专利名称:可调速感应电动机的制作方法
本发明是关于一种可调速的感应电动机，该感应电动机具有良好的转矩特性，效率高，转速易于调节。
一般调节感应电动机转速的方法之一是改变电源的频率。虽然这种方法可在宽转速范围内连续调速，但需要一个高价的变频器。此外，这种变频器在将交流电流变换成直流电流和再变换成交流电流时可能产生高谐波噪音和其它电磁波，这些高谐波噪音和电磁波若流入工业用的电力线路就会产生各种高谐波噪音问题，使电子计算机或其它电子设备误操作，使电容器发热等等。高谐波噪音问题是可以通过设置适当的高频滤波器加以解决的，但这方面的开销也是很大的。而且这个方法还有这样的缺点，即通常电动机低速运转时效率不高。
在感应电动机运转过程中改变其极数的方法确实可以调节感应电动机的转速，但那只能是有级调速，因而这种调速既不连续也不平滑。
改变电源电压的方法倒是可以达到连续调速的目的，但这个方法有一个缺点，即电动机在低速范围内运转时效率低。
改变接入绕线转子式电动机中辅助电阻以改变转差率的方法是较容易进行连续调速的，但由于转子绕组电路中从外部通过电刷和滑环接入了一个电阻，就有这样一个缺点，即需要对这些电刷和滑环定期进行检查和细心维护。在鼠笼转子式感应电动机中有这样一个问题它不能采用改变辅助电阻的方法进行调速。
试图解决上述问题的先有技术确是有的。例如，未经审查的29005/1979号日本专利公开就揭示了这样一种装置，在该装置中，各鼠笼导体系这样配置，使它们沿一对转子铁心延伸，再将这些导体两端分别用短路环短接，此外还以这样的方式配置一个高值电阻器，使得各鼠笼导体在该两转子铁心之间的导体中间部位处于短接状态。在与相应各转子铁心分开的定子上设有若干绕组。这种鼠笼转子感应电动机在起动时，各定子绕组之间的相位相差180度，但在电动机起动之后的运行过程中，各相位经倒相后变成彼此同相。由于电动机起动时定子绕组之间的相位位移了180度，起动转矩增加，因而改善了电动机的起动特性。但在正常运转条件下，由于各定子绕组处于同相位，电动机在正常的转矩特性下运转。因此，尽管可以认为起动特性有所改善，但这种电动机的转速是不可调的，因而不能作为负荷要求变速的驱动电动机。
未经审查的29005/1979号日本专利公开包括这样一个实例为缓和电动机如不采用该实例的作法从起动过渡到正常运转时转矩突然变化所引起的振动，令其各定子绕组短时间串联接到电源线路上，以此作为电动机到达满载运转的一个中间步骤。这种方案只局限于旋转磁场的相位移为0度或180度的情况，而且其目的决不是为了变速。当转换成串联接线时，加到定子上的电压减半，这就是说，转矩减到1/4。显然用该公布了的专利申请书所公开的方案是不可能进行调速的。
因此，虽然未经审查的29005/1979号日本专利公开引用了串联连接的作法，声明“……可以作为中间步骤使定子绕组与供电电路的连接在串联连接与并联连接之间切换”，但必须考虑的是，这种串联连接与调速的目的无关，也无助于达到调速的目的。
未经审查的86807/1974号日本专利公开揭示了一种具有鼠笼转子和多相定子绕组的异步电动机。该电动机包括若干导电条、短路端环和铁磁层。定子被划分成第一绕组和第二绕组。这些第一和第二绕组共轴配置，彼此毗邻，且毗邻转子的各不同部分，可以供给同频率的交流电流。还配备有通过定子第二绕组改变在转子绕组中感应产生的电能用的装置。这种电动机无论用机械方法或电气方法都可以在定子的两个分开的部分之间产生相位差，而且可将转子的转速调节到某种程度。但除了定子两个分开的部分之间的相角处于同相位期间之外，电动机的转矩是如此之小，以致电动机的负荷增大时，电动机即刻停下来，这使电动机不实用。因此这种电动机不适用于在负载情况下电动机需要反复经常地起动停止的场合，这就是说，这种电动机还解决不了上述问题。
本发明的目的是解决先有技术存在的上述问题，达到即使将上述未经审查的29005/1979号和86807/1974号日本专利公开结合起来也无法达到的效益，例如，获取特殊的转矩特性，以平滑调速方式在宽调速范围内能调整任何所需的转速，并能在任何所希望的转矩下起动电动机等等。本发明的调速感应电动机，转矩特性优异，效率高，这是因为本发明在电动机从起动到满载运转整个广阔转速范围内施加大致相当于电动机满载运转时所施加的额定电流所致。
本发明的可调速感应电动机可接单相电源，也可接三相电源而使用。转子的型式通常可以是任何类型，例如鼠笼型、双鼠笼型、深槽鼠笼型、特殊鼠笼型或绕线型等。本发明说明书中提到的导体或导电元件通常是指那些配置在鼠笼型转子铁心中的导体或导电元件，和绕在绕线型转子铁心上的绕组。
根据本发明提供的可调速感应电动机包括一个转子、多个定子、若干连接元件和相位移装置。转子制成一个整体，拥有多个转子铁心，彼此间隔预定距离，装在一根公共轴上，转子还拥有多个导电元件;彼此相互连接，并分别装在各转子铁心上。各定子并排配置，环绕面对各自的转子铁心，其上分别绕有串联连接的定子绕组。各连接元件在气隙处或配置在各转子铁心间隙的非磁性心件处短接导电元件。相移装置提供与多个定子中至少一个定子的定子绕组具有一定相位的电压。
根据本发明，转子的转速可借助下列装置进行调节其中一个装置能使各定子与转子之间产生的磁场的磁力线发生偏移，另一个装置则用以控制各转子导电元件上感应产生的电压，从而使其根据磁场相位移的变化而增加或减少。
各绕组绕在多个定子上串联连接的配置方式和多个导电构件装在多个转子铁心上通过各自的连接元件短接起来的配置方式有以下两个作用。一个作用是流入转子导电元件、根据在该导电元件对应于其各自的定子的部分上感应电压的电流量都变得相等。另一个作用是对应于由各定子间各电压的相位差引起的矢量差值的电流流经将多个转子导电元件短接的各连接元件。利用这两个作用的协同效应，就可以完全控制电阻按各电压相位差θ对电流的影响程度。换句话说，在任何转差率下，改变相位差θ就可以控制流经转子导电元件与流经连接元件的电流的比值。因此，将相位差θ调大调小时可以按所希望的量稳定控制连接各转子导电元件的各连接元件的功能，因而不仅在电动机起动时，而且在从低速运转到高速运转的宽转速范围内，都能获取大而稳定的转矩，从而提高了电动机的总效率。
图1是本发明感应电动机的剖面侧视图。
图2是各定子转动装置的横剖面图。
图3是各定子转动装置的部分剖开顶视图。
图4是各定子绕组串联连接的接线图。
图5是转差率与有功功率的关系曲线。
图6是转子的等效电路图。
图7是从定子侧看起的转子的等效电路图。
图8是多个导电元件分别由各连接元件短接，各定子绕组串联连接的情况下，转差率与转矩的关系曲线。
图9是各定子绕组并联连接接到电源线上的情况下，转差率与转矩的关系曲线。
图10是多个绕组绕在各自的定子上，极数可用各开关加以选择情况下的接线图。
图11是定子极数为四和八情况下的转差率与转矩的关系曲线。
图12是表示构成各定子绕组相位移装置的相位转换开关连接方式的接线图。
图13是由一个单相变压器和多个相位转换开关组合构成的相位移装置原理示意图。
图14是由一个感应调压器构成的相位移装置原理示意图。
图15是定子绕组的接线用若干开关在三角形接法与星形接法之间转换的接线图。
图16和17是转差率与转矩的关系曲线。
图18是在多个导电元件之间加装若干电阻元件的转子的部分剖视图。
图19是本发明感应电动机自动控制的方框图。
现参照图1至图19说明本发明的若干实施例。
下面参照图1至图4说明第一个实施例。图1和图3中，编号1表示感应电动机，下面即介绍其配置方式。转子铁心2和3隔一定间距安装在转子轴上，非磁性心件9则插接于转子铁心2和3之间。多个导电元件5配置在转子铁心2和3上，彼此串联连接，从而形成一整体转子8。因此各导电元件5两端彼此串联起来，由短路环6和7加以短接。转子铁心2、3和非磁性心件9具有风道12，该风道延伸到转子8的端部10和11。从风道12到转子8的外周边上延伸有多个风道孔13(见图2)。各连接元件r(即由镍铬丝、碳钢、导电陶瓷等制成的电阻器或电阻元件)在介于转子铁心2和3之间非磁性心件9的部位将设置在转子8上的各个导电元件5短接起来，具有任何矢量差的诸电流即流经该连接元件r上。从图1和图2可以清楚地看到，轴承架15、16在呈圆柱形的机座14两端用螺母18固定到连接条17上，以便形成一个整体组件。转子8两端都设有冷却风扇19、20，转子轴4两端由轴承21轴向支撑着，轴承21则配置在各自的轴承架15、16上，从而使转子轴4可以自由转动。
具有绕组22的第一定子24和具有绕组23的第二定子25面向各自的转子铁心2、3的外部部位并排配置在机座14中。在机座14与第一定子24之间，以及机座14与第二定子25之间都设有接触轴承(contact bearing)26、27由止动圈28支撑在机座14上。从图2和图3中可以看到，第一定子24和第二定子25外表面装有齿轮33A和33B。
脉冲电动机35装在机座14外部，形成一个单元的第一驱动齿轮36和传动齿轮34固定安装在一根驱动轴上。轴承架32装在机座14外部，可转动地支撑着其上装有传动齿轮30和第二驱动齿轮31的传动轴29。第一驱动齿轮36和第二驱动齿轮31通过设在机座14上的孔口37伸进机座14中，并分别与第一定子24上的齿轮33A和第二定子25上的齿轮33B啮合。在这种配置方式下，第一定子24和第二定子25借助于脉冲电动机35运转同轴相对于转子8转动。相位移装置38由第一定子24和第二定子25构成。编号39表示设在机座14外周边部分的排气口，编号40表示设在轴承架15、16上的风道孔。
现在参看图4介绍一下分别绕在第一定子24和第二定子25上的绕组22、23的接线方式。成星形接法设置在第二定子25上的诸绕组23分别与第一定子24相应的绕组22串联连接，然后接到电源上。这就是说，第一定子24绕组22的端子A、B、C分别接到三相工业电源线A、B、C上，绕组22的端子a、b、c分别接到第二定子25绕组23的端子A、B、C上，绕组23的端子a、b、c连接在一起短接起来。
下面谈谈按上述方式配置的电动机的操作。
电能从三相工业电源加到第一定子24的各绕组22时，定子24、25周围就产生旋转磁场，于是转子8的各导电元件5上有电流流过，从而使转子转起来。当第二定子25相对于第一定子24的转动量为零时，各定子24、25周围产生的旋转磁场的磁通量没有相位移。因此，如后面将要谈到的那样，电阻元件或连接元件r上没有电流流过，因而转矩特性变得和普通感应电动机的一样。
其次再谈谈脉冲电动机35运转，第一定子24和第二定子25分别沿反方向转动一个θ相角时操作情况。构成相位移装置38的第一定子24和第二定子25所产生的旋转磁场，其磁通量φ1、φ2的相位会偏移一个θ角，从而使第一定子24和第二定子25在转子8导电元件5上感应产生的电压
1、
2，其相位也偏移一个θ角度。现在假定，若以第二定子25在转子8导电构件5上感应出来的电压
2为基准，则此电压
2＝SE。这里S为转差率，E为转差率等于1时感应电压值。于是第一定子24在导电元件5上的感应电压
1为
1＝SEεjθ。
图5的曲线表示在非磁性心件9部位不加装将导电元件5短接的电阻元件r时转子8的转差率S与输入到转子的有功功率之间的关系。应该指出的是，当电压的相位θ为0度时，有功功率P最大，当0°＜θ＜180°时，有功功率P减小。若电阻元件5的电阻值和阻抗值分别表示为R和L，电源的角频率为ω，则转差率为S＝(R/ωL)时，有功功率P最大。
有功功率P与感应电动机的驱动转矩之间存在着一定的比例关系。因此，操纵脉冲电动机35并使构成相位移装置38的第一定子24和第二定子25转起来，就可以调节导电元件5上感应的电压，从而平滑调节转子8的转速。
当转子8各导电元件5从短路环6、7至连接元件r的各电阻值分别为R1、R2，电感分别为L1、L2，角频率为ω，短接各导电元件5的电阻元件的电阻值为r时，转子8的等效电路如图6所示。符号I1、I2、I3分别表示流经各有关支路的电流。
将图6所示的等效电路变换成从两定子24、25一侧看起的一个等效电路时，这种等效电路如图7所示。当R1＝R2，L1＝L2，相位差θ＝0°时，流经电阻元件r的电流I3(＝I1-I2)变为零。就是说，没有电流流向电阻元件r。这意味着，当θ＝0°时，转矩T的值与电阻元件r不存在时的一样。因此，在θ＝0°的情况下，电动机的转矩特性与普通感应电动机的一样。
其次，当R1＝R2，L1＝L2，且相位差θ＝180°时，流经电阻元件r的电流I3(＝I1-I2)变为2I2。这样，令普通感应电动机中的转子电阻器符合R1＝R2＝R的条件时，其效果相当于R增加到R+2r。
转子8转动时，冷却风扇19、20通过设在轴承架15、16上的风道孔40将空气吸入机座14内，空气直接冷却第一和第二定子24、25及其绕组22、23。转子铁心2、3、导电元件5、电阻元件r等也由经由风道孔13通过风道12的空气进行冷却。这个冷却作用确保电动机各组件稳定发挥作用。
第一和第二定子24、25是通过接通或断开脉冲电动机35使其顺时针或逆时针转动的，但这不局限于使用脉冲电动机35，其它驱动装置，(例如，可反转电动机、采用气压或液压缸的伺服机构等)也可以达到同样的目的，此外也可以用若干手柄操作。在这里列举的各实施例中，第一定子24和第二定子25两者都是可以转动的，但也可以采用只令它们其中之一转动的方式，同样可以取得良好的效果。有关释放和锁定有关的定子用的机构，可以采用普通能搞到的那些机构。
现在谈谈绕在第一和第二定子24、25上的绕组22、23串联连接接法的作用。
由于定子绕组22、23是串联连接的，因而当电流从三相工业电源加到绕组22上时，分别流经绕组22和绕组23的电流相等，而且即使绕组22、23的各电阻值有任何差别，或两定子24、25在体积上有任何差别，也不会受到影响。因此，第一定子24和第二定子25在转子8的各导电元件5上感应出来在该导电构件上流动的电流量彼此相等而且恒定。这种作用，加上由第一定子24和第二定子25感应产生的流入转子8的导电元件5的电流值相应于构成相位移装置的第一定子24和第二定子25之间的转差(即在旋转磁场磁通所产生的相位移)而变得相等的作用，还有两定子24、25之间的相位差引起的矢量差值电流流经将各导电元件5连接或短接的各电阻元件的作用，这些作用加在一起就产生了协同效应，因而如图8的转矩特性曲线所示，有可能提高效率，且在各自的转速范围内产生高的驱动转矩。因此，即使在电动机持续带负荷的情况下，也可能在任何给定的转速范围内轻易起动电动机，并根据某一给定负荷所要求的起动特性平滑起动或高速起动，因而这种电动机可用以从事多种工作，而且适用于要求反复频繁起动及停止的工作。如上所述，只要控制相位移，并控制流经转子8导电元件5中电流的增加和减少(这是借助位移装置38进行的)即可改变转子8的转速。
绕组22与23串联连接的第一定子24和第二定子25分别在转子8的各导电元件5上感应产生且在导电元件5上流动的电流量与流经设在各导电元件5之间的电阻元件r上的电流量，两者的比值与各电阻元件r的电阻值无关，也与转差率无关，而是由P×θ的值(P为极对数，θ为相角)确定的。此比值当Pθ＝π时变为零，当Pθ＝0时变为最大值。当Pθ不变时，转差率和转矩特性与普通绕线式感应电动机中加有辅助电阻器时得出的转差率和转矩特性一样，因而当Pθ减小时，流入转子8各导电元件5的各电流的比值也减小，这就是说，减小Pθ的效果相当于减小普通绕线式感应电动机的辅助电阻器。当定子24、25中都流有额定电流时，即使将相角θ任意改变或位移，也有可能在各低转速范围内获得大体上与在最高转速下获得的一样的额定电流和额定转矩特性，这视乎所选取的转差率值，也视乎有关电阻元件或连接元件电阻值而定。应该指出的是，即使当第一和第二定子24、25的绕组22、23串联连接但各导电元件之间没有电阻元件或连接元件时，转子各导电元件5中大体上也没有电压被一个定子感应出来。因此，这种接线法比起定子24、25的绕组22、23分别并联接到电源的接线法，效率差，转矩低。
反之，当第一定子24和第二定子25的绕组22、23分别并联接到三相工业电源上时，由于加到第一定子24和第二定子25的绕组22、23上的电压相等，两定子24、25在转子8的各导电元件5上感应产生的电压相等，但这些电压的相位差Pθ。流经各电阻元件r的电流大体上与(1/2)×(第一和第二定子24、25分别在转子导电元件5上感应产生的电压之间的差分电压)÷(电阻元件r的电阻值)成正比。但在转子8的各导电元件5中，除流入电阻元件r的电流外，还流有与(第一和第二定子在转子导电元件上感应的叠加电压)÷(各转子导电元件的阻抗)成正比的电流。该叠加电压当Pθ＝π时变为零，当Pθ＝0时达最大值，而转子各导电元件的阻抗由于是由一个电阻和辅漏抗组成的，因而它随转差率而变。因此，通过配置在各导电元件5之间的电阻元件r上的电流对流经转子8导电元件5的电流的比值，即使当Pθ不变时也随转差率及各电阻值而变化。在Pθ不变的情况下，转差率和转矩特性成了在普通绕线式感应电动机中加装的辅助电阻不变时和普通感应电动机的原电压处于控制状态时的联合特性，如图9所示。这些特性表明，可加以调节的转速范围比起来第一和第二定子24、25的绕组22、23串联连接时的配置方式更受到限制。
下面参照图10介绍一下将多个设置在第一和第二定子24、25上的绕组进行连接以形成不同极数的方法。
第一定子24绕有双绕组41A、41B，第二定子25绕有双绕组42A、42B，绕组41A、42A分别设有端子U2、V2、W2和U4、V4、W4，分别作为四极端子和八极端子，绕组41B、42B分别设有端子U1、V1、W1和U3、V3、W3，分别作为六极端子和十二极端子。第一定子24的绕组41A和第二定子25的绕组42A串联连接。同样，第一定子24的绕组41B和第二定子25的绕组42B也串联连接。更具体地说，第一定子24绕组41A的端子U4、V4、W4通过极开关S1，第一定子24绕组41B的端子U3、V3、W3通过极开关S5接到三相工业电源上。绕组41A的端子U2、V2、W2通过极开关S3、S8，绕组41B的端子U1、V1、W1通过极开关S7、S11接到三相工业电源上。
第一定子24绕组41A的端子X2、Y2、Z2分别接到第二定子25绕组42A的端子V2、W2、U2，定子24绕组41B的端子X1、Y1、Z1分别接到第二定子25绕组42B的端子V1、W1、U1上。第二定子25绕组42A的端子X2、Y2、Z2通过极开关S4、S9，绕组42A的端子U4、V4、W4通过极开关S2、分别接到三相工业电源上。第二定子25绕组42B的端子X1、Y1、Z1，通过极开关S10、S12，同一个绕组42B的端子U3、V3、W3通过极开关S6接到三相工业电源上。鉴于除了第一和第二定子的绕组41A、41B和绕组42A、42B以及极开关S1至S12的接线方式以外结构与图1至3所示的一样，因此这里不再重复。
现就上述接法作用的方式参照图1至3和图10加以说明。
绕在第一定子24和第二定子25上的绕组41A、42A、分别为四极和八极，绕组41B、42B分别为六极和十二极，因此各极的同步转速如下表所示。
极数与同步转速(转/分)之间的关系极数 4 6 8 12频率50赫 1500 1000 750 50060赫 1800 1200 900 600根据上述极数与同步转速之间的关系，现在，以频率为60赫的地区，转轴4的转数为1100转/分举例说明之。接通极开关S5、S6、S11、S12，其它开关处在断开状态，使电能从三相工业电源加到第一和第二绕组24、25的绕组41B、42B上。于是由于定子24、25在转子8的导电元件5上感应产生的电压，极数为6时，转子轴即轴4就会以1200转/分的同步转速转动。这时，如果要使转速降低100转/分，使其降到1100转/分，则要启动脉冲电动机，使得第一定子24和第二定子25彼此反向转动，而且可以调节由此而在定子24和25之间产生的相位移，使转子轴4的转速达到所要求的转速，即1100转/分。若想使转子轴4的转速变为400转/分，则在极开关S7、S10接通其它开关保持断开的情况下，当极数为12时，同步转速为600转/分。需要将转速在小转速范围(即从600转/分至400转/分的200转/分转速范围)内进行调节，则可以藉脉冲电动机35使第一和第二定子24、25转动来进行。
假定想使转子轴4在800转/分下运转。这时，令开关S8、S9闭合，其它开关打开，于是极数为八极时的同步转速为900转/分。要将转速进一步调到800转/分，可通过控制相位移来进行，而相位移的控制则通过脉冲电动机35的运转促使定子24、25转动来进行。
当想使转子轴4的转速为1600转/分时，令极开关S1、S2、S3、S4闭合，其它开关打开，于是轴4的转速在极数为4的情况下会是同步转速1200转/分，这时可以启动脉冲电动机35，使定子24、25转动，以调节相位移，使转速调到1600转子/分。
在上述的调速过程中，先是操作适当的极开关S1至S12，使转速暂时调到接近所要求的转速，然后小量调节定子24、25转动，以便最后达到所要求的转速。这样，由于可以在接近相应的同步转速下进行必要的调速，因而可以在宽广的转速范围内进行快速的无级调速，而且可以高效地进行这种调速。从图11所表示的在四极和八极下转差率与转矩形的关系曲线即可了解到这一点。刚谈到的接线方式是与分别绕在两定子24、25上的各绕组串联连接的接线方式结合起来使用的，而由于这些接线方式的协同作用，因而可以改善感应电动机的性能，使电动机的转速可以在较宽的转速范围内有效地进行调节，而且可以产生大的转矩，因而适合作为需要经常起动，停止和改变转速以及需要在宽转速范围内调速的电动机。
当然不言而喻，定子24、25上绕组的极数可根据所希望达到的调速范围任意选择。此外，如果例如有四个定子，在定子上装有多个绕组，且通过操作各极开关将电流加到若干特定的绕组中，使之产生接近所希望的转速的同步转速，再借助相位移装置来控制相位移，则即使转速范围宽也可以进行调速。这个宽范围调速是通过改变极数和稍微调节由定子24、25组成的相位移装置进行的。由于刚谈到的这种小量调节定子24、25的转动量小，因而无需令两定子都转动，只要其中任何一个定子转动就足以达到目的。
下面参照图12介绍相位转换开关接到各定子绕组的另一种相位装置。
第一和第二定子24、25上配置有单绕组43、44，其上分别设有若干端子，供改变极数之用。更具体地说，第一和第二定子24、25的绕组43、44上分别设有端子U1、V1、W1和U2、V2、W2、绕组43的端子U2、V2、W2通过极转换开关S13，同一个绕组42的端子U1、V1、W1通过极转换开关S14，接到三相工业电源上。端子U1和Z1，端子V1和X1，端子W1和Y1系分别通过相位转换开关S15进行连接的。在串联连接绕组43和绕组44的连接通路45和绕组44与三相工业电源之间的连接通路46中，插入有构成相位移装置47的多个相位转换装置。
接到相位转换开关S15的绕组43的电路系通过相位转换开关S17接到绕组44的端子U2、V2、W2上的，绕组44的端子U1和Z1，端子V1和X1以及端子W1和Y1分别通过相位转换开关S16进行连接的，这些端子的电路则通过相位转换开关S25接到三相工业电源上。这样，绕组43和绕组44串联连接，而且同相位。
此外，在绕组43与绕组44串联连接的连接通路45，以及绕组44各端子接到三相工业电源的连接通路46中，分别插接有相位转换开关S18至S24和S26至S29。各开关与绕组44各端子之间的详细接线情况将在后面结合有关说明它们的作用再介绍。此实施例与图1和图2中所示实施例不同的结构仅在于，第一和第二定子由于无需转动，系固定到机座14上，此外还设有极转换开关S13、S14和相位转换开关S15至S29。因此对结构相同或类似的装置这里不再介绍。在本实施例中，相位转换开关S15至S29构成相位移装置47。
现在参照图1、2和12介绍上述实施例的作用。
当电动机以最大转速运转时，极转换开关13和相位转换开关S15、S16、S17、S25接通，其它开关打开、这使绕组43、44同相位，且串联连接，这时转矩特性与普通感应电动机的一样。其次，在该极转换开关保持接通的情况下，相位转换开关S15、S16、S19、S22可以接通，其它开关打开。于是，绕组43接到相位转换开关S15的各端子和绕组44各端子接到相位转换开关S16的各电路与相位转换开关S22连通，电流从绕组44的端子U2、V2、W2通过相位转换开关S19流向三相工业电源。加到绕组44的电压的相位相对于加到绕组43的电压的相位的相移为60度，且转子8的转速随该60度相位移成比例下降。
当相位转换开关S15、S16、S20、S24接通，极转换开关S13仍然接通时，加到绕组44上的电压，其相位相对于加到绕组43上电压的相位的相位移成为120度，转子8的转速比相位移为60度时低。为了进一步降低转速，可令相位转换开关S15、S16、S22、S23接通，所有其它开关打开，而极转换开关S13保持接通。这样做之后，加到绕组44上电压的相位相对于加到绕组43上电压的相位的相位移成为180度，在极数不变的情况下，转连变得最低。在这种情况下，由于转矩下降，因此若在极数转换到比原来提供绕组43、44的大的极数之后，则可以有效地进行调速。下面即将介绍这种操作方式。
首先，当定子绕组43侧的极转换开关S14和相位转换开关S21、S26接通，而其它开关都打开时，绕组43和绕组44就通过连接通路45串联连接，从而使电流通过相位转换开关S26在绕组43和绕组44之间流通，而且经由相位转换开关S21流向三相工业电源。在这种情况下，加到绕组43和加到绕组44上的电压，相位相同，转速最高。其次，当相位转换开关S25、S27接通，其它开关打开，同时极转换开关S14仍然接通时，绕组43的端子X1、Y1、Z1与绕组44的端子Y1、Z1、X1连通，电流从绕组44的端子U1、V1、W1通过相位转换开关S25流到三相工业电源。分别加到绕组43、44上电压的相位移为60度，因此，这里转速比没有相位移时的转速低，而且与相位移正比例。
在极转换开关S14仍然接通，相位转换开关S24、S28接通，其它开关打开的情况下，绕组43、44之间的相位移变为120度，这时转速低于相位移为60度时的转速。为了使转速降到最低，在极开关S14保持接通的情况下，可以接通相位转换开关S22、S29，同时其它开关打开，从而使分别加到绕组43、44上电压的相位移变为180度，这使转速处于最低。
如上所述，通过适当操作组成相位移装置47的相位转换开关S15至S29和极开关S13、S14，可以控制加到多个具有其中一个极数的绕组的定子上电压的相位，从而可以有效对转速进行全面的控制。
相位移装置47采用相位转换装置这种结构实施例的重要性在于，尽管不能无级连续地进行转速控制，但通过转换极数和电压相位可以达到快速调速。若在此实施例中布置成令第一和第二定子24、25两者或其中之一转动，使得对相位可进行辅助性的控制，则可以连续快速地进行调速。要将转速调到任意所需要的转速还可以通过在相位移装置47上附加调压装置进行。
下面参看图3介绍相位移装置的另一个实施例。
第一定子24绕组22的端子A、B、C接到三相工业电源上，绕组22的端子a、b、c通过相位移装置50接到第二定子25绕组23的端子A、B、C上，相位移装置50则由单相变压器49和接线开关装置48组成。更具体地说，绕组22的端子a，b，c接到变压器49原绕组上，还接到接线转换开关S31、S33上，变压器49的副绕组则接到接线转换开关S32、S34上，如图所示。第二定子25绕组23的端子A、B、C分别接到接线转换开关S31至S34上。
现在谈谈上述实施例的工作情况。绕组22的端子A、B、C接到三相工业电源上，接线开关装置S48的电磁开关，只有S31接通，其它开关则打开，从而使分别加到绕组22、23的电压，相位相同，且转子轴4的转速达最高值。其次，当只有接线转换开关S52接通，其它开关打开时，通过变压器49加到绕组23的电压相位比加到绕组22上电压的相位超前60度，从而使转速比电压相位相同时的转速低。当只有接线转换开关S33接通时，加到绕组23上电压的相位变得比加到绕组22上电压的相位超前120度，结果使转速低于相位移为60度时的转速。当只有接线转换开关S34接通，加到绕组23上电压的相位比加到绕组22上电压的相位超前180度，在这种情况下转速最低。本实施例的转矩特性也与图8所示的一样。第一定子24和第二定子25之间的电压通过变换接线而产生相位移，其变化是分级的。但若令第一和第二定子24、25两者或其中之一可转动，就可以将转速调节到任何想达到的转速。在这种情况下，因为可以借助接线转换开关和通过定子的转动作为辅助手段在宽转速范围内改变转速，所以定子所需的转动量可限制在很小的范围内，从而可以快速进行调速。
现在参照图14介绍相位移装置的再一个实例。
本实例的相位移装置是一个三相感应调压器51。三相感应调压器51包括装在机座上的定子51a和转子51b。转子51b在轴向地装在定子51a内。定子51a具有原绕组52，转子51b。具有副绕组53。定子24绕组22的端子A、B、C接到三相工业电源。三相感应调压器51原绕组52的端子A、B、C接到第一定子24绕组22的端子a、b、c上，也接到副绕组53的端子a、b、c上。副绕组53的端子A、B、C接到第二定子25绕组23的端子A、B、C。这就是说，电动机的定子绕组22、23通过作为中间相位移装置的三相感应调节器51串联起来。
在本实施例中，令具有副绕组53的转子51b转动所要求的转动量，且令加到第一和第二定子24、25的绕组22、23上电压的相位位移，使转速可调节到所要求的转速。
现在参照图15介绍绕在第一和第二定子24、25上各绕组的连接方法。绕在第一定子24上的绕组22的端子U、V、W通过开关M1，端子X、Y、Z通过开关M5，接到三相工业电源上。绕组22的端子X、Y、Z可通过短接开关M6彼此短接起来。绕组22的端子U、V、W和端子Z、X、Y可通过开关M2连接起来。另一方面，绕组23的端子U、V、W通过开关M9，端子X、Y、Z通过开关M3接到三相工业电源上。绕组23的绕组端子U、V、W可通过短接开关M7短接起来。绕组23的端子U、V、W和端子Z、X、Y可通过开关M4连接起来。当绕组22的端子U、V、W和绕组23的端子X、Y、Z通过开关M8连接起来，绕组22的端子X、Y、Z和绕组23的端子U、V、W通过开关M10连接起来时，绕组22和绕组23可以彼此串联连接起来。
下面参照图1和图15介绍上述实施例的工作情况。
当开关M1、M3和M10接通，其它开关打开时，第一和第二定子24、25的绕组22、23成三角形接法。当电流从三相工业电源加到这些绕组22、23上时，定子24、25周围产生磁场，电流由于这些磁场而流到转子8的导电元件5上，于是转子8转起来。当令第一和第二定子24、25相对于第二定子25的转动量等于零时，则分别加到定子24、25的绕组22、23上的电压之间没有相位移产生。因此转矩特性与普通感应电动机的一样，转速达最高值。
当令脉冲电动机35运转时，转速可由第一和第二定子24、25的转动连续进行调节。当加到两定子24、25上电压的相位差变为180度时，转速达最低值。图16是定子绕组22、23按三角形接法，相位角从零至180度变化情况下，转差率和转矩的关系曲线。在S1至S2的转差率范围内，可以将转子轴4的转速调到任意想达到的转速。
但在上述情况下，不可能调节在S＝S2至S＝1.0转差率范围内的转速。这就是说，图16中所示的斜线区是不可能进行调速的范围。
为克服上述情况，可将绕组22、23转换成星形接法，这是在开关、M6、M8及M9都接通，其它开关打开的情况时进行的。在这种情况下，第一定子24和第二定25所产生的磁场的磁通φ1′、φ2′同相位。但由于第一和第二定子24、25的绕组22、23为星形接法，加到绕组22、23上的电压为上述三角形接法时所加电压的1/
。这就是说，磁通φ1′，φ2′在转子8的导电元件5上感应产生的电压也为1/
，且转子8的转矩与电压的平方成比例，因而转矩变为1/3。
因此，在图16中，根据在θ＝0°，S＝1.0时转矩为T1，在θ＝180°，S＝1.0时转矩为T2的假定，当第一和第二定子24、25的绕组22、23的接线转换成星形接法时，转矩特性如图17所示，因而使θ＝180°，S＝1.0时转矩变为(T1)/3，θ＝0，S＝1.0时转矩变为(T2)/3，从而以斜线表示的部分表明不能进行调速的范围缩小了。若这样设计，使T2＝(T1)/3，第一和第二定子24、25的绕组接线转换成三角形接法，通过转动第一和第二定子24、25使转子8的导电元件5上感应电压的相角从0变到180°，然后将两定子24、25的绕组22、23的接线转换到星形接法，则定子24、25的相位变成一样。因此，若令第一和第二定子24、25沿与上述相反的方向转动，从而使电压的相位从0°变到180°，就有可能适应因有关负荷而引起的反抗转矩的大变化进行宽范围的调速，而且即使在低转速范围内也可以保持大转矩。
图18展示了这样一个实例，在转子2、3之间的气隙中或在非磁性心件9的位置处，装在转子铁心2的导电元件5，这些在高阻环54延伸到整个转动轴4的情况下，可用电阻元件r的连接元件加以短接。即使当电阻元件r中的各连接元件不与所有导电元件相连接(即有些导电元件仍然不予连接)，也还能获得一定限度的作用。在为了改善功率和转矩的情况下，插接在各导电元件5之间的连接元件采用一组反极性串联连接的齐纳二极管，采用电阻材料和刚谈到的串联连接的齐纳二极管组作为连接元件，或者将这些电阻元件和齐纳二极管组连接起来一起配置在各导电元件5之间。
上述本发明的相位移装置并不局限于上面所介绍的，其它装置，只要能在两定子之间产生相位移，都可任意选用。此外，设在转子铁心的各导电元件也可以是用低电阻材料制成，因为各导电元件可以由各连接元件加以短接而仍然可以起改善转矩特性和效率的作用，如上面谈过的那样。若各定子上的绕组是那一种极数不能加以改变的绕组，则分别设在多个铁心上的各绕组可以串联起来，且各连接元件作为电阻元件可以插接在有关通路中，这样做可以获得相同或类似的效果。至于转子铁心上的绕组，可适当选用星形接法或三角形接法。
图19的方框图是用以说明调节可调速感应电动机的实例。
在由输入/输出控制电路56、控制电路57、计算电路58、存储器电路59等组成的控制装置55的输入端连接有带转速显示装置61的转速测定器60(例如测速发电机)、定子转动位置检测器62(例如磁力探测器)、配置在机座14不同部位的温度检测器63和带有显示装置的键盘。控制装置55的输出端连接有脉冲电动机35、锁定和释放可转动定子的转动用的电磁铁65和驱动风扇使空气进出机座14中以冷却绕组22、23、导电元件5、电阻元件r等用的电动机66。在控制装置55的存储器电路59中，某些控制信息是事先通过键盘64输入的。这就是说，说类信息的例子有可转动定子相对于0°至180°相位角的转动量、脉冲电动机35相对于定子转动量的脉冲控制值、定子的位置检测器62对0°至180°相位角的关系和机座14内部开始冷却的温度值。当通过操作键盘64将转子轴4的调速值输入到控制装置55中时，就能计算出定子满足所输入的转速值所需要的转动量，且能计算出脉冲电动机35对应于定子转动量的脉冲控制值。电磁铁65是按来自控制装置55的输出信号动作的，于是定子锁定机构释放，脉冲电动机35收到来自控制装置55进行调速的信号时运转。来自装在转轴4上的转速检测器60的转速测定值与调速值经过比较，当它们之间有差别时，控制装置就向脉冲电动机35发出要求进行补偿和调节转速的信号;当没有差别时，则被认为转速已达到所要求的转速，于是电磁铁65锁定定子的转动。
当传送到控制装置55由温度检测器63测出的温度值高于在存储器电路59所给定的基准值时，风扇用的电动机66响应从控制装置55发出的信号而开始吹风，以冷却绕组22、23、导电元件5、电阻元件r等。当在运转过程中从键盘输入任何新的转速值时，就计算出促使脉冲电动机35相对于定子从定子转动位置检测器62得到信号时的位置对于所希望的转动量所需要的脉冲控制值，然后电磁铁65和脉冲电动机35按来自控制装置55的输出信号重新开始运作，从而达到调速的目的。
极转换开关68、相转换开关69等也可以接在控制装置55的输出端，以便进行对应于输入到控制装置55的调速值的自动控制。也可以将空气冷却装置67接到风扇上，以便根据加到控制装置55的温度基准值控制空气冷却装置67。
本发明的感应电动机可作为感应发电机使用进行发电，在这种情况下，若将转子轴直接接到汽轮机或燃汽轮机的轴上，就可以不用昂贵的转速调节装置。若要与作为原动机的内燃机连接起来的，就可以在能耗最低的转数下进行发电。在利用风能或水能作为能源的地方，原动力既弱又不稳定，但却能在输出最大的转速下进行发电。当以水力作为能源时，可以有效地根据水流速度进行发电，而且可以不用复杂而昂贵的节浆距调节装置或旋转式调相机。此外，与外部电源进行整步可以不用昂贵的整步器。另外，若将转轴连接到其它转轴，则在定子绕组的输入端可设一个开关用以改变三相中的两相，并用开关装置操纵转轴使其按正反两方向中的任一方向转动，利用该开关和相位移装置，该系统可作为制动装置使用。通过相位移装置控制转速，可以调节与转轴连接的转动装置的制动作用。
权利要求
1.一种可调速的感应电动机，其特征在于包括一个转子，形成一个整体，具有多个装在一根公共轴的转子铁心，各转子铁心之间具有预定的间距，所述各转子铁心上分别装有多个彼此互相连接的导电元件；多个定子，环绕并面对所述各转子铁心并排配置，所述定子上分别绕有若干串联连接的定子绕组；连接元件，用以在一个气隙或配置在所述转子铁心之间所述气隙的非磁性心件部分短接所述导电元件；和相位移装置，用以提供与所述多个定子中至少一个定子的定子绕组具有一定相位的电压。
2.一种根据权利要求
1的可调速感应电动机，其特征在于，所述相位移装置可以使所述诸定子中的至少一个定子可绕一个与所述转子公用的轴线转动，从而使加到所述定子上各电压的相位角的位移可以有选择地在0°至180°的范围内调定。
3.一种根据权利要求
1的可调速感应电动机，其特征在于，所述相位移装置呈相位转换开关的形式，用以在至少其中一个定子上连接各绕组。
4.一种根据权利要求
1的可调速感应电动机，其特征在于，所述相位移装置由一个单相变压器和若干连接开关组成。
5.一种根据权利要求
1的可调速感应电动机，其特征在于，所述相位移装置是一个感应调压器。
6.一种根据权利要求
1的可调速感应电动机，其特征在于，所述定子分别具有多个极的绕组，各绕组具有多个端子，极转换开关连接到该所述端子上，操纵所述极转换开关即可改变各定子的极数。
7.一种根据权利要求
1的可调速感应电动机，其特征在于，各定子上的绕组设有若干能将导线的接线转换成三角形接法或星形接法的开关。
8.一种根据权利要求
1的可调速感应电动机，其特征在于，所述诸连接机元件用电阻材料制成。
专利摘要
该电动机具有一个制成一个整体的转子(8)和多个定子(24、25)。转子具有多个转子铁心(2、3)和彼此相互连接的多个导电元件(5)，各定子则具有各自的定子绕组(22、23)。各定子绕组串联连接，各导电元件则由连接元件(r)在气隙处或配置在转子铁心之间的非磁性心件处短接起来。多个定子中的至少其中一个与移相器连接，提供与各定子绕组具有一定相位的电压，从而可以在宽广的转速范围内轻易调速，并保持优异的转矩特性和效率。
文档编号H02P5/74GK87104033SQ87104033
公开日1987年12月16日 申请日期1987年6月2日
发明者佐竹利彦 申请人:株式会社佐竹制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan