CN105122605B - 机械装置 - Google Patents

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CN105122605B CN201480001867.7A CN201480001867A CN105122605B CN 105122605 B CN105122605 B CN 105122605B CN 201480001867 A CN201480001867 A CN 201480001867A CN 105122605 B CN105122605 B CN 105122605B
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Abstract

为了将高效率感应电动机使用时的消耗电力削减效果最大化，本发明所涉及的具有感应电动机和减速机构的机械装置，在从现有的感应电动机变更为高效率感应电动机时，通过将减速器的减速比变大以使得机械装置的转速与现有的感应电动机使用时相同，而将机械装置的输出保持为与现有的感应电动机使用时相同，从而能够使泵或风扇等机械装置的负载条件也与现有的感应电动机使用时相同，因此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。

Description

机械装置
技术领域
本发明涉及一种机械装置。
背景技术
当前，为了能量消耗量的抑制以及削减，感应电动机被应用在泵、送风机(风扇)、压缩机等各种机械装置中，以进一步对消耗电力进行削减作为目标，而进行感应电动机自身的高效化、机械装置的控制方法的开发。
例如，在专利文献1中公开了下述技术，即，在最高稳定转速区域中，通过对加速旋转与惯性旋转进行交替往复的控制，将机械装置的旋转保持在最高稳定转速区域，该加速旋转是通过电动机加速而进行旋转，该惯性旋转是将电动机断电而通过惯性进行旋转，此时，在进行将电动机断电而通过惯性旋转的惯性旋转时，由于将电动机断电，因此，实现了消耗电力的减少。
专利文献1：日本特开2001－120880号公报
发明内容
但上述的现有技术无法应用在使用按照额定速度进行旋转的感应电动机的机械装置中。另外，如果将高效率感应电动机应用在机械装置中，则高效率感应电动机的转速与同一输出时的现有的感应电动机(非高效率感应电动机)相比，存在变快的趋势。因此，存在下述问题，即，随着感应电动机的转速的增加，泵装置自身的机械输出也增加，由于输出增加而无法充分地对消耗电力进行削减。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种机械装置，该机械装置使用能够充分地对消耗电力进行削减的高效率感应电动机。
为了解决上述的课题，并实现目的，本发明是一种机械装置，该机械装置具有：感应电动机，其使小直径带轮(或者小直径齿轮)旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径带轮(或者小直径齿轮)的旋转运动进行驱动的大直径带轮连接，该机械装置的特征在于，通过使所述大直径带轮(或者大直径齿轮)的直径相对于所述小直径带轮(或者小直径齿轮)的直径的比即减速比增大，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径带轮(或者大直径齿轮)处发生抵消，且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径带轮(或者大直径齿轮)的转速的增加。
发明的效果
根据本发明，可以实现下述效果，即，得到一种机械装置，该机械装置使用能够充分地对消耗电力进行削减的高效率感应电动机。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的机械装置的外观的斜视图。
图2是表示实施方式所涉及的机械装置中的传动带·带轮的剖面放大图的图。
图3是表示实施方式所涉及的机械装置中的、通常的现有的感应电动机(标准电机)与高效率感应电动机(高效率电机)的损耗比较的图。
图4是表示实施方式所涉及的机械装置的感应电动机的转速与扭矩的关系的图。
图5是表示实施方式所涉及的机械装置的感应电动机的转速与扭矩的关系的图(图4的局部放大图)。
图6是表示在将实施方式所涉及的机械装置中的、高效率感应电动机相对于现有的感应电动机的二次电阻比以及转差率s作为参数时，用于将现有的感应电动机使用时和高效率感应电动机使用时的转速保持相等的减速比增加率的图。
图7是表示实施方式所涉及的齿轮的剖面图。
具体实施方式
下面，基于附图，对本发明所涉及的机械装置的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不限定于本实施方式。
实施方式
图1是表示本发明所涉及的机械装置的实施方式的外观的斜视图。图1所示的机械装置是具有感应电动机(电机)以及减速机构的泵装置，该机械装置具有感应电动机21、泵22、传动带23以及带轮(感应电动机21侧的小直径带轮31以及泵22侧的大直径带轮32)。图1所示的机械装置的感应电动机21是高效率感应电动机。在这里，所谓高效率感应电动机，是与现有的非高效率感应电动机相比较，对于同一输出，效率更高、转速更快的感应电动机。
图2是表示图1的机械装置中的传动带·带轮的剖面放大图的图。在图2所示的传动带·带轮中，相对于小直径带轮31的直径而言的大直径带轮32的直径比现有技术更大。例如，如果现有的小直径带轮的直径与大直径带轮的直径的比是30：40，则本实施方式的小直径带轮的直径与大直径带轮的直径的比是30：41。由此，如果将相对于小直径带轮的直径而言的大直径带轮的直径变大，则能够将使用高效率感应电动机时的减速比变大，在该例子中，将现有技术中的减速比是40/30的情况变为减速比是41/30的情况。具体地说，如果将感应电动机21的转速设为Nm，将小直径带轮31的直径DS与大直径带轮32的直径DL的比设为DS：DL，则泵的转速Np使用减速比a＝DL/DS而通过下面的公式(1)进行表示。
【式1】
根据上面的公式(1)，小直径带轮31的直径DS与大直径带轮32的直径DL的比如上面的例子所示，在从现有的感应电动机变更为高效率感应电动机时，如果从30：40变更为30：41，则对于现有的感应电动机使用时的泵的转速Np1与现有的感应电动机的转速Nm1，形成Np1＝0.75Nm1的关系，对于高效率感应电动机使用时的泵的转速Np2与高效率感应电动机的转速Nm2，形成Np2＝0.73Nm2的关系。另一方面，高效率感应电动机的转速Nm2与同一输出时的现有的感应电动机的转速Nm1相比变快(Nm1<Nm2)。如本实施方式所示，如果将高效率感应电动机使用时的减速比变得比现有的感应电动机使用时的减速比大，则现有的感应电动机使用时的泵的转速Np1与高效率感应电动机使用时的泵的转速Np2大致相等。由此，机械输出在感应电动机的变更前后没有发生变化，因此，能够削减由感应电动机21的高效化产生的消耗电力。
下面，说明高效率感应电动机的转速。图3是表示通常的现有的感应电动机(标准电机)与高效率感应电动机(高效率电机)的损耗比较的图。图3所示的损耗由一次铜损、二次铜损、铁损、杂散负载损耗以及机械损耗构成。根据图3，高效率感应电动机与通常的现有的感应电动机相比，一次铜损以及二次铜损减少。其原因在于，在高效率感应电动机中，由于感应电动机的高效化即低损失化，一次电阻以及二次电阻发生了降低。
下面，说明感应电动机的电阻和转速。感应电动机的电机输出能够通过下面的公式(2)进行表示。
【式2】
其中，PM是电机输出，V是电源电压，s是转差率，r1是一次电阻，r2是二次电阻，x1是一次电抗，x2是二次电抗。通常，感应电动机在额定运转时s<<1，因此，能够根据上面的公式(2)，通过下面的公式(3)近似表示转差率与输出的关系。
【式3】
通过上面的公式(3)，输出恒定时的转差率s通过下面的公式(4)进行表示。
【式4】
根据上面的公式(4)，输出恒定时的电动机的转速N通过下面的公式(5)进行表示。
【式5】
其中，N0是同步转速，fe是电源频率，p是感应电动机的极对数。根据上面的公式(4)，如果将二次电阻变小，则感应电动机的额定输出时的转差率也变小，根据上面的公式(5)，转速变快。
图4是表示感应电动机的转速与扭矩的关系的图。图5是表示感应电动机的转速与扭矩的关系的图4的放大图的图。在图4以及图5中，曲线41是现有的感应电动机的曲线，曲线42是高效率感应电动机的曲线，曲线43是在对高效率感应电动机进行了减速比变更的情况下的曲线。在图4以及图5中，还表示了普通用途中的转速与负载扭矩的关系(曲线44)。负载扭矩(曲线44)与感应电动机的速度扭矩(曲线41、42、43)的交点是动作点。
在图5中，根据普通用途中的负载扭矩，现有的感应电动机的动作点是L点(曲线41与曲线44的交点)，高效率感应电动机的动作点是M点(曲线42与曲线44的交点)。其原因在于，在高效率感应电动机中，由于二次电阻变小，因此，感应电动机的额定输出时的转差率也变小，而使转速上升。由此，M点的速度以及扭矩这两项比L点大，其结果是输出增加。而且，与其相对应地可能产生下述情况，即，输入电力也增加，虽然对感应电动机实现了高效化，但增加了机械装置的消耗电力。
另一方面，在图4以及图5中，还表示了在使用高效率感应电动机时的减速比与使用现有的感应电动机的情况相比，在将减速比变大的情况下的特性(曲线43)。根据图4以及图5，使用高效率感应电动机时的减速比与使用现有的感应电动机的情况相比，通过将减速比变大，从而，现有的感应电动机使用时的机械装置的转速与高效率感应电动机使用时的机械装置的转速在L点大致相等，机械输出在感应电动机变更前后没有发生变化。由此，根据本实施方式，能够消除由于机械装置的输出增加导致的输入电力的增加，发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
此外，也可以着眼于感应电动机的转速随着二次电阻发生变化的情况，确定减速比。如果将现有的感应电动机使用时的减速比设为α，将高效率感应电动机使用时的减速比设为β，将现有的感应电动机的二次电阻设为r2，将高效率感应电动机的二次电阻设为A·r2(A是现有的感应电动机与高效率感应电动机的二次电阻的比率)，则用于将机械装置的转速Np保持相同的条件，根据上面的公式(5)等以及Np＝N1/α＝N2/β，通过下面的公式(6)进行表示。
【式6】
因此，用于将现有的感应电动机使用时与高效率感应电动机使用时的转速保持相等的减速比β通过下面的公式(7)进行表示。
【式7】
β＝{1+s(1-A)}α…(7)
由此，如果通过上面的公式(7)确定减速比β，则现有的感应电动机使用时的转速与高效率感应电动机使用时的转速大致相等，机械输出在感应电动机变更前后没有发生变化，因此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
另外，着眼于上面的公式(6)确定减速比增加率。图6是表示在将高效率感应电动机相对于现有的感应电动机的二次电阻比以及转差率s作为参数时，用于将现有的感应电动机使用时与高效率感应电动机使用时的转速保持相等的减速比增加率的图。在图6中，直线51是表示在标准电机的转差率为6％时的减速比增加率的直线，直线52是表示在标准电机的转差率为5％时的减速比增加率的直线，直线53是表示在标准电机的转差率为4％时的减速比增加率的直线，直线54是表示在标准电机的转差率为3％时的减速比增加率的直线，直线55是表示在标准电机的转差率为2％时的减速比增加率的直线。根据图6，高效率感应电动机相对于现有的感应电动机的二次电阻比越小，现有的感应电动机的转差率(额定转速)越大，用于将感应电动机变更前后的转速保持相等的减速比增加率越大。具体地说，如果假设高效率感应电动机的二次电阻小于或等于现有的感应电动机的二次电阻的约50％，则减速比需要1.01～1.06倍。
另外，在本实施方式中，通过感应电动机的锁定实验，计算出用于上面的公式(6)的现有的感应电动机与高效率感应电动机的二次电阻的比率A，通过上面的公式(7)计算出减速比β。此外，感应电动机的锁定实验是下述的实验，即，在将感应电动机的转子固定的状态下，对感应电动机的一次绕组施加额定频率的低电压，使与额定电流相近的锁定电流在一次绕组上流动，通过测量出此时的一次侧的输入，计算出二次电阻。通过锁定实验，能够更加准确地求出将感应电动机变更前后的转速保持相同的减速比，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
另外，在本实施方式中，如果将现有的感应电动机的额定转速设为N1，将现有的感应电动机使用时的减速比率设为α，将高效率感应电动机的额定转速设为N2，则高效率感应电动机使用时的减速比率β通过下面的公式(8)进行表示。
【式8】
感应电动机几乎总在额定转速附近进行使用，因此，通过上面的公式(8)确定减速比，从而，在较多情况下，感应电动机变更前后的转速都相等。由此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
此外，本发明不限定于在本实施方式中说明的为了变更减速比而将带轮的直径变更的情况，也可以是下述结构，即，在使减速器为齿轮构造的机械装置中，变更齿轮的齿数(图7)。图7是表示将本发明应用在齿轮中的方式的图。在图7中，齿轮61相当于小直径带轮，齿轮62相当于大直径带轮。齿轮的变更方法如本实施方式所说明的内容，只要将现有的感应电动机使用时与高效率感应电动机使用时的转速保持相等即可。由此，感应电动机变更前后的转速没有发生变化，因此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
如上所述，本实施方式所涉及的机械装置具有：感应电动机，其使小直径带轮(或者小直径齿轮)旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径带轮的旋转运动进行驱动的大直径带轮(或者大直径齿轮)连接，该机械装置的特征在于，通过使所述大直径带轮(或者大直径齿轮)的直径相对于所述小直径带轮(或者小直径齿轮)的直径的比即减速比增大，使将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径带轮(或者大直径齿轮)处发生抵消，且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径带轮(或者大直径齿轮)转速的增加。另外，本实施方式所涉及的机械装置是具有感应电动机和减速器的机械装置，该机械装置的特征在于，将所述减速器的减速比变大，使得从非高效率感应电动机变更为高效率感应电动机的所述机械装置自身的转速与变更前的非高效率感应电动机使用时的转速相等。通过如上所述构成，从而，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
另外，在上述结构的机械装置中，也可以基于所述感应电动机的二次电阻确定所述减速比。这种方式例如在上面的公式(7)中进行了表示。通过如上所述构成，感应电动机变更前后的转速没有发生变化，因此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
另外，在上述结构的机械装置中，可以通过锁定实验计算出所述感应电动机的所述二次电阻。通过如上所述构成，准确地确定减速比，而感应电动机变更前后的转速没有发生变化，因此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
另外，在上述结构的机械装置中，可以基于所述感应电动机的额定转速的比确定所述感应电动机的减速比率。这种方式例如在上面的公式(8)中进行了表示。通过如上所述构成，感应电动机变更前后的转速没有发生变化，因此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
另外，在上述结构的机械装置中，可以与将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量相对应，而将所述大直径带轮的直径相对于所述小直径带轮的直径的比即减速比确定为大于或等于1.0％而小于或等于6.0％的范围。通过如上所述构成，能够最大限度地发挥出由电动机的高效化产生的节能效果。
或者，在与上述结构相同的机械装置中，也可以是下述情况，即，不通过使大直径带轮的直径相对于小直径带轮的直径的比即减速比变大，而通过将向所述感应电动机供给电力的电源的频率变小，使将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径带轮处发生抵消。即，可以在具有感应电动机和减速机构的机械装置中，在从使用逆变器等可变频电源的现有的感应电动机置换为高效率感应电动机时，将逆变器的输出频率变小，使得机械装置的转速与现有的感应电动机使用时的转速相等。将逆变器的输出频率以使机械装置的转速与现有的感应电动机使用时的转速相等的方式变小，具体地说，通过上面的公式(7)等，将逆变器的输出频率缩小1/β或者大约1.0～6.0％。由此，感应电动机变更前后的转速没有发生变化，因此，能够最大限度地发挥出由感应电动机的高效化产生的消耗电力削减效果。
工业实用性
如上所述，本发明所涉及的机械装置对于具有感应电动机的设备是有用的。
标号的说明
21感应电动机，22泵，23传动带，31小直径带轮，32大直径带轮，41～44曲线，51～55直线，61、62齿轮。

Claims (13)

1.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径带轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径带轮的旋转运动进行驱动的大直径带轮连接，该机械装置的特征在于，
通过使所述大直径带轮的直径相对于所述小直径带轮的直径的比即减速比增大，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径带轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径带轮的转速的增加，基于所述感应电动机的额定转速的比，确定所述减速比。
2.根据权利要求1所述的机械装置，其特征在于，
与由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量相对应，而将所述大直径带轮的直径相对于所述小直径带轮的直径的比即减速比确定为大于或等于1.0％而小于或等于6.0％。
3.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径齿轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径齿轮的旋转运动进行驱动的大直径齿轮连接，该机械装置的特征在于，
通过使所述大直径齿轮的直径相对于所述小直径齿轮的直径的比即减速比增大，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径齿轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径齿轮的转速的增加，基于所述感应电动机的额定转速的比，确定所述减速比。
4.根据权利要求3所述的机械装置，其特征在于，
与将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量相对应，而将所述大直径齿轮的直径相对于所述小直径齿轮的直径的比即减速比确定为大于或等于1.0％而小于或等于6.0％。
5.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径带轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径带轮的旋转运动进行驱动的大直径带轮连接，该机械装置的特征在于，
通过使所述大直径带轮的直径相对于所述小直径带轮的直径的比即减速比增大，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径带轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径带轮的转速的增加，基于所述感应电动机的二次电阻的比，确定所述减速比。
6.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径齿轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径齿轮的旋转运动进行驱动的大直径齿轮连接，该机械装置的特征在于，
通过使所述大直径齿轮的直径相对于所述小直径齿轮的直径的比即减速比增大，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径齿轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径齿轮的转速的增加，基于所述感应电动机的二次电阻的比，确定所述减速比。
7.根据权利要求5或6所述的机械装置，其特征在于，
通过锁定实验，计算出所述感应电动机的所述二次电阻，
该锁定实验是下述的实验，即，在将感应电动机的转子固定的状态下，对感应电动机的一次绕组施加额定频率的低电压，使与额定电流相近的锁定电流在一次绕组上流动，通过测量出此时的一次侧的输入，计算出二次电阻。
8.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径带轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径带轮的旋转运动进行驱动的大直径带轮连接，该机械装置的特征在于，
通过将向所述感应电动机供给电力的电源的频率变小，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径带轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径带轮的转速的增加，基于所述感应电动机的额定转速的比，确定所述电源的频率。
9.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径齿轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径齿轮的旋转运动进行驱动的大直径齿轮连接，该机械装置的特征在于，
通过将向所述感应电动机供给电力的电源的频率变小，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径齿轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径齿轮的转速的增加，基于所述感应电动机的额定转速的比，确定所述电源的频率。
10.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径带轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径带轮的旋转运动进行驱动的大直径带轮连接，该机械装置的特征在于，
通过将向所述感应电动机供给电力的电源的频率变小，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径带轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径带轮的转速的增加，基于所述感应电动机的二次电阻的比，确定所述电源的频率。
11.一种机械装置，其具有：感应电动机，其使小直径齿轮旋转；以及包含旋转机构的装置，该旋转机构与由所述小直径齿轮的旋转运动进行驱动的大直径齿轮连接，该机械装置的特征在于，
通过将向所述感应电动机供给电力的电源的频率变小，以使得将由所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量在所述大直径齿轮处发生抵消，
且抑制由将所述感应电动机设置为高效率感应电动机而产生的转速的增加量所引起的所述大直径齿轮的转速的增加，基于所述感应电动机的二次电阻的比，确定所述电源的频率。
12.一种机械装置，其具有感应电动机和减速器，该机械装置的特征在于，
将所述减速器的减速比增大，以使得从非高效率感应电动机变更为高效率感应电动机的所述机械装置自身的转速与变更前的非高效率感应电动机使用时的转速相同，基于所述感应电动机的额定转速的比，确定所述减速比。
13.一种机械装置，其具有感应电动机和减速器，该机械装置的特征在于，
将所述减速器的减速比增大，以使得从非高效率感应电动机变更为高效率感应电动机的所述机械装置自身的转速与变更前的非高效率感应电动机使用时的转速相同，基于所述感应电动机的二次电阻的比，确定所述减速比。
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