JP2010268573A - かご形誘導機及びかご形誘導機における回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】かご形誘導機における磁束飽和の解消効果を高める。
【解決手段】第１スロット２０Ａと第２スロット２０Ｂとは、ロータコア１６の周方向に交互に配置されている。回転軸線１５１と垂直な仮想平面上における第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂの断面形状は、ロータコア１６の半径方向に延びる形状に形成されている。仮想平面上における第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂは、凹み及び角のない凸曲線で区画されている。第２スロット２０Ｂの長さＬ２は、第１スロット２０Ａの長さＬ１よりも短い。又、第２スロット２０Ｂの長さＬ２は、第１スロット２０Ａの長さＬ１の１／２以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、環状の固定子の内側に設けられたロータコアが周方向に配列された複数のスロットを備えており、スロット内には導体が設けられているかご形誘導機及びかご形誘導機における回転子に関する。

かご形誘導機としては、ロータコアの周方向に並んだ状態で二次導体としての複数の導体をロータコアに収容するとともに、複数の導体の両端を短絡環で短絡して回転子を構成したものが知られている。このかご形誘導機では、ステータコアに巻回された固定子巻線に電流が流されると、固定子から磁束が発生し、この磁束がロータコアの周方向に並んだ導体と順に鎖交することによって、各導体に順に電流が流れ、導体を流れる電流と磁束との相互作用によって回転子が回転する。

このような構成のかご形誘導機では、導体によって満たされるスロットの形状が磁束の流れに影響を与え、発生するトルクの大きさがスロットの形状の影響を大きく受ける。
特許文献１では、ロータコアの半径方向の長さが異なる２種類のスロットが交互にロータコアの周方向に配列されている。２種類のスロットのうち、半径方向の長さが長い第１スロットの外方の端部の位置と、半径方向の長さが短い第２スロットの外方の端部の位置とは、ロータコアの回転軸線から略同等距離の位置にある。しかし、第２スロットの内方の端部の位置は、第１スロットの内方の端部の位置よりも外方にあり、隣り合う一対の第１スロットの間には、第２スロットとロータコアの肉部とがある。隣り合う一対の第１スロットの間の前記肉部は、磁束飽和を緩和してトルク発生効率の向上に寄与する。

実開昭５６−１５６３５０号公報

第１スロットの幅は、外端側から内端側に向かうにつれて狭くなってゆき、次いで広がってゆくというように凹みを有するように設定されている。このような凹みの存在は、前記肉部の領域を少なくする。そのため、隣り合う一対の第１スロットの間の前記肉部における磁束飽和の解消は、十分ではない。

本発明は、かご形誘導機における磁束飽和の解消効果を高め、高出力を得ることを目的とする。

請求項１乃至請求項５の本発明は、環状の固定子の内側にロータコアが設けられており、前記ロータコアは、その周方向に配列された複数のスロットを備えており、前記スロット内には導体が設けられているかご形誘導機における回転子を対象とし、請求項１の発明では、前記スロットは、前記ロータコアの周方向に隔離部を介して交互に配置された第１スロットと第２スロットとであり、前記ロータコアの回転軸線を中心とする半径方向における前記第１スロットの長さは、前記半径方向における前記第２スロットの長さよりも長く、前記半径方向における前記第２スロットの長さは、前記半径方向における前記第１スロットの長さの１／２以上であり、前記回転軸線と垂直な仮想平面上における前記スロットを区画する環状の周線は、凹み及び角のない曲線で形成されている。

ここにおける凹みのない曲線とは、環状の曲線（閉じた曲線）上の任意の２点を結ぶ線分が前記環状の曲線を含む内部から出ない曲線のことを言う。半径方向における第２スロットの長さを第１スロットの長さの１／２以上とし、且つ凹み及び角のない曲線で第１スロットを区画した構成は、隣り合う一対の第1スロットの間における磁束飽和の解消効果を高める。

好適な例では、前記仮想平面上での前記スロットは、凸曲線で区画されている。
ここにおける凸曲線とは、環状の曲線（閉じた曲線）上の任意の２点を結ぶ線分が前記２点を除いて前記環状の曲線を含まない内部から出ない曲線のことを言う。凸曲線は、隣り合う一対の第1スロットの間におけるロータコアの隔離部の大きさを稼いで磁束飽和の解消効果を高める上で有効である。

好適な例では、前記第２スロットと前記ロータコアの外周面とを連通させるスリットをさらに有する。
第２スロットよりも外方のスリットは、磁気抵抗となってトルク発生の効果を高める。

好適な例では、前記第１スロット内の導体の導電率は、前記第２スロット内の導体の導電率よりも小さい。
スロット内に入れられる導体のこのような材質の選択は、各導体に流れる電流の大きさの均等化を可能にする。各導体に流れる電流の大きさの均等化は、トルク脈動の低減をもたらす。

好適な例では、前記仮想平面上における前記隔離部の隔離領域は、前記回転軸線と交差し、且つ隣り合う第１スロットと第２スロットとの間にあって前記半径方向に延びる長方形状の帯領域と交差し、前記隔離領域の面積は、前記帯領域の前記隔離領域内の面積よりも大きい。

このような隔離領域の存在は、磁束飽和の解消効果を高める上で有効である。
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の回転子を備えたかご形誘導機である。

本発明は、かご形誘導機における磁束飽和の解消効果を高め、高出力を得ることができるという優れた効果を奏する。

第１の実施形態を示す側断面図。 （ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図。（ｂ）は、部分拡大断面図。 第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂの形状を示す部分拡大端面図。 別の実施形態を示す部分拡大断面図。 別の実施形態を示す部分拡大断面図。 別の実施形態を示す部分拡大断面図。

以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１及び図２について説明する。
図１に示すように、かご形誘導機Ｍは、モータハウジング１０と、モータハウジング１０の内周面に固定された環状の固定子１１と、モータハウジング１０に回転可能に支持された回転子１５とを備えている。

図２（ａ）に示すように、かご形誘導機Ｍを構成する固定子１１は、環状のステータコア１２と、ステータコア１２の内周に複数配列されたティース１２１間のスロット１２２に施された巻線１３とからなる。スロット１２２は、環状の固定子１１の周方向に等ピッチで配列されている。

図１に示すように、ステータコア１２は、磁性体（電磁鋼板）製の複数枚のコア板１４を積層して構成されている。
かご形誘導機Ｍを構成する回転子１５は、円柱形状のロータコア１６と、ロータコア１６に挿通して固定された回転軸１７と、ロータコア１６の両端に接合された一対の短絡環１８，１９とを備えている。環状の固定子１１の内側に設けられたロータコア１６には複数の第１スロット２０Ａ及び複数の第２スロット２０Ｂが回転子１５の回転軸線１５１の方向に貫通するように形成されている。第１スロット２０Ａと第２スロット２０Ｂとは、ロータコア１６の周方向に交互に配置されている。各スロット２０Ａ，２０Ｂ内には導体２１Ａ，２１Ｂが充填されている。導体２１Ａ，２１Ｂは、その両端が短絡環１８，１９に固定されて短絡されている。本実施形態では、導体２１Ａ，２１Ｂの材質は、同じである。

回転子１５は、巻線１３への通電制御によって回転軸線１５１を中心にして回転する。
図２（ｂ）は、導体２１Ａ，２１Ｂを充填した第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂを示す。図３は、導体２１Ａ，２１Ｂを充填していない第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂを示す。

図３に示すように、回転軸線１５１と垂直な仮想平面Ｈ〔図１参照〕上における第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂの断面形状は、ロータコア１６の半径方向に延びる形状に形成されている。仮想平面Ｈ上における第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂは、凹み及び角のない凸曲線で区画されている。

ここにおける凹みのない曲線とは、例えば図３に例示するスロット２０Ａ，２０Ｂを区画する周線Ｃ１，Ｃ２を示す環状の曲線（閉じた曲線）上の任意の２点ｐ，ｑを結ぶ線分ｔ１，ｔ２が環状の曲線を含む内部から出ない曲線のことを言う。又、ここにおける凸曲線とは、例えば周線Ｃ１，Ｃ２を示す環状の曲線上の任意の２点ｐ，ｑを結ぶ線分ｔ１，ｔ２が前記２点ｐ，ｑを除いて環状の曲線を含まない内部から出ない曲線のことを言う。

半径方向における第１スロット２０Ａの外終端２０１Ａの位置と、半径方向における第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂの位置とは、同じに設定してある。つまり、回転軸線１５１から第１スロット２０Ａの外終端２０１Ａの位置までの距離と、回転軸線１５１から第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂの位置までの距離とは、同じにしてある。

半径方向における第１スロット２０Ａの内終端２０２Ａの位置と、半径方向における第２スロット２０Ｂの内終端２０２Ｂの位置とは、異ならせてある。回転軸線１５１から第１スロット２０Ａの内終端２０２Ａの位置までの距離は、回転軸線１５１から第２スロット２０Ｂの内終端２０２Ｂの位置までの距離よりも短い。つまり、第２スロット２０Ｂの長さＬ２は、第１スロット２０Ａの長さＬ１よりも短い。又、第２スロット２０Ｂの長さＬ２は、第１スロット２０Ａの長さＬ１の１／２以上である。

ロータコア１６の周方向に隣り合う第１スロット２０Ａと第２スロット２０Ｂとは、ロータコア１６の一部である隔離部１６１を介して隣り合っている。仮想平面Ｈ上における隔離部１６１の領域Ｋ（以下においては隔離領域Ｋと記す）は、隣り合う外終端２０１Ａと外終端２０１Ｂとを繋いだ直線Ｌ１と、隣り合う内終端２０２Ａと内終端２０２Ｂとを繋いだ直線Ｌ２と、外終端２０１Ａから内終端２０２Ａに至る凸曲線部分Δ１と、凸曲線部分Δ１と隣り合うように外終端２０１Ｂから内終端２０２Ｂに至る凸曲線部分Δ２とによって囲まれる領域である。

隔離領域Ｋは、回転軸線１５１と交差し、且つ隣り合う第１スロット２０Ａと第２スロット２０Ｂとの間にあってロータコア１６の半径方向に延びる長方形状の仮想の帯領域Ｓと交差する。帯領域Ｓは、互いに平行な平行線Ｓ１，Ｓ２を備えている。平行線Ｓ１は、第１スロット２０Ａの凸曲線部分Δ１に接しており、平行線Ｓ２は、第２スロット２０Ｂの凸曲線部分Δ２に接している。つまり、第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂは、帯領域Ｓと点接触する。

隔離領域Ｋの面積は、隔離領域Ｋ内における帯領域Ｓの面積よりも大きい。長方形状の帯領域Ｓの幅を２等分割する２等分割線Ｗは、回転軸線１５１と交差する。
第１の実施形態では以下の効果が得られる。

（１）図３に示す第２スロット２０Ｂと交差する矢印Ｒは、トルク発生に寄与しない磁束の例を表し、第２スロット２０Ｂと交差しない矢印Ｑは、トルク発生に寄与する磁束の例を表す。ロータコア１６の回転軸線１５１を中心とする半径方向における第２スロット２０Ｂの長さＬ２を前記半径方向における第１スロット２０Ａの長さＬ１よりも短く、且つ第１スロット２０Ａの長さＬ１の１／２以上とした構成では、磁束と第２スロット２０Ｂとにおけるトルク発生に寄与しない交差が減らされる。つまり、第２スロット２０ＢのＬ２を前記半径方向における第１スロット２０ＡのＬ１よりも短く、且つ第１スロット２０Ａの長さＬ１の１／２以上とした構成は、トルク増に寄与する。

（２）第２スロット２０Ｂの長さＬ２を短くしすぎると、運転効率を低下させることなくトルクを増すことができなくなる。第２スロット２０Ｂの長さＬ２を第１スロット２０Ａの長さＬ１の１／２以上とすれば、運転効率を低下させることなくトルク増を得ることができる。

（３）第２スロット２０Ｂの長さＬ２を前記半径方向における第１スロット２０Ａの長さＬ１よりも短く、且つ第１スロット２０Ａの長さＬ１の１／２以上とした構成は、隣り合う第１スロット２０Ａと第２スロット２０Ｂとの間における仮想平面Ｈ上での隔離領域Ｋの面積増に寄与して、第２スロット２０Ｂの周囲における磁束飽和の緩和をもたらす。

又、仮想平面Ｈ上における第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂを凹み及び角のない凸曲線で区画した構成は、隣り合う第１スロット２０Ａと第２スロット２０Ｂとの間における仮想平面Ｈ上での隔離領域Ｋの面積増に寄与する。

これらの結果、かご形誘導機Ｍの回転子１５における磁束飽和の解消効果が高められる。
（４）帯領域Ｓと交差する隔離領域Ｋの存在は、磁束飽和の解消効果を高める上で有効である。

本発明では、以下のような実施形態も可能である。
○図４に示すように、仮想平面Ｈ〔図１参照〕上での第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂを区画する曲線として、直線Ｔ１，Ｔ２を含む曲線を採用してもよい。この場合、直線Ｔ１，Ｔ２を含む曲線は、凹み及び角のない曲線である。図示の例では、隣り合う直線Ｔ１，Ｔ２が平行であるが、直線Ｔ１，Ｔ２が平行でなくてもよい。

○図５に示すように、第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂからロータコア１６の外周面１６０に達するスリット２２を設けてもよい。第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂとロータコア１６の外周面１６０との間を通る磁束は、トルク発生に寄与しないが、スリット２２は、第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂとロータコア１６の外周面１６０との間における磁束通過を阻害する。つまり、第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂとロータコア１６の外周面１６０との間を通る磁束は、漏れ磁束となるが、スリット２２は、漏れ磁束を低減してトルク発生の向上に寄与する。

スリット２２は、第２スロット２０Ｂにのみ対応して設けられるため、ロータコア１６の強度低下が少なくて済む。
図６に示すように、第１スロット２０Ａの外終端２０１Ａからロータコア１６の外周面１６０に達するスリット２３を設けてもよい。スリット２３は、漏れ磁束を低減してトルク発生の向上に寄与する。

○第１スロット２０Ａ及び第２スロット２０Ｂに充填される導体２１Ａ，２１Ｂの材質を異ならせてもよい。この場合、導体２１Ｂの導電率は、導体２１Ａの導電率よりも大きくされる。例えば、導体２１Ａの材質としてはアルミニウムが挙げられ、導体２１Ｂとしては銅が挙げられる。

○ロータコア１６の半径方向における第１スロット２０Ａの外終端２０１Ａの位置と、ロータコア１６の半径方向における第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂの位置とを異ならせてもよい。つまり、回転軸線１５１から第１スロット２０Ａの外終端２０１Ａの位置までの距離と、回転軸線１５１から第２スロット２０Ｂの外終端２０１Ｂの位置までの距離とが同じでなくてもよい。

前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
〔１〕前記帯領域の幅を２等分割する２等分割線は、前記回転軸線と交差する請求項５に記載のかご形誘導機における回転子。

〔２〕半径方向における前記第１スロットの外終端の位置と、半径方向における前記第２スロットの外終端の位置とは、同じに設定してある請求項５及び前記〔１〕項に記載のかご形誘導機における回転子。

１１…固定子。１５１…回転軸線。１６…ロータコア。１６０…外周面。１６１…隔離部。２０Ａ…第１スロット。２０Ｂ…第２スロット。２１Ａ，２１Ｂ…導体。２２…スリット。Ｍ…かご形誘導機。Ｌ１，Ｌ２…長さ。Ｈ…仮想平面。Ｓ…帯領域。Ｋ…隔離領域。Ｃ１，Ｃ２…周線。

Claims (6)

1. 環状の固定子の内側にロータコアが設けられており、前記ロータコアは、その周方向に配列された複数のスロットを備えており、前記スロット内には導体が設けられているかご形誘導機における回転子において、
   前記スロットは、前記ロータコアの周方向に隔離部を介して交互に配置された第１スロットと第２スロットとであり、
   前記ロータコアの回転軸線を中心とする半径方向における前記第１スロットの長さは、前記半径方向における前記第２スロットの長さよりも長く、
   前記半径方向における前記第２スロットの長さは、前記半径方向における前記第１スロットの長さの１／２以上であり、
   前記回転軸線と垂直な仮想平面上における前記スロットを区画する環状の周線は、凹み及び角のない曲線で形成されているかご形誘導機における回転子。
2. 前記仮想平面上での前記スロットは、凸曲線で区画されている請求項１に記載のかご形誘導機における回転子。
3. 前記第２スロットと前記ロータコアの外周面とを連通させるスリットをさらに有する請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載のかご形誘導機における回転子。
4. 前記第１スロット内の導体の導電率は、前記第２スロット内の導体の導電率よりも小さい請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のかご形誘導機における回転子。
5. 前記仮想平面上における前記隔離部の隔離領域は、前記回転軸線と交差し、且つ隣り合う第１スロットと第２スロットとの間にあって前記半径方向に延びる長方形状の帯領域と交差し、前記隔離領域の面積は、前記帯領域の前記隔離領域内の面積よりも大きい請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のかご形誘導機における回転子。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の回転子を備えたかご形誘導機。

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