CN101026317A - 电力机械 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电力机械。本发明的目的在于得到降低成本的同时,能够减少在励磁磁极内发生的电涡流损失的电力机械,在励磁磁极2的磁极数P=10,电枢1的极靴6的数量Q=12的旋转电机中,使缠绕在同一个极靴6上的绕组7a、7b成为(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)的顺序,依据该结构,能够减少电枢磁动势的比同步成分低的次数的成分,从而,由于能够减小在励磁磁极中流过的电涡流,因此能够降低电涡流损失。
Description
技术领域
本发明涉及旋转电机或者线性电机等电力机械,涉及降低在励磁磁极内发生的电涡流损失的技术。
背景技术
当前,由具备拥有多个永久磁铁的励磁磁极和以集中绕组缠绕的电枢绕组的电枢构成的旋转电机被应用于各种用途中。其中集中绕组是在电枢的极靴上集中缠绕绕组的构造,由于由机械进行的自动缠绕生产方式发达,因此以伺服用途等小型电动机为中心大量采用。在这样的小型电机中,由于铜损、铁损、机械损失占据损失的大部分,因此大多情况下在励磁磁极中发生的电涡流损失没有成为问题。
另一方面,在超过数kW的大型电动机中,目前为止使用具备以分布绕组缠绕的电枢绕组的电枢,采用线圈末端小的集中绕组的必要性高。例如,在直接驱动电梯的卷扬机或者工作机械的平台那样的电动机中,从节省空间的观点出发,线圈末端的小型化要求很大。
然而,在超过数kW的大型旋转电机中,在励磁磁极中发生的电涡流损失在整体损失中不能够忽略。进而近年来,正在把稀土类磁铁那样的剩磁通密度和顽磁力高的高性能磁铁积极地利用为大型旋转电机的励磁磁极的磁极。例如,Nd-Fe-B系列的永久磁铁的导电率高,与铁氧体系列的永久磁铁相比较具有易于流过电涡流的特征。由于励磁磁极中的电涡流损失,除去降低效率以外,还存在着励磁磁极的温度上升导致磁铁的消磁这样的课题。另外,即使没有达到消磁,但随着温度上升剩磁通密度降低,其结果,基于磁铁的磁通量减少。因此,为了发生与不存在温度上升的状态相同的输出,需要流过更多的电枢电流,还存在由该电流产生的铜损增加,效率降低这样的课题。
为了降低电涡流损失,用叠层钢板构成铁心,把电枢的电枢绕组做成分布绕组,抑制电枢电流产生的磁场的高次谐波。在专利文献的1(特开平8-289491号公报)中,记载了在用叠层钢板构成铁心,把叠层的铁心做成一块构成励磁磁极的情况下,通过谋求叠层钢材之间的叠层方向的电绝缘,抑制励磁磁极内的电涡流损失。
另外,在专利文献2(特许第3280351号)中公开了在把励磁磁极的铁心没有做成叠层钢板的情况下,用块形铁轭构成而且划分其铁轭,通过断绝电涡流的通道降低电涡流损失的方法。
发明内容
发明要解决的课题
如上所述,在现有的具备永久磁铁的电力机械中,为了降低励磁磁极的电涡流损失,提出了把励磁磁极的铁轭做成叠层构造,或者划分块形铁轭的构造,但如果做成叠层构造,则存在需要很大的模具,而且必须导入大型冲压机等设备投资成为高成本的问题点。另外,如果划分块形的铁轭,则存在除去导致伴随着增加部件数量引起的工序增加产生的成本升高以外,由于所划分的块形铁轭之间的绝缘厚度不均匀,励磁磁极与电枢的磁隙中的磁通密度不均匀,带来噪声或者震动这样的问题。
另外,在把电枢做成分布绕组的情况下,如上所述,存在线圈末端大的问题。
本发明是为了消除以上的问题点而完成的,目的在于得到降低成本的同时,能够降低在励磁磁极内发生的电涡流损失的电力机械。
用于解决课题的方法
一种电力机械,该电力机械具备经过磁隙所配置、沿着与上述磁隙长度的方向成直角的方向被驱动而相对移动的电枢和励磁磁极,进而,上述电枢具备:电枢铁心,具有从上述磁隙长度的方向突出,沿着上述移动方向以预定的间隔形成的多个极靴;以及多个电枢绕组,在上述各极靴上用集中绕组缠绕,流过三相交流的各相电流,上述励磁磁极具备:沿着上述移动方向配置的预定数量的磁极,所述电力机械的特征在于:在上述多个极靴中包括缠绕流过上述三相交流的相互不同相的电流的多个绕组的极靴,以便降低上述驱动时从上述电枢绕组发生的电枢磁动势的比与上述驱动速度同步的次数低的次数的成分。
发明的效果
本发明如上所述,由于在同一个极靴上缠绕流过三相交流相互不同相的电流的多个绕组,以便降低所发生的电枢磁动势的特别是比与驱动速度同步的次数低次数的成分,因此不需要叠层高成本的励磁磁极铁轭或者划分块形的铁轭,能够以低成本降低在励磁磁极内发生的电涡流损失。
附图说明
图1是表示本发明实施形态1中的电力机械的结构的剖面图。
图2是表示作为比较例示出的现有的电力机械的结构的剖面图。
图3表示以往的电力机械的电枢产生的磁动势分布。
图4表示以往的电力机械的电枢产生的磁动势的各次数成分。
图5表示本发明实施形态1中的电力机械的电枢产生的磁动势分布。
图6表示本发明实施形态1中的电力机械的电枢产生的磁动势的各次数成分。
图7是说明以往的电力机械的电枢产生的磁动势的空间1次成分的合成的矢量图。
图8是说明本发明实施形态1中的电力机械的电枢产生的磁动势的空间1次成分的合成的矢量图。
图9是表示本发明实施形态2中的电力机械的结构的剖面图。
图10表示本发明实施形态2中的电力机械的电枢产生的磁动势的各次数成分。
图11是表示本发明实施形态3中的电力机械的结构的剖面图。
图12表示本发明实施形态3中的电力机械的电枢产生的磁动势的各次数成分。
图13是表示本发明实施形态4中的电力机械的结构的剖面图。
图14表示本发明实施形态4中的电力机械的电枢产生的磁动势的各次数成分。
图15是部分放大地表示本发明实施形态6中的电力机械的结构的剖面图。
图16是部分放大地表示本发明实施形态7中的电力机械的结构的剖面图。
图17是表示本发明实施形态8中的电力机械的结构的剖面图。
图18是表示本发明实施形态9中的电力机械的结构的剖面图。
具体实施方式
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1中的电力机械的结构的剖面图。作为电力机械的例子,这里表示3相10极12极靴的旋转电机。电枢1与励磁磁极2经过磁隙10,相对旋转自如地由轴承等保持构件配置。励磁磁极2具有安装在轴9上的励磁磁极铁心3和固定在励磁磁极铁心3上的永久磁铁4。N极永久磁铁4a和S极永久磁铁4b各有5对,总计有10个磁极。另外,在图1中,由一个永久磁铁4a(4b)构成一个磁极,但与永久磁铁的具体结构方式无关。另外,在励磁磁极铁心3的表面上配置永久磁铁4a、4b,而也可以构成为埋入到励磁磁极铁心3的内部。
电枢1具有从径向即磁隙长度的方向突出,沿着圆周方向以30度的间隔形成了12个极靴6的电枢铁心5和用集中绕组缠绕在该电枢铁心5的极靴6上,收容到槽8中的绕组7a、7b。在一个极靴6上缠绕2个绕组7a、7b。缠绕在各极靴6上的绕组的相别、极性从纸面上端起按照顺时针方向成为用(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)表示的顺序。
这里,把在一个极靴上缠绕的相表示在(/)内,另外,U+和U-表示缠绕极性(缠绕方向)相互相反。但是与缠绕在同一个极靴上的2个绕组7a、7b的配置顺序无关,例如,也可以把记载为(U+/V-)的位置配置成(V-/V+),使径向的位置相反。
另一方面,图2表示以往的3相10极12极靴的旋转电机的剖面图。以往在一个极靴6上缠绕一个绕组7。绕组的相别、极性从纸面上端起按照顺时针方向,成为用(U+)(U-)(V-)(V+)(W+)(W-)(U-)(U+)(V+)(V-)(W-)(W+)表示的顺序。
当在图2表示的旋转电机的绕组7中相互流过相位差为2π/3的三相电流后,产生磁隙10中的电枢磁动势,在某个时间具有图3所示那样的分布。
由于图2表示的旋转电机的励磁磁极2是10极,因此与励磁磁极2的旋转同步的电枢磁动势是空间5次的成分。图3成为大致矩形波的分布,包括大量同步成分以外的高次谐波成分(非同步成分)。这些高次谐波成分能够通过把图3的电枢磁动势的分布展开成付立叶级数求出。
图4表示把电枢磁动势的分布进行付立叶级数展开求高次谐波成分的结果。表示把作为同步成分的空间5次成分标准化成1.0的情况。依据该图,空间一次成分是大约0.36,空间7次成分是大约0.71。
作为电枢磁动势的同步成分的空间5次成分由于以与励磁磁极2的旋转相同的速度沿着圆周方向移动,因此如果从励磁磁极2观看则可以认为静止。即,由于在励磁磁极铁心3或者永久磁铁4内没有磁通的变动,因此不发生电涡流。然而,非同步成分如果从励磁磁极2观看则可以看成运动,由于具有磁通的变动因此发生电涡流。
在电枢绕组是集中绕组的情况下,一般电枢磁动势成分的次数越高磁场越旋转到磁隙10内,与励磁磁极2不发生交链。换句话讲,次数越低的电枢磁动势越与励磁磁极2交链,产生越多的电涡流。在分布绕组中由于不发生低次的磁动势,因此该问题是集中绕组特有的问题。
本发明实施形态1的旋转电机如在前面的图1中说明过的那样,在同一个极靴6上缠绕流过U、V、W三相交流相互不同相的电流的2个绕组7a、7b,以便降低比电枢磁动势的同步成分即空间5次成分低的次数的成分。
图5是图1情况下的电枢磁动势的沿着圆周方向的分布图,图6是把该图5的电枢磁动势分布展开成付立叶级数求出的各种成分,与图4的情况相同,把空间5次成分标准化为1.0。
依据图6,空间1次成分是大约0.10,与以往例(图4)的0.36相比较为1/3倍以下。空间7次成分与以往例相同是0.71。
图7以及图8是说明求电枢磁动势的空间一次成分的合成,这里是由U相的电流生成的全部磁动势的合成值时的矢量图,分别与以往例的图2的绕组构造和本发明实施形态1的图1的绕组构造相对应。另外,两者都把空间5次合成矢量的振幅作为1.0,这时的空间1次成分的振幅在以往的图7中为0.348,在实施形态1的图8中为0.373。
如从两图所知,通过在电枢的一个极靴上缠绕2个集中绕组的绕组,使空间1次的矢量分散,可以使其合成矢量比以往例降低。
在这种情况下,电涡流损失由于近似地与磁场的平方成比例,因此与电枢磁动势的平方成比例。从而,在本实施形态1中,表示出由电枢磁动势的空间1次成分引起的励磁磁极的电涡流损失能够减少到以往的1/9倍以下。
这样,依据本实施形态1,能够降低与电枢磁动势的励磁磁极磁动势非同步成分即高次谐波成分中比同步成分低的次数的成分。从而,由于能够减少在励磁磁极中流过的电涡流,因此能够降低励磁磁极的电涡流损失。这样,由于能够根本性地降低电涡流,因此不需要以往那样的叠层励磁磁极铁轭或者划分块形铁轭,从而能够降低由设备投资引起的成本或者由部件数量增加引起的成本。
实施形态2
在前面的实施形态1中,作为例子,说明了10极12极靴的旋转电机,图9表示20极24极靴的旋转电机。这样的极数P和极靴数Q当把n取为大于等于2的偶数时在用P=5n,Q=6n表示的情况下,在各极靴6上缠绕的绕组的相别、极性从纸面上端起沿着顺时针方向,可以反复(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)。
在这种情况下,电枢磁通势的各次组成分成为图10所示。即,如果把同步成分即(5n/2)次的电枢磁动势标准化为1.0,则n/2次成为0.10,与实施形态1相同,能够降低电涡流损失。
实施形态3
图11表示本发明实施形态3的旋转电机,是3相14极12极靴的旋转电机。作为14极的旋转电机也与电枢1相同,把空间次数7次作为同步成分进行动作。如果更一般化,则极数P和极靴数Q当把n取为大于等于2的偶数时在用P=7n,Q=6n表示的情况下,同步成分是7n/2次。
图12表示这种情况下电枢磁动势的各次数成分。该图中,还同时记述了以往的旋转电机的电枢产生的磁动势。在该图中,可知n/2次成分比以往例小。即,与实施形态1相同,能够降低电涡流损失。
实施形态4
图13表示本发明实施形态4的旋转电机,作为例子,表示3相10极12极靴的旋转电机。在该图中,绕组7的相顺序与前面的实施形态1~3相同,但是匝数不同。
即,绕组7中,在使缠绕在同一个极靴上的2个绕组同相时的绕组7c、7d(例如,相当于图13最上端的(U+/U+))的匝数分别为T的情况下,使缠绕在同一个极靴上的2个绕组异相时的绕组7e、7f(例如,与从图13最上端起一个时针方向的(U-/V+)相当)的匝数分别成为大约
。如果这样构成,则所有极靴中的电枢磁动势的合成值的大小相等,其结果,电枢1产生的磁动势的成分成为图14所示。
图14进行一般化表示,即,表示极数P和极靴数Q当把n取为大于等于2的偶数时在用P=5n,Q=6n表示的情况下的电枢磁动势。在该图中,n/2次成分几乎为0。即,几乎不发生n/2次成分的电涡流,能够比实施形态1~3进一步降低电涡流损失。
以上的内容即使在前面实施形态3中说明过的极数P和极靴数Q用P=7n,Q=6n表示的情况下,也能够完全同样地适用,起到相同的效果。
实施形态5
在本发明实施形态5中,构成为使在前面实施形态4中的缠绕在同一个极靴上的2个绕组同相时的绕组7c、7d的导体截面积大于缠绕在同一个极靴上的2个绕组上时的2个绕组7e、7f的导体截面积。通过这样构成,由于能够提高导体(铜)对于槽8的面积占有率,因此能够降低铜损,成为高效率的旋转电机。
实施形态6
图15表示本发明实施形态6的旋转电机的部分放大图。在前面的实施形态1~5中,沿着极靴的轴向排列配置缠绕在同一个极靴上的2个绕组(7a、7b等),而在本实施形态6中,如图15所示,分为内周侧的绕组7h和外周侧的绕组7i配置。即使这样构成,也可以完全同样地得到在实施形态1~5中示出的效果。即,在适用本申请发明的情况下,与缠绕在同一个极靴上的2个绕组在槽8内如何配置的结构无关。
实施形态7
图16表示本发明实施形态7的旋转电机的部分放大图。在前面的实施形态1~6中,每个极靴6都用2个绕组7a、7b等构成,而在本实施形态7中,把缠绕在同一个型极靴6上的两相同相时的绕组7a、7b汇总在一起,作为匝数为2T的单体绕组7g。如果这样构成,则由于绕组7的个数作为整体减少到3/4,因此能够减少部件数量,能够成为低成本。
实施形态8
在上述的各实施形态中,是内侧为励磁磁极2的所谓的内转子的旋转电机,而作为本申请发明的实施形态8,图17所示的外侧是励磁磁极2的所谓的外转子的旋转电机,当然也能够使用本发明。
进而,本发明作为旋转电机,不区别电动机、发电机都能够适用。
实施形态9
图18表示在把旋转机线性展开了的线性电机中适用的本申请发明的实施形态9。如前面的形态例的旋转电机那样构成环的电机适用大于等于2的偶数n表现了磁极数、极靴数,而像线性电机那样具有端部的情况下,适用大于等于1的自然数进行表现。
另外,图18的例子的电枢11在移动一侧(与移动方向无关),励磁磁极22成为固定一侧,根据电枢11的移动距离具备多个磁极。从而,作为本申请发明的问题的其磁极数P和极靴数Q至少采用起到线性电机作用的相对范围中的个数。具体地讲,在图18的例子中,与在磁极数P=5m中代入了m=1的P=5,在极靴数Q=6m中代入了m=1的Q=6的情况相当。另外,本发明也同样能够适用于磁极数P=7m,极靴数Q=6m的情况。
在线性电机的情况下,缠绕在各极靴6上的2个绕组7a、7b的结构如下。首先,以在前面的实施形态1中说明过的表现为准,设想下述顺序或者重复下述顺序的顺序。
1:(U+/U+),2:(U-/V+),3:(V-/V-),4:(W-/V+),5:(W+/W+),6:(W-/U+),7:(U-/U-),8:(U+/V-),9:(V+/V+),10:(W+/V-),11:(W-/W-),12:(W+/U-)。
这里,1:~12:是为了以下说明的方便而添加的号码。
而且,设各绕组7a、7b为从上述顺序的列中抽取出连续的6m(这里是6个)的相别、极性的绕组。具体地讲,在图18中,各绕组7a、7b从图中左端的极靴顺序向右方,采用上述列中的第12、第1~第5总计6个互相连续的6个绕组结构(相别、极性)。当然,作为各绕组,也可以采用上述列中的第1~第6个,从左端向右方为(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)。
通过做成以上的绕组结构,与在前面的实施形态例中说明的相同,能够降低电枢磁动势与励磁磁极磁动势非同步成分即高次谐波中低于同步成分的次数的成分。从而,由于能够减小在励磁磁极中流过的电涡流,因此能够降低励磁磁极的电涡流损失。
特别是,在线性电机中,在电枢11比励磁磁极22短的情况下,如果电枢11移动,则基于电枢11的磁动势的磁通没有交链的部分成为磁通急剧地交链。因此,在励磁磁极励磁磁极铁心33内急剧地激励作为磁通微分的电压,成为比旋转电机大的电涡流损失。从而,通过适用本发明,能够大幅度地降低该电涡流损失的原因的磁通。
另外,在图18中,使电枢11在移动一侧,使励磁磁极22在固定一侧,而在两者相反的情况下也同样能够适用本发明。另外,不限于电机,也可以是作为发电机而发挥功能的情况,本发明同样广泛地能够在沿直线方向驱动的直动机中适用,起到相同的效果。
另外,在本发明的各变形例中,电力机械是励磁磁极的磁极数P和电枢的极靴数Q当把n取为大于等于2的偶数时用P=5n,Q=6n或者P=7n,Q=6n表示,作为旋转机沿圆周方向旋转驱动,在把缠绕在同一个极靴上的绕组用(/),把三相用U、V、W,把绕组的相用+、-表示的情况下,由于使缠绕在各极靴上的绕组成为下述顺序或者其反复,因此能够降低电枢磁动势与励磁磁极磁动势非同步成分即高次谐波成分中的比同步成分低的次数的成分。从而,由于能够减少在励磁磁极中流过的电涡流,因此能够降低旋转电机中的励磁磁极的电涡流损失。
(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)
另外,电力机械是在相互之间流通磁通,发挥作为电力机械功能的相对范围中的励磁磁极的磁极数P和电枢的极靴数Q当把m取为自然数时用P=5m,Q=6m或者P=7m,Q=6m表示,作为直动机沿着直线方向驱动,在把缠绕在同一个极靴上的绕组用(/),把三相用U、V、W,把绕组的极性用+、-表示的情况下,由于从下述顺序或者重复下述顺序的顺序序列中抽取出连续的6m个作为缠绕在各极靴上的绕组,因此能够降低作为电枢磁动势与励磁磁极磁动势非同步成分的高次谐波成分中比同步成分低的次数的成分。从而,由于能够减小在励磁磁极中流过的电涡流,因此能够降低直动机中的励磁磁极的电涡流损失。
(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)
另外,在把缠绕在同一个极靴上的2个绕组同相部分的该各绕组的匝数取为T的情况下,由于把缠绕在同一个极靴上的2个绕组异相部分的该各绕组的匝数取为
,因此能够进一步降低励磁磁极的电涡流损失。
另外,由于使缠绕在同一个极靴上的2个绕组同相部分的该各绕组的导体截面积比缠绕在同一个极靴上的2个绕组异相部分的该类各绕组的导体截面积大,因此降低电枢的铜损。
另外,由于用单一绕组构成了缠绕在同一个极靴上的2个绕组同相部分的2个绕组,因此能够减少部件数量降低成本。
Claims (6)
1.一种电力机械,该电力机械具备经过磁隙所配置、沿着与上述磁隙长度的方向成直角的方向被驱动而相对移动的电枢和励磁磁极,进而,
上述电枢具备:
电枢铁心,具有从上述磁隙长度的方向突出,沿着上述移动方向以预定的间隔形成的多个极靴;以及
多个电枢绕组,在上述各极靴上用集中绕组缠绕,流过三相交流的各相电流,
上述励磁磁极具备:
沿着上述移动方向配置的预定数量的磁极,
所述电力机械的特征在于:
在上述多个极靴中包括缠绕流过上述三相交流的相互不同相的电流的多个绕组的极靴,以便降低上述驱动时从上述电枢绕组发生的电枢磁动势的比与上述驱动速度同步的次数低的次数的成分。
2.根据权利要求1所述的电力机械,上述励磁磁极的磁极数P和上述电枢的极靴数Q当把n取为大于等于2的偶数时用P=5n,Q=6n或者P=7n,Q=6n表示,作为旋转机,沿着圆周方向被旋转驱动,所述电力机械的特征在于:
当把缠绕在同一个极靴上的绕组用(/),把上述三相用U、V、W,把缠绕极性用+、-表示时,缠绕在上述各极靴上的绕组成为下述顺序或者其反复:
(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)。
3.根据权利要求1所述的电力机械,在相互之间流通磁通,发挥上述电力机械功能的相对范围中的上述励磁磁极的磁极数P和上述电枢的极靴数Q当取m为自然数时用P=5m,Q=6m或者P=7m,Q=6m表示,作为直动机沿着直线方向被驱动,所述电力机械的特征在于:
当把缠绕在同一个极靴上的绕组用(/),把上述三相用U、V、W,把缠绕极性用+、-表示时,将上述各极靴上缠绕的绕组作为从下述顺序或反复下述顺序的顺序序列中抽取出连续的6m个的绕组:
(U+/U+)(U-/V+)(V-/V-)(W-/V+)(W+/W+)(W-/U+)(U-/U-)(U+/V-)(V+/V+)(W+/V-)(W-/W-)(W+/U-)。
5.根据权利要求4所述的电力机械,其特征在于:
使缠绕在同一个极靴上的2个绕组同相部分的该各绕组的导体截面积大于缠绕在同一个极靴上的2个绕组不同相部分的该各绕组的导体截面积。
6.根据权利要求2或3所述的电力机械,其特征在于:
缠绕在同一个极靴上的2个绕组同相部分的该2个绕组用单一绕组构成。
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