专利名称：高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机的制作方法
技术领域：
本实用新型属电动机，特别涉及一种高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机。
技术背景目前，世界各国在交流电力传动系统中，电动机的种类和品种有许多，但是，对于大惯性冲击性机械如游梁式抽油机，柱塞式水泵和重负载起动机械如起重机、带式输送机、压缩机等，它们均具有很大的转动惯量和惯性力矩，拖动这类机械的电动机，必须具有很大的起动转矩。当采用三相鼠笼式电动机拖动时，为满足高起动转矩的要求，电动机必须选择大容量，这样，起动后正常运行时就出现大马拉小车现象。当电动机在欠载下运行时，效率和功率因数降低，将引起电动机损耗增加，浪费能源，提高了生产成本，所以如何研制出高起动转矩低运行功率三相鼠笼电动机，是世人关注的大课题。
这些年来。国内外采用三种特殊三相异步电动机第一种具有高起动转矩三相异步电动机，如国产JQO2系列，用在游梁式抽油机械上时，正常运行情况下出现大马拉小车现象；第二种高转差率三相异步电动机，如国产YH系列，运行时效率低，功率因数低；第三种双速三相异步电动机，在煤矿井下皮带输送机上应用，实践证明，它有着两个关键问题一是控制设备复杂、价格昂贵，同时电动机起动后由低速向高速切换时，在机械和电气上将产生很大的冲击，导致故障率高，甚至损坏设备，二是正常运行时还会出现大马拉小车现象。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述技术不足，提供一种高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是一种由定子、转子(转子导条、转子端环)和轴组成的电动机，其特点是电动机定子槽内嵌入两套低谐波同心式三相对称移相双层绕组，其中一套补偿绕组(第一绕组)为低谐波同心式三相对称双层绕组，每相均串联一个电容C＝60～80μF嵌入定子槽的下部，在槽底处，工作绕组(第二绕组)为低谐波同心式三相对称双层绕组，嵌入定子槽的上部，在槽口处；当电动机每极每相槽数为q时，设第一绕组的上层绕组在定子槽的匝数分别为N11、N12、N13、N14、……N1q，它们为A1相，下层绕组匝数排列与上层绕组相反为N1q……、N14、N13、N12、N11，它们为C1相，第二绕组的上层绕组在定子槽中的匝数分别为N21、N22、N23、N24、……N2q，它们为A2相，下层绕组匝数排列与上层绕组相反为N2q……、N24、N23、N22、N21，它们为C2相；工作绕组与补偿绕组每相串联匝数之比为2～6倍；工作绕组和补偿绕组的两套绕组线圈组的节距y1、y2、y3、y4、……yq均相同，组成两套三相对称双套绕组；移相是指按电动机旋转方向n2计算，补偿绕组的同名端引前于工作绕组同名端一个α电角度，α＝115°～135°；电动机的绕组均取低电流密度，其工作绕组的电流密度Δ2＝2.5A/mm2以下；补偿绕组的电流密度Δ1＝3～4A/mm2；转子导条的电流密度ΔB＝2.1A/mm2以下；转子端环的电流密度ΔR＝1.2A/mm2以下；电动机定子的工作绕组和补偿绕组并联接在三相电源上；电动机的双鼠笼转子设两种类型一是铸铝合金双鼠笼转子，二是铸铝双鼠笼转子，且双鼠笼转子为低漏电抗。
本实用新型的有益效果是起动时该电动机输出高起动转距及输入低起动电流，高起动品质因数；电动机正常运行时可输出满足生产机械所需的低功率、高效率、高功率因数、高过载能力，是一种小马拉大车的电动机，从根本上解决了交流电力传动中大马拉小车现象，节省能源，属于一种高效节能型电动机。
以下结合附图以实施例具体说明。
图1示高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机结构图。
图2示图1的定子槽形尺寸图。
图3示图1的转子槽形尺寸图。
图4示图1的两套低谐波同心式三相对称移相双层绕组中一个极相组q＝4的导体排列及匝数分布图。
图5示图1的q＝4低谐波同心式绕组一个线圈组的结构图。
图6示图1的两套低谐波同心式三相对称移相双层绕组中一对极下的绕组展开图。
图7示图1的双套绕组的接线圈。
图中，1—定子；2—定子槽；3-1—补偿绕组；3-2—工作绕组线圈；4—转子；5—转子双鼠笼槽；6—转子导条；7—转子端环；8—轴；g—空气隙长；N14、N13、N12、N11—第一绕组下层；N11、N12、N13、N14—第一绕组上层；N24、N23、N22、N21—第二绕组下层；N21、N22、N23、N24—第二绕组上层；1、2、3……24—槽号；o—一个线圈半匝边；A1、A2、B1、B2、C1、C2—两套三相绕组的首端；A1、A2、B1、B2、C1、C2—两套三相绕组的末端；C—电容；α—电角度；y1～y4—线圈节距；n2—电动机旋转方向具体实施方式
参照附图1，该电动机由定子1、转子4(转子导条6、转子端环7)和轴8组成的，其特点是在电动机定子槽2内嵌入两套低谐波同心式三相对称移相双层绕组3-1、3-2，其中一套补偿绕组3-1为低谐波同心式三相对称移相双层绕组，每相均串联电容C，电容C＝70μF，嵌入定子槽2的下部，在定子槽2的槽底处，工作绕组3-2为低谐波同心式三相对称移相双层绕组，嵌入定子槽2的上部，在定子槽2的槽口处；定子1的铁芯外径D1＝400mm，内径Di1＝285mm，定子铁芯长度L＝225mm，转子4铁芯内径Di2＝85mm，空气隙长g＝0.6mm，定子槽2为72个，转子槽5为58个。定子槽2的尺寸(见附图2)hs0＝1.0mm，hs1＝0.8mm，hs2＝27mm，b01＝3.8mm，bs1＝6.7mm，R＝5.5mm，θS＝30°，转子槽5的尺寸(见附图3)hR0＝0.85mm，hR1＝10mm，hR2＝2mm，hR3＝18.65mm，Φ＝7mm，b02＝3.8mm，bR1＝4mm，bR2＝7mm，bR3＝2.6mm，θR＝30°。电动机每极每相槽数为q＝4时(见附图4)，按奇次谐波磁动势的绕组系数最小原则，设计出不等匝数的分配，设第一绕组3-1上层绕组在定子槽2的匝数分别为N11、N12、N13、N14，它们为A1相，下层绕组匝数排列与上层绕组相反，为N14、N13、N12、N11，它们为C1相，第一绕组3-1每相串联匝数为40匝；第二组3-2的上层绕组在定子槽2的匝数分别为N21、N22、N23、N24，它们为A2相，下层绕组匝数排列与上层绕组相反，为N24、N23、N22、N21，它们为C2相，第二绕组3-2每相串联匝数为236匝；工作绕组3-2与补偿绕组3-1每相串联匝数之比为5.9倍。工作绕组3-2和补偿绕组3-1的两套同心式线圈组的节距相同(见附图5)，为y1＝11槽、y2＝9槽、y3＝7槽、y4＝5槽。电动机为6极，在一对极下电动机定子2的两套低谐波同心式三相对称移相双层绕组的展开图如图6所示，其中一对极有24个槽，槽编号由1～24，一个线圈的半匝边用符号“O”表示，一个线圈的上层边和下层边用相同的匝数符号表示，匝数的双注角符号中第一个下标，表示第一或第二绕组，第二个下标表示不同槽的匝数，按电动机旋转方向n2计算，第一绕组同名端例如N11位于第1号槽时，则第二绕组同名端的N21应该位于第9号槽，此时第一绕组3-1的同名端恰好引前于第二绕组3-2的同名端的α＝120°电角度，第一绕组3-1中由上层绕组引出线端钮A1、B1、C1为第一套三相绕组的首端，第一绕组3-1中由下层绕组引出线端钮A1、B1、C1为第一套三相绕组的末端，第二绕组3-2中由上层绕组引出线端钮A2、B2、C2为第二套三相绕组的首端，第二绕组3-2中由下层绕组引出线端钮A2、B2、C2为第二套三相绕组的末端，两套绕组的下层绕组各相反接在一起；电动机两套三相绕组(如图7所示)，均接成三角形，并联接在三相电源上。为适应大惯性冲击性生产机械如游梁式抽油机的需要，电动机的转子为铸铝合金双鼠笼转子，设计电动机时各个绕组均采用低电流密度值，其目的是当电动机起动时，使各个绕组能承受足够大的起动热负荷，当电动机正常运行时，各绕组有足够大的电流过载能力，可承受较大的冲击性过载，各绕组的铜损低，电动机效率高。设计电机时，转子导条7为低漏电抗，工作绕组3-2在定子槽2的槽口处其漏电抗低。电动机起动时工作绕组3-2有较大的感性起动电流，转子4产生一个高值起动转矩，补偿绕组3-1为容性起动电流，两个绕组并联时，电动机总起动电流等于感性起动电流和容性起电流的矢量和，使总起动电流降低，实现低起动电流的目的。电动机正常运行时转差率很小，转子运行阻抗很大，工作绕组3-2电流减小，电动机将输出一个适应负载需要的低功率。工作绕组3-2及转子导条7均为低漏电抗，电动机最大转矩很大，电动机转矩过载能力高，可承受较大的冲击性过载。电动机定子绕组3-1、3-2采用低谐波同心式三相对称双层绕组，有效地抑制了电动机的高次谐波电流，使电容C不受高谐波影响，电动机噪音降低，同时电动机铁芯附加损耗亦降低，提高了电动机效率在90％以上。补偿绕组3-1每相串联电容C＝70μF，相当于将传统的就地外部电容补偿技术改为现在由电动机内部电容补偿技术，电动机对电网的功率因数可接近于1.0，电动机功率因数高。
本实用新型15KW电动机与现有的37KW高起动转矩三相异步电动机在设计性能上比较如下
本实用新型电动机专为游梁式抽油机设计了15KW的电动机，电动机的定子1和转子4的铁芯尺寸及槽形尺寸如上所述，电动机在额定运行时的设计性能为相电压U1＝380V，转差率Se＝0.0112，输出功率Pe＝15KW，补偿绕组3-1相电流I1e＝9.560733579A，工作绕组3-2相电流I1e＝17.2501546394A，电动机总相电流Ie＝15.54739472A，功率因数cosφe＝0.999145728，额定转矩Te＝155.5386753N-m，临界转差率Sm＝0.186506625，最大转矩Tmax＝1156.353273N-m，转矩过载能力λm＝7.434506375，电动机总铜损pcu＝497.5277217W，电机铁损pFe＝719.7W，电动机效率ηe＝0.91，定子绕组总用铜量Gcu＝20.73825509Kg，铁芯用铁量GFe＝270.776Kg；电动机起动性能为相电压U1＝380V，补偿绕组3-1起动相电流I1＝9.058529354A，工作绕组3-2起动相电流I2＝257.5811895A，总起动相电流Ist＝250.4897584A，起动转矩Tst＝934.596N-m，起动电流倍数ist＝16.11136549，起动转矩倍数mst＝6.00876919，起动品质因数γ＝3.7311。由油田现场实际测试可知，原37KW电动机在原油粘度大时，抽油机需多次点动才能起车，运行时功率为15KW左右，如用本实用新型15KW电动机替代游梁式抽油机原37KW高起动转矩三相异步电动机时，可使抽油机顺利起车，正常运行时电动机负载率β＝1.0，按抽油机年运行时间7000小时计算，实用新型电动机每年损耗电能值E＝11148.20386KWH(度)。
为了将本实用新型15KW电动机与原37KW高起动转矩三相异步电动机在设计性能上作比较，将原37KW电动机设计数据及性能引用如下定子和转子铁芯尺寸、定子和转子槽数均与本实用新型15KW电动机完全相同，定子槽形尺寸为hs0＝1mm、hs1＝0.8mm、hs2＝26.4mm、R＝4.5mm、θS＝30°、b01＝3.8mm、bs1＝6.7mm转子槽形尺寸为hR0＝0.85mm、hR1＝5mm、hR2＝1.4mm、hR3＝24mm、θR＝30°、b02＝1.5mm、hR1＝2mm、hR2＝7mm、hR3＝4.4mm、φ＝5.7mm，电动机为6极，定子为双层迭绕组，作三角形连接，每相串联匝数为224匝，定子绕组用铜量为Gcu＝28.53Kg，铁芯用铁量为GFe＝270.776Kg，转子为铸铝双鼠笼转子；电动机在额定运行时设计性能为相电压U1＝380V，转差率Se＝0.0162，输出功率Pe＝37KW，相电流I1e＝39.9144A，功率因数cosφe＝0.89724，额定转矩Te＝372.6659754N-m，临界转差率Sm＝0.07694，最大转矩Tmax＝372.6659754N-m，转矩过载能力λm＝2.39，电动机总铜损pcu＝1723.411746W，电机铁损pFe＝719.7W，电机效率ηe＝0.92；电动机起动性能为相电压的U1＝380V，起动相电流Ist＝244A，起动转矩Tst＝699.2493987N-m，起动电流倍数ist＝6.113143258，起动转矩倍数mst＝1.9，起动品质因数γ＝2.8658；用37KW电动机拖动游梁式抽油机时，遇到原油粘度很大时，电动机不能正常起动，正常运行时电动机的负载率β＝0.4054，出现了大马拉小车现象；在β＝0.4054时电动机的实际效率η＝0.89818136及功率因数cosφ＝0.778586912，按抽油机年运行时间7000小时计算，37KW电动机在低效率及低功率因数运行时，37KW电动机每年损耗电能值E＝26978.60661KWH(度)，本实用新型15KW电动机与现有37KW电动机的设计性能对比如下
1、在铁芯尺寸相同时，起动转矩之比为1.34倍，且本15KW电动机的起动转矩已相当于48KW高起动转矩三相异步电动机的起动转矩，用本15KW电动机拖动游梁式抽油机时，因起动转矩高，可缩短起动时间，降低了电动机起动损耗，节约电能，而且不会发生起动时电机堵转而烧损电机绕组。
2、在铁芯尺寸相同时，起动品质因数之比为1.3倍，表明了本电动机在单位起动电流下可获更大的起动转矩。
3、在铁芯尺寸相同时，总起动电流之比为1.027倍，工作绕组3-2起动电流与原37KW电动机起动电流之比为1.056倍，由于工作绕组3-2和转子导条7的电流密度取低值，在短起动时间下，工作绕组3-2和转子导条7的起动热负荷不高，不会烧坏电动机绕组。
4、在铁芯尺寸相同时，最大转矩之比为1.334倍，转矩过载能力之比为3.111倍。原37KW电动机的定子绕组电流密度Δ＝4A/mm2，本15KW电动机的工作绕组3-2电流密度Δ2＝2.5A/mm2，本电动机电流过载能力为原37KW电动机的1.6倍。因此在正常运行时，本电动机在不超过允许温升条件下，它的转矩过载能力和电流过载能力已达到48KW高起动转矩三相异步电动机的水平。
5、在铁芯尺寸相时，用本电动机代替37KW电动机拖动游梁式抽油机时，每年节省电能1.58万度。
6、在铁芯尺寸相同时，机械特性曲线硬度之比为0.554。当两个电动机在相同转矩波动时，本电动机与37KW电动机转数波动之比为1.805。因此，本电动机的机械特性较软，更适合游梁式抽油机的需要。
7、在铁芯尺寸相同时，用铜量上，本电动机比37KW电动机用铜量少27.3％。
8、由于本电动机采用了电容C内部补偿技术，使功率因数近于1.0。使油田内的电力网中输电线上电流减少、降低了线路损耗、降低了供电变压器的容量、减少了高压侧高压补偿电容器的电容量，这些因素可节约大量资金。
通过上述性能比较可知，该电动机具有独特的优越性，完全可以替代目前游梁式抽油机所用的高起动转矩三相异步电动机，按37KW电动机的铁芯尺寸设计出的15KW高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机，它在起动性能和运行性能上已达到48KW高起动转矩三相异步电动机的技术性能，相当于小马拉大车，从根本上解决了大惯性冲击性机械及重载起动机械在交流电力传动中大马拉小车不合理现象、浪费能源和资金的问题。根据不同负载的需要，按本实用新型的电机理论和设计方法，可设计出系列的高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机，以适应市场的需要。
权利要求1.一种高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机，由定子(1)、转子(4)和轴(8)组成，其特征是a、在电动机定子槽(2)内嵌入两套低谐波同心式三相对称移相双层绕组，其中一套补偿绕组第一绕组(3-1)为低谐波同心式三相对称双层绕组，每组均串联一个电容C，C＝60～80μF，嵌入定子槽(2)的下部，在槽底处，工作绕组第二绕组(3-2)为低谐波同心式三相对称双层绕组，嵌入定子槽(2)的上部，在槽口处；b、当电动机每极每相槽数为q时，设第一绕组(3-1)上层绕组在定子槽(2)的匝数分别为N11、N12、N13、N14、......N1q，它们为A1相，下层绕组匝数排列与上层绕组相反为N1q、......N14、N13、N12、N11，它们为C1相，第二绕组(3-2)的上层绕组在定子槽中的匝数分别为N21、N22、N23、N24、......N2q，它们为A2相，下层绕组匝数排列与上层绕组相反，为N2q、......N24、N23、N22、N21，它们为C2相；c、工作绕组(3-2)与补偿绕组(3-1)每相串联匝数之比为2～6倍，工作绕组(3-2)和补偿绕组(3-1)两套绕组的线圈节距y1、y2、y3、y4......yq均相同，组成三相对称绕组；d、移相是指按电动机旋转方向n2计算，补偿绕组(3-1)的同名端引前于工作绕组(3-2)同名端一个α电角度，α＝115～135°；e、电动机的绕组均取低电流密度，其工作绕组(3-2)的电流密度Δ2＝2.5A/mm2以下，补偿绕组(3-1)的电流密度Δ1＝3～4A/mm2，转子导条(6)的电流密度ΔB＝2.1A/mm2以下，转子端环(7)的电流密度ΔR＝1.2A/mm2以下。
2.根据权利要求1所述的一种高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机，其特征在于电动机的双鼠笼转子(4)设两种类型，一是铸铝合金双鼠笼转子，二是铸铝双鼠笼转子，且双鼠笼转子为低漏电抗。
3.根据权利要求1所述的一种高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机，其特征在于电动机定子(1)的工作绕组(3-2)和补偿绕组(3-1)并联接在三相电源上。
专利摘要本实用新型属电动机，特别涉及一种高起动转矩低运行功率三相电容式双鼠笼电动机，由定子1、转子4和轴8组成，电动机定子槽2嵌入两套低谐波同心三相对称移相双层绕组，其补偿绕组3－1每相串联一个电容C，电动机双鼠笼转子4设两种类型，一是铸铝合金双鼠笼转子，二是铸铝双鼠笼转子，且双鼠笼转子为低漏电抗，电动机定子1的工作绕组3－2和补偿绕组3－1并联接在三相电源上，起动时电动机输出高起动转距及输入低起动电流，高起动品质因数；电动机正常运行可输出满足生产机械所需的低功率、高效率、高功率因数、高过载能力，是一种小马拉大车的电动机，根本上解决了交流电力传动中大马拉小车现象，节省能源，属一种高效节能型电动机。
文档编号H02K17/16GK2674755SQ200420030088
公开日2005年1月26日 申请日期2004年1月7日 优先权日2004年1月7日
发明者杨芳春, 高鸿滨, 杨滨, 杨鸿 申请人:杨芳春