KR101679342B1

KR101679342B1 - 유도 전동기

Info

Publication number: KR101679342B1
Application number: KR1020150010495A
Authority: KR
Inventors: 마사토 이케가미
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-11-24
Also published as: DE102015103317A1; KR20150111829A; CN104953778B; CN104953778A; JP2015186403A

Abstract

유도 전동기를 고효율화시킨다.
스테이터 슬롯(34a) 내의 코일 점적률이 38% 이상인 유도 전동기에 있어서, 스테이터 티스 폭을 Ws, 스테이터 슬롯 피치를 σs, β=Ws/σs로 했을 때, β가 0.46~0.56의 범위에 있다.

Description

유도 전동기{An Induction Motor}

본 발명은, 유도 전동기에 관한 것이다.

본 출원은, 2014년 3월 26일에 출원된 일본 특허출원 제2014-063102호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.

유도 전동기는, 회전자계를 만드는 고정자와, 회전자계에 의하여 유도전류가 발생하고 회전자계와의 사이에서 발생하는 토크에 의하여 회전하는 회전자를 구비하는 전동기이다(예를 들면 특허문헌 1).

선행기술문헌

(특허문헌)

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2003-9483호

유도 전동기의 고효율화를 실현하기 위하여, 전자설계의 최적화가 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 유도 전동기의 효율을 높이는 기술을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태는, 스테이터 슬롯 내의 코일 점적률이 38% 이상이고, 스테이터 티스 폭을 Ws, 스테이터 슬롯 피치를 σs, β=Ws/σs로 했을 때, β가 0.46~0.56의 범위에 있는 유도 전동기이다.

스테이터의 전자설계 파라미터를 상기와 같이 설정함으로써, 유도 전동기의 효율을 높일 수 있다.

다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나, 본 발명의 구성요소나 표현을 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 유도 전동기의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 바구니형 유도 전동기의 단면도이다.
도 2는 바구니형 유도 전동기의 스테이터 및 로터의 부분 단면도이다.
도 3은 β의 값을 변경했을 때의 전동기 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 β의 값을 변경했을 때의 전동기 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5에 있어서, (a), (b)는, 각각 β=0.46, β=0.56일 때의 스테이터 형상을 나타내는 도이다.
도 6은 Ds/Ws의 값을 변경했을 때의 전동기 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 바구니형 유도 전동기(10)를, 중심축을 포함하는 연직면에서 절단했을 때의 단면도이다.

스테이터(고정자)(34)는, 동일 형상으로 찍어낸 다수의 박판 형상(예를 들면, 두께 0.5mm)의 전자강판을 적층하여 형성된다. 스테이터(34)는, 프레임(30)의 내주에, 예를 들면 수축 끼워맞춤에 의하여 끼워맞춰진다. 스테이터(34)에 형성된 복수의 슬롯에는 구리선의 코일(38)이 감겨 있다.

로터(회전자)(36)도, 동일한 원 형상으로 찍어낸 다수의 박판 형상의 전자강판을 적층하여 형성된다. 로터(36)에는, 중앙에 회전축(12)을 삽통하기 위한 원형구멍이 형성됨과 함께, 그 외주측에는, 직경 방향으로 뻗는 복수의 동일 형상의 슬롯(36a)이 등간격으로 형성되어 있다(도 2를 참조). 로터(36)의 원형구멍은, 회전축(12)에 억지 끼워맞춤에 의하여 고정된다.

프레임(30)은, 예를 들면 알루미늄 다이캐스트제, 주철제 또는 강판제이며, 로터 및 스테이터의 중량을 지지함과 함께, 로터 및 스테이터 등에서 발생하는 열을 전동기 외부로 방열하는 역할을 가진다. 방열 성능을 높이기 위하여, 회전축과 평행한 방향으로 뻗는 다수의 방열 핀(40)이 프레임(30)의 외주에 설치된다.

회전축(12)은, 프레임(30)으로부터 내경측으로 뻗어나가는 양측의 플랜지(14, 15)에 각각 베어링(16, 17)을 통하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 플랜지(14, 15)는, 프레임(30)과 일체로 형성되어도 되고, 별개로 형성된 후에 프레임(30)에 고정되어도 된다.

회전축(12)의 후단측에는, 팬(18)이 배치된다. 팬(18)의 더욱 외측에는 팬 커버(32)가 배치된다.

도 2는, 바구니형 유도 전동기(10)의 스테이터(34)와 로터(36)를, 회전축에 직교하는 평면에서 절단했을 때의 부분 단면도이다.

스테이터(34)에는, 직경 방향으로 뻗는 동일 형상의 스테이터 티스(34b)가 둘레방향으로 등간격으로 형성되어 있으며, 스테이터 티스끼리의 사이에, 로터(36)측에 개구부를 가지는 스테이터 슬롯(34a)을 구획형성하고 있다. 스테이터 슬롯(34a)에는 구리선(42)이 복수 회 감겨, 코일을 형성한다. 코일에 교류전류를 흘려보내면, 스테이터 티스(34b) 및 스테이터 요크에 회전자계가 발생한다.

스테이터 슬롯(34a) 및 스테이터 티스(34b)의 형상은, 스테이터의 전자설계에 큰 영향을 미친다. 도 2에는, 스테이터의 전자설계에 있어서 고려해야 할 파라미터로서, 스테이터 티스 폭(Ws), 스테이터 슬롯 피치(σs), 스테이터 슬롯 높이(Ds)가 나타나 있다. 다만, 스테이터 티스의 폭이 직경 방향으로 일정하지 않은 경우, 스테이터 티스 폭(Ws)은 당해 폭의 직경 방향에 있어서의 평균치를 나타낸다.

본원 발명자는, 스테이터 티스 폭의 스테이터 슬롯 피치에 대한 비율 β=Ws/σs, 스테이터 슬롯 높이의 스테이터 티스 폭에 대한 비율 Ds/Ws, 코일 점적률(슬롯 내의 구리선의 피막을 제외한 소선의 단면적/슬롯 단면적)의 선택, 및 스테이터 티스의 평균 자속 밀도가, 유도 전동기의 고효율화에 중요한 것을 발견했다.

상기 중, 코일 점적률이 38% 이상이 되도록 구리선을 감으면, 유도 전동기의 효율을 특히 높게 할 수 있다. 또, 스테이터 티스의 평균 자속 밀도가 1.7T 이상이 되도록 코일에 흐르는 전류를 제어하면, 유도 전동기의 효율을 특히 높게 할 수 있다.

비율 β 및 Ds/Ws의 범위의 결정에 대하여, 이하에서 설명한다.

도 3은, 용량이 0.75kW인 유도 전동기에 있어서, β의 값을 변경했을 때의 전동기 효율의 변화를 나타내는 그래프이다. 도면의 가로축이 전압을 나타내고, 세로축이 효율을 나타내고 있다.

일반적으로, 유도 전동기에 있어서는, 상기와 같은 그래프에 있어서, 소정의 전압범위에 있어서의 피크 효율을 높게 하는 것이 중요하다. 도 3에 있어서 화살표로 나타내는 전압범위(A)의 효율을 참조하면, β=0.43으로부터 β=0.46으로 변경하면, 피크 효율이 크게 상승하는 것을 알 수 있다. 또, β=0.56으로부터 β=0.59로 변경하면, 피크 효율이 크게 저하하는 것을 알 수 있다.

이 관찰로부터, 용량이 0.75kW인 이 유도 전동기에서는, β를 0.46~0.56의 범위로 하면, 유도 전동기의 효율이 높아지는 것을 알 수 있다.

도 4는, 용량이 2.2kW인 유도 전동기에 있어서, β의 값을 변경했을 때의 전동기 효율의 변화를 나타내는 그래프이다. 도면의 가로축이 전압을 나타내고, 세로축이 효율을 나타내고 있다.

도 4에 있어서 화살표로 나타내는 전압범위(A)의 효율을 참조하면, β=0.43으로부터 β=0.46으로 변경하면, 피크 효율이 크게 상승하는 것을 알 수 있다. 또, β=0.56으로부터 β=0.59로 변경하면, 피크 효율이 크게 저하하는 것을 알 수 있다.

이 관찰로부터, 용량이 2.2kW인 이 유도 전동기에서는, β를 0.46~0.56의 범위로 하면, 유도 전동기의 효율이 높아지는 것을 알 수 있다.

또, 도 3 및 도 4로부터, 고효율화를 실현하는 β의 값은, 유도 전동기의 용량에 의존하지 않는 것을 알 수 있다.

도 5(a), (b)는, 각각 β=0.46, β=0.56일 때의 스테이터 형상을 나타내는 도이다.

도 5(a)로부터 알 수 있듯이, β=0.46에서는, 스테이터 슬롯과 비교하여 스테이터 티스의 폭이 좁아진다. 만일 β를 0.46 미만으로 하면, 스테이터 티스의 근원부의 기계적 강도가 부족하여, 티스가 파손되거나 자기왜곡에 의한 소음이 커질 우려가 있다.

도 5(b)로부터 알 수 있듯이, β=0.56에서는, 스테이터 티스와 비교하여 스테이터 슬롯의 폭이 좁아진다. 만일 β를 0.56보다 크게 하면, 슬롯 단면적이 작아지는 점에서 코일 단면적도 작아져, 유도 전동기의 효율이 악화된다.

도 6은, 용량이 0.75kW인 유도 전동기에 있어서, Ds/Ws의 값을 변경했을 때의 전동기 효율의 변화를 나타내는 그래프이다. 도면의 가로축이 전압을 나타내고, 세로축이 효율을 나타내고 있다.

도 6에 있어서 화살표로 나타내는 전압범위(B)의 효율을 참조하면, Ds/Ws=2.5로부터 Ds/Ws=3.0으로 변경하면, 피크 효율이 크게 상승하는 것을 알 수 있다. 또, Ds/Ws=5.5로부터 Ds/Ws=6.0으로 변경하면, 피크 효율이 크게 저하하는 것을 알 수 있다.

이 관찰로부터, 이 유도 전동기에서는, Ds/Ws를 3.0~5.5의 범위로 하면, 유도 전동기의 효율이 높아지며, Ds/Ws를 4.0~5.0의 범위로 하면 보다 바람직한 것을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 유도 전동기의 고효율화를 실현하기 위한 스테이터의 전자설계에 관한 지침을 명확하게 했다. 즉, 스테이터 티스 폭의 스테이터 슬롯 피치에 대한 비율 β가 0.46~0.56의 범위가 되도록, 및/또는 스테이터 슬롯 높이의 스테이터 티스 폭에 대한 비율 Ds/Ws가 3.0~5.5의 범위가 되도록, 스테이터 형상을 설계함으로써, 유도 전동기의 고효율화를 실현할 수 있다.

본 실시형태에 의한 고효율의 유도 전동기는, 효율이 동일한 정도인 종래 설계의 유도 전동기와 비교하여 스테이터의 적층 강판의 적층 두께가 적어도 되기 때문에, 유도 전동기를 소형화할 수 있다. 이에 따라, 구리선, 전자강판, 알루미늄 도체 등의 재료의 삭감에 의한 제조 코스트의 저감이 가능해진다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했다. 이러한 실시형태는 예시이며, 그러한 각 구성요소의 조합으로 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.

실시형태에서는 바구니형 유도 전동기에 대하여 설명했지만, 본 발명은, 로터의 구조에 관계없이, 스테이터에 코일을 감아 회전자계를 발생시키는 구조를 가지는 임의의 유도 전동기에도 동일하게 적용할 수 있다.

10 유도 전동기
34 스테이터
34a 스테이터 슬롯
36b 스테이터 티스
Ds 스테이터 슬롯 높이
σs 스테이터 슬롯 피치
Ws 스테이터 티스 폭

Claims

스테이터 슬롯 내의 코일 점적률이 38% 이상인 유도 전동기에 있어서,
스테이터 티스 폭을 Ws, 스테이터 슬롯 피치를 σs, β=Ws/σs로 했을 때, β가 0.46~0.56의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 유도 전동기.
제 1 항에 있어서,
스테이터 슬롯 높이를 Ds로 했을 때, Ds/Ws가 3.0~5.5의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 유도 전동기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
β가 모터 용량에 의존하지 않는 것을 특징으로 하는 유도 전동기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
스테이터 티스의 평균 자속 밀도가 1.7T 이상인 것을 특징으로 하는 유도 전동기.