CN110192326A - 旋转电机及旋转电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供可以提高功率因数的旋转电机。为了实现上述目的，定子和转子隔开间隙在径向上相对的旋转电机的构成为：定子包括：具有圆环状的铁芯背部和以从铁芯背部在径向突出的方式在周向设置多个的齿的定子铁芯、卷绕在形成于相邻的所述齿之间的定子槽的定子绕组，齿在周向两侧具有从在径向突出的前端部再向周向突出的凸部，在相邻的凸部之间形成有磁性体，在将磁性体的磁阻的周向分量设定为Rσ，将间隙的磁阻的径向分量设定为Rδ，将无负载电流设定为I0，将额定电流设定为I1时，满足下式的关系Rσ/Rδ＞3.21×(I0/I1)^‑2.81。

Description

旋转电机及旋转电机系统

技术领域

本发明涉及感应电动机，特别是涉及位于定子槽的开口部的磁性体的周向宽度、径向高度、磁导率。

背景技术

作为关于定子槽的开口部的宽度s/间隙长δ、位于定子槽的开口部的磁性体的磁导率的周向分量μsx和径向分量μsy的背景技术，公知有日本特开平7－123621号公报(专利文献1)。在专利文献1中，特别记载有下述点：为了提供即使在从无负载状态变成短路状态时等的过渡状态，电力系统的短路电流也被抑制，减轻施加在涡轮发电机主体的电磁力的涡轮发电机，而s/δ为1以下，满足μsx＞μsy的关系。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平7－123621号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1的结构中，设定s和δ、μsx和μsy的比率，以便在定子槽的开口部容易通过向周向泄漏的磁通，抑制过渡状态的短路电流。然而，在稳定状态下，由于在定子槽的开口部容易通过周向泄漏的磁通，从而随着产生无助于转矩的产生的磁通的电流的增加，还留有功率因数降低这类课题。

本发明的目的在于，提供可以提高功率因数的旋转电机及旋转电机系统。

用于解决问题的技术方案

本发明鉴于上述背景技术及课题，如果列举其中一例，则提供一种旋转电机，其定子和转子隔开间隙在径向上相对，其构成为：定子包括：具有圆环状的铁芯背部和以从铁芯背部在径向突出的方式在周向设置多个的齿的定子铁芯、卷绕于形成于相邻的齿之间的定子槽的定子绕组，齿在周向两侧具有从在径向突出的前端部再向周向突出的凸部，在相邻的凸部之间形成有磁性体，将磁性体的磁阻的周向分量设定为Rσ，将间隙的磁阻的径向分量设定为Rδ，无负载电流设定为I0，额定电流设定为I1时，满足下式的关系：

[式1]

Rσ/Rδ＞3.21×(I0/I1)^-2.81。

发明效果

根据本发明，能够提供可以提高功率因数的旋转电机及旋转电机系统。

附图说明

图1是实施例1的感应电动机的局部剖视图。

图2是实施例1的感应电动机的磁回路图。

图3是表示实施例1的感应电动机的主磁通和漏磁通的图。

图4是实施例1的感应电动机的等效电路图。

图5是表示实施例1的感应电动机的功率因数和磁阻和磁导率的关系的图。

图6是表示实施例1的感应电动机的电流和磁阻的关系的图。

图7是表示实施例2、3及4的感应电动机的电流和磁阻和功率因数的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图对应用了本发明的实施例进行说明。

实施例1

本实施例使用旋转电机的一例即感应电动机进行说明。图1是本实施例的感应电动机的局部剖视图。

图1中，感应电动机是定子1和转子2隔开间隙3在径向相对的旋转电机，定子1包括：具有圆环状的铁芯背部4和以从铁芯背部4在径向突出的方式在周向设置有多个的齿5的定子铁芯6、卷绕在形成于相邻的齿5之间的定子槽7的定子绕组8(图1中省略)，齿5在周向两侧具有从在径向上突出的前端部再向周向突出的凸部9，在相邻的凸部9之间形成有磁性体10。磁性体10由磁性粉末或磁性板和树脂等非磁性绝缘物构成，提高电绝缘性和机械强度。另外，详细后述，在将磁性体10的磁阻的周向分量设定为Rσ，将间隙3的磁阻的径向分量设定为Rδ，将无负载电流设定为I0，将额定电流设定为I1时，满足下式的关系：

[式2]

Rσ/Rδ＞3.21×(I0/I1)^-2.81。

转子2包括转子铁芯11、收纳于在转子铁芯11上沿周向以规定的间隔配置的多个转子槽12的转子导条13。

定子槽7的周向的宽度减小时，在定子槽7中容易通过周向泄漏的磁通，产生无助于转矩的产生的磁通的电流的分量增加。齿5具备从在径向突出的前端部再向周向突出的凸部9，在凸部9的位置定子槽7的周向的宽度最小，在凸部9的位置周向泄漏的磁通最易通过。在相邻的凸部9之间设置磁性体10时，在凸部9的位置沿周向泄漏的磁通更容易通过，产生无助于转矩的产生的磁通的电流的分量进一步增加。

然而，如本实施例，在满足下式的关系的情况下，

[式3]

Rσ/Rδ＞3.21×(I0/I1)^-2.81，

在相邻的凸部9之间设置磁性体10时，详细后述，与没有磁性体10的情况相比，电流降低，功率因数提高。

图2是本实施例的感应电动机的磁回路图。磁阻是旋转电机的磁通的通过难度，与磁通的磁路的距离成比例，与磁通的磁路的磁导率和截面积成反比例。磁导率是表示磁通的通过容易度的物理常数，用相对磁导率表示将真空的磁导率设定为1时的比。

图2中，将相对于通过磁性体10的磁通的每一个槽的磁性体10的磁阻设定为Rσw，将相对于通过间隙3的磁通的每0.5个齿的间隙3的磁阻设定为Rδt，将相对于通过磁性体10和间隙3的磁通的每0.5个槽的磁性体10的磁阻设定为Rδww，将相对于通过磁性体10和间隙3的磁通的每0.5个槽的间隙3的磁阻设定为Rδwg。将磁性体10的周向平均宽度设定为w，将磁性体10的径向平均高度设定为h，将真空的磁导率设定为μ0，将磁性体10的相对磁导率设定为μr时，每轴向单位长度的Rσw用下式(4)表示。

[式4]

Rσw＝w/(h×μ0×μr)…(4)

将间隙长设定为g，定子每一个槽的周向尺寸设定为τ时，每轴向单位长度的Rδt由下式(5)表示。

[式5]

Rδt＝g/((τ-w)×μ0)…(5)

Rδww由下式(6)表示。

[式6]

Rδww＝π/(4×μ0×μr)…(6)

其中，设磁通通过图2所示的虚线内，将磁通的磁路的距离(距離)设定为半径h/2的圆周的1/4即2πh/8，磁通的磁路的每轴向单位长度的截面积为h×1。

另外，在w＞2×h时，设定为距离g、截面积h×1，Rδwg用下式(7)所示。

[式7]

Rδwg＝g/(h×μ0)…(7)

另外，w≤2×h时，截面积为w/2×1，因此，由下式(8)所示。

[式8]

Rδwg＝(2×g)/(W×μ0)…(8)

另外，将Rδww和Rδwg的合成值设为Rδw时，Rδw由下式(9)表示。

[式9]

Rδw＝Rδww+Rδwg…(9)

另外，Rδt和Rδw的每一个槽的磁阻的合成值Rδ0由下式(10)表示。

[式10]

Rδ0＝1/(2/Rδt+2/Rδw)…(10)

图3是表示本实施例的感应电动机的主磁通和泄漏磁通的图。图3是极数P为2的情况，将定子槽数设定为N1，每极的Rσw设定为Rσ时，对图3以上下分割的每极考虑时，在泄漏磁通的磁路，Rσw串联存在N1/(2P)个，并联存在2个。因此，该情况下，Rσ由下式(11)表示。

[式11]

Rσ＝(N1/P)×Rσw/4…(11)

在相邻的凸部9之间设置磁性体10的情况下，式(4)的μr大于1，在无磁性体10的情况下，式(4)的μr为1。根据式(4)、式(11)，在相邻的凸部9之间设置磁性体10时，Rσ比无磁性体10的情况小。Rσ变小时，周向泄漏的磁通容易通过磁性体10，无助于转矩的产生的磁通增加。即，为产生希望的转矩而需要的电流增加。

在每极的Rδ0设为Rδ时，对图3以上下分割的每极考虑时，在主磁通的磁路，Rδ0串联存在1个，并联存在N1/P个。因此，该情况下，Rδ由下式(12)表示。

[式12]

Rδ＝Rδ0/(N1/P)…(12)

在相邻的凸部9之间设置磁性体10的情况下，式(6)的μr大于1，在无磁性体10的情况下，式(6)的μr为1。根据式(6)、(9)、(10)、(12)，在相邻的凸部9之间设置磁性体10时，Rδ比无磁性体10的情况小。Rδ变小时，沿径向磁通易通过间隙3，能以小的电流产生规定的磁通。

通过在相邻的凸部9之间设置磁性体10，Rσ和Rδ均变小。为了减小电流并提高功率因数，希望Rσ大且Rδ小。因此，与通过在相邻的凸部9之间设置磁性体10，Rσ变小，电流增加的情况相比，如果以Rδ变小，且电流降低量变大的方式设定磁性体10的w、h、μr，则通过在相邻的凸部9之间设置磁性体10，与无磁性体10相比，可以减小电流，提高功率因数。

图4是本实施例的感应电动机的等效电路图。额定电压除以额定电流的阻抗值设定为1p.u.。无负载电流设定为I0，额定电流设定为I1时，励磁电抗Xm由下式(13)表示。

[式13]

Xm＝I1/I0…(13)

相对于通过磁性体10的磁通的泄漏电抗Xmag由下式(14)表示。

[式14]

Xmag＝Xm×Rδ/Rσ…(14)

Xetc是从定子和转子的泄漏电抗的和减去Xmag的值。R1是一次电阻，R2是二次电阻，s是滑差，R1+R2/s的值设定为I1为额定电流的1p.u.。

图5是表示本实施例的感应电动机的功率因数和磁阻和磁导率的关系的图。在图5中，纵轴是功率因数及磁阻的比率Rσ/Rδ，横轴是磁性体10的相对磁导率μr。图5中，导出根据式(13)、(14)、图4计算的功率因数与无磁性体10的情况相等时的Rσ/Rδ。另外，也导出功率因数为最大的Rσ/Rδ。

随着磁性体10的相对磁导率μr变大，根据式(4)、式(11)，Rσ变小，根据式(6)、(9)、(10)、(12)，Rδ也变小，如图5所示，由于Rσ/Rδ变小，从而Rσ对Rσ/Rδ的影响比Rδ大。

另外，随着磁性体10的相对磁导率μr变大，根据图5，磁性体10的相对磁导率μr接近1的情况下功率因数提高，相对磁导率μr足够大的情况下功率因数降低。因此，磁性体10的相对磁导率μr接近1的情况下，通过在相邻的凸部9之间设置磁性体10，Rδ变小而电流降低的影响比Rσ变小而电流增加的情况大，相对磁导率μr足够大的情况下，通过在相邻的凸部9之间设置磁性体10，Rδ变小而电流减小的量比Rσ变小而电流增加的情况小。

与随着磁性体10的相对磁导率μr变大，Rσ/Rδ变小相对比，功率因数在相对磁导率μr接近1的情况下变高，在相对磁导率μr足够大的情况变低，所以Rσ/Rδ和功率因数的变化的倾向不同。即通过在相邻的凸部9之间设置磁性体10，与无磁性体10的情况相比，减小电流而提高功率因数的磁性体10的w、h、μr无法仅通过图2的Rσ/Rδ的磁阻之比确定。

图6是表示本实施例的感应电动机的电流和磁阻的关系的图。图6是用近似式表示通过式(4)～(14)及图4计算在I0/I1不同的任意的情况下功率因数与无磁性体10的情况相等时的Rσ/Rδ的标绘点的结果。功率因数比无磁性体10的情况高的Rσ/Rδ的范围由下式(15)表示。

[式15]

Rσ/Rδ＞3.21×(I0/I1)^-2.81…(15)

这样，不仅考虑Rσ/Rδ的磁阻之比，而且通过考虑I0及I1的电流之比，可以确定能够与无磁性体10的情况相比提高功率因数的磁性体10的w、h、μr。

对图3中以上下分割的每极考虑时，Rσ/Rδ根据式(11)、(12)，由下式(16)表示。

[式16]

Rσ/Rδ＝(N1/P)²×Rσw/(4×Rδ0)…(16)

对图3中以左右分割的每极考虑时，在将每极的Rσw设定为Rσ时，在泄漏磁通的磁路中Rσw串联存在N1/P个，并联存在1个。因此，该情况下，Rσ由下式(17)表示。

[式17]

Rσ＝(N1/P)×Rσw…(17)

在将每极的Rδ0设定为Rδ时，对图3以分割成左右的每极考虑时，在主磁通的磁路Rδ0串联存在2个，并列存在N1/(2P)个。因此，该情况下，Rδ由下式(18)表示。

[式18]

Rδ＝4×Rδ0/(N1/P)…(18)

因此，对图3中以分割为左右的每极考虑时，Rσ/Rδ根据式(17)、(18)，由下式(19)表示。

[式19]

Rσ/Rδ＝(N1/P)²×Rσw/(4×Rδ0)…(19)

即，根据式(16)、(19)，即使对图3以用上下和左右的任何方式分割的每极考虑，Rσ/Rδ也导出相同的关系。

如以上所述，在本实施例中，提供一种旋转电机，其定子和转子隔开间隙在径向上相对，其构成为，定子包括：具有圆环状的铁芯背部和以从铁芯背部在径向突出的方式在周向设置多个的齿的定子铁芯、卷绕在形成于相邻的前述齿之间的定子槽的定子绕组，齿在周向两侧具有从在径向突出的前端部再向周向突出的凸部，在相邻的凸部之间形成有磁性体，在将磁性体的磁阻的周向分量设定为Rσ，将间隙的磁阻的径向分量设定为Rδ，将无负载电流设定为I0，将额定电流设定为I1时，满足下式的关系：

[式20]

Rσ/Rδ＞3.21×(I0/I1)^-2.81。

由此，可提供能够提高功率因数的旋转电机及旋转电机系统。

实施例2

图7是表示本实施例的感应电动机的电流和磁阻和功率因数的关系的图。图7是通过(式4)～(14)及图4计算I0/I1不同的任意的情况下功率因数为最大时的Rσ/Rδ和这时的功率因数的结果。

在图7中，相比功率因数成为最大的情况，Rσ/Rδ变大的范围由下式(21)表示：

[式21]

Rσ/Rδ≥29.78×(I0/I1)^-2.22…(21)。

Rσ/Rδ变大时，如图5，磁性体10的相对磁导率μr变小。为了减小相对磁导率μr，使磁性体10中大量含有非磁性的电绝缘物。因此，磁性体10能够确保高的电绝缘性，在磁性体10中不产生电损耗。另外，通过使磁性体10大量含有非磁性的电绝缘物，包含于磁性体10的磁性粉末或磁性板等的结合力增加，可以提高机械强度。

实施例3

图7中，相比功率因数成为最大的情况，Rσ/Rδ变小的范围由下式(22)表示。

[式22]

Rσ/Rδ≤29.78×(I0/I1)^-2.22…(22)

Rσ/Rδ变小时，根据式(14)，Xmag变大。将起动运转时的一次电流I1称为起动电流，根据图4，在起动运转时，如果Xmag大则一次电流I1变小，所以能够减小起动电流。Rσ/Rδ变小时，如图5，磁性体10的相对磁导率μr变大。为了增大相对磁导率μr，所以磁性体10也可以由一般用于定子铁芯6的电磁钢板构成。

实施例4

根据图7，I0/I1越大，功率因数提高的效果越大。由于即使I0/I1最大也为1，所以I0/I1大的情况下，即无负载电流是与额定电流同程度的大小的情况，功率因数比无磁性体10的情况大的Rσ/Rδ的范围通过将I0/I1＝1代入式(15)，由下式(23)表示。

[式23]

Rσ/Rδ＞3.21…(23)

如以上所述，在本实施例中，提供一种旋转电机，其定子和转子隔开间隙在径向上相对，其构成为，定子包括：具有圆环状的铁芯背部和以从铁芯背部在径向突出的方式在周向设置多个的齿的定子铁芯、卷绕在形成于相邻的前述齿之间的定子槽的定子绕组，齿在周向两侧具有从在径向突出的前端部再向周向突出的凸部，在相邻的凸部之间形成有磁性体，在将磁性体的磁阻的周向分量设定为Rσ，将间隙的磁阻的径向分量设定为Rδ时，具有Rσ/Rδ＞3.21的关系。

由此，可提供能够提高功率因数的旋转电机及旋转电机系统。

实施例5

本实施例对使用在实施例1～实施例4中记载的旋转电机，具有用旋转电机驱动的负载设备的旋转电机系统及将旋转电机用作发电机的旋转电机系统进行说明。

本实施例中，是作为负载设备设有压缩机、钻孔机、碾磨机、吹风机的任一种的旋转电机系统。即，作为旋转电机系统，构筑用旋转电机驱动压缩机的泵系统、用旋转电机驱动挖掘用的钻孔机等的挖掘系统、用旋转电机驱动磨粉用的碾磨机等的磨粉系统、用旋转电机驱动吹风机的吹风机系统。另外，作为由将涡轮的动力转换为电力的旋转电机构成的发电机系统。将用于这些旋转电机系统的旋转电机作为实施例1～实施例4的旋转电机。由此，实施例1～实施例4的旋转电机由于功率因数高而可以减小系统的稳定运转时的电流，有助于旋转电机系统的小型化。另外，实施例1～实施例4的旋转电机由于起动电流小，可以减小旋转电机系统的过渡运转时的电流，能够有助于旋转电机系统的小型化。

对于以上实施例进行了说明，但本发明不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，可将某实施例的结构的一部分置换为另一实施例的结构，另外，也可在某实施例的结构上增加另一实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，也可进行另一结构的追加、删除、置换。

符号说明

1…定子、2…转子、3…间隙、4…铁芯背部、5…齿、6…定子铁芯、7…定子槽、8…定子绕组、9…凸部、10…磁性体、11…转子铁芯、12…转子槽、13…转子导条。

Claims (10)

1.一种旋转电机，其定子和转子隔开间隙在径向上相对，其特征在于，

所述定子包括：具有圆环状的铁芯背部和以从所述铁芯背部在径向突出的方式在周向设置多个的齿的定子铁芯、卷绕在形成于相邻的所述齿之间的定子槽的定子绕组，所述齿在周向两侧具有从在径向突出的前端部再向周向突出的凸部，在相邻的所述凸部之间形成有磁性体，

在将所述磁性体的磁阻的周向分量设定为Rσ，将所述间隙的磁阻的径向分量设定为Rδ，将无负载电流设定为I0，将额定电流设定为I1时，满足下式的关系：

Rσ/Rδ＞3.21×(I0/I1)^-2.81。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述磁性体满足下式的关系：

Rσ/Rδ≥29.78×(I0/I1)^-2.22。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述磁性体满足下式的关系：

Rσ/Rδ≤29.78×(I0/I1)^-2.22。

4.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述无负载电流为与所述额定电流相同程度的大小。

5.一种旋转电机，其定子和转子隔开间隙在径向上相对，其特征在于，

所述定子包括：具有圆环状的铁芯背部和以从所述铁芯背部在径向突出的方式在周向设置多个的齿的定子铁芯、卷绕在形成于相邻的所述齿之间的定子槽的定子绕组，所述齿在周向两侧具有从在径向突出的前端部再向周向突出的凸部，在相邻的所述凸部之间形成有磁性体，

在将所述磁性体的磁阻的周向分量设定为Rσ，将所述间隙的磁阻的径向分量设定为Rδ时，满足下式的关系：

Rσ/Rδ＞3.21。

6.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

以功率因数高于没有所述磁性体的情况的方式设定Rσ/Rδ。

7.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

所述磁性体由磁性粉末或磁性板和非磁性绝缘物构成。

8.根据权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，

所述磁性体由电磁钢板构成。

9.一种旋转电机系统，其特征在于，

具有权利要求1～5中任一项所述的旋转电机，具有由该旋转电机驱动的负载设备，该负载设备是压缩机、钻孔机、碾磨机、吹风机的任一种。

10.一种旋转电机系统，其特征在于，

具有权利要求1～5中任一项所述的旋转电机，该旋转电机用作发电机，该旋转电机将涡轮的动力转换为电力。