专利名称：音频开关式交流感应电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型电动机，更准确地说是一种在音频和超音频范围的开关式交流感应电动机。
背景技术：
现有的交流感应电动机，主要是鼠笼式交流异步感应式电动机，相对于有刷直流电动机而言，具有结构简单、成本低和输出转矩较大的优点。这种电动机通常采用具有90°相位差的两相，或具有120°相位差的三相连续正弦波电压激磁，在定子和转子之间的空气隙中产生连续正弦波旋转磁场，从而使鼠笼式转子旋转，其转速可由以下公式计算n＝60*f1/p，其中p为电动机定子的磁极对数，f1为激磁交流电频率。可见，在电动机的结构确定后，其转速主要由频率f1决定，因此控制其转速的有效途径是改变激磁交流电频率f1。例如，设电动机的磁极对数p＝2，当激磁交流电频率f1＝50赫兹时，其每分钟转速n＝1500r/min；当f1＝40赫兹时，其转速n＝1200r/min，等等。为此，人们创造了变频调速、矢量控制调速等多种控制速度的方法，但由于实际需要的工作速度一般都远低于电动机的运转速度，且由于电动机的激磁绕组的阻抗特性及转矩要求等原因，如交流异步电动机在低速运行时的转矩偏低，往往不能通过无限制降低激磁交流电频率f1来得到更低的转速，因此，常常还需要同时采用如机械方式的齿轮变速等，以满足在实际使用中的各种需要，这样一来，无疑又增加了使用成本和设备的体积、重量，而且其效果并不令人满意。
近二、三十年来，人们发明并广泛地使用了诸如永磁无刷直流电动机、步进电动机和开关磁阻电动机等，可统称为电子电动机或电子马达，其运行原理大都是通过控制技术交替地利用异性磁极之间产生的吸引力，使转子旋转。此类电动机虽然在调速、尺寸和重量等方面有明显的改进，但其制造成本、调速范围、输出转矩等方面仍不能满足日益增加的更高性能的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是其一，在于此种新型电动机应具有更大的功率密度，或者说在同等输出功率的条件下，此种电动机较之现有电动机，其体积和重量可减小几倍到十几倍。
其二，在于此种新型电动机比现有电动机具有更大的调速范围，其输出转速能在每分钟数千转的额定转速到零转速之间连续无级可调，更加低廉的制造成本，加上很小的尺寸、重量，而且可以在恒转矩的情况下实现无齿轮变速。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是此种电动机是采用开关频率在音频和超音频范围的交流电磁感应技术来实现的，因此，可称为音频和超音频开关式交流感应电动机。此种电动机，由机座、定子和转子所组成，定子铁心为园筒状，其内表面有沿径向向内伸展的按相等的角度分布的定子齿，在齿和齿之间为沿轴向贯通的定子槽，激磁绕组放于定子槽中，且其定子槽或齿的数量Z由下式确定Z＝2*M*P*Q，其中，M为激磁电压的相数，P为定子磁极的对数，Q为每极每相的槽或齿的数量，电动机转子采用鼠笼结构，转子上鼠笼结构的金属感应体中的平行导电条的数量K应等于定子磁极对数P的2倍，即K＝2P，并沿转子外表面等间隔分布。定子激磁绕组的激磁方式，采用开关交流脉冲式激磁技术，激磁电压为其有效值及频率相等，且具有90°相位差的两相，或具有120°相位差的三相连续正弦波电压，可称为调制正弦波电压，与音频或超音频范围的脉冲方波电压，可称为调制方波电压，作脉冲宽度调制或脉冲幅度调制后的脉冲调制电压，可称为正弦波脉冲调制激磁电压。定子激磁绕组的结构形式，当Q＝1时，采用1/M极距或整极距的集中式绕组，Q＞1时，采用分布式绕组。定子和转子的铁心，应由满足音频和超音频范围的相应频率特性的软磁材料冲片并作表面绝缘处理后沿轴向叠压而成，也可以由具有相应频率特性的铁氧体材料等按整体或沿轴向分段的方式制成。
本发明所涉及的新型电动机最本质的创新是激磁技术的的创新，即采用在音频或超音频范围的正弦波脉冲调制电压激磁，当定子中的激磁绕组被激励后，在定子和转子之间的空气隙中产生所需要的脉动交变式旋转磁场，在转子上的导电条中产生感应电流，并受到这种脉动交变式旋转磁场的电磁力矩的作用，使电动机的转子旋转。设调制正弦波电压的频率为F1，调制方波电压的频率为F2，在电动机的运转过程中，脉动交变式旋转磁场的旋转速度只决定于调制正弦波电压的频率F1，而与调制方波电压的频率F2无关，因而通过控制电路改变调制正弦波电压的频率F1就可以实现电动机的调速。由于正弦波脉冲调制激磁电压的脉冲频率，即旋转磁场的脉动交变频率，等于其值处在音频或超音频范围的调制方波电压的频率F2，远大于调制正弦波电压的频率F1。由电磁理论的基本原理可知，电动机激磁绕组的阻抗与频率F2成正比，与调制正弦波电压的频率F1无关，F2逾高，电动机定子和转子铁心及绕组的体积、重量就逾小。只要保持频率F2的相对固定，即使是为了获得极低的转速而使F1接近零频率时，也可以保证电动机输出力矩的稳定，从而能在良好机械特性的条件下，实现在每分钟数千转的额定转速到零转速之间连续无级可调。由于电动机尺寸减小，耗材也可大量节省，且其定子和转子铁心可采用较廉价的软磁材料，所以可极大的降低制作成本。
图1是16槽4对极两相电动机的定子和转子的横向剖面图。
图2是图1所示电动机中的1/2极距激磁绕组与激磁电压的连接示意图。
图3是图2所示电动机中的1/2极距集中式激磁绕组展开图。
图4是图1所示电动机正弦波脉冲调制激磁电压波形示意图。
图5A、5B是图4所示激磁电压产生的脉动式旋转磁场及转子运行示意图。
图6A～8B是图1所示电动机中的几种整距集中式激磁绕组展开图。
图9是24槽4对极三相电动机定子和转子的横向剖面图。
图10是图9所示电动机中的1/3极距集中式激磁绕组展开图。
图11是图9所示电动机正弦波脉冲调制激磁电压波形示意图。
图12、13是图11所示激磁电压产生的脉动式旋转磁场及转子运行示意图。
图14A～16B是图9所示电动机的几种集中式激磁绕组展开图。
图17、18是图9所示电动机的激磁控制电路框图。
具体实施例方式
图1所示为16槽4对极两相电动机定子和转子的横向剖面图，图中，“010”为空心园筒状的定子铁心，“101”为沿轴向贯通的定子槽，“102”为定子轭，“103”为沿径向向内伸展的按相等的角度分布的定子齿，定子槽和定子齿环定子内表面相间排列，“020”为有园柱状表面的转子，“104”为沿电动机转子铁心的园柱状表面等间隔分布的相互平行的导电条，导电条和位于园柱体的两个端面上的导电环(图中未画)熔接成类似于鼠笼结构的金属感应体，“105”为转子铁心，“106”为转子轴，“107”为转子和定子之间的空气隙，转子轴由位于与定子铁心连成一体的机座上的转子轴承(图中未画)所支撑。在定子槽或齿的数量Z一定时，若每极每相的定子槽或齿数Q＝1，可增加磁极对数及其对应的转子中的导电条数，以获得更大的输出转矩。在图1所示的实施例中，由于激磁电压的相数M＝2，定子槽[101]或齿[103]的数量Z＝16，在Q＝1时，磁极对数P＝Z/(2*M*Q)＝4，转子中有8根导电条，为磁极对数的2倍。
如前所述，对本发明所涉及的激磁电压是由具有90°相位差的两相调制正弦波电压，或具有120°相位差的三相调制正弦波电压，与在音频或超音频范围的调制方波电压进行脉冲宽度调制或幅度调制产生的脉冲激磁电压。对于调制正弦波电压可分别称为A相、B相和C相调制正弦波电压。为描述方便，可称由A相调制正弦波电压经脉冲调制产生的激磁电压，为A相激磁电压；由B相调制正弦波电压经脉冲调制产生的激磁电压，为B相激磁电压等。图4所示，Ur为调制方波电压，其波形为有50％的占空系数的对称方波。Uas为A相调制正弦波电压，Ubs为B相调制正弦波电压，且Uas超前Ubs 90°角。Uwa、Uwb分别为A、B相宽度调制激磁电压，Uma、Umb分别为A、B相幅度调制激磁电压。正如人们所知，对于脉冲宽度调制的激磁电压而言，该激磁电压的脉冲幅值固定，其脉冲宽度与在调制方波电压的各对应时刻对调制正弦波电压的幅度取样值成正比。图中，脉冲宽度调制的激磁电压中的每一个脉冲的后沿被固定在调制方波电压的上升沿或下降沿，其前沿是可变的，这样有利于提高电动机的效率，降低噪声；对于脉冲幅度调制的激磁电压而言，其脉冲宽度固定，脉冲幅值与在调制方波电压的各对应时刻对调制正弦波电压的幅度取样值成正比。由图可见，对于脉冲宽度调制或脉冲幅度调制的激磁电压的脉冲幅值的极性取向原则是当其调制正弦波电压和调制方波电压的幅值同向(即同为正或同为负)时，取正值，为正脉冲；当其调制正弦波电压和调制方波电压的幅值异向(即一个为正、一个为负)时，取负值，为负脉冲。而同一相激磁电压的脉冲幅值，除在调制正弦波电压的零点外，总是沿时间轴正、负相间的。
图2示出了图1所示电动机的半极矩或1/2极矩的集中式激磁绕组及其与激磁电压的连接示意图，该绕组是在每一个定子齿上都有各自独立的激磁绕组，因此也可称为独立式激磁绕组。对于1/2极矩的集中式激磁绕组，用定子齿来描述比较方便。由图2可见，将其16个定子齿，依1～16的编号次序，每两个相邻的齿组成一个磁极，如1、2齿组成第一磁极，3、4齿组成第二磁极，5、6齿组成第三磁极，依此类推，共8个磁极；每相邻的两个磁极为一对磁极，如第一、第二磁极组成第一对磁极，第三、第四磁极组成第二对磁极，依此类推，共4对磁极。这样，每个磁极中包括两个定子齿和两个定子槽，因而有两个独立的激磁绕组，并按一定的相序分别接入两相激磁电压中的一相。如图2中，每个磁极中的奇数齿，如1、3、5、7等，其激磁绕组接入A相激磁电压；偶数齿，如2、4、6、8等，其激磁绕组接入B相激磁电压。图中所示的激磁电压的引入端，对于A相激磁电压而言，分别为A1、A2端；对于B相激磁电压而言，分别为B1、B2端。并约定，当激磁电压为正脉冲时，各相激磁电压的‘1’端，即A1、B1，为激磁电流的流入端，称为首端；其‘2’端，即A2、B2为激磁电流的流出端，称为尾端。每个激磁绕组的制作参数都相同，并约定，当激磁电压为正向脉冲时，若被绕组所缠绕的定子齿在朝向转子的端面上所激发的磁通势为N极时，则激磁电流总是从该绕组的首端流入，从绕组的尾端流出，即称绕组的电流流入端为首端，电流流出端为尾端。这样，每个磁极中的两个激磁绕组与激磁电压的连接关系应能保证，当两相激磁电压同为正向脉冲时，该磁极为N极；当两相激磁电压同为负向脉冲时，该磁极为S极。每一对磁极中的两个磁极互为对偶磁极，对偶磁极中由同一相激磁电压激磁的绕组及被其缠绕的定子齿互为对偶绕组和对偶定子齿。对偶绕组的绕向及其与激磁电压的连接关系应能保证在被其激磁的定子齿的极性总是互为相反，即一个为N极时，则另一个为S极。通常是将同一对磁极中的对偶绕组，例如第一对磁极中的1、3齿的绕组，2、4齿的绕组等等，按首对首，或尾对尾的方式串联成一对偶支路。然后，再由相同数量的对偶支路串联成与激磁电压并联的并联支路，以保证各并联支路的阻抗相等，例如，图2中每一相激磁电压的并联支路数α＝4。图3为与图2对应的1/2极矩集中式激磁绕组的展开图，图中每一个激磁绕组中带圆点‘·’的一端表示为首端，不带圆点的一端表示为尾端，每一对偶支路作为一条并联支路，这样，每相的并联支路数α＝Z/2*M＝4，分别用(1)、(2)、(3)、(4)表示。若将(1)中的A2、B2端分别与(2)中的A1、B1端连接，(3)中的A2、B2端分别与(4)中的A1、B1端连接，则可使每相的并联支路数减少到α＝2；若将这两条并联支路按同样方式再两、两串联起来，可使并联支路数减少到α＝1。由基本的电磁理论可知，当激磁绕组接入正弦波脉冲宽度调制或脉冲幅度调制的激磁电压时，在绕组的绕向及其与激磁电压的连接关系确定后，其绕组中所产生的激磁电流的方向依各个时刻的激磁脉冲的正、负极性而定，其电流的幅值分别与激磁电压的脉冲宽度或脉冲幅度相关，并在绕组所缠绕的定子齿上产生对应的磁动势。显然，增加并联支路数可以得到更大的激磁电流，以满足电动机有更大输出功率的需要。
在图5A中，Fm表示由调制激磁电压产生的磁动势，用磁力线的数量粗略地指出该磁动势的最大强度，用磁力线的箭头表示该磁动势的极性。图中，按图2、图3所示激磁绕组与激磁电压的连接方式，在对应的定子齿上由正向激磁脉冲所激励的磁动势的极性为N，磁力线由定子齿指向转子，用向下的箭头表示；由负向激磁脉冲所激励的磁动势的极性为S，磁力线由转子指向定子齿，用向上的箭头表示。由于激磁电压是正、负交变的脉冲，所以，由此而产生的磁场也是正、负交变的脉动式磁场。
以下，对这种正、负交变的脉动式磁场的旋转状态以及电动机的运行原理，以图1所示的电动机为例，以图4所示的正弦波脉冲调制激磁电压激磁，按图2、图3所示激磁绕组与激磁电压的连接方式，并参见图5A、图5B予以说明。图5B中所示由左右两部分组成，左部的(1)列为与图4对应的调制正弦波电压Uas、Ubs的幅相示意图，其坐标横轴表示调制正弦波电压的幅值，纵轴为时间轴；右部为多个分图，分(2)、(3)两列沿纵轴方向排列而成，每个分图的结构相同，表示将图1所示的电动机定子及转子的横截面，从A-A’线切入，并沿定子内表面顺时针方向剖开后的展开图的一部分，以定子内表面的剖线为横轴，其坐标原点位于A-A’线与定子内表面的交点处，以示意对应于图4中示出的几个特定时刻，由激磁绕组产生的磁动势和转子的运行状态，与调制正弦波电压在该时刻的幅度取样值的对应关系。设对于每一特定时刻的取样值都有在时间上紧相邻的正、负向激磁脉冲与之对应，图中(2)列与正向脉冲对应，(3)列与负向脉冲对应。图的左、右两部分之间在时间上的连系用虚线表示。
参见图2、图3，如前所述，每个定子磁极中的奇数齿和偶数齿的激磁绕组分别由图4所示的A相和B相激磁电压激磁，如1、3、5、7齿等为A相宽度调制激磁电压Uwa(或幅度调制激磁电压Uma)激磁，2、4、6、8齿等为B相宽度调制激磁电压Uwb(或幅度调制激磁电压Umb)激磁。图中，用定子轭上的字母A、B表示对应定子齿的激磁相序，用画在定子齿横截面上的磁力线表示各对应时刻在该定子齿上产生的磁动势强度和方向。由于调制方波电压的频率F2远大于调制正弦波电压Uas、Ubs的频率F1，所以对于激磁电压中在时间上紧相邻的正向和负向脉冲，可认为分别具有近似的宽度(或幅度)，它们分别在对应的定子齿中产生的磁动势强度也应近似相等，其方向则相反。
参见图4和图5B中的(1)列及(2)、(3)列的第一排，当时间为t＝00的时刻，因A相调制正弦波电压Uas有最大值，所以与该时刻所对应的A相激磁电压Uwa的正向及负向脉冲也有最大的脉宽值(Uma的正向及负向脉冲也有最大的幅值)；因B相调制正弦波电压Ubs为0值，所以与此时刻所对应的B相激磁电压Uwb的脉宽(或Uma的幅度)无论是正向还是负向均为0值。所以，由A相激磁电压激磁的1号及3号齿有最大的磁动势强度，各用4根磁力线表示。当激磁电压为正脉冲时，在1号齿产生的磁动势为N极，磁力线的箭头指向转子，在3号齿产生的磁动势为S极，磁力线的箭头指向定子轭。由B相激磁电压激磁的2号及4号齿产生的磁动势强度为0，所以其磁力线的数量也为0。假设电动机转子所处的位置刚好为图中所示的状态，即转子铁心上的编号为X1和X2的导电条正分别对准1、3号定子齿的中间，则对于由X1和X2的导电条及其与转子两个端面上导电环的熔接点之间的部分所共同组成的闭合导电回路，可称为X1-X2感应回路，正对准以2号齿为中心的定子段。这样，由(2)列的单元中示出的，在X1-X2感应回路内，由1号定子齿经空气隙流入转子的磁通与由转子铁心经空气隙流向3号定子齿的磁通刚好相等。同样，在(3)列中示出的，在X1-X2感应回路内，由3号定子齿经空气隙流入转子铁心的磁通与由转子铁心经空气隙流向1号定子齿的磁通也刚好相等。这样，由于此刻流经X1-X2感应回路中磁通量变化率为0，所以在该闭合感应回路中不会产生感应电流，也没有电磁力作用于X1和X2导电条。如前所述，由于电动机定子和转子的结构的一致性和对称性，在转子中所有的其它闭合感应回路也处于同样状态。由于转子中所有的导电条都没有受到任何电磁力矩的作用，所以转子不会转动。
而在时间由t＝00经t＝02向t＝04的变化过成中，情况就有所不同，在图5B中二排的(2)列和(3)列单元中，示出了与(1)列t＝02时刻相对应的，由正、负向的激磁脉冲所产生的磁动势的强度和方向。可见，A相调制正弦波电压Uas在t＝02时的幅值比其在t＝00时的幅值有所减小，与此对应的激磁电压Uwb的脉宽(或Uma的幅度)也有相应的减小，因此，对于在(2)列的单元中表示1号齿及3号齿的磁动势强度的磁力线由4根减少到3根，其中1号齿箭头指向转子，为N极，3号齿上的箭头指向定子轭，为S极；B相调制正弦波电压Ubs在t＝02时的幅值比其在t＝00时的幅值有所增加，与此对应的激磁电压Uwb的脉宽(或Uma的幅度)也有相应的增加，因此，对于在(2)列的单元中表示2号齿及4号齿的磁动势强度的磁力线由0根增加到1根，其中2号齿上的箭头指向转子，为N极，4号齿上的箭头指向定子轭，为S极。如果电动机的转子及其X1-X2闭合感应回路仍然处在t＝00时的位置，那么，由于与其对应的各定子齿上被激发的磁通势发生了变化，在闭合感应回路X1-X2内，由1、2号定子齿经空气隙流向转子铁心的磁通量大于由转子铁心经空气隙流向3号定子齿的磁通量，因此，由电磁感应定理可知，在X1-X2闭合回路上会产生图中所示的感应电流，其方向是与1号定子齿相对的导电条X1中的电流向外，与3号定子齿相对的导电条X2中的电流向内，这样，在X1和X2两根导电条上会同时受到相对于定子磁极向右，即顺时针方向的电磁力。由于电动机定子和转子的结构的一致性和对称性，在转子中所有的其它闭合感应回路中的导电条上也会受到同样的电磁力，因而转子会相对于定子作顺时针方向转动，直至到达力矩的平衡点。几乎在同一时刻，在(3)列所示的单元中，设其激磁脉冲的宽度(或幅值)几乎没有改变，只是方向相反，即由正脉冲变为负脉冲，所以图中表示磁动势强度的磁力线数量没有变，但磁力线的方向与(2)列相比相反。如果转子及其X1-X2闭合感应回路在激磁电压为正脉冲的时刻已经到达力矩的平衡点，显然，该闭合感应回路中就不会有感应电流，转子也不会转动；如果X1-X2闭合感应回路在激磁电压为正脉冲的时刻还尚未完全到达力矩的平衡点，则在X1-X2闭合感应回路会产生与(2)列中方向相反的感应电流，但由于与导电条X1、X2对应的磁动势也已经反向，所以其电磁力会使该回路保持原来的运动方向不变，直至到达平衡点。当时间到达t＝04时刻的情况，分别示于图5B三排(2)列和(3)列的单元中，依据同样的原理，转子也会相对于定子同样作顺时针方向转动，直至到达新的力矩的平衡点。只要不改变激磁相序，这种交变的脉动式旋转磁场，以及在其转子的各导电条中产生的电磁力矩的方向也不会变。
由图5B可见，当时间从图中的t＝00变化到t＝08时，激磁电压中调制正弦波电压经过了1/4周期的时间，导电条X1、X2随电动机转子一道从分别正对准1、3号定子齿的位置，旋转到分别正对准2、4号定子齿的位置，所转过的齿或槽数为1。可以断定，当调制正弦波电压经过1/2周期时，电动机转子所转过的齿或槽数为2，即为一个极距(图中用τ表示)的空间角度。当调制正弦波电压经过1个周期时，则电动机转子刚好转过一对极的空间角度，即转子旋转1/P圈，由此可计算出此种电动机的每分钟转速为n＝60*F1/P，与前述的传统感应电动机的转速公式相同。但对于该电动机，由于其调制正弦波电压的频率F1可以无限接近0值，所以，其转速也可以无限接近0。可以看到，当交换定子绕组的激磁相序，即将奇数齿1、3、5、7等的激磁绕组改为由B相激磁电压Uwb(或Umb)激磁，将偶数齿2、4、6、8等改为A相激磁电压Uwa(或Uma)激磁时；或者，维持原来的激磁相序不变，而将两相激磁电压中的任一相改变为与原激磁电压反向的激磁电压(该反向激磁电压可视为由该相调制正弦波电压和负向调制方波电压调制产生的激磁电压)，都可以使转子的旋转换向。
与传统的感应电动机相似，该新型电动机激磁绕组的构成方式也不是唯一的。图6A～8B示出了图1所示电动机，在Q＝1时的几种整距激磁绕组的构成方式，其中图6A所示为A相整距单层绕组连接成一条并联支路的示意图，该支路中的激磁绕组按其首对尾或尾对首串联。图6B为A、B两相的整距单层绕组连接示意图，图中并联支路数α＝2，分别用(1)、(2)表示。若将(1)中的A2、B2端分别与(2)中的A1、B1端连接，则可使每相的并联支路数减少到α＝1。该绕组结构简单，每一个定子槽中只有一个圈边，适合较小功率的电动机。图7A示出由A相激磁电压激磁的整距链式绕组连接示意图，图中每个激磁绕组按首对首或尾对尾的方式串联组成一条并联支路，即α＝1。图7B示出由A、B两相激磁电压激磁的整距链式绕组连接示意图，每个定子槽中都有两个圈边，图中每相的并联支路数α＝4，分别用(1)、(2)、(3)、(4)表示。若将(1)中的A2、B2端分别与(2)中的A1、B1端连接，将(3)中的A2、B2端分别与(4)中的A1、B1端连接，则可使每相的并联支路数减少到α＝2。图8A示出由A相激磁电压激磁的整距波绕组连接示意图，图中的并联支路数α＝2。图8B示出由A、B两相激磁电压激磁的整距波绕组连接示意图，图中每相的并联支路数仍为2，若将同相激磁绕组依电流方向串联，可使每相的并联支路数减少到α＝1。
由于这些整距激磁绕组所激发的磁场与1/2极距的绕组所激发的磁场在本质上相同，因此前面对于在1/2极距的绕组方式下的工作原理的分析也同样适用。本发明不排斥与以上列举的激磁绕组具有等效功能的其他形式的激磁绕组。
图9所示为24槽4对极三相开关式感应电动机定子和转子的横向剖面图。图中，“010”为定子铁心，“101”为定子槽，“102”为定子轭，“103”为定子齿，“020”为有园柱状表面的转子，“104”为导电条，导电条和位于圆柱体的两个端面上的导电环(图中未画)熔接成类似于鼠笼结构的金属感应体，“105”为转子铁心，“106”为转子轴，“107”为转子和定子之间的空气隙，转子轴由位于与定子铁心连成一体的机座上的转子轴承(图中未画)所支撑。由图可见，设Q＝1，电动机的激磁电压的相数M＝3，其定子槽[101]或齿[103]的数量Z＝24，磁极对数P＝Z/(2*M*Q)＝4，转子中有8根导电条，为磁极对数4的2倍。
将图9中的24个定子齿，依1～24的编号次序，每三个相邻的齿组成一个磁极，如1、2、3齿组成第一磁极，4、5、6齿组成第二磁极，7、8、9齿组成第三磁极，依此类推，共8个磁极；每相邻的两个磁极为一对磁极，如第一磁极和第二磁极组成第一对磁极，第三磁极和第四磁极组成第二对磁极，依此类推，共4对磁极。由于每个磁极有三个定子齿，三个定子槽和三个独立绕组，并按其在每个磁极中的相对空间位置分成三组，如图10中的1、4、7、10、13、16、19、22齿的激磁绕组为第1组，2、5、8、11、14、17、20、23齿的激磁绕组为第2组，3、6、9、12、15、18、21、24齿的激磁绕组为第3组，分别接入三相激磁电压中的一相。
图11为图9所示电动机的三相脉冲激磁电压的波形示意图。图中，Ur为调制方波电压，Uas、Ubs、Ucs为A、B、C三相调制正弦波电压，且Uas超前Ubs120°角，Ubs超前Ucs 120°角，Ucs超前Uas 120°角。由图可见，对于脉冲宽度(或幅度)调制的激磁电压的脉冲幅值的极性取向原则仍如前所述，即当其调制正弦波电压和调制方波电压的幅值同向时取正，异向时取负。同一相激磁电压的脉冲幅值，除在调制正弦波电压的零点外，总是沿时间轴正、负相间的。
图10是图9所示电动机中的1/3极距集中式激磁绕组展开图，其激磁电压的引入端，及激磁绕组的首端和尾端的定义及表示符号和以上所述相同。图中，A相激磁电压Uwa(或Uma)接入上述第1组中各齿的激磁绕组，C相激磁电压Uwc(或Umc)接入上述第2组中各齿的激磁绕组，B相激磁电压Uwb(或Umb)接入上述第3组中各齿的激磁绕组，这样的相序使图9所示的电动机按顺时针方向旋转，故称为顺时针激磁相序。若将任意两相激磁电压的相序交换，如将图11所示的三相脉冲调制激磁电压按Uwa(或Uma)、Uwb(或Umb)、Uwc(或Umc)相序，分别接入上述的第1、2、3组中各齿的激磁绕组，则可使图9所示的电动机反时针方向旋转，故称为反时针激磁相序。图中，将所有的对偶绕组采用首对首，或尾对尾的方式串联成一条对偶支路，而且每一条对偶支路都作为一条并联支路，这样，每相的并联支路数为α＝Z/2*M＝4，分别用(1)、(2)、(3)、(4)表示。若将(1)中的A2、C1、B2端分别与(2)中的A1、C2、B1端连接，(3)中的A2、C1、B2端分别与(4)中的A1、C2、B1端连接，则可使每相的并联支路数减少到α＝2。若将这两条并联支路按同样方式再两、两串联起来，可使每相的并联支路数减少到α＝1。
图12示出将图11所式的激磁电压，按上述顺时针激磁相序激磁时产生的脉动式旋转磁场及转子运行示意图。图中所示仍由左右两部分组成，左部的(1)列为图12中的A、B、C相调制正弦波电压Uas、Ubs、Ucs的幅相示意图，其坐标横轴表示调制正弦波电压的幅值，纵轴为时间轴；右部的(2)列为多个分图，按一列沿纵轴方向排列而成，每个分图的结构相同，表示将图9所示的电动机定子及转子的横截面，从A-A’线切入，并沿定子内表面顺时针方向剖开后的展开图的一部分，以定子内表面的剖线为横轴，其坐标原点位于A-A’线与定子内表面的交点处，以示意对于图11中示出的几个特定时刻，在定子齿产生的和磁动势以及转子的运行状态，与调制正弦波电压在该时刻的幅度取样值的对应关系。为了简化分析过程，设对于每一特定时刻的取样值只有一个正向或负向的激磁脉冲与之对应，并按取样的时间顺序交替出现。图的左、右两部分之间在时间上的连系用虚线表示，图中的符号和表达方式的定义与以上所使用过的相同。由图可见，在t＝03时，导电条X1、X2分别在对准3号和6号定子齿的位置，当t＝21时，激磁电压刚好经历了1/2周期，则导电条X1、X2随转子一道旋转到分别对准6号和9号定子齿的位置，即转过了一个极距(图中用τ表示)的空间角度。当调制正弦波电压经过1个周期时，则电动机转子刚好转过一对极的空间角度，即转子旋转1/P圈，这样，对于图9所示的三相电动机而言，其转速的计算公式与以上所述的两相电动机相同。图13示出将图11所式的激磁电压，按上述反时针激磁相序激磁时产生的脉动式旋转磁场及转子运行示意图。由图可见，由于激磁电压的相序改变而使电动机反转。
图14A～16B示出了图9所示电动机，在Q＝1时的几种整距激磁绕组的构成方式，其中图14A所示为A相整距单层绕组连接成一条并联支路的示意图，该支路中的激磁绕组按其首对尾或尾对首串联。图14B为A、B、C三相的整距单层绕组连接示意图，图中并联支路数α＝2，分别用(1)、(2)表示。若将(1)中的A2、C1、B2端分别与(2)中的A1、C2、B1端连接，则可使每相的并联支路数减少到α＝1。该绕组结构简单，每一个定子槽中只有一个圈边，适合较小功率的电动机。图15A示出由A相激磁电压激磁的整距链式绕组连接示意图，图中每个激磁绕组按首对首或尾对尾的方式串联组成一条并联支路，即α＝1。图15B示出由A、B、C三相激磁电压激磁的整距链式绕组连接示意图，每个定子槽中都有两个圈边，图中每相的并联支路数α＝4，分别用(1)、(2)、(3)、(4)表示。若将(1)中的A2、C1、B2端分别与(2)中的A1、C2、B1端连接，将(3)中的A2、C1、B2端分别与(4)中的A1、C2、B1端连接，则可使每相的并联支路数减少到α＝2。若用同样的方式，可使每相的并联支路数减少到α＝1。图16A示出由A相激磁电压激磁的整距波绕组连接示意图，图中的并联支路数α＝2。图16B示出由A、B、C三相激磁电压激磁的整距波绕组连接示意图，图中每相的并联支路数仍为2，若将同相激磁绕组依电流方向串联，可使每相的并联支路数减少到α＝1。
图17示出为图9所示的24槽4对极三相电动机的脉冲宽度调制激磁控制电路框图。图中由时钟信号发生单元[11]输出的同步控制脉冲，分别送到调制方波发生单元[12]和变频正弦波电压发生单元[13]。由变频率正弦波电压发生单元输出的三相，且彼此之间具有120°相位差的频率可变的调制正弦波电压Uas、Ubs、Ucs与由调制方波发生单元输出的调制方波电压Ur在脉冲宽度调制单元[14]实现微功率的脉冲宽度调制后分别经A、C、B三相驱动单元[15]去驱动主开关单元[16]中的功率开关器件。主开关单元为由6只功率场效应开关管和6只电容共同组成三组直流半桥式开关电路，在驱动电路的控制下，各直流半桥式开关电路中的两只开关管轮流导通和截止，从而分别由A1、A2；C1、C2；B1、B2输出三相经脉冲宽度调制的激磁电压，给电动机的定子绕组激磁。该电路功率器件少，控制部分的电路可以采用模拟方式，或采用数字方式，也都可以集成为专用电路，并且和功率器件一道置于电动机内，以进一步减少其总体尺寸。高、低压直流电源产生单元[17]输出主开关电路需要的直流高压和集成电路用的直流低压电源。
图18示出为图7所示的24槽4对极三相电动机的脉冲幅度调制激磁控制电路框图。由图可见，该电路的特点是在时钟信号发生单元[21]输出的同步信号控制下，由调制方波发生单元[22]输出的调制方波电压直接推动驱动单元[25]，由时钟信号发生单元同步的变频控制单元[23]控制变频正弦波电压发生单元[24]输出具有足够功率和幅度的三相可变频率的调制正弦波电压Uas、Ubs、Ucs。该调制正弦波电压与驱动单元输出的调制方波在主开关单元[26]通过由12只功率场效应开关管和6只电容共同组成三组交流半桥式开关电路实现对功率正弦波电压的幅度调制，再由其输出端A1、A2；C1、C2；B1、B2分别输出三相幅度调制激磁电压。低压直流电源产生单元[27]输出集成电路用的直流低压电源。
显然，用上述方式同样可以实现对图1所示的16槽4对极两相电动机的脉冲宽度调制和脉冲幅度调制的激磁控制。本发明不排斥具有上述等效功能的其它控制电路。
权利要求
1.音频开关式交流感应电动机，由机座、定子和转子所组成，定子铁心为园筒状，其内表面有沿径向向内伸展的按相等的角度分布的定子齿，在齿和齿之间为沿轴向贯通的定子槽，其定子槽或齿的数量Z由下式确定Z＝2*M*P*Q，其中，M为激磁电压的相数，P为定子磁极的对数，Q为每极每相的槽或齿的数量，激磁绕组放于定子槽中，电动机转子采用鼠笼结构，其特征在于电动机定子激磁绕组的激磁方式，采用开关交流脉冲式激磁技术，激磁电压是其有效值及频率相等，且具有90°相位差的两相，或具有120°相位差的三相连续正弦波电压，可称为调制正弦波电压，与音频或超音频范围的脉冲方波电压，可称为调制方波电压，作脉冲宽度或脉冲幅度调制后的脉冲调制电压，可称正弦波脉冲调制激磁电压；转子上鼠笼结构的金属感应体中平行导电条的数量K应等于定子磁极对数P的2倍，即K＝2P，沿转子外表面等间隔分布。
2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于定子激磁绕组的结构形成，当每极每相槽或齿的数量Q＝1，采用1/M极距或整距的集中式绕组。
3.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于定子激磁绕组的结构形成，当每极每相槽或齿的数量Q＞1，采用分布式绕组。
4.根据权利要求1和2所述的电动机，其特征在于其定子和转子的铁心由满足音频和超音频范围的相应频率特性的软磁材料冲片并作表面绝缘处理后沿轴向叠压而成，或由具有相应频率特性的铁氧体材料用整体或沿轴向分段的方式制成。
全文摘要
一种开关式交流感应电动机，其定子和转子铁心由具有相应频率特性的软磁材料冲片或由铁氧体等材料制成，转子为鼠笼结构，定子磁极采用开关式激磁技术，其激磁电压为在音频和超音频范围的脉冲宽度或幅度调制电压。在同等输出功率的条件下，此种电动机的体积和重量可减小几倍到十几倍，且制造成本低廉，能在保持良好的机械特性的同时实现在每分钟数千转到零速之间的连续无级调速。
文档编号H02K17/16GK1437306SQ0211554
公开日2003年8月20日 申请日期2002年2月9日 优先权日2002年2月9日
发明者黄有国, 黄薇 申请人:黄有国