CN1012545B

CN1012545B - 三相感应电动机

Info

Publication number: CN1012545B
Application number: CN87100200A
Authority: CN
Inventors: 冈本清和; 饭岛博; 远藤哲男; 宫本由纪夫
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-01-08
Filing date: 1987-01-08
Publication date: 1991-05-01
Also published as: DE3770645D1; CN87100200A; EP0229018A2; EP0229018A3; US4755702A; EP0229018B1; JPS62160049A

Abstract

三相感应电动机包括绕组槽1和定子绕组(4)。每极每相的绕组槽(1)的数目是分数。定子绕组(4)是三相平衡绕组。该绕组的节距S满足s＝(r-t)/r或s＝r/(r+t)(其中t是奇数，r是要消除的磁通谐波次数)。此外，每极每相的绕组槽数分母要选择成能抑制磁通的分数次谐波分量。

Description

本发明涉及三相感应电动机，特别是涉及有相对小的容量（即，1仟瓦或更小一点的输出）并且目的在于转矩平滑的三相感应电动机。

三相感应电动机在通常的工业机器中，例如在各种机床中获得广泛应用，这是因为在电动机简单地连接到三相电源时就可得到恒速。

三相感应电动机的转矩T可由下式给出：

T＝M（-j

₁） ₂

这里M是初级与次级绕组之间的互感，-j ₁是初级电流（定子电流）矢量，而

₂是次级电流（转子）矢量。

为了平滑三相感应电动机的转矩，必须消除互感M的位置变化以及初级和次级电流矢量

₁和

₂的谐波分量。初级电流矢量 ₁决定于电源波形并且在感应电动机中是不能加以改进的。但是有许多地方可用来改进互感M以及基于次级电流矢量 ₂的谐波分量。

在三相感应电动机的定子中形成的槽的数目N由下式确定：

N＝（极数l）×（相数m）×（每极每相的槽数q）

在通常的感应电动机中，因为定子绕组能够容易地和均匀地绕制，所以定子被设计成槽数q为整数。正因为如此，互感M的位置变化以及次级电流矢量 ₂的谐波影响不能够被消除。

图1（a）-1（e）用来说明先有技术中的互感M。图1（a）示出在极数为2，相数为3，以及数q为2，即，槽的总数为12时的定子槽的位置。图1（b）是图1（a）中各槽的分布的展开图，图1（c）表示空气隙中磁通量的变化，这些空气隙对应于适当位置上的各槽，图1（d）表示对应于N极槽分布的S极槽分布以及S极的磁通量变化。换句话说，按箭头A所示的方向转换被包括在图1（b）和1（c）中的S极内的那些部分就可得到图1（d），图1（e）表示由N和S极磁通量变化的合成所引起的互感M的变化。如图1（e）所示，互感M的变化是大的，以致会引起转矩T的变化，从而妨碍感应电动机的平滑转动。

希望得到在定子与转子之间的气隙内的正弦磁通量分布。但是，在实际上，磁通量的分布不是正弦的而是阶式的，这是因为导线绕在定子铁心的周围而填满了各槽的缘故。因此，阶式波形包含了许多谐波分量。谐波分量引起一些不希望有的现象，如产生转矩的波动，噪声，振动，以及会产生温度的上升。在定子中每极每相的槽数增加时谐波分量有大量的阶梯。阶梯数的增加就可允许提供一个基本上为正弦的波形。由于这个原因，在大的电动机中能够增加槽的数目，但是这个数目不能增加超过一定的限制。感应在次级绕组中的第r次谐波电压Er表示如下：

Er∝Φ×Kd×Kp ……（1）

其中Φ是磁通量，Kd是分布系数，如果定子绕组的节距s定义为s＝（r-t）/r，则Kp是短波节绕组系数（the short node winding coefficient）或者，如果节距s定义为s＝r/（r+t），则Kp是长波节绕组系数（这里t是奇数）。对t＝1的情况，Kd和Kp可由下面的式子给出：

Kd＝｛sin（rπ/2m）｝/｛qsin（rπ/2mq）｝……（2）

其中r是谐波次数，m是相数，q是每极和每相的槽数。

Kp＝｛sinrπ/2·sin（rWπ/2τ）｝……（3）

这里w是由槽数表示的线圈节距，τ是每极的槽数。

因为系数Kd和Kp决定于定子绕组的节距s，即，槽的位置，因此预定的谐波分量不能被消除。

因此，一只通常的精密感应电动机就会产生转矩波动。如果这样的一台电动机被用作为机床或工作机器人中的伺服驱动源，那么就会出现各种问题。比较准确地说，如果使用在机床中，则刀身就不能被平滑地驱动，因而切削表面变得粗糙了。在工作机器人的情况下，它的臂不能平滑地移动。

本发明的目的是消除上述通常所遇到的问题并且提供一种产生较小转矩波动的三相感应电动机。

根据本发明的三相感应电动机包含一个每极每相的绕组槽数为分数的定子以及一个作为三相平衡绕组的定子绕组，该三相平衡绕组的节距s由下式给出：

s＝（r-t）/r 或

s＝r/（r+t）

其中r是要被消除的谐波的次数，t是奇数。

附图及图面说明如下：

图1（a）-1（e）是说明普通三相感应电动机的示图;

图2（a）-2（c）是说明本发明实施例的示图;

图3（a）-（c）是说明本发明另一个实施例的示图;

图4（a）-（e）是说明本发明的效果的示图。

本发明的优取实施例结合附图予以叙述。首先把它的原理解释如下：

如果每极每相的槽数给定为一个分数q：

q＝a+c/b＝（ab+c）/b

把上述等式置换到等式（2）中后得到下列等式：

Kd＝｛sin（rπ/2m）｝/〔（ab+c）·sin｛rπ/2m（ab+c）｝]…（4）

对a＝2，b＝2和c＝1，即对q＝2.5来说，因为ab+c＝5，所以系数Kd等于等式（2）中q＝5时的Kd。这意味着下面的结论。如果q值是分数，象q值增大情况下的同样效果是能够得到的。换句话说，该效果象槽数增加以减少互感M变化的情况一样。因此，由等式（1）表示的Er值是能够减小的。

如果把根据本发明的设计所参照的r，w和τ值代入等式（3）中，则Kp＝0。换句话说，通过改变绕组的节距的办法，可以控制r次特定谐波的感应电压Er为零。其结果是，r次谐波电流不会被加到转子上。

因为产生在转子与定子之间的气隙内的磁通量波形是对称的，所以通常不会产生偶数次的谐波分量。此外，当一只感应电动机有三相时，由3的整数倍给出的那些次数的波形彼此是同相的，因而不会出现在端子上，并且其间不会传送相应的谐波电流。此外，众所周知，分数q的分母被选择成抑制次数表示为（6n±1）/分母的分数次谐波，同时又使次数保持为分数。该分母为2j，3j或6j，其中j＝1，2，3……。由于分母是受绕组层数和定子极数制约的，通常从2、3、4……的常规整数中选择整数2作为分母。图2和3中所示的两个实施例就是选择整数2作为分母的情况的例子。这样的话，只有剩余的5次，7次，11次，13次，（6n±1，n＝1，2……）谐波电流会加在端子之间。选出最有害的谐波分量，而后选择绕组节距来消除这样一个分量。a，b，c为任意正整数，但是，要选择每极每相的槽数q的值，以使形成于定子中的槽数满足与节距s的关系并且要能够得到三相平衡绕组。用下面的方法来确定三相平衡绕组是否能够得到。假定用总槽数N和极对数P的最大公约数除总的槽数N所得到的数被给定为NO，并且假定相数为m。如果NO/m＝整数，那末可以得到两层绕组。如果NO/2m＝整数，那末可以得到一层或两层绕组。但是，如果NO/m和NO/2m都为分数的话，就不能得到一个三相平衡绕组，因而相应的槽数就不能被采用。

图2（a）-2（c）示出了本发明的一个实施例，这些图所例举的情况中极数l为2，相数m为3，并且每极每相的槽数q为2.5。换句话说，例举的情况为槽数N＝15（2×3×2.5）。

图2（a）是定子槽1的展开图，图2（b）展出由基波2和要消除的5次谐波3的磁通量分布，而图2（c）表示定子绕组4的节距P1与槽1的位置之间的相互关系。

因为5次谐波是这个实施例要消除的目标，所以定子绕组节距s被给定为（r-1）/r＝4/5＝0.8。换句话说，每极的槽数τ是15/2＝7.5。由槽数表示的绕组节距w被给定为6（槽）＝7.5×0.8。绕组位于第5次谐波的第四个波节上。如同图1中明确的S极分布重叠N极分布那样的情况，5次谐波被抵消为零。

在这个实施例中，因为N＝15和P＝1，所以NO＝15，并且相数，也即，m＝3。可得到NO/m＝15/3＝5，即NO/m为一个整数，因而一个三相平衡绕组是能够得到的。

图3表示本发明的另一个实施例，例举的情况为极数l＝2，相数m＝2，每极每相的槽数q＝3.5。因此，例举的情况为槽数是N＝2×3×3.5＝21。

图3（a）是定子槽5的展开图，图3（b）展出由基波6和要消除的7次谐波7来表示的磁通量分布，图3（c）表示定子绕组8的节距P2与槽5的位置之间的相互关系。

因为7次谐波，也就是r＝7是这个实施例要消除的谐波，所以定子绕组节距s被给定为s＝（r-l）/r＝6/7。换句话说，每极的槽数是10.5（＝21/2）。控制绕组的位置，使之位于第9个槽（也即，9＝10.5×6/7）。按照这个排列，使绕组位于第7次谐波的第六个波节，该谐波就不会被感应。

对总槽数N＝21的情况来说，在每个第9槽上形成一个绕组时，要根据上面指出的辨别表示式进一步考虑确定是否能得到一只三相平衡绕组。在这种情况下，比值NO/m＝21/3＝7，显然这是一个整数，以致能够得到一个两层绕组。

如果极数l为4，这对应于在第一和第二实施例中槽数加倍的情况。因此，在槽的总数为30和42时，能够得到三相平衡绕组。

在上述实施例中，互感M的变化对应于图1（e）中的那些变化。N极和S极分量相互抵消至零，见图4（a）-4（e）所示。

根据如上所述的本发明，利用有相对少的槽数的定子就可制造出一只有较小转矩波动分量的三相感应电动机。因此，根据本发明的三相感应电动机可在需要平滑转矩变化的伺服机械中用作为精密驱动源。

Claims

1、一种三相感应电动机，包含一个定子，所述定子上形成有绕组槽，所述绕组槽内有定子绕组，作为三相平衡绕组，

所述定子绕组具有直接消除字子铁心和转子铁心之间气隙内所含磁通所包括的谐波分量(次数=6n±1，n=1，2，……)中指定次数(r)的那些谐波分量的节距(s)，

该节距(s)满足s=(r-t)/r或s=r/(r+t)，式中t是一个奇数，所述绕组槽由下式确定：

N=1×m×q

式中1是极数，m是相数，及q是每极每相的槽数，其特征在于

q是一个分数，其分母值被定为抑制次数表示为(6n±1)/分母值的分数次谐波，同时使所述次数保持为分数，所述分母为2j，或3j，j=1，2，3……，

从而直接消除了所述电动机转矩波动的因素。

2、根据权利要求1的三相感应电动机，其特征在于t＝1。

3、根据权利要求1的三相感应电动机，其特征在于t＝1，所述电动机的所述定子，在极数1＝2，相数m＝3，每极每相的槽数q＝2.5，以及要消除的谐波（3;7）的次数为5时，该定子的槽数N为15。

4、根据权利要求1的三相感应电动机，其特征在于t＝1，所述的电动机的所述定子，在极数1＝2，相数m＝3，每极每相的槽数q＝3.5，以及要消除的谐波（3;7）的次数为7时，该定子的总槽数N＝21。