JP2016158390A - 回転電機及びその回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境等の温度変化時においても、堅牢で信頼性の高い回転電機の回転子を提供する。【解決手段】固定子と回転子を有し、前記回転子は、回転子シャフトと、電磁鋼板を積層した円筒状の回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面付近に周方向に間隔をおいて設置された複数の回転子スロットと、該回転子スロット内に埋め込まれた導体バーと、前記回転子鉄心の両端に設置され前記各導体バーを短絡接続してかご形の二次導体を構成するエンドリングとを備える回転電機であって、前記回転子鉄心の軸方向端部に前記電磁鋼板よりも線膨張係数が大きく、前記二次導体よりも線膨張係数が小さい材質の端板を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、かご形二次導体を備えた回転電機の回転子に係り、特に導体バーを用いる誘導電動機等に好適な回転子に関する。

かご形誘導電動機は、かご形回転子と回転磁界を発生する固定子を有し、かご形回転子は、回転子シャフトと、複数の電磁鋼板を積層した回転子鉄心と、複数の導体バーおよびエンドリングから成る二次導体とから構成されている。二次導体は、回転子鉄心に形成した複数のスロット内に溶融状態の導電性材料を充填して形成される。

従来のかご形誘導電動機において、導体バーとエンドリングの接合形状に関する公知例として、特許文献１および特許文献２には、エンドリング付近の電磁鋼板や端板のスロットを大きくし、導体バーの断面積を大きくすることが開示されている。また、特許文献３には、回転子スロットに面取りを施す従来技術が開示されている。

特開２０１４−１４７２５３号公報 特開２０１１−１０４９８号公報 特開２００９−１１０６７号公報

特許文献１には、各導体バーにおいて、軸方向端部が軸方向中央部よりも外径側半径の大きい円弧を描くように形成することにより、導体バーとエンドリングとの接合部分の強度を高め、高速回転に伴う遠心力による二次導体の破損を抑制することが開示されている。特許文献２には、回転子鉄心は電磁鋼板の両端に端板が設置された構成とし、端板は電磁鋼板よりもスロットの面積を大きくすることにより、電流の集中を緩和するとともに、応力の集中を緩和することが開示されている。また、特許文献３には、回転子鉄心の軸方向の両端部に位置する電磁鋼板のスロットの周囲に面取り部を形成することにより、導体バーと短絡鐶の付け根部に生じる高い引っ張り応力を低減することが開示されている。

しかし、かご形誘導電動機を液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体窒素（ＬＮ_２）等の低温ガス搬送ポンプ用として用いる場合や、宇宙空間での動力源として用いる場合等、周囲環境が−１００℃から−２００℃程度に低下すると、電磁鋼板の材質よりも二次導体を構成する導体バーやエンドリングの材質の線膨張係数が大きいことから、常温時からの温度変化により両者の間に大きな応力が発生する。温度変化による応力の発生は極低温環境に限られるものではなく、発生する応力により二次導体が損傷する恐れがあるが、特許文献１〜３にはこの問題については何ら示唆されていない。

本発明は、この問題を解決し、低温環境等の温度変化時においても、堅牢で信頼性の高い回転電機の回転子を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的及び特徴は、以下の記載、及び以下の実施例の説明で明らかにする。

上記課題を解決するための、本発明の代表的な「回転電機」の一例を挙げるならば、固定子と回転子を有し、前記回転子は、回転子シャフトと、電磁鋼板を積層した円筒状の回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面付近に周方向に間隔をおいて設置された複数の回転子スロットと、該回転子スロット内に埋め込まれた導体バーと、前記回転子鉄心の両端に設置され前記各導体バーを短絡接続してかご形の二次導体を構成するエンドリングとを備える回転電機であって、前記回転子鉄心の軸方向端部に前記電磁鋼板よりも線膨張係数が大きく、前記二次導体よりも線膨張係数が小さい材質の端板を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の代表的な「回転電機の回転子」の一例を挙げるならば、電磁鋼板を積層した円筒状の回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面付近に周方向に間隔をおいて設置された複数の回転子スロットと、該回転子スロット内に埋め込まれた導体バーと、前記回転子鉄心の両端に設置され前記各導体バーを短絡接続してかご形の二次導体を構成するエンドリングと、回転子シャフトと、を備えた回転電機の回転子であって、前記回転子鉄心の軸方向端部に前記電磁鋼板よりも線膨張係数が大きく、前記二次導体よりも線膨張係数が小さい材質の端板を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、低温環境等の温度変化時においても、堅牢で信頼性の高い回転電機の回転子を提供することができる。

本発明の実施例１の、かご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。 本発明の実施例２の、かご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。 本発明の実施例３の、かご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。 本発明の実施例３の、回転子鉄心の端板部分の形状を示す図である。 本発明の実施例４の、かご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の実施例１のかご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。回転子１０は、回転子鉄心２１と、かご形の二次導体３０と、回転子鉄心２１の内周側に設置される回転子シャフト１１を備えている。回転子鉄心２１の外周面付近には、周方向に間隔をおいて複数の回転子スロット２２が設置されている。かご形の二次導体３０は、これらの回転子スロット２２に埋め込まれた導体バー３１と、回転子鉄心２１の両端に設置され各導体バー３１を短絡接続するエンドリング３２とで構成されている。二次導体３０は、回転子鉄心２１の複数の回転子スロット２２にダイキャスト成形等で溶融状態の導電性材料を充填することによって形成される。回転子鉄心２１は積層した電磁鋼板２３の両端に端板２４が積層された構成である。そして、端板２４は、電磁鋼板２３よりも線膨張係数が大きく、二次導体３０よりも線膨張係数が小さい材質で形成されている。

主成分が鉄で構成される電磁鋼板２３の線膨張係数は常温付近で約１２×１０^−６／Ｋ、−１００℃から−２００℃の極低温付近で約９×１０^−６／Ｋであり、主成分がアルミニウムで構成される二次導体３０の線膨張係数は常温付近で約２１×１０^−６／Ｋ、同様の極低温付近で約１６×１０^−６／Ｋである。また、ＬＮＧの沸点は−１６２℃、ＬＮ_２の沸点は−１９６℃であり、回転子１０の周囲環境がこういった冷媒である場合等、回転子１０の周囲温度が常温に対し著しく低下すると、回転子１０を構成する各部材の温度が−１００℃から−２００℃付近の極低温に到達し、熱収縮する。前述の線膨張係数の差異から、回転子鉄心２１に対して二次導体３０の方がより大きく寸法変化することにより、二次導体３０と回転子鉄心２１の回転子スロット２２の両端の底部付近が干渉することで応力集中し、導体バー３１とエンドリング３２の境界部３３に軸方向の引張応力と径方向のせん断応力が発生する。特に中形機以上の回転子サイズになると発生する応力が大きくなり、二次導体３０の材料寿命を低下させる要因になる。

本実施例によれば、回転子鉄心２１の両端の端板２４に、線膨張係数が電磁鋼板２３よりも大きく、二次導体３０よりも小さい材質を適用することで、前述した極低温環境等の温度変化時において境界部３３で発生する応力が緩和される。特に、電磁鋼板２３に比べて端板２４の線膨張係数を二次導体３０の線膨張係数に近づけることにより、温度変化時においても境界部３３に働く径方向のせん断応力が緩和され、二次導体３０の材料寿命の低下を抑制することが可能となる。そして、堅牢で信頼性の高い回転電機の回転子を提供することができる。

本実施例の回転子を有する回転電機は、温度変化に対する二次導体の材料寿命の低下が抑制されるため、例えば−１００℃から−２００℃程度の極低温環境に晒される液化天然ガスや液体窒素等の低温ガス搬送ポンプ用の電動機に好適である。

図２は、本発明の実施例２のかご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。回転子鉄心２１の回転子スロット２２の両端付近に干渉抑制層４１を設ける。そして、回転子鉄心２１の複数の回転子スロット２２に溶融状態の導電性材料を充填することによって二次導体３０を形成する。干渉抑制層４１としては、従来から回転子スロット絶縁材として用いられている酸化クロムや不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられるが、本実施例においては、材料の形態により不飽和ポリエステル樹脂の方がより好適である。

回転子スロット２２の両端付近に干渉抑制層４１を設けることで、回転子鉄心の端部に於いて回転子スロット２２と二次導体３０の直接接触を避けられること、干渉抑制層４１によるクッション効果が得られることにより、極低温時等の温度変化時に回転子スロット２２と二次導体３０の干渉を低減し、導体バー３１とエンドリング３２の境界部３３に発生する応力を低減することができる。本実施例は実施例１と併用することでより効果が大きくなる。

図３は、本発明の実施例３のかご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。実施例３では、回転子鉄心２１において、電磁鋼板２３のスロット形状に対して端板２４のスロット形状を端部に向かって段階的に大きくする。

図４に、二次導体３０を除く回転子鉄心２１の端板２４部分の形状を示す。図４の右側の図は、端板２４を回転子シャフトの軸方向から見た図であり、符号２２ａ，２２ｂ，２２ｃは回転子スロットの形状を表す。図４の左側の図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、回転子スロット２２の軸に垂直の方向から見た端板２４等の形状を示す。応力集中を緩和する観点から、端板２４のスロット形状のサイズ変化は必ずしも図４（Ａ）のような階段状でなくても良く、図４（Ｂ）のように複数枚の端板２４ａ，２４ｂを一様にサイズ変更する１段階のものであっても、図４（Ｃ）のように複数枚の端板２４ａ，２４ｂについて連続的にサイズが変更されるテーパ状の形状であっても良い。

端板２４のスロット形状を端部に向かって段階的に大きくすることで、回転子鉄心２１の回転子スロット２２の両端の底部と二次導体３０の当りが分散され、応力集中が緩和されると共に、導体バー３１とエンドリング３２の境界部３３の断面積が大きくなることで境界部３３の機械的強度を増加させることができる。本実施例も実施例１と併用することでより効果が大きくなる。

図５は、本発明の実施例４のかご形誘導電動機の回転子の部分断面図である。本実施例は、実施例２と実施例３とを組合せたものである。

実施例３に示したように、回転子鉄心２１において、電磁鋼板２３のスロット形状に対して端板２４のスロット形状を端部に向かって段階的に大きくする。そして、スロット形状を端部に向かって段階的に大きくした、回転子鉄心２１の回転子スロット２２の両端付近、すなわち端板２４のスロット付近に干渉抑制層４１を設ける。

本実施例によれば、実施例３で端板２４のスロット形状を拡大して生じた空間部分に対して、主に実施例２の干渉抑制層４１を設けることで、より効果的に応力集中の緩和が可能となる。また、本実施例も実施例１と併用することで更に効果が大きくなる。

実施例５は端板の材質を規定するもので、図１を参照して説明する。本実施例は、実施例１において、端板２４の材質に特にオーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル鋼を用いたものである。両者はともに通常の鋼鉄に対して低温脆弱性を改善した材料であり、本発明の端板２４を形成する材料として好適である。オーステナイト系ステンレス鋼の中で一般的な１８Ｃｒ−８Ｎｉ鋼（ＳＵＳ３０４）の線膨張係数は常温付近で約１７×１０^−６／Ｋ、−１００℃から−２００℃の極低温付近で約１５×１０^−６／Ｋであり、電磁鋼板２３と二次導体３０の線膨張係数に対して中間の値をとるため、端板２４に適用することで導体バー３１とエンドリング３２の境界部３３に発生する応力を緩和することができる。また、ニッケル鋼はＮｉ量の割合で線膨張係数が大幅に変化する特徴を有するが、１８％Ｎｉ〜２０％Ｎｉ鋼において常温値で約２０×１０^−６／Ｋの値をとることから、前述の１８Ｃｒ−８Ｎｉ鋼と同様の効果が得られる。また、本実施例は実施例２から実施例４と併用することで更に効果が大きくなる。

上記の各実施例においてはかご形誘導電動機について説明したが、本発明は電動機に限らず、発電機も含めた回転電機の回転子に適用できるものである。

本発明によれば、堅牢で信頼性の高い回転電機を提供することができ、本発明は、かご形の回転子を備える回転電機全般に用いることができる。特に、温度変化の大きい低温使用の電動機、例えば液化天然ガスや液体窒素等の低温ガス搬送ポンプ用の電動機に好適である。

１０ 回転子
１１ 回転子シャフト
２１ 回転子鉄心
２２ 回転子スロット
２２ａ 回転子スロット（第１端板部）
２２ｂ 回転子スロット（第２端板部）
２２ｃ 回転子スロット（電磁鋼板部）
２３ 電磁鋼板
２４ 端板
２４ａ 第１端板
２４ｂ 第２端板
３０ 二次導体
３１ 導体バー
３２ エンドリング
３３ 境界部
４１ 干渉抑制層

Claims (12)

1. 固定子と回転子を有し、前記回転子は、回転子シャフトと、電磁鋼板を積層した円筒状の回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面付近に周方向に間隔をおいて設置された複数の回転子スロットと、該回転子スロット内に埋め込まれた導体バーと、前記回転子鉄心の両端に設置され前記各導体バーを短絡接続してかご形の二次導体を構成するエンドリングとを備える回転電機であって、
   前記回転子鉄心の軸方向端部に前記電磁鋼板よりも線膨張係数が大きく、前記二次導体よりも線膨張係数が小さい材質の端板を備えたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記二次導体が、溶融状態で充填された導電性材料によって形成されるものであることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回転電機において、
   前記回転子スロットのサイズが軸方向中央部に対して軸方向端部において大きく形成されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の回転電機において、
   前記回転子スロットの軸方向端部付近の内面に、酸化クロム又は不飽和ポリエステル樹脂から成る干渉抑制層を備えたことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の回転電機において、
   前記端板の材質が、オーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル鋼であることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の回転電機が、−１００℃から−２００℃程度の低温で用いられることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の回転電機が、低温ガス搬送ポンプ用の電動機であることを特徴とする回転電機。
8. 電磁鋼板を積層した円筒状の回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面付近に周方向に間隔をおいて設置された複数の回転子スロットと、該回転子スロット内に埋め込まれた導体バーと、前記回転子鉄心の両端に設置され前記各導体バーを短絡接続してかご形の二次導体を構成するエンドリングと、回転子シャフトと、を備えた回転電機の回転子であって、
   前記回転子鉄心の軸方向端部に前記電磁鋼板よりも線膨張係数が大きく、前記二次導体よりも線膨張係数が小さい材質の端板を備えたことを特徴とする回転電機の回転子。
9. 請求項８に記載の回転電機の回転子において、
   前記二次導体が、溶融状態で充填された導電性材料によって形成されるものであることを特徴とする回転電機の回転子。
10. 請求項８又は請求項９に記載の回転電機の回転子において、
    前記回転子スロットのサイズが軸方向中央部に対して軸方向端部において大きく形成されていることを特徴とする回転電機の回転子。
11. 請求項８乃至請求項１０の何れか一つに記載の回転電機の回転子において、
    前記回転子スロットの軸方向端部付近の内面に、酸化クロム又は不飽和ポリエステル樹脂から成る干渉抑制層を備えたことを特徴とする回転電機の回転子。
12. 請求項８乃至請求項１１の何れか一つに記載の回転電機の回転子において、
    前記回転子鉄心の軸方向端部に用いる端板の材質が、オーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル鋼であることを特徴とする回転電機の回転子。

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