CN111602326A - 笼型感应旋转电机、块状转子以及笼型感应旋转电机的设计方法 - Google Patents

笼型感应旋转电机、块状转子以及笼型感应旋转电机的设计方法 Download PDF

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坪井雄一
栗田聪
米谷晴之
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Abstract

笼型感应旋转电机具备块状转子、定子以及轴承。块状转子具有轴部、与其一体地形成有转子槽(14)的圆柱状的转子铁心部(13)及在转子铁心部(14)内贯通且在转子铁心部(13)的轴向的两外侧相互结合的多个导体条(16)。定子具有设置在转子铁心部(13)的径向外侧的圆筒状的定子铁心(21)和在其径向的内侧表面在周向上相互隔开间隔地形成且贯通在轴向上延伸的多个定子槽(22)的内部的定子绕组。转子槽(14)的外侧壁(14a)、内侧壁(14b)相对于轴部的包括旋转轴的平面倾斜规定的角度以上。

Description

笼型感应旋转电机、块状转子以及笼型感应旋转电机的设计 方法
技术领域
本发明涉及笼型感应旋转电机、该笼型感应旋转电机中使用的块状转子以及笼型感应旋转电机的设计方法。
背景技术
感应旋转电机存在无法进行如同步旋转电机那样的功率因数调整等的制约，但与同步旋转电机相比，具有结构简单的优点。感应旋转电机通常有绕线式感应旋转电机和笼型感应旋转电机。笼型感应旋转电机不需要如绕线式感应旋转电机那样的与外部的电连接，与绕线式感应旋转电机相比结构简单。特别是，笼型感应旋转电机由于电力用的半导体的发展而在电源侧的控制变得容易，因此大多使用与其组合的方式。
在笼型感应旋转电机中，在转子铁心的径向的表面附近，形成有在周向上相互隔开间隔地配置并沿轴向贯通的多个转子槽。导体条贯通各个转子槽，在转子铁心的轴向外侧，导体条彼此通过短路环而电耦合。转子槽形成在从转子铁心的表面侧朝向旋转的中心轴的方向上，其横截面形状例如有接近矩形的形状的情况(参照专利文献1)、或者接近卵型的形状的情况(参照专利文献2)等。
或者，有将导体条和短路环作为铝制等并通过铸造来一体制造的情况(参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-220404号公报
专利文献2：日本专利第3752781号公报
专利文献3：日本特开2014-195374号公报
专利文献4：日本专利第5557685号公报
专利文献5：美国专利第6933647号说明书
发明内容
发明解决的技术问题
转子一般通过将转子轴和由层叠板构成的转子铁心安装在转子轴的径向外侧而构成。在该情况下，由于层叠板彼此电绝缘，因此在轴向上不产生涡电流。关于这样具有由层叠板构成的转子铁心的笼型感应旋转电机中，已知有通过抑制转子的导体条中的发热，来实现转子中的发热的降低的技术(参照专利文献4)。
在转速高的区域使用的高速机中，出于进一步确保机械强度的目的，有时采用使转子铁心与转子轴成为一体的块状磁极型的转子(块状转子)。在这样的情况下，作用于导体条的离心力增大，因此需要可靠地防止导体条向径向外侧脱落。离心力的方向与形成有槽的方向一致，因此例如采用将导体条压接于转子铁心等方法(参照专利文献5)。
块状转子与层叠结构的转子相比结构简单，机械强度优异，但在轴向上也产生涡电流，因此与损层叠结构的转子相比损耗变大。其结果，存在转子铁心的表面的温度上升这一技术问题。
因此，本发明的目的在于，在具有块状转子的笼型感应旋转电机中，可靠地防止导体条向径向外侧脱落，并且抑制块状转子的转子铁心部的表面温度的上升。
用于解决技术问题的手段
为了实现上述目的，本发明的笼型感应旋转电机具备：块状转子，具有：轴部，沿轴向延伸并被支承为能够旋转；圆柱状的转子铁心部，与所述轴部以一体形成，具有比所述轴部大的直径，形成有在周向上相互隔开间隔地配置并在轴向上延伸的转子槽；和多个导体条，贯通所述转子槽内，在所述转子铁心部的所述轴向的两外侧相互结合；定子，具有：圆筒状的定子铁心，设置在所述转子铁心部的径向外侧；和定子绕组，贯通在轴向上延伸的多个定子槽的内部，该多个定子槽在周向上相互隔开间隔地形成在所述定子铁心的径向的内侧表面；以及两个轴承，夹着所述转子铁心部在所述轴向的所述轴部的两侧的每一侧支承所述块状转子，所述转子槽各自的相互对置的两个壁，相对于所述轴部的包含旋转轴的平面在周向上以规定的角度以上倾斜。
另外，本发明的块状转子，是笼型感应旋转电机中使用的块状转子，其特征在于，具有：轴部，沿轴向延伸并被支承为能够旋转；圆柱状的转子铁心部，与所述轴部以一体形成，具有比所述轴部大的直径，形成有在周向上相互隔开间隔地配置且在轴向上延伸的转子槽；以及多个导体条，贯通所述转子槽内，在所述转子铁心部的所述轴向的两外侧相互结合；所述转子槽各自的相互对置的两个壁，相对于所述轴部的包含旋转轴的平面在周向上以规定的角度以上倾斜。
另外，本发明的笼型感应旋转电机的设计方法，该笼型感应旋转电机具备：块状转子，具有以一体形成的轴部和转子铁心部；和设置在所述转子铁心部的径向外侧的定子，该笼型感应旋转电机的设计方法的特征在于，具有：定子条件设定步骤，设定在轴向上贯通的多个定子槽的尺寸及周向的间距，该多个定子槽形成于所述定子的径向内侧表面，并在周向上相互隔开间隔地配置；转子条件设定步骤，在所述定子条件设定步骤之后，设定在轴向上贯通的转子槽的尺寸及周向的间距，该转子槽形成于所述转子铁心部的径向外侧表面，并在周向上相互隔开间隔地配置；倾斜角度设定步骤，在所述转子条件设定步骤之后，设定所述转子槽的向周向的倾斜角度；应力计算步骤，在所述倾斜角度设定步骤之后，计算所述转子铁心部的应力；温度计算步骤，在所述倾斜角度设定步骤之后，计算所述转子铁心部的温度；角度范围判定步骤，判定是否遍及针对所述转子槽的向周向的倾斜角度的研究范围而结束，在判定为未结束的情况下，实施所述倾斜角度设定步骤以后的步骤；间距范围判定步骤，在所述角度范围判定步骤中判定为遍及针对所述转子槽的向周向的倾斜角度的研究范围而结束的情况下，判定是否遍及针对所述转子槽的间距的研究范围而结束，在判定为未结束的情况下，实施所述转子条件设定步骤以后的步骤；以及确定步骤，在所述间距范围判定步骤中判定为遍及针对所述转子槽的间距的研究范围而结束的情况下，基于所述应力计算步骤和所述温度计算步骤的结果，确定所述转子槽的所述倾斜角度及间距
发明效果
根据本发明，在具有块状转子的笼型感应旋转电机中，能够可靠地防止导体条向径向外侧脱落，并且能够抑制块状转子的转子铁心部的表面温度的上升。
附图说明
图1是表示实施方式的笼型感应旋转电机的构成的立剖视图。
图2是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子及定子槽的横剖视图。
图3是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子的设计方法的步骤的流程图。
图4是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子中的转子槽数与产生应力的关系的试算例的曲线图。
图5是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子中的转子槽数与损耗的关系的试算例的曲线图。
图6是用于说明实施方式的笼型感应旋转电机的定子槽与转子槽的关系的第一示意性局部横剖视图。
图7是用于说明实施方式的笼型感应旋转电机的定子槽与转子槽的关系的第二示意性局部横剖视图。
图8是用于说明实施方式的笼型感应旋转电机的定子槽与转子槽的关系的第三示意性局部横剖视图。
图9是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子中的转子槽数与损耗的关系的试算例的曲线图。
图10是说明实施方式的块状转子的转子槽倾斜角度的局部横剖视图。
图11是表示实施方式的块状转子的转子槽倾斜角度为零时的块状转子及定子槽的横剖视图。
图12是说明实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子的效果的示意性局部横剖视图。
图13是用于说明实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子的效果，并且说明笼型感应旋转电机的设计方法中的允许映射图的制作及转子槽倾斜角度、间距的确定的内容的概念性的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的笼型感应旋转电机、块状转子及笼型感应旋转电机的设计方法进行说明。在此，对彼此相同或类似的部分标注共通的附图标记，并省略重复说明。
图1是表示实施方式的笼型感应旋转电机的构成的立剖视图。
笼型感应旋转电机100具有块状转子10、定子20、轴承30、框架40及冷却器51。
块状转子10是出于进一步确保机械强度的目的而使转子铁心与转子轴成为一体的块状磁极型的转子，具有一体型转子11、多个导体条16以及两个短路环17。
一体型转子11是旋转对称的一体物，具有在旋转轴方向(以下，为轴向)上组合了直径不同的圆柱形状而成的形状。轴向的中央附近是直径大的圆柱状，形成转子铁心部13。隔着转子铁心部13在轴向的两侧形成直径比转子铁心部13小的轴部12。轴向的两侧的轴部12分别以能够旋转的方式支承于轴承30。在各个轴部12的转子铁心部13与轴承30之间的部分设置有内扇18。
如后所述，多个导体条16贯通转子铁心部13的径向的表面的附近并沿轴向延伸。各个导体条16在转子铁心部13的轴向的两外侧分别突出相同的长度。在轴向的两外侧的每一侧，多个导体条16的端部通过与环状的短路环17电气及机械地结合从而相互电结合。导体条16和短路环17使用导电率比转子铁心部13高的材料。例如，转子铁心部13为钢铁或低合金钢等，与此相对，导体条16及短路环17为铜或铝等。
定子20具有定子铁心21及多个定子绕组24。定子铁心21隔着环状的空隙25设置在块状转子10的转子铁心部13的径向外侧。定子铁心21为圆筒状，定子绕组24贯通定子铁心21的内侧表面附近。
框架40收纳定子20和转子铁心部13。在框架40的轴向的两端分别设置有轴承托架35。轴承托架35分别静止支承轴承30。
在框架40的上方设置有冷却器51，收纳于冷却器罩52。冷却器罩52与框架40及两个轴承托架35一起形成封闭空间61。封闭空间61内被空气等冷却用气体充满，冷却用气体通过内扇18在封闭空间61内循环。构成封闭空间61的冷却器罩52内的空间与框架40内的空间经由形成于定子20的上方的冷却器入口开口62和形成于各个内扇18的上方的冷却器出口开口63而连通。
图2是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子及定子槽的横剖视图。
在转子铁心部13的表面形成有多个槽状的转子槽14，该多个转子槽14在周向上相互隔开间隔地配置、沿轴向延伸，并具有宽度d。导体条16贯通各个转子槽14内。各个转子槽14具有沿轴向延伸且相互对置且相互平行的外侧壁14a和内侧壁14b以及径向的最内壁14c。最内壁14c在转子槽14的横截面上形成为曲线状。在径向上，各个转子槽14形成为到内切圆14d为止的深度。
导体条16与转子槽14各自的横截面的形状、尺寸彼此大致相同。导体条16是在轴向上较长的平板状。导体条16能够从转子槽14的径向的外侧嵌入到转子槽14。为了防止导体条16从转子槽14脱落，例如，可以将导体条16的与外侧壁14a、内侧壁14b以及最内壁14c对置的部分用银焊料箔卷绕之后插入到转子槽14，并使其熔化。或者，也可以采用在将导体条16插入到转子槽14之后从外侧实施TIG焊接、或将导体条16与转子槽14压接的方法。
多个导体条16各自的径向的外侧端部以成为与转子铁心部13的径向外侧表面所形成的圆筒形相同的圆筒形的一部分的方式形成。另外，并不限定于此，例如，也可以是通过使导体条的径向外侧的端部与导体条的两面垂直等从而使径向外侧与上述圆筒形相比一部分更向径向内侧后退的情况。
另外，以导体条16能够从转子槽14的径向的外侧嵌入到转子槽14的情况为例进行了说明，但也可以从转子铁心部13的轴向端部插入。在该情况下，也可以使导体条16不为平板状，而是在宽度方向的中途设置最大的厚度或最小的厚度，由此克服离心力。
转子槽14不是从中心轴沿着径向形成，而是沿周向具有倾斜。详细情况在图10中进行说明。形成有转子槽14的结果是，形成了在周向上相互隔开间隔地配置、并与转子槽14相同数量的转子齿15。
在隔着空隙25而配置于径向外侧的定子铁心21的径向内侧表面，形成有在周向上相互隔开间隔地配置并沿轴向延伸的多个槽状的定子槽22。其结果是，形成了在周向上相互隔开间隔地配置、并与定子槽22相同数量的定子齿23。以定子槽22的彼此相对的侧壁的中心面通过块状转子10的中心轴的方式形成定子齿23的方向。定子绕组导体24a贯通各个定子槽22，定子绕组导体24a形成定子绕组24。
另外，在此，分别对转子槽14的周向的倾斜角Φ以及间距、定子槽22的间距进行说明。
转子槽14的周向的倾斜角度Φ是在图2所示的与轴向垂直的截面中，从转子铁心部13的旋转中心轴11a延伸到转子槽14的宽度方向的中央线与块状转子10的外接圆的交点PP1的线、与转子槽14的宽度方向的中央线所形成的角度。以往，该角度Φ为零，但在本实施方式中，大于0、即相对于通过中心的线倾斜。
转子槽14的间距有多个表现方法。即，在图2所示的与轴向垂直的截面中，可以用块状转子10的点PP1和点PP2所成的圆周角间隔Δθr来表现。或者，也可以用点PP1和点PP2的间隔ΔPr来表现。此外，虽然未图示，但也可以是转子铁心部13的外接圆上的点PP1和点PP2的圆周上的间隔。若转子铁心部13的直径、即转子铁心部13的外接圆的直径确定，则对转子槽14的间距进行表示的圆周角间隔Δθr与间隔ΔPr一对一地对应，另外，转子槽数也一对一地对应。
关于定子槽22的间距，也同样地，能够如图2所示那样、用圆周角间隔Δθs或间隔ΔPs来表现。若定子铁心21的尺寸已被确定，则圆周角间隔Δθs与间隔ΔPs一对一地对应，另外，定子槽数也一对一地对应。
以下，设为转子槽14的间距或定子槽22的间距是指由它们中的任一个表现的间距。
图3是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子的设计方法的步骤的流程图。即，示出了用于评价转子槽14的周向的倾斜角度Φ(以下，为转子槽倾斜角度Φ)的最佳范围的设计方法的步骤。
首先，设定定子槽22的尺寸、周向的间距等定子槽22的条件(步骤S01)。另外，与定子槽22的条件的设定一并地还设定贯通定子槽22的定子绕组导体24a的尺寸。
接着，设定转子槽14的尺寸、周向的间距等转子槽14的条件(步骤S02)。
接着，设定转子槽倾斜角度Φ(步骤S03)。与转子槽14的条件的设定一并地还设定贯通该转子槽14的导体条16的尺寸、形状。
另外，除了与转子槽14及定子槽22有关的条件以外，预先设定块状转子10、定子20及空隙25的各尺寸等条件。
以上的结果是，与转子槽14及定子槽22有关的条件确定，因此接着计算块状转子10的转子铁心部13中的损耗(步骤S04)。接着，基于计算出的损耗，计算转子铁心部13的温度分布(步骤S05)。
另外，与步骤S04、S05的温度计算并行地计算转子铁心部13的应力分布(步骤S06)。
接着，判定是否遍及关于转子槽倾斜角度Φ应当研究的范围地结束了到步骤S06为止的步骤(步骤S07)。在此，若将关于转子槽倾斜角度Φ应当研究的范围设为Φsmin至Φsmax的范围，则Φsmin为大于0度的角度，Φsmax为小于90度的角度。具体而言，例如，可以将Φsmin设为10度、将Φsmax设为80度等那样，设为某种程度较宽的范围，也可以进一步缩小范围。
在判定为没有遍及转子槽倾斜角度Φ的应当研究的范围地结束到步骤S06为止的步骤的情况下(步骤S07：否)，返回步骤S03，变更转子槽倾斜角度Φ并实施到步骤S06为止。
在判定为遍及关于转子槽倾斜角度Φ应当研究的范围地结束了到步骤S06的顺序的情况下(步骤S07：是)，接着，判定是否遍及关于转子槽14的间距的应该研究的范围地结束了到步骤S06为止的步骤(步骤S08)。在判定为没有遍及关于转子槽14的间距的应当研究的范围地结束到步骤S06为止的步骤的情况下(步骤S08：否)，返回到步骤S02，变更转子槽14的间距并实施到步骤S06为止。
在判定为遍及关于转子槽14的间距的应当研究的范围地结束了到步骤S06为止的步骤的情况下(步骤S08：是)，转移到下一步骤S10。
另外，到步骤S10的阶段为止，确定评价函数(步骤S09)。评价函数例如是相对于转子槽数n而使产生应力以及损耗的整体最小化所用的后述的式(2)或式(3)所示那样的评价函数PI(n)、或者使产生应力以及损耗的整体最小化所用的如后述的式(4)所示那样的评价函数PI(Φ/n0)等。
接着，基于在步骤S09中设定的评价函数，确定转子槽14的转子槽数n及转子槽倾斜角度Φ以及(步骤S10)。
以上，概略地说明了图3所示的块状转子的设计方法的步骤，步骤S02～步骤S08的步骤是规定的转子槽倾斜角度Φ的研究范围、以及转子槽14的间距或与其对应的转子槽数n的研究范围内的计量(survey)。实际上，转子槽14的转子槽数n和转子槽倾斜角度Φ的确定基于计量结果在步骤S09及步骤S10中进行。以下对该阶段的内容进行说明。
图4是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子中的转子槽数与产生应力的关系的试算例的曲线图。横轴表示转子槽数n相对于基准的转子槽数n0的比。另外，纵轴表示以基准的转子槽数n0中的产生应力为基准的产生应力的比(相对值)。
虚线所示的曲线表示使转子槽14的槽宽d与转子槽14的槽数成反比地变化的情况。另外，双点划线所示的曲线表示使转子槽14的槽宽d固定的情况。在此，产生应力表示应力分布上最大的、转子齿15的根部的应力。
如图4所示，若增加转子槽14的槽数，则即使与槽数的增加量相应地减少槽宽d，增加的程度也被缓和，但应力增加。
图5是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子中的转子槽数与损耗的关系的试算例的曲线图。横轴表示转子槽数n相对于基准的转子槽数n0的比。另外，纵轴表示以基准的转子槽数n0下的损耗为基准的损耗的比(相对值)。
如图5所示，随着转子槽14的数量增加，损耗减少。关于这一点，以下引用图6至图8进行补充。
图6是用于说明实施方式的笼型感应旋转电机的定子槽与转子槽的关系的第一示意性局部横剖视图。图7是第二概念性局部横剖视图。另外，图8是第三概念性局部横剖视图。另外，在任一情况下，均省略了定子绕组导体24a(图2)的显示。另外，在各图中虚线所示的曲线概念性地示出了由定子绕组24(图1)产生的磁通的分布的某一瞬间的状态。
现在，将转子槽14的数量设为n个，将定子槽22的数量设为N。图6表示转子槽数n与定子槽数N相等的情况。由流过定子绕组24的电流形成的磁通的周向的强度分布(周向磁通强度分布)，成为与定子槽22的位置的分布对应的相位的间距、即周期。因此，例如，在产生了图6的虚线所示的周向磁通强度分布的情况下，磁通成为不渗透至导体条16的状态。
在转子槽数n比定子槽数N小的情况下，磁通成为不渗透至导体条16的状态的时间进一步增大。这样，由在定子绕组24中流动的电流形成的磁通不渗透到导体条16中而成为漏磁通，带来感应电动机的效率的降低。
在图7的第二概念图中，示出转子槽数n比定子槽数N大的情况。在该情况下，转子槽14的排列的间距与由在定子绕组24中流动的电流产生的周向磁通的强度分布的周期、即相位的间距不同。因此，必定成为磁通渗透于导体条16的状态。在该情况下，磁通的一部分必定向导体条16渗透。另外，不渗透至导体条的部分成为漏磁通。
在图8的第三概念图中，示出了转子槽数n进一步增加，成为定子槽数N的2倍的情况。在该情况下，无论在哪个相位，磁通都始终渗透到导体条16，漏磁通的量与第一以及第二概念图的情况相比变小，磁损耗最小。
这样，认为若将转子槽14的转子槽数n从与定子槽22的定子槽数N相等的情况增加到2倍，则由定子绕组24(图1)产生的磁通与块状转子10的导体条16的结合变强。这成为降低损耗的主要原因。
根据以上内容，关于损耗，优选转子槽数n比定子槽数N大的情况，设定为下式(1)的条件成立。
n/N≥1.1···(1)
图9是表示实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子中的转子槽数与损耗的关系的试算例的曲线图。即，将图4的内容和图5的内容归纳为一个图。横轴表示转子槽数n相对于基准的转子槽数n0的比。另外，纵轴表示以基准的转子槽数n0下的产生应力为基准的产生应力的比(相对值)、以及以基准的转子槽数n0的损耗为基准的损耗的比(相对值)。
实线所示的曲线表示损耗，虚线及双点划线所示的曲线表示产生应力，双点划线的情况是槽宽固定，虚线的情况是槽宽减少的条件下的评价结果。
相对于转子槽14的槽数的增加，产生应力显示出增加的倾向，另一方面，损耗显示减少的倾向。即，相对于转子槽14的槽数的增加，产生应力和损耗显示出彼此相反的倾向的特性。
产生应力和损耗是相互不同的特性值，但均是不利的主要原因，这一点是一致的。因此，将这两个不利因素变换为相互共通的评价基准，即相互共通化，整体上使不利最小化。
现在，将转子槽数为n0时的产生应力设为S0，将损耗设为L0。在此，n0是任意的。
现在，将转子槽数为n时的产生应力设为S(n)，将损耗设为L(n)。此时，例如通过使下面的式(2)所示的第一评价函数PIn(n)相对于n为最小，能够得到使产生应力以及损耗的整体最小化的转子槽数。
PIn(n)＝[S(n)/S0]+p·[L(n)/L0]…(2)
或者，作为第一评价函数PI(n)，也可以使用下面的式(3)所示的函数。
PIn(n)＝[S(n)/S0]·[L(n)/L0]p…(3)
式(2)及式(3)中的S0及L0为任意的基准值。另外，常数p是用于考虑产生应力S(n)带来的不利和损耗L(n)带来的不利的相互的加权的常数，考虑作为对象的旋转电机的目的或设计余量等来设定。
这样，关于作为第一步骤的针对转子槽数n的评价，计算出上述的式(2)或式(3)成为最小的特定的值。在该情况下，若考虑下一个第二步骤中的转子槽倾斜角度Φ的确定过程，则不一定提供与作为转子槽数n以及转子槽倾斜角度Φ的组合的最佳条件一致的转子槽数。因此，关于转子槽数n，以足够的宽度进行选择。
图10是说明实施方式的块状转子的转子槽倾斜角度的局部横剖视图。现在，考虑位于同一转子槽14且相互对置且相互平行的外侧壁14a与内侧壁14b的中间的虚拟面14s。另外，将转子铁心部13的径向的表面设为曲面Sf。另外，将曲面Sf与虚拟面14s的交线作为交线L0。进而，将通过旋转中心轴11a以及交线L0的平面设为平面P。
其结果是，使交线L0通过两个平面、即虚拟面14s与平面P。将该两个平面所成的周向的交叉角度设为转子槽倾斜角度Φ。其中，0度＜转子槽倾斜角度Φ＜90度。另外，将通过相互邻接的交线L1、交线L2的平面P1与平面P2所成的角设为俯仰角度Δθr。其中，0度＜俯仰角度Δθr＜90度。
图11是表示实施方式的块状转子的转子槽倾斜角度为零时的块状转子及定子槽的横剖视图。即，表示现有的转子槽74的情况下的朝向。转子槽74的相互平行的两个对置壁74a的中心的面成为通过旋转中心轴11a的面，最内部74c与本实施方式相比，形成得最接近旋转中心轴11a，即形成得最深。图10所示的虚拟面14s与平面P成为相同的平面，在该情况下，与图10同样地定义的转子槽倾斜角度Φ为0度。
如上所述，在本实施方式的笼型感应旋转电机100的块状转子10中，在块状转子10的转子铁心部13的表面形成的转子槽14沿周向倾斜。另外，转子槽14的数量相对于定子槽22的数量的比率大于1.1。
图12是说明实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子的效果的概念性局部横剖视图。图的左侧的两个是本实施方式的转子铁心部13的转子槽14及导体条16。另外，在右侧，为了比较而用虚线表示与以往的转子槽及与本实施方式的导体条相同截面积的导体条。
本实施方式中的转子槽14的内切圆14d的半径比以往的转子槽的内切圆Si0的半径大。即，相对于以往的转子槽的径向的宽度ΔR0，本实施方式的转子槽14的径向的宽度ΔR1较小。因此，各导体条16的例如中心位置等整体接近转子铁心部13的表面，各导体条16内的整体的位置(中心位置等)与定子绕组24的间隔相对变短。ΔR1大致为ΔR0·cosΦ。
一般而言，铁损与导体条16相比在导电率相对较低的转子铁心部13产生，另外，感应电流尤其在转子铁心部13的表面流动，因此转子铁心部13的表面的温度存在上升的倾向。
导体条16的整体位置与定子绕组24的间隔相对变短会使由透过定子铁心21侧和导体条16的磁通所产生的结合力增加，带来效率的提高。其结果，损耗减少。因此，本实施方式中的转子铁心部13的表面温度Ts的上升与以往相比被抑制得较低。转子槽倾斜角度Φ越大，该效果越大。
作为用于确保该效果的基准，需要包含定子绕组24来进行评价，但认为转子槽14的径向的宽度之比例如至少需要减少5％至10％左右。在这种情况下，cosΦ的值为0.9至0.95，即Φ为18度至26度。因此，认为至少转子槽倾斜角度Φ至少需要20度左右。
另外，如果减少20％至30％左右，则认为具有充分的效果。在该情况下，根据ΔR1＝ΔR0cosΦ，cosΦ的值为0.7至0.8，即Φ为37度至46度。因此，优选转子槽倾斜角度Φ为40度至45度左右。
在图12中，导体条16的截面中的重心M处起作用的离心力F，被分解为欲将导体条16沿着转子槽14拉出的方向的分力Fh和与其垂直地作用于转子槽14的外侧壁14a的方向的分力Fw。
分力Fh的值为FcosΦ，比离心力F的值小。因此，在进行与以往相同程度的飞出防止对策的情况下，(F-FcosΦ)的量成为与飞出防止有关的富余。进而，以往例如在压接等中需要大规模的设备，但也会发生用不需要那么大规模的设备的例如钎焊等的飞出防止对策，就能够确保与以往相同程度的飞出防止有关的余量的情况。
另一方面，在外侧壁14a起作用的方向的分力Fw的值为FsinΦ，并在周向上对转子齿15发挥作用以使转子齿15向沿着径向那样的朝向弯曲。在该情况下，转子齿15的应力分布在转子齿15的根部15c产生最大值Smax。因此，最大值Smax为相对于允许应力充分小的范围内的转子槽倾斜角度。
如上所述，在本实施方式的块状转子10中，通过使转子槽14沿周向倾斜，能够缓和与防止导体条16从转子槽14脱落有关的条件，同时能够抑制成为转子铁心部13的表面温度上升的主要原因的损耗L。
而且，如式(3)所说明的那样，通过将转子槽14的数量设为比定子槽22的数量的1.1倍大的数量，效率进一步提高。因此，能够进一步抑制转子铁心部13的表面温度Ts的上升。
图13是用于说明实施方式的笼型感应旋转电机的块状转子的效果，并且说明笼型感应旋转电机的设计方法中的允许映射图的制作及转子槽倾斜角度、间距的确定的内容的概念性的曲线图。横轴是转子槽倾斜角度Φ。纵轴是曲线A0所示的损耗L(Φ，n0)的评价值、曲线B0所示的产生应力S(Φ，n0)、以及将它们综合后的曲线C0所示的不利评价函数PIΦ(Φ，n0)的函数值。
产生应力S(Φ，n0)以及损耗L(Φ，n0)是相对于转子槽数n0的情况下的转子槽倾斜角度Φ的值。
不利评估函数PIΦ(Φ，n0)由下面的表达式(4)表示。
PIΦ(Φ，n0)＝g[S(Φ，n0)，L(Φ，n0)]…(4)
在此，n0是在第一步骤、即针对转子槽数n的式(2)或式(3)等的最小化的步骤中求出的转子槽数n的范围中的值，作为参数来处理。即，在本第二步骤、即针对转子槽倾斜角度Φ的不利评价函数最小化的步骤中，分别作为一定的值进行处理。其结果，对于各个转子槽数n0，得到使不利评价函数PIΦ(Φ，n0)最小的(转子槽数n0)与(转子槽倾斜角度Φ)的组合。在这些组合中，不利评价函数PIΦ(Φ，n0)的值成为计算那样的组合成为最终应当确定的(转子槽数n)和(转子槽倾斜角度Φ)。
作为PIΦ(Φ，n0)，使用以下的式(5)。
PIΦ(Φ，n0)＝[S(Φ，n0)/S0]+q·[L(Φ，n0)/L0]
…(5)
另外，作为评价函数PI(n)，也可以使用下面的式(6)所示的评价函数。
PIΦ(Φ，n0)＝[S(Φ，n0)/S0]·[L(Φ，n0)/L0)]q
…(6)
S0、L0是任意的基准值。另外，常数q与第一步骤的情况的p同样地、是用于考虑产生应力S(n)带来的不利和损耗L(n)带来的不利的相互的加权的常数，考虑作为对象的旋转电机的目的或设计余量等来设定。
另外，以上，第一步骤中的式(2)及式(3)、第二步骤中的式(5)及式(6)为例示，并不限定于这些。即，如果存在因转子槽14的倾斜角度Φ而受到影响的指标，则也可以追加到这些式的变量中。另外，在影响能够忽略的情况下，也可以从式(1)的变量中排除。另外，也可以使用以上所示的方式以外的函数形状。
如图13所示，转子槽倾斜角度Φ越大，损耗L(Φ，n0)越减少。另一方面，由于转子槽倾斜角度Φ越大，则作用于外侧壁14a并以使转子齿15沿周向弯曲的方式发挥作用的力越大，因此转子槽倾斜角度Φ越大，则产生应力S(Φ，n0)越大。PIΦ(Φ，n0)如曲线C0所示，相对于转子槽倾斜角度Φ的增加，成为在减少后增大的特性，具有最小值。
另外，对损耗L(Φ，n0)施加限制值HL以下这样的条件，将此时的转子槽倾斜角度Φ设为Φ0min，则限制Φ＞Φ0min和转子槽倾斜角度Φ的范围。在此，限制值HL例如使用对转子铁心部13的能够继续运转的温度范围的上限提供减去规定的容限而得到的最高温度那样的损耗L。
另外，对产生应力S(Φ，n0)施加限制值HS以下的条件，将此时的转子槽倾斜角度Φ设为Φ0max，则限制Φ＜Φ0max与转子槽倾斜角度Φ的范围。在此，限制值HS例如使用相对于转子铁心部13的材料的允许应力减去规定的容限而得到的值。
如图13的例子的实线C0所示，在满足Φ0min＜Φ＜Φ0max的条件的转子槽倾斜角度Φ中具有最小值的情况下，求出提供该最小值的转子槽倾斜角度Φ0。在此观察规定的角度宽度ΔΦ，将从(Φ0－ΔΦ)到(Φ0+ΔΦ)的范围设为最佳范围。在此，角度宽度ΔΦ设定为比包括转子槽14的形成在内的笼型感应旋转电机100的制作上的精度足够大的例如5度至10度左右的值即可。
如上所述，在本实施方式的块状转子10中，通过使转子槽14沿周向倾斜，由此能够缓和与防止导体条16从转子槽14脱落相关的条件，同时能够抑制转子铁心部13的表面温度Ts的上升，进而，通过将转子槽14的数量设为比定子槽22的数量的1.1倍大的数量，从而效率提高。因此，能够进一步抑制转子铁心部13的表面温度Ts的上升。
另外，能够基于产生应力S(Φ，n0)以及损耗L(Φ，n0)等指标，将转子槽14的数量n以及转子槽14的倾斜角度Φ设定为最佳的值。
这样，在具有块状转子10的笼型感应旋转电机100中，能够可靠地防止导体条16向径向外侧脱落，并且能够抑制转子铁心部13的表面温度Ts的上升。
[其他实施方式]
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。例如，在实施方式中，以全闭形且具有冷却器的情况为例进行了表示，但本发明也能够应用于全闭型以外的情况，另外，也能够应用于不具有冷却器的情况。
而且，实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。实施方式及其变形包含在发明的范围和主旨中，同样地包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
附图标记说明
10…块状转子，11…一体式转子，11a…旋转中心轴，12…轴部，13…转子铁心部，14…转子槽，14a…外侧壁，14b…内侧壁，14c…最内壁，14d…内切圆，14s·虚拟面，15…转子齿，15c…根部，16…导体条，17…短路环，18…内扇，20…定子，21…定子铁心，22…定子槽，23…定子齿，24…定子绕组，24a…定子绕组导体，25…空隙，30…轴承，35…轴承托架，40…框架，51…冷却器，52…冷却器罩，61…封闭空间，62…冷却器入口开口，63…冷却器出口开口，74…转子槽，74a…对置壁，74c…最内部，100…笼型感应旋转电机。

Claims (8)

1.一种笼型感应旋转电机，其特征在于，具备：
块状转子，具有：轴部，沿轴向延伸并被支承为能够旋转；圆柱状的转子铁心部，与所述轴部以一体形成，具有比所述轴部大的直径，形成有在周向上相互隔开间隔地配置并在轴向上延伸的转子槽；和多个导体条，贯通所述转子槽内，在所述转子铁心部的所述轴向的两外侧相互结合；
定子，具有：圆筒状的定子铁心，设置在所述转子铁心部的径向外侧；和定子绕组，贯通在轴向上延伸的多个定子槽的内部，该多个定子槽在周向上相互隔开间隔地形成在所述定子铁心的径向的内侧表面；以及
两个轴承，夹着所述转子铁心部在所述轴向的所述轴部的两侧的每一侧支承所述块状转子，
所述转子槽各自的相互对置的两个壁，相对于所述轴部的包含旋转轴的平面在周向上以规定的角度以上倾斜。
2.根据权利要求1所述的笼型感应旋转电机，其特征在于，所述转子槽在周向上相互隔开相等的间隔而配置，
所述定子槽在周向上相互隔开相等的间隔而配置，
所述转子槽的数量相对于所述定子槽的数量为大于1的规定的比率以上。
3.根据权利要求2所述的笼型感应旋转电机，其特征在于，
所述规定的比率为1.1以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的笼型感应旋转电机，其特征在于，
在所述转子槽的横截面中，径向的最内壁形成为曲线状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的笼型感应旋转电机，其特征在于，
所述多个导体条各自的径向的外侧端部，形成为与所述转子铁心部的径向外侧表面相同的圆筒形状。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的笼型感应旋转电机，其特征在于，
所述规定的角度为20度以上。
7.一种块状转子，是笼型感应旋转电机中使用的块状转子，其特征在于，具有：
轴部，沿轴向延伸并被支承为能够旋转；
圆柱状的转子铁心部，与所述轴部以一体形成，具有比所述轴部大的直径，形成有在周向上相互隔开间隔地配置且在轴向上延伸的转子槽；以及
多个导体条，贯通所述转子槽内，在所述转子铁心部的所述轴向的两外侧相互结合；
所述转子槽各自的相互对置的两个壁，相对于所述轴部的包含旋转轴的平面在周向上以规定的角度以上倾斜。
8.一种笼型感应旋转电机的设计方法，该笼型感应旋转电机具备：块状转子，具有以一体形成的轴部和转子铁心部；和设置在所述转子铁心部的径向外侧的定子，
该笼型感应旋转电机的设计方法的特征在于，具有：
定子条件设定步骤，设定在轴向上贯通的多个定子槽的尺寸及周向的间距，该多个定子槽形成于所述定子的径向内侧表面，并在周向上相互隔开间隔地配置；
转子条件设定步骤，在所述定子条件设定步骤之后，设定在轴向上贯通的转子槽的尺寸及周向的间距，该转子槽形成于所述转子铁心部的径向外侧表面，并在周向上相互隔开间隔地配置；
倾斜角度设定步骤，在所述转子条件设定步骤之后，设定所述转子槽的向周向的倾斜角度；
应力计算步骤，在所述倾斜角度设定步骤之后，计算所述转子铁心部的应力；
温度计算步骤，在所述倾斜角度设定步骤之后，计算所述转子铁心部的温度；
角度范围判定步骤，判定是否遍及针对所述转子槽的向周向的倾斜角度的研究范围而结束，在判定为未结束的情况下，实施所述倾斜角度设定步骤以后的步骤；
间距范围判定步骤，在所述角度范围判定步骤中判定为遍及针对所述转子槽的向周向的倾斜角度的研究范围而结束的情况下，判定是否遍及针对所述转子槽的间距的研究范围而结束，在判定为未结束的情况下，实施所述转子条件设定步骤以后的步骤；以及
确定步骤，在所述间距范围判定步骤中判定为遍及针对所述转子槽的间距的研究范围而结束的情况下，基于所述应力计算步骤和所述温度计算步骤的结果，确定所述转子槽的所述倾斜角度及间距。
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