JP2005278373A

JP2005278373A - 誘導電動機の回転子

Info

Publication number: JP2005278373A
Application number: JP2004092441A
Authority: JP
Inventors: Kenji Endo; 研二遠藤
Original assignee: JATCO Ltd
Current assignee: JATCO Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】磁性体コアのスロットに２つの導電部で形成された２次導体部を備える誘導電動機の回転子において、２次導体部から前記コアに加わる遠心荷重を効果的に軽減させると共に、２次導体部に生じる総電力損失を効率的に抑制する。
【解決手段】磁性体からなるコア11の軸心Ｏ周りに該軸心Ｏに沿って伸びる複数のスロット12を設け、これらスロット12に電気抵抗率の異なるアルミニウム及び銅で形成された２次導体部14を備える誘導電動機の回転子１であって、２次導体部14は、スロット12の底部12ａ側に電気抵抗率の低い銅からなる第１導電部１を備えると共に、そのスロット12の外周部12ｂ側に第１導電材１より電気抵抗率の高いアルミニウムからなる第２導電部２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性体からなるコアの軸心周りに該軸心に沿って伸びる複数のスロットを設け、これらスロットに電気抵抗率の異なる２つの導電部で形成された２次導体部を備えてなり、その周囲に発生する回転磁界と、この回転磁界により２次導体部に生じる誘導電流との相互作用によって回転する誘導電動機の回転子に関するものである。

図７(ａ)は、誘導電動機の回転子30を例示する断面図である。この回転子30は、一般にかご形回転子と呼ばれており、磁性体からなるコア(以下、「回転子コア」という。)31の軸心Ｏ周りに該軸心Ｏに沿って伸びる複数のスロット32を有し、これらスロット32を回転子コア31の外周部にある表皮部分（以下、「ブリッジ」という）31Ｂにスリット（空間）32ｓを設け、このスリット32ｓを除くスロット32にそれぞれ、導電材をダイキャストして２次導体部34を成形したものである。

一方、導電材には軽量、安価で、融点及び熱膨張率の低く、ダイキャスト性に優れるアルミニウムを用いるのが一般的であるが、電気抵抗率が銅の２倍近くもあり、回転子の回転トルク発生に伴い生じるトルク電流による電力損失、即ち、負荷運転中における２次導体部34での電力損失Ｐ1が大きいため、効率の低下や回転子の過熱の原因となっている。一方、銀に次いで電気抵抗率の低い銅を用いて２次導体部34を成形する技術も公知であるが、銅は、融点が７００゜Ｃと高く、その上、高価で質量が大きいため、製造しやすさに難があると同時に、高速回転中の遠心荷重に対する制御が難しいという理由から、銅のみで２次導体部34を成形することは一般的ではない。

これに対し、他のかご形回転子としては、図７(ｂ)の要部断面図に示す如く、スロット12内のスリット32ｓ側に銅からなる棒状部材を密着配置して第１の導電部34ａとすると共に、スロット32の残部にアルミニウムをダイキャストして第２の導電部34ｂとしたものがある(例えば、特許文献１参照。)。
特開平１１−２０６０８０号公報

図７(ｂ)に示すかご形回転子は、スロット32とスリット32ｓとの間を第１導電部34ａで隔絶してスリット32ｓにアルミニウムが流れ込むことを防止する。しかして、こうしたかご形回転子にあっては、第１導電部34ａがスロット32において回転子コア31の軸心Ｏから最も遠い位置にあるため、回転子が高速回転化するに従ってブリッジ31Ｂが第１導電部34ａから大きな遠心荷重を受けるため、このブリッジ31Ｂを押し上げて破損に至る可能性がある。

また、上記かご形回転子は、スリット32ｓにまで導体を設けるとインバータ電圧が惹起する高調波電圧のために渦電流損失が生じるという不都合に鑑み、銅バー34ａによって溶融したアルミニウムのスリット32ｓ内への浸入を阻止すべく画策されたものであると同時に、銅バー34ａを抵抗値の低い２次導体として機能させることにより、２次損失を低減させようとするものであるが、スロットが外部に開放された所謂オープンスロットでは、オープンスロットの外周部側にインバータ電源の高調波による影響が生じると共に、抵抗率の低い銅バー中に過大な渦電流損失が生じることを避け得ない。しかして、密度の高い銅を外周部側に配置することは、２次導体部34からコア31に加わる遠心荷重に対する耐遠心荷重性能上も得策とは言い難い。このため、本願発明者は、オープンスロットに２次導体部を挿入して特性の改善を図る策として、スロットの外周部側に軽量で抵抗率の高い導体を配置し、スロットの底部側に重量で抵抗率の低い導体を配置する構成に想到するに至った。

本発明の解決すべき課題は、上述した事実に鑑みてなされたものであり、磁性体コアのスロットに２つの導電部で形成された２次導体部を備える誘導電動機の回転子において、２次導体部から前記コアに加わる遠心荷重を効果的に軽減させると共に、２次導体部に生じる総電力損失を効率的に抑制することにある。

本発明である誘導電動機の回転子は、磁性体からなるコアの軸心周りに該軸心に沿って伸びる複数のスロットを設け、これらスロットに電気抵抗率の異なる２つの導電材で形成された２次導体部を備える誘導電動機の回転子において、前記２次導体部は、前記スロットの底部側に電気抵抗率の低い第１の導電材からなる第１の導電部を備えると共に、そのスロットの残部に前記第１の導電材より電気抵抗率の高い第２の導電材からなる第２の導電部を備えることを特徴とするものである。

本発明において、前記スロットは、その内部を外部に開放するスリットを備えることが好ましく、また、前記２次導体部は、前記第１の導電部を前記第２の導電部で一体に包囲し、この第２の導電部を介して前記スロット内に固定保持したものであることが好ましい。更に、本発明において、前記２次導体部は、前記第１の導電部及び前記第２の導電部をそれぞれ銅及びアルミニウムで構成し、前記スロットの底部からその外周部までの距離Ｌと、このスロットの外周部から前記第１の導電部の最外周部までの距離ΔＬとの比を、Ｌ：ΔＬ＝１：０．０３〜０．７に設定することが好ましい。

本発明によれば、前記スロットの底部側に電気抵抗率の低い第１の導電材からなる第１の導電部を設けたことにより、前記スロットの外周部側に電気抵抗率の高い第２の導電材からなる第２の導電部を設けたことにより、スロットの外周部側では電気抵抗率の高い導電材からなる第２の導電部によってインバータ高調波による電力損失を重点的に抑制し、インバータ高調波による影響を受けにくいスロットの底部側では電気抵抗率の低い導電材からなる第１の導電部によってトルク電流による電力損失を抑制するため、２次導体部全体の総電力損失を効果的に減らすことができ、その結果として、誘導電動機の効率が向上すると共に出力トルクを効率的に取り出せる。また、かかる構成によれば、第１の導電部が銅といった質量の大きいものである場合も、この質量の大きい導電部がスロットの外周部よりも軸心側になるから、第１導電部の回転径縮小の効果で２次導体部からコアに加わる遠心荷重を軽減させることができる。従って、本発明によれば、耐久性に優れて電力損失の少ない誘導電動機の回転子を提供することができる。

ところで、前記スロットがその内部を外部に開放するものである場合、一般にインバータ高調波はスロット内に深く浸透する。このため、本発明に係るスロットがその内部を外部に開放するスリットを備えるものである場合、インバータ高調波による電力損失を効果的に抑制できるため、２次導体部に生じる総電力損失を更に軽減できる。また、本発明に係る２次導体部を、前記第１の導電部を前記第２の導電部で一体に包囲し、この第２の導電部を介して前記スロット内に固定保持すれば、このスロット内での２次導体部の座が安定すると共に前記第２の導電部が緩衝材となるため、前記２次導体部から前記コアに加わる遠心荷重を更に軽減させることができる。

また、２次導体部における電力損失Ｐは一般に、
Ｐ＝Ｐ1＋Ｐ2 ・・・(１)
Ｐ1＝(本来のトルク電流)²×(抵抗値)
Ｐ2＝(インバータによって惹起される高調波電流)²×(表皮効果を含む抵抗値)
で表され、この式(１)の右辺第１項Ｐ1の増加を極小化すれば、２次導体部での過熱及び効率の低下を防止することができるが、２次導体部を銅のみで構成した時の第１項Ｐ1をＰ1＝１とした場合の、本発明に係る２次導体部での第１項Ｐ1がＰ1＝３を超えると、誘導電動機の機能及び性能に影響が及び、誘導電動機の体格を大きくしたり、巧妙な冷却機構が必要になる等、その影響が多大である。そこで、本発明にあっては、前記第１の導電部及び前記第２の導電部をそれぞれ銅及びアルミニウムで構成し、前記スロットの底部からその外周部までの距離Ｌと、このスロットの外周部から前記第１の導電部の外周部までの距離ΔＬとの比を、Ｌ：ΔＬ＝１：０．０３〜０．７に設定すれば、２次導体部を銅のみで構成した時の第１項Ｐ1をＰ1＝１とした場合の、本発明に係る２次導体部での第１項Ｐ1がＰ1＝２．１に以下できるため、２次導体部での過熱及び効率の低下防止に有効である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る回転子10を採用する誘導電動機100の一形態であって、その側面を示す要部縦断面図である。

誘導電動機100は、所謂、三相交流モータであって、ケースＣ内に軸受Ｂによって回転自在に支持されたシャフトＳを有し、このシャフトＳの軸心Ｏと同軸上に一体に設けられたかご形回転子10と、このかご形回転子10を取り囲むように軸心Ｏ周りに180°間隔で配置された固定子20とを備え、これら固定子20に、120°の位相差のある３相交流電流を流すことにより、ケースＣ内にてかご形回転子10の周囲に回転磁界を発生させることができる。

かご形回転子10は、複数の電磁鋼板11ａを軸心Ｏに沿って積層してなる回転子コア11を有し、この回転子コア11の前後端面に配した短絡環13を複数の２次導体部14で連結したものである。

図２(ａ)は、かご形回転子10を電磁鋼板11ａと共に軸心Ｏに直交する断面で示す正面図である。なお、図中、符号αは、軸心Ｏに直交する断面にて、この軸心Ｏから放射状に伸びる径方向軸線である。

電磁鋼板11ａは、シャフトＳを固定する開口Ｈと、その軸心Ｏ周りに複数のスロット12とを有するディスク状のものであって、この電磁鋼板11ａを図１に示す如くシャフトＳに沿って複数個積層することにより、軸心Ｏ周りに軸心Ｏに沿って伸びる複数のスロット12を有する回転子コア11が形成される。スロット12は、回転子コア11のブリッジ11Ｂにスリット12ｓを有し、このスリット12ｓでスロット12の内部を外部に開放するオープンスロットである。

図２(ｂ)は、２次導体部14を示す要部拡大図である。２次導体部14は、図２(ｂ)に示す如く、各スロット12の底部12ａ側に電気抵抗率の低い銅からなる第１導電部１を備えると共に、そのスロット12の残部に銅より電気抵抗率の高いアルミニウムからなる第２導電部２を備える。具体的には、第１導電部１は２つの短絡環13をよじれ状態で繋ぐ銅製の棒状部材であって、これをスロット12の底部12ａ側に配した後、スロット12内をアルミニウムでダイキャストして第２導電部２を成形する。

次に、かご形回転子10の具体的な作用効果を検証する。なお、以下の説明にあっては、必要に応じて、図７の従来技術を参照する。

インバータ電源で駆動される誘導電動機100において、２次導体部14内には２種類の原因によって電力損失Ｐが生じる。

先ず第１の原因は、かご形回転子10の回転トルクに伴って生じるトルク電流による電力損失Ｐ1である。トルク電流の場合、ある負荷状態に対して一定のトルク電流値が望まれるとき、第１導電部１と第２導電部２とは各抵抗値の逆比で電流を分担しつつ、それら電流の和が所定の回転トルクを発生する電流となるように分布する。そして、すべりが十分に小さい場合、回転子10の表面付近の２次導体部に電流分布の偏りを生じさせる所謂、表皮効果は発生せず、各導電部１,２内の電流密度は、径方向αに沿ってかご形回転子10の外周部10ｂからスロット12の底部12ａに至るまでの任意の深さβによらず均質であると考えられる。つまり、２次導体部14では、銅からなる第１導電部１と、アルミニウムからなる第２導電部２とで電流値が二段階に画然と区分けされている。この原理による電力損失Ｐ1は、理論式上、Ｐ1＝Ｉ²・Ｒ(Ｉ：電流，Ｒ：抵抗)となり、総抵抗が小さいほど小さくなる。このため、銅からなる第１導電部１の比率を高くすればするほど、トルク電流による電力損失Ｐ1の低減に効果がある。

これに対し、図３は、軸心Ｏに直交する断面において、２次導体部14の断面積ＳをＳ＝１とした場合に、この断面積Ｓに対してアルミニウムからなる第２導電部２の断面積Ｓ2が占めるアルミ含有率Ｓ1／Ｓを横軸に取り、このアルミ含有比率Ｓ1／Ｓにおけるトルク電流による電力損失Ｐ1を横軸に取った解析図である。図３から明らかな如く、２次導体部14においてアルミ含有比率Ｓ1／Ｓを増加させると、それに従ってトルク電流による電力損失Ｐ1も単純に増加する。即ち、トルク電流による電力損失Ｐ1を抑制するためには、２次導体部14における銅の割合を増やすことが好ましい。なお、図３において、電力損失Ｐ1の数値そのものは単位量に対するものであって、その数値自体に特別な意味を有するものではない。

一方、２次導体部14に電力損失Ｐが生じる第２の原因は、インバータ電源から供給される電圧に含まれる搬送波に起因して２次導体部14内に発生する高調波電圧に伴うインバータ高調波による電力損失Ｐ2である。インバータ高調波による電流は、かご形回転子10の外表面で最も高く、スロット12の底部12ａに向かうに従って、ほぼエラー関数ｅ＝ｅ⁰・ｅ×ｐ^{(−ｘ／δ)}（ｅ⁰：回転子の外表面での誘起電圧、ｅ：スロット12の深さｘにおける誘起電圧、δ：諸パラメータによって決まる誘起電圧の浸透深さ）に沿って低減される誘起電圧を各導電材の電気抵抗率で除した電流分布となる。なお、図４は、スロット12の底部12ａからその外周部12ｂまでの距離Ｌ1をＬ1＝１とした場合の、かご形回転子10の外周部10ｂから任意の深さβを横軸に取り、この深さβに対する誘起電圧Ｖを縦軸に取って誘起電圧Ｖの分布を示す解析図であり、浸透深さは０．２である。但し、浸透深さは回転子コア11の積層構造などの影響を受けるものとする。また、図４において、誘起電圧Ｖの数値自体は特別な意味を有するものではないが、基本の磁束密度や搬送周波数が高い場合には、その数値は大きくなる傾向にある。この原理による電力損失Ｐ2は、理論式上、Ｐ2＝Ｖ²／Ｒ(Ｖ：電圧，Ｒ：抵抗)となり、電気抵抗率が高い導電材を用いるほど小さくなる。このため、トルク電流による電力損失Ｐ1とは逆に、アルミニウムからなる第２導電部２の比率を高くすればするほど、電力損失Ｐ2の低減に効果がある。

図５は、軸心Ｏに対して直交する縦断面において、２次導体部14の断面積ＳをＳ＝１とした場合に、この断面積Ｓに対してアルミニウムからなる第２導電部２の断面積Ｓ2が示すアルミ含有比率Ｓ1／Ｓを横軸に取り、このアルミ含有比率Ｓ1／Ｓにおけるインバータ高調波による電力損失Ｐ2を横軸に取った解析図である。図５から明らかな如く、２次導体部14においてアルミ含有比率Ｓ1／Ｓを増加させると、それに従ってインバータ高調波による電力損失Ｐ2も最初急速に低下するが、やがて緩慢に低下する。即ち、インバータ高調波による電力損失Ｐ2を抑制するためには、２次導体部14におけるアルミニウムの割合を増やすことが好ましい。なお、図４においても、電力損失Ｐ2の数値そのものは単位量に対するものであって、その数値自体に特別な意味を有するものではない。

上記図３〜５に基づく検討の結果、本発明に係る２次導体部14の如く、インバータ高調波による電力損失Ｐ2が生じるスロット12の外周部12ｂ側に電気抵抗率の高いアルミニウムからなる第２導電部２を設けると共に、インバータ高調波による影響を受けにくいスロット12の底部12ｂ側に電気抵抗率の低い銅からなる第１導電部１を設ければ、スロット12の外周部12ｂ側ではアルミニウムからなる第２導電部２によってインバータ高調波による電力損失Ｐ2を重点的に抑制し、インバータ高調波による影響を受けにくいスロット12の底部12ｂ側では銅からなる第１導電部１によってトルク電流による電力損失Ｐ1を抑制するため、２次導体部14全体の総電力損失Ｐ＝Ｐ1＋Ｐ2を効果的に減らすことができ、その結果として、誘導電動機100の効率が向上すると共に出力トルクを効率的に取り出せる。また、かかる構成によれば、第１導電部１が質量の大きい銅であっても、この質量の大きい第１導電部１がスロット12の外周部12ｂよりも軸心Ｏ側になるから、第１導電部１の回転径縮小の効果で２次導体部14から回転子コア11のブリッジ11Ｂに加わる遠心荷重を軽減させることができる。従って、本発明によれば、耐久性に優れて電力損失の少ないかご形回転子を提供することができる。

ところで、本形態の如く、スロット12がその内部を外部に開放するオープンスロットである場合、一般にインバータ高調波はスロット12内に深く浸透する。このため、本発明に係るスロット12の如く、スロット12がその内部を外部に開放するスリット12Ｓを備えるものである場合、インバータ高調波による電力損失Ｐ2を効果的に抑制できるため、２次導体部14に生じる総電力損失Ｐを更に軽減できる。また、本発明の係る２次導体部14の如く、第１導電部１を第２導電部２で一体に包囲し、この第２導電部２を介してスロット12内に固定保持すれば、このスロット12内での２次導体部の座が安定すると共に第２導電部２が緩衝材となるため、２次導体部14からブリッジ11Ｂに加わる遠心荷重を更に軽減させることができる。

また、図６は、スロット12の底部12ａからその最外周部12ｂまでの距離Ｌ1をＬ1＝１とした場合の、この距離Ｌ1に対する、スロット12の最外周部12ｂから第１導電部１の最外周部１ｂまでの距離ΔＬの比率ΔＬ(＝ΔＬ／(Ｌ1＝１))を横軸に取り、この距離ΔＬにおける２次導体部14内での総電力損失Ｐ(＝Ｐ1＋Ｐ2)を縦軸に取った解析図である。

２次導体部における電力損失Ｐは一般に、
Ｐ＝Ｐ1＋Ｐ2 ・・・(１)
Ｐ1＝(本来のトルク電流)²×(抵抗値)
Ｐ2＝(インバータによって惹起される高調波電流)×(表皮効果を含む抵抗値)²
で表され、この式(１)の右辺第１項Ｐ1の増加を極小化すれば、２次導体部での過熱及び効率の低下を防止することができるが、２次導体部を銅のみで構成した時の第１項Ｐ1をＰ1＝１とした場合の、本発明に係る２次導体部14での第１項Ｐ1がＰ1＝３を超えると、誘導電動機100の機能及び性能に影響が及び、誘導電動機100の体格を大きくしたり、巧妙な冷却機構が必要になる等、その影響が多大である。

そこで、本発明の如く、銅からなる第１導電部１とアルミニウムからなる第２導電部２との境界がスロット12の外周部12ｂから比率ΔＬ＝０．０３〜０．７の範囲内の位置、即ち、第１導電部１及び第２導電部２をそれぞれ銅及びアルミニウムで構成し、スロット12の底部12ａからその外周部12ｂまでの距離Ｌと、このスロット12の外周部12ｂから第１の導電部１の外周部１ｂまでの距離ΔＬとの比を、Ｌ：ΔＬ＝１：０．０３〜０．７に設定すれば、図６に示す如く、図７のように２次導体部34を銅のみで構成した時の第１項Ｐ1をＰ1＝１とした場合の、本発明に係る２次導体部14での第１項Ｐ1がＰ1＝２．１に以下できるため、２次導体部14での過熱及び効率の低下防止に有効である。更に図６から明らかな如く、第１導電部１と第２導電部２との境界がスロット12の外周部12ｂから比率ΔＬ＝０．２の範囲内の位置、即ち、距離Ｌ1と距離ΔＬとの比を、Ｌ：ΔＬ＝１：０．０３〜０．７に設定すれば、２次導体部14内での総電力損失Ｐを最小値に抑えることができる。

上述したところは、本発明の一形態を示すに過ぎず、様々な変更が可能である。例えば、２次導体部14は、第２導電部２を棒状部材等の固体導体として第１導電部１をダイキャストして成形してもよい。また、２次導体部14は、第１導電部１及び第２導電部２をそれぞれアルミニウム及び空気又は銅及び空気で構成してもよい。またスロット12はスリット12ｓでその内部が外部に開放される所謂オープンスロットに限ることなく、回転子コア11のブリッジ11Ｂによって外部と遮断された所謂クローズスロットであってもよい。

本発明に係る回転子を採用する誘導電動機の一形態であって、その側面を示す要部縦断面図である。 (ａ)，(ｂ)はそれぞれ、同形態におけるかご形回転子を電磁鋼板と共に軸心に直交する断面で示す正面図及び同形態における２次導体部を示す要部拡大図である。同形態の２次導体部における、アルミニウム含有率に応じたトルク電流による電力損失を示す解析図である。回転子の外周部から任意の深さβにおいて生じる誘起電圧の分布を示す解析図である。同形態の２次導体部における、アルミニウム含有率に応じたインバータ高調波による電力損失を示す解析図である。同形態の２次導体部における、アルミニウム含有率に応じた総電力損失を示す解析図である。 (ａ),(ｂ)はそれぞれ、従来の回転子を例示する断面図及び、他の従来回転子を例示する要部断面図である。

符号の説明

１第１の導電部
１ｂ第１の導電部の外周部
２第２の導電部
10 回転子
11 回転子コア
11Ｂブリッジ
12 スロット
12ａスロットの底部
12ｂスロットの外周部
13 短絡環
14 ２次導体部
Ｌスロットの底部からその外周部までの距離
ΔＬスロットの外周部から第１の導電部の外周部までの距離

Claims

磁性体からなるコアの軸心周りに該軸心に沿って伸びる複数のスロットを設け、これらスロットに電気抵抗率の異なる２つの導電材で形成された２次導体部を備える誘導電動機の回転子において、
前記２次導体部は、前記スロットの底部側に電気抵抗率の低い第１の導電材からなる第１の導電部を備えると共に、そのスロットの残部に前記第１の導電材より電気抵抗率の高い第２の導電材からなる第２の導電部を備えることを特徴とする誘導電動機の回転子。
前記スロットは、その内部を外部に開放するスリットを備えることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の回転子。
前記２次導体部は、前記第１の導電部を前記第２の導電部で一体に包囲し、この第２の導電部を介して前記スロット内に固定保持したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導電動機の回転子。
前記２次導体部は、前記第１の導電部及び前記第２の導電部をそれぞれ銅及びアルミニウムで構成し、前記スロットの底部からその外周部までの距離Ｌと、このスロットの外周部から前記第１の導電部の外周部までの距離ΔＬとの比を
Ｌ：ΔＬ＝１：０．０３〜０．７
に設定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の誘導電動機の回転子。