JP2012157134A - 誘導電動機の回転子および誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク低下を抑制することができる誘導電動機の回転子および誘導電動機を提供する。
【解決手段】回転子２０は、トルク発生経路用二次導体４０と短絡経路用二次導体５０を備えている。鉄心３０の外周部に埋設されたトルク発生経路用二次導体４０は、回転軸方向Ｌ１に延び、二次電流が流れてトルク発生経路となる。鉄心３０の外周部に埋設された短絡経路用二次導体５０は、回転軸方向Ｌ１の同一位置で全周にわたって延び、鉄心３０における回転軸方向Ｌ１での端面より内方においてトルク発生経路を短絡する短絡経路を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘導電動機の回転子および誘導電動機に関するものである。

特許文献１において誘導電動機の回転子が開示されている。この回転子は誘導電動機の低騒音化を図るべく、次のような構成としている。回転子は、外周部に複数の放射状に延びる歯を設けた磁性薄鉄板を数枚積層したものを、歯の位置を周方向にずらして積層して形成し、かつ、歯の尖端が積層方向に隣接する歯先に接触しないような間隙を保ちながら磁性薄鉄板を積層し、この間隙に導体を鋳込んでいる。

特開昭５７−７１２５４号公報

ところで、回転磁界には、固定子（ステータ）のスロットや、インバータキャリアを要因とする、高調波磁束が含まれている。これらの高調波磁束は表皮効果により、回転子内部まで浸透せず、主としてギャップや、回転子の鉄心表面付近に留まる。

そして、上述の高調波磁束を打ち消すように、二次導体中には、高調波磁束と同じ周波数成分を持った、高調波二次電流が誘導される。この高調波二次導体電流は、トルクに寄与するものではなく、二次導体損失となるため、結果として出力が低下する。

また、スキュー構造（斜めスロット）を採用することによりトルククリップルは減るがトルクが低下する。また、特許文献１に記載の回転子はその構造上、歯を小さく、歯と歯の間を広く取る必要が生じる。

本発明の目的は、トルク低下を抑制することができる誘導電動機の回転子および誘導電動機を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、円筒状をなす鉄心と、前記鉄心の外周部に埋設され、回転軸方向に延び、二次電流が流れてトルク発生経路となるトルク発生経路用二次導体と、前記鉄心の外周部に埋設され、回転軸方向の同一位置で全周にわたって延び、前記鉄心における回転軸方向での端面より内方において前記トルク発生経路を短絡する短絡経路を形成する短絡経路用二次導体と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、鉄心の外周部に埋設され回転軸方向に延びトルク発生経路となるトルク発生経路用二次導体を形成するとともに、鉄心の外周部に埋設され回転軸方向の同一位置で全周にわたって延びる短絡経路を形成する短絡経路用二次導体を設けることにより、トルク低下を抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の誘導電動機の回転子において、前記トルク発生経路用二次導体の外周部に切り欠きを形成したことを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、トルク発生経路用二次導体の外周部に形成した切り欠きにより、損失を低減し、高効率化、高出力化することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の誘導電動機の回転子において、前記鉄心は、磁性体を積層して形成されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明によれば、鉄損対策を講じることができる。

請求項４に記載のように、請求項３に記載の誘導電動機の回転子において、前記短絡経路用二次導体は、前記磁性体を積層して形成された鉄心の間に挟持された円板状の導体を含んでいる構成とすることができる。

請求項５に記載のように、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転子を備えた誘導電動機とすることができる。

本発明によれば、トルク低下を抑制することができる。

本実施形態における誘導電動機の回転子の鉄心および二次導体を示す側面図。 本実施形態における誘導電動機の回転子の鉄心および二次導体を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ線での回転子の縦断面図。 図３のＢ部拡大図。 比較のための回転子の一部拡大図。 （ａ）は回転子の構造を説明するための概略分解斜視図、（ｂ）は回転子の構造を説明するための概略側面図。 （ａ）は回転子の製造方法を説明するための固定子の概略一部断面図、（ｂ）は回転子の製造方法を説明するための固定子の概略一部断面図。 （ａ）は評価のための回転子の一部拡大図、（ｂ）は評価のための回転子の一部拡大図、（ｃ）は評価のための回転子の一部拡大図。 評価結果を示す二次導体深さに対するトルク、効率、損失の関係図。 （ａ）は別例の回転子の構造を説明するための概略分解斜視図、（ｂ）は別例の回転子の構造を説明するための概略側面図。 （ａ）は別例の回転子の構造を説明するための概略斜視図、（ｂ）は別例の回転子の構造を説明するための概略側面図。 （ａ）は別例の回転子の製造方法を説明するための固定子の一部断面図、（ｂ）は別例の回転子の製造方法を説明するための固定子の一部断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１，２，３に示すように、誘導電動機１０に備えられた回転子２０は、円筒状の固定子７０の内部にギャップ（空隙）を介して配置されている。回転子２０は回転軸Ｓ１を中心に回転する。

回転子２０は、円筒状の鉄心３０と、トルク発生経路用二次導体４０と、短絡経路用二次導体５０と、エンドリング６０，６１を備えている。本実施形態においては、図６に示すように、鉄心３０を、積層した電磁鋼板３５，３６により構成するとともに、電磁鋼板３５に挟持された円板状の短絡経路用二次導体５０を、アルミ板３７により構成し、これらを積層した状態で、アルミを鋳込むことによりトルク発生経路用二次導体４０とエンドリング６０，６１を一体化している。即ち、短絡経路用二次導体５０は、電磁鋼板３５を積層して形成された鉄心の間に挟持された円板状の導体としてのアルミ板３７を含んでいる。

鉄心３０は磁性体である電磁鋼板３５，３６を積層して形成され、鉄心３０は全体形状として円筒状をなしている。鉄心３０は、図６に示すように、電磁鋼板３５にて構成される歯車形状部３１と、電磁鋼板３６にて構成される円環部３２からなる。回転軸Ｓ１上において歯車形状部３１の間に円環部３２が位置している。

図３，４に示すように、鉄心３０の歯車形状部３１は、外周側においてスロット（溝）３１ａが複数形成されている。各スロット３１ａは鉄心の中心から放射状に延び、鉄心の外周面に開口している（オープンスロットとなっている）。スロット３１ａの間が歯部３１ｂとなっている。

図６の円環部３２の外周側に円環状のアルミ板３７が配置される。
アルミを鋳込むことにより歯車形状部３１のスロット３１ａにアルミが入り込み、このアルミによりトルク発生経路用二次導体４０が複数埋設される。トルク発生経路用二次導体４０は、鉄心３０の外周部において回転軸方向Ｌ１に延び、二次電流が流れてトルク発生経路（主経路）を構成することになる。

また、アルミを鋳込むことにより円筒状の鉄心３０における回転軸方向Ｌ１での一方の端面３０ａ（図１参照）にエンドリング６０が配置されるとともに他方の端面３０ｂ（図１参照）にエンドリング６１が配置される。そして、トルク発生経路用二次導体４０の両端がエンドリング６０，６１に連絡されている（短絡されている）。

アルミを鋳込むことにより一対の歯車形状部３１の間における円環部３２の外周側に配置されたアルミ板３７よりなる短絡経路用二次導体５０が鋳ぐるまれて、埋設される。短絡経路用二次導体５０（アルミ板３７）は鉄心３０に複数埋設される。短絡経路用二次導体５０は、鉄心３０の外周部において回転軸方向Ｌ１での端部以外に配置され、回転軸方向Ｌ１の同一位置で全周にわたって延びている。短絡経路用二次導体５０により、鉄心３０における回転軸方向Ｌ１での端面３０ａ，３０ｂよりも内方においてトルク発生経路（二次導体４０）を短絡する短絡経路を形成することができる。即ち、短絡経路用二次導体５０による周方向に延びる短絡経路は、トルク発生経路用二次導体４０による回転軸方向Ｌ１に延びるトルク発生経路（主経路）と交差しており、トルク発生経路（主経路）を短絡する。

図４に示すように、トルク発生経路用二次導体４０における外周部には切り欠き４１が形成されている。切り欠き４１は鉄心３０の外周面から所定の深さに達している。これにより、トルク発生経路用二次導体４０は、外周面が、鉄心３０の外周面よりも径方向での内径側に位置している。

また、トルク発生経路用二次導体４０における切り欠き４１は、図７（ａ）に示すように鉄心３０に形成したスロット３１ａに二次導体（トルク発生経路用二次導体４０、短絡経路用二次導体５０、エンドリング６０，６１）を鋳込んだ後に、図７（ｂ）に示すようにトルク発生経路用二次導体４０を切削して形成している。

なお、アルミ板３７に代わり銅板を用いてもよい。また、アルミを鋳込む代わりに銅を鋳込んでもよい。
次に、このように構成した誘導電動機１０の回転子２０の作用について説明する。

固定子（ステータ）７０において回転磁界が作られる。回転子２０は固定子７０の作る回転磁界の中に置かれている。また、トルク発生経路用二次導体４０が、鉄心３０の外周部において回転軸方向Ｌ１に延びるように複数埋設されている。一方、短絡経路用二次導体５０は、鉄心３０の外周部において回転軸方向Ｌ１の同一位置で全周にわたって延びるように埋設されている。

そして、回転磁界が発生すると、電磁誘導作用により回転子２０のトルク発生経路用二次導体４０には電流が流れる。つまり、トルク発生経路用二次導体４０に二次電流が流れてトルク発生経路となる。

このように回転子２０のトルク発生経路用二次導体４０に誘導電流、即ち、二次電流が流れると、回転子２０において磁極が生じる。この回転子２０に発生した磁極と固定子７０の作る回転磁界の間には電磁力が働き（回転子２０において二次電流によってできた磁極と回転磁界が引き合って）、回転子２０が回転する。一方、鉄心３０における回転軸方向Ｌ１での端面３０ａ，３０ｂより内方において短絡経路用二次導体５０にてトルク発生経路を短絡する短絡経路が形成される。これにより、トルクの低減が抑制される。

一般的な回転子（ロータ）では鉄心（磁性体）の歯部間に回転子の表面まで導体が隙間なく鋳込まれているが、この導体を本実施形態では回転子の表面まで鋳込まない構造となっている。つまり、比較例としての図５においては二次導体は回転子の表面まで存在する（充填されている）のに対し本実施形態では、歯部３１ｂの尖端付近には二次導体を鋳込まない構造としている。

このように本実施形態では、高調波磁束成分が浸透する深さ部分には二次導体を設けていない。よって、比較例では高調波磁束を打ち消すように二次導体中（トルク発生経路用二次導体４０中）に電流が誘導されるのに対し、本実施形態では二次導体中（トルク発生経路用二次導体４０中）に高調波磁束が発生せず、低損失となる。この結果、高効率、高出力となる。

詳しく説明する。
図８（ａ）に示すように、モデル１として、深さがＲの鉄心のスロット（溝）に対し全て二次導体を満たし二次導体の深さをＲとしている。図８（ｂ）に示すように、モデル２として、深さがＲの鉄心のスロット（溝）に対し二次導体を７／８Ｒだけ満たし、１／８Ｒを切り欠き（空隙）としている。図８（ｃ）に示すように、モデル３として、深さがＲの鉄心のスロット（溝）に対し二次導体を３／４Ｒだけ満たし、１／４Ｒを切り欠き（空隙）としている。

そして、二次導体の深さについて、モデル１を基準にしてモデル２，３を規格化している。具体的には、モデル１における二次導体の深さを「１」とし、モデル２では二次導体の深さを「０．８７５」とし、モデル３では二次導体の深さを「０．７５」としている。これらモデル１，２，３におけるトルク、損失、効率を解析（シミュレーション）により求めた。その結果を図９に示す。

図９において横軸に二次導体深さをとり、左側の縦軸にトルク、効率をとり、右側の縦軸に損失をとっている。また、モデル１のトルク、損失、効率を基準として、モデル２とモデル３のトルク、損失、効率を表している（プロットしている）。即ち、モデル１でのトルク、損失、効率を「１」とし、モデル２とモデル３のトルク、損失、効率をプロットしている。

図９から、次のことが分かる。まず、損失について、切り欠き（空隙）を形成して二次導体の深さを浅くすることによりモデル２（二次導体深さ０．８７）およびモデル３（二次導体深さ０．７５）に示すごとく損失を少なくすることができる。効率について、切り欠き（空隙）を形成して二次導体の深さを浅くすることによりモデル２（二次導体深さ０．８７）およびモデル３（二次導体深さ０．７５）に示すごとく効率がよくなる。トルクについて、切り欠き（空隙）を形成して二次導体の深さを浅くすることによりモデル３（二次導体深さ０．７５）に示すごとくトルクが向上する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）誘導電動機１０の回転子２０の構成として、トルク発生経路用二次導体４０と短絡経路用二次導体５０を備えている。鉄心３０の外周部に埋設されたトルク発生経路用二次導体４０は、回転軸方向Ｌ１に延び、二次電流が流れてトルク発生経路となる。鉄心３０の外周部に埋設された短絡経路用二次導体５０は、回転軸方向Ｌ１の同一位置で全周にわたって延び、鉄心３０における回転軸方向Ｌ１での端面３０ａ，３０ｂより内方においてトルク発生経路を短絡する短絡経路を形成する。このように構成することにより、トルク低下を抑制することができる。

つまり、一般的な回転子では、高調波磁束を打ち消すように、二次導体中には、高調波磁束と同じ周波数成分を持った、高調波二次電流が誘導される。この高調波二次導体電流は、トルクに寄与するものではなく、二次導体損失となるため、結果として出力が低下する。スキュー構造（斜めスロット）を採用することによりトルクリップルは減るがトルクが低下する。これに対し本実施形態では、トルク発生経路用二次導体４０と短絡経路用二次導体５０を設けることによりトルク低下を抑制することができる。

（２）トルク発生経路用二次導体４０における外周部に切り欠き４１を形成することにより、トルク発生経路用二次導体４０は、外周面が、鉄心３０の外周面よりも径方向での内径側に位置している。これにより、トルク発生経路用二次導体４０を回転子２０の表面付近に存在しない構造とすることで、損失を低減し、高効率化、高出力化することができる。

つまり、二次導体が回転子（ロータ）の表面まで存在する場合には、高調波磁束を打ち消すように、二次導体中には、高調波磁束と同じ周波数成分を持った、高調波二次電流が誘導される。この高調波二次導体電流は、トルクに寄与するものではなく、二次導体損失となるため、結果として出力が低下する。これに対し本実施形態においては、回転子２０の歯部３１ｂの間に注入された二次導体（トルク発生経路用二次導体４０）を、回転子２０の表面付近に存在しない構造とすることで、損失を低減し、高効率化、高出力化することができる。

（３）鉄心３０は、磁性体としての電磁鋼板を積層して形成されているので、鉄損対策を講じることができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

・図６においてはアルミ板３７を用いて短絡経路用二次導体５０を形成したが、これに代わり、図１０に示すように、電磁鋼板３５，３６を積層して鉄心８０を構成し、これら積層体にアルミや銅を鋳込むことによりトルク発生経路用二次導体４０および短絡経路用二次導体５０を形成してもよい。

・図６においては鉄心は電磁鋼板を積層して構成したが、これに代わり、図１１に示すように、焼結による鉄塊の鉄心（コア）９０や、磁性体の鉄塊の鉄心（コア）９０としてもよい。この場合、鉄損が小さい方が好ましい。詳しくは、鉄心９０は、複数の歯車形状部９１と、歯車形状部９１よりも小径の複数の円環部９２とからなる。回転軸Ｓ１上において歯車形状部９１と円環部９２とが交互に形成され、歯車形状部９１の間に円環部９２が位置する構成となっている。鉄心９０の歯車形状部９１は、外周側においてスロット９１ａが複数形成されている。各スロット９１ａは鉄心の中心から放射状に延び、鉄心の外周面に開口している。スロット９１ａの間が歯部９１ｂとなっている。

そして、この鉄心９０にアルミや銅を鋳込むことによりトルク発生経路用二次導体４０および短絡経路用二次導体５０を形成する。
・トルク発生経路用二次導体４０における外周部に形成する切り欠き４１は、図１２（ａ）に示すように鉄心３０に形成したクローズスロット３８に二次導体（トルク発生経路用二次導体１００）を鋳込んだ後に、図１２（ｂ）に示すように鉄心３０を切削して切り欠き１０１を形成してもよい。

・切り欠き４１は切削以外にも、溶失・焼失する材料を配置して形成してもよい。
・二次導体を構成する材料は限定されず、上述したようにアルミ、銅等を使用すればよい。

１０…誘導電動機、２０…回転子、３０…鉄心、４０…トルク発生経路用二次導体、４１…切り欠き、５０…短絡経路用二次導体、Ｌ１…回転軸方向。

Claims (5)

1. 円筒状をなす鉄心と、
   前記鉄心の外周部に埋設され、回転軸方向に延び、二次電流が流れてトルク発生経路となるトルク発生経路用二次導体と、
   前記鉄心の外周部に埋設され、回転軸方向の同一位置で全周にわたって延び、前記鉄心における回転軸方向での端面より内方において前記トルク発生経路を短絡する短絡経路を形成する短絡経路用二次導体と、
   を備えたことを特徴とする誘導電動機の回転子。
2. 前記トルク発生経路用二次導体の外周部に切り欠きを形成したことを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の回転子。
3. 前記鉄心は、磁性体を積層して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導電動機の回転子。
4. 前記短絡経路用二次導体は、前記磁性体を積層して形成された鉄心の間に挟持された円板状の導体を含んでいる請求項３に記載の誘導電動機の回転子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転子を備えた誘導電動機。

Images