專利名稱：具有部分繞組起動的電容起動單相感應電動機的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及電容起動單相感應電動機，尤其涉及使用部分2極繞組起動的2/4極電動機和使用部分4極繞組起動的4/8和4/6/8極電動機。
背景技術：
具有2極或多極結構的電容起動單相感應電動機在多速應用中是有用的。例如，一些洗衣機使用4/6/8極電容起動單相感應電動機，因為這種電動機能夠在某個速度范圍內以不同的周期調節速度，而不需要復雜而昂貴的可變頻率控制器。繼續需要設計這種電動機，使得用低的材料和制造費用提供好的運行性能和起動性能。所述運行性能包括評價因素，例如轉矩，速度，電流，溫升，效率，尺寸和其它因素。所述起動性能包括電動機的速度-轉矩曲線的評價。最小轉矩時的零速到極限轉矩的速度之間的轉矩降低可以是起動的一個限制因素。有時需要在運行性能，起動性能，材料成本，工具或其它因素當中進行折中。
在生產中一些4/6/8極電動機使用基本上獨立的4極、6極和8極主繞組以及4極輔助繞組。只有6極繞組的小部分和4極繞組共用。為了減少電動機的尺寸和節省有效材料，已經提出了一種共用4極和8極繞組的新的方法，所述方法在同期發明的，同時委托的，1999，5，20申請的，序列號為PCT/US99/11235的，名稱為SINGLE PHASETHREE SPEED MOTOR WITH SHARED WINDINGS的專利申請中描述了。共用繞組方法的一個優點是，其改善運行性能而不增加材料成本。不過，為了把主繞組從4極結構重新連接成8極結構，或者從8極結構重新連接成4極結構，需要一個以上的接點，例如一個單極單摯開關，所述開關或者作為起動開關的一部分，或者作為電動機的外電路的一部分。如果另一個接點作為起動開關的一部分來實現，則起動開關將需要3個開關和4個接點。這種實施方案使得起動開關更加復雜和昂貴，以便重新裝備和生產。在另一方面，如果另一個接點作為電動機的外電路的一部分來實現，則另一個接點應當呈計時器或繼電器的形式。不過，因為4極到8極的重新連接由外電路實現，所以對于8極運行，電動機不能使用4極起動而不影響起動性能。使用6極起動可以避免這個問題(見上述的PCT/US99/11235)。不過，當電動機使用6極起動和4極運行時，在從6極向4極的轉換期間，發生轉矩下降。為了消除所述的下降，需要延時繼電器，用于在從起動到運行的轉換期間使6極輔助繞組保持在電路中40ms的時間。所述繼電器是一個附加的元件，因而提供了附加的成本。
需要一種4/8極的和4/6/8極的電動機，其使用4極起動，從而避免上述問題。還需要一種2/4極電動機，其使用2極起動，從而使得上述問題中的許多問題得以避免。
發明內容
本發明的目的在于通過使用部分繞組起動，減少電容起動單相感應電動機的材料費用。
本發明的另一個目的在于，減少材料費用，同時改善這種電動機的性能。
本發明的另一個目的在于，在電容起動單相感應電動機中使用部分繞組起動，而不需要重新裝配起動開關。
本發明的另一個目的在于在4/8極和4/6/8極電容起動單相感應電動機中只使用一個4極輔助繞組。
本發明的另一個目的在于，在4/8極和4/6/8極電容起動單相感應電動機中使用全部的8極結構的主繞組，作為4極結構的主繞組的一部分，從而使得沒有獨立的8極繞組。
在一種形式中，本發明是一種電動機，其包括定子鐵心，和所述定子鐵心呈轉動關系的轉子，在所述鐵心上的主繞組，所述主繞組至少具有4極結構和8極結構，在所述鐵心上的4極輔助繞組，以及開關電路。當起動所述電動機時，所述開關電路選擇地只同時激勵主繞組的4極結構的一部分和4極輔助繞組，以便激勵8極結構的主繞組。
在另一種形式中，本發明是一種電動機，其包括其包括定子鐵心，和所述定子鐵心呈轉動關系的轉子，在所述鐵心上的主繞組，所述主繞組至少具有2極結構和4極結構，在所述鐵心上的2極輔助繞組，以及開關電路。當起動所述電動機時，所述開關電路選擇地只同時激勵主繞組的2極結構的一部分和2極輔助繞組，以便激勵4極結構的主繞組。
在另一種形式中，本發明是一種電動機，其包括其包括定子鐵心，和所述定子鐵心呈轉動關系的轉子，在所述鐵心上的主繞組，所述主繞組至少具有n極結構和m極結構，其中n和m是偶數，并且n＜m，在所述鐵心上的n極輔助繞組，以及開關電路。當起動所述電動機時，所述開關電路選擇地只同時激勵主繞組的n極結構的一部分和n極輔助繞組，以便激勵m極結構的主繞組。本發明的其它的目的和特點的一部分在下面的說明中將會看出，一部分將在下面的說明中指出。
圖1是按照本發明的4/6/8極電動機的一個優選實施例的電路原理圖，包括用于8極運行的部分4極繞組起動，用于表示和起動開關的連接。
圖2是表示在4/6/8極電動機的4極和6極起動結構中由全部4極主繞組產生的磁動勢分布的曲線，所述曲線沿著橫軸x表示極，沿著縱軸y表示磁動勢；圖3是說明在按照本發明的圖1所示的4/6/8極電動機的8極起動結構中由部分4極主繞組產生的磁動勢的分布曲線，所述曲線沿橫軸x具有極，縱軸y表示磁動勢；圖4表示4/6/8極電動機的速度/轉矩曲線，轉矩(T)以oz-ft為單位，橫軸x是轉矩，縱軸y是RPM，說明按照本發明的部分4極繞組起動，并表示全部4極繞組起動；以及圖5是按照本發明的2/4極電動機的一個優選實施例的電路原理圖，包括用于4極運行的部分2極繞組起動，用于表示和起動開關的連接。
在所有附圖中，相應的標記表示相應的部件。
具體實施例方式
一般地說，按照本發明的電動機包括定子鐵心，和所述定子鐵心呈轉動關系的轉子以及在所述鐵心上的繞組。參看圖1，其中示出了按照本發明的4/6/8極電動機100的一個優選實施例的電路原理圖。所述電路包括在鐵心上的一個輔助繞組102，其是4極起動繞組和唯一的輔助繞組。按照本發明的電動機100最好還包括共用的主繞組104，其具有兩個4/8極主繞組108L和108R/114，以及4極主繞組110。所述電動機100還包括6極繞組106。電動機100還包括3個開關SW1，SW2和SW3，它們選擇地把各個主繞組連接成4極，6極或8極結構。
在4極結構中，開關SW1處于上位置4P，開關SW3處于下位置4/6P，或者閉合。開關SW2處于4極結構的任何位置。在4極起動結構中，包括繞組108L，108R/114和110的4極主繞組和4極輔助繞組102一道被激勵。在4極運行結構中，兩個4/8P主繞組108L和108R/114相互并聯，并和4P主繞組110串聯。6P主繞組106通過離心起動開關112被斷開，所述離心開關將在下面說明。
在6極結構中，開關SW1處于下位置6/8P，開關SW2處于左位置6P，開關SW3處于下位置4/6P，或者閉合。在6極起動結構中，包括繞組108L，108R/114和110的4極主繞組和4極輔助繞組102一道被激勵。這是和4極起動結構相同的結構。在6極運行結構中，6P主繞組106和4/8P主繞組108R/114的上部分114一道被激勵。4/8P主繞組108R/114和4/8P主繞組108L形成一個環，4P主繞組110通過起動開關112開路。
在8極結構中，開關SW1處于下位置6/8P，開關SW2處于右位置8P，開關SW3處于上位置8P或斷開。在8極起動結構中，只有4極主繞組104的一部分，即只有繞組108R/114和110，和4極輔助繞組102一道被激勵。在8極運行結構中，4/8P主繞組108L和4/8P主繞組108R/114串聯，4P主繞組110和6P主繞組106被起動開關112和開關SW2開路。
起動開關112是標準的起動開關，其只具有3個接點，包括單極雙摯開關116和單極單摯開關118。起動開關112選擇地激勵輔助繞組102以及上述的4極起動結構(繞組108L，108R/114和110)、6極起動結構(繞組108L，108R/114和110)以及8極起動結構(繞組108R/114和110)的主繞組104的一部分。起動開關112選擇地激勵4極運行結構(繞組108L，108R/114和110)、6極運行結構(繞組106和114)以及8極運行結構(繞組108L和108R/114)的主繞組104。
具體地說，在4極起動或加速結構中，起動開關112的開關116連接開關SW1端子6/8P(其處于開路狀態)。開關SW1的4P端子閉合，從而激勵4P主繞組104，并且起動開關112的開關118閉合，從而激勵4P輔助繞組102。在4極運行或減速結構中，開關116使開關SW1的開路端子6/8P和開關SW2相連，并且開關118斷開，使得4P輔助繞組102開路。
在6極起動或加速結構中，起動開關112的開關116使開關SW1的被激勵的6/8P端子和4P主繞組104相連。在6P起動或加速結構中，起動開關112的開關118閉合，從而激勵4P輔助繞組102。在6極運行或減速結構中，開關116使開關SW1的被激勵的6/8P端子通過處于6P位置的開關SW2和6P主繞組106相連，并且開關118斷開，從而使輔助繞組102開路。
在8極起動或加速結構中，起動開關112的開關116使開關SW1的被激勵的6/8P端子和4P主繞組110相連，并且起動開關112的開關118閉合，從而激勵4P輔助繞組102。在8極運行或減速結構中，開關116使開關SW1的被激勵的6/8P端子通過在8P位置的開關SW2和4/8P主繞組108L相連。開關118斷開，從而使得輔助繞組102開路。
下表說明起動開關112的各種連接
起動電容器(例如270微法，110V)被連接在黃線(Y)和白/黑線(W/BK)之間。為了沿順時針方向轉動，通過交換黃線(Y)和紅線(R)使開關接線反向。
主繞組104被稱為共用主繞組，因為主繞組104的一部分，即繞組108L和108R/114，被在4極和8極運行結構中使用，主繞組104的一部分，即繞組110，不被在8極運行結構中使用，因為4P主繞組110不是8極運行結構的一部分。結果，繞組108L和108R/114的全部8極運行結構是繞組108L，108R/114和110的4極結構的一部分，使得沒有獨立的8極繞組。
本發明的電動機100被稱為具有部分繞組起動的電動機，因為其在8極結構下運行時，使用部分4極主繞組起動。具體地說，全部4極主繞組104包括第一、第二和第三繞組108R/114，108L和110，在4極和6極起動結構中，它們被選擇地同時激勵。與此相比，按照本發明的部分4極繞組起動，如圖1所示，只使用第一和第三繞組108R/114和110，當以8極結構運行時，它們被選擇地同時激勵，用于起動電動機100，即用于激勵主繞組104的8極部分(繞組108L和108R/114)。因而，當在8極結構下運行時，在起動期間，只使用繞組108R/114和110，因此，按照本發明的圖1所示的電動機100被稱為利用部分4極繞組起動的電容器起動單相感應電動機。結果，起動開關112構成一個開關電路，當在8極結構下運行時，其中第二繞組和第三繞組108L和108R/114被激勵，用于選擇地同時激勵主繞組104的4極起動結構的一部分(只有第一和第三繞組108R/114和110)，用于起動電動機。
雖然圖1表示一種4/6/8極電動機，但是也可以想到，本發明包括4/8極電動機。在4/8極電動機的情況下，6極主繞組106和開關SW2可以從圖1中取消，使紫線(V)和白線/桔紅線(W/OR)永遠相連，從而使紫線(V)和繞組108L永久相連。
由不使用部分繞組起動的4/6/8極電動機的4極和6極起動結構中的全部4極主繞組產生的磁動勢(mmf)分布如圖2所示。由圖可見，mmf波形基本上是對稱的。由本發明的4/6/8極電動機的8極起動結構中的部分4極主繞組產生的mmf分布具有圖3所示的波形。波形的不對稱的形狀說明具有大的二次諧波mmf。具體地說，標號為4P的斜線區域代表由4極主繞組110產生的mmf，在斜線區域4P的下方的區域4/8P表示由4/8極主繞組108R/114產生的mmf。
圖4表示在115V下4/8極電動機的速度/轉矩曲線，其中轉矩由橫軸x表示，其單位為0z-ft，速度rpm由縱軸y表示。曲線120說明當在8極起動結構中，部分4極主繞組108R/114和110以及4極輔助繞組102被同時激勵時，按照本發明的部分4極繞組起動的速度/轉矩曲線。曲線122表示在4極和6極起動結構中，當全部4極主繞組108L，108R/114，110和4極輔助繞組102被同時激勵時，不實行部分繞組起動的速度/轉矩曲線。因而，由曲線120表示的部分繞組起動引入一個轉矩尖端TC。即使輔助繞組102的mmf接近規則的正弦波(未示出)，所述轉矩尖端TC也存在。二次諧波轉矩，即由二次諧波mmf產生的轉矩的零交點大約發生在900rpm，而在轉矩尖端TC的最小轉矩大約出現在1100rpm。因為8極的負載速度大約是850rpm，所以利用部分主繞組起動時的起動轉矩(如波形120所示)足以把電動機帶到8極負載速度，只要起動開關112被起動，并且在大約950rpm移動到減速或運行位置。
圖4表示，和部分4極主繞組起動的轉矩/速度曲線120相比，全部4極主繞組起動的轉矩/速度曲線122沒有轉矩尖端TC。為了把轉矩尖端TC對起動開關112的起動的影響減到最小，開關112的起動/運行的轉換速度應當在轉矩尖端TC的一個速度范圍以下(例如1000-2000rpm)。例如，1100rpm的起動/運行的轉換速度應當在轉矩尖端TC的速度范圍內，并且產生大約為18oz-ft的轉矩(見波形120，@1100rpm)，當電動機帶載起動時，這可能不足以致動起動開關112。通過把起動/運行轉換速度降低到950rpm，在具有大約40oz-ft轉矩的速度范圍，將發生致動(見波形120，@950rpm)，這應當足以致動起動開關112。通過把起動/運行轉換速度修改為轉矩尖端TC的速度范圍以下，可以不再需要附加元件，例如延時繼電器，或者不再需要要求具有輔助接點的起動開關。
參見圖5，其中示出了按照本發明的2/4極電動機200的一個優選實施例的電路原理圖。所述電路包括在鐵心上的一個輔助繞組202，其是2極起動繞組，并且是唯一的輔助繞組。按照本發明的電動機200最好還包括共用主繞組204，其具有兩個主繞組208L和208R以及2極主繞組210。電動機200還包括兩個開關SW11，SW13，它們選擇地把各個主繞組連接成2極或4極結構。
在2極結構中，開關SW11處于上位置2P，開關SW13處于下位置2P或者閉合。在2極起動結構中，包括繞組208L，208R和210的2極主繞組204和2極輔助繞組202一道被激勵。在2極運行結構中，兩個2/4P主繞組208L，208R相互并聯連接，并和2P主繞組210形成串聯組合。
在4極結構中，開關SW11處于下位置4P，開關SW13處于上位置4P或打開。在4極起動結構中，只有2極主繞組的一部分，即只有主繞組208L和210和2極輔助繞組202一道被激勵。在4極運行結構中，2/4P主繞組208L和2/4P主繞組208R串聯，而2P主繞組210由起動開關212開路。
起動開關212是一種標準的起動開關，其只有一個單極雙摯開關216的3個接點和一個單極單摯開關218。在2極起動結構(繞組208L，208R和210)中和在4極起動結構(繞組208L和210)中，起動開關212選擇地激勵輔助繞組202和上述的主繞組204的一部分。在2極運行結構(繞組208L，208R和210)和在4極運行結構(繞組2208L，208R)中，起動開關212選擇地激勵主繞組204。
主繞組204被稱為共用主繞組，因為其中的一部分，即主繞組204的繞組208L，208R被在2極和4極兩種運行結構中使用，并且其中的一部分，即主繞組204的繞組210在4極運行結構中不被使用，因為2P主繞組210不是4極運行結構的部分。結果，繞組208L，208R的全部4極運行結構是繞組208L，208R和210的2極運行結構的一部分，因此，沒有獨立的4極繞組。
本發明的電動機200被稱為具有部分繞組起動的電動機，這是因為當在4極結構下運行時，其使用部分2極主繞組進行起動。具體地說，全部2極主繞組204包括第一、第二和第三繞組208L，208R和210，在2極起動結構中，它們被選擇地同時激勵。與次相比，如圖5所示，按照本發明的部分2極繞組起動只使用第一和第三繞組208LH210，當在4極結構下運行時，即激勵主繞組204的4極部分(繞組208L，208R)時，它們被選擇地同時激勵，以便起動電動機200。因而，當在4極結構下運行時，在起動期間，只使用繞組208L和210，因此按照本發明的圖5所示的電動機200被稱為具有部分2極繞組起動的電容起動單相感應電動機。結果，當在4極結構下運行(其中第二和第三繞組208R，208L被激勵)時，起動開關212構成一個開關電路，用于選擇地同時激勵主繞組204的2極起動結構的一部分(只激勵第一和第三繞組208L，210)，以便起動電動機200。
一般地說，可以導出，主繞組104至少具有n極結構和m極結構，其中n和m是偶數，并且n＜m(例如n＝2，m＝4，如圖5，或者n＝4，m＝8，或者n＝8，m＝16等)此外，可以想見，主繞組104至少具有n極結構，m極結構和p極結構，其中n，m和p是偶數，并且n＜p＜m(例如n＝4，p＝6，m＝8，如圖1所示，或者n＝8，p＝12，m＝16等)。
由上述可見，可以看出，本發明的幾個目的被實現了，并且獲得了其它的有利結果。
不脫離本發明的構思，可以對上述的產品和方法加以改變，說明書和附圖中的所有內容都是說明性的，而沒有限制的意義。
權利要求
1.一種電動機包括定子鐵心；和所述定子鐵心呈轉動關系的轉子；在所述鐵心上的主繞組，所述主繞組至少具有n極結構和m極結構，其中n和m是偶數，并且n＜m；在所述鐵心上的n極輔助繞組；以及開關電路，當起動所述電動機時，所述開關電路選擇地同時只激勵主繞組的n極結構的一部分和n極輔助繞組，以便激勵m板結構的主繞組。
2.如權利要求1所述的電動機，其中所述開關電路選擇地激勵n極結構中主繞組，并且其中所述開關電路選擇地激勵m極結構中的主繞組。
3.如權利要求1所述的電動機，其中主繞組具有p極結構，其中n＜p＜m，p是偶數，并且其中開關電路選擇地激勵p極結構中的主繞組。
4.如權利要求3所述的電動機，其中n＝4，p＝6，以及m＝8。
5.如權利要求1所述的電動機，其中n極輔助繞組是唯一的輔助繞組。
6.如權利要求1所述的電動機，其中主繞組的全部m極結構是主繞組的n極結構的一部分，因此沒有獨立的m極繞組。
7.如權利要求1所述的電動機，其中主繞組是共用主繞組，其具有在n極和m極結構中都被使用的部分。
8.如權利要求1所述的電動機，其中電動機的速度/轉矩曲線包括在一個速度范圍內的轉矩尖端，并且其中的開關電路包括離心起動開關，其具有在所述轉矩尖端的速度范圍以下的起動/運行轉換速度。
9.如權利要求1所述的電動機，其中主繞組的n極結構具有第一、第二和第三繞組，并且當起動所述電動機時，其中開關電路同時激勵所述第一和第三繞組以及n極輔助繞組，以便激勵m極結構的主繞組。
10.如權利要求1-3或5-9所述的電動機，其中n＝4，m＝8。
11.如權利要求10所述的電動機，其中開關電路包括只具有3個接點的并且起動/運行轉換速度大約為950rpm的離心起動開關。
12.如權利要求1-3或5-9所述的電動機，其中n＝2，m＝4。
全文摘要
一種電動機，其包括定子鐵心，和所述定子鐵心呈轉動關系的轉子，和在所述鐵心上的主繞組。所述主繞組具有4極結構和8極結構，并具有在所述鐵心上的4極輔助繞組。還包括開關電路，當起動所述電動機時，所述開關電路選擇地只同時激勵主繞組的4極結構的一部分和4極輔助繞組，以便激勵8極結構的主繞組。其它的形式包括2/4極電動機，4/6/8極電動機，n/m極電動機，以及n/m/p極電動機，其中n，mp是偶數整數，并且n<p<m。
文檔編號H02K17/06GK1394380SQ01803434
公開日2003年1月29日 申請日期2001年1月24日 優先權日2000年2月8日
發明者倫彥·W·菲, 馬克·C·迪爾克斯 申請人:愛默生電氣公司