據權利要求1所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其第四種繞組結構的特征為(a)電機主繞組的三個相繞組接成為Y形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為Y形的主繞組并聯(lián)于電源;(c)既不與主繞組相聯(lián)，也不與電源相聯(lián)，獨立的三相三個第三輔繞組接成為開口三角形，并于缺口處接入一只適當容值的電容器。
6.根據權利要求1所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其第五種繞組結構的特征為(a)電機主繞組的三個相繞組接成為Y形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為Y形的主繞組并聯(lián)于電源;(c)既不與主繞組相聯(lián)，也不與電源相聯(lián)，獨立的三相三個第四輔繞組分別與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為Y形，并將三相三個端點短接，其中心點不與主繞組中心點相通。
7.根據權利要求1所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其第六種繞組結構的特征為(a)電機主繞組的三個相繞組接成為Y形，并與電源相接;(b)三相三個第一輔繞組與適當容值的電容器串聯(lián)，然后接成為△形，并與接成為Y形的主繞組并聯(lián)于電源;(c)既不與主繞組相聯(lián)，也不與電源相聯(lián)，獨立的兩相兩個第五輔繞組分別與適當容值的電容器串聯(lián)，然后本身短接，兩部份在空間相距90°電角度。
8.根據權利要求1、2、3、4所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其特征為(a)第一輔繞組的極數(shù)與主繞組極數(shù)相同，其每相匝數(shù)在零值與主繞組每相匝數(shù)的百分之四十之間選擇，包括零值;(b)第二輔繞組的極數(shù)為主繞組極數(shù)的三倍，其每相匝數(shù)在零值與主繞組每相匝數(shù)的百分之三十之間選擇，包括零值。
9.根據權利要求1、5、6、7所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其特征為(a)第一輔繞組的極數(shù)與主繞組極數(shù)相同，其每相匝數(shù)在零值與主繞組每相匝數(shù)的百分之四十之間選擇，包括零值;(b)第三輔繞組的極數(shù)與主繞組極數(shù)相同，第四輔繞組及第五輔繞組的極數(shù)均為主繞組極數(shù)的三倍，這三個輔繞組的每相匝數(shù)，均與平頂波氣隙磁場磁密值密切相關，即在平頂波氣隙磁場磁密值之四分之一至二分之一之間選擇一磁密值，進行設計獲得。
10.根據權利要求1所述之非正弦波氣隙磁場交流電動機，其特征是非正弦波氣隙磁場這一原理，同樣可應用于單相交流電動機，但不及應用于三相交流電動機上同等優(yōu)越之效果;當單相電動機作兩相運行時，則可獲得較為優(yōu)良的性能。
全文摘要
本發(fā)明非正弦波氣隙磁場交流電動機具有多種繞組結構，其氣隙磁場呈非正弦的平頂波形狀。電動機的主繞組接成為Y形，其中心點可以接出；除主繞組外，各個繞組結構均另外裝配各自的輔繞組串聯(lián)電容器組成的線路。本發(fā)明交流電動機具有優(yōu)良的性能，對原來效率等于80％左右的電機，其效率可提高10％以上，功率因數(shù)接近于1，起動轉矩和過載能力均有提高，而溫升則下降。
文檔編號H02K3/28GK1059430SQ9010741
公開日1992年3月11日 申請日期1990年8月31日 優(yōu)先權日1990年8月31日
發(fā)明者陳傳瓚 申請人:陳傳瓚