TW202011672A - 籠形轉子及旋轉電機 - Google Patents

Abstract

本發明的籠形轉子(3)係具備：軸(1)、轉子鐵芯(4)、及槽(5a)。槽(5a)係具有：外周緣部(R30)、內周緣部(R31)、第一側緣部(L40)、及第二側緣部(L41)。該外周緣部(R30)係位在轉子鐵芯(4)的外周側，於一端設有第一角部(R20)且於另一端設有第二角部(R21)，相較於轉子鐵芯(4)之同心圓之連結第一角部(R20)與第二角部(R21)的假想的圓周，朝向外周側呈凸狀。該內周緣部(R31)係位在內周側，於一端設有曲率半徑小於第一角部(R20)的第三角部(R22)且於另一端設有曲率半徑小於第二角部(R21)的第四角部(R23)，相較於轉子鐵芯(4)之同心圓之連結第三角部(R22)與第四角部(R23)的假想的圓周，朝向外周側呈凸狀。該第一側緣部(L40)係連接第一角部(R20)與第三角部(R22)。該第二側緣部(L41)係連接第二角部(R21)與第四角部(R23)。

Description

籠形轉子及旋轉電機

本發明係有關籠形轉子及具備籠形轉子的旋轉電機。

近年來，工業用途的旋轉電機係因有機械加工的單位加工時間的短縮化之需求，或是對應於難削材的切削加工之需求，使得對於馬達的效率提升、高速旋轉化等需求非常高漲。

工業用途的旋轉電機常使用堅牢且強固的感應式旋轉電機，惟，要達成感應式旋轉電機的高速旋轉化，必須避免具有轉子二次導體的轉子鐵芯因旋轉時產生的離心力而變形。

此外，感應式旋轉電機中，原理上，轉子中亦有電流流通，故為了馬達的效率提升，有抑制由於電流造成的轉子的發熱之課題，而必須降低流通電流的轉子二次導體的電阻。

習知的轉子係例如有沿周方向形成長條的槽之轉子(參照例如專利文獻1)，以及具有往半徑方向的內側及外側突出的凸狀的槽之轉子(參照例如專利文獻2)，以達成減少伴隨高速旋轉之離心力所致之在轉子的槽的周緣部產生的最大應力之目的。 （先前技術文獻） （專利文獻）

專利文獻1：日本專利公開公報特開平06-253511號 專利文獻2：日本專利公開公報特開2014-209838號

（發明所欲解決之課題）

然而，如前述專利文獻1記載的轉子般沿周方向形成長條的槽時，則形成在槽與轉子鐵芯的外周之間的橋部亦沿周方向長條化。旋轉時，離心力會作用於二次導體之導體棒，因此，橋部長條化時，作用於搭在橋的導體棒的離心力的範圍亦變大，伴隨於此，造成在該橋部產生的周方向的應力範圍變大。因此，若無法相應於旋轉速度確保橋部全體的尺寸，便會導致強度變弱，故必須確保橋部有一定的厚度。然而，橋部增厚到所需厚度以上時，從定子產生的磁通經橋部而未與導體棒交鏈就回到定子的漏磁通增加，使得使用效率變差。

此外，轉子的內徑中藉由熱嵌合、壓入等 結合有軸，以傳遞來自轉子的轉矩，但高速旋轉用的轉子中，為了確保剛性而要求採用更大直徑的軸。然而，若加大轉子鐵芯的內徑，則從槽底部至內徑為止的徑方向距離(背軛)減少，變得容易因高速旋轉時產生的離心力而變形，因而使得與軸之間的熱嵌合、壓入等而產生的迫緊程度變小，妨害軸的轉矩傳遞。

為了抑制變形，確保背軛的尺寸可有效地提升剛性，但如前述專利文獻2記載的轉子般朝徑方向的內側及外側突出的凸狀的槽中，由於凸往內徑側，故難以確保尺寸。另一方面，若縮小槽面積而以該槽形狀來確保背軛的尺寸時，因槽面積變小使得二次導體的電阻增加，效率變差。

本發明係為了解決上述的問題而研創者，目的在於提供能夠抑制應力所致之變形，確保槽的剛性，此外還能夠降低二次導體的電阻之籠形轉子及具備該籠形轉子的旋轉電機。 （解決課題的手段）

為了解決上述課題並達成目的，本發明的籠形轉子係具備：圓筒狀的轉子鐵芯，係於軸將中心部設有圓形孔的圓板狀構件通過圓形孔沿軸線方向積層複數個而成；及槽，係沿轉子鐵芯的周方向等間隔配置複數個且沿軸線方向延伸，該槽係具有：外周緣部、內周緣部、第一側緣部及第二側緣部；該外周緣部係位在轉子鐵芯的外周側，於一端設有第一角部且於另一端設有第二角部，相較於轉子鐵芯之同心圓之連結第一角部與第二角部的假想的圓周，朝向外周側呈凸狀；該內周緣部係位在轉子鐵芯的內周側，於一端設有曲率半徑小於第一角部的第三角部且於另一端設有曲率半徑小於第二角部的第四角部，相較於轉子鐵芯之同心圓之連結第三角部與第四角部的假想的圓周，朝向外周側呈凸狀；該第一側緣部係連接第一角部與第三角部；該第二側緣部係連接第二角部與第四角部。 此外，本發明的旋轉電機係具備上述籠形轉子。 （發明的效果）

依據本發明的籠形轉子，可抑制發生於積層而成的轉子鐵芯的應力所致之變形而能夠提高旋轉速度，此外還可降低二次導體的電阻而能夠提升旋轉效率。 此外，依據本發明的旋轉電機，由於具備上述籠形轉子，故可謀求旋轉效率的提升。

以下，利用圖式詳細說明本發明的實施形態的籠形轉子及具備該籠形轉子的旋轉電機。各實施形態中共通的構成要素係附記相同的元件符號並省略說明。另外，本發明不受下述實施形態所限定。

實施形態1. 第1圖係顯示本發明的實施形態1的旋轉電機200的局部構成之概略剖面圖。旋轉電機200係設有：外殼13；軸1，係藉由軸承能夠旋轉地支撐於外殼13；轉子3，係配置在軸1的外徑側；及定子9，係隔著氣隙相對地配置在轉子3的外徑側。轉子3係在積層而成的轉子鐵芯4的軸方向的兩端部設有短路環7a之感應型旋轉電機(Induction motor；IM)的轉子。

配合貫通孔2之形狀的軸1，係藉由熱嵌合、壓入、或者壓入與熱嵌合、壓入與冷嵌合的組合等，固定於沿旋轉中心軸線100的軸線方向貫通的轉子3的貫通孔2中。第1圖及第2圖中所示的軸1係具有中空孔1a，但不限於此，亦可採用軸的剖面填滿的實心軸來構成。

轉子鐵芯4係由積層體所構成，且呈圓筒狀，其中該積層體係將從薄鋼板的電磁鋼板藉由衝切等而形成之中心部具有圓形孔的圓板狀構件，通過圓形孔沿軸1的旋轉中心軸線100的軸線方向積層複數個而成。如第3圖所示，在轉子鐵芯4的外周側係沿周方向等間隔配置有複數個槽5a。槽5a係由轉子鐵芯4的外周部包圍而不具有槽開口的閉口槽。槽5a的內部空間係插入有導體棒7b。為了抑制導體棒7b因離心力而飛出，在導體棒7b的兩端部分別配置有短路環7a。導體棒7b及短路環7a係藉由使用鋁、鋁合金等導體材料進行的壓鑄而成形。另外，就導體材料而言，可使用電阻比鐵小的銅或銅合金。

定子9係由定子鐵芯10及沿定子鐵芯10的周方向等間隔配置的複數個線圈11所組成。定子鐵芯10係例如積層電磁鋼板的薄板而形成。複數個線圈11係經由與設置在旋轉電機200外部的未圖示的動力源連接的動力線12而獲得電力進行驅動。

第2圖係顯示本實施形態的旋轉電機200的構成中，在軸1與轉子3之間加上襯套8的構成之概略剖面圖。軸1係如同前述，藉由熱嵌合、壓入、或者壓入與熱嵌合、壓入與冷嵌合的組合等而固定在轉子3。然而，軸1的形狀不適於該等固定方法時，亦能夠先藉由熱嵌合、壓入、或者壓入與熱嵌合、壓入與冷嵌合的組合等將轉子3與襯套8固定，接著再藉由螺鎖、油壓等將軸1與襯套8固定，藉由附加襯套8，使得製造變得容易。此外，欲構成為能夠拆裝軸1與轉子3時，亦能夠應用襯套8。

第3圖係顯示本發明的實施形態的籠形轉子的構成之沿與旋轉中心軸線100正交之剖面的剖面圖。轉子鐵芯4係沿周方向等間隔配置有複數個槽5a。相鄰的槽5a之間係設有供來自定子9的磁通通過的齒部。各槽5a係呈同一形狀。此外，將轉子鐵芯4的中心設為中心點P。

第4圖係顯示將本發明的實施形態1的籠形轉子的構成的一部分之剖面放大圖。槽5a係由靠轉子鐵芯4的外周側的外周緣部R30a、從外周緣部R30a的兩端部沿徑方向延伸的直線部之側緣部L40、L41、及靠轉子鐵芯4的內周側的連接側緣部L40、L41的內周緣部R31而形成。 具體而言，外周緣部R30a係於其一端具有第一角部R20，於另一端具有第二角部R21，相較於轉子鐵芯之同心圓，亦即以中心點P為中心之連結第一角部R20與第二角部R21的假想的圓周C1，外周緣部R30a係朝向外周側呈凸狀。此外，內周緣部R31係配置在比外周緣部R30a更靠內周側，於一端具有第三角部R22，於另一端具有第四角部R23，相較於轉子鐵芯之同心圓，亦即以中心點P為中心之連結第三角部R22與第四角部R23的假想的圓周C2，內周緣部R31係朝向外周側呈凸狀。另外，第三角部R22與第四角部R23的曲率半徑係小於第一角部R20、第二角部R21之任一者。

此外，沿徑方向延伸的直線部之第一側緣部L40係連接第一角部R20與第三角部R22，同樣地，沿徑方向延伸的直線部之第二側緣部L41係連接第二角部R21與第四角部R23。此外，槽5a係以通過外周緣部R30a的中心之頂點P1與轉子鐵芯4的中心之中心線110為軸，呈左右對稱的形狀。

第5圖係顯示實施形態1的籠形轉子的構成的一部分之剖面圖。在此，將第一側緣部L40與第二側緣部L41相交形成的角度設為θ1時，則θ1較佳為0°≦θ1≦90°。

第6圖係用以說明本發明的實施形態1的籠形轉子的動作原理之圖，顯示籠形轉子的構成的的一部分之剖面放大圖，圖中係以箭頭表示磁通的流動。將從定子9產生的磁通設為磁通70，轉子3中，將流於轉子3外周附近的磁通設為磁通71a，將流於後述作為比較例的扇形槽6a內一部分的磁通設為磁通71b，將流於轉子鐵芯4的齒部的磁通設為磁通71c，將流於轉子鐵芯4的背軛部的磁通設為磁通71d。

在此，使用第6圖中的虛線部表示的扇形槽6a作為比較例，說明磁通的流動與槽形狀的關係。與槽5a相較，扇形槽6a的相當於外周緣部R30a的部分係接近直線形狀，相當於槽5a的第一角部R20的部分係位在比槽5a的第一角部R20更靠轉子鐵芯4的外周側，轉子3的外周與該部分的徑方向距離之橋部的距離係變小。

單純形狀的扇形槽6a中，轉子3的外周與扇形槽6a的外周緣部的頂點的徑方向距離之橋部的磁飽和程度高時，若接受到從定子9產生的磁通70，則除了磁通71a，亦產生磁通71b。因此，使得生成轉矩的有效磁通量減少，並且因磁通71b而在槽內形成的導體棒7b產生諧波二次銅損，以至旋轉效率變差。

相對於此，本發明的實施形態1的籠形轉子的槽5a係考慮磁通70的流動的最佳化，相較於連結第一角部R20與第二角部R21的假想的圓周，外周緣部R30a係朝向外周側呈凸狀，故第一角部R20與第二角部R21係位在相較於比較例的扇形槽6a的情況更靠徑方向的內周側，結果，使得從轉子鐵芯4的外周到外周緣部R30b為止的徑方向的距離(橋部)寬廣地形成，故能夠減少磁通71b。亦即，能夠減少流於槽5a內亦即導體棒7b的磁通，且形成磁通71c、磁通71d，故不會在導體棒7b產生諧波二次銅損，而能夠使旋轉效率提升。

此外，槽5a的第三角部R22、第四角部R23的曲率半徑係小於第一角部R20、第二角部R21。藉此，槽5a的第一側緣部L40與第二側緣部L41係呈現往轉子3的中心方向交叉形成角度之形狀，故從磁通71c往磁通71d的流動的效率變佳，而能夠使旋轉效率提升。

第7圖係本發明的實施形態1的籠形轉子的槽5a與習知的圓形槽6b及蛋形槽6c的比較例。一般而言，蛋形槽6c係相對於旋轉中心軸線100之中心偏斜達規定的角度且平行地設置。如同第7圖所示，槽5a係能夠確保比蛋形槽6c的背軛距離H51大的背軛距離H50。此外，槽5a能夠確保比圓形槽6b更大的槽面積。

藉此，能夠對於因軸1的插入時或轉子3的旋轉時產生的轉子鐵芯4的形變60而生的作用於轉子鐵芯4的應力61而保持剛性，並且能夠藉由確保槽面積而謀求降低導體棒7b的電阻，抑制轉子3的發熱，故旋轉效率提升。

如上所述，依據本發明的實施形態1的籠形轉子，藉由具有如槽5a所示的槽形狀，能夠藉由確保背軛而保持轉子鐵芯4的剛性，而能夠防止轉子鐵芯4破損。 此外，藉由減少流至導體棒7b的磁通，亦能夠抑制諧波二次銅損的產生。此外，能夠藉由確保槽面積而謀求降低導體棒7b的電阻，抑制轉子3的發熱，故能夠達到旋轉效率提升之效果。

實施形態2. 第8圖係顯示本發明的實施形態2的籠形轉子的構成的一部分之剖面放大圖。與實施形態1的槽5a相較，本發明的實施形態2的籠形轉子的槽5b係連接第一角部R20與第二角部R21的外周緣部的形狀不同。

槽5b係以通過外周緣部R30b的中心點之頂點P2與籠形轉子的圓周的中心之中心線110為軸，呈左右對稱的形狀。此外，槽5b係具有從外周緣部R30b的頂點P2連接第一角部R20的第一直線部L32，以及從外周緣部R30b的頂點P2連接第二角部R21的第二直線部L33。

第9圖係顯示實施形態2的籠形轉子的構成的一部分之剖面放大圖。在此，將第一直線部L32與第二直線部L33相交形成的角度設為θ2時，則θ2較佳為90°≦θ2≦槽5a的外周緣部R30b的曲率半徑。

如上所述，藉由將外周緣部R30b的一部分以第一直線部L32及第二直線部L33構成，使得相較於實施形態1的槽5a的外周緣部R30a的曲率半徑，以槽5b的外周緣部R30b與第1及第二直線部所形成的角θ2更小。藉此，能夠將轉子鐵芯4的外周至外周緣部R30b的徑方向距離(橋部)形成為比實施形態1的槽5a寬廣，增加橋部的面積，故即使定子9產生的磁通70更強時，仍能夠減輕流至轉子鐵芯4外周附近的橋部的磁通71a的磁飽和。

如上所述，依據本實施形態2的籠形轉子，能夠確保轉子鐵芯4外周附近的橋部的面積，故轉矩高、來自定子9的磁通強的情況時，亦能夠減少磁飽和，將流經轉子鐵芯4的磁通的流動最佳化，而達到能夠使旋轉效率提升之效果。

鑒於上述的實施形態1及實施形態2的籠形轉子的特性，轉矩較小、磁飽和發生的程度低時，以確保二次導體之導體棒7b的面積而降低二次導體的電阻的實施形態1的槽5a的形態較佳；而轉矩高、磁飽和發生的程度高時，以確保磁通流動的面積的實施形態2的槽5b的形態較佳。

實施形態3. 第10圖係顯示本發明的實施形態3的籠形轉子的構成的一部分之剖面放大圖。本發明的實施形態3的槽5c係與槽5a、槽5b在外周緣部的形狀不同。

槽5c係以通過外周緣部R30c的中心點之頂點P3與轉子的圓周的中心之中心線110為軸，呈左右對稱的形狀。槽5c的外周緣部R30c係呈現從槽5c的外周緣部R30c的頂點P3直接連接第一角部R20及第二角部R21的曲線形狀，且相接於槽5c的外周緣部R30c的頂點P3的圓的曲率半徑係小於第一角部R20及第二角部R21各者的曲率半徑。

藉此，實施形態3的籠形轉子的槽5c係比較單純的槽構造，故在將導體材料注入槽5c形成導體棒7b時，容易均勻地填充導體材料，不易發生因轉子鐵芯4吸收熱而產生的鑄塊等。

如上所述，依據實施形態3的籠形轉子，除了實施形態1的籠形轉子所達到的效果之外，藉由具有單純的槽構造，還可達到容易製造的效果。

如上所述，依據實施形態1至實施形態3的籠形轉子，能夠對於旋轉時發生在轉子鐵芯的應力保持剛性，故能夠抑制應力所致之變形，此外，藉由確保槽面積，能夠降低二次導體的電阻，故能夠使旋轉效率提升。另外，能夠在發明的範圍內適當地變化、省略各實施形態。

1:軸 1a:中空孔 2:貫通孔 3:轉子 4:轉子鐵芯 5a、5b、5c:槽 6a:扇形槽 6b:圓形槽 6c:蛋形槽 7a:短路環 7b:導體棒 8:襯套 9:定子 10:定子鐵芯 11:線圈 12:動力線 13:外殼 60:形變 61:應力 70:從定子產生的磁通 71a:流經轉子外周附近的磁通 71b:流經扇形槽內一部分的磁通 71c:流經轉子鐵芯的齒部的磁通 71d:流經轉子鐵芯的背軛部的磁通 100:旋轉中心軸線 110:中心線 200:旋轉電機 C1、C2:假想的圓周 H50、H51:背軛距離 L32:第一直線部 L33:第二直線部 L40:第一側緣部 L41:第二側緣部 P:中心點 P1、P2、P3:頂點 R20:第一角部 R21:第二角部 R22:第三角部 R23:第四角部 R30a、R30b、R30c:外周緣部 R31:內周緣部 θ1、θ2:角度

第1圖係顯示本發明的實施形態的旋轉電機的局部構成之概略剖面圖。 第2圖係顯示對於第1圖的旋轉電機加上襯套的形態的局部構成之概略剖面圖。 第3圖係顯示本發明的實施形態1的籠形轉子的構成之概略剖面圖。 第4圖係將第3圖的轉子的一部分放大顯示之局部放大圖。 第5圖係顯示第4圖的轉子的槽的側緣部所形成的角度之局部放大圖。 第6圖係用以說明本發明的實施形態1的籠形轉子的動作原理之局部放大圖。 第7圖係本發明的實施形態1的籠形轉子的槽與圓形槽及蛋形槽的比較例。 第8圖係顯示本發明的實施形態2的籠形轉子的構成之局部放大圖。 第9圖係顯示第8圖的轉子的槽的外周緣部的直線部所形成的角度及側緣部所形成的角度之局部放大圖。 第10圖係顯示本發明的實施形態3的籠形轉子的構成之局部放大圖。

3:轉子

4:轉子鐵芯

5a:槽

7b:導體棒

110:中心線

C1、C2:假想的圓周

L40:第一側緣部

L41:第二側緣部

P1:頂點

R20:第一角部

R21:第二角部

R22:第三角部

R23:第四角部

R30a:外周緣部

R31:內周緣部

Claims (5)

1. 一種籠形轉子，係具備： 軸，係沿軸線方向延伸； 圓筒狀的轉子鐵芯，係於前述軸將中心部設有圓形孔的圓板狀構件通過前述圓形孔沿前述軸線方向積層複數個而成；及 槽，係沿前述轉子鐵芯的周方向等間隔配置複數個且沿前述軸線方向延伸，前述槽係具有：外周緣部、內周緣部、第一側緣部及第二側緣部；前述外周緣部係位在前述轉子鐵芯的外周側，於一端設有第一角部且於另一端設有第二角部，相較於前述轉子鐵芯之同心圓之連結前述第一角部與前述第二角部的假想的圓周，朝向外周側呈凸狀；前述內周緣部係位在前述轉子鐵芯的內周側，於一端設有曲率半徑小於前述第一角部的第三角部且於另一端設有曲率半徑小於前述第二角部的第四角部，相較於前述轉子鐵芯之同心圓之連結前述第三角部與前述第四角部的假想的圓周，朝向外周側呈凸狀；前述第一側緣部係連接前述第一角部與前述第三角部；前述第二側緣部係連接前述第二角部與前述第四角部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之籠形轉子，其中，前述外周緣部係具有從前述外周緣部的頂點連接前述第一角部的第一直線部，以及從前述外周緣部的頂點連接前述第二角部的第二直線部。
3. 如申請專利範圍第2項所述之籠形轉子，其中，相接於前述外周緣部的頂點的圓的曲率半徑係小於前述第一角部及前述第二角部的曲率半徑。
4. 一種旋轉電機，係具備如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之籠形轉子。
5. 如申請專利範圍第4項所述之旋轉電機，其中，在前述籠形轉子的前述轉子鐵芯與前述籠形轉子的前述軸之間設有襯套。

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