JP2017112687A - 誘導モータ - Google Patents

Abstract

【課題】起磁力高調波の影響を少なくするとともに騒音を抑制した効率の良い分布巻の誘導モータを提供する。【解決手段】周方向に複数のスロット８３を有し、コイル８２が分布巻されたステータ８０と、周方向に複数のスロット９２を有するロータ９０と、を備え、ロータ９０にスキューを有する。ロータ９０のスロット数は、ステータ８０のスロット数から極対数を減算して得られる値であるとともに、ロータ９０のスキュー角度は、３６０度をロータ９０のスロット数で除算して得られる値である。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導モータに関するものである。

特許文献１に開示の集中巻方式の回転電機においては、固定子の極数と固定子のスロット数の比が１：３となる構成とすることにより効率よく運転できるとともに占積率が高いものとしている。

特開２００６−２７１１８７号公報

ところで、起磁力高調波の影響を少なくするとともに騒音を抑制した効率の良い分布巻の誘導モータが望まれている。
本発明の目的は、起磁力高調波の影響を少なくするとともに騒音を抑制した効率の良い分布巻の誘導モータを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、周方向に複数のスロットを有し、コイルが分布巻されたステータと、周方向に複数のスロットを有するロータと、を備え、前記ロータまたは前記ステータにスキューを有する誘導モータにおいて、前記ロータのスロット数は、前記ステータのスロット数から極対数を減算して得られる値であるとともに、前記ロータまたは前記ステータのスキュー角度は、３６０度を前記ロータのスロット数で除算して得られる値であることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ロータのスロット数は、ステータのスロット数から極対数を減算して得られる値であるので、ステータのスロット数に起因した高調波である起磁力高調波の影響を少なくすることができ、効率向上が図られる。また、ロータまたはステータのスキュー角度は、３６０度をロータのスロット数で除算して得られる値であるので、騒音を抑制することができる。その結果、起磁力高調波の影響を少なくするとともに騒音を抑制した効率の良いものとなる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の誘導モータにおいて、前記ステータのスロット数が５４であるとともに前記極対数が３であるとよい。

本発明によれば、起磁力高調波の影響を少なくするとともに騒音を抑制した効率の良いものとなる。

実施形態における誘導モータの概略縦断面図。 ステータコアの側面図。 （ａ）はロータの正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図。 ステータにおけるコイルの巻線状態を示す展開図。 ステータにおける結線側から見たときのコイルの収納状態を示す側面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は各スキュー角度での周波数に対する電磁力の解析結果を示す図。 スキュー角度に対するトルクの解析結果を示す図。 ステータスロット数、ロータスロット数、極対数、スキュー角度の組み合わせ例を示す図。

以下、本発明を、かご形三相６極誘導モータに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、誘導モータ６０は、ハウジング７０と、周方向に複数のスロット８３を有するステータ８０と、周方向に複数のスロット９２を有するロータ９０を備えている。

ハウジング７０は、全体の概略形状として、両端面が塞がれた円筒状をなしている。詳しくは、ハウジング７０は、円筒状の本体部７１と、本体部７１の両端開口部を閉塞する円板状のプレート７２を有する。ハウジング７０は金属材料（例えばアルミニウム）により形成されている。

ハウジング７０の本体部７１にはステータ８０が固定されている。ステータ８０は、円筒状をなすステータコア８１と、銅線よりなるコイル８２を備える。ステータコア８１は、例えば電磁鋼板を積層して構成することができる。ステータコア８１は、図２に示すように、内周面に開口し周方向に並設されたスロット８３、および、スロット８３の間に形成されたティース８４を有する。

図１に示すように、コイル８２がステータコア８１のスロット８３に挿入されている。つまり、ステータ８０は、ハウジング７０の本体部７１に固定されたステータコア８１のティース８４にコイル８２が巻回されて構成されている。コイル８２はステータコア８１における一方の端面から突出しているとともにステータコア８１における他方の端面から突出している。

ハウジング７０に固定されたステータ８０の内方においてロータ９０が配設されている。ロータ９０はロータコア９１を備えている。ロータコア９１は円柱状をなしている。ロータコア９１は、例えば電磁鋼板を積層して構成することができる。ロータコア９１の中心にはモータシャフト１００が貫通する状態で固定されている。モータシャフト１００はハウジング７０に対し軸受１０１，１０２により回転可能に支持されている。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ロータコア９１にはスロット９２が周方向に多数形成され、スロット９２は軸方向に貫通するように延びている。
図１および図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ロータ９０は二次導体９３を有する。二次導体９３は、ロータバー９４とエンドリング９５，９６を有する。ロータバー９４はロータコア９１の内部のスロット９２に埋設され、軸方向に貫通するように配置されている。エンドリング９５はロータコア９１の一端面に配置され、エンドリング９５はロータバー９４の一端と連結されている。エンドリング９６はロータコア９１の他端面に配置され、エンドリング９６はロータバー９４の他端と連結されている。二次導体９３（ロータバー９４、エンドリング９５，９６）はアルミよりなり、詳しくは、アルミダイキャストで製作している。

図２に示すように、ステータ８０（ステータコア８１）におけるスロット８３の数は５４である。
周方向に複数のスロット８３を有するステータ８０においては、図４，５に示すように、コイル８２が分布巻されている。

詳しくは、図４のコイル巻線図および図５のコイル収納図において、図５での時計の文字盤におけるほぼ１２時に位置するスロットをスロット番号１とし、以下、時計回りにスロット番号を２，３，４，…，５３，５４としている。

図４に示すように、Ｕ相における第１極として、スロット番号１とスロット番号２とスロット番号８とスロット番号９を用いてコイル８２が巻回されている。Ｕ相における第２極として、スロット番号１０とスロット番号１１とスロット番号１７とスロット番号１８を用いてコイル８２が巻回されている。Ｕ相における第３極として、スロット番号１９とスロット番号２０とスロット番号２６とスロット番号２７を用いてコイル８２が巻回されている。Ｕ相における第４極として、スロット番号２８とスロット番号２９とスロット番号３５とスロット番号３６を用いてコイル８２が巻回されている。Ｕ相における第５極として、スロット番号３７とスロット番号３８とスロット番号４４とスロット番号４５を用いてコイル８２が巻回されている。Ｕ相における第６極として、スロット番号４６とスロット番号４７とスロット番号５３とスロット番号５４を用いてコイル８２が巻回されている。

よって、図５に示すように、スロット番号１〜９、スロット番号１０〜１８、スロット番号１９〜２７、スロット番号２８〜３６、スロット番号３７〜４５、スロット番号４６〜５４において、Ｕ相における回転磁界が作られる。

また、図４に示すように、Ｖ相における第１極として、スロット番号７とスロット番号８とスロット番号１４とスロット番号１５を用いてコイル８２が巻回されている。Ｖ相における第２極として、スロット番号１６とスロット番号１７とスロット番号２３とスロット番号２４を用いてコイル８２が巻回されている。Ｖ相における第３極として、スロット番号２５とスロット番号２６とスロット番号３２とスロット番号３３を用いてコイル８２が巻回されている。Ｖ相における第４極として、スロット番号３４とスロット番号３５とスロット番号４１とスロット番号４２を用いてコイル８２が巻回されている。Ｖ相における第５極として、スロット番号４３とスロット番号４４とスロット番号５０とスロット番号５１を用いてコイル８２が巻回されている。Ｖ相における第６極として、スロット番号５２とスロット番号５３とスロット番号５とスロット番号６を用いてコイル８２が巻回されている。

よって、図５に示すように、スロット番号７〜１５、スロット番号１６〜２４、スロット番号２５〜３３、スロット番号３４〜４２、スロット番号４３〜５１、スロット番号５２〜６において、Ｖ相における回転磁界が作られる。

また、図４に示すように、Ｗ相における第１極として、スロット番号１３とスロット番号１４とスロット番号２０とスロット番号２１を用いてコイル８２が巻回されている。Ｗ相における第２極として、スロット番号２２とスロット番号２３とスロット番号２９とスロット番号３０を用いてコイル８２が巻回されている。Ｗ相における第３極として、スロット番号３１とスロット番号３２とスロット番号３８とスロット番号３９を用いてコイル８２が巻回されている。Ｗ相における第４極として、スロット番号４０とスロット番号４１とスロット番号４７とスロット番号４８を用いてコイル８２が巻回されている。Ｗ相における第５極として、スロット番号４９とスロット番号５０とスロット番号２とスロット番号３を用いてコイル８２が巻回されている。Ｗ相における第６極として、スロット番号４とスロット番号５とスロット番号１１とスロット番号１２を用いてコイル８２が巻回されている。

よって、図５に示すように、スロット番号１３〜２１、スロット番号２２〜３０、スロット番号３１〜３９、スロット番号４０〜４８、スロット番号４９〜３、スロット番号４〜１２において、Ｗ相における回転磁界が作られる。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ロータ９０におけるスロット９２について、ロータ９０のスロット数は、ステータ８０のスロット数から極対数を減算して得られる値である。具体的には、本実施形態では、ステータ８０のスロット数が５４であり、極数が６であり、極対数が３（＝６／２）であり、ロータ９０のスロット数が５１（＝５４−３）である。

また、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ロータ９０にスキューを有する。ロータ９０のスキュー角度θｓは、３６０度をロータ９０のスロット数で除算して得られる値である。具体的には、本実施形態では、ロータ９０のスロット数が５１であり、スキュー角度θｓが７．０６（＝３６０／５１）度である。

次に、誘導モータ６０の作用について説明する。
コイル８２が通電されるとステータ８０において回転磁界が作られる。回転磁界が発生すると、電磁誘導作用により二次導体９３（ロータバー９４、エンドリング９５，９６）に二次電流が流れる。このようにロータ９０のトルク発生経路用の二次導体９３に誘導電流、即ち、二次電流が流れると、ロータ９０において磁極が生じる。このロータ９０に発生した磁極とステータ８０の作る回転磁界の間には電磁力が働き、ロータ９０が回転する。

ステータ８０のスロット数と極対数により発生する起磁力高調波は、一般的に次の式（１）で表される。
（Ｎｓ／Ｐ）−１・・・（１）
ただし、Ｎｓはステータのスロット数であり、Ｐは極対数である。

ロータ９０の二次導体間の位相差電気角、即ち、スロットとスロットの間の電気角は、一般的に次の式（２）で表される。
（３６０／Ｎｒ）×Ｐ・・・（２）
ただし、Ｎｒはロータのスロット数であり、Ｐは極対数である。

ステータの起磁力高調波に起因した電流がロータの二次導体に流れ、効率が悪くなる。
そのため、ステータ８０の起磁力高調波による二次電流を打ち消すべく、ロータ９０の二次導体９３間ピッチ（ロータバーとロータバーとの間のピッチ）を次の式（３）のようにする。

（３６０／Ｎｒ）×Ｐ×｛（Ｎｓ／Ｐ）−１｝＝３６０ｎ・・・（３）
ただし、Ｎｒはロータのスロット数であり、Ｐは極対数であり、Ｎｓはステータのスロット数であり、ｎは１，２，３，…である。

式（３）を変形すると、次の式（４）
Ｎｒ＝（Ｎｓ−Ｐ）／ｎ・・・（４）
を得る。

これにより、ステータの起磁力高調波に起因した電流がロータの二次導体に流れることが抑制され、効率向上が図られる。
さらに、上記式（４）においてｎ＝１としている。

ｎ＝１であることからロータのスロット数Ｎｒが最も大きくなり、小型化が容易となる。このようにして、ステータの起磁力高調波に起因した電流が最小となるロータのスロット数Ｎｒとしている。

更に、誘導モータは騒音対策として、通常、ロータにスキューを施しており、上述した式（４）によりロータのスロット数Ｎｒを決定した場合、小型化にも最適なスキュー量を設定する必要がある。

そのために、ロータのスキュー量を次の式（５）で表される角度（スキュー角度）θｓとしている。
θｓ＝３６０／（Ｎｓ−Ｐ）＝３６０／（ｎ×Ｎｒ）・・・（５）
ただし、Ｎｓはステータのスロット数であり、Ｐは極対数であり、Ｎｒはロータのスロット数であり、ｎは上述したように１である。

これにより、ステータのスロット数Ｎｓとロータのスロット数Ｎｒの組合せにより一律に決まる電磁加振力を打ち消すようにロータのスキュー角度θｓが施されるので、電磁加振力が小さくなり騒音の低減が図られる。また、スキュー角度θｓが大きいとトルクが減少して小型化の阻害要因となるが、スキュー角度θｓが小さいことによりトルクの減少を抑制して小型化が図られる。

以下、スキュー角度の最適化について詳しく説明する。
図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本実施形態のステータ５４スロットとロータ５１スロットの組合せでのスキュー角度を変えたときの電磁力（電磁加振力）の解析結果である。図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において横軸に周波数をとり、縦軸に電磁力（電磁加振力）をとっている。図６（ａ）には、ロータのスキュー角度＝０度での周波数に対する電磁力の解析結果を示す。即ち、ロータにスキューを施さないときの電磁力の解析結果を示す。図６（ｂ）には、ロータのスキュー角度＝３．５３度での周波数に対する電磁力の解析結果を示す。即ち、上記の式（５）において仮にｎ＝２としたときの電磁力の解析結果を示す。図６（ｃ）には、ロータのスキュー角度＝７．０６度での周波数に対する電磁力の解析結果を示す。即ち、上記の式（５）においてｎ＝１のときの電磁力の解析結果を示す。図６（ｄ）には、ロータのスキュー角度＝１４．１２度での周波数に対する電磁力の解析結果を示す。即ち、上記の式（５）において仮にｎ＝０．５としたときの電磁力の解析結果を示す。

図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において低周波から高周波に向けて第１ピーク、第２ピーク、第３ピーク、第４ピーク、第５ピークを有する。第１ピーク値は図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）においてほぼ等しい。第２ピーク値はスキュー角度が大きくなるほど小さい。第３ピーク値、第４ピーク値および第５ピーク値はスキュー角度が大きくなるほど小さくなる傾向にあるが、図６（ｃ）のスキュー角度＝７．０６度と図６（ｄ）のスキュー角度＝１４．１２度ではほとんど差がない。

図７は、本実施形態のステータ５４スロットとロータ５１スロットの組合せでのトルクの解析結果である。図７において横軸にスキュー角度をとり、縦軸にトルクをとっている。

スキュー角度に対するトルクの解析結果を示す図７において、スキュー角度が大きくなるほどトルクが小さくなる。特に、スキュー角度が７度以上でトルクが大きく低下する。よって、体格最小という観点からスキュー角度は７度以下が良いことが分かる。

このように、図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）から分かるように、電磁力のピーク値を小さくするためにはスキュー角度は０度よりも３．５３度が良く、３．５３度よりも７．０６度が良く、７．０６度と１４．１２度では大差がない。一方、図７に示すようにトルクの低下を抑制するにはスキュー角度が小さいほうが良い。その結果、トルクの低下を抑制しつつ電磁力のピーク値を小さくするためにはスキュー角度を７．０６度とすることが良いことが分かる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）誘導モータの構成として、周方向に複数のスロット８３を有し、コイル８２が分布巻されたステータ８０と、周方向に複数のスロット９２を有するロータ９０と、を備え、ロータ９０にスキューを有する。ロータ９０のスロット数は、ステータ８０のスロット数から極対数を減算して得られる値であるとともに、ロータ９０のスキュー角度は、３６０度をロータ９０のスロット数で除算して得られる値である。

即ち、ロータ９０のスロット数Ｎｒ、ステータ８０のスロット数Ｎｓ、極対数Ｐが下記式（６）
Ｎｒ＝Ｎｓ−Ｐ・・・（６）
を満たし、かつ、ロータ９０のスキュー角度θｓ、ロータ９０のスロット数Ｎｒが下記式（７）
θｓ＝３６０／Ｎｒ・・・（７）
を満たす。

よって、ロータ９０のスロット数は、ステータ８０のスロット数から極対数を減算して得られる値であるので、ステータ８０のスロット数に起因した高調波である起磁力高調波の影響を少なくすることができ、効率向上が図られる。また、ロータ９０のスキュー角度は、３６０度をロータ９０のスロット数で除算して得られる値であるので、騒音を抑制することができる。その結果、起磁力高調波の影響を少なくするとともに騒音を抑制した効率の良いものとなる。

（２）ステータ８０のスロット数が５４であるとともに極対数が３であるので、実用的である。つまり、本実施形態では、極数が６、極対数が３、ステータ８０のスロット数が５４、ロータ９０のスロット数が５１、スキュー角度が７．０６度である。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図８には、ステータのスロット数、ロータのスロット数、極対数、スキュー角度の組み合わせ例を示す。

図８において、ステータのスロット数を５４、極対数を３、ロータのスロット数を５１、スキュー角度を７．０６度にする以外にも、例えば、ステータのスロット数を５４、極対数を１、ロータのスロット数を５３、スキュー角度を６．７９度にする。ステータのスロット数を５４、極対数を２、ロータのスロット数を５２、スキュー角度を６．９２度にする。ステータのスロット数を５４、極対数を６、ロータのスロット数を４８、スキュー角度を７．５０度にする。ステータのスロット数を５４、極対数を９、ロータのスロット数を４５、スキュー角度を８．００度にする。

他にも、ステータのスロット数を４８、極対数を１、ロータのスロット数を４７、スキュー角度を７．６６度にする。ステータのスロット数を４８、極対数を２、ロータのスロット数を４６、スキュー角度を７．８３度にする。ステータのスロット数を４８、極対数を４、ロータのスロット数を４４、スキュー角度を８．１８度にする。ステータのスロット数を４８、極対数を８、ロータのスロット数を４０、スキュー角度を９．００度にする。

他にも、ステータのスロット数を３６、極対数を１、ロータのスロット数を３５、スキュー角度を１０．２９度にする。ステータのスロット数を３６、極対数を２、ロータのスロット数を３４、スキュー角度を１０．５９度にする。ステータのスロット数を３６、極対数を３、ロータのスロット数を３３、スキュー角度を１０．９１度にする。ステータのスロット数を３６、極対数を４、ロータのスロット数を３２、スキュー角度を１１．２５度にする。ステータのスロット数を３６、極対数を６、ロータのスロット数を３０、スキュー角度を１２．００度にする。

・ステータ（ステータコア）に対してロータのスキュー量に相当する斜め角度を施してもよい。つまり、ロータ９０にスキューを有する誘導モータについて説明したが、ステータ８０にスキューを有する場合に適用し、ステータのスキュー角度は、３６０度をロータのスロット数で除算して得られる値としてもよい。

・スキュー角度は製造公差があってもよい。例えば、上記実施形態ではロータのスロット数が５１の場合においてスキュー角度が７．０６度であったが、スキュー角度に製造公差があってもよい。

・かご形誘導モータ以外にも、巻線形誘導モータに適用してもよい。

６０…誘導モータ、８０…ステータ、８２…コイル、８３…スロット、９０…ロータ、９２…スロット。

Claims (2)

1. 周方向に複数のスロットを有し、コイルが分布巻されたステータと、
   周方向に複数のスロットを有するロータと、
   を備え、
   前記ロータまたは前記ステータにスキューを有する誘導モータにおいて、
   前記ロータのスロット数は、前記ステータのスロット数から極対数を減算して得られる値であるとともに、前記ロータまたは前記ステータのスキュー角度は、３６０度を前記ロータのスロット数で除算して得られる値であることを特徴とする誘導モータ。
2. 前記ステータのスロット数が５４であるとともに前記極対数が３であることを特徴とする請求項１に記載の誘導モータ。

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