JP2011087373A - 誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の二次銅損による電力損失を減少させて効率向上を図り、省エネルギー化、環境問題対策を図ること。
【解決手段】空間高調波による磁束は回転子表面のみに存在することから、回転子導体棒２を回転子スロットの回転子中心寄りへ配置し、回転子導体棒２の外周側表面から回転子鉄心突起部６の内周側表面までを空間とする。固定子のスロットが開放型となっている場合、固定子と回転子との空隙中には空間高調波が多く含まれるが、このように空間を設け空間の深さを回転子スロット幅の３分の１以上の長さとすることで電力損失を低減化できる。なお、上記空間を鉄心にしてしまうと、回転子漏れ磁束が増え電動機特性が低下するので、空間はそのままとしておき、回転子スロット内に増設突起部７等を設けて回転子導体棒２が外周側に移動しないようにを保持させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は誘導電動機に関し、特に電力損失低減のための誘導電動機の回転子形状に関するものである。

図６（ａ）に一般的な鉄道車両用誘導電動機の回転子の断面図の一例を示す。同図において、１は回転子鉄心、２は回転子導体棒、３は保持環、４は短絡環、５は回転子軸である。
図６（ｂ）に一般的な鉄道車両用誘導電動機の回転子スロット形状のおよび固定子スロット形状の一例を示す。同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図（固定子断面も含む）である。なお、理解しやすいように固定子スロットの断面も合わせて示している。
同図において、１は回転子鉄心であり、回転子鉄心１に設けられた半閉型の回転子スロット１５には回転子導体棒２が保持され、その開口部には回転子鉄心突起部６が設けられる。
１１は固定子鉄心であり、固定子鉄心１１は固定子コイル１２を保持する開放型スロットを有し、固定子スロットの開口部に固定子コイル１２を保持するための固定子スロットの楔１０が設けられる。

図６に示すように、鉄道車両駆動用誘導電動機においては、固定子鉄心には絶縁耐力の点から、開放型スロットを設けている。これは、導体の絶縁を高圧に耐えるようにするため、高圧に耐える絶縁された導体を固定子スロット内に挿入するためである。
このため、開放型スロットの開放空隙部に空間高調波磁束が多くなり、これによる高調波二次銅損が多く発生する。
一方、回転子については、回転子スロット１５内に導体を挿入している。ここで、この回転子スロット１５の開口の幅を狭くすると高調波磁束が入りにくくなるが、電動機特性が低下する。

誘導電動機の回転子について、従来から効率の低下を改善するための提案が種々なされている。
例えば、特許文献１には、力率悪化が少なく、ダクト形成に支障がないようにするため、回転子溝の開口部の大きさを約０．１ｍｍとし、回転子溝にアルミニウムをダイキャストした回転子を有する回転電機が記載されている。
特許文献２には、複数の回転子スロットを有する回転子鉄心にアルミダイキャストによる二次導体を形成した誘導電動機において、回転子鉄心の外周表面に周方向溝を設け、二次導体の上部の軸方向の一部と、回転子スロットの上部の回転子鉄心の軸方向の一部を削除することで、高調波電流を抑制するようにした誘導電動機が記載されている。
さらに特許文献３には、回転子スロット高調波によって二次導体に発生する損失（高調波二次銅損）を効果的に低減するため、スロット開口部と開口部の内側にスロット開口部と一体的に形成される導体挿入部を備えた回転子スロットにおいて、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より短くするようにした誘導電動機が記載されている。

特開昭５６−０３５６６５号 特開平０９−８９７６１号 特開２００８−２７８６４２号

誘導電動機においては、上述したように固定子のスロットが機能上開放型となっているものがある。また、鉄道車両駆動用誘導電動機の場合、インバータ電源で駆動され比較的すべりは大きい。
この場合、固定子と回転子との空隙中に発生する起磁力には空間高調波が多く含まれ、この高調波が回転子の開口部からスロット内に入り、回転子導体棒に起電力を発生させ損失となる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、回転子の二次銅損による電力損失を減少させて効率向上を図り、省エネルギー化、環境問題対策を図ることができる誘導電動機を提供することである。

誘導電動機において、空間高調波による磁束は回転子表面のみに存在することから、回転子導体棒を空間高調波による磁束の影響を受けにくい回転子スロットの回転子中心寄りへ配置した状態とすると、電力損失が低減できるものと考えられる。
そこで、後述するように、磁界解析を行い、回転子導体の高さと回転子銅損の関係を調べた。
その結果、回転子スロット幅の３分の１以上、回転子導体棒高さ（回転子径方向の高さ）を短縮すると、元の状態に比べ空間高調波による回転子銅損が半減することが明らかとなった。
しかし、これ以上回転子導体棒高さを短縮しても、あまり効果がないことも同時に明らかとなった。但し、回転子スロットの空いた空間を鉄心にしてしまうと、回転子漏れ磁束が増え電動機特性が低下する。

以上に基づき、本発明においては、以下のようにして前記課題を解決する。
固定子鉄心に固定子巻線を保持する開放型スロットを有し、回転子の鉄心に導体棒を保持する半閉型の回転子スロットを持つかご形誘導電動機において、回転子スロット内の回転子導体棒の外周側を鉄心とせず、空間とし電力損失の発生と電動機特性の低下を防止する（図１（ｂ）参照）。
空間の大きさは前述の結果より、回転子スロット幅の３分の１以上の長さを、回転子導体棒の外周側表面から、回転子鉄心突起部の内周側表面まで確保する。
上記空間を確保するために、以下のように構成することができる。
（ａ）回転子スロット内に、上記回転子導体棒の外周側の端部に係合する１箇所若しくは複数箇所の突起増設部を設け、回転子スロット内の回転子導体棒を内周側に保持させる。（ｂ）回転子スロットに溝や突起を設けるとともに、回転子導体棒に回転子スロットの溝や突起に対応する突起や溝を施したもの使用し、回転子スロット内の回転子導体棒を内周側に保持する。
突起や溝の数は１箇所若しくは複数個所として、回転子スロット内の回転子導体棒を内周側に保持が可能な範囲であれば自由に選択できる。

本発明のように、回転子導体棒を回転子スロットの内周側に配置し、スロットの空いた空間を鉄心とせず、そのまま空間として残し、空間の大きさを回転子スロット幅の３分の１以上の長さとすることにより、大半の空間高調波による磁束は回転子導体棒と鎖交しなくなる。
このため、空間高調波による電力損失の発生をほとんどなくすことができ、回転子漏れ磁束を増やすことなく、空間高調波による電力損失を抑えることができる。

本発明の実施例の誘導電動機の回転子の構成を示す図である。 磁界解析により得られた回転子導体の高さと回転子銅損との関係を示す図である。 回転子導体を回転子の内周側へ保持させるための構成例（１）を示す図である。 回転子導体を回転子の内周側へ保持させるための構成例（２）を示す図である。 本発明の他の実施例を示す図である。 従来の誘導電動機の回転子の構成例を示す図である。

図１は本発明の実施例の構成を示す図であり、同図（ａ）は鉄道車両駆動用誘導電動機の回転子の断面図を示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す鉄道車両駆動用誘導電動機における本発明の回転子スロット１５のＢ−Ｂ断面図（固定子断面も含む）を示す。なお、理解しやすいように固定子スロットの断面も合わせて示している。
図１（ａ）は、前記図６（ａ）に示したものと同じであり、１は回転子鉄心、２は回転子導体棒、３は保持環、４は短絡環、５は回転子軸である。
図１（ｂ）において、１は回転子鉄心であり、回転子鉄心１に設けられた半閉型の回転子スロット１５には回転子導体棒２が保持され、その開口部には回転子鉄心突起部６が設けられる。
７−１は回転子鉄心突起増設部であり、回転子導体棒２の外周側表面から、回転子鉄心突起部６の内周側表面までの空間を確保するために設けられたものであり、この空間の長さＬは、回転子スロット幅Ｄの３分の１以上の長さである。
１１は固定子鉄心であり、固定子鉄心１１は固定子コイル１２を保持する開放型スロットを有し、固定子コイル１２を保持するための固定子スロットの楔が設けられる。

前記図６に示した鉄道車両駆動用誘導電動機の回転子においては、回転子導体棒２は回転子の外周表面近くに位置しているが、本実施例の図１（ｂ）の回転子においては、回転子外径側の突起部６と回転子内径側の突起部７−１の間は空間となっている。
前述したように誘導電動機において、空間高調波による磁束は回転子表面のみに存在することから、回転子導体棒を空間高調波による磁束の影響を受けにくい回転子スロット１５の回転子中心寄りへ配置した状態とすると、電力損失が低減できる。
このことを磁界解析により確認した。
磁界解析による回転子銅損の計算結果を表１に示す。ここで、解析対象は１時間定格出力１５０ｋＷ、定格電圧５５０Ｖ、定格周波数７５Ｈｚの鉄道車両駆動用誘導電動機であり、回転子スロット寸法は、２３．１ｍｍ×７．４ｍｍである。

表１に示すように、導体棒２の高さをスロット深さ（回転子鉄心突起部の内周側から回転子スロット底までの回転子の径方向の長さ）相当とすると回転子銅損は２．３１３ｋＷであるのに対し、導体棒２の高さを、スロット幅の４０％短縮し、回転子導体棒２の外周側表面から回転子鉄心突起部６の内周側表面までを空間とすると、回転子銅損は１．０７２ｋＷとなり、同様に導体棒２の高さをスロット幅の８０％短縮すると回転子銅損は１．０３４ｋＷとなる。

図２は上記磁界解析により得られた回転子導体棒２の高さと回転子銅損との関係を示し、横軸は、スロット幅に対する、空間の深さ（回転子導体棒の外周側表面から回転子鉄心突起部の内周側表面までの空間の距離）の割合（％）、縦軸は、導体棒２の高さをスロット深さ相当としたときの回転子銅損に対する、空間を設けた場合の回転子銅損（％）の割合である。
磁界解析を行った結果、図２に示すように、回転子スロット幅の約３分の１の長さで回転子導体棒２の高さを短縮すると、元の状態に比べ回転子銅損が半減することが明らかとなった。しかし、これ以上回転子導体棒２の高さを短縮しても、あまり効果がないことも同時に明らかとなった。
すなわち、回転子導体棒２の高さを回転子スロット１５の深さより短縮する場合、回転子導体棒２の外周側表面から回転子鉄心突起部６の内周側表面までの長さを、回転子スロット幅の３分の１以上の長さとすることが妥当であることが確認された。

回転子導体棒２を回転子スロット１５の回転子中心寄り（内周側）へ保持させるため、以下のように構成することができる。
図１（ｂ）では、回転子鉄心突起増設部（回転子内径側突起部）７−１により回転子導体を内周側に保持させている。回転子鉄心突起増設部７−１は一般的な回転子スロット抜き型を改良し、鉄板材料から打抜く際に形成される。
図１（ｂ）において、回転子導体棒２の形状は径方向の長さが一般的な回転子導体棒より短く、通常行う回転子鉄心と短絡環との間の回転子導体棒の加工を行う必要がないため、回転子軸に対して直交方向から見た形状は、図１（ａ）に示すように例えば直方体となる。

図３、図４に回転子導体棒２を内周側に保持させる他の構成例を示し、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示す。
図３（ａ）では、回転子導体棒２に回転子導体棒溝部８−１を設け、回転子スロット１５にその形状に合う突起７−１を複数所設け、溝８−１と突起７−１とを組合せることにより、回転子導体棒を保持している。
回転子導体棒の形状は原料から形成される際に、一般的な回転子導体棒用のダイスを改造することによって形成することができる。上記突起７−１は一般的な回転子スロット抜き型を改良し、鉄板材料から打抜く際に形成される。
図３（ｂ）では、回転子導体棒２に回転子導体棒突起部８−２を複数個所設け、回転子鉄心１側に突起８−２に合う回転子鉄心溝部７−２を設ける。溝７−２と突起８−２を組み合わせることにより、回転子導体棒２を保持している。
回転子導体棒２の形状は原料から形成される際に、一般的な回転子導体棒用のダイスを改造することによって形成することができる。溝７−２は一般的な回転子スロット抜き型を改良し、鉄板材料から打抜く際に形成される。
図３（ｃ）においては、回転子導体棒２の回転子内径側に鍵穴状の溝８−１を設け、回転子鉄心１側に、回転子導体棒２の溝８−１の形状に合う突起７−１を設けている。鍵穴状の溝８−１に突起７−１が引っかかることにより、回転子導体棒２を保持している。
なお、図３、図４では分かりやすくするため溝と突起の間隔を若干開けて示しているが、実際は溝と突起は接触している。

図４（ａ）においては、回転子導体棒２の回転子外径側の寸法を回転子スロット１５と同じ寸法とすることで、回転子スロット内径側に固定させている。回転子導体棒２はやや台形状若しくは他の形状となる。回転子スロット１５に回転子導体棒２をはめ込む際、プラスティックハンマなどで、軽く叩きながら押し込む。
図４（ｂ）においては、回転子スロット１５をスロットの途中で、回転子内径側を拡張し、拡張部９を形成することで回転子導体棒２を固定している。
回転子導体棒２はスロットの形状に合わせることで図のような台形状となる。また、拡張部が他のスロット形状の場合は、回転子導体棒をそのスロット形状に合わせる形状となる。

上記では、回転子導体棒高さ（回転子径方向の高さ）を回転子スロットの深さより小さくし、回転子と導体棒２に設けた突起部あるいは溝部により、あるいは、図４ (ａ) に示した摩擦力より、導体棒２を内周側に保持させる場合について説明したが、導体棒２にＵ字型の溝を設けて、回転子スロット外周側に空間が確保されるようにしてもよい。
すなわち、前記図６（ｂ）において、回転子導体棒２の、回転子スロット６の開口部に対向した面から回転子径方向に向けてＵ字型溝を設け、回転子導体棒２の上記回転子スロット開口部側の両肩部分を回転子鉄心突起部６に係合させることで、回転子導体棒２をスロット６内で移動しないように固定し、上記Ｕ字型溝で回転子スロット外周側の空間を確保するように構成する。
上記Ｕ字溝を有する回転子導体棒は原料から形成する際に、一般的な回転子導体棒用のダイスを改造することによって形成することができる。または、機械加工によって直方体の回転子導体棒を削り出し、形成する。

図５は回転子導体棒の一部を回転子スロット全体に納まる形状とし、他の部分を、外周側に空間を設ける形状とした実施例である。
、図５（ａ）は前記図１（ａ）と同様、回転子の断面を示し、１は回転子鉄心、２は回転子導体棒、３は保持環、４は短絡環、５は回転子軸である。
図５（ｂ）（ｃ）は本実施例の回転子スロット１５の断面を示し、１は回転子鉄心、２は回転子導体棒であり、回転子スロット１５の開口部には回転子鉄心突起部６が設けられる。
図５（ａ）において、例えば線Ｃ−Ｃで切った部分の回転子スロット１５の断面は図５（ｂ）の形状であり、線Ｄ−Ｄで切った部分の回転子スロット１５の断面は図５（ｃ）の形状である。
回転子導体棒２の一部分を図５（ｂ）に示すように回転子スロット全体に納まる形状として突起部６で保持させ、他の部分を図５（ｃ）に示すように、回転子導体棒２の外周側に空間を設ける形状とする。回転子導体棒外径側の空間が少なくなるが、回転子導体棒２の遠心力による応力を緩和することができる。回転子導体棒２の形状は直方体の回転子導体棒を削り出し、形成する。

本発明によれば、従来の電動機に比べ電動機効率を向上させることができ、省エネルギー化、環境問題対策として有効な手段である。

１ 回転子鉄心
２ 回転子導体棒
３ 保持環
４ 短絡環
５ 回転子軸
６ 回転子鉄心突起部
７−１ 回転子鉄心突起増設部
７−２ 回転子鉄心溝部
８−１ 回転子導体棒溝部
８−２ 回転子導体棒突起部
９ 回転子スロット拡張部
１０ 固定子スロット楔
１１ 固定子鉄心
１２ 固定子コイル
１５ 回転子スロット

Claims (4)

1. 固定子鉄心に固定子巻線を保持する開放型スロットを有し、回転子の鉄心に導体棒を保持する半閉型の回転子スロットを持つかご形誘導電動機において、
   回転子スロット内の回転子導体棒の外周側に、スロット幅の３分の１以上の深さで空間を設けてある
   ことを特徴とする誘導電動機。
2. 回転子スロット内の回転子導体棒を内周側に保持するため、回転子スロット内に、上記回転子導体棒の外周側の端部に係合する１箇所若しくは複数箇所の突起増設部を設けてある
   ことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機。
3. 回転子スロット内の回転子導体棒を内周側に保持するため、回転子スロットに溝や突起を設けるとともに、回転子導体棒に、上記回転子スロットの溝や突起と相互に咬み合う溝や突起を施した
   ことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機。
4. 請求項１、２または請求項３にいずれかに記載の回転子を有する車両駆動用誘導電動機。

Images