三相感應電動機的製作方法

2023-04-26 10:51:16

專利名稱:三相感應電動機的製作方法
本發明涉及三相感應電動機，特別是涉及有相對小的容量(即，1仟瓦或更小一點的輸出)並且目的在於轉矩平滑的三相感應電動機。
三相感應電動機在通常的工業機器中，例各種工具機中獲得廣泛應用，這是因為在電動機簡單地連接到三相電源時就可得到恆速。
三相感應電動機的轉矩T可由下式給出
這裡M是初級與次級繞組之間的互感，-jI`1是初級電流(靜子電流)矢量，而I`2是次級電流(轉子)矢量。
為了平滑三相感應電動機的轉矩，必須消除互感M的位置變化以及初級和次級電流矢量I`1和I`2的諧波分量。初級電流矢量I`1決定於電源波形並且在感應電動機中是不能加以改進的。但是有許多地方可用來改進互感M以及基於次級電流矢量I`2的諧波分量。
在三相感應電動機的靜子中形成的槽的數目N由下式確定N＝(極數l)×(相數m)×(每極和每相的槽數q)在通常的感應電動機中，因為靜子繞組能夠容易地和均勻地繞制，所以靜子被設計成槽數q為整數。正因為如此，互感M的位置變化以及次級電流矢量I`2的諧波影響不能夠被消除。
圖1(a)-1(e)用來說明先有技術中的互感M。圖1(a)示出在極數為2，相數為3，以及數q為2，即，槽的總數為12時的靜子槽的位置。圖1(b)是圖1(a)中各槽的分布的展開圖，圖1(c)表示空氣隙中磁通量的變化，這些空氣隙對應於適當位置上的各槽，圖1(d)表示對應於N極槽分布的S極槽分布以及S極的磁通量變化。換句話說，按箭頭A所示的方向轉換被包括在圖1(b)和1(c)中的S極內的那些部分就可得到圖1(d)，圖1(e)表示由N和S極磁通量變化的合成所引起的互感M的變化。如圖1(e)所示，互感M的變化是大的，以致會引起轉矩T的變化，從而妨礙感應電動機的平滑轉動。
希望得到在靜子與轉子之間的間隙內的正弦磁通量分布。但是，在實際上，磁通量的分布不是正弦的而是階式的，這是因為導線繞在靜子芯的周圍而填滿了各槽的緣故。因此，階式波形包含了許多諧波分量。諧波分量引起一些不希望有的現象，如產生轉矩的波動，噪聲，振動，以及會產生溫度的上升。在靜子中每極和每相的槽數增加時諧波分量有大量的階梯。階梯數的增加就可允許提供一個基本上為正弦的波形。由於這個原因，在大的電動機中能夠增加槽的數目，但是這個數目不能增加超過一定的限制。感應在次級繞組中的第γ次諧波電壓Er表示如下Er∝Φ×Kd×Kp ……(1)其中Φ是磁通量，Kd是分布係數，如果靜子繞組的間距s定義為s＝(r-t)/r，則Kp是短波節繞組係數(the short node winding coeffi-cient)，或者，如果間距s定義為s＝r/(r+t)，則Kp是長波節繞組係數(這裡t是奇數)。對t＝1的情況，Kd和Kp可由下面的式子給出Kd＝{sin(r π/2m)｝/｛qsin(rπ/2mq)}……(2)其中γ是諧波次數，m是相數，q是每極和每相的槽數。
Kp＝｛sinr π/2·sin(rWπ/2τ)｝……(3)這裡W是由槽數表示的線圈間距(the coil pitch)，τ是每極的槽數。
因為係數Kd和Kp決定於靜子繞組的間距s，即，槽的位置，因此預定的諧波分量不能被消除。
因此，一隻通常的精密感應電動機就會產生轉矩波動。如果這樣的一隻電動機被用作為工具機或工作機器人中的伺服驅動源，那麼就會出現各種問題。比較準確地說，如果使用在工具機中，則刀身就不能被平滑地驅動，因而切割表面變得粗糙了。在工作機器人的情況下，它的臂不能平滑地移動。
本發明的目的是消除上述通常所遇到的問題並且提供一種產生較小轉矩波動的三相感應電動機。
根據本發明的三相感應電動機包含一隻每極和每相的繞組槽數為非整數的靜子以及一隻作為三相平衡繞組的靜子繞組，該三相平衡繞組的間距s由下式給出s＝(r-t)/r 或s＝r/(r+t)其中r是要被消除的諧波的次數，t是奇數。
附圖及圖面說明如下圖1(a)-1(e)是說明普通三相感應電動機的示圖;
圖2(a)-2(c)是說明本發明實施例的示圖;
圖3(a)-(c)是說明本發明另一個實施例的示圖;
圖4(a)-(e)是說明本發明的效果的示圖。
本發明的優取實施例結合附圖予以敘述。首先把它的原理解釋如下如果每極和每相的槽數給定為一個非整數qq＝a+c/b＝(ab+c)/b把上述等式置換到等式(2)中後得到下列等式Kd＝{sin(rπ/2m)｝/〔(ab+c)·sin{rπ/2m(ab+c)}]…(4)對a＝2，b＝2和c＝1，即對q＝2.5來說，因為ab+c＝5，所以係數Kd等於等式(2)中q＝5時的Kd。這意味著下面的結論。如果q值是非整數，象q值增大情況下的同樣效果是能夠得到的。換句話說，該效果象槽數增加以減少互感M變化的情況一樣。因此，由等式(1)表示的Er值是能夠減小的。
如果把根據本發明的設計所參照的r，w和τ值代入等式(3)中，則Kp＝0。換句話說，通過改變繞組的間距的辦法，可以控制r次特殊諧波的感應電壓Er為零。其結果是，r次諧波電流不會被加到轉子上。
因為產生在轉子與靜子之間的空氣隙內的磁通量波形是對稱的，所以通常不會產生偶數次的諧波分量。此外，當一隻感應電動機有三相時，由3的整數倍給出的那些次數的波形彼此是同相的，因而不會出現在端子上，並且其間不會傳送相應的諧波電流。這樣的話，只有剩餘的5次，7次，11次，13次，……諧波電流會加在端子之間。選出最有害的諧波分量，而後選擇繞組間距來消除這樣一個分量。a，b，c為任意正整數，但是，要選擇每極和每相的槽數q的值，以使形成於靜子中的槽數滿足與間距s的關係並且要能夠得到三相平衡繞組。用下面的方法來確定三相平衡繞組是否能夠得到。假定用數N和極對數P(the number P of pole pairs)的最大公約數除總的槽數N所得到的數被給定為NO，並且假定相數為m。如果NO/m＝整數，那末可以得到兩層繞組。如果NO/2m＝整數，那末可以得到一層或兩層繞組。但是，如果NO/m和NO/2m都為非整數的話，就不能得到一個三相平衡繞組，因而相應的槽數就不能被採用。
圖2(a)-2(c)示出了本發明的一個實施例，這些圖所例舉的情況中極數l為2，相數m為3，並且每極和每相的槽數q為2.5。換句話說，例舉的情況為槽數N＝15(2×3×2.5)。
圖2(a)是靜子槽1的展開圖，圖2(b)展出由基波2和要消除的5次諧波3的磁通量分布，而圖2(c)表示靜子繞組4的間距P1與槽1的位置之間的相互關係。
因為5次諧波是這個實施例要消除的目標，所以靜子繞組間距s被給定為(r-1)/r＝4/5＝0.8。換句話說，每極的槽數τ是15/2＝7.5。由槽數表示的繞組間距W被給定為6(槽)＝7.5×0.8。繞組位於第5次諧波的第四個波節上。如同圖1中明確的S極分布重疊N極分布那樣的情況，5次諧波被抵消為零。
在這個實施例中，因為N＝15和P＝1，所以NO＝15，並相數，也即，m＝3。可得到NO/m＝15/3＝5，即NO/m為一個整數，因而一隻三相平衡繞組是能夠得到的。
圖3表示本發明的另一個實施例，例舉的情況為極數l＝2，相數m＝2，每極和每相的槽數q＝3.5。因此，例舉的情況為槽數是N＝2×3×3.5＝21。
圖3(a)是靜子槽5的展開圖，圖3(b)展出由基波6和要消除的7次諧波7來表示的磁通量分布，圖3(c)表示靜子繞組8的間距P2與槽5的位置之間的相互關係。
因為7次諧波，也就是r＝7是這個實施例要消除的諧波，所以靜子繞組間距s被給定為s＝(r-l)/r＝6/7。換句話說，每極的槽數是10.5(＝21/2)。控制繞組的位置，使之位於第9個槽(也即，9＝10.5×6/7)。按照這個排列，使繞組位於第7次諧波的第六個波節，該諧波就不會被感應。
對總槽數N＝21的情況來說，在每個第9槽上形成一個繞組時，要根據上面指出的辨別表示式進一步考慮確定是否能得到一隻三相平衡繞組。在這種情況下，比值NO/m＝21/3＝7，顯然這是一個整數，以致能夠得到一隻兩層繞組。
如果極數l為4，這對應於在第一和第二實施例中槽數加倍的情況。因此，在槽的總數為30和42時，能夠得到三相平衡繞組。
在上述實施例中，互感M的變化對應於圖1(e)中的那些變化。N極和S極分量相互抵消至零，見圖4(a)-4(e)所示。
根據如上所述的本發明，利用有相對少的槽數的靜子就可製造出一隻有較小轉矩波動分量的三相感應電動機。因此，根據本發明的三相感應電動機可在需要平滑轉矩變化的伺服機械中用作為精密驅動源。
權利要求
1.一種三相感應電動機，本發明的特徵在於繞組槽(1；5)，所說的每極和每相的繞組槽(1；5)的數目是非整數；繞制為一隻三相平衡繞組的靜子繞組(4，8)，該繞組的間距s滿足s=(r-t)/r或s=r/(r+t)，其中t是奇數，r是要消除的諧波(3；7)的次數。
2.根據權利要求
1的電動機，其中t＝1。
3.根據權利要求
2的電動機，其中所說的電動機包含一隻靜子，在極數l＝2，相數m＝3，每極和每相的槽數q＝2.5，以及要消除的諧波(3;7)的次數為5時，該靜子的槽數N為15。
4.根據權利要求
2的電動機，其中所說的電動機包含一隻靜子，在極數l＝2，相數m＝3，每極和每相的槽數q＝3.5，以及要消除的諧波(3;7)的次數為7時，該靜子的總槽數N＝21。
專利摘要
三相感應電動機包括繞組槽1和靜子繞組(4)。每極和每相的繞組槽(1)的數目是非整數。靜子繞組(4)是三相平衡繞組。該繞組的間距S滿足s＝(r-t)/r或s＝r/(r+t)(其中t是奇數，r是要消除的諧波次數)。
文檔編號H02K17/12GK87100200SQ87100200
公開日1987年7月29日 申請日期1987年1月8日
發明者岡本清和, 飯島博, 遠藤哲男, 宮本由紀夫 申請人:日本電氣株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan