专利名称：多功能电动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多功能三相交流电动机。
由于各种机械负载运行状态的分级变化，以及起动、节能等的要求，在拖动电动机的额定转速基本不变时，往往要求其机械特性、效率、功率因数等特性也随负载分级而同步变化。以达到要求效率、功率因数等恒处于较高标准的数值，要求降低起动电流，提高起动转矩或二者兼备等使用目的。使成套机械设备系统在可靠运行中能在电气性能上恒处于最佳状态。
目前，国内外一般用途的三相交流电动机，从西德西门子(Siemens)ILA6系列H180～400mm8个机座号的各种规格电动机到国内按JB3074－82《Y系列(IP44)三相异步电动机技术条件》生产的H80～280mm及H315mm的各机座号的电动机，一律采用连接有6根绕组引出线的接线板，实际上把绕组固定接为三角形(△)连接，绕组亦为通常的60°相带排列。从而电磁特性固定在单一功能上。适用于机械负载恒定不变的工况。但大多数负载往往要求按季节、班时、生产批量或工序、工步分级变换功率、转矩。众所周知，机械设计师为了安全、可靠，一律按拖动最大功率、转矩的负载选择电动机的容量，再乘裕度系数，这样来选择电动机容量等级。这除形成大马拉小车那样的司空见惯的现象外，深入探讨，还会形成有许多专用电机不“专”(专用电机只具有一种特殊功能，而往往不能满足此配套机械需要变换容量等一般多功能要求)，通用电机不“通”用(往往由于只有单一功能，而各种机械所需功能特点则不尽相同)的状况。显然，这很有必要加以改进。
多年以来，人们曾在普通电动机有6根引出线，△形连接的基础上，在起动时通过星－三角转换器或电磁接触器改接成星形(Y)接法，用以降低起动电流。但是，随之堵转转矩也相应降低到△接法的三分之一，故仅用于空载起动。电动机负载时，还是△一种接法，即只有单一功能。
随着现代工业的发展，各国电机专家曾相继致力于探索既能削弱谐波而又使基波的绕组系数不致降低的途径。英国《P.I.E.E》1970No.8发表了“New3－Phase WindingsofLow M.M.F.Harmonic Contents。”在此启发下，我国《中小型电机技术情报》1972年第2期上发表了《“正弦”绕组三相异步电动机》一文，提出了30°相带绕组，有9根引出线的正弦绕组或称星－三角混合绕组电动机，并陆续成功地试制了多种规格的电动机。可在外部改换为星－三角形(Y－△)与星形(Y)两种接法。其主要目的是Y－△接时能降低满负荷运行时的谐波磁势，其次是Y接降压起动。正于《Siemens Forsch－U.Entwlckl－Ber》11卷(1982)No.6中H.Auinger指出的“迄今为止，星－三角混合接法联用，实际上仅在异步电动机起动时可找到工业应用”，可见，这种电动机仍基本处于单一功能运行。
本实用新型的任务是提供一种多功能电动机，首先是设计一种特殊绕组，其基本接线方式既具有低谐波绕组系数同时又增大基波绕组系数的优势，在三种不同的接线方式下都能与同一外接电源电压平衡而保证电动机正常运行。第二，要选择最优设计方案，使得随着拖动机械负载分级变化的需要，仅改变绕组引出线的接线方式。电动机能具有三种起动方式及三种额定运行方式或其互相组合的多种功能。使该成套机电设备在分级负载运行时都处于具有包括显著节能在内的、又有足够的起动转矩、或降低起动电流等性能特点的最佳运行状态。
为了实现上述目的，本实用新型的解决方案是把绕组基本型式设计为30°相带，星－三角混合绕组，有9根引出线，此时设计电动机额定容量为中高功率和中高转矩。重大措施是仅改变外部接线，就能使绕组转换为△连接，这时电动机额定容量转为最高功率和高转矩；其次，再改变外部接线，又能方便地使绕组换为Y连接，这时电动机额定容量为小功率和低转矩。如此同台电动机仅通过改变外部接线方式能获得的三种额定容量的大致数量关系为取最大功率为100％，中高功率为最大功率的80％，小功率则为55％。此外，采用综合平衡和优化设计，除必须保证在绕组三种连接方式下，绕组电磁势都能与同一种外接电源电压平衡外，同时要在与三种接线方式对应的三种额定运行功率下，电动机的效率、功率因数、温升、噪声振动等主要性能指标达到对应转速、功率的基本系列电动机产品标准。其中以Y－△接中高转矩档运行性能为最佳。这样，能最大限度地适用专用、通用机械负载的多功能运行方式的需要。
现以H280M－6，定子为72槽设计的多功能电动机为例，结合下列附图对本实用新型详细阐述。
附图的简要说明
图1是72槽6极多功能电动机绕组展开图。
图2是72槽6极多功能电动机绕组连接图。
图3是三角形(△)接法的接线图。
图4是星－三角形(Y－△)接法的接线图。
图5是星形(Y)接法的接线图。
图6是电动机多功能运行方式换接控制线路原理图。
一、绕组设计方案及关键工艺1、绕组设计和线圈绕制将普通60°相带的每极每相槽数为q个绕组分为三角形(△)、星形(Y)两部分分绕组，分别具有q△与qY个线圈，当q＝偶数时，q△＝qY＝q／2，可构成30°相带绕组。H280M－6电机(以下简称样机)，q＝4，q△＝qY＝2。当q＝奇数时，却麻烦一些，一般可为q△＝(q＋1)／2，qY＝(q－1)／2，q△≠qY，为不等线圈数相带；但对于每对极槽数为9的倍数的绕组，也可制成q△＝qY＝q／2＋0.5的等线圈数相带绕组。在△、Y两部分绕组并联路数设计相等时，△、Y绕组线圈匝数之比为3]]>倍左右。(△、Y并联路数实际不相等时，折合为理论等效并联路数，匝比理论上也为3]]>倍。)实际中稍偏离3]]>值也是允许的，主要从属于设计中每相有效串联总匝数的选取及相应的磁路计算、槽满率、电工工艺等因数。△、Y两部分绕组的并联路数也不尽相等。电机绕组Y－△、△、Y三种不同接法时，电机随之具有三种额定功率和相应的电磁特性，应根据《中小型三相异步电动机电磁计算程序》分别设计计算，并进行多方案对比选优。
根据设计计算出的△、Y两部分绕组匝数、尺寸、线圈数，分别绕制两类成型线圈。以下我们把Y部分线圈称Ⅰ类线圈，△部分为Ⅱ类线圈。
2、绕组排列如图1所示，图中阿拉伯数字1、2、3、……72代表铁芯槽号和线圈号。编号的原则是线圈和线圈的上层边所在的槽编为同一号码，实、虚线分别代表双层绕组的上、下层边，而上、下层边中粗(实、虚)线代表Ⅰ类线圈，细(实、虚)线代表Ⅱ类线圈。图1中1号与37号线圈端线也加粗作示例。线圈节距选取的原则除遵循电磁计算程序外，还必须保证每槽线圈上、下层为异类，如上层为Ⅰ类线圈，下层必为Ⅱ类，反之亦然。本样机线圈节距Y＝1～11。相邻线圈及极相组间的连线绘在绕组端部一侧。如此构成三相迭绕组。标号U1、V1、W1……等分别代表9个出线端标志。
本实用新型绕组的基本型式为30°相带星－三角混合绕组，再考虑通过外部接线而变换为△或Y接运行方式。根据三相电路理论，在绕组排列上，也应相应地把同相绕组的Y部分顺相序落后于△部分30°空间电角度嵌放，必须严格遵守。在图1中，定子旋转磁场方向与转子旋转方向顺槽号1、2、3、……72方向旋转。以U相绕组为例，Y部分1、2号线圈是滞后于△部分3、4号线圈30°电角度嵌放的。
绕组连接的变换，主要是下述端部连接线的作用。
3、绕组端部结构从图1示绕组展开图看出，繁复的槽绕组实质为Ⅰ类线圈是1、2号线圈顺5、6、9、10……类槽号的重复，Ⅱ类线圈却是3、4号线圈顺7、8，11、12……类槽号的重复。嵌线时，如图1从第1槽起，1、2槽嵌Ⅰ类线圈2个，3、4槽嵌Ⅱ类线圈2个，往下依次按Ⅰ类2个，Ⅱ类2个嵌完。注意每隔q△＝qY＝2槽，在线圈两端都垫入相间绝缘。可见，嵌线同于普通电机的嵌线，工时也不增加。其结构的特征在于分Ⅰ、Ⅱ两类线圈和各线圈之间的接线及端部结构不同。常规60°相带绕组是q个线圈为一极相组，现在q△、qY各为一极相组。显然端部相间绝缘也增多1倍。
图2列出线圈连接顺序与绕组端部接线图。各接线端标志下标1～3(U1～U3、V1～V3、W1～W3)之间连接的所有阿拉伯数字(1、2、……，41、42、……，57、58……)为Ⅰ类线圈(号)；线端标志下标3～2(U3～U2、V3～V2、W3～W2)之间所连接的所有阿拉伯数字(3、4……，67、68……，59、60……)代表Ⅱ类线圈(号)。本样机为72个线圈，Ⅰ、Ⅱ类均为36个线圈，即各占一半。号码上方带“－”代表反接(从尾端即线圈下层边出线接入)。号码上方不带“－”(如1)表示顺接(从首端即线圈上层边出线接入)。极相组间连线(如2－14，61－50)即按此规定逐根相连。并从相应点接出9根引出线。相邻线圈(极相组内毗邻如1、2，62、61)引线连接与普通电机一样为首尾相接。
可见本实用新型实施中可不理复杂的图1，而径行按图2计算各线圈引出线长度及进行绕组端部连接最为简捷。而嵌线只要把Ⅰ、Ⅱ类线圈按极相组相间嵌入即可，嵌法基本同于普通双迭绕组。
二、本实用新型分级转换原理电动机出线端(及其间相连接的线圈号，从图1、图2中都可查到)标志及分相如表1所示。
表1是电动机出线端标志
由于每相绕组按Ⅰ、Ⅱ类线圈排列分成两半(从图2看出，每相是以下标为3的中端分界为两半的)。通过每相首、末、中端，三相共9根引出线，可在外部将三相绕组接成3种方式。当每相的Ⅰ、Ⅱ类线圈串联成为60°相带绕组，可以与普通电机一样接成△形(如附图3示)，也可以接成Y形(如附图5示)。当把三相的Ⅱ类线圈接成△形、每相的Ⅰ类线圈首端与三相电源连接，则成为Y－△形(如附图4示)，组成30°相带绕组。下面以电磁转矩为标志说明本实用新型分级转换原理。
1、高转矩如附图3，把一相尾端与相邻相首端相连成一点(U2V1、V2W1、W2U1)，绕组接成为△形连接。中端U3、V3、W3空着不接。三角形绕组顶点接入三相电源。这时各半相绕组Ⅰ、Ⅱ类线圈串联，电流相等。应注意Ⅰ、Ⅱ类线圈因匝数比、导线截面分别有3]]>、1／3]]>的关系，故电流密度是不相等的。设计时为了保证每槽磁势平衡及发热与散热均衡，已采取了如附图1所示的每槽上、下层排列互为异类线圈的措施。
从三相电路理论与电机原理知，△接相电压等于线电压，磁通密度最高，电磁转矩与相电压的平方成正比地高。这种状态电动机输出为高转矩，额定功率最大。
2、中高转矩如附图4，把一相绕组末端与邻相绕组的中端相连(U2V3、V2W3、W2U3)，每相绕组首端分别接三相电源，这时三相绕组接成Y－△形。绕组连成30°相带星－三角混合绕组结构，如众所周知，这时电机电磁参数分布为最佳状态，Ⅰ、Ⅱ类线圈中的基波磁势算术相加，比60°相带基波绕组系数增大3.5％。同时Ⅰ、Ⅱ类线圈中的5、7次类谐波磁势互相抵消，可消除或降低高次谐波带来影响电机特性的弊端。但由于绕组相电压比△接相电压降低一些，磁通密度下降，使电磁转矩与磁密平方成正比地随之下降，为中高转矩状态。电动机的额定功率下降至△接的80％。
3、低转矩如附图5，把三相绕组末端连成一点(U2、V2、W2)，各相绕组中端U3、V3、W3空着不接，首端U1、V1、W1分别接三相电源，则构成三相Y接绕组。这时绕组相电压为线电压即△接相电压的1／3]]>，故电磁转矩下降至△接的1／3，电动机运行在低转矩状态。输出额定功率为最大容量的55％，为小功率。
本实用新型与现有技术相比具有下列优点1、有3种可供选择的起动方式△接重载高转矩满压起动；Y－△接中载中高转矩自降压起动；Y接空、轻载低转矩自降压起动。
2、有3种可供选择的运行方式△接满负载或短时超负载运行；Y－△接中高负载或短时满负载运行；Y接空、轻载或短时中载运行。
3、有9种可供选择的起动、运行组合方式，实现多功能或一机多能。如高转矩起动后可组成高转矩、中高转矩、低转矩三种功能。每一种接法可通过转换组合三种功能，三种接法即可组成9种起动、运行组合功能。
4、可根据负载要求设计成突出一种功能优势的一专多能的专用电动机；亦可特殊设计控制线路，控制电动机发挥一专多能的效果。
5、三种接法分档运行的效率、功率因数等性能指标皆达到对应功率、转速等级的普通电动机标准。如果以最高功率为基数100％，由于高转矩档可在75～100％功率内，中高转矩档可在60～80％功率内，低转矩档可在60％功率以下范围内运行，效率、功率因数指标均高，所以配合负载大小而进行电动机的分级切换，使机电设备在全范围负载下，电气性能均处于最佳状态，获得明显的节能效果。
6、本实用新型的低谐波磁势绕组接法长期额定运行在最大功率的60～80％，短时运行在100％的最大功率，与机床等加工机械负载匹配最为适宜。
7、可完全省去自耦变压器起动设备，完全取代不同起动需要的延边三角形起动、自耦减压起动，而运行特性却是后两者都无与伦比的。
8、Ⅰ、Ⅱ类两套绕组结构仅绕线与接线较复杂，嵌绕实与普通双迭绕组电机一样，结构件绝大部分与基本系列电机通用，一般电机厂的设备、工艺都能顺利完成。
下面是本实用新型的实施例最近按上述技术思想研制成功YOX280M－6，55／45／30kW多功能电动机，经型式试验证明，各档起动、运行平稳，主要性能优越，高转矩档性能达到美国NEMA标准设计C的要求，其他各档性能基本符合JB3074－82的要求，见表2。达到高转矩起动，多功能运行的一专多能专用电动机的理想要求。
表2是多功能电动机各项性能数值汇总表
由表2所列数据，可称各档性能与对应功率转速标准电动机相媲美。本电动机将运往用户运行。该主机原采用JQO2－91－6，55kW电动机直接起动和长期运行，现可采用Y280M－6电动机代用。也将拟采用YOX280M－6，55KW档直接起动，45KW及30KW两档预计将各运行一半时间。现只估算由于接法的转换和相电压的改变所减少电机损耗带来的节能效益经试验测得的各档杂散损耗和铁耗为△接档1804W，Y－△接档1009.7W，Y档783.3W，设年运行时间为7000小时，接下式计算年节电为〔1804－(1009.7＋783.3)×0.5〕×7000＝6353(度电)图6示电动机与多功能转换控制柜连接原理图。现以高转矩档起动为例予以说明。
接上电源，按下起动按钮1QA，接触器1C、2C主触头闭合，电动机在高转矩档起动，并运行。要将电动机换接为中高转矩档运行时，即按下2QA1、2按钮，则接触器2C主触头断开，接触器3C主触头闭合，电动机切换成为中高转矩档运行。如按下3QA1、2按钮，则接触器3C主触头断开，而接触器4C主触头闭合，电动机即切换成低转矩档运行。
要将电动机返回中高转矩档，按下2QA1、2；需再切换成高转矩档运行，则按下1QA即可。如此三档变换运行。
按下停止按钮TA，则各接触器主触头皆断开，电动机断电停转。
电动机自降压起动可分别按2QA1、2QA2或3QA1、3QA2，电动机各自为中高转矩起动或低转矩起动，按动其他按钮，则切换成各种运行方式。电动机通过控制柜切换可得9种起动，运行组合的多功能转换。
图6中其他元件为热继电器RJ，熔断器1RD、2RD，作短路、过载保护用，交流接触器常开、常闭辅助触头及吸引线圈旁也各标有相应符合1C、2C、3C、4C等。
权利要求1.多功能三相交流电动机，由带有低谐波三相交流电枢绕组的铁芯，机座、端盖结构件及装有多个接线柱的接线板、接线盒等构成整机，另配有多功能转换电气控制柜，其特征在于具有改变多种不同的接线方式下能与同一外接电源电压取得电磁平衡的星形一三角形混合绕组，在绕组排列上，把同相绕组的星形部分顺相序落后于三角形部分30°空间电角度嵌放，当电枢每极每相槽数q为偶数时，星形绕组和三角形绕组的线圈数各占一半，有9个接线端，通过外部接线，能变换为三角形、星-三角形及星形共三种连接方式。
2.根据权利要求1所述的多功能电动机，为了保证电枢每槽电磁负荷及发热与散热均衡，其特征在于各槽上、下层绕组排列应互为异类线圈。
3.根据权利要求1所述的多功能电动机，其特征在于对每对极槽数为9的倍数的q为奇数的绕组，也可制成q△＝qY＝＝q／2＋0.5的等线圈相带绕组。
4.根据权利要求1所述的多功能电动机，其特征在于△连接时，把一相尾端与相邻相首端相连成一点，绕组接成为△形，中端U3、V3、W3空着不接，三角形绕组顶点接入三相电源，三相绕组接成Y－△时，把一相绕组末端与邻相绕组的中端相连，每相绕组首端分别接三相电源，绕组连成30°相带星－三角混合绕组，三相Y接绕组时，把三相绕组末端连成一点，各相绕组中端U3、V3、W3空着不接，而首端U1、V1、W1则分别接三相电源。
5.根据权利要求1所述的多功能电动机，其特征在于△接时，对应重载高转矩满压起动、满负载长期运行或短时超负载运行，Y－△接时对应中载中高转矩自降压起动、中负载长期运行或短时满负载运行，Y接时对应空、轻载低转矩自降压起动，空、轻载长期运行或短时中载运行，即共有三种起动、运行方式。
专利摘要多功能三相交流电动机。绕组的基本型式为星形—三角形混合绕组，并可随意换接成三种不同的接法。这三挡运行时的效率、功率因数等主要性能指标都能达到对应功率、转速的普通电动机的标准。尤以星形—三角形连接为最佳性能状态。仅通过在接线盒内改变接线方式，电动机就能分挡发挥二至九诸多种起动—运行组合的功能，与负载要求相吻合。本电动机能降低损耗20％以上，因而具有显著的节能增产的效果。
文档编号H02K17/02GK2048640SQ8821860
公开日1989年11月29日 申请日期1988年11月21日 优先权日1988年11月21日
发明者邹干元, 何振强 申请人:邹干元, 何振强