TWI806115B - 轉子、籠型感應電動機及驅動系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種籠型感應電動機之轉子，該轉子無須根據材質或形狀以及電源頻率而調整轉子導體之尺寸，可在將轉子導體之尺寸比保持為固定值的情況下，抑制啟動過程中產生之轉矩下降。

本發明之轉子係具有轉子導體者，該轉子導體具有：第1部位，其在轉子導體之周向之寬度朝向轉子導體之內周側逐漸變小；以及第2部位，其與第1部位之內周側相連，且其在轉子導體之周向之寬度朝向轉子導體之內周側逐漸變大；將自轉子導體之外周側之端至轉子導體之內周側之端的距離設為h0，將自轉子導體之外周側之端至第1部位之外周側之端的距離設為h1，將自轉子導體之外周側之端至第2部位之內周側之端的距離設為h2，若常數N係基於在起動過程中產生轉矩下降之旋轉速度下滲透至轉子導體之渦電流之深度而算出之常數時，轉子導體滿足h1/h0<N<h2/h0之關係。

Description

轉子、籠型感應電動機及驅動系統

本發明係關於一種轉子。

籠型感應電動機可直接接通商用電源而啟動，但啟動過程中之轉矩並非固定值，有在某一旋轉速度下產生下降而引起加速停滯的情況。已知有一種轉子構造，其改善了籠型感應電動機之啟動過程中之轉矩特性。

例如，專利文獻1中所記載之籠型感應電動機之轉子，轉子中設置有由自外周側起電阻值依次變高之材質構成的複數個轉子導體、供配置轉子導體之收容孔(轉子槽)、及連結收容孔(轉子槽)之狹縫。

專利文獻2中所記載之籠型感應電動機之轉子具有第1槽、及位於較第1槽更靠轉子鐵心之外周面之側且與第1槽相連之第2槽，相比電流之驅動頻率成分之集膚深度，第1槽配置於與外周面之側相反之側，第2槽配置於外周面之側。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平6-205570號公報

[專利文獻2]WO2019/244238號公報

專利文獻1之籠型感應電動機之轉子中，雖抑制了啟動過程中所產生之轉矩下降，但必須根據轉子導體之材質或形狀、電源之頻率來適當地調整狹縫之徑向高度與周向寬度。

專利文獻2之籠型感應電動機之轉子中，可在增大啟動轉矩的同時提高驅動效率，但必須根據轉子導體之材質或驅動頻率(電源頻率)來適當地調整第1槽與第2槽之配置位置。

本發明之目的在於提供一種轉子，其無須根據材質或形狀以及電源頻率來調整轉子導體之尺寸，在將轉子導體之尺寸比保持為固定值的情況下便可抑制啟動過程中所產生之轉矩下降。

本發明之較佳之一例係一種轉子，其具有轉子導體，上述轉子導體具有：第1部位，其在上述轉子導體之周向之寬度朝向上述轉子導體之內周側逐漸變小；以及第2部位，其與上述第1部位之內周側相連，且其在上述轉子導體之 周向之寬度朝向上述轉子導體之內周側逐漸變大；將自上述轉子導體之外周側之端至上述轉子導體之內周側之端的距離設為h0，將自上述轉子導體之外周側之端至上述第1部位之外周側之端的距離設為h1，將自上述轉子導體之外周側之端至上述第2部位之內周側之端的距離設為h2，若常數N係基於在起動過程中產生轉矩下降之旋轉速度下滲透至上述轉子導體之渦電流之深度而算出之常數時，上述轉子導體滿足如下關係：h1/h0<N<h2/h0。

根據本發明，無須根據材質或形狀以及電源頻率來調整轉子導體之尺寸，在將轉子導體之尺寸比保持為固定值的情況下便可抑制啟動過程中所產生之轉矩下降。

1:定子

2:定子鐵心

3:定子槽

4:定子繞組

5:轉子

6:轉子鐵心

7:轉子槽

8:轉子導體

9:軸

10:間隙

81:第1部位

82:第2部位

83:第3部位

84:第4部位

85:第5部位

86:第6部位

87:第7部位

100:籠型感應電動機

101:電源

102:負載設備

圖1係作為實施例1之籠型感應電動機及其局部放大圖。

圖2係表示籠型感應電動機之等效電路之圖。

圖3係示出表示集膚效應之影響之係數之圖。

圖4係表示產生轉矩下降之旋轉速度(ξ)之圖。

圖5係起動轉矩之計算機實驗結果。

圖6係籠型感應電動機之驅動系統。

圖7(a)、(b)係表示作為實施例4之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。

圖8係表示作為實施例5之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。

圖9係表示作為實施例6之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。

圖10係表示作為實施例7之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。

圖11係表示作為實施例8之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。

圖12係表示作為實施例9之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。

以下，參照圖式對實施例進行說明。

[實施例1]

使用作為籠型感應電動機之轉子之一例的雙籠型轉子對實施例1進行說明。圖1之左側係表示籠型感應電動機之主要部分之圖，圖1之右側係轉子之1個槽之放大圖。實施例1之籠型感應電動機係定子1與轉子5隔著間隙10在徑向R上對向之旋轉電機。

定子1具備定子鐵心2、及捲裝於定子鐵心2中所形成之定子槽3之定子繞組4。

轉子5具備轉子鐵心6、配置於轉子鐵心6中所形成之轉子槽7之轉子導體8、及配置於轉子鐵心6之內周側之軸9。

如圖1之右側所示，沿徑向R延伸之轉子導體8具備：第1部位81，其在轉子導體8之周向X之寬度朝向轉子導體8之內周側逐漸變小；以及第2部位82，其與第1部位81之內周側相連，且其在轉子導體8之周向之寬度朝向轉子導體8之內周側逐漸變大。所謂內周側，於圖1之右側圖中係下方之側。

包含第1部位81及第2部位82之轉子導體8中，於將自轉子導體8之外周側之端至轉子導體8之內周側之端為止的距離設為h0，將自轉子導體8之外周側之端至第1部位81之外周側之端為止的距離設為h1，將自轉子導體8之外周側之端至第2部位82之內周側之端為止的距離設為h2之情形時，滿足h1/h0<N<h2/h0(N為常數)之關係。此處，常數N係基於起動過程中產生轉矩下降之旋轉速度下滲透至轉子導體8之渦電流之深度而算出。又，所謂外周側，於圖1之右側圖中係上方之側。

轉子導體8係藉由壓鑄製法將例如鋁壓入轉子槽7而成形。因此，轉子導體8未被轉子槽7中鋁以外之部位(例如狹縫)分斷，而成為一體構造。但是，亦存在轉子導體8中產生因壓鑄形成之氣泡的情況。

於實施例1中，雙籠型轉子中設置有第1部位81及第2部位82。即，轉子導體8於較第1部位81更靠外周側具備轉子導體8之周向寬度小於第1部位81之外周側之端的第3部位83，且該轉子導體8具備第4部位84，該第4部位84與第3部位83之外周側相連，且其在轉子導體8之周向之寬度朝向 轉子導體8之外周側逐漸變大。

圖2係表示籠型感應電動機之等效電路之圖。使用籠型感應電動機之等效電路，導出轉矩與等效電路常數之關係式。

V為相電壓(V)，I2'為二次電流(A)，r1為一次電阻(Ω)，r2'為二次電阻(Ω)，xM為激磁電抗(Ω)，rM為鐵損電阻(Ω)，x1為一次洩漏電抗(Ω)，x2'為二次洩漏電抗(Ω)，s為滑動(p.u.)。

二次輸入P2(W)由以下之(式1)表示。

P2=3×I2'²×r2'/s (式1)

二次銅損W2(W)由以下之(式2)表示。

W2=3×I2'²×r2' (式2)

輸出Pout(W)係自二次輸入減去二次銅損所得之值，由以下之(式3)表示。

Pout=P2-W2=3×I2'²×r2'/s-3×I2'²×r2'=3×I2'²×r2'(1/s-1)=3×I2'²×r2'(1-s)/s (式3)

轉矩T(N‧m)係輸出除以轉子之角旋轉速度ω(rad/sec)所得之商，由 以下之(式4)表示。

此處，N：旋轉速度(r/min)，Ns：同步速度(r/min)在欲改善轉矩下降之滑動s之範圍中，I2'與x1+x2'大致成反比例。因此，轉矩T之比例關係由以下之(式5)表示。

圖3係示出表示集膚效應之影響之係數之圖。圖3之縱軸圖示了作為表示集膚效應之影響之係數的下述(式8)之

1與(式9)之

2，單位為(p.u.)。圖3之橫軸為ξ(等效轉子導體高度之倒數比)，單位為(p.u.)。

於欲改善轉矩下降之滑動s之範圍中，滲透至轉子導體8之渦電流之深度藉由集膚效應而較轉子導體8之h0淺。若考慮集膚效應之影響，則二次電阻r2'與洩漏電抗x由以下之(式6)與(式7)表示。

x=x1+x2'

ξ=α×h0 (式10)

α=2π(10^-7×sf/ρ)^0.5 (式11)

此處，

1、

2：表示集膚效應之影響之係數(p.u.)

r2'dc：滑動0之二次電阻(Ω)

xdc：滑動0之洩漏電抗(Ω)

K2：二次槽洩漏占洩漏電抗整體之比(p.u.)

ξ：等效轉子導體高度之倒數比(p.u.)

α：表示集膚深度之數(1/m)

h0：轉子導體高度(m)

s：滑動(p.u.)

f：電源頻率(Hz)

ρ：轉子導體之電阻率(Ω‧m)

圖3之橫軸ξ係考慮到集膚效應時電磁等效之轉子導體高度之倒數比。如(式11)所示，若旋轉速度較高(滑動s較小)則α較小，如(式10)所示，若α較小則ξ較小。同樣地，若旋轉速度較低則ξ較大。

即，等效轉子導體高度隨著旋轉速度之減少而變小，隨著旋轉速度 之增加而變大。於旋轉速度與同步速度相等(滑動為0)時，如(式11)所示α為0，如(式10)所示若α為0則ξ成為0。於ξ為0時，表示集膚效應之影響之係數

1與

2為1，表示無集膚效應之影響之狀態。

圖3表示轉子導體之電阻率ρ於轉子導體8中為均勻之情形，不適用於例如專利文獻1中所記載之籠型感應電動機之轉子所示，轉子中設置有由自外周側起電阻值依次變高之材質構成之複數個轉子導體的情形、或設置有連結轉子槽之狹縫的情形。

轉子導體8由全部相同之材質(鋁)構成，未被轉子槽7中鋁以外之部位(例如狹縫)分斷，而成為一體構造，轉子導體之電阻率ρ於轉子導體8中為均勻。

圖4係表示產生轉矩下降之旋轉速度(ξ)之圖。示出了轉矩T與ξ之乘方成比例時之乘方數n(ξ)(縱軸)與ξ(橫軸)之關係。導出產生轉矩下降之旋轉速度下之ξ。

若將(式6)與(式7)代入至(式5)，則轉矩T之比例關係由以下之(式12)表示。

於(式12)之轉矩T與ξ之乘方成比例時，轉矩T之比例關係由以下之(式13)表示。

於(式13)之n(ξ)為正數時，隨著旋轉速度增加(ξ之減少)而轉矩T減少，於n(ξ)為負數時，隨著旋轉速度增加(ξ之減少)而轉矩T增加。因此，若存在(式13)之n(ξ)為正數之範圍，則轉矩便會產生下降。

如圖4所示，若二次槽洩漏占洩漏電抗整體之比K2變大，則有n(ξ)為正的情況。即，若二次槽洩漏占洩漏電抗整體之比K2變大，則轉矩容易下降。

於圖4中，若K2為0.5以上，則有n(ξ)為正的情況。即，若K2為0.5以上，則轉矩會下降。於K2為0.5時，n(ξ)在ξ為2.2時成為最大。K2最大為1，於K2為1時，n(ξ)在ξ為2.6時成為最大。

如此，於K2為0.5~1.0、ξ為2.2~2.6時，n(ξ)較大(轉矩減少程度較大)。即，若使ξ成為2.2~2.6的旋轉速度下之轉矩優先增加，則可有效地改善轉矩下降。

於將轉子導體高度h0設為1.0時，集膚深度δ由以下之(式14)表示。

δ=1/(αh0)=1/ξ (式14)

於K2為0.5~1.0、ξ為2.2~2.6時，轉矩減少的程度變大，若將ξ為2.2代入至(式14)，則ξ為2.2時之集膚深度為0.45，同樣地於ξ為2.6時，集膚深度為0.38，於ξ為平均值2.4時，集膚深度成為0.42。

常數N(集膚深度δ)係基於在起動過程中產生轉矩下降之旋轉速度下 滲透至轉子導體之渦電流之深度而算出，處於0.38以上0.45以下之範圍內。作為該範圍之典型例，對常數N(集膚深度δ)為0.42之情形進行說明。

根據以上所述，本實施例中，為使在集膚深度δ為0.42之旋轉速度下之轉矩優先增加，而於相對於自轉子導體8之外周側之端至轉子導體8之內周側之端的距離h0為0.42倍之位置處設置縮窄部，將r2'有效地增大而改善轉矩下降。

本實施例中，藉由於相對於h0為0.42倍之位置處設置縮窄部，可改善轉矩下降，於變更轉子導體之材質或形狀以及電源頻率之情形下，亦無須調整該尺寸比而保持為固定值即可。

另一方面，一般而言，為了改善啟動過程中之轉矩特性，例如，如專利文獻1所述，必須根據轉子導體之材質或形狀、電源之頻率，適當地調整狹縫之徑向高度與周向寬度，或如專利文獻2所述，必須根據轉子導體之材質或驅動頻率(電源頻率)，適當地調整第1槽與第2槽之配置位置。本實施例之構思在於，即便於變更轉子導體之材質或形狀以及電源頻率之情形時，亦無須調整轉子導體之尺寸比而將其保持為固定值，即可改善啟動過程中之轉矩特性，然專利文獻1及專利文獻2中並無該構思。

圖5係起動轉矩之計算機實驗結果。示出了圖1之本實施例1時、h1/h0與h2/h0均小於0.42時(縮窄部位置於外周側較淺之情形時)、h1/h0與h2/h0均大於0.42時(縮窄部位置於內周側較深之情形時)、未設置縮窄部 時。對象機為4極，假設轉子導體8為鋁而電阻率ρ為3.65×10^-8Ω‧m，轉子導體高度h0為51mm，電源頻率f為50Hz。額定轉矩設為100%。

本實施例中，轉矩下降得到改善，與縮窄部位置於外周側較淺之情形時相比，於高旋轉速度側轉矩變大，與縮窄部位置於內周側較深之情形時相比，於低旋轉速度側轉矩變大。藉此，本實施例中，對於縮窄部位置於外周側較淺之情形時與縮窄部位置於內周側較深之情形時，轉矩之最小值均變大。

[實施例2]

對實施例2進行說明。省略與實施例1共通點之說明。籠型感應電動機大多於旋轉速度為0至同步速度為止之範圍內使用。於旋轉速度為0時滑動s為1，於旋轉速度與同步速度相等時滑動s為0。

因此，藉由使產生轉矩下降之滑動s大於1，亦可抑制轉矩之下降，且能以如下方式導出。

根據(式10)，α由以下之(式15)表示。

α=ξ/h0 (式15)

根據(式11)，滑動s由以下之(式16)表示。

s=ρα²/(4π²×10^-7×f) (式16)

若將(式15)代入至(式16)，則由以下之(式17)表示。

s=ρξ²/(4π²×10^-7×f×h0²) (式17)

於滑動大於1時，(式17)由以下之(式18)表示。

1<ρξ²/(4π²×10^-7×f×h0²) (式18)

若自(式18)導出h0，則由以下之(式19)表示。

h0<ρ^0.5×ξ/(2π×10^-3.5×f^0.5) (式19)

產生轉矩下降之ξ為2.2~2.6，若將成為其平均值之2.4代入至(式19)，則由以下之(式20)表示。

h0<1200(ρ/f)^0.5 (式20)

因此，根據(式20)，藉由根據單位為Ω‧m之轉子導體8之電阻率ρ與單位為Hz之電源頻率f來調整轉子導體高度h0，可使產生轉矩下降之滑動s大於1。其結果，可抑制轉矩之下降。

[實施例3]

圖6係表示作為實施例3之籠型感應電動機之驅動系統之圖。省略與上述實施例共通點之說明。

自電源101將商用電壓、商用頻率直接接通至籠型感應電動機100而啟動。籠型感應電動機100機械地連接於負載設備102。

籠型感應電動機可直接接通商用電源而啟動，但啟動過程中之電流會成為額定電流之6倍至10倍左右之大小，電源設備之容量由啟動時之電流與啟動時間來決定。藉由使用本發明之籠型感應電動機，可抑制轉矩之下降，啟動時間變短，可削減電源設備之容量。

[實施例4]

圖7係表示作為實施例4之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。對於與上述實施例共通之點省略說明。

轉子導體8之第1部位81與第2部位82之位置，未必是第1部位81與第2部位82之交界位置(第1部位81與第2部位82之周向寬度為最小之位置)成為轉子導體高度h0之0.42倍。例如，可如圖7(a)所示，成為0.42倍之位置落在第2部位82，亦可如圖7(b)所示，成為0.42倍之位置落在第1部位81。

又，亦可將圖7(a)與圖7(b)之轉子導體8交替地配置於周向。藉由交替地配置，可獲得在更廣泛的旋轉速度之範圍內抑制轉矩下降的效果。

[實施例5]

圖8係表示作為實施例5之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。對於與上述實施例共通之點省略說明。

轉子導體8於第1部位81之內周側之端與第2部位82之外周側之端之間，具有周向之寬度固定之區間。由於周向之寬度較小之區間變大，故而抑制轉矩下降之效果提高。

[實施例6]

圖9係表示作為實施例6之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。對於與上述實施例共通之點省略說明。

轉子導體8之周向之寬度於第1部位81之外周側之端與第2部位82之內周側之端呈階梯狀變化。與使寬度逐漸變化之情況相比，周向之寬度較小之區間變大，故而抑制轉矩下降之效果提高。

[實施例7]

圖10係表示作為實施例7之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。對於與上述實施例共通之點省略說明。

使用作為籠型感應電動機之轉子之一例的凸形轉子對實施例7進行說明。於實施例7中，於凸形轉子設置有第1部位81及第2部位82。即，轉子導體8於較第1部位81更靠外周側，具備第3部位83，該第3部位83之轉子導體8之周向之寬度小於第1部位81之外周側之端。

又，轉子導體8具備第7部位87，該第7部位87與第3部位之內周側相連，且其在轉子導體8之周向之寬度朝向轉子導體之內周側逐漸變大。

若將轉子導體8之周向寬度縮小，則滑動較大時之電流降低。將轉子導體8之周向寬度縮小之位置越靠轉子導體8之外周側，其效果越大，故而與雙籠型轉子相比，於凸形轉子設置第1部位81及第2部位82，可更為降低滑動較大時之電流。

[實施例8]

圖11係表示作為實施例8之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。對於與上述實施例共通之點省略說明。

使用作為籠型感應電動機之轉子之一例的菱形轉子對實施例8進行說明。於實施例8中，於菱形轉子設置有第1部位81及第2部位82。即，轉子導體8於較第1部位81更靠外周側，具備第5部位85，該第5部位85在轉子導體8之周向之寬度朝向外周側逐漸變小。第5部位85之外周側之端的周向之寬度小於第1部位81之外周側之端的周向之寬度。

若使轉子導體8之周向寬度變小，則滑動較大時之電流降低。使轉子導體8之周向寬度變小之位置越靠轉子導體8之外周側，其效果越大，故而與雙籠型轉子相比，藉由於菱形轉子設置第1部位81及第2部位82，可降低滑動較大時之電流。

[實施例9]

圖12係表示作為實施例9之籠型感應電動機之轉子之1個槽的圖。對於與上述實施例共通之點省略說明。

使用作為籠型感應電動機之轉子之一例的茄子形轉子對實施例9進行說明。於實施例9中，於茄子形轉子設置有第1部位81及第2部位82。即，轉子導體8於較第1部位81更靠外周側，具備轉子導體8之周向之寬度朝向外周側逐漸變大的第6部位86。

第6部位86之外周側之端中的周向之寬度大於第1部位81之外周側之端中的周向之寬度。

若使轉子導體8之周向之寬度變小，則滑動較小之穩定運轉時之功率因數降低。茄子形轉子之轉子導體8之周向寬度較小之區間較雙籠型轉子或凸形轉子以及菱形轉子少，藉由在該茄子形轉子中設置第1部位81及第2部位82，滑動較小時之功率因數提高。

以上，對實施例進行了說明，但並不限定於上述實施例，包含各種變化例。例如，能夠將某實施例之構成之一部分置換為其他實施例之構成，又，亦能夠對某實施例之構成添加其他實施例之構成。又，亦能夠對各實施例之構成之一部分進行其他構成之追加、刪除、置換。

1:定子

2:定子鐵心

3:定子槽

4:定子繞組

5:轉子

6:轉子鐵心

7:轉子槽

8:轉子導體

9:軸

10:間隙

81:第1部位

82:第2部位

83:第3部位

84:第4部位

Claims (11)

1. 一種轉子，其係具有轉子導體者，且上述轉子導體由相同之材料構成，且具有：第1部位，其在上述轉子導體之周向之寬度朝向上述轉子導體之內周側逐漸變小；以及第2部位，其與上述第1部位之內周側相連，且其在上述轉子導體之周向之寬度朝向上述轉子導體之內周側逐漸變大；將自上述轉子導體之外周側之端至上述轉子導體之內周側之端的距離設為h0，將自上述轉子導體之外周側之端至上述第1部位之外周側之端的距離設為h1，將自上述轉子導體之外周側之端至上述第2部位之內周側之端的距離設為h2，若常數N係基於在起動過程中產生轉矩下降之旋轉速度下滲透至上述轉子導體之渦電流之深度而算出之常數時，上述轉子導體滿足如下關係：h1/h0<N<h2/h0；上述N處於0.38以上0.45以下之範圍內。
2. 如請求項1之轉子，其中上述N為0.42。
3. 如請求項1之轉子，其中上述轉子導體於上述第1部位之內周側之端與上述第2部位之外周側之端之間，具有周向之寬度固定之區間。
4. 如請求項1之轉子，其中上述轉子導體於上述第1部位之外周側之端及上述第2部位之內周側之端，其周向之寬度呈階梯狀變化。
5. 如請求項1之轉子，其中上述轉子導體具有：第3部位，其位於較上述第1部位更靠外周側，且其在上述轉子導體之周向之寬度小於上述第1部位之外周側之端；以及第7部位，其與上述第3部位之內周側相連，且其在上述轉子導體之周向之寬度朝向上述轉子導體之內周側逐漸變大。
6. 如請求項1之轉子，其中上述轉子導體於較上述第1部位更靠外周側具有第5部位，該第5部位在上述轉子導體之周向之寬度朝向外周側逐漸變小，上述第5部位之外周側之端的周向之寬度小於上述第1部位之外周側之端的周向之寬度。
7. 如請求項1之轉子，其中上述轉子導體於較上述第1部位更靠外周側具有第6部位，該第6部位在上述轉子導體之周向之寬度朝向外周側逐漸變大，上述第6部位之外周側之端的周向之寬度大於上述第1部位之外周側之端的周向之寬度。
8. 如請求項1之轉子，其中於將單位為Ω‧m之上述轉子導體之電阻率設為ρ，將單位為Hz之電源頻率設為f之情形時，上述h0滿足如下關係：h0<1200(ρ/f)^0.5。
9. 如請求項1之轉子，其具有轉子鐵心，上述轉子導體配置於上述轉子鐵心中所形成之轉子槽，於上述轉子鐵心之內周側具有軸。
10. 一種籠型感應電動機，其具有請求項1之轉子。
11. 一種驅動系統，其具有請求項10之籠型感應電動機、電源、及負載設備。

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