[发明专利]三层绕组电动机定子变极变速法

摘要

本发明是一种三层绕组电动机定子变极变速法，其涉及一种应用于电动机定子的方法，该变极变速法的电动机控制系统包括三层绕组电动机定子、移相元件、控制开关。三层绕组电动机定子中有内线圈、中线圈、外线圈，该三层绕组组成一个共用的工作绕组和两个独立的启动绕组，并且采用集中式绕组，能够提高电动机效率。该变极变速法采用三个控制开关对工作绕组一、工作绕组二、低转速启动绕组、高转速启动绕组进行变极控制，即采用简单的控制线路实现单相异步电动机变极变速。工作绕组采用双功率设计，低转速时小功率输出，高转速时大功率输出，符合节能要求。

主权项

1.一种三层绕组电动机定子变极变速法，其特征在于：三层绕组电动机定子变极变速法应用于变极变速单相异步电动机，三层绕组电动机定子变极变速法的电动机控制系统包括三层绕组电动机定子、移相元件、控制开关；移相元件采用电容器；控制开关采用单刀双掷开关，或者，控制开关采用继电器的单刀双掷触点；三层绕组电动机定子包括定子磁轭(1)、定子铁芯(2)、内线圈(3)、内线圈骨架(4)、中线圈(5)、中线圈骨架(6)、外线圈(7)、外线圈骨架(8)；若干个内线圈(3)连接在一起组成高转速启动绕组，若干个中线圈(5)连接在一起组成低转速启动绕组，低转速启动绕组和高转速启动绕组组成启动绕组，移相元件串联在启动绕组中；三层绕组电动机定子在变极时，一部分外线圈(7)不改变磁极极性，称为变极时不改变磁极极性的外线圈(47)；三层绕组电动机定子在变极时，一部分外线圈(7)改变磁极极性，称为变极时改变磁极极性的外线圈(48)；若干个变极时不改变磁极极性的外线圈(47)连接在一起组成工作绕组一；若干个变极时改变磁极极性的外线圈(48)连接在一起组成工作绕组二；工作绕组一和工作绕组二组成工作绕组；定子铁芯(2)径向外侧有若干个磁极极身(39)，一部分磁极极身(39)上依次安装有内线圈(3)、中线圈(5)、外线圈(7)，另一部分磁极极身(39)上依次安装有中线圈(5)、外线圈(7)；定子铁芯(2)安装在定子磁轭(1)径向内侧；鼠笼式转子安装在定子铁芯(2)径向内侧；或者，若干个铁芯镶块一(32)和铁芯镶块二(31)组成的定子铁芯镶块部件替代定子铁芯(2)；每一个铁芯镶块一(32)上依次安装有内线圈(3)、中线圈(5)、外线圈(7)，每一个铁芯镶块二(31)上依次安装有中线圈(5)、外线圈(7)；定子铁芯镶块部件安装在定子磁轭(1)径向内侧；鼠笼式转子安装在定子铁芯镶块部件径向内侧；三层绕组电动机定子改变定子磁极数使电动机处于低转速状态时，控制开关使低转速启动绕组和工作绕组接通电源，低转速启动绕组和工作绕组产生低转速定子旋转磁场；三层绕组电动机定子改变定子磁极数使电动机处于高转速状态时，控制开关使高转速启动绕组和工作绕组接通电源，控制开关改变工作绕组二的接线方式，即改变工作绕组二的变极时改变磁极极性的外线圈(48)电流方向，从而改变工作绕组二径向内侧磁极极性，使工作绕组一和工作绕组二共同作用产生的定子磁极极性和定子磁极数，与高转速启动绕组产生的定子磁极极性和定子磁极数相对应，高转速启动绕组和工作绕组产生高转速定子旋转磁场；定子磁轭(1)呈环形，定子磁轭(1)径向内侧均布有若干个榫槽(9)，榫槽(9)呈燕尾形；定子铁芯(2)径向内侧是转子气隙内腔(21)，转子气隙内腔(21)径向外侧均布有若干个定子磁极，分别是磁极一(11)、磁极二(12)、磁极三(14)、磁极四(16)、磁极五(17)、磁极六(18)、磁极七(19)、磁极八(20)、磁极九(22)、磁极十(24)、磁极十一(26)、磁极十二(27)；每一个定子磁极中间是磁极极身(39)，磁极极身(39)径向内侧是磁极极靴(38)，磁极极身(39)径向外侧是磁极榫头(10)，磁极榫头(10)呈燕尾形；磁极极靴(38)圆周方向两端是三角形的定位凸台一(23)，相邻两个定位凸台一(23)之间是空气槽(13)，空气槽(13)径向内侧与转子气隙内腔(21)之间是隔磁磁桥(15)，相邻两个定位凸台一(23)在空气槽(13)径向外侧连接在一起形成隔磁磁桥(15)；磁极一(11)、磁极四(16)、磁极七(19)、磁极十(24)的定位凸台一(23)径向外侧分别有一个矩形的定位凸台二(25)；磁极一(11)、磁极四(16)、磁极七(19)、磁极十(24)的磁极极身(39)径向长度比其余定子磁极的磁极极身(39)径向长度短；内线圈骨架(4)径向中间是骨架中心孔一(28)，内线圈骨架(4)外表面有一个骨架线槽，内线圈(3)安装在内线圈骨架(4)的骨架线槽内；中线圈骨架(6)径向中间是骨架中心孔二(29)，中线圈骨架(6)外表面有一个骨架线槽，中线圈(5)安装在中线圈骨架(6)的骨架线槽内；外线圈骨架(8)径向中间是骨架中心孔三(30)，外线圈骨架(8)外表面有一个骨架线槽，外线圈(7)安装在外线圈骨架(8)的骨架线槽内；三层绕组电动机定子在装配时，把内线圈骨架(4)的骨架中心孔一(28)安装在定子铁芯(2)的磁极极身(39)上，把中线圈骨架(6)的骨架中心孔二(29)安装在定子铁芯(2)的磁极极身(39)上，把外线圈骨架(8)的骨架中心孔三(30)安装在定子铁芯(2)的磁极极身(39)上，使定子铁芯(2)的磁极二(12)、磁极三(14)、磁极五(17)、磁极六(18)、磁极八(20)、磁极九(22)、磁极十一(26)、磁极十二(27)的磁极极身(39)上依次安装内线圈(3)、中线圈(5)、外线圈(7)，使定子铁芯(2)的磁极一(11)、磁极四(16)、磁极七(19)、磁极十(24)的磁极极身(39)上依次安装中线圈(5)、外线圈(7)；然后把定子铁芯(2)的若干个磁极榫头(10)分别安装在定子磁轭(1)的榫槽(9)内；铁芯镶块一(32)中间是镶块极身(66)，铁芯镶块一(32)径向两端分别是镶块极靴(34)、镶块榫头(35)，镶块极靴(34)圆周方向两端是矩形的镶块定位凸台一(37)，镶块极靴(34)径向内侧的圆周方向两端是极靴边缘(33)，镶块榫头(35)呈燕尾形；铁芯镶块二(31)中间是镶块极身(66)，铁芯镶块二(31)径向两端分别是镶块极靴(34)、镶块榫头(35)，镶块极靴(34)圆周方向两端是矩形的镶块定位凸台二(36)，镶块极靴(34)径向内侧的圆周方向两端是极靴边缘(33)，镶块榫头(35)呈燕尾形；铁芯镶块二(31)的镶块极身(66)径向长度比铁芯镶块一(32)的镶块极身(66)径向长度短；若干个铁芯镶块一(32)和铁芯镶块二(31)的极靴边缘(33)相互接触装配成环形的定子铁芯镶块部件，相邻两个铁芯镶块二(31)之间有两个铁芯镶块一(32)沿着圆周方向排列；相邻两个铁芯镶块的极靴边缘(33)相互接触形成隔磁磁桥(15)；或者，相邻两个铁芯镶块的极靴边缘(33)彼此靠近，由此形成的定子铁芯线槽能够做到小宽度槽口，减弱定子铁芯的齿槽效应；或者，三层绕组电动机定子在装配时，采用定子铁芯镶块部件替代定子铁芯(2)；把内线圈骨架(4)的骨架中心孔一(28)安装在铁芯镶块一(32)的镶块极身(66)上，把中线圈骨架(6)的骨架中心孔二(29)安装在铁芯镶块一(32)或者铁芯镶块二(31)的镶块极身(66)上，把外线圈骨架(8)的骨架中心孔三(30)安装在铁芯镶块一(32)或者铁芯镶块二(31)的镶块极身(66)上，使铁芯镶块一(32)的镶块极身(66)上依次安装内线圈(3)、中线圈(5)、外线圈(7)，使铁芯镶块二(31)的镶块极身(66)上依次安装中线圈(5)、外线圈(7)；然后把定子铁芯镶块部件的若干个镶块榫头(35)分别安装在定子磁轭(1)的榫槽(9)内；三层绕组电动机定子应用于变极变速单相异步电动机时，其工作过程是：三层绕组电动机定子应用于定子磁极为六极的单相异步电动机的某一时刻，电流流过工作绕组，径向内侧为N极的外线圈(42)使磁极三(14)、磁极四(16)组成一个N极定子磁极，径向内侧为N极的外线圈(42)使磁极七(19)、磁极八(20)组成一个N极定子磁极，径向内侧为N极的外线圈(42)使磁极十一(26)、磁极十二(27)组成一个N极定子磁极；径向内侧为S极的外线圈(44)使磁极一(11)、磁极二(12)组成一个S极定子磁极，径向内侧为S极的外线圈(44)使磁极五(17)、磁极六(18)组成一个S极定子磁极，径向内侧为S极的外线圈(44)使磁极九(22)、磁极十(24)组成一个S极定子磁极；与此同时，电流流过低转速启动绕组，径向内侧为n极的中线圈(41)使磁极二(12)、磁极三(14)组成一个n极定子磁极，径向内侧为n极的中线圈(41)使磁极六(18)、磁极七(19)组成一个n极定子磁极，径向内侧为n极的中线圈(41)使磁极十(24)、磁极十一(26)组成一个n极定子磁极；径向内侧为s极的中线圈(43)使磁极十二(27)、磁极一(11)组成一个s极定子磁极，径向内侧为s极的中线圈(43)使磁极四(16)、磁极五(17)组成一个s极定子磁极，径向内侧为s极的中线圈(43)使磁极八(20)、磁极九(22)组成一个s极定子磁极；三层绕组电动机定子应用于定子磁极为六极的单相异步电动机的某一时刻，电流流过工作绕组建立的六极工作绕组磁场，与电流流过低转速启动绕组建立的六极低转速启动绕组磁场，其磁极极性一一对应，并且在空间上相差九十度电角度，工作绕组与低转速启动绕组共同建立六极定子旋转磁场；三层绕组电动机定子应用于定子磁极为四极的单相异步电动机的某一时刻，电流流过工作绕组，径向内侧为N极的外线圈(42)使磁极十二(27)、磁极一(11)、磁极二(12)组成一个N极定子磁极，径向内侧为N极的外线圈(42)使磁极六(18)、磁极七(19)、磁极八(20)组成一个N极定子磁极；径向内侧为S极的外线圈(44)使磁极三(14)、磁极四(16)、磁极五(17)组成一个S极定子磁极，径向内侧为S极的外线圈(44)使磁极九(22)、磁极十(24)、磁极十一(26)组成一个S极定子磁极；与此同时，电流流过高转速启动绕组，径向内侧为n极的内线圈(46)使磁极五(17)、磁极六(18)组成一个n极定子磁极，径向内侧为n极的内线圈(46)使磁极十一(26)、磁极十二(27)组成一个n极定子磁极；径向内侧为s极的内线圈(45)使磁极二(12)、磁极三(14)组成一个s极定子磁极，径向内侧为s极的内线圈(45)使磁极八(20)、磁极九(22)组成一个s极定子磁极；三层绕组电动机定子应用于定子磁极为四极的单相异步电动机的某一时刻，电流流过工作绕组建立的四极工作绕组磁场，与电流流过高转速启动绕组建立的四极高转速启动绕组磁场，其磁极极性一一对应，并且在空间上相差九十度电角度，工作绕组与高转速启动绕组共同建立四极定子旋转磁场；三层绕组电动机定子应用于四极/六极变极变速单相异步电动机时，安装在磁极五(17)、磁极七(19)、磁极八(20)、磁极九(22)、磁极十(24)、磁极十二(27)上的外线圈(7)不改变磁极极性，称为变极时不改变磁极极性的外线圈(47)；安装在磁极五(17)、磁极七(19)、磁极八(20)、磁极九(22)、磁极十(24)、磁极十二(27)上的外线圈(7)连接在一起组成工作绕组一；安装在磁极十一(26)、磁极一(11)、磁极二(12)、磁极三(14)、磁极四(16)、磁极六(18)上的外线圈(7)改变磁极极性，称为变极时改变磁极极性的外线圈(48)；安装在磁极十一(26)、磁极一(11)、磁极二(12)、磁极三(14)、磁极四(16)、磁极六(18)上的外线圈(7)连接在一起组成工作绕组二；在三层绕组电动机定子变极变速法中，采用开关一(51)、开关二(52)、开关三(53)对工作绕组一、工作绕组二、低转速启动绕组、高转速启动绕组进行变极控制；在三层绕组电动机定子变极变速法的绕组接线图一中，工作绕组一与工作绕组二连接在一起的接线端是工作绕组中间接线端(55)，工作绕组一的另一个接线端是工作绕组接线端一(54)，工作绕组二的另一个接线端是工作绕组接线端二(56)；工作绕组中间接线端(55)与开关二(52)的高转速触点连接在一起；工作绕组接线端一(54)与电源接线端一(49)连接在一起，并且，工作绕组接线端一(54)与开关一(51)的高转速触点连接在一起，工作绕组接线端一(54)与电容器一(57)的一个接线端连接在一起；工作绕组接线端二(56)与开关二(52)的低转速触点连接在一起，并且，工作绕组接线端二(56)与开关一(51)的中间触点连接在一起；开关二(52)的中间触点与电源接线端二(50)连接在一起，并且，开关二(52)的中间触点与开关三(53)的中间触点连接在一起；开关三(53)的低转速触点与低转速启动绕组接线端二(59)连接在一起；低转速启动绕组接线端一(58)与电容器一(57)的另一个接线端连接在一起，并且，低转速启动绕组接线端一(58)与高转速启动绕组接线端一(60)连接在一起；开关三(53)的高转速触点与高转速启动绕组接线端二(61)连接在一起；三层绕组电动机定子变极变速法的绕组接线图二与绕组接线图一相对比，绕组接线图二中采用电容器二(62)和电容器三(63)取代绕组接线图一中的电容器一(57)；在绕组接线图二中，高转速启动绕组接线端一(60)、低转速启动绕组接线端一(58)、工作绕组接线端一(54)、开关一(51)的高转速触点与电源接线端一(49)连接在一起；高转速启动绕组接线端二(61)与电容器三(63)的一个接线端连接在一起；电容器三(63)的另一个接线端与开关三(53)的高转速触点连接在一起；低转速启动绕组接线端二(59)与电容器二(62)的一个接线端连接在一起；电容器二(62)的另一个接线端与开关三(53)的低转速触点连接在一起；在绕组接线图二中工作绕组一与工作绕组二的连接方式，与绕组接线图一中工作绕组一与工作绕组二的连接方式相同；在绕组接线图二中，工作绕组一与工作绕组二连接在一起的接线端是工作绕组中间接线端(55)，工作绕组一的另一个接线端是工作绕组接线端一(54)，工作绕组二的另一个接线端是工作绕组接线端二(56)；工作绕组中间接线端(55)与开关二(52)的高转速触点连接在一起；工作绕组接线端一(54)与电源接线端一(49)连接在一起；并且，工作绕组接线端一(54)与开关一(51)的高转速触点连接在一起，工作绕组接线端一(54)与高转速启动绕组接线端一(60)、低转速启动绕组接线端一(58)连接在一起；工作绕组接线端二(56)与开关二(52)的低转速触点连接在一起，并且，工作绕组接线端二(56)与开关一(51)的中间触点连接在一起；开关二(52)的中间触点与电源接线端二(50)连接在一起，并且，开关二(52)的中间触点与开关三(53)的中间触点连接在一起；三层绕组电动机定子变极变速法的绕组接线图一的变极变速控制过程是：电动机低转速状态启动或运行时，开关一(51)、开关二(52)、开关三(53)的中间触点分别与各自开关的低转速触点闭合；电动机定子电流沿着电流方向(65)从电源接线端二(50)出发，一部分定子电流从上向下依次流过开关二(52)的中间触点和低转速触点、工作绕组二、工作绕组一，这部分定子电流流入电源接线端一(49)形成闭合回路，使工作绕组二、工作绕组一建立低转速状态时的工作绕组磁场；与此同时，另一部分定子电流从上向下依次流过开关三(53)的中间触点和低转速触点、低转速启动绕组、电容器一(57)，这部分定子电流流入电源接线端一(49)形成闭合回路，使低转速启动绕组建立低转速启动绕组磁场；电动机低转速状态启动或运行时，在工作绕组二、工作绕组一、低转速启动绕组、电容器一(57)的共同作用下，建立低转速定子旋转磁场，使鼠笼式转子产生异步电磁转矩，沿着定子磁场旋转方向(40)旋转；电动机高转速状态启动或运行时，开关一(51)、开关二(52)、开关三(53)的中间触点分别与各自开关的高转速触点闭合；电动机定子电流沿着电流方向(65)从电源接线端二(50)出发，一部分定子电流流过开关二(52)的中间触点和高转速触点，这部分定子电流在工作绕组中间接线端(55)再次分成两个定子分支电流，一部分定子分支电流从下向上依次流过工作绕组二，这部分定子分支电流流过开关一(51)的中间触点和高转速触点，并流入电源接线端一(49)形成闭合回路，另一部分定子分支电流从上向下依次流过工作绕组一，并流入电源接线端一(49)形成闭合回路，使工作绕组二、工作绕组一建立高转速状态时的工作绕组磁场；与此同时，另一部分定子电流从上向下依次流过开关三(53)的中间触点和高转速触点、高转速启动绕组、电容器一(57)，这部分定子电流流入电源接线端一(49)形成闭合回路，使高转速启动绕组建立高转速启动绕组磁场；电动机高转速状态启动或运行时，在工作绕组二、工作绕组一、高转速启动绕组、电容器一(57)的共同作用下，建立高转速定子旋转磁场，使鼠笼式转子产生异步电磁转矩，沿着定子磁场旋转方向(40)旋转；三层绕组电动机定子变极变速法在变极控制过程中，通过控制开关转换接通低转速启动绕组或高转速启动绕组，建立符合要求的启动绕组磁场；并且通过控制开关改变流过工作绕组二的定子电流方向，即改变工作绕组二的磁场方向，建立符合要求的工作绕组磁场；电动机低转速状态时，工作绕组二、工作绕组一串联，工作绕组二、工作绕组一的总阻抗大，流过工作绕组二、工作绕组一的定子电流小，电动机的电磁功率小；电动机高转速状态时，工作绕组二、工作绕组一并联，工作绕组二、工作绕组一的总阻抗小，流过工作绕组二、工作绕组一的定子电流大，电动机的电磁功率大。