繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)及控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]機(jī)電。
【背景技術(shù)】
[0002]電機(jī)或其它電器設(shè)備的工作原理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]通過構(gòu)建繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)及控制，充分利用了電機(jī)或其它電器設(shè)備的構(gòu)成資源，使電機(jī)或其它電器設(shè)備總體理論勢(shì)能可以實(shí)現(xiàn)。從而提高了電機(jī)或其它電器設(shè)備的功率和效率、降低了生產(chǎn)成本、縮小了體積和重量。同時(shí)又提供了有利于電機(jī)或其它電器設(shè)備改善性能、開發(fā)功能的資源結(jié)構(gòu)環(huán)境。
[0004]如:應(yīng)用本發(fā)明的從屬發(fā)明I “變換功率輸出”能夠生產(chǎn)出具有多種功率輸出的電機(jī)或其它電器設(shè)備；從屬發(fā)明2 “接力式無間斷換相法”可改善和提高電機(jī)或其它電器設(shè)備的性能和效率。
[0005]以直流無刷電動(dòng)機(jī)為例，說明繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)及控制的構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)。
[0006]一、電機(jī)三相繞組結(jié)構(gòu)存在的缺陷缺陷1、電機(jī)構(gòu)成資源利用率低
三相繞組結(jié)構(gòu)在輪序工作時(shí)總會(huì)有某相“閑置”，或“半負(fù)荷”狀態(tài)工作。所對(duì)應(yīng)的磁體資源也未得到充分利用。同時(shí)這種“閑置”也造成了功率器件的利用率過低。從而造成電機(jī)構(gòu)成資源的“浪費(fèi)”，降低了電機(jī)構(gòu)成資源的利用率。
[0007]分析如下:
(I)如附圖1 (a)所示，假設(shè)每相繞組的繞數(shù)為I匝，工作電流為2安培。當(dāng)U、V兩相為流入電流時(shí)，W相為流出電流。根據(jù)基爾霍夫電流定律，則W相電流為2安培。所產(chǎn)生的勢(shì)能為2安匝；U相、V相電流各為I安培所產(chǎn)生的勢(shì)能為I安匝+1安匝=2安匝，U、V、W三相繞組總勢(shì)能為4安匝。
[0008](2)如附圖1 (b)所示，假設(shè)條件同上。當(dāng)U相為流入電流時(shí)，W相為流出電流。貝U U相電流為2安培，所產(chǎn)生的勢(shì)能為2安匝；胃相電流為2安培，所產(chǎn)生的勢(shì)能也為2安匝相無勢(shì)能，U、V、W三相繞組總勢(shì)能為4安匝。
[0009]繞組的上述兩種工作方式，從產(chǎn)生勢(shì)能角度上講效果是一樣的。所以三相繞組結(jié)構(gòu)有33%以上的構(gòu)成資源未得到充分的利用。
[0010]缺陷2、電機(jī)總體勢(shì)能實(shí)現(xiàn)率低
仍然假設(shè)每相繞組的繞數(shù)為I匝、繞組的最大工作電流為2安培，則三相繞組結(jié)構(gòu)的電機(jī)可容納總匝數(shù)為3匝。所能產(chǎn)生的理論總勢(shì)能為2安培X3匝=6安匝。因三相繞組結(jié)構(gòu)不能使全部繞組同時(shí)都有2安培的電流流過，所以電機(jī)實(shí)際可提供的總勢(shì)能只有4安匝。約為電機(jī)資源所能提供的理論總勢(shì)能的67%。
[0011]二、解決上述缺陷的構(gòu)思及所采用的方法: 電機(jī)繞組采用偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)及控制。以“攜手工作”的方式，構(gòu)造出一個(gè)全繞組均電流、全磁體均利用的結(jié)構(gòu)環(huán)境。從而提高電機(jī)構(gòu)成資源的利用率并可以完全實(shí)現(xiàn)電機(jī)構(gòu)成資源所能提供的理論總勢(shì)能。
[0012]同時(shí)也有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
1、繞組是以“攜手”的方式工作，其相應(yīng)的控制器件也以“分擔(dān)”的方式承載負(fù)荷。因此相對(duì)于總的功率量來講對(duì)控制元件的承載能力也可以降低“級(jí)別”。因?yàn)榭刂破鞯闹饕杀臼枪β试杂挚梢越档涂刂破鞯纳a(chǎn)成本。這種“降低級(jí)別”的方式，也有助于突破超大功率電機(jī)的制造“瓶頸”。
[0013]2、在一個(gè)輪序周期所產(chǎn)生的電角度內(nèi)，增加了轉(zhuǎn)子移動(dòng)的次數(shù)?！捌交绷宿D(zhuǎn)子的脈動(dòng)，再加上下面將要提到的，“接力式無間斷換相法”消除的輸入功率空區(qū)和所產(chǎn)生的“前序力矩”以及抵消的反向制動(dòng)力矩，電機(jī)的脈動(dòng)問題可以得到很好的改善。
[0014]在偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)及控制的構(gòu)思框架下，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案為“二 &四”方案。即:二相繞組可并聯(lián)工作、四相繞組輪序控制。其原理如附圖2。
[0015]如附圖2 (a)所示，當(dāng)A、B相同時(shí)流入電流時(shí)，C、D相同時(shí)流出電流。
[0016]如附圖2 (b)所示，當(dāng)B、C相同時(shí)流入電流時(shí)，D、A相同時(shí)流出電流。
[0017]其它相如此類推。電機(jī)在工作中各相繞組同時(shí)都有相等的電流流過，消除了空閑的繞組。從而解決了三相繞組結(jié)構(gòu)缺陷I的問題。
[0018]假設(shè)條件同上，電機(jī)繞組的可容納總匝數(shù)為3匝，則四相繞組結(jié)構(gòu)時(shí)每相繞組可分配為0.75匝。每相繞組產(chǎn)生的勢(shì)能為2安培*0.75匝=1.5安匝。電機(jī)可產(chǎn)生的理論總勢(shì)能為1.5安匝*4相=6安匝。四相繞組結(jié)構(gòu)為電機(jī)的各相繞組同時(shí)流過2安培的電流提供了條件，因此理論總勢(shì)能可以得到實(shí)現(xiàn)。從而解決了三相繞組結(jié)構(gòu)缺陷2的問題。
[0019]產(chǎn)生的效果如下:
1、與參考的原電機(jī)相比，不改變電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和其它硬件參數(shù)，不改變電機(jī)生產(chǎn)的用材規(guī)格和用量、不增加電機(jī)的生產(chǎn)成本(甚至略有下降)，不改變電機(jī)的使用環(huán)境。僅改動(dòng)繞組的分布結(jié)構(gòu)和控制方法，就可使電機(jī)的額定輸出功率提高33%。
[0020]2、與參考的原電機(jī)相比，若其他資源條件許可(如槽容量、磁通量等)。只需用相同的線徑增加25%的用線量和增加約30%的磁體量(能滿足相應(yīng)功率輸出的磁體需求量)，就可使電機(jī)的額定輸出功率提高一倍。(由假設(shè)每相匝數(shù)0.75匝提高到I匝，則總勢(shì)能為2安培Xl匝X4相=8安匝)。
[0021]按照“二 &四”方案的思路，設(shè)計(jì)并制作出了繞組為4相，且可以2相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:實(shí)現(xiàn)了二相繞組可并聯(lián)工作、四相繞組輪序控制，產(chǎn)生指向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的功能。同時(shí)在繞組硬件和連接方式上未做任何的改變，僅在控制方式上做調(diào)整的情況下又做了本發(fā)明的從屬發(fā)明項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，證明了從屬發(fā)明項(xiàng)目的可行性。
[0022]從屬發(fā)明:
從屬發(fā)明1、變換功率輸出。
[0023]由偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)所提供的環(huán)境，可通過調(diào)整工作繞組的并聯(lián)數(shù)使電機(jī)擁有變換輸出功率的能力。本實(shí)驗(yàn)為由二相繞組并聯(lián)工作的方式變?yōu)橹挥幸幌嗬@組工作的非并聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)2變換功率輸出。由更多相的并聯(lián)方式則可產(chǎn)生更多種的功率輸出。
[0024]這種功能有別于三相繞組電機(jī)的調(diào)整控制。三相繞組電機(jī)是靠改變“占空比”的方式來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩的，當(dāng)速度和所需力矩成正比時(shí)此控制方式是必要的。但當(dāng)速度和所需力矩成反比時(shí)(如高速輕負(fù)載時(shí))，問題就來了。在保證了高速的需要時(shí)也增加了力矩的損耗，出現(xiàn)了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。變換功率輸出是對(duì)電機(jī)或其它電器設(shè)備單一功率輸出的改進(jìn)，其特征是適應(yīng)需求變化的多功率輸出功能。即可保證高速的需要又減小了力矩的消耗。此功能尤其適用于運(yùn)行過程中所需適應(yīng)不同功率輸出的調(diào)整，可有明顯的節(jié)能效果。
[0025]從屬發(fā)明2、接力式無間斷換相法。
[0026]由偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)所提供的環(huán)境，控制器可使用一種新的換相方法。且稱之為“接力式無間斷換相法”。即，當(dāng)電路由A、B相并聯(lián)工作轉(zhuǎn)為B、C相并聯(lián)工作時(shí)，B相控制不變動(dòng)，而關(guān)閉A相在上述分組中的有關(guān)元件，由上述分組中C相的有關(guān)元件接替工作。這樣實(shí)現(xiàn)了力矩的無間斷換相，可消除換相時(shí)“無功率輸入”的空區(qū)并產(chǎn)生了一個(gè)有益的“前序力矩”。
[0027]如附圖3 (a)所示:在正向輪序過程中，當(dāng)輪序由A、B相并聯(lián)欲轉(zhuǎn)換為B、C相并聯(lián)時(shí)A相關(guān)斷，此時(shí)由A、B相并聯(lián)所產(chǎn)生的復(fù)合磁極變?yōu)锽相的單相磁極，所對(duì)應(yīng)的磁路最短位置也發(fā)生了變化(至B的中心處)。且變化方向順應(yīng)于下序次B、C相復(fù)合磁極所產(chǎn)生方向。
[0028]如附圖3 (b)所示:在反向輪序過程中，當(dāng)輪序由A、B相并聯(lián)欲轉(zhuǎn)換為A、D相并聯(lián)時(shí)B相關(guān)斷。此時(shí)由A、B相并聯(lián)所產(chǎn)生的復(fù)合磁極變?yōu)锳相的單相磁極，所對(duì)應(yīng)的磁路最短位置也發(fā)生了變化(至A的中心處)。且變化方向順應(yīng)于下序次A、D相復(fù)合磁極所產(chǎn)生方向。
[0029]因此所產(chǎn)生的力矩也就充當(dāng)了有益于下序次復(fù)合磁極所產(chǎn)生的力矩的“前序力矩”。前序力矩的產(chǎn)生和存在有助于提高電機(jī)效率和改善電機(jī)性能。
[0030]同時(shí)，相電流關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)因與未關(guān)斷相還處于“聯(lián)手”的狀態(tài)，所以得到了相互減緩和抵消，減少了因相續(xù)流而產(chǎn)生的制動(dòng)力矩。從而提高電機(jī)的功率效率并改善了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)及控制是對(duì)電器設(shè)備中奇數(shù)相繞組結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，其特征是繞組結(jié)構(gòu)的偶數(shù)相可并聯(lián)，本項(xiàng)的權(quán)利要求是繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)在電機(jī)或其它電器設(shè)備廣品中的應(yīng)用。
2.從屬發(fā)明1，變換功率輸出是對(duì)電機(jī)或其它電器設(shè)備單一功率輸出的改進(jìn)，其特征是適應(yīng)需求變化的多功率輸出功能，本項(xiàng)的權(quán)利要求是以繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，變換功率輸出在電機(jī)或其它電器設(shè)備產(chǎn)品中的應(yīng)用。
3.從屬發(fā)明2，接力式無間斷換相法是對(duì)繞組換相方法的改進(jìn)，其特征是換相過程中功率輸入或輸出的無間斷，本項(xiàng)的權(quán)利要求是以繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，接力式無間斷換相法在電機(jī)或其它電器設(shè)備產(chǎn)品中的應(yīng)用。
4.利用繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)或其它電器設(shè)備產(chǎn)品的性能改善和功能開發(fā)。
【專利摘要】本發(fā)明“繞組的偶數(shù)相可并聯(lián)結(jié)構(gòu)及控制”實(shí)現(xiàn)了電機(jī)（電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等）的全繞組均電流全磁體均利用，解決了三相繞組結(jié)構(gòu)資源利用率低的問題。充分利用了電機(jī)的構(gòu)成資源來提高其可輸出功率。在保持電機(jī)整體結(jié)構(gòu)和硬件參數(shù)，不改變用材規(guī)格和用量，不增加生產(chǎn)成本的情況下使其輸出功率提高50%。若少量增加成本（25%左右）就可使電機(jī)的輸出功率提高一倍。從而較大幅度降低電機(jī)的生產(chǎn)成本、縮小電機(jī)的體積和重量。發(fā)明所提供的資源結(jié)構(gòu)環(huán)境有助于突破超大功率電機(jī)的制造瓶頸。從屬發(fā)明借助這種環(huán)境改善了電機(jī)的性能和效率，以及可開發(fā)出多功率輸出的電機(jī)。
【IPC分類】H02K29-00
【公開號(hào)】CN104578662
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510012367
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】夏陽
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月12日