CN108604852A

CN108604852A - 三相感应电动机及其次级导体

Info

Publication number: CN108604852A
Application number: CN201680081045.3A
Authority: CN
Inventors: 金子健太; 大津晃; 大津一晃; 米谷晴之
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: US11108290B2; DE112016006435T5; JPWO2017141334A1; WO2017141334A1; JP6132989B1; HK1258585A1; US20190020253A1; CN108604852B

Abstract

本发明的三相感应电动机包括：定子，该定子具有用于插入成型卷绕线圈的开口槽构造的定子槽；转子，该转子具有插入有导体棒(9)的转子槽(7)，并隔着空隙配置在定子的内侧，其中，导体棒(9)的截面形状是6边以上的多边形，并且，导体棒(9)的外周侧端面上的两端部(A部和B部)形成为R形状。

Description

三相感应电动机及其次级导体

技术领域

本发明涉及三相感应电动机及插入三相感应电动机的转子槽内的次级导体。

背景技术

下述专利文献1中，公开了插入有次级导体的转子槽的截面形状形成为大致8边形的三相感应电动机。

此外，在该专利文献1中，关于次级导体的截面形状，并未被特别提及，考虑是以转子槽的截面形状与次级导体的截面形状相同为前提。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5241131号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

可是，将次级导体插入转子槽时，要进行被称为模锻(swaging)的操作。这里，所谓模锻是由凿形工具所进行的铆接操作的一种。具体来说，是从转子槽的开口部(以下称为“槽开口部”)用凿形工具对次级导体进行按压、从而使次级导体发生塑性形变并使其固定在转子槽内的操作。

若实施模锻，则由于将次级导体从转子的外周部向中心方向进行按压，因此，次级导体的转子中心侧面被按压并固定在转子铁心上，进而，次级导体的转子外周侧的面向圆周方向被按压并固定。此时，次级导体如何变形并固定取决于次级导体的形状及转子槽的形状。

三相感应电动机(以下，除特别明示的情况外简称为“电动机”)旋转时，若次级导体温度上升，则次级导体与转子铁心的热膨胀系数差会导致次级导体向转子轴方向延伸。此时，由于通过模锻来按压转子铁心，因此，会产生要引领转子铁心向轴向延伸的力。因此，若模锻过强，则由于与转子铁心成为一体的部分增加，因此，要引领每个转子铁心延伸的力增大，从而存在以下可能性：在进行了模锻的部位的周边端部处转子铁心发生断开，或转子铁心的一部分发生折损。

因此，期望用能适当固定次级导体的最低限度的值来设定模锻的压力。可是，只要次级导体未被适当固定，就必须提高模锻的压力。若次级导体未被适当固定，则由次级导体和端环所形成的筐形形状中的扭转固有振动频率无法得到适当值，并有可能会由于电动机旋转时与电动机的转矩脉动分量产生共振从而使转子铁心或者次级导体本身发生折损。据此，需寻求能够让转子铁心及次级导体本身发生损坏的可能性降低的次级导体的形状。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，获得一种能够使转子铁心及次级导体本身发生损坏的可能性降低的次级导体及具有该次级导体的三相感应电动机。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述技术问题并达到目的，本发明的三相感应电动机包括：定子，该定子具有用于插入成型卷绕线圈的开口槽构造的定子槽；以及转子，该转子具有插入有次级导体的转子槽，隔着空隙配置在定子的内侧。插入到转子槽的次级导体的截面形状是6边以上的多边形，并且，次级导体的外周侧端面上的两端部形成为R形状。

发明效果

根据本发明，能起到以下效果：即使不提高模锻压也能牢固地保持次级导体，并能够使转子铁心及次级导体本身发生损坏的可能性降低。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的三相感应电动机的轴向剖视图。

图2是图1的II-II方向的向视剖视图。

图3是表示在实施方式1所涉及的三相感应电动机中的转子槽的截面形状的局部剖视图。

图4是表示在实施方式1所涉及的三相感应电动机中的导体棒的截面形状的局部剖视图。

图5是用于说明对于被插入到大致8边形的转子槽内的实施方式1所涉及的导体棒的模锻操作的形态的说明图。

图6是用于说明对于被插入到大致8边形的转子槽内的现有技术所涉及的导体棒的模锻操作的形态的说明图。

图7是用于说明作用于被插入到大致8边形的转子槽内的实施方式1所涉及的导体棒的应力的说明图。

图8是用于说明作用于被插入到大致8边形的转子槽内的现有技术所涉及的导体棒的应力的说明图。

图9是用于说明由三相感应电动机的转矩脉动所造成的扭曲的转子侧视图。

图10是表示了模锻操作时施加于导体棒的模锻压过高的情况下可能发生的转子内部状态的说明图。

具体实施方式

以下，基于附图详细说明本发明的实施方式所涉及的三相感应电动机及其次级导体。此外，本发明并不局限于以下所示的实施方式。

实施方式1.

图1是本发明的实施方式1所涉及的电动机1的轴向剖视图，图2是图1中的II-II方向的向视剖视图。在作为转轴的轴8上，构成有具有转子铁心6的转子5，所述转子铁心6由电磁钢板进行层叠而形成圆筒构造，并与轴8形成为一体。

实施方式1所涉及的电动机1是被与外部气体隔离的构件所覆盖的所谓完全封闭式的电动机，适合于铁道车辆用的主电动机。电动机1作为铁道车辆用时，具有以下结构：轴8上的驱动侧部8a经由接头(未图示)及减速齿轮(未图示)连结于铁道车辆的车轴(未图示)，对安装在车轴上的车轮(未图示)进行驱动从而使车辆行驶。

转子铁心6上形成有沿轴8的轴向贯穿的多个槽孔(以下称为“转子槽”)7。转子槽7中分别插入有棒构造的导体即导体棒9，所插入的多个的导体棒9的长边方向上的各个端部通过端环(end ring)10来进行连结。此外，导体棒9是构成电动机1的次级侧电路的导体，称为次级导体。

框架12的机内一侧，圆筒构造的定子铁心3配置成与转子铁心6隔着空隙18而相对，定子铁心3上安装有定子绕组4。此外，定子2由定子铁心3和定子绕组4构成。

图2表示实施方式1所涉及的电动机1的优选截面构造。图2中，在定子铁心3的内周部一侧以等角间距且间歇地形成有48个槽3a。通过形成48个槽3a，从而形成48个齿3b。线圈20收纳于形成定子槽的槽3a中并进行卷绕，使得内部包含有一个或多个齿3b。定子绕组4由收纳于槽3a中的多个线圈20构成。

形成38个转子槽7，使得转子铁心6与定子铁心3的槽3a或齿3b相对。如前所述，转子槽7中插入有形成次级导体的导体棒9。

此外，在图2，例示出了定子的槽数为48、转子的槽数为38的情况、即(定子槽数)>(转子槽数)的情况，但不限定于该结构，也可以是(定子槽数)<(转子槽数)。作为(定子槽数)<(转子槽数)的例子，已知定子槽数为36、转子槽数为46的例子。

接着，说明关于在实施方式1所涉及的电动机中的转子槽的截面形状。图3是表示在实施方式1所涉及的电动机中的转子槽的截面形状的局部剖视图。从使插入转子槽内的导体棒的截面面积变大的观点来看，现有的三相感应电动机中的转子槽的形状曾以长方形形状为主流。因为如果导体棒的截面面积变大则导体棒的电阻变小，所以存在有利于降低由基本波磁通所产生的次级侧的铜损的优点。

另一方面，实施方式1所涉及的转子槽7的截面形状如图3所示，形成有大致8边形的贯通孔，所述贯通孔具有通过将槽开口部54侧的角部设为锥形而形成的第1锥形部57(57a、57b)，并具有槽宽朝向转子5的中心方向大致固定的平行部58(58a、58b)，还具有槽宽朝向中心方向逐渐减小的第2锥形部59(59a、59b)。作为由此形成而获得的结果，转子槽7成为具有第1角部60(60a、60b)、第2角部61(61a、61b)、第3角部62(62a、62b)、及第4角部63(63a、63b)的截面形状，另外，进行设定，使得第4角部63a、63b之间的长度要比第3角部62a、62b之间的长度(最大槽宽m)要短。此外，在将导体棒9插入转子槽7的情况下，抑制导体棒9在槽内的振动，另外，为了不让导体棒因由三相感应电动机的旋转所产生的离心力而被拔出，需要使第1角部之间的长度α比槽开口部54的宽度(以下称为“槽开口长”)β要长。

接着，对实施方式1所涉及的电动机中的导体棒的截面形状进行说明。图4是表示实施方式1所涉及的电动机中的导体棒的截面形状的局部剖视图。在图4中，转子槽7的截面形状用实线表示，导体棒9的截面形状用双点划线表示。

实施方式1所涉及的导体棒主要有以下所示的4个特征。

(1)导体棒9的截面形状与转子槽7的截面形状不同。

(2)导体棒9的外周侧端面上的两端部形成为R形状(参照图4的A部及B部)。

(3)插入导体棒9时，导体棒9的外周侧端面与槽开口部54之间形成间隙(空隙)32。

(4)槽开口部54的径向长度a与间隙32的径向长度b(即，导体棒9的外周侧端面到槽开口部54的内周部一侧为止的长度)之间，存在a>b的关系。

由于通过将导体棒9的外周侧端面上的两端部设为R形状，从而该两端部与转子铁心6进行面接触，因此能够避免应力集中在与转子铁心6侧的导体棒9相接触的接触部上。由于能够使导体棒9的外周侧端面上的两端部与转子铁心6进行面接触，因此能够避免由点接触而产生的涡流的集中。

另外，通过在导体棒9的外周侧端面与槽开口部54之间设置间隙32，从而能够使横穿槽开口部54的边缘磁通横穿导体棒9的量变小。此外，若使间隙32的径向长度变大，则导体棒9的截面面积变小，次级电阻变大。因此，如上所述，优选为使间隙32的径向长度比槽开口部54的径向长度要小。

接着，对用逆变器驱动三相感应电动机时所产生的谐波损耗及受到该谐波损耗影响的转子的构造进行说明。

首先，由逆变器驱动的电动机中所产生的谐波损耗中存在：施加在电动机上的电压波形中所包含的谐波分量、即由谐波电压所产生的谐波损耗(一般称为“逆变器谐波损耗”)；以及由电动机的内部产生的空间谐波所产生的谐波损耗(一般称为“空间谐波损耗”)。

另外，空间谐波损耗一般来说分为：定子槽谐波，该定子槽谐波由定子的槽部、齿部的磁导脉动所产生；以及定子磁动势谐波，由于将定子绕组收纳于槽内，因此磁动势成为阶梯状，从而产生该定子磁动势谐波。

若每极每相的槽数为2以上，则一般可以说定子磁动势谐波较小。因此，在成为造成空间谐波损耗的主要原因的空间谐波中，定子槽谐波具有支配性。虽然实施方式1所涉及的电动机也具有相同的构造，但特别是在使用成型卷绕线圈的情况下，从提高线圈插入的工作性的观点来看，由于定子槽的开口部为开口槽构造，因此定子槽谐波变得特别大。

定子槽谐波的影响也会影响到转子槽。其原因在于，定子槽的开口部为开口槽构造的情况下，由定子槽谐波所产生的磁通的脉动分量的大部分在相邻的转子槽内的导体之间被接收，从而谐波损耗增加。

另一方面，虽然已知有以降低如上所述的谐波损耗为目的而使次级导体沿轴向歪斜的技术，但次级导体的材质为金属的情况下，沿轴向使其歪斜是困难的。因此，在具有不使次级导体沿轴向歪斜的构造的电动机中，在被插入到转子槽的次级导体、即导体棒中，会感应出大量的谐波电流。

在具有不使次级导体沿轴向歪斜的构造的电动机中，图3所示的转子槽的形状对降低定子槽谐波是有效的。可是，若结合图3所示的转子槽的形状来制作导体棒，并插入该导体棒，则如“发明所要解决的技术问题”的一项中所说明了的那样，转子铁心或次级导体本身有可能会伴随模锻操作而发生折损。对此，图4所示的导体棒的形状是为了不使转子铁心及次级导体本身发生损坏而进行了改进的形状。

接着，关于实施方式1所涉及的导体棒固有的效果，参照图5到图10的附图进行说明。图5是用于说明对于插入到大致8边形的转子槽内的实施方式1所涉及的导体棒的模锻操作的形态的说明图，图6是用于说明对于插入到大致8边形的转子槽内的现有技术所涉及的导体棒的模锻操作的形态的说明图。图7是用于说明作用于插入到大致8边形的转子槽内的实施方式1所涉及的导体棒的应力的说明图，图8是用于说明作用于插入到大致8边形的转子槽内的现有技术所涉及的导体棒的应力的说明图。图9是用于说明由三相感应电动机的转矩脉动所产生的扭曲的转子侧视图，图10是表示了模锻操作时施加在导体棒上的压力(以下称为“模锻压”)过高的情况下可能发生的转子内部状态的说明图。

若对实施方式1所涉及的导体棒进行模锻操作，则从图5(a)的状态向图5(b)的状态推移。此时，利用由凿形工具70所产生的模锻压，来施加将导体棒9按压于转子中心一侧的力，另一方面，还向导体棒9的外周侧端面上的两端部即第1端部30(30a、30b)施加力。可是，因为第1端部30(30a、30b)形成为R形状，所以能够避免导体棒9的角部接触铁心。另外，因为导体棒9的塑性形变沿转子槽7的第1锥形部57(57a、57b)面向转子外周一侧，所以能够避免向转子槽7的应力集中。如此，根据实施方式1所涉及的导体棒，如图5(c)所示在没有间隙的状态，或在间隙较小的状态下，有可能收纳到转子槽7内。

与之相对，若对现有技术所涉及的导体棒、即与转子槽7相同形状的导体棒进行模锻操作，则从图6(a)的状态向图6(b)的状态推移。此时，利用由凿形工具70所产生的模锻压，来施加将导体棒109按压于转子中心一侧的力，另一方面，还向导体棒109的外周侧端面上的两端部即角部110(110a、110b)施加力。导体棒109的角部110(110a、110b)与转子槽7的第1角部60(60a、60b)或转子槽7的第1锥形部57(57a、57b)不进行面接触，而是通过点接触或线接触来相抵接。因此，如图6(c)所示，会发生转子槽7的第1锥形部57(57a、57b)由于导体棒109的角部110(110a、110b)而被向外周方向按压从而变形的情况，另外，还会在转子槽7的第2角部61(61a、61b)的周围产生间隙。

图7及图8表示电动机旋转时离心力施加于导体棒上的状态。在离心力施加于导体棒9的状态下，若电动机中产生转矩脉动，则在端环10上，相对于电动机1的旋转方向80，施加如图9所示那样的将导体棒9进行扭曲的方向的力(以下称为“扭曲力”)82。

实施方式1所涉及的导体棒9的情况下，由于导体棒9上的第1端部30(30a、30b)及其周边部如图7的C部及D部表示的那样，在与转子槽7的第1锥形部57(57a、57b)之间进行面固定，因此，与以往相比固定强度得以提高，能对于由电动机的旋转所产生的离心力增强固定强度，即使不能使模锻压提高，也能获得适当的固定强度。另外，也可以提高对于如图9所示那样的扭曲力82的耐受性。进而，因为能够使导体棒9的形变量变小，所以容易均匀地构成转子，能对电动机的质量的提高有所贡献。

与此相对，现有技术所涉及的导体棒109的情况下，如图8的E部及F部所示那样，由于为利用导体棒109的角部110(110a、110b)进行点固定的形状，因此需要通过提高模锻压来确保对于图9所示那样的扭曲力82的耐受性。此外，通过提高模锻压力来进行固定的状态也可以说是导体棒109未被适当固定的状态。若导体棒109未被适当固定，则由导体棒109和端环10所形成的筐形形状中的扭转固有振动频率无法得到适当值，从而存在在电动机旋转时与电动机的转矩脉动分量产生共振的可能性，并发生如图10所示那样的问题。图10表示在现有技术所涉及的导体棒109中，作为模锻压过高的情况下可能产生的转子内部的状态，图9中放大表示了用虚线来表示的G部的内部的状态。

若在模锻压较高的状态下被固定的导体棒109因电动机的旋转而加热并产生热膨胀，则如图10(a)所示，会产生要卷绕转子铁心延伸的力。此外，特别是在进行了模锻操作的分界线上，会产生要使转子铁心断开的力。在要使转子铁心断开的力持续的状态下，在超过了转子端部上的转子铁心按压件116的允许值的情况下，转子铁心断开，如图10(b)所示，转子铁心的电磁钢板118有可能发生折损，另外，有可能仅将转子铁心的前端部上的电磁钢板118的较薄部分进行卷绕从而引起变形。

对此，在实施方式1所涉及的导体棒9的情况下，由于能将模锻压抑制得较低，因此，能抑制如上述那样的转子铁心的电磁钢板的折损及变形。

此外，在图3，虽然例示出了形成有大致8边形的贯穿孔的转子槽7，但转子槽7也可以是不具有第2锥形部59的形状，导体棒9的截面形状也可以按此形状来形成。例如，在转子槽7中，也可以是如下大致6边形的截面形状：槽宽大致固定的平行部58从第1角部60(60a、60b)延伸到第3角部62(62a、62b)，不形成第2角部61(61a、61b)。在这种情况下，导体棒9的截面形状也具有大致6边形的截面形状，外周侧端面上的两端部形成为R形状即可。重要的一点是，只要是导体棒9的外周侧端面上的两端部通过转子槽7的外周侧所形成的锥形部进行面接触的构造，就包含于本发明的主旨。

如以上所说明的那样，根据实施方式1所涉及的三相感应电动机，用6边以上的多边形形成了次级导体即导体棒的截面形状，并且，用R形状形成了次级导体的外周侧端面上的两端部，因此，即使不提高模锻压也能牢固地保持次级导体，并能使转子铁心及次级导体本身发生损坏的可能性降低。

实施方式2.

在实施方式2所涉及的三相感应电动机中，对构成导体棒的材料进行说明。如实施方式1也进行了说明的那样，导体棒必须具有能承受转子进行旋转时所产生的离心力的强度。因此，现有的导体棒一般使用铜合金。在适用铜合金作为导体棒的情况下，对于导体棒的制作使用被称为冷轧冲孔加工的制造方法。冷轧冲孔加工是一种把构件压入到模具中进行冲压的方法。冷轧冲孔加工中，将压入模具中的构件量的比率即加工率进行优化，通过将被称为时效处理的冲孔之后的热处理中的温度及时间进行优化，从而能确保高强度。可是，冷轧冲孔加工虽然在导体棒的形状较为简单的情况下精度较好，但如果形状复杂，则存在在制作时的冲孔加工时产生变形的问题。该变形是因为由截面形状的非对称性所产生的轧制率的不同而引起的。以往由于是长方形形状为主流，因此即使是高强度的铜合金，变形的修正操作也是比较容易，但若形状为多边形则变形的修正操作将变难，并也具有加工性不好的缺点。

因此，实施方式2所涉及的导体棒中，由于使应力的修正操作变得容易，并且无需进行时效处理，因而采用将纯铜作为导体棒的材料的结构。因为纯铜不是合金，所以虽然无法通过时效处理来实现高强度化，但如果适用实施方式1所涉及的导体棒的形状，则可以确保插入转子槽并进行固定时的强度。

此外，纯铜是抵损耗材料，是为了高效率化而优选的材质。另外，通过把导体棒的外周侧端面设为R形状，也能降低转子的谐波次级铜损、即伴随着槽部及齿部的磁导脉动而产生的谐波损耗，对于高效率化是理想的材质。

此外，在上述的说明中，虽然对将本实施方式所涉及的三相感应电动机作为铁道用主电动机来使用的情况进行了说明，但不言而喻，也可以用于铁道车辆用以外的用途。

另外，以上的实施方式所示的结构示出本发明内容的一个示例，可以与其他公知的技术进行组合，在不脱离本发明要点的范围内，也可以省略、变更结构的一部分。

标号说明

1 电动机(三相感应电动机)

2 定子

3 定子铁心

3a 槽

3b 齿

4 定子绕组

5 转子

6 转子铁心

7 转子槽

8 轴

8a 驱动侧部

9 导体棒

10 端环

12 框架

18 空隙

20 线圈

30(30a、30b) 第1端部

32 间隙(空隙)

54 槽开口部

57(57a、57b) 第1锥形部

58(58a、58b) 平行部

59(59a、59b) 第2锥形部

60(60a、60b) 第1角部

61(61a、61b) 第2角部

62(62a、62b) 第3角部

63(63a、63b) 第4角部

70 凿形工具

80 旋转方向

82 扭曲力

109 导体棒

110(110a、110b) 角部

116 转子铁心按压件

118 电磁钢板

Claims

1.一种三相感应电动机，包括：定子，该定子具有用于插入成型卷绕线圈的开口槽构造的定子槽；以及转子，该转子具有插入有次级导体的转子槽，并隔着空隙配置在所述定子的内侧，所述三相感应电动机的特征在于，

所述次级导体的截面形状是6边以上的多边形，并且，所述次级导体的外周侧端面上的两端部是R形状。

2.如权利要求1所述的三相感应电动机，其特征在于，

构成为在将所述次级导体插入所述转子槽时，所述转子槽的外周面侧设有槽开口部，并且所述槽开口部与所述外周侧端面之间具有间隙，

所述槽开口部的径向长度比所述间隙的径向长度要长。

3.如权利要求1或2所述的三相感应电动机，其特征在于，

所述次级导体的材质是纯铜。

4.如权利要求1至3的任一项所述的三相感应电动机，其特征在于，

所述三相感应电动机作为铁道车辆用的主电动机来使用。

5.如权利要求1至4的任一项所述的三相感应电动机，其特征在于，

所述三相感应电动机是全封闭型的电动机。

6.一种三相感应电动机的次级导体，该三相感应电动机的次级导体插入至转子槽，以构成三相感应电动机的一部分，所述三相感应电动机包括：定子，该定子具有用于插入成型卷绕线圈的开口槽构造的定子槽；以及转子，该转子具有所述转子槽，并隔着空隙配置在所述定子的内侧，所述三相感应电动机的次级导体的特征在于，

所述次级导体的截面形状是6边以上的多边形，并且，所述次级导体的外周侧端面上的两端部形成为R形状。

7.如权利要求6所述的三相感应电动机的次级导体，其特征在于，

所述次级导体的材质是纯铜。