CN103580415A - 感应电动机及使用该感应电动机的铁道车辆 - Google Patents

Abstract

提供一种解决现有技术中的问题的高效率化的感应电动机及使用其的铁道车辆。该感应电机具有定子和与定子隔着空隙相对配置的转子，转子在多个槽口内具备导体棒，所述槽口由在可旋转地被保持的转子铁心的周向上延伸配置的多个齿部形成，其中，槽口的周向前端部被齿部的周向前端缩窄，并且齿部的周向前端形状形成有从齿前端向槽口内的导体棒呈圆弧状突出的凸部。

Description

感应电动机及使用该感应电动机的铁道车辆

技术领域

本发明涉及一种感应电动机及使用其的铁道车辆，尤其涉及一种高效率化的感应电动机及使用其的铁道车辆。

背景技术

一般而言，感应电动机的损失原因可大致分为：在定子绕组通电时产生的1次铜损；通过被转子的导体棒感应而流通的电流而产生的2次铜损；在定子以及转子的铁心产生的铁损；因旋转产生的机械损耗与杂散损耗。

其中，在杂散损耗所包含的损失中，包括有在转子的导体棒表面附近感应高频的电流而产生的高次谐波2次铜损。该高次谐波2次铜损不仅在感应电动机的损失原因中占据较大的比例，且还有因其他要因的损失近年来减少的倾向，从而占据越来越大的比例。

鉴于所述情况，提出有对于高次谐波2次铜损的各种损失降低方法。例如，在专利文献1～3公开的感应电动机的转子槽口形状中，在转子的导体棒的空隙侧设置槽口形状为全闭式的桥。另外，在该桥的空隙侧设置空间，降低在转子导体棒产生的高次谐波2次铜损。

另外，在专利文献4以及5公开的感应电动机的转子槽口形状中，在转子的导体棒的空隙侧设置成为开放槽口形状的突起物。另外，在该桥的空隙侧设置空间，使在转子导体棒产生的高次谐波2次铜损降低。

在专利文献6公开的感应电动机的转子槽口形状中，在转子的导体棒的空隙侧设置空间，使在转子导体棒产生的高次谐波2次铜损降低。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-224258号公报

专利文献2：日本特开平08-140319号公报

专利文献3：日本特开平02-123951号公报

专利文献4：日本特开2011-87373号公报

专利文献5：日本特开2011-87375号公报

专利文献6：日本特开2007-295724号公报

但是，在专利文献1～3记载的构成中，由于槽口形状为全闭槽口，因此在桥部的漏磁变大，存在功率因数下降的问题。

在专利文献4以及5记载的构成中，由于在转子的导体棒的空隙侧存在突起物，因此，与专利文献1～3同样，漏磁变大，存在功率因数下降的问题。

在专利文献6记载的构成中，由于是不存在桥部以及突起物的构成，因此，虽然功率因数的下降小，但由于转子齿前端部的磁饱和变大，所以漏磁变大，在转子导体棒表面流通磁通。因此，高次谐波2次铜损变大。

专利文献6的情况的转子齿部前端32的模式图如图13所示。在图13中，转子铁心7具备：圆筒状的转子磁轭部30；以及从转子磁轭部30的外周表面向径向外侧突出，且沿转子磁轭部30的外周面在轴向上延伸的多个转子齿部31。在转子齿31间，在周向上形成有用于收纳转子导体棒13的转子槽口6。

另外，关于转子齿部前端32的构造，相对于转子槽口6的周向前端部的宽度d1，转子导体棒13的周向前端部的宽度d2是d2＞d1的关系。即，通过形成由转子齿部31缩窄转子槽口6的前端的构造，由此，转子导体棒13被抑制成不会在离心力作用下向转子槽口6飞出。

需要说明的是，在该构造中，前端部的宽度d1扩幅为转子导体棒13的宽度d2为止的部分(以下称为抑制部)是由直线状的线形成的。

图13表示此时的磁通φ。旋转中从定子侧流入转子侧的磁通φ优选如磁通φ3所示那样应通过转子齿31而到达转子磁轭部30，其一部分如磁通φ1所示那样将转子导体棒13的外周面横切。

在抑制部由直线状的线形成的专利文献6的构造中，由于转子齿前端部的磁饱和变大，漏磁变大，在转子导体棒表面流通磁通，高次谐波2次铜损变大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种解决上述所示的现有的问题，高效率化的感应电动机及使用其的铁道车辆。

综上，本发明提供一种感应电动机，其具有定子以及与该定子隔着空隙相对配置的转子，转子在多个槽口内配备导体棒，所述槽口由在被保持为可旋转的转子铁心的周向上延伸配置的多个齿部形成，其中，槽口的周向前端部被齿部的周向前端缩窄，并且齿部的周向前端形状形成有从齿前端向槽口内的导体棒呈圆弧状突出的凸部。

发明效果

根据本发明，由于能够降低感应电动机的高次谐波2次铜损，所以可有助于感应电动机的高效率化。

附图说明

图1是实施例1的方式的感应电动机的轴向剖面图。

图2是实施例1的方式的感应电动机的剖面图。

图3是实施例1的方式的感应电动机的转子槽口部的放大图。

图4是表示转子齿前端部的距离L和曲率半径R之间的关系的图。

图5是表示R/L＝0时的抑制部形状的图。

图6是表示R/L＝0.5时的抑制部形状的图。

图7是表示R/L＝1时的抑制部形状的图。

图8是表示R/L＝2时的抑制部形状的图。

图9是表示曲率相对于距离L之比(R/L)和各铜损的关系的图。

图10是实施例2的方式的感应电动机的转子槽口部的放大图。

图11是实施例3的方式的感应电动机的转子槽口部的放大图。

图12是实施例4的方式的感应电动机的转子槽口部的放大图。

图13是现有的感应电动机的转子槽口部的放大图。

图14是实施例5的方式的感应电动机1的立体图。

图15是开放式的转子铁心70的转子槽口部的放大图。

图16是全闭式的转子铁心71的转子槽口部的放大图。

图17是实施例6的方式的感应电动机1的立体图。

图18是实施例7的方式的感应电动机的转子槽口部的放大图。

图19是搭载了实施例8的感应电动机的铁道车辆的框图构成图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施例。

【实施例1】

对于本发明的实施例1，基于图1、图2、图3进行说明。图1是本发明的实施例1的方式的感应电动机1的轴向剖面图。感应电动机1的定子2包括：定子铁心4；卷绕在该定子铁心4上的多相的定子绕组5；由其内周面保持定子铁心4的壳体11。

转子3由转子铁心7、端板15、轴8以及轴承10构成，轴承10被保持为可旋转。轴承10被端托架9支承，端托架9被固定于壳体11。另外，转子铁心4在轴向两端部被端板15在轴向上抑制。

在转子3的转子铁心7，设有用于插入由导体构成的转子导体棒13的多个转子槽口。另外，转子导体棒13在转子的两轴端部与端环14连接。

在端板15连接有用于使内部气体通风的内扇风扇50。另外，在转子铁心7的内周部形成在轴向上连通的内气通风用的孔17a而使内部气体通风。另外，在定子2的外周侧形成有内气通风用管道17b，使由内扇风扇50生成的风通风。

图2是本发明的实施例1的方式的感应电动机1的剖面图，壳体的图示省略。在图2中，感应电动机1由定子2和转子3构成。

定子2由定子铁心4和定子绕组5构成。定子绕组5卷绕在定子铁心4上。定子铁心4具备：圆筒状的定子磁轭部21；以及从定子磁轭部21的内周表面向径向内侧突出，且沿着定子磁轭部21的内周面在轴向上延伸的多个定子齿部22。定子齿22沿着定子磁轭部21的内周面在周向上等间隔配置。

转子3具备层叠多片电磁钢板而成的转子铁心7，在转子铁心7上设置多个的转子槽口6中插入有转子导体棒13。

转子铁心7具备：圆筒状的转子磁轭部30；以及从转子磁轭部30的外周表面向径向外侧突出，且沿着转子磁轭部30的外周面在轴向上延伸的多个转子齿部31。转子齿31沿着转子磁轭部30的外周面在周向上等间隔配置。另外，在转子齿31间，在周向上等间隔配置有用于收纳转子导体棒13的多个转子槽口6。

另外，转子铁心7是冲裁出供轴8穿过的孔的构造，将冲裁出供轴8穿过的孔的电磁钢板层叠起来，在供贯通的轴8穿过的孔中插入轴8而构成转子3。另外，在图2的剖面图中，在转子铁心7的轴向上形成有内气通风用的孔17a。

需要说明的是，转子3向顺时针方向、逆时针方向旋转，作为电动机运转。

图3表示图2记载的实施例1的方式的转子的槽口部以及齿部的放大图。在此，作为特征的点是：转子的齿前端部32的抑制部的形状作为朝向转子导体棒13的凸部而形成为圆弧状。在图3中凸部的圆弧由R表示。R是曲率半径。

通过该形状，转子齿前端部32的磁饱和被缓和，磁通如磁通流φ那样流通。因此，在转子导体棒13的定子侧表面产生的高次谐波2次铜损降低，由此可以提高效率。

需要说明的是，在图13所示的现有的转子槽口的放大图中，在现有的转子齿前端部32，磁通流φ如φ1所示那样将槽口内的转子导体棒13的表面横切。相对于此，在图3所示的本发明的实施例1的槽口放大图中，在转子齿前端部32，磁通流φ并没有横切槽口内的转子导体棒13的表面。

进而在本发明中，通过恰当确定图3的距离L与朝向转子导体棒13形成为圆弧状的凸部之比，由此使在转子导体棒13的定子侧表面产生的高次谐波2次铜损降低，提高效率。

其中，图3的距离L是从转子齿前端部到杆为止的距离，与图13同样，若由宽度d1、d2对其定义，则可称为前端部的宽度d1扩幅为宽度d2为止的周向的距离。需要说明的是，宽度d1是转子槽口6的周向前端部的宽度d1，宽度d2是转子导体棒13的周向前端部的宽度d2。另一方面，朝向转子导体棒13形成为圆弧状的凸部以曲率半径R定义。

图4表示转子齿前端部32的距离L与曲率半径R的关系。在该图中，前端部的宽度d1扩幅为宽度d2为止的部分相当于抑制部，在图13的现有例中，这期间是直线。

在本发明中，处理距离L与曲率半径R的比率(R/L)，但该比率表示的形状如图5到图8所示。其中，距离L为2.6。

图5表示比率(R/L)为0，因而曲率半径R为0的情况。宽度d1没有扩幅，就那么为宽度d2。因此，在与转子导体棒13之间形成角部。

图6表示比率(R/L)为0.5，因而曲率半径R为1.3的情况，图7表示比率(R/L)为1.0，因而曲率半径R为2.6的情况，图8表示比率(R/L)为2.0，因而曲率半径R为5.2的情况。根据这些图可知，曲率半径R越小，凸部的突出程度越大。

图9表示本发明的实施例1时的、曲率相对于从槽口部到转子导体棒的距离L之比(R/L)和各铜损的关系。图9的纵轴是以铜损相对值(p.u)表示各铜损的关系。各铜损是对定子绕组5通电而产生的1次铜损C1、高次谐波2次铜损C2以及两者的合计值C1+C2。当转子导体棒13的面积一定时，2次铜损为一定，因此，感应电动机1的温度限制是由1次铜损C1和高次谐波2次铜损C2的合计值决定的，是以此为基准(1.0)的相对值(p.u)。

另外，图9的横轴取图5到图8中说明的比R/L。如此，横轴就被比R/L定义，其中，比R/L是在设从转子齿前端部32到转子导体棒13的距离为L、设圆弧状的曲率部61的曲率半径为R的情况下的曲率半径R相对于从转子齿前端部到转子导体棒的距离L的比。

在此，设从转子齿前端部32到转子导体棒13的距离L一定，以R/L为2.0的情况为基准。即，以将R/L为2.0时的各铜损单位化为1.0的值进行表示。

根据该图，1次铜损C1伴随着比R/L的增加而减少，在R/L为2.0时，其变成1.0。高次谐波2次铜损C2在R/L为1时最小，在R/L为2.0以上时增加到1.0以上。但是，R/L越接近0，高次谐波2次铜损C2越增加，超过铜损相对值1.0。

各铜损C1、C2显示出这样的倾向的理由如下所述。在R/L小于2.0的情况下，转子齿前端部32的磁通密度变低，与转子导体棒13交链的磁通减小，因而高次谐波2次铜损C2变小。相反，漏磁在转子齿前端部32变大，因此1次铜损C1变大。结果是，1次铜损C1和高次谐波2次铜损C2的合计值C1+C2在R/L为1.0时显示出最小。

需要说明的是，在R为0的情况下，即R/L为0.0的情况下，漏磁变大，因此在转子导体棒表面流通磁通，高次谐波2次铜损C2变大。另外，1次铜损C1和高次谐波2次铜损C2的合计值C1+C2随着R/L越接近0.0而越增加，若R/L≤0.5，则超过铜损相对值1.0。

以上，1次铜损C1和高次谐波2次铜损C2的合计值为温度限制即1.0p.u以下的情况是最佳的，因此，从图9所示的关系，曲率半径相对于从转子齿前端部32到转子导体棒13的距离之比即R/L从0.5到2.0(p.u)是最佳的。

【实施例2】

下面，使用图10说明本发明的实施例2。图10是本发明的实施例2的方式的感应电动机1的转子槽口部6的放大图。在此，壳体、定子以及轴的图示省略。

图10与图3的不同点是：转子的齿前端部32的形状具有曲率部61，且具有与转子导体棒13平行、该部分和转子导体棒13接触的直线部62。

根据实施例2，能够降低在转子导体棒13产生的高次谐波2次铜损，并且相对于转子3的旋转而引起的施加于转子导体棒13上的离心力而言，由于存在直线部62，所以能够抑制转子导体棒13，能够高速运转感应电动机1。

【实施例3】

下面，使用图11说明本发明的实施例3。图11是本发明的实施例3的方式的感应电动机1的转子槽口部6的放大图。在此，壳体、定子以及轴的图示省略。

图11与图3的不同点是：转子的齿前端部32的形状是由从转子的齿前端部32朝向转子导体棒13突出的圆弧状的曲率部63和曲率部64的两个以上形成的。

根据实施例2，具有与实施例1同样的效果，通过降低高次谐波2次铜损，能够提高效率。

【实施例4】

下面，使用图12说明本发明的实施例4。在图12中，表示本发明的实施例4的方式的感应电动机1的转子槽口部6的放大图。在此，图12省略壳体、定子以及轴的图示。

图12与图3的不同点是：收纳于转子槽口6的转子导体棒13a的形状是梯形形状。

根据实施例4，能够降低在梯形的转子导体棒13a产生的高次谐波2次铜损，并且不会缩窄转子齿部31的内周侧的宽度，可使转子导体棒13a向内周延伸，因此可减小转子导体棒13的磁阻值，还可降低2次铜损。由此，能够降低感应电动机1的损失，因此可使感应电动机1更高效化。

【实施例5】

下面，使用图14、图15以及图16说明本发明的实施例5。图14是本发明的实施例5的方式的感应电动机1的立体图，图15、图16是转子槽口部的放大图。在此，省略壳体以及端环的图示。另外，省略壳体以及定子。

实施例5与图3的不同点是：在图14中，转子槽口6的空隙侧的形状具有开放式的转子铁心70和全闭式的转子铁心71这两方。且在图14的实施例中，端环15是全闭式的，但即使是开放式的，也可以高速运转。

图15表示开放式的转子铁心70的转子槽口部的放大图，图16表示全闭式的转子铁心71的转子槽口部的放大图。在图16中，6a是转子的全闭槽口。

根据实施例5，能够降低在转子导体棒13产生的高次谐波2次铜损，并且具有图16所示的全闭式的转子铁心71，从而相对于通过转子3的旋转而施加于转子导体棒13的离心力而言，可以抑制转子导体棒13，可以高速运转感应电动机1。

【实施例6】

下面，使用图17说明本发明的实施例6。图17是本发明的实施例6的方式的感应电动机1的立体图，省略了壳体、定子、轴、压板、转子导体棒以及端环的图示。

实施例6与图3的不同点在于，转子7在轴向上歪斜。与图3同样，具有降低高次谐波2次铜损的效果。

【实施例7】

下面，对于本发明的实施例7，使用图18进行说明。图18是本发明的实施例7的方式的感应电动机1的转子槽口部6的放大图。在此，省略壳体、定子以及轴的图示。

实施例7与图3的不同点在于：收纳于转子槽口6的转子导体棒13被从转子槽口6的开口部侧通过凿密(カシメ)而被按压。

根据实施例7，能够降低在转子导体棒13产生的高次谐波2次铜损，并且通过凿密，转子导体棒13将转子槽口6在宽度方向上扩开，由此，相对于因转子3旋转而施加于转子导体棒13上的离心力而言，能够抑制转子导体棒13，可使感应电动机1高速运转。

【实施例8】

下面，对于使用本发明实施例8的感应电动机的铁道车辆，使用图19进行说明。图19是搭载有本发明实施例8的感应电动机的铁道车辆的框图构成图。

在该图中，铁道车辆200在台车201上具备感应电动机1、增速齿轮202及车轮203，感应电动机1通过增速齿轮202驱动车轮203。另外，感应电动机1在图中为2台，但还可以搭载1台或2台以上的多台并对其进行驱动。

需要说明的是，在以上的实施例中，说明了将感应电动机用于铁道车辆的车轮的驱动，但还可以在电动建机用的驱动装置及其他所有驱动装置中使用。

根据本实施方式，适用于由逆变器驱动转子导体棒、感应电动机的电动车辆或铁道车辆，则能够降低感应电动机的损失，因此可以提供高效的感应电动机。

符号说明

1：感应电动机

2：定子

3：转子

4：定子铁心

5：定子绕组

6：转子槽口

6a：转子的全闭槽口

7：转子铁心

8：轴

9：端托架

10：轴承

11：壳体

13：转子导体棒

13a：梯形形状的转子导体棒

14：端环

15：端板

17a：内气通风用的孔

17b：内气通风用管道

21：定子磁轭部

22：定子齿

30：转子磁轭部

31：转子齿部

32：转子齿前端部

50：内扇风扇

32：转子齿的前端部

61：曲率部

62：直线部

63：曲率部

64：曲率部

70：具有开放式槽口形状的转子铁心

71：具有全闭式槽口形状的转子铁心

φ：磁通流

200：铁道车辆

201：台车

202：增速齿轮

203：车轮

Claims (9)

1.一种感应电动机，其具有定子以及与该定子隔着空隙相对配置的转子，所述转子在多个槽口内配备导体棒，所述槽口由在被保持为可旋转的转子铁心的周向上延伸配置的多个齿部形成，

其特征在于，

所述槽口的周向前端部被所述齿部的周向前端缩窄，并且所述齿部的周向前端形状形成有从齿前端向所述槽口内的导体棒呈圆弧状突出的凸部。

2.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于，

当设从所述槽口的周向前端部被缩窄处直到所述转子导体棒为止的周向的距离为L，设所述圆弧状的凸部的曲率半径为R时，R/L为0.5＜R/L＜2.0。

3.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于，

所述圆弧状的凸部由多个圆弧形状形成。

4.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于，

所述圆弧状的凸部的一部与所述导体棒接触。

5.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于，

在轴向上配置有转子的槽口开口部为开放形状的转子铁心及转子的槽口开口部为全闭形状的转子铁心。

6.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于，

收纳在转子槽口内的导体棒的周向剖面形状是梯形形状。

7.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于，

转子铁心在轴向上歪斜配置。

8.如权利要求1所述的感应电动机，其特征在于，

所述导体棒从转子槽口的开口部侧被凿密。

9.一种铁道车辆，其具备感应电动机，通过该感应电动机来驱动车轮，其中，所述感应电动机包括定子和转子，所述定子具有卷绕有定子绕组的定子铁心，所述转子以可旋转的方式被保持于所述定子的内周，且具有转子铁芯以及在该转子铁心的内部与上述定子铁心相对配置的多个导体，其中，

所述感应电动机是权利要求1所述的感应电动机。

Images