本发明涉及一种感应电动机，更明确地说，涉及一种运行在宽速度范围内的高精度变速伺服感应电动机。

传统的感应电动机已经用作低成本，近似恒速的原动机。随着由电子器件技术，软件技术支持的拖动技术的最新发展，感应电动机已经用作高精度变速伺服电动机。伺服电动机必须在包括零速的低速范围内平稳地运转。为此，必须产生理想的转矩。理想转矩产生的精确度是通过所产生的转矩TG基本上等于一固定不变（没有变化）的负载转矩TL这样一个事实来表示的，也就是说，当感应电动机运转以产生负载转矩TL时，对于TG＝TL+△T，转矩波动△T（即，谐波转矩）变成最小。

从要开发的一个目标的观点看，感应电动机的性能是由感应电动机本身和一对感应电动机提供电能的变频电源（下文称为激励器）所决定的。由于电能是加于感应电动机的原绕组的，变频电源的频率就叫做原频率。这个频率用f1表示。大多数传统的激励器发出简单的3相矩形波电压。根据空间和时间谐波分量引起的磁动势的影响，由于电压波形包括了是原频率f1的（6k±1）倍（k＝1，2，3……）的时间谐波分量，一转矩波动分量的频率为6kf1，它可看作和感应电动机的输出转矩连带成正比例。换句话说，这样一种转矩波动可认为是由激励器引起的。由于电子器件（例如大规模集成电路和受控电力半导体），电流，速度和位置检测器，以及为达到高精度高速度数据处理的软件技术的发展，最近的激励器已经作了改进。一种基本上为正弦波的电流可在宽变频范围内从激励器供给感应电动机。

可是，当感应电动机用作一伺服电动机以低于频率f1（若干赫芝以下）的很低速度运转时，具有6kf1谐波分量的转矩波动不是由激励器而是由感应电动机产生的。因此，消除感应应电动机本身产生的转矩波动是必不可少的。

本发明的一个目的是提供一种廉价、刚性的感应电动机，这种电动机能消除其中的转矩波动并且可以用作一种在宽变速范围内运转的高精度变速伺服电动机。

为了达到本发明的以上目的，所提供的一种电动机包括一个定子和一个转子，定子槽内用于安置一原绕组，原绕组加上电能时，定子适宜于产生一旋转磁通，转子或转动部件的槽用于安置一个由线圈或鼠笼电路形成的副绕组，当电能加到感应电动机，引起定子的电磁感应并且将副电流供给副绕组时，越过副绕组的磁通和副电流使感应电动机适宜于引起转子产生转矩或牵引力，电动机内定子槽相对于转子槽倾斜，倾斜量是一60°的定子电角度的一个整数倍，因而抵消了一种转矩波动，该转矩波动是六倍于电能原频率的一个整数倍。

图1是一个说明感应电动机基本布置简略示图。

图2和图3是说明本发明原理的示图。

图4A是一个表示根据本发明的一种感应电动机转矩频谱（torque    spectrum）的图。

图4B是一个表示对应于图4A所示的转矩频谱的本发明的一种作用的简图;

图5A是一个表示和本发明无关的一个感应电动机转矩频谱的图;

图5B是一个表示图5所示转矩频谱的感应电动机一个缺点的简图;

图6是一个表示根据本发明的一种感应电动机转矩频谱的曲线图;

图7是一个表示一种传统的感应电动机转矩频谱的曲线图;以及

图8是一个表示用于图6和图7所示的频谱测量的一种测量装置信 号频谱的曲线图。

参照一最佳的实施例，配合附图详细地描述本发明。

在描述这个最佳的实施例以前，下面先阐明本发明的原理。以下分析的本身是生疏而新颖的。

（1）感应电动机的基本特性和所产生转矩的基本特性

图1是一个剖视面，表示一普通感应电动机的原理。参考图1，感应电动机包括一定子2和一转子4，定子有槽用来安放一原绕组1，转子有槽用来安放一副绕组3。I1（向量）表示供给原绕组的一原电流。尤其是，当感应电动机不带任何负载运转时，即感应电动机运转产生零转矩时，原电流由一激磁电流I0（矢量）组成。I2（矢量）表示在副绕组中感应产生的一副电流。

当原电流加到原绕组1时，在定子2和转子4之间的气隙5内产生一旋转磁通φ2（矢量）。旋转磁通φ2穿过副绕组3。如果旋转磁通φ2和副绕组之间存在一相对速度，也就是说，φ2的旋转速度和转子的旋转速度之间存在一差值（这个差值用一转差速度Ws或一转差频率fs表示，即Ws＝2πfs）时，在副绕组3中感应产生副电流I2。旋转磁通和副电流I2以和阿拉哥圆盘（Arago    disk）中相同的原理使转子4产生转矩TG。包括在转矩中的转矩波动△T的原因是电源不平衡，感应电动机原绕组1线路不平衡和副绕组3线路不平衡。在这些原因中，通过改善激励器可以排除电源不平衡。使用额定值范围内的感应电动机，可以消除原、副绕组的不平衡。

根据另一项分析，感应电动机的电磁噪声和电振动的频率是原电流I1的频率f1（基波）的两倍，或转差频率fs的两倍。

当一激励器驱动-3相感应电动机，而该激励器有一包括多种谐波分量的矩形波输出时，转矩波动△T可以分析成这样，即谐波转矩△T的周期是原电流I1频率f1的6倍，12倍，18倍……。当一正弦波脉冲宽 度调制的输出用于激励器时，可以得到一正弦波，其中原电流I1的波形大为改善。因此，根据这种分析可以消除上述持续的转矩波动△T。

在频率f1的宽范围内，如果利用具有一几乎理想正弦波的原电流I1驱动感应电动机，当电动机速度相当高时，具有2f1或类似的谐波分量表现为转矩波动△T的主要因素。可是，当电动机速度逐渐减低时，谐波分量例如2f1就不显得突出了。然而在这情况下，谐波分量谐如6f1和12f1就变得突出了。不仅当原电流I1有一矩形波形，而且当它有一正弦波形时，都会变生这种现象。当正弦波输出时，在原电流中产生6f1，12f1，……转矩波动分量△T的原因还没有给出清楚的解释。因此，也没有提供防范措施来消除这些转矩波动分量。可是，在高精度伺服电动机中，在接近于零速时的6f1，12f1，……转矩波动分量△T却是决定性的。

（2）感应电动机转矩TG的定量表达式

感应电动机的即时转矩TG可以由以下公式表示：

TG＝-jφ2·I2    …（1）

激磁电流I0和原绕组变换系数被用来推导以下公式：

φ2＝M·I0    …（2）

I2＝-（M/R2）·（d/dt+jWs）I0    …（3）

式中M是感应电动机原、副绕组之间的互感，R是副绕组的电阻，而j是一个表示正交关系的算符。R和M的值虽然视温度变化而定，但可以把它们看作常数。

如从公式（2）和（3）显而易见的，如果激磁电流I0有一个正弦波，因而磁通φ2和副电流I2也具有正弦波。即使电流I1有一正弦波，并且电流I0也有一正弦波，实际上磁通φ2和副电流I2中包含许多空间谐波分量。换句话说，公式（2）和（3）是理想的，而电流I1包括许多空间谐波分量（具有（6k+1）倍f1或（6l+5）倍f1的波，式中k和l＝0，1，2，……）。 包含这些谐波分量的激磁电流I0用 I0表示。相类似地，包含谐波分量的磁通φ2和副电流I2，二者分别用 φ2和 I2表示。即使激磁电流I0是一正弦波电流，给出的转矩TG如下：

TG＝-j φ2· I2

＝（jM I0）·（M/R2）·（d/dt+jWs）· I0

假定稳定状态下，（j I0）.（d/dt. I0）＝0，因此，

TG＝-（M2/R2）Ws（ I0· I0） …（4）

（3）转矩频谱的新表达式

由于定子2的电磁机构的限制，即使从激励器把保持在平衡状态的正弦波原电流I1供给感应电动机的原绕组1，由于以下的原因必须考虑包含空间谐波分量的原电流 I1和激磁电流 I0。

正如众所周知，原绕组1包括一定数量的线圈，并且用一种包含许多谐波分量的简单的集中绕组，一种包含少数谐波分量的分布绕组或一种分布的分数节距绕组表示线圈的空间排列。即使供给线圈的电流是一个包含少数谐波分量的正弦波，各个线圈产生的电动势分量（这些分量的总和同磁通φ2成正比例，不考虑定子槽引起的变化）在线圈所在的位置具有矩形波形。磁通 φ2被认为包含对应于矩形波形的空间谐波分量。因此对应于磁通 φ2的激励电流 I0也包含空间谐波分量。

现在就推导激磁电流I0的定量表达式。假定感应电动机是一个3相电动机。三组相同的线圈A，B和C配置成空间不同相120°（即电角度），构成原绕组1。供给线圈A，B和C的激磁电流分别定义为 ioa， iob和 ioc。这些激磁电流包括谐波分量Tp（p≥1），对应于时间谐波分量，并且将激磁电流表示成如下。

式中ω是对应于原频率的角频率。

激磁电流 I0还包含空间谐波分量Sn（n≥1）并被定义如下：

由于三相感应电动机被制成电磁平衡，偶数次的谐波分量和次数是三倍于基波的整数倍的谐波分量被抵消。因此

p＝6k+1，6k+5（k＝0，1，2，…）

n＝6l+1，6l+5（l＝0，1，2，…）…（9）

下列关系式同样成立：

利用关系式（10）和（11），把公式（5），（6）和（7）代入（8），得出以下关系式：

用以下方式，公式（12）推导出公式（4）中的 I0. I0：

I0· I0/36＝∑SnTpSn′Tp′｛cos[（p+p′）ωt

+（n+n′）θ]+cos[（p-p′）ωt

+（n-n′）θ]｝

+∑SmTpSn′Tp′｛cos[（q+p′）ωt

-（m-n′）θ]+cos[（q-p′）ωt

-（m+n′）θ]｝

+∑SnTpSm′Tp′｛cos[（p+q′）ωt

+（n-m′）θ]+cos[（p-q′）ωt

+（n+m′）θ]｝

+∑SmTpSm′Tp′｛cos[（q+q′）ωt

-（m+m′）θ]+cos[（q-q′）ωt

-（m-m′）θ]｝…（13）

对于n，n′m和m′，各取6l+1和61+5中的一个（l＝0，1，2，……）;以及对于p，p′，q和q′，各取6k+1和6k+5中的一个（k＝0，1，2，……）。

公式（13）中四个和项中的第一项被作为例子来说明谐波分量的次数。

对于cos〔（p+p′）ωt+（n+n′）θ〕，以下的关系式

p+p′＝6（k+k′+1）

n+n′＝6（l+l′+1）…（14）

建立于下面的组合：

n＝6l+1和p＝6k+5，

n＝6l+5和p＝6k+1，

n′＝6l′+5和p′＝6k′+1，以及

n′＝6l′+1和p′＝6k′+5

而对于cos〔（p-p′）t+（n-n′）θ〕，关系式

p-p′＝6（k-k′）

n-n′＝6（l-l′）…（15）

建立于下面组合：

n＝6l+1和p＝6k+1，

n＝6l+5和p＝6k+5，

n′＝6l′+1和p′＝6k′+1，以及

n′＝6l′+5和p′＝6k′+5。

进一步证实了关于ωt和θ的六次谐波分量。

第一项的其余组合包含6±2次谐波分量。对于公式（13）中的第二，第三和第四项可以检验ωt和θ的六次谐波分量。而且，6±2次谐波分量，以和在第一项中同样的方式包含在第二，第三和第四项中。可是，如果次数低以及分量数值大，主要的分量是公式（14）和（15）中所示的6次谐波分量。公式（14）和（15）表示：

6次ωt一时间谐波分量

6次θ一空间谐波分量。即使原电流I1是一正弦波电流，即电流I1不包含时间谐波分量，还是必须考虑到包含有6次空间谐波分量的磁通 φ2和副电流 I2，这些空间谐波分量对应于公式（13）中的Tp或Tq，不包括T1，或者对应于公式（13）中的零。如果原电流 I1包含时间谐波分量，必须和以通常的情况相同的方式考虑到6次时间谐波分量。方程（13）中系数Sn的值是由原绕组确定的，并且以集中绕组，分布绕组和分布分数节距绕组的一个次序减少。可是，由于一定数量的原绕组线圈配置在相应数量的槽内，改进是很有限的。Tp的值是由原电流I1的谐波分量确定的，通过改善原电流I1，Tp的值可以大大减小。可是，为了减少空间谐波分量的影响，以减小转矩波动分量△T，感应电动机本身也必须改良。如从上面分析中显而易见的，应该注意到用于减少6次空间谐波分量的防范措施可以同样用作减少6次时间谐波分量的防范措施。

通常，测量证明较低次数的谐波分量常常具有较大的频谱，因为当n和p的值较小时（即次数较低），Sn和Tp的值较大。

（4）为把△T减至最小的感应电动机的新颖电磁机构

为了简化起见，假定转矩TG产生于转子表面（即气隙圆柱表面）。

如果转矩的谐波分量是6qf1分量（q＝一个整数），在相对于转子的气隙圆柱表面的定子的360°范围内穿过转子产生以下的转矩波动：

对于q＝1，6峰值转矩波动，变化宽度T6;

对于q＝2，12峰值转矩波动，变化宽度T12;以及

对于q＝3，18峰值转矩波动，变化宽度T18。

图2表示关于q＝1的情况，说明转子6的一个横截面21中的转矩波动△T和电角度之间的关系。图3表示相位偏离横截面21的另一个横截面22上的转矩波动△T和电角度之间的关系。即使存在转矩波动，但如果有转矩波动的横截面21和22相位相差180°，横截面21的转矩波动分量△T就和横截面22上的转矩波动分量△T抵消。这个概念适用于偏移 转子各个横截面上产生的转矩波动分量的相位。因此，假定一个横截面的转矩波动分量抵消了一给定横截面上产生的转矩波动，并且沿转轴的轴线方向的转矩波动分量的积分值被调整到零。为此，沿轴线方向的积分区间（即转子产生转矩部分的轴向有效长度L）必须等于转矩波动分量△T的周期或它的一个整数倍。利用下面的关系式建立以上的条件：

（相移量）＝（定子的60°电角度）或（其整数倍）（16）

图4A是一个展开的视图，其中转子6展开60°定子电角度。图4A中的垂直方向表示旋转轴线方向。参考符号AD，BC和EF分别表示横截面;而X1，X2和X3分别表示这些横截面上的转矩波动曲线（对应于q＝1的6f1谐波分量）。将转矩波动曲线X1，X2和X3表示成沿转轴轴线方向的Y1，Y2，Y3和Y4。如图4B中所示，曲线Y1，Y2，Y3和Y4分别相应于由旋转角θ1，θ2，θ3和θ4所给出的角位置。如果把沿轴线方向从横截面A到横截面B的转轴波动分量在任何位置（旋转角θ）积分，该积分值是转矩波动分量一个周期的积分值，如图4B中所示，在所有旋转角θ都为零。

图5A和5B表示一种情况，其中相移量是一个30°的电角度，而不满足同图4A和图4B情况相一致的条件（16）。参考符号X1′，X2′和X3′分别表示横截面上的转矩波动曲线;而Y1′，Y2′和Y3′分别表示在对应于角θ1，θ2，和θ3角位置上的转矩波动曲线。在这种情况下，不同于图4B的情况，转矩波动分量△T的积分值不是零（图5B）。

对于抵消q＝1的6f1谐波分量的转矩波动分量△T，条件（16）是一个充要条件。

对于q＝2，3…的情况，就作如下的说明。如果条件（16）成立，在轴向长度L范围内q＝n（n＝2，3…），则在n个周期内都存在转矩波动曲线X1，X2…和Y1，Y2…。用和图4B相同的方式，轴向长度L范围内的转矩波动积分值是零。因此，证明条件（16）在q＝n（n＝2，3…）的情况下是一个充分条件。

如果相移量是条件（16）中60°电角度的一个整数倍，转矩波动曲线X1，X2…和Y1，Y2…的周期是关于q＝1，2，3…的整数倍，在轴向长度L范围内任何角位置（θ）上转矩波动分量的积分值为零。

如上所述，利用一种传统方法称之为倾斜的技术，可以获得转子各横截面上产生的转矩的相移。通常的感应电动机的一种倾斜方法要把定子槽相对于转子槽倾斜一个槽距。一个期望的作用是要减少称之为槽谐波分量的影响。槽谐波分量引起的转矩波动并不包括在公式（14）和（15）中。

用一种传统的方法，如果n是相对于360°电角度的原电流的特定谐波分量的次数，倾斜量被定为360°/n。一个期望的作用是要排除原电流n次谐波分量的影响。在这种情况下，如果n＝5，那么公式（13）中S5是零。方程（13）中同S5有关的分量可以获得改善，但是根据实验结果，由其它要素引起的波动分量仍然存在。如果360°/n的值不同于一个定子槽距，由槽谐波分量引起的转矩波动常常显得很清楚。

根据本发明的感应电动机的倾斜量并不取决于定子槽距或原电流特定的谐波分量的次数，而是仅仅由条件（16）就可以确定。

本发明如同传统的感应电动机一样进行倾斜。因此，和利用传统倾斜方法的传统的感应电动机的结构比较，根据本发明的感应电动机的结构装配起来很简单，毫无任何困难。

（5）本发明感应电动机的效能

图6表示根据本发明的感应电动机在f1＝3.5Hz和fs＝3.25Hz条件下运转时的一个转矩频谱。图7表示当使用图6的感应电动机的定子，和如传统的情况把转子槽的倾斜量给定为一个槽距时的感应电动机的转矩频谱。fl和fs的条件和图6中的条件一样。参考图6和图7，阴影线和交叉阴影线部分视作为图8的频谱检测仪的干扰（15Hz和50Hz的倍数）。因此，必须从图6和图7中所示的频谱中减去这种干扰。在图6的感应 电动机中，在频率例如f1×6和f1×12时的转矩波动分量比图7情况下的波动分量小，而比f1×2的情况下更小得多。正如从图6和图7的比较显而易见，根据本发明，可以做到很大的改善。

（6）本发明的其余申请

根据本发明的感应电动机的倾斜量是由条件（16）确定的，而并不取决于定子磁极数，定子槽距和定子槽数。因此，定子的槽数对于一60°电角度可是一整数，视定子槽数而定。在这种情况下，根据本发明的倾斜就适用去除由定子槽引起的转矩波动分量。

表1表示不同感应电动机的技术数据。表1中，p表示定子极数，q表示定子的每极每相槽数，而r表示计算出作为槽距的倾斜量。

表1

序号    p    q    定子槽数    本发明的倾斜量（角）    r

1    2    3    18    60°（60°/1×1）    3

2    4    3    24    30°（60°/2×1）    3

3    6    3    36    20°（60°/3×1）    3

4    8    1    24    15°（60°/4×1）    1

5    10    1    30    12°（60°/5×1）    1

6    12    1    36    10°（60°/6×1）    1

7    14    1    42    8.57°（60°/7×1）    1

8    16    1    48    7.5°（60°/8×1）    1

9    18    1    54    6.67°（60°/9×1）    1

10    20    1    60    12°（60°/10×2）    2

11    22    1    66    10.9°（60°/11×2）    2

12    24    1    72    5°（60°/12×1）    1

13    26    1    78    9.23°（60°/13×2）    2

14    28    1    84    12.86°（60°/14×3）    3

15    30    1    90    8°（60°/15×2）    2

p：定子磁极数

q：定子每极每相槽数

r：计算出作为槽距的倾斜量

满足以上槽要求的一种定子绕组是一种所谓集中绕组。倾斜量被确定为定子槽距的整数倍，以减少其频率是六倍原频率f1的整数倍的转矩波动分量，以及由槽引起的转矩波动分量。

如果磁极数较大，本发明的感应电动机的倾斜量（即一个电角度）以和磁极数成反比例减小。因此，在条件（16）限制的范围内，本发明的感应电动机的倾斜量可以是120°或180°电角度，代替60°电角度。

如果根据本发明的其它实施例的感应电动机的倾斜量满足条件（16），由于倾斜是指转子槽相对于定子槽的倾斜，定子槽和转子槽中的一种可以平行于旋转轴线，而另一种槽相对于它倾斜。

如果假定感应电动机的结构是这样，使得转子有一无限大的半径，代替一个一定的旋转半径，并且抽出一段对应于无限大半径的弧，就提出一种已知的线性感应电动机。在这种情况下，副结构包括一个代替转子的运动部件，运动部件产生的是一种牵引力而不是转矩。因此，本发明也可以适用于线性感应电动机。

以上所述，根据本发明提供的一种感应电动机，这种电动机能将转矩波动减至最小，而且适用于作为一种高精度伺服电动机而在宽变速范围内运转。