CN112352372A - 转子及旋转电机 - Google Patents

Abstract

转子具有转子铁心(21)，其形成有对转子导体(23)进行收容的转子槽(22)。转子槽(22)具有：内槽(26)，其是第1槽；以及外槽(27)，其是与第1槽相比位于转子铁心(21)的外周面(25)侧而与第1槽相连的第2槽。在转子的与作为旋转中心的中心轴垂直的剖面中的第2槽的外形中，包含有多个构成外形的棱线弯曲的位置即顶点。多个顶点包含：顶点(27a)，其是在多个顶点中处于最接近外周面的位置的第1顶点；以及顶点(27b)，其是处于仅次于第1顶点而与外周面(25)接近的位置的第2顶点。与流过转子导体(23)的电流中的比转子的驱动频率高的频率的成分即谐波成分的趋肤深度相比，第2顶点和外周面(25)的间隔更大。

Description

转子及旋转电机

技术领域

本发明涉及作为双重鼠笼式转子的转子及具有转子的旋转电机。

背景技术

在感应式的旋转电机中，为了实现在旋转电机启动时产生的启动扭矩的增大，广泛使用双重鼠笼式转子。鼠笼式转子具有：转子导体，其是收容于转子铁心的转子槽的导体；以及2个短路环，它们与转子导体连接。在双重鼠笼式转子所具有的转子槽中，设置有位于转子铁心的中心侧的内槽和位于转子铁心的外周面侧的外槽。在双重鼠笼式转子中，通过使启动时在转子中流动的电流集中于外槽，使在转子中流动的电流的电阻增大，从而启动扭矩增大。

在旋转电机中的电能的损耗中存在下述损耗：由设置于定子的绕组的电阻成分产生的损耗即一次铜损、由转子导体的电阻成分产生的损耗即二次铜损、以及在定子铁心和转子铁心中磁通交链而产生的损耗即铁损。除此以外，由定子槽引起的谐波磁通与转子导体交链而产生的损耗，即所谓谐波二次铜损也设为旋转电机中的电能的损耗的其中1个。谐波磁通是比转子的驱动频率高的频率的成分即谐波成分的电流流过转子铁心而产生的。高频成分是不有助于转子的驱动的成分。

在专利文献1中，公开了为了使双重鼠笼式转子中的谐波二次铜损减少，在转子铁心中的与旋转轴垂直的剖面中的外槽的外形包含向转子铁心的中心侧凸出的圆弧状的曲线部。曲线部设置于转子铁心的位于外周面侧的顶点和外槽的向宽度方向伸出的部分即肩部之间。根据专利文献1的技术，通过设置曲线部，从而能够使由在转子导体中流动的谐波成分的电流产生的电感增加，选择性地减少成为谐波二次铜损的原因的高频电流。

专利文献1：国际公开第2015/001601号

发明内容

但是，根据上述专利文献1的技术，通过在外槽的外形设置有曲线部，从而与取代该曲线部而设置直线的情况相比外槽的面积减少。如果外槽的面积减少，则转子导体的电阻增加，因此由转子导体的电阻成分引起的二次铜损增加。另外，通过设置有曲线部，从而在外槽中，不仅关于谐波磁通的磁阻减少，而且关于由与旋转频率相同频率的成分引起的基波磁通的磁阻也减少。由于外槽中的磁阻减少，因此基波成分的电流集中于外槽，另一方面，由于向内槽流动的基波成分的电流减少，因此有助于扭矩的产生的磁通量减少。因此，在上述专利文献1的技术中，由于二次铜损的增加和有助于扭矩的产生的磁通量的减少，因此存在旋转电机的驱动效率降低这一问题。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到能够提高旋转电机的驱动效率的转子。

为了解决上述的课题，达到目的，本发明所涉及的转子具有转子铁心，该转子铁心形成有对导体进行收容的转子槽。转子槽具有：第1槽；以及第2槽，其与第1槽相比位于转子铁心的外周面侧，与第1槽相连。在转子的与作为旋转中心的中心轴垂直的剖面中的第2槽的外形中，包含有多个构成外形的棱线弯曲的位置即顶点。多个顶点包含：第1顶点，其是在多个顶点中处于最接近外周面的位置的顶点；以及第2顶点，其是处于仅次于第1顶点而与外周面接近的位置的顶点。与流过导体的电流中的比转子的驱动频率高的频率的成分即谐波成分的趋肤深度相比，第2顶点和外周面的间隔大。

发明的效果

本发明所涉及的转子具有下述效果，即，能够使旋转电机的驱动效率提高。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的旋转电机的剖视图。

图2是图1所示的旋转电机的侧视图。

图3是表示图1所示的旋转电机所具有的转子铁心中的设置有1个转子槽的部分的图。

图4是表示图1所示的转子槽所具有的外槽的第1变形例的图。

图5是表示图1所示的转子槽所具有的外槽的第2变形例的图。

图6是对图1所示的旋转电机中的从定子铁心向转子铁心的磁通的流动进行说明的图。

图7是表示本发明的实施方式2所涉及的旋转电机的要部的图。

图8是表示本发明的实施方式3所涉及的旋转电机的要部的图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明的实施方式所涉及的转子及旋转电机详细地进行说明。此外，本发明不受本实施方式限定。

实施方式1.

图1是本发明的实施方式1所涉及的旋转电机100的剖视图。旋转电机100是具有双重鼠笼式转子的三相感应电动机。旋转电机100具有：圆筒状的定子10；转子20，其被定子10包围而进行旋转驱动；以及轴30，其设置于转子20的中心。转子20是双重鼠笼式转子。在图1中示出了与转子20的作为旋转中心的中心轴AX正交的剖面。在图1中省略了表示剖面的阴影。此外，有时将中心轴AX延伸的方向称为轴向，将沿以中心轴AX为中心的圆的方向称为圆周方向。

定子10具有定子铁心11，该定子铁心11形成有对绕组进行收容的多个定子槽12。定子铁心11是磁体即多个硅钢板向轴向层叠而构成的。定子铁心11具有后轭15和从后轭15向转子20侧凸出的多个定子齿14。各定子齿14在圆周方向上彼此隔开间隔而配置。定子槽12设置于各定子齿14之间。定子槽12是转子20侧开放的空间。在定子槽12内配置有通过将绕组卷绕而构成的定子线圈13。在定子线圈13直接连结50Hz或者60Hz的系统电源。

转子20具有转子铁心21，该转子铁心21形成有对转子导体23进行收容的多个转子槽22。转子铁心21是磁体即多个硅钢板向轴向层叠而构成的。在外周面25和定子10之间设置有间隙。外周面25是转子铁心21中的从中心轴AX远离的方向侧的面。在转子铁心21中的外周面25侧的部分设置有多个转子齿24。各转子齿24在圆周方向上彼此隔开间隔而配置。转子槽22设置于各转子齿24之间。转子槽22在图1所示的平面中是封闭的空间。转子导体23是配置于各转子槽22内的导体。在转子导体23的材料中使用铝或者铝合金这样的非磁性的金属材料。

图2是图1所示的旋转电机100的侧视图。旋转电机100具有沿圆周方向设置的2个短路环40。1个短路环40通过转子铁心21中的轴向上的一端而与转子导体23连接。另1个短路环40通过转子铁心21中的轴向上的另一端而与转子导体23连接。

图3是表示图1所示的旋转电机100所具有的转子铁心21中的设置有1个转子槽22的部分的图。转子槽22具有：内槽26，其是第1槽；外槽27，其是与第1槽相连的第2槽；以及狭缝28，其将内槽26和外槽27相连。

内槽26是转子槽22中的位于中心轴AX侧的部分。内槽26的外形形成为以顶角成为圆弧状的方式变形后的等腰三角形。圆周方向上的内槽26的宽度随着朝向中心轴AX侧而变窄。内槽26的外形并不限定于图3所示的变形后的三角形，可以是多边形或者以具有倒圆角的方式进行了变形的多边形。

外槽27与内槽26相比位于外周面25侧。在外槽27的外形中包含有多个构成该外形的棱线弯曲的位置即顶点。图3所示的外槽27的外形形成为具有5个顶点27a、27b、27c、27d、27e的五边形。顶点27a的位置在外槽27中是与外周面25最接近的位置。第1顶点即顶点27a是在5个顶点27a、27b、27c、27d、27e中处于与外周面25最接近的位置的顶点。

第2顶点即顶点27b是处于仅次于顶点27a而与外周面25接近的位置的顶点。3个顶点27c、27d、27e是与顶点27b相比处于中心轴AX侧的位置的顶点。

狭缝28设置于外槽27的外形即五边形中的中心轴AX侧的1边和内槽26的外形即变形后的等腰三角形的底边之间。圆周方向上的狭缝28的宽度比圆周方向上的内槽26的宽度窄，且比圆周方向上的外槽27的宽度窄。

在狭缝28中宽度变窄，由此在狭缝28中，磁阻变小。在狭缝28中磁阻变小，由此内槽26中的电感变大。在旋转电机100启动时，在转子20中流动的电流集中于外槽27，由此在转子20中流动的电阻增大。由此，旋转电机100使启动扭矩增大。

在转子铁心21中，除了与转子20的驱动频率相同频率的成分即基波成分的电流以外，还流动比转子20的驱动频率高的频率的成分即谐波成分的电流。高频成分是无助于转子20的驱动的成分。高频成分是由于在定子铁心11形成的定子槽12的数量和定子线圈13而产生的。由谐波成分的电流流动而产生的谐波磁通与转子导体23交链，由此发生谐波二次铜损。

将定子槽12的数量设为N_s，将使转子20驱动的交流电流的角频率设为ω，将转子导体23的电阻率设为ρ，将转子导体23的导磁率设为μ，将旋转电机100的极对数设为P，在转子导体23流动的电流中的谐波成分的趋肤深度即ds通过下式(1)表示。

【式1】

顶点27b和外周面25的间隔即Hs大于谐波成分的趋肤深度即ds。即，ds＜Hs的关系成立。此外，趋肤深度设为在电流流过导电性物质的情况下，电流密度为导电性物质的表面中的电流密度的1/e的位置和表面之间的距离。“e”是自然对数的底。趋肤深度是随着频率提高而在导电性物质的表面有助于电流流动的趋肤效应的指标。

外槽27的外形并不限定于图3所示的外形，也可以适当变形。图4是表示图1所示的转子槽22所具有的外槽27的第1变形例的图。在第1变形例中，外周面25和顶点27b的间隔与外周面25和顶点27c的间隔相同。顶点27b和顶点27c是处于仅次于顶点27a而与外周面25接近的位置的第2顶点。

图5是表示图1所示的转子槽22所具有的外槽27的第2变形例的图。在第2变形例中，外槽27的外形形成为将3个角分别进行了倒圆角变形后的三角形。第1顶点即顶点27a是在3个顶点27a、27b、27c中处于最接近外周面25的位置的顶点。第2顶点即顶点27b、27c是处于仅次于顶点27a而与外周面25接近的位置的顶点。如上所述，顶点27a、27b、27c可以是具有倒圆角的部分。外槽27的外形只要是多边形或者以具有倒圆角的方式进行变形后的多边形即可。

图6是对图1所示的旋转电机100中的从定子铁心11向转子铁心21的磁通的流动进行说明的图。图6所示的磁通29设为是由定子槽12引起的谐波磁通。从定子10向转子20流动的磁通29从定子齿14经过定子10及转子20之间的间隙而向转子铁心21流动。在转子铁心21中，磁通29以从相距外周面25以上述的趋肤深度行进的位置的附近起朝向圆周方向的方式流动，到达至转子齿24。

假设在第2顶点和外周面25的间隔即Hs小于趋肤深度即ds的情况下，从定子齿14向转子齿24流动的磁通29在从第1顶点和第2顶点之间向外槽27暂时进入后，向转子齿24行进。如上所述，从定子齿14向转子齿24流动的磁通29跨过外槽27而流动，由此磁通29与转子导体23交链。在转子导体23中，产生将向外槽27进入的磁通29抵消的涡电流。通过在转子导体23产生涡电流，从而发生谐波二次铜损。谐波二次铜损越多，旋转电机100的驱动效率越降低。

在实施方式1中，第2顶点和外周面25的间隔即Hs大于趋肤深度即ds，因此从定子齿14跨过外槽27而向转子齿24流动的磁通29的流动减少。旋转电机100能够减少由转子导体23中的涡电流的产生所引起的谐波二次铜损。

如果举例，则在转子导体23为铝的情况下，在上述的式(1)中，ρ＝2.82×10^－8Ωm且μ＝1.26×10^－6H/m。在设为N_s＝36、ω＝50Hz的情况下，通过上述的式(1)，ds计算为1.99mm。在该情况下，通过将Hs设为大于或等于1.99mm，从而旋转电机100能够减少谐波二次铜损。

在图3所示的外槽27中，顶点27a包含于从外周面25至趋肤深度为止的范围。在该情况下，外周面25和第1顶点的间隔小于趋肤深度，但并不限定于此。但是，在外周面25和第1顶点的间隔大于趋肤深度的情况下，有时用于驱动转子20的基波磁通在转子铁心21中的外周面25的附近流过而导致扭矩的减少。因此，优选外周面25和第1顶点的间隔小于趋肤深度。

根据实施方式1，外周面25和顶点27b的间隔比基于定子槽12的谐波成分的趋肤深度大，由此旋转电机100能够减少谐波二次铜损。旋转电机100能够通过谐波二次铜损的减少而提高驱动效率。由此，转子20具有能够使旋转电机100的驱动效率提高这一效果。

实施方式2.

图7是表示本发明的实施方式2所涉及的旋转电机100的要部的图。在实施方式2中，在内槽26中收纳有转子导体23和转子导体50。图7示出旋转电机100所具有的转子铁心21中的设置有1个转子槽22的部分。在实施方式2中，对与上述的实施方式1相同的结构要素标注同一标号，主要对与实施方式1不同的结构进行说明。

在第1导体即转子导体23的材料中使用铝或者铝合金。第2导体即转子导体50是导电率高于转子导体23的导体。在转子导体50的材料中使用铜或者铜类合金。在图7中，转子导体50由转子导体23包围。转子导体50在内槽26中配置于中心轴AX侧的部分。在图7中，转子导体50的外形形成为长方形。图7所示的剖面中的转子导体50的外形也可以是长方形以外。

导电率高于转子导体23的转子导体50设置于内槽26内，由此与在内槽26中收纳的导体仅为转子导体23的情况相比，在转子槽22内流过的电流的电阻减少。由此，由转子导体23、50的电阻成分产生的二次铜损减少。

根据实施方式2，转子20与实施方式1同样地能够使旋转电机100的驱动效率提高，且能够通过转子导体50的配置而减少二次铜损。转子20通过二次铜损的减少，能够进一步使旋转电机100的驱动效率提高。

实施方式3.

图8是表示本发明的实施方式3所涉及的旋转电机100的要部的图。在实施方式3中，第2导体即转子导体50和外周面25的间隔大于使转子20驱动的交流电流即基波成分的趋肤深度。图8示出旋转电机100所具有的转子铁心21中的设置有1个转子槽22的部分。对与上述的实施方式1及2相同的结构要素标注同一标号，主要对与实施方式1及2不同的结构进行说明。

将使转子20驱动的交流电流的角频率设为ω，将转子导体23的电阻率设为ρ，将转子导体23的导磁率设为μ，基波成分的趋肤深度即df通过下式(2)表示。

【式2】

在图8所示的转子导体50中，长方形中的外周面25侧的短边上的位置设为是从外周面25起的距离最短的位置。短边上的位置50a和外周面25的间隔即Hc大于基波成分的趋肤深度即df。即，df＜Hc的关系成立。

在使旋转电机100从停止状态启动时，与转子20的驱动频率相同频率的电流流过转子铁心21。假设在位置50a和外周面25的间隔即Hc小于趋肤深度即df的情况下，启动时的电流流过转子导体50。在导电率高于转子导体23的转子导体50中流过电流，由此与仅在转子导体23中流过电流的情况相比，在转子槽22中流动的电流的电阻变小。在转子槽22中流动的电流的电阻越大，则启动扭矩变得越大，因此在该情况下，通过在转子导体50中流过电流而启动扭矩变小。

在实施方式3中，位置50a和外周面25的间隔即Hc大于趋肤深度即df，由此在转子槽22中，通过趋肤效应，仅在与df相比外周面25侧的部分即转子导体23流过电流。启动时的电流仅流过转子槽22中的转子导体23，由此与在转子导体50中电流流动的情况相比，在转子槽22中流动的电流的电阻变大。由此，旋转电机100能够抑制启动扭矩的减少。

根据实施方式3，转子20与实施方式2同样地能够使旋转电机100的驱动效率提高，且抑制启动扭矩的减少。转子20抑制启动扭矩的减少，由此能够进一步使旋转电机100的驱动效率提高。

以上的实施方式所示的结构，表示本发明的内容的一个例子，也能够与其他公知技术进行组合，在不脱离本发明的主旨的范围，也能够对结构的一部分进行省略、变更。

标号的说明

10定子，11定子铁心，12定子槽，13定子线圈，14定子齿，15后轭，20转子，21转子铁心，22转子槽，23、50转子导体，24转子齿，25外周面，26内槽，27外槽，27a、27b、27c、27d、27e顶点，28狭缝，29磁通，30轴，40短路环，50a位置，100旋转电机。

Claims (5)

1.一种转子，其具有转子铁心，该转子铁心形成有对导体进行收容的转子槽，

该转子的特征在于，

所述转子槽具有：第1槽；以及第2槽，其与所述第1槽相比位于所述转子铁心的外周面侧，与所述第1槽相连，

在所述转子的与作为旋转中心的中心轴垂直的剖面中的所述第2槽的外形中，包含有多个构成所述外形的棱线弯曲的位置即顶点，多个所述顶点包含：第1顶点，其是在多个所述顶点中处于最接近所述外周面的位置的所述顶点；以及第2顶点，其是处于仅次于所述第1顶点而与所述外周面接近的位置的所述顶点，

与流过所述导体的电流中的比所述转子的驱动频率高的频率的成分即谐波成分的趋肤深度相比，所述第2顶点和所述外周面的间隔更大。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，

在所述第1槽中收容有：第1导体，其是所述导体；以及第2导体，其是导电率高于所述第1导体的所述导体。

3.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，

在将使所述转子驱动的交流电流的角频率设为ω，将所述导体的电阻率设为ρ，将所述导体的导磁率设为μ，将流过所述导体的电流中的与所述驱动频率相同频率的成分即基波成分的趋肤深度设为通过下式(1)表示的df的情况下，

所述第2导体和所述外周面的间隔大于所述基波成分的趋肤深度。

【式1】

4.一种旋转电机，其特征在于，具有：

定子，其具有定子铁心，该定子铁心形成有对绕组进行收容的定子槽；以及

由所述定子包围而进行旋转驱动的权利要求1至3中任一项所述的转子。

5.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，

将所述定子槽的数量设为N_s，将使所述转子驱动的交流电流的角频率设为ω，将所述导体的电阻率设为ρ，将所述导体的导磁率设为μ，将所述旋转电机的极对数设为P，所述谐波成分的趋肤深度即ds通过下式(2)表示。

【式2】

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