一种交流电机及调速方法和普通电机改调速交流电机方法

技术领域

本发明涉及交流电机，尤其是能使交流电动机按照指令自行高性能无级变速运行的交流电机。

背景技术

现有的直流电动机具有较高的调速性能，但制造成本高，运行可靠性差，使用寿命短，以及中等功率直流电动机污染电网严重的缺点。由于直流电动机有换向器，使其功率等级、最高转速、高电压和使用环境都受到限制。加上直流电动机系统比同功率的交流感应电动机多消耗25％到40％的电能，用于设备节电改造不合算。

交流感应电动机，特别是鼠笼转子电动机与直流电动机相比，具有体积小，重量轻、造价低、少维护、运行可靠和使用寿命长等优点，但是，交流电动机的无极调速性能差，且需在电机外部附加各种技术复杂、成本很高的调速装置，如串极调速装置、变频调速装置等，才能调速运行，尤其是在使用这些外部附加的装置调速时，使鼠笼转子电动机几乎失去了所有的优点，并增加了污染电网的高次谐波，形成对电网的公害。

发明内容

为了克服现有交流电机的缺点和不足，以及交流电机没有外部附加调速装置，其自身难以进行无极调速运行的问题，本发明所采用的技术方案是：

一种调速交流电机，包括壳体、定子铁芯和鼠笼转子，在所述的定子铁芯上设有三项交流绕组，在所述的鼠笼转子上装有转轴，所述的定子铁芯内侧设有内轭环形铁芯，在所述的内轭环形铁芯上绕设有直流线圈，所述的直流线圈能够使内轭环形铁芯产生沿内轭环形铁芯周向的环形闭合回路磁通；所述的直流线圈能够控制内轭环形铁芯内的磁饱和程度。

进一步的，所述的内轭环形铁芯紧贴接触定子铁芯。

进一步的，所述的内轭环形铁芯靠近定子铁芯端部，所述的鼠笼转子远离内轭环形铁芯的一段伸出定子铁芯内侧。

一种针对交流电机的调速方法，在定子铁芯内侧形成一个能产生环形闭合磁通且能够控制磁饱和程度的环形铁芯。

进一步的，使该环形铁芯紧贴定子铁芯内侧。

进一步的，使鼠笼转子一段伸出定子铁芯内侧。

一种将普通交流电机改造成调速交流电机的方法，将普通交流电机的鼠笼转子沿定子铁芯轴向移动一端距离，使鼠笼转子一段伸出定子铁芯，在定子铁芯内侧空出部位设置内轭环形铁芯，在内轭环形铁芯上绕设有能控制内轭环形铁芯磁饱和程度的直流线圈，该直流线圈能够使内轭环形铁芯产生沿内轭环形铁芯周向的环形闭合回路磁通。

上述方案的交流电机，采用了全新的结构和调速方法，而且保留了鼠笼转子电动机的各种优点，比使用串极调速和变频调速装置的效率更高，不产生污染电网的高次谐波，能在小于额定电流下拖动负载顺利启动，其运行功率因数达到0.9以上；由于不需要在电动机外部附加大功率电力电子换流装置调速，避免各种负面效应，且节省了外部附加装置的额外投入；用于工业锅炉鼓风机的节能改造，能比风门调节流量方法节电60％左右，同时节省了风门部件和控制风门的伺服电机系统的投资；用于循环水泵的节能改造，由100％流量下调到70％流量时，能比用出口阀门调节流量节省60％的电能；该交流电机能在小于额定电流下拖动负载顺利启动，由于没有大启动电流，节省启动设备的投资和维护费用。

附图说明

图1为本发明交流电机结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的交流电机包括壳体1、定子铁芯2和鼠笼转子3，在定子铁芯2内孔槽中绕设有三项交流绕组，鼠笼转子设置在定子铁芯2内侧，在鼠笼转子3上设有转轴4，转轴4通过轴承7与壳体1配合安装，在定子铁芯2内设置有内轭环形铁芯5，鼠笼转子3与定子铁芯2之间有气隙，而该内轭环形铁芯5紧贴定子铁芯2内壁(为方便安装可以通过过盈配合进行安装，或者通过胶粘的形式安装，胶粘装配时内轭环形铁芯与定子铁芯之间理论上不是直接接触，而存在一定间距，但是依然符合使用要求，因此内轭环形铁芯与定子铁芯是否接触均可行，这里只是针对实施例中较优的方案进行进一步的阐述)，在内轭环形铁芯5上绕设有直流线圈6，该直流线圈6是沿着内轭环形铁芯5周向螺旋缠绕，从而当直流线圈6通入直流电时内轭环形铁芯5内会产生一个沿内轭环形铁芯5周向的环形闭合回路磁通，直流线圈6通电后能够改变内轭环形铁芯5内磁饱和程度。

由于鼠笼转子3与定子铁芯2之间有气隙，磁阻较大，加上转子有功电流的磁势方向与定子铁芯磁势相反，使鼠笼转子的磁回路阻抗大，而内轭环形铁芯5与定子铁芯铁芯是无气隙贴紧固定的，其回路磁阻很小，在直流线圈6无电流时，因回路磁阻小，使定子铁芯旋转磁链都集中到内轭环形铁芯5的回路中，鼠笼转子气隙中的旋转磁链很少，使鼠笼转子3基本上无转矩输出。当加到直流线圈6两端的电压逐渐升高，电流逐渐增加时，因直流线圈6的匝数高达几千匝，只有几个安培的低压电流就能够使内轭环形铁芯5达到饱和，此时内轭铁芯回路的磁阻大于鼠笼转子回路的阻抗值，其定子的旋转磁链又逐渐转移到鼠笼转子3铁芯的磁回路中，随着加到直流线圈两端的直流电压的升高，鼠笼转子的输出转矩就逐渐增大，达到与被拖动机械在设定转速下的负载平衡，实现无极调速运行的目的。

如图1所示鼠笼转子3远离内轭环形铁芯5的一段伸出定子铁芯2内侧，鼠笼转子运行时在特大转差率下所产生的过大感应电势E2,其中一部分由伸出定子铁芯2外的鼠笼转子叠片所产生负的自感电势－E2所抵消，其余部分由串联在定子绕组首端的三项交流电容器直接回馈到定子绕组上，形成由定子绕组和电容器耦合后供电的第二个电源。本发明的调速方法，是使电机定子三项绕组直接使用电网的三相交流电源供电的，不经过电力电子设备换流，所以不产生污染电网和污染电动机的高次谐波，比现有的鼠笼转子电动机的优点还多，而且具有直流电机的调速性能。

从上述结构可以看出实现交流电机调速的方法总体思路为：在交流电机的定子铁芯内侧设置能产生环形闭合磁通的内轭环形铁芯，通过改变内轭环形铁芯的磁饱和程度来实现电机调速。

根据上述结构和实现交流电机调速的原理，可以将普通交流电机改造成能够调速的交流电机，即将普通交流电机的鼠笼转子沿定子铁芯轴向移动一端距离，使鼠笼转子一段伸出定子铁芯，在定子铁芯内侧空出部位设置内轭环形铁芯，在内轭环形铁芯上绕设有能控制内轭环形铁芯磁饱和程度的直流线圈，该直流线圈能够使内轭环形铁芯产生沿内轭环形铁芯周向的环形闭合回路磁通。