JP2020137151A

JP2020137151A - かご形誘導電動機およびかご形回転子

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Publication number: JP2020137151A
Application number: JP2019023315A
Authority: JP
Inventors: 隼人古川; Hayato Furukawa
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: JP7085501B2; CN111564942A

Abstract

【課題】かご形誘導電動機において、導体バーの発熱を抑制する。【解決手段】かご形誘導電動機は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１００と、周方向に互いに間隔をあけて配されて回転子鉄心１００を貫通する複数の導体バー５０とを有する回転子と、回転子鉄心１００の径方向外側に配された固定子鉄心と固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、回転子鉄心１００を挟んでロータシャフトの軸方向の両側でロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、を備える。複数の導体バー５０のそれぞれの回転子鉄心１００内の径方向外側部分は、径方向外側部分５１は、径方向内側になるに従って周方向の幅が単調に増大する。【選択図】図３

Description

本発明は、かご形誘導電動機およびかご形回転子に関する。

かご形誘導電動機においては、通常、始動時に回転子の導体バーを流れる電流が定格電流の数倍となる。このため、導体バーでの発熱による温度上昇が問題となる。

始動時の電流を抑制し、かつ、始動トルクを確保ずるために、径方向の外側と内側とにそれぞれスロットを設ける二重かご形の誘導電動機、あるいは径方向に深くスロットが形成された深溝かご形の誘導電動機を用いる方法が知られている（特許文献１、２参照）。

実開昭５７−１７０６５０号公報実開昭５８−１０３５６１号公報

二重かご形の誘導電動機および深溝かご形の誘導電動機のいずれにおいても、通常、導体バーに、径方向外側の部分と径方向内側の部分とがあり、径方向外側の部分の抵抗を径方向内側の部分の抵抗より大きくしている。

電動機の始動時においては、２次側の周波数が高いため、定格回転時に比べて表皮効果が大きい。このため、導体バーの電流は径方向外側の部分を主に通過する。この結果、導体バーの電流は低く抑えられることになる。

しかしながら、導体バーの電流が、抵抗の大きな径方向外側の部分を流れる状態においても、発熱が問題となる場合がある。場合によっては、この発熱による温度上昇により、導体バーの変形、欠損などが生ずる可能性もあった。

そこで、本発明は、かご形誘導電動機において、導体バーの発熱を抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係るかご形誘導電動機は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、を有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、を備えるかご形誘導電動機であって、前記複数の導体バーのそれぞれの前記回転子鉄心内の径方向外側部分は、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が単調に増大することを特徴とする。

また、本発明に係るかご形回転子は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、を具備するかご形回転子であって、前記複数の導体バーのそれぞれの前記回転子鉄心内の径方向外側部分は、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が単調に増大することを特徴とする。

本発明によれば、かご形誘導電動機において、導体バーの発熱を抑制することができる。

第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の構成を示す縦断面図である。第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心を構成する電磁鋼板を示す正面図である。第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明するための２次側の等価回路図である。第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明する回転速度−トルク特性曲線を示す図である。第２の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。第３の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。第４の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。第５の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るかご形誘導電動機およびかご形回転子について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の構成を示す縦断面図である。

かご形誘導電動機２００は、回転子１０、固定子２０、２つの軸受３０、フレーム４０および２つの軸受ブラケット４５を有する。

回転子１０は、長手方向に延びるロータシャフト１１、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられている円筒状の回転子鉄心１００と、回転子鉄心１００を貫通するかご形導体５９を有する。回転子鉄心１００は、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられている。ロータシャフト１１は、回転子鉄心１００を挟んだ両側で、それぞれ軸受３０により回転可能に支持されている。

かご形導体５９は、複数の導体バー５０と、２つの短絡環５５を有する。複数の導体バー５０は、周方向に互いに間隔をおいて配されて回転子鉄心１００を貫通する。短絡環５５は、回転子鉄心１００の軸方向の両外側に配されて、複数の導体バー５０のそれぞれと、結合し、導体バー５０を互いに電気的に結合する。

固定子２０は、固定子鉄心２１および固定子巻線２２を有する。固定子鉄心２１は、円筒形状であり、回転子鉄心１００の径方向の外側に、空隙１８を介して配されている。固定子巻線２２は、固定子鉄心２１内を貫通する。

フレーム４０は、回転子鉄心１００および固定子２０の径方向外側に配され、これらを収納する。フレーム４０の両端部には軸受ブラケット４５が取り付けられている。それぞれの軸受ブラケット４５は、軸受３０を静止支持する。

図２は、第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心を構成する電磁鋼板を示す正面図である。回転子鉄心１００は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板１１０を有する。

それぞれの電磁鋼板１１０は、中央にロータシャフト１１が貫通する開口１１０ａが形成された円板である。電磁鋼板１１０の径方向の外縁１１０ｂの内側に、周方向に互いに間隔をおいて複数のスロット用切り欠き１１１が形成されている。

それぞれのスロット用切り欠き１１１は、電磁鋼板１１０の外縁１１０ｂに形成された外側切り欠き１１２により、径方向外側と連通している。

図３は、第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。

電磁鋼板１１０が積層されることにより、電磁鋼板１１０に形成されたスロット用切り欠き１１１および外側切り欠き１１２により、回転子鉄心１００には、それぞれ回転子スロット１００ａおよび径方向の長さＬ１の外側開口１００ｂが形成される。

それぞれの回転子スロット１００ａには、回転子スロット１００ａの形状に対応した形状の導体バー５０が設けられている。逆に言えば、回転子鉄心１００には、導体バー５０の形状に対応した導体バー５０の貫通用の回転子スロット１００ａが形成されている。それぞれの導体バー５０は、回転子鉄心１００の軸方向の一方の端部から挿入された後に、両側が短絡環５５に接続される。

導体バー５０の断面は、全体が、高さ方向を径方向とする台形の、高さ方向の中間の片側を欠いた形状である。詳細には、径方向外側部分５１、径方向内側部分５２、および連結部５３を有する。

径方向外側部分５１は、高さ方向を径方向とする台形であって、径方向外側の上辺より、径方向内側の底辺が長い。径方向内側部分５２は、径方向外側部分５１の径方向の内側に径方向外側部分５１と同様の形状に配されており、上辺および底辺は径方向外側部分５１より長い。

連結部５３は、径方向外側部分５１と径方向内側部分５２との間を連結する。連結部５３は、その一辺が、径方向外側部分５１および径方向内側部分５２のそれぞれの斜辺の間を接続するように配されている。図３では、連結部５３の一辺と、径方向外側部分５１の斜辺、および径方向内側部分５２の斜辺が同一の直線上にあるように形成されている場合を示しているが、これに限定されない。それぞれが同一の直線上になく、方角が異なる場合であってもよい。

このように、径方向外側部分５１および径方向内側部分５２は、それぞれ径方向の外側になるほど、周方向の幅が小さくなるような形状である。また、径方向外側部分５１の長手方向すなわち回転軸方向に垂直な横断面の断面積は、径方向内側部分５２の横断面の断面積に比して小さい。したがって、径方向外側部分５１は、径方向内側部分５２に比べて、大きな抵抗を有する。

また、連結部５３は、始動時に高温となる径方向外側部分５１から径方向内側部分５２に熱が移動するに十分な断面積、あるいは周方向の幅を有する。

回転子スロット１００ａの形状は、導体バー５０の形状に対応した形状を有する。寸法的には、導体バー５０を挿入し、導体バー５０の外面が回転子スロット１００ａの内面にほぼ密着するように形成されている。

回転子スロット１００ａと回転子鉄心１００の径方向の外側表面である外表面１０１は、外側開口１００ｂにより連通している。

以上のように構成された本実施形態に係るかご形誘導電動機２００の作用について、以下、説明する。

図４は、第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明するための２次側の等価回路図である。２次側は閉回路で、２次側に生ずる電圧Ｅ_２に対応する電源と、これに直列に配された２次側の抵抗ｒ_２、２次側のリアクタンスｘ_２とで構成される。スリップｓにおける２次側の等価抵抗は、ｒ_２／ｓである。ここで、定格回転速度をｎ_０とすると、回転速度ｎのときのスリップｓは、ｓ＝（ｎ_０−ｎ）／ｎ_０で定義される。

このとき、２次側の電流Ｉ_２およびトルクＴは、それぞれ次の式（１）、（２）により得られる。
Ｉ_２＝Ｅ_２／√［（ｒ_２／ｓ）^２＋（ｘ_２）^２］・・・（１）
Ｔ＝Ｋ・ｓ（Ｅ_２）^２ｒ_２／［（ｒ_２）^２＋（ｓｘ_２）^２］・・・（２）

とくに、始動時は、ｓ＝１であるので、始動電流Ｉ２ｓと始動トルクＴｓは、それぞれ次の式（３）、（４）により得られる。ただし、Ｋは、機械損を考慮した定数である。
Ｉ_２ｓ＝Ｅ_２／√［（ｒ_２）^２＋（ｘ_２）^２］・・・（３）
Ｔｓ＝Ｋ・（Ｅ_２）^２ｒ_２／［（ｒ_２）^２＋（ｘ_２）^２］・・・（４）

図５は、第１の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明する回転速度−トルク特性曲線を示す図である。横軸は、回転速度ｎであり、ｎ_０が定格回転速度である。縦軸は、トルクＴである。

曲線Ａ１は２次側の抵抗ｒ_２がｒ_２１のときの回転速度−トルク特性、曲線Ａ２は２次側の抵抗ｒ_２がｒ_２２のときの回転速度−トルク特性であり、ｒ_２２＞ｒ_２１の場合を示す。今、ｒ_２２＝ｋ・ｒ_２１と表す。ただしｋは１より大きな数である。

図５に示すように、２次側の抵抗がｒ_２２の場合、すなわち２次側抵抗がｒ_２１のｋ倍の場合、比例推移により、２次側の抵抗がｒ_２１のときの回転速度−トルク特性曲線Ａ１を、定格速度ｎ_０すなわちｓ＝０を起点にｓの大きな方向にｋ倍とした回転速度−トルク特性曲線Ａ２となる。

一般的に、誘導電動機の回転速度−トルク特性は、始動時（ｎ＝０）からｎが増大するとピーク値に向けて単調に増加する。したがって、回転速度−トルク特性曲線Ａ２における始動トルクＴ２は、回転速度−トルク特性曲線Ａ１における始動トルクＴ１より大きくなる。

詳細は省略するが、２次側の抵抗がｒ_２２（＝ｋ・ｒ_２１）の場合の始動電流は、２次側の抵抗がｒ_２１の場合の始動電流よりも小さくなる。

本第１の実施形態においては、始動時には、固定子巻線２２による回転磁界と回転子１０との相対速度が大きい。すなわち導体バー５０が置かれる磁界の周波数が大きい。この結果、導体バー５０に流れる誘導電流の周波数が大きい。したがって、表皮効果により、導体バー５０を流れる電流は、導体バー５０の径方向外側の部分に偏る。

導体バー５０の径方向外側の部分である径方向外側部分５１は、径方向外側となるほど、周方向の幅が小さい。すなわち、始動時には、導体バー５０のうち始動電流が流れる部分の断面積が小さく、したがって、抵抗が大きい。この結果、図４および図５を引用しながら説明したように、始動電流を抑制し、かつ大きな始動トルクを確保することができる。

一方、定格状態になれば、電流は導体バー５０の径方向内側部分５２にも流れるようになり、十分な断面積を確保し導体バー５０の抵抗値を低減し、定格運転時の銅損を抑制することができる。

また、始動時に径方向外側部分５１において発生する熱は、連結部５３を介して径方向内側部分５２に熱伝導により移行する。径方向内側部分５２は、径方向外側部分５１に比べて十分に大きな熱容量を有することから、温度上昇は抑制される。連結部５３を熱が伝導する際の通過断面積は十分に大きく、導体バー５０における温度分布も殆ど生じない。

以上のように、本実施形態に係るかご形誘導電動機２００においては、導体バー５０の発熱を抑制することができる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態における回転子鉄心１００は、第１の実施形態と異なる形状の回転子スロット１００ａおよび導体バー５０を有する。その他の点では、第１の実施形態と同様である。

本第２の実施形態においては、連結部５３ａの周方向の位置が、径方向外側部分５１および径方向内側部分５２の周方向の中央に配されている。

このように構成されていることにより電磁鋼板の製造上、裏表の区別が無くなり管理上の負担が軽減される。また、組立て時も、導体バー５０の方向の区別を管理する必要が無くなり、負担が軽減される。さらに、設計上、導体バー５０の形状の選択の幅が拡がる。

［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。

本第３の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第３の実施形態においては、第１の実施形態において回転子鉄心１００に形成されている外側開口１００ｂが形成されていない。

外側開口からの放熱が必要ない程度に導体バー５０における発熱が大きくない場合には、このような構成が可能である。この結果、導体バー５０の遠心力に抗するための導体バー５０と外表面１０１との間の間隔Ｌ２を、第１の実施形態における長さＬ１より小さくすることができる。この結果、固定子巻線２２と導体バー５０との間隔が減少し、磁気的な結合力が増大することから、効率向上にも寄与する。

［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。

本第４の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第４の実施形態における回転子鉄心１００は、第１の実施形態と異なる形状の回転子スロット１００ａおよび導体バー５０ａを有する。その他の点では、第１の実施形態と同様である。

本実施形態における導体バー５０ａは、径方向外側部分５１ａと径方向内側部分５２ａの断面形状が、全体として台形である。あるいは、これを、第１の実施形態において、連結部５３の形状が台形となっているものと見てもよい。

このように形成された本第４の実施形態においては、導体バー５０ａが単純な形状であることから、導体バー５０ａおよび電磁鋼板１１０の製作の上での加工あるいは管理上の負担が軽減される。

［第５の実施形態］
図９は、第５の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。

本第５の実施形態は、第４の実施形態の変形である。本第５の実施形態における回転子鉄心１００は、第４の実施形態と異なる形状の回転子スロット１００ａおよび導体バー５０ｂを有する。その他の点では、第４の実施形態と同様である。

第４の実施形態における導体バー５０ａは、断面形状において、径方向外側から内側になるにつれて周方向の幅が直線的に増大する。

一方、本第５の実施形態における導体バー５０ｂは、径方向外側部分５１ｂおよび径方向内側部分５２ｂのそれぞれ、および、径方向外側部分５１ｂと径方向内側部分５２ｂとの関係において、径方向外側から内側になるにつれて、周方向の幅が、直線的よりさらに拡がる形状である。逆に言えば、径方向外側になるにつれて、周方向の幅が、直線的に減少する以上に減少する。なお、先端部５１ｃは、鋭角にせずにある曲率の丸みを帯びるように形成されている。

このように形成された本実施形態においては、導体バー５０ｂにおける始動時の電流の通路をさらに狭めることができ、始動電流の低減および始動トルクの確保の効果をより高めることができる。

［その他の実施形態］
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、ロータシャフト１１が水平方向に延びた横型の回転電機の場合を例にとって示しているが、これに限定されない。ロータシャフトが鉛直方向に延びた立形のかご形誘導電動機であってもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、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。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、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…軸受、４０…フレーム、４５…軸受ブラケット、５０、５０ａ、５０ｂ…導体バー、５１、５１ａ、５１ｂ…径方向外側部分、５１ｃ…先端部、５２、５２ａ、５２ｂ…径方向内側部分、５３、５３ａ…連結部、５５…短絡環、５９…かご形導体、１００…回転子鉄心，１００ａ…回転子スロット、１００ｂ…外側開口、１０１…外表面、１１０…電磁鋼板、１１０ａ…開口、１１０ｂ…外縁、１１１…スロット用切り欠き、１１２…外側切り欠き、２００…かご形誘導電動機

Claims

軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、を有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、
を備えるかご形誘導電動機であって、
前記複数の導体バーのそれぞれの前記回転子鉄心内の径方向外側部分は、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が単調に増大することを特徴とするかご形誘導電動機。
前記複数の導体バーのそれぞれは、
前記径方向外側部分の径方向の内側に配されて長手方向に垂直な横断面の面積が前記径方向外側部分より大きな径方向内側部分と、
前記径方向内側部分と前記径方向外側部分の間を熱的に連結する連結部と、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のかご形誘導電動機。
前記導体バーの貫通用に前記回転子鉄心に形成された回転子スロットは、前記回転子鉄心の径方向の外側表面に外側開口を介して連通していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のかご形誘導電動機。
軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、
周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、
を具備するかご形回転子であって、
前記複数の導体バーのそれぞれの前記回転子鉄心内の径方向外側部分は、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が単調に増大することを特徴とするかご形回転子。