JP2017127083A - Dynamo-electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,かご形二次巻線を有する回転電機に係わり,特に回転子の塊状鉄心のスロット形状に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine having a cage secondary winding, and more particularly to a slot shape of a massive iron core of a rotor.
近年インバータを用いて電動機を高速運転することによって,駆動システム全体の省スペース化する需要が高まっている。高速運転する電動機として,回転子コアのスロットに設けられた複数の回転子導体が回転子コアの端面においてエンドリング(短絡環)で連結された回転子を備える誘導電動機がある。誘導電動機を高速化した場合,回転子コアや回転子導体に働く遠心力が従来の回転子よりも大きくなるため,回転子コアを従来の積層型から高強度な塊状型に変更することや,回転子コアと回転子導体とを溶接または接合により回転子構造を高強度化する必要がある。また,回転子に発生する電気的な損失を低減することで回転子導体に働く熱応力を低減する必要がある。これらの課題に対して,本技術分野の背景技術として,特許文献1や非特許文献1,2などがあげられる。特許文献1には塊状回転子コアを備え,回転子導体の最外周部分を切削して回転子導体に発生する損失の低減を図っている誘導電動機がある。また,非特許文献1および非特許文献2には回転子導体が塊状回転子コアに挿入または接合している誘導電動機がある。
In recent years, there has been an increasing demand for space saving of the entire drive system by operating an electric motor at high speed using an inverter. As an electric motor that operates at high speed, there is an induction motor including a rotor in which a plurality of rotor conductors provided in a slot of a rotor core are connected by end rings (short-circuit rings) at end faces of the rotor core. When the speed of the induction motor is increased, the centrifugal force acting on the rotor core and the rotor conductor becomes larger than that of the conventional rotor, so the rotor core can be changed from the conventional laminated type to a high-strength massive type, It is necessary to increase the strength of the rotor structure by welding or joining the rotor core and the rotor conductor. Moreover, it is necessary to reduce the thermal stress acting on the rotor conductor by reducing the electrical loss generated in the rotor. In order to solve these problems,
上記特許文献3には回転子の塊状回転子コアと回転子バーの形成方法に関する技術が記載されているが,回転子バーの最外周部分が回転子コアの最外周部分と同一面に配置されているため,回転子バー表面に大きな損失が発生し,回転子バーの発熱による熱応力が過大となり,回転子バーが破損する可能性がある。非特許文献1には塊状回転子コアに回転子バーを埋め込む構造の回転子,回転子バーが遠心力によって回転時に飛び出さないように回転子ティースによって回転子バーを支えている構造の回転子,積層形の回転子コアに回転子バーを埋め込む構造の回転子が記載されている。回転子コアは塊状,積層形いずれの場合も回転子コアに適用する材質の透磁率が空気よりも高いため,回転子バー最外周部分に高調波磁束が入りやすい構造となる。したがって非特許文献1に記載の回転子形状はいずれも回転子バーの最外周部分に高調波磁束に起因した損失が発生しやすく,回転子バーに大きな損失および熱応力が発生する。非特許文献2に記載される回転子形状は特許文献1と同様に,回転子バーの最外周部分が回転子コアの最外周部分と同一面に配置されているため,回転子バー表面に発生する損失および熱を低減することができず,回転子バーが熱応力によって破損する可能性がある。
Patent Document 3 describes a technique related to a method for forming a rotor core and a rotor bar of a rotor, and the outermost peripheral portion of the rotor bar is arranged on the same plane as the outermost peripheral portion of the rotor core. Therefore, a large loss occurs on the surface of the rotor bar, the thermal stress due to the heat generated by the rotor bar becomes excessive, and the rotor bar may be damaged. Non-Patent
上記課題を解決するため,本発明の一実施例に係る回転電機は,巻線を巻装した固定子と回転子とを備えた回転電機であって,前記回転子は,回転子鉄心と,前記回転子鉄心に複数設けられた回転子スロットに収容された回転子バー及び前記回転子バーの端部に接合されたエンドリングを含んで構成されるかご形導体とを備え,前記回転子スロットは,オープンスロットの形状を有すると共に,その径方向の高さが前記回転子バーの径方向の高さよりも大きく,前記回転子鉄心は,塊状に構成されると共に,前記回転子スロットの径方向最外周部分の幅が前記回転子バーの径方向最外周部分の幅よりも大きい構成を有する。 In order to solve the above problems, a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention is a rotating electrical machine including a stator and a rotor wound with windings, the rotor including a rotor core, A rotor bar housed in a plurality of rotor slots provided on the rotor core, and a cage conductor comprising an end ring joined to an end of the rotor bar, Has a shape of an open slot, and its radial height is larger than the radial height of the rotor bar, and the rotor core is formed in a lump shape, and the radial direction of the rotor slot The width of the outermost peripheral portion is larger than the width of the outermost peripheral portion in the radial direction of the rotor bar.
本発明によるかご形誘導電動機によれば,信頼性の高い,損失の小さい回転電機を提供できる。 According to the squirrel-cage induction motor according to the present invention, it is possible to provide a rotary electric machine with high reliability and low loss.
以下,図面に基づいて,本発明に係わる実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1,2に実施例1による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。誘導電動機1は固定子10と回転子20,シャフト25によって構成され,固定子10は固定子コア11,固定子スロット12,電機子巻線13によって構成される。回転子20には塊状回転子コア21がシャフト25に連結されており,塊状回転子コア21には回転子スロット22および回転子ティース24が設けられ,回転子スロット22内には回転子バー23が収納され,回転子20の軸方向端面でエンドリングによって回転子バー23が短絡されているかご形導体が配置される。回転子スロット22はオープンスロットであり,回転子スロット22の径方向高さh1が回転子バー23の径方向高さh2よりも大きく,回転子スロット22の最外周部分の幅b1が回転子バー23の最外周部分の幅b2よりも大きくなるように構成される。回転子スロット22の高さh1と回転子バー23の高さh2の差h1−h2となる領域は空気となる。回転子バー23の材料は無酸素銅(OF-Cu)またはCr-Cu,Sn-Cu,Mo-Cuなどの銅合金が適用される。回転子スロット22と回転子バー23は摩擦攪拌接合や熱間等方圧加圧加工,アーク溶接,レーザ溶接,コールドスプレー,ロウ付けなどで高い強度で接合される。誘導電動機1を運転したとき,回転子スロット22と回転子バー23の接合面には回転子20の回転数に応じて,遠心力が発生する。これに対して前述の接合により,回転子20を高速回転させたときに発生する遠心力に対する強度を確保できる。
誘導電動機1を運転するとき,電機子巻線13からは基本波電流による磁束に加え,巻線配置やスロット数に起因して高調波磁束が発生する。この高調波磁束が固定子10と回転子20との間のギャップを通じて回転子バー23に入り込むことによって回転子バー23の最外周部分には高調波損失が発生する。また,この高調波磁束は回転子ティース24の最外周部分にも渦電流損を発生させる。さらに,インバータによって誘導電動機を駆動する場合,固定子巻線13からはインバータのキャリア高調波による高調波磁束も発生するため,回転子バー23および回転子ティース24にはインバータの高調波磁束に起因した損失も発生する。回転子バー23および回転子ティース24の最外周部分に発生するこれらの損失は回転子20の発熱の原因となり,回転子スロット22と回転子バー23の接合面に熱応力を発生させるとともに,誘導電動機1の効率を悪化させる原因となる。回転子スロット22と回転子バー23の接合面に発生する熱応力は回転子コア21と回転子バー23との熱膨張率の差によって決定されるが,回転子バー23に適用される銅または前述の銅合金は回転子コア21に適用されるS45Cなどの鉄材よりも熱膨張率が大きいため,回転子バー23に発生する熱,つまり損失を低減させることが重要となる。
ここで,本発明では,回転子スロットの高さh1を回転子バー23の径方向高さh2よりも高くすることで回転子バー23の最外周部分の径方向外側には空気層が形成される。空気層が設けられることにより,回転子バー23の最外周部分外側の磁気抵抗が高くなり,高調波磁束が回転子バー23の最外周部分に入りにくくなる。また,回転子スロットの径方向最外周部分の幅b1を回転子バーの最外周部分の幅b2よりも大きくすることにより,回転子バー23の最外周部分の径方向外側の磁気抵抗がさらに高くなり,高調波磁束が回転子バー23の最外周部分にさらに入りにくくなる。これにより回転子バー23の最外周部分に発生する高調波損失を低減できるため,回転子バー23に発生する熱が低減される。回転子バー23に発生する熱が小さくなることにより,回転子バー23に発生する熱延びが小さくなり,回転子スロット22と回転子バー23の接合面に発生する熱応力が低減され,接合面の強度信頼性が向上する。図3〜5に回転子バー23の断面積を一定にしたまま(h1−h2)/h1を変更したときの損失の変化を示す。図3は回転子バー23に発生する損失,図4は回転子ティース24に発生する損失,図5は本発明を適用したときの回転子の総損失である。図3より,回転子スロット22の径方向高さh1に対する(h1−h2)の比率,つまり回転子バー23の最外周部分の外側にある空気層の高さが大きくなるにつれて,回転子バー23に発生する損失が低減されることがわかる。図4より,回転子ティース24に発生する損失は(h1−h2)/h1の比率が小さい時は上昇するものの,(h1―h2)/h1の比率が大きくなるにつれて低下していることがわかる。これにより,図5より(h1―h2)/h1の比率に反比例して誘導電動機に発生する総損失も小さくなることがわかる。したがって,本発明によって回転子バー23の表面に発生する損失が低下する効果が得られ,回転子スロット22と回転子バー23の接合面に発生する熱応力を低減できる効果が得られる。また,総損失の低減,つまり誘導電動機の効率を向上させる効果も得ることができる。さらに,本実施例における回転子構造とした場合,回転子バー23の径方向最外周部分の外側に高さ(h1−h2)の空気層が形成されることにより,回転子10の表面は凹凸がある形状となる。これにより,回転子20はファン効果を持つことなるため,誘導電動機1の冷却性能が向上する。さらに,回転子表面に凹凸があるため,固定子10と回転子20の間のギャップに流れる風が急激に曲げられることとなり,回転子バー23の最外周部分に風があたることとなる(図6)。これにより,回転子バー23の表面を冷やす効果も得られるため,回転子バー23の最外周部分は効率よく冷やされるようになり,回転子バー23の温度上昇低減,つまり回転子スロット22と回転子バー23の接合面の熱応力を低減させることができる。
1 and 2 show partial cross sections of the rotor of the induction motor according to the first embodiment when viewed from the direction of the rotation axis. The
When the
Here, in the present invention, the height h1 of the rotor slot is made higher than the radial height h2 of the
図7に実施例2による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。図7に示すように実施例1の回転子形状において,回転子ティース24の周方向幅は回転子バー23が入る位置において,回転子バー23の底部以外を除いて常に一定となっている。誘導電動機1の力率は回転子ティース24の周方向の幅が最も狭くなる部分の磁束密度によって決定されるため,回転子ティース24の周方向の幅は最も狭くなる部分に合わせて一定値とすることができる。これにより,回転子ティース24の周方向幅を狭くすることにより,回転子バー23の断面積を大きくすることができるため,回転子バー23における基本波電流による損失が低減される。一方,高調波磁束による影響は回転子バー23の最外周部分の磁気抵抗によって決定されるが,実施例2による形状において,回転子バー23の最外周部分の空気層の高さは実施例1と同等とすることができるため,回転子バー23の最外周部分における高調波損失は実施例1と同等となる。したがって,実施例2による形状とすることで誘導電動機1の効率向上や,回転子バー23に発生する熱の軽減,つまり熱応力低減の効果を得ることができる。
FIG. 7 shows a partial cross section of the rotor of the induction motor according to the second embodiment when viewed from the direction of the rotation axis. As shown in FIG. 7, in the rotor shape of the first embodiment, the circumferential width of the
図8に実施例3による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。図8に示すように実施例1の回転子形状において,回転子ティース24の最外周部分を段落とし形状としている。段落とし部分は回転子バー23の最外周部分から始まるものとする。このような形状とすることで,回転子スロットの径方向最外周部分の幅b1と回転子バーの最外周部分の幅b2の差が実施例1および実施例2よりもさらに大きくなり,回転子ティース24の最外周部分の磁気抵抗が大きくなることとなり,回転子バー23の最外周部分で発生する高調波損失をさらに低減することができる(図3)。これにより,回転子バー23に発生する熱も低減でき,回転子スロット22と回転子バー23の接合面に生じる熱応力も低減することができる。また,図5より,実施例1と同様に,回転子バー23の最外周部分の外側にある空気層の高さ(h1−h2)に反比例して誘導電動機1における総損失が小さくなることがわかる。回転子スロット22と回転子バー23の接合面積は実施例1と同様であるため,回転子スロット22と回転子バー23の接合面の強度を維持しつつ,高効率化も可能となる。さらに,回転子ティース24の最外周部分を段落とし形状とすることで,固定子10と回転子20の間のギャップ部分での空気がスムーズに流れるようになり,ギャップ部分での通風抵抗が小さくなるため,風損の増加も抑制できる。加えて,固定子10と回転子20の間のギャップ部分の面積が大きくなることから,誘導電動機1の全体の通風量が増加し,誘導電動機1全体の冷却性能も向上させることができる。
FIG. 8 shows a partial cross section of the rotor of the induction motor according to the third embodiment when viewed from the rotation axis direction. As shown in FIG. 8, in the rotor shape of the first embodiment, the outermost peripheral portion of the
図8に実施例4による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。図8に示すように実施例1の回転子形状において,回転子ティース24の最外周部分を面取り形状としている。面取り部分は回転子バー23の最外周部分から始まるものとする。固定子10と回転子20の間にあるギャップ部分が大きいほど,つまり回転子バー23や回転子ティース24の径方向外周部分の磁気抵抗が大きいほど回転子バー23が受ける電機子巻線13から入り込む高調波磁束の影響が小さくなる。実施例4による回転子形状は回転子ティース24の最外周部分が面取りされているため,回転子スロット22の径方向最外周部分の幅b1と回転子バー23の最外周部分の幅b2の差が実施例1および実施例2よりもさらに大きくなる。したがって,回転子バー23の最外周部分での磁気抵抗が大きくなるため,実施例3と同等の効果が得られることとなる。また,固定子10と回転子20の間のギャップ部分での空気が実施例4よりもスムーズに流れるようになり,ギャップ部分での空気抵抗が低減され,風損をさらに低減できる。これにより,誘導電動機1の冷却性能がさらに向上し,回転子20のみならず,固定子10や固定子巻線13の温度上昇も抑制できる。
FIG. 8 shows a partial cross section of the rotor of the induction motor according to the fourth embodiment when viewed from the rotation axis direction. As shown in FIG. 8, the outermost peripheral portion of the
図9に実施例5による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。本実施例による誘導電動機は,実施例1乃至4の回転子形状において,回転子20の回転中心から径方向に引いた軸A−aよりも回転子スロット底部221を遅れ側に設置し,軸A−aと回転子20の外周部の基準点aから回転子スロット底部221の中心点Bまで引いた軸B−aとが基準点aにおいて所定の角度θを持つように回転子スロット22を構成した上で,回転子スロット22が回転子20の回転中心から径方向に対する軸A−aに対し周方向に非対称な形状となっている。図9の形状において,回転子ティース24の最外周部分の形状は実施例1乃至2のように段落としや面取りがされていない形状となっているが,実施例3または実施例4のように,段落としや面取りがされている形状でもよい。実施例5の回転子形状とすることで,回転子バー23が回転方向に対して角度を持つこととなり,固定子巻線13から発生する基本波電流による磁束が回転子20にも入りこみやすくなり,回転子ティース24を介して回転子バー23に鎖交しやすくなるため,誘導電動機1の力率が向上する。力率を向上させることにより電機子巻線13に流れる電流を少なくすることができるため,基本波一次銅損を低減することが可能となり,誘導電動機1の効率を向上させることができる。
FIG. 9 shows a partial cross section of the rotor of the induction motor according to the fifth embodiment when viewed from the rotation axis direction. In the induction motor according to the present embodiment, in the rotor shapes of the first to fourth embodiments, the
1 誘導電動機
10 固定子
11 固定子コア
12 固定子スロット
13 固定子巻線
20 回転子
21 塊状回転子コア
22 回転子スロット
221 回転子スロット底部
23 回転子バー
24 回転子ティース
25 シャフト
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