旋轉電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種旋轉電機，其可進行損耗較小的高效的高速旋轉。具體而言，實施方式所涉及的旋轉電機具備轉子（rotor）與定子（stator）。將永久磁鐵安裝于上述轉子。上述定子介由間隙而與上述轉子相對配置，同時具有向上述轉子側開口且在內部安裝高壓繞組的開放槽。上述間隙具有如下間隙長度，使在上述高壓繞組被勵磁而上述轉子高速旋轉時的包括表面損耗部分的損耗合計值在對應于目標損耗的閾值以下。
【專利說明】旋轉電機

【技術領域】
[0001] 所公開的實施方式涉及一種旋轉電機。

【背景技術】
[0002] 以往，具有安裝有永久磁鐵的轉子的旋轉電機廣泛使用于一般工業(yè)用途等中（例 如參照專利文獻1)。
[0003] 具體而言，專利文獻1的旋轉電機具備：轉子，將永久磁鐵埋設于層疊的轉子芯而 構成；及定子，介由空隙（以下記載為"間隙"）以與這樣的轉子呈同心狀地被配置。
[0004] 這樣的定子在其內周上具有開口部的周向寬度與內部的周向寬度相比更小的半 封閉型的繞組槽（以下記載為"半封閉槽")。在該半封閉槽中一般安裝低壓繞組。
[0005] 對此，在定子的內周上有時也會形成開口部的周向寬度與內部的周向寬度相等的 開放型的繞組槽（以下記載為"開放槽")。將低壓繞組及高壓繞組安裝于該開放槽。
[0006] 而且，由于當槽的開口部的周向寬度變大時，與此成比例而表面損耗也增加，因此 在具有開放槽的定子的情況下，使用于低速旋轉用途的情況較多。
[0007] 專利文獻1 :日本國特開2001-028852號公報
[0008] 但是，近幾年，也有組合具有上述的永久磁鐵的轉子與具有開放槽的定子而作為 高速旋轉用途的需求。如果想要滿足這樣的需求，則在上述的現(xiàn)有技術中，在進行損耗較小 的高效的高速旋轉的點上存在進一步改善的余地。
[0009] 具體而言，在現(xiàn)有的旋轉電機的情況下，雖然優(yōu)選盡可能減小上述的間隙寬度（間 隙長度）而抑制永久磁鐵的使用量，但是由于如果間隙長度變小則間隙磁通密度變高，因此 增加表面損耗。另外，如果在此基礎上組合上述的開放槽，則表面損耗進一步變得容易增 加。
[0010] 即，組合具有永久磁鐵的轉子與具有開放槽的定子，可以說極其容易受表面損耗 的影響。而且，由于如果表面損耗增加則轉子被加熱，因此變得容易受因熱而發(fā)生的去磁的 影響，即使減小間隙長度，也不能抑制永久磁鐵的使用量。
[0011] 在這點上，雖然能夠通過加大間隙長度來減小表面損耗，但是還是在不能抑制永 久磁鐵的使用量，而且招致表面損耗或鐵損、銅損等損耗的合計值（以下記載為"總損耗"） 的增加。


【發(fā)明內容】

[0012] 實施方式的一個形態(tài)是鑒于上述問題而進行的，其目的在于提供一種旋轉電機， 其可進行損耗較小的高效的高速旋轉。
[0013] 實施方式的一個形態(tài)所涉及的旋轉電機具備轉子與定子。將永久磁鐵安裝于所述 轉子。所述定子介由間隙而與所述轉子相對配置，同時具有向所述轉子側開口且在內部安 裝高壓繞組的開放槽。所述間隙具有如下間隙長度，使在所述高壓繞組被勵磁而所述轉子 高速旋轉時的包括表面損耗部分的損耗合計值在對應于目標損耗的閾值以下。
[0014] 根據(jù)實施方式的一個形態(tài)，可進行損耗較小的高效的高速旋轉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是表示實施方式所涉及的旋轉電機的構成概要的圖。 圖2是表示實施方式所涉及的旋轉電機的基本內部結構的模式立體圖。 圖3A是圖2的A-A'線簡略剖視圖。 圖3B是表示表面損耗所涉及的關系式的圖。 圖4是表示伴隨間隙長度變化的各損耗變化的曲線圖。 圖5是表示伴隨間隙長度變化的除去表面損耗部分的各損耗變化的曲線圖。 圖6是表示不同閾值時的例子的曲線圖。 符號說明 10-旋轉電機；11-定子；11a-定子芯；lib-開放槽；12-轉子；12a-轉子芯；12b-永久 磁鐵；13-軸；AX-軸心；Bg-間隙磁通密度；C-高壓繞組；⑶-定子芯內徑；N1-定子槽數(shù)； S1-定子槽寬度；Thl-閾值；Th2-閾值；f-頻率；g-間隙；min-最小值；p-極數(shù)；δ -間隙 長度。

【具體實施方式】
[0016] 以下，參照附圖對本申請所公開的旋轉電機的實施方式進行詳細說明。而且，本發(fā) 明并不局限于以下所示的實施方式。
[0017] 另外，以下，對實施方式所涉及的旋轉電機標注符號"10"。另外，以下，雖然對旋轉 電機10為電動機(馬達）的情況進行說明，但是也可以是發(fā)電機。
[0018] 首先，使用圖1對實施方式所涉及的旋轉電機10的構成概要進行說明。圖1是表 示實施方式所涉及的旋轉電機10的構成概要的圖。而且，在圖1中，使用"電壓"、"槽形狀" 及"旋轉"的3個類別（category)對"旋轉電機"進行了分類。而且，圖中用實線連接的要 素的組合表示本實施方式所涉及的旋轉電機10的構成概要。
[0019] 如圖1所示，一般地講首先能夠以"電壓"為"低壓"還是"高壓"來分類"旋轉電 機"。而且，"電壓"例如是額定電壓。在此，在將"低壓"作為600V (伏）以下時，"高壓"為 "大于 600V"。
[0020] 另外，能夠以"槽形狀"為"半封閉"還是"開放"來分類"旋轉電機"。一般將低壓 繞組安裝于"半封閉"槽。而且，在此通過稱為"分布繞組"的繞組方式安裝低壓繞組，"分 布繞組"的繞組方式是在多個"半封閉"槽的跨度上各相繞組以離開收納的方式被卷繞的方 式。
[0021] 對此，將低壓繞組及高壓繞組安裝于"開放"槽。通過稱為"集中繞組"的繞組方 式等將繞組安裝于"開放"槽，"集中繞組"的繞組方式是繞組集中卷繞于鄰接的槽彼此的方 式。
[0022] 另外，能夠以"旋轉"為"高速旋轉"還是"低速旋轉"來分類"旋轉電機"。在此， 在將"低速旋轉"作為旋轉速度"小于500rpm (每分鐘轉數(shù))"時，"高速旋轉"是旋轉速度 "500rpm 以上"。
[0023] S卩，如圖1所示，實施方式所涉及的旋轉電機10是電壓為"高壓"且將這樣的"高 壓"繞組安裝于"開放"槽的"高速旋轉"用途的電動機。在本實施方式中，旋轉電機10的 繞組方式是分布繞組方式。
[0024] 接下來，使用圖2對實施方式所涉及的旋轉電機10的基本內部結構進行說明。圖 2是表示實施方式所涉及的旋轉電機10的基本內部結構的模式立體圖。
[0025] 而且，為了容易明白說明，在圖2中圖示了包含將鉛垂上方作為正方向的Z軸的3 維直角坐標系。在以下說明中所使用的其它附圖中有時也會示出這樣的直角坐標系。
[0026] 另外，以下，關于由多個構成的構成要素，有時只對多個當中的一部分標注符號而 對其他省略符號。在這樣的情況下，將標注有符號的一部分與其他部分視為相同構成。
[0027] 另外，由于并不特別限定圖2所示以外的結構(例如外部結構)，因此在本實施方式 中省略其說明。
[0028] 如圖2所示，旋轉電機10在其內部具備定子11 (stator)、轉子12 (rotor)、軸 13。
[0029] 定子11是對電磁鋼板等的薄板材料進行多張層疊等而大致以筒狀形成的構件 (電磁鋼板層疊體)，其外周面固定于省略圖示的馬達框架的內周面等。
[0030] 另外，在定子11的內周側介由規(guī)定空隙即間隙g而相對配置轉子12。轉子12也 是大致以筒狀形成的電磁鋼板層疊體，在其中心部具有在圖中的X軸心方向上貫穿設置的 軸13。
[0031] 軸13被分別設置在負載側及負載相反側的省略圖示的軸承所軸支撐。由此，轉子 12能夠圍繞圖中的軸心AX而自如地進行旋轉。
[0032] 接下來，使用包含圖2的A-A'線的YZ平面剖視圖，對旋轉電機10的內部結構進 行詳細說明。圖3A是圖2的A-A'線簡略剖視圖。
[0033] 如圖3A所示，定子11具備定子芯11a與開放槽lib。定子芯11a是上述的電磁鋼 板層疊體即定子11的主要部分。而且，如圖3A所示，定子芯11a的內徑是"⑶"。
[0034] 開放槽lib具有向轉子12側開口的開口部，是沿著定子芯11a的周向形成多個的 空間部。而且，在圖3A中，雖然為了簡化而只圖示了 4個開放槽11b，但是并不限定開放槽 lib的個數(shù)。
[0035] 另外，開放槽lib以其開口部的周向寬度與內部的周向寬度同等的方式形成。在 本實施方式中，使這樣的開口部的周向寬度與內部的周向寬度相等，以下，有時會記載為 "定子槽寬度S1"。
[0036] 而且，將如上所述的高壓繞組C安裝于開放槽lib。另外，定子11介由如上所述的 間隙g而與轉子12相對配置。而且，間隙g具有間隙長度δ。
[0037] 另外，如圖3Α所示，轉子12具備轉子芯12a與永久磁鐵12b。轉子芯12a是上述 的電磁鋼板層疊體即轉子12的主要部分。另外，例如通過向這樣的轉子芯12a進行埋入等 而沿著轉子芯12a的周向配設永久磁鐵12b。
[0038] 而且，在圖3A中，雖然為了簡化而只圖示了 4個永久磁鐵12b，但是并不限定永久 磁鐵12b的個數(shù)。另外，在圖3A中，雖然例示了以使相鄰的永久磁鐵12b的相互間隔朝著 轉子芯12a的外周側變窄的大致呈V字狀的方式配置有永久磁鐵12b的情況，但是并不限 定永久磁鐵12b的配置方式。
[0039] 在這樣的內部結構中，由于定子11的高壓繞組C被勵磁，因此在定子11的內側產(chǎn) 生旋轉磁場。而且，通過該旋轉磁場與永久磁鐵12b的磁場的相互作用，轉子12及軸13以 500rpm以上的旋轉速度高速旋轉。
[0040] 但是，在像旋轉電機10這樣的永久磁鐵型的情況下，雖然為了抑制永久磁鐵12b 的使用量而優(yōu)選盡量減小間隙g的間隙長度S，但時由于如果間隙長度δ變小則間隙磁通 密度提高，因此表面損耗增加。
[0041] 在此，圖3Β中示出表面損耗所涉及的關系式。圖3Β是表示表面損耗所涉及的關 系式的圖。而且，在此所示的關系式是從在本實施方式中所實施的實驗的驗證結果中得到 的。另外，如圖3Β所示，間隙磁通密度為"Bg"、頻率為"f"、極數(shù)為"ρ"、開放槽lib的數(shù)量 (以下記載為"定子槽數(shù)"）為"N1"。
[0042] 如圖3B所示，根據(jù)在本實施方式中的驗證結果，能夠通過如下關系式來表示表面 損耗。 "表面損耗=Bg α (f/p) α ⑶ α N1 (S1/ δ )" …（1)
[0043] S卩，從該式（1)可知，由于表面損耗與間隙磁通密度Bg成比例，因此減小間隙長度 S會招致表面損耗的增加。另外，由于與頻率f/極數(shù)p成比例，因此可知高速旋轉用途也 容易招致表面損耗的增加。
[0044] 另外，定子芯內徑GD或定子槽數(shù)N1的增加也容易招致表面損耗的增加。而且，如 果使用高壓繞組C，則由于定子槽寬度S1變大，因此表面損耗還是容易增加。假設，在表面 損耗增加時，由于永久磁鐵型有可能發(fā)生熱去磁，因此變得也難以抑制永久磁鐵12b的使 用量。
[0045] S卩，在使用已經(jīng)在圖1中所示的"高壓"、"開放"槽及"高速旋轉"的組合而構成時， 充分考慮該表面損耗的影響顯得重要。
[0046] 而且，在此，即使使用通過加大間隙長度δ而只減小表面損耗的方法，也還是不 能抑制永久磁鐵12b的使用量，而且招致包括所謂固定損耗(主要是鐵損)或負載損耗(主要 是銅損）等的總損耗的增加，因此并不充分。
[0047] 于是，在本實施方式中，通過考慮上述的表面損耗與總損耗的平衡而選擇適當?shù)?間隙長度S，從而抑制永久磁鐵12b的使用量，同時以能夠進行損耗較小的高效的高速旋 轉的方式構成旋轉電機10。以下，關于選擇其適當?shù)拈g隙長度S的方法，以在本實施方式 中使用的驗證數(shù)據(jù)為例進行說明。
[0048] 圖4是表示伴隨間隙長度δ變化的各損耗變化的曲線圖。在本實施方式中，首先 在選定適當?shù)拈g隙長度S時，取得表示如圖4所示的間隙長度δ與各損耗的對應關系的 驗證數(shù)據(jù)。
[0049] 如圖4所示，各損耗是表面損耗、固定損耗的主成分的鐵損、負載損耗的主成分的 銅損、漏磁通等雜散損耗。另外，同時也取得各損耗的合計值即總損耗。
[0050] 在此，驗證數(shù)據(jù)例如既可以是在實際上改變間隙長度δ而使轉子12高速旋轉時 的實測值，也可以是使用將間隙長度S作為變數(shù)的一個而具有的函數(shù)等的模擬值。
[0051] 而且，在此，作為模擬值而得到圖4 (及后示的圖5、圖6)所示的驗證數(shù)據(jù)。另外， 在圖4?圖6中，橫軸為對于定子芯內徑⑶的間隙長度δ的比率δ/⑶。
[0052] 而且，在本實施方式中，要點是在這樣的驗證數(shù)據(jù)中包括表面損耗部分的這一點。 艮Ρ，在本實施方式中，選定如下間隙長度S，使在高壓繞組C被勵磁而轉子12高速旋轉時的 包括表面損耗部分的損耗的合計值（即總損耗）在對應于目標損耗的閾值Thl以下。
[0053] 由此，在使用如上所述的表面損耗的影響較大的"高壓"、"開放"槽及"高速旋轉" 的組合而構成時，可進行損耗較小的高效的高速旋轉。
[0054] 而且，需要在選定這樣的間隙長度δ之前預先規(guī)定對應于目標損耗的閾值Thl。 在此，使用圖5對規(guī)定這樣的閾值Thl的一個例子進行說明。
[0055] 圖5是表示伴隨間隙長度δ變化的除去表面損耗部分的各損耗變化的曲線圖。 艮Ρ，可視為不考慮表面損耗部分的現(xiàn)有的情況。首先，一般地講，關于旋轉電機的損耗，在鐵 損及銅損大致相等時得到最大效率。
[0056] 在此，在圖5所示的未考慮表面損耗部分的曲線圖中，在比率δ /⑶=〇. 5%時鐵損 及銅損大致相等。因而，在未考慮表面損耗部分的以往的情況下，例如選定滿足比率δ/ ⑶彡0.5%的條件的間隙長度δ (參照圖中的箭頭501)。
[0057] 而且，例如，能夠將這樣的圖5的比率δ /⑶=〇. 5%時的總損耗L1為基準而規(guī)定本 申請的圖4所示的在考慮表面損耗部分時的閾值Thl。
[0058] 具體而言，如果在圖5所示的未考慮表面損耗部分時的比率δ /⑶=〇. 5%時的總損 耗L1為在總損耗的最小值min的基礎上增加1. 5%的值（LI =minXl. 015)，則也可以將這 樣的增加1. 5%為止的值作為在考慮表面損耗部分的圖4時的總損耗的許可范圍（即目標損 耗）來應用。即，在這樣的情況下，圖4的閾值Thl被規(guī)定為閾值Thl=最小值minXl.015 (參照圖4)。
[0059] 而且，在這樣地規(guī)定閾值Thl時，如圖4所示，對應于在考慮表面損耗部分時的目 標損耗的最適合的比率S/⑶為0.55%以上且1.0%以下。因而，在此情況下，選定滿足這 樣的0. 55%彡比率δ /⑶彡1. 〇%的條件的間隙長度δ即可(參照圖中的箭頭401)。
[0060] 而且，雖然在圖4中示出了閾值Thl為在最小值min的基礎上增加1. 5%即相當于 101. 5%的值的例子，但是為了更小地抑制損耗，閾值Thl也可以是101. 5%以下的值。
[0061] 如此這樣，能夠選定考慮表面損耗與總損耗的平衡的適當?shù)拈g隙長度δ。而且，在 圖4及圖5所示的例子中，由于在考慮表面損耗部分時為0. 55%彡比率δ /⑶彡1. 〇%，在未 考慮表面損耗部分時為比率S/GDS 0.5%，因此間隙長度δ所能夠取得的范圍不會重復。 [0062] 因而，在考慮表面損耗部分時與未考慮時，能夠選定明確區(qū)分的間隙長度δ。換言 之，由于能夠根據(jù)是否采用圖1所示的構成來明確區(qū)分制造工序，因此能夠得到使制造工 序效率化等好處。
[0063] 但是，到此為止，雖然示出了根據(jù)將在未考慮表面損耗部分時的鐵損及銅損大致 相等時的總損耗L1作為基準而規(guī)定的閾值Thl的例子，但是也可以根據(jù)通常被許可的總損 耗、間隙長度S所能夠取得的值來規(guī)定閾值。
[0064] 使用圖6對該點進行說明。圖6是表示不同閾值Th2時的例子的曲線圖。而且， 圖6所示的驗證數(shù)據(jù)與圖4情況相同。
[0065] 例如，總損耗通常被許可為在最小值min的基礎上增加3%為止。在這樣的情況下， 如圖6所示，將此作為基準，閾值Th2也可以是相當于最小值min的103%的值。
[0066] 這樣，如果對應于目標損耗的閾值Th2為在最小值min的基礎上增加3%的值，則 在圖6中，在考慮表面損耗部分時的比率δ /⑶為〇. 5%以上且1. 1%以下。因而，在此情況 下，選定滿足這樣的〇. 5%彡比率δ /⑶彡1. 1%的條件的間隙長度δ即可(參照圖中的箭 頭 601)。
[0067] 而且，在未考慮表面損耗部分時，通常間隙長度δ所能夠取得的值為用比率δ/ GD來表示的話滿足0. 6%以下的條件的程度。因而，此時，由于在考慮表面損耗部分時為 0.5%彡比率δ/⑶彡1. 1%，在未考慮表面損耗部分時為比率δ/⑶彡0.6%，因此與圖4、圖 5所示的例子不同，間隙長度δ所能夠取得的范圍一部分重復。
[0068] 此時，在考慮表面損耗部分時與在未考慮時能夠使間隙長度δ相同，例如，能夠 得到可共用制造工序等好處。
[0069] 而且，雖然在圖6中示出了閾值Th2相當于最小值min的103%的值的例子，但是 為了更小地抑制損耗，也可以使閾值Th2成為103%以下的值。
[0070] 但是，在感應電動機中，在額定輸出為500kw (千瓦）以上且5000kw以下時，如果 間隙g具有滿足〇. 37%彡比率δ /⑶彡〇. 9%的條件的間隙長度δ，則比較容易制造。
[0071] 于是，也可以將這樣的點應用于永久磁鐵型的旋轉電機10。即，如果應用了圖4所 示的閾值Thl，則通過選定滿足0. 55%彡比率δ /⑶彡〇. 9%的條件的間隙長度δ，從而能 夠提1?制造效率。
[0072] 另外，同樣地，如果應用了圖6所示的閾值Th2,則通過選定滿足0. 5% <比率δ / ⑶< 0. 9%的條件的間隙長度δ，從而能夠提高制造效率。
[0073] 如上所述，實施方式所涉及的旋轉電機具備轉子（rotor)與定子（stator)。將永 久磁鐵安裝于上述轉子。上述定子介由間隙而與上述轉子相對配置，同時具有向上述轉子 側開口且在內部安裝高壓繞組的開放槽。上述間隙具有如下間隙長度，使在上述高壓繞組 被勵磁而上述轉子高速旋轉時的包括表面損耗部分的損耗合計值在對應于目標損耗的閾 值以下。
[0074] 因而，根據(jù)實施方式所涉及的旋轉電機，能夠進行損耗較小的高效的高速旋轉。
[0075] 但是，在上述的實施方式中，雖然表述為將高壓繞組安裝于開放槽，但是也可以一 開始就通過這樣的高壓繞組的卷繞方式來減小表面損耗。
[0076] 具體而言，也可以通過將高壓繞組以每極每相的槽數(shù)成為分數(shù)的分數(shù)槽繞組方式 安裝于開放槽，從而減小所產(chǎn)生的表面損耗本身。而且，在這樣的情況下，將對應于目標損 耗的閾值視為估計因分數(shù)槽繞組方式而減小的表面損耗的值即可。
[0077] 本領域的技術人員能夠容易地引出進一步的效果和變形例。因此，本發(fā)明的更加 廣泛的形態(tài)不局限于如上地進行表示且記述的特定的詳細及代表性的實施方式。因而，能 夠在不脫離附上的權利要求書的范圍以及其同等內容所定義的總括性的發(fā)明概念的精神 或范圍的情況下進行各種變更。
【權利要求】
1. 一種旋轉電機，其具備：轉子，安裝有永久磁鐵； 及定子，介由間隙而與所述轉子相對配置，同時具有向所述轉子側開口且在內部安裝 高壓繞組的開放槽，其特征為， 所述間隙具有如下間隙長度， 使在所述高壓繞組被勵磁而所述轉子高速旋轉時的包括表面損耗部分的損耗合計值 在對應于目標損耗的閾值以下。
2. 根據(jù)權利要求1所述的旋轉電機，其特征為，在所述高速旋轉中的旋轉速度為 500rpm 以上。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的旋轉電機，其特征為，所述閾值為所述合計值所能夠取得 的最小值的101. 5%以下的值。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的旋轉電機，其特征為，所述閾值為所述合計值所能夠取得 的最小值的103%以下的值。
5. 根據(jù)權利要求3所述的旋轉電機，其特征為，相對于所述定子的內徑的所述間隙長 度的比率為0. 55%以上且1%以下。
6. 根據(jù)權利要求4所述的旋轉電機，其特征為，相對于所述定子的內徑的所述間隙長 度的比率為0. 5%以上且1. 1%以下。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的旋轉電機，其特征為，在額定輸出為500kw以上且5000kw 以下時，所述比率為〇. 9%以下。
8. 根據(jù)權利要求1至7中任意1項所述的旋轉電機，其特征為，所述高壓繞組以每極每 相的槽數(shù)成為分數(shù)的分數(shù)槽繞組方式安裝于所述開放槽。
【文檔編號】H02K21/14GK104104199SQ201410133229
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權日:2013年4月8日
【發(fā)明者】森下大輔 申請人:株式會社安川電機