专利名称：量子化调速鼠笼电动机的制作方法
技术领域：
本发明是一种量子化调速鼠笼电动机，电动机定子与直流电动机相类似，由直流激磁的正、负恒定磁极及单方向导通直流方波电压的正、负感应电极构成，感应电极绕组并联续流二极管储存磁场能量，仍采用鼠笼型转子，只用一只电子开关管IGBT控制单方向方波脉冲电压，脉冲电压波形是量子化的，由占空比实现无级调速，功率因数等于1，是效率最高的新型电动机。
背景技术：
变频调速电动机虽然节电及控制灵活，但并没有消除无功损耗，功率因数仍小于1，效率提高有限，更主要的是逆变器结构复杂，本身耗电就大，造价远高于电动机本身，因此不能普及推广。产生旋转磁场才能使交流电动机起动，但直流电动机没有旋转磁场，起动力矩反而远大于交流电动机。因此将鼠笼电动机的定子也像直流电动机那样，改进为由直流激磁的恒定正、负磁极，在恒定正、负磁极中间分别设置感应正、负电极，感应绕组并联续流二极管，只用一只电子开关管控制输入单方向脉冲直流电压，使转子导条产生感应电流，感应电极左、右两侧分别为恒定正、负磁极，转子导条对应处于正、负磁极的电流I2方向相反，因此恒定磁极磁通密度B使转子导条产生的作用力的方向一致，使转子产生转矩，作用力F为下式F＝BI2l…………………………(1)l是转子导条长度，作用力F方向一致，产生转矩使电动机顺利起动。
感应电极绕组导通方波直流电压为u，导通时间为t1，断电时间为t2，T＝t1+t2，T为周期，相当于交流电源的二分之一周期，通电时电流由0线性上升为极大值Im然后下降，平均电流为I1=Im2,]]>断电后电流经续流二极管导通。感应电压作功功率为w，可得下式w=uIm2·t1T---(2)]]>断电后，Im经续流二极管导通，将磁场能量储存起来，转子旋转时吸收磁场能直接转换为轴功率，因此功率因数等于1。由于激磁电流直接转换为有功，没有无功损耗，所以是效率最高的电动机。但是续流时间过长怎么才能加快感应电极去磁，另外如何控制转子导条旋转时对应正、负磁极自动换向是两大技术难题，如果解决不了这两个技术难题，量子化调速鼠笼电动机就无法运行。
解决上述两大技术难题首先必须求解单向方波直流电压及电流与转子导条电流之间的定量关系，只有知道这个定量关系后，才能找到解决两大技术难题的方案。由于鼠笼电动机旋转时电流关系复杂，为简单明了，首先用单相变压器一、二次线卷代替感应电极绕组及转子导条回路，将变压器一次线卷并联续流二极管，二次线卷短路，仍采用电子开关管IGBT导通方波直流电压u，通电时间为t1，一次线卷电流上升为变压器额定电流IN时断电，这时二次短路线卷电流上升为I2m，一、二次线卷分别为N1及N2匝，则IN＝I1m+I0m，I0m是激磁电流极大值，I1m与I2m方向相反，一次和二次线卷感应电压分别为u1及u2，则u1N2＝u2N1…………………………(3)I1mN1＝I2mN2…………………………(4)电源电压u作功为wt1=uIN2t1,]]>减去电阻损耗等于感应电压u1作功为w1t1，则w1t1=u1I1m+I0m2t1---(5)]]>二次线卷吸收的能量应等于 有下式成立u1I1m2t1=u2I2m2t1---(6)]]>一次线卷输入的能量一份是激磁能量为 一次线卷一份输出给二次线卷的能量为 一次线卷输入的能量是由电源作功产生的，所以断电后，按电磁学理论一次线卷将能量输出给二次线卷，一次线卷中只有激磁电流的磁场能量，续流二极管导通电流应该只有激磁电流I0，I1mN1＝I2mN2，电流相抵消，直到I0m下降为0，但是用储存示波器观察一、二次线卷电流时发现，断电后，二次线卷是由I2m下降为0的，而一次线卷电流是由IN逐渐下降为0的。所以实验发现有三份磁场能量存在，分别为 电源作功只有 那么多出一份的磁场能量是那产生的呢？由于一、二次电流反向抵消后，在磁路中磁通密度B合成等于0，磁场能流密度为 因此磁路中只存在 那么另外两份磁场能量又是在那里存在呢？就是有一点漏磁也不会产生如此大的两份磁场能量，而这两份磁场能量又远大于激磁电流在磁路中产生的磁场能量。这个简单的实验出现的物理现象是电磁学理论及量子力学都没有研究过的学术问题，而这个新发现的物理现象与电磁学理论存在着许多矛盾。只有解开这个新发现的物理现象的定量关系后才能给出量子化调速鼠笼电动机解决技术难题的方案。下面求解这个学术上的定量关系。
实质性技术内容众所周知量子力学是描述微观粒子运动规律的，当然也适用在导线中引起电流的电子的运动规律。所以采用量子力学及牛顿力学和电磁学求解上面所述的物理现象的定量关系。结果表明磁场能量等于电子在导线中运动的动能，所以磁场能量是以电子为载体，而且储存在导线中。因此传统观念认为磁场能量储存在磁路的空间中是一种误解。
量子力学证实微观粒子运动的基本规律是微观粒子的动量p等于普郎克常数h与波长λ之比，粒子运动速度v等于波长λ与频率f的乘积，粒子具有能量ε等于普郎克常数h与频率的乘积。
p=hλ---(7)]]>v＝λf…………………………(8)ε＝hf…………………………(9)电子质量为m，带电量为e，玻尔在氢原子模型中将电子从无穷远向氢原子核入射时，电场作功为ε＝hf，电子绕原子核运动的动能为 另一半能量辐射出去了。所以电子做轨道运动时出现主量子数n，角量子数l，磁量子数m，自旋量子数ms，只有自旋量子数ms=±12,]]>其他量子数都是整数。电子作轨道运动时能量与各种量子数有关，是 的整数倍，等于电子的动能，是电场作功产生的，另外一半能量被辐射了。将公式(7)的动量p改为电子动量，电子质量及运动速度分别为m及v，p＝mv轨道周长等于波长，圆半径为r，则λ＝2πr，代入(7)式得mv=h2πr---(10)]]>将(10)式右侧分子及分母分别乘以f，v等于2πrf，可得mv2＝hf…………………………(11)电子轨道运动的能量等于电子的动能， 是自旋量子数。辐射出的一半能量是以光速c传播的，所以电磁波的频率f等于光速与波长λc之比。
f=cλc=vλ]]>辐射波长λc与电子轨道运动的波长λ之比等于光速c与v之比，因此频率f不变，所以做轨道运动时能量与辐射能量相等。
cv=λcλ---(12)]]>由于辐射能量等于电子轨道能量，证明(12)式是正确的，所以电子做圆周运动时的波长等于周长是正确的。
上述规律也适用于电子自身的自旋运动，量子力学给出的电子自旋磁矩us=eh4πm]]>及动量矩ps=12·h2π,]]>因此假设电子是一个以光速c做自旋运动的圆环，圆环半径为R，代入公式(10)可得mc=h2πR---(13)]]>可得电子圆环半径R=h2πmc=3.865×10-13(m)]]>自旋频率fc=c2πR=mc2h=1.236×1022(1/S)]]>自旋电流Ic=efc=emc2h=19.75(H)]]>自旋磁矩与动量矩为下式μs=IcπR2=eh4πm]]>ps=mR22πfc=12·h2π]]>与量子力学结果相符。电子自旋磁矩与动量矩之比可得下式μs=ge2m,ps=emps---(14)]]>g是电子因子系数等于2，本文假设的电子模型与量子力学完全相符合，说明电子模型是正确的。电子自旋能量是2倍的动能，因子系数为2，而做轨道运动时电子能量等于动能，因此出现自旋量子数为 这就是自旋量子数ms的物理含义。
绕制一个大螺线管加上交流电压，在内侧产生B，将一个小螺线管放入大螺线管内，用储存示波器测出小螺线管的感应电压时发现，小螺线管与大螺线管轴线平行时，每处小螺线管感应电压都是相等的，说明大螺线管内磁通密度B到处相等，并不象电磁理论描述的那样，离内壁较远时B值小，因此实验与电磁学理论存在矛盾，证明内截面各点B值相等。将小螺线管放在大螺线管之外测试感应电压时发现，几乎测不到感应电压，证明外侧B值非常小。这与原子核内是强相互作用，之外是弱相互作用相符合。
同样上述规律也适用于导线中电子的运动规律，下面探讨单相变压器一次和二次线卷的磁场能量。电阻损耗使电压降低，因此一次线卷产生的感应电压u1比电源电压u要低，二次线卷中感应电压u2由(3)式决定u2=N2N1u1]]>先求二次线卷运动电子的磁矩us及动量矩ps，设二次线卷平均半径为r2的圆环，r2是平均值，感应电压u2作功等于u2I2m2t1=u2Q=u2ne,]]>Q等于n个电子带电量e的乘积。磁矩μ2、等于I2m与圆面积πr22的乘积，I2m=2Qt1=2net1,]]>可得下式μ2s=I2mπr22=2net1πr22---(15)]]>导线中运动电子的动量矩ps由牛顿力学导出，通电时间t1时出现I2m电流极大值，因此t1时刻有2n个电子以速度v运动，因此ne=I2m2t1,]]>由公式(12)cv=λcλ]]>知道，电子轨道运动速度不变，电子在导线中运动速度v也不变，因此频率f等于速度与波长之比，当频率f及感应电压u2与r2不变时则v是恒定值，电磁波在导线中以光速c传播，就如多个电子同时开始以v运动，多个电子速度v之和等于光速c，所以v是恒定值，才不会出现电子在某处堆积现象，速度与波长之比等于频率f，f才是稳定值。因此电流上升时电子运动速度不变，而是电子运动数n线性上升引起电流值上升，只有如此导线中运动电子才能满足公式(10)mv=hλ]]>的规律。
应着重指出，公式mv=hλ]]>是描述电子运动能量的关系式，能量是正数，不可能出现负值，变化周期从0开始到t1时刻为最大值，t1就等于周期T，故f=1t1,]]>因t1时间内磁场能量由0达到极大值，速度v及角速度ω＝2πf是恒定值，t1等于波长与速度之比，这与电子轨道运动是一致的，故有下式v=2πrt1=ωr=2πfr---(16)]]>I2m运动电子的动量矩等于转动惯量2nmr22与角速度ω＝2πf的乘积p2s=2nmr22ω=4nmπr22t1---(17)]]>μ2s=e2mp2s---(18)]]> 相当于自旋量子数，这与电子做轨道时运动的情形一致。
而动量矩与ω乘积的二分之一等于转动物体的动能，由于电子的轨道运动或在导线中运动时将系数 作为自旋量子数已经出现在动量矩ps中。故 等于动能。
由(15)式、(17)式知道分别以电磁学及牛顿力学导出的电子在导线中运动产生的磁矩和动量矩之比得到(18)式，结果与量子力学中电子轨道运动完全符合，因此量子力学描述电子轨道运动规律的(10)式同样适用于电子在导线中的运动规律。
由(17)式可得一个电子动量矩为pe=mr22ω=mr2v,]]>与电子自旋动量矩 相等，可得mr2v=12·h2π,]]>整理后得下式mv=12·h2πr2=12·hλ]]>电子在导线中运动的圆周长等于波长，与电子做轨道运动时一致，与电子自旋运动相比多出自旋量子数为 量子力学中给出的电场作功的能量等于hf也普遍适用于宏观电路的，因此可得下式u2I2m2t1=u2ne=nhf---(19)]]>感应电压与t1乘积等于磁通量的极大值m，是由I2m产生的。
u2t1＝m…………………………(20)一个电子产生的电流对应的磁通量极大值为e，则e＝u2t1，一个电子产生的电流为Ie，两边乘以 得 磁场能量等于电场作功的一半能量，等于12hf=12mv2,]]>证明磁场能量等于电子在导线中运动的动能。
2n个电子产生的电流对应的磁通量极大值为(20)式，将(20)式代入(19)式可得 由于 所以磁场能量等于运动电子的动能。 是磁通量的平均值。
N个运动电子在导线中产生磁通量为瞬时值。
公式(22)是普遍适用于交、直流电流的定量关系式。磁场能量w等于 比例系数 相当于轨道运动时的自旋量子数ms，真空磁导率μ0＝4π×10-7(H/m)，n1匝线卷电感系数L按经典电磁学得L=μ0n12sI2l=μ0πr2n12I2l,]]>将4π×πr2作为圆周长l0，则L与导线长度l0的平方成正比，I02=(2πr)2,]]>因此真空磁导率μ0＝10-7(H/m)。由此可将(22)式推广到任何形状的闭合回路中，电感系数与导线长度l0平方成正比，与导线截面积的周长α成反比，L=μ0l02α,]]>μ0＝10-7。但是有了公式(22)，不必计算真空中的电感系数了。磁性材料中存在磁化电流，因此仍然存在磁化电流形成的磁场。
同样单相变压器一次线卷中N1I1m产生的磁场能量与二次线卷相同，等于运动电子的动能。激磁电流在磁路中产生磁化电流，因此与真空有实质性区别。真空时电场作功正好等于两倍电子动能，因此一次和二次线卷电子动能相等，所以多出的一份能量是一次线卷传给二次线卷了，相当于玻尔氢原子模型中入射电子能量总是要辐射一半磁场能量。那么当只有一个电感线卷时，电场作功的能量与电子动能的关系如何呢？这很容易解释只有一个线卷时电场作功产生激磁电流，因为只有一个线卷时激磁电流与电压相角差是 当电子从电感线卷入射回电源时的速度并没有下降为0，而是下降为 倍，将一半动能馈送回电源了，因此电场作功等于导线中运动电子的动能，也就是磁场能量。变压器一次与二次线卷电流相角差是π，无回馈能量，一次线卷将一半电子动能传给二次线卷，所以一次线卷和二次线卷中电子的动能相等。由上面证明知道电子是宏观电路电磁能量的载体，所以磁场能量是存储在导线中的。电磁场作用力与万有引力相同，是远距离非接触型作用力，不象传统观念那样要在空间建立电磁场，当电磁场接触到对方本体时才产生接触型作用力，所以辐射出去的能量是电子动能。磁性材料的激磁电流产生的磁场能量也等于电子动能。
可见无功电流及无功功率的物理意义与经典电磁学理论相矛盾，量子力学导出的结果是磁场能量等于导线中运动电子的动能，运动电子产生的电流包括激磁电流、有功电流和无功电流，无功电流是指二次线卷及负载导线在真空中的激磁电流，无功电流与有功电流是并联关系，所以磁场能量的含义与电磁学理论中的磁场能量有实质性区别。
电磁波由天线辐射现象，是由于天线与二次线卷是开路的，只有二次线卷中存在感应电压，而天线中没有感应电压，因此电子由感应电压产生速度后入射到天线中会靠惯性入射到天线尖端，当二次线卷感应电压换向后，二次线卷中电子运动方向不变，只是电流减小，因此会继续入射到天线中，天线中电子动能超越晶格的约束能力，相当于电子跃迁到高能级中，回射时如玻尔氢原子模型一样会辐射能量，但分子频谱较密，在导线表层已接近连续函数了。这才是电磁波辐射能量过程的量子力学模型，并非靠位移电流在空间不断重建电磁场而传播。辐射能量以光速运动，当然回射波会延迟几个频率时间了，延迟时间即可测出距离。大于远红外以上频率取分离值是由于电子轨道运动的磁场能量引起的，两个轨道之间距离是电子自旋方向翻转180度产生的距离，小于180度时不可能形成稳定的电子轨道，所以辐射能量取分离值。导线中晶格结构的电子轨道相互存在交汇点，轨道能级非常密使能量变化接近连续值了，所以频率可由人为控制是连续变化值，频率变了，电子运动速度变了，动能变了，但波长不变，仍满足量子力学mv=hλ,]]>cλc＝vλ＝f的规律，频率的倒数等于周期T，T是指能量由0上升到极大值的时间，这于交流电的周期物理意义是不同的，相当于交流电的四分之一周期，2π是圆周长与直径的比例系数，所以是距离的比例关系，交流电将2π与频率f的乘积作为正弦函数的相量角，只适用连续函数的定量关系，所以遇到不连续函数的情况时，无法求解出正确结果。上述物理现象无法由电磁学理论解出正确结果，量子力学适用于描述不连续函数的定量关系，因此利用量子力学得出了正确结果。
有了上述量子力学导出的定量关系式，可以分析量子化调速鼠笼电动机中转子导条电流及作用力的定量关系了。转子导条运动时会产生动生电动势u2e则u2e＝Blv…………………………(23)定子中一个感应电极绕组的一匝导线产生的感应电动势u1e必须高于u2e才可以使转子导条产生反向电流而输入能量。恒定磁极电流及电压或磁通都是恒定值，不会向转子导条输入能量，只能对导条产生作用力F＝BlI2，正恒定磁极作用力指向正感应电极，负恒定磁极作用力指向负感应电极，所以进入感应电极的导条电流会产生加速旋转力，但感应电极不会使进入本身区域内的导条产生感应电动势，因此导条电流受动生电动势Blv阻止会很快下降为0，然后反向成为发电状态工作，作用力也改变方向成为阻碍旋转力。但是该导条产生的电流必然与同极性的恒定磁极中导条形成回路，因此加大恒定磁极处导条的电流是产生加速旋转作用力的，所以形成回路的两根转子导条的合力等于0，不会使转子减速，当该导条进入反极性恒定磁场时电流产生的作用力又是加速旋转的作用力了。因此处于感应电极处的转子导条只产生比恒定电极处导条小一半的加速旋转作用力。转子导条在感应电极绕组通电时间内吸收感应电压作功，当断电后，恒定磁极处导条电流靠本身存储的电子动能和吸收感应电极处导条动生电流的能量维持电流方向不变，而处于感应电极处的导条只能吸收存储的磁场能量了，使激磁电流很快下降，感应电极快速去磁。
必须控制感应电极的平均磁通密度Be不能小于恒定磁极的磁通密度B0，因此Be≥B0时，恒定电极处的导条电流可由感应电极处导条发电状态输入的能量维持电流方向不变，如果Be＜B0时恒定磁极处的导条电流在断电后会反向，作用力也会反向，使电机工作不稳定，所以量子化调速鼠笼电动机稳定运行的条件是。
Be≥B0…………………………(24)因此稳定运行时必须满足(24)式，这时轴功率等于外加负载。
感应电极绕组不会直接使处于本身处导条产生感应电压，因为该导条与左右两侧恒定磁极导条形成回路，二者电流方向相反而抵消，所以感应电极处导条只能由动生电动势取决电流方向。而恒定磁极处导条相互形成回路，电流正好相反，因此吸收感应电极绕组中感应电压产生的能量，使导条电流方向与B0lv反向而产生加速作用力，使电动机稳定运行。
电动机起动时，导条速度v很小，故动生电动势B0lv很小，感应电极绕组通电后电流达到额定值时可断电，续流二极管导通电流时间长，这符合起动时运动速度慢的要求，由于恒定磁极不换向，所以导条电流总是产生加速旋转作用力，不会像交流电动机那样，磁场反向会产生与旋转方向相反的作用力，所以量子化调速鼠笼电动机起动转矩与直流电动机一样大。当电流下降后再次通电使电流又达到额定值，逐渐加快通电时间，缩短断电时间，使电动机平稳进入正常运行状态。转子转过一个磁极位置时可以反复通、断电数次，使电动机的起动转矩比额定转矩大8倍以上。
当改变感应绕组正、负电压接线后，即可使电动机反转。因此可控制电动机正、反转及实现无级调速。
当将恒定磁极改为永磁材料后，可以省去恒定磁极激磁线卷，也可节省激磁能量，电动机效率更高。
量子化调速鼠笼电动机定子磁路与转子磁路尽量减小漏磁通，互感系数等于1最好，起动电流大小由电子开关管IGBT控制，不出现堵转电流现象，磁极面积大，在磁路中磁通密度B与气隙磁通密度Bδ相差不大，又是恒定值，不会像交流电极那样B下降为0时作用力也下降为0，所以电动机比交流电动机的利用系数高，同体积电动机的额定功率比交流电动机大。定子磁极绕组是一个线卷，不象交流电机绕组由两个以上构成，总有电流反向情况存在，相互抵消磁场加大激磁电流，产生过大的无功电流，因此绕组可以节省一半的导线重量。技术性能显然比变频调速电动机要高，节电数也比变频调速电动机要大，控制响应时间快，所以性价比高。
附图1是三相整流量子化调速鼠笼电动机接线图。
附图2是单相整流量子化调速鼠笼电动机接线图。
实施例1量子化调速鼠笼电动机是由整流电源、量子化控制器、鼠笼电动机构成，电动机定子由恒定正、负磁极中间分别设置正、负感应电极，如附图1所示，转子仍是鼠笼型，导条数最好大于或等于定子磁极总数的1.5倍以上。当采用三相交流电源整流时，将恒定磁极正、负绕组反方向串联后成为串联激磁绕组L0，L1是恒定磁极并联绕组，L0串接入整流器和滤波电容C之间，L0并联续流二极管Z0，恒定磁极绕组由串联激磁L0绕组及并联激磁绕组L1构成，L1激磁匝数应是L0额定电流时激磁安匝数的20％左右。感应电极正、负绕组反向串联后成为感应绕组Le，分别经电子开关管G和霍尔直流电流测量器件H与电源接通，与恒定绕组L0串联，Le并联续流二极管Ze，Ze与霍尔电流器件Z与电源负极接通。电子开关管控制极电压由分压电阻R1、R2及滤波电容C1和稳压管Z1构成，控制信号P由量子化控制器1输出，霍尔电流信号经接线H输入给单管控制器1，外控制信号由输入3接入，外输入信号可以设置多路输入口。量子化控制器1的电压由R3降压经稳压管Z2及滤波电容C2供给，L0对电容C起限流作用，三相电源线经开关K接入整流器，如附图1所示。
L0与Le是串联并联关系，因当G断电后，整流电流仍经L0向C充电形成恒定的激磁电流，L0电压降是直流，又有续流二极管Z0，所以L0是恒定磁极。L0与L1产生的磁通密度B0等于0.7Be左右，Be的变化范围在B0和Bm之间，这样恒定磁极磁通密度B0与感应电极磁通密度Be之间才能满足(24)式的关系。感应绕组电流通电时间t1经电子开关管G导通，断电时间t2经续流二极管Ze导通，所以电子开关管导通电流值是感应绕组电流值的0.7倍左右，电流在t1时间内从0上升为额定值IN时关断，断电后IN经续流二极管下降到等于B0时的激磁电流，为下限电流值，应再次通电，当负载变小时，电流极大值I1m应小于IN，t1时间内输入能量为 断电后产生转矩的能量是t1时间内输入的，所以能量是分离值，电压是不连续函数。输入功率为w1，则
w1=uI1m2·t1t1+t2---(25)]]>感应电极Le与霍尔电流器件串联后与电源负极相接，霍尔电流器件与量子化控制器1共地，量子化控制器输出控制信号要有光电转换后控制电子开关管G，才能隔离高电压。断电后续流电压降等于二极管的管压降及绕组直流电阻压降之和。方波脉冲电压产生感应电压u1输入能量。由于定子绕组电流平均值小于三相交流电动机三相电流之和，所以导线重量比交流电动机可以节省一半。
变频调速电动机有功功率为w 当Cos＝0.8时，有功电流为0.8I，u为线电压，I为相电流经两只电子开关管导通。而量子化调速鼠笼电动机有功功率为w1则w1＝ueI1ue是线电压，I1是线电流的平均值，功率因数等于1。ue是感应绕组电压降，u0是恒定磁极绕组电压降，当ue=u0u0+ue=70%]]>时，当电极容量增大时，比例值会提高。
w1＝0.7uI1…………………………(27)I1又有30％是经续流二极管导通，因此单管G导通电流等于变频逆变器中的电子开关管1.5倍时，即可使电动机输出功率大于或等于变频调速电动机的输出功率。
量子化控制器又不需要更多的测量和计算环节及辅助电感和电容等器件，成本是变频逆变器的六分之一足够。大型电动机可以使用多管并联，感应电极绕组也可多条导线并联，每一只电子开关管带一条导线时即可使电流均匀分配，控制信号由一路同时控制，运行稳定。电子开关管阻断电压等于0.7u，没有反向电压，因此耐压值可比变频逆变器中电子开关管低30％，可提高运行的可靠性。如果将恒定磁极用永磁材料替代，可节省L0激磁能量，效率更高。
电动机恒定磁极与感应电极数相等，截面积相等，可分别设1对，2对，3对等磁极。
控制时测试感应电极绕组电流，当通电时电流上升速度快，说明接近额定转数了。如果电流上升速度过快，会出现输入能量大于轴功率情况，这时出现恒定磁极处导条成为发电状态，使感应电极磁通密度饱和，将能量吸收后电动机转速下降，出现脉振现象，因此电流上升过快时应延长断电时间，使输入能量与轴功率平衡。输入能量过小时电动机导条动生电动势Blv下降，会自动减速达到新的平衡，但不能使感应电极电流下降为0再通电，那样也会出现脉振现象。因此电流上升速率可分辩出电动机的转数的大与小。量子化调速鼠笼电动机运行时自身随负载变化而改变转速，因此运行稳定区间比交流电动机大，控制容易，响应速度快，由通电时间t1和断电时间t2的占空比实现无级调速。
实施例2
采用单相交流整流时的量子化调速鼠笼电动机，电动机本体与三相整流时相同，但接线发生变化。由于单相整流后直流电压必须由滤波电容器将电压滤成稳定直流电压，因此恒定磁极绕组L0也必须经滤波电容器C0滤波后对L0激磁，C0与L0并联，L0不在并联续流二极管，C0与C串联后作为单相整流器的滤波电容器，感应绕组Le经电子开关管G接在C0与C的接点处，Le经霍尔电流器件H接到直流电压负极，续流二极管Ze与Le和霍尔元件串联后并联，G的控制电压由电阻R1降压后经二极管Z1稳压后提供，控制信号由单管控制器1经P控制G的通断。霍尔电流器件信号由接线2输入给量子化控制器，控制信号由接线3输入。量子化控制器电源由降压电阻R2降压后由稳压管Z2稳压，电容器C1滤波成稳定直流低电压。单相电源经开关K接入整流器，整流后供给直流电压，接线如附图2所示。控制感应绕组电流在额定值与下限值之间变化，控制G的通断电占空比调速，其他控制方法与实施例1相同。量子化控制器可对外设置通讯接口，可设置技术参数显示器。正、反转控制可采用交流接触器实现。但电子开关管G，续流二极管Ze，霍尔电流器件方向不能变，只改变Le的接线方向。当采用永磁材料作为恒定正、负磁极时，取消L0绕组，Le磁通密度B值极大值必须高于永磁材料B值，恒定磁极与感应电极面积应相等。
现有交流电动机和直流电动机的输入电压和电流都是交替换向的交变电压和电流。唯独量子化调速电动机输入电压和电流始终不换向，因此它具有低转速下输出额定功率的技术特征，也就是转矩可比额定转速时高8倍以上的情况下长期稳定运行。直流电动机虽然过载能力强但不能长期稳定运行。因为仍然要由换向电流产生感应电压与直流电压相抵使电流下降为0，速度低后，感应电压低而电流增大而过载。但量子化调速电动机磁场能储存后转化为轴功率，而电流由电子开关管G量子化方式控制大小，不是用感应电压控制电流，所以在低转速、大转矩情况下可以输出额定功率而不过载，并长期稳定运行。这可省去结构复杂的机械式减速箱。
量子化调速电动机有三种运行控制方式。第一种是恒转速控制方式，即感应绕组通电时间t1与断电时间t2之和等于常数的运行方式。稳定运行时，当电动机负载变小时，电动机转速加快，Blv增大，因此在t1时间内感应电极电流上升速率变小，应该减小t1时间，增大t2时间，达到新的平衡，仍保持t1+t2时间不变。当电动机负载加大时，转速减小，Blv减小，因此在t1时间内感应电极电流上升速率变大，应该增大t1时间，减小t2时间，达到新的平衡，保持t1+t2时间不变，控制电动机转速恒定运行，这时感应绕组平均电流I1随外负载变化。电动机负载功率与损耗功率之和等于w，电动机转数恒定为n，则n=wuI1t1]]>第二种恒转矩控制方式，固定t1与t2的比例关系不变，当电动机负载变小时，转速加快，Blv增大，t1时间内感应电极电流上升速率变小，应该同时减小t1与t2，仍保持t1与t2的比例关系不变，电动机转数加大，转矩不变。当电动机负载加大时，转速减小，Blv减小，感应电极电流上升速率变大，应同时增大t1与t2，保持t1与t2的比例关系不变，电动机转数减小，转矩不变。
Tn=PNnN(N·m)]]>pN——电动机额定功率(kw)nN——电动机额定转速(r/min)上面两种控制方式是同步运行工作状态。
第三种是恒功率控制方式，这种控制方式会使电动机进入异步状态下工作。对于要求转数很小的状态有意义，当要求电动机转数很小时可以输出为恒定功率。为了能长期稳定运行，必须保持感应电极电流不大于额定电流才行。因此控制t1时间内电流上升到恒定极大值时断电，当电流下降到二分之一时(二分之一比例数可适当调整)再次通电，因为Blv小，电流上升速率非常快，因此t1时间很小，而储存电子动能很大，故t2时间较大，因此t1+t2时间较大，由于负载非常大，最大转矩可达额定转矩的8倍以上，所以转子在t1+t2时间内不可能转过一个磁极位置，要在D倍的t1+t2时间才能转过一个磁极位置(是一个恒定磁极和一个感应电极之和的位置)，因此重复通、断电D次，才能转过一个恒定磁极和感应磁极的位置，(当然也可以控制在t1时间内电流上升到额定电流极大值)，这样保持电动机输出功率恒定，是异步运行工作状态。量子化调速电动机起动转矩可比额定转矩大8倍以上，因此可以在低转速下长期稳定运行。这时在周期T内可以由G控制(t1+t2)重复D次，即Tc(t1+t2)=D]]>T——电动机额定周期，等于额定负载时的通电时间与断电时间之和，T＝t1+t2，相当于交流电动机的半周期。
Tc——电动机实际工作时的周期。
D——起动转矩与额定转矩的倍数。
这三种控制方式也适用于实施例1。
现有交流电动机或直流电动机电源输入的电压是连续函数，而量子化调速电动机电源输入的电压不是连续函数，而是突变的脉冲值，脉冲值的大小为分离值，与量子化分离值的物理意义相一致，电流、电压、转矩、转速之间的定量关系也是由量子力学导出的，因此称为量子化调速鼠笼电动机。
量子化调速鼠笼电动机的发明是量子力学求解出磁场能量与电场能量及电子动能的定量关系，正确理解无功电流是导线中总电流形成的而并非只有激磁电流才产生无功，并且能量是存储在导线中，并等于电子动能，因此是由量子力学知识运用到宏观电路后发明的。量子化调速电动机具有成本低、控制简单、灵活、响应速度快、效率最高、转矩大、过载能力强、有自身调节能力的高性价比产品。
权利要求
1.量子化调速鼠笼电动机由整流电源、量子化控制器、鼠笼电动机构成，鼠笼电动机定子由恒定正、负磁极在其中间分别设置感应正、负电极，仍为鼠笼型转子，感应电极绕组Le并联续流二极管，由量子化控制器控制电子开关管G通、断直流方波电压，测量绕组Le电流值并控制在额定值与下限值之间，控制通、断时间占空比调速，改变Le接线方向控制正、反转，恒定磁极绕组安匝数小于感应电极绕组安匝数，恒定磁极绕组采用直流电压供电，量子化调速鼠笼电动机可实现恒转数、恒转矩、恒功率三种运行方式。
2.根据权利要求1所述，鼠笼电动机定子磁路与转子磁路尽量缩小漏磁通，转子导条数大于等于定子极数1.5倍，恒定磁极与感应电极截面积相等，交替分布，可以采用永磁材料替代恒定磁极，省去绕组L0，感应绕组并联续流二极管Ze，断电后储存磁场能量并由转子旋转而吸收直接转化为轴功率，改变Le接线方向可控制正、反转。
全文摘要
量子化调速鼠笼电动机是用量子力学求解宏观电路中磁场能量等于电子运动的动能后发明的，它由整流电路、鼠笼电动机及量子化控制器构成的无级调速电动机，定子由恒定正、负磁极中间分别设置感应正、负电极构成，恒定磁极绕组由直流激磁，感应电极绕组由电子开关管输入方波脉冲电压，并联续流二极管，使鼠笼转子产生转矩，由转子旋转将磁场能量吸收而快速去磁，因此功率因数等于1，效率最高，由量子化控制器控制方波电压的占空比实现无级调速，恒转速、恒转矩、恒功率三种量子化控制运行方式，使起动转矩可比额定转矩大8倍以上，而且可以长期在低速状态下输出额定功率稳定运行，省去机械式减速器。
文档编号H02P25/00GK1819446SQ200610045810
公开日2006年8月16日 申请日期2006年2月8日 优先权日2006年2月8日
发明者王有元 申请人:王有元