申请/专利权人：中铁电气化局集团有限公司;中铁电气化局集团有限公司第二工程分公司

申请日：2019-01-08

公开（公告）日：2024-06-11

公开（公告）号：CN109450205B

主分类号：H02K16/04

分类号：H02K16/04;H02K3/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.11#授权;2020.01.10#专利申请权的转移;2019.04.02#实质审查的生效;2019.03.22#著录事项变更;2019.03.08#公开

摘要：本发明公开了一种三相交流电变单相交流电的交流电机，包括：设置在交流电机单转轴上的转子，并且转子上设置有阻尼绕组；套设在转子一端的第一段定子，第一段定子上设置有第一输入绕组和第一输出绕组；套设在转子中部的第二段定子，第二段定子上设置有第二输入绕组和第二输出绕组；套设在转子另一端的第三段定子，第三段定子上设置有第三输入绕组和第三输出绕组；第一输出绕组、第二输出绕组和第三输出绕组相连接；第一输入绕组的轴线超前第二输入绕组的轴线120°电角度，述第一输入绕组的轴线超前第三输入绕组的轴线240°电角度。本发明的交流电机，将三相交流电变为单相交流电，解决了三相不平衡的问题，可靠性高造价较低。

主权项：1.一种三相对称交流电变单相交流电的交流电机，其特征在于，包括：设置在交流电机单转轴上的转子，并且所述转子上设置有阻尼绕组；套设在所述转子一端的第一段定子，所述第一段定子上设置有第一输入绕组和第一输出绕组；套设在所述转子中部的第二段定子，所述第二段定子上设置有第二输入绕组和第二输出绕组；套设在所述转子另一端的第三段定子，所述第三段定子上设置有第三输入绕组和第三输出绕组；所述第一输出绕组、所述第二输出绕组和所述第三输出绕组相连接；所述第一输入绕组通过电磁耦合连接于所述第一输出绕组，所述第二输入绕组通过电磁耦合连接于所述第二输出绕组，所述第三输入绕组通过电磁耦合连接于所述第三输出绕组；第一输出绕组、第二输出绕组和第三输出绕组均在90°位置；所述第一输入绕组的轴线超前所述第二输入绕组的轴线120°电角度，所述第一输入绕组的轴线超前所述第三输入绕组的轴线240°电角度。

全文数据：一种三相对称交流电变单相交流电的交流电机技术领域本发明属于电机技术领域，具体涉及一种三相对称交流电变单相交流电的交流电机。背景技术在全球电力工业中，三相制交流电已占据绝对的统治地位，但因为单相负荷的存在，导致三相负荷还存在不平衡问题。我国电气化铁路采用单相工频交流制式，但三相电流不平衡、谐波、无功问题依然存在，尤其以三相电流不平衡问题最为突出。为解决此问题，在现有技术中，电气化铁路通常采用以下两种方式：1、采用交直交的变流技术路线；2、采用基于对称补偿原理的单三相组合式同相供电装置技术路线。它们虽解决了三相电流不平衡、谐波、无功的问题，但还存在系统复杂，造价高昂、可靠性相对较低的缺点。发明内容为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种三相对称交流电变单相交流电的交流电机，通过改变第一输入绕组、第一输出绕组、第二输入绕组、第二输出绕组、第三输入绕组和第三输出绕组的空间位置，将三相交流电变为单相交流电，解决了三相不平衡的问题，结构简单，可靠性高并且造价较低。为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：一种三相对称交流电变单相交流电的交流电机，包括：设置在交流电机单转轴上的转子，并且所述转子上设置有阻尼绕组；套设在所述转子一端的第一段定子，所述第一段定子上设置有第一输入绕组和第一输出绕组；套设在所述转子中部的第二段定子，所述第二段定子上设置有第二输入绕组和第二输出绕组；套设在所述转子另一端的第三段定子，所述第三段定子上设置有第三输入绕组和第三输出绕组；所述第一输出绕组、所述第二输出绕组和所述第三输出绕组相连接；所述第一输入绕组通过电磁耦合连接于所述第一输出绕组，所述第二输入绕组通过电磁耦合连接于所述第二输出绕组，所述第三输入绕组通过电磁耦合连接于所述第三输出绕组；所述第一输入绕组的轴线超前所述第二输入绕组的轴线120°电角度，所述第一输入绕组的轴线超前所述第三输入绕组的轴线240°电角度。与现有技术相比，本发明的交流电机通过改变第一输入绕组、第一输出绕组、第二输入绕组、第二输出绕组、第三输入绕组和第三输出绕组的空间位置，通过绕组的空间排列，使得超前相滞后，滞后相超前，从而实现了输出三相绕组的电压相位相同，从而得到单相交流电，结构简单，可靠性高，并且可以直接通过现有的交流电机进行改造，造价低。作为本发明的进一步改进，所述第一输出绕组的轴线、所述第二输出绕组的轴线、所述第三输出绕组的轴线必须保持空间上一条直线。作为本发明的进一步改进，所述第一输出绕组超前所述第一输入绕组90°电角度，所述第二输出绕组超前所述第二输入绕组210°电角度，所述第三输出绕组超前所述第三输入绕组330°。作为本发明的进一步改进，所述第一输出绕组、所述第二输出绕组和所述第三输出绕组串联。作为本发明的进一步改进，所述第一输出绕组、所述第二输出绕组和所述第三输出绕组并联。作为本发明的进一步改进，所述第一输入绕组、所述第二输入绕组和所述第三输入绕组可采用分布式绕组、短距绕组、同心式绕组、正弦绕组中的一种或多种。作为本发明的进一步改进，所述三段式转子为单轴铁芯，并且所述三段式转子为鼠笼式转子、绕线式转子、永磁式转子、直流励磁式结构的一种。附图说明下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：图1本发明整体结构的示意图；图2本发明局部结构的示意图；图3本发明局部结构的示意图；图4本发明局部结构的示意图；图5本发明实施例一的示意图；图6本发明实施例一的示意图；图7本发明实施例一的示意图；图8本发明实施例一的示意图；图9本发明实施例一输入电压以及输出电压的波形图；图10本发明实施例二输入电流以及输出电流的波形图。标记说明：1-第一段定子；2-第二段定子；3-第三段定子；4-转子；5-第一输入绕组；6-第一输出绕组；7-第二输入绕组；8-第二输出绕组；9-第三输入绕组；10-第三输出绕组；11-阻尼绕组。100-电机单转轴。具体实施方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。本发明公开了一种三相对称交流电变单相交流电的交流电机，如图1-图4所示，设置在交流电机单转轴100上的转子，并且转子上设置有阻尼绕组11；套设在转子4一端的第一段定子1，第一段定子1上设置有第一输入绕组5和第一输出绕组6；套设在转子4中部的第二段定子2，第二段定子2上设置有第二输入绕组7和第二输出绕组8；套设在转子4另一端的第三段定子3，第三段定子3上设置有第三输入绕组9和第三输出绕组10；第一输出绕组6、第二输出绕组8和第三输出绕组10相连接；第一输入绕组5通过电磁耦合连接于第一输出绕组6，第二输入绕组7通过电磁耦合连接于第二输出绕组8，第三输入绕组9通过电磁耦合连接于第三输出绕组10；第一输入绕组5的轴线超前第二输入绕组7的轴线120°电角度，第一输入绕组5的轴线超前第三输入绕组9的轴线240°电角度。转子4、第一段定子1、第二段定子2和第三段定子3的设置，以及转子上阻尼绕组11的设置请参考现有技术，在此不一一赘述。通过绕组的空间排列，使得超前相滞后，滞后相超前，从而实现了输出三相绕组的电压相位相同。同时，由于转子4上设置有斜槽结构阻尼绕组11，用于消除转子中的2倍频电流及齿谐波，转子4处于同步或接近同步转速的空载旋转状态。同时，也可消除第一段定子1、第二段定子2和第三段定子3中的负序磁动势。在第一输入绕组5、第二输入绕组输入7和第三输入绕组9对称的三相对称电压时，电机内产生旋转磁场，带动转子7旋转，此时，第一输出绕组6、第二输出绕组8和第三输出绕组10产生同相位感应电动势。进一步的，第一输出绕组6的轴线、第二输出绕组8的轴线、第三输出绕组10的轴线必须保持空间上一条直线。按照交流电机的时间、空间统一性原则，当交流电时间相量走过θ电角度，电机的磁场空间矢量就要走过θ空间电角度的原理，输入绕组和输出绕组的轴线夹角α可以在0°至360°之间任意设定。进一步的，第一输出绕组6超前第一输入绕组590°电角度，第二输出绕组8超前述第二输入绕组9210°电角度，第三输出绕组10超前第三输入绕组9330°电角度。为了能够很好的削弱高次谐波，第一输出绕组6、第二输出绕组8和第三输出绕组10串联，采用串联的方式，则无需考虑三段式电机参数不一样的问题。进一步的，第一输出绕组6、第二输出绕组8和第三输出绕组10并联，采用并联的方式，则需要保证三段式电机参数严格一致。进一步的，第一输入绕组5、第二输入绕组7和第三输入绕组9可采用分布式绕组、短距绕组、同心式绕组、正弦绕组中的一种或多种。进一步的，三段式转子4为单轴铁芯，并且三段式转子4为鼠笼式转子、绕线式转子、永磁式转子、直流励磁式结构的一种。通过直流励磁式转子可调节功率因数。下面结合具体实施例对本发明作进一步解释。本实施例中选取一台Y2132S-4交流电机结构来进行改造。贯通式转子采用28槽普通铸铝转子，外径135.2mm，内径38mm。定子采用48槽结构，铁心长度105mm，外径210mm，内径136mm，采用2号定子槽型。绕组布置情况见图5-图8，图中上标数字为线圈匝数，中标数字定子槽号，下标为线圈跨距。第一输人绕组5、第二输入绕组7、第三输入绕组9、第一输出绕组6、第二输出绕组8和第三输出绕组10均采用正弦绕组，绕组系数0.806。按逆时针方向旋转，第一输入绕组5在0°，第二输入绕组7、第三输入绕组9分别在120°，240°位置，第一输出绕组6、第二输出绕组8和第三输出绕组10均在90°位置。如表1-表2和图9-图10所示，表1为本发明的交流变相电机输入端测试数据，表2为本发明的交流变相电机输出端测试数据，可以看出，当接入的负载为0KW时，第一输入绕组5的电压U1和第二输入绕组7的电压U2相差119.9°的电角度，第二输入7绕组的电压U2和第三输入绕组9的电压U3相差119.5°的电角度，第三输入绕组9的电压U3和第一输入绕组5的电压U1相差120°的电角度。此时，输出电压为252V，无输出电流。当接入的负载为1KW时，第一输入绕组5的电压U1和第二输入绕组7的电压U2相差120°的电角度，第二输入绕组7的电压U2和第三输入绕组9的电压U3相差119.5°的电角度，第三输入绕组9的电压U3和第一输入绕组5的电压U1相差120.6°的电角度。此时，输出电压为240V，输出电流为4.64A，输出电压与输出电流相差358°的电角度。当接入的负载为2KW时，第一输入绕组5的电压U1和第二输入绕组7的电压U2相差120.1°的电角度，第二输入绕组7的电压U2和第三输入绕组9的电压U3相差119.5°的电角度，第三输入绕组9的电压U3和第一输入绕组5的电压U1相差120.5°的电角度。此时，输出电压为229V，输出电流为9.23A，，输出电压与输出电流相差357°的电角度。当接入的负载为3KW时，第一输入绕组5的电压U1和第二输入绕组7的电压U2相差119.9°的电角度，第二输入绕组7的电压U2和第三输入绕组9的电压U3相差119.6°的电角度，第三输入绕组9的电压U3和第一输入绕组5的电压U1相差120.6°的电角度。此时，输出电压为218V，输出电流为13.57A，，输出电压与输出电流相差357°的电角度。当接入的负载为4KW时，第一输入绕组5的电压U1和第二输入绕组7的电压U2相差119.9°的电角度，第二输入绕组7的电压U2和第三输入绕组9的电压U3相差119.6°的电角度，第三输入绕组9的电压U3和第一输入绕组5的电压U1相差120.5°的电角度。此时，输出电压为206V，输出电流为17.73A，输出电压与输出电流相差357°的电角度。当接入的负载为5KW时，第一输入绕组5的电压U1和第二输入绕组7的电压U2相差120.1°的电角度，第二输入绕组7的电压U2和第三输入绕组9的电压U3相差119.5°的电角度，第三输入绕组9的电压U3和第一输入绕组5的电压U1相差120.4°的电角度。此时，输出电压为196V，输出电流为21.62A，输出电压与输出电流相差357°的电角度。由上述数据得知，当输出单相负载发生变化时，一次输入电流一直保持平衡，本发明的交流电机能实现三相对称交流电变单相交流电的对称变换。由于制造工艺以及绕组漏阻抗的影响，导致实际测得的电压、电流与理论值稍有偏差，但此偏差在可接受范围以内。表1表2以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

权利要求：1.一种三相对称交流电变单相交流电的交流电机，其特征在于，包括：设置在交流电机单转轴上的转子，并且所述转子上设置有阻尼绕组；套设在所述转子一端的第一段定子，所述第一段定子上设置有第一输入绕组和第一输出绕组；套设在所述转子中部的第二段定子，所述第二段定子上设置有第二输入绕组和第二输出绕组；套设在所述转子另一端的第三段定子，所述第三段定子上设置有第三输入绕组和第三输出绕组；所述第一输出绕组、所述第二输出绕组和所述第三输出绕组相连接；所述第一输入绕组通过电磁耦合连接于所述第一输出绕组，所述第二输入绕组通过电磁耦合连接于所述第二输出绕组，所述第三输入绕组通过电磁耦合连接于所述第三输出绕组；所述第一输入绕组的轴线超前所述第二输入绕组的轴线120°电角度，所述第一输入绕组的轴线超前所述第三输入绕组的轴线240°电角度。2.根据权利要求1所述的交流电机，其特征在于，所述第一输出绕组的轴线、所述第二输出绕组的轴线、所述第三输出绕组的轴线必须保持空间上一条直线。3.根据权利要求1所述的交流电机，其特征在于，所述第一输出绕组、所述第二输出绕组和所述第三输出绕组串联。4.根据权利要求1所述的交流电机，其特征在于，所述第一输出绕组、所述第二输出绕组和所述第三输出绕组并联。5.根据权利要求1所述的交流电机，其特征在于，所述第一输入绕组、所述第二输入绕组和所述第三输入绕组可采用分布式绕组、短距绕组、同心式绕组、正弦绕组中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的交流电机，其特征在于，所述三段式转子为单轴铁芯，并且所述三段式转子为鼠笼式转子、绕线式转子、永磁式转子、直流励磁式结构的一种。

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