JP2010279119A - かご形誘導機 - Google Patents

Abstract

【課題】スキューによるかご形誘導機の効率化を一層向上させること。
【解決手段】かご形誘導機は、スロット高調波による損失や、騒音・振動を抑制するために、固定子スロット或いは回転子の棒状導体部がスキューされてなる。回転子の棒状導体部ＣＢそれぞれは、各々の素線ＦＬの端部が端絡環ＳＣに連結され、側面が絶縁被覆された素線群で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、かご形誘導機に関する。

かご形誘導機を例えば電動機として動作させる場合、固定子と回転子の間のギャップ面には周方向に正弦波状に変化する磁束密度分布が形成され、この磁束密度分布が回転子の回転速度よりも若干速い速度で周方向に回転している。しかし、固定子スロットの存在により磁束の通りにくい部分が存在するため、磁束密度分布には、固定子スロットに対応する成分（スロット高調波）が重畳する。

このスロット高調波は損失を発生させるだけでなく、出力トルクに脈動を発生させ、騒音や振動の原因ともなる。そこで、スロット高調波による影響を抑制させる目的で固定子スロット或いは回転子スロットをスキューする技術が用いられることが多い。図７は、このスキューの技術を適用した場合に、スロット高調波に対応して棒状導体部Ｘに生じる誘導起電力の概念を示す図である。図７のＡ１，Ａ２は、スロット高調波による鎖交磁束のある時点の方向を示し、Ｂ１，Ｂ２は、同じ時点における起電力の方向を示している。スキューによって棒状導体部Ｘの軸方向における各位置に貫通する磁束の方向が異なるため、起電力の方向も異なっている。

スキューによってスロット高調波による影響を抑制できるとする理論は、軸方向にスロット高調波（スロット高調波による回転子側の磁場変化と考えても等価である。）を足し合わせると、スロット高調波による脈動が相殺されるというものである。すなわち、ある１つの棒状導体部に着目すると、軸方向（棒状導体部の長手方向）において各位置に発生するスロット高調波に応じた起電力はスキューによって向きが異なるため、これらを軸方向に足し合わせれば相殺されるという理論である。

特開２００４−２６０９７６号公報

しかしながら、本願発明者は、損失発生に関しては上述の理論が完全ではないことに着目した。それは、スキューしたとしても依然としてスロット高調波自体は存在しており、棒状導体部には局所的に起電力が発生しているため、電流が局所的に流れ、損失が発生しているというものである。

より詳細には、スロット高調波に対する反作用磁界は回転子の表面付近に集中的に分布する。そのため、棒状導体部の回転子表面付近に集中的に起電力が発生する。各位置に発生する起電力は向きが異なるとはいえ、局所的に電流を発生させる。起電力によって回転子表面付近に発生した電流は、回転子表面付近から棒状導体部の各位置に向かって流れることとなり、損失が発生する。

勿論、以上の問題は、かご形誘導機を発電機として動作させる場合も同様である。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スキューによるかご形誘導機の効率化を一層向上させることである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
固定子スロットがスキューされたかご形誘導機であって、
回転子の棒状導体部（例えば図１の棒状導体部ＣＢ）それぞれが、各々の素線（例えば図２の素線ＦＬ）の端部が端絡環（例えば図１の端絡環ＳＣ）に連結され、側面が絶縁被覆された素線群を有して構成された、かご形誘導機である。

また、第２の発明は、
回転子の棒状導体部がスキューされたかご形誘導機であって、
前記棒状導体部それぞれが、各々の素線の端部が端絡環に接続されて短絡され、側面が絶縁被覆された素線群を有して構成された、かご形誘導機である。

この第１又は第２の発明によれば、棒状導体部それぞれは、端部が端絡環に接続されて短絡された素線群を有して構成され、各素線は側面が絶縁被覆されている。従って、かご形誘導機を例えば電動機として動作させる場合には、スロット高調波に応じて回転子の棒状導体部に発生する誘導起電力及び誘導電流は次のように考えられる。すなわち、棒状導体部を構成するある１つの素線に着目した場合、回転子の回転軸方向（素線の長手方向）の各位置において、向きが異なるとはいえ局所的に起電力が生じ、電流が発生する。しかし、素線は側面が絶縁被覆されているため、隣接する素線に電流が流れ出ることはなく、素線を流れる電流は主に軸方向（長手方向）に沿った方向になる。従って、素線に流れる電流の大きさは、長手方向の起電力を合計したものに対応する電流とみなすことができ、スキュー角度が１スロット分であればそのスロット高調波による起電力の合計はほぼゼロとなり、スロット高調波による電流は殆ど流れない。従って、スキューによるかご形誘導機の効率化を一層向上させることができる。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明のかご形誘導機であって、
前記棒状導体部それぞれが、前記素線群（例えば図５の素線群ＣＢＡ）と、前記素線より太い導体棒（例えば図５の導体棒ＣＢＢ）とを有し、
前記素線群が、前記導体棒よりも回転子表面寄りに配置された、
かご形誘導機である。

この第３の発明によれば、棒状導体部は、素線より太い導体棒と素線群とを有して構成され、素線群が導体棒よりも回転子表面寄りに配置されてなる。スロット高調波による磁界は回転子の表面付近に集中的に分布するため、回転子の表面寄りに素線群を配置して棒状導体部を構成することで、スロット高調波による影響を効果的に抑制することができる。また、棒状導体部全てを側面が絶縁被覆された素線で構成する必要がなくなるため、棒状導体部全てを素線で構成する場合に比べて安価に構成できる。加えて、導体棒の断面積は素線よりも大きいため、棒状導体部全てを素線で構成する場合に比べて棒状導体部全体の抵抗を小さくすることができる。

また、第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明のかご形誘導機であって、
前記棒状導体部が、回転子スロット内の回転子表面から所定距離離れた軸中心寄りに固定配置され、当該回転子スロット内の回転子表面近傍に空隙部（例えば図６の空隙部ＳＰ）が形成されてなる、
かご形誘導機である。

この第４の発明によれば、回転子スロット内の回転子表面近傍には、棒状導体部が配置されず、空隙部が設けられ、この空隙部の奥方（回転子の軸中心寄り）に棒状導体部が配置される。従って、かご形誘導機を例えば電動機として動作させる場合には、スロット高調波によって回転子側に生じる磁界は回転子の表面付近に集中するため、この表面付近に棒状導体部が位置されていれば、その部分に起電力が発生することとなる。しかし、第４の発明によれば、回転子スロットの回転子表面近傍には空隙部が設けられ、棒状導体部が位置しないため、起電力の発生を一層効果的に抑制して、損失を低減することができる。

回転子のかご形巻線部の構造を模式的に示す図。 第１実施形態の棒状導体部の構成を説明するための図。 第１実施形態の回転子スロット付近の回転子の断面略図。 第２実施形態の回転子スロット付近の回転子の断面略図。 第２実施形態の棒状導体部の構成を説明するための図。 第３実施形態の回転子スロット付近の回転子の断面略図。 スロット高調波に対応して棒状導体部に生じる誘導起電力の概念を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
何れの実施形態のかご形誘導機も、スロット高調波による損失や、騒音・振動を抑制するために、固定子スロット或いは回転子の棒状導体部がスキューされてなる。勿論、固定子スロット及び棒状導体部の双方をスキューする構成でもよい。スキューの構成自体は従来公知の技術を適用可能であるため、説明を省略する。
また、かご形誘導機を電動機として動作させる場合を例に挙げて各実施形態の作用効果を説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のかご形誘導機のうち、回転子のかご形巻線部の構造を模式的に示す図であり、図２は、図１のかご形巻線部を構成する１つの棒状導体部の端部を拡大した概略図であり、図３は、回転子の回転子スロット付近の断面略図である。尚、簡明化のため、図１の棒状導体部ＣＢはスキューされていない。

本実施形態のかご形誘導機は、従来同様、棒状導体部の両端部が端絡環で短絡・接続されたかご形巻線部の構造をなしている。但し、本実施形態の棒状導体部ＣＢは、図２に示すとおり、複数の素線ＦＬ１，ＦＬ２，・・・（以下包括的に符号「ＦＬ」で示す。）でなる素線群で構成されている。各素線ＦＬは、例えば銅やアルミを材料とする心線の側面全面が絶縁被膜で覆われた構成を有している。絶縁被膜の形成処理は従来公知の表面処理技術を適用してよい。例えば、心線を銅製とするのであれば、心線表面に酸化皮膜を形成することで素線ＦＬを製造することができる。酸化皮膜の形成方法は、例えば高温加熱や、酸化製ガス雰囲気の反応室内で酸化させて酸化皮膜を任意の厚みに成長させるといった種々の方法がある。

素線群による棒状導体部ＣＢの形成方法としては、例えば、絶縁性の接着剤を用いて素線同士を接着させて形成したり、素線を織り込むようにして撚ることで素線群を１つの束として形成したり、所定数の素線を１つの束として撚った束同士を更に撚ることで形成したり、これらの方法を組み合わせるといった方法を用いることができる。

また、規定長より長目に素線ＦＬ乃至棒状導体部ＣＢを製造しておいて、規定長となるように両端部を切断することにより各素線ＦＬの端面において、心線を絶縁被覆から露出させることができる。勿論、両端部を研磨して心線を露出させるようにしてもよい。

棒状導体部ＣＢは、回転子Ｒの回転子スロットＳＬが形成する収容室ＳＲ内に挿入・固定され、両端部が端絡環ＳＣに接続されて、各棒状導体部ＣＢそれぞれが短絡される。これにより、各棒状導体部ＣＢを構成する各素線ＦＬの両端部が端絡環ＳＣで短絡されることとなる。尚、図３においては、分かり易くするために棒状導体部ＣＢの断面サイズを収容室ＳＲより若干小さく図示しているが、実際にはほぼ同じサイズである。

次に、上述のようにして構成された誘導機を電動機として運転した際の作用効果について説明する。棒状導体部ＣＢのある１つの素線ＦＬに着目すると、スロット高調波に応じた誘導起電力は、回転子Ｒの軸方向（素線ＦＬの長手方向）の各所に発生する。従って、この起電力による誘導電流も生じている。しかし、素線は側面全面が絶縁被覆で覆われているため、発生した電流が隣接する素線に流れることはない。素線を流れる電流は、主に素線ＦＬの長手方向に沿った方向になる。従って、素線に流れる電流の大きさは、長手方向の起電力を合計したものに対応する電流とみなすことができる。例えば、スキュー角度が１スロット分であれば、そのスロット高調波による起電力の合計はほぼゼロとなり、スロット高調波による電流は殆ど流れないこととなる。

以上、第１実施形態によれば、スロット高調波によって生じる電流の損失を低減させることができ、スロット高調波の影響を抑制するためのスキューの効果を向上させ、かご形誘導機の効率化を一層高めることが可能となる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態の誘導機は、第１実施形態の棒状導体部ＣＢを、図４、図５に示す棒状導体部ＣＢ２に置き換えた構成である。

本実施形態の棒状導体部ＣＢ２は、第１実施形態と同じ素線ＦＬでなる素線群ＣＢＡと、導体棒ＣＢＢとを有して構成される。導体棒ＣＢＢは例えば銅又はアルミでなり、素線ＦＬより十分太く、割合として棒状導体部ＣＢ２の約半分乃至過半を占める。また、棒状導体部ＣＢ２は、素線群ＣＢＡを回転子Ｒの表面寄りに、導体棒ＣＢＢを回転軸中心ＲＡ寄りに有して回転子スロットＳＬに挿入・固定される。

従って、回転子Ｒの表面側には、素線ＦＬのみが位置することとなる。誘導機を例えば電動機として動作させた場合には、スロット高調波による磁界は回転子Ｒの表面付近に集中的に分布するため、スロット高調波に対する起電力は回転子Ｒの表面寄りに発生する。そこで、回転子表面側に素線群を配置するように構成することで、スロット高調波による影響を効果的に抑制する。また、回転軸中心ＲＡ寄りには素線ＦＬの代わりに導体棒ＣＢＢを配置した。これにより、棒状導体部ＣＢ２を構成するための素線ＦＬの使用量を抑え、棒状導体部全部を素線ＦＬで構成する場合に比べて製造コストを低減することができる。また、導体棒ＣＢＢの断面積は素線ＦＬに比べて大きいため、抵抗が小さい。よって、棒状導体部全部を素線ＦＬで構成する場合に比べて、棒状導体部全体の抵抗を小さくすることができる。

［第３実施形態］
次に第３実施形態について説明する。第３実施形態の誘導機は、第１及び第２実施形態の誘導機と比べて回転子スロットの構成が異なる。

図６は、本実施形態の回転子スロットＳＬ３の構成を説明するための、回転子の回転子スロット付近の断面略図である。図６に示す通り、本実施形態の回転子スロットＳＬ３には、回転子の表面近傍に空隙室ＰＲが設けられ、空隙部ＳＰが形成されている。そして、回転子スロットＳＬ３は、空隙部ＳＰよりも回転軸中心ＲＡ寄りに棒状導体部ＣＢ３を収容・固定するための収容室ＳＲ３を備えている。

より詳細には、回転子鉄心の表面側チップ部ＣＰＯとスリット内チップ部ＣＰＩとによって、このチップ部間に空隙室ＰＲが形成されており、この空隙室ＰＲには棒状導体部ＣＢ３が挿入されず、空隙部ＳＰとされる。そして、空隙部ＳＰを挟んで、回転子表面から所定距離離れた回転軸中心ＲＡ寄りに収容室ＳＲ３が設けられており、棒状導体部ＣＢ３は、この収容室ＳＲ３内に挿入・固定される。

図６において、第３実施形態の棒状導体部ＣＢ３は、第２実施形態の棒状導体部ＣＢ２と同様、回転子表面寄りに素線群ＣＢＡを、回転軸中心ＲＡ寄りに導体棒ＣＢＢを有する構成として図示しているが、第１実施形態と同様、素線群のみで棒状導体部ＣＢ３を構成することとしてもよい。

以上の構成の下、かご形誘導機を例えば電動機として運転した場合には、スロット高調波によって回転子側に高調波磁界が生じるが、その磁界は回転子Ｒの表面付近に集中的に発生する。しかし、回転子スロットＳＬ３は、回転子表面近傍に空隙部ＳＰを有しており、回転子表面近傍には棒状導体部ＣＢ３が位置しない構造となっている。従って、本実施形態によれば、スロット高調波による棒状導体部内の起電力の発生を効果的に抑制することができる。

［変形例］
以上３つの実施形態について説明したが、本発明が適用可能な具体的構成は上述した実施形態に限られないことは言うまでもない。

例えば、第３実施形態の空隙部ＳＰの形成方法として、表面側チップ部ＣＰＯの内方（回転軸中心ＲＡ寄り）にスロット内チップ部ＣＰＩを設けて空隙室ＰＲを形成することで空隙部ＳＰを設けることとして説明したが、次のようにしてもよい。すなわち、原理的には、回転子表面寄りに空隙部が設けられれば良いため、スロット内チップ部ＣＰＩを設けずに、回転子スロットの底部に棒状導体部ＣＢ３を固定することで、回転子スロット内の回転子表面近傍に空間（空隙部）を設ける構成としてもよい。棒状導体部ＣＢ３の回転子スロット底部への固定方法は適宜選択できる。例えば回転子スロット内チップ部ＣＰＩを設けず、空隙室ＰＲ内を非磁性・非導電性・高耐熱性の構造部材（例えば繊維強化セラミックス等）で充填してもよいし、回転子スロットの断面形状を開口部から底部にかけて台形状に構成して、回転子の遠心力によっても棒状導体部が飛び出さない構造としてもよい。

上述した実施形態では、かご形誘導機を電動機として動作させた場合の作用効果を中心に説明したが、発電機として動作させた場合にも同様の作用効果が奏されることは勿論である。

ＣＢ，ＣＢ２，ＣＢ３ 棒状導体部
ＦＬ 素線
ＣＢＡ 素線群
ＣＢＢ 導体棒
ＳＣ 端絡環
ＳＬ，ＳＬ３ 回転子スロット

Claims (4)

1. 固定子スロットがスキューされたかご形誘導機であって、
   回転子の棒状導体部それぞれが、各々の素線の端部が端絡環に接続されて短絡され、側面が絶縁被覆された素線群を有して構成された、かご形誘導機。
2. 回転子の棒状導体部がスキューされたかご形誘導機であって、
   前記棒状導体部それぞれが、各々の素線の端部が端絡環に接続されて短絡され、側面が絶縁被覆された素線群を有して構成された、かご形誘導機。
3. 前記棒状導体部それぞれが、前記素線群と、前記素線より太い導体棒とを有し、
   前記素線群が、前記導体棒よりも回転子表面寄りに配置された、
   請求項１又は２に記載のかご形誘導機。
4. 前記棒状導体部が、回転子スロット内の回転子表面から所定距離離れた軸中心寄りに固定配置され、当該回転子スロット内の回転子表面近傍に空隙部が形成されてなる、
   請求項１〜３の何れか一項に記載のかご形誘導機。

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