專利名稱：增加非同步短路電機運轉效率的方法及其非同步短路電機的制作方法
技術領域：
本發明系屬于發電領域，并可用于機電能轉換系統，尤指非同步短路電機。
背景技術：
德國專利揭露一非同步引擎(51083，C1.H02K17/16，1889)，該非同步引擎包括一定子與一轉子。該轉子具有一鼠籠式線圈組，而該線圈組則具有復數導體棒。各導體棒是對稱地安裝在轉子表面四周的槽孔內，且導體棒的端部以端環而形成短路。該非同步引擎的運轉原理是依據定子的主要旋轉電磁場與在轉子內產生的次要感應電磁場間的相互磁性耦合。該電機設計的不足之處為低工程特性、低電力產生能力、低運轉與技術-經濟 效能，例如次最適化的效率因數與功率因數、大起動電流、大無效電流、小起動轉矩、弱轉矩-速率特性以及大額定轉差率。造成所有前述不足之處，其原因為該電機所產生的磁場的快速變化以及較少定子與轉子電磁場向量乘積的模組。這二個原因是來自于轉子電樞的縱向元件反應的強烈影響以及在該電機中產生的低效能磁場。該磁場是由鼠籠式線圈組的導體棒產生，而因為最大電動勢會限制小電動勢，故各導體棒的電動勢會暫時小于位在定子磁場的磁軸上的導體棒的電動勢。美國專利「制造具有多籠式電路轉子的高效率感應馬達的方法」包括一定子與一轉子(4，095, 332，Cl. H02K17/12,1978)。該定子具有復數導體棒，而各導體棒是對稱地安裝在轉子表面四周的槽孔內，并有與槽孔不等數目的端環連結上述的各導體棒。該感應馬達的運轉原理與前述的先前技術相同，而此技術方法是用以減少線路電壓的較高階諧波的作用；該作用是提供給定子以做為該電機的電磁制動。不過，該電機不足之處為小起動電流，故其應用僅局限于具有小起動負載轉矩的所謂的「風扇式」電機裝置。與本發明的技術內容最接近的先前技術為法國專利「感應式非同步馬達」(2208892，Cl. H02K17/16，2003)。該感應式非同步馬達包括一定子與一轉子。該定子具有復數導體棒，而各導體棒是對稱地安裝在轉子表面四周的槽孔內，且與馬達的旋轉軸平行。各導體棒在轉子端面的一端且與所有在轉子周圍相對于此導體棒位移一極距角的導體棒的端部相連。在此技術方法中，η個定子與轉子的磁場向量產生電磁轉矩。此方法不足之處在于只在轉子相對于定子的某些位置上，轉矩才會增加，這會造成轉矩對轉子旋轉的變化，而無法適度地增加起動轉矩。因此之故，其應用被局限于具有小起動負載轉矩的所謂的「風扇式」電機裝置，在這些風扇式電機裝置中，起動負載轉矩是隨著加速度的二次方而增加。此轉矩的不均勻在該電機運轉時會造成爆震、噪音與震動，因而此技術僅局限于飛輪式電機裝置并會造成過多的磨損。

發明內容
依據本發明所揭露的方法，在延伸至鄰近定子的極距極限區域的轉子線圈組的短路線圈上的定子旋轉電磁場的作用是由在延伸至鄰近定子半極距極限區域的轉子線圈組的短路線圈上的定子旋轉電磁場的額外作用來補強。由上述的方法及依據此方法的電機，所得的技術結果為相較于先前技術所揭露的電機，本發明的電機可藉由消除制動效應產生的損耗來降低起動電流比，使得在不降低負載的條件下得以增加馬達的起動頻率，并可在 傳動軸負載增加的情形下，在最嚴峻的運轉條件中使用該電機。在一個相位不連續的情況下，該電機仍可維持旋轉場效應及完全運轉，并在相位不連續的線圈組中以小于I%的非線性失真因數產生屬于該失去的相位的高品質諧波。達成本發明實施例所述的技術結果的原因為提供給定子的交流電會在該定子中產生主要旋轉磁場，而因與轉子磁性耦合，故該主要旋轉磁場會在其短路線圈中產生感應電流。該短路線圈是由多組短路導體棒所組成，該導體棒在轉子周圍的分布方式使電流從位在產生最大電流區域內的導體棒流出，因而提供定子的最小磁場強度以及與轉子之間的最小機電作用。該電流被導入對應于定子的最大磁場的導體棒，因而以第一、第二或甚至更高階的諧波在側向與縱向上產生以轉子的次要磁場補強定子的主要磁場的條件。該第一、第二或甚至更高階的諧波可強化轉子與定子間機電作用的效率，以增加傳遞給傳動軸的機械功率，并可在發生定子線路電壓相位不連續時，維持該電機的可運轉能力。


圖I為本發明的電機的第一實施例的端面2為本發明的電機的第二實施例的端面3為本發明的電機的第一實施例(b)與第二實施例(C)與雛形(a)的速率/轉矩特性曲線比較4為本發明的電機的輸出(e)及所消耗功率(e，)與雛形(d)、(d’ )的比較圖
具體實施例方式圖I為本發明非同步短路電機的一實施例(電極對的數目可改變)。該電機包括一具有雙極的定子(I)與轉子(2)，轉子(2)的十八個絕緣的導體棒(3-3’)，且成對的安裝在九個槽孔⑷內(轉子的導體棒的數目可改變)。槽孔⑷內各導體棒⑶的端部與其他槽孔⑷內各對應導體棒(3’)的端部相連，各槽孔⑷則以相隔最接近定子⑴的半極距的距離分布在轉子(2)的周圍，以形成各由兩個串聯的導體棒(3-3’ )組成的短路線圈。圖2為本發明非同步短路電機的另一實施例。該電機包括一雙極的定子(I)與轉子(2)，轉子(2)的三十六個絕緣的導體棒(3-3’)、(3”-3”’)，以四個為一組安裝在九個槽孔(4)內。各組導體棒(3-3’)的端部各自與導體棒(3”)的端部相連。導體棒(3”)的端部以相隔最接近定子(I)的半極距，且在該半極距范圍內的距離分布在轉子(2)的周圍，而導體棒(3”’)的端部則以相隔最接近定子(I)的半極距，且在該半極距范圍以外的距離分布在轉子(2)的周圍。在此型式中，各組導體棒(3-3’ -3”-3”’ )是在串聯電路中彼此相連結，以形成短路線圈。本發明非同步短路電機的第一實施例可做為具備剛性的速率/轉矩特性的通用馬達。本發明非同步短路電機的第二實施例可做為具備高起動轉矩的牽引馬達。
該電機的運轉原理如下若該電機是做為引擎使用，則定子(I)的主要線圈是與具有兩個(或多個)彼此互相切換并隨時間交換的相位的線路電壓網路連結。在此情形下，電流開始流過線圈組以產生定子(I)的旋轉磁場。該磁場的不規則結構則由流動的電流來決定。在此情形下，在電流為最大的區域中，該磁場強度最大，而在電流曲線通過零值的區域，磁場幾乎不存在。這二個區域的分隔距離為半極距。在磁場強度最大的區域中，主電流曲線有轉折，而其導數則為零。另一方面，在磁場強度為最小的區域中，該電流曲線會通過零值，而其導數值則為最大。此種在定子(I)鐵芯中建立的旋轉磁場會與靜態的轉子(2)互相作用，其中在轉差率為-I時，會產生相同的不規則次要磁場。該次要磁場會在轉子(2)的短路導體棒(3)中產生次要感應電流，而這些電流則會建立其各自的磁場。與主要電流類似的是，該次要電流亦具有不規則的結構，并在最大值與最小值為半極距之間切換。在主電流與主磁場均為最大值的區域中，因為次要電流的導數與通率為零，故次要電流與次要磁場亦為零；而在主要電流及主要磁場的數值與導數均為最大值的區域，次要電流與次要磁場的數值為最大。因為電流為最大值的轉子(2)，其導體棒(3)是靠近以半極距為最大角度分隔的導體棒(3)(或以最大磁場通過該導體棒(3))，故在磁場交叉時會在這些導體棒中產生感應電流，以在主 要磁場為最大值的區域中產生額外的次要磁場。這會在轉子(2)及定子(I)間提供強化的機電作用，而不增加起動電流。起動轉矩是隨著速率采集時間的減少而增加。應注意的是，電流是非常平順地自主動導體棒(3)流向被動導體棒，而無任何爆震現象。這是因為只有一個EMF(電動勢)源作用在最大電流，其結果為會對減低鐵芯鋼材中的損耗的第一諧波做功。在轉子(2)與定子(I)間建立機電作用后，會產生驅動轉矩，而轉子(2)則開始轉動。隨著加速度的增加，次要磁場的頻率跟著下降，而被動導體棒(3)則開始在縱向上愈來愈磁化主要電路的最大電流區，并將較大比例的循環能(即所謂的電樞反應)傳入該區。此外被吸收的電流降低，而其結果為轉矩也跟著降低。隨著電流的下降，鐵芯鋼材的飽和度也跟著減少，而轉子(2)線圈組的感應及其時間常數則增加。其結果為，由于速率采集的因素，主動導體棒(3)會愈來愈靠近定子(I)具最大磁場的區域。而在此時，被動導體棒與主動導體棒(3)皆開始將其未使用的能量以及在次要電路中，電流的排種頻率釋放至主要電路中。在轉差率為-O. 25 -O. 15的范圍內，轉折會出現在速率/轉矩特性中，而電機則進入馬達的額定運轉模式，最后則以轉差率介于-O. 005與-O. 001間的空轉結束。在馬達運轉模式下，轉子(2)反應是非常有效率的，而定子(I)的鋼材則在側向上被次要電流相當適度地磁化，使得可以在不損失可運轉能力的條件下，讓一個相位不連續。若在額定運轉模式下發生一個相位不連續，則其余相位的電流會成比例增加，且電機繼續運轉。此時，會在定子線圈組中產生該失去相位的EMF，而對傳動軸的機械負載可被對自由相位線圈組的電負載所取代；該自由相位線圈組是在轉差率介于-O. 15與-O. 001間實作出分相模式。當鐵芯鋼材殘余的磁化強度在旋轉電機的定子(I)的主要線圈組中感應出一些EMF時，轉子(2)的有效反應也可確保發電的自律模式。若電容是連結至主要線圈組，則該電容會在相異的儲能裝置間產生能量交換的電流，以在傳動軸的旋轉頻率上激勵電機，其中有一些延遲與諧波電壓是在轉差率介于-O. 3及+0. 005間依比率改變，直到達到標稱值為止。此時，在轉差率介于+0. 002及+0. 005時，會在標稱頻率上產生額定EMF，而在更高的頻率時，輸出頻率與電壓亦會線性地增加到高于額定值。當電機運轉在馬達條件下,在機械能提供給傳動軸以及在傳動軸的旋轉超過同步速率(轉差率超過+0)時，會建立能量釋放至電路中的發電機模式。如果機械強度許可，此模式可在轉差率介于+0. 001與+1. 17間實現。此時，隨著轉差率的增加，作用在傳動軸的轉矩亦跟著增加，而電流曲線在高于額定條件發生轉折后，前導線路電壓會平順地增加；為使電機維持線路電壓的同步運轉模式，該前導線路電壓的增加是必要的。圖3及圖4為非同步短路電機的特性比較圖。·
權利要求
1.增加非同步短路電機運轉效率的方法，包括將定子的旋轉電磁場作用于轉子線圈組的短路線圈，該轉子線圈組的短路線圈是延伸至鄰近定子的極距極限的區域，其中定子的旋轉電磁場對轉子線圈組的短路線圈施以補強作用，而該轉子線圈組的短路線圈則是延伸至鄰近定子的半極距極限的區域。
2.非同步短路電機，該非同步短路電機包括具有線圈組的磁性定子鐵芯，以及被設計成具有線圈組的轉子磁芯，該線圈組具有復數由絕緣導體棒構成的短路線圈，而各絕緣導體棒是分別安裝在轉子槽孔內且與其旋轉軸平行，其中各短路線圈由二個串聯的絕緣的導體棒構成，二絕緣導體棒之間的距離由定子的半極距決定，且該二絕緣導體棒是安裝在鄰近其各自極限的區域內的轉子槽孔中。
3.如權利要求2所述的非同步短路電機，其中各短路線圈的導體棒是安裝在鄰近定子的半極距極限，并在該半極距極限內側的轉子槽孔中。
4.如權利要求2所述的非同步短路電機，其中各短路線圈的導體棒是安裝在鄰近定子的半極距極限，并在該半極距極限外側的轉子槽孔中。
5.如權利要求2所述的非同步短路電機，其中各短路線圈的導體棒的安裝方式為一導體棒是安裝在定子的半極距的內側，而另一導體棒則是安裝在定子的半極距的外側，各導體棒均分別位于鄰近其各自極限的轉子槽孔中。
6.非同步短路電機，該電機包括具有線圈組的磁性定子鐵芯，以及被設計成具有線圈組的轉子磁芯，該線圈組具有復數由絕緣導體棒構成的短路線圈，而各絕緣導體棒是分別安裝在轉子槽孔內且與其旋轉軸平行，其中各短路線圈由四個串聯的絕緣導體棒構成，其中二個絕緣導體棒是安裝在一轉子槽孔中，而另二個絕緣導體棒則安裝在二個鄰近的轉子槽孔中，此二個轉子槽孔離第一個槽孔的距離是由定子的半極距決定，并鄰近其與二側間 的極限。
全文摘要
依據本發明所揭露的內容，在延伸至鄰近定子的極距極限區域的轉子線圈組的短路線圈上的定子旋轉電磁場的作用是由在延伸至鄰近定子半極距極限區域的轉子線圈組的短路線圈上的定子旋轉電磁場的額外作用來補強。由上述的方法及依據此方法的非同步短路電機，相較于先前技術所揭露的非同步短路電機，具有較小的引擎起動電流比，是因為預防在不降低負載的條件下，得以增加起動頻率，并可在傳動軸負載增加的情形下，在最嚴峻的運轉條件中使用該非同步短路電機，其中在一個相位不連續的情況下，該非同步短路電機仍可維持旋轉場效應及完全運轉，并在相位不連續的線圈組中產生屬于該失去的相位的高品質諧波。
文檔編號H02K17/18GK102804563SQ200980160261
公開日2012年11月28日 申請日期2009年12月8日 優先權日2009年6月30日
發明者尼吉拉·伊萬諾維奇·北達隆 申請人:Smp科技股份公司