感应型转矩电动机用转子以及感应型转矩电动的制造方法
【专利摘要】本发明所涉及的感应型转矩电动机用转子(1)具备：轴体(1a)；和圆筒体(1b)，其与轴体(1a)的轴心同心地与轴体(1a)连结，且由电阻率为0.4[μΩ·m]以下、相对磁导率为1000以上到50000以下的软磁性材料形成。并且，本发明所涉及的感应型转矩电动机(TM)具备该感应型转矩电动机用转子(1)。由此，本发明所涉及的感应型转矩电动机用转子(1)以及感应型转矩电动机(TM)能进一步提升性能。
【专利说明】感应型转矩电动机用转子以及感应型转矩电动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及感应型转矩电动机的转子，特别涉及能进一步提升感应型转矩电动机的性能(效率)的感应型转矩电动机用转子。并且，本发明涉及使用该感应型转矩电动机用转子的感应型转矩电动机。
【背景技术】
[0002]将电能变换为机械能的电动机利用在各种用途中。该电动机一般具备:有轴且旋转的转子、和与所述转子相互作用的定子(固定子)，提供旋转变化的磁场(旋转磁场)而所述转子旋转。该电动机一般大致分为同步电动机和感应电动机(非同步电动机)。
[0003]同步电动机是通过所供电的交流电流生成的旋转磁场而使转子被吸引来进行随动旋转、且以同步速度进行旋转的电动机。在同步电动机中，例如有在转子中使用永磁体的永磁同步电动机(PM型电动机)、和在转子中使用铁这样磁阻(reluctance)小、暂时成为磁体材料的磁阻型同步电动机等。
[0004]感应电动机是通过定子所生成的旋转磁场而使电传导体的转子产生感应电流并由此得到与转差率对应的旋转转矩的电动机。在感应电动机中，例如有在起动时用规定的方法赋予旋转转矩、在起动后以单相交流电力来得到旋转转矩的单相感应电动机、以三相交流电力来得到旋转转矩的例如笼形三相感应电动机以及绕组形三相感应电动机等的三相感应电动机等。
[0005]另外，电动机中，已知从转矩特性的观点分类的转矩电动机。该转矩电动机是得到与所提供的电信号的电平相应的输出轴的角度位移或旋转转矩的电动机。例如，若施加电压就能得到与该施加电压的电平成正比的角度位移，另外例如，若用电流供电，就能得到与该电流电平成正比的旋转转矩。由此，这样的转矩电动机合适用于需要使输出轴旋转到正确的位置、或需要响应于电控制信号而使输出轴输出正确大小的旋转转矩的控制系统中，且应用在各种【技术领域】中。在该转矩电动机中，有具有与所述同步电动机的PM型电动机同样结构的类型(同步型转矩电动机，例如专利文献I)、和具有与所述感应电动机同样结构的类型(感应型转矩电动机，例如非专利文献I)。
[0006]本专利文献I中公开的转矩电动机具备:由螺线管以及向该螺线管的两端的侧方延伸出的一对定子构成的磁回路；和配置于由所述一对定子形成的圆弧部间、且具有圆筒状的磁芯的转子，该转子接受来自被所述螺线管励磁的所述一对定子的磁力而旋转。
[0007]于是，电动机中一般要求小型化或省电力化，为此，需要提升将输出转矩除以输入电力而得到的性能(效率)。
[0008]先行技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献I JP特开2006-204012号公报
[0011]非专利文献
[0012]非专利文献1:「藤井精密回転機製作所誘導電動機」、、[online]、平成23年9月12 曰检索，因特网网址 <URL:http://www.few.c0.jp/products/p01.html>,〈URL:http://www.few.c0.jp/pdf/torque.pdf>
【发明内容】
[0013]本发明是鉴于上述的状况的发明，其目的在于，提供能进一步提升性能的感应型转矩电动机用转子以及使用该感应型转矩电动机用转子的感应型转矩电动机。
[0014]本发明所涉及的感应型转矩电动机用转子具备:轴体；和圆筒体，其与所述轴体的轴心同心地与所述轴体连结，且由电阻率为0.4[μ Ω.m]以下、相对磁导率为1000以上到50000以下的软磁性材料形成。并且，本发明所涉及的感应型转矩电动机具备该感应型转矩电动机用转子。由此，本发明所涉及的感应型转矩电动机用转子以及感应型转矩电动机能进一步提升性能。
[0015]上述及其它的本发明的目的、特征和优点会从以下的详细的记载和附图得到明确。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是表示本发明的实施方式中的感应型转矩电动机的结构的截面图。
[0017]图2是表示所述感应型转矩电动机中的转子的结构的立体图。
[0018]图3是表示速度与转矩的关系以及速度与电流的关系的图。
[0019]图4是表示转子静止条件下的驱动频率为60 [Hz]、参数a为1000的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。
[0020]图5是表示驱动频率为[60Hz]、参数a为1500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。
[0021]图6是表示驱动频率为[60Hz]、参数a为2500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。
[0022]图7是表示驱动频率为I [kHz]、参数a为500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。
[0023]图8是表示驱动频率为I [kHz]、参数a为2500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。
[0024]图9是表示驱动频率为I [kHz]、参数a为6000的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。
[0025]图10是表示在所述感应型转矩电动机中驱动频率为I [kHz]的情况下的解析结果的图。
[0026]图11是表示在所述感应型转矩电动机中驱动频率为60[Hz]的情况下的解析结果的图。
[0027]图12是表示在所述感应型转矩电动机中深度2mm、宽度0.5mm的纵横比(=深度/宽度)为4的情况下以及进一步设置铜短路环的情况下的各解析结果的图。
【具体实施方式】
[0028]以下，基于附图来说明本发明所涉及的I个实施方式。另外，在各图中赋予相同标号的构成表示是同一构成，适宜地省略其说明。另外，在本说明书中，在总称的情况下以省略下标的参考标号进行表示，在指代个别的构成的情况下用赋予下标的参考标号进行表
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[0029]图1是表示实施方式中的感应型转矩电动机的结构的截面图。图2是表示实施方式的感应型转矩电动机中的转子的结构的立体图。图3是表示速度与转矩的关系以及速度与电流的关系的图。图3的横轴是速度(转差率S)，其纵轴是转矩或电流。另外，转差率S=O是同步速度状态，转差率S = I是停止状态。
[0030]在图1中，实施方式中的感应型转矩电动机TM具备:具有输出轴并进行旋转的转子I ;和与转子I相互作用的定子(固定子)2，并通过旋转变化的磁场(旋转磁场)来使转子I旋转，且其结构与感应电动机大致相同。并且，在图1所示的示例中，这些转子I以及定子2收容在容纳容器(筐体)3中。
[0031]更具体地，容纳容器3具备:有底圆筒状的罩壳3a ;和安装在该罩壳3a的开放端侧(顶板端侧)且使罩壳3a的开放端闭塞的板形状的轴承架3b。并且，转子I和定子2使各轴心一致地同轴配置在罩壳3a内。定子2紧贴于罩壳3a的内周面，转子I相对于定子2旋转自由地配置。
[0032]定子2是大致圆筒形状，例如通过层叠多个电磁钢板而形成。定子2在其圆筒内具备:多个凸部，是在内侧沿径向凸设的沿着轴向的突条，且在周向上隔开规定的间隔而并排设置；和多个绕组，通过用例如绝缘包覆铜线等被绝缘体包覆的导体线卷绕在所述多个凸部的各自上而形成。由这样的绕组以及凸部来形成磁极，且设置了规定的个数(磁极数)的该磁极。另外，如上述那样，定子2以其外周面与罩壳3a的内周面紧贴。
[0033]转子I具备:成为所述输出轴的杆状(棒状、圆柱体)的轴体Ia ;和以与轴体Ia的轴心同心(同轴)的状态而与轴体Ia连结的圆筒体lb。在本实施方式中，在沿轴向贯通圆筒体Ib的轴心而形成的贯通孔中插通轴心la，在圆筒体Ib的大致中央区域将轴心Ia紧贴于圆筒体lb。
[0034]另外，轴体Ia的一端(图1左侧)由安装在罩壳3a的轴承4进行轴支承，并且轴体Ia的另一端(图1右侧)由安装在轴承架3b的轴承5进行轴支承，为了将输出传递到容纳容器3的外部，而使轴体Ia插通该轴承架3b地向外方延伸设置。并且，如上述那样转子I和定子2同轴，转子I以转子I的外周面与定子2的内周面间隔开规定的距离(径向的间隔)的方式配设在定子2的圆筒内。
[0035]并且，转子I的圆筒体Ib由电阻率P为0.4[μ Ω.Π1]以下、相对磁导率μ为1000以上到50000以下(1000到50000的范围内)的软磁性材料(P ^ 0.4[μ Ω.m]且50000彡μ彡1000)形成。作为这样的软磁性材料，如后述那样，例如能列举出ELCH2(“神户製钢社”制纯铁系软磁性材料、Extra Low carbon Cold Headingwire)、ELCH2S、LCA-1、SlOC等。并且，优选地，在转子I的圆筒体Ib中使用的软磁性材料是被称作ELCH2的纯铁系软磁性材料。该ELCH2的化学成分以质量％ (mass% )来计算，则是碳C为0.005%，硅Si为0.004%，锰Mn为0.26%。该ELCH2具有高磁通密度和低顽磁力，且与低碳钢(C =0.1% )相比，电阻率要小30%，降低到工业用镍Ni同等程度。
[0036]另外，在图1所示的示例中，轴体Ia和圆筒体Ib既可以分体构成，也可以一体形成。
[0037]并且，在本实施方式中，如图2所示那样，圆筒体Ib还具备形成于该圆筒体Ib的周面且与该圆筒体Ib的轴向平行的多个凹槽部11(11-1、11-2、11-3、…)。优选该凹槽部11的深度为集肤深度δ (sf0)以上，且其深度/宽度即纵横比为2以上。
[0038]另外，在将感应型转矩电动机TM的驱动频率设为fjHz]，将转子I的圆筒体Ib的相对磁导率设为μ，将其电阻率设为P [μ Ω.πι]的情况下，感应型转矩电动机TM的转差率为s的情况下的集肤深度δ (sf0)用δ (sf0) = (P / Ji.s.fQ.μ )1/2来表征。
[0039]另夕卜，在本实施方式中，如图2所示那样，圆筒体Ib还具备由电阻率
0.02[ μ Ω.m]以下的导电材料沿轴向的两端的圆周缘分别形成的一对圆环部件12_1、12-2。
[0040]进一步地，为了有效果地进行冷却，也可以如图2中虚线所示那样，轴体Ia还具备沿轴向贯通其轴心而形成的贯通孔13。使该贯通孔13流通例如空气等气体或例如水等液体等这样的冷却剂，能由此来冷却转子1，进而冷却感应型转矩电动机TM。另外，在这种情况下，在罩壳3a的底部形成用于使所述冷却剂流通的贯通孔。
[0041]在通常的笼形感应电动机中，在以恒定电压以及恒定频率驱动的情况下，转矩如图3中作为通用电动机的转矩TQg而用虚线表示的那样，伴随从静止状态起速度的上升，在起动时的电平降低若干后(变小后)上升(变大)，速度在同步速度的约80%处成为峰值(最大转矩)，之后降低(变小)。然后，在负载转矩与电动机的转矩相平衡的点处速度成为恒定。另外，电流如图3中作为通用电动机的电流ECg而用一点划线表示的那样，在从静止状态到转差率S = 0.5左右处，起动时的电平大约恒定，之后，伴随速度的上升，从起动时的电平慢慢降低(变小)，在无负载状态(转差率S = O)下也流动。
[0042]与此相对，在感应型转矩电动机TM中，如图3中作为转矩电动机的电流EC而用虚线表示的那样，随着从起动时的电流电平慢慢变小，转矩如图3中作为转矩电动机A的转矩TQa用两点划线表示的那样，与电流电平成正比关系地直线降低。或者，转矩如图3中作为转矩电动机B的转矩TQb而用实线表示的那样，与电流电平成规定的关系地以向上凸的形状的曲线来曲线性地降低。如此,在感应型转矩电动机TM中，能得到与供电的电流电平相应的旋转转矩。
[0043]并且，在本实施方式的感应型转矩电动机TM中，由于转子I的圆筒体Ib由电阻率P为0.4[μ Ω.Π1]以下、相对磁导率μ为1000以上到50000以下的软磁性材料形成，因此能进一步提升性能(效率)。以下对这一点进行详述。
[0044]图4是表示转子静止条件下的驱动频率为60 [Hz]、参数a为1000的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。图5是表示驱动频率为60 [Hz]、参数a为1500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。图6是表示驱动频率为60[Hz]、参数a为2500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。图7是表示驱动频率为I [kHz]、参数a为500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。图8是表示驱动频率为I [kHz]、参数a为2500的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。图9是表示驱动频率为I [kHz]、参数a为6000的情况下的转矩损耗比(F/P)的图。这些图4到图9的横轴是以μ Ω.m为单位来表征的电阻率P，它们的纵轴是无量纲[_]的相对磁导率μ。另外，在这些图4到图9中，表示相对于使用不具备所述凹槽部以及所述圆环部件的结构的辊的感应型转矩电动机TM的转矩损耗比(F/P)。图10是表示驱动频率为l[kHz]的情况下的解析结果的图。图1OA表示相对于旋转角度的转矩解析结果，图1OB表示相对于旋转角度的焦耳损耗。图1OA的横轴是以度(° )为单位来表征的旋转角度，其纵轴是以Nm为单位来表征的转矩，图1OB的横轴是以度(° )为单位来表征的旋转角度，其纵轴是以W为单位来表征的焦耳损耗。图11是表示驱动频率为60[Hz]的情况下的解析结果的图。图1lA表示相对于机械角度(电角度X 1/2)的转矩的解析结果，图1lB表示相对于旋转角度(电角度X 1/2)的转子焦耳损耗。图1lA的横轴是以度(° )为单位来表征的机械角度，其纵轴是以Nm单位来表征的转矩，图1lB的横轴是以度(° )为单位来表征的旋转角度，其纵轴是以W单位来表征的转子焦耳损耗。
[0045]在这些图4到图9中，各实线是在该电阻率P-相对磁导率μ空间中由给出相同性能(效率)的点的集合形成的等性能曲线。在这些图4到图9中，等性能曲线以转矩损耗比(Τ/Ρ)来给出。
[0046]在上述的感应型转矩电动机TM中，在将转子I的圆筒体Ib内的涡电流密度以及磁通密度分别设为ieddy(x)以及B(X)的情况下，下面的式I以及式2成立。
[0047]ieddy(x) = (10/ δ ).exp(_(x/ δ ))...(I)
[0048]Β(χ) = B0(X).exp (- (χ/ δ ))...(2)
[0049]在此，χ是在将圆筒体Ib的外周表面设为O的情况下沿径向朝向轴心的坐标系，Itl是供电的外部驱动电流，Btl(X)是供电了外部驱动电流Itl的情况下的磁通密度。δ是上述的集肤深度(δ (sf0) = (P / η.s.f ο.μ)1/2)。
[0050]另外，关于涡电流密度ieddy(x)以及磁通密度B(X)，下面的式3以及式4成立。另夕卜，式3表不以外部驱动电流I。来归一化。
[0051]/ ieddy(x)dx = 10...(3)
[0052]B0 = B0 ( μ ) = L ( μ ).10 00 (I/ (l+a/ μ )).10 …(4)
[0053]在此，式3的积分范围是从χ = O到χ =°o (无限大)的范围。式4的记号~在是A ~ B的情况下表征A与B处于正比关系。另外，μ是转子I的圆筒体Ib的相对磁导率，L[H]是电感，a是与转子I中的圆筒体Ib的外周面与定子2的内周面间的距离(径向的间隔)G[m]相关的参数。参数a与所述距离G的大小处于相反的关系，在所述距离G较小时，参数a成为相对较大的值,在所述距离G较大时,参数a成为相对较小的值。即，参数a与所述距离G成反比关系(aoci/G)。另外，参数a除了所述距离G以外，还受到定子2的结构和磁特性的影响。参数a是表现所谓的电动机磁回路是否良好的指标。
[0054]对转子I内的微小体积发挥作用的洛伦兹力f^(x)用下式5给出，若为了求取转矩T而经转子I全域对其进行积分，则转矩T成为下式6。
[0055]fL (χ) = ieddy (χ) XB(X)…(5)
[0056]T = / ieddy (χ) X B (χ) dx = ((10.B0 ( μ ) / δ ))./ exp (_2.(χ/ δ )) dx
[0057]= (10.B0 ( μ ) /2) = (L ( μ ).Ι02/2)…(6)
[0058]在此，式6的各积分范围是从χ = O到χ = °ο (无限大)的范围。
[0059]在与转矩T的情况相同地还求取转子I内的涡电流损耗P时，涡电流损耗P成为下式7。
[0060]P = / P.ieddy2 (x) dx = (P / δ ).(Ι02/2)…(7)
[0061]在此，式7的各积分范围是从χ = O到χ =°ο (无限大)的范围。
[0062]因此，感应型转矩电动机中的各单位「损耗/转差率」得到的转矩，通过这些式6以及式7而成为下式8。
[0063]T/ (P/sf0) = L ( μ ).( δ (sf0) / P ).Sf0
[0064]= (I/ (l+a/ μ )).( δ (sf0) / P )…(8)
[0065]通过各种条件对该式进行模拟的结果(数值解析结果)如图4到图9所示那样。在这些图4到图6中，驱动频率是商用频率的60Hz，图4表示参数a为1000的情况下(a=1000)的结果，图5表示参数a为1500的情况下(a = 1500)的结果,并且图6表示参数a为2500的情况下(a = 2500)的结果。另外，在这些图7到图9中，驱动频率为1kHz，图7表示参数a为500的情况下(a = 500)的结果，图8表示参数a为2500的情况下(a =2500)的结果，并且图9表示参数a为6000的情况下(a = 6000)的结果。图4到图9中的各记号是具有如下示出的化学成分的软磁性材料，图4到图9中的各点表示以这样的软磁性材料来形成转子I的情况下的模拟结果。另外，图4到图9中的曲线是基于式8的等性能曲线，用粗的实线表示数量级的每I位的改变。
[0066]各软磁性材料的化学成分(质量％ )如下面的表1到表3所示那样。
[0067][表 I]
[0068]<极低碳系 > (质量％ )
[0069]
【权利要求】
1.一种感应型转矩电动机用转子，是用在感应型转矩电动机中的转子，其特征在于，具备: 轴体； 圆筒体，其与所述轴体的轴心同心地与所述轴体连结，且由电阻率为0.4[μ Ω.Π1]以下、相对磁导率为1000以上到50000以下的软磁性材料形成。
2.根据权利要求1所述的感应型转矩电动机用转子，其特征在于， 在将所述感应型转矩电动机的转矩设为Τ[Ν.m]、将所述转子的涡电流损耗设为P[W/kg]、将所述感应型转矩电动机的转差率设为S、将所述感应型转矩电动机的驱动频率设为fjHz]、将所述软磁性材料的电阻率设为P [μ Ω.πι]、将所述软磁性材料的相对磁导率设为U、并将所述驱动频率&下的所述圆筒体的集肤深度设为S (Sf0) [m]的情况下，在每单位“损耗P/转差率Si/’得到的转矩T用下述式Cl表征的情况下，所述式Cl中的参数a为1000 ^ a ^ 2500，
T/ (P/sf0) OC I/(l+a/ μ ).( δ (Sf0) / P )…(Cl) 其中，记号~在A a B的情况下表征A与B处于正比关系。
3.根据权利要求1或2所述的感应型转矩电动机用转子，其特征在于， 所述圆筒体还具备: 形成在该圆筒体的周面的与该圆筒体的轴向平行的多个凹槽部。
4.根据权利要求3所述的感应型转矩电动机用转子，其特征在于， 所述凹槽部的深度为所述集肤深度δ (sf0)以上、且深度/宽度即纵横比为2以上。
5.根据权利要求1或2所述的感应型转矩电动机用转子，其特征在于， 所述感应型转矩电动机用转子还具备: 由电阻率为0.02[μ Ω.m]以下的导电材料沿所述圆筒体的轴向的两端的圆周缘分别形成的一对圆环部件。
6.一种感应型转矩电动机，是具备定子和转子的感应型转矩电动机， 所述转子是权利要求1或权利要求2所述的感应型转矩电动机用转子。
【文档编号】H02K1/02GK104137389SQ201380011493
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年2月22日 优先权日:2012年3月2日
【发明者】藤井秀夫, 井上宪一, 笠井信吾, 千叶政道 申请人:株式会社神户制钢所