专利名称：增加非同步短路电机运转效率的方法及其非同步短路电机的制作方法
技术领域：
本发明系属于发电领域，并可用于机电能转换系统，尤指非同步短路电机。
背景技术：
德国专利揭露一非同步引擎(51083，C1.H02K17/16，1889)，该非同步引擎包括一定子与一转子。该转子具有一鼠笼式线圈组，而该线圈组则具有复数导体棒。各导体棒是对称地安装在转子表面四周的槽孔内，且导体棒的端部以端环而形成短路。该非同步引擎的运转原理是依据定子的主要旋转电磁场与在转子内产生的次要感应电磁场间的相互磁性耦合。该电机设计的不足之处为低工程特性、低电力产生能力、低运转与技术-经济 效能，例如次最适化的效率因数与功率因数、大起动电流、大无效电流、小起动转矩、弱转矩-速率特性以及大额定转差率。造成所有前述不足之处，其原因为该电机所产生的磁场的快速变化以及较少定子与转子电磁场向量乘积的模组。这二个原因是来自于转子电枢的纵向元件反应的强烈影响以及在该电机中产生的低效能磁场。该磁场是由鼠笼式线圈组的导体棒产生，而因为最大电动势会限制小电动势，故各导体棒的电动势会暂时小于位在定子磁场的磁轴上的导体棒的电动势。美国专利「制造具有多笼式电路转子的高效率感应马达的方法」包括一定子与一转子(4，095, 332，Cl. H02K17/12,1978)。该定子具有复数导体棒，而各导体棒是对称地安装在转子表面四周的槽孔内，并有与槽孔不等数目的端环连结上述的各导体棒。该感应马达的运转原理与前述的先前技术相同，而此技术方法是用以减少线路电压的较高阶谐波的作用；该作用是提供给定子以做为该电机的电磁制动。不过，该电机不足之处为小起动电流，故其应用仅局限于具有小起动负载转矩的所谓的「风扇式」电机装置。与本发明的技术内容最接近的先前技术为法国专利「感应式非同步马达」(2208892，Cl. H02K17/16，2003)。该感应式非同步马达包括一定子与一转子。该定子具有复数导体棒，而各导体棒是对称地安装在转子表面四周的槽孔内，且与马达的旋转轴平行。各导体棒在转子端面的一端且与所有在转子周围相对于此导体棒位移一极距角的导体棒的端部相连。在此技术方法中，η个定子与转子的磁场向量产生电磁转矩。此方法不足之处在于只在转子相对于定子的某些位置上，转矩才会增加，这会造成转矩对转子旋转的变化，而无法适度地增加起动转矩。因此之故，其应用被局限于具有小起动负载转矩的所谓的「风扇式」电机装置，在这些风扇式电机装置中，起动负载转矩是随着加速度的二次方而增加。此转矩的不均匀在该电机运转时会造成爆震、噪音与震动，因而此技术仅局限于飞轮式电机装置并会造成过多的磨损。
发明内容
依据本发明所揭露的方法，在延伸至邻近定子的极距极限区域的转子线圈组的短路线圈上的定子旋转电磁场的作用是由在延伸至邻近定子半极距极限区域的转子线圈组的短路线圈上的定子旋转电磁场的额外作用来补强。由上述的方法及依据此方法的电机，所得的技术结果为相较于先前技术所揭露的电机，本发明的电机可藉由消除制动效应产生的损耗来降低起动电流比，使得在不降低负载的条件下得以增加马达的起动频率，并可在 传动轴负载增加的情形下，在最严峻的运转条件中使用该电机。在一个相位不连续的情况下，该电机仍可维持旋转场效应及完全运转，并在相位不连续的线圈组中以小于I%的非线性失真因数产生属于该失去的相位的高品质谐波。达成本发明实施例所述的技术结果的原因为提供给定子的交流电会在该定子中产生主要旋转磁场，而因与转子磁性耦合，故该主要旋转磁场会在其短路线圈中产生感应电流。该短路线圈是由多组短路导体棒所组成，该导体棒在转子周围的分布方式使电流从位在产生最大电流区域内的导体棒流出，因而提供定子的最小磁场强度以及与转子之间的最小机电作用。该电流被导入对应于定子的最大磁场的导体棒，因而以第一、第二或甚至更高阶的谐波在侧向与纵向上产生以转子的次要磁场补强定子的主要磁场的条件。该第一、第二或甚至更高阶的谐波可强化转子与定子间机电作用的效率，以增加传递给传动轴的机械功率，并可在发生定子线路电压相位不连续时，维持该电机的可运转能力。
图I为本发明的电机的第一实施例的端面2为本发明的电机的第二实施例的端面3为本发明的电机的第一实施例(b)与第二实施例(C)与雏形(a)的速率/转矩特性曲线比较4为本发明的电机的输出(e)及所消耗功率(e，)与雏形(d)、(d’ )的比较图
具体实施例方式图I为本发明非同步短路电机的一实施例(电极对的数目可改变)。该电机包括一具有双极的定子(I)与转子(2)，转子(2)的十八个绝缘的导体棒(3-3’)，且成对的安装在九个槽孔⑷内(转子的导体棒的数目可改变)。槽孔⑷内各导体棒⑶的端部与其他槽孔⑷内各对应导体棒(3’)的端部相连，各槽孔⑷则以相隔最接近定子⑴的半极距的距离分布在转子(2)的周围，以形成各由两个串联的导体棒(3-3’ )组成的短路线圈。图2为本发明非同步短路电机的另一实施例。该电机包括一双极的定子(I)与转子(2)，转子(2)的三十六个绝缘的导体棒(3-3’)、(3”-3”’)，以四个为一组安装在九个槽孔(4)内。各组导体棒(3-3’)的端部各自与导体棒(3”)的端部相连。导体棒(3”)的端部以相隔最接近定子(I)的半极距，且在该半极距范围内的距离分布在转子(2)的周围，而导体棒(3”’)的端部则以相隔最接近定子(I)的半极距，且在该半极距范围以外的距离分布在转子(2)的周围。在此型式中，各组导体棒(3-3’ -3”-3”’ )是在串联电路中彼此相连结，以形成短路线圈。本发明非同步短路电机的第一实施例可做为具备刚性的速率/转矩特性的通用马达。本发明非同步短路电机的第二实施例可做为具备高起动转矩的牵引马达。
该电机的运转原理如下若该电机是做为引擎使用，则定子(I)的主要线圈是与具有两个(或多个)彼此互相切换并随时间交换的相位的线路电压网路连结。在此情形下，电流开始流过线圈组以产生定子(I)的旋转磁场。该磁场的不规则结构则由流动的电流来决定。在此情形下，在电流为最大的区域中，该磁场强度最大，而在电流曲线通过零值的区域，磁场几乎不存在。这二个区域的分隔距离为半极距。在磁场强度最大的区域中，主电流曲线有转折，而其导数则为零。另一方面，在磁场强度为最小的区域中，该电流曲线会通过零值，而其导数值则为最大。此种在定子(I)铁芯中建立的旋转磁场会与静态的转子(2)互相作用，其中在转差率为-I时，会产生相同的不规则次要磁场。该次要磁场会在转子(2)的短路导体棒(3)中产生次要感应电流，而这些电流则会建立其各自的磁场。与主要电流类似的是，该次要电流亦具有不规则的结构，并在最大值与最小值为半极距之间切换。在主电流与主磁场均为最大值的区域中，因为次要电流的导数与通率为零，故次要电流与次要磁场亦为零；而在主要电流及主要磁场的数值与导数均为最大值的区域，次要电流与次要磁场的数值为最大。因为电流为最大值的转子(2)，其导体棒(3)是靠近以半极距为最大角度分隔的导体棒(3)(或以最大磁场通过该导体棒(3))，故在磁场交叉时会在这些导体棒中产生感应电流，以在主 要磁场为最大值的区域中产生额外的次要磁场。这会在转子(2)及定子(I)间提供强化的机电作用，而不增加起动电流。起动转矩是随着速率采集时间的减少而增加。应注意的是，电流是非常平顺地自主动导体棒(3)流向被动导体棒，而无任何爆震现象。这是因为只有一个EMF(电动势)源作用在最大电流，其结果为会对减低铁芯钢材中的损耗的第一谐波做功。在转子(2)与定子(I)间建立机电作用后，会产生驱动转矩，而转子(2)则开始转动。随着加速度的增加，次要磁场的频率跟着下降，而被动导体棒(3)则开始在纵向上愈来愈磁化主要电路的最大电流区，并将较大比例的循环能(即所谓的电枢反应)传入该区。此外被吸收的电流降低，而其结果为转矩也跟着降低。随着电流的下降，铁芯钢材的饱和度也跟着减少，而转子(2)线圈组的感应及其时间常数则增加。其结果为，由于速率采集的因素，主动导体棒(3)会愈来愈靠近定子(I)具最大磁场的区域。而在此时，被动导体棒与主动导体棒(3)皆开始将其未使用的能量以及在次要电路中，电流的排种频率释放至主要电路中。在转差率为-O. 25 -O. 15的范围内，转折会出现在速率/转矩特性中，而电机则进入马达的额定运转模式，最后则以转差率介于-O. 005与-O. 001间的空转结束。在马达运转模式下，转子(2)反应是非常有效率的，而定子(I)的钢材则在侧向上被次要电流相当适度地磁化，使得可以在不损失可运转能力的条件下，让一个相位不连续。若在额定运转模式下发生一个相位不连续，则其余相位的电流会成比例增加，且电机继续运转。此时，会在定子线圈组中产生该失去相位的EMF，而对传动轴的机械负载可被对自由相位线圈组的电负载所取代；该自由相位线圈组是在转差率介于-O. 15与-O. 001间实作出分相模式。当铁芯钢材残余的磁化强度在旋转电机的定子(I)的主要线圈组中感应出一些EMF时，转子(2)的有效反应也可确保发电的自律模式。若电容是连结至主要线圈组，则该电容会在相异的储能装置间产生能量交换的电流，以在传动轴的旋转频率上激励电机，其中有一些延迟与谐波电压是在转差率介于-O. 3及+0. 005间依比率改变，直到达到标称值为止。此时，在转差率介于+0. 002及+0. 005时，会在标称频率上产生额定EMF，而在更高的频率时，输出频率与电压亦会线性地增加到高于额定值。当电机运转在马达条件下,在机械能提供给传动轴以及在传动轴的旋转超过同步速率(转差率超过+0)时，会建立能量释放至电路中的发电机模式。如果机械强度许可，此模式可在转差率介于+0. 001与+1. 17间实现。此时，随着转差率的增加，作用在传动轴的转矩亦跟着增加，而电流曲线在高于额定条件发生转折后，前导线路电压会平顺地增加；为使电机维持线路电压的同步运转模式，该前导线路电压的增加是必要的。图3及图4为非同步短路电机的特性比较图。·
权利要求
1.增加非同步短路电机运转效率的方法，包括将定子的旋转电磁场作用于转子线圈组的短路线圈，该转子线圈组的短路线圈是延伸至邻近定子的极距极限的区域，其中定子的旋转电磁场对转子线圈组的短路线圈施以补强作用，而该转子线圈组的短路线圈则是延伸至邻近定子的半极距极限的区域。
2.非同步短路电机，该非同步短路电机包括具有线圈组的磁性定子铁芯，以及被设计成具有线圈组的转子磁芯，该线圈组具有复数由绝缘导体棒构成的短路线圈，而各绝缘导体棒是分别安装在转子槽孔内且与其旋转轴平行，其中各短路线圈由二个串联的绝缘的导体棒构成，二绝缘导体棒之间的距离由定子的半极距决定，且该二绝缘导体棒是安装在邻近其各自极限的区域内的转子槽孔中。
3.如权利要求2所述的非同步短路电机，其中各短路线圈的导体棒是安装在邻近定子的半极距极限，并在该半极距极限内侧的转子槽孔中。
4.如权利要求2所述的非同步短路电机，其中各短路线圈的导体棒是安装在邻近定子的半极距极限，并在该半极距极限外侧的转子槽孔中。
5.如权利要求2所述的非同步短路电机，其中各短路线圈的导体棒的安装方式为一导体棒是安装在定子的半极距的内侧，而另一导体棒则是安装在定子的半极距的外侧，各导体棒均分别位于邻近其各自极限的转子槽孔中。
6.非同步短路电机，该电机包括具有线圈组的磁性定子铁芯，以及被设计成具有线圈组的转子磁芯，该线圈组具有复数由绝缘导体棒构成的短路线圈，而各绝缘导体棒是分别安装在转子槽孔内且与其旋转轴平行，其中各短路线圈由四个串联的绝缘导体棒构成，其中二个绝缘导体棒是安装在一转子槽孔中，而另二个绝缘导体棒则安装在二个邻近的转子槽孔中，此二个转子槽孔离第一个槽孔的距离是由定子的半极距决定，并邻近其与二侧间 的极限。
全文摘要
依据本发明所揭露的内容，在延伸至邻近定子的极距极限区域的转子线圈组的短路线圈上的定子旋转电磁场的作用是由在延伸至邻近定子半极距极限区域的转子线圈组的短路线圈上的定子旋转电磁场的额外作用来补强。由上述的方法及依据此方法的非同步短路电机，相较于先前技术所揭露的非同步短路电机，具有较小的引擎起动电流比，是因为预防在不降低负载的条件下，得以增加起动频率，并可在传动轴负载增加的情形下，在最严峻的运转条件中使用该非同步短路电机，其中在一个相位不连续的情况下，该非同步短路电机仍可维持旋转场效应及完全运转，并在相位不连续的线圈组中产生属于该失去的相位的高品质谐波。
文档编号H02K17/18GK102804563SQ200980160261
公开日2012年11月28日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年6月30日
发明者尼吉拉·伊万诺维奇·北达隆 申请人:Smp科技股份公司