CN105990929B - 旋转电机 - Google Patents
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Abstract
感应机类型的旋转电机(100)具备：定子(10)，其在定子槽(13)内设置有以3相交流电流加电的集中卷绕的电枢线圈(14)；以及转子(20)，其在转子槽(23)内设置有集中卷绕且两端部短路的绕组线圈(24)，在上述旋转电机(100)中，定子槽的形成数S与转子槽的形成数R的比率R/S至少为1.33以上。
Description
技术领域
本发明涉及利用转子和定子之间的转差频率的集中卷绕感应机类型的旋转电机。
背景技术
作为旋转电机，已知在设置有分布卷绕而成的电枢线圈的定子内收纳笼形结构的转子且使其旋转自如的所谓的笼形感应机。该感应机通过对定子的电枢线圈提供3相的交流电流而产生旋转磁场，使转子的笼形导体产生与相对于该旋转磁场的转差频率相应的感应电流并驱动转子旋转。
在这种感应机类型的旋转电机中，想了各种办法以实现高效率化的目的，例如，通过在转子侧的齿形的前端设置槽或使用含银的铜材料来谋求减少由于高次谐波而产生的2次铜损(非专利文献1)。
另外，还探讨了取代电磁钢板，采用所谓的SMC芯来谋求减小高次谐波驱动时的铁损，上述所谓的SMC芯是将对铁粉等具有磁性的颗粒的表面进行绝缘包覆处理而得到的软磁性复合粉材(Soft Magnetic Composites)进一步进行铁粉压缩成型和热处理而制造出的压粉磁芯(非专利文献2)。
然而，非专利文献1、2所记载的技术均是将定子的电枢线圈分布卷绕，采用笼形转子，因而，很难减少由于电枢线圈的绕线长度而产生的铜损。
还探讨了将该定子的电枢线圈集中卷绕来缩短绕线长度的办法。例如，在专利文献1中提出了为了减少由于采用集中卷绕而增加的高次谐波且损失较少地进行运转，准备多于3相的多相交流电源，减少重叠于定子磁通势的高次谐波。
然而，在该专利文献1所记载的方式中，存在如下问题：为了准备多相的交流电源，要增加构建逆变器的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor；绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor；金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件，还要增加电力线，在大型化的同时成本也变高。
另外，已知利用单相的交流电流的感应机，该感应机使用所谓的罩极式线圈(短路集中卷绕线圈)强制性地使磁通产生变动，从而产生旋转磁场，实现笼形转子结构。
但是，该罩极式感应机效率差，仅能通过单相交流电流来实现，理论上很难将其3相化。即，在单纯的笼形结构中难以将3相集中卷绕的电枢线圈设置于定子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2010-11674号公报
非专利文献
非专利文献1：M.Kondo，M.Miyabe，R.Ebizuka，K.Hanaoka：Design andEfficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Motor for RailwayTraction，IEEJ Technical Meeting，MD-13-26，RM-13-25(2013)
非专利文献2：T.Iwasaki，M.Inamori，M.Morimoto：Performance of InductionMotor Made of SMC Core，IEEJ Trans.I.A，Vol.134，No.9，pp.815-820(2014)
发明内容
发明要解决的问题
因此，本发明的目的在于提供能够利用3相交流电流高效地进行运转的廉价且能小型化的集中卷绕感应机类型的旋转电机。
用于解决问题的方案
解决上述问题的旋转电机的发明的一个方式具备：定子，该定子槽内设置有在沿着旋转轴的方向上延伸的导体；以及转子，该转子槽内设置有在沿着上述旋转轴的方向上延伸的导体，上述定子和上述转子具有共用的上述旋转轴并且将上述定子的内周面和上述转子的外周面设置成相互相对使上述转子能够旋转，上述转子侧的导体产生感应电流，该感应电流对应于与上述定子相关的转差频率，在上述定子中，设置于上述定子槽内的上述导体为集中卷绕的可施加3相交流电流的电枢线圈，在上述转子中，设置于上述转子槽内的上述导体为集中卷绕且两端部间短路的绕组线圈，上述转子槽比上述定子槽多。
发明效果
这样，根据本发明的一个方式，能够提供能够利用3相交流电流高效地进行运转的廉价且能小型化的集中卷绕感应机类型的旋转电机。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的图，是表示其概略整体构成的径向截面图。
图2是表示以交流电流加电时的磁力线的形成状态的磁力线图。
图3是表示在定子内收纳实心转子并以交流电流加电时的磁力线的形成状态的磁力线图。
图4是表示在图3所示的加电时经由定子和实心转子之间的间隙而交链的高次谐波磁通的各次的密度分布的坐标图。
图5是表示与转差率s＝0.2时的定子槽与转子槽的形成比率相应的转矩特性的坐标图。
图6是表示与不同于图5的定子槽与转子槽的形成比率相应的转矩特性的坐标图。
图7是比较在笼形转子结构和集中卷绕型转子结构中得到的转矩特性的坐标图。
图8是比较与集中卷绕型转子结构中的集中卷绕的匝数相应的磁通密度的坐标图。
图9是表示以交流电流加电而进行转差率控制时的转差率转矩特性的坐标图。
图10是表示与图9中的转差率s＝0.6时的电流相位相应的转矩特性的坐标图。
附图标记说明
10 定子
12 定子齿
12a 内周面
13 定子槽
14 电枢线圈(导体)
20 转子
22 转子齿
22a 外周面
23 转子槽
24 绕组线圈(导体)
100 旋转电机
101 轴(旋转轴)
G 间隙
具体实施方式
下面，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。图1～图10是说明本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的图。
在图1中，旋转电机100具备：定子10，其形成为大致圆筒形状；以及转子20，其收纳在该定子10内且旋转自如，固定有与其轴心一致的轴(旋转轴)101。旋转电机100例如适合作为驱动源安装于要求成本低、小型化并且输出大的混合动力汽车、电动汽车。
定子10形成为在周向上排列有18根定子齿12，定子齿12在朝向轴101侧的径向上延伸。定子齿12的内周面12a侧隔着间隙G与转子20的转子齿22的外周面22a靠近并相对。在该定子齿12中，在侧面12b间形成有沿着轴101延伸的定子槽13，设置有利用该定子齿12间的18个定子槽13将绕组向相同方向集中卷绕而成的电枢线圈(导体)14。
转子20形成为在周向上排列有30根转子齿(凸极)22，转子齿22在远离轴101的径向上延伸。转子齿22的外周面22a隔着间隙G与定子10的定子齿12的内周面12a靠近并相对。在该转子齿22中，在侧面22b间形成有沿着轴101延伸的转子槽23，设置有利用该转子齿22间的30个转子槽23将绕组向相同方向集中卷绕并使两端部间短路连接的绕组线圈(导体)24。
即，旋转电机100被制作成如下结构：定子槽13的形成数S为18个，而转子槽23的形成数R更多，为30个，定子槽13的形成数S与转子槽23的形成数R的槽组合的形成数比率为R/S＝5/3。此外，该定子槽13的形成数S与转子槽23的形成数R的槽组合的形成数比率R/S＝5/3满足后述的形成数比率R/S＝1.33(4/3)以上。
另外，在旋转电机100中，为了抑制在截面积较大的导体的情况下容易产生的涡流，在转子20中，将截面为圆形且线径较小的(细的)铜线集中卷绕于转子齿22，将其设置为将两端部短路连接而成的导体(绕组)。此外，在本实施方式中，是以卷绕截面为圆形的细线型的电线(铜线)来形成绕组线圈的情况为一例来进行说明，但不限于此。例如，也可以使用铝导线来取代旋转电机100中的截面为圆形的细铜线，还可以用扁线、利兹线来形成绕组线圈。
从而，旋转电机100例如能够通过对定子10的电枢线圈14供应利用逆变器将未图示的车载电池内的直流电流转换为3相的交流电流的交流电力来驱动转子20旋转。这时，当由定子10的电枢线圈14产生的旋转磁场与转子20的转子齿22交链时，能够在该转子20中产生(诱发)与在旋转磁通与每个转子齿22的绕组线圈24交链时的转差频率相应的感应电流，能够通过与定子10的旋转磁场的相互作用来驱动转子20旋转。
例如，当使旋转电机100以转差率s＝0.2运转时，如图2所示，可知磁力线FL集中于定子10的12个(图中的符号CA)定子齿12，经由间隙G与转子20的转子齿22交链的磁力线密度变高，从而，能够使周向的磁铁转矩(电磁力)作用于转子20侧而驱动其旋转。
在此，如图3所示，当在定子10中收纳铁块的实心转子30来取代转子20并分析对电枢线圈14加电时的磁通分布(磁通密度)的谐波时，可知集中于12个(图中的符号CA)定子齿12的磁力线FL形成在实心转子30侧交链并返回相邻的定子齿12的磁回路。该定子10的电枢线圈14设为集中卷绕，因而产生了包含较多的高次空间谐波成分的磁通，如图4所示，可知重叠有达到主磁通的50％以上的静止坐标系中的2次空间谐波成分，该2次空间谐波成分在实心转子30侧交链。
另外，在上述的笼形转子结构的感应机类型的情况下，当这种低次的空间谐波磁通在转子侧交链时，沿着旋转轴延伸的导体由于转子的轴向的端部侧的端环而短路，因而产生经由该导体的循环电流，造成较大的能量损失。
另外，在集中卷绕着电枢线圈14的定子10中，如图3所示，形成了在相邻的定子齿12间短路的磁路，因而，在由于端环而短路的转子侧的导体中产生想要将其取消的感应电压，无法在转子侧得到由于转差频率的磁通变动而产生的磁通势，无法驱动该转子旋转。更详细来说，2次空间谐波成分相对于由于提供给定子10的电枢线圈14的交流电流(基波)而产生的旋转磁场成为反相，因此，产生制动转矩的2次电流流向转子侧。
因而，在本实施方式的旋转电机100中，为了将设置于转子20的导体按每个转子槽23进行分段，设为如下短节距绕组结构：设置将绕组集中卷绕于转子齿22并使两端部彼此短路的绕组线圈24。
因此，对在如下槽组合结构下的旋转特性的变化进行了确认：为了在定子侧设置以3相交流电流加电的集中卷绕的电枢线圈而将定子槽的形成数S固定为S＝3，在转子侧使设置集中卷绕的绕组线圈的转子槽的形成数R在R＝2～8范围内变化。通过进行转差率s＝0.2的模拟而对该结构下的旋转特性进行了确认后，得到图5和图6所示的结果。
首先，如图5所示，在槽的形成比率R/S＝1以下(2/3、3/3)时，仅会产生正负变动的转矩，虽然成为脉动较大的转矩脉动，但即使对其进行平均化也不能够将其用作旋转转矩。
对此，如图6所示，可知在槽的形成比率至少为R/S＝1.33以上(4/3～8/3)时，产生偏向正侧的转矩，若对其进行平均化则能够使其成为旋转转矩。另外，在槽的形成比率R/S＝1.66以上(5/3～8/3)时，几乎都能够作为正侧的旋转转矩加以利用。因此，若考虑到安装于车辆，优选如本实施方式的旋转电机100那样，设为定子槽13的形成数S为18/转子槽23的形成数R为30，得到二者的形成数比率R/S＝5/3的槽组合。此外，另一方面，如图6所示，只要满足槽的形成比率至少为R/S＝1.33以上，进一步来说，满足槽的形成比率至少为R/S＝1.66以上，就能够高效率地得到旋转转矩，因此，在安装于车辆的情况下的旋转电机100不限于形成数比率R/S＝5/3的槽组合，能够根据车辆的用途、特性而适当地设定形成数比率R/S。
因而，将槽组合固定为定子槽的形成数S与转子槽的形成数R的比率R/S＝5/3的槽组合，对与如下结构相应的旋转特性进行了确认。具体来说，通过对转差率s＝0.2时的情况进行模拟而对所谓的笼形转子结构和1匝(T)的集中卷绕型转子中的旋转特性进行了确认后，得到图7所示的结果，在上述所谓的笼形转子结构中，设置于转子槽的整个导体由于端环而在全周范围内发生短路，在上述1匝(T)的集中卷绕型转子中，设置于转子槽的导体按每个转子齿而发生短路。
首先，在笼形转子结构中，如图7所示，如上所述，在转子的导体中产生循环电流，并且产生取消产生的磁场的感应电压，从而仅产生正负变动的转矩，无法将其用作旋转转矩。
对此，在1匝的集中卷绕型转子中，如图7所示，尽管只有1匝，却能够得到在正侧变动的旋转转矩。
进而，在1匝的集中卷绕型转子中，如本实施方式的旋转电机100那样，将17匝的绕组线圈作为设置于转子20的转子槽23的导体，如图8所示，与1匝的情况相比，能够使2倍以上的基波成分(由于交流电流而产生的1次旋转磁场)交链，能够产生由于转差频率的磁通变动而产生的磁通势，高效地得到驱动转子旋转的旋转转矩。
这时，由于绕组线圈集中卷绕成短节距绕组，因此，与分布卷绕的情况相比，与转子侧的该绕组线圈交链的磁通量减少，出现磁通势下降(驱动效率下降)、功率因数下降的倾向。然而，对于这些下降倾向，能够通过增加匝数、提高交链效率、确保磁通势来避免磁通密度减小、功率因数下降。
此外，在本实施方式中，假定车载的旋转电机100的结构，以缠绕17匝通用的绕组的绕组线圈的情况为一例进行说明，但不限于此。例如只要根据与电机的尺寸、槽的空间面积、凸极(齿)中的磁饱和等相应的最佳结构来制作即可。
因此，如图9所示，与上述的具备笼形转子的感应机相比较，旋转电机100在将电枢线圈分布卷绕于定子槽(定子齿)的定子内能够得到相同转差率转矩特性的旋转转矩。
在此，使用定子10的基波频率(旋转磁场的旋转频率)f1和转子20的旋转频率f2，将转差率s定义为下式。因此，在该图9中，可知在f1＝1000rpm、f2＝800rpm的情况下，在转差率s＝0.2时为使转子20向一个方向旋转的最大旋转转矩，另外，在f1＝1000rpm、f2＝1200rpm的情况下，在转差率s＝－0.2时为使转子20向反方向旋转的最大旋转转矩。
转差率s＝(f1-f2)/f1
在此，旋转电机100在图9中的转差率s＝0.6的条件下产生高次谐波转矩并且转矩特性发生变动的情况也与上述的具备笼形转子的感应机的情况相同。
此外，如图10所示，该转差率s＝0.6时的转矩特性发生变动的原因是，在由于转差频率成分而产生的感应转矩的基础上，还能利用与电感的高次谐波成分的转差频率同步的高次谐波同步转矩，从而成为与电流相位相应地发生变动的转矩特性。
详细来说，仅考虑了槽高次谐波的转子和定子的d轴电感(Lrd、Lsd)的积如下式。
Lrd×Lsd＝(Lrd0+Lrdacos5ω2t)×(Lsd0+Lsdacos3ω1t)
这时，当满足下式的关系成立时，产生高次谐波同步转矩，在ω1＝1时ω2＝±0.4，在转差率为s＝0.6、1.4时产生高次谐波同步转矩。
ω1＝3ω1+5ω2、ω1＝3ω1－5ω2
这样，在本实施方式的旋转电机100中，将设置于定子10的定子槽13的电枢线圈14集中卷绕，在转子20的转子槽23中设置将细的铜线缠绕多匝并使其两端部短路的集中卷绕的绕组线圈24，将该定子槽13的形成数S与转子槽23的形成数R的比率R/S设为至少1.33以上。而且，在本实施方式的旋转电机100中，只要槽的形成比率R/S满足至少为1.66以上就能够高效率地得到旋转转矩。此外，在本实施方式的旋转电机100中，是将定子槽13的形成数S与转子槽23的形成数R的比率R/S设为5/3来进行说明的。
因此，通过将3相交流电流提供给定子10的电枢线圈14，执行转差率控制，能够使转子20侧的绕组线圈24产生与转子20的旋转频率相对于定子10的旋转磁场的转差频率相应的感应电流。
因此，能够提供无需徒劳地准备用于4相以上的逆变器等就能够以3相的交流电流高效地进行运转的廉价且能小型化的集中卷绕感应机类型的旋转电机100。
在此，作为本实施方式的其它方式，虽省略了图示，但不限于在本实施方式中在径向上形成间隙G的径向间隙结构，也能应用于在旋转轴方向上形成间隙的轴向间隙结构。
另外，在本实施方式中，以在定子10内收纳转子20并使其旋转自如的内转子结构作为一例来进行说明，但不限于此。例如也能够应用于将定子收纳在内部而使外侧的转子旋转自如的外转子结构，本发明能够应用于如下结构：定子和转子具有共同的轴心(旋转轴)，使转子的内周面和定子的外周面相对地进行旋转驱动。
另外，旋转电机100不限于车载用，例如能够适当用作风力发电、工作机械等的驱动源。
虽然公开了本发明的实施方式，但很显然，本领域技术人员能够在不脱离本发明的范围的情况下进行变更。旨在将所有这样的修正以及等同物都包含于前面的权利要求。
Claims (5)
1.一种旋转电机(100)，
具备：
定子(10)，其定子槽(13)内设置有在沿着旋转轴(101)的方向上延伸的导体(14)；以及
转子(20)，在转子齿(22)之间的转子槽(23)内设置有在沿着上述旋转轴的方向上延伸的导体(24)，
上述定子和上述转子具有共用的上述旋转轴并且将上述定子的内周面(12a)和上述转子的外周面(22a)设置成相互相对使上述转子能够旋转，上述转子侧的导体产生感应电流，该感应电流对应于与上述转子和上述定子相关的转差频率，
上述旋转电机的特征在于，
在上述定子中，设置于上述定子槽内的上述导体为集中卷绕的可施加3相交流电流的电枢线圈，
设置于上述转子槽内的上述导体为按每个上述转子齿集中卷绕的绕组线圈，从而按每个上述转子槽进行分段，
集中卷绕于各转子齿的上述绕组线圈两端部彼此短路而设为短节距绕组结构，
上述转子槽比上述定子槽多，
重叠于对上述定子的上述电枢线圈施加3相交流电流而产生的旋转磁场的2次空间谐波成分与上述绕组线圈交链，产生高次谐波同步转矩。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，
上述转子槽的形成数相对于上述定子槽的形成数的比率至少为1.33以上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转电机，其中，
上述转子槽的形成数R相对于上述定子槽的形成数S的比率R/S至少为5/3以上。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转电机，其中，
上述集中卷绕的小线径绕组作为上述导体设置在上述转子槽内。
5.根据权利要求3所述的旋转电机，其中，
上述集中卷绕的小线径绕组作为上述导体设置在上述转子槽内。
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