CN105284038B - 旋转电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减少因高次谐波磁通引起的损失的高效率的旋转电机。在转子铁芯(2)的径向上，隔着内径侧桥(7)形成内径侧转子槽(4)和外径侧转子槽(6)。在外径侧转子槽(6)的外径侧的肩部，形成向内径方向凸出的圆弧状的曲线部(10)。

Description

旋转电机及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有笼型转子的感应电动机等旋转电机及其制造方法。

背景技术

旋转电机的笼型转子由用薄磁性钢板形成的在厚度方向上按规定数量叠层而成的转子铁芯、形成在各转子铁芯的周向上的多个转子槽、和连续设置在叠层的转子铁芯的各转子槽内的转子导体构成。关于转子导体的形成方法，有在转子槽内插入铜条的方法和在转子槽内用铝或铝合金等熔化金属压铸的方法。使用压铸法的情况下，为了防止熔化金属的泄漏，与使用铜条插入法的情况不同，不能够在转子铁心上形成开放槽，需要使转子槽的外周侧端部在与转子铁心的外周相比的内侧形成，成为密闭形状。

对于具有形成了密闭形状的转子槽的笼型转子的旋转电机，指出了因定子槽和驱动逆变器时的纹波电流引起的高次谐波磁通与笼型转子交链而在转子导体中产生涡电流损失，导致效率降低的问题。高次谐波磁通通过笼型转子的较外周部，所以为了抑制效率的降低，优选从转子槽的外周侧端部到铁芯的外周的尺寸尽可能小。然而，转子槽通过冲孔形成，所以为了高效率并且高精密地形成转子槽，不得不在转子槽的外周侧端部与转子铁芯的外周之间设置一定程度的间隔。鉴于这样的情况，以往提出了各种不减小从转子槽的外周侧端部到转子铁心的外周的间隔、而是用其他方案提高这种旋转电机的效率的方法。

例如，日本特开2002-315282号公报中，公开了在转子槽的外周侧的顶部装入绝缘物，减少转子导体与高次谐波磁通的交链量从而减少损失的结构。此外，日本特开平8-140319号公报中公开了在转子铁芯的半径方向上设置内周侧槽和外周侧槽这两个槽，仅在内周侧槽中填充导体，除去涡电流的产生部位从而实现损失的降低的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-315282号公报

专利文献2：日本特开平8-140319号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，根据专利文献1、2中公开的方案，从转子导体的外周侧的端部到转子铁心的外周的距离增大，所以存在原本要与转子导体交链的成为旋转电机的输出的主磁通也通过转子导体的外周侧，与转子导体的交链磁通量减少的可能性。

此外，使旋转电机作为感应电动机驱动的情况下，起动时以某个转速旋转的磁场从定子对不旋转的转子作用，从转子来看成为高次谐波磁通而与导体交链。但是，起动时的高次谐波磁通与运转时对转子作用的、成为产生损失的主要原因的高次谐波磁通频率不同的情况较多。该情况下，采用专利文献1、2中公开的技术这样减少高次谐波磁通的交链量的方法或者将导体自身配置在内周侧的结构时，关于起动时的交链磁通，与导体交链的磁通自身也减少，所以存在起动时不能获得充分的转矩的可能性。

本发明为了解决这样的现有技术的课题而得出，其课题在于提供一种减少因高次谐波磁通引起的损失，提高了效率的旋转电机。此外，提供一种防止主磁通的泄漏而不影响转矩的、实现了运转时的效率提高的旋转电机。进而，提供一种高效率地制造这样的旋转电机的方法。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明的旋转电机的特征在于，包括定子和可旋转地配置在定子内的转子，所述转子具有双笼型结构，所述双笼型结构包括由多个薄磁性钢板的叠层体构成的转子铁芯、形成在该转子铁芯中的密闭结构的内径侧转子槽和外径侧转子槽以及形成在所述内径侧转子槽内的内径侧转子导体和形成在所述外径侧转子槽内的外径侧转子导体，所述外径侧转子槽在外径侧的左右肩部具有向内径方向凸出的圆弧状的曲线部。

此外，关于旋转电机的制造方法，其特征在于，包括：形成具有内径侧转子槽和外径侧转子槽的规定个数的薄磁性钢板的工序；将各薄磁性钢板的内径侧转子槽和外径侧转子槽重合来叠层规定个数的薄磁性钢板，构成转子铁芯的工序；在形成于所述转子铁芯的所述内径侧转子槽和所述外径侧转子槽中，至少在所述内径侧转子槽内插入铜条的工序；和通过压铸在所述内径侧转子槽与所述铜条的间隙中填充铝或铝合金的工序。

发明效果

本发明的旋转电机在外径侧转子槽的外径侧的左右肩部，具有向内径方向凸出的圆弧状的曲线部，因此能够减少旋转电机的损失，提高效率。

此外，本发明的旋转电机的制造方法包括在形成于转子铁芯中的内径侧转子槽和外径侧转子槽中，至少对内径侧转子槽内插入铜条的工序；和在内径侧转子槽与铜条的间隙中，通过压铸填充铝或铝合金的工序，因此能够容易地制造导电性优良的转子导体。

附图说明

图1是实施方式的旋转电机的主要部分截面图。

图2是实施方式的双笼型转子的立体图。

图3是实施例1的双笼型转子的轴向截面图。

图4是图3的主要部分放大图。

图5是形成在实施例1的双笼型转子中的槽部的说明图。

图6是形成在实施例2的双笼型转子中的槽部的说明图。

图7是形成在变形例1的双笼型转子中的槽部的说明图。

图8是形成在变形例2的双笼型转子中的槽部的说明图。

图9是形成在变形例3的双笼型转子中的槽部的说明图。

图10是实施例3的双笼型转子的侧面图和放大图。

图11是表示实施例3的双笼型转子的其他例子的侧面图和放大图。

图12是表示实施例3的双笼型转子的另一个其他例子的侧面图和放大图。

图13是实施例3的第一薄磁性钢板的放大图。

图14是实施例3的第二薄磁性钢板的放大图。

图15是表示形成在实施例3的第二薄磁性钢板上的内径侧桥的尺寸的图。

图16是实施例4的薄磁性钢板的放大图。

图17是实施例5的薄磁性钢板的放大图。

具体实施方式

以下，对于本发明的旋转电机的实施方式，以三相感应电动机为例，用附图对每个实施例进行说明。

实施例1

如图1所示，实施方式的旋转电机具有同心地配置的笼型转子1和定子。笼型转子1具备轴(输出轴)9、固定在轴9上的转子铁芯2、在转子铁芯2中设置的内径侧转子导体3和外径侧转子导体5、和连接这些内径侧转子导体3以及外径侧转子导体5的两端的短路环70。从而，本例的笼型转子1是双笼型结构。与此相对，定子具备定子铁芯60、形成在定子铁芯60上的定子槽61、和在定子槽61中卷绕的定子绕组62。

转子铁芯2如图2所示，用薄磁性钢板形成，通过按规定片数在厚度方向上叠层，使整体形状形成为圆筒状。这些规定片数的转子铁芯2通过在其中心孔内插入轴9而一体化。

在转子铁心2中，如图3和图4所示，在以轴9的轴心为中心的圆周上，按一定间隔形成了内径侧转子槽4和外径侧转子槽6。这些内径侧转子槽4和外径侧转子槽6都形成为密闭形状。在内径侧转子槽4的外周端与外径侧转子槽6的内周端之间，形成了规定尺寸的内径侧桥7，在外径侧转子槽6与转子铁芯2的外周端之间，形成了规定尺寸的外径侧桥8。内径侧桥7和外径侧桥8的宽度设定为能够高效率并且高精度地冲孔形成内径侧转子槽4和外径侧转子槽6的值。

在内径侧转子槽4内和外径侧转子槽6内，通过用铝或铝合金压铸，形成了内径侧转子导体3和外径侧转子导体5。关于内径侧转子导体3和外径侧转子导体5的压铸法，是属于公知的事项，并且不是本发明的主旨，因此省略说明。如上所述，各内径侧转子导体3和各外径侧转子导体5的两端被短路环70(参考图1)连接。

内径侧转子槽4的平面形状(内径侧转子导体3的截面形状)如图3和图4所示，形成为角部具有圆弧的大致扇形。内径侧转子槽4的外径侧的端部形成为直线形状。

另一方面，外径侧转子槽6的平面形状(外径侧转子导体5的截面形状)如图3至图5所示，以通过内径侧转子槽4和外径侧转子槽6的中心的转子铁芯2的半径方向线X-X为中心，在其左右两侧的外径侧的肩部，向内径方向凸出的圆弧状的曲线部10形成为左右对称的形状。外径侧转子槽6的内径侧的端部形成为与内径侧转子槽4的外径端相对的直线形状，该直线部与曲线部10被圆弧连接。由此，外径侧转子槽6的周向宽度如图5所示，向笼型转子1的外径侧去，沿着曲线部10如s1、s2、s3这样大致指数地减少。

导体中流过的高次谐波电流，其频率越高，越是因集肤效应而集中在导体的外径侧流动，因此高次谐波电流生成的磁通也是高次谐波电流的频率越高，越是集中在导体的外径侧流动。图5示出了因定子槽的影响和驱动逆变器时的纹波电流引起的高次谐波磁通31、32、33中，频率最高的高次谐波磁通33通过靠外径侧转子导体5的外径一侧的端部的部分，频率最低的高次谐波磁通31通过靠外径侧转子导体5的内径一侧的端部的部分，具有它们中间的频率的高次谐波磁通32通过外径侧转子导体5的中央部分的情况。此外，频率比高次谐波磁通31、32、33低的主磁通30通过比内径侧转子导体3靠内径一侧的部分返回定子铁芯60。

实施例1的外径侧转子槽6在外径侧的肩部，使向内径方向凸出的圆弧状的曲线部10形成为左右对称形状，所以频率越高的高次谐波磁通，横穿外径侧转子槽6的长度越短。横穿外径侧转子槽6的部分的磁阻与磁通横穿外径侧转子槽6的长度成反比，所以外径侧转子导体5中流动的高次谐波电流的频率越高，高次谐波电流生成的磁通越易于通过。即，电感随着频率增加而增大。

转子导体3、5中流动的电流能够分为以转差频率流过导体整体成为旋转电机的输出的基波成分、和因高次谐波磁通引起的流过导体成为损失的高次谐波成分来考虑。转差频率一般是比定子电流低的频率，所以对于基波成分而言，转子泄漏磁通引起的电感的影响较小，对于流过的电流的大小，电阻的影响较大。另一方面，高次谐波电流因定子槽和驱动逆变器引起的高次谐波磁通而发生，所以较多为数kHz以上的较高的频率，电感的影响增大。从而，如本实施方式所述，增加外径侧转子导体6中流过的高次谐波电流引起的电感，提高阻抗时，能够选择性地减少成为损失的原因的高次谐波电流，所以能够提供高效率的旋转电机。此外，起动时的交链磁通也不会减少，因此能够在起动时获得充分的转矩。

实施例2

用图6说明实施例2的旋转电机。实施例2的旋转电机的特征在于对实施例1的旋转电机的转子铁芯2中形成的外径侧转子槽6的各部分的尺寸进行了优化。

外径侧转子槽6上形成的曲线部10的内径侧的端部11，如图6所示，配置在比外径侧转子槽6的径向长度2d的一半靠内径一侧的位置。此外，从曲线部10的内径侧的端部11到外径侧的端部13的周向宽度e比外径侧转子槽6的径向长度的一半d更大，提高外径侧转子槽6的周向宽度朝向外径方向缩小的比率。由此，能够有效率地减少高次谐波电流，减轻旋转电机的损失。

此外，优选图6中示出的外径侧转子槽6的径向高度2d与能够根据主要高次谐波的频率计算的集肤深度相应地决定。一般而言，转子导体中流过的电流的高次谐波成分相对于对定子绕组通电的电流的频率，主要为定子槽数的整数倍、或者逆变器载波频率的整数倍的情况较多。从而，设转子导体的电导率为σ(S/m)，相对磁导率为μr(H/m)，旋转电机的每1秒的转速为N，定子槽数为Ns，驱动旋转电机的逆变器的载波频率为fc(Hz)时，外径侧槽6的径向高度2d设定为小于用求出的定子槽高次谐波的集肤深度、或者用求出的逆变器载波高次谐波的集肤深度中影响大的一方。

将外径侧转子槽6的径向高度2d设定为影响最大的高次谐波的集肤深度程度时，该频率的高次谐波电流生成的磁通通过内径侧桥7，因此能够对电感较大而影响较大的高次谐波提高阻抗，有效地减少高次谐波电流。此外，如上所述地对于高次谐波的整数倍的成分，将曲线部10的内径侧的端部设定在比外径侧转子槽6的径向长度2d的一半靠内径一侧的位置时，特别在高次谐波电流的集肤深度以下的范围内能够减小外径侧槽6的周向宽度，所以因高次谐波电流的减少以及损失减少而有效。

此外，在实施例1和实施例2的旋转电机中，使转子铁芯2中形成的外径侧转子槽6的曲线部10左右对称，并且在左右的曲线部10之间设置了向外径侧凸出的凸台(land)部(图5的s3)，但本发明的主旨不限定于此。对于外径侧转子槽6的形状，能够如图7～图9所示地进行各种变更。

(1)在图7的例子中，是没有在左右的曲线部10之间形成凸台部的形状。

(2)在图8的例子中，使左侧的曲线部10a与右侧的曲线部10b成为相对于通过内径侧转子槽4和外径侧转子槽6的中心的转子铁芯2的半径方向线X-X左右非对称的形状。

(3)在图9的例子中，在左右的曲线部10之间形成凸台部10c，并且，该凸台部10c的形状是向内径侧凸出的曲线。

实施例3

接着，用图10至图14，说明实施例3的旋转电机。实施例3的旋转电机的特征在于不是使相同结构的薄磁性钢板按规定片数叠层构成转子铁芯2，而是将转子槽的形状不同的2种薄磁性钢板叠层，构成转子铁芯2。

图10是将转子槽的形状不同的2种薄磁性钢板41、42逐片地交替叠层的例子，图11是将转子槽的形状不同的2种薄磁性钢板41、42各3片地交替叠层的例子。此外，图12是在转子槽的形状不同的2种薄磁性钢板41、42中，按1片薄磁性钢板41、2片薄磁性钢板42地交替叠层的例子。

薄磁性钢板41如图13所示，与实施例1和实施例2的旋转电机中使用的薄磁性钢板同样，隔着内径侧桥7形成了内径侧转子槽4和外径侧转子槽6。与此相对，薄磁性钢板42如图14所示，形成了不具有内径侧桥7的、对应于内径侧转子槽4的部分与对应于外径侧转子槽6的部分相连的无桥槽12。

如上所述，转子铁芯2上形成的内径侧桥7成为外径侧转子导体5中流动的高次谐波电流生成的磁通的通路，所以如图15所示，内径侧桥7的径向宽度b对于外径侧转子导体5中流动的高次谐波磁通在提高笼型转子1的自感上起到了重要的作用。然而，内径侧桥7的径向宽度b过大时，要与转子导体整体交链的主磁通通过该内径侧桥7，所以内径侧转子导体3的交链磁通量减少，旋转电机的输出降低。另一方面，用冲头对薄磁性钢板冲孔制造转子铁芯2的情况下，为了避免冲孔时的变形和断裂，对于内径侧桥7的径向宽度b，规定与钢板的厚度对应的限制值。一般较多使用的薄磁性钢板的厚度大致为0.3～0.5mm程度，所以冲孔时的径向宽度b的限制值也较多大致在薄磁性钢板的厚度以上。因此，存在冲孔时的限制尺寸比能够避免主磁通减少的尺寸更大的情况。

于是，如图10所示，将具有内径侧桥7的薄磁性钢板41和形成了无桥槽12的薄磁性钢板42逐片地交替叠层时，例如即便使用因冲孔上的限制而按照内径侧桥7的径向宽度b为1.0mm制成的钢板，在转子铁芯2的磁路整体中，也等价于对每一片薄磁性钢板形成了径向宽度为0.5mm的内径侧桥7，能够减少主磁通的泄漏。此外，如图11所例示，使具有内径侧桥7的薄磁性钢板41和形成了无桥槽12的薄磁性钢板42各自多片地交替叠层的情况下，也可以获得同样的效果。进而，如图12所例示，按照1片具有内径侧桥7的薄磁性钢板41、2片形成了无桥槽12的薄磁性钢板42地交替叠层的情况下，例如即便使用因冲孔上的限制而按照内径侧桥7的径向宽度b为1.0mm制成的钢板，在转子铁芯2的磁路整体中，也等价于对每一片薄磁性钢板形成了径向宽度为0.33mm的内径侧桥7，能够减少主磁通的泄漏。将转子槽的形状不同的2种薄磁性钢板各多少片地叠层，能够根据要构成的径向宽度b和制造上的方便适当设定。

这样，实施例3的旋转电机通过使转子槽的形状不同的2种薄磁性钢板适当叠层，使转子铁芯2上形成的内径侧桥7的径向宽度b优化，因此能够减少内径侧桥7处的主磁通的泄漏，使旋转电机的输出降低最小。

实施例4

接着，用图16说明实施例4的旋转电机。实施例4的旋转电机的特征在于，不是使转子槽的形状不同的2种薄磁性钢板叠层构成转子铁芯2，而是将在周向上按规定的排列形成了具有内径侧桥7的转子槽和不具有内径侧桥7的转子槽12的薄磁性钢板叠层，构成转子铁芯2。

图16的例子中，在薄磁性钢板的周向上，隔着内径侧桥7在径向上配置的内径侧转子槽4和外径侧转子槽6，与不具有内径侧桥7的、对应于内径侧转子槽4的部分与对应于外径侧转子槽6的部分相连的无桥槽12，逐个交替地并且按一定间距形成。

在薄磁性钢板上按照这样的排列形成各转子槽时，通过以在无桥槽12上重叠隔着内径侧桥7在径向上配置的内径侧转子槽4和外径侧转子槽6的方式，对相接地配置的各薄磁性钢板的周向位置进行调整，能够构成与图10同样的转子铁芯2。此外，隔着内径侧桥7在径向上配置的内径侧转子槽4和外径侧转子槽6与无桥槽12的排列不限定于逐个交替和一定间距，也能够使这些转子槽各自多个交替地并且按一定间距形成。此外，也能够与实施例3的旋转电机同样地，将各转子槽的排列不同的2种薄磁性钢板叠层，构成转子铁芯2。

实施例4的旋转电机也具有与实施例3的旋转电机同样的效果。

实施例5

接着，用图17说明实施例5的旋转电机。实施例5的旋转电机的特征在于，在内径侧转子槽4内插入了铜条51。

即，实施例5的旋转电机，如图17所示，具有在周向上按固定间距形成了隔着内径侧桥7在径向上配置的内径侧转子槽4和外径侧转子槽6的转子铁芯2。在内径侧转子槽4内插入了铜条51，在内径侧转子槽4的内表面与铜条51的外表面的间隙中，通过压铸填充了铝或铝合金。此外，在外径侧转子槽6内，也通过压铸填充了铝或铝合金。除此以外，与实施例1的旋转电机相同，因此对于对应的部分附加相同的符号，并省略说明。

铜的电导率比铝高，所以适合用作转子导体，然而，铜的熔点比铝高，因此在成本上难以通过压铸向转子槽内填充。从而，使用铜条作为转子导体的情况下，一般采用对转子铁芯上形成的转子槽内插入固体铜条的方法，但是难以对实施方式的转子铁芯2这样、具有较复杂的形状的转子槽内无间隙地插入固体铜条。于是，如图17所示，对内径侧转子槽4内插入固体铜条51之后，在内径侧转子槽4的内面与铜条51的外面的间隙中，通过压铸填充铝或铝合金时，能够使复杂形状的内径侧转子槽4的内表面与铜条51的外表面可靠地电连接。此外，虽然省略图示，但也能够对外径侧转子槽6插入铜条51。

实施例5的旋转电机对转子铁芯2中形成的转子槽4内插入了铜条51，因此能够提高转子导体的电导率，进一步改善旋转电机的效率。此外，因为对内径侧转子槽4内插入了固体铜条51之后，在内径侧转子槽4的内表面与铜条51的外表面的间隙中，通过压铸填充铝或铝合金，所以能够容易地制造导电性良好的内径侧转子导体3。

符号说明

1 转子

2 转子铁芯

3 内径侧转子导体

4 内径侧转子槽

5 外径侧转子导体

6 外径侧转子槽

7 内径侧桥

8 外径侧桥

9 轴

10、10a～10c 曲线部

11 曲线部的内径侧端部

12 无桥槽

13 曲线部的外径侧端部

30 主磁通

31～33 高次谐波磁通

41、42 薄磁性钢板

51 铜条

60 定子铁芯

61 定子槽

62 定子绕组

70 短路环。

Claims (8)

1.一种旋转电机，其特征在于：

包括定子和可旋转地配置在定子内的转子，

所述转子具有双笼型结构，所述双笼型结构包括由多个薄磁性钢板的叠层体构成的转子铁芯、形成在该转子铁芯中的密闭结构的内径侧转子槽和外径侧转子槽以及形成在所述内径侧转子槽内的内径侧转子导体和形成在所述外径侧转子槽内的外径侧转子导体，

所述外径侧转子槽在外径侧的左右肩部具有向内径方向凸出的圆弧状的曲线部，

所述转子铁芯由第一薄磁性钢板和第二薄磁性钢板的叠层体构成，所述第一薄磁性钢板隔着内径侧桥形成有所述内径侧转子槽和所述外径侧转子槽，所述第二薄磁性钢板不具有所述内径侧桥而形成有对应于所述内径侧转子槽的部分与对应于所述外径侧转子槽的部分相连的无桥槽，形成在所述第一薄磁性钢板中的所述内径侧桥、所述内径侧转子槽和所述外径侧转子槽与形成在所述第二薄磁性钢板中的所述无桥槽重合。

2.一种旋转电机，其特征在于：

包括定子和可旋转地配置在定子内的转子，

所述转子具有双笼型结构，所述双笼型结构包括由多个薄磁性钢板的叠层体构成的转子铁芯、形成在该转子铁芯中的密闭结构的内径侧转子槽和外径侧转子槽以及形成在所述内径侧转子槽内的内径侧转子导体和形成在所述外径侧转子槽内的外径侧转子导体，

所述外径侧转子槽在外径侧的左右肩部具有向内径方向凸出的圆弧状的曲线部，

所述转子铁芯由多个薄磁性钢板的叠层体构成，在所述薄磁性钢板的周向上，按一定间距形成有隔着内径侧桥形成在所述薄磁性钢板的径向上的所述内径侧转子槽和所述外径侧转子槽与无桥槽，所述无桥槽不具有所述内径侧桥而形成为对应于所述内径侧转子槽的部分与对应于所述外径侧转子槽的部分相连，形成在相互邻接配置的两个所述薄磁性钢板中的一个中的所述内径侧桥、所述内径侧转子槽和所述外径侧转子槽与形成在另一个薄磁性钢板中的所述无桥槽重合。

3.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：

以随着向所述转子铁芯的外径方向去所述外径侧转子槽的周向宽度逐渐减小的方式形成所述曲线部。

4.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：

所述曲线部的内径侧的端部配置在比所述外径侧转子槽的径向长度的一半靠内径一侧的位置。

5.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：

所述曲线部的从内径侧的端部到外径侧的端部的周向宽度大于所述外径侧转子槽的径向长度的一半。

6.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：

设所述内径侧转子导体和所述外径侧转子导体的电导率为σ(S/m)，相对磁导率为μr(H/m)，旋转电机的每秒的转速为N，定子槽数为Ns时，所述外径侧转子槽的径向高度小于用表示的定子槽高次谐波的集肤深度。

7.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：

设驱动旋转电机的逆变器的载波频率为fc，所述内径侧转子导体和所述外径侧转子导体的电导率为σ(S/m)，相对磁导率为μr(H/m)时，所述外径侧转子槽的径向高度小于用表示的逆变器载波高次谐波的集肤深度。

8.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于：

形成在所述内径侧转子槽内的内径侧转子导体和形成在所述外径侧转子槽内的外径侧转子导体中，至少形成在所述内径侧转子槽内的内径侧转子导体由插入到所述内径侧转子槽内的铜条和填充在所述内径侧转子槽与所述铜条之间的铝或铝合金构成。