專利名稱：多層次額定頻率結(jié)構(gòu)且規(guī)格化系列化的變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于變頻電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的三相感應(yīng)電機(jī)及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
目前變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。變頻器產(chǎn)品一代接一代不斷地推陳出新，推動(dòng)著變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的完善和進(jìn)步。電動(dòng)機(jī)和變頻器是組合成一個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱為系統(tǒng))最基本的兩部分。各種類型的三相感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱為通用電機(jī))是現(xiàn)有系統(tǒng)中使用量最多的電 機(jī)，它占據(jù)了總使用量的90%以上的份額。我國(guó)的通用電機(jī)額定頻率是50HZ，額定電壓大多為380VAc。在國(guó)外，不同地區(qū)通用電機(jī)的額定電壓有所不同，額定頻率有50HZ，也有60HZ，它們都是與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓等級(jí)和頻率相一致的。當(dāng)這些通用電機(jī)與變頻器組合成系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出特性曲線(以下簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)特性)如附圖I所示。兩曲線的“拐點(diǎn)”只與電機(jī)的額定頻率50HZ (或60HZ)相對(duì)應(yīng)?！肮拯c(diǎn)”把系統(tǒng)的調(diào)速范圍劃分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速兩個(gè)區(qū)域。事實(shí)上，目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外由通用電機(jī)組合成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)特性大多就如附圖I所示。小于50HZ (或60HZ)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，大于50HZ (或60HZ)為恒功率調(diào)速。本申請(qǐng)人在2007年4月12日提交了一發(fā)明申請(qǐng)《按負(fù)載特性和要求設(shè)計(jì)定子繞組以改造通用電機(jī)的設(shè)計(jì)方法》(以下簡(jiǎn)稱為A申請(qǐng))。已被授權(quán)，專利號(hào)200710039396. O。在2008年8月18日提交了一 PCT申請(qǐng)《一種由“原型電機(jī)”形成“派生電機(jī)”的方法》，申請(qǐng)?zhí)朠CT/CN2008/00148 (以下簡(jiǎn)稱為B申請(qǐng))。該申請(qǐng)?jiān)?010年8月18日進(jìn)入(中國(guó))國(guó)家階段，2011年12月6日通知被授權(quán)，專利號(hào)200880127377. 6。A申請(qǐng)和B申請(qǐng)?zhí)岢龅募夹g(shù)方法，是把額定頻率為50HZ (或60HZ)通用型的三相感應(yīng)式異步電機(jī)(以下稱之為通用電機(jī)或“原型電機(jī)”)，在不改變其機(jī)座號(hào)、外型尺寸和定子轉(zhuǎn)子鐵心尺寸的情況下，按三相定子繞組導(dǎo)線用銅量相當(dāng)?shù)囊?guī)則，對(duì)三相繞組中線圈匝數(shù)，每相繞組中線圈串并聯(lián)以及三相繞組之間Y— A聯(lián)接方式的變動(dòng)，進(jìn)而獲得該“原型電機(jī)”的眾多“派生電機(jī)”。A申請(qǐng)和B申請(qǐng)?zhí)岢龅募夹g(shù)方法，能讓任意一臺(tái)的“原型電機(jī)”獲得它的“派生電機(jī)”群。每一臺(tái)“派生電機(jī)”與它的“原型電機(jī)”的機(jī)座號(hào)、外形尺寸、內(nèi)部定子轉(zhuǎn)子鐵心的尺寸、三相繞組的導(dǎo)線用銅量都是相同的，也就是制造每一臺(tái)“派生電機(jī)”的耗材與其“原型電機(jī)”相同。當(dāng)每一臺(tái)“派生電機(jī)”與其相匹配的變頻器組合成系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，它的額定電壓不變，在它的額定頻率輸出額定功率時(shí)，定子繞組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流密度與它的“原型電機(jī)”在額定功率時(shí)的電流密度相同，也就是它們?cè)诟髯灶~定功率時(shí)的定子轉(zhuǎn)子的銅耗是相同的，但是它們的額定頻率、額定電流和輸出的額定功率是不相同的。若“派生電機(jī)”的額定頻率是150HZ，則其額定電流和額定功率是它的“原型電機(jī)”的3倍。從上述“派生電機(jī)”與它的“原型電機(jī)”的相同和不同之處的比較中可以得到以下的結(jié)論
I.電機(jī)運(yùn)行是將電能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的一種方式?！霸碗姍C(jī)”若要增大轉(zhuǎn)換功率，就需要增加它的額定功率，制造電機(jī)的耗材就會(huì)增加。“派生電機(jī)”的額定頻率若是它的“原型電機(jī)”的2倍、3倍、4倍，它的輸出額定功率就增加了 I倍、2倍和3倍，而它的制造耗材是和“原型電機(jī)”是相同的。2. “派生電機(jī)”與它的“原型電機(jī)”，當(dāng)它們各自在額定頻率輸出額定功率運(yùn)行時(shí)，盡管各自的額定電流也是不相同的，但它們?cè)诙ㄗ永@組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流密度卻是相同的，也就是它們的銅耗是相同的。若“派生電機(jī)”的額定功率是“原型電機(jī)”的2倍、3倍甚至4倍，它們的銅耗相同。這樣就能大幅減少了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中電機(jī)自身的損耗，提升了電機(jī)的運(yùn)行效率。因?yàn)殂~耗是影響電機(jī)運(yùn)行效率最為重要的因素。 根據(jù)A申請(qǐng)和B申請(qǐng)，可以從每一臺(tái)通用型電機(jī)獲得它眾多的“派生電機(jī)”。如上所述，“派生電機(jī)”制造時(shí)耗材少，運(yùn)行時(shí)銅耗低、效率高。也如在A、B兩申請(qǐng)中所述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)能按負(fù)載的特性和要求，選擇適合性的系統(tǒng)輸出特性，進(jìn)而獲得更為理想、經(jīng)濟(jì)合理的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。盡管A申請(qǐng)和B申請(qǐng)的技術(shù)能讓每一臺(tái)通用型電機(jī)都各自獲得眾多的“派生電機(jī)”，但是，目前，還不能實(shí)現(xiàn)如同Y2-E系列和Y系列等通用電機(jī)那樣的規(guī)格化、系列化。規(guī)格化、系列化的電機(jī)在大規(guī)模和廣泛應(yīng)用中是非常重要的一環(huán)。當(dāng)規(guī)格化、系列化電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和參數(shù)完全公開(kāi)、公布，廣泛的用戶和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員才有可能接受和根據(jù)需要選用新技術(shù)的電機(jī)產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在形成“派生電機(jī)”的基礎(chǔ)上，提出一種具有多層次額定頻率結(jié)構(gòu)，且規(guī)格化、系列化的變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。根據(jù)A申請(qǐng)和B申請(qǐng)技術(shù)，制造耗材與其“原型電機(jī)”相同，額定頻率在80HZ 200HZ段“派生電機(jī)”的輸出額定功率是其“原型電機(jī)”的1.6 4倍。本發(fā)明設(shè)想通過(guò)某一技術(shù)方法，為額定頻率50HZ (或60HZ)通用型系列的電機(jī)建立起一種7個(gè)層次額定頻率結(jié)構(gòu)且規(guī)格化系列化的變頻驅(qū)動(dòng)的電機(jī)系統(tǒng)。譬如我國(guó)的Y系列和Y2-E系列的通用電機(jī)，可以分別建立起額定頻率為80HZ、100 HZU20 HZU40 HZU60 HZU80 HZ、和200HZ 7個(gè)層次結(jié)構(gòu)，在規(guī)格上與原系列中每一臺(tái)電機(jī)相對(duì)應(yīng)的系列化的電機(jī)系統(tǒng)。在具體闡述本發(fā)明內(nèi)容前，先簡(jiǎn)要地介紹一下A申請(qǐng)和B申請(qǐng)的相關(guān)內(nèi)容。從任意一臺(tái)通用電機(jī)形成它眾多的“派生電機(jī)”，兩申請(qǐng)強(qiáng)調(diào)了不改變“原型電機(jī)”的機(jī)座號(hào)、外型尺寸和定轉(zhuǎn)子鐵心的尺寸，按定子繞組導(dǎo)線用銅量相當(dāng)?shù)囊?guī)則，只對(duì)三相繞組中每個(gè)線圈的匝數(shù)，每相繞組中線圈的串聯(lián)并聯(lián)和三相繞組間Y— A聯(lián)接方式各自變動(dòng)的組合，進(jìn)而獲得眾多的“派生電機(jī)”。B申請(qǐng)中的等效方法是以“原型電機(jī)”的定子繞組參數(shù)為基準(zhǔn)，按定子繞組導(dǎo)線用銅量相當(dāng)?shù)囊?guī)則，獲取“派生電機(jī)”與“原型電機(jī)”之間相關(guān)聯(lián)的等效系數(shù)S，再用該等效系數(shù)乘以相應(yīng)的“原型電機(jī)”的參數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的“派生電機(jī)”的參數(shù)。等效系數(shù)S為匝數(shù)因子X(jué)、串并聯(lián)因子Z和Y — A轉(zhuǎn)換因子Y的乘積，即S=X*Z*Y。其中，匝數(shù)因子X(jué)為“原型電機(jī)”定子繞組中每個(gè)線圏的匝數(shù)與“派生電機(jī)”定子繞組中每個(gè)線圈匝數(shù)的比值，即X=T/T±N (T為“原型電機(jī)”每個(gè)線圈的匝數(shù)，N為0、1、2、3、4……的自然數(shù))?！霸碗姍C(jī)”定子繞組中每線圈逐次減少一匝或逐次增加一匝，都形成了一個(gè)“派生電機(jī)”定子繞組的線圈匝數(shù)。串并聯(lián)因子Z為在“派生電機(jī)”定子每相繞組的線圈總數(shù)相對(duì)于對(duì)應(yīng)的“原型電機(jī)”定子每相繞組的線圈總數(shù)不變的情況下，與所述“原型電機(jī)”每相繞組的并聯(lián)支路的比值。當(dāng)“原型電機(jī)”的三相繞組為Y聯(lián)接，“派生電機(jī)”的三相繞組也是Y聯(lián)接，Y-A 轉(zhuǎn)換因子Y取值為I ;若“派生電機(jī)“的三相繞組改為A聯(lián)接，則Y— A轉(zhuǎn)換因子Y取值為S ;當(dāng)“原型電機(jī)”的三相繞組為A聯(lián)接，“派生電機(jī)”的三相繞組也是A聯(lián)接，則Y—A轉(zhuǎn)換因子Y取值為I ;若“派生電機(jī)”三相繞組改為Y聯(lián)接，則Y— A轉(zhuǎn)換因子Y取值為I/ S
o本發(fā)明應(yīng)用A、B兩申請(qǐng)的技術(shù)，從額定頻率50HZ或60HZ的通用電機(jī)(原型電機(jī))出發(fā)，獲取各自的額定頻率分別是80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ “新型電機(jī)”，(為與所述“派生電機(jī)”有所區(qū)別，本發(fā)明把這7種額定頻率的電機(jī)稱之為“新型電機(jī)”)，具體步驟如下
第一步驟
應(yīng)用A、B兩申請(qǐng)的技術(shù)，對(duì)通用電機(jī)選擇性地獲取額定頻率分別略大于或等于80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“派生電機(jī)”，且“派生電機(jī)”三相繞組選擇為Y聯(lián)接方式。這里，所謂略大于是指大于且最接近于這些頻率點(diǎn)。上述得到的“派生電機(jī)”分成7個(gè)層次，但都不能在額定頻率為80HZU00HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ七個(gè)點(diǎn)位上重合，也就是現(xiàn)有的技術(shù)方法尚不能實(shí)現(xiàn)在某一額定頻率點(diǎn)上的系列化。第二步驟
本發(fā)明提出一種方法，可以實(shí)現(xiàn)這些“派生電機(jī)”分別在上述7個(gè)額定頻率點(diǎn)上的重合。該方法可以讓每一臺(tái)“派生電機(jī)”的額定頻率按要求的目標(biāo)頻率值位移。故把它稱之為“額定頻率位移法”。根據(jù)A、B兩申請(qǐng)的技術(shù)，可以讓每一臺(tái)通用電機(jī)獲得眾多的“派生電機(jī)”。它是按三相繞組導(dǎo)線用銅量相當(dāng)?shù)囊?guī)則，只對(duì)定子三相繞組的聯(lián)接方式，每相繞組中線圈的串并聯(lián)支數(shù)和每線圈的匝數(shù)進(jìn)行變動(dòng)與組合。對(duì)電機(jī)的機(jī)座號(hào)、外型尺寸、定子鐵心的尺寸不作任何的變動(dòng)?！邦~定頻率位移法”在不變動(dòng)定子和轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外徑尺寸的前提下，對(duì)定子鐵心的長(zhǎng)度作適當(dāng)?shù)卦黾?，?shí)現(xiàn)“派生電機(jī)”額定頻率的位移。每一臺(tái)通用電機(jī)的鐵心長(zhǎng)度是個(gè)確定值，增加多少長(zhǎng)度才是適當(dāng)?shù)哪兀勘景l(fā)明研究表明鐵心長(zhǎng)度增加量的百分比應(yīng)當(dāng)與額定頻率位移量的百分比是一致的。即A =(F1-F2) /F2( A為鐵心長(zhǎng)度增加量的百分比，F(xiàn)l是位移前“派生電機(jī)”的額定頻率，F(xiàn)2是移位后“新型電機(jī)”的額定頻率，F(xiàn)1>F2)。實(shí)際操作時(shí)，鐵心長(zhǎng)度增加量取值，AS (F1-F2) /F2為宜。通過(guò)本發(fā)明方法，可以實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的多層次額定頻率結(jié)構(gòu)，得到多層次額定頻率結(jié)構(gòu)，且規(guī)格化、系列化的變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。


圖I為由通用電機(jī)組成的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出特性曲線，其中，a為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩一頻率特性，b為系統(tǒng)的功率一頻率特性。圖2為由7個(gè)層次額定頻率“新型電機(jī)”組成的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出特性曲線族族轉(zhuǎn)矩一頻率特性。

圖3為由7個(gè)層次額定頻率“新型電機(jī)”組成的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出特性曲線族功率一頻率特性。
具體實(shí)施例方式下面以我國(guó)Y系列和Y2-E系列電機(jī)中各取3臺(tái)不同規(guī)格電機(jī)為例，具體說(shuō)明如何分兩個(gè)步驟，從額定頻率50HZ (或60HZ)的通用電機(jī)獲取各自的額定頻率分別是80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ 和 200HZ “新型電機(jī)”的。6臺(tái)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表I。表I :
權(quán)利要求
1.多層次額定頻率結(jié)構(gòu)且規(guī)格化系列化的變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用A、B兩申請(qǐng)的技術(shù)，從額定頻率50HZ或60HZ的通用電機(jī)出發(fā)，獲取額定頻率分別是80HZU00HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“新型電機(jī)”，其特征在于具體步驟如下 步驟一 應(yīng)用A、B兩申請(qǐng)的技術(shù)，對(duì)通用電機(jī)選擇性地獲取額定頻率分別略大于或等于80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“派生電機(jī)”，且“派生電機(jī)”三相繞組選擇為Y聯(lián)接方式；這里，所述A申請(qǐng)名稱為《按負(fù)載特性和要求設(shè)計(jì)定子繞組以改造通用電機(jī)的設(shè)計(jì)方法》，專利號(hào)200710039396. O,B申請(qǐng)名稱為《一種由“原型電機(jī)”形成“派生電機(jī)”的方法》，申請(qǐng)?zhí)朠CT/CN2008/00148中國(guó)專利號(hào)為:200880127377. 6 ； 步驟二 使用“額定頻率位移法”，使上述這些“派生電機(jī)”分別在上述7個(gè)額定頻率點(diǎn)上的重合，具體做法是在不變動(dòng)定子和轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外徑尺寸的前提下，對(duì)定子鐵心的長(zhǎng)度作適當(dāng)?shù)卦黾应?F1-F2)/F2，A為鐵心長(zhǎng)度增加量的百分比，F(xiàn)l是位移前“派生電機(jī)”的額定頻率，F(xiàn)2是移位后“新型電機(jī)”的額定頻率，F(xiàn)1>F2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述通用電機(jī)為從我國(guó)Y系列和Y2-E系列電機(jī)中分別選取的3臺(tái)不同規(guī)格電機(jī)，6臺(tái)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表I : 表I
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述“額定頻率位移法”中，表I中，前3種電機(jī)鐵心長(zhǎng)度增加量為0-5%，后3種電機(jī)鐵心長(zhǎng)度增加量為0-6%。
4.一種由權(quán)利要求I所述設(shè)計(jì)方法得到的多層次額定頻率結(jié)構(gòu)且規(guī)格化系列化的變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述通用電機(jī)為從我國(guó)Y系列和Y2-E系列電機(jī)中分別選取 的3臺(tái)不同規(guī)格電機(jī)，6臺(tái)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表I :
全文摘要
本發(fā)明屬于變頻電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體為多層次額定頻率結(jié)構(gòu)且規(guī)格化系列化的變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明方法的步驟為應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)通用電機(jī)選擇性地獲取額定頻率分別略大于或等于80HZ、100HZ、120HZ、140HZ、160HZ、180HZ和200HZ的“派生電機(jī)”，且“派生電機(jī)”三相繞組選擇為Y聯(lián)接方式；使用“額定頻率位移法”，使這些“派生電機(jī)”分別在上述7個(gè)額定頻率點(diǎn)上的重合，即在不變動(dòng)定子和轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外徑尺寸的前提下，對(duì)定子鐵心的長(zhǎng)度作適當(dāng)?shù)卦黾?。本發(fā)明設(shè)計(jì)的“新型電機(jī)”相比較通用電機(jī)，具有節(jié)省耗材、運(yùn)行效率高的特點(diǎn)，并且更容易被廣大的設(shè)計(jì)人員和用戶認(rèn)可、接受，因而更更容易被推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)H02K3/28GK102790452SQ20121031510
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者徐志瑤, 徐馨 申請(qǐng)人:徐志瑤, 徐馨