CN104993627A - 一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机 - Google Patents

Abstract

一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，包括定子、带有换向器的绕线转子、三相电电刷、可旋转电刷架、定子及转子三相调压器。定子接定子三相调压器，带有换向器的绕线转子，采用直流转子绕组的绕线方法，三相电电刷以等角度间隔、均布装在可旋转电刷架上，三相电电刷通过电缆与转子三相调压器连接，三相调压器连接工频三相交流供电电路，转子三相调压器通过三相转子电刷和换向器对转子绕组提供工频三相交流电。本发明的电动机转子转速对定子电压变化敏感，转子转速变化范围大，降低定子供电电压时，转子转速下降，对转子进行三相交流工频励磁，使转子转矩上升，实现大调速范围内的大转矩调速。结构简单，无需电力电子元器件成本低。

Description

一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机

技术领域

本发明涉及电动机技术领域，特别是涉及一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机。

背景技术

在过去的200多年历史过程中，电磁学的先辈们发明了直流电、三相交流电，发明了直流电动机和交流电动机、同步电动机、异步电动机、伺服电动机等。然而电动机的调速在当今世界工业生产和日常生活中起着举足轻重的作用。直流电动机的调速方法：                                               改变励磁电阻；改变电枢电压；改变电枢电阻。这些方法中最常用是改变电枢电压调速，因为它在不影响电动机最大转矩的情况下，可以使电动机获得宽广的调速范围。直流电机的调速性能非常好,但与当今广泛使用的交流电机相比，直流电机需要一套大功率的直流电源，交流电机则不需要；直流电机的电刷系统属于机械摩擦，需要经常维护（换电刷、清洗整流子），交流电机则没有这些；碳刷的火花会对大量使用的电子系统造成电磁干扰；同功率的直流电机的体积比交流电机大；现在的交流变频器已经很成熟，能满足大部分的调速要求。

目前的交流电动机包括三相异步电动机和同步电动机都是依赖于三相电交替形成旋转磁场的原理进行工作。其中三相异步电动机通过转子滑差吸收电流励磁和做功。三相异步电动机的转子有两种形式：鼠笼式和绕线式。绕线式异步电动机的转子绕组与定子绕组相似。它用绝缘导线嵌与转子槽内，绕组相数与极对数均与定子绕组相等，其中三个出线端接在转轴的一端的三个滑环上，然后通过三个滑环滑动接触静止的电刷，与外电路相连。

感应电动机的调速方法：变极调速：一般是以两个速度为主，是通过外部的开关切换改变电机绕组的串并联关系实现的。这种多速电动机大都为笼型转子电动机，其结构与基本系列异步电动机相似；改变供电电压调速：改变定子供电电压调速是异步电机的一种调速方法，定子供电电压降低后，转子滑差增大，实现降低转速目的，但是机械特性差；改变转子电阻调速：绕线式异步电动机可以通过滑环和电刷在转子绕组回路中接入附加电阻，用以改善启动和调速性能；转子串级调速：在绕线转子回路引入附加电势进行调速的方法，称为绕线式异步电动机的串级调速，转子串电势的优越性是可以回收转差功率，包括低同步串级调速和超同步串级调速两种情况。晶闸管串级调速系统的总功率因数低，产生的高次谐波对电网有污染；变频调速：变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频实现的调速方式，变频调速属于改变电源参数的调速，既适用于同步电动机，也适用于异步电动机；斩波内馈调速：异步机的定子上，附加了与原绕组相绝缘的内馈绕组（亦称调节绕组），用来接受转子移出的电转差功率，内馈绕组在旋转磁场的作用下，产生频率为f1、幅值恒定的感应电势E3，变流装置使内馈绕组工作在发电状态，把所接受的电转差功率又通过电磁感应，反方向传输给定子原绕组，使定子的输入功率减小，与机械功率相平衡，实现无级调速；无刷双馈电机：无刷双馈电机经过改进以后只有一个定子，一个笼形转子，一套公共磁路，定子中有两套不同极对数的绕组，一组称功率绕组，接三相电网，另一组称控制绕组，接变频装置。在两种绕组极对数确定的情况下，通过改变控制绕组变频器的输出频率即可实现电机的无级调速；转子供电式三相并励交流换向器电动机：这种电动机在带换向器的转子中装有两套绕组，一个是由滑环与电刷引出的三相交流绕组,它由三相交流电网馈电,作为原边;另一个是由换向器上的电刷引出的换向器绕组,它通过电刷与定子绕组分别串联成闭合回路，构成电机的副边，电刷的张开角是可调的，三对电刷还可以同时沿圆周移动至所需的任意位置，由于这种电机采用转子馈电式，整个电机的全部电能全经过电刷和滑环从转子边进入，因此电压不能太高，一般在500V之内。

现有各种调速方法，各有优缺点：

1、变极调速只有2-3种固定转速，不能无级调速；

2、改变供电电压调速，属于滑差调速，机械特性差；

3、改变转子电阻调速，多用于改善启动性能，机械特性差；

4、转子串级调速，采用晶闸管或变频器，有谐波污染；

5、变频调速，有谐波污染，功率越大成本越高；

6、斩波内馈调速，有谐波污染；

7、无刷双馈电机，有谐波污染；

8、转子供电式三相并励交流换向器电动机，电压受限，容量受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，该调速控制装置为三相调压器，结构简单，成本低，无需电力电子元器件，不产生高次谐波，具有直流电动机低速大转矩的调速特性，转速调整范围广特点。

采用的技术方案是：

一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，包括电机壳、定子、带有换向器的绕线转子、三相电电刷、旋转电刷架、电刷架驱动器、定子三相调压器和转子三相调压器。所述的带有换向器的绕线转子通过转子换向器和三相电电刷与转子三相调压器连接，为绕线转子提供工频三相交流电,对绕线转子进行工频交流励磁,在绕线转子上产生与定子磁场转速相同的旋转磁场。三相电电刷以等角度间隔，均匀分布安装在旋转电刷架上，与转子换向器可靠接触，可旋转电刷架与转子同轴，通过电刷架驱动装置的控制，能够绕转子轴转动。

上述的带有换向器的绕线转子，采用直流转子绕组的绕线方法，绕组接在换向器上，直流转子绕组与换相器的连接方法包括叠绕组、波绕组和蛙绕组均可以被采用。绕组线圈跨距槽数与转子铁芯槽数的关系为：线圈跨距槽数（L）=转子铁芯槽数（M）/三相电电刷数（D），其中三相电电刷数（D）=转子磁极数（N）*3/2。应保持转子铁芯槽数（M）为三相电电刷数（D）的整数倍，如果线圈跨距槽数（L）得到非整数，则向下取整。

上述的旋转电刷架，与转子同轴，通过电刷架驱动器的作用，能够绕转子轴转动，调整三相电电刷与定子绕组之间的夹角，进而调整转子励磁磁场与定子磁场之间的相位夹角。电刷架驱动器对旋转电刷架的驱动，可以采用多种机械结构方案实现。所述三相电电刷以等角度间隔、均匀分布安装在旋转电刷架上，与转子换向器接触。当电刷数量为3个且电刷间间隔120°时，在转子上形成2级旋转磁场。当电刷数量为6个且电刷间间隔60°分布、同相电刷并联时，在转子形成4级旋转磁场。每个电刷与前后相邻的两个电刷不同相。

上述的带有换向器的绕线转子采用三相工频交流励磁，励磁磁场在带有换向器的绕线转子上旋转，励磁磁场转速与转子转速无关，只与绕线转子极对数和电源频率有关，绕线转子励磁磁场转速计算方法与定子磁场转速计算方法相同，通过调整三相电电刷的相序，使转子励磁磁场旋转方向与定子磁场旋转方向相同。调整三相电电刷与定子绕组之间的相位夹角，可以使转子励磁磁场与定子磁场的相位完全重合，转子磁极与定子磁极的极性互相吸引，这个位置称为同步相位。

本发明的特点在于：

1、解决了交流电动机转子不能采用工频交流电励磁的问题，

2、调速控制装置为三相调压器，结构简单，成本低，无需电力电子元器件，不产生高次谐波；

3、具有直流电动机低速大转矩的调速特性；转速调整范围广、运行平滑、过载起动和制动转矩大，且能适宜于频繁起动、制动，负载急剧变化时可维持转速不变；

4、具有同步电动机的特性，通过转子励磁可以调整定子的功率因数；

5、具有绕线转子串阻调速的特性；

6、具有绕线转子串级调速的特性，转子转速可以超过同步转速；

7、调速范围宽广，在调速范围内，任何转速上都可以调整输出功率。既可以恒功率调速，也可以恒转矩调速；既可以低速大转矩运行，也可以低速小转矩运行。

8、适合频繁负载波动，当负载波动时，转速自动变化，当负载突然增加时，自动进入低速大转矩输出，当负载减轻时，自动提高转速。

9、定子和转子都能够输入有功功率，提高了电动机的功率密度。

10、当本电动机作为发电机使用时，只要转子端输入的三相交流电是工频，定子输出的三相交流电就是工频，与转子转速无关，非常适合于转速不稳的发电装置。通过调整转子励磁就能够调整输出电压，通过调整电刷相位，能够调整输出电压的相位。

11、本发明所述的电动机转子转速对定子电压变化敏感，转子转速变化范围大。降低定子供电电压时，转子转速下降，同时对转子进行三相交流工频励磁，将使转子转矩上升，实现大调速范围内的大转矩调速。

附图说明

图1是本发明定子和转子及其工频供电调压调速系统示意图。

图2是本发明转子及其供电调压系统示意图。

图3是本发明定子磁场与转子励磁磁场转向相同，相位重叠示意图。

图4是本发明转子励磁磁场与定子磁场转向相同，转子励磁磁场相位落后示意图。

具体实施方式

一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，本例以定子为二极的电动机为例，定子连接定子三相调压器。包括电机壳、冷却系统、电机控制器、定子1、带有换向器的绕线转子2、三相电电刷3、可旋转电刷架5、电刷架驱动器6、定子三相调压器7、转子三相调压器8。所述的定子1接定子三相调压器7。所述三相电电刷3以120°等角度间隔，均匀分布安装在旋转电刷架5上，与转子换向器4接触，旋转电刷架5与转子同轴，带有齿盘，电刷架驱动装置6伺服驱动器上的小齿轮能够带动旋转电刷架5绕转子轴转动，调整三相电电刷与定子绕组之间的夹角，进而调整转子励磁磁场与定子磁场之间的相位夹角。通过调整三相电电刷与定子绕组之间的相位夹角，使转子励磁磁场与定子磁场的相位重合，进入同步相位。三相电电刷3通过电缆与转子三相调压器8连接，转子三相调压器8连接工频三相交流供电电路，转子三相调压器8通过三相电电刷3和转子换向器4对绕线转子2提供工频三相交流电。通过调整三相电电刷与三相调压器连接的相序，使转子励磁磁场旋转方向与定子磁场旋转方向相同。带有换向器的绕线转子，采用直流转子绕组的绕线方法，转子绕组与换相片的连接方法采用叠绕法。转子铁芯槽数（M）=15，三相电刷数（D）=3，线圈跨距（L）=转子铁芯槽数（M）/三相电电刷数（D）=5。

当电源频率为50Hz时，定子磁场9的旋转速度为3000转/分钟。三个电刷在接入的三相交流电在转子上产生旋转速度为3000转/分钟的转子励磁磁场10，转子励磁磁场10的转速为恒定转速，与定子磁场9转速相同，与转子转速无关。

当转子励磁磁场10与定子磁场9处于同步相位的时候，转子励磁产生的全部为无功功率，随着转子励磁电压的增加，定子无功功率降低，功率因数提高。随着转子励磁电压的进一步提高，定子功率因数达到1，然后会转入容性状态，对电网反馈无功功率。

当转子励磁磁场10落在旋转方向上适当落后于定子磁场9一定角度的时候，随着转子励磁电压的增加，电机的输出功率增加。当负载不变时，转子转速上升；轻载时，可以获得超同步转速。

当转子励磁磁场10落在旋转方向上超前于定子磁场9一定角度的时候，随着转子励磁电压的增加，电机转速降低，直至停转。

Claims (4)

1.一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，包括电机壳、冷却系统、电机控制器、定子（1）、带有换向器的绕线转子（2）、三相电电刷（3）、旋转电刷架（5）、电刷架驱动装置（6），其特征在于所述的带有换向器的绕线转子（2）通过转子换向器（4）和三相电电刷（3）与转子三相调压器（8）连接，为绕线转子（2）提供工频三相交流电,对绕线转子（2）进行工频交流励磁，三相电电刷（3）以等角度间隔，均匀分布安装在旋转电刷架（5）上，与转子换向器（4）接触，旋转电刷架（5）与绕线转子（2）同轴。

2.根据权利要求1所述的一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，其特征在于所述的带有换向器的绕线转子（2），采用直流转子绕组的绕线方法制备成，绕组接在转子换向器（4）上，转子绕组与转子换向器（4）的连接方法包括叠绕组、波绕组或蛙绕组，绕组线圈跨距槽数与转子铁芯槽数的关系为：线圈跨距槽数（L）=转子铁芯槽数（M）/三相电电刷数（D），其中三相电电刷数（D）=转子磁极数（N）×3/2；应保持转子铁芯槽数（M）为三相电电刷数（D）的整数倍，如果线圈跨距槽数（L）得到非整数，则向下取整。

3.根据权利要求1所述的一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，其特征在于当三相电电刷（3）数量为3个，且电刷间间隔120°时，在绕线转子（2）上形成2级旋转磁场；当三相电电刷（3）数量为6个，且电刷间间隔60°分布、同相电刷并联时，在绕线转子（2）上形成4级旋转磁场；每个电刷与前后相邻的两个电刷不同相。

4.根据权利要求1所述的一种转子工频交流励磁的三相交流调速电动机，其特征在于所述三相电电刷（3）可调整其相序，使转子励磁磁场（10）旋转方向与定子磁场（9）旋转方向相同。