CN1006265B - 一种用于无级变速的交流电动机 - Google Patents

Abstract

本新型交流无级调速装置无换向器，并可以无滑环电刷，结构可靠性好，该电机调速范围宽，从０起调，无起动过电流，适于频繁起动。该电机于大功率时，优点尤为突出。该电机适用于防爆场合。

Description

一种用于无级变速的交流电动机

本发明是实现无级变速的交流电动机。

为达到电机调速的目的，目前采用的有直流电动机，它不仅需要相应功率的可调直流电源，而且换向器结构容易发生故障。

交流换向器变速电机除结构复杂外，也有这种缺点。

交流转差调速电机、电磁调速电机，它们低速时效率非常低，而且调整、释放转差产生的多余能量，也存在很多困难。根据“电气传动”85.1介绍，当前国内大力推广将这部分能量利用电子器件整流、逆变、反馈电网的方法。这种方法可靠性差，成本高。

采用上述各种方案变速时，由于换向器运行时产生的火花，大功率电子器件的制造等多种原因，在大功率应用方面都受到限制。

此外，交流调压调速电机输出力矩与输入电压平方成正比，转速降低，力矩明显下降。这是一个很大的缺点。

交流串级调速电机存在直流电机的一切弊病，而且调速范围小，低速性能差。

在交流无级调速方面，世界上也出现一些新技术，如“科学画报”80年第9期刊登的“交流无级变速电机”;“中小型电机”84年第4期介绍的“新型变速交流电动机”-4227136美国专利。

本发明电动机实质是多台异步电机的组合，是将转差电机感应出的交流电流所产生的旋转磁场的频率与电机机械转动的旋转频率叠加，感应出具有附合要求的频率的交流电压加以利用，用以驱动辅助电机的称为本发明Ⅰ型电机，用以反馈电网的称为本发明Ⅱ型电机。

本发明的主要目的是产生出新型无换向器，调速范围宽、低速性能好的交流无级调速电机。本发明的另一个目的是提高电机效率。

本发明Ⅰ型电动机结构简单，坚固;能作反转、停转等动作;该电机调速范围宽，从零起调，调速平稳;该电机无起动过电流，适于频繁起动;该电机无电刷;无换向器结构，运行时无火花，可靠性好，维修、保养方便。该电机具有恒功率特性，低速时输出力矩大，低速性能好。

本发明Ⅰ型电机可用于电力拖动、升降设备、矿山、冶金等各方面。也可用于防爆等特殊场合下的无级调速。在大功率时，本发明Ⅰ型电机优点尤为突出。

图1是Ⅰ型电机的一种结构示意图。图2是Ⅰ型电机的另一种结构示意图

图3是Ⅱ型电机的示意图。

本发明Ⅰ型电机结构如图1所示。

由铁芯和绕组构成的定子1、定子5与电机外壳14相固定，并安装在底座13上。由铁芯和绕组构成的转子2，内转子4固定在轴8上。由铁芯和绕组构成的外转子3通过外转子支架15与轴12刚性联接，并通过轴承9、轴承10与轴8联接，然后通过轴承7和轴承11与电机外壳14联接。由铁芯和绕组构成的转子6固定在轴12上。因此轴8与轴12可以以不同的转速独立旋转。定子1、转子2、轴8构成转差电机;外转子3、内转子4、轴8构成变频电机;定子5转子6、轴12构成辅助电机。

将交流电源接转差电机定子1的绕组，转差电机转子2的绕组沿轴8穿过轴承9接变频电机内转子4的绕组，转差电机转子2在定子1的绕组的旋转磁场的作用下，带动变频电机内转子4转动，同时转差电机转子2的绕组将感应交流电流送给变频电机内转子4的绕组，适当接线，可使变频电机内转子4的绕组的电流产生的旋转磁场方向与轴8机械转动的方向相反。变频电机外转子3的绕组接辅助电机转子6的绕组。变频电机外转子3在内转子4的绕组的旋转磁场的作用下，带动轴12转动，同时变频电机外转子3的绕组又是辅助电机转子6的绕组的变频电源。适当接线，使辅助电机转子6的绕组的电流产生的旋转磁场方向与轴12机械转动的方向相反。辅助电机定子5可以是鼠笼结构或绕线的。辅助电机本身可产生与轴12机械转动方向相同的电磁转矩。

根据需要，可以将变频电机外转子3通过外转子支架15与转差电机轴8联接，内转子4与辅助电机轴12联接，并将转子2的绕组与外转子3的绕组联接内转子4的绕组与辅助电机转子6的绕组联接。其结构如图2所示。这时外转子3、内转子4、轴12构成变频电机。

辅助电机轴12作为本发明Ⅰ型电机的负载轴时，其输出转矩为变频电机电磁转矩与辅助电机电磁转矩之和。在低速时，由辅助电机将转差电机产生的多余能量转化为机械能，因此具有恒功率特性。低速时，由于辅助电机在转矩输出中起主要作用，大大增加了低速时的力矩输出，低速性能好。

设：f₀为本电机输入电源频率;p₁，p₂、p₃分别为转差电机，变频电机、辅助电机的电极数;△n为辅助电机正常运转所要求的转差数。n₁为轴8的转速;n₂为轴12的转速。

转差电机转子感应电压频率f₁：f₁＝f₀·s₁＝f₀（1-n₁/n_1s）其中n_1s＝60f₀/（p₁/2）。变频电机另一转子感应电压频率f₂：

f₂＝（〈-60f₁/（p₂/2）〉+n₁-n₂）·（p₂/2）·（1/60）。

辅助电机同步转速n_3s：

n_3s＝〈60f₂/（p₃/2）〉＝n₂。代入f₂、f₁

当本电机满足方程：

其中n≥0时，就可以正常运行。即必须满足方程：

对本电机调速范围内任给定的n和△n，调整该电机输入电压就可以满足方程要求。

若要求n₂＝0，△n＝0时只要

令：

当n₁＝n₁₀时，该电机状态称为本发明Ⅰ型电机的准备状态。n₁由0上升到n₁₀的过程称为该电机的准备过程。当该电机处于准备状态时，轴12在任意负载下，转速都为0。

在本电机开始起动时，n₁＝0，n₂＝0。这时该电机输入电压由0逐渐增加。只要n₁∠n₁₀，即该电机处于准备过程中时，变频电机与转差电机对轴8产生的电磁力矩方向相同，促使轴8转速迅速增加，直到该电机完成准备过程为止。因此不论轴12负载如何，对轴8都是空载起动，所以起动迅速，且无起动过电流。由于这时输入电压低，过渡时间短，因此对轴12影响不大，必要时可在准备过程中对轴12进行制动。随着电机输入电压升高，n₁增大，就可以调节轴12转速连续变化，实现无级调速。

当n₁接近转差电机同步转速时，n₂获得最大值。因此轴12的调速范围为：θ≤n₂≤n_max。其中n_max≈120p₃f₀/p₁（p₂+p₃），因此本发明Ⅰ型电机调速范围很宽。

改变输入电压相序，可以使轴8和轴12逆转。降低输入电压，可以使电机制动。

本发明Ⅱ型电机结构简单，体积小，具有恒转矩输出特性。该电机结构如图3所示。由铁芯和绕组构成的定子17与电机外壳19相固定，并安装在底座1上。由铁芯和绕组构成的转子18、内转子14固定在轴21上。由铁芯和绕组构成的外转子15固定在外转子支架13上，并通过轴承9和轴承16与电机外壳19联接。轴21通过轴承6与外转子支架13联接。通过轴承20与电机外壳19联接。齿轮7固定在轴21上。齿轮5、齿轮4固定在轴22上，通过轴承3和轴承23与固定在底座1上的轴架2联接。齿轮8固定在外转子支架13上。齿轮7与齿轮5啮合;齿轮8与齿轮4啮合。因此轴21与外转子15只能以固定的速比转动。齿轮5齿轮7、齿轮4、齿轮8构成本电机齿轮系统。转子18、内转子14、外转子15、外转子支架13、轴21，齿轮系统构成转子系统。电刷12通过电刷支架11固定在电机外壳19上，滑环10固定在外转子支架13上。定子17、转子18、轴21构成转差电机、外转子15、内转子14、轴21构成变频电机。

将交流电源接转差电机定子17的绕组，转差电机转子18的绕组接变频电机内转子14的绕组，转子18在定子17的绕组的旋转磁场的作用下，带动变频电机内转子14转动，并通过齿轮系统使外转子15按一定速比同向转动，同时转差电机转子18的绕组将感应交流电流输送给变频电机内转子14的绕组。适当接线，可以使变频电机内转子14的绕组的电流产生的旋转磁场方向与轴21机械转动的方向相同。变频电机外转子15的绕组的感应电压由滑环10、电刷12引出。

设p₁为转差电机电极数，p₂为变频电机电极数，n₁为轴21的转速，n₂为变频电机外转子的转速。

为使本发明Ⅱ型电机输出电压频率和电机输入电压频率相同，必须满足方程：

即必须满足方程：

因此只要令本发明Ⅱ型电机中，变频电机电极数多于转差电机电极数，同时齿轮系统转速比满足n₁/n₂＝p₂/p₂-p₁，就可以保证在轴21的任意转速下该电机输入电压与输出电压频率相同，这样就可以将转差电机在调速时产生的多余能量反馈电网。

当变频电机电极数少于转差电机电极数时，设计齿轮系统，使变频电机内转子、外转子旋转方向相反，同时转速比满足n₁/n₂＝p₂/p₁-p₂。

利用转子系统，就可以把变频感应时产生的与轴21旋转方向相反的电磁力矩变成该电机转子系统的内力，而不会因此减小轴21的输出转矩。

调整本发明Ⅱ型电机输出的反馈量，或调整该电机输入电压及输出反馈量的组合，可实现本发明Ⅱ型电机的无级调速。

该电机输出转矩为转差电机的电磁转矩。

上述实施例是通过将多台异步电机组合在一起，使转差电机转子带动变频电机一转子转动，并使转差电机转子绕组与变频电机该转子绕组联接，使该转差电机转子的感应电流在变频电机内产生一个旋转磁场，该旋转磁场的转速与变频电机该转子机械转动的转速相叠加，而对变频电机另一个转子产生在整个调速范围由设定值的同步转速的旋转磁场，实现交流电机的无级调速。

Claims (9)

1、一种至少由两台异步电动机组合而成的用于实现无级调速的装置，其特征在于：

包括一台转差电机，一台变频电机，所述变频电机具有两个转子，将所述两台电机以确定的方式组合在一起，使转差电机的转子带动变频电机的一个转子转动，并且使转差电机转子的转差电流在变频电机内产生一个旋转磁场，该旋转磁场的旋转速度与变频电机转子机械转动的速度相叠加，变频电机的另一个转子在具有上述叠加转速的旋转磁场的作用下旋转。

2、一种根据权利要求1的可以驱动辅助电机的交流无级调速电机，其特征在于包括由定子①、转子②、转轴⑧构成的转差电机，由外转子③、内转子④、转轴⑧构成的变频电机，由定子⑤、转子⑥、转轴②构成的辅助电机，定子①、定子⑤与安装在底座上的电机外壳相固定，转子②、内转子④固定在转轴⑧，外转子③通过外转子支架与转轴刚性联接，并通过轴承⑨、轴承⑩与转轴⑧联接，通过轴承⑦、轴承

与电机外壳联接，转子⑥固定在转轴

上，因此转轴⑧与转轴可以以不同的转速独立转动，将交流电源接到定子①的绕组上，转子②的绕组沿转子⑧穿过轴承⑨与内转子④的绕组相联接使内转子④的绕组中的激励电流（此电流是转子②的绕组中的感应电流）所产生的旋转磁场的旋转方向与转轴⑧的机械转动方向相反，外转子③的绕组与转子⑥的绕组相联接使转子⑥的绕组中的激励电流（此电流是外转子③的绕组中的感应电流）所产生的旋转磁场的旋转方向与转轴

的机械转动方向相反，所说的转轴

为负载轴。

3、一种根据权利要求1的可以驱动辅助电机的交流无级调速电机，其特征在于包括由定子①、转子②、转轴⑧构成的转差电机，由外转子③，内转子④、转轴

构成的变频电机，由定子⑤、转子⑥、转轴构成的辅助电机，定子①、定子⑤与安装在底座上的电机外壳相固定，转子②固定在转轴⑧上，外转子③通过外转子支架与转轴⑧刚性联接，并通过轴承⑨、轴承⑩与转轴

联接，然后通过轴承⑦、轴承与电机外壳联接，内转子④、转子⑥固定在转轴上，因此转轴⑧与转轴

可以以不同的速度独立转动，将交流电源接到定子①的绕组，转子②的绕组与外转子③的绕组相连接，使外转子③的绕组中的激励电流（此电流是转子②的绕组中的感应电流）所产生的旋转磁场的旋转方向与转轴⑧的机械转动方向相反，内转子④的绕组沿转轴

通过轴承⑩与转子⑥的绕组相联接，使转子⑥绕组中的激励电流（此电流是内转子④的绕组中的感应电流）所产生的旋转磁场的旋转方向与转轴

机械转动方向相反所说的转轴为负载轴。

4、一种根据权利要求2或3的交流无级调速电机，其特征在于辅助电机各绕组圈数为0，即可以省略辅助电机，只保留转差电机和变频电机，仍以所说的转轴为负载轴。

5、一种根据权利要求1的可以将多余能量反馈电网的交流无级调速电机，其特征在于包括由定子

、转子、转轴

构成的转差电机，由内转子、外转子、转轴

构成的变频电机，由齿轮④、齿轮⑤、齿轮⑦、齿轮⑧构成的齿轮系统，由滑环⑩、电刷支架

、电刷

构成的引出装置，定子与安装在底座①上的电机外壳相固定，转子、内转子

固定在转轴上，外转子通过转子支架

和轴承⑨、轴承与电机外壳连接，转轴通过轴承⑥与外转子支架

联接，并通过轴承与电机外壳联接，电刷

通过电刷支架固定在电机外壳上，滑环⑩固定在外转子支架上，外转子

绕组中的感应电压由滑环⑩、电刷引出，反馈给电网。

6、一种根据权利要求5的交流无级调速电机，其特征在于当转子的电极数P₂大于转子

的电极数P₁时，齿轮⑦固定在转轴

上，齿轮④、齿轮⑥固定在转轴上，通过轴承轴承③与固定在底座上的轴架②联接，齿轮⑧固定在外转子支架

上，齿轮⑤与齿轮⑦啮合，齿轮④与齿轮⑧啮合，使外转子（转速为n₂）只能以固定的转速比n₁/n₂＝p₃/（p₂-p₁）与转轴（转速为n₁）同向转动，将交流电源接到定子的绕组，转子

的绕组与内转子的绕组相连接，使内转子

的绕组中的激励电流（此电流是转子

的绕组中的感应电流）所产生的旋转磁场的旋转方向与转轴

的机械转动方向相同。

7、一种根据权利要求5的交流无级调速电机，其特征在于当所说的内转子的电极数p₂小于转子

的电极数p₂时设计齿轮系统，使外转子

（转速为n₃）只能以固定的转速比n₁/n₂＝P₃/（p₁-p₂）与转轴

（转速为n₁）反向转动，将交流电源接到定子

的绕组，转子的绕组与内转子

的绕组相连接，使内转子的绕组中的激励电流（此电流是转子

的绕组中的感应电流）所产生的旋转方向与转轴的机械转动方向相同。

8、一种根据权利要求5的交流无级调速电机，其特征在于利用所说的转子

、内转子外转子

、外转子支架

、转轴、齿轮系统组成的转子系统，就可以把变频感应时产生的与转轴

的机械转动方向相反的电磁力矩变成该转子系统的内力，所以不会因此而减小转轴

的输出转矩。

9、一种根据权利要求6或7的交流无级调速电机，其特征在于调整该电机的输出反馈量或调整该电机的输入电压，或调整该电机的输入电压与输出反馈量的组合，就可以实现对电机的无级调速。

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