专利名称：感应电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及HO2K57/00及HO2P5/34。
现有技术是以工频电流合成磁场为基础的，以工频电流的合成磁场为基础的必然结果是存在一个对输出功率和负载具有影响的同步转速，从而引起电动机有如下问题。[参考《电工学》秦曾皇主编1980人民教育出版社]1.1 调速不易，需要附加设备1.2 轻载时功率因素下降甚多1.3 单相电动机的起动问题1.4 起动时的电流冲击，为额定电流的5～7倍。
为了解决上述问题采用了机械变速器，直到现代的可控硅变频调速系统，现已在工业生产中发挥了作用，但未能从电动机的设计中解除其根本原因，即同步转速问题。
本发明以磁场的切换为基础，在一定的条件下，磁场的切换与其在转子栅网上产生的变压器电势相互作用的电磁力不会相互抵消，同时也具有合成旋转磁场产生的速度电势，调速问题容易解决。
2.1 原理 以独立磁场及其切换为基础，在定子绕组所的产生的磁场和转子栅网有一定的分布条件下利用其变压器电势及速度电势产生的电磁转矩使转子转动。
2.2 定子绕组结构及其产生的磁场分布沿定子圆周对侧每两个绕线方向相反的线圈串联电源开关，或定子圆周所有线圈分成2或大于2的偶数个线圈组，绕组各线圈沿定子与转子界面周边按电源开或关状态其位置相间，这种状态可以通过线圈组之间的电流切换而相互转换各位置相间的线圈即同时开或同时关的线圈组亦即奇数线圈组或偶数线圈组的线圈，其绕线方向左旋和右旋相间地嵌入线槽中，从而形成的磁场包含一个瞬时值分布即具有零与非零相间，正负值隔零相间的分布，而所联接的电源开关切换是按一定规则协同动作的。
2.3 定子绕组线圈数与转子栅条数的关系定子绕组的线圈数可大于或等于四，以四的整倍数为最佳值，转子栅条数可大于或等于二。栅条数与线圈数之间的最佳比值为1∶2。因为只有在满足1∶2的比值时其间相互作用的电磁力才不致互相抵消，除此之外其它比值则电磁力有部分或大部分互相抵消。
2.4 定子绕组主电路用四个功率晶体管(GTR)或其它电力电子开关器件分成正反两路并联，然后分别串联接于线圈组两端。假设控制的是两个反绕，串联的线圈1与2，以开关控制，可形成四种状态。
开关状态线圈磁场1 2 我采用头三种状态B，0，-B2.5 定子线圈主电路的控制电路要使各线圈产生的磁场有一定的分布就必须使各个开关器件的控制信号按一定的规则分配，也就是将开(+或u使被控制的电流一直上升，等)关(-或d使被控制的电流一直下降，等)信号按一定的规则分配到各个线圈组的功率晶体管基极。
一定规则即磁场按线圈一定顺序的分布(图4)及其对应的切换控制信号的分配，控制信号分配的变化必然引起磁场分布的变化。对奇数或偶数线圈的线圈组，控制信号分配的时间序列在于开关极性相互交替(+与-相交替或u与d相交替)，正反向通路相交替(a与b相交替)，对与此线圈组线圈相间的偶数或奇数线圈的线圈组控制信号分配的时间序列在于开关极性反相相交替，正反向通路错开一个切换时钟周期相交替(a1+，a1-，bl+，b1-)；(b2-，a2+，a2-，b2+或a2-，b2+，b2-，a2+)，(a1u，，a1d，b1u，b1d)；(b2d，a2u，a2d，d2u或a2d，b2u，b2d，a2u)(图7、8说明)，以触发线圈组线圈的电流的导通与关断相交替，正反向通路相交替，能使定子磁场与转子栅条上的感应电流的相互作用电磁力不会抵消.(图5、6)2.6 正反转改变切换顺序方向就会使产生的电磁力反向，因而能使转子反向旋转，具体的作法是将两个线圈组之一所属的输出端模拟开关输出的控制信号a1+，a1-，b1+，b1-，转换为b1+，b1-，a1+，a1-，或b2-，a2+，a2-，b2+，转换为a2-，b2+，b2-，a2+；a1u，a1d，b1u，b1d，转换为b1u，b1d，a1u，a1d或b2d，a2u，a2d，b2u，转换为a2d，b2u，b2d，a2u。另设一片模拟开关，其输出端标定其所属的控制信号顺序为反转的信号即可，这样做可以少用许多元件面效果一样好。
2.7 控制伺服或步进式运行因控制各线圈组电源的切换顺序导致转子正反转，控制切换频率就可以改变输出功率及转速的大小而电源的切换是在CP的统一控制下进行的，CP的有无和快慢节拍决定是否旋转及转速的大小，同样，只要我们控制CP的运行时间长度和间断时间就能作步进和伺服运行，为此图8中特将CP通过与间断时间的控制信号“与门”输入。
2.8 电源电压控制间断控制信号也能控制电源输入电动机的电压有效值，调节间断时间长度就能调节输入电压的大小，从而也可实现转速的调节。调节电源输入电压的间断控制信号的间断时间应为CP的一个周期的整倍数，而CP的频率为间断控制信号频率的整数倍。我们为电路电源的开关切换而引入的功率晶体管GTR或可关断可控硅或其它电力电子开关器件可顺便完成这一任务。
2.9 转子铁芯由于磁通是沿定子与转子界面及界面两侧分布的，因而可以采用圆筒形转子而不必一定采用圆柱形转子，可以采用侧壁厚度等于或小于定子铁芯厚度的圆筒形转子。
2.10 电源交流电源单相或三相用半波或桥式整流转换为直流，有脉动的直流无需滤波也可，因为本电动机重要的是电流的方向而不在乎电源电压的波形变化。
三
附图1 绕组分成两个对侧反绕串联线圈组，其中一个线圈组与电流切换电路图9输出端1-1′相联，另一个线圈组与电流切换电路图9输出端2-2′相联。附图2 二十四凸极定子绕组接线图沿定子圆周按凸极顺序相间及绕线方向正反相间的12个线圈相串联，各串联线圈组独立地并联于电源开关上，并可以进行开关切换，即三种磁状态B，0，-B之间进行切换。附图3 三十六凸极定子绕组接线图沿定子圆周按凸极顺序相间及绕线方向正反相间的18个线圈相串联，各串联线圈组独立地并联接于电源开关上，并可以进行开关切换，即三种磁状态B，0，-B之间进行切换。附图4 定子磁场分布与转子栅网展开图附图5 定子磁场分布向右切换在转子栅条上的感应电流展开示意图。
由此图可看出电磁力是一致向右的，栅条数与独立磁场数即定子线圈数之比为1∶2。附图6 定子磁场分布向左切换在转子栅条上的感应电流展开图。
由此图可以看出电磁力是一致向左的，栅条数与独立磁场数即定子线圈数之比为1∶2。附图7 绕组主电路电流开关器件及电源接线图各线圈组两端(1，1′与2，2′)分别各接有并联的一对可关断可控硅作为形成该线圈组的磁场分布的电源开关，各可关断可控硅控制信号输入端联接图8的模拟开关的相应输出端，字母a代表正向通路，b代表反向通路，+ -代表触发脉冲极性，+表示开，-表示关，a1+代表线圈组1，1′正向通路正极性触发控制信号，b1+代表线圈组1，1′反向通路正极性触发控制信号，a1-代表线圈组1，1′正向通路负极性触发控制信号，b1-代表线圈组1，1′反向通路负极性触发控制信号，b2+代表线圈组2，2′反向通路正极性触发控制信号，a2-代表线圈组2，2′正向通路负极性触发控制信号，b2-代表线圈组2，2′反向通路负极性触发控制信号。附图8 绕组电流切换控制信号分配电路图每个线圈组有二片4摸拟开关，一片从决定控制信号极性的+-+-顺序出来输至另一片4模拟开关输入端，再顺序输出至主电路的控制输入端，4模拟开关的地址码编码任务由二位二进制记数器担任，而计数器的输入为时钟CP，调节CP的频率就可以决定切换的速度，改变线圈组之一所属信号输出顺序也就是改变地址码的变化方向，因而最终决定转子的正转或反转。
a1+，a1-，b1+，b1-为绕组线圈组1，1′的电流开关器件一——可关断可控硅的控制信号序列a2+，a2-，b2+，b2-为绕组线圈组2，2′电流开关器件一——可关断可控硅的控制信号序列，这些控制信号送至图7可关断可控硅的控制输入端。
时钟CP和间断控制信号s通过“与门”(3，4)输送至二进制计数器(5，6，7，8)，其计数输出作为模拟开关 (9，10，11，12)的地址码输入，从而确定开(+)或关(-)控制信号的位置时间分配顺序。附图9 电流切换电路及电源接线图各反绕串联线圈组两端分别接有并联的一对功率晶体管(GTR)作为形成该线圈组的磁场变化的电流切换开关。功率晶体管基极的控制信号输入端连接图10的模拟开关的相应输出端，字母a代表正向通路，字母b代表反向通路，u代表控制信号的三角波上升边，d代表控制信号的三角波下降边，a1u代表线圈组1-1′正向通路的电流上升控制信号，b1u代表线圈组1-1′反向通路电流上升控制信号，a1d代表线圈组1-1′正向通路电流下降控制信号，b1d代表线圈组1-1′反向通路电流下降的控制信号，a2u，b2u分别代表线圈组2-2′正反向通路电流上升的控制信号，a2d，b2d分别代表线圈组2-2′正反向通路电流下降控制信号。附图10 电流切换控制信号的分配电路图每个反绕串联线圈组，有一片4模拟开关(1)、(2)。它的地址码编码任务由二位或二位以上的二进制计数器担任，而计数器的输入为时钟CP，调节CP的频率就可以决定切换的速度。而电流的上升或下降控制信号分别由频率CP和CP2分频转换而来的三角波或正弦波担任，从模拟开关的信号输入端输入，其输出a1u，a1d，b1u，b1d及a2d，b2u，b2d，a2u分别为1-1′和2-2′所接的功率晶体管基极的控制信号序列，这些控制信号，经放大后送到各相应的功率晶体管基极(图9)。交换图9的控制信号序列a2d，b2u，b2d，a2u转换为b2d，a2u，a2d，b2u使旋转磁场的旋转方向反转，从而可实现转子的反转。图9中1，2为二进制计数器，3与4为模拟开关。两个模拟开关的控制信号输入端为相互反相的三角波或正弦波。附图11 模拟开关的地址码生成电路图二位二进制计数器(1)对时钟的计数输出及间断时间宽度可调的间断脉冲，经过逻辑与门(2)输出至计数器的计数信号输入端，其计数输出作为模拟开关的地址码。间断脉冲由时钟CP的下降边触发单稳态电路(5)生成，间断时间宽度可调。与门(2)的另一支路串接两个非门(3)、(4)，在于迟延该支路的信号输出时间，以便使与门(2)的两个支路信号的时差尽量减小。
四 实施例实施例一感应电动机单相直流功率为120瓦的现有感应电动机的24槽的定子铁芯仍然可用，绕组导线线径0.35，节距为1，绕组包括两个线圈组，每组隔一磁凸极相间反绕，两组相互穿插，每槽作二层迭绕，一组线圈在内层，另一组线圈在外层，每槽线数288，转子栅网用铜或铝质栅条12根，平行于转轴，并通过两个端盖相互作电联通。
电流控制器件可关断可控硅(GTO)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他电力电子开关器件耐电压＞500V，可控制电流＞2A。
时钟CP频率＜1KHZ，间断控制信号＜500HZ。
模拟开关的控制讯号输出端(图8)与主电路的控制信号输入端(图7)之间必须加一放大级，以放大控制信号到足以起动主电路电流开关器件工作。
实施例二，感应电动机单相直流功率为0.6KW的现有感应电动机的24槽的定子铁芯仍可用，绕组导线线径0.57，节距为1，绕组包括两个线圈组，每组隔一磁凸极相间反绕，两组相互穿插，每槽作二层迭绕，一组线圈在内层，另一组线圈在外层，每槽线数115，转子栅网用铜或铝质栅条12根，平行于转轴，并通过两个端盖相互作电联通。
电流控制器件可关断可控硅(GTO)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其它电力电子开关器件，耐电压＞500V，可控制电流＞2A。
时钟CP频率＜1KHZ，间断控制讯号频率＜500HZ。
模拟开关的控制信号输出端(图8)与主电路控制讯号输入端(图7)之间必须加入一放大级，以放大控制信号到足以起动主电路电流开关器件工作。
实施例三感应电动机三相直流功率为1.5KW的现有感应电动机的36槽的定子铁芯仍然可用，绕组导线线径0.86，节距为1，绕组包括两个线圈组，每组隔一磁凸极相间反绕，两组相互穿插，每槽作二层迭绕，一组线圈在内层，另一组线圈在外层，每槽线数60，转子栅网用铜或铝质栅条18根，平行于转轴，并通过两个端盖相互作电联通。
电流控制器件可关断可控硅(GTO)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其它电力电子开关器件耐电压＞500V，可控制电流＞4A。
时钟频率＜1KHZ，间断控制讯号频率＜500HZ。
模拟开关的控制信号输出端(图8)与主电路的控制信号输入端(图7)之间必须加入一放大级，以放大控制信号到足以起动主电路电流开关器件工作。
实施例四感应电动机三相直流功率为4.5KW的现有感应电动机的36槽的定子铁芯可作试验用，绕组导线线径1.4，节距为1，绕组包括两个线圈组，每组隔一磁凸极相间反绕，两组相互穿插；每槽作二层迭绕，一组线圈在内层，另一组线圈在外层，每槽线数62，转子栅网用铜或铝质栅条18根，平行于转轴，并通过两个端盖相互作电联通。
电流控制器件功率晶体管(GTR)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其它电力电子开关器件耐电压＞1000V，可控制电流＞10A。
时钟CP频率＜1KHZ。间断控制信号＜500HZ。
模拟开关的控制讯号输出端图(图10)与主电路的控制信号输入端(图9)之间必须加一放大级，以放大控制信号到足以起动主电路电流开关器件工作。
五 优点与积极效果1、功率和转速取决于时钟，可连续调节。
2、电源灵活性，因为重要的是磁场的正负方向即电源的正接或反接之间的切换而不在于电源电压振幅的改变。
3、由于不存在同步转速，所以也不存在转差率问题，因而消除了起动时的电流冲击问题。
4、采用单相电源时，无需附加起动电路，如起动绕组。
5、对于电压不要求稳定性，高低压均可保持同一输出功率，只需调节时钟CP或间断控制信号以进行补偿。
6、便于控制作伺服和步进式运转。
7、由于线圈的“非有效边”不必迭绕，比现有技术的电动机可节约1/3的铜材并减轻重量。
权利要求
1.一种感应电动机具有一个转子和一个定子，其特征在于绕组各线圈沿定子与转子界面周边按电源开与关状态其位置相间并可相互切换；各位置相间的线圈，其绕线反向相间。
2.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于绕组各线圈组始端与电源和末端与电源之间均串联有供正反向切换的电力电子开关器件。
3.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于绕组各线圈组电源正反向切换开关器件的控制讯号，对奇数或偶数线圈的线圈组，其开关极性相交替，正反向通路相交替；对偶数或奇数线圈的线圈组，其开关极性反向相交替，正反向通路错开一个切换时钟周期相交替。
4.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于转子与定子界面对侧，栅网的栅条数可大于或等于二；绕组的线圈数可大于或等于四，以四的整数倍为最佳值；以1∶2为栅条数与线圈数之间的最佳比值。
5.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于绕组各线圈组电源的切换是在频率可调的时钟和时间可调的运行或间断的控制信号，共同控制下进行的。
6.如权利要求5所述的感应电动机，其特征在于改变时钟频率就可以调节输出功率和转速。
7.如权利要求6所述的感应电动机，其特征在于改变控制时钟讯号对绕组各线圈组电源开关器件控制端分配的顺序方向就能改变转子的转动方向。
8.如权利要求5所述的感应电动机，其特征在于改变间断控制讯号的间断时间与频率，也可实现转速的调节。
9.如权利要求5所述的感应电动机，其特征在于改变运行控制讯号的运行时间长度和时间位置或接受来自外部微机的控制信号，可以实现步进，伺服运行。
10.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于转子可以采用侧壁厚度等于或小于定子铁芯侧壁厚度的圆筒形。
全文摘要
本发明以独立磁场的切换而产生的感应电势为基础，在一定的条件下，电磁力不会相互抵消，同步转速及其引起的问题也随之消除，调速的问题变得容易解决，可以适用于交直流电源。
文档编号H02K57/00GK1148287SQ9611812
公开日1997年4月23日 申请日期1996年4月24日 优先权日1995年6月12日
发明者李兆万 申请人:李兆万