JP2006353089A - 誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線コイルの非効率的な部分を減少させると共に、巻線コイルを効率的に巻回して巻線コイルの抵抗損失を最小化し、逆起電力を増加させる誘導電動機を提供する。
【解決手段】誘導電動機は、ステータコアに巻回されるメイン巻線コイル及びメイン巻線コイルの体積より小さく巻回されたサブ巻線コイルを備えたステータと、ステータの内部に回転可能に挿入される誘導ロータと、マグネットを含み且つステータと誘導ロータ間の空隙に回転可能に挿入される同期ロータとから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導電動機に関し、より詳しくは、巻線コイルの非効率的な部分を減少させると共に、巻線コイルを効率的に巻回して巻線コイルの抵抗損失を最小化し、さらに、逆起電力を増加させる誘導電動機に関する。

一般に、電動機は、電気エネルギーを運動エネルギーに転換する装置であり、家電製品などの多様な分野に適用されて製品の動力源として使用されている。例えば、冷蔵庫の場合は、電動機がファンを回転させて冷蔵庫の内部の冷気を循環させ、エアコンの場合は、ファンを回転させて蒸発器から発生する冷気を室内に流動させる。

冷蔵庫やエアコンなどの場合、冷蔵庫の内部又は室内を設定温度に維持するために、持続的に動作がオン／オフされる。従って、冷蔵庫やエアコンなどに装着される電動機は、冷蔵庫やエアコンの消費電力を最小化するために高効率が要求され、その電動機の効率を向上させるために多くの研究及び開発が行われている。

図１３は、本出願人により研究開発されて生産中の誘導電動機の一例を示す正断面図であり、図１４は、図１３の誘導電動機の側断面図である。

図示されたように、前記誘導電動機は、円周方向にコイルが巻回されたステータ１００と、該ステータ１００の内部に回転可能に挿入される誘導ロータ２００と、ステータ１００と誘導ロータ２００間に回転可能に挿入される同期ロータ３００とから構成される。

ステータ１００は、所定長さを有して形成されたステータコア１１０と、該ステータコア１１０の内部に円周方向に巻回された巻線コイル１２０とから構成される。ステータコア１１０は、所定幅を有するリング状に形成されるヨーク部１１１と、該ヨーク部１１１の内周面に所定長さを有して形成される複数のティース１１２とを含み、それぞれのティース１１２は同一形状に形成され、それぞれのティース１１２間には同一形状及び同一サイズを有するスロット１１３が形成される。ステータコア１１０の内部には、誘導ロータ２００が挿入される挿入孔がティース１１２の端面により形成される。

ステータコア１１０は、複数枚のシートが積層された積層体である。

巻線コイル１２０は、ティース１１２を囲むように複数のティース１１２に複数回巻回する。さらに、巻線コイル１２０は、図１５に示すように、ティース１１２が配列されたステータコア１１０の円周方向に巻回され、該ステータコア１１０の両側面に突出する。巻線コイル１２０は、初期運転時に供給される電流により同期ロータ３００を回転させるサブ巻線コイルと、正常運転時に逆起電力を発生するメイン巻線コイルとから構成される。

誘導ロータ２００は、所定長さを有して形成されるロータコア２１０と、該ロータコア２１０内に挿入されるケージ２２０とから構成される。ロータコア２１０は、複数枚のシートが積層された積層体であり、中心に回転軸４１０が結合される。

誘導ロータ２００は、ステータ１００の挿入孔に挿入される。

同期ロータ３００は、所定厚さを有する中空円筒状のマグネット３１０と、コップ状に形成されてマグネット３１０を支持するホルダ３２０とを含む。マグネット３１０は、ステータ１００の挿入孔の内周面と誘導ロータ２００の外周面間に回転可能に挿入され、ホルダ３２０の一側にはベアリング３３０が結合され、該ベアリング３３０には回転軸４１０が結合される。

ステータ１００は、モータケーシング４２０の内部に装着され、該モータケーシング４２０の一側にはベアリング４３０が結合され、該ベアリング４３０には回転軸４１０が結合される。さらに、ステータ１００は、その外周面が前記モータケーシング４２０の内周面に接触するように結合される。

以下、このような誘導電動機の動作を説明する。

ステータ１００の巻線コイル１２０に電流が順次供給されて回転磁界が形成されると、同期ロータ３００は、前記回転磁界により同期されて同期速度で回転する。同期ロータ３００はマグネットであるので、回転により強い磁界の回転磁界を発生し、該回転磁界により誘導ロータ２００が回転する。

誘導ロータ２００が回転すると、該誘導ロータ２００の回転力が回転軸４１０を介して回転力を必要とする部分に伝達される。

しかしながら、前述したような誘導電動機におけるステータ１００の巻線コイル１２０には、運転中に有効磁束が発生しない部分が存在するため、誘導電動機の効率が低下する。

すなわち、ステータ１００の巻線コイル１２０においてステータコア１１０の両側に位置する部分がエンドターン部分１２１であり、該エンドターン部分１２１はティース１１２を横切って位置しないため、誘導ロータ２００に影響を及ぼす回転磁界を発生せず、さらに、エンドターン部分１２１の自己抵抗である銅損が増加して効率及び出力が低下する。

エンドターン部分１２１は、巻線方法によって長さが変化するが、既存の巻線方法によると、エンドターン部分１２１が必ず発生する。すなわち、巻線コイル１２０に回転磁界を形成するためにはステータ１００に複数の極を形成しなければならないが、このために巻線コイル１２０は、図１５に示すように、隣接したティース１１２に巻回するのでなく、いくつかのティース１１２をとばして巻回するため、エンドターン部分１２１の長さが増加する。

本発明は、このような問題を解決するために提案されたもので、本発明の目的は、巻線コイルの非効率的な部分を減少させると共に、巻線コイルを効率的に巻回して巻線コイルの抵抗損失を最小化し、逆起電力を増加させる誘導電動機を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る誘導電動機は、ステータコアに巻回されるメイン巻線コイル及びメイン巻線コイルの体積より小さく巻回されたサブ巻線コイルを備えたステータと、ステータの内部に回転可能に挿入される誘導ロータと、マグネットを含み且つステータと誘導ロータ間の空隙に回転可能に挿入される同期ロータとから構成されることを特徴とする。

本発明に係る誘導電動機は、メイン巻線コイルの逆起電力が増加し、抵抗が減少することにより、運転効率が向上すると共に、起動電圧及び絶縁破壊電圧が減少して誘導電動機の性能が向上し、また、誘導電動機の信頼性が向上するという効果がある。

また、メイン巻線コイルの逆起電力が増加すると共に、誘導ロータの回転速度を変化させることにより、回転軸を介して伝達される出力が大きくなり、また、ファンの回転速度を変化させることにより、エアコンの負荷によってファンの回転速度を変化させながら冷気を循環させることができるという効果がある。

以下、本発明に係る誘導電動機の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る誘導電動機の一実施形態を備えた誘導電動機を示す正断面図であり、図２は、図１の誘導電動機の側断面図である。

図示されたように、前記誘導電動機は、ステータコア５１０、該ステータコア５１０に巻回されるメイン巻線コイル５２０、及び該メイン巻線コイル５２０の体積より小さく前記ステータコア５１０に巻回されるサブ巻線コイル５３０から構成されるステータ５００と、該ステータ５００の内部に回転可能に挿入される誘導ロータ６００と、マグネット７１０を含み、前記ステータ５００と誘導ロータ６００間の空隙に回転可能に挿入される同期ロータ７００とから構成される。

ステータコア５１０は、所定幅を有するリング状のヨーク部５１１と、該ヨーク部５１１の内周面に所定長さを有してヨーク部５１１の中心方向に延設される複数のティース５１２とを含む。それぞれのティース５１２間にはスロットＳが形成され、そのスロットＳを形成するティース５１２の形状は同一であることが好ましい。

スロットＳは、メイン巻線コイル５２０が位置するメインスロット５１３とサブ巻線コイル５３０が位置するサブスロット５１４とから構成され、メインスロット５１３のサイズはサブスロット５１４のサイズより大きく形成される。メインスロット５１３とサブスロット５１４は交互に位置する。

メインスロット５１３のサイズはサブスロット５１４のサイズの１.３〜２倍であることが好ましい。すなわち、図３に示すように、ステータコア５１０の中心からメインスロット５１３を形成する２つのティース５１２の中心に延長した仮想の線がなす角（Ｗ１）がステータコア５１０の中心からサブスロット５１４を形成する２つのティース５１２の中心に延長した仮想の線がなす角（Ｗ２）の１.３〜２倍であることが好ましい。

スロットＳの内壁、すなわち、ヨーク部５１１の内周面は曲面に形成され、ヨーク部５１１の内周面の曲率半径とヨーク部５１１の外周面の曲率半径は同一である。

ステータコア５１０は、複数枚のシートが積層された積層体である。

メイン巻線コイル５２０は、ステータコア５１０のメインスロット５１３に位置するように巻回され、サブ巻線コイル５３０は、ステータコア５１０のサブスロット５１４に位置するように巻回される。これにより、メイン巻線コイル５２０とサブ巻線コイル５３０は交互に位置する。

メイン巻線コイル５２０の体積をサブ巻線コイル５３０の体積より大きくする１つの方法として、図４に示すように、メイン巻線コイル５２０の巻線回数をサブ巻線コイル５３０の巻線回数より多くすることにより、メイン巻線コイル５２０の体積をサブ巻線コイル５３０の体積より大きくする方法がある。ここで、メイン巻線コイル５２０を形成するコイル（導線）の直径とサブ巻線コイル５３０を形成するコイルの直径は同一である。

メイン巻線コイル５２０が位置するメインスロット５１３のサイズがサブ巻線コイル５３０が位置するサブスロット５１４のサイズより大きいため、メイン巻線コイル５２０の巻線回数を多くすることができる。

メイン巻線コイル５２０の体積をサブ巻線コイル５３０の体積より大きくする他の１つの方法として、図５に示すように、メイン巻線コイル５２０の巻線回数とサブ巻線コイル５３０の巻線回数は同一にし、メイン巻線コイル５２０のコイルの直径をサブ巻線コイル５３０のコイルの直径より大きくする方法がある。メイン巻線コイル５２０とサブ巻線コイル５３０の巻線回数が同一であっても、メイン巻線コイル５２０のコイルの直径が大きいため、メイン巻線コイル５２０の体積がサブ巻線コイル５３０の体積より大きくなる。

ステータコア５１０の内部には、ティース５１２の端面により誘導ロータ６００が位置する挿入孔が形成される。

誘導ロータ６００は、所定長さを有して形成されるロータコア６１０と、該ロータコア６１０内に挿入されるケージ６２０とから構成される。ロータコア６１０は、複数枚のシートが積層された積層体であり、ロータコア６１０の中心に回転軸８１０が結合される。

誘導ロータ６００は、ステータ５００の挿入孔に挿入される。

同期ロータ７００は、所定厚さを有する中空円筒状のマグネット７１０と、コップ状に形成されてマグネット７１０を支持するホルダ７２０とから構成される。マグネット７１０は、円周方向に複数の極を有するように着磁される。

マグネット７１０は、ステータ５００の挿入孔の内周面と誘導ロータ６００の外周面間に回転可能に挿入され、ホルダ７２０の一側にはベアリング７３０が結合され、該ベアリング７３０は回転軸８１０に結合される。

同期ロータ７００の他の変形例として、同期ロータ７００は、図６に示すように、所定の厚さ、長さ、外径を有する２つの中空円筒状マグネット７４０、７６０と、コップ状に形成されて中空円筒状マグネット７４０、７６０をそれぞれ支持する２つのホルダ７５０、７７０とから構成される。中空円筒状マグネット７４０、７６０は、円周方向に複数の極を有するように着磁される。

１つの中空円筒状マグネット７４０は、ステータ５００の一方の側から該ステータ５００の挿入孔の内周面と誘導ロータ６００の外周面間に回転可能に挿入され、他の１つの中空円筒状マグネット７６０は、ステータ５００の他方の側から該ステータ５００の挿入孔の内周面と誘導ロータ６００の外周面間に回転可能に挿入される。

２つの中空円筒状マグネット７４０、７６０にそれぞれ結合されたホルダ７５０、７７０の一方の側にそれぞれベアリング７８０、７９０が結合され、ホルダ７５０、７７０にそれぞれ結合されたベアリング７８０、７９０は、回転軸８１０にそれぞれ結合される。

メイン巻線コイル５２０、サブ巻線コイル５３０、及びステータコア５１０の縁部は、保護部材５４０によりカバーされる。保護部材５４０は、モールドにより形成されることが好ましい。

ステータ５００の外側にはモータケーシング９１０が備えられ、誘導ロータ６００の回転軸８１０が、モータケーシング９１０の両側壁にそれぞれ結合されたベアリング９２０に結合される。

モータケーシング９１０に支持される回転軸８１０にはファン９３０が固定結合される。ファン９３０は、エアコンの内部で空気を流動させるエアコン用ファンであることが好ましい。

本発明に係る誘導電動機が適用される一例として、本発明に係る誘導電動機は、エアコン用ファンを備えることでエアコンの内部に装着し得る。

以下、本発明に係る誘導電動機の作用効果を説明する。

まず、前記誘導電動機は、常用電源である交流電源がステータ５００のメイン巻線コイル５２０及びサブ巻線コイル５３０に供給されると、サブ巻線コイル５３０に流れる電流によりステータコア５１０に楕円状の回転磁界が発生し、その回転磁界により同期ロータ７００が同期して同期速度で回転する。同期ロータ７００の回転により該同期ロータ７００のマグネット７１０は強い磁界を有する回転磁界を発生し、その同期ロータ７００による回転磁界により誘導ロータ６００が回転する。

起動時に同期ロータ７００の回転磁界により回転した誘導ロータ６００は、同期速度になった後は、前記メイン巻線コイル５２０の回転磁界により回転する。

すなわち、サブ巻線コイル５３０に流れる電流が同期ロータ７００を起動させる役割を果たし、同期ロータ７００の回転により誘導ロータ６００が回転する。また、メイン巻線コイル５２０に流れる電流は、誘導ロータ６００の逆起電力であり、出力を発生する役割を果たす。

本発明は、運転時に使用されるメイン巻線コイル５２０の体積を大きくし、起動時にのみ使用されて運転時には使用されないサブ巻線コイル５３０の体積を小さくすることで、電動機の運転時に出力を担当するメイン巻線コイル５２０に誘起される逆起電力が増加し、メイン巻線コイル５２０の抵抗は減少する。

また、本発明は、メイン巻線コイル５２０の体積とサブ巻線コイル５３０の体積が異なり、そのメイン巻線コイル５２０とサブ巻線コイル５３０がステータコア５１０のスロットＳの内壁とステータコア５１０の外周面を囲むように巻回されるので、メイン巻線コイル５２０に誘起される逆起電力が増加すると共に、従来の巻線コイルのエンドターン部分のような非効率的な部分が排除されてコイル自体の抵抗である銅損が減少する。

さらに、本発明は、メイン巻線コイル５２０の体積とサブ巻線コイル５３０の体積が異なり、同期ロータ７００が２つの中空円筒状マグネット７４０、７６０から構成された場合、メイン巻線コイル５２０に誘起される逆起電力が増加し、これと同時に、誘導ロータ６００の回転速度を変化させることができる。誘導ロータ６００は、電圧の変化により磁束を変化させることにより、その回転速度を変化させることができる。また、同期ロータ７００が２つの中空円筒状マグネット７４０、７６０から構成される場合、起動及び正常運転時に２つの中空円筒状マグネット７４０、７６０が交互に同期化して起動電流が減少する。

一方、図７は、ステータコア５１０のメインスロット５１３及びサブスロット５１４のサイズが同一であり、また、メインスロット５１３及びサブスロット５１４に巻回されたメイン巻線コイル５２０及びサブ巻線コイル５３０の体積が同一である場合の磁気飽和状態を示す図であり、図８は、ステータコア５１０のメインスロット５１３とサブスロット５１４のサイズが異なり、また、メインスロット５１３に位置するメイン巻線コイル５２０の体積がサブスロット５１４に位置するサブ巻線コイル５３０の体積より大きい場合の磁気飽和状態を示す図である。

図示されたように、メイン巻線コイル５２０の体積がサブ巻線コイル５３０の体積より大きい場合、磁気飽和領域は発生しない。

さらに、図９は、ステータコア５１０のメインスロット５１３及びサブスロット５１４のサイズが同一であり、また、メインスロット５１３及びサブスロット５１４に巻回されたメイン巻線コイル５２０及びサブ巻線コイル５３０の体積が同一である場合の磁気特性を示す図であり、図１０は、ステータコア５１０のメインスロット５１３とサブスロット５１４のサイズが異なり、また、メインスロット５１３に位置するメイン巻線コイル５２０の体積がサブスロット５１４に位置するサブ巻線コイル５３０の体積より大きい場合の磁気特性を示す図である。

図示されたように、メイン巻線コイル５２０の体積がサブ巻線コイル５３０の体積より大きい場合、磁気特性の低下は発生しない。

また、図１１は、ステータコア５１０のメインスロット５１３及びサブスロット５１４のサイズが同一であり、また、メインスロット５１３及びサブスロット５１４に巻回されたメイン巻線コイル５２０及びサブ巻線コイル５３０の体積が同一である場合の逆起電力を示すグラフであり、図１２は、ステータコア５１０のメインスロット５１３とサブスロット５１４のサイズが異なり、また、メインスロット５１３に位置するメイン巻線コイル５２０の体積がサブスロット５１４に位置するサブ巻線コイル５３０の体積より大きい場合の逆起電力を示すグラフである。

図示されたように、メイン巻線コイル５２０の体積がサブ巻線コイル５３０の体積より大きい場合、逆起電力が増加して抵抗が減少する。また、メインスロット５１３とサブスロット５１４のサイズが異なるので、各ティース間の間隔が不等間隔であるにもかかわらず電気的に平衡し、よって、メイン巻線コイル５２０とサブ巻線コイル５３０間に同一の９０度の位相差を示すことが分かる。

回転軸８１０にエアコン用ファン９３０が結合された場合、そのエアコン用ファン９３０が回転して流動が発生し、特に、誘導電動機及びファン９３０がエアコンの内部に装着された場合、そのエアコン内部で形成される冷気を流動させる。

本発明に係る誘導電動機の一実施形態を示す正断面図である。 本発明に係る誘導電動機の一実施形態を示す側断面図である。 本発明に係る誘導電動機を構成するステータコアの一部分を示す拡大側面図である。 本発明に係る誘導電動機を構成する巻線コイルの巻線構造を示す断面図である。 本発明に係る誘導電動機を構成する巻線コイルの巻線構造を示す断面図である。 本発明に係る誘導電動機を構成する同期ロータの他の変形例を示す断面図である。 従来の誘導電動機の磁気飽和状態を示す側面図である。 本発明に係る誘導電動機の磁気飽和状態を示す側面図である。 従来の誘導電動機の磁気特性を示す側面図である。 本発明に係る誘導電動機の磁気特性を示す側面図である。 従来の誘導電動機の逆起電力特性を示すグラフである。 本発明に係る誘導電動機の逆起電力特性を比較したグラフである。 本発明の出願人により研究開発されて生産中の誘導電動機を示す正断面図である。 本発明の出願人により研究開発されて生産中の誘導電動機を示す側断面図である。 前記誘導電動機の一部分を示す拡大側面図である。

符号の説明

５００ ステータ
５１０ ステータコア
５１１ ヨーク部
５１２ ティース
５１３ メインスロット
５１４ サブスロット
５２０ メイン巻線コイル
５３０ サブ巻線コイル
６００ 誘導ロータ
７００ 同期ロータ
７１０、７４０、７６０ 中空円筒状マグネット
７２０、７５０、７７０ ホルダ
７３０、７８０、７９０ ベアリング
９３０ ファン

Claims (13)

1. ステータコアに巻回されるメイン巻線コイル及び前記メイン巻線コイルの体積より小さく巻回されたサブ巻線コイルを備えたステータと、
   前記ステータの内部に回転可能に挿入される誘導ロータと、
   マグネットを含み、前記ステータと前記誘導ロータ間の空隙に回転可能に挿入される同期ロータと
   を有することを特徴とする誘導電動機。
2. 前記メイン巻線コイル及び前記サブ巻線コイルはステータコアの内外周面を囲むように巻回されて形成され、前記メイン巻線コイル及び前記サブ巻線コイルの巻回方向が前記ステータコアの半径方向に位置する、請求項１に記載の誘導電動機。
3. 前記メイン巻線コイルのコイル巻線回数が前記サブ巻線コイルのコイル巻線回数より多い、請求項１に記載の誘導電動機。
4. 前記メイン巻線コイルのコイル直径が前記サブ巻線コイルのコイル直径より大きい、請求項１に記載の誘導電動機。
5. 前記メイン巻線コイルが位置するステータコアのメインスロットと、前記サブ巻線コイルが位置するステータコアのサブスロットのサイズが異なる、請求項１に記載の誘導電動機。
6. 前記ステータコアの前記メインスロット及び前記サブスロットは交互に位置する、請求項５に記載の誘導電動機。
7. 前記メインスロットのサイズが前記サブスロットのサイズより大きい、請求項５に記載の誘導電動機。
8. 前記ステータコアの前記メインスロット及び前記サブスロットの内壁は、曲面に形成されてる、請求項５に記載の誘導電動機。
9. 前記ステータコアの前記メインスロット及び前記サブスロットの内壁の曲率半径は、前記ステータコアの外周面の曲率半径と同一である、請求項８に記載の誘導電動機。
10. 前記ステータコアは、所定幅を有するリング状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面に所定長さを有し且つ前記ヨーク部の中心方向に延設される複数のティースとを含み、前記複数のティースは同一形状に形成され、前記複数のティース間に形成されるスロットは隣接したスロットとサイズが異なる、請求項１に記載の誘導電動機。
11. 前記同期ロータは、中空円筒状に形成された中空円筒状マグネットと、前記中空円筒状マグネットを支持するホルダと、前記ホルダに結合されるベアリングとを含む、請求項１に記載の誘導電動機。
12. 前記同期ロータは、中空円筒状に形成された２つの中空円筒状マグネットと、前記中空円筒状マグネットをそれぞれ支持する２つのホルダと、前記ホルダにそれぞれ結合されるベアリングとを含む、請求項１に記載の誘導電動機。
13. 前記誘導ロータを構成する回転軸にエアコン用ファンが結合され、前記エアコン用ファンが結合された誘導電動機はエアコンに装着される、請求項１に記載の誘導電動機。