JP2018148793A - かご型回転電機およびその回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子バーを有するかご型回転電機の効率の向上を図る。【解決手段】かご型回転電機は、回転子と固定子を有する。回転子は、ロータシャフトと、ロータシャフトに固定されて、周方向に互いに間隔をあけて軸方向貫通孔が形成された回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２の径方向表面近傍であって軸方向貫通孔５０内にその径方向先端部５０ｂを残した空間を満たすように設けられ、回転子鉄心外の両側の端部は互いに電気的に結合している複数の回転子バー１３と、回転子鉄心１２の軸方向の両側の外部にあって複数の回転子バー１３の端部のいずれとも電気的に結合する２つの環状の短絡環とを有する。固定子は、固定子鉄心と、固定子コイルとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、かご型回転電機およびその回転子に関する。

かご型回転電機のうち、特に小容量のものについては、アルミダイキャストにより製造したものが多く用いられている。アルミダイキャストは、回転子バーが設けられる部分を空洞として、この空洞にアルミニウムを注入し鋳造によって、アルミニウム製のかごを形成する方法である。この際、通常、短絡環も一体で鋳造される。

また、回転子鉄心のかご型巻線用の孔およびエンドリング成形金型内に銅製の微粉末をそれぞれ加圧充填して燒結することによりかご型巻線とエンドリングを一体で形成する技術が知られている（特許文献１）。

特開平８−６５９３４号公報

回転子バーのブリッジ部すなわち、回転子バーの径方向外側端部と回転子鉄心の径方向外側との間の部分の径方向の幅を狭めることによって漏れインダクタンスが低減される。したがって、この間隔をできるだけ狭めることによって励磁電流を低減し、効率の向上を図っている。

一方、ロータ表面の周方向にこの回転子バーの領域が広がることによって回転子バーと鎖交する高調波磁束が増加する。高調波磁束によって渦電流が流れ、高調波２次銅損が増加する。この結果、全体としての効率改善効果が低減してしまう。

そこで、本発明は、回転子バーを有するかご型回転電機の効率の向上を図ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係るかご型回転電機は、回転可能に軸支されたロータシャフトと、前記ロータシャフトに固定され、周方向に互いに間隔をあけて径方向表面より径方向の内側に軸方向貫通孔が形成された回転子鉄心と、前記軸方向貫通孔の中において前記回転子鉄心の外周に近い側に非磁性かつ非導電性の効果を有する空間を残すように設けられた複数の回転子バーと、前記回転子鉄心の軸方向の両側の外部にあって前記複数の回転子バーの端部のいずれとも電気的に結合する２つの環状の短絡環と、を有する回転子と、前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配設されて互いに周方向に間隔をあけて配列されて前記軸方向に延びて半径方向の内側に向かって突出する複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティースに巻回された固定子コイルと、を有する固定子と、を備える。

また、本発明に係るかご型回転電機の回転子は、回転可能に軸支されたロータシャフトと、前記ロータシャフトに固定され、周方向に互いに間隔をあけて径方向表面より径方向の内側に軸方向貫通孔が形成された回転子鉄心と、前記軸方向貫通孔の中において前記回転子鉄心の外周に近い側に非磁性かつ非導電性の効果を有する空間を残すように設けられた複数の回転子バーと、前記回転子鉄心の軸方向の両側の外部にあって前記複数の回転子バーの端部のいずれとも電気的に結合する２つの環状の短絡環と、を備える。

本発明によれば、回転子バーを有するかご型回転電機の効率の向上を図ることができる。

実施形態に係るかご型回転電機の構成を示す縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横部分断面図である。 実施形態に係る回転子製造方法の手順を示すフロー図である。 実施形態に係るかご型回転電機と従来のかご型回転電機のそれぞれの周波数ごとのジュール損失を比較したグラフである。 実施形態に係るかご型回転電機と従来のかご型回転電機のそれぞれの合計のジュール損失を比較したグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るかご型回転電機について説明する。

図１は、実施形態に係るかご型回転電機の構成を示す縦断面図である。かご型回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、軸受３１およびフレーム３２を有する。

回転子１０は、ロータシャフト１１、回転子鉄心１２、回転子バー１３、短絡環（エンドリング）１４、エンドリングファン１５を有する。ロータシャフト１１は、軸まわりを回転可能に軸支され、軸方向に延びている。回転子鉄心１２は、中央にロータシャフト１１を貫通させる中心開口が形成され、たとえば強磁性体のケイ素鋼鋼板を軸方向に積層した円筒形状である。また、回転子鉄心１２には、中心開口の径方向外側であって回転子鉄心１２の径方向外側近傍に周方向に互いに間隔をあけて軸方向貫通孔５０（図２）が形成されている。

回転子バー１３は、導電体であり、回転子鉄心１２に形成された軸方向貫通孔５０のそれぞれに設けられている。短絡環１４は、回転子鉄心１２の軸方向の両端から突出する回転子バー１３同士を電気的に接続する環状の導電体である。

固定子２０は、固定子鉄心２１および固定子コイル２２を有する。固定子鉄心２１は、主に強磁性体材料製であり、回転子鉄心１２の径方向外側に設けられ、間隙をあけて回転子鉄心１２に対向している。固定子コイル２２は、固定子鉄心２１に形成され軸方向に延びた図示しないスロット内に収納された導体と固定子鉄心２１外の接続部を有する。

フレーム３２は、回転子鉄心１２、および固定子２０を収納する。軸受３１は、ロータシャフト１１の軸方向の両側を回転可能に軸支する。軸受３１は、フレーム３２により静止固定されている。

エンドリングファン１５は、短絡環１４と一体に成形されたファンであり、フレーム３２内の冷却用気体を撹拌する。フレーム３２内で生じた熱は、エンドリングファン１５により撹拌された冷却用気体によりフレーム３２に至り、フレーム３２外の外扇３５により駆動され外気に放出される。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横部分断面図である。回転子鉄心１２に形成された軸方向貫通孔５０は、径方向に延びた段付きでほぼ長方形の断面形状の矩形部分５０ａおよび径方向先端の径方向先端部５０ｂを有する。径方向先端部５０ｂは、周方向の中央において回転子鉄心１２の外周との距離が最も小さく、ほぼ径方向外側に頂点を有する三角形の断面形状である。なお、径方向先端部５０ｂを中心にした形状は三角形には限定されない。回転子鉄心１２内の漏れ磁束をできるだけ制限するために径方向外周との間隔を極力小さくすることと、この部分の回転子鉄心の構造強度を確保することの両者を考慮して設定すればよい。したがって、この両方の目的が達成できれば、たとえば、この部分の断面形状は円弧を有する形状でもよい。

矩形部分５０ａには、回転子バー１３が収納されている。具体的には、矩形部分５０ａを鋳型として導電性のある金属が鋳造により充填されている。また、径方向先端部５０ｂには、非導電性かつ非磁性体である先端部挿入部材５１が設けられている。回転子バー１３の鋳造の際は、先端部挿入部材５１を径方向先端部５０ｂに取り付けた状態で行う。

鋳造の際は、回転子バー１３の回転子鉄心１２外の部分、短絡環１４およびエンドリングファン１５などの端部の鋳型を回転子鉄心１２と接合させて、回転子鉄心１２内の回転子バー１３、短絡環１４およびエンドリングファン１５を一体で行う。

なお、回転子バー１３は、鋳造によるものに限定されない。すなわち、矩形部分５０ａの形状に合わせた断面形状を有する導電性金属の棒を矩形部分に挿入することにより組み立ててもよい。この場合は、先端部分に先端部挿入部材５１を取り付けずに、空間のままとしてもよい。

図３は、回転子製造方法の手順を示すフロー図である。まず、回転子鉄心１２の軸方向貫通孔５０の径方向外側に向かっての先端の部分である径方向先端部５０ｂに先端部挿入部材５１を配置する（ステップＳ０１）。次に、径方向先端部５０ｂに先端部挿入部材５１が配置され、回転子バー１３形成用の空洞部分が形成された回転子鉄心１２と、両方の端部の鋳型、すなわち短絡環１４およびエンドリングファン１５の鋳型とを組み立てる（ステップＳ０２）。

次に、回転子鉄心１２の軸方向貫通孔５０の矩形部分５０ａおよび両端部の鋳型に、導体バー用金属を流し込む（ステップＳ０３）。この結果、端部に短絡環１４およびエンドリングファン１５が形成されるとともに、回転子鉄心１２の軸方向貫通孔５０内は径方向先端部５０ｂが設けられている部分を除く空間が導体バー用金属で満たされる。ここで、導体バー用金属は導電滞在量であり、たとえばアルミニウムである。あるいは、銅でもよい。所定の時間経過後に、両端の鋳型を取り外し、鋳造部分の表面仕上げを行う（ステップＳ０４）。次に、回転子１０以外の部分の製作およびかご型回転電機への組み立てを行う（ステップＳ０５）。

従来は、回転子バーのブリッジ、すなわち回転子バーの先端から回転子鉄心の径方向外側表面までの距離を小さくすることにより、この部分を通過する磁力線を制限して漏れインダクタンスを低減していた。一方、ロータ表面近傍に回転子バーの領域が広がることは、高調波磁束が多く鎖交することになり、これによって渦電流が流れ高調波の２次銅損が増加してしまう。この結果、トータルとしての効率改善効果が薄かった。

本実施形態においては、軸方向貫通孔５０の径方向先端部５０ｂに非磁性かつ非導電性の先端部挿入部材５１を設けることによって、ロータ表面近傍に回転子バー１３の領域が広がることを抑制している。また、漏れ磁束の通過する径方向先端部５０ｂは先端部挿入部材５１から回転子鉄心１２の径方向外側表面までの距離を制限している。この結果、トータルとしての効率の改善を図ることができる。

図４は、実施形態に係るかご型回転電機と従来のかご型回転電機のそれぞれの周波数ごとのジュール損失を比較したグラフである。横軸は、周波数の次数である。次数が１は基本周波数すなわち電源周波数である。縦軸は、解析結果による損失であり、単位はジュール（Ｊ）である。それぞれの次数において、左は従来型試作機のジュール損失、右は改良機のジュール損失である。

ここで、従来型試作機とあるのは、従来方式、すなわち、軸方向貫通孔５０の径方向先端部５０ｂにも回転子バー１３が存在するかご型回転電機の試作品である。また、改良機とあるのは、本実施形態による軸方向貫通孔５０の径方向先端部５０ｂに先端部挿入部材５１を有するかご型回転電機１００である。なお、それぞれの試作機についての解析結果は、４Ｐ−１３２ｋＷ−４００Ｖ−５０Ｈｚの定格仕様について示している。

従来型試作機と改良機の各周波数の次数でのジュール損失を比較すると、図４に示すように、特に１次周波数において、改良機は従来型試作機に比べて約８８％と、１０％以上ジュール損失が低下している。

図５は、実施形態に係るかご型回転電機と従来のかご型回転電機のそれぞれの合計のジュール損失を比較したグラフである。従来型試作機と改良機のそれぞれの全ジュール損失を比較すると、図５に示すように、改良機は従来型試作機に比べて約７６％、すなわち約３／４へとジュール損失が大幅に低下している。

以上のように、本発明によれば、回転子バーを有するかご型回転電機の効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、径方向先端部５０ｂに先端部挿入部材５１を設けている場合を示したが、磁場が弱い場合等は、空間は基本的には非導電性、非磁性であるので、鋳造の場合を含め、径方向先端部５０ｂに先端部挿入部材５１を設けずに空間のままとしてもよい。

また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

たとえば、実施形態では、導体バー用金属を注入し鋳造によって回転子バー１３および短絡環１４を一体で形成する場合を示したが、これに限定されない。たとえば、鋳造と同様の体系に導体バー用金属の微粉末を加圧充填して燒結することにより回転子バー１３および短絡環１４を一体で形成する方法であってもよい。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１３…回転子バー、１４…短絡環、１５…エンドリングファン、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子コイル、３１…軸受、３２…フレーム、３５…外扇、５０…軸方向貫通孔、５０ａ…矩形部分、５０ｂ…径方向先端部、５１…先端部挿入部材、１００…かご型回転電機

Claims (5)

1. 回転可能に軸支されたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトに固定され、周方向に互いに間隔をあけて径方向表面より径方向の内側に軸方向貫通孔が形成された回転子鉄心と、
   前記軸方向貫通孔の中において前記回転子鉄心の外周に近い側に非磁性かつ非導電性の効果を有する空間を残すように設けられた複数の回転子バーと、
   前記回転子鉄心の軸方向の両側の外部にあって前記複数の回転子バーの端部のいずれとも電気的に結合する２つの環状の短絡環と、
   を有する回転子と、
   前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配設されて互いに周方向に間隔をあけて配列されて前記軸方向に延びて半径方向の内側に向かって突出する複数のティースが形成された固定子鉄心と、前記複数のティースに巻回された固定子コイルと、を有する固定子と、
   を備えるかご型回転電機。
2. 前記空間に、非磁性かつ非導電性の先端部挿入部材が更に設けられている請求項１に記載のかご型回転電機。
3. 前記回転子バーおよび前記短絡環は鋳造または金属製紛体充填後の焼結により一体に形成されている請求項１または請求項２に記載のかご型回転電機。
4. 前記空間の前記軸方向に垂直な断面形状は、前記回転子鉄心の周方向で中央が突出している請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のかご型回転電機。
5. 回転可能に軸支されたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトに固定され、周方向に互いに間隔をあけて径方向表面より径方向の内側に軸方向貫通孔が形成された回転子鉄心と、
   前記軸方向貫通孔の中において前記回転子鉄心の外周に近い側に非磁性かつ非導電性の効果を有する空間を残すように設けられた複数の回転子バーと、
   前記回転子鉄心の軸方向の両側の外部にあって前記複数の回転子バーの端部のいずれとも電気的に結合する２つの環状の短絡環と、
   を備えたかご型回転電機の回転子。

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