JP2015109743A - 誘導電動機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】外周に高周波銅損を低減するためのスリットを有する誘導電動機の回転子において、電磁加振力を小さくする。【解決手段】誘導電動機の回転子１は円柱形状のロータコア３はと、各導体バー４の外周側に第１のスリット８を形成した第１のロータコア６と、第１のロータコア６と軸方向に接するとともに、各導体バー４の外周側に第２のスリット９を形成した第２のロータコア７とを備える。各導体バー４に関して、第１のスリット８の周囲に形成される磁気経路と、第２のスリット９の周囲に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なるように、第１のスリット８と第２のスリット９とを異なる仕様に設定する。【選択図】図１

Description

この発明は、誘導電動機の回転子において導体バーを収装するスロットの構造に関する。

かご型誘導電動機の回転子は、例えば積層された鋼板で構成されるロータコアと、ロータコアに収装される導体バーとを備えている。ロータコアにはロータコアを縦貫するスロットが等しい角度間隔で形成され、導体バーは各スロットに収装される。

特許文献１は、こうした回転子を有する電動機の運転時の高周波銅損を低減するために、固定子に臨む各スロットの外周部にスリットを形成することを提案している。

特開平９−２２４３５８号公報

特許文献１の従来技術によれば、各スロットの外周部にスリットを形成しない場合と比べて、高周波銅損を低減することができる。高周波銅損の低減は、電動機の効率の向上やベアリングの寿命を長くするうえで好ましい効果もたらす。

一方、かご型誘導電動機のロータコアの外周部にスリットを形成することは次のデメリットをもたらす。

すなわち、かご型誘導電動機において、固定子のスロット数と回転子のスロット数の最小公倍数をＫｉとすると、回転子が１回転するごとに電動機を振動させる電磁加振力がＫｉ回発生する。この電磁加振力は、回転子が回転することで固定子と回転子のティースとの相対位置が変化し、電磁力が変動するために発生する。この電磁力の周期的な変動を加振力と称する。

スロットの外側に開口部を有さないクローズドスロット構造の回転子には、回転子の外周面に凹凸がないために回転Ｋｉ次の電磁加振力は小さい。これに対して、引用文献１の回転子のように、回転子の外周にスリットを形成すると、スリットがもたらす凹凸により回転Ｋｉ次の電磁加振力が大きくなることは避けられない。

この発明の目的は、外周に高周波銅損を低減するためのスリットを有する誘導電動機の回転子において、電磁加振力を小さく抑えることである。

以上の目的を達成するために、この発明は、円柱形状のロータコアと、ロータコアに等しい角度間隔で軸方向に形成された複数のスロットと、各スロットに収装された導体バーと、を有する誘導電動機の回転子に適用される。ロータコアは、各導体バーの外周側に第１のスリットを形成した第１のロータコアと、第１のロータコアと軸方向に接するとともに各導体バーの外周側に第２のスリットを形成した第２のロータコアと、を備える。この発明はさらに、各導体バーに関して、第１のスリット周辺に形成される磁気経路と、第２のスリット周辺に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なるように、第１のスリットと第２のスリットを異なる仕様に設定している。

第１のスリットの周囲に形成される磁気経路と、第２のスリットの周囲に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なるようにすることで、第１のロータコアに作用する電磁加振力と、第２のロータコアに作用する電磁加振力とが打ち消し合うような設定が可能となる。その結果、電動機全体での電磁加振力を小さく抑えられる。

この発明の第１の実施形態による回転子要部の斜視図である。 この発明の第１の実施形態による第１のロータコアのスリットの形成位置を示す回転子要部の拡大横断面図である。 この発明の第１の実施形態による第２のロータコアのスリットの形成位置を示す回転子要部の拡大横断面図である。 この発明の第１の実施形態による回転子を用いた誘導電動機の電磁加振力を示すダイアグラムである。 スリットの深さｄ及びロータコアと固定子とのギャップ幅Ｗｇとが高調波銅損に及ぼす影響を示すダイアグラムである。 加振力の位相差がもたらす加振力低減効果を示すダイアグラムである。 スリットのずれ角θと加振力の位相との関係を示すダイアグラムである。 この発明の第２の実施形態による回転子要部の斜視図である。 この発明の第３の実施形態による回転子要部の斜視図である。 この発明の第３の実施形態による回転子の、積層比ｘと捻り加振力との関係を示すダイアグラムである。 この発明の第４の実施形態による回転子要部の斜視図と、スリット形成プロセスを説明する回転子要部の拡大横断面図である。 この発明の第４の実施形態のバリエーションを示す回転子要部の拡大横断面図である。 この発明の第４の実施形態の別のバリエーションを示す回転子要部の拡大横断面図である。

図１を参照すると、この発明の第１の実施形態によるかご型誘導電動機の回転子１は、あらかじめ所定の形状にプレス成形された鋼板を軸方向に積層したロータコア３を備える。ロータコア３は回転軸を挿通する穴２を中心部に有する円筒形状に形成される。ロータコア３の外周寄りの部分には数多くのスロット５が等しい角度間隔で形成される。各スロット５はロータコア３を軸方向に貫通する。各スロット５には導体バー４が収装される。

ロータコア３の各スロット５の外側には外向きの溝である第１のスリット８と第２のスリット９とが形成される。

この第１のスリット８と第２のスリット９の形成位置により、ロータコア３は軸方向に関して第１のロータコア６と第２のロータコア７に２分割される。

図２を参照すると、第１のロータコア６に形成される第１のスリット８は、中心線がスロット５の中心線から時計回りに角度θｍずれた位置に来るように形成される。

図３を参照すると、第２のロータコア７に形成される第２のスリット９は、その中心線がスロット５の中心線から反時計回りに角度θｍずれた位置に来るように形成される。

結果として、第１のスリット８と第２のスリット９の形成位置は周方向に関して角度２θｍずれた状態となる。なお、第１のスリット８と隣接するスロット５との間は第１のロータコア６の一部をなす薄肉状の壁面で遮断される。第２のスリット９と隣接するスロット５との間は第２のロータコア７の一部をなす薄肉状の壁面で遮断される。

第１のスリット８と第２のスリット９の深さ、すなわちラジアル方向の寸法は、同じ値ｄとする。また、電動機を組み立てた状態で、第１のロータコア６と第２のロータコア７は固定子１０の内側に収装される。この状態での第１のロータコア６と第２のロータコア７と固定子１０との間に形成されるギャップの幅をＷｇとする。

第１のロータコア６と第２のロータコア７とはスリット８と９の形成位置が周方向に角度２θｍずれている以外は同一の仕様とする。

図２を参照すると、第１のロータコア６を構成する積層用の鋼板は、中心線がスロット５の中心線から時計周りに角度θｍずれた位置に第１のスリット８をプレス成型しておく。

図３を参照すると、第２のロータコア７を構成する積層用の鋼板は、中心線がスロット５の中心線から反時計周りに角度θｍずれた位置に第２のスリット９をプレス成型しておく。

鋼板の積層時には、スロット５が軸方向に重なるように第１のロータコア６用の鋼板と第２のロータコア７用の鋼板を積層することで、図１に示す形状のロータコア３が形成される。

このように、スリット８と９の形成位置が周方向にずれた第１のロータコア６と第２のロータコア７によりロータコア３を構成することで、次のような好ましい効果が得られる。

すなわち、電動機の運転時において、第１のスリット８の周辺に形成される磁気経路と第２のスリット９の周辺に形成される磁気経路とが異なることになる。その結果として、例えば図４に示されるように、第１のロータコア６が生成する電磁加振力の位相と、第２のロータコア７が生成する電磁加振力の位相とがずれることになり、両者が打ち消し合うことで、トータルの加振力を小さく抑えることができる。

また、この回転子１においても前記特許文献１の従来技術と同様にスロット５の外側にスリット８と９を設けているため、前記特許文献１の従来技術と同様に高周波銅損の低減効果が得られる。

次に、以上の高周波銅損の低減効果と電磁加振力を抑制効果とを得るための好ましい数値条件を説明する。

高周波銅損の低減効果を高めるためには、第１のロータコア６及び第２のロータコア７と固定子１０とのギャップ幅Ｗｇとスリット８と９の深さｄについて、次の関係にあることが好ましい。すなわち、

これは、ギャップ幅Ｗｇに対してスリット深さｄをある程度大きく設定しないと銅損低減効果が得られないことを意味する。スリット深さｄがギャップ幅Ｗｇに対して相対的に小さいと、スリット８の存在する部位と存在しない部位とでギャップ幅Ｗｇの差異が小さくなり、スリット８の影響が小さくなるためと考えられる。

図６と７を参照して、第１のスリット８及び第２のスリット９のずれの角度θｍと、電磁加振力の位相差との関係を説明する。

図６は加振力の位相差と加振力の低減効果との関係を示す。ここでは、加振力の振幅は等しいと仮定している。図に示されるように３デシベル（ｄＢ）以上の加振力低減効果を得るには加振力の位相差が９０度以上であることが必要である。図には１８０度までしか表示していないが、３６０度のスケールで考えれば、これは９０度以上２７０度以下の領域に相当する。

電磁加振力は、固定子１０のスロット数と、回転子１のスロット数との最小公倍数をＫ_Ｌとした場合に、回転子１の一回転につきＫ_Ｌ回振動する成分である。言い換えれば、回転Ｋ_Ｌ次加振力である。

回転子１の外周に形成されたスリット８（９）のずれ角θｍは、スロット５の中心線とスリット８（９）の中心線とがなす機械角を示す。ここで、機械角θｍに電磁加振力の次数Ｋ_Ｌを乗じることで、Ｋ_Ｌ回の振動の一周期を３６０度として表した電気角θに変換することができる。

図７のグラフは電気角で表されたずれ角θと加振力の位相との関係をプロットし、その関係を直線に近似したものである。

この図において、第１のロータコア６のスリット８のずれ角θを３３度、第２のロータコア７のスリット８のずれ角θを―３３度とすると、加振力の位相はそれぞれ４５度と−４５度となり、加振力の位相差は９０度となる。この場合の、第１のロータコア６のスリット８と第２のロータコア７のスリット８とのずれは電気角で６６度である。

図からは、第１のロータコア６のスリット８と第２のロータコア７のスリット８とのずれが電気角で６６度から２００度の場合に、加振力の位相差は９０度から２７０度となる。言い換えれば、前述の３ｄＢ以上の加振力低減効果を得るためには、第１のロータコア６のスリット８と第２のロータコア７のスリット８とのずれが電気角で６６度から２００度の範囲にあることが必要である。

この条件を機械角で表すと次のようになる。

ただし、αは第１のロータコア６のスリット８と第２のロータコア７のスリット９とのずれ角度であり、第１のロータコア６のスリット８と第２のロータコア７のスリット９がスロット５の中心線からずれ角θm ずつ逆向きにずれている場合には、α＝ 2θm である。

以上の条件を満たすように第１のロータコア６のスリット８と第２のロータコア７のスリット８の深さｄとずれ角θm を設定することで、高周波銅損を低減するとともに、電動機全体での電磁加振力を小さく抑えることができる。

なお、第１のロータコア６のスリット８のずれ角θｍと第２のロータコア７のスリット９のずれ角θｍとを符号の異なる同じ値としなくても、第１のロータコア６のスリット８と第２のロータコア７のスリット９とのずれ角度αが上記の範囲にあれば、電磁加振力の抑制効果には変わりがない。しかしながら、第１のロータコア６のスリット８のずれ角θｍと第２のロータコア７のスリット８のずれ角θｍとを符号の異なる同じ値とすることで、言い換えればロータコア３の中心軸を通る各導体バー４の中心線に関して、第１のスリット８の周方向の中心と第２のスリット９の周方向の中心とが対称をなすように、第１のスリット８と第２のスリット９を配置することで、同一形状の鋼板を互いに裏返しの状態で積層して第１のロータコア６と第２のロータコア７と製造することが可能となる。つまり、第１のロータコア６と第２のロータコア７を一種類の鋼板で構成でき、プレス成型のコストを削減できる。

図８を参照して、この発明の第２の実施形態を説明する。

この実施形態による回転子１は、第２のロータコア７の両側に第１のロータコア６を配置している。第２のロータコア７の仕様は第１の実施形態と同一である。第１のロータコア６は第１の実施形態と軸方向の寸法のみが異なり、その他の仕様は同じでる。言い換えれば、第１の実施形態の第１のロータコア６を軸方向に２等分して第２のロータコア７の軸方向両側に配置したのがこの実施形態である。

この実施形態によっても、第１の実施形態と同様の高周波銅損の低減効果と電磁加振力の抑制効果を得ることができる。この実施形態によればさらに次の効果が期待できる。すなわち、第１の実施形態では電動機の運転時において、第１のロータコア６と第２のロータコア７が発生させるトルクが異なるため、回転軸周りの捻り振動が発生する。この実施形態では、第２のロータコア７の両側に第１のロータコア６を配置したので、回転軸の両端に作用するトルクは常に等しくなる。したがって、回転軸周りの捻り振動を抑制する効果を期待できる。

図９を参照して、この発明の第３の実施形態を説明する。

この実施形態による回転子１は、長さが異なる２個の第１のロータコア６と、長さの異なる第２のロータコア７とを軸方向に交互に配置することで構成される。第１のロータコア６の軸方向長さ以外の仕様は第１の実施形態と同じである。第２のロータコア７の軸方向長さ以外の仕様は第１の実施形態と同じである。

図に示す回転子１は、左側から順に配置された第１のロータコア６、第２のロータコア７、第１のロータコア６、及び第２のロータコア７を備える。中央部の第１のロータコア６と第２のロータコア７の軸方向長さは等しく設定される。また、両端の第１のロータコア６と第２のロータコア７の軸方向長さも等しく設定される。

両端の第１のロータコア６と第２のロータコア７の軸方向長さを１とした場合の、中央部の第１のロータコア６と第２のロータコア７の軸方向長さｘを積層比と称する。積層比ｘは次の範囲に設定される。すなわち、

この実施形態によれば、第１の実施形態と同様の高周波銅損の低減効果と電磁加振力の抑制効果に加えて、積層比ｘの上記設定によりさらに次のような好ましい効果を得ることができる。

すなわち、図１０に示すように、この実施形態では積層比ｘの上記設定により、回転子１に作用する捻じり加振力を小さく抑えることができる。したがって、回転軸周りのねじり振動を抑制する効果を期待できる。

図１１を参照して、この発明の第４の実施形態を説明する。

この実施形態による回転子１は、前記第１―第３の実施形態と、スリット８，９の形成方法が異なる。すなわち、第１―第３の実施形態では、第１のロータコア６及び第２のロータコア７として積層する鋼板のプレス成型時に鋼板の外周部に略矩形断面の切欠を打ち抜くことでスリット８と９を形成していた。

この実施形態では、図の（ａ）に示すように、切欠を形成せずに、スロット５のラジアル方向の寸法を導体バー４のラジアル方向の寸法より大きく設定する。具体的には、スロット５のラジアル方向の寸法を大きく設定した鋼板を積層してロータコア３を制作する。この段階では第１のロータコア６と第２のロータコア７は全く同じ形状であり、両者間に差異は存在しない。

次に図の（ｂ）に示すように、第１のロータコア６に相当する軸方向領域のロータコア３の外周に図の矢印に示すような外力を作用させる。外力を作用させる部位はスロット５の中心線から若干時計回りにずれた位置とする。スロット５の外側においてはスペース１１が形成されており、ロータコア３の壁厚はその分薄くなっている。この薄肉部１４にロータコア３の外側からラジアル方向内向きの外力を作用させることで、スペース１１の外側の薄肉部はスペース１１を押しつぶすように塑性変形する。薄肉部１４の塑性変形により円弧状断面の第１のスリット８が形成される。

同様に、図の（ｃ）に示すように、第２のロータコア７に相当する軸方向領域のロータコア３の外周に図の矢印に示すような外力を作用させる。外力を作用させる部位はスロット５の中心線から若干反時計回りにずれた位置とする。スロット５の外側においてはスペース１１が形成されており、ロータコア３の壁圧はその分薄くなっている。この薄肉部１４にロータコア３の外側からラジアル方向内向きの外力を作用させることで、薄肉部１４はスペース１１を押しつぶすように塑性変形する。薄肉部１４の塑性変形により円弧状断面の第２のスリット９が形成される。

薄肉部１４への外力の適用は治具を用いて行なうことが望ましい。このようにして形成された第１のスリット８と第２のスリット９は、形成位置が周方向にずれているだけでなく、断面形状も異なったものとなる。

この実施形態では、以上のように鋼板を積層してロータコア３を組み立てた後に、スロット５の外側の部分に外力を加えることで、薄肉部１４を塑性変形させて第１のスリット８と第２のスリット９を形成する。

この実施形態においても、各導体バー４に関して、第１のスリット８の周辺に形成される磁気経路と、第２のスリット９の周辺に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なるものとなる。その結果、第１のロータコア６が生成する電磁加振力の位相と、第２のロータコア７が生成する電磁加振力の位相とがずれることになり、両者が打ち消し合うことで、トータルの加振力を小さく抑えることができる。また、スリット８と９の深さに応じて周波銅損を低減することができる。

さらに、この実施形態によれば、スリット８と９を形成するために、鋼板のプレス成型の段階で切欠を形成したり、あるいは鋼板を積層してロータコア３を形成した後に、ロータコア３の外周を切削したりする必要がない。したがって、回転子１の製造コストを削減することができる。

図１２を参照して、第４の実施形態のバリエーションを説明する。

このバリエーションにおいては、図の（ａ）に示すように、第４の実施形態のスペース１１のラジアル方向外側に位置するロータコア３の薄肉部１４の端部の内側及び外側部分に外力の作用に対して薄肉部１４の塑性変形を促す凹部１２を形成しておく。凹部１２はロータコア３を形成する鋼板のプレス成型時にあらかじめ形成される。

このように、外力を適用する薄肉部１４の周囲にあらかじめ凹部１２を形成しておくことで、図の（ｂ），（ｃ）に示すように外力の作用に対する薄肉部１４の塑性変形が容易になる。また、凹部１２を形成しておくと、薄肉部１４の塑性変形時に亀裂が入るなどの不具合が生じる可能性も少なくなる。

図１３を参照して、第４の実施形態のさらなるバリエーションを説明する。

このバリエーションにおいては、薄肉部１４の端部の内側及び外側部に凹部１２を形成するとともに、図の（ａ）に示すように、スペース１１に臨む導体バー４に凸部１３を形成しておく。第１のロータコア６に相当する部位においては、図の（ｂ）に示すように薄肉部１４を凸部１３の右側の斜面に突き当てるように外力を作用させ、第１のスリット８を形成する。第２のロータコア７に相当する部位においては、図の（ｃ）に示すように薄肉部１４を凸部１３の左側の斜面に突き当てるように外力を作用させ、第２のスリット９を形成する。

導体バー４に凸部１３を設けることで、凸部１３をガイドとして薄肉部１４を塑性変形させることができ、塑性変形のばらつきを減らすことができる。

以上のように、この発明による誘導電動機の回転子１は、各導体バー４の外周側に第１のスリットを形成した第１のロータコア６と、第１のロータコア６と軸方向に接するとともに各導体バー４の外周側に第２のスリット９を形成した第２のロータコア７と、を備えている。さらに、誘導電動機の運転時において、各導体バー４に関して、第１のスリット８周辺に形成される磁気経路と、第２のスリット９周辺に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なるように、第１のスリット８と第２のスリット９を異なる仕様に設定している。

第１のスリット８の周囲に形成される磁気経路と、第２のスリット９の周囲に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なると、誘導電動機の運転時に第１のロータコア６に作用する電磁加振力と、第２のロータコア７に作用する電磁加振力との位相がずれ、結果として電磁加振力が打ち消し合う。その結果、電動機全体での電磁加振力を小さく抑えられる。

したがって、スリット８，９がもたらす高周波銅損の低減効果に加えて、電動機全体での電磁加振力を小さく抑えることができる。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、上記の各実施形態では第１のロータコアと第２のロータコアとで、スリットの形成位置を周方向にずらしているが、スリットの形成位置を変えずに第１のロータコアと第２のロータコアとでスリットの形状・寸法を変化させることでも、第１のスリット８の周囲に形成される磁気経路と、第２のスリット９の周囲に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なるようにすることが可能である。

1 回転子
2 穴
3 ロータコア
4 導体バー
5 スロット
6 第１のロータコア
7 第２のロータコア
8 第１のスリット
9 第２のスリット
10 固定子
11 スペース
12 凹部
13 凸部
14 薄肉部

Claims (8)

1. 円柱形状のロータコアと、ロータコアに等しい角度間隔で軸方向に形成された複数のスロットと、各スロットに収装された導体バーと、を有する誘導電動機の回転子において、
   前記ロータコアは、各導体バーの外周側に第１のスリットを形成した第１のロータコアと、第１のロータコアと軸方向に接するとともに、前記各導体バーの外周側に第２のスリットを形成した第２のロータコアとを備え、前記各導体バーに関して、第１のスリットの周囲に形成される磁気経路と、第２のスリットの周囲に形成される磁気経路とが、軸方向から眺めた状態で異なるように、第１のスリットと第２のスリットを異なる仕様に設定したことを特徴とする誘導電動機の回転子。
2. 前記各導体バーに対する、第１のスリットの周方向の相対位置と第２のスリットの周方向の相対位置とが、軸方向から眺めた状態で異なることを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機の回転子。
3. 前記各導体バーに関して、第１のスリットの断面形状と第２のスリットの断面形状とが、軸方向から眺めた状態で異なることを特徴とする、請求項１に記載の誘導電動機の回転子。
4. 前記各導体バーに関して、第１のスリットの周方向の中心と第２のスリットの周方向の中心とが次式（１）で表される周方向のずれ角αを有することを特徴とする、請求項２に記載の誘導電動機の回転子。
   ただし、Ki = 固定子のスロット数と回転子のスロット数の最小公倍数。
5. 前記第１及び第２のスリットの深さをｄとし、前記第１及び第２のスリットの開口部から前記ロータコアの外側に配置された誘導電動機のステータに至る最短距離をギャップ幅Ｗｇとした場合に、次式（２）が成立することを特徴とする、請求項２に記載の誘導電動機の回転子。
   
6. 前記ロータコアの中心軸を通る前記各導体バーの中心線に対して、第１のスリットの周方向の中心と第２のスリットの周方向の中心とが対称位置にあることを特徴とする、請求項２に記載の誘導電動機の回転子。
7. 前記第２のロータコアの軸方向両側に接する２個の前記第１のロータコアを備えることを特徴とする、請求項６に記載の誘導電動機の回転子。
8. ２個の前記第１のロータコアと２個の前記第２のロータコアとを交互に接するように軸方向に並べて配置するとともに、各ロータコアの軸方向の寸法が、１：ｘ：ｘ：１であって、かつ２≦ｘ≦３の関係を満たすことを特徴とする、請求項６または７に記載の誘導電動機の回転子。