JP2014023413A - 誘導電動機およびこれを用いた鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、以上示した従来の課題を除き、高効率化した誘導電動機およびこれを用いた鉄道車両を提供することにある。
【解決手段】固定子と、固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、回転子は、回転可能に保持された回転子鉄心の周方向に延伸して配置された複数のティース部により形成された複数個のスロット内に導体棒を備えた誘導電動機において、スロットの周方向先端部は、ティース部の周方向先端により狭められているとともに、ティース部の周方向先端形状がティース先端からスロット内の導体棒に向かって円弧状に突出する凸部を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、誘導電動機およびこれを用いた鉄道車両に係り、特に高効率化した誘導電動機およびこれを用いた鉄道車両に関する。

一般に、誘導電動機の損失要因は、固定子巻線に通電した際に発生する１次銅損、回転子の導体棒に誘導されて流れる電流によって発生する２次銅損、固定子及び回転子の鉄心に発生する鉄損、回転によって発生する機械損と漂遊損に大別される。

このうち漂遊損に含まれる損失には、回転子の導体棒表面付近に高周波の電流が誘導され発生する高調波２次銅損が含まれている。この高調波２次銅損は、誘導電動機の損失要因の中でも大きな割合を占めているうえに、他の要因での損失が近年減少する傾向にあることもあって、ますます大きな割合を占めるようになってきた。

係る事情もあり、高調波２次銅損についての種々の損失低減方法が提案されている。例えば特許文献１〜３に開示された誘導電動機の回転子スロット形状では、回転子の導体棒の空隙側にスロット形状が全閉形となるブリッジを設ける。また、このブリッジの空隙側に空間を設けて、回転子導体棒に発生する高調波２次銅損を低減している。

また、特許文献４及び５に開示された誘導電動機の回転子スロット形状では、回転子の導体棒の空隙側に開放スロット形状となる突起物を設ける。また、このブリッジの空隙側に空間を設けて、回転子導体棒に発生する高調波２次銅損を低減させている。

特許文献６に開示された誘導電動機の回転子スロット形状では、回転子の導体棒の空隙側に空間を設けて回転子導体棒に発生する高調波２次銅損を低減させている。

特開平９−２２４２５８号公報 特開平０８−１４０３１９号公報 特開平０２−１２３９５１号公報 特開２０１１−８７３７３号公報 特開２０１１−８７３７５号公報 特開２００７−２９５７２４号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の構成では、スロット形状が全閉スロットとなっているため、ブリッジ部での漏れ磁場が大きくなり、力率が低下する問題がある。

特許文献４及び５に記載の構成では、回転子の導体棒の空隙側に突起物があるため、特許文献１〜３と同様に漏れ磁場が大きくなり、力率が低下する問題がある。

特許文献６に記載の構成では、ブリッジ部及び突起物がない構成であるため、力率の低下は小さいが、回転子ティース先端部の磁気飽和が大きくなるために、漏れ磁場が大きくなり、回転子導体棒表面に磁束が流れる。このため、高調波２次銅損が大きくなる。

特許文献６の場合の回転子ティース部先端３２の模式図を図１３に示す。図１３において、回転子鉄心７は、円筒状の回転子ヨーク部３０と、回転子ヨーク部３０の外周表面から径方向外側に突出し、回転子ヨーク部３０の外周面に沿って軸方向に延びた複数の回転子ティース部３１を備えている。回転子ティース３１間には、回転子導体棒１３を収めるための回転子スロット６が周方向に形成されている。

また回転子ティース部先端３２の構造についてみると、回転子スロット６の周方向先端部における幅ｄ１に対し、回転子導体棒１３の周方向先端部における幅ｄ２は、ｄ２＞ｄ１の関係にある。つまり、回転子スロット６の先端を回転子ティース部３１により狭める構造をとることにより、回転子導体棒１３が遠心力により回転子スロット６から飛び出さないように抑えている。

なおこの構造では、先端部の幅ｄ１が回転子導体棒１３の幅ｄ２に拡幅するまでの部分（以下抑止部という）は直線状のラインで形成されている。

図１３には、この場合の磁束φを示している。回転中に固定子側から回転子側に流入する磁束φは、望ましくは磁束φ３に示すように回転子ティース３１を通って回転子ヨーク部３０に至るべきところ、その一部が磁束φ１に示すように回転子導体棒１３の外周面を横切る。

抑止部が直線状のラインで形成された特許文献６の構造では、回転子ティース先端部の磁気飽和が大きくなるために、漏れ磁場が大きくなり、回転子導体棒表面に磁束が流れ、高調波２次銅損が大きくなる。

本発明の目的は、以上示した従来の課題を除き、高効率化した誘導電動機およびこれを用いた鉄道車両を提供することにある。

以上のことから本発明は、固定子と、固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、回転子は、回転可能に保持された回転子鉄心の周方向に延伸して配置された複数のティース部により形成された複数個のスロット内に導体棒を備えた誘導電動機において、スロットの周方向先端部は、ティース部の周方向先端により狭められているとともに、ティース部の周方向先端形状がティース先端からスロット内の導体棒に向かって円弧状に突出する凸部を形成したものである。

本発明によれば、誘導電動機の高調波２次銅損を低減することができるため、誘導電動機の高効率化に寄与できる。

実施例１の形態による誘導電動機の軸方向断面図。 実施例１の形態による誘導電動機の断面図。 実施例１の形態による誘導電動機の回転子スロット部の拡大図。 回転子ティース先端部における距離Ｌと曲率半径Ｒの関係を示す図。 Ｒ／Ｌ＝０のときの抑止部形状を示す図。 Ｒ／Ｌ＝０．５のときの抑止部形状を示す図。 Ｒ／Ｌ＝１のときの抑止部形状を示す図。 Ｒ／Ｌ＝２のときの抑止部形状を示す図。 距離Ｌに対する曲率の比（Ｒ／Ｌ）と各銅損の関係を示す図。 実施例２の形態による誘導電動機の回転子スロット部の拡大図。 実施例３の形態による誘導電動機の回転子スロット部の拡大図。 実施例４の形態による誘導電動機の回転子スロット部の拡大図。 従来の誘導電動機の回転子スロット部の拡大図。 実施例５の形態による誘導電動機１の斜視図。 開放形である回転子鉄心７０の回転子スロット部の拡大図。 全閉形である回転子鉄心７１の回転子スロット部の拡大図。 実施例６の形態による誘導電動機１の斜視図。 実施例７の形態による誘導電動機の回転子スロット部の拡大図。 実施例８による誘導電動機を搭載した鉄道車両のブロック構成図。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明の実施例１について、図１、図２、図３に基づいて説明する。図１は、本発明の実施例１の形態による誘導電動機１の軸方向断面図である。誘導電動機１の固定子２は、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に巻回された多相の固定子巻線５と、固定子鉄心４をその内周面で保持するハウジング１１から構成されている。

回転子３は、回転子鉄心７、エンドプレート１５、シャフト８及びベアリング１０によって構成されており、ベアリング１０は回転可能に保持されている。ベアリング１０は、エンドブラケット９によって支持されており、エンドブラケット９は、ハウジング１１に固定されている。また、回転子鉄心４はエンドプレート１５によって軸方向両端部で軸方向に抑えられている。

回転子３の回転子鉄心７には、導体からなる回転子導体棒１３を挿入するための複数の回転子スロットが設けられている。また、回転子導体棒１３は回転子の両軸端部でエンドリング１４と接続されている。

エンドプレート１５には、内気を通風するための内扇ファン５０が接続されている。また、回転子鉄心７の内周部に軸方向に連通した内気通風用の孔１７ａが形成され内気が通風される。また、固定子２の外周側に内気通風用ダクト１７ｂが形成されており、内扇ファン５０によって作り出された風が通風される。

図２は、本発明の実施例１の形態による誘導電動機１の断面図であるが、ハウジングは図示省略している。図２において、誘導電動機１は、固定子２と回転子３とから構成されている。

固定子２は、固定子鉄心４と固定子巻線５から構成されている。固定子巻線５は固定子鉄心４に巻回されている。固定子鉄心４は、円筒状の固定子ヨーク部２１と、固定子ヨーク部２１の内周表面から径方向内側に突出し、固定子ヨーク部２１の内周面に沿って軸方向に延びた複数の固定子ティース部２２を備えている。固定子ティース２２は固定子ヨーク部２１の内周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。

回転子３は、複数枚の電磁鋼板が積層されている回転子鉄心７と、回転子鉄心７に複数設けられた回転子スロット６に回転子導体棒１３が挿入されている。

回転子鉄心７は、円筒状の回転子ヨーク部３０と、回転子ヨーク部３０の外周表面から径方向外側に突出し、回転子ヨーク部３０の外周面に沿って軸方向に延びた複数の回転子ティース部３１を備えている。回転子ティース３１は回転子ヨーク部３０の外周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。また、回転子ティース３１間には、回転子導体棒１３を収めるための複数の回転子スロット６が周方向に等間隔で配置されている。

また回転子鉄心７は、シャフト８を通す孔が打ち抜かれる構造となっており、シャフト８を通す孔が打ち抜かれた電磁鋼板を積層し、貫通するシャフト８を通す孔の中にシャフト８が挿入されて回転子３を構成する。また、図２の断面図では回転子鉄心７の軸方向に内気通風用の孔１７ａが形成されている。

なお回転子３は、時計方向、反時計方向に回転し、電動機として運転するものとする。

図３は、図２に記載の実施例１の形態による回転子のスロット部及びティース部の拡大図を示す。ここで特徴とする点は、回転子のティース先端部３２の抑止部の形状が回転子導体棒１３に向かう凸部として円弧状に形成された点である。図３で凸部の円弧は、Ｒで示されている。Ｒは、曲率半径である。

この形状により、回転子ティース先端部３２の磁気飽和が緩和され、磁束が磁束の流れφのように流れる。このため、回転子導体棒１３の固定子側表面に発生する高調波２次銅損が低減することで、効率を向上することができる。

なお、図１３に示す従来の回転子スロットの拡大図では、従来の回転子ティース先端部３２で、磁束の流れφがφ１に示すようにスロット内の回転子導体棒１３の表面を横切る。これに対し、図３に示す本発明の実施例１のスロット拡大図では、回転子ティース先端部３２で、磁束の流れφがスロット内の回転子導体棒１３の表面を横切らない。

さらに本発明においては、図３の距離Ｌと、回転子導体棒１３に向かって円弧状に形成された凸部の比を適切に定めることにより回転子導体棒１３の固定子側表面に発生する高調波２次銅損を低減させ効率を向上させる。

このうち図３の距離Ｌは、回転子ティース先端部からバーまでの距離であり、図１３と同様に幅ｄ１、ｄ２でこれを定義すると、先端部の幅ｄ１が幅ｄ２に拡幅するまでの周方向の距離ということができる。なお、幅ｄ１は回転子スロット６の周方向先端部における幅ｄ１であり、幅ｄ２は回転子導体棒１３の周方向先端部における幅ｄ２である。他方、回転子導体棒１３に向かって円弧状に形成された凸部は曲率半径Ｒで定義される。

図４は、回転子ティース先端部３２における距離Ｌと曲率半径Ｒの関係を示している。この図では、先端部の幅ｄ１が幅ｄ２に拡幅するまでの部分が抑止部に該当しており、図１３の従来例ではこの間が直線であった。

本発明では距離Ｌと曲率半径Ｒの比率（Ｒ／Ｌ）を取り扱うが、この比率の意味する形状について図５から図８に示す。但し、距離Ｌが２．６であるとする。

図５は比率（Ｒ／Ｌ）が０、従って曲率半径Ｒが０の場合を示す。幅ｄ１は拡幅することなく、そのまま幅ｄ２である。このため回転子導体棒１３との間で角部を形成する。

図６は比率（Ｒ／Ｌ）が０．５、従って曲率半径Ｒが１．３の場合、図７は比率（Ｒ／Ｌ）が１．０、従って曲率半径Ｒが２．６の場合、図８は比率（Ｒ／Ｌ）が２．０、従って曲率半径Ｒが５．２の場合を示す。これらの図によれば、曲率半径Ｒが小さいほど凸部の突出度合いが大きいということが分かる。

図９に本発明の実施例１のときの、スリット部から回転子導体棒までの距離Ｌに対する曲率の比（Ｒ／Ｌ）と各銅損の関係を示す。図９の縦軸には、各銅損の関係を銅損相対値（ｐ．ｕ）で示している。各銅損は、固定子巻線５に電流を通電して発生する１次銅損Ｃ１、高調波２次銅損Ｃ２及び両者の合計値Ｃ１＋Ｃ２である。回転子導体棒１３の面積を一定とした場合、２次銅損は一定であるため、誘導電動機１の温度制限は１次銅損Ｃ１と高調波２次銅損Ｃ２の合計値で決まり、これを基準（１．０）とした相対値（ｐ．ｕ）としている。

また図９の横軸には、図５から図８で説明した比Ｒ／Ｌを取っている。このように横軸を、回転子ティース先端部３２から回転子導体棒１３までの距離をＬとし、円弧状の曲率部６１の曲率半径をＲとした場合の、回転子ティース先端部から回転子導体棒までの距離Ｌに対する曲率半径Ｒの比Ｒ／Ｌで定義した。

ここでは、回転子ティース先端部３２から回転子導体棒１３までの距離Ｌを一定とし、Ｒ／Ｌが２．０とした場合を基準とした。つまり、Ｒ／Ｌが２．０のときの各銅損を１．０に単位化した値でしめしている。

この図によれば、１次銅損Ｃ１は比Ｒ／Ｌの増加に伴い減少し、Ｒ／Ｌが２．０のとき１．０となる。高調波２次銅損Ｃ２は、Ｒ／Ｌが１のとき最小となり、Ｒ／Ｌが２．０以上のときには１．０以上に増加する。但し、Ｒ／Ｌが０に近づくほど高調波２次銅損Ｃ２は増加し、銅損相対値１．０を超過してくる。

各銅損Ｃ１、Ｃ２がこのような傾向を示す理由は以下のようである。Ｒ／Ｌを２．０よりも小さくした場合、回転子ティース先端部３２の磁束密度が低くなり、回転子導体棒１３に鎖交する磁束が減るために、高調波２次銅損Ｃ２が小さくなる。逆に、漏れ磁場が回転子ティース先端部３２で大きくなるため１次銅損Ｃ１は大きくなる。結果として、１次銅損Ｃ１と高調波２次銅損Ｃ２の合計値Ｃ１＋Ｃ２は、Ｒ／Ｌが１．０のとき最小を示す。

なお、Ｒが０の場合、すなわちＲ／Ｌが０．０の場合では、漏れ磁場が大きくなるため、回転子導体棒表面に磁束が流れ、高調波２次銅損Ｃ２が大きくなる。また１次銅損Ｃ１と高調波２次銅損Ｃ２の合計値Ｃ１＋Ｃ２はＲ／Ｌが０．０に近づくほど増加し、Ｒ／Ｌ≦０．５では銅損相対値１．０を超過する。

以上から、１次銅損Ｃ１と高調波２次銅損Ｃ２の合計値が温度制限である１．０ｐ．ｕ以下の場合が最も好適であるため、図９に示す関係から回転子ティース先端部３２から回転子導体棒１３までの距離に対する曲率半径の比であるＲ／Ｌは０．５から２．０（ｐ．ｕ）が最も好適となる。

次に、本発明の実施例２について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施例２の形態による誘導電動機１の回転子スロット部６の拡大図である。ここではハウジング、固定子及びシャフトの図示は省略している。

図１０が図３と異なる点は、回転子のティース先端部３２の形状が、曲率部６１を有しておりかつ、回転子導体棒１３と平行で、この部分と回転子導体棒１３が接触している直線部６２を有している点である。

実施例２によれば、回転子導体棒１３に発生する高調波２次銅損を低減出来るとともに、回転子３の回転による回転子導体棒１３に掛かる遠心力に対して、直線部６２があるため、回転子導体棒１３を抑えることができ、誘導電動機１を高速に運転することできる。

次に、本発明の実施例３について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の実施例３の形態による誘導電動機１の回転子スロット部６の拡大図である。ここではハウジング、固定子及びシャフトの図示は省略している。

図１１が図３と異なる点は、回転子のティース先端部３２の形状が回転子のティース先端部３２から回転子導体棒１３に向かって凸に円弧状の曲率部６３と曲率部６４の２つ以上で形成された点である。

実施例２によれば、実施例１と同様の効果があり、高調波２次銅損を低減することで、効率を向上することができる。

次に、本発明の実施例４について、図１２を用いて説明する。図１２では、本発明の実施例４の形態による誘導電動機１の回転子スロット部６の拡大図である。ここでは図１２は、ハウジング、固定子及びシャフトの図示は省略している。

図１２が図３と異なる点は、回転子スロット６に収められた回転子導体棒１３ａの形状が台形形状である点である。

実施例４によれば、台形状の回転子導体棒１３ａに発生する高調波２次銅損を低減出来るとともに、回転子ティース部３１の内周側の幅を狭くすることなく、回転子導体棒１３ａを内周に伸ばすことができるため、回転子導体棒１３の抵抗値が小さくでき、２次銅損も低減することができる。これにより、誘導電動機１の損失を低減できるため、誘導電動機１をより高効率化できる。

次に、本発明の実施例５について、図１４、図１５及び図１６を用いて説明する。図１４は、本発明の実施例５の形態による誘導電動機１の斜視図であり、図１５、図１６は、回転子スロット部の拡大図である。ここではハウジング及びエンドリングの図示は省略している。また、ハウジング及び固定子は省略している。

実施例５が図３と異なる点は、図１４において回転子スロット６の空隙側の形状が開放形である回転子鉄心７０と全閉形である回転子鉄心７１の両方を有している点である。なお図１４に記載の実施例では、エンドリング１５が全閉形となっているが、開放形であっても高速運転可能である。

図１５は、開放形である回転子鉄心７０の回転子スロット部の拡大図、図１６は全閉形である回転子鉄心７１の回転子スロット部の拡大図を示している。図１６において、６ａが回転子の全閉スロットである。

実施例５によれば、回転子導体棒１３に発生する高調波２次銅損を低減出来るとともに、図１６に示す全閉形を有する回転子鉄心７１を有することで、回転子３の回転によって回転子導体棒１３に掛かる遠心力に対して、回転子導体棒１３を抑えることができ、誘導電動機１を高速運転することができる。

次に、本発明の実施例６について、図１７を用いて説明する。図１７は、本発明の実施例６の形態による誘導電動機１の斜視図であり、ハウジング、固定子、シャフト、押え板、回転子導体棒及びエンドリングの図示は省略している。

実施例６が図３と異なる点は、回転子７が軸方向にスキューされている点であり、図３と同様に高調波２次銅損の低減に効果がある。

次に、本発明の実施例７について図１８を用いて説明する。図１８は、本発明の実施例７の形態による誘導電動機１の回転子スロット部６の拡大図である。ここでは、ハウジング、固定子及びシャフトの図示は省略している。

実施例７が図３と異なる点は、回転子スロット６に収められた回転子導体棒１３が回転子スロット６の開口部側からカシメにより押えられている点である。

実施例７によれば、回転子導体棒１３に発生する高調波２次銅損を低減出来るとともに、カシメによって、回転子導体棒１３が回転子スロット６を幅方向に広がることで、回転子３の回転によって回転子導体棒１３に掛かる遠心力に対して、回転子導体棒１３を抑えることができ、誘導電動機１を高速運転することができる。

次に、本発明の実施例８による誘導電動機を用いた鉄道車両について、図１９を用いて説明する。図１９は、本発明の実施例８による誘導電動機を搭載した鉄道車両のブロック構成図である。

この図において、鉄道車両２００は、台車２０１に誘導電動機１、増速ギア２０２、車輪２０３を備え、誘導電動機１が増速ギア２０２を介して車輪２０３を駆動する。また、誘導電動機１は図中では２台だが、１台又は２台以上となる複数台、搭載し駆動することも可能である。

なお、以上の実施例では、誘導電動機を鉄道車両の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電動建機用の駆動装置及び他あらゆる駆動装置においても使用できるものである。

本実施の形態によれ回転子導体棒、誘導電動機をインバータで駆動する電動車両や鉄道車両に適用すれば、誘導電動機の損失を低減できるため、高効率な誘導電動機を提供することができる。

１：誘導電動機
２：固定子
３：回転子
４：固定子鉄心
５：固定子巻線
６：回転子スロット
６ａ：回転子の全閉スロット
７：回転子鉄心
８：シャフト
９：エンドブラケット
１０：ベアリング
１１：ハウジング
１３：回転子導体棒
１３ａ：台形形状の回転子導体棒
１４：エンドリング
１５：エンドプレート
１７ａ：内気通風用の孔
１７ｂ：内気通風用ダクト
２１：固定子ヨーク部
２２：固定子ティース
３０：回転子ヨーク部
３１：回転子ティース部
３２：回転子ティース先端部
５０：内扇ファン
３２：回転子ティースの先端部
６１：曲率部
６２：直線部
６３：曲率部
６４：曲率部
７０：開放形スロット形状を有する回転子鉄心
７１：全閉形スロット形状を有する回転子鉄心
φ：磁束の流れ
２００：鉄道車両
２０１：台車
２０２：増速ギア
２０３：車輪

Claims (9)

1. 固定子と、該固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、前記回転子は、回転可能に保持された回転子鉄心の周方向に延伸して配置された複数のティース部により形成された複数個のスロット内に導体棒を備えた誘導電動機において、
   前記スロットの周方向先端部は、前記ティース部の周方向先端により狭められているとともに、前記ティース部の周方向先端形状がティース先端から前記スロット内の導体棒に向かって円弧状に突出する凸部を形成していることを特徴とする誘導電動機。
2. 請求項１に記載の誘導電動機において、
   前記スロットの周方向先端部が狭められてから前記回転子導体棒に至るまでの周方向の距離をＬとし、前記円弧状の凸部の曲率半径をＲとした場合、Ｒ／Ｌが０．５＜Ｒ／Ｌ＜２．０であることを特徴とする誘導電動機。
3. 請求項１または請求項２に記載の誘導電動機において、
   前記円弧状の凸部は、複数の円弧形状から形成されたことを特徴とする誘導電動機。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の誘導電動機において、
   前記円弧状の凸部の一部が前記導体棒に接触していることを特徴とする誘導電動機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の誘導電動機において、
   回転子のスロット開口部が開放形状である回転子鉄心と全閉形状である回転子鉄心が軸方向に配置されたことを特徴とする誘導電動機。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の誘導電動機において、
   回転子スロット内に収められた導体棒の周方向断面形状が台形形状であることを特徴とした誘導電動機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の誘導電動機において、
   回転子鉄心が軸方向にスキュー配置されたことを特徴とした誘導電動機。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の誘導電動機において、
   前記導体棒が回転子スロットの開口部側からカシメられたことを特徴とする誘導電動機。
9. 固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、この固定子の内周に回転可能に保持され、回転子鉄心とこの回転子鉄心の内部に上記固定子鉄心と対向して配置された複数個の導体を有する回転子とから構成された誘導電動機を備え、この誘導電動機により車輪を駆動する鉄道車両において、
   前記誘導電動機は、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の誘導電動機である鉄道車両。

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