JP2012244872A

JP2012244872A - 電動機

Info

Publication number: JP2012244872A
Application number: JP2011115745A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nagashima; 洋明長島; Tomotoshi Kasuya; 知俊粕谷; Yuji Yamamoto; 雄司山本; Yosuke Takahashi; 洋介高橋; 久巳 ▲葛▼山; Hisami Katsurayama; Yosuke Niwa; 陽介丹羽
Original assignee: Toshiba Industrial Products Manufacturing Corp
Current assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】簡単な構成で軸電圧の低減を図ることができる電動機を提供する。
【解決手段】本実施形態の電動機は、機体に固定され、固定子鉄心のスロット内にスロット絶縁紙を介して固定子コイルが巻回され且つスロット開口部側に楔が装着されてなり、前記固定子コイルがインバータ装置により駆動制御される固定子と、この固定子と所定のエアギャップを存して配置され、前記機体に回転軸が軸受を介して支持された回転子とを具備する。そして、前記スロットのスロット開口部側に前記楔よりも厚み寸法の大なる絶縁材製の介装体が配置されている。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、電動機に関する。

可変速運転が必要な電動機例えば誘導電動機においては、使い易さ、経済性から、インバータ装置が使われるようになってきている。また、誘導電動機の騒音の低減などの目的からインバータ装置のキャリア周波数を高く設定するようになってきている。このため、インバータ装置の出力電圧の不平衡成分にコモンモード電圧が含まれ、それが駆動される誘導電動機の回転子コイルに印加されることにより、誘導電動機の回転子に静電誘導に基づいて電圧（軸電圧）が発生する。そして、この軸電圧が増大すると、回転子の回転軸を支持している軸受に電流（軸電流）が流れ、電食と呼ばれる腐食を発生させて、軸受の耐久性を悪化させるので、電食の発生を防止する対策が必要である。

そこで、従来では、固定子と回転子との間を静電シールドして浮遊静電容量をなくすか或いは分散させて、軸電圧の発生を抑制するようにしているが、構成が複雑になる問題がある。

特開２０００−１９７２９８号公報

そこで、簡単な構成で軸電圧の低減を図ることができる電動機を提供することにある。

本実施形態の電動機によれば、機体と、この機体に固定され、固定子鉄心のスロット内にスロット絶縁紙を介して固定子コイルが巻回され且つスロット開口部側に楔が装着されてなり、前記固定子コイルがインバータ装置により駆動制御される固定子と、この固定子と所定のエアギャップを存して配置され、前記機体に回転軸が軸受を介して支持された回転子とを具備する。そして、前記スロットのスロット開口部側に前記楔よりも厚み寸法の大なる絶縁材製の介装体が配置されている。

（ａ）は一実施形態を示すスロット部分の拡大断面図、（ｂ）は比較例を示す図（ａ）相当図固定子及び回転子を概略的に示す図軸電圧測定回路のブロック図軸電圧の測定波形図図４とは異なる時間軸の軸電圧の測定波形図比較例の図４相当図図５相当図一実施形態と比較例の測定結果の対照図

以下、誘導電動機に適用した一実施形態について、図面を参照して説明する。
図２に示すように、誘導電動機の固定子１は、固定子鉄心２に複数相例えば三相の固定子コイルたるＵ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５が巻装されて構成されている。固定子鉄心２は、例えば電磁鋼板をプレスなどにより円環状に打ち抜いて形成された複数枚の鉄心材が積層された円筒状をなしており、その内周側に、Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５が挿入されるスロット６が複数個例えば３６個形成されている。各Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５は、導体例えば銅線に絶縁被覆を施したエナメル線などのコイル線７（図１参照）を巻回することにより構成されている。この実施形態では、固定子鉄心２には、径方向外周側から内周側に向かってＵ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５が順に装着されている。

各Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５は、複数個例えば４個（４極）の単位コイル３ａ、４ａ、５ａから構成されている。各４個の単位コイル３ａ、４ａ、５ａは、それぞれ直列に接続されており、各直列回路の一方の端子は、各相の電源端子に接続され、また、各直列回路の他方の端子は、中性点に接続されている。つまり、固定子鉄心２には、各相の電源端子間にスター結線された固定子コイル（Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）が巻装されている。

かご型の回転子８は、回転子鉄心９と、この回転子鉄心９の内周側に設けられている回転軸１０とを備えている。回転子鉄心９は、電磁鋼板からなる複数枚の円環状の鉄心材を積層して一体的に結着することで形成されていて、円筒状をなしている。回転子８は、固定子１の界磁空間に、その外周面と固定子２の内周面との間に所定のエアギャップを存して配置され、固定子１に対して回転可能になっている。回転軸１０は、回転子鉄心９を鉄心材の積層方向に貫いており、回転子鉄心９に固定されている。回転子鉄心９の外周部には、周方向に沿って多数の導体９ａが埋設されており、これらは、図示しないエンドリングにより短絡接続されている。

誘導電動機の機体１１は、図３に示すように、円筒状のフレーム１２と、その両端の開口部に装着された軸受ブラケット１３、１４とから構成されている。そして、前記固定子１は、フレーム１２の内周面に嵌合固定され、回転子８の回転軸１０は、軸受ブラケット１３、１４に図示しない軸受たる玉軸受を介して支持されている。なお、回転子８の回転軸１０における軸受ブラケット１３側たる反負荷側の端部には、冷却ファン（図示せず）が取り付けられている。

ここで、固定子鉄心２に設けられている各相の固定子コイル（Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）の巻装工程につき、図１（ａ）を参照して簡単に説明する。
図１（ａ）に示すように、固定子鉄心２のスロット６には、その内壁にほぼＵ字状のスロット絶縁紙１５が貼り付けられることにより、スロット６に巻装される各相の固定子コイル（Ｕ相コイル３、Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）と固定子鉄心２（スロット６の内壁）との間を絶縁するためのスロット絶縁が施されている。

固定子鉄心２のスロット６は、半閉型のスロットで、スロット絶縁されたスロット６には、まず、Ｕ相コイル３が開口部６ａを介して挿入巻装される。即ち、Ｕ相コイル３は、スロット６内にスロット絶縁紙１５を介して巻装される。ここで、Ｕ相コイル３を構成するコイル線７は、導体たる銅線の径（サイズ）が例えば０．７５φに設定されて、１つのスロット６当たり５２本収納されている。そして、スロット６内の開口部６ａ側には、スロット絶縁紙１５の開放部を閉塞するようにして楔１６が挿入装着されている。更に、スロット６内には、楔１６よりも開口部６ａ側に位置して絶縁材製の介装体１７が挿入装着されている。この場合、楔１６は、例えばポリエステルフィルムとＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）不織布との張り合わせ品で構成され、厚み寸法は０．３５ｍｍに設定されている。また、介装体７は、ガラスマット積層成形品で構成され、厚み寸法は楔１６の厚み寸法より大なる２．４ｍｍに設定されている。以上の構成の結果、固定子１の固定子鉄心２の内周面と回転子８の回転子鉄心９の外周面との間のエアギャップＧの寸法を例えば０．３ｍｍとした場合、固定子１のスロット６内に収納されたＵ相コイル３の開口部６ａ側の端部端面と回転子８の回転子鉄心９の内周面との間の浮遊静電容量用の距離Ｈは、例えば４ｍｍ以上に設定されている。

因みに、この一実施形態と比較するための比較例（現行品）を、図１（ｂ）に示し、図１（ａ）と同一部分には同一符号を付して示す。即ち、固定子１の固定子鉄心２のスロット６内にスロット絶縁紙１５を介して巻装されるＵ相コイル３´を構成するコイル線７´は、導体たる銅線の径が０．８ｍｍで、１つのスロット６当たり５４本収納されている。この結果、比較例においては、固定子１のスロット６内に収納されたＵ相コイル３´の開口部６ａ側の端部端面と回転子８の回転子鉄心９の内周面との間の浮遊静電容量用の距離Ｈ´は、一実施形態の距離Ｈと比較して介装体１７が存在しない分だけ小になる例えば１．６ｍｍ未満に設定されていることになる。

なお、この一実施形態においては、１つのスロット６に収納されるＵ相コイル３のコイル線７における銅線の径（サイズ）及び本数は、比較例のそれらよりも細く且つ少ないのであるが、これは、誘導電動機の温度上昇の規格を満足する中の最も細いサイズに設定され、及び比較例に対するトルク特性の変化が最も少ない本数に設定されている。

Ｕ相コイル３が巻装されると、Ｕ相コイル３との電気角が１２０°ずれるようにしてＵ相コイル３が巻装されたのとは別のスロット６にＶ相コイル４が巻装され、続いて、Ｖ相コイル４との電気角が１２０°ずれるように位置してＶ相コイル４が巻装されたのとは別のスロット６にＷ相コイル５が巻装される。この場合、Ｖ相コイル４が巻装されたスロット６及びＷ相コイル５が巻装されたスロット６にも、楔１６及び介装体１７が配置されている。なお、比較例においても、Ｖ相コイル４´が巻装されたスロット６及びＷ相コイル５´が巻装されたスロット６においても、Ｕ相コイル３´が巻装されたスロット６と同様の断面構造を有する。

次に、誘導電動機の軸電圧測定回路の構成につき、図３を参照して説明する。
図１（ａ）に示すスロット断面構造を有する一実施形態の誘導電動機は、三相４極で、定格出力１．５ｋＷ、電圧−周波数（４００／４００／４４０Ｖ−５０／６０／６０Ｈｚ）の使用可能な仕様である。インバータ装置１８は、整流回路及び平滑回路からなる直流電源回路、半導体スイッチング素子たるＩＧＢＴを三相ブリッジ接続してなるインバータ回路及び制御手段たる制御回路から構成されている。

インバータ装置１８において、直流電源回路は、交流電源端子が４００Ｖ、６０Ｈｚの交流電源１９に接続されて、直流駆動電源及び直流制御電源を作成し、直流駆動電源電圧をインバータ回路の直流入力端子に与え、直流制御電源電圧を制御回路に与えるようになっている。インバータ回路は、ＰＷＭ制御により三相の交流電源を作成して、三相の出力端子から出力リアクトル２０を介して固定子１の固定子コイルの各相の電源端子に与えるようになっている。そして、制御回路は、所定の条件に基づいて、インバータ回路をＰＷＭ制御するようになっている。

測定器たるオシロスコープ２１は、１００Ｖの交流電源２２から絶縁トランス２３を介して交流電源圧が与えられるようになっており、一方の入力端子２１ａは、誘導電動機の回転子１の回転軸１０の負荷側の端部端面に摺接接続され、他方の入力端子２１ｂは、アースされた機体１１に接続されている。

図４及び図５は、インバータ装置１８により図１（ａ）のスロット断面構造を有する一実施形態の誘導電動機を、キャリア周波数５ｋＨｚ、運転周波数２５Ｈｚの条件で駆動した場合の軸電圧をオシロスコープ２１で測定した波形図であり、図４の時間軸（横軸）は１目盛が２０μｓであり、図５の時間軸（横軸）は１目盛が１０ｍｓであり、両図とも軸電圧軸（縦軸）は１目盛が５Ｖである。図６及び図７は、インバータ装置１８により図１（ｂ）のスロット断面構造を有する比較例の誘導電動機を、キャリア周波数５ｋＨｚ、運転周波数２５Ｈｚの条件で駆動した場合の軸電圧をオシロスコープ２１で測定した波形図であり、それぞれ図４及び図５に相当する。

図４に示すように、一実施形態における軸電圧の最大ピーク電圧は、６．０Ｖである。図５に示すように、この一実施形態では、回転軸１０を支持する玉軸受に電食（放電）が発生する（開始する）目安となる軸電圧の基準電圧は、正（＋）、負（−）とも８（絶対値）Ｖに推定されており、８Ｖ以上の電圧ピーク回数は０である。これに対して、比較例では、図６に示すように、軸電圧の最大ピーク電圧は、１７．５Ｖであり、図７に示すように、基準電圧８Ｖ以上の電圧ピーク回数は５０である。これらの測定結果を対照的に示したのが図８である。

このように、一実施形態では、図１（ａ）に示すように、スロット６内の開口部６ａ側に介装体１７を配置して、固定子１のスロット６内に収納されたＵ相コイル３（Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）の開口部６ａ側の端部端面と回転子８の回転子鉄心９の内周面との間の浮遊静電容量用の距離Ｈを図１（ｂ）に示す比較例の距離Ｈ´よりも大に設定して、これらの間の浮遊静電容量を低減したので、軸電圧の低減を図ることができる。具体的には、一実施形態の軸電圧のピーク電圧を比較例のほぼ３分の１になし得るので、玉軸受に与える放電エネルギー（軸電圧の２乗に比例する）は１０％以下になり、また、玉軸受の電食開始の目安となる基準電圧８Ｖ以上の軸電圧ピーク回数も０になるので、玉軸受の寿命を大幅に延長することができる。しかも、固定子１のスロット６内の開口部６ａ側に楔１６よりも厚み寸法の大なる介装体１７を配置するだけの簡単な構成で実現することができる。

更に、一実施形態においては、１つのスロット６に収納されるＵ相コイル３（Ｖ相コイル４、Ｗ相コイル５）のコイル線７における銅線の径（サイズ）は、誘導電動機の温度上昇の規格を満足する中の最も細いサイズに設定されているので、スロット６を含む回転子鉄心２の寸法を変更しなくとも、スロット６内に介装体17を配置するスペースを確保することができる。

なお、上記実施形態では、4極の誘導電動機について述べたが、極数はこれに限定されるものではない。
上記実施形態では、固定子コイルは、スター結線されているが、デルタ結線されていてもよい。

上記実施形態では、インバータ装置により駆動される三相の誘導電動機に適用した例を示したが、電動機はこれに限定されない。例えば、インナーロータ型或いはアウターロータ型の永久磁石同期電動機に適用することができる。

以上のように本実施形態によれば、機体と、この機体に固定され、固定子鉄心のスロット内にスロット絶縁紙を介して固定子コイルが巻回され且つスロット開口部側に楔が装着されてなり、前記固定子コイルがインバータ装置により駆動制御される固定子と、この固定子と所定のエアギャップを存して配置され、前記機体に回転軸が軸受を介して支持された回転子とを具備する。そして、前記スロットのスロット開口部側に前記楔よりも厚み寸法の大なる絶縁材製の介装体が配置されていることを特徴とする。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は固定子、２は固定子鉄心、３はＵ相コイル（固定子コイル）、４はＶ相コイル（固定子コイル）、５はＷ相コイル（固定子コイル）、３ａ、４ａ及び５ａは単位コイル、７はコイル線、８は回転子、９は回転子鉄心、１０は回転軸、１１は機体、１５はスロット絶縁紙、１６は楔、１７は介装体、１８はインバータ装置、２１はオシロスコープを示す。

Claims

機体と、
この機体に固定され、固定子鉄心のスロット内にスロット絶縁紙を介して固定子コイルが巻回され且つスロット開口部側に楔が装着されてなり、前記固定子コイルがインバータ装置により駆動制御される固定子と、
この固定子と所定のエアギャップを存して配置され、前記機体に回転軸が軸受を介して支持された回転子とを具備し、
前記スロットのスロット開口部側に前記楔よりも厚み寸法の大なる絶縁材製の介装体が配置されていることを特徴とする電動機。
固定子コイルは、コイル温度が電動機規格を満足するサイズの中の最も細いものに設定されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。