WO2018168146A1 - 回転電機及び回転電機システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an induction motor, and particularly relates to a circumferential width, a radial height, and a magnetic permeability of a magnetic body located at an opening of a stator slot.
- Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-123621 discloses background art regarding the width s / gap length ⁇ of the opening of the stator slot and the circumferential component ⁇ sx and the radial component ⁇ sy of the magnetic permeability of the magnetic material positioned in the opening of the stator slot.
- a gazette (Patent Document 1) is known.
- Patent Document 1 in particular, a turbine in which a short-circuit current in a power system is suppressed even in a transient state such as when a short-circuit state is changed to a short-circuit state, and electromagnetic force applied to the turbine generator body is reduced.
- s / ⁇ is 1 or less, and ⁇ sx> ⁇ sy is satisfied.
- the ratio of s and ⁇ or ⁇ sx and ⁇ sy is set so that magnetic flux leaking in the circumferential direction can be easily passed through the opening of the stator slot and the short-circuit current in the transient state is suppressed. Is.
- the magnetic flux that leaks in the circumferential direction through the opening of the stator slot is easy to pass, which is accompanied by an increase in current that creates magnetic flux that does not contribute to the generation of torque, and the power factor decreases. The problem remains.
- An object of the present invention is to provide a rotating electrical machine and a rotating electrical machine system capable of improving the power factor.
- the present invention is a rotating electrical machine in which a stator and a rotor face each other in a radial direction with a gap therebetween, and the stator has an annular core back. And a stator core having a plurality of teeth provided in the circumferential direction so as to protrude from the core back in the radial direction, and a stator winding wound around a stator slot formed between adjacent teeth.
- the teeth are provided with convex portions projecting in the circumferential direction from the tip portion projecting in the radial direction on both sides in the circumferential direction, a magnetic material is formed between adjacent convex portions, and the circumferential component of the magnetic resistance of the magnetic material Is R ⁇ , the radial component of the magnetoresistance of the gap is R ⁇ , the no-load current is I 0, and the rated current is I 1, the following formula is established.
- FIG. 1 is a partial cross-sectional view of an induction motor in Example 1.
- FIG. 1 is a magnetic circuit diagram of an induction motor in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows the main magnetic flux and leakage magnetic flux of the induction motor in Example 1.
- FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of an induction motor in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows the relationship of the power factor of the induction motor in Example 1, magnetic resistance, and magnetic permeability. It is a figure which shows the relationship between the electric current of the induction motor in Example 1, and magnetic resistance. It is a figure which shows the relationship of the electric current of the induction motor in Example 2, 3 and 4, magnetic resistance, and a power factor.
- FIG. 1 is a partial cross-sectional view of the induction motor in the present embodiment.
- an induction motor is a rotating electrical machine in which a stator 1 and a rotor 2 are opposed to each other in a radial direction with a gap 3 therebetween.
- the stator 1 includes an annular core back 4 and a core back 4.
- a stator core 6 having a plurality of teeth 5 provided in the circumferential direction so as to protrude in the radial direction, and a stator winding 8 wound around a stator slot 7 formed between adjacent teeth 5 (see FIG.
- the teeth 5 are provided with convex portions 9 protruding in the circumferential direction from the tip portion protruding in the radial direction on both sides in the circumferential direction, and a magnetic body 10 is formed between the adjacent convex portions 9. ing.
- the magnetic body 10 is composed of magnetic powder or a magnetic plate and a non-magnetic insulator such as resin, and enhances electrical insulation and mechanical strength. Although details will be described later, when the circumferential component of the magnetic resistance of the magnetic body 10 is R ⁇ , the radial component of the magnetic resistance of the gap 3 is R ⁇ , the no-load current is I0, and the rated current is I1, Have a relationship.
- the rotor 2 includes a rotor core 11 and a rotor bar 13 accommodated in a plurality of rotor slots 12 arranged in the rotor core 11 at predetermined intervals in the circumferential direction.
- the teeth 5 are provided with a convex portion 9 projecting further in the circumferential direction from a tip portion projecting in the radial direction, and the circumferential width of the stator slot 7 becomes the smallest at the position of the convex portion 9, and Magnetic flux leaking in the circumferential direction at the position is most easily passed.
- the magnetic body 10 is installed between the adjacent convex portions 9, the magnetic flux leaking in the circumferential direction at the position of the convex portion 9 is further easily passed, and the current component that creates the magnetic flux that does not contribute to the generation of torque further increases.
- FIG. 2 is a magnetic circuit diagram of the induction motor in this embodiment.
- the magnetic resistance is the difficulty of the magnetic flux of the rotating electrical machine, is proportional to the distance of the magnetic flux path, and is inversely proportional to the magnetic permeability and the cross-sectional area of the magnetic flux path.
- the magnetic permeability is a physical constant representing the ease of passing the magnetic flux, and the ratio when the vacuum magnetic permeability is 1 is represented by the relative magnetic permeability.
- the magnetic resistance of the magnetic body 10 per slot with respect to the magnetic flux passing through the magnetic body 10 is R ⁇ w
- the magnetic resistance of the gap 3 per 0.5 teeth with respect to the magnetic flux passing through the gap 3 is R ⁇ t
- the magnetic body 10 and the gap 3 R ⁇ ww is the magnetic resistance of the magnetic body 10 per 0.5 slot with respect to the magnetic flux passing through
- R ⁇ wg is the magnetic resistance of the gap 3 per 0.5 slot with respect to the magnetic flux passing through the magnetic body 10 and the gap 3.
- R ⁇ w per unit length in the axial direction where w is the average circumferential width of the magnetic body 10, h is the average radial height of the magnetic body 10, ⁇ 0 is the vacuum permeability, and ⁇ r is the relative permeability of the magnetic body 10. Is represented by the following equation (4).
- R ⁇ ww is expressed by the following equation (6).
- the distance of the magnetic flux path is 2 ⁇ h / 8 as a quarter of the circumference of the radius h / 2, and the interruption per unit length in the axial direction of the magnetic flux path.
- the area was h ⁇ 1.
- R ⁇ wg is expressed by the following equation (7) as distance g and cross-sectional area h ⁇ 1 when w> 2 ⁇ h.
- the cross-sectional area can be set to w / 2 ⁇ 1, which is expressed by the following formula (8).
- FIG. 3 is a diagram showing the main magnetic flux and the leakage magnetic flux of the induction motor in this embodiment.
- FIG. 3 shows a case where the number of poles P is 2.
- R ⁇ 0 per pole is R ⁇ , and considering per pole as shown in FIG. 3 divided vertically, there is one R ⁇ 0 in series and N1 / P in parallel on the path of the main magnetic flux. Therefore, in this case, R ⁇ is expressed by the following equation (12).
- both R ⁇ and R ⁇ become small.
- R ⁇ should be large and R ⁇ should be small. Therefore, by installing the magnetic body 10 between the adjacent convex portions 9, R ⁇ is reduced, and the amount of decrease in current and the increase in R ⁇ is greater than the amount of increase in current, so that the magnetic body 10 is increased. If w, h, and ⁇ r are determined, by installing the magnetic body 10 between the adjacent convex portions 9, the current can be reduced and the power factor can be improved as compared with the case where the magnetic body 10 is not provided.
- FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the induction motor in the present embodiment.
- the impedance value obtained by dividing the rated voltage by the rated current is 1 p. u. It is said.
- the excitation reactance Xm is expressed by the following equation (13).
- the leakage reactance Xmag for the magnetic flux passing through the magnetic body 10 is expressed by the following equation (14).
- Xetc is a value obtained by subtracting Xmag from the sum of leakage reactances of the stator and the rotor.
- R1 is a primary resistance
- R2 is a secondary resistance
- s is a slip.
- the value of R1 + R2 / s is 1p. u. It is determined to be.
- FIG. 5 is a diagram showing the relationship among the power factor, magnetic resistance, and permeability of the induction motor in the present embodiment.
- the vertical axis represents the power factor and magnetoresistance ratio R ⁇ / R ⁇
- the horizontal axis represents the relative permeability ⁇ r of the magnetic body 10.
- R ⁇ / R ⁇ in which the power factor calculated by the equations (13), (14), and FIG. 4 is equal to that in the case without the magnetic body 10 is derived.
- R ⁇ / R ⁇ that maximizes the power factor is also derived.
- R ⁇ decreases from the equations (4) and (11), and R ⁇ decreases from the equations (6), (9), (10), and (12).
- R ⁇ / R ⁇ becomes smaller as shown in FIG. 5, R ⁇ has a larger influence on R ⁇ / R ⁇ than R ⁇ .
- the relative permeability ⁇ r of the magnetic body 10 increases, the power factor increases when the relative permeability ⁇ r of the magnetic body 10 is close to 1, and the relative permeability ⁇ r is sufficiently large as shown in FIG. Power factor is lowered. Therefore, when the relative permeability ⁇ r of the magnetic body 10 is close to 1, the magnetic body 10 is disposed between the adjacent convex portions 9, so that R ⁇ becomes smaller and R ⁇ becomes smaller than the increase in current, so that the current is increased.
- R ⁇ is smaller than the amount by which R ⁇ is reduced and the current is increased by installing the magnetic body 10 between the adjacent convex portions 9. Therefore, the amount of current reduction is reduced.
- the tendency of the change in power factor is different from R ⁇ / R ⁇ . That is, the w, h, and ⁇ r of the magnetic body 10 that reduces the current and improves the power factor as compared with the case without the magnetic body 10 by installing the magnetic body 10 between the adjacent convex portions 9 are It cannot be determined only by the ratio of the magnetic resistance of R ⁇ / R ⁇ of 2.
- FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the current of the induction motor and the magnetic resistance in this example.
- FIG. 6 is an approximate expression of R ⁇ / R ⁇ in which power factor is equal to the case where there is no magnetic body 10 in any case where I0 / I1 is different, according to the equations (4) to (14) and FIG. It is the result represented by.
- the range of R ⁇ / R ⁇ in which the power factor is higher than that without the magnetic body 10 is expressed by the following equation (15).
- the power factor of the magnetic body 10 that can increase the power factor compared to the case without the magnetic body 10 can be obtained.
- H, ⁇ r can be determined.
- R ⁇ / R ⁇ is expressed by the following equation (16) from the equations (11) and (12) when considered per one pole obtained by dividing FIG.
- R ⁇ w per pole is R ⁇ when FIG. 3 is divided into left and right, there are N1 / P R ⁇ w in series and one in parallel on the path of leakage flux. Therefore, in this case, R ⁇ is expressed by the following equation (17).
- R ⁇ 0 per pole is R ⁇
- N1 / (2P) in parallel in the path of the main magnetic flux. Therefore, in this case, R ⁇ is expressed by the following equation (18).
- R ⁇ / R ⁇ is expressed by the following equation (19) from the equations (17) and (18) when FIG.
- R ⁇ / R ⁇ can be derived from the same relationship regardless of whether it is per one pole obtained by dividing FIG.
- the stator and the rotor are the rotary electric machines that face each other in the radial direction with a gap therebetween, and the stator protrudes in the radial direction from the core back and the core back.
- a stator core having a plurality of teeth provided in the circumferential direction and a stator winding wound around a stator slot formed between the adjacent teeth, the teeth project in the radial direction.
- Convex portions protruding further in the circumferential direction from the front end portion are provided on both sides in the circumferential direction, and a magnetic material is formed between adjacent convex portions.
- the circumferential component of the magnetic resistance of the magnetic material is R ⁇
- the magnetic resistance of the gap When the radial component is R ⁇ , the no-load current is I0, and the rated current is I1, the following relationship is established.
- FIG. 7 is a diagram showing the relationship among the current, magnetic resistance, and power factor of the induction motor in this example.
- FIG. 7 shows the result of calculating R ⁇ / R ⁇ that maximizes the power factor and the power factor at that time in accordance with (Equations 4) to (14) and FIG. 4 in an arbitrary case where I0 / I1 is different.
- the relative permeability ⁇ r of the magnetic body 10 decreases as shown in FIG.
- the magnetic body 10 contains a large amount of nonmagnetic electrical insulator. Therefore, the magnetic body 10 can ensure high electrical insulation and no electrical loss occurs in the magnetic body 10. Further, by including a large amount of non-magnetic electrical insulator in the magnetic body 10, the binding force with the magnetic powder or magnetic plate contained in the magnetic body 10 is increased, and the mechanical strength can be increased.
- the magnetic body 10 may be composed of an electromagnetic steel sheet generally used for the stator core 6.
- the stator and the rotor are the rotary electric machines that face each other in the radial direction with a gap therebetween, and the stator protrudes in the radial direction from the core back and the core back.
- a stator core having a plurality of teeth provided in the circumferential direction and a stator winding wound around a stator slot formed between the adjacent teeth, the teeth project in the radial direction.
- Convex portions protruding further in the circumferential direction from the front end portion are provided on both sides in the circumferential direction, and a magnetic material is formed between adjacent convex portions.
- the circumferential component of the magnetic resistance of the magnetic material is R ⁇
- the magnetic resistance of the gap When the radial component is R ⁇ , the configuration has a relationship of R ⁇ / R ⁇ > 3.21.
- This example is a rotating electrical machine system provided with any one of a compressor, a drill, a mill, and a fan as a load facility. That is, as a rotating electrical machine system, a pump system that drives a compressor with a rotating electrical machine, a drilling system that drives a drill for drilling with the rotating electrical machine, a chip system that drives a mill for chips with a rotating electrical machine, a rotating electrical machine Build a fan system to drive the fan. Moreover, it is set as the generator system comprised with the rotary electric machine which converts the motive power of a turbine into electric power.
- the rotating electrical machines used in these rotating electrical machine systems are the rotating electrical machines according to the first to fourth embodiments.
- or Example 4 has a high power factor, the electric current at the time of steady operation of a system can be made small, and it contributes to size reduction of a rotary electric machine system.
- the rotating electrical machines according to the first to fourth embodiments have a small starting current, the current during the transient operation of the rotating electrical machine system can be reduced, which contributes to downsizing of the rotating electrical machine system.
- the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
- a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
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Abstract
本発明の目的は、力率を向上できる回転電機を提供することである。 上記目的を達成するために、固定子と回転子とがギャップを隔てて径方向に対向する回転電機であって、固定子は、円環状のコアバックと、コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースを有する固定子鉄心と、隣接する前記ティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線を備え、ティースは、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部を周方向両側に備え、隣接する凸部の間には磁性体が形成され、磁性体の磁気抵抗の周方向成分をＲσ、ギャップの磁気抵抗の径方向成分をＲδ、無負荷電流をＩ０、定格電流をＩ１とするとき、下記式の関係を有する構成とする。
Description
本発明は誘導電動機に係わり、特に固定子スロットの開口部に位置する磁性体の周方向幅、径方向高さ、透磁率に関する。
固定子スロットの開口部の幅s／ギャップ長δと、固定子スロットの開口部に位置する磁性体の透磁率の周方向成分μｓｘと径方向成分μｓｙに関する背景技術として、特開平７－１２３６２１号公報（特許文献１）が知られている。特許文献１では、特に、無負荷状態から短絡状態になるとき等の過渡状態にあっても電力系統における短絡電流が抑制され、タ－ビン発電機本体へ加わる電磁力を軽減するようにしたタービン発電機を提供するため、ｓ／δは１以下、μｓｘ＞μｓｙの関係を満たすようにする点が記載されている。
特許文献１の構成では、固定子スロットの開口部において周方向に漏れる磁束を通り易くして、過渡状態の短絡電流が抑制されるように、ｓとδや、μｓｘとμｓｙの比率を設定するものである。しかしながら、定常状態においては、固定子スロットの開口部を周方向に漏れる磁束が通り易くなることで、トルクの発生に寄与しない磁束をつくる電流の増加を伴うことにもなり、力率が低下してしまう課題が残る。
本発明の目的は、力率を向上できる回転電機及び回転電機システムを提供することである。
本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、固定子と回転子とがギャップを隔てて径方向に対向する回転電機であって、固定子は、円環状のコアバックと、コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースを有する固定子鉄心と、隣接するティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線を備え、ティースは、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部を周方向両側に備え、隣接する凸部の間には磁性体が形成され、磁性体の磁気抵抗の周方向成分をＲσ、ギャップの磁気抵抗の径方向成分をＲδ、無負荷電流をＩ０、定格電流をＩ１とするとき、下記式の関係を有する構成とする。
本発明によれば、力率を高くできる回転電機及び回転電機システムを提供することが可能となる。
以下、本発明を適用した実施例について図面を参照しながら説明する。
本実施例は回転電機の一例である誘導電動機を用いて説明する。図１は、本実施例における誘導電動機の部分断面図である。
図１において、誘導電動機は、固定子１と回転子２とがギャップ３を隔てて径方向に対向する回転電機であって、固定子１は、円環状のコアバック４と、コアバック４から径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティース５を有する固定子鉄心６と、隣接するティース５の間に形成される固定子スロット７に巻装された固定子巻線８（図１では省略）を備え、ティース５は、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部９を周方向両側に備え、隣接する凸部９の間には磁性体１０が形成されている。磁性体１０は磁性粉又は磁性板と樹脂等の非磁性絶縁物とで構成され、電気絶縁性と機械的な強度を高めている。また、詳細は後述するが、磁性体１０の磁気抵抗の周方向成分をＲσ、ギャップ３の磁気抵抗の径方向成分をＲδ、無負荷電流をＩ０、定格電流をＩ１とするとき、下記式の関係を有している。
回転子２は、回転子鉄心１１と、回転子鉄心１１に周方向に所定の間隔で配置された複数の回転子スロット１２に納められた回転子バー１３を備えている。
固定子スロット７の周方向の幅が小さくなると、固定子スロット７を周方向に漏れる磁束が通り易くなり、トルクの発生に寄与しない磁束をつくる電流の成分が増加する。ティース５は、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部９を備えており、凸部９の位置で固定子スロット７の周方向の幅が最も小さくなり、凸部９の位置で周方向に漏れる磁束が最も通り易くなる。隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置すると、凸部９の位置で周方向に漏れる磁束がさらに通り易くなり、トルクの発生に寄与しない磁束をつくる電流の成分がさらに増加する。
しかしながら、本実施例のように、下記式の関係を有する場合、
隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置すると、詳細は後述するが、磁性体１０がない場合よりも電流が低減されて力率が向上する。
図２は、本実施例における誘導電動機の磁気回路図である。磁気抵抗は、回転電機の磁束の通りにくさであり、磁束の通り道の距離に比例し、磁束の通り道の透磁率と断面積に反比例する。透磁率は、磁束の通りやすさを表す物理定数であり、真空の透磁率を１としたときの比を比透磁率で表される。
図２において、磁性体１０を通る磁束に対する１スロット当たりの磁性体１０の磁気抵抗をＲσｗ、ギャップ３を通る磁束に対する０．５ティース当たりのギャップ３の磁気抵抗をＲδｔ、磁性体１０とギャップ３を通る磁束に対する０．５スロット当たりの磁性体１０の磁気抵抗をＲδｗｗ、磁性体１０とギャップ３を通る磁束に対する０．５スロット当たりのギャップ３の磁気抵抗をＲδｗｇとしている。磁性体１０の周方向平均幅をｗ、磁性体１０の径方向平均高さをｈ、真空の透磁率をμ０、磁性体１０の比透磁率をμｒとすると、軸方向単位長さ当たりのＲσｗは次式（４）で表される。
ギャップ長をｇ、固定子１スロット当たりの周方向寸法をτとすると、軸方向単位長さ当たりのＲδｔは次式（５）で表される。
Ｒδｗｗは次式（６）で表される。
ただし、磁束の通り道の距離を、図２に示す点線内を磁束が通過するとして、半径ｈ／２の円周の１／４として２πｈ／８、磁束の通り道の軸方向単位長さ当たりの断面積をｈ×１とした。
また、Ｒδｗｇは、ｗ＞２×ｈのときは距離ｇ、断面積ｈ×１として次式（７）で表される。
また、ｗ≦２×ｈのときは、断面積はｗ／２×１とできるので次式（８）で表される。
また、Ｒδｗｗと、Ｒδｗｇの合成値をＲδｗとすると、Ｒδｗは次式（９）で表される。
また、ＲδｔとＲδｗの１スロット当たりの磁気抵抗の合成値Ｒδ０は次式（１０）で表される。
図３は、本実施例における誘導電動機の主磁束と漏れ磁束を示す図である。図３は極数Ｐが２の場合であり、固定子スロット数をＮ１、１極当たりのＲσｗをＲσとしたとき、図３を上下に割った１極当たりで考えると、漏れ磁束の通り道にはＲσｗが直列にＮ１／（２Ｐ）個、並列に２個存在する。したがって、この場合、Ｒσは次式（１１）で表される。
隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置した場合、式（４）のμｒは１よりも大きく、磁性体１０がない場合、式（４）のμｒは１である。式（４）、式（１１）から、隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置すると、磁性体１０がない場合よりもＲσが小さくなる。Ｒσが小さくなると、磁性体１０を周方向に漏れる磁束が通り易くなり、トルクの発生に寄与しない磁束が増加する。すなわち、所望のトルクを発生させるために必要となる電流が増加する。
１極当たりのＲδ０をＲδとしたとき、図３を上下に割った１極当たりで考えると、主磁束の通り道にはＲδ０が直列に１個、並列にＮ１／Ｐ個存在する。したがって、この場合、Ｒδは次式（１２）で表される。
隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置した場合、式（６）のμｒは１よりも大きく、磁性体１０がない場合、式（６）のμｒは１である。式（６）、（９）、（１０）、（１２）から、隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置すると、磁性体１０がない場合よりもＲδが小さくなる。Ｒδが小さくなると、ギャップ３を径方向に磁束が通り易くなり、小さな電流で、所定の磁束を発生させられる。
隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置することで、ＲσとＲδはともに小さくなる。電流を低減して力率を向上させるためには、Ｒσは大きく、Ｒδは小さくしたい。したがって、隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置することでＲσが小さくなり、電流が増加する分よりも、Ｒδが小さくなり電流が低減される分が大きくなるように、磁性体１０のｗ、ｈ、μｒを定められれば、隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置することで、磁性体１０がない場合よりも電流を低減でき力率を向上させられる。
図４は、本実施例における誘導電動機の等価回路図である。定格電圧を定格電流で割ったインピーダンス値を１ｐ．ｕ．としている。無負荷電流をＩ０、定格電流をＩ１とすると、励磁リアクタンスＸｍは、次式（１３）で表される。
磁性体１０を通る磁束に対する漏れリアクタンスＸｍａｇは、次式（１４）で表される。
Ｘｅｔｃは固定子と回転子の漏れリアクタンスの和からＸｍａｇを差し引いた値である。Ｒ１は一次抵抗、Ｒ２は二次抵抗、ｓはすべりであり、Ｒ１＋Ｒ２／ｓの値は、Ｉ１が定格電流の１ｐ．ｕ．になるように定められる。
図５は、本実施例における誘導電動機の力率と磁気抵抗と透磁率の関係を示す図である。図５において、縦軸は力率および磁気抵抗の比率Ｒσ／Ｒδ、横軸は磁性体１０の比透磁率μｒである。図５においては、式（１３）、（１４）、図４によって計算した力率が、磁性体１０がない場合と等しくなるＲσ／Ｒδを導出している。また、力率が最大となるＲσ／Ｒδも導出している。
磁性体１０の比透磁率μｒが大きくなるに連れて、式（４）、式（１１）からＲσは小さくなり、式（６）、（９）、（１０）、（１２）からＲδも小さくなるが、図５に示すようにＲσ／Ｒδが小さくなっていくため、ＲσはＲδよりもＲσ／Ｒδへの影響が大きいことになる。
また、磁性体１０の比透磁率μｒが大きくなるに連れて、図５から、磁性体１０の比透磁率μｒが１に近い場合は力率が高くなり、比透磁率μｒが十分大きい場合は力率が低くなる。したがって、磁性体１０の比透磁率μｒが１に近い場合は、隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置することでＲσが小さくなり電流が増加する分よりもＲδが小さくなり電流が低減される影響が大きくなっており、比透磁率μｒが十分大きい場合は、隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置することでＲσが小さくなり電流が増加する分よりもＲδが小さくなり電流が低減される分が小さくなっていることになる。
磁性体１０の比透磁率μｒが大きくなるに連れて、Ｒσ／Ｒδは小さくなるのに対して、力率は比透磁率μｒが１に近い場合は高くなり、比透磁率μｒが十分大きい場合は低くなるため、Ｒσ／Ｒδと力率の変化の傾向は異なる。すなわち、隣接する凸部９の間に磁性体１０を設置することで、磁性体１０がない場合よりも電流を低減して力率を向上させられる磁性体１０のｗ、ｈ、μｒは、図２のＲσ／Ｒδの磁気抵抗の比だけでは定められないことになる。
図６は、本実施例における誘導電動機の電流と磁気抵抗の関係を示す図である。図６は、Ｉ０／Ｉ１が異なる任意のケースにおいて、磁性体１０がない場合と力率が等しくなるＲσ／Ｒδを、式（４）～（１４）及び図４によって計算したプロット点を近似式で表した結果である。磁性体１０がない場合よりも力率が高くなるＲσ／Ｒδの範囲が次式（１５）で表される。
このように、Ｒσ／Ｒδの磁気抵抗の比だけではなく、Ｉ０やＩ１の電流の比を考慮することで、磁性体１０がない場合よりも力率を高くすることができる磁性体１０のｗ、ｈ、μｒを定めることができる。
Ｒσ／Ｒδは、図３を上下に割った１極当たりで考えると、式（１１）、（１２）から、次式（１６）で表される。
図３を左右に割った１極当たりで考えると、１極当たりのＲσｗをＲσとしたとき、漏れ磁束の通り道にはＲσｗが直列にＮ１／Ｐ個、並列に１個存在する。したがって、この場合、Ｒσは次式（１７）で表される。
１極当たりのＲδ０をＲδとしたとき、図３を左右に割った１極当たりで考えると、主磁束の通り道にはＲδ０が直列に２個、並列にＮ１／（２Ｐ）個存在する。したがって、この場合、Ｒδは次式（１８）で表される。
したがって、図３を左右に割った１極当たりで考えると、Ｒσ／Ｒδは、式（１７）、（１８）から、次式（１９）で表される。
すなわち、式（１６）、（１９）から、Ｒσ／Ｒδは、図３を上下と左右のどちらで割った１極当たりで考えても同じ関係が導かれる。
以上のように、本実施例では、固定子と回転子とがギャップを隔てて径方向に対向する回転電機であって、固定子は、円環状のコアバックと、コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースを有する固定子鉄心と、隣接する前記ティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線を備え、ティースは、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部を周方向両側に備え、隣接する凸部の間には磁性体が形成され、磁性体の磁気抵抗の周方向成分をＲσ、ギャップの磁気抵抗の径方向成分をＲδ、無負荷電流をＩ０、定格電流をＩ１とするとき、下記式の関係を有する構成とする。
これにより、力率を高くできる回転電機及び回転電機システムを提供することが可能となる。
図７は、本実施例における誘導電動機の電流と磁気抵抗と力率の関係を示す図である。図７は、Ｉ０／Ｉ１が異なる任意のケースにおいて、力率が最大となるＲσ／Ｒδと、その時の力率を、（式４）～（１４）及び図４によって計算した結果である。
図７において、力率が最大となる場合よりも、Ｒσ／Ｒδが大きくなる範囲は次式（２１）で表される。
Ｒσ／Ｒδが大きくなると、図５のように磁性体１０の比透磁率μｒは小さくなる。比透磁率μｒを小さくするために、磁性体１０に非磁性の電気絶縁物を多く含ませる。したがって、磁性体１０は高い電気絶縁性を確保でき、磁性体１０に電気的な損失が発生しなくなる。また、磁性体１０に非磁性の電気絶縁物を多く含ませることで、磁性体１０に含まれる磁性粉又は磁性板などとの結合力が増し、機械的な強度を高めることができる。
図７において、力率が最大となる場合よりも、Ｒσ／Ｒδが小さくなる範囲は次式（２２）で表される。
Ｒσ／Ｒδが小さくなると、式（１４）からＸｍａｇは大きくなる。始動運転時の一次電流Ｉ１を始動電流と呼ぶが、図４から始動運転時にＸｍａｇが大きいと一次電流Ｉ１が小さくなるため始動電流を小さくできる。Ｒσ／Ｒδが小さくなると、図５のように磁性体１０の比透磁率μｒは大きくなる。比透磁率μｒを大きくするために、磁性体１０を固定子鉄心６で一般的に使われている電磁鋼板で構成してもよい。
図７からＩ０／Ｉ１が大きいほうが力率向上の効果が大きい。Ｉ０／Ｉ１は最大でも１であるため、Ｉ０／Ｉ１が大きい場合、すなわち無負荷電流が定格電流と同程度の大きさの場合は、磁性体１０がない場合よりも力率が高くなるＲσ／Ｒδの範囲は、Ｉ０／Ｉ１＝１を式（１５）に代入することで、次式（２３）で表される。
以上のように、本実施例では、固定子と回転子とがギャップを隔てて径方向に対向する回転電機であって、固定子は、円環状のコアバックと、コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースを有する固定子鉄心と、隣接する前記ティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線を備え、ティースは、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部を周方向両側に備え、隣接する凸部の間には磁性体が形成され、磁性体の磁気抵抗の周方向成分をＲσ、ギャップの磁気抵抗の径方向成分をＲδとするとき、Ｒσ／Ｒδ＞３．２１の関係を有する構成とする。
これにより、力率を高くできる回転電機及び回転電機システムを提供することが可能となる。
本実施例は、実施例１乃至実施例４で記載した回転電機を用いて、回転電機で駆動する負荷設備を有する回転電機システムおよび、回転電機を発電機として利用する回転電機システムについて説明する。
本実施例は、負荷設備として、コンプレッサ、ドリル、ミル、ファンのいずれかを設けた回転電機システムである。すなわち、回転電機システムとして、回転電機でコンプレッサを駆動するポンプシステム、回転電機で掘削用のドリル等を駆動する掘削システム、回転電機で切粉用のミル等を駆動する切粉システム、回転電機でファンを駆動するファンシステムを構築する。また、タービンの動力を電力に変換する回転電機で構成される発電機システムとする。これらの回転電機システムに用いる回転電機を実施例１乃至実施例４の回転電機とする。これにより、実施例１乃至実施例４の回転電機は、力率が高いため、システムの定常運転時の電流を小さくでき、回転電機システムの小型化に寄与する。また、実施例１乃至実施例４の回転電機は、始動電流が小さいため、回転電機システムの過渡運転時の電流を小さくでき、回転電機システムの小型化に寄与することができる。
以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
１…固定子、２…回転子、３…ギャップ、４…コアバック、５…ティース、６…固定子鉄心、７…固定子スロット、８…固定子巻線、９…凸部、１０…磁性体、１１…回転子鉄心、１２…回転子スロット、１３…回転子バー
Claims (10)
- 固定子と回転子とがギャップを隔てて径方向に対向する回転電機であって、
前記固定子は、円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースを有する固定子鉄心と、隣接する前記ティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線を備え、前記ティースは、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部を周方向両側に備え、隣接する前記凸部の間には磁性体が形成され、
前記磁性体の磁気抵抗の周方向成分をＲσ、前記ギャップの磁気抵抗の径方向成分をＲδ、無負荷電流をＩ０、定格電流をＩ１とするとき、下記式の関係を有することを特徴とする回転電機。
- 請求項１に記載の回転電機であって、
前記磁性体は、下記式の関係を有することを特徴とする回転電機。
- 請求項１に記載の回転電機であって、
前記磁性体は、下記式の関係を有することを特徴とする回転電機。
- 請求項１に記載の回転電機であって、
前記無負荷電流は前記定格電流と同程度の大きさであることを特徴とする回転電機。 - 固定子と回転子とがギャップを隔てて径方向に対向する回転電機であって、
前記固定子は、円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースを有する固定子鉄心と、隣接する前記ティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線を備え、前記ティースは、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部を周方向両側に備え、隣接する前記凸部の間には磁性体が形成され、
前記磁性体の磁気抵抗の周方向成分をＲσ、前記ギャップの磁気抵抗の径方向成分をＲδとするとき、下記式の関係を有することを特徴とする回転電機。
- 請求項１に記載の回転電機であって、
前記磁性体がない場合よりも力率が高くなるようにＲσ／Ｒδを定めたことを特徴とする回転電機。 - 請求項２に記載の回転電機であって、
前記磁性体は磁性粉または磁性板と非磁性絶縁物とで構成したことを特徴とする回転電機。 - 請求項３に記載の回転電機であって、
前記磁性体は電磁鋼板で構成したことを特徴とする回転電機。 - 請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機を有し、該回転電機で駆動する負荷設備を有し、該負荷設備は、コンプレッサ、ドリル、ミル、ファンのいずれかであることを特徴とする回転電機システム。
- 請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機を有し、該回転電機を発電機として利用し、該回転電機は、タービンの動力を電力に変換することを特徴とする回転電機システム。
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