JP2001211614A

JP2001211614A - 高速回転用かご形誘導電動機

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Publication number: JP2001211614A
Application number: JP2000013604A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Hasegawa; 和三長谷川; Shinichi Ozaki; 伸一尾崎; Toshio Takahashi; 俊雄高橋; Muneyasu Sugitani; 宗寧杉谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2001-08-03
Also published as: KR20010076182A; CA2316708A1; CA2316708C; EP1120886A3; KR100509381B1; US6566778B1; EP1120886A2

Abstract

(57)【要約】【課題】（１）ロータ構造を一体化し局所的な応力集
中をなくして高速回転を可能にでき、（２）ロータ表面
に発生する渦電流を低減して効率を高めることができ、
かつ（３）ステータ内面から磁性体からなるロータコア
までの距離を短縮して、その間の無効磁束を低減し力率
を向上することができる高速回転用かご形誘導電動機を
提供する。【解決手段】回転子１０が、ロータコア１２とロータ
導体１４とからなり、ロータコア１２は、高透磁率を有
し相対的に電気伝導率が低い軟磁性材料からなり、ロー
タ導体１４は、低透磁率を有し相対的に電気伝導率が高
い導電材料からなる。また、ロータコア１２とロータ導
体１４は、互いに一体に成形され全体が滑らかな円筒面
を形成している。更に固定子２０は、軸方向に積層され
た複数のステータ板２２と固定子巻線２４とからなる。
各ステータ板は、内側リング部２２ａ及び外側リング部
２２ｂが閉じた円形であり、その間に貫通したスロット
２３を有し、このスロットを通して固定子巻線が納めら
れている

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転に適する
高速回転用かご形誘導電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転できる銅の円板を馬蹄刑の永久磁石
ではさみ、磁石を矢印の方向へ動かすと、円板は磁石の
運動方向に回転する。これをアラゴの円板といい、誘導
電動機の動作原理を与えるものである。磁石の運動によ
り、円板に電流が流れ（フレミングの右手法則）、その
電流と磁石の磁束により回転力（フレミングの左手法
則）が生じ、磁石の運動と同一方向に円板は回転する。

【０００３】多相誘導電動機は、アラゴの円板における
永久磁石の運動を多相交流を用いた回転磁界で置き換え
たものであり、回転磁界を作る固定子と回転する回転子
とからなる。アラゴの円板とは違って、磁束の方向を回
転子に垂直にし、回転子の誘導電流の方向を回転軸と平
行となるように配置される。従って、固定子と回転子は
同心円筒となる。

【０００４】固定子は、多相電源より交流電力を受けて
回転磁界を作り、空隙を介して誘導作用によって回転子
の二次巻線に誘導電流を発生させ、その電流と回転磁界
の磁束により回転力（フレミングの左手法則）が生じ、
回転磁界と同一方向に回転子が回転する。

【０００５】固定子は、通常、固定子枠内に収められた
固定子鉄心と固定子巻線からなる。固定子鉄心は、鉄損
を軽減するために薄板を軸方向に積層したものを用い
る。また、固定子巻線は、鉄心内の溝に納められ、多相
電源と接続して回転磁界を作る。

【０００６】回転子は、通常、積層鉄心（ロータコア）
と回転子巻線からなる。回転子巻線は鉄心の溝内に納め
られる。回転子は、かご形回転子と巻線形回転子に分類
される。かご形回転子は、回転子溝（ｓｌｏｔ）におの
おの１本づつの銅棒を納め、その両端を短絡環（ｅｎｄ
ｒｉｎｇ）で接続したものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】かご形誘導電動機を高
速回転（例えば１０万ｒｐｍ以上）させて、例えばター
ボコンプレッサー等を直接回転駆動させる場合に、装置
の信頼性を高め、装置を小型化し、かつ消費電力を少な
くするために、（１）高い周速に耐える強固な構造、
（２）高い効率、（３）高い力率が必要となる。

【０００８】従来のかご形誘導電動機では、図４（Ａ）
に示すように、一般に、ロータコア１に積層鋼板を用
い、導体２はかご形に形成し、ステータ３の歯部４ａ
は、半開口とし、空隙を短く（回転子の直径の０．５〜
１％）していた。しかし、この構造のかご形誘導電動機
は、周速の制限が大きく、かつ局所的な応力集中が生じ
る問題点があった。すなわち、高速回転による遠心力で
積層鋼板のロータコア１の中心部に応力集中が生じるた
め、その破壊を防ぐために、周速を例えば２００〜２３
０ｍ／ｓ程度に抑える必要があり、それ以上の高速回転
には適さない。また、ロータ表面に導体２の一部が出て
いるため、ロータコアのかご形の薄肉部に応力が集中す
る問題があった。

【０００９】この問題点を解決するために、「高速誘導
電動機の籠形回転子」（特開平０６−２５３５１１号）
や「籠型誘導電動機用ソリッドロータ及びその製造方
法」（特開平１０−１２７０２２号）、等では、図４
（Ｂ）に示すように、積層鋼板をソリッド化（一体化）
して強度を増し、更にかご形バーを保護するために埋め
込んだ構造のロータを提案している。しかし、かかるソ
リッド・埋設かご形ロータは、（１）ロータ表面の電気
伝導率が上がり、ロータ表面に渦電流が発生する、
（２）表面の渦電流はトルクに寄与しないため損失とな
り、効率を低下させる、（３）渦電流の影響は、ステー
タ歯端部の磁束分布の不均一部分に集中する、等の問題
点があった。

【００１０】更に、これらの問題点を解決するために、
「非同期電動機とこれに用いるロータとステータ」（米
国特許第５，４７３，２１１号）では、図４（Ｃ）に示
すように、導体をロータ表面に連続的に配置し、かつス
テータとの空隙を長くした構造が提案されている。すな
わち、この特許発明では、回転子表面全体を高電気伝導
性材料のコーティングで覆った一体構造として最大１０
０万ｒｐｍの高速回転を可能にすると共に、ロータとス
テータの隙間（ギャップ）δを従来（回転子の直径の
０．５〜１％）よりも大きく設定して、ギャップの広が
りにより、磁束密度分布の高調波成分を減少させて、渦
電流損を減少させている。

【００１１】しかし、かかる表面連続コーティング形ロ
ータ構造では、（１）隙間６（ギャップ）δが大きくな
り、かつロータ表面が高電気伝導性材料のコーティング
で覆われるため、ステータ内面から磁性体からなるロー
タコアまでの距離（表面コーティング＋空隙分）が大き
く、その部分での無効磁束が増加して力率が低下する、
（２）表面導体の電気伝導率が均一であるため、コーテ
ィング表面で渦電流が発生する、等の問題点があった。

【００１２】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、
（１）ロータ構造を一体化し局所的な応力集中をなくし
て高速回転を可能にでき、（２）ロータ表面に発生する
渦電流を低減して効率を高めることができ、かつ（３）
ステータ内面から磁性体からなるロータコアまでの距離
を短縮して、その間の無効磁束を低減し力率を向上する
ことができる高速回転用かご形誘導電動機を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、回転磁
界を作る固定子と回転する回転子とからなるかご形誘導
電動機において、前記回転子（１０）は、ロータコア
（１２）とロータ導体（１４）とからなり、ロータコア
は、高透磁率を有し相対的に電気伝導率が低い軟磁性材
料からなり、ロータ導体は、低透磁率を有し相対的に電
気伝導率が高い導電材料からなり、かつ前記ロータコア
（１２）とロータ導体（１４）は、互いに一体に成形さ
れ全体が滑らかな円筒面を形成しており、前記固定子
（２０）は、軸方向に積層された複数のステータ板（２
２）と固定子巻線（２４）とからなり、各ステータ板
は、内側リング部（２２ａ）及び外側リング部（２２
ｂ）が閉じた円形であり、その間に貫通したスロット
（２３）を有し、該スロットを通して固定子巻線が納め
られている、ことを特徴とする高速回転用かご形誘導電
動機が提供される。

【００１４】上記本発明の構成によれば、ロータコア
（１２）とロータ導体（１４）が互いに一体に成形さ
れ、かつ全体が滑らかな円筒面を形成しているので、局
所的な応力集中がなく、遠心力による応力を引張強度の
高いロータコアにスムースに伝達することができ、高い
周速に耐えることができる。

【００１５】また、軸方向に積層されたステータ板（２
２）の内側リング部（２２ａ）及び外側リング部（２２
ｂ）が閉じた円形であり、その間に貫通したスロット
（２３）を有し、該スロットを通して固定子巻線が納め
られているので、スロットの開口部がなく、内側リング
部（２２ａ）により円周方向の空隙部に発生する磁束密
度分布が均一となり、ロータ表面に発生する渦電流を低
減することができる。

【００１６】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
スロット（２３）の間を半径方向に延び、前記内側リン
グ部（２２ａ）と外側リング部（２２ｂ）を結ぶ複数の
ティース部（２２ｃ）を有し、スロットを通してティー
ス部のみに固定子巻線が施され、内側リング部（２２
ａ）又は外側リング部（２２ｂ）のいずれかが巻線処理
後に接合される。

【００１７】この構成により、内側リング部（２２ａ）
又は外側リング部（２２ｂ）のいずれかを分離した状態
で、スロットを通してティース部のみに固定子巻線を施
し、巻線処理後に分離した内側リング部（２２ａ）又は
外側リング部（２２ｂ）を接合することで、スロットの
開口部がないステータを容易に製造することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】かご形誘導電動機の出力Ｐは、Ｐ
＝ｍＥＩηｃｏｓαで与えられる。ここで、ｍは相数、
Ｅは相電圧、Ｉは相電流、ηは効率、ｃｏｓαは力率で
ある。かご形誘導電動機を高速回転（例えば１０万ｒｐ
ｍ以上）させて、例えばターボコンプレッサー等を直接
回転駆動させる場合に、効率が低いと、大きな入力（電
流）が必要となり、駆動装置（高速回転用かご形誘導電
動機）が大型となるばかりか機械的出力に変換されない
分は電動機内で熱となるため、様々な問題となる。ま
た、力率が低いと、電圧との位相差があるため、有効な
入力にならない分、電流を大きくする必要があり、より
大きな出力となる駆動装置が必要となる。従って、かご
形誘導電動機を高速回転（例えば１０万ｒｐｍ以上）さ
せて、例えばターボコンプレッサー等を直接回転駆動さ
せる場合には、装置を小型化し、かつ消費電力を少なく
するために、高い効率と高い力率が必要となる。

【００１９】また、かご形誘導電動機の相電圧Ｅは、磁
束数φと周波数ｆに比例する。また、磁束数φは、ステ
ータ内径Ｄｉとステータ有効長さＬｓに比例する。従っ
て、大型のターボコンプレッサー等を直接回転駆動する
ための大出力Ｐを得るためには、相電圧Ｅ、すなわち磁
束数φを大きくする必要があり、そのためにはステータ
内径Ｄｉとステータ有効長さＬｓの積を大きくする必要
がある。しかし、ステータ有効長さＬｓは、長すぎると
危険速度が低くなり、高速回転が困難となる。すなわ
ち、ロータの安定性から、ステータ有効長さＬｓを短く
して剛性を高め、危険速度を使用する高速回転より高め
ておく必要が生じる。その結果、その分ステータ内径Ｄ
ｉが大きくなり、周速が高くなるので、これに耐える強
固な構造が必要となる。

【００２０】以下、本発明の好ましい実施形態を図面を
参照して説明する。図１は、本発明の高速回転用かご形
誘導電動機の全体断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ
断面図（Ａ）、Ｂ−Ｂ断面図（Ｂ）及びＣ−Ｃ断面図
（Ｃ）である。

【００２１】図１及び図２に示すように、本発明の高速
回転用かご形誘導電動機は、回転磁界を作る固定子２０
と、回転する回転子１０（ロータ）とからなる。固定子
２０と回転子１０は、同軸に構成され、その軸心を中心
に回転子１０は図示しない軸受で両端支持されている。
固定子２０は、多相電源より交流電力を受けて軸心を中
心とする回転磁界を作り、空隙を介して誘導作用によっ
て回転子１０の二次巻線（後述するに棒状導体１４ｂ）
に誘導電流を発生させ、その電流と回転磁界の磁束によ
り回転力（フレミングの左手法則）が生じ、回転磁界と
同一方向に回転子１０が回転する。

【００２２】図１に示すように、固定子２０は、固定子
枠（図示せず）内に収められ複数のステータ板２２と固
定子巻線２４とからなる。ステータ板２２は、鉄損を軽
減するために電磁鋼板を軸方向に積層したものを用い
る。ステータ板２２は、ステータ内径の開口部をなくし
て、スロット部分の肉厚が中心に向かって薄くなってい
る。すなわち、図２（Ａ）に示すように、各ステータ板
２２は、内側リング部２２ａ、外側リング部２２ｂ及び
複数（この例では１２本）のティース部２２ｃからな
る。内側リング部２２ａ及び外側リング部２２ｂは、そ
れぞれ内周縁及び外周縁が閉じた円形であり、その間に
貫通した複数（この例では１２個）のスロット２３を形
成している。また、各ティース部２２ｃは、隣接するス
ロット２３の間を半径方向に延び、内端が内側リング部
２２ａに接続され、外端が外側リング部２２ｂに接続さ
れて、両者を電気的に接続している。

【００２３】固定子巻線２４は、スロット２３を通して
納められている。すなわち、例えば、内側リング部２２
ａ又は外側リング部２２ｂのいずれかを予め分離して製
作し、スロット２３を通してティース部２２ｃのみに固
定子巻線２４を施し、その巻線処理後に、内側リング部
２２ａ又は外側リング部２２ｂを溶接等で接合する。

【００２４】固定子巻線２４は、銅線（マグネットワイ
ヤ）又はリッツ線により構成される。この固定子巻線２
４は、従来のかご形誘導電動機と同様に、外部の多相電
源と接続して回転磁界を作るようになっている。

【００２５】また、固定子２０と回転子１０の隙間
（δ）６は、ロータ表面の冷却を行う空気が流れる程度
の必要最小限度とし、少なくとも、従来（回転子の直径
の０．５〜１％）と同等以下に設定されている。この構
成により、空隙（δ）６を短くすることで、空隙部の磁
気抵抗が減少し、それに伴い起磁力が小さくなるため、
無効電流が減少し、力率の向上が望める。

【００２６】図１及び図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、
本発明の高速回転用かご形誘導電動機の回転子１０は、
ロータコア１２とロータ導体１４とからなる。ロータコ
ア１２は、高透磁率を有し相対的に電気伝導率が低い軟
磁性材料、例えば、引張強度の高いクロムモリブデン鋼
からなる。また、ロータ導体１４は、低透磁率を有し相
対的に電気伝導率が高い導電材料、例えば、銅、アルミ
ニウム又はこれらの合金からなる。

【００２７】またロータコア１２とロータ導体１４は、
例えばＨＩＰ装置（ｈｏｔｉｓｏｓｔａｔｉｃｐｒ
ｅｓｓｉｎｇ）により強固に接合され、かつ互いに一体
に成形され全体が滑らかな円筒面を形成している。

【００２８】なお、図２（Ｂ）（Ｃ）の例では、ロータ
導体１４は、固定子より外側でロータコアをリング状に
囲む円筒状の１対のエンドリング１４ａと、エンドリン
グ部１４ａの間を周方向に間隔を隔てて連結する複数の
棒状導体１４ｂとからなる。エンドリング部１４ａは、
複数の棒状導体１４ｂの両端部に接して設けられる。ま
た、エンドリング部１４ａの軸方向長さ（深さ）は、棒
状導体１４ｂよりも大きく設定されている。このエンド
リング部１４ａは、従来のかご形回転子の短絡環と同様
に機能する。なお、本発明はこの構成に限定されず、図
４（Ｂ）又は図４（Ｃ）のような構成であってもよい。

【００２９】上述した本発明の構成によれば、ロータコ
ア１２とロータ導体１４が互いに一体に成形され、全体
が滑らかな円筒面を形成しているので、局所的な応力集
中がなく、遠心力による応力を引張強度の高いロータコ
アにスムースに伝達することができ、高い周速に耐える
ことができる。すなわち、ロータコア１２とロータ導体
１４がＨＩＰ装置等により強固に接合されているため、
遠心力による応力がロータコアの中心部に集中して、高
い周速に耐えることができる。また、突極部を設けたロ
ータは、効率、力率を改善する効果が望める。

【００３０】図３は、ステータと磁束密度の関係図であ
る。この図において、（Ａ）は本発明によるステータ２
２、（Ｂ）と（Ｃ）は従来のステータ４である。なお、
各ステータは、ロータ１０を囲んで切れ目なく構成され
ており、図ではその上部のみを示している。

【００３１】上述したように本発明のステータ２２（ス
テータ板）では、ステータ内径の開口部をなくして、ス
ロット部分の肉厚が中心に向かって薄くなっている。以
下、この構造を無開口スロットと呼ぶ。これに対して、
（Ｂ）は半開口スロット、（Ｃ）は全開口スロットであ
り、スロットの内端部が開いている。

【００３２】図３において、各図の下図は、ロータ表面
の磁束密度を模式的に示している。開口部のあるステー
タ（Ｂ）（Ｃ）では、（１）ステータの歯部４ａから出
る磁束７が空隙部分で粗と密の状態となる、（２）空隙
を短くすると、ロータ表面の磁束分布の不均一性が増加
し、渦電流が増加する、（３）空隙を長くすると、ロー
タ表面の磁束分布の不均一性が減少して渦電流は減少す
るが、力率が低くなる。従って、開口部のあるステータ
（Ｂ）（Ｃ）では、疎密の磁束密度により、渦電流の増
加、或いは力率の低下が避けられないことがわかる。

【００３３】一方、開口部のない本発明のステータ
（Ａ）では、ステータ２２のティース部２２ｃからでる
磁束７が、内側リング部２２ａの存在により空隙部分で
均一の状態になる。従って、空隙を短くしても、ロータ
表面の磁束密度が均一になるため、渦電流損失が減り、
かつ力率も高くなる。すなわち、本発明では隙間（δ）
６は、ロータ表面の冷却を行う空気が流れる程度の必要
最小限度とし、少なくとも、従来（回転子の直径の０．
５〜１％）と同等以下に設定されているが、空隙を短く
してもステータ内径に開口部を無くすことで、磁束分布
が均一となり、ロータ表面に発生する渦電流が低減され
て、効率の向上が望める。

【００３４】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更でき
ることは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】上述したように、本発明の高速回転用か
ご形誘導電動機は、（１）ロータ構造を一体化し局所的
な応力集中をなくして高速回転を可能にでき、（２）ロ
ータ表面に発生する渦電流を低減して効率を高めること
ができ、かつ（３）ステータ内面から磁性体からなるロ
ータコアまでの距離を短縮して、その間の無効磁束を低
減し力率を向上することができる、等の優れた効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高速回転用かご形誘導電動機の全体断
面図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】図１のステータと磁束密度の関係図である。

【図４】従来のかご形誘導電動機の固定子と回転子の模
式図である。

【符号の説明】

１ロータコア、２導体、３固定子（ステータ）、
４固定子鉄心、４ａ歯部、５固定子巻線、６隙
間（δ）、７磁束、１０回転子（ロータ）、１２
ロータコア、１４ロータ導体、１４ａエンドリング
部、１４ｂ棒状導体、２０固定子、２２ステータ
板、２２ａ内側リング部、２２ｂ外側リング部、２
２ｃティース部、２３スロット、２４固定子巻線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋俊雄東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者杉谷宗寧東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内Ｆターム(参考） 5H013 FF01 LL00 LL04 MM00 MM06 NN10 PP01 PP03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転磁界を作る固定子と回転する回転子
とからなるかご形誘導電動機において、前記回転子（１０）は、ロータコア（１２）とロータ導
体（１４）とからなり、ロータコアは、高透磁率を有し
相対的に電気伝導率が低い軟磁性材料からなり、ロータ
導体は、低透磁率を有し相対的に電気伝導率が高い導電
材料からなり、かつ前記ロータコア（１２）とロータ導
体（１４）は、互いに一体に成形され全体が滑らかな円
筒面を形成しており、前記固定子（２０）は、軸方向に積層された複数のステ
ータ板（２２）と固定子巻線（２４）とからなり、各ス
テータ板は、内側リング部（２２ａ）及び外側リング部
（２２ｂ）が閉じた円形であり、その間に貫通したスロ
ット（２３）を有し、該スロットを通して固定子巻線が
納められている、ことを特徴とする高速回転用かご形誘
導電動機。
【請求項２】前記スロット（２３）の間を半径方向に
延び、前記内側リング部（２２ａ）と外側リング部（２
２ｂ）を結ぶ複数のティース部（２２ｃ）を有し、スロ
ットを通してティース部のみに固定子巻線が施され、内
側リング部（２２ａ）又は外側リング部（２２ｂ）のい
ずれかが巻線処理後に接合される、ことを特徴とする請
求項１に記載の高速回転用かご形誘導電動機。