专利名称：交直流电力控制器的制作方法
技术领域：
本发明属于电器、与其配套的鼠笼电动机和逆变变压器，使鼠笼电动机无级调速系统和电力逆变装置，简单适用而宜于推广。交直流电力控制器的有触点控制器或无触点控制器，都必须与本发明有关的新型鼠笼电动机配套使用，才能进行无级调速；必须与本发明有关的新型逆变变压器配套使用，才能构成电力逆变装置。
目前晶闸管变频调速装置、逆变电源装置，是方波叠加整形后输出，波形奇变，晶闸管承受反向电压大，在送电回路中专设晶闸管关断电路，这些都使送电电路结构复杂，造价提高。
本发明目的在于，保留鼠笼型电动机好的特性，克服调速难的问题，研究新的调速方法，设计新的调速装置；创立新的电力逆变控制系统，设计新的逆变装置。把控制设备与被控制设备容为一体，简化控制系统，运行更可靠，降低造价，使有触点控制或无触点控制，都能实现鼠笼电动机无级调速和电力系统逆变控制，适应不同工况供用户选择，便于普及推广，特别是推广高压远距离直流经济输电。
本发明的技术方案是如下实现的发明1为电力控制器。它由基座、定子、转子、驱动轴、电刷(动触头)、换向片(静触头)、滑环或滑片(静触头)、构成有触点电力控制器，基座、定子、转子采用绝缘材料制作，滑环、换向片采用铜导电材料制作，滑环、换向片都镶嵌在定子的内侧，电刷安装在转子的电刷槽内，滑环接输入电源。电刷跨接滑环与换向片，换向片接被控设备输入绕组，转子由司服电动机驱动，转子转动就是电源在换向片上换接，也就是电源在绕组上换接，实际就是一台电动旋转开关。以晶闸管代替换向片与电刷，控制与其配套的设备，包括被控设备绕组，构成无触点电力控制器，晶闸管按顺序导通控制电源在绕组上换接，靠换向绕组反向电压自动关断晶闸管。
发明2为与发明1配套的鼠笼电动机(或直线电动机)。鼠笼电动机的基座、定子、转子、风扇、端盖、输出轴与普通鼠笼型电动机一样，本发明只改变原有鼠笼型电动机定子绕组的绕制方式，即定子绕组为单叠(或复叠、单波、复波)绕组(像直流电动机电枢绕组一样)，这就出现一种新型电动机，其定子有一套单叠(或复叠、单波、复波)绕组时为交直流两用鼠笼电动机，定子为单相有两套单叠(或复叠、单波、复波)正交绕组时为单相电容电动机，定子为三相60度相带单、双层绕组三角形接线时，为三相鼠笼电动机，定子为三相60度相带分相单叠(或复叠、单波、复波)星接线绕组时也为三相鼠笼电动机。
发明3为与发明1配套的逆变变压器。变压器由磁轭、铁心、初级绕组、次级绕组、基座、带散热片的外壳、端盖构成。变压器铁心为圆形或圆环形矽钢片叠成，外圆有嵌线的开口槽，均布在铁心上，铁心槽内层嵌入单叠(或复叠、单波、复波)，三相60度相带分相星接线或角接线绕组(初级绕组)，铁心槽外层嵌入单相或三相绕组(次级绕组)，初次级绕组同槽或不同槽交替嵌入均可。逆变变压器与电力控制器配套使用，把直流电变为工频交流电为逆变器；把直流电或工频电变为除工频外其他需要的频率为变频器；初级嵌入两套正交普通单相绕组，可将单相变为多相，所以这是一种新型特殊变压器。
本发明的工作原理是，直流电或交流电通过电力控制器，连续循环的切换被控设备绕组，使电源在旋转，控制电源的旋转速度就等于调节输出交流电的频率，把一个频率可调的交流电输入与其配套的鼠笼型电动机定子绕组内，在电动机定子内产生可调节转速的旋转磁场，因此可以无级调节电动机转速；电力控制器输入直流电，输出恒定频率的交流电，在与其配套的逆变变压器初级绕组中，产生恒定频率的旋转磁场，像同步发电机一样，变压器次级便感生恒定工频的电势输出，这就是逆变器；变压器次级感生其他频率的电势为变频器。
下面以完整的控制系统进一步说明本发明的工作原理，设电动机定子绕组换向转速为n，电力控制器转子转速为n′并且n＝mn′(即有触点控制器转子转一周，电源在定子绕组上转过m周)，电动机同步转速为n1，旋转磁场对定子的转速为n2，当n与n1旋转方向相同时，n2＝n1+n＝n1+mn′，此时为超同步调速；当n与n1旋转方向相反时，n2＝n1-n＝n1-mn′，此时为低同步调速，当电力控制器输入直流电时，n1＝0 n2＝n＝mn′，此时旋转磁场的转速等于电源在定子绕组上换接的转速，等于有触点电力控制器转子转速的m倍。设逆变变压器初级绕组中最大磁通为φm，它以速度n或mn′旋转，在次级绕组中感生电势E2，E2在时间上按正玄函数变化，它大小为E2＝4、44f2W2k2φm，其中W2为次级每相串联匝数，k2为绕组系数，原理和同步发电机一样，只是把直流电能转变为交流电能。
本发明的优点是，保持鼠笼电动机的优点，如负载特性好，结构简单，制造容易，造价低，运行可靠等；电力控制器与电动机结合，构成无级调速系统，主回路控制元件减少，降抵故障率，运行更可靠；有触点电力控制器虽然有电刷，在中大容量中，采用低速无载切换，延长电刷使用受命，大为降低控制系统造价；不同的电力控制器适应不同的场所和要求，宜于推广使用。逆变设备容量大，可做到任意需求的容量；逆变电压可做到电力系统需求的电压；逆变送电回路系统简单，造价低，运行可靠，便于普及应用。
本发明的电力控制器，与其配套的属笼电动机，适用于起吊设备，节能型风机、水泵，需调速的机械加工设备，电车、电汽车，电机车牵引电动机，船舰推进器，其他推进器，特别适用于独立电源系统，如柴油发电机车；与其配套的直线电动机，适用于往复运动的加工机械，磁悬浮机车；与其配套的逆变变压器，适用于常规低压不停电电源，高压直流远距离输电的终端逆变站。
以下结合附图及实施例，对本发明进一步描述
图1是本发明1的交直流两用有触点电力控制器外形图，控制与其配套的交直流两用鼠笼电动机或逆变变压器。
图2是图1的A-A剖面图。
图3是图1的B-B剖面图。
图4是图2定子内圆的滑环、换向片展开图。
图5是图1至图4的电力控制器，与其配套的交直流两用鼠笼电动机的原理接线图；与其配套的逆变变压器初级绕组的原理接线图。
图6是本发明2的，与发明1配套的交直流两用鼠笼电动机，定子一套单叠绕组展开图。
图7是单相电源的无触点电力控制器，与其配套的一套单叠绕组鼠笼电动机原理接线图。
图8是直流电源的无触点电力控制器，与其配套的一套单叠绕组鼠笼电动机的原理接线图；或与其配套的逆变变压器的初级绕组的原理接线图。
图9是本发明1的单相有触点电力控制器外形图，控制与其配套的单相电容电动机。
图10是图9的A-A剖面图。
图11是图9的B-B剖面图。
图12是图10定子内圆的滑环、换向片展开图。
图13是图9至图12的有触点电力控制器，与其配套的电容电动机的原理接线图。
图14是单相电源的无触点电力控制器，与其配套的电容电动机的原理接线图。
图15是本发明1的三相有触点电力控制器外形图，控制与其配套的三相单层绕组三角形接线鼠笼电动机。
图16是图15的A-A剖面图。
图17是图15的B-B剖面图。
图18是图16定子内圆的滑环、换向片展开图。
图19是图15至图18的三相有触点电力控制器，与其配套的三相60度相带单层绕组三角形接线鼠笼电动机的原理接线图。
图20是三相电源无触点电力控制器，与其配套的三相60度相带单层绕组三角形接线鼠笼电动机的原理接线图。
图21是本发明2的，与发明1配套的三相鼠笼电动机，定子三相60度相带单层绕组三角形接线展开图。
图22是本发明1的三相有触点电力控制器外形图，控制三相60度相带分相单叠绕组鼠笼电动机。
图23是图22的A-A剖面图。
图24是图22的B-B剖面图。
图25是图23定子内圆的滑环、换向片展开图。
图26是图22至图25的三相电力控制器，与其配套的三相60度相带分相单叠绕组鼠笼电动机的原理接线图。
图27是三相无触点电力控制器，与其配套的三相分相单叠绕组鼠笼电动机的原理接线图。
图28是本发明2的，与发明1配套的三相鼠笼电动机，定子三相60度相带分相单叠绕组展开图。
图29是本发明1的双电刷换向式电力控制器外形图，控制直流一套单叠绕组鼠笼电动机。
图30是图29的A-A剖面图。
图31是图29的B-B剖面图。
图32是图29、30、31、33双电刷换向式电力控制器，与其配套的直流鼠笼电动机或逆变变压器的接线原理图。
图33是图30定子内圆的滑片、换向片展开图。
图34是本发明1的高压有触点电力控制器外形图。
图35是图34的A-A剖面图。
图36是图34的B-B剖面图。
图37是高压有触点电力控制器的另一种形式，是在图31的基础上，把进线滑片与换向片的距离拉开，增加进线电刷。
图38是本发明3，与本发明1配套的逆变变压器外形图。
图39是图38的A-A剖面图。
图40是逆变变压器次级绕组接线展开图。
图41是高压有触点电力控制器，与其配套的逆变变压器原理接线图。
由图1至图4可见，本发明1的有触点电力控制器，包括定子1、转子2、基座3、电刷4、换向片5、滑环6、端盖7和其他轴承、弹簧等部件组成。定子、转子采用绝缘材料制造，基座、端盖采用绝缘材料或金属材料制造均可，滑环、换向片及外引线为铜导电材料制造。滑环、换向片镶嵌在定子内圆上，电刷安装在转子刷槽内，弹黄压紧，电刷跨接滑环与换向片，转子由司服电动机(直流电动机或无触点控制的鼠笼电动机)驱动。见图5图6，电力控制器换向片输出12线接电机12个输入线，电机为12槽两极机，电刷旋转一周，就是电源在定子绕组上完成一周的切换。如果换向片变为24个，换向片1至12接线不变，换向片13至24分别与换向片1至12对接，电源两个电刷变为互成90度，则电刷旋转一周，电源在定子绕组上完成两周的切换，同理如果36个换向片，同样方法接线，则电刷旋转一周，电源在定子绕组上完成三周的切换，如果换向片数是电机绕组数的m倍(m是可实施的整数)，则电刷旋转一周，电源在定子绕组上完成m周的切换。当电源为直流时，定子绕组产生的旋转磁场的转速，等于电源在定子绕组上切换的转速，等于有触点电力控制器转子转速的m倍。当电源为单相时，定子磁场转速增加一个同步转速，与电源切换绕组的调节转速叠加，若两个转速旋转方向相同，为超同步调速，若两个转速旋转方向相反，为低同步调速。单相一套绕组电动机起动必须随控制器起动，若超同步调速，继续升速达到需要值，若低同步调速，电动机起动后，控制器转子减速反转达到需要值。
用晶闸管代替有触点控制器，即为无触点电力控制器，一只晶闸管代替一个换向片，输出波形好，造价高，切换绕组一周至少需要6只，一次导通两只，三次转一周。图8是6只单向晶闸管控制单叠绕组鼠笼电动机，其导通顺序为1、4→3、6→5、2，反之也可，切换一次是120度，三次360度，只控制晶闸管导通，靠换向绕组反电势自动关断，例如1、4处导通状态，电流从1流向4，当3、6导通时，电流从3流向6，1至3间绕组换向，产生反电势使1关断，4至6间绕组换向使4关断。控制这6只晶闸管的导通频率，就调节了电动机的转速。图7电源为单相，用6只双向晶闸管控制单叠绕组鼠笼电动机，其控制原理与图8相同。电压降在绕组上，晶闸管不承受电源加的反相电压。
图9至图14是单相电力控制器，控制与其配套的电容电动机，控制器有三个滑环6、7、8，6、7接相线，8接零线，两排换向片5分别接两套单叠绕组，四个电刷互为90度；单相无触点控制器，两组双向晶闸管分别接两套单叠绕组。相线上有一转换开关K，合到一边电动机正转，合到另一边电动机反转。无触点控制器晶闸管导通顺序为1、4、7、10→3、6、9、12→5、2、11、8，反之也可。合上电源，电动机立刻起动，控制器旋转方向与电动机旋转方向一致时，为超同步调速，反之为低同步调速。
图15至图21是三相电力控制器构造与原理接线，控制三相60度相带单层绕组三角形接线鼠笼电动机，有触点控制器有三个进线滑环6、7、8，两排对应的换向片连在一起(见图17换向片5)，一排换向片输出与电动机绕组连接，三个电刷120度均布。图20是12只双向晶闸管控制三相60度相带单层绕组三角形接线鼠笼电动机，其导通顺序为1、5、9→4、8、12→7、11、3→10、2、6，反之也可。调节电源对定子绕组的换接频率来调节电动机转速。
图22至图28是三相电力控制器，控制三相分相单叠绕组星接线鼠笼电动机。有触点控制器有三个相线滑环6、7、8，三排换相片5，三个相线电刷9互为120度，三个零线电刷10互为120度，零线电刷在控制器转子内接为一点(见图23、图26)。图27是18只双向晶闸管分三组分别控制A、B、C三相绕组，其导通顺序为1、4、9、12、17、14→3、6、11、8、13、16→5、2、7、10、15、18，反之也可，双号晶闸管阴极接在一起为星接零点。图28为电动机定子绕组展开图，36槽两极机，绕组1至6、19至24号为A相，绕组13至18、31至36号为B相，绕组25至30、7至12号为C相，每极每相为60度电角度，标准60度相带，磁场最佳。电动机调速原理、调速方式与电容电动机调速相同。
图29至图30是在图1至图4的基础上再改进的有触点电力控制器。前述有触点控制器中，在换接绕组时，单电刷总要跨接两个换向片，也就是电刷总要瞬间短接换向绕组，造成大电流时切换负载，目前直流电动机换相器都存在这个问题，所以在大容量电动机中、高低压逆变电源中存在换向火花，甚至不能运行，以两个电刷代替一个电刷，解决这个难题。见图31、32、33，5是换向片、6是正向长滑片、7是正向短滑片、8是负向短滑片、9是负向长滑片，相邻换向片间的距离加大，大于电刷弧向宽度(电压等级要考虑在内并有余量)，正负电源滑片弧向宽度与换向片宽度相同，滑片引出线如图33，图33中与二极管反并联的单向晶闸管在交流电源时，与负半周同步导通，采用绝缘线在图29的外面接线(图中未表示)，两个电刷与换向片的接触截面积之和最小也得大于负载要求的截面积，前一个电刷刚好全部进入前面的换向片时，后一个电刷刚好离开换向片。两个电刷跨接相邻换向片时，由于二级管的作用，阻断了换向绕组短路，而由于换向绕组产生的反向电势，使后一个电刷接触滑片的线路二级管截止，所以后一个电刷在离开换向片时，是在无载状态下断开的。见图32由于换向片间距加大，控制器转子直径变大，可以将绕组串接几个再接到换向片上，减少换向片个数。
图34至图36是高压电力控制器，是在图29至图33的基础上改型，换向片与滑环间距加大并有绝缘，5是换向片接逆变变压器初级绕组，6是电源进线负端两个滑环，7是电源进线正端两个滑环，8是四个进线电刷，9是四个换向电刷。
图37是高压电力控制器的另一种构造图，是在图31基础上，把进线滑片与换向片间距拉开达到高压绝缘要求，增加进线电刷，其他构造形式不变。
图38、图39是本发明3的逆变变压器铁心构造图，1是开槽的矽钢片铁心，2是矽钢片叠压的外磁轭，3是带散热器的外壳，4是基座，5是端盖。
图40是逆变变压器次级绕组接线展开图，初级绕组展开图同图6，图41是逆变变压器或变频器接线原理图，初级、次级绕组同槽绕制和不同槽绕制均可。
前述所有进线滑环或进线滑片都可以镶嵌在转子上，进线电刷安装在定子上。前述所有电动机定子绕组，都适用于相应直线电动机定子绕组。
权利要求
1.一种交直流有触点电力控制器，由基座、定子、转子、端盖、驱动轴、滑环或滑片(静触头)、换向片(静触头)、换向电刷(动触头)组成，其特征是，导电的滑环、换向片镶嵌在绝缘的定子内圆上，换向电刷安装在绝缘的转子电刷槽内，电刷跨接滑环与换向片，滑环外接电源(或设进线电刷安装在定子上，滑环安装在转子上并与换向电刷连接)，换向片外接被控设备绕组，当转子被驱动时，换向电刷在换向片上滑动，在不断电状态下换接绕组，实际是一个电动旋转开关，连续切换绕组。把一个换向电刷分为两个换向电刷为双电刷换向，正进线两路各串一个二极管，负进线两路各串一个二极管，定子有两排进线滑片，一排滑片引出线单偶数分开接正电源二极管，另一排滑片同方式接负电源二极管，换向片间距大于电刷弧向宽度，转子有两组电刷，每组两个电刷，交流电源时，每个二极管反并联一个单向晶闸管，与电源负半周同步导通，在换向时既不短接相邻的换向片，又保证需要的接触截面积，使电刷在无载状态下离开换向片。进线滑片与换向片间距加大到高压电允许的间距，另加进线电刷，输入直流输出交流，为高压逆变电力控制器。双电刷换向可应用到直流机换向上。
2.如权利要求1所述的交直流有触点电力控制器，其特征是，定子有两个进线滑环(或两排进线滑片)，一排输出换向片，转子有两个(或两组)电刷，据被控设备绕组接线极数，可成倍增加电刷。
3.如权利要求1所述的交直流有触点电力控制器，其特征是，定子有两个相线滑环，一个零线滑环，两排输出换向片，转子有两个相线电刷两个零线电刷；定子有三个相线滑环，三排输出换向片，转子有三个相线电刷，三个零线电刷；定子有三个相线滑环，两排相连的换向片，由一排换向片输出，转子有三个电刷，120度均布。上述据被控设备绕组接线极数，可成倍增加电刷。
4.一种交直流无触点电力控制器，它由单向晶闸管或双向晶闸管和被控设备绕组组成，其特征是，用晶闸管代替有触点电力控制器的动静触头，只控制晶闸管按顺序成对或成组的同时导通，靠被控设备绕组换向时的反电势自动关断晶闸管。
5.如权利要求4所述的交直流无触点电力控制器，其特征是，一组6个单向或双向晶闸管，每次两个晶闸管同时导通，三次切换循环一周，控制一套单叠(或复叠、单波、复波)绕组鼠笼电动机，或控制初级为单叠(或复叠、单波、复波)绕组的逆变变压器或变频器。上述据被控设备绕组极数和晶闸管容量可成对的增加晶闸管。
6.如权利要求4所述的交直流无触点电力控制器，其特征是，两组双向晶闸管，每组6个，两组每次4个晶闸管同时导通，三次切换循环一周，控制两套单叠(或复叠、单波、复波)绕组鼠笼电动机；一组12个双向晶闸管，每相4个，三相每次3个晶闸管同时导通，四次切换循环一周，控制三相60度相带单层或双层单叠(或复叠、单波、复波)绕组三角形接线鼠笼电动机；三组18个双向晶闸管，每组6个，三组每次6个晶闸管同时导通，三次切换循环一周，控制三相60度相带分相单叠(或复叠、单波、复波)绕组星接鼠笼电动机或初级绕组星接变频器。上述据被控设备绕组极数晶闸管容量可成对或成组的增加晶闸管。
7.一种交直流鼠笼电动机，包括基座、散热外壳、定子、转子、转子鋳铝、风扇、端盖、输出轴等和通用鼠笼电动机一样。定子绕组和通用鼠笼电动机不一样，其特征是，定子是如直流机电枢绕组一样的单叠(或复叠、单波、复波)绕组，分直流绕组，单相绕组，两相绕组，三相绕组。即定子是一套直流(或单相)单叠(或复叠、单波、复波)绕组，定子是两套互成90度的单叠(或复叠、单波、复波)绕组，定子是三相60度相带单、双层单叠绕组三角形接线，定子是三相60度相带分相单叠(或复叠、单波、复波)星接线绕组。定子每个绕组一个引出线或几个绕组一个引出线。定子绕组接线适用于直线电动机。
8.一种逆变变压器或变频器，包括基座、散热外壳、铁心、端盖、初、次级绕组，其特征是，圆形矽钢片叠成铁心，铁心外圆开槽，矽钢片叠成外磁轭，插接在铁心上，初次级绕组可同槽或异槽布置。
9.如权利要求8所述的逆变变压器或变频器，其特征是，初级绕组是直流(电力控制器输入端为直流)单叠(或复叠、单波、复波)绕组为逆变变压器，初级绕组是单相或三相60度相带分相星接线或角接线单叠(或复叠、单波、复波)绕组为变频器。初级每一个绕组引出一个接线或几个绕组引出一个接线，次级是单相或三相常规同步发电机绕组。
全文摘要
交直流电力控制器，分有触点电力控制器和无触点电力控制器。有触点电力控制器特征是，旋转开关式，采用绝缘材料制造的定子、转子，导电的滑环、换向片(与被控设备绕组连接)，镶嵌在定子内圆上，电刷安装在转子电刷槽内，转子由司服机驱动；无触点电力控制器特征是，以单向或双向晶闸管代替换向片与电刷控制，与被控设备连接的绕组，构成无触点控制器。控制与其配套的交直流鼠笼电动机、直线电动机无级调速；控制与其配套的逆变变压器，将直流电变为交流电。控制电力电源在被控设备绕组中，不断电的连续换接，产生可调节转速的旋转磁场或改变旋转磁场的转速。被控设备初级绕组如直流机电枢一样的绕组。
文档编号H02K13/00GK1564434SQ20041002951
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月22日 优先权日2004年3月22日
发明者张兰阶 申请人:张兰阶