JP2018139494A

JP2018139494A - 誘導電動機

Info

Publication number: JP2018139494A
Application number: JP2018113911A
Authority: JP
Inventors: 雅人池上; Masahito Ikegami
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2018-09-06

Abstract

【課題】誘導電動機を高効率化する。【解決手段】ステータスロット３４ａ内のコイル占積率が３８％以上である誘導電動機において、ステータティース幅をＷｓ、ステータスロットピッチをσｓ、β＝Ｗｓ／σｓとしたとき、βが０．４６〜０．５６の範囲にある。【選択図】図２

Description

本発明は、誘導電動機に関する。

誘導電動機は、回転磁界を作る固定子と、回転磁界によって誘導電流が発生し回転磁界との間で生じるトルクにより回転する回転子と、を備える電動機である（例えば特許文献１）。

特開２００３−９４８３号公報

誘導電動機の高効率化を実現するために、電磁設計の最適化が求められている。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘導電動機の効率を高める技術を提供することにある。

本発明のある態様は、ステータスロット内のコイル占積率が３８％以上であり、ステータティース幅をＷ_ｓ、ステータスロットピッチをσ_ｓ、β＝Ｗ_ｓ／σ_ｓとしたとき、βが０．４６〜０．５６の範囲にある誘導電動機である。

ステータの電磁設計パラメータを上記のように設定することによって、誘導電動機の効率を高めることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、誘導電動機の効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るかご形誘導電動機の断面図である。かご形誘導電動機のステータおよびロータの部分断面図である。 βの値を変えたときの電動機効率の変化を表すグラフである。 βの値を変えたときの電動機効率の変化を表すグラフである。（ａ）、（ｂ）は、それぞれβ＝０．４６、β＝０．５６であるときのステータ形状を示す図である。Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓの値を変えたときの電動機効率の変化を表すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態に係るかご形誘導電動機１０を、中心軸を含む鉛直面で切断したときの断面図である。

ステータ（固定子）３４は、同一形状に型抜きされた多数の薄板状（例えば、厚さ０．５ｍｍ）の電磁鋼板を積層して形成される。ステータ３４は、フレーム３０の内周に、例えば焼き嵌めによって嵌合される。ステータ３４に形成された複数のスロットには銅線のコイル３８が巻回されている。

ロータ（回転子）３６も、同一の円形状に型抜きされた多数の薄板状の電磁鋼板を積層して形成される。ロータ３６には、中央に回転軸１２を挿通するための円形穴が形成されるとともに、その外周側には、径方向に延びる複数の同一形状のスロット３６ａが等間隔に形成されている（図２を参照）。ロータ３６の円形穴は、回転軸１２に締まり嵌めによって固定される。

フレーム３０は、例えばアルミダイキャスト製、鋳鉄製または鋼板製であり、ロータおよびステータの重量を支持するとともに、ロータおよびステータ等で発生する熱を電動機外部に放熱する役割を有する。放熱性能を高めるために、回転軸と平行な方向に延びる多数の放熱フィン４０がフレーム３０の外周に設置される。

回転軸１２は、フレーム３０から内径側に延び出す両側のフランジ１４、１５にそれぞれ軸受１６、１７を介して回転自在に支持されている。フランジ１４、１５は、フレーム３０と一体形成されてもよいし、別々に形成された後でフレーム３０に固定されてもよい。

回転軸１２の後端側には、ファン１８が配置される。ファン１８のさらに外側にはファンカバー３２が配置される。

図２は、かご形誘導電動機１０のステータ３４とロータ３６を、回転軸に直交する平面で切断したときの部分断面図である。

ステータ３４には、径方向に延びる同形状のステータティース３４ｂが周方向に等間隔に形成されており、ステータティース同士の間に、ロータ３６側に開口部を有するステータスロット３４ａを画成している。ステータスロット３４ａには銅線４２が複数回巻回され、コイルを形成する。コイルに交流電流を流すと、ステータティース３４ｂおよびステータヨークに回転磁界が発生する。

ステータスロット３４ａおよびステータティース３４ｂの形状は、ステータの電磁設計に大きな影響を及ぼす。図２には、ステータの電磁設計において考慮すべきパラメータとして、ステータティース幅Ｗ_ｓ、ステータスロットピッチσ_ｓ、ステータスロット高さＤ_ｓが表されている。なお、ステータティースの幅が径方向に一定でない場合、ステータティース幅Ｗ_ｓは当該幅の径方向における平均値を表す。

本願発明者は、ステータティース幅のステータスロットピッチに対する比率β＝Ｗ_ｓ／σ_ｓ、ステータスロット高さのステータティース幅に対する比率Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓ、コイル占積率（スロット内の銅線の被膜を除いた素線の断面積／スロット断面積）の選択、およびステータティースの平均磁束密度が、誘導電動機の高効率化に重要であることを見い出した。

上記のうち、コイル占積率が３８％以上になるように銅線を巻回すると、誘導電動機の効率を特に高くすることができる。また、ステータティースの平均磁束密度が１．７Ｔ以上になるようにコイルに流れる電流を制御すると、誘導電動機の効率を特に高くすることができる。

比率βおよびＤ_ｓ／Ｗ_ｓの範囲の決定について、以下で説明する。

図３は、容量が０．７５ｋＷである誘導電動機において、βの値を変えたときの電動機効率の変化を表すグラフである。図の横軸が電圧を表し、縦軸が効率を表している。

一般に、誘導電動機においては、上記のようなグラフにおいて、所定の電圧範囲におけるピーク効率を高くすることが重要である。図３において矢印で示す電圧範囲Ａの効率を参照すると、β＝０．４３からβ＝０．４６に変更すると、ピーク効率が大きく上昇することが分かる。また、β＝０．５６からβ＝０．５９に変更すると、ピーク効率が大きく低下することが分かる。

この観察から、容量が０．７５ｋＷであるこの誘導電動機では、βを０．４６〜０．５６の範囲にすると、誘導電動機の効率が高くなることが分かる。

図４は、容量が２．２ｋＷである誘導電動機において、βの値を変えたときの電動機効率の変化を表すグラフである。図の横軸が電圧を表し、縦軸が効率を表している。

図４において矢印で示す電圧範囲Ａの効率を参照すると、β＝０．４３からβ＝０．４６に変更すると、ピーク効率が大きく上昇することが分かる。また、β＝０．５６からβ＝０．５９に変更すると、ピーク効率が大きく低下することが分かる。

この観察から、容量が２．２ｋＷであるこの誘導電動機では、βを０．４６〜０．５６の範囲にすると、誘導電動機の効率が高くなることが分かる。

また、図３および図４から、高効率化を実現するβの値は、誘導電動機の容量に依存しないことが分かる。

図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれβ＝０．４６、β＝０．５６であるときのステータ形状を示す図である。

図５（ａ）から分かるように、β＝０．４６では、ステータスロットと比較してステータティースの幅が狭くなる。仮にβを０．４６未満にすると、ステータティースの根元部の機械的強度が不足し、ティースが折損したり磁歪による騒音が大きくなったりする恐れがある。

図５（ｂ）から分かるように、β＝０．５６では、ステータティースと比較してステータスロットの幅が狭くなる。仮にβを０．５６よりも大きくすると、スロット断面積が小さくなることからコイル断面積も小さくなり、誘導電動機の効率が悪化する。

図６は、容量が０．７５ｋＷである誘導電動機において、Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓの値を変えたときの電動機効率の変化を表すグラフである。図の横軸が電圧を表し、縦軸が効率を表している。

図６において矢印で示す電圧範囲Ｂの効率を参照すると、Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓ＝２．５からＤ_ｓ／Ｗ_ｓ＝３．０に変更すると、ピーク効率が大きく上昇することが分かる。また、Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓ＝５．５からＤ_ｓ／Ｗ_ｓ＝６．０に変更すると、ピーク効率が大きく低下することが分かる。

この観察から、この誘導電動機では、Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓを３．０〜５．５の範囲にすると、誘導電動機の効率が高くなり、Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓを４．０〜５．０の範囲にするとより好ましいことが分かる。

以上説明したように、本実施形態では、誘導電動機の高効率化を実現するためのステータの電磁設計に関する指針を明確化した。すなわち、ステータティース幅のステータスロットピッチに対する比率βが０．４６〜０．５６の範囲になるように、および／またはステータスロット高さのステータティース幅に対する比率Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓが３．０〜５．５の範囲になるように、ステータ形状を設計することで、誘導電動機の高効率化を実現することができる

本実施形態による高効率の誘導電動機は、効率が同程度である従来設計の誘導電動機と比較してステータの積層鋼板の積厚が少なくて済むため、誘導電動機を小型化することができる。これに伴い、銅線、電磁鋼板、アルミ導体等の材料の削減による製造コストの低減が可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態ではかご形誘導電動機について説明したが、本発明は、ロータの構造に関係なく、ステータにコイルを巻回し回転磁界を発生させる構造を持つ任意の誘導電動機にも同様に適用することができる。

１０誘導電動機、３４ステータ、３４ａステータスロット、３６ｂステータティース、Ｄ_ｓステータスロット高さ、 σ_ｓステータスロットピッチ、Ｗ_ｓステータティース幅。

Claims

ステータスロット内のコイル占積率が３８％以上である誘導電動機において、
ステータティース幅をＷ_ｓ、ステータスロットピッチをσ_ｓ、β＝Ｗ_ｓ／σ_ｓとしたとき、βが０．４６〜０．５６の範囲にあることを特徴とする誘導電動機。
ステータスロット高さをＤ_ｓとしたとき、Ｄ_ｓ／Ｗ_ｓが３．０〜５．５の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機。
βがモータ容量に依存しないことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導電動機。
ステータティースの平均磁束密度が１．７Ｔ以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の誘導電動機。