JP2022092701A - 三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転可能な三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を提供すること。【解決手段】三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機であって、回転子は、板厚４０μｍ～１００μｍの帯状の電磁鋼帯が巻かれた回転子コアと、２つの嵌合導電体とを有し、回転子コアは複数のスリットを有し、嵌合導電体はそれぞれ、回転子コアの外周部に嵌合される短絡外環部と、回転子コアの内周部に嵌合される短絡内環部と、短絡外環部と短絡内環部とを接続する、スリットの数と同じ数の接続部とを備え、短絡外環部と短絡内環部と接続部は一体の部材であり、嵌合導電体は、それぞれ回転子コアのスリットに嵌合導電体の接続部が嵌合するとともに、回転子コアの外周部に短絡外環部が嵌合し、回転子コアの内周部に短絡内環部が嵌合しており、嵌合時に嵌合導電体の短絡外環部同士と、短絡内環部同士とがそれぞれ短絡する。【選択図】図２

Description

本発明は、高速回転・高トルク密度を可能にする三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機に関するものである。

日本は、発電電力の約半分を産業界の誘導電動機が消費しているが、その効率は世界に比べてまだ十分に高いとは言えず、高効率化が求められている。誘導電動機は，各国で法規制による高効率化が進められており，その基準となる効率数値は，国際規格が制定されている。また、電気自動車用モータとして使用されるモータについては、安心・高信頼が問われ、自重の軽い高パワー密度化が求められており、それには誘導電動機が適していることから、誘導電動機のさらなる高速回転化が期待されている。この高効率・高パワー密度化を目指す誘導電動機の一つとしてアキシャルギャップ型誘導電動機がある。

アキシャルギャップ型誘導電動機の構造は、回転軸に固定された回転子（ロータ）と、回転子に磁力によって回転力を加える固定子（ステータ）とが軸方向にエアギャップを有する形で構成されている。固定子と回転子の配置は、１つの固定子の片側に回転子が１つ配置されているシングルステータ・シングルロータタイプ、２つの固定子に挟まれて回転子が１つ配置されているダブルステータ・シングルロータタイプ、そして、１つの固定子の両側に回転子が２つ配置されているダブルロータタイプがある。

各種アキシャルギャップ型電動機において、固定子は、電磁鋼板やアモルファスに電流を流すための導線を巻いて磁力を発生させる構造であり、回転子には永久磁石を用いたもの、導電材料を用いたもの、あるいは電磁鋼板と導電材料を組み合わせたものなどがある。

上述した、１つの固定子の片側に回転子が１つ配置されているシングルステータ・シングルロータタイプ、２つの固定子に挟まれて回転子が１つ配置されているダブルステータ・シングルロータタイプ、そして、１つの固定子の両側に回転子が２つ配置されているダブルロータタイプのうち、機械的バランスや、電磁気的バランスの観点から、高速回転用途に特に適しているものは、ダブルステータ・シングルロータタイプである。

特許文献１には、ダブルステータ・シングルロータタイプの電動機が開示されている。特許文献１に示された電動機は、回転子に電磁気材料と導電材料を用いたものである。これは、電磁気材料のストリップをドーナツ状に巻いてコアとし、その両端面に放射状のスリットを形成し、そのスリットに棒状の導電性金属（バー）を挿入し、ドーナツ状に巻かれたストリップの内側に導電性金属で形成された内側リングを設け、外側に導電性金属で形成された外側リングを設けたものである。これらの内側リングと外側リングが、スリットに挿入された金属棒を短絡している。このような構成を備える回転子を、２つの固定子聞に配置した構造を有する。

しかしながら、特許文献１に記載された誘導電動機の構造は、棒状の導電性金属（バー）と内側リングと外側リングとは短絡させて接しているだけであるため、高速回転になると外周のリングの径が遠心力で膨らみ、十分な短絡ができなくなると共に、振動が大きくなってしまう。また、回転子を構成する電磁気材料のストリップの板厚についての規定もないため、回転子の重量バランスがストリップを巻いたことによって崩れ、高速回転になると振動を起こす要因となり得る。

また、特許文献１に記載された誘導電動機は、高速回転になると鉄損が急激に増大し、発熱の問題が生じるため、実際に使用する際は水冷を行わなければならない。このため、設備に水冷装置を設ける必要が生じ、コスト高になってしまう。また、多くのアキシャルデュアルギャップモータでは、効率の悪さに起因する発熱が大きく、モータ自体を冷却するために水冷式が採用されている。この水冷式を採用するために製造コスト、ランニングコストがかさみ、アキシャルギャップモータが十分普及していない一因となっている。これは、モータ効率の低さに起因し、モータ効率の一層の向上が求められ、水冷が不要な誘導電動機が求められていた。

特開平９－１６８２６３号公報

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高効率で水冷が不要であり、高速回転での使用に好適である三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、回転軸と、回転軸に取付けられた回転子と、回転子を回転軸の軸線方向に挟むように配置され、回転軸をベアリングを介して支持する２つの固定子と、を備える三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機であって、回転子は、板厚４０μｍ～１００μｍの帯状の電磁鋼帯が巻かれた回転子コアと、２つの嵌合導電体とを有し、回転子コアは回転軸の軸線方向の両端面に円周方向等間隔に設けられた複数のスリットを有し、２つの嵌合導電体はそれぞれ、回転子コアの外周部に嵌合される短絡外環部と、回転子コアの内周部に嵌合される短絡内環部と、短絡外環部と短絡内環部とを接続する、複数のスリットの数と同じ数の複数の接続部とを備え、短絡外環部と短絡内環部と複数の接続部は一体の部材であり、２つの嵌合導電体は、回転子コアの両端面において、それぞれ回転子コアの複数のスリットに嵌合導電体の複数の接続部が嵌合するとともに、回転子コアの外周部に短絡外環部が嵌合し、回転子コアの内周部に短絡内環部が嵌合しており、２つの嵌合導電体が回転子コアに嵌合した状態で、２つの嵌合導電体の各々の短絡外環部同士と、短絡内環部同士とがそれぞれ短絡している、三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機、という構成を備える。このような構成により、高速回転の際も回転子の振動及び形状変化を抑制することが可能となり、更に高効率で水冷を不要とする、三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を提供することができる。

また、電磁鋼帯がＣ：０．００１～０．０４０％、Ｓｉ：２．０～４．０％、Ｍｎ：０．００１～３．０％、Ａｌ：０．０１～１．０％、Ｐ：０．００５～０．３０％、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．００５～１．０％を含み残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるようにしてもよい。このようにすると、飽和磁束密度が高く、機械的強度を有する回転子コアを提供することができる。

また、嵌合導電体の複数の接続部は、短絡外環部と短絡内環部を結ぶ放射状またはスキュー角度をもって配置された複数の棒状体で構成してもよい。このようにすると、誘導電動機の回転の始動を円滑にするとともに、高速回転時に発生する誘導電流による高調波成分を除去し、トルク変動を抑え、安定した回転を得ることが可能となる。

また、２つの嵌合導電体のうち、一方の嵌合導電体の複数の接続部は、短絡外環部と短絡内環部を第１のスキュー角度をもった複数の棒状体で結ぶように構成され、他方の嵌合導電体の複数の接続部は、短絡外環部と短絡内環部を第１のスキュー角度とは異なる第２のスキュー角度をもった複数の棒状体で結ぶように構成してもよい。このようにすると、誘導電動機の回転の始動を円滑にするとともに、高速回転時に発生する誘導電流による高調波成分を除去し、トルク変動を抑え、安定した回転を得ることが可能となる。

また、回転子の２つの嵌合導電体は、各々の短絡内環部の内側側面に形成された溝を有し、回転軸は溝に直接的又は間接的に嵌合するように構成してもよい。このようにすると、高いトルクにおいても安定して回転軸にそのトルクを伝達することができるようになる。

また、固定子は複数のスロットを有する固定子の構造体を備え、複数のスロットに被覆銅線が巻かれており、回転子コアに設けられた複数のスリットの数が、固定子の構造体が有するスロットの数よりも多くしてもよい。このようにすると、誘導電動機の回転の始動を円滑にするとともに、効率を高めることができる。

本発明によれば、高速回転での使用に好適である三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る誘導電動機の断面図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機の回転子及び固定子の構造体の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機の回転子コア及び固定子の構造体に関し、電磁鋼帯を巻いた状態を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る誘導電動機の嵌合導電体の正面図である。 図４におけるＡ－Ａ’線に沿った断面図である。 図４に示す嵌合導電体の右斜視図である。 図４に示す嵌合導電体の左斜視図である。 嵌合導電体の変形例を示す正面図である。 ２つの嵌合導電体同士が嵌合した様子を示す断面図である。 嵌合導電体の別の変形例を示す正面図である。 実施例及び比較例の実験結果をまとめた表を示す図である。

以下、添付図面を参照して、実施形態に係る三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機（以下、「誘導電動機」と称する）について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は本発明の誘導電動機１の断面図である。本発明の誘導電動機１は、後述する２つの固定子４、４’の聞に挟まれるように回転子３を設けたダブルステータ・シングルロータタイプの構造とする。誘導電動機１は回転軸２と、この回転軸２に取付けられた回転子３を備えている。そして、この回転子３を、回転軸２の軸線方向に挟むように２つの固定子４、４’が配置されている。これらの固定子４、４’は、それぞれベアリング５を介して回転軸２を支持している。回転子３は回転子コア３１と、回転子コア３１の回転軸２の軸線方向の両端面に対してそれぞれ嵌合する環状の２つの嵌合導電体６、６’を備えている。

図２に本発明の回転子３および固定子の構造体４１、４１’の分解斜視図を示す。（後述する回転子３の構造を示すため、回転子３の嵌合導電体６、６’の一部が切除されている。）回転子３は回転子コア３１と、この回転子コア３１の回転軸２の軸線方向の両端面に嵌合した２つの嵌合導電体６、６’を備えている。（なお、構造を把握しやすくするため、固定子４、４’に関して、固定子の構造体４１、４１’のスロット４２に巻かれている被覆銅線は図示しておらず、被覆銅線が巻かれる前の固定子の構造体４１、４１’のみを示している。）

これらの回転子コア３１及び固定子の構造体４１、４１’は、図３に示すように、板厚４０μｍ～１００μｍの極薄の、帯状の電磁鋼板すなわち電磁鋼帯７を巻いて円盤状としたものを使用する。電磁鋼帯７を巻いて円盤状とする際に、その巻き始めと巻き終わりは電磁鋼帯７の端部となり、円盤状の部分から電磁鋼帯７の板厚７０の分だけ段差が生じる。（なお、図３は電磁鋼帯７の板厚７０を拡大して強調したものであり、実寸の比率とは異なる。）

このように板厚４０μｍ～１００μｍの電磁鋼帯を巻いて円盤状としたものの両端面に図２に示すように円周方向等間隔に複数のスリット３１１を設けて回転子コア３１とする。この回転子コア３１の両側のスリット３１１に、後述する短絡外環部６１と短絡内環部６２が複数の接続部（棒状体）６３で結ばれた一体の部材として成形された銅製の嵌合導電体６、６’をそれぞれはめ込み、回転子３として、図１に示すように回転軸２に固定する。

固定子４、４’においては、板厚４０μｍ～１００μｍの帯状の電磁鋼帯を巻いて形成された固定子の構造体４１、４１’にそれぞれ複数のスロット４２を設け、スロット４２に図示しない被覆銅線を巻いて電磁石を形成する。以下、このように固定子の構造体４１、４１’に設けられたスロット４２及びその数について、「固定子のスロット」、「固定子のスロット数」とも称する。

従来は、これらの回転子コア３１や固定子の構造体４１、４１’を形成する電磁鋼帯の板厚に関して、その絶対値に関する条件は特に設定されていなかったが、本発明の発明者は、誘導電動機を高速回転させるには、回転子コア３１の重量バランスを崩れさせないように板厚を選択することが重要であることを見出した。すなわち、電磁鋼帯の板厚が１００μｍを超えると図３に示すように巻き始めと巻き終わりに板厚７０に相当する段差ができ、回転子の重量が半径方向、円周方向で均一とならない。従来用いられていた電磁鋼帯はその板厚１００μｍを超えるものであって、発明者はこのことが回転子コア３１の重量バランスに大きな影響を及ぼし、高速回転した時に振動の原因となることを見出した。一方、板厚が１００μｍ以下であれば、板厚７０に相当する段差が小さくなり、すなわち回転子コア３１の重量バランスの崩れが小さくなり、１５０００ｒｐｍの高速回転においても振動の影響が小さく、高速回転が可能となる。一方で、電磁鋼帯の板厚が４０μｍ未満では、電磁鋼帯を製造するのが困難となり、また、高い飽和磁束密度が得られなくなり、誘導電動機としての高い効率及び高トルク特性が得られなくなる。よって、板厚の下限を４０μｍとすることが好ましい。以上より、回転子コア３１を形成するために用いる電磁鋼帯の板厚は、４０μｍ～１００μｍの範囲にあることが好ましい。

また、回転子コア３１及び固定子４、４’の構造体に使用する板厚４０μｍ～１００μｍの電磁鋼帯は、Ｃ：０．００１～０．０４０％、Ｓｉ：２．０～４．０％、Ｍｎ：０．００１～３．０％、Ａｌ：０．０１～１．０％、Ｐ：０．００５～０．３０％、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．００５～１．０％を含み残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。

このような化学成分を限定する理由は、一般にモータの鉄芯として使用される金属にはアモルファス、高シリコン材などがあるが、いずれも飽和磁束密度が低く高効率で高トルクのモータが実現できないためである。このため、上述したような化学成分を有する電磁鋼帯を使用することが好ましい。

Ｃは、過度に含有させるとヒステリシス損を劣化させるので、０．０４０％を上限とし、また０．００１％未満であると鋼板の強度が不足し、ロータを高速で回転させた際に強度不足で変形が起こる、などの欠点を生じるので０．００１％を下限とする。好ましくは０．００２～０．０３０％である。

Ｓｉは、電気抵抗を高め、鉄損を低減することが知られているが、過度に含有すると飽和磁束密度の低下並びに加工性の困難を招くので、４．０％を上限とし、また、２．０％未満では電気抵抗を高める効果が不十分となるため２．０％を下限とする。好ましくは２．０～３．９％である。

Ｍｎは、鋼中のＳと反応してＭｎＳを形成し、熱間圧延時の固溶Ｓの存在による割れを防ぐ効果があり、また固溶Ｍｎとして強度の確保および電気抵抗の低減にも寄与するので０．００１％を下限として含有させ、また、３．０％を超えると薄鋼板の製造に支障をきたすようになるので３．０％を上限とする。好ましくは０．００５～２．０％、さらに好ましくは０．０１～１．０％である。

Ａｌは、Ｓｉと同じように電気抵抗を高め、鉄損を低減する効果があるので、高めに含有しても良いが、１．０％を超えると鋳造時に酸化物が増え、鋼板の品質を劣化させるとともに、圧延に支障をきたすので、１．０％を上限とし、また、０．０１％未満では脱酸剤としての作用が不足するので０．０１％を下限とする。好ましくは０．０２％～０．８％である。

Ｐは、鋼板の強度を高める作用があり、適度に含有するとロータの高速回転時の変形を抑えることができるので、０．００５％を下限として含有させ、また、過度に含有すると薄鋼板の製造に支障をきたすので０．３０％を上限とする。

Ｓは、多量に含有すると熱間圧延時に固溶Ｓの存在による割れを発生させることがあるので、これを防ぐために上限を０．０５０％とする。好ましくは、上限は０．０３％である。下限は、少ない方が好ましいので特に限定はしないが、通常の鋼板製造工程における脱硫のコストを勘案すると０．００１％程度が妥当である。

Ｃｕは、鋼板製造の焼鈍の際に、過度な粒成長を制御する効果があり、磁気的性質の異方性を低減することができるので１．０％を上限に含有させる。この量を超えると鋼板が硬くなり過ぎて圧延に支障をきたすので、１．０％を上限とする。また、０．００５％未満では、焼鈍時に均一な結晶粒ができなくなるので０．００５％を下限とする。好ましくは０．０１～０．７％である。

固定子の構造体４１、４１’にも、回転子コア３１と同様の板厚、化学成分を有する電磁鋼帯を使用することにより、鋼帯内部で発生する渦電流の発生を小さくすることができ、モータ自体の発熱を抑え、高効率化に寄与する。この電磁鋼帯を使うことにより発熱が抑えられ、水冷なしでも実使用が可能となる。特に水冷が不要であることにより、誘導電動機１の応用範囲が大きく広がる。

図４～図７に本発明の回転子３に用いる嵌合導電体６、６’（以下、嵌合導電体６、嵌合導電体６’に共通する事項については、代表的に「嵌合導電体６」と称することがある）を示す。図４は嵌合導電体６の正面図である。図５は嵌合導電体６の図４におけるＡ－Ａ’線に沿った断面図である。図６は嵌合導電体６の右斜視図である。図７は嵌合導電体６の左斜視図である。嵌合導電体６は、短絡外環部６１と短絡内環部６２を放射状に配列された複数の接続部（棒状体）６３で繋げた形状で、これらが一部材として、一体として形成される。図５の断面図において、短絡外環部６１と短絡内環部６２の幅は同じであるが、後に回転子コア３１のスリット３１１に嵌合する複数の接続部（棒状体）６３の幅はスリット３１１の深さに対応し、短絡外環部６１や短絡内環部６２の幅よりも小さい。このことは嵌合導電体６の左斜視図である図７にも示されている。嵌合導電体６の製造方法は、嵌合導電体６が一体として形成されるのであれば、厚板から削り出しても良く、鋳造材を必要に応じて精度を保つために削り出しても構わない。材料としては、導電性の良い銅を用いる。銅の種類は特に規定しないが、好ましくは導電性の良いものを使用する。

嵌合導電体６の短絡外環部６１と短絡内環部６２を結ぶ複数の接続部（棒状体）６３は、図４に示すように嵌合導電体６の中心から見て放射状に配置しても良いし、また、図８に示す嵌合導電体の変形例６０のように放射状の位置からスキュー角度６３１をもって配置しても良い。スキュー角度は特に規定しないが、角度を大きくなると短絡内環部６２側で複数の接続部（棒状体）６３どうしが接触するようになるので、１０度以下程度が好ましい。スキュー角度を設ける理由は、回転の始動を円滑にするためであり、さらには高速回転時に発生する誘導電流による高調波成分を除去し、トルク変動を抑え、安定した回転を得るためである。放射状あるいはスキューを有する嵌合導電体６、６０、及び対応する６’、６０’（嵌合導電体６０’は図示せず）を回転子コア３１に嵌合させる際に、回転子コア３１の両側で所定角度だけ回転させるようにずらして配置されても良い。さらには、２つの嵌合導電体６０、６０’のスキュー角度６３１、６３１’は同じでも良く、また一方が第１のスキュー角度を有し、他方が第１のスキュー角度と異なる第２のスキュー角度を有するようにしても良い。一方、放射状に配置された接続部（棒状体）６３を有する嵌合導電体６、６’の場合、両者の位置を所定角度だけ回転させるようにずらすことによってスキューを有する嵌合導電体６０、６０’と同様の効果を得ることができる。

２つの嵌合導電体６、６’の厚さ６４、６４’は異なっていても構わないが、回転子コア３１に両側から嵌合させたときに、回転子コア３１の径方向の外側側面を覆うようにするのが好ましい。さらに、嵌合導電体６、嵌合導電体６’の短絡外環部および／または短絡内環部にそれぞれ互いに嵌合するための構造を設けてもよい。このような構造を有する嵌合導電体６と嵌合導電体６’とが嵌合した状態の例を図９に示す（構造を把握しやすくするため、回転子コア３１を図示していない。）。嵌合の方法は特に規定しないが、図９に示すように半径方向に段差を付けて組み合わせる方法でも良いし、円周方向に溝を設けて嵌合させる方法でも良い。いずれも高速回転時に２つの導電体が分離しないようにするためである。

この嵌合導電体６、６’を、電磁鋼帯を巻いて構成された回転子コア３１に、その回転軸の軸線方向の両側から埋め込むことで回転子３が形成される。嵌合導電体６の接続部（棒状体）６３の数は、固定子４、４’（固定子の構造体４１、４１’）のスロット４２の数よりも多くすることが好ましい。これは、誘導電動機の回転の始動を円滑にするためである。また、これにより効率を高めることができ、小出力容量から大出力容量まで巻き鉄心の内外径を変えることにより容易に実現できる。

固定子４、４’のスロット数は三相交流を用いるので３の倍数とするが、特に８極２４スロット以上とすることが好ましい。これにより高パワー密度の誘導電動機を得ることができる。また、誘導電動機では４極が一般的であり、４極以上にすると発熱が大きくなり銅線の被覆材が溶融し使用に耐えないものとなるが、本発明の電磁鋼帯を用いた８極２４スロットのアキシャルデュアルギャップ型誘導電動機は効率が良いために発熱が少なく、このために通常実現できなかった８極の誘導電動機を実現することができる。８極以上とする理由は、一般の４極の誘導電動機の倍以上の出力を得るためであり、また安定した高速回転を得るためである。

回転子３は、嵌合導電体６、６’の内側に回転軸２を固定するための銅製パイプ（図示せず）を取り付け、この鋼製パイプを回転軸２に圧入するか、キー（図示せず）により固定する。嵌合導電体６、６’と鋼製パイプとの取り付け方法は、接着剤による接着であっても良いが、好ましくは図１１に示すようにスプライン６５を用いて接合する方法が好ましい。この例では、嵌合導電体６、６’各々の各短絡内環部の内側側面にあらかじめ軸線方向に沿った溝を形成し、その溝と銅製パイプの溝とが一致するようにして、銅製パイプに嵌合導電体６、６’を嵌め込む。さらに隙間のないように接着剤で固定する。これにより高いトルクにおいても安定して軸にそのトルクを伝達することができるようになる。または、銅製パイプを経ずに直接スプライン加工が施されている回転軸２に固定しても良い。つまり、回転軸２は、２つの嵌合導電体６、６’の各々の短絡内環部の内側側面に形成された溝に直接的又は間接的に嵌合するように構成することが可能である。

図１に示したように、固定子４、４’は内側にベアリング５が装入され、このベアリング５を介して回転軸２を支持する。回転軸２に固定子４、４’及び回転子３を取り付け、固定子４、４’を誘導電動機の筐体（図示せず）に固定する。こうして誘導電動機の筐体に試験的に取り付けた後、回転子３を回転させ、回転のバランスを調整する。本発明によっても、１５０００ｒｐｍ以上の極めて高い回転数で作動させる場合には回転バランスの調整が必要となることがある。この場合は、回転子の嵌合導電体６、６’の短絡外環部にドリルで、僅かに彫り込みを入れるなどして回転バランスを調整する。

以上により構成された三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を高周波への変調が可能なインバータにより発生させた電流により作動させる。例えば、８極のアキシャルデュアルギャップを使用した場合、１０００Ｈｚの高周波を使用すると回転子と固定子のすべりが少ない場合には約１５０００ｒｐｍの回転が可能となる。

実施例１として以下に説明するダブルステータ・シングルロータタイプの三相交流誘導電動機を作製した。回転子コアとして、板厚８０μｍ、板幅２０ｍｍで、かつＣ：０．００３％、Ｓｉ：３．０６％、Ｍｎ：０．２２％、Ａｌ：０．６８％、Ｐ：０．０１１％、Ｓ：０．００１％、Ｃｕ：０．０５３％を含む電磁鋼帯を巻いて、外径８０ｍｍ、内径４０ｍｍの円盤とし、この回転軸の軸線方向の両端面に放射状に幅３．２ｍｍ、深さ３．２ｍｍの溝を３０本放電加工により形成した。また、厚さ１０ｍｍの銅板から、図４～図７に示す構造で、内径３０ｍｍ、外径９０ｍｍ、短絡外環部の厚さ５ｍｍ、短絡内環部の厚さ５ｍｍ、各接続部（棒状体）の厚さ３．２ｍｍ、高さ３．２ｍｍ、接続部（棒状体）の本数３０の導電体を削り出した。この銅により形成された嵌合導電体を２つ、先に説明した電磁鋼帯で形成された回転子コアの両側から嵌合させて埋め込み、接着剤で接着して回転子を形成した。嵌め合い寸法の記載は省略したが、嵌合導電体と回転子コアとは隙間無く嵌め合うように調整した。回転子は、スプラインが加工されている回転軸に固定した。ついで、回転子と同じ材料を用い、外径８０ｍｍ、内径４０ｍｍの固定子の構造体を形成した。この構造体に放射状に均等に幅３ｍｍ、深さ８ｍｍのスリットを２４箇所放電加工で形成し、このスリットに被覆銅線を巻き、固定子を形成した。固定子の内側はベアリングで回転軸と接し、外側は電動機の筐体に固定した。固定子と回転子の空隙は０．６ｍｍとした。

また、実施例２として、使用した電磁鋼帯の化学成分は実施例１のものと同じであるが、板厚を５０μｍとした電磁鋼帯を用いて、実施例１と同様の構成を有するダブルステータ・シングルロータタイプの三相交流誘導電動機を作製した。

本発明の性能と一般的なラジアルギャップタイプの誘導電動機の性能とを比較するために、比較例１として４極のラジアルギャップタイプの誘導電動機を作製した。固定子の外径１４０ｍｍ、スロット数１２、ロータの外径８０ｍｍ、バーの数２０、使用した電磁鋼帯は実施例と同じ化学成分、すなわちＣ：０．００３％、Ｓｉ：２．９７％、Ｍｎ：０．２０％、Ａｌ：０．６６％、Ｐ：０．０１７％、Ｓ：０．００２％、Ｃｕ：０．０４５％を含み、板厚０．５０ｍｍの電磁鋼帯である。これを打ち抜いて、積み厚６０ｍｍの固定子と回転子を作製し、水冷式の誘導電動機を作製した。

比較例２として以下に説明するダブルステータ・シングルロータタイプの三相交流誘導電動機を作製した。回転子コアとして、板厚０．５０ｍｍ、板幅２０ｍｍで、かつＣ：０．００３％、Ｓｉ：３．０６％、Ｍｎ：０．２２％、Ａｌ：０．６８％、Ｐ：０．０１１％、Ｓ：０．００１％、Ｃｕ：０．０５３％を含む電磁鋼帯を巻いて、外径８０ｍｍ、内径４０ｍｍの円盤とし、この両端面に放射状に幅３．２ｍｍ、深さ３．２ｍｍの溝を３０本放電加工により形成した。ついで、本発明の嵌合導電体のように一体の部材ではない導電体を用意した。すなわち、厚さ１０ｍｍの銅板から、外径９０ｍｍ、内径８０ｍｍの円環を切り出して外環とし、また、外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍの円環を切り出して内環とした。さらに、同じく銅板から３．２ｍｍ角で長さが４０ｍｍの角棒、３０本を切り出した。角棒の先端は外環の内側の円弧、および内環の外側の円弧に沿うように加工した。これらの外環、内環、および棒を回転子コアにはめ込み回転子を作製した。外環、内環と棒状体との接触は誘導電流の導通を確保するために接着剤による接着はしなかった。回転子は、スプラインが加工されている回転軸に固定した。ついで、回転子と同じ材料を用い、外径８０ｍｍ、内径４０ｍｍの固定子の構造体を形成した。この構造体に放射状に均等に幅３ｍｍ、深さ８ｍｍのスリットを２４箇所放電加工で形成し、このスリットに被覆銅線を巻き、固定子を形成した。固定子の内側はベアリングで回転軸と接し、外側は電動機の筐体に固定した。固定子と回転子の空隙は０．６ｍｍとした。

実施例１、実施例２、比較例１、比較例２において、１２００Ｈｚまで生成可能なインバータにより生成された交流電流を流し、負荷する電流の周波数を変え、回転数が１０００から１５０００ｒｐｍまでの回転における安定性、トルク、効率、固定子の温度を測定した。高速回転の途中で、誘導電動機が破損あるいはそれ以上の回転では振動等により性能が測定できなくなった場合は、それ以上の高速回転の測定は中止した。トルク、効率、温度の比較は、各比較例、各実施例ともに測定可能であると考えられた３０００ｒｐｍにおいて実施した。実施例においてはさらに１００００ｒｐｍにおけるトルク、効率、温度も測定した。比較例１では水冷を行った状態での温度を測定した。その他は、特段の冷却は行わずに性能を測定した。

以上の試験の結果を表１としてまとめ、図１１に示す。この表から判るように、比較例１では、１００００ｒｐｍまでの高速回転に耐えられるものの、誘導電動機の温度を銅の被覆線の被覆を破損しない温度８０℃に保つために水冷が必要となる。比較例２では５０００ｒｐｍで振動が激しくなり、モータが破損し、測定ができなくなった。これに対し、実施例１、実施例２では、水冷をしなくても１５０００ｒｐｍまで８０℃の温度が保たれ、安定して作動し、性能を測定することができた。あわせて、比較例１、比較例２と実施例１、実施例２の性能を比較するために、すべての測定が可能であった３０００ｒｐｍでの測定値を表１に示す。この表からわかるように、本発明の三相交流アキシャルデュアルギャップ誘導電動機では高いトルクと高い効率が得られていることがわかる。また、本発明の実施例１では、水冷なしで１００００ｒｐｍにおいて、従来の一般的なラジアルギャップ誘導電動機の４倍のトルクが得られ、また８０％という高い効率が得られている。そして、本発明の実施例２では１５０００ｒｐｍで８５％の効率が得られている。またこの表には示してないが、１５０００ｒｐｍの高速回転時において、実施例１、実施例２ではそれぞれ、７８％、８２％の効率が得られている。温度に関しても、１５０００ｒｐｍでの高速回転時においても温度８０℃と低く、空冷でも十分に高速運転が可能であることが確認できた。

このように、本発明によると、回転数１００００ｒｐｍ以上、さらには１５０００ｒｐｍまで安全に作動し、空冷で、１００００ｒｐｍではモータ効率９０％以上、１５０００ｒｐｍではモータ効率８５%以上を可能にする三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を得ることができる。また、８磁極でデュアルロータ構造であるため、同程度の重量の一般的な４磁極ラジアルギャップ型誘導電動機の４倍以上の出力を得ることができる。

本発明は、上述したように板厚４０μｍ～１００μｍの帯状の電磁鋼帯が巻かれた回転子コアを使用することで重量バランスの崩れを小さくするとともに、この回転子コアに嵌合する短絡外環部と短絡内環部及びこれらを接続する複数の接続部が一体となった嵌合導電体を合わせて使用することで、高速回転の際も回転子の振動及び形状変化を抑制することが可能となり、更に高効率の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を提供することができる。

また、特に本発明の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機は、高速回転での使用において水冷を行う必要がない、という利点があり、これにより三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機の応用範囲を大きく広げることが可能となる。特に、工業分野で多く用いられているラジアルギャップ型誘導電動機に代えて、小型、高出力の本発明の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機を用いることができ、設備全体の小型化、高効率化に貢献することができる。具体的には、自転車用駆動電動機、自動車用駆動電動機、エアコン用電動機、各種工業用電動機に利用でき、電力の節減に大きく貢献することができる。

１ 誘導電動機
２ 回転軸
３ 回転子
３１ 回転子コア
３１１ スリット
４、４’固定子
４１、４１’固定子の構造体
４２ スロット
５ ベアリング
６、６’回転子に嵌合される嵌合導電体
６０ 嵌合導電体の変形例
６１ 回転子に嵌合される嵌合導電体の短絡外環部
６２ 回転子に嵌合される嵌合導電体の短絡内環部
６３ 回転子に嵌合される嵌合導電体の短絡内環部と短絡外環部の接続部
６３１ 外短絡環と内短絡環をむすぶ棒状体のスキュー角度
６４、６４’回転子に嵌合される嵌合導電体１つ分の厚さ
６５ スプライン
７ 電磁鋼帯
７０ 電磁鋼帯の板厚

Claims (6)

1. 回転軸と、前記回転軸に取付けられた回転子と、前記回転子を前記回転軸の軸線方向に挟むように配置され、前記回転軸をベアリングを介して支持する２つの固定子と、を備える三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機であって、
   前記回転子は、板厚４０μｍ～１００μｍの帯状の電磁鋼帯が巻かれた回転子コアと、２つの嵌合導電体とを有し、
   前記回転子コアは前記回転軸の軸線方向の両端面に円周方向等間隔に設けられた複数のスリットを有し、
   ２つの前記嵌合導電体はそれぞれ、前記回転子コアの外周部に嵌合される短絡外環部と、前記回転子コアの内周部に嵌合される短絡内環部と、前記短絡外環部と前記短絡内環部とを接続する、前記複数のスリットの数と同じ数の複数の接続部とを備え、前記短絡外環部と前記短絡内環部と前記複数の接続部は一体の部材であり、
   ２つの前記嵌合導電体は、前記回転子コアの前記両端面において、それぞれ前記回転子コアの複数のスリットに前記嵌合導電体の複数の接続部が嵌合するとともに、前記回転子コアの外周部に前記短絡外環部が嵌合し、前記回転子コアの内周部に前記短絡内環部が嵌合しており、
   ２つの前記嵌合導電体が前記回転子コアに嵌合した状態で、２つの前記嵌合導電体の各々の前記短絡外環部同士と、前記短絡内環部同士とがそれぞれ短絡している、
   三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機。
2. 前記電磁鋼帯がＣ：０．００１～０．０４０％、Ｓｉ：２．０～４．０％、Ｍｎ：０．００１～３．０％、Ａｌ：０．０１～１．０％、Ｐ：０．００５～０．３０％、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．００５～１．０％を含み残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる請求項１記載の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機。
3. 前記嵌合導電体の前記複数の接続部は、前記短絡外環部と前記短絡内環部を結ぶ放射状またはスキュー角度をもって配置された複数の棒状体で構成されている、請求項１または２に記載の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機。
4. ２つの前記嵌合導電体のうち、一方の嵌合導電体の前記複数の接続部は、前記短絡外環部と前記短絡内環部を第１のスキュー角度をもった複数の棒状体で結ぶように構成され、他方の嵌合導電体の前記複数の接続部は、前記短絡外環部と前記短絡内環部を前記第１のスキュー角度とは異なる第２のスキュー角度をもった複数の棒状体で結ぶように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機。
5. 前記回転子の前記２つの嵌合導電体は、各々の前記短絡内環部の内側側面に形成された溝を有し、前記回転軸は前記溝に直接的又は間接的に嵌合するように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機。
6. 前記固定子は複数のスロットを有する固定子の構造体を備え、前記複数のスロットに被覆銅線が巻かれており、前記回転子コアに設けられた前記複数のスリットの数が、前記固定子の構造体が有する前記スロットの数よりも多い、請求項１～５のいずれか１項に記載の三相交流アキシャルデュアルギャップ型誘導電動機。

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