DE112015006992T5

DE112015006992T5 - Dreiphasen-Induktionsmotor

Info

Publication number: DE112015006992T5
Application number: DE112015006992.5T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Otsu; Kenta Kaneko; Haruyuki Kometani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2018-07-05
Also published as: US20180358874A1; US11101723B2; WO2017056296A1; JP6301023B2; JPWO2017056296A1

Abstract

Ein Dreiphasen-Induktionsmotor 1, der als Reaktion auf ein Einspeisen einer AC-Leistung von einem Wechselrichter, der ein Schaltelement beinhaltet, das unter Verwendung eines Halbleiters mit breiter Bandlücke gebildet wird, rotierend angetrieben wird, beinhaltet Folgendes: einen Stator 2, der eine Statornut 3a mit einer offenen Nutenstruktur zum Einführen einer auf einem Spulenkörper aufgewickelten Spule beinhaltet; und einen Rotor 5, der eine Rotornut 7 beinhaltet, in die ein Sekundärleiter eingeführt wird, wobei der Rotor 5 über eine Lücke 18 innerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Unter der Annahme, dass die Anzahl von Rotornuten Nist, die Anzahl von Statornuten Nist und die Anzahl von Polen Nist, werden N, Nund Nderart festgelegt, dass die Beziehung von N≤ N-N-6 erfüllt ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dreiphasen-Induktionsmotor einschließlich eines Sekundärleiters, der in eine Rotornut eingeführt ist.
Hintergrund
Als einen Dreiphasen-Induktionsmotor offenbart die untenstehende Patentliteratur 1 einen Dreiphasen-Induktionsmotor einschließlich vier Magnetpolen und drei Statornuten pro Pol und Phase, das heißt eine Gesamtanzahl von 36 Statornuten für den gesamten Stator.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanisches Patent Nr. 5615443
Kurzfassung
Technisches Problem
Herkömmlicherweise ist ein Schaltelement, das unter Verwendung von Silizium (Si) gebildet wird (nachfolgend als ein „Si-SW-Element“ bezeichnet), der Mainstream des Schaltelements gewesen, das für einen Wechselrichter zum Antreiben eines Dreiphasen-Induktionsmotors verwendet wird. In jüngster Zeit hat jedoch die Verwendung eines Schaltelements, das unter Verwendung eines Halbleiters mit breiter Bandlücke, durch Siliziumkarbid (SiC) vesinnbildlicht, gebildet wird (nachfolgend als ein „WBG-SW-Element“ bezeichnet), zugenommen.
Im herkömmlichen Wechselrichter, der das Si-SW-Element beinhaltet (nachfolgend zur Zweckmäßigkeit als ein „Si-Wechselrichter“ bezeichnet), ist der Schaltverlust durch das Si-SW-Element groß und viele Oberschwingungskomponenten sind in der Stromwellenform, die in den Motor fließt, aufgrund der Beschränkung der Anzahl von Malen des Schaltens enthalten. Andererseits wird im Wechselrichter, der das WBG-SW-Element beinhaltet (nachfolgend zur Zweckmäßigkeit als ein „WBG-Wechselrichter“ bezeichnet), da der Schaltverlust durch das WBG-SW-Element klein ist, die Beschränkung an der Anzahl von Malen des Schaltens eliminiert, sodass die Anzahl von Malen des Schaltens pro Periode des Wechselrichters größer als die im herkömmlichen Fall sein kann. Daher ist es möglich, die Welligkeit des Stroms, der in den und aus dem Dreiphasen-Induktionsmotor fließt (nachfolgend als ein „Motorstrom“ bezeichnet), zu verringern, und es ist möglich, die Oberschwingungskomponenten, die im Motorstrom enthalten sind, zu verringern.
Zusätzlich dazu, wenn der Strom, der durch das Si-SW-Element fließt, groß ist, erhöht sich herkömmlicherweise der Verlust im Si-SW-Element und der Stromwert des Motorstroms wird beschränkt. Andererseits wird im WBG-SW-Element, da der Leitungsverlust klein ist, der Grenzwert des Motorstroms erheblich entspannt.
Im Fall des Antreibens eines Dreiphasen-Induktionsmotors unter Verwendung eines WBG-Wechselrichters wird es aufgrund der obigen Charakteristiken möglich, die Konfiguration der Statornut und der Rotornut im Dreiphasen-Induktionsmotor erheblich zu ändern oder zu überarbeiten.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts des Obigen vorgenommen worden und ein Ziel von dieser besteht darin, einen Dreiphasen-Induktionsmotor bereitzustellen, der dazu ausgebildet ist, in der Lage zu sein, Charakteristiken effektiv zu gebrauchen, wenn er durch einen WBG-Wechselrichter angetrieben wird.
Lösung des Problems
Um das oben erwähnte Problem zu lösen und das Ziel zu erreichenen, stellt die vorliegende Erfindung einen Dreiphasen-Induktionsmotor bereit, der als Reaktion auf eine Einspeisung von AC-Leistung von einem Wechselrichter, der ein Schaltelement beinhaltet, das unter Verwendung eines Halbleiters mit breiter Bandlücke gebildet wird, rotierend angetrieben wird. Der Dreiphasen-Induktionsmotor beinhaltet einen Stator, der eine Statornut mit einer offenen Nutenstruktur zum Einführen einer auf einen Spulenkörper aufgewickelten Spule beinhaltet; und einen Rotor, der eine Rotornut beinhaltet, in die ein Sekundärleiter eingeführt wird, wobei der Rotor über eine Lücke innerhalb des Stators angeordnet ist. Unter der Annahme, dass die Anzahl von Rotornuten N_r ist, die Anzahl von Statornuten N_s ist und die Anzahl von Polen N_p ist, sind N_r, N_s und N_p so festgelegt, dass die Beziehung N_r≤ N_s-N_p-6 erfüllt ist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann den Effekt erzielen, dass die Beziehung zwischen der Anzahl von Statornuten und der Anzahl von Rotornuten des Dreiphasen-Induktionsmotors, der durch den WBG-Wechselrichter angetrieben wird, zu einer bevorzugten Beziehung gesetzt wird.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines Dreiphasen-Induktionsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht, die eine Anordnung einer Statorwicklung und eine Konfiguration des Endes der Statorwicklung im Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist eine Ansicht, die eine Spulenanordnung in einer Statornut des Dreiphasen-Induktionsmotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist ein Verbindungsdiagramm der Statorwicklung im Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
5 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Fahrzeugantriebssystems, das einen Hauptmotor unter Verwendung eines WBG-Wechselrichters antreibt, veranschaulicht.
6 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Vergleichs zwischen einem Steuerverfahren mit einem WBG-Wechselrichter und einem Steuerverfahren mit einem Si-Wechselrichter.
7 ist eine Vergleichsansicht, die eine Konfiguration veranschaulicht, bei der Stränge in zwei Zeilen in die Umfangsrichtung innerhalb der Statornut angeordnet sind.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Dreiphasen-Induktionsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich basierend auf den Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt.
Ausführungsform.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Dreiphasen-Induktionsmotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 1 veranschaulicht eine Querschnittsstruktur entlang einer Oberfläche orthogonal zur axialen Richtung einer Welle 51 im Dreiphasen-Induktionsmotor 1. Im Fall eines Schienenfahrzeugs ist die Welle 51, die die rotierende Welle des Dreiphasen-Induktionsmotors 1 ist, zum Beispiel dazu ausgebildet, über ein Verbindungsstück (nicht veranschaulicht) und ein Untersetzungsgetriebe (nicht veranschaulicht) mit einer Achse (nicht veranschaulicht) des Schienenfahrzeugs gekoppelt zu werden.
Der Dreiphasen-Induktionsmotor 1 beinhaltet einen Stator 2 mit einer zylindrischen Struktur und einen Rotor 5 mit einer zylindrischen Struktur, der über eine Lücke 18 innerhalb des Stators 2 angeordnet ist. Der Stator 2 weist eine Struktur auf, die einen Stator-Eisenkern 3 beinhaltet, und der Rotor 5 weist eine Struktur auf, die einen Rotor-Eisenkern 6 beinhaltet, der mit der Welle 51 integriert ist.
1 veranschaulicht eine bevorzugte Struktur des Dreiphasen-Induktionsmotors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. In 1 weist der Stator-Eisenkern 3 eine zylindrische Form auf und 48 Nuten 3a sind mit gleichmäßigem Winkelabstand und intermittierend an der inneren Peripherieseite ausgebildet. Durch das Bilden der 48 Nuten 3a werden 48 Zähne 3b ausgebildet. In der Nut 3a, die eine Statornut ausbildet, ist eine Spule 50 gewunden und so untergebracht, dass sie einen oder mehrere der Zähne 3b darin beinhaltet. Mehrere Spulen 50, die in den Nuten 3a untergebracht sind, bilden eine Statorwicklung 4.
Im Rotor-Eisenkern 6 sind 38 Nuten 7 so ausgebildet, dass sie zu den Nuten 3a oder den Zähnen 3b des Stator-Eisenkerns 3 zeigen. Ein Sekundärleiter wird in die Nut 7, die eine Rotornut ist, eingeführt.
Als Nächstes wird die Anordnung und Verbindung der Statorwicklung im Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben. 2 ist eine Ansicht, die eine Anordnung der Statorwicklung und eine Konfiguration des Endes der Statorwicklung im Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. 3 ist eine Ansicht, die eine Spulenanordnung in der Statornut des Dreiphasen-Induktionsmotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. 4 ist ein Verbindungsdiagramm der Statorwicklung im Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in 2 veranschaulicht, werden die Spulen 50, die in jeweiligen Nuten 3a des Stator-Eisenkerns 3 untergebracht sind, am Ende des Stators 2 des Dreiphasen-Induktionsmotors 1 durch Verbindungsstäbe 21 bis 24 verbunden, die erste bis vierte Verbindungsstäbe sind, die C-Formen ausbilden. Der Verbindungsstab 21 wird zur U-Phasen-Verbindung verwendet, der Verbindungsstab 22 wird zur V-Phasen-Verbindung verwendet, der Verbindungsstab 23 wird zur W-Phasen-Verbindung verwendet und der Verbindungsstab 24 wird zur Neutralpunkt-Verbindung verwendet.
Wie oben beschrieben, bilden die Verbindungsstäbe 21 bis 23 C-Formen, und zwischen den Enden der Verbindungsstäbe 21 bis 23 sind Lücken ausgebildet. Ein Ende von jedem der Verbindungsstäbe 21 bis 23 wird zur Außendurchmesserseite gezogen, indem die Lücke in jedem der Verbindungsstäbe 21 bis 23 genutzt wird, und der herausgezogene Abschnitt wird als Anschlussdraht 30 ausgebildet.
Die im Stator-Eisenkern 3 bereitgestellten Nuten 3a sind mit gleichmäßigen Winkelabständen und mit gleichmäßigen Intervallen entlang der Umfangsrichtung angeordnet und dementsprechend sind die Spulen 50 entlang der Umfangsrichtung angeordnet. Die Art und Weise, mit der die Spule 50 in der Nut 3a untergebracht ist, ist wie in 3 veranschaulicht. Wie in 3 veranschaulicht, ist die Spule 50 in einer Nut 3a des Stator-Eisenkerns 3 in einer zweischichtigen Struktur untergebracht. Das heißt, die Spule 50 besteht aus einer oberen Spule 50b, die an der Öffnungsabschnittsseite der Nut 3a positioniert ist, und einer unteren Spule 50a, die an der unteren Seite der Nut 3a positioniert ist, und sowohl die obere Spule 50b als auch die untere Spule 50a beinhalten vier plattenartige Stränge 52, die in einer Zeile in die Umfangsrichtung angeordnet sind.
Erneut mit Bezug auf 2 sind die Verbindungsstäbe 21 bis 24 koaxial zueinander angeordnet. Der Verbindungsstab 24 ist am nächsten zur Innendurchmesserseite im Vergleich zu beliebigen der Verbindungsstäbe 21 bis 23 angeordnet.
2 veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration, bei der die Anzahl von Polen vier beträgt und die Anzahl von Parallelschaltungen der Statorwicklung 4 vier beträgt, wenn die Anzahl von Statornuten 48 beträgt. Im Fall dieser beispielhaften Konfiguration beträgt die Anzahl von Nuten pro Pol und Phase (Gesamtanzahl von Nuten)/(Anzahl von Phasen x Anzahl von Polen) = 48/(3×4) = 4.
Entsprechend der Anzahl von Nuten pro Pol und Phase beinhaltet ein Pol in 2 einen Satz von Spulen 50 in vier Nuten, die in die Umfangsrichtung weiterlaufen. Genauer gesagt, bilden Sätze von vier Spulen, die durch „U“, „V-Strich“ (V mit einem horizontalen Strich an der Oberseite, das gleiche gilt für die anderen), „W“, „U-Strich“, „V“, „W-Strich“, „U“, „V-Strich“, „W“, „U-Strich“, „V“ und „W-Strich“ repräsentiert werden, die Pole. Es ist anzumerken, dass die Wicklungsrichtung der Spulen von „U-Strich“ entgegengesetzt der Wicklungsrichtung von „U“ ist.
Daher sind, bezüglich der U-Phase, zum Beispiel die Spulen, die in den aufeinanderfolgenden vier Nuten 3a untergebracht sind, die durch „U“ repräsentiert werden, und die Spulen, die in den aufeinanderfolgenden vier Nuten 3a untergebracht sind, die durch „U-Strich“ repräsentiert werden, abwechselnd mit gleichmäßigen Intervallen in die Umfangsrichtung angeordnet, um insgesamt an vier Stellen zu erscheinen, und jede von ihnen bildet einen Pol. Die obige Beschreibung gilt auch für die V-Phase und die W-Phase.
Der Verbindungsstab 24, der die Neutralpunkte verbindet, wird ausgebildet, indem eine isolierende Beschichtung an einem C-förmigen plattenartigen Metallglied, außer an den Verbindungspunkten, durchgeführt wird. Der Verbindungsstab 24 erstreckt sich entlang der Umfangsrichtung des Stator-Eisenkerns 3, sodass er mit dem Ende des Strangs der Spule 50 verbunden werden kann. Durch das Verwenden des Verbindungsstabs 24 kann das Ende der Spule 50 mit dem Verbindungsstab 24 an dieser Position verbunden werden, ohne um den Strang der Spule 50 herum gezogen zu werden. Der Verbindungsstab 24 ermöglicht eine gemeinschaftliche Verbindung, während die Verbindungspunkte in die Umfangsrichtung verteilt sind. Am Verbindungspunkt wird die isolierende Beschichtung des Verbindungsstabs 24 entfernt und das interne Metallglied und das Ende des Strangs der Spule 50 werden in Kontakt miteinander gebracht und miteinander verbunden. 4 veranschaulicht schematisch die Verbindungstruktur der Verbindungsstäbe 21 bis 24 und der Spulen 50 bezüglich der Spulen 50 (die durchgezogenen Linien repräsentieren die unteren Spulen und die gestrichelten Linien repräsentieren die oberen Spulen), die in die Umfangsrichtung angeordnet sind. Wie in 4 veranschaulicht, gibt es eine Gesamtanzahl von zwölf Verbindungspunkten zwischen dem Verbindungsstab 24 und den Spulen 50, das heißt vier Verbindungspunkte in jeder Phase.
Der Verbindungsstab 21, der die U-Phasen verbindet, wird ausgebildet, indem eine isolierende Beschichtung an einem C-förmigen plattenartigen Metallglied, außer an den Verbindungspunkten, durchgeführt wird. Der Verbindungsstab 21 erstreckt sich entlang der Umfangsrichtung des Stator-Eisenkerns 3, sodass er mit dem Ende des Strangs der Spule 50 verbunden werden kann. Durch das Verwenden des Verbindungsstabs 21 kann das Ende der Spule 50 mit dem Verbindungsstab 21 an dieser Position verbunden werden, ohne um den Strang der Spule 50 herum gezogen zu werden. Auf diese Weise ermöglicht der Verbindungsstab 21 eine gemeinschaftliche Verbindung, während die Verbindungspunkte in die Umfangsrichtung verteilt sind. Am Verbindungspunkt wird die isolierende Beschichtung des Verbindungsstabs 21 entfernt und das interne Metallglied und das Ende des Strangs der Spule 50 werden in Kontakt miteinander gebracht und miteinander verbunden. Wie in 4 veranschaulicht, gibt es in diesem Fall vier Verbindungspunkte. Der Verbindungsstab 22, der die V-Phasen verbindet, und der Verbindungsstab 23, der die W-Phasen verbindet, weisen die gleiche Konfiguration und Struktur wie der Verbindungsstab 21 auf.
Als Nächstes wird eine bevorzugte Beziehung zwischen der Anzahl von Statornuten und der Anzahl von Rotornuten eines Dreiphasen-Induktionsmotors, der durch einen WBG-Wechselrichter angetrieben wird, beschrieben.
Zuerst unter der Annahme, dass die Anzahl von Rotornuten N_r ist, die Anzahl von Statornuten N_s ist und die Anzahl von Polen N_p ist. Die Quintessenz des Dreiphasen-Induktionsmotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, die folgende Beziehung zwischen diesen Parametern, das heißt der Anzahl von Rotornuten N_r, der Anzahl von Statornuten N_s und der Anzahl von Polen N_p, zu erfüllen.
$N_{r} \leq N_{s} {-N}_{p} -6$
Bevor die technischen Belange beschrieben werden, die durch die obige Formel (1) beabsichtigt werden, werden Bedingungen für die Antriebsseite, die den Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform antreibt, beschrieben.
Wie im Abschnitt „Technisches Problem“ beschrieben, ist der Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Dreiphasen-Induktionsmotor, der als Reaktion auf eine Einspeisung von AC-Leistung von einem WBG-Wechselrichter rotierend angetrieben wird und dazu ausgebildet ist, in der Lage zu sein, effektiv Charakteristiken zu gebrauchen, wenn er durch einen WBG-Wechselrichter angetrieben wird.
5 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Fahrzeugantriebssystems, das einen Dreiphasen-Induktionsmotor antreibt (in 5 als ein „Hauptmotor“ bezeichnet), zum Antreiben eines Schienenfahrzeugs, das einen WBG-Wechselrichter verwendet, veranschaulicht. In 5 beinhaltet ein Fahrzeugantriebssystem 61 eine Eingangsschaltung 62, einen Wechselrichter 63 und eine Steuereinheit 67. Die Eingangsschaltung 62 beinhaltet zumindest einen Unterbrecher, einen Filterkondensator und einen Filterreaktor (die nicht veranschaulicht sind). Der Wechselrichter 63, der als ein WBG-Wechselrichter dient, beinhaltet Schaltelemente 64a, 65a, 66a, 64b, 65b und 66b und ist mit mindestens einem oder mehreren Hauptmotoren 68 zum Antreiben eines Schienenfahrzeugs verbunden. Die Steuereinheit 67 erzeugt Schaltsignale U, V, W, X, Y und Z und gibt diese aus, um eine PWM-Steuerung an den Schaltelementen 64a, 65a, 66a, 64b, 65b bzw. 66b, die im Wechselrichter 63 bereitgestellt sind, durchzuführen.
In 5 ist ein Ende der Eingangsschaltung 62 über einen Stromkollektor 71 elektrisch mit einer Oberleitung 70 verbunden und das andere Ende ist über ein Rad 73 elektrisch mit einer Schiene 72, die das Massepotenzial ist, verbunden. DC-Leistung oder AC-Leistung, die von der Oberleitung 70 eingespeist wird, wird über den Stromkollektor 71 in das eine Ende der Eingangsschaltung 62 eingegeben und elektrische Leistung (DC-Spannung), die am Ausgangsende der Eingangsschaltung 62 erzeugt wird, wird in den Wechselrichter 63 eingegeben (an diesen angelegt). In 5 ist die Oberleitung 70 als eine DC-Oberleitung veranschaulicht, aber die Oberleitung 70 kann eine AC-Oberleitung sein. Im Fall der AC-Oberleitung muss sie nur einen Transformator an der Vorstufe der Eingangsschaltung 62 beinhalten, wobei die Einzelheiten des Designgegenstands ausgelassen sind.
Der Wechselrichter 63 beinhaltet Schenkel, in denen ein positiver Arm, der die Schaltelemente 64a, 65a und 66a (zum Beispiel 64a in der U-Phase) beinhaltet, bzw. ein negativer Arm, der die Schaltelemente 64b, 65b und 66b (zum Beispiel 64b in der U-Phase) beinhaltet, in Reihe geschaltet sind. Das heißt, der Wechselrichter 63 beinhaltet eine Dreiphasen-Brückenschaltung, die drei Sätze von Schenkeln (die der U-Phase, V-Phase und W-Phase entsprechen) beinhaltet. Als die Schaltelemente 64a, 65a, 66a, 64b, 65b und 66b werden Schaltelemente verwendet, die Halbleiter mit breiter Bandlücke (SiC, GaN usw.) verwenden. Im Beispiel von 5 ist die beispielhafte Konfiguration für den Fall veranschaulicht, bei dem die Anzahl von Schenkeln drei (drei Phasen) beträgt, aber die Anzahl von Schenkeln ist nicht auf diese Anzahl beschränkt.
Der Wechselrichter 63 führt eine PWM-Steuerung an den Schaltelementen 64a, 65a, 66a, 64b, 65b und 66b basierend auf den Schaltsignalen (PWM-Signalen) U, V, W, X, Y und Z, die von der Steuereinheit 67 ausgegeben werden, durch, wodurch die DC-Spannung, die von der Eingangsschaltung 62 eingegeben wird, in eine AC-Spannung mit einer beliebigen Frequenz und einer beliebigen Spannung umgewandelt wird und die AC-Spannung ausgegeben wird. Hier sind die Schaltsignale U, V und W Steuersignale zum Durchführen einer PWM-Steuerung an den Schaltelemente 64a, 65a bzw. 66a (das heißt, den Schaltelementen des positiven Arms). Gleichermaßen sind die Schaltsignale X, Y und Z Steuersignale zum Durchführen einer PWM-Steuerung an den Schaltelementen 64b, 65b bzw. 66b (das heißt, den Schaltelementen des negativen Arms). Da die Konfiguration der Steuereinheit 67 zum Durchführen einer PWM-Steuerung und die Konfiguration der Eingangsschaltung 62 zum Annehmen der elektrischen Leistung von der Oberleitung 70, um die elektrische Leistung in den Wechselrichter 63 einzuspeisen, wohl bekannt sind, wird eine ausführliche Beschreibung von diesen weggelassen.
Wie oben beschrieben, ist der Leitungsverlust des Stroms, der im WBG-SW-Element fließt, im WBG-Wechselrichter klein und der Grenzwert des Motorstroms ist wesentlich entspannt. Des Weiteren, falls der Motorstrom erhöht werden kann, kann die Spannung, die am Hauptmotor 68 angelegt wird, verringert werden und eine Steuerung kann nur durch die PWM-Steuerung über den gesamten Drehzahlbereich im Fahrzeugantriebssystem, das mit dem Hauptmotor 68 ausgerüstet ist, durchgeführt werden. Dieser Punkt wird ferner unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
6 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Vergleichs zwischen einem Steuerverfahren mit einem WBG-Wechselrichter (nachfolgend als das „vorliegende Verfahren“ bezeichnet) und einem Steuerverfahren mit einem Si-Wechselrichter (nachfolgend als das „herkömmliche Verfahren“ bezeichnet). In 6 ist die Wellenform, die durch die dicke durchgezogene Linie angegeben wird, der Zielstrom (Zielstrom für den Motor, das gleiche soll nachfolgend gelten) für den Fall des Verwendens des vorliegenden Verfahrens und die Wellenform, die durch die dicke gestrichelte Linie angegeben wird, ist die Zielspannung (Zielspannung für den Motor, das gleiche soll nachfolgend gelten) für den Fall des Verwendens des vorliegenden Verfahrens. Andererseits ist die Wellenform, die durch die Ein-Punkt-Kettenlinie angegeben wird, der Zielstrom für den Fall des Verwendens des herkömmlichen Verfahrens und die Wellenform, die durch die Zwei-Punkt-Kettenlinie angegeben wird, ist Zielspannung für den Fall des Verwendens des herkömmlichen Verfahrens.
Wie in 6 veranschaulicht, wird die Motorsteuerung gemäß dem herkömmlichen Verfahren in einem PWM-Steuermodus durchgeführt, bei dem der Zielstrom konstant gehalten wird, bis die Drehzahl des Motors einen festgelegten Wert erreicht, und die Zielspannung wird gemäß der Drehzahl proportional erhöht. Wenn jedoch die Drehzahl gleich oder größer als der festgelegte Wert ist, wird die Motorsteuerung gemäß dem herkömmlichen Verfahren in einem Steuermodus (Nicht-PWM-Steuermodus) durchgeführt, bei dem die Zielspannung während eines Multipulsmodus, wie etwa einem Synchronpulsmodus, gesteuert wird, konstant zu sein.
Andererseits kann die Steuerung gemäß dem vorliegenden Verfahren in einem PWM-Steuermodus durchgeführt werden, bei dem der Zielstrom konstant gehalten wird und die Zielspannung gemäß der Drehzahl im Gebiet bis zur Maximaldrehzahl des Motors (gesamten Steuergebiet) proportional erhöht wird. In diesem Fall, obwohl die Zielspannung kleiner als die Zielspannung des herkömmlichen Verfahrens ist, ist es möglich, da der Zielstrom größer als der Zielstrom des herkömmlichen Verfahrens ist, das benötigte Drehmoment zu gewährleisten, das gleich (oder gleich oder größer als) dem herkömmlichen Verfahren ist. Wenn das vorliegende Verfahren angenommen wird, ist es möglich, die Nutzbremsung selbst zum Zeitpunkt von zum Beispiel einem Hochgeschwindigkeitsausrollen zu verwenden, sodass die regenerative Energie effektiv genutzt werden kann und der Leistungsverbrauch verringert werden kann. Zusätzlich dazu kann durch ein Hemmen der Gebrauchshäufigkeit der mechanischen Bremse eine Abnutzung der mechanischen Bremse gehemmt werden und die Betriebsdauer der mechanischen Bremse kann verlängert werden.
Als Nächstes wird die Bedeutung der obigen Formel (1) beschrieben. Erstens beinhaltet der Oberschwingungsverlust, der im durch den Wechselrichter angetriebenen Dreiphasen-Induktionsmotor erzeugt wird, Folgendes: den Oberschwingungsverlust, der durch Oberschwingungen erzeugt wird, die in der daran angelegten Spannungswellenform enthalten sind, das heißt, die Oberschwingungsspannung (im Allgemeinen als der Wechselrichter-Oberschwingungsverlust bezeichnet); und den Oberschwingungsverlust, der durch räumliche Oberschwingungen erzeugt wird, die innerhalb des Motors erzeugt werden (im Allgemeinen als der räumliche Oberschwingungsverlust bezeichnet). Wenn der WBG-Wechselrichter verwendet wird, werden die Wechselrichter-Oberschwingungen verringert, sodass der räumliche Oberschwingungsverlust als der Oberschwingungsverlust im Dreiphasen-Induktionsmotor vorherrschend wird.
Im Allgemeinen wird der räumliche Oberschwingungsverlust in Statornut-Oberschwingungen, die durch die Permeanzpulsation des Nutenabschnitts und des Zahnabschnitts erzeugt werden, und in Stator-Magnetomotorische-Kraft-Oberschwingungen, die aufgrund der schrittweisen Form der magnetomotorischen Kraft erzeugt werden, da die Statorwicklung in den Nuten verstaut ist, kategorisiert.
Die Stator-Magnetomotorische-Kraft-Oberschwingungen sind allgemein klein, falls die Anzahl von Nuten pro Pol und Phase zwei oder mehr beträgt. Daher sind die räumlichen Oberschwingungen, die die Hauptoberschwingungen des räumlichen Oberschwigungsverlustes sind, die Statornut-Oberschwingungen. Der Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist auch eine ähnliche Struktur auf, aber, insbesondere, wenn eine auf einen Spulenkörper aufgewickelte Spule verwendet wird, vom Blickpunkt des Verbesserns der Durchführbarkeit der Spuleneinführung aus gesehen, der Öffnungsabschnitt der Statornut weist eine offene Nutenstruktur auf, sodass die Statornut-Oberschwingungen besonders groß werden.
Daher ist es wünschenswert, dass die Anzahl von Rotornuten in einem Motor, der unter Verwendung eines WBG-Wechselrichters gesteuert wird, kleiner als die Anzahl von Statornuten ist. Der Grund dafür besteht darin, dass, falls die Anzahl von Rotornuten größer als die Anzahl von Statornuten ist, ein Großteil der pulsierenden Komponente des magnetischen Flusses aufgrund der Statornut-Oberschwingungen zwischen Leitern in angrenzenden Rotornuten empfangen wird und sich der Oberschwingungsverlust erhöht.
Zum Zweck des Verringerns eines derartigen Oberschwingungsverlustes ist eine Technik zum Verdrehen eines Sekundärleiters eines Rotors in die axiale Richtung bekannt. In einem Fall, bei dem der Sekundärleiter, der in die Rotornut eingeführt wird, ein Metallstab ist, ist es jedoch schwierig, den Sekundärleiter in die axiale Richtung zu verdrehen. Daher werden in einem Motor, der eine Struktur aufweist, bei der der Sekundärleiter nicht in die axiale Richtung verdreht ist, viele Oberschwingungsströme im Sekundärleiter, der in die Rotornut eingeführt wird, induziert.
Währenddessen ist bekannt, dass die elektromagnetische Schwingung und das elektromagnetische Rauschen, die im Motor erzeugt werden, durch die Beziehung zwischen der Anzahl von Statornuten N_s, der Anzahl von Rotornuten N_r und der Anzahl von Polen N_p verursacht werden. Es ist auch bekannt, dass, falls die Schwingung des Motors hinsichtlich ihrer Mode analysiert wird, die Schwingung in einer kleinen Mode von vierter Ordnung oder weniger erzeugt wird, das heißt einer Mode vierter Ordnung, die den Stator in ein Viereck verformt, einer Mode dritter Ordnung, die den Stator in ein Dreieck verformt, und einer Mode zweiter Ordnung, die den Stator in eine Ellipse verformt. Um die elektromagnetische Schwingung und das elektromagnetische Rauschen, die im Motor erzeugt werden, zu verringern, ist es daher notwendig, die Anregungskraft in der Mode vierter Ordnung oder weniger zu verringern. Dies kann durch den folgenden Beziehungsausdruck unter Verwendung der Anzahl von Statornuten N_s, der Anzahl von Rotornuten N_r und der Anzahl von Polen N_p ausgedrückt werden.
$N_{r} < N_{s} {-N}_{p} -4$
Falls die Differenz zwischen der Anzahl von Statornuten und der Anzahl von Rotornuten eine ungerade Zahl ist, kann die Schwingung des Wellensystems verursacht werden und es besteht eine Möglichkeit einer großen Schwingung in Abhängigkeit von der Belastung. Zusätzlich dazu kann auch eine elektromagnetische Kraft zum Verursachen der Exzentrizität des Rotors erzeugt werden und es ist notwendig, zu verhindern, dass die Differenz zwischen der Anzahl von Statornuten N_s und der Anzahl von Rotornuten N_r eine ungerade Zahl wird. Angesichts dieses Punktes ist ein bevorzugter Beziehungsausdruck, der die Anzahl von Statornuten N_s und die Anzahl von Rotornuten N_r miteinander in Beziehung setzt, die obige Formel (1), die durch ein Modifizieren von der obigen (2) erhalten wird.
$N_{r} \leq N_{s} {-N}_{p} -6$
(oben genannt)
In der oben beschriebenen Konfiguration von 1 sind N_r= 38, N_s= 48 und N_p=4 erfüllt und (linke Seite)= 38 und (rechte Seite)= 48-4-6= 38 werden erhalten. Daher ist die obige Formel (1) erfüllt.
Als Nächstes wird der Grund, warum die Konfiguration von 1 bisher noch nicht angenommen worden ist, unter Verwendung eines Hauptmotors zum Antreiben eines Schienenfahrzeugs (nachfolgend als ein „Eisenbahnhauptmotor“ bezeichnet) als ein Beispiel beschrieben.
Der Eisenbahnhauptmotor beinhaltet aufgrund seines weiten Drehzahlbereichs hauptsächlich vier Pole oder sechs Pole und insbesondere wird allgemein die Konfiguration von vier Polen verwendet. Zusätzlich dazu weist der Eisenbahnhauptmotor eine Ausstattungsbeschränkung auf: das Gehäuse muss in einem Schlitten unter dem Boden eines Schienenfahrzeugs untergebracht werden. Aus diesem Grund muss der Innendurchmesser des Stators des Eisenbahnhauptmotors innerhalb des Bereichs von etwa φ 250 bis φ 350 [mm] liegen. Die untere Grenze (φ 250) des Innendurchmessers des Stators ist eine Anforderung vom Motorausgang.
In einem Fall, bei dem der Eisenbahnhauptmotor ein Vierpolmotor ist und die Anzahl von Statornuten pro Pol und Phase auf drei gesetzt wird (36 für den gesamten Stator), ist die Maximalanzahl von Rotornuten, die die Formel (1) erfüllt, 26 und der Rotornutenabstand beträgt 30,2 mm bis 42,3 mm, wenn sich der Innendurchmesser des Stators im Bereich von φ 250 bis φ 350 befindet. Da jedoch der Sekundärleiter des Rotors ein Metallstab ist, das heißt ein Leiterstab, weist, falls ein Leiterstab in einem derartigen weiten Bereich eingeführt wird, ein Eisenbahnhauptmotor mit einem weiten Drehzahlbereich ein Problem in der Festigkeit des Nutenöffnungsabschnitts im Rotor-Eisenkern, der den Leiterstab durch eine Zentrifugalkraft stützt, auf. Natürlich ist es denkbar, einen kleinen Leiterstab relativ zum Rotornutenabstand anzunehmen. Das Annehmen eines kleinen Leiterstabs verursacht jedoch ein Problem, dass sich der Widerstand des Sekundärleiters erhöht und die Effizienz verschlechtert wird. Daher wird herkömmlicherweise die Konfiguration angenommen, bei der erlaubt wird, dass sich der Oberschwingungsverlust des Stators erhöht, und bei der die Anzahl von Rotornuten auf 46 gesetzt wird. Andererseits beträgt der Statornutenabstand 21,8 mm bis 30,5 mm, wenn sich der Innendurchmesser des Stators im Bereich von φ 250 bis φ 350 befindet, was ein geeigneter Abstand zum Einführen einer auf einem Spulenkörper aufgewickelten Spule in Anbetracht der Isolierung ist. Da sich der Verlust, der im Strang der Statorspule erzeugt wird, aufgrund der Oberschwingungen, die im Statorstrom enthalten sind, erhöht, wenn die Statornutenbreite abnimmt, wird die Konfiguration, die 36 Statornuten (die Anzahl von Statornuten pro Pol und Phase ist drei) beinhaltet, herkömmlicherweise als geeignet angesehen.
Seit der Einführung des WBG-Wechselrichters haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung jedoch herausgefunden, dass, falls die Oberschwingungskomponenten, die im Statorstrom enthalten sind, verringert werden, der Verlust nicht wesentlich erhöht wird, selbst wenn der Statornutenabstand verkleinert wird. Obwohl die Anzahl von Statornuten pro Pol und Phase vier beträgt (48 Nuten für einen Vierpolmotor und 72 Nuten für einen Sechspolmotor), ist die Zunahme im Verlust aufgrund der Wechselrichter-Oberschwingungen jedoch sehr klein und die Maximalanzahl von Rotornuten, die durch die obige Formel (1) angegeben wird, das heißt 38 (im Fall eines Vierpolmotors), ist erzielt worden. In einem Fall, bei dem die Anzahl von Rotornuten 38 beträgt, beträgt der Rotornutenabstand 20,7 mm bis 28,9 mm, wenn der Innendurchmesser des Stators im Bereich von φ 250 bis φ 350 liegt, sodass es möglich ist, die Abnahme in der Festigkeit des Nutenöffnungsabschnitts gegenüber der Zentrifugalkraft zu unterdrücken, ohne die Fläche des Sekundärleiters zu verringern, das heißt, ohne den Sekundärwiderstand zu erhöhen.
In einem Fall, bei dem die Anzahl von Nuten pro Pol und Phase in einem Vierpolmotor sechs ist, beträgt die Gesamtanzahl von Nuten des Stators 2 4×6×3=72. in einem Fall, bei dem die Gesamtanzahl von Nuten 72 ist, beträgt der Rotornutenabstand 10,9 mm bis 15,3 mm, wenn der Innendurchmesser des Stators im Bereich von φ 250 bis φ 350 liegt. Dadurch beträgt die Nutenbreite etwa 5 mm bis 8 mm und es ist schwierig, die Querschnittsfläche des Leiters in Anbetracht der Isolationsdicke zu erlangen. Eine weitere Verringerung in der Nutenbreite ist nicht wünschenswert, da eine Erhöhung im Kupferverlust verursacht wird. Daher ist es wünschenswert, die folgende Beziehung zwischen der Anzahl von Statornuten N_s, der Anzahl von Polen N_p und der Anzahl von Phasen m zu erfüllen.
$4 \leq {N_{s} / ({mN}_{p})} \leq 6$
Bezüglich der oben beschriebenen Isolationsdicke wird die benötigte Isolationsdicke durch die angelegte Spannung bestimmt und es ist schwierig, die Isolationsdicke kleiner als erforderlich zu machen. Daher ähnelt die Isolationsdicke, die für eine schmale Nutenbreite benötigt wird, der Isolationsdicke für eine breite Nutenbreite und die Querschnittsfläche des Leiters wird relativ klein.
Wie oben beschrieben, ist der Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform derart ausgebildet, dass die Beziehung der obigen Formel (1) erfüllt wird, unter der Annahme, dass die Anzahl von Rotornuten N_r ist, die Anzahl von Statornuten N_s ist und die Anzahl von Polen N_p ist. Daher kann der Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform Charakteristiken effektiv gebrauchen, wenn er durch den WBG-Wechselrichter angetrieben wird. Mit dieser Konfiguration kann die Welligkeit des Stroms, der in den und aus dem Dreiphasen-Induktionsmotor fließt, verringert werden und die Oberschwingungskomponenten, die im Motorstrom enthalten sind, können verringert werden. Zusätzlich dazu, da der Grenzwert des Motorstroms entspannt und erhöht werden kann, kann die Spannung, die am Dreiphasen-Induktionsmotor angelegt wird, verringert werden, eine Steuerung kann nur durch die PWM-Steuerung über den gesamten Drehzahlbereich im Antriebssystem durchgeführt werden und eine Wechselrichtersteuerung kann vereinfacht werden.
In einem Fall, bei dem der Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform als ein Eisenbahnhauptmotor verwendet wird, ist es wünschenswert, den Dreiphasen-Induktionsmotor derart auszubilden, dass die Beziehung der obigen Formel (3) zwischen der Anzahl von Statornuten N_s, der Anzahl von Polen N_p und der Anzahl von Phasen m erfüllt ist.
In vielen Eisenbahnhauptmotoren, vom Blickpunkt des Einsparens bei der Wartung aus gesehen, werden vollständig geschlossene Motoren, die mit einem Glied bedeckt werden, das der Außenluft abgeschirmt ist, angenommen. Aufgrund der Struktur des vollständig geschlossenen Hauptmotors, bei der der Innenraum des Motors luftdicht abgeschlossen ist, kann Außenluft nicht direkt in den Motor zur Kühlung eingeführt werden, sodass sich die Temperatur innerhalb des Motors erhöht. Daher ist die Technik gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die durch ein WBG-SW-Element mit hoher Wärmebeständigkeit angetrieben wird, zur Verwendung in einem vollständig geschlossenen Dreiphasen-Induktionsmotor geeignet.
Obwohl der verringerte Oberschwingungsverlust als eine der Charakteristiken des WBG-Wechselrichters beschrieben worden ist, bedeutet diese Charakteristik in einem anderen Sinne, dass der Verlust aufgrund der Grundwelle größer als der des herkömmlichen Elements ist. Daher muss Sorge getragen werden, den Verlust nicht aufgrund der Grundwelle zu erhöhen. 7 ist eine Vergleichsansicht zum Erläutern dieser Sorge. In der in 3 veranschaulichten Konfiguration, als die Spulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, sind die Stränge 52, die die Spule 50 bilden, in einer Zeile in die Umfangsrichtung innerhalb der Nut 3a, die die Statornut ist, angeordnet. In der in 7 veranschaulichten Konfiguration als ein Vergleichsbeispiel sind die Stränge 52, die die Spule 50 bilden, jedoch in zwei Zeilen in die Umfangsrichtung innerhalb der Nut 3a angeordnet. In 7 werden den Komponenten, die äquivalent zu den Komponenten in 3 sind, die gleichen Bezugszeichen gegeben.
Der Verlust ist kleiner, wenn die Stränge 52 in der Nut 3a, die die Statornut ist, so breit wie möglich gemacht werden, mit Ausnahme des Isolationsabschnitts. In einem Fall, bei dem es zwei oder mehr Zeilen von Strängen 52 in der Nut gibt, ist ein Isolationsabschnitt 54 zwischen den Zeilen vorhanden, wie in 7 veranschaulicht, und die Querschnittsfläche des Leiters ist kleiner als die der einzeiligen Anordnung. Daher kann gesagt werden, dass eine Annahme einer einzeiligen Anordnung effektiv ist, wenn ein WBG-Wechselrichter verwendet wird.
In einem Teil der obigen Beschreibung ist der Fall, bei dem der Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform als ein Eisenbahnhauptmotor verwendet wird, beschrieben worden. Es liegt jedoch auf der Hand, dass der Dreiphasen-Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform für andere Anwendungen als für Schienenfahrzeuge verwendet werden kann.
Die in der oben erwähnten Ausführungsform beschriebene Konfiguration gibt ein Beispiel der Inhalte der vorliegenden Erfindung an. Die Konfiguration kann mit einer anderen wohlbekannten Technik kombiniert werden und ein Teil der Konfiguration kann in einem Bereich, der nicht von der Quintessenz der vorliegenden Erfindung abweicht, ausgelassen oder geändert werden.
Bezugszeichenliste
1 Dreiphasen-Induktionsmotor; 2 Stator; 3 Stator-Eisenkern; 3a Nut (Statornut); 3b Zahn; 4 Statorwicklung; 5 Rotor; 6 Rotor-Eisenkern; 7 Nut (Rotornut); 18 Lücke; 21 Verbindungsstab (erster Verbindungsstab: für U-Phasen-Verbindung); 22 Verbindungsstab (zweiter Verbindungsstab: für V-Phasen-Verbindung); 23 Verbindungsstab (dritter Verbindungsstab: für W-Phasen-Verbindung); 24 Verbindungsstab (vierter Verbindungsstab: für Neutralpunkt-Verbindung); 30 Anschlussdraht; 50 Spule; 50a untere Spule; 50b obere Spule; 51 Welle; 52 Strang; 54 Isolationsabschnitt; 61 Fahrzeugantriebssystem; 62 Eingangsschaltung; 63 Wechselrichter; 64a, 65a, 66a, 64b, 65b, 66b Schaltelement; 67 Steuereinheit; 68 Hauptmotor; 70 Oberleitung; 71 Stromkollektor; 72 Schiene; 73 Rad.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5615443 [0003]

Claims

Dreiphasen-Induktionsmotor, der als Reaktion auf ein Einspeisen einer AC-Leistung von einem Wechselrichter, der ein Schaltelement beinhaltet, das unter Verwendung eines Halbleiters mit breiter Bandlücke gebildet ist, rotierend angetrieben ist, wobei der Dreiphasen-Induktionsmotor Folgendes aufweist: einen Stator, der eine Statornut mit einer offenen Nutenstruktur zum Einführen einer auf einem Spulenkörper aufgewickelten Spule beinhaltet; und einen Rotor, der eine Rotornut beinhaltet, in die ein Sekundärleiter eingeführt ist, wobei der Rotor über eine Lücke innerhalb des Stators angeordnet ist, wobei, unter der Annahme, dass die Anzahl von Rotornuten N_r ist, die Anzahl von Statornuten N_s ist und die Anzahl von Polen N_p ist, der Dreiphasen-Induktionsmotor derart ausgebildet ist, dass eine Beziehung der untenstehenden Formel (1) erfüllt ist: $N_{r} \leq N_{s} {-N}_{p} -6$
Dreiphasen-Induktionsmotor nach Anspruch 1, wobei der Dreiphasen-Induktionsmotor als ein Hauptmotor zum Antreiben eines Schienenfahrzeugs verwendet ist.
Dreiphasen-Induktionsmotor nach Anspruch 2, wobei der Dreiphasen-Induktionsmotor ein vollständig geschlossener Dreiphasen-Induktionsmotor ist.
Dreiphasen-Induktionsmotor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Anzahl von Statornuten pro Pol und Phase vier oder mehr und sechs oder weniger beträgt.
Dreiphasen-Induktionsmotor nach Anspruch 4, wobei die Anzahl von Statornuten 48 beträgt, die Anzahl von Rotornuten 38 beträgt und die Anzahl von Polen 4 beträgt.
Dreiphasen-Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Stränge, die die auf dem Spulenkörper aufgewickelte Spule bilden, in einer Zeile in eine Umfangsrichtung angeordnet sind.