[发明专利]用于提高电机效率的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有由相同发明者于2003年6月24日提交的共同未决美国专利申请No.10/602,966的优先权，该美国专利申请又涉及于2002年6月25日提交的申请号0207820000的法国专利申请，该法国专利申请现已被授权为法国专利No.FR2841404。

技术领域

本发明涉及电机和同步发电机，特别是，其涉及能在负载的大范围内以非常高效率运行的电机或发电机。

背景技术

单相交流电机通常用于低马力应用。其范围可以从很小的马力延伸至大约十马力。当马力需要超过十马力时通常使用三相电机。

于1984年5月1日授予给Wanlass的题为“Polyphase ElectricMachine Having Controlled Magnetic Flux Density”的美国专利No.4,446,416A公开了一种具有主绕组和附加控制绕组的定子铁芯。通过控制定子铁芯中的磁通密度来优化多相电机中磁通密度。特别是，缠绕在磁芯上的主多相定子绕组包括多个绕组，其中每个绕组代表一个相。将电容器串联连接到每个绕组。电容器能减少无功功率。

在1976年9月9日公布的授予给Wen的题为“Single PhaseInduction Motor”的德国专利申请No.2508374中也公开了一种附加电机绕组技术。Wen公开了具有两个起动绕组以增大起动电容电压的单相电机。Wen还公开了具有两组起动绕组以提供更好的运行功率因数和改良的起动转矩的单相感应电机。

Wanlass和Wen电机，如同目前所知的所有电机一样，在满负载下最高效率操作而在低负载状态下效率低。因此，传统电机可在满负载状态期间具有大于0.90的功率因数而在低负载下具有0.50或更低的功率因数。

电力公司给出了向任意电机提供能量的精确反百分比的功率因数。以0.70功率因数运转的电机比以全功率因数(unity power factor)(0.999或1.00)运转的电机多使用百分之三十(30％)的安培数。由于需要补充安培需求，可能使供应能量的发电机过载并且将同时转移给驱动器(柴油机或涡轮机)，其将需要更多的能量以满足该新的需求。该新的需求(以千瓦计)与原先的需求是相同的。唯一的变化仅在于功率因数。因此，使用不能在所有负载下都以高功率因数运行的电机是不可取的。

因此需要一种能在所有负载下以高功率因数运行的电机。然而，由于低负载下效率低是电机的固有特性，因此多年来传统观念都认为当减小其上施加的负载时电机将总是以减小的效率运行。要在低负载状态下获得0.90和以上的范围内的功率因数是不可能的。

在供应使用低功率因数(P/F)常规电机的消费者时，则任何的电力生产者在其生产的方面蒙受损失。如果电机经常在低工作循环(dutycycle)(从空载至百分之七十五(75％)负载)下使用或者电机是通过V.F.D(可变频率驱动)来供给的，则会遭受更大的损失。当电机通过降低频率来降低速度时，其会自动地使功率因数下降。

例如：在0.88功率因数下在四百六十(460)伏特拉出(pull)三十(30)安培的电机(A)将消耗21.03KW(30安×460伏×1.732×0.88P/F)。

在0.68的平均P/F下运转的另一个相同H.P.的电机(B)，也将消耗21.03KW。而安培数增加到38.83安培(38.83安×460伏×1.732×0.68P/F)。

电机(A)消耗的KW与电机(B)消耗的KW是相同的。这就意味着供应电机(B)，电力公司将不得不使其发电机生产比供应电机(A)多29.4％的安培数。产生电的发电机典型地是由柴油机或蒸汽轮机驱动的。电流是负载和空载发电机的一个因素，因此电机的上述对比的直接结果就是为产生相同的21.03KW，对于电机(B)比电机(A)多消耗29.4％的能量(柴油机燃料，煤，等等)。

由此可推断电机(B)的拥有者对于其21.03KW应该比电机(A)的拥有者支付更多。替换的是，可要求电机(B)的拥有者将所述低功率因数电机换成高功率因数电机。