多层次额定频率结构且规格化系列化的变频驱动电机及其设计方法

专利名称：多层次额定频率结构且规格化系列化的变频驱动电机及其设计方法
技术领域：
本发明属于变频电机技术领域，具体涉及一种变频驱动系统中的三相感应电机及其设计方法。
背景技术：
目前变频驱动技术已被广泛应用于各行各业。变频器产品一代接一代不断地推陈出新，推动着变频驱动技术的完善和进步。电动机和变频器是组合成一个变频驱动系统(以下简称为系统)最基本的两部分。各种类型的三相感应式异步电动机(以下简称为通用电机)是现有系统中使用量最多的电 机，它占据了总使用量的90%以上的份额。我国的通用电机额定频率是50HZ，额定电压大多为380VAc。在国外，不同地区通用电机的额定电压有所不同，额定频率有50HZ，也有60HZ，它们都是与当地电网的电压等级和频率相一致的。当这些通用电机与变频器组合成系统，系统的输出特性曲线(以下简称为系统特性)如附图I所示。两曲线的“拐点”只与电机的额定频率50HZ (或60HZ)相对应。“拐点”把系统的调速范围划分为恒转矩调速和恒功率调速两个区域。事实上，目前国内和国外由通用电机组合成的系统，其系统特性大多就如附图I所示。小于50HZ (或60HZ)为恒转矩调速，大于50HZ (或60HZ)为恒功率调速。本申请人在2007年4月12日提交了一发明申请《按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法》(以下简称为A申请)。已被授权，专利号200710039396. O。在2008年8月18日提交了一 PCT申请《一种由“原型电机”形成“派生电机”的方法》，申请号PCT/CN2008/00148 (以下简称为B申请)。该申请在2010年8月18日进入(中国)国家阶段，2011年12月6日通知被授权，专利号200880127377. 6。A申请和B申请提出的技术方法，是把额定频率为50HZ (或60HZ)通用型的三相感应式异步电机(以下称之为通用电机或“原型电机”)，在不改变其机座号、外型尺寸和定子转子铁心尺寸的情况下，按三相定子绕组导线用铜量相当的规则，对三相绕组中线圈匝数，每相绕组中线圈串并联以及三相绕组之间Y— A联接方式的变动，进而获得该“原型电机”的众多“派生电机”。A申请和B申请提出的技术方法，能让任意一台的“原型电机”获得它的“派生电机”群。每一台“派生电机”与它的“原型电机”的机座号、外形尺寸、内部定子转子铁心的尺寸、三相绕组的导线用铜量都是相同的，也就是制造每一台“派生电机”的耗材与其“原型电机”相同。当每一台“派生电机”与其相匹配的变频器组合成系统运行时，它的额定电压不变，在它的额定频率输出额定功率时，定子绕组和转子导体中的电流密度与它的“原型电机”在额定功率时的电流密度相同，也就是它们在各自额定功率时的定子转子的铜耗是相同的，但是它们的额定频率、额定电流和输出的额定功率是不相同的。若“派生电机”的额定频率是150HZ，则其额定电流和额定功率是它的“原型电机”的3倍。从上述“派生电机”与它的“原型电机”的相同和不同之处的比较中可以得到以下的结论
I.电机运行是将电能与机械能互相转换的一种方式。“原型电机”若要增大转换功率，就需要增加它的额定功率，制造电机的耗材就会增加。“派生电机”的额定频率若是它的“原型电机”的2倍、3倍、4倍，它的输出额定功率就增加了 I倍、2倍和3倍，而它的制造耗材是和“原型电机”是相同的。2. “派生电机”与它的“原型电机”，当它们各自在额定频率输出额定功率运行时，尽管各自的额定电流也是不相同的，但它们在定子绕组和转子导体中的电流密度却是相同的，也就是它们的铜耗是相同的。若“派生电机”的额定功率是“原型电机”的2倍、3倍甚至4倍，它们的铜耗相同。这样就能大幅减少了能量转换过程中电机自身的损耗，提升了电机的运行效率。因为铜耗是影响电机运行效率最为重要的因素。 根据A申请和B申请，可以从每一台通用型电机获得它众多的“派生电机”。如上所述，“派生电机”制造时耗材少，运行时铜耗低、效率高。也如在A、B两申请中所述，系统设计时能按负载的特性和要求，选择适合性的系统输出特性，进而获得更为理想、经济合理的变频驱动系统。尽管A申请和B申请的技术能让每一台通用型电机都各自获得众多的“派生电机”，但是，目前，还不能实现如同Y2-E系列和Y系列等通用电机那样的规格化、系列化。规格化、系列化的电机在大规模和广泛应用中是非常重要的一环。当规格化、系列化电机的技术数据和参数完全公开、公布，广泛的用户和系统设计人员才有可能接受和根据需要选用新技术的电机产品。

发明内容
本发明的目的是在形成“派生电机”的基础上，提出一种具有多层次额定频率结构，且规格化、系列化的变频驱动电机系统及其设计方法。根据A申请和B申请技术，制造耗材与其“原型电机”相同，额定频率在80HZ 200HZ段“派生电机”的输出额定功率是其“原型电机”的1.6 4倍。本发明设想通过某一技术方法，为额定频率50HZ (或60HZ)通用型系列的电机建立起一种7个层次额定频率结构且规格化系列化的变频驱动的电机系统。譬如我国的Y系列和Y2-E系列的通用电机，可以分别建立起额定频率为80HZ、100 HZU20 HZU40 HZU60 HZU80 HZ、和200HZ 7个层次结构，在规格上与原系列中每一台电机相对应的系列化的电机系统。在具体阐述本发明内容前，先简要地介绍一下A申请和B申请的相关内容。从任意一台通用电机形成它众多的“派生电机”，两申请强调了不改变“原型电机”的机座号、外型尺寸和定转子铁心的尺寸，按定子绕组导线用铜量相当的规则，只对三相绕组中每个线圈的匝数，每相绕组中线圈的串联并联和三相绕组间Y— A联接方式各自变动的组合，进而获得众多的“派生电机”。B申请中的等效方法是以“原型电机”的定子绕组参数为基准，按定子绕组导线用铜量相当的规则，获取“派生电机”与“原型电机”之间相关联的等效系数S，再用该等效系数乘以相应的“原型电机”的参数，计算出相应的“派生电机”的参数。等效系数S为匝数因子X、串并联因子Z和Y — A转换因子Y的乘积，即S=X*Z*Y。其中，匝数因子X为“原型电机”定子绕组中每个线圏的匝数与“派生电机”定子绕组中每个线圈匝数的比值，即X=T/T±N (T为“原型电机”每个线圈的匝数，N为0、1、2、3、4……的自然数)。“原型电机”定子绕组中每线圈逐次减少一匝或逐次增加一匝，都形成了一个“派生电机”定子绕组的线圈匝数。串并联因子Z为在“派生电机”定子每相绕组的线圈总数相对于对应的“原型电机”定子每相绕组的线圈总数不变的情况下，与所述“原型电机”每相绕组的并联支路的比值。当“原型电机”的三相绕组为Y联接，“派生电机”的三相绕组也是Y联接，Y-A 转换因子Y取值为I ;若“派生电机“的三相绕组改为A联接，则Y— A转换因子Y取值为S ;当“原型电机”的三相绕组为A联接，“派生电机”的三相绕组也是A联接，则Y—A转换因子Y取值为I ;若“派生电机”三相绕组改为Y联接，则Y— A转换因子Y取值为I/ S
o本发明应用A、B两申请的技术，从额定频率50HZ或60HZ的通用电机(原型电机)出发，获取各自的额定频率分别是80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ “新型电机”，(为与所述“派生电机”有所区别，本发明把这7种额定频率的电机称之为“新型电机”)，具体步骤如下
第一步骤
应用A、B两申请的技术，对通用电机选择性地获取额定频率分别略大于或等于80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“派生电机”，且“派生电机”三相绕组选择为Y联接方式。这里，所谓略大于是指大于且最接近于这些频率点。上述得到的“派生电机”分成7个层次，但都不能在额定频率为80HZU00HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ七个点位上重合，也就是现有的技术方法尚不能实现在某一额定频率点上的系列化。第二步骤
本发明提出一种方法，可以实现这些“派生电机”分别在上述7个额定频率点上的重合。该方法可以让每一台“派生电机”的额定频率按要求的目标频率值位移。故把它称之为“额定频率位移法”。根据A、B两申请的技术，可以让每一台通用电机获得众多的“派生电机”。它是按三相绕组导线用铜量相当的规则，只对定子三相绕组的联接方式，每相绕组中线圈的串并联支数和每线圈的匝数进行变动与组合。对电机的机座号、外型尺寸、定子铁心的尺寸不作任何的变动。“额定频率位移法”在不变动定子和转子铁心的内外径尺寸的前提下，对定子铁心的长度作适当地增加，实现“派生电机”额定频率的位移。每一台通用电机的铁心长度是个确定值，增加多少长度才是适当的呢？本发明研究表明铁心长度增加量的百分比应当与额定频率位移量的百分比是一致的。即A =(F1-F2) /F2( A为铁心长度增加量的百分比，Fl是位移前“派生电机”的额定频率，F2是移位后“新型电机”的额定频率，F1>F2)。实际操作时，铁心长度增加量取值，AS (F1-F2) /F2为宜。通过本发明方法，可以实现变频驱动电机的多层次额定频率结构，得到多层次额定频率结构，且规格化、系列化的变频驱动电机系统。


图I为由通用电机组成的变频驱动系统的输出特性曲线，其中，a为系统的转矩一频率特性，b为系统的功率一频率特性。图2为由7个层次额定频率“新型电机”组成的变频驱动系统的输出特性曲线族族转矩一频率特性。

图3为由7个层次额定频率“新型电机”组成的变频驱动系统的输出特性曲线族功率一频率特性。
具体实施例方式下面以我国Y系列和Y2-E系列电机中各取3台不同规格电机为例，具体说明如何分两个步骤，从额定频率50HZ (或60HZ)的通用电机获取各自的额定频率分别是80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ 和 200HZ “新型电机”的。6台电机的相关技术数据见下表I。表I :
权利要求
1.多层次额定频率结构且规格化系列化的变频驱动电机的设计方法，应用A、B两申请的技术，从额定频率50HZ或60HZ的通用电机出发，获取额定频率分别是80HZU00HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“新型电机”，其特征在于具体步骤如下 步骤一 应用A、B两申请的技术，对通用电机选择性地获取额定频率分别略大于或等于80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“派生电机”，且“派生电机”三相绕组选择为Y联接方式；这里，所述A申请名称为《按负载特性和要求设计定子绕组以改造通用电机的设计方法》，专利号200710039396. O,B申请名称为《一种由“原型电机”形成“派生电机”的方法》，申请号PCT/CN2008/00148中国专利号为:200880127377. 6 ； 步骤二 使用“额定频率位移法”，使上述这些“派生电机”分别在上述7个额定频率点上的重合，具体做法是在不变动定子和转子铁心的内外径尺寸的前提下，对定子铁心的长度作适当地增加Λ彡(F1-F2)/F2，A为铁心长度增加量的百分比，Fl是位移前“派生电机”的额定频率，F2是移位后“新型电机”的额定频率，F1>F2。
2.根据权利要求I所述的的设计方法，其特征在于所述通用电机为从我国Y系列和Y2-E系列电机中分别选取的3台不同规格电机，6台电机的相关技术数据见下表I : 表I
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于所述“额定频率位移法”中，表I中，前3种电机铁心长度增加量为0-5%，后3种电机铁心长度增加量为0-6%。
4.一种由权利要求I所述设计方法得到的多层次额定频率结构且规格化系列化的变频驱动电机。
5.根据权利要求4所述变频驱动电机，其特征在于，所述通用电机为从我国Y系列和Y2-E系列电机中分别选取 的3台不同规格电机，6台电机的相关技术数据见下表I :
全文摘要
本发明属于变频电机技术领域，具体为多层次额定频率结构且规格化系列化的变频驱动电机及其设计方法。本发明方法的步骤为应用现有技术，对通用电机选择性地获取额定频率分别略大于或等于80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“派生电机”，且“派生电机”三相绕组选择为Y联接方式；使用“额定频率位移法”，使这些“派生电机”分别在上述7个额定频率点上的重合，即在不变动定子和转子铁心的内外径尺寸的前提下，对定子铁心的长度作适当地增加。本发明设计的“新型电机”相比较通用电机，具有节省耗材、运行效率高的特点，并且更容易被广大的设计人员和用户认可、接受，因而更更容易被推广应用。
文档编号H02K3/28GK102790452SQ20121031510
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者徐志瑶, 徐馨 申请人:徐志瑶, 徐馨