JP2008278642A - 誘導電動機およびその二次導体 - Google Patents

Abstract

【課題】二次導体を有する誘導電動機において、固定子スロット高調波によって二次導体に発生する損失を効果的に低減すること。
【解決手段】回転子１の各スロット２は、回転子１の外周面側に設けられるスロット開口部４と、スロット開口部４の内側に連続して設けられ、二次導体が挿入される導体挿入部５と、を有し、導体挿入部５のスロット開口部４に接する部位のスロット幅αは、スロット開口部の開口長ａよりも長く、かつ、固定子のスロット間隔の１／２よりも短い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘導電動機、および誘導電動機の回転子スロット内に挿入される二次導体に関するものである。

誘導電動機において、回転子の二次導体をダイカストで製造する場合、回転子スロット形状を比較的自由に選択することができ、かつ、回転子にスキューを施すことが比較的簡単にできるため、これまで種々の回転子スロット形状が考案されている（例えば、下記特許文献１，２など）。

特開昭５６−０３５６６５号公報 特開平０９−２８９７６１号公報

その一方で、誘導電動機においては、回転子の二次導体をダイカストで製造する以外にも、回転子スロットに回転子バーである二次導体を挿入するようにした構成を採用することもできる。本構成の場合、ダイカストをする設備が不要であるという利点のほか、ダイカストを用いて製造した回転子と比べて、強度的にも優れているといった利点が得られる。ただし、回転子バーの形状が複雑になると製造誤差が大きくなって信頼性が損なわれるため、従来の回転子バーの一般的な断面形状は、概ね長方形形状となっていた。

他方、長方形断面形状の回転子バーを用いる場合、基本波による二次銅損を低減させるには、二次抵抗を低減する必要がある。このため、一般的には、回転子バーの断面積を大きくとることで二次抵抗を低減し、誘導電動機の効率向上を図ることが行われていた。

しかしながら、回転子バーの断面積を大きくした場合、回転子の外周面側に位置する部分の導体幅が広くなるため、固定子のスロットおよびティースのパーミアンス脈動に伴う高調波（以下「固定子スロット高調波」という）の影響を受けやすくなり、高調波損失が増大するという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、固定子スロット高調波によって二次導体に発生する損失（特に、高調波二次銅損）を効果的に低減し、高効率な誘導電動機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる誘導電動機は、複数のスロットが形成される固定子と、複数のスロットが形成され前記固定子の生成磁界によって駆動される回転子と、を備え、該回転子の各スロット内に二次導体が挿入されてなる誘導電動機において、前記回転子の各スロットは、前記回転子の外周面側に設けられるスロット開口部と、前記スロット開口部の内側に該スロット開口部と一体的に形成され、前記二次導体が挿入される導体挿入部と、を有し、前記導体挿入部の前記スロット開口部に接する部位のスロット幅が、前記スロット開口部の開口長よりも長く、かつ、前記固定子のスロット間隔の１／２よりも短いことを特徴とする。

本発明にかかる誘導電動機によれば、回転子には、スロット開口部および二次導体を挿入するための導体挿入部からなる複数のスロットが設けられ、導体挿入部のスロット開口部に接する部位のスロット幅が、スロット開口部の開口長よりも長く、かつ、固定子のスロット間隔の１／２よりも短く設定されるので、固定子スロット高調波によって二次導体に発生する損失を低減することができ、高効率な誘導電動機を提供することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる誘導電動機およびその二次導体の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本実施の形態にかかる誘導電動機の回転子スロットの形状を示す部分断面図であり、図２は、従来の誘導電動機における典型的な回転子スロットの形状を比較例として示す部分断面図であり、図３は、回転子スロット側に向かう固定子スロット高調波による鎖交磁束の概念を示す図であり、図４は、回転子側から固定子側に向かう主磁束および漏れ磁束の概念を示す図であり、図５は、図１に示す本実施の形態にかかる回転子スロットが配列された回転子（回転子鋼板）の部分断面図であり、図６は、従来形状の回転子スロットが配列された回転子（回転子鋼板）の部分断面図である。

従来の誘導電動機の回転子５１における回転子スロット５２の形状は、図２に示すような長方形形状が主流であった。長方形形状とする理由は、導体挿入部５５に挿入される回転子バー（二次導体）の断面積を比較的大きく確保することができるからである。なお、回転子バーの断面積が大きくなれば回転子バーの抵抗が小さくなるので、基本波磁束による二次側の銅損の低減には繋がる。

一方、本実施の形態にかかる誘導電動機の回転子１に設けられる導体挿入部５は、図１に示すように、スロット開口部４側の角部を面取りすることにより形成した第１のテーパ部８を有するとともに、回転子１の中心方向に向かってスロット幅が略一定の平行部を有し、さらに中心方向に向かってスロット幅が徐々に漸減するような第２のテーパ部９を有する概略８角形の貫通穴が形成されている。その結果、本実施の形態にかかる回転子スロット２の導体挿入部５は、回転子鋼板６上に、第１角部１０（１０ａ，１０ｂ）、第２角部１１（１１ａ，１１ｂ）、第３角部１２（１２ａ，１２ｂ）、および第４角部１３（１３ａ，１３ｂ）を有し、第２角部１１ａと第３角部１２ａとを結ぶ線、および第２角部１１ｂと第３角部１２ｂとを結ぶ線同士が概略平行となり、第４角部１３ａ，１３ｂ間の長さは、第３角部１２ａ，１２ｂ間の長さ（最大スロット幅ｍ）よりも短くなるように設定される。さらに、第１角部間の長さαは、図示を省略した固定子スロットのピッチ間隔ｐの１／２よりも短くなるように設定される。

なお、棒状の二次導体を回転子スロットに挿入する場合、回転子バーのスロット内での振動を抑制するため、スロット開口部から楔を打ちつけて二次導体を固定するなどの対遠心力対策が必要となる。このため、第１角部間の長さαは、スロット開口部４の幅（以下「スロット開口長」という）ａよりも長くする必要がある。すなわち、第１角部間の長さα，固定子スロットのピッチ間隔ｐ、スロット開口長ａとの間には、ａ＜α＜（ｐ／２）の関係を満足する必要がある。

つぎに、上述した固定子スロット高調波について説明する。固定子スロット高調波は、固定子のティースおよびスロットのパーミアンス脈動により発生するパーミアンス高調波であり、誘導電動機において顕著である。また、特に、固定子スロット高調波の二次高調波成分は、誘導電動機の特性に大きな影響を与える。ここで、固定子スロット高調波の二次高調波成分は、その空間的な波長が固定子スロットのピッチ間隔（図示省略）に等しいということが知られている。このため、二次高調波により発生する高調波磁束は、固定子スロットのピッチ間隔の１／２ピッチでＮ−Ｓ極を作ることになる。

一方、図２に示した従来構成において、スロット開口部５４の両側に形成される回転子ティースのチップ部５３は、一般的に磁気飽和が顕著な部位である（図３のＫ１参照）。このチップ部を通過する高調波鎖交磁束１は、矢印Ａに示す経路を通って回転子バーの周りを一周する。しかしながら、このチップ部では、上記のように磁気飽和が顕著であり、矢印Ｂに示す高調波鎖交磁束２の経路を通って、回転子バーに鎖交する高調波磁束も多くなってくる。矢印Ｂに示す経路を通過する高調波鎖交磁束２が二次導体の角部に鎖交するとき、二次導体には、往復する渦電流（以下「高調波往復渦電流」という）Ｋ２が発生する。なお、二次導体中に流れる往復電流は、渦電流ループのインピーダンスが比較的小さくなるため、大きな高調波電流が流れて大きな高調波損失を発生させる要因となる。

しかしながら、本実施の形態にかかる誘導電動機では、導体挿入部５を上述のような概略８角形の形状に形成するようにしてチップ部３の面積を増加させているので、チップ部の磁気飽和を緩和することができる。また、本実施の形態にかかる誘導電動機では、導体挿入部５の第１角部間の長さαを固定子スロットのピッチ間隔ｐの１／２よりも短い長さに設定しているので、固定子スロット高調波による大部分の磁束が、導体挿入部５の角部の面取りにより磁気飽和が緩和されたチップ部に鎖交することとなり、二次導体の角部に鎖交していた磁束を効果的に低減することで渦電流を小さくすることができ、高調波損失の低減が可能となる。

ところで、例えば回転子ティースのチップ部の厚みを増す、あるいはスロット開口長を小さくすることにより、高調波二次銅損を低減する手法も知られている。しかしながら、この種の手法は、二次漏れ磁束の増大を招き、最大トルクの減少につながるので、好ましい手法であるとは言い難い。一方、本実施の形態のように、導体挿入部の第１角部間の長さαをスロット開口長ａより長く、固定子スロットのピッチ間隔ｐの１／２よりも短くする形状とすることで、高調波二次銅損を効果的に低減し、誘導電動機の効率を向上させることができる。

なお、第１角部間の長さαを固定子スロットのピッチ間隔ｐの１／２よりも短くしつつ、回転子スロットに挿入される二次導体の断面積を確保するためには、回転子スロット数が固定子スロット数よりも少ないことが好ましい。回転子スロット数が固定子スロット数よりも少ない場合には、第１角部間の長さαを短くした場合でも、最大スロット幅ｍを長くすることにより、回転子スロットに挿入される二次導体の断面積を十分に確保することができ、基本波における損失を低減することができる。

ところで、上記では、導体挿入部５の好適な形状として、概略８角形の形状について説明したが、本説明の趣旨は、主に、固定子側から回転子側に向かう固定子スロット高調波の影響を回避する観点を考慮したものである。一方、この概略８角形の形状において、特に、第１のテーパ部８の形状は、回転子側から固定子側に向かう漏れ磁束の影響を回避する観点や、遠心力に対する強度の点においても効果的な形状となる。以下、これらの効果について説明する。

固定子から流入した主磁束は、図４の矢印Ｃに示すように、回転子スロット間のティースから固定子側に向かって戻るため、回転子スロットの第１角部１０とスロット開口部の外周側の角部１４とを結ぶライン角β内を主に通ると考えられる。これに対し、二次電流が流れることにより発生する漏れ磁束は、図４の矢印Ｄに示すように、スロット開口部を横切る磁束となる。したがって、磁気飽和に基づく高調波損失を低減するためには、図４の斜線部で示した部位の磁気飽和を緩和させることが肝要となる。図１と図２とを比較すれば明らかなように、本実施の形態の回転子では、磁気飽和の緩和部位の面積が広くなっており、磁気飽和の緩和に効果的な形状であることが分かる。なお、磁気飽和緩和効果をより高めるためには、第１角部１０と第２角部１１とを結ぶライン角γが上記ライン角βよりも大きくなることが好ましい。

また、第１角部１０と第２角部１１とによって形成される第１のテーパ部８は、二次導体が遠心力によって外周方向に移動しようとする応力を分散することができる。したがって、本実施の形態にかかる誘導電動機は、機械的な信頼性を維持あるいは向上させつつ、高調波損失を低減することが可能となる。

つぎに、第２のテーパ部９の形状について図５および図６を参照して説明する。図１に示した回転子スロット２を円周方向に配列した場合、隣接する回転子スロットとの間隔である回転子ティース断面最小幅は、導体挿入部５の第４の角部間の間隔となるが、上述したように第３の角部と第４の角部との間はテーパ形状となって第４の角部が内側に絞り込まれているので、図５に示すように、十分な長さを確保することができる。

一方、従来形状の回転子スロット５２を円周方向に配列した場合、図６に示すように、回転子ティース断面最小幅として十分な長さを確保することができない。また、この部分が近接しすぎると磁気飽和が顕著となって、磁束の流れに影響を与え、誘電電動機の特性に悪影響を与える。

このように、本実施の形態にかかる誘導電動機の回転子スロットは、スロット幅が略一定となる所定長の平行部を有するとともに、この平行部から中心方向に向かってスロット幅が徐々に漸減するような第２のテーパ部を有しているので、ティース付け根の回転子ティース断面最小部における磁気飽和の発生を効果的に抑制することが可能となる。

なお、スロット幅が略一定となる所定長の平行部を有するという特徴については、二次導体（回転子バー）を製造する観点において、有効に作用する。例えば、スロット幅が略一定となる平行部は、回転子バーを製造する際の基準面とすることができるので、回転子バーの工作性の向上に繋がる。

上述したように、本発明にかかる誘導電動機では、回転子バーが挿入される導体挿入部として、スロット開口部側の角部を面取りすることにより形成した第１のテーパ部を有するとともに、回転子の中心方向に向かってスロット幅が略一定の平行部を有し、さらに中心方向に向かってスロット幅が徐々に漸減するような第２のテーパ部を有する概略８角形の貫通穴を形成するようにしている。その結果、以下に示すような効果が得られる。

まず、第１のテーパ部を有することにより、固定子スロット高調波による磁束を磁気飽和の顕著となる部分から磁気飽和が緩和された部分に多く通過させることができるので、高調波鎖交磁束の経路の漏れ磁束を減少させ、固定子スロット高調波に起因する高調波二次銅損を低減することが可能となる。この場合、導体挿入部のスロット開口部に接する部位のスロット幅を、スロット開口部の開口長よりも長く、かつ、固定子のスロット間隔の１／２よりも短く設定することが必要である。

また、第１のテーパ部を有することにより、磁気飽和が緩和される部位を形成しつつ、二次導体の断面積を十分に確保することができるので、基本波における損失を低減することができる。

また、第１のテーパ部を有することにより、二次導体が遠心力によって外周方向に移動しようとする応力を分散することができるので、機械的な信頼性を維持あるいは向上させつつ、高調波損失を低減することができる。

また、回転子の中心方向に向かってスロット幅が略一定の平行部を有するように構成することにより、当該平行部を回転子バーを製造する際の基準面とすることができ、回転子バーの工作性を向上させることができる。

また、回転子の中心方向に向かってスロット幅が徐々に漸減するような第２のテーパ部を有することにより、所定値以上の回転子ティース断面最小幅を確保することができ、回転子の中心部における磁気飽和の発生を効果的に抑制することができる。

以上のように、本発明にかかる誘導電動機は、固定子スロット高調波によって二次導体に発生する損失を効果的に低減することができる発明として有用である。

本実施の形態にかかる誘導電動機の回転子スロットの形状を示す部分断面図である。 従来の誘導電動機における典型的な回転子スロットの形状を比較例として示す部分断面図である。 回転子スロット側に向かう固定子スロット高調波による鎖交磁束の概念を示す図である。 回転子側から固定子側に向かう主磁束および漏れ磁束の概念を示す図である。 実施の形態にかかる回転子スロットが配列された回転子（回転子鋼板）の部分断面図である。 従来形状の回転子スロットが配列された回転子（回転子鋼板）の部分断面図である。

符号の説明

１，５１ 回転子
２，５２ 回転子スロット
３，５３ チップ部
４，５４ スロット開口部
５，５５ 導体挿入部
６ 回転子鋼板
８ 第１のテーパ部
９ 第２のテーパ部
１０，１０ａ，１０ｂ 第１角部（導体挿入部）
１１，１１ａ，１１ｂ 第２角部（導体挿入部）
１２，１２ａ，１２ｂ 第３角部（導体挿入部）
１３，１３ａ，１３ｂ 第４角部（導体挿入部）
１４ 角部（チップ部）

Claims (8)

1. 複数のスロットが形成される固定子と、複数のスロットが形成され、前記固定子の生成磁界によって駆動される回転子と、を備え、該回転子の各スロット内に二次導体が挿入されてなる誘導電動機において、
   前記回転子の各スロットは、
   前記回転子の外周面側に設けられるスロット開口部と、
   前記スロット開口部の内側に該スロット開口部と一体的に形成され、前記二次導体が挿入される導体挿入部と、
   を有し、
   前記導体挿入部の前記スロット開口部に接する部位のスロット幅が、前記スロット開口部の開口長よりも長く、かつ、前記固定子のスロット間隔の１／２よりも短いことを特徴とする誘導電動機。
2. 複数のスロットが形成される固定子と、複数のスロットが形成され、前記固定子の生成磁界によって駆動される回転子と、を備え、該回転子の各スロット内に二次導体が挿入されてなる誘導電動機において、
   前記回転子の各スロットは、
   前記回転子の外周面側に設けられるスロット開口部と、
   前記スロット開口部の内側に該スロット開口部と一体的に形成され、前記二次導体が挿入される導体挿入部と、
   を有し、
   前記導体挿入部は、外周面側の２つの角部が面取りされて成り、該面取りされた４つの角部のうち、前記スロット開口部側の２つの角部間の長さが前記スロット開口部の開口長よりも長く、かつ、前記固定子のスロット間隔の１／２よりも短いことを特徴とする誘導電動機。
3. 前記導体挿入部の形状が、概略８角形の形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の誘導電動機。
4. 前記導体挿入部は、
   前記面取りされた４つの角部のうち、前記スロット開口部側の２つの角部の一方および他方を第１の角部とし、残りの２つの角部の一方および他方を第２の角部とするとき、
   前記第１角部と前記第２角部とを結ぶライン角γが、該第１角部と前記スロット開口部の外周面側の角部とを結ぶライン角βよりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の誘導電動機。
5. 複数のスロットが形成される固定子と、外周面側に設けられるスロット開口部および該スロット開口部の内側に該スロット開口部と一体的に形成される導体挿入部からなるスロットが複数個形成され、前記固定子の生成磁界によって駆動される回転子と、を備える誘導電動機の一部を構成するように、前記導体挿入部に挿入される誘導電動機の二次導体であって、
   前記スロット開口部側の辺部における導体幅が、前記スロット開口部の開口長よりも長く、かつ、前記固定子のスロット間隔の１／２よりも短いことを特徴とする誘導電動機の二次導体。
6. 複数のスロットが形成される固定子と、外周面側に設けられるスロット開口部および該スロット開口部の内側に該スロット開口部と一体的に形成される導体挿入部からなるスロットが複数個形成され、前記固定子の生成磁界によって駆動される回転子と、を備える誘導電動機の一部を構成するように、前記導体挿入部に挿入される誘導電動機の二次導体であって、
   前記スロット開口部側の辺部における２つの角部が面取りされて成り、該面取りされた４つの角部のうち、前記スロット開口部側の２つの角部間の長さが前記スロット開口部の開口長よりも長く、かつ、前記固定子のスロット間隔の１／２よりも短いことを特徴とする誘導電動機の二次導体。
7. 断面形状が、概略８角形の形状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の誘導電動機の二次導体。
8. 前記面取りされた４つの角部のうち、前記スロット開口部側の２つの角部の一方および他方を第１の角部とし、残りの２つの角部の一方および他方を第２の角部とするとき、
   前記第１角部と前記第２角部とを結ぶライン角γが、該第１角部と前記スロット開口部の外周面側の角部とを結ぶライン角βよりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の誘導電動機の二次導体。

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