JP2010011679A

JP2010011679A - 誘導機

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Publication number: JP2010011679A
Application number: JP2008170045A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Aiki; 宏介相木; Masaki Ishigaki; 将紀石垣; Koji Umeno; 孝治梅野; Eiji Yamada; 英治山田; Kazutaka Tatematsu; 和高立松; Toshihiko Yoshida; 稔彦吉田
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】誘導機において、コストの大幅な上昇を招くことなく、狙いとするすべり域で、ロータに流れる誘導電流を十分に大きくして、高性能化を図れる構造を実現することである。
【解決手段】誘導機である誘導電動機１０は、複数のステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを有するステータ１２と、複数のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを有するロータ１６とを備える。ロータ１６は、異なる２個ずつの相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの端部同士を複数の短絡部２０により接続するとともに、一部の短絡部２０にロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃと直列に接続するようにコンデンサ２２を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、ステータに対向するロータと、を備える誘導機に関する。

従来から知られている誘導電動機等の誘導機は、周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、ステータに対向するロータとを備える。このような誘導機において、ステータは、回転磁界を発生させるための１次巻線である複数のステータ巻線を有し、ロータは、誘導電流を流すための２次巻線である複数のロータ巻線を有する巻線形誘導機が考えられている。巻線形誘導機では、複数の１次巻線が発生する回転磁束によって、複数の２次巻線に起電力が発生する。この場合、複数の２次巻線同士を短絡させると、発生した起電力によって、複数の２次巻線、及び２次巻線間に誘導電流と呼ばれる電流が流れる。このため、誘導電流により、ロータ側に回転磁束が発生し、ロータ側の回転磁束とステータ側の回転磁束との相互作用により、ロータを回転駆動させる力である駆動力が生じる。

誘導電動機には、ロータが、ロータコアに分布巻き等により巻装された２次巻線を有する巻線形誘導電動機と、ロータが、鉄心等により構成するロータコアに設けられた孔部に、多数の電気導体、すなわち導電体を挿入し、ロータコアの両端側で、多数の導電体の端部同士を一体の短絡リングにより短絡するように連結することにより２次導体を構成するかご形誘導電動機とがある。通常、かご形誘導電動機は、２次導体をアルミニウム等のダイキャストにより一体成形することにより構成できるため、十分な剛性を有し、かつ、安価に製造できる。このため、かご形誘導電動機は、かなり多くの分野で利用されている。

上記のような誘導機の場合、複数のステータ巻線が発生する回転磁束の回転速度に対して、ロータの回転速度が遅くなるようにロータを回転させ、ステータ側の回転磁束の回転速度とロータの回転速度との間に差速を生じさせることで、ロータにその差速に比例した誘導起電力を発生させ、ロータ側に誘導電流を流す。すなわち、ステータ巻線が生成する回転磁束と、ロータに流れる誘導電流とにより、誘導機の駆動力が発生する。誘導起電力を発生させる差速の周波数と、コイル付ステータ側の回転磁束の回転速度の周波数との比は、すべりと呼ばれる。
なお、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献１がある。

特開２００６−２７１１８７号公報

上記のような従来から考えられている誘導機の場合、ロータ巻線等の２次導体に発生する誘導起電力はすべりに比例して増大するが、すべりの増大に伴ってロータ側のインピーダンスも増大するため、誘導電流をすべりの全範囲にわたって十分に大きくすることが困難であり、誘導機の駆動力を実用上十分に大きくする面から改良の余地がある。これについて、図１２、図１３を用いて説明する。

図１２は、従来から考えられている誘導機において、ステータ側の回転磁束の回転速度とロータの回転速度との間の差速の周波数である、すべり周波数と、ロータ側のインピーダンスＺとの関係の１例を示す図である。図１３は、従来から考えられている誘導機において、すべり周波数と、ロータに流れる誘導電流Ｉｒとの関係の１例を示す図である。図１２に示すように、従来から考えられている誘導機では、すべり周波数が増大すると、ロータ側のインピーダンスＺがすべり周波数にほぼ比例して上昇する。このため、すべり周波数の増大にともなって、誘導起電力が増大しても、図１３に実線ａで示すように、誘導電流Ｉｒをすべり周波数の全範囲で十分に増大させることができない可能性がある。

これに対して、本発明者は、例えば、図１３に破線ｂ、一点鎖線ｃで示すように、少なくともすべり周波数のある領域でも誘導電流Ｉｒを十分に大きくできれば、誘導電流Ｉｒを大きくできるすべり域を適切に設定することにより、誘導機の実用上必要とされる駆動力を十分に高くでき、誘導機の高性能化を図れると考えた。これに対して、このような構造を実現するために、例えば、かご形誘導電動機を構成する２次導体の材料をアルミニウムから銅に変える等の材料変更を行ったり、２次導体を大型化することにより、インピーダンスＺを小さくして、すべり周波数のある領域で大きな誘導電流Ｉｒが得られるようにすることも考えられる。ただし、このような材料変更や２次導体の大型化は、誘導機のコストが大幅に上昇する原因となるため、実用面から好ましくない。

また、特許文献１には、単に誘導電動機が記載されているのに過ぎず、上記の不都合を解消する手段を開示するものではない。

本発明の目的は、誘導機において、コストの大幅な上昇を招くことなく、狙いとするすべり域で、ロータに流れる誘導電流を十分に大きくして、高性能化を図れる構造を実現することである。

本発明に係る誘導機は、周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、ステータに対向するロータと、を備える誘導機であって、ロータは、周方向複数個所に設けられた２次導体と、複数の２次導体同士を接続する短絡部と、短絡部に、２次導体と直列に接続するように設けられたコンデンサまたは誘電体と、を備えることを特徴とする誘導機である。

上記の誘導機によれば、すべりの周波数が、１次巻線及び２次導体により決定されるインダクタンスと、コンデンサの静電容量とにより決定される共振周波数付近である場合に、インダクタンスによるインピーダンスがコンデンサの静電容量によるインピーダンスにより相殺される。このため、ロータ側のインピーダンスを十分に小さくでき、ロータに十分に大きな誘導電流を流し、誘導機の駆動力、すなわちトルクを十分に大きくできる。また、誘導機のコストが過度に上昇することを防止できる。

また、本発明に係る誘導機は、周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、ステータに対向するロータと、を備える誘導機であって、ロータは、周方向複数個所に設けられた２次導体である２次巻線を有し、さらに、ロータとともに回転し、各２次巻線から引き出された引き出し線が接続される複数の回転接続端子部と、前記ロータを回転可能に支持する構造部分に支持され、前記複数の回転接続端子部に摺接する複数の摺接部と、各摺接部に接続された部分同士を接続する短絡部と、短絡部に、２次巻線と電気的に直列に接続するように設けられたコンデンサと、を備えることを特徴とする誘導機である。

上記の誘導機によれば、すべりの周波数が、１次巻線及び２次巻線により決定されるインダクタンスと、コンデンサの静電容量とにより決定される共振周波数付近である場合に、インダクタンスによるインピーダンスがコンデンサの静電容量によるインピーダンスにより相殺される。このため、ロータ側のインピーダンスを十分に小さくでき、ロータに十分に大きな誘導電流を流し、誘導機の駆動力、すなわちトルクを十分に大きくできる。また、誘導機のコストが過度に上昇することを防止できる。

また、本発明に係る誘導機は、周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、ステータに対向するロータと、を備える誘導機であって、ロータは、周方向複数個所に設けられた２次導体である柱部と、複数の柱部の端部同士を接続する一対の短絡部である短絡リングと、を有し、一対の短絡リングの少なくとも一方の短絡リングは、周方向複数個所に設けられたリング側導電部と、周方向に隣り合う少なくとも２個のリング側導電部の分離した部分同士の間に設けられた誘電体と、を備え、誘電体は、前記少なくとも一方の短絡リングに、柱部と直列に接続するように設けられていることを特徴とする誘導機である。

上記の誘導機によれば、すべりの周波数が、１次巻線及び柱部及び短絡リングにより決定されるインダクタンスと、誘電体及びその両側部分の静電容量とにより決定される共振周波数付近である場合に、インダクタンスによるインピーダンスが誘電体及びその両側部分の静電容量によるインピーダンスにより相殺される。このため、ロータ側のインピーダンスを十分に小さくでき、ロータに十分に大きな誘導電流を流し、誘導機の駆動力、すなわちトルクを十分に大きくできる。また、誘導機のコストが過度に上昇することを防止できる。

本発明に係る誘導機によれば、コストの大幅な上昇を招くことなく、狙いとするすべり域で、ロータに流れる誘導電流を十分に大きくして、高性能化を図れる構造を実現できる。

［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。最初に、本発明の原理となる、コンデンサを付与することにより、すべりの周波数が共振周波数付近である場合にロータ側のインピーダンスを十分に小さくでき、誘導電流を十分に大きくできる理由について説明し、次にその原理を実現するための誘導機の具体的構造等を説明する。なお、本実施の形態では、ロータが２次巻線であるロータ巻線を有する巻線形誘導電動機に本発明を適用した場合について説明する。図１は、本実施の形態の誘導機である誘導電動機の巻線接続状態を、ステータ側とロータ側とに分けて示す略回路図である。誘導電動機１０を構成するステータ１２は、１次巻線である、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを有し、各相のステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの一端同士を接続している。各相のステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの他端は、図示しないインバータ等の駆動装置を構成する、各相に対応する２個ずつのスイッチング素子の間に接続している。

誘導電動機１０を構成するロータ１６は、周方向複数個所に設けられた２次導体であり、２次巻線であるＡ相、Ｂ相、Ｃ相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを有し、各相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの端部同士を複数の短絡部２０により接続する、すなわち短絡するとともに、各相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの一端（図１の左端）同士の間に設けた短絡部２０に、それぞれコンデンサ２２を、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃと直列に接続するように設けている。すなわち、各相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの一端同士を、コンデンサ２２を介して接続している。

図２は、本実施の形態の誘導電動機１０において、１相分の等価回路を示す図である。図１に示すような巻線接続状態を有する誘導電動機１０では、１相分の等価回路図が図２に示すように表される。この等価回路図では、１次抵抗をＲ₁とし、１次漏れインダクタンスをＬ₁とし、相互インダクタンスをＭとし、２次漏れインダクタンスをＬ₂とし、ステータ１２側の回転磁束の回転速度とロータ１６の回転速度との間の差速に対するステータ１２側の回転磁束の回転速度の比である「すべり」をＳとし、２次抵抗をＲ₂／Ｓとし、コンデンサ２２の静電容量をＣ₂とする。このように、等価回路図では、図２の右側である２次側に、２次巻線であるロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃ（図１）に対して直列にコンデンサ２２を接続している。

このような等価回路図の２次側の直交２軸である、ｄｑ軸の電圧方程式は、次式で表される。なお、以下では、図１、図２と同一の要素には同一の符号を付して説明する。

ここで、（１）式において、Ｖ_d2、Ｖ_q2は、それぞれロータ１６側のｄ軸、ｑ軸に対応する電位差である。また、ｉ_d1、ｉ_q1は、それぞれステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗに流れるｄ軸、ｑ軸の１次電流であり、ｉ_d2、ｉ_q2は、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃに流れるｄ軸、ｑ軸の２次電流である、誘導電流である。また、ω_Sは、ステータ１２側の回転磁束の回転速度とロータ１６の回転速度との間の差速である、すべり角周波数である。このため、（１）式の右辺第１項は、誘導起電力を表し、同じく第２項の行列は、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃに電流を流すために使われるインピーダンスである、インピーダンス行列を表す。また、Ｌ_2aは、相互インダクタンスＭと２次漏れインダクタンスＬ₂との和である（Ｌ_2a＝Ｍ＋Ｌ₂）。また、ロータ１６側のｄ軸、ｑ軸に対応する電位差Ｖ_d2、Ｖ_q2は、実際には０となる。このような（１）式及び図２から明らかなように、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの１相分の回路はＬＣＲ直列共振回路になり、ロータ１６の合成インピーダンスＺ_rは、次式で表わされる。

すなわち、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの１相分の回路は、次式で表わされる共振周波数ｆ_rで共振し、その場合に誘導電流の絶対値は最大になる。

すなわち、（１）式の右辺第２項のインピーダンス行列から、ロータ１６側に電圧と同位相で流れる電流に対して位相が９０度異なる直交成分の電流が、インダクタンスＬ_2aによるインピーダンスと、コンデンサ２２の静電容量Ｃ₂によるインピーダンスとにより、共振周波数ｆ_rで互いに相殺される関係となることが分かる。このため、Ｌ_2aによるインピーダンスと、Ｃ₂によるインピーダンスとが等しくなる周波数である共振周波数が存在し、すべり角周波数ω_Sに対応する周波数が共振周波数であるときに、２次側であるロータ１６側のインピーダンスは最小となり、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃに流れる誘導電流の絶対値は最大となる。また、（３）式から、コンデンサ２２の静電容量Ｃ₂は、共振周波数ｆ_rを用いれば、次式で求められる。

さらに、誘導電動機１０の極対数をｐとした場合に、誘導電動機１０のトルクτは、次式により求められる。

このため、（１）式から（５）式により明らかなように、すべり角周波数ω_Sに対応する周波数ｆ（＝ω_S／２π）が共振周波数ｆ_rであるときに、誘導電動機１０のトルクτは最大となり、誘導電動機１０の駆動力が増幅される。

次に、上記原理を具体化した誘導電動機１０の構成について説明する。図３は、上記原理を具体化した本実施の形態の誘導電動機を示す略断面図である。図４は、図３からロータのみを取り出して図３の軸方向に見た略透視図である。図３、図４に示すように、誘導電動機１０は、図示しないケーシングの内側に固定されたステータ１２と、ステータ１２の内側に径方向に対向するように配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１６とを備える。ロータ１６は、ケーシングに対し回転可能に支持された回転軸２４の外径側に設けられている。すなわち、本実施の形態の誘導電動機１０は、ステータ１２とロータ１６とが径方向に対向するように配置された、ラジアル型の誘導電動機１０である。なお、誘導電動機１０は、発電機としても使用可能なモータジェネレータとすることもできる。モータジェネレータは、電力が供給されるときは電動機として機能し、制動時には発電機として機能する。

ステータ１２は、複数の電磁鋼板を積層する等により構成する鉄心等により構成する、ステータコア２６と、複数相である、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の１次巻線である、ステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗとを備える。ステータコア２６は、径方向内側に突出した複数のティース２８を周方向に互いに間隔を置いて設けており、各ティース２８の間に図示しないスロットを形成している。各相のステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗは、スロットを通って、ティース２８に集中巻きまたは分布巻きで巻装している。すなわち、ステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗは、ステータ１２の周方向複数個所に設けられている。各相のステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗに３相の交流電流を流すことにより、ティース２８が磁化し、ステータ１２の周方向に回転する回転磁界が生成されるようにしている。

一方、ロータ１６は、鉄心等により構成するロータコア３０と、２次導体であり、２次巻線であるロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃとを有する。図４に示すように、ロータコア３０は、径方向外側に突出する複数のティース３２を備え、複数のティース３２に分布巻きでＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを巻装している。すなわち、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、ロータ１６の周方向複数個所に設けられている。図４において、各ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの内側に示した○の中に・または×を示した記号は、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを流れる電流の向きを表しており、○の中に・を示したものは、電流が図の表側に流れることを、○の中に×を示したものは電流が図の裏側に流れることを表している。

また、ロータ１６の周方向に関して位相が異なり、互いに相が異なる２個ずつの相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃ同士を短絡部２０により接続する、すなわち、電気角の位相が１２０度分ずつずれる２個の相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃ同士を短絡部２０により短絡させている。また、複数の短絡部２０により短絡する、２個ずつの異なる相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを１組とし、互いに異なる２個の相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃ同士を短絡する短絡部２０に、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃと直列に接続するようにコンデンサ２２を設けている。また、コンデンサ２２は、ロータ１６の径方向に関してロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃよりも内側に配置している。

なお、図３に示す例では、コンデンサ２２は、ロータ１６の軸方向に関して片側（図３の左側）のみに配置しているが、ロータ１６の軸方向に関して両側にコンデンサ２２を配置することもできる。また、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃよりもロータ１６の軸方向外側に外れた位置にコンデンサ２２を配置することもできる。このように、本実施の形態では、ロータ１６にコンデンサ２２を内蔵しており、その回路図及び等価回路図は、それぞれ図１、図２に示したように表される。

このような誘導電動機１０は、ステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗに発生する回転磁界と、誘導電流によりロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃに発生する回転磁界との相互作用により、誘導電動機１０にトルクを発生させ、誘導電動機１０を駆動することができる。

このような誘導電動機１０によれば、すべりの周波数である、すべり角周波数ω_Sに対応する周波数ｆ（＝ω_S／２π）が、ステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ及びロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃにより決定されるインダクタンスＬ_2a（＝Ｍ＋Ｌ₂）と、コンデンサ２２の静電容量Ｃ₂とにより決定される共振周波数ｆ_r付近である場合に、上記の図１、図２を用いて説明したように、インダクタンスＬ_2aによるインピーダンスがコンデンサ２２の静電容量Ｃ₂によるインピーダンスにより相殺される。このため、ロータ１６側のインピーダンスを十分に小さくでき、ロータ１６に十分に大きな誘導電流を流し、誘導電動機１０の駆動力、すなわちトルクを十分に大きくできる。また、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの材料変更を行ったり、ロータ１６を過度に大型化する必要がなくなる。このため、誘導電動機１０のコストが過度に上昇することを防止できる。この結果、本実施の形態の誘導電動機１０によれば、コストの大幅な上昇を招くことなく、狙いとするすべり域で、ロータ１６に流れる誘導電流を十分に大きくして、高性能化を図れる構造を実現できる。

図５は、本実施の形態の誘導電動機による効果を確認するために行ったシミュレーション結果の第１例を、すべりＳとロータ巻線に流れる誘導電流との関係を用いて示す図である。また、図６は、本実施の形態の誘導電動機による効果を確認するために行ったシミュレーション結果の第２例を、すべりＳと誘導電動機のトルクとの関係を用いて示す図である。図５、図６において、実線ａは、本実施の形態の場合を、一点鎖線ｂは、比較例、すなわち、本実施の形態の構造でロータ１６のすべての短絡部２０のいずれにもコンデンサ２２を設けていない構造の場合を表している。図５、図６に示す結果から明らかなように、本実施の形態によれば、比較例に対して、すべりＳがある値以上でロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃに流れる誘導電流を大きくでき、すべりＳがある値以上で誘導電動機１０のトルクを大きくできることを確認できた。言い換えれば、本実施の形態によれば、上記の図１３に示した破線ｂで表される特性と同様に、すべりＳの周波数がある領域で誘導電流を高くできることを確認できた。なお、このように誘導電流及びトルクを高くできるすべりＳの領域は、例えば、コンデンサ２２の静電容量の変更等により、共振周波数ｆｒを適切に設定することにより容易に設定できる。

なお、本実施の形態では、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを、ロータコア３０を構成するティース３２に分布巻きで巻装しているが、ロータコア３０を構成するティース３２にロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを、集中巻きで巻装する構造でも本発明を実施できる。

［第２の発明の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図７は、本実施の形態の誘導機である、誘導電動機を示す略断面図と、外部端子部を含む外部回路とを示す図である。本実施の形態の誘導電動機１０ａの場合、上記の第１の実施の形態の誘導電動機１０の場合と異なり、異なる相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃ同士を、ロータ１６では短絡させていない。その代わりに、誘導電動機１０ａは、回転接続端子部である３個のスリップリング３４，３６，３８と、摺接部であるブラシ４０，４２，４４と、外部回路４６とを備える。外部回路４６は、複数の外部端子部４８，５０，５２と、複数の外部端子部４８，５０，５２間に設けられたコンデンサ２２とを備える。すなわち、誘導電動機１０ａを構成する回転軸２４に回転接続端子部である３個のスリップリング３４，３６，３８を固定し、各スリップリング３４，３６，３８に各相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの引き出し線を接続している。すなわち、各スリップリング３４，３６，３８は、ロータ１６とともに回転し、位相が異なる３相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃ同士を接続するために使用される。

また、前記ロータ１６を回転可能に指示する構造部分である、図示しないケーシングの内側に複数本である３本のブラシ４０，４２，４４を支持しており、各ブラシ４０，４２，４４の先端を各スリップリング３４，３６，３８に摺接させている。また、各ブラシ４０，４２，４４に３個の外部端子部４８，５０，５２を接続するとともに、３個の外部端子部４８，５０，５２同士の間を短絡部５４により接続する、すなわち短絡させている。また、短絡部５４にロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃと電気的に直列に接続するようにコンデンサ２２を設けている。固定の部分に支持された電気回路である外部回路４６は、外部端子部４８，５０，５２と、短絡部５４と、コンデンサ２２とを含む。すなわち、誘導電動機１０ａは、３相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃの引き出し端子を、スリップリング３４，３６，３８を介して外部に取り出した外部端子部４８，５０，５２とし、誘導電動機１０ａの外側でコンデンサ２２と接続したような構成を有する。外部回路４６は、誘導電動機１０ａを構成するケーシングの外側に固定してもよく、また、誘導電動機１０を自動車等の車両に搭載する車両搭載用誘導電動機とする場合に、ケーシングの外側の、車体に固定される構造部分に、外部回路４６を固定することもできる。この場合には、車体に固定される構造部分が、前記ロータ１６を回転可能に支持する構造部分となる。

このような本実施の形態の場合も、上記の第１の実施の形態と同様に、異なる相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃ同士を接続する短絡部５４と、短絡部５４にロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃと直列に接続するように設けられたコンデンサ２２とを備える。このため、すべりの周波数ｆが、ステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ及びロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃにより決定されるインダクタンスＬ_2aと、コンデンサ２２の静電容量Ｃ₂とにより決定される共振周波数ｆ_r付近である場合に、インダクタンスＬ_2aによるインピーダンスがコンデンサ２２の静電容量Ｃ₂によるインピーダンスにより相殺される。このため、ロータ１６側のインピーダンスを十分に小さくでき、ロータ１６に十分に大きな誘導電流を流し、誘導電動機１０ａの駆動力、すなわちトルクを十分に大きくできる。また、誘導電動機１０ａのコストが過度に上昇することを防止できる。この結果、コストの大幅な上昇を招くことなく、狙いとするすべり域で、ロータ１６に流れる誘導電流を十分に大きくして、高性能化を図れる構造を実現できる。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。

［第３の発明の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態の誘導機である、誘導電動機を構成するロータ及び回転軸を示す略斜視図である。図９は、図８に示したロータで、誘電体及び柱部の数を少なくしたと仮定した場合を、ロータコアを省略して示す略斜視図である。図１０は、本実施の形態の誘導電動機を構成するロータと同様の電気的特性を有する構成の略回路図である。本実施の形態では、上記の各実施の形態の場合と異なり、ロータ１６ａがかご形である、かご形誘導電動機に本発明を適用している。すなわち、図８に示すロータ１６ａは、アルミニウム等により構成するかご形導電体５６と、鉄心等により構成するロータコア５８とを備える。また、図９に略示するように、かご形導電体５６は、それぞれ２次導体である複数本の柱部６０と、それぞれ短絡部である一対の短絡リング６２とを有する。すなわち、かご形導電体５６は、周方向複数個所に設けられた２次導体である柱部６０と、複数の柱部６０の一端部同士、及び、他端部同士をそれぞれ連結する、すなわち接続する一対の短絡リング６２とを有する。

また、各短絡リング６２は、周方向複数個所に設けられたリング側導電部６４と、誘電体６６とを備える。各リング側導電部６４は、各柱部６０の両端部と直接接続している。また、誘電体６６は、周方向に隣り合う２個ずつのリング側導電部６４の互いに分離した部分同士の間に設けている。すなわち、各短絡リング６２の周方向に関して交互に、リング側導電部６４と誘電体６６とが配置される。各短絡リング６２は、複数の誘電体６６と、複数のリング側導電部６４とにより、全体を円環状に形成している。なお、図９では、誘電体６６の数を図８に示す場合よりも少なくして示しているが、これは柱部６０及び誘電体６６の配置をより分かりやすく説明するためのものである。

また、図８に示すように、ロータコア５８は略円柱状に形成し、回転軸２４の外径側に固定するとともに、ロータコア５８の周方向複数個所に設けた軸方向に貫通する孔部（図示せず）に、柱部６０（図９）をそれぞれ挿入するように、ロータコア５８とかご形導電体５６と、を一体に造っている。上記の各短絡リング６２は、例えば、アルミニウム等の導電体により円環状部材を造った後、円環状部材の周方向複数個所を分断し、複数のリング側導電部６４とした後に、リング側導電部６４と誘電体６６とを周方向に関して交互に結合したものを連続させて円環状に造ることにより構成できる。また、このように構成するため、各短絡リング６２に、柱部６０と電気的に直列に接続するように誘電体６６が設けられる。

このようなロータ１６ａと同様の電気的特性を有する構成の電気回路は、図１０に略示するように表すことができる。すなわち、ロータ１６ａは、一対の短絡リング６２の間に、一対の短絡リング６２の周方向複数個所同士を接続するように複数の２次巻線６８が設けられるとともに、各短絡リング６２において、２次巻線６８と直列に接続するようにコンデンサ７０が設けられる構造と同様の電気的特性を有する。

本実施の形態の誘導電動機は、このようなロータ１６ａと、上記の図１から図６で示した第１の実施の形態を構成するステータ１２（図３参照）とを組み合わせることにより構成する。このような誘導電動機によれば、複数の柱部６０同士を接続する短絡部に対応する短絡リング６２と、短絡リング６２に柱部６０と直列に接続するように設けられた誘電体６６とを備える。このため、すべりの周波数ｆが、ステータ巻線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ（図３参照）及び柱部６０及び短絡リング６２により決定されるインダクタンスＬ_2aと、誘電体６６とその両側部分の静電容量Ｃ₂とにより決定される共振周波数ｆ_r付近である場合に、インダクタンスＬ_2aによるインピーダンスが静電容量Ｃ₂によるインピーダンスにより相殺される。このため、ロータ１６ａ側のインピーダンスを十分に小さくでき、ロータ１６ａに十分に大きな誘導電流を流し、誘導電動機の駆動力、すなわちトルクを十分に大きくできる。また、誘導電動機のコストが過度に上昇することを防止できる。この結果、コストの大幅な上昇を招くことなく、狙いとするすべり域で、ロータ１６ａに流れる誘導電流を十分に大きくして、高性能化を図れる構造を実現できる。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する説明を省略する。

なお、本実施の形態では、一対の短絡リング６２の両方に誘電体６６を設けているが、一対の短絡リング６２の一方の短絡リング６２のみに誘電体６６を設けることもできる。また、本実施の形態では、かご形導電体５６の軸方向に対し平行に複数の柱部６０が配置されるようにしているが、複数の柱部６０は、かご形導電体５６の軸方向に対し傾斜させる、すなわちスキューさせるように配置することもできる。

次に、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態の別例を説明する。図１１は、第１の実施の形態の別例を示す、図１に対応する図である。図１１に示すように、上記の別例の誘導機である、誘導電動機１０ｂでは、ロータ１６に設けたすべての短絡部２０にコンデンサ２２を設けている。すなわち、別例の誘導電動機１０ｂでは、ロータ１６を構成し、異なる相のロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃを短絡するすべての短絡部２０にコンデンサ２２を、ロータ巻線１８ａ，１８ｂ，１８ｃと直列に接続するように設けている。このような別例の誘導電動機１０ｂの場合も、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様に、コストの大幅な上昇を招くことなく、狙いとするすべり域で、ロータ１６に流れる誘導電流を十分に大きくして、高性能化を図れる構造を実現できる。なお、上記の図１に示した第１例のようなコンデンサ２２の配置とするか、図１１に示した別例のようなコンデンサ２２の配置とするかは、コンデンサ２２の静電容量や、各コンデンサ２２の大きさ上の制約や、トルクを高くするすべり領域等により決定する。

なお、本発明に係る誘導機は、上記の各実施の形態のような誘導電動機として使用するものに限定するものではなく、発電機として使用するものでも実施できる。

本発明の第１の実施の形態の誘導機の巻線接続状態を、ステータ側とロータ側とに分けて示す略回路図である。第１の形態の誘導機において、１相分の等価回路を示す図である。第１の実施の形態の誘導機を示す略断面図である。図３からロータのみを取り出して図３の軸方向に見た略透視図である。第１の実施の形態の誘導機による効果を確認するために行ったシミュレーション結果の第１例を、すべりとロータ巻線に流れる誘導電流との関係を用いて示す図である。第１の実施の形態の誘導機による効果を確認するために行ったシミュレーション結果の第２例を、すべりと誘導電動機のトルクとの関係を用いて示す図である。本発明の第２の実施の形態の誘導機を示す略断面図と、外部端子部を含む外部回路とを示す図である。本発明の第３の実施の形態の誘導機を構成するロータ及び回転軸を示す略斜視図である。図８に示したロータで、誘電体及び柱部の数を少なくしたと仮定した場合を、ロータコアを省略して示す略斜視図である。第３の実施の形態の誘導機を構成するロータと同様の電気的特性を有する構成の略回路図である。第１の実施の形態の別例を示す、図１に対応する図である。従来から考えられている誘導機において、ステータ側の回転磁束の回転速度とロータの回転速度との間の差速の周波数である、すべり周波数と、ロータ側のインピーダンスとの関係の１例を示す図である。従来から考えられている誘導機において、すべり周波数と、ロータに流れる誘導電流との関係の１例を示す図である。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ誘導電動機、１２ステータ、１４ｕ，１４ｖ，１４ｗステータ巻線、１６，１６ａロータ、１８ａ，１８ｂ，１８ｃロータ巻線、２０短絡部、２２コンデンサ、２４回転軸、２６ステータコア、２８ティース、３０ロータコア、３２ティース、３４，３６，３８スリップリング、４０，４２，４４ブラシ、４６外部回路、４８，５０，５２外部端子部、５４短絡部、５６かご形導電体、５８ロータコア、６０柱部、６２短絡リング、６４リング側導電部、６６誘電体、６８２次巻線、７０コンデンサ。

Claims

周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、
ステータに対向するロータと、を備える誘導機であって、
ロータは、
周方向複数個所に設けられた２次導体と、
複数の２次導体同士を接続する短絡部と、
短絡部に、２次導体と直列に接続するように設けられたコンデンサまたは誘電体と、を備えることを特徴とする誘導機。
周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、
ステータに対向するロータと、を備える誘導機であって、
ロータは、周方向複数個所に設けられた２次導体である２次巻線を有し、
さらに、ロータとともに回転し、各２次巻線から引き出された引き出し線が接続される複数の回転接続端子部と、
前記ロータを回転可能に支持する構造部分に支持され、前記複数の回転接続端子部に摺接する複数の摺接部と、
各摺接部に接続された部分同士を接続する短絡部と、
短絡部に、２次巻線と電気的に直列に接続するように設けられたコンデンサと、を備えることを特徴とする誘導機。
周方向複数個所に１次巻線を有するステータと、
ステータに対向するロータと、を備える誘導機であって、
ロータは、
周方向複数個所に設けられた２次導体である柱部と、
複数の柱部の端部同士を接続する一対の短絡部である短絡リングと、を有し、
一対の短絡リングの少なくとも一方の短絡リングは、
周方向複数個所に設けられたリング側導電部と、
周方向に隣り合う少なくとも２個のリング側導電部の分離した部分同士の間に設けられた誘電体と、を備え、
誘電体は、前記少なくとも一方の短絡リングに、柱部と直列に接続するように設けられていることを特徴とする誘導機。