专利名称：同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机，属于机电工程领域。
现有的鼠笼型感应电动机由于其具有结构简单、价格便宜、效率高、工作可靠等优点，被广泛应用到工、农生产的一种电动机，但其启动电流大，特别是调速特性较差等缺点，一般只能用在不需要调速的电力拖动系统。而绕线式感应电动机虽然启动电流较小，在一定的范围内能调速，但其结构复杂且价格昂贵，由于有集电环和电刷等元件，在运行中会产生噪声，且有易磨损、维修量大等缺点。目前鼠笼型感应电动机调速的方法主要有变极调速、电磁调速、和变频调速。但不是因为不能达到无极调速，或是在低速时发热严重、效率低，就是变频调速的技术复杂、成本高而不能广泛使用。人们试图通过改变电动机的结构来克服现感应电动机的不足，希望只要改变电动机的输入电压、或改变转子的电流等方法就能达作到连续均匀调速的目的。针对上述出现的问题，双定子感应电动机引起了人们的注意，中国专利CN 2135869Y公开了一种双定子的感应电动机，这种电动机实际上是由两台同轴感应电动机的转子绕组串级联接组成，由于两电动机转子绕组产生的旋转磁场方向相同，在运行时一台电机是向外输出机械功率，而另一台电机却是处于发电机状态，而电机发出的交流电就从这台电机的定子绕组输出，经一个可调功率逆变反馈回电源，或在其定子绕组中外接可调电子元件和电气设备，就能在一定范围内调速，但其中一个电动机运行时处于发电机状态，使电动机对外输出的机械转矩减小，效率不高。
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机及其应用装置，使它在克服绕线式感应电动机上述缺陷，运行时没有集电环和电刷，效率高且其转子也可制成鼠笼型的结构，便于制造和维修，同时兼有两种电动机的优良性能，并能利用其组成高效的电动机调速系统。
本发明是这样实现的，在同一转轴上装有两个分离的主转子铁芯[6]和副转子铁芯[7]中分别嵌有主转子绕组[8]和副转子绕组[9]，主转子绕组[8]和副转子绕组[9]是反装串级联接，即两转子绕组只有电的联系，并且副转子绕组[9]的电流产生的旋转磁场的方向与主定子绕组[3]的电流产生的旋转磁场的方向、电动机转轴[11]的转动方向相反，这样副定子、副转子组成的反装式感应电动机与主定子、主转子组成的感应电动机它们之间的转子绕组是反装串级联接。当电磁功率从主定子绕组[3]输入后电机将部分电磁功率转变成机械功率，其转差功率经主转子绕组[8]输入到副转子绕组[9]；而这个反装式感应电动机将上一级电机输送来的转差功率中的一部分又转变成机械功率，余下的这部分转差功率最后由副定子主绕组[4]输出，只要在副定子主绕组[4]串入可调感抗器[16]，这样调节可调感抗器[16]阻抗的大小就能控制副定子主绕组[4]电流的大小，达到调节电动机转速的目的，由于在副定子铁芯[2]中还嵌有一副定子辅助绕组[5]，其磁极对数与副定子主绕组[4]相同，当在副定子辅助绕组[5]接上适当的电容还可以提高电动机在运行时的功率因数。(由于副定子辅助绕组[5]和副定子主绕组[4]的交流电是由同一旋转磁场所产生的，所以它们的频率相同)下面对本发明的说明书中所出现的附图作进一步的说明。
图1为本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机的结构示意图，各部分名称如下主定子铁芯[1]，副定子铁芯[2]，主定子绕组[3]，副定子主绕组[4]，副定子辅助绕组[5]，主转子铁芯[6]，副转子铁芯[7]，主转子绕组[8]，副转子绕组[9]，轴承[10]，转轴[11]，机座[12]，端盖[13]。
图2为本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机的原理图。在图中可以看到主转子绕组[8]的接线端a1、b1、c1与副转子绕组[9]的接线端a2、b2、c2联接时，串级联接的相序为a1-c2、b1-b2、c1-a2，其中a1-c2、c1-a2两相的相序已经改变(a1、b1、c1为同名端，a2、b2、c2为同名端)，所以副转子绕组[9]的电流产生的旋转磁场的方向和主转子绕组[8]的电流产生的旋转磁场的方向、转轴[11]转动方向相反，这样主定子和主转子构成了一台感应电动机；而副定子和副转子构成了一台反装式感应电动机，由于主转子绕组[8]和副转子绕组[9]只有电的联系，即两台感应电动机构成了本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机，图中A1B1C1为主定子绕组[3]的接线端，A2B2C2为副定子主绕组[4]的接线端，A3B3C3为副定子辅助绕组[5]的接线端。为了简化本发明的原理图，在原理图中虚线内的部分在图三中是用长方形框的简图代替。
图3为本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机的原理简图，图中A1B1C1为主定子绕组[3]的接线端，A2B2C2为副定子主绕组[4]的接线端，A3B3C3为副定子辅助绕组[5]的接线端，假设以上述三个绕组的磁极对数都是为p＝1，电源的频率为f＝50Hz为例进行分析，所以主定子绕组[3]的旋转磁场的同步转速为n1＝3000r/min，因副转子绕组[9]的电流产生的旋转磁场的方向和主定子绕组[3]旋转磁场的方向、主转子绕组[8]的电流产生的旋转磁场的方向、转轴[11]转动方向相反，这时本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机在运行时其转轴[11]的最大转速不超过1500r/min。
图4为已公开的实用新型双定子感应电动机的原理图。公告号为CN2135869Y。由于其主转子绕组的接线端a1、b1、c1和副转子绕组的接线端a2、b2、c2的串级联接方式为a1-a2、b1-b2、c1-c2，所以副转子绕组产生的旋转磁场与主转子绕组产生的旋转磁场的方向、转轴转动方向相同(这也是与本发明最大的区别，本发明的方向相反)。假定其中一个定子绕组A1B1C1的磁极对数为p1＝1、而另一定子绕组A2B2C2的磁极对数为p2＝2来进行分析；当交流电从定子绕组A1B1C1输入，因p1小于p2，所以从定子绕组A2B2C2输出交流电的频率要小于输入时交流电的频率；而当交流电从定子绕组A2B2C2输入时，因p2大于p1，所以从定子绕组A1B1C1输出交流电的频率要大于输入时交流电的频率。
图5为本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机启动、调速、定速转动时，其接线方法之一的电路示意图。在图中M为本发明的电动机，下面以其主定子绕组[3]、副定子主绕组[4]和副定子辅助绕组[5]的磁极对数都是p＝1，而电源的频率为f＝50Hz的情况下，所以其主定子绕组[3]产生的同步转速为n1＝3000r/min，而运行时其转轴[11]的最大转速不超过1500r/min，[15]为可调直流电源，[16]为可调感抗器，L1L2L3为三相交流电源。
当系统电机M启动前，先在其副定子辅助绕组[5]的接线端子A3B3C3接上适当的电容C后，合上KM1和KM2，而KM3断开，这样电能从电源L1L2L3经KM1在M的接线端A1B1C1输入到主定子绕组[3]处，一部分电磁功率由主定子和主转子组成的电动机转变成机械功率，其转差功率从主转子绕组[8]输入到副转子绕组[9]，即输入到由副定子和副转子组成的反装式感应电动机中，而这个反装式感应电动机中又把前一部电机的转差功率中的一部分转变成机械功率输出后，将最后余下的电磁功率从副定子主绕组[4]输出；我们在副定子主绕组[4]中串接上可调感抗器[16]后，只要调节可调感抗器[16]阻抗的大小，就能控制副定子主绕组[4]电流的大小，从而改变电动机的转动速度，同时在副定子辅助绕组[5]接上适当的电容C后还可以提高电动机在运行时的功率因数。因副转子绕组[9]的电流产生的旋转磁场和转轴[11]的转动方向相反，当电动机在额定转速下转动时，副定子主绕组[4]产生的交流电流的频率已很小，如果需要电动机定速转动，这时只要再断开KM2并合上KM3后，副定子主绕组[4]就接上了可调直流电源[15]而产生了一组直流电磁铁，使副定子主绕组[4]和副转子绕组[9]组成的反装式感应电动机同步化，转子就被这组直流电磁铁的作用下拖入同步转速。(这时副转子绕组[9]的电流产生的旋转磁场和转轴[11]的转速大小相等但方向相反，以副定子主绕组[4]为参照系看来这个副转子绕组[9]的电流产生的旋转磁场只是一个静止的磁场，运行时相当于一个反装式同步电动机，所以这时转轴[11]的转速正好为1500r/min)图6为本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机启动、调速和将转子的机械功率转变成与电源频率相同的电能反馈回电网时，其接线方法之一的电路示意图。在图中M1为本发明的主动力电动机(由M1输出机械功率)，假设其转子为鼠笼型结构的情况下，以其主定子绕组[3]、副定子主绕组[4]和副定子辅助绕组[5]的磁极对数p＝1、电源的频率f＝50Hz为例进行分析，所以主定子绕组[3]的同步转速为n1＝3000r/min；而M2为已公开的实用新型双定子感应电动机作为调速系统的辅助电动机，在分析时以其定子绕组A1B1C1的磁极对数为p1＝1、而另一定子绕组A2B2C2的磁极对数为p2＝2来进行分析；M1和M2只有电的联系而无机械联接，整个系统只有M1对外输出机械功率，M2是空载只起到变频和反馈电能的作用。
当本发明的主动力电动机M1需要启动时，先合上KM并将调压器[14]调节到适当的变比，这样电能从主动力电动机M1的主定子绕组[3]的接线端A1B1C1处输入后，主动力电动机M1将部分电磁功率转变成机械能，从其副定子主绕组[4]的接线端A2B2C2处输出低于电源频率的转差功率，经调压器[14]将M1的转差功率传送到辅助电动机M2的定子绕组A2B2C2端(该定子绕组的磁极对数为p2＝2)，而M2的另定子绕组A1B1C1端的磁极对数为p1＝1，因为辅助电动机M2的两定子绕组的磁极对数p2大于p1，而且M1和M2只有电的联接而无机械联接，所以M2能将这部分低于电源频率的交流电自动调节成与电源频率相同的交流电反馈回电源，只要调节调压器[14]的变比，就能调节主动力电动机M1输出的转差功率大小，从而达到调节其转速的目的。
如果主动力电机M1要制动并将其转子的机械能转变成与电源频率相同的交流电时，我们只要调节调压器[14]的变比，使到M2向M1的副定子主绕组[4]输送电能，因辅助电动机M2的两定子的磁极对数p2又大于p1，所以辅助电动机M2的A1B1C1绕组从电源获得电磁功率后在其另一绕组A2B2C2输出频率小于电源的交流电，而这个频率小于电源的交流电在输入到主动力电机M1的副定子主绕组[4]后，并在M1副定子主绕组[4]中产生的旋转磁场的方向与M1转子的方向相反，这时M1就处于发电机状态，把M2输送过来的电磁功率和M1转子部分的机械功率转换成交流电传输入到M1的主转子绕组[8]后，这时M1的主转子绕组[8]的电流产生的磁场与其转子的转动方向相同(与M1的副定子主绕组[4]电流的磁场方向相反)，M1的主转子绕组[8]电流的磁场的转速与转子的转速合成后的旋转磁场的转速，就能自动调节到与M1的主定子绕组[3]产生的同步转速相等，所以M1的主定子绕组[3]就可看成是发电机的定子绕组，切割主转子绕组[8]的旋转磁场后产生与电源频率相同的交流电，将这部分电能反馈回电网。
还有另一种电动机的调速系统是由两个同一类型本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机即主动力电动机(下面简称M1)、辅助电动机(下面简称M2)、加上一个普通的辅助电动机(下面简称M3)和一个调压器[14]组成，具体联接方法如下在M1的副定子主绕组串联一个调压器[14]后，再与M2的主定子绕组联接，而M2的副定子主绕组再与M3联接，而M1和M3是直接偶合到系统中输出机械功率，M2是空载且只与M1和M3有电的联系。当M1的主定子绕组在通入交流电后，将电源的部分电磁功率转变成机械功率，其转差功率经M1的副定子主绕组输出到调压器[14]后，再输入到M2的主定子绕组，由于M2是空载，其输出转差功率的频率比输入时更小且会自动调节到一定数值，M2起到变频机的作用，使输入到M3交流电产生的旋转磁场的转速会随M1的变化而改变，且比M1的转子转速大而接近其转速，所以M3运行时转差率基本保持不变。当M1需要变速时，只要调节调压器[14]的变比，也就改变了M1转子的等效电阻，从而改变M1的转速，而其转差功率经M2变频最后输给M3转变成了机械能，不会被消耗掉，大大提高变速时的效率。这个系统具有启动转矩大、启动电流小，能从零到大范围内连续均匀的调速，而且控制也较为简单、效率高的等优点。
本发明具有如下优点1、本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机实际上是由两个电动机反装串级联结而成，其转子可以制成鼠笼型的结构，所以性能上既有鼠笼型感应电动机运行可靠、同时又有绕线式感应电动机的启动电流小、启动转矩可调的优点，而且没有集电环和电刷，平时的维修量大大减少，在使用时完全可以取代绕线式感应电动机。
2、当本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机需要定速运转时，在其接近额定转速时，可以在副定子主绕组[4]中接入直流励磁电流，这样电动机就相当于一个感应电动机和一个反装式同步电动机串级联接，只要调节直流励磁电流使其出现过励时，就能向前级的感应电动机输送超前的容性电流，使电动机在空载或轻载时功率因数也较高，同时兼有同步电动机的性能。
3、当需要进行调速时，最简单的方法是只要在本发明的电动机的副定子主绕组[4]串联上可调感抗器[16]，这样调节可调感抗器[16]的阻抗就能控制副定子主绕组[4]电流的大小，而副定子辅助绕组[5]接上适当的电容还可以提高电动机在运行时的功率因数后，其转速就能从零到一定速度范围内无极调速，控制的方法比变频调速简单、效率也很高，而且在低速、高速转动时都较稳定。
4、由于本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机在调速运行时没有集电环和电刷，也不像交流整流子电动机、直流电动机在运行时需要换相相所以可设计出输出功率很大的调速电动机及由它组成的调速系统。而利用可控硅变频系统输出的电流和输出功率是有一定的极限，其输出电流和输出功率越大可控硅的价格越昂贵。
5、由本发明的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机组成的调速系统，可以在转子低于主定子绕组[3]的同步转速时，将拖动的机械功率转变成与电源频率相同的交流电反馈回电源，使电能的利用率大大提高。
权利要求
1.一种同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机，含有机座[12]、定子和转子，该电动机的机座[12]内制有主定子和副定子两个定子，并在主定子和副定子中设有主定子铁芯[1]和副定子铁芯[2]，且分别嵌有主定子绕组[3]和副定子主绕组[4]，其转轴[11]支撑在轴承[10]上，轴承[10]固定在端盖[13]中央；在同一转轴[11]上装有两个分离的主转子和副转子，分别在主转子和副转子里设有主转子铁芯[6]和副转子铁芯[7]，并分别嵌有主转子绕组[8]和副转子绕组[9]，这两转子绕组既可以是鼠笼型的结构，也可以是绕线型的结构。其特征是分别嵌在主转子铁芯[6]和副转子铁芯[7]中的主转子绕组[8]和副转子绕组[9]的联接是反装串级联接，而这两转子绕组只有电的联系，使副转子绕组[9]的电流产生的旋转磁场的方向与主定子绕组[3]的电流产生的旋转磁场的方向、主转子绕组[8]的电流产生的旋转磁场的方向、电动机转轴[11]的转动方向相反，这样副定子、副转子组成反装式感应电动机并与主定子、主转子组成的感应电动机是以同轴反装的形式串级联接。
2.根据权利要求1所述的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机，其特征在于副定子铁芯[2]中还嵌有一组副定子辅助绕组[5]，其磁极对数与副定子主绕组[4]副转子绕组[7]的磁极对数相同。
3.根据权利要求1和2所述的同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机，其特征在于同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机可以设计成使用单相交流电的感应电动机、使用三相交流电的感应电动机或使用两相交流电的感应电动机。
全文摘要
一种同轴双转子绕组反装串级联接感应电动机，主要由两个定子和两个同轴分离的转子构成，其结构特点是在同轴上两个分离转子中的主转子绕组和副转子绕组只有电的联系，且副转子绕组的电流产生的磁场和主转子绕组产生的磁场的方向、转轴转动方向相反，使副转子、副定子构成的反装式感应电动机与主转子、主定子构成的感应电动机是同轴反装串级联接，电机运行时在副定子主绕组中接入可调感性阻抗后，只要调节可调感性阻抗的大小就能控制副定子主绕组电流的大小，而副定子辅助绕组中接入适当电容可调节电机运行时的功率因数，电机就能达到小电流启动、大范围调速的目的，没有集电环、电刷等装置，性能比绕线式感应电动机可靠且维修工作量少。
文档编号H02K16/00GK1543041SQ20031011402
公开日2004年11月3日 申请日期2003年11月7日 优先权日2003年11月7日
发明者邓立民 申请人:邓立民