JP2021005990A - 誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】製造を複雑化させることなく振動を低減できる誘導電動機を提供する。【解決手段】誘導電動機は、円柱状のロータコア２１を軸方向に貫通するとともにロータコア２１の周方向に複数形成された貫通孔２３に配置された導体バー２４を有するロータと、円筒状のステータコア３１を軸方向に貫通するとともにステータコア３１の内周面に開口するスロット３４がステータコア３１の周方向に複数形成されたステータとを備える。貫通孔２３の数とスロット３４の数との差は、極数の整数倍でない。ロータコア２１の径方向における導体バー２４の外周面２４ａと、ロータコア２１の外周面２１ａとの最短距離である距離Ａは、ロータコア２１の周方向に隣り合う２つの貫通孔２３について、一方の貫通孔２３の内周面２３ａを構成する第１内面２３１と、他方の貫通孔２３の内周面２３ａを構成する第２内面２３２との距離である距離Ｂよりも長い。【選択図】図３

Description

本発明は、誘導電動機に関する。

誘導電動機は、円柱状のロータコアを軸方向に貫通するとともにロータコアの周方向に複数形成された導体配置部内に配置された二次導体を有するロータを備える。また、誘導電動機は、ロータコアの径方向においてロータの外側に配置され、円筒状のステータコアを軸方向に貫通するとともにステータコアの内周面に開口するスロットがステータコアの周方向に複数形成されたステータを備える。このような誘導電動機では、運転時の振動の低減が望まれている。特に、ロータコアの導体配置部の数とステータコアのスロットの数との差が極数の整数倍でないとき、振動が増大することが知られている。

例えば、特許文献１には、振動を低減するための構成が開示されている。特許文献１に開示の回転電機のロータは、円筒状の第１〜第４コア部材が軸方向に並べて配置されることで構成されたロータコアと、各コア部材の外周面に形成された導体配置部としてのスキュー内に配置された二次導体とを備える。４つのコア部材は、ロータコアの軸方向の一端側に位置する第１及び第２コア部材のスキューが連続するとともに、他端側に位置する第３及び第４コア部材のスキューが連続するように配置されている。また、４つのコア部材は、第１及び第２コア部材のスキューと第３及び第４コア部材のスキューとが不連続となるように配置されている。

特開２００６−２３０１８９号公報

しかしながら、特許文献１の構成により振動の低減を図る場合、誘導電動機の製造が複雑化してしまう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、製造を複雑化させることなく振動を低減できる誘導電動機を提供することにある。

上記問題点を解決するための誘導電動機は、円柱状のロータコアを軸方向に貫通するとともに前記ロータコアの周方向に複数形成された導体配置部内に配置された二次導体を有するロータと、前記ロータコアの径方向において前記ロータの外側に配置され、円筒状のステータコアを軸方向に貫通するとともに前記ステータコアの内周面に開口するスロットが前記ステータコアの周方向に複数形成されたステータと、を備え、前記ロータコアの周方向における前記導体配置部の数と前記ステータコアの周方向における前記スロットの数との差は、極数の整数倍でない誘導電動機であって、前記ロータコアの径方向における前記二次導体の外周面と前記ロータコアの外周面との最短距離をＡとし、前記ロータコアの周方向に隣り合う２つの前記導体配置部について、一方の前記導体配置部の内周面を構成する内面のうち他方の前記導体配置部側に位置する内面と、他方の前記導体配置部の内周面を構成する内面のうち一方の前記導体配置部側に位置する内面との距離をＢとしたとき、前記距離Ａは、前記距離Ｂよりも長いことを要旨とする。

誘導電動機の運転時、ステータコアのティースにはラジアル力が作用し、極の切り替わりに応じて、ラジアル力が大きくなる強領域と、ラジアル力が小さくなる弱領域とが交互に現れる。距離Ａを距離Ｂよりも長くすることにより、強領域におけるラジアル力の合計と弱領域におけるラジアル力の合計との差は小さくなる。よって、ステータコアに作用するラジアル力のアンバランスが低減され、誘導電動機の振動を低減できる。また、ロータコアにおける導体配置部の位置を変更するだけで振動を低減できるため、誘導電動機の製造は複雑化しない。

また、上記誘導電動機について、前記導体配置部は、貫通孔である。
また、上記誘導電動機について、前記ロータコア及び前記ステータコアの径方向において、前記ロータコアの外周面と、前記ロータコアの外周面と対向する前記ステータコアのティースの端面との間に形成されたギャップの寸法をＧとしたとき、前記距離Ａは、前記ギャップの寸法Ｇの１０倍以上であるのが好ましい。

これによれば、強領域におけるラジアル力の合計と弱領域におけるラジアル力の合計との差が最も小さくなるため、ステータコアに作用するラジアル力のアンバランスがより低減される。よって、誘導電動機の振動をより低減できる。

また、上記誘導電動機について、前記ロータコアの周方向における前記導体配置部の数は５１であり、前記ステータコアの周方向における前記スロットの数は５４である。

本発明によれば、製造を複雑化させることなく振動を低減できる。

実施形態の誘導電動機の断面図。 図１における２−２線断面図。 図２の一部拡大図。 実施形態におけるラジアル力とステータコアの周方向における角度との関係を示すグラフ。 比較例の誘導電動機の断面図。 図５の一部拡大図。 比較例におけるラジアル力とステータコアの周方向における角度との関係を示すグラフ。 バランス度、音圧レベル、及び距離Ａの関係を示すグラフ。

以下、誘導電動機を具体化した一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、誘導電動機１０は、回転軸１１と、回転軸１１に固定され、回転軸１１と一体回転するロータ（回転子）１２と、回転軸１１の径方向においてロータ１２の外側に配置されたステータ（固定子）１３とを備える。

ロータ１２は、円柱状のロータコア２１を備える。ロータコア２１は、例えば複数の電磁鋼板が積層されることにより形成される。ロータコア２１の中央には、ロータコア２１を軸方向に貫通する挿通孔２２が形成されている。ロータ１２は、挿通孔２２に挿通された回転軸１１にロータコア２１が固定されることにより回転軸１１と一体化されている。

また、ロータコア２１には、ロータコア２１を軸方向に貫通する複数の導体配置部としての貫通孔２３が形成されている。複数の貫通孔２３は、ロータコア２１の周方向に等間隔を空けて配置されている。本実施形態では、ロータコア２１の周方向における貫通孔２３の数は「５１」である。

図３に示すように、本実施形態の各貫通孔２３の内周面２３ａは、平面状の第１内面２３１及び第２内面２３２と、曲面状の第３内面２３３及び第４内面２３４とから構成されている。第１内面２３１及び第２内面２３２は、ロータコア２１の周方向と交差する面であり、ロータコア２１の軸方向から見たとき、ロータコア２１の径方向に直線状に延びている。第１内面２３１と第２内面２３２との距離は、ロータコア２１の径方向の外側に向かうにつれて長くなる。ロータコア２１の径方向における第１内面２３１及び第２内面２３２の両端部のうち、回転軸１１側に位置する端部を一端部とし、ロータコア２１の外周面２１ａ側に位置する端部を他端部とする。第３内面２３３は、第１内面２３１の一端部と第２内面２３２の一端部とを接続する。第４内面２３４は、第１内面２３１の他端部と第２内面２３２の他端部とを接続する。よって、ロータコア２１の径方向において、第４内面２３４は、第３内面２３３よりも外側に位置する。ロータコア２１の軸方向から見て、第３内面２３３は、回転軸１１に向けて凹となる弧状であり、第４内面２３４は、ロータコア２１の外周面２１ａに向けて凹となる弧状である。

図１及び図２に示すように、ロータ１２は、ロータコア２１の各貫通孔２３に配置された二次導体としての棒状の導体バー２４を備える。よって、導体バー２４の数は、貫通孔２３の数と同数であり、本実施形態では５１である。各導体バー２４の外周面２４ａは、各貫通孔２３の内周面２３ａに沿う形状である。各導体バー２４の長さは、ロータコア２１の軸方向の寸法よりも長い。各導体バー２４は、ロータコア２１を軸方向に貫通するとともに、ロータコア２１の軸方向の両端面から突出している。ロータ１２は、ロータコア２１の軸方向の一端面に配置され、ロータコア２１の軸方向の一端面から突出した各導体バー２４の一端部と接合された第１エンドリング２５を備える。また、ロータ１２は、ロータコア２１の軸方向の他端面に配置され、ロータコア２１の軸方向の他端面から突出した各導体バー２４の他端部と接合された第２エンドリング２６を備える。導体バー２４、第１エンドリング２５、及び第２エンドリング２６はそれぞれ、アルミニウム製である。

図３に示すように、ロータコア２１の径方向において、導体バー２４の外周面２４ａとロータコア２１の外周面２１ａとの最短距離をＡとする。本実施形態の距離Ａは、４ｍｍである。また、ロータコア２１の周方向に隣り合う２つの貫通孔２３について、一方の貫通孔２３の内周面２３ａを構成する４つの内面のうち、第１内面２３１は、他方の貫通孔２３側に位置する内面である。また、他方の貫通孔２３の内周面２３ａを構成する４つの内面のうち、第２内面２３２は、一方の貫通孔２３側に位置する内面である。一方の貫通孔２３の第１内面２３１と、他方の貫通孔２３の第２内面２３２とは平行な関係にある。一方の貫通孔２３の第１内面２３１及び他方の貫通孔２３の第２内面２３２の両方と直交する方向において、一方の貫通孔２３の第１内面２３１と他方の貫通孔２３の第２内面２３２との距離をＢとする。距離Ｂは、ロータコア２１の径方向において常に一定である。本実施形態の距離Ｂは、３ｍｍである。よって、距離Ａは、距離Ｂよりも長い。

図１及び図２に示すように、ステータ１３は、円筒状のステータコア３１を備える。ステータコア３１は、例えば複数の電磁鋼板が積層されることにより形成される。ステータコア３１は、円筒状のヨーク３２と、ヨーク３２の内周面から径方向に延びる複数のティース３３とを有する。本実施形態では、ヨーク３２の内周面から５４本のティース３３が延在している。複数のティース３３は、ステータコア３１の周方向に間隔をあけて配置されている。各ティース３３は、ヨーク３２の軸方向全体に亘って延在している。各ティース３３におけるヨーク３２の内周面とは反対側に位置する端面３３ａは、ロータコア２１の外周面２１ａに沿った円弧状である。図３に示すように、ステータコア３１の周方向に隣り合うティース３３の間には、スロット３４が設けられている。つまり、ステータ１３には、円筒状のステータコア３１を軸方向に貫通するとともにステータコア３１の内周面に開口するスロット３４がステータコア３１の周方向に複数形成されている。本実施形態のスロット３４の数は「５４」である。

ステータ１３は、ステータコア３１に巻回されたコイル３５を備える。本実施形態のステータ１３は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイル３５を備える。各相のコイル３５の一部は、スロット３４を通過している。

ステータ１３は、ロータコア２１の径方向においてロータ１２の外側に配置され、ロータコア２１の外周面２１ａは、各ティース３３の端面３３ａと間隔を空けた状態で対向している。つまり、ロータコア２１の外周面２１ａとティース３３の端面３３ａとの間には、ギャップ１４が形成されている。ロータコア２１及びステータコア３１の径方向におけるギャップ１４の寸法Ｇは、上述の距離Ａよりも短く、詳細には、距離Ａは、ギャップ１４の寸法Ｇの１０倍以上に設定される。本実施形態では、距離Ａは、ギャップ１４の寸法Ｇの１０倍となっている。

本実施形態の誘導電動機１０は、貫通孔２３の数が「５１」、スロット３４の数が「５４」、極数が「６」のかご型三相誘導電動機である。このような誘導電動機１０では、運転時に、ステータコア３１の各ティース３３に各ティース３３を変形させようとする径方向への力（以下、ラジアル力という）が作用する。そして、ステータコア３１に作用するラジアル力がアンバランスであると、誘導電動機１０の振動の要因となる。本実施形態では、貫通孔２３の数「５１」とスロット３４の数「５４」との差「−３（＝５１−５４）」は、極数「６」の整数倍ではない。このため、貫通孔２３の数とスロット３４の数との差が極数の整数倍であるときと比較して、誘導電動機１０の効率は良くなるものの、ステータコア３１に作用するラジアル力がアンバランスになりやすく、大きな振動が発生しやすい。

次に、図４に示すグラフを用いて、ティース３３の端面３３ａに作用するラジアル力と、ステータコア３１の周方向における角度との関係について説明する。図４に示すグラフにおいて、縦軸はラジアル力であり、横軸はステータコア３１の周方向における角度［度］である。

図４に示すグラフは、ラジアル力が増大し、その後、減少する山形状を複数有するとともに、ラジアル力の増減の山は、６０度毎（電気角１８０度毎）に存在している。一方の極に対応する角度領域は、ラジアル力が小さくなる弱領域であり、他方の極に対応する角度領域は、ラジアル力が大きくなる強領域である。本実施形態では、強領域におけるラジアル力のピークは、弱領域におけるラジアル力のピークよりも大きい。弱領域と強領域は、極の切り替わりに応じて交互に現れる。

弱領域におけるラジアル力の合計をＦ１、強領域におけるラジアル力の合計をＦ２とし、強領域に対する弱領域のラジアル力の合計の比Ｆ１／Ｆ２をバランス度と定義する。弱領域におけるラジアル力の合計Ｆ１と、強領域におけるラジアル力の合計Ｆ２との差が小さいほど、バランス度は１に近付く。また、バランス度が１に近いほど、ステータコア３１に作用するラジアル力のバランスは良好になるため、誘導電動機１０の振動は低減される。

本実施形態では、弱領域におけるラジアル力の合計Ｆ１と、強領域におけるラジアル力の合計Ｆ２とによるバランス度は、ほぼ１となる。
次に、比較例の誘導電動機１０について説明する。

図５に示すように、比較例の誘導電動機１０では、ロータコア２１における貫通孔２３の位置のみが実施形態の誘導電動機１０と異なり、他の構成については、実施形態の誘導電動機１０と同じである。よって、実施形態の誘導電動機１０と異なる部分についてのみ詳述し、実施形態の誘導電動機１０と同じ部分については説明を省略するとともに同じ符号を付す。

図６に示すように、各貫通孔２３の内周面２３ａを構成する第１内面２３１及び第２内面２３２のロータコア２１の径方向への寸法は、実施形態の第１内面２３１及び第２内面２３２のロータコア２１の径方向への寸法と同じである。また、ロータコア２１の径方向において、第３内面２３３の位置は、実施形態の第３内面２３３の位置よりも外側に位置し、第４内面２３４の位置は、実施形態の第４内面２３４よりも外側に位置する。よって、比較例の各貫通孔２３は、ロータコア２１の径方向において実施形態の各貫通孔２３よりも外側（外周面２１ａ側）に形成されている。ロータコア２１の径方向において、導体バー２４の外周面２４ａとロータコア２１の外周面２１ａとの最短距離をＣとする。比較例の距離Ｃは、実施形態の距離Ａよりも短い距離となっている。なお、比較例の距離Ｂは、実施形態と同じであり、距離Ｃは、距離Ｂよりも短い。なお、比較例の距離Ｃは、ギャップ１４の寸法Ｇよりも僅かに長い。

次に、図７に示すグラフを用いて、ティース３３の端面３３ａに作用するラジアル力と、ステータコア３１の周方向における角度との関係について説明する。図７に示すグラフにおいて、縦軸はラジアル力であり、横軸はステータコア３１の周方向における角度［度］である。

図７に示すグラフは、ラジアル力が増大し、その後、減少する山形状を複数有するとともに、ラジアル力の増減の山は、６０度毎（電気角１８０度毎）に存在している。一方の極に対応する角度領域は、ラジアル力が小さくなる弱領域であり、他方の極に対応する角度領域は、ラジアル力が大きくなる強領域である。比較例では、弱領域におけるラジアル力のピークは、強領域におけるラジアル力のピークよりも僅かに大きい。弱領域と強領域は、極の切り替わりに応じて交互に現れる。

比較例のバランス度は０．８程度であり、実施例のバランス度よりも１から離れた値である。
このことから、比較例においてステータコア３１に作用するラジアル力は、実施形態においてステータコア３１に作用するラジアル力と比較してアンバランスである。言い換えると、実施形態では、比較例と比較して、ステータコア３１にラジアル力がバランス良く作用している。その結果、誘導電動機１０の振動が低減される。

次に、図８に示すグラフを用いて、バランス度と距離Ａとの関係、及び音圧レベルと距離Ａとの関係について説明する。図８に示すグラフにおいて、紙面左側の縦軸はバランス度であり、紙面右側の縦軸は音圧レベル［ｄＢ］であり、横軸は距離Ａである。なお、音圧レベルの大小は振動の大小に対応する。つまり、音圧レベルが小さい場合、振動も小さく、音圧レベルが大きい場合、振動も大きい。

図８に示すように、距離Ａが寸法Ｇの１０倍までの範囲では、距離Ａが長くなるほどバランス度が大きくなって１に近付き、距離Ａが寸法Ｇの１０倍以上となる範囲では、バランス度は約１に飽和する。また、距離Ａが寸法Ｇの１０倍までの範囲では、距離Ａが長くなりバランス度が大きくなって１に近付くほど、音圧レベルが低下する。このことから、距離Ａが長くなるほど、ステータコア３１に作用するラジアル力のバランスが良好となり、音圧レベル（振動）が低減されることが分かる。距離Ａが寸法Ｇの１０倍以上となる範囲では、バランス度が約１に飽和しているにも関わらず、距離Ａが長くなるほど音圧レベルが低下している。これは、距離Ａが長くなるほど、弱領域のラジアル力の合計Ｆ１、及び強領域のラジアル力の合計Ｆ２がそれぞれ小さくなるためである。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）誘導電動機１０の運転時、ステータコア３１の各ティース３３にはラジアル力が作用し、極の切り替わりに応じて、ラジアル力が大きくなる強領域と、ラジアル力が小さくなる弱領域とが交互に現れる。距離Ａを距離Ｂよりも大きくすることで、強領域におけるラジアル力の合計Ｆ１と弱領域におけるラジアル力の合計Ｆ２との差が小さくなる。つまり、バランス度が１に近付く。よって、ステータコア３１に作用するラジアル力のアンバランスを低減でき、誘導電動機１０の振動を低減できる。また、ロータコア２１における貫通孔２３の位置を変更するだけで振動を低減できるため、誘導電動機１０の製造は複雑化しない。

（２）距離Ａは、回転軸１１の径方向におけるギャップ１４の寸法Ｇの１０倍である。このとき、強領域におけるラジアル力の合計Ｆ１と弱領域におけるラジアル力の合計Ｆ２の差が最も小さくなる（バランス度が１に最も近付く）ため、ステータコア３１に作用するラジアル力のアンバランスがより低減される。よって、誘導電動機１０の振動をより低減できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 距離Ａは、距離Ｂよりも長ければ、ギャップ１４の寸法Ｇの１０倍未満でもよい。

○ ロータコア２１の周方向における貫通孔２３の数、及びステータコア３１の周方向におけるスロット３４の数の組み合わせは、貫通孔２３の数とスロット３４の数との差が極数の整数倍にならなければ適宜変更してよい。

○ 貫通孔２３の内周面２３ａの形状は、適宜変更してもよい。例えば、貫通孔２３の内周面２３ａを構成する第３内面２３３及び第４内面２３４は平面状でもよい。
○ 導体配置部は、貫通孔に限定されない。導体配置部は、例えば、ロータコア２１の外周面２１ａに形成されるとともに、ロータコア２１を軸方向に貫通する溝でもよい。

○ 導体バー２４の材質は、アルミニウムに限定されず、例えば、銅でもよい。また、導体バー２４の材質は、第１エンドリング２５及び第２エンドリング２６の材質と異なっていてもよい。

○ 誘導電動機１０は、三相誘導電動機に限定されず、単相誘導電動機でもよいし、多相誘導電動機でもよい。

１０…誘導電動機、１２…ロータ、１３…ステータ、１４…ギャップ、２１…ロータコア、２１ａ…外周面、２３…導体配置部としての貫通孔、２３ａ…内周面、２４…二次導体としての導体バー、２４ａ…外周面、３１…ステータコア、３３…ティース、３３ａ…端面、３４…スロット、２３１…内面としての第１内面、２３２…内面としての第２内面、Ａ…距離、Ｂ…距離、Ｇ…寸法。

Claims (4)

1. 円柱状のロータコアを軸方向に貫通するとともに前記ロータコアの周方向に複数形成された導体配置部内に配置された二次導体を有するロータと、
   前記ロータコアの径方向において前記ロータの外側に配置され、円筒状のステータコアを軸方向に貫通するとともに前記ステータコアの内周面に開口するスロットが前記ステータコアの周方向に複数形成されたステータと、
   を備え、
   前記ロータコアの周方向における前記導体配置部の数と前記ステータコアの周方向における前記スロットの数との差は、極数の整数倍でない誘導電動機であって、
   前記ロータコアの径方向における前記二次導体の外周面と前記ロータコアの外周面との最短距離をＡとし、
   前記ロータコアの周方向に隣り合う２つの前記導体配置部について、一方の前記導体配置部の内周面を構成する内面のうち他方の前記導体配置部側に位置する内面と、他方の前記導体配置部の内周面を構成する内面のうち一方の前記導体配置部側に位置する内面との距離をＢとしたとき、
   前記距離Ａは、前記距離Ｂよりも長いことを特徴とする誘導電動機。
2. 前記導体配置部は、貫通孔である請求項１に記載の誘導電動機。
3. 前記ロータコア及び前記ステータコアの径方向において、前記ロータコアの外周面と、前記ロータコアの外周面と対向する前記ステータコアのティースの端面との間に形成されたギャップの寸法をＧとしたとき、
   前記距離Ａは、前記ギャップの寸法Ｇの１０倍以上である請求項１又は請求項２に記載の誘導電動機。
4. 前記ロータコアの周方向における前記導体配置部の数は５１であり、前記ステータコアの周方向における前記スロットの数は５４である請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の誘導電動機。