專利名稱：變極調(diào)速時不需切斷電源的單繞組雙速電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬交流電動機調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域，是對三相單繞組雙速籠型電動機及其變極繞組的創(chuàng)新，電動機從低速到高速的調(diào)速過程中不需切斷三相電源而僅用一只三相開關(guān)的合閘即可實現(xiàn)，可解決這類籠型電動機起動、變速時過大的電流沖擊等技術(shù)難題，可大幅度降低電動機及其起動、調(diào)速設(shè)備的成本且運行可靠性高，適于制成遠速比及近速比的常用極數(shù)比的單繞組雙速電動機，特別適用于制造用于電動葫蘆、刮板輸送機、塔吊、起重冶金機械等各種起重運輸機械及風(fēng)機、球磨機等配套的電動機。
國內(nèi)外目前生產(chǎn)的單繞組雙速電動機中的變極繞組近十年來得到了較大的改進，與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中值得提出的是主要用于電梯電動機的中國發(fā)明專利(申請?zhí)枮?1106623.3和91106624.1)，它對變極繞組的改進在于使基波繞組系數(shù)有所提高、磁勢諧波含量有所下降，其缺點是對于需頻繁起動和頻繁地進行變速切換的交流電梯等應(yīng)用場合的雙速電動機而言，每次變速都得先切斷三相電源且所需變速切換開關(guān)太多(不包括電動機反轉(zhuǎn)就需五只或三只接觸器)，同時其控制線路和設(shè)備也相應(yīng)地較為復(fù)雜、勢必影響其長期運行的可靠性及普遍推廣應(yīng)用的價值。
本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有雙速籠型電動機的缺點、發(fā)展新的變極切換方式的三相單繞組雙速籠型電動機系列產(chǎn)品，其變速切換僅需一只三相開關(guān)、操作簡單、可靠、調(diào)速過程中不需切斷三相電源，其變極繞組有較高的基波繞組系數(shù)、較低的磁勢諧波含量、雙速下較合理的氣隙磁密比。本發(fā)明用于錐形轉(zhuǎn)子的2/8、4/10、4/16極等雙速電動葫蘆的直接目的是，取代目前已在雙速電動葫蘆生產(chǎn)中普遍采用的錐形轉(zhuǎn)子的雙電機雙速或單電機雙繞組雙速電動機，在大幅度降低這種電動葫蘆的體積、重量和制造成本的同時解決后者從低速切換到高速或從高速切換到低速的過程中需斷開三相電源讓錐形轉(zhuǎn)子起“剎車”作用、電動機轉(zhuǎn)速降至零后再重新進行起動所引起過大的電流沖擊等技術(shù)難題；本發(fā)明用于煤礦井下的刮板輸送機的直接目的是，用本發(fā)明的4/10極單繞組雙速電動機取代目前已在刮板輸送機生產(chǎn)中普遍采用的4/8極雙繞組雙速電動機，解決后者從低速切換到高速的過程中需切斷三相電源所引起的影響電動機運行可靠性等使其在井下壽命短、損壞嚴重的技術(shù)難題；本發(fā)明用于離心式風(fēng)機的目的是，在實現(xiàn)風(fēng)機調(diào)速節(jié)電時做到低速起動電流小、變速切換安全可靠；本發(fā)明用于恒功率寬調(diào)速異步電機系統(tǒng)如機床主軸電動機的變頻調(diào)速與變極調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速系統(tǒng)的目的是，取代不能在運行中實現(xiàn)轉(zhuǎn)速切換的齒輪箱、實現(xiàn)電動機在運行中變極切換時無過大的電流沖擊。
本發(fā)明是通過如下單繞組雙速籠型電動機中的新型變極繞組的切換來實現(xiàn)的。變極繞組的繞組結(jié)構(gòu)和變極切換的示意圖如附圖1所示，它由六個線圈組A1、B2、C1、A2、B1、C2依次串聯(lián)起來呈閉合三角形狀的基本繞組(閉合三角形有三個頂點和另三個連接點)和由另六個線圈組a1、b2、c1、a2、b1、c2組成的調(diào)整繞組共同組成，其高、低速分別為2p1、2p2極，有六根引出線D1L、D2L、D3L、D1H、D2H、D3H，其相互連接關(guān)系為在基本繞組的閉合三角形的三個頂點與三根引出線D1L、D2L、D3L之間分別接入調(diào)整繞組的三個線圈組a1、b1、c1；調(diào)整繞組的另三個線圈組a2、b2、c2則分別接入另三根引出線D1H、D2H、D3H與基本繞組的另三個連接點之間。其關(guān)鍵特征是當三相開關(guān)K1合閘接通三相電源時呈一路Y-Δ串聯(lián)接法、電動機的基波旋轉(zhuǎn)磁場為2p2極運行于低速；電動機從低速狀態(tài)變極切換到高速狀態(tài)運行時不需切斷電源即三相開關(guān)K1不斷開而只需將另一只三相開關(guān)K2合閘，即將引出線中的D1H和D1L、D2H和D2L、D3H和D3L分別接通，這時繞組呈二路Y-Δ串聯(lián)接法、電動機的基波旋轉(zhuǎn)磁場為2p1極運行于高速，2p1極和2p2極下基波旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同。變極繞組在2p1極、2p2極下的電路及各相線圈組中的電流方向分別如附圖2a)、b)所示，從該圖中可以看出基本繞組中六個線圈組在2p1極、2p2極中的相屬及電流方向(用實線、虛線箭頭分別表示2p1極、2p2極各相繞組中的電流方向)均已改變并已列于表1；調(diào)整繞組中的a1、b1、c1在2p1、2P2極下的相屬及電流方向均不改變，但線圈組a2、b2、c2在2p1極下分別與a1、b1、c1并聯(lián)而在2p2極下則沒有電流通過。表1 下面通過具體例子對本發(fā)明作進一步說明。例子之一為定子槽數(shù)Z1＝36槽、4/10極的新切換方式的變極繞組如附圖3所示，其基本繞組中的線圈組A1、A2、B1、B2、C1、C2及調(diào)整繞組中的線圈組a1、a2、b1、b2、c1、c2分別由表2所列各線圈組成。附圖3和表2中的線圈號為該線圈的上層邊所在槽的槽號，線圈的正、負號以高速下為準正號表示該線圈的電流由首端進、末端出；負號則相反，表示該線圈的電流由末端進、首端出。低速下因基本繞組中各線圈的電流方向恰與高速下相反，所以其線圈的正、負號也恰與高速時相反，這已反映在附圖4a)、b)所分別畫出的4極、10極的各相磁勢矢量圖中(也已反映在表1的線圈組的正、負號中)。從附圖3和附圖4a)、b)可以看出變極繞組在三相電源的相序相同時其高、低速即4極、10極下基波旋轉(zhuǎn)磁勢的旋轉(zhuǎn)方向皆為逆時針(同轉(zhuǎn)向)；在高、低速下每相串聯(lián)星形部分繞組的磁勢與三角形部分繞組的磁勢之間有30°電角度的相位差；調(diào)整繞組所占的線圈數(shù)較少、為總線圈數(shù)的33.3％，用于調(diào)整雙速下的氣隙磁密比、提高基波分布系數(shù)和降低磁勢諧波含量；調(diào)整繞組中的電流有效值為基本繞組的
倍，因此調(diào)整繞組與基本繞組的線圈匝數(shù)比接近于1∶
而其導(dǎo)線截面積之比接近于
∶1，以保持每個線圈中有基本相同的電流密度及每槽槽滿率基本相同；4極、10極下繞組基波分布系數(shù)較高，分別為0.93、0.848，用線圈節(jié)距y＝11槽的雙層疊式繞組的4極、10極繞組系數(shù)分別為0.874、0.845，10極下的氣隙磁密稍高于4極、其比值較合理(Bg10/Bg4≈1.1)，可使電動機低速下有較高的起動轉(zhuǎn)矩值而高速下又有較高的運行效率和功率因數(shù)。本具體例子中4/10極新切換方式的變極繞組采用的定子槽數(shù)Z1＝36，當4/10極雙速電動機容量小時可采用Z1＝24槽、容量大時可采用Z1＝48槽、Z1＝60槽、Z1＝72槽等，繞組結(jié)構(gòu)仍如附圖1所示，但其基本繞組中的各線圈組A1、A2、B1、B2、C1、C2和調(diào)整繞組中的各線圈組a1、a2、b1、b2、c1、c2將由不同號碼的線圈所組成。表2
本發(fā)明的例子之二為定子槽數(shù)Z1＝48槽、4/16極新切換方式的變極繞組(繞制成單層繞組的技術(shù)方案)如附圖5所示，其基本繞組中的線圈組A1、A2、B1、B2、C1、C2及調(diào)整繞組中的線圈組a1、a2、b1、b2、c1、c2分別由表3所列各線圈邊組成，附圖5和表3中的線圈邊號的正、負號仍以高速下為準。本方案調(diào)整繞組的線圈數(shù)為總線圈數(shù)的25％；線圈節(jié)距y＝9的鏈式單層繞組，4極、16極下的基波繞組系數(shù)分別為0.73、0.885，16極下的氣隙磁密略高于4極、其比值較合理(Bg16/Bg4≈1.3)，這對驅(qū)動電動葫蘆等的雙速電動機保證低速檔有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩值是合理的。表3
本實用新型的實施例是在國產(chǎn)的Y160L-8、7.5KW單速電機基礎(chǔ)上改型設(shè)計為Y160L-4/16、7.5/1.4KW單繞組雙速電動機并試制出樣機，樣機采用的為附圖1所示的繞組結(jié)構(gòu)、定子槽數(shù)Z1＝48槽、線圈節(jié)距y＝9的雙層疊式繞組，4/16極下基波分布系數(shù)為0.851/0.884、繞組系數(shù)為0.786/0.884，經(jīng)型式試驗實測的主要技術(shù)數(shù)據(jù)與國內(nèi)現(xiàn)行生產(chǎn)的雙速電動機YYTD-4/16、7.5/1.4KW的對比由表4所列。
從例子之一、例子之二及實施例中樣機的實測數(shù)據(jù)中可看出本實用新型具有如下突出優(yōu)點1.本變極繞組結(jié)構(gòu)及電動機的變極切換方式實現(xiàn)了變速切換時不切斷三相電源(從低速切換到高速時三相開關(guān)K1一直處于合閘狀態(tài))、電動機低速起動電流不高且避免了從低速切換到高速時過大的電流沖擊(因而所用的接觸器的容量可以降低)。
2.本雙速電動機變速切換所需的三相開關(guān)數(shù)量少(現(xiàn)有的雙繞組雙速電動機包括高、低速及其正、反轉(zhuǎn)共需四只接觸器，是到目前為止雙速電機中所用接觸器數(shù)量最少的，而本實用新型更少、總共僅需三只接觸器)、轉(zhuǎn)速控制更簡便、可靠。
3.本雙速電動機體積小、重量輕、省材料、成本低。
4.本雙速電動機有良好的運行性能，高速時效率高、功率因數(shù)高，有利于節(jié)約能源。
5.可采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，它比銅條轉(zhuǎn)子工藝簡單、可靠性高、成本低。
6.可采用封閉式、自扇冷卻結(jié)構(gòu)，它比外加通風(fēng)機強迫通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的成本低。
本實用新型的這些突出優(yōu)點是制成煤礦井下刮板輸送機用單繞組雙速電動機取代目前雙繞組雙速電動機的主要根據(jù)，也是制成新型錐形轉(zhuǎn)子單繞組雙速電動機取代雙電機雙速錐形轉(zhuǎn)子電動葫蘆的主要根據(jù)。
對于如球磨機等使用場合，是要求電動機驅(qū)動大慣量的負載而起動電流不要過大、起動時間不要過長、不因起動而燒毀電動機?？捎帽緦嵱眯滦偷碾妱訖C低速檔起動(其起動電流為高速檔起動電流值的50％以下、起動電流的數(shù)值不高)，當電動機的轉(zhuǎn)速接近低速檔的同步轉(zhuǎn)速時再不斷電切換到高速檔可避免過大的電流沖擊并使整個起動時間不致過長，這是球磨機、刮板輸送機和發(fā)電廠鍋爐用的離心式風(fēng)機等生產(chǎn)機械提高起動和變速切換可靠性的有效途徑。本實用新型的上述特點使其在各種起重運輸機械(原采用籠型或繞線型轉(zhuǎn)子電動機的場合)中將有廣闊的用途。
對于機床主軸電動機采用變頻調(diào)速因要達到恒功率寬調(diào)速有因難，不得不繼續(xù)沿用不能在運行中實現(xiàn)轉(zhuǎn)速切換的齒輪箱。若采用電動機的變頻調(diào)速與本實用新型的變極調(diào)速相結(jié)合、實現(xiàn)變極調(diào)速時的不斷電切換即可達到電動機在運行中變極切換而無過大的電流沖擊。
對于如塔式起重機的起升機構(gòu)用多速電動機等使用場合，要求鼠籠式轉(zhuǎn)子電動機為三速或四速，例如當需要4/8/16/32極四速時可采用本實用新型中的4/16極單繞組雙速與另一套8/32極的單繞組雙速組合到同一臺電動機中、以形成雙繞組四速(或三速)電動機。


附圖1，是新型變極繞組的繞組結(jié)構(gòu)和變極切換的示意圖，接觸器K1合閘為低速2p2極、再合上K2為高速2p1極。
附圖2中a)是變極繞組在高速2p1極下的電路及各相線圈組中的電流方向示意圖，b)是變極繞組在低速2p2極下的電路及各相線圈組中的電流方向示意圖(其基本繞組中各線圈組的電流方向與圖2a)相反，該線圈組標以負號)。
附圖3，是例子之一(定子槽數(shù)Z1＝36槽、4/10極雙層疊式繞組)的具體線圈連接電路圖。圖中線圈的正、負號以高速下為準。
附圖4中a)是例子之一的2p1＝4極的各相磁勢矢量圖，b)是例子之一的2p2＝10極的各相磁勢矢量圖。a)、b)中旋轉(zhuǎn)磁勢的旋轉(zhuǎn)方向相同。
附圖5，是例子之二(定子槽數(shù)Z1＝48槽、4/16極單層鏈式繞組)的具體線圈邊連接電路圖。圖中線圈邊的正、負號以高速下為準。表4
權(quán)利要求1.一種變極調(diào)速時不需切斷電源的單繞組雙速電動機，包括有定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于定子變極繞組由接在三角形部分的基本繞組[A1、A2、B1、B2、C1、C2]和串聯(lián)星形部分的調(diào)整繞組[a1、a2、b1、b2、c1、c2]組成，有六根引出線[D1L、D2L、D3L、D1H、D2H、D3H、]，其中的引出線[D1L、D2L、D3L]與三相開關(guān)K1連接可接通三相電源、引出線[D1H、D2H、D3H]與三相開關(guān)K2連接可分別接通引出線[D1L、D2L、D3L]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單繞組雙速電動機，其特征在于上述開關(guān)K1接通而開關(guān)K2分別斷開或接通時，定子變極繞組分別呈一路Y-Δ串聯(lián)接法或二路Y-Δ串聯(lián)接法，電動機則相應(yīng)地為低速(2P2極)或高速(2P1極)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單繞組雙速電動機，其特征在于上述串聯(lián)星形部分的調(diào)整繞組[a1、a2、b1、b2、c1、c2]所占的線圈數(shù)少于基本繞組[A1、A2、B1、B2、C1、C2]的線圈數(shù)，調(diào)整繞組的線圈數(shù)可為總線圈數(shù)的0～40％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單繞組雙速電動機，其特征在于上述開關(guān)K2接通前的低速2P2極及接通后的高速2P1極其基波旋轉(zhuǎn)磁勢的旋轉(zhuǎn)方向相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單繞組雙速電動機，其特征在于上述高速與低速的極數(shù)2P1/2P2可為4/10、4/16極等遠極比或為近極比。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單繞組雙速電動機，其特征在于低速及高速時每相串聯(lián)星形部分與三角形部分繞組的磁勢之間的相位差接近于30°電角度，而星形部分繞組與三角形部分繞組每個線圈的匝數(shù)比接近于1∶3、線圈的導(dǎo)線截面積之比接近于3∶1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單繞組雙速電動機，其特征在于定子繞組為單層或雙層繞組。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單繞組雙速電動機，其特征在于用這種雙速繞組可組合構(gòu)成雙繞組四速或三速籠型電動機。
專利摘要一種變極調(diào)速時不需切斷電源的單繞組雙速電動機，其定子變極繞組由接在三角形部分的基本繞組和串聯(lián)星形部分的調(diào)整繞組組成。本實用新型在調(diào)速過程中不需切斷三相電源，只需控制一只三相開關(guān)的通或斷來實現(xiàn)變速切換，可解決電動機起動及從低速切換到高速時過大的電流沖擊等技術(shù)難題，且其所用開關(guān)少、成本低、性能好、可靠性高，特別適于用作刮板輸送機、塔吊、電動葫蘆等各種起重運輸機械及風(fēng)機等調(diào)速的遠、近極比的雙速電機。
文檔編號H02K17/14GK2245824SQ9521984
公開日1997年1月22日 申請日期1995年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月16日
發(fā)明者張城生, 陳雪華, 楊杰 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)