JP2007259526A

JP2007259526A - かご型誘導モータ

Info

Publication number: JP2007259526A
Application number: JP2006077324A
Authority: JP
Inventors: Kenji Endo; 研二遠藤
Original assignee: JATCO Ltd
Current assignee: JATCO Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】漏れリアクタンスを低減してモータの最大トルクの増大を図る。
【解決手段】固定子（３）の軸方向両端面（３ａ）から外方にそれぞれ延伸するコイルエンド（６）と、回転子（４）の軸方向両端面（４ａ）から外方にそれぞれ延伸する棒状導体（８）の先端部分に取り付けられた短絡リング（９）とを備えたかご型誘導モータにおいて、前記固定子コイルエンド（６）の周回起磁力の中心（Ｐａ）と、前記回転子短絡リング（９）の周回起磁力の中心（Ｐｂ）とが軸方向にて略同位置になるように設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、かご型誘導モータに関し、特に漏れリアクタンスを低減して最大トルクの増大を意図したかご型誘導モータに関する。

かご型誘導モータは、良好な運転特性、取り扱い容易、簡単な構造及び低価格などの特徴から最も広く普及している交流モータである。かご型誘導モータは、基本的に、電源に接続された巻線によって回転磁場を発生する固定子と、この回転磁場の中に配置された回転子（かご型回転子ともいう）とから構成されており、回転子は、軸芯が回転軸に支承された円筒状の積層鉄心と、その積層鉄心の外周面に形成された多数の溝内を軸方向に貫通する棒状導体と、積層鉄心の各々の端面に露出する前記棒状導体の端部同士を短絡する短絡リングとを備えている。

固定子の巻線は、固定子の内周面に形成された歯部に収装されているが、巻線の折り返し部（以下、コイルエンドという）が固定子の軸方向両端面から外部に露出しており、同様に、回転子の短絡リングも、回転子の軸方向両端面から外部に露出している。

このような構成は、例えば、下記の特許文献１などに記載されている。以下、同文献に記載の技術を従来技術ということにすれば、この従来技術では、例えば、その第１図に示されているように、固定子鉄心の端面から外方に延伸するコイルエンドと、回転子鉄心の端面から外方に延伸する棒状導体の先端部分に取り付けられた短絡リングとが認められる。

特開２００４−２１５３６５号公報

さて、上記の従来技術においては、コイルエンドと短絡リングとの位置関係について、特段の記載はない。したがって、従来技術におけるこれらの位置は、互いに関連性がないものということができる。これは、かご型誘導モータの一般的な設計常識として、（Ａ）コイルエンドは無駄な空間を占め、いたずらに１次銅損を発生する弊害もあるため、極力小さくすべきである、（Ｂ）短絡リングは、回転子の回転に伴う遠心力に対して機械的に強固なものとするため、極力、回転子鉄心端に近い位置に設けるべきであるという考え方があるからである。

しかしながら、このように、コイルエンドと短絡リングとの位置を互いに無関係に設定（個別に設定）した場合、その位置関係によっては、電機子漏れリアクタンスが増大することがあり、モータの最大トルクが減少するという不都合を招くことがある。

これは、コイルエンドと短絡リングの位置が異なっていると、コイルエンドと短絡リングの両磁束の相殺効果が充分得られなくなり、その結果、電機子漏れリアクタンスが増大するからである。

そこで、本発明の目的は、コイルエンドと短絡リングとの位置関係を適正化し、以て、漏れリアクタンスを低減してモータの最大トルクの増大を図ったかご型誘導モータを提供することにある。

請求項１記載の発明は、固定子の軸方向両端面から外方にそれぞれ延伸するコイルエンドと、回転子の軸方向両端面から外方にそれぞれ延伸する棒状導体の先端部分に取り付けられた短絡リングとを備えたかご型誘導モータにおいて、前記固定子コイルエンドの周回起磁力の中心と、前記回転子短絡リングの周回起磁力の中心とが軸方向にて略同位置になるように設定したことを特徴とするかご型誘導モータである。

本発明では、固定子の端面からコイルエンドの周回起磁力の実効値の中心点までの距離（Ｙ１）と、回転子の端面から短絡リングの周回起磁力の実効値の中心点までの距離（Ｙ２）とを同値又はほぼ同値に設定したので、コイルエンドが作る起磁力の周回成分が、短絡リングの起磁力によって確実に相殺される。このため、電機子漏れリアクタンスが減少し、モータの最大トルク増大が図られる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明における様々な細部の特定ないし実例および数値や文字列その他の記号の例示は、本発明の思想を明瞭にするための、あくまでも参考であって、それらのすべてまたは一部によって本発明の思想が限定されないことは明らかである。また、周知の手法、周知の手順、周知のアーキテクチャおよび周知の回路構成等（以下「周知事項」）についてはその細部にわたる説明を避けるが、これも説明を簡潔にするためであって、これら周知事項のすべてまたは一部を意図的に排除するものではない。かかる周知事項は本発明の出願時点で当業者の知り得るところであるので、以下の説明に当然含まれている。

図１は、本実施形態のかご型誘導モータの構造図である。この図において、かご型誘導モータ１は、概略的に、フレーム２の内周面に支持された断面ドーナツ状の固定子３と、この固定子３の内側に、該固定子３と同軸上に配置された円筒状のかご型回転子４（以下、単に回転子という）とを備える。

固定子３は、積層鉄心からなり、その内周面に形成された歯部に巻線５（コイル）を収装すると共に、そのコイルエンド６（巻線折り返し部）を固定子３の軸方向両側面から所定量外方に突出させて構成されている。

回転子４も、固定子３と同様に積層鉄心からなり、且つ、該回転子４の外周面と固定子３の内周面との間に微小な空隙を設けて、回転軸７に支承されている。この回転子４は「かご型構造」、すなわち、回転子４の両端面間を貫通する周方向等間隔の多数の溝に棒状導体８を挿通し、且つ、それらの棒状導体８の端部を、回転子４の軸方向両端面側でそれぞれ短絡リング９で短絡する構造となっている。

図２は、図１の要部（ア部）の拡大図である。この図において、符号Ｌは固定子３と回転子４の間隙、符号７ａは回転軸７の軸芯（回転子４の回転中心線）、Ｄ１はコイルエンド６の中央点Ｐａから軸芯７ａまでの距離、Ｄ２は短絡リング９の中央点Ｐｂから軸芯７ａまでの距離、Ｙ１はコイルエンド６の中央点Ｐａから固定子３の端面３ａまでの距離、Ｙ２は短絡リング９の中央点Ｐｂから回転子４の端面４ａまでの距離である。

コイルエンド６の中央点Ｐａ及び短絡リング９の中央点Ｐｂは、それぞれの周回起磁力の実効中心点である。

本実施形態の特徴は、要するに、Ｙ１とＹ２とを一致させ、若しくはほぼ同等にした点にある。これは、このようにすると、コイルエンド６が作る起磁力の周回成分が、短絡リング９の起磁力によって確実に相殺されるからであり、その結果、電機子漏れリアクタンスが最小となり、モータの最大トルクの増大を図ることができるからである。なお、図２では、Ｙ１に比べてＹ２が若干小さく描かれている。すなわち、Ｙ１＞Ｙ２となっているが、これは、コイルエンド６が作る起磁力の周回成分が、短絡リング９の起磁力によって確実に相殺されない場合を説明するための便宜例である。

コイルエンド６の中及び短絡リング９の中では、それぞれ電機子巻線（巻線５）と回転子導体（棒状導体８）の電流が集約され、この電流によって、周回する起磁力が発生する。このような状態で、例えば、Ｙ１＞Ｙ２とした場合には、コイルエンド６が作る起磁力の周回成分が、短絡リング９の起磁力によって確実に相殺されないため、電機子漏れリアクタンスが増え、モータの最大トルクが減少するという結果に至るが、本実施形態のように、Ｙ１＝Ｙ２又はＹ１とＹ２をほぼ一致させた場合には、両起磁力が確実に相殺されるので、電機子漏れリアクタンスが減少し、モータの最大トルクが増大するという格別の効果が得られる。

図３は、コイルエンド空間で生じる磁束の様子を示す図である。この図において、コイルエンド空間では、コイルエンド６を周回する電流成分１０によって生じる第１磁束１１と、短絡リング９を周回する電流成分１２によって生じる第２磁束１３とが共存している。

一般的に誘導モータでは、変圧器の１・２次回路の関係に似て、電機子電流（電流成分１０）が作る起磁力と回転子導体電流（電流成分１２）が作る起磁力とが適度に相殺し合っている。この関係はコイルエンド空間でも成立し、上述の第１磁束１１と第２磁束１３は、本来は相殺し合うべきものである。

しかし、コイルエンド６の圧縮には限界があることから、Ｙｌをある値以下にすることができず、一方、遠心力に対して短絡リング９の取り付け部分を機械的に強固なものとする要求より、Ｙ２を小さくせざるを得ない現状では、コイルエンド６と短絡リング９の起磁力中心点（Ｐａ、Ｐｂ）が軸方向に多少ずれてしまう（Ｙ１＞Ｙ２）ことが往々にしてあり、この場合、第１磁束１１と第２磁束１３がうまく相殺し合わないという不都合があった。このため、コイルエンド空間で電機子巻線（巻線５）に鎖交する実効磁束が増し、結果として、漏れリアクタンスが増加することとなっていた。

図４は、漏れリアクタンス解析図である。この図において、縦軸は漏れリアクタンスの大きさを表し、横軸は短絡リング９の位置（Ｙ２）を表している。この図は、Ｙ１が所定値（例えば、０．０３ｍ）である小型のかご型誘導モータ１でＹ２を種々変化（例えば、０．００５ｍ〜０．０４ｍ）させたときの、各々の変化位置におけるコイルエンド漏れリアクタンスの変化を解析し、それを図表化したものである。

この解析図によれば、Ｙ２を０．００５ｍから増やしていくと漏れリアクタンスが徐々に小さくなって最小値（０．０３ｍ付近）に至り、さらに継続してＹ２を増やしていくと漏れリアクタンスが増加に転ずるという傾向が認められる。

漏れリアクタンスが最小になる部分は、図中のイ部で示されている。このイ部は、Ｙ２がＹ１に一致したとき（Ｙ２＝Ｙ１＝０．０３ｍ）、または、Ｙ２がＹ１にほぼ一致したときである。すなわち、このイ部で、両起磁力の相殺効果が最大となり、電機子巻線に鎖交する磁束量が最小となって漏れリアクタンスが最小値をとることになる。

この解析例では、Ｙ１とＹ２を不用意に設定したとき（例えば、Ｙ１＞Ｙ２）に比べて２０％程度の漏れリアクタンス減が得られた。試算では漏れリアクタンス総量も約１０％減となり、印加電圧一定の条件下で最大トルクが１０％ほど増大するものと考えられる。

一般的に誘導モータのコイルエンドは複雑な形状をしているが、磁場の線形重ね合わせを許容するなら、周方向及び軸方向起磁力ごとに値を求め、これらを総合して最終解とすることができる。陽に変数を含むリアクタンス式は、短絡リング径や位置の適正化など、狙う特性に向けた改善策を与える。

今、左右のコイルエンド６が完全対称であるとするとき、コア部を抜いて両部を突き合わせ、空気中のコイルとして解明する策をとることができる。さいわい、同心で並列する２リング導体を直列接続したときの周方向電流リアクタンス、あるいは２シリンダ導体を直列接続したときの軸方向電流リアクタンスを得る式が容易に導出されるので、コイルエンド空間に存在するこれら２成分の電流ごとにリアクタンスを求めて、それらを加算し、最終値とすることができる。

試みに短絡リング９の位置、すなわち、リング中心の鉄心端部からの距離（Ｙ２）を変えるてみると、このＹ２がコイルエンド６の起磁力中心点（Ｐａ）の位置（Ｙ１）と合致したときに、起磁力相殺効果がもっとも大きく作用し、リアクタンスが最小となることが確認された。

このように、本実施形態のかご型誘導モータ１によれば、コイルエンド６の中央位置（Ｐａ）と、短絡リング９の中央位置（Ｐｂ）とを一致若しくはほぼ一致させるという簡単な対策を講じるだけで、すなわち、Ｙ１とＹ２とを等値又はほぼ等値とするだけで、電機子漏れリアクタンスの最小化を図ることができ、その結果、モータの最大トルクを増大できるという優れた効果を奏することができる。

なお、上記の実施形態では、短絡リング９の中央位置（Ｐａ）をコイルエンド６の中央位置（Ｐｂ）に合わせているが、つまり、Ｙ２をＹ１に一致させているが、その逆であってもよく、あるいは、Ｙ１とＹ２の双方を調節して両者を一致又はほぼ一致させるようにしてもよい。

本実施形態のかご型誘導モータの構造図である。図１のア部拡大図である。コイルエンド空間で生じる磁束の様子を示す図である。漏れリアクタンス解析図である。

符号の説明

１かご型誘導モータ
３固定子
３ａ端面
４回転子
４ａ端面
６コイルエンド
８棒状導体
９短絡リング
Ｐａ中央点（コイルエンド起磁力中心点）
Ｐｂ中央点（短絡リング起磁力中心点）

Claims

固定子の軸方向両端面から外方にそれぞれ延伸するコイルエンドと、回転子の軸方向両端面から外方にそれぞれ延伸する棒状導体の先端部分に取り付けられた短絡リングとを備えたかご型誘導モータにおいて、
前記固定子コイルエンドの周回起磁力の中心と、前記回転子短絡リングの周回起磁力の中心とが軸方向にて略同位置になるように設定したことを特徴とするかご型誘導モータ。