TW201537870A - 機械裝置 - Google Patents

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Shinichi Yamaguchi
Koki Naka
Takuro Isogai
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

本發明提供一種機械裝置，為了達到高效率感應電動機之消耗電力刪減效果的最大化，本發明之具有感應電動機及減速機構之機械裝置，係從習知之感應電動機變更為高效率感應電動機時，增大減速機的減速比，俾使機械裝置之旋轉速度與習知之感應電動機使用時相等，而使機械裝置之輸出與習知之感應電動機使用時相等，泵或風扇等機械裝置之負載條件也能與習知之感應電動機使用時相等，因此，能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。

Description

機械裝置
本發明係有關機械裝置。
以往，為了抑制及刪減能源(energy)的消耗量，感應電動機被使用在泵(pump)、風扇(fan)、壓縮機等各式各樣的機械裝置，為了達到進一步刪減消耗電力，正進展著感應電動機本身的高效率化及機械裝置之控制方法的開發。
例如，於專利文獻1中，揭示有以下技術：於最高穩定旋轉速度範圍內，藉由交互地反覆進行以電動機所為之加速而使其旋轉的加速旋轉、及切斷電動機之通電而使其藉由慣性而旋轉的慣性旋轉的控制，以將機械裝置之旋轉保持於最高穩定旋轉速度範圍內，此時，於切斷電動機之通電而使其藉由慣性而旋轉之慣性旋轉時，切斷馬達(motor)之通電以謀求消耗電力的減低。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開第2001-120880號公報
然而，上述習知之技術無法運用於使用以定額速度旋轉之感應電動機的機械裝置。此外，若將高效率感應電動機運用到機械裝置，則高效率感應電動機的旋轉速度與相同輸出時之習知之感應電動機(非高效率感應電動機)相比較，具有旋轉速度變快的傾向。因此，伴隨著感應電動機之旋轉速度的增加，泵裝置本身的機械輸出也會增加，故存在著由於輸出增加而無法充分地刪減消耗電力的問題。
本發明係鑒於上述問題而完成者，目的在於獲得一種運用有可充分地刪減消耗電力之高效率感應電動機的機械裝置。
為了解決上述的課題來達成目的，本發明之機械裝置的特徵，係具備：使小徑皮帶輪(pulley)(或小徑齒輪(gear))旋轉的感應電動機、及包含藉由前述小徑皮帶輪(pulley)(或小徑齒輪(gear))的旋轉運動而被驅動的大徑皮帶輪所連接的旋轉機構的裝置，其中，係以相對於前述小徑皮帶輪(或小徑齒輪)之直徑，使屬於前述大徑皮帶輪(或大徑齒輪)之直徑的比的減速比增大，而於前述大徑皮帶輪(或大徑齒輪)抵消前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度的增加份，而抑制起因於將前述感應電動機設為高效率感應電動機之旋轉速度的增加份所造 成的前述大徑皮帶輪(或大徑齒輪)之旋轉速度的增加。
根據本發明，能達成可獲得運用有可充分地刪減消耗電力之感應電動機的機械裝置的效果。
21‧‧‧感應電動機
22‧‧‧泵
23‧‧‧帶
31‧‧‧小徑皮帶輪
32‧‧‧大徑皮帶輪
41至44‧‧‧曲線
51至55‧‧‧直線
61、62‧‧‧齒輪
第1圖係顯示實施樣態之機械裝置之外觀的斜視圖。
第2圖係顯示實施樣態之機械裝置之帶/皮帶輪之剖面放大圖的圖。
第3圖係顯示實施樣態之機械裝置中，一般習知之感應電動機(標準馬達)與高效率感應電動機(高效率馬達)之損失比較的圖。
第4圖係顯示實施樣態之機械裝置之感應電動機的旋轉速度與轉矩(torque)之關係的圖。
第5圖係顯示實施樣態之機械裝置之感應電動機的旋轉速度與轉矩之關係的圖(第4圖之一部分的放大圖)。
第6圖係顯示實施樣態之機械裝置中，相對於習知之感應電動機而將高效率感應電動機之二次電阻比及滑動s設為參數(parameter)時，用以將習知之感應電動機使用時與高效率感應電動機使用時之旋轉速度設為相等之減速比增加率的圖。
第7圖係顯示實施樣態之齒輪的剖面圖。
以下，依據圖示來詳細說明本發明之機械 裝置之實施形態。又，並非以本實施形態來限定本發明。
(實施形態)
第1圖係顯示本發明之機械裝置之實施形態之外觀的斜視圖。第1圖所示之機械裝置係具有感應電動機(馬達)及減速機構的泵裝置，具備有：感應電動機21、泵22、帶23、皮帶輪(感應電動機21側之小徑皮帶輪31及泵22側之大徑皮帶輪32)。第1圖所示之機械裝置之感應電動機21係高效率感應電動機。在此說明，所謂高效率感應電動機，是指與習知之非高效率感應電動機比較，於相同輸出的效率較高，旋轉速度較快的感應電動機。
第2圖係顯示第1圖之機械裝置之帶/皮帶輪之剖面放大圖的圖。第2圖所示之帶/皮帶輪中，相對於小徑皮帶輪31之直徑，大徑皮帶輪32之直徑係比習知的還大。例如，若將習知之小徑皮帶輪的直徑與大徑皮帶輪的直徑的比設為30：40，則本實施形態之小徑皮帶輪的直徑與大徑皮帶輪的直徑的比就設為30：41。如此一來，當相對於小徑皮帶輪的直徑而將大徑皮帶輪的直徑設得大，就能增大使用高效率感應電動機時之減速比，習知之減速比40/30，而本例子中則為41/30。具體而言，當感應電動機21之旋轉速度設為Nm，小徑皮帶輪31的直徑DS與大徑皮帶輪32的直徑DL的比設為DS：DL，則泵的旋轉速度NP能利用減速比a=DL/DS而以下列式(1)來表示
依據上述式(1)，小徑皮帶輪31的直徑DS與大徑皮帶輪32的直徑DL的比如上述的例子，從習知之感應電動機變更為高效率感應電動機時，由30：40變更為30：41，則在習知之感應電動機使用時之泵的旋轉速度NP1與習知之感應電動機之旋轉速度Nm1係為NP1=0.75Nm1時，高效率感應電動機使用時之泵的旋轉速度NP2與高效率感應電動機之旋轉速度Nm2係為NP2=0.73Nm2。相對於此，高效率感應電動機之旋轉速度Nm2比相同輸出時之習知之感應電動機之旋轉速度Nm1還快(成為Nm1<Nm2)。如本實施形態所示，當將高效率感應電動機使用時之泵的減速比設成比習知之感應電動機使用時之減速比還大時，習知之感應電動機使用時之泵的旋轉速度NP1係與高效率感應電動機使用時之泵的旋轉速度NP2大致相等。藉此，由於在感應電動機之變更前後機械輸出沒有變化，所以能刪減感應電動機21之高效率化所造成的消耗電力。
其次說明高效率感應電動機之旋轉速度。第3圖係顯示一般習知之感應電動機(標準馬達)與高效率感應電動機(高效率馬達)之損失比較的圖。第3圖所示之損失係由一次銅損、二次銅損、鐵損、離散負載損失及機械損失所構成。依據第3圖，高效率感應電動機與一般習知的感應電動機比較，一次銅損及二次銅損減少。此乃由於高效率感應電動機之感應電動機的高效率化，亦即低損 失化，而減少一次電阻及二次電阻之故。
再者，說明感應電動機的電阻與旋轉速度。感應電動機的馬達輸出可利用以下所述的式(2)來表示。
在此說明，PM係馬達輸出，V係電源電壓，s係滑動(sliding)，r1係一次電阻，r2係二次電阻，X1係一次電抗(reactance)，X2係二次電抗。一般而言，感應電動機3於定額運轉時為s<<1，因此，由上述式(2)，滑動與輸出的關係能利用以下所述的式(3)來近似。
由上述式(3)，輸出固定時之滑動s能利用以下所述的式(4)來表示。
由上述式(4)，輸出固定時之感應電動機之旋轉速度N能利用以下所述的式(5)來表示。
在此說明，N0係同步旋轉速度，fe係電源頻率，p係感應電動機的極對數。由上述式(4)，當二次電阻 較小時，感應電動機之定額輸出時的滑動變少，由上述式(5)，旋轉速度變快。
第4圖係顯示感應電動機的旋轉速度與轉矩之關係的圖。第5圖係顯示感應電動機的旋轉速度與轉矩之關係的圖，且係第4圖之一部分的放大圖。第4圖及第5圖中，曲線41係習知之感應電動機的曲線，曲線42係高效率感應電動機的曲線，曲線43係對高效率感應電動機進行減速比變更情形下的曲線。第4圖及第5圖也顯示在一般性用途的旋轉速度與負載轉矩的關係(曲線44)。負載轉矩(曲線44)與感應電動機的速度轉矩(曲線41、42、43)的交點成為動作點。
第5圖中，由一般性用途的負載轉矩來看，習知之感應電動機的動作點為L點(曲線41與曲線44的交點)，高效率感應電動機的動作點為M點(曲線42與曲線44的交點)。此乃由於高效率感應電動機係減低二次電阻，使感應電動機之定額輸出時的滑動也變小而會使旋轉速度上升之故。如此一來，在M點的速度及轉矩的雙方比L點大，結果為輸出增加。並且，因應於此而使輸入電力也增加，雖然對感應電動機而言係達到高效率化，但是有可能增加機械裝置的消耗電力。
相對於此，第4圖及第5圖中，也顯示與使用習知之感應電動機的情形比較，使用高效率感應電動機時之減速比較大情形下的特性(曲線43)。由第4圖及第5圖，藉由與使用習知之感應電動機的情形比較，使用高 效率感應電動機時之減速比較大的情形可得知，習知之感應電動機使用時之機械裝置的旋轉速度與高效率感應電動機使用時之機械裝置的旋轉速度在L點大致相等，而在感應電動機變更前後，機械輸並出無變化。如此一來，依據本實施形態，不會有機械裝置之輸出增加而造成輸入電力的增加，能發揮以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果。
此外，也可著眼於感應電動機之旋轉速度係因二次電阻而改變的情形來決定減速比。若是將習知之感應電動機使用時之減速比設為α，將高效率感應電動機使用時之減速比設為β，將習知之感應電動機之二次電阻設為r2，將高效率感應電動機之二次電阻設為A．r2(A為習知感應電動機與高效率感應電動機之二次電阻的比率)，則從上述式(5)等以及Np=N1/α=N2/β能利用以下所述之式(6)來表示用以將機械裝置之旋轉速度Np設成相同的條件。
因此，能利用以下所述的式(7)來表示用以使習知之感應電動機使用時與高效率感應電動機使用時之旋轉速度設成相等之減速比β。
β={1+s(1-A)}α…(7)
因此，一旦以上述式(7)來決定減速比β，則習知之感應電動機使用時之旋轉速度與高效率感應電動機使用時之旋轉速度大致相等，而由於在感應電動機變更前後，機械輸並出無變化。因此，能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。
再者，著眼於上述之式(6)來決定減速比增加率。第6圖係顯示相對於習知之感應電動機而將高效率感應電動機之二次電阻比及滑動s設為參數時，用以將習知之感應電動機使用時與高效率感應電動機使用時之旋轉速度設為相等之減速比增加率的圖。第6圖中，直線51係表示標準馬達之滑動6%時之減速比增加率的直線，直線52係表示標準馬達之滑動5%時之減速比增加率的直線，直線53係表示標準馬達之滑動4%時之減速比增加率的直線，直線54係表示標準馬達之滑動3%時之減速比增加率的直線，直線55係表示標準馬達之滑動2%時之減速比增加率的直線。由第6圖可得知，相對於習知之感應電動機高效率感應電動機之二次電阻比較小，而習知之感應電動機的滑動(定額旋轉速度)愈大，則用以將在感應電動機變更前後的旋轉速度設成同等之減速比增加率愈大。具體而言，若是假設將高效率感應電動機的二次電阻設成習知之感應電動機的大約50%以下，則必須將減速比設成1.01至1.06倍。
再者，本實施形態藉由感應電動機之拘束試驗來算出上述式(6)所用的習知之感應電動機與高效率 感應電動機之二次電阻比比率A，並藉由上述式(7)來算出減速比β。此外，所謂感應電動機之拘束試驗，係在固定感應電動機之轉子的狀態下對感應電動機之一次線圈施加定額頻率的低電壓，並對一次線圈通電流通接近定額電流的拘束電流，而測量此時之一次側的輸入來算出二次電阻的試驗。利用拘束試驗，能更正確地求得在感應電動機變更前後的旋轉速度成為相同的減速比，能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。
又，本實施形態中，將習知之感應電動機的定額旋轉速度設為N1，將習知之感應電動機使用時的減速比率設為α，將高效率感應電動機之定額旋轉速度設為N2時，則高效率感應電動機使用時的減速比β可利用以下所述式(8)來表示
由於感應電動機幾乎都在定額旋轉速度附近使用，所以藉由以上述的式(8)決定減速比，而在大多情形下，在感應電動機變更前後的旋轉速度也同等。如此一來，能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。
此外，本實施形態中，雖已說明為了變更減速比而變更皮帶輪的直徑，惟本發明不限定於此，而也可為在將減速機作成齒輪構造的機械裝置中變更齒輪的齒 數的構成(第7圖)。第7圖係顯示將本發明運用於齒輪之形態的圖。於第7圖中，齒輪61相當於小徑皮帶輪，齒輪62相當於大徑皮帶輪。齒輪的變更方法如本實施形態已說明者，只要是將習知之感應電動機使用時與高效率感應電動機使用時之旋轉速度設成同等即可。藉此，由於不會有在感應電動機變更前後之旋轉速度的變化，所以能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。
如以上說明，本實施形態之機械裝置的特徵，係具備：使小徑皮帶輪(或小徑齒輪)旋轉的感應電動機、及包含藉由前述小徑皮帶輪的旋轉運動而被驅動的大徑皮帶輪(或大徑齒輪)所連接的旋轉機構的裝置，其中，係以使相對於前述小徑皮帶輪(或小徑齒輪)之直徑，屬於前述大徑皮帶輪(或大徑齒輪)之直徑的比的減速比增大，而於前述大徑皮帶輪(或大徑齒輪)抵消前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度的增加份，而抑制起因於將前述感應電動機設為高效率感應電動機之旋轉速度的增加份所造成的前述大徑皮帶輪(或大徑齒輪)之旋轉速度的增加。或是，本實施形態之機械裝置，係於具有感應電動機與減速機的機械裝置中，以使從非高效率感應電動機變更為高效率感應電動機之後的前述機械裝置本身的旋轉速度與變更前的非高效率感應電動機使用時同等的方式，提高前述減速機的減速比為特徵。依據如此的構成，能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果 發揮到最大限度。
再者，上述構成之機械裝置中，也可為前述減速比係依據前述感應電動機之二次電阻而決定。如此的形態例如於上述式(7)顯示。依據如此的構成，由於不會有在感應電動機變更前後之旋轉速度的變化，所以能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。
又，上述構成之機械裝置中，依據拘束試驗來算出前述感應電動機之前述二次電阻即可。依據如此的構成，由於正確地決定減速比而在感應電動機變更前後不會有旋轉速度的變化，所以能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。
又，上述構成之機械裝置中，也可依據前述感應電動機之定額旋轉速度的比來決定前述感應電動機的減速比率。如此的形態例如於上述式(8)顯示。依據如此的構成，由於在感應電動機變更前後不會有旋轉速度的變化，所以能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度。
又，上述構成之機械裝置中，相對於前述小徑皮帶輪的直徑，屬於前述大徑皮帶輪的直徑之比的減速比，也可因應將前述感應電動機設成高效率感應電動機所造成之旋轉速度的增加份而決定在1.0%以上6.0%以下。依據如此的構成，能將馬達高效率化所造成之省能源效果發揮到最大限度。
或者，於與上述構成同樣的機械裝置中，也可為將前述感應電動機設成高效率感應電動機所造成之旋轉速度的增加份，並非相對於小徑皮帶輪之直徑而使屬於大徑皮帶輪之直徑的比的減速比增大，而係藉由減低對前述感應電動機供應電力的電源的頻率而在前述大徑皮帶輪相抵消。亦即，於具有感應電動機與減速機構的機械裝置中，由使用變頻器(inverter，有稱為反相器、換流器等情形)等可變頻率電源之習知的感應電動機置換成高效率感應電動機時，可以使機械裝置之旋轉速度成為與習知之感應電動機使用時同等的方式，減低變頻器的輸出頻率。將變頻器的輸出頻率以使機械裝置之旋轉速度與習知之感應電動機使用時同等之方式減低，在具體上係依據上述的式(7)等而將變頻器之輸出頻率減少約1.0至6.0%。如此一來，在感應電動機變更前後不會有旋轉速度的變化，而能將以感應電動機之高效率化所達致之消耗電力刪減效果發揮到最大限度
(產業上可利用性)
如以上所述，本發明之機械裝置對於具備有感應電動機的機器致為有用。
21‧‧‧感應電動機
22‧‧‧泵
23‧‧‧帶
31‧‧‧小徑皮帶輪
32‧‧‧大徑皮帶輪

Claims (10)

  1. 一種機械裝置，係具備：感應電動機，使小徑皮帶輪旋轉；及裝置，包含藉由前述小徑皮帶輪的旋轉運動而被驅動的大徑皮帶輪所連接之旋轉機構；前述機械裝置，係以相對於前述小徑皮帶輪之直徑使屬於前述大徑皮帶輪之直徑之比的減速比增大，而於前述大徑皮帶輪抵消將前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度的增加份，而抑制起因於將前述感應電動機設為高效率感應電動機之旋轉速度的增加份所造成的前述大徑皮帶輪之旋轉速度的增加。
  2. 一種機械裝置，係具備：感應電動機，使小徑齒輪旋轉；及裝置，包含藉由前述小徑齒輪的旋轉運動而被驅動的大徑齒輪所連接之旋轉機構；前述機械裝置，係以相對於前述小徑齒輪之直徑使屬於前述大徑齒輪之直徑的比的減速比增大，而於前述大徑齒輪抵消將前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度的增加份，而抑制起因於將前述感應電動機設為高效率感應電動機之旋轉速度的增加份所造成的前述大徑齒輪之旋轉速度的增加。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之機械裝置，其中， 前述減速比係依據前述感應電動機之二次電阻來決定。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之機械裝置，其中，前述感應電動機之前述二次電阻係藉由拘束試驗所算出者。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之機械裝置，其中，前述感應電動機之減速比率係依據前述感應電動機之定額旋轉速度來決定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之機械裝置，其中，相對於前述小徑皮帶輪之直徑，屬於前述大徑皮帶輪之直徑的比的減速比，係因應將前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度之增加份，而決定在1.0%以上6.0%以下。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之機械裝置，其中，相對於前述小徑齒輪之直徑，屬於前述大徑齒輪之直徑的比的減速比，係因應將前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度之增加份，而決定在1.0%以上6.0%以下。
  8. 一種機械裝置，係具備：感應電動機，使小徑皮帶輪旋轉；及裝置，包含藉由前述小徑皮帶輪的旋轉運動而被驅動的大徑皮帶輪所連接之旋轉機構；前述機械裝置，係以減低對前述感應電動機供應電力之電源的頻率的方式，使於前述大徑皮帶輪抵消 將前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度的增加份，而抑制起因於將前述感應電動機設為高效率感應電動機之旋轉速度的增加份所造成的前述大徑皮帶輪之旋轉速度的增加。
  9. 一種機械裝置，係具備：感應電動機，使小徑皮帶輪旋轉；及裝置，包含藉由前述小徑齒輪的旋轉運動而被驅動的大徑齒輪所連接之旋轉機構；前述機械裝置，係以減低對前述感應電動機供應電力之電源的頻率的方式，使於前述大徑齒輪抵消將前述感應電動機設為高效率感應電動機所造成旋轉速度的增加份，而抑制起因於將前述感應電動機設為高效率感應電動機之旋轉速度的增加份所造成的前述大徑齒輪之旋轉速度的增加。
  10. 一種機械裝置，係具備感應電動機與減速機，且該機械裝置係提高前述減速機的減速比，俾使從非高效率感應電動機變更為高效率感應電動機之後的前述機械裝置本身的旋轉速度與變更前的非高效率感應電動機使用時同等。
TW103124366A 2014-03-18 2014-07-16 機械裝置 TWI525967B (zh)

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