JP2013187973A

JP2013187973A - 誘導電動機およびそれを搭載した天井扇

Info

Publication number: JP2013187973A
Application number: JP2012050037A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Iwata; 謙一岩田; Masayuki Takada; 昌亨高田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: JP5408277B2

Abstract

【課題】固定子鉄心のスロット開口部の漏れ磁束を低減することができ、省電力化と低コスト化が図れる誘導電動機およびそれを搭載した天井扇を提供する。
【解決手段】固定子鉄心１６の第１スロット２４および第２スロット２５から放射状に固定子鉄心１６の側面に連通する第１スロット開口部２６および第２スロット開口部２７を設け、第１スロット開口部２６の周方向に互いに向かい合う開口端面３２は、外周部から第１スロット２４の間に形成されるギャップ幅Ｗを２．０ｍｍ〜４．５ｍｍ、最外周部に形成されるギャップ幅ｗ１を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定し、かつ、ｗ１＜Ｗとしたことにより、第１スロット開口部２６の漏れ磁束３２が低減されるので、低損失かつ高効率の誘導電動機が得られ、そして、大きな回転トルクを保持したまま巻線を減少させて、材料コストの低減を図ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の歯部が放射状に配設された固定子を備えた誘導電動機に係り、特に、スロット開口部の漏れ磁束を低減して高効率化を図った誘導電動機に関するものである。

従来、この種の誘導電動機においては、一体型の固定子鉄心に適当な絶縁処理を施し、同心円状に２相の巻線を巻装する方法をとっている。（例えば、特許文献１参照）。

以下、その誘導電動機について、図８から図１０を参照しながら説明する。

図に示すように、固定子鉄心１００は中心に中空軸を保持する孔１０１を有し、その外周近傍に複数の第１歯部１０２とここから外周方向に二股に延設する第２歯部１０３とから構成される。この第１歯部１０２と第２歯部１０３によって、Ａ相巻線１０９が巻装される第１スロット１０４と、Ｂ相巻線１１０が巻装される第２スロット１０５が形成されている。また、第１スロット１０４および第２スロット１０５から放射状に外周方向へ向けて、第１スロット開口部１０６および第２スロット開口部１０７が形成されている。

Ａ相巻線１０９およびＢ相巻線１１０に電流を流すと、その電流による起磁力のため固定子鉄心１００には磁束が生じる。この磁束は回転子（図示せず）と鎖交して回転トルクが得られ、回転子が回転する。

特開２００９−７１９１３号公報

ところが、このような従来の誘導電動機では、以下のような課題を有している。

固定子鉄心１００に流れる磁束の大部分は回転子と鎖交して誘導電動機本来の作用を生じるが、一部分は漏れ磁束となり自分自身とだけ鎖交する。

図１０に示すように、第１スロット開口部１０６の幅ｗ１、第２スロット開口部１０７の幅ｗ２は励磁電流を少なくするという意味では小さいほうが良い。しかし、この種の誘導電動機においては、第１スロットが内周側に配設されており、第１スロット開口部１０６の開口端面の径方向寸法が長くなる。そのため、漏れリアクタンスが大きくなり、少なからず漏れ磁束１２０が生じる。漏れ磁束１２０が増大すると、誘導電動機の損失が増加し、効率が低下する。また、誘導電動機の特性を改善するには巻線を多く巻く必要があり、材料コストが増大する。

また、これを解決するために、第１スロット開口部１０６の幅ｗ１を広げると、磁束漏れ１２０は低減できる。しかしながら、第２歯部１０３の幅を狭めることになり、第２歯部１０３の磁束密度が増加するため、極端な場合は磁気飽和して、誘導電動機の損失が増加し、効率が低下する。よって、誘導電動機の特性を充分に考慮した固定子鉄心の形状が求められている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、固定子鉄心のスロット開口部の漏れ磁束を低減することができ、省電力化と低コスト化が図れる誘導電動機を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明の誘導電動機は、内周側にＡ相巻線を施す複数の第１スロットを円環状に設け、前記第１スロットの外周側にＢ相巻線を施す複数の第２スロットを設けた固定子鉄心と、この固定子鉄心の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子を備えた誘導電動機であって、前記固定子鉄心の前記第１スロットおよび前記第２スロットから放射状に前記固定子鉄心の側面にまで連通する第１スロット開口部および第２スロット開口部を設け、前記第１スロット開口部の周方向に互いに向かい合う開口端面は、外周部から前記第１スロットの間に形成されるギャップ幅Ｗを２．０ｍｍ〜４．５ｍｍ、最外周部に形成されるギャップ幅ｗ１を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定し、かつ、ｗ１＜Ｗとしたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明の誘導電動機によれば、前記固定子鉄心の前記第１スロットおよび前記第２スロットから放射状に前記固定子鉄心の側面にまで連通する第１スロット開口部および第２スロット開口部を設け、前記第１スロット開口部の周方向に互いに向かい合う開口端面は、外周部から前記第１スロットの間に形成されるギャップ幅Ｗを２．０ｍｍ〜４．５ｍｍ、最外周部に形成されるギャップ幅ｗ１を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定し、かつ、ｗ１＜Ｗとしたことにより、スロット開口部の漏れ磁束が低減されるので、低損失かつ高効率の誘導電動機が得られ、そして、大きな回転トルクを保持したまま巻線を減少させて、材料コストの低減を図ることができる。

本発明の実施の形態１の誘導電動機を搭載した天井扇の側面図同誘導電動機の構成を示す断面図同誘導電動機の固定子の部分断面による平面図同誘導電動機の固定子鉄心の拡大図電磁鋼板のＢ−Ｈ曲線および透磁率を示す図スロット開口部のギャップ幅Ｗと漏れリアクタンスおよび歯部磁束密度の関係を示す図本発明の実施の形態２の誘導電動機の固定子鉄心の拡大図従来の誘導電動機の固定子鉄心を示す平面図同誘導電動機の巻線の巻装を完了した固定子の平面図同誘導電動機の固定子鉄心の拡大図

本発明の請求項１記載の誘導電動機は、内周側にＡ相巻線を施す複数の第１スロットを円環状に設け、前記第１スロットの外周側にＢ相巻線を施す複数の第２スロットを設けた固定子鉄心と、この固定子鉄心の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子を備えた誘導電動機であって、前記固定子鉄心の前記第１スロットおよび前記第２スロットから放射状に前記固定子鉄心の側面にまで連通する第１スロット開口部および第２スロット開口部を設け、前記第１スロット開口部の周方向に互いに向かい合う開口端面は、外周部から前記第１スロットの間に形成されるギャップ幅Ｗを２．０ｍｍ〜４．５ｍｍ、最外周部に形成されるギャップ幅ｗ１を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定し、かつ、ｗ１＜Ｗとした構成を有する。これにより、スロット開口部の漏れ磁束が低減されるので、低損失かつ高効率の誘導電動機が得られ、そして、大きな回転トルクを保持したまま巻線を減少させて、材料コストの低減を図ることができる。

また、前記第１スロット開口部の最外周部には、周方向に互いに向かい合う突起を設けたという構成にしてもよい。これにより、回転子と対向する固定子鉄心側面の実効面積が増えるので、励磁電流を少なくすることができ、低損失かつ高効率の誘導電動機を得ることができる。

また、前記第１スロット開口部の最外周部の前記突起を除いたギャップ幅は、外周部から前記第１スロットまで一定としたという構成にしてもよい。これにより、スロット開口部の漏れ磁束が低減されるので、低損失かつ高効率の誘導電動機を得ることができる。

また、前記第１スロット開口部の外周部から前記第１スロットの間のギャップ幅が、所定の角度で増大するという構成にしてもよい。これにより、スロット開口部の漏れ磁束が低減する効果が増大するので、低損失かつ高効率の誘導電動機が得られ、そして、大きな回転トルクを保持したまま巻線を減少させて、材料コストの低減を図ることができる。

また、前記第１スロット開口部の開口端面は、最外周部に形成される周方向のギャップ幅ｗ１と、外周部から前記第１スロットの間に形成される周方向のギャップ幅Ｗの比率Ｗ／ｗ１を１．０〜９．０の範囲に設定されているという構成にしてもよい。これにより、励磁電流を増大させることなく、スロット開口部の漏れ磁束が低減されるので、低損失かつ高効率の誘導電動機が得られ、そして、大きな回転トルクを保持したまま巻線を減少させて、材料コストの低減を図ることができる。

また、前記固定子鉄心の外径が、１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定されているという構成にしてもよい。これにより、歯部の最大磁束密度を抑制しながらスロット開口部の漏れ磁束が低減されるので、低損失かつ高効率の誘導電動機を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の誘導電動機を搭載した天井扇の側面図を示したものである。この天井扇１は、天井に取り付けられる扇風機であり、シーリングファンとも呼ばれ、図１に示すように、駆動源として誘導電動機２が利用される。支柱４は、天井に下向きに固定され、その支柱４には、中空軸６が接続されて、その先端に羽根３を備えた誘導電動機２が取り付けられている。誘導電動機２は本体カバー５と上部カバー１１とで覆われている。

図２は、同誘導電動機の構成を示す断面図である。この誘導電動機２は、外転型のコンデンサ誘導電動機であり、中空軸６には、インシュレータ７を介してＡ相巻線８（内側コイル）およびＢ相巻線９（外側コイル）を施した固定子鉄心１６が固定されている。この固定子鉄心１６の周囲に空隙を介し、中空軸６を中心として回転子鉄心１７が配設されている。そして、回転子鉄心１７は、回転子カバー１２に圧入保持されて、外転型の回転子としている。また、回転子カバー１２及び上部カバー１１には、軸受ハウジング部１３ａ・１３ｂが設けられ、玉軸受１４ａ・１４ｂを介して中空軸６に回転可能に取り付けられている。

図３は、同誘導電動機の固定子の部分断面による平面図である。固定子鉄心１６は複数枚の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなり、その中心部に中空軸６を圧入保持する中心孔２１を有し、この中心孔２１の外周側に円環状に位置してＡ相巻線８を巻装する第１歯部２２と、この第１歯部２２から更に外周方向に二股に延設してＢ相巻線９を巻装する第２歯部２３とを形成してなる。また、隣り合う第１歯部２２によって、第１スロット２４が形成され、二股に延設した第２歯部２３の間に第２スロット２５が形成されている。また、第１スロット２４および第２スロット２５から放射状に固定子鉄心１６の側面にまで連通して第１スロット開口部２６および第２スロット開口部２７が形成されている。固定子鉄心１６とそれぞれの巻線の間には樹脂成型品からなるインシュレータ７を介して絶縁が施され、固定子２０が構成されている。

図４は、同誘導電動機の固定子鉄心の拡大図である。この固定子鉄心１６の周囲には、空隙を介し回転子鉄心（図示せず）が配設されている。Ａ相巻線８およびＢ相巻線９に電流を流すと、その電流による起磁力のため固定子鉄心１６には磁束が生じる。この磁束は回転子と鎖交して回転トルクが得られ、回転子が回転する。

この種の誘導電動機においては、第１スロット２４が内周側に配設されており、第１スロット開口部２６の開口端面３２の径方向寸法が長くなるため、スロット漏れリアクタンスが大きくなり、少なからず漏れ磁束３１が生じる。そのため、第１スロット開口部２６では、外周部から第１スロット２４の間に形成されるギャップ幅Ｗを大きく取るようにしている。

一方、第１スロット開口部２６の最外周部には、周方向に互いに向かい合う突起３３を設けており、固定子鉄心１６の側面の実効面積を増やしている。これにより、固定子２０の励磁電流を少なくすることができ、低損失かつ高効率の誘導電動機を得ることができる。

すなわち、第１スロット開口部２６における漏れ磁束を少なくして、固定子２０の励磁電流を少なくできるので、効率の良い誘導電動機を得ることができる。

図５は、電磁鋼板のＢ（磁束密度）−Ｈ（磁化力）曲線および透磁率を示す図である。この図において、横軸は磁化力Ｈを表し、縦軸は左側が磁束密度Ｂ、右側が透磁率μを表している。コイル電流が０から次第に増加すれば磁化力Ｈは増加する。Ｂ−Ｈ曲線において、Ｈが微小（図５では（ａ）の領域）のときを除きＨが小さいときの傾きは大きく、Ｈの増加に対しＢは大きく増加する（図５では（ｂ）の領域）。しかしＢ−Ｈ曲線の湾曲点に達するとＢの増し方が減り、これよりＨが増大すると曲線の傾きが急に小さくなり、Ｂは一定の値に近づいてくる（図５では（ｃ）の領域）。この領域では、Ｈが増してもＢがほとんど増加しなくなり磁気飽和が生じる。また、透磁率μはＢ／Ｈで表され、磁化力や磁束密度によって大きく変化する。誘導電動機は回転磁界を発生させることにより回転子を回転させるが、その際ＢとＨは領域（ｂ）の辺りを変動する。

従来の誘導電動機を種々検討した結果、この種の誘導電動機においては、最大磁束密度をＢ−Ｈ曲線の湾曲点以下、つまり最大透磁率付近までに設計すると、磁気飽和による損失の増加や効率の低下が生じない。よって、図５において最大磁束密度を１．２５Ｔ以下になるように設定した。

図６は、スロット開口部のギャップ幅Ｗと漏れリアクタンスおよび歯部磁束密度の関係を示す図である。本発明は漏れリアクタンスと歯部の磁束密度を考慮してスロット開口部のギャップ幅Ｗを最適化することにある。ここで、スロット開口部のギャップ幅Ｗの選定について説明する。固定子鉄心１６に形成された各スロットの形状は変化させないこととした。この図において、横軸はスロット開口部の周方向のギャップ幅Ｗを表し、縦軸は左側が漏れリアクタンスを表し、また右側が第１スロット開口部２６を形成して成る第２歯部２３の磁束密度を表している。図に示すように、スロット開口部のギャップ幅Ｗを広げると、漏れリアクタンスは減少し漏れ磁束を低減することができる。ここで従来の誘導電動機から漏れリアクタンスを１５％以上低減させることを目標とした場合、スロット開口部のギャップ幅Ｗを従来の１．５ｍｍから、２．０ｍｍ以上に設定することが適切であると判断した。

一方、スロット開口部のギャップ幅Ｗを広げると、歯幅は狭まるため歯部の磁束密度が増加する。前述のように最大磁束密度を１．２５Ｔ以下に抑えるためには、スロット開口部のギャップ幅Ｗを４．５ｍｍ以下に設定することが適切である。

よって、以上の関係から、スロット開口部のギャップ幅Ｗは、２．０ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲に設定することが適切であり、歯部の最大磁束密度を所定の値以下に抑制しつつ漏れ磁束を低減することができる。併せて、固定子鉄心１６の外径は、１００ｍｍより小さいと歯部の最大磁束密度の増大が顕著となり、また２００ｍｍより大きいと歯部の最大磁束密度を比較的容易に低減できるが誘導電動機は大型となり低コスト化が図れないことから、１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲に設定することが好ましい。

このように本発明の実施の形態１における誘導電動機２によれば、励磁電流を増大させることなく、スロット開口部の漏れ磁束が低減されるので、低損失かつ高効率の誘導電動機が得られ、そして、大きな回転トルクを保持したまま巻線を減少させて、材料コストの低減を図ることができる。

また、天井扇は羽根径が大きく、羽根を所定の回転数で回転させるだけのトルクを保持した誘導電動機が必要となるため、外転型の回転子と、複数の歯部を放射状に配設した多極の固定子とを備えた比較的大型の誘導電動機が用いられる。このような大型の誘導電動機においては、スロット開口部の漏れ磁束低減が大きな課題となる。そこで、このような大型の誘導電動機には、本実施の形態による誘導電動機が適しており、省電力化と低コスト化を両立することが可能な天井扇を提供することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の誘導電動機の固定子鉄心の拡大図である。この図において、実施の形態１と異なるところは、第１スロット開口部２６の周方向に互いに向かい合う開口端面３２が互いに平行ではなく、第１スロット２４に向けてギャップ幅が増大する方向に所定の角度θをつけて構成されている点である。また、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。また、図１の天井扇および図２の誘導電動機２を示す構成図についても同様のため、その説明を省略する。

この場合、第１スロット開口部２６が所定の角度θで拡大するため、第２歯部２３と第２スロット２５の形状を変更する必要があるが、スロットの漏れ磁束３１は第１スロット２４に近いほど大きいため、本構成によれば、効率良く漏れリアクタンスを低減することができる。

このように本発明の実施の形態２における誘導電動機２によれば、スロット開口部の漏れ磁束を低減する効果が増大し、低損失かつ高効率の誘導電動機が得られ、そして、大きな回転トルクを保持したまま巻線を減少させて、材料コストの低減を図ることができる。

なお、本発明の実施の形態１及び実施の形態２で説明した誘導電動機２は、第１スロット開口部２６の開口端面にのみ段差を設けて説明したが、第２スロット開口部２７の開口端面の径方向寸法が長い場合は、第２スロット開口部２７においても同様の形状を構成することが可能である。

本発明にかかる誘導電動機は、省電力化および低コスト化を可能とするものであるので、天井扇などの駆動用電動機として有用である。

１天井扇
２誘導電動機
３羽根
４支柱
５本体カバー
６中空軸
７インシュレータ
８Ａ相巻線
９Ｂ相巻線
１０コンデンサ
１１上部カバー
１２回転子カバー
１３ａ、１３ｂ軸受ハウジング部
１４ａ、１４ｂ玉軸受
１５回転子エンドリング部
１６固定子鉄心
１７回転子鉄心
２０固定子
２１中心孔
２２第１歯部
２３第２歯部
２４第１スロット
２５第２スロット
２６第１スロット開口部
２７第２スロット開口部
３１漏れ磁束
３２開口端面
３３突起

Claims

内周側にＡ相巻線を施す複数の第１スロットを円環状に設け、前記第１スロットの外周側にＢ相巻線を施す複数の第２スロットを設けた固定子鉄心と、この固定子鉄心の側面に対向して回転可能に取り付けられた回転子を備えた誘導電動機であって、
前記固定子鉄心の前記第１スロットおよび前記第２スロットから放射状に前記固定子鉄心の側面にまで連通する第１スロット開口部および第２スロット開口部を設け、前記第１スロット開口部の周方向に互いに向かい合う開口端面は、外周部から前記第１スロットの間に形成されるギャップ幅Ｗを２．０ｍｍ〜４．５ｍｍ、最外周部に形成されるギャップ幅ｗ１を０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に設定し、かつ、ｗ１＜Ｗとしたことを特徴とする誘導電動機。
前記第１スロット開口部の最外周部には、周方向に互いに向かい合う突起を設けた請求項１に記載の誘導電動機。
前記第１スロット開口部の最外周部の前記突起を除いたギャップ幅は、外周部から前記第１スロットまで一定とした請求項１または２に記載の誘導電動機。
前記第１スロット開口部の外周部から前記第１スロットの間のギャップ幅が、所定の角度で増大する請求項１または２に記載の誘導電動機。
前記第１スロット開口部の開口端面は、最外周部に形成される周方向のギャップ幅ｗ１と、外周部から前記第１スロットの間に形成される周方向のギャップ幅Ｗの比率Ｗ／ｗ１を
１．０〜９．０の範囲に設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の誘導電動機。
前記固定子鉄心の外径が、１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の誘導電動機。
請求項１から６のいずれか一項に記載の誘導電動機を搭載した天井扇。