JP2023169954A - かご形回転子および誘導電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドリングの破損および変形を抑制しつつ、応力集中による保持部材の破損を抑制しうるかご形回転子を提供する。
【解決手段】かご形回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心の周方向に配置され、それぞれ回転鉄心を貫通し軸方向に延びる複数のロータバーと、回転子鉄心の軸方向両端に配置され、複数のロータバーを電気的に接続する一対のエンドリングと、エンドリングの外周に同心状に配置され、エンドリングの外周面を支持する保持リングと、を備える。エンドリングと保持リングの接触部の径方向位置は軸方向に沿って一定であり、エンドリングの軸方向先端側は保持リングに覆われずに外側に露出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、かご形回転子および誘導電動機に関する。

従来から、誘導電動機の回転子には、積層鋼板で形成された回転子鉄心にかご形導体を組み付けて構成されたかご形回転子が用いられる。かご形導体は、回転子鉄心のスロットに挿通されて軸方向に延びる複数のロータバーと、回転子鉄心の両端に配置されて各々のロータバーの端部を電気的に接続する一対のエンドリングを備えている。

例えば、電気自動車などに上記の誘導電動機を適用する場合、高出力化のために誘導電動機の回転速度を高めていくことが強く要望されるが、特に高速回転時に遠心力によってエンドリングに破損や変形が生じうる。
そのため、かご形回転子の両端に円板状又は環状の保持部材を設けることでエンドリングを保護する構成が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

実開平５－５０９８１号公報 特開２０１７－３４７７７号公報

しかしながら、誘導電動機の高速回転時には、保持部材の形状によっては応力の集中により保持部材が破損するおそれがある。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、エンドリングの破損および変形を抑制しつつ、応力集中による保持部材の破損を抑制しうるかご形回転子を提供する。

本発明の一態様のかご形回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心の周方向に配置され、それぞれ回転鉄心を貫通し軸方向に延びる複数のロータバーと、回転子鉄心の軸方向両端に配置され、複数のロータバーを電気的に接続する一対のエンドリングと、エンドリングの外周に同心状に配置され、エンドリングの外周面を支持する保持リングと、を備える。エンドリングと保持リングの接触部の径方向位置は軸方向に沿って一定であり、エンドリングの軸方向先端側は保持リングに覆われずに外側に露出している。

上記のかご形回転子は、保持リングにおいてエンドリングを支持する部位の厚さが軸方向に一定であってもよい。
また、本発明の他の態様の誘導電動機は、上記のかご形回転子と、固定子とを備える。

本発明の一態様のかご形回転子は、エンドリングの破損および変形を抑制しつつ、応力集中による保持部材の破損を抑制しうるかご形回転子を提供できる。

本実施形態の誘導電動機の構成を示す断面図である。 誘導電動機のかご形回転子の一端側を拡大して示す斜視図である。 図１の変形例を示す図である。 （ａ）は、比較例１のかご形回転子の構成を示す図であり、（ｂ）は、比較例２のかご形回転子の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

図面においては、必要に応じて誘導電動機の回転軸を符号ＡＸで示す。また、以下の説明では、回転軸ＡＸと平行な方向を軸方向と称し、回転軸ＡＸを中心とする周方向を単に周方向と称し、回転軸ＡＸを中心とする径方向を単に径方向と称する。

図１は、本実施形態の誘導電動機１０の構成を示す断面図である。図２は、誘導電動機１０のかご形回転子１１の一端側を拡大して示す斜視図である。本実施形態の誘導電動機１０は、インナーロータ型モータであって、かご形回転子１１と、固定子１２と、シャフト１３を備える。

かご形回転子１１は、回転子鉄心１４と、ロータバー１５と、エンドリング１６と、保持リング１７とを備えている。回転子鉄心１４は、円盤状のケイ素鋼板等を軸方向に複数積層して形成され、全体形状が略円筒形状をなしている。回転子鉄心１４は、ロータバー１５の周囲の磁束密度を高めてトルクを増大させる機能や、回転子を補強する機能を担う。また、回転子鉄心１４の中心には、回転軸ＡＸに沿って回転子鉄心１４を貫通するようにシャフト１３が嵌入されている。なお、シャフト１３は、誘導電動機１０の筐体（不図示）に設けられた一対の軸受（不図示）によって、回転可能に軸支される。

また、回転子鉄心１４の外周側には、回転子鉄心１４を軸方向に貫通するスロット１４ａが複数形成されている。各々のスロット１４ａは、回転軸ＡＸを中心として環状をなすように、周方向に等間隔をあけて配置される。回転子鉄心１４の各スロット１４ａには、回転子鉄心１４を貫通して軸方向に延在するロータバー１５がそれぞれ挿入されている。

ロータバー１５は、例えばアルミニウムや銅などの導電性金属で構成され、回転磁界による誘導電流（二次電流）を流す。ロータバー１５の断面形状は、円形または矩形のいずれであってもよい。なお、ロータバー１５は、軸方向に対して斜めに傾いてスキュー状に配置されていてもよい。

エンドリング１６は、例えばアルミニウムなどの導電性金属で構成され、回転子鉄心１４の軸方向両端に一対配置されている。エンドリング１６は、回転子鉄心１４のスロット１４ａの位置と対応する大きさの環状部材であり、各々のロータバー１５の端部と接合されている。一対のエンドリング１６は、回転子鉄心１４に対して環状に配置された複数のロータバー１５同士を電気的に接続する。なお、ロータバー１５およびエンドリング１６の接合により、かご形回転子１１にはいわゆるかご形導体が形成される。

保持リング１７は、かご形回転子１１の軸方向両端に一対配置されている。各々の保持リング１７は、エンドリング１６の外周側でエンドリング１６と同心状に配置され、保持リング１７の内周面がエンドリング１６の外周面と密着している。図１に示すように、エンドリング１６と保持リング１７の接触部の径方向位置Ｄは軸方向に沿って一定であり、保持リング１７の内周側には径方向内側に突出する段差が形成されていない。

また、保持リング１７は、例えばステンレス鋼やチタンなどのようにエンドリング１６よりも剛性の高い金属材料で形成される。これにより、保持リング１７は、かご形回転子１１の回転時にエンドリング１６を外側から支持し、遠心力によるエンドリング１６の変形や破損を抑制する。

図１、図２の例での保持リング１７の外径は、回転子鉄心１４の外径よりも大きい。また、保持リング１７において回転子鉄心１４に臨む基端部は内側にくぼんでおり、回転子鉄心１４の外縁と嵌合するインローの嵌合部１７ａが形成されている。回転子鉄心１４の端部を保持リング１７の嵌合部１７ａにはめ込むことで、回転子鉄心１４に保持リング１７を位置決めして固定することができる。

また、本実施形態では、保持リング１７においてエンドリング１６を支持する部位（嵌合部１７ａ以外の部位）の厚さｔが軸方向に一定である。また、嵌合部１７ａを除いた保持リング１７の軸方向寸法は、エンドリング１６の軸方向寸法と対応し、かご形回転子１１の軸方向において保持リング１７の先端部（基端部の反対側）とエンドリング１６の先端部はほぼ同じ位置にある。また、かご形回転子１１の軸方向においてエンドリング１６の先端側の端面は保持リング１７に覆われずに露出している。

かご形回転子１１の組立の際には、まず、回転子鉄心１４の端部に保持リング１７を嵌合させて取り付ける。次に、回転子鉄心１４のスロット１４ａにそれぞれロータバー１５を挿入した後、回転子鉄心１４の端部にエンドリングの型材（不図示）を取り付ける。その後、型材内にエンドリングの材料（アルミニウム）を鋳込んでロータバー１５と接合されたエンドリング１６を形成する。なお、型材はエンドリング１６の形成後に除去される。

固定子１２は、かご形回転子１１の外周に僅かなエアギャップを隔ててかご形回転子１１と同心状に配置されている。固定子１２には、一次電流を流すコイル（不図示）が周方向に配列されており、当該コイルにより固定子には周方向に沿って等間隔に磁極が構成される。誘導電動機１０では、コイルへの電流制御で固定子１２に回転磁界が形成される。これにより、回転磁界に誘導されてかご形導体に流れる二次電流と回転磁界の間にトルクが発生し、回転軸ＡＸを中心としてかご形回転子１１およびシャフト１３が回転する。

以下、図４の比較例の構成と対比しつつ、本実施形態の誘導電動機１０の作用について説明する。

図４（ａ）は、比較例１のかご形回転子１１ａの構成を示す図である。比較例１は、回転子鉄心１４の軸方向端部に円盤状のエンドリング保持板２０を取り付け、エンドリングの材料を鋳込んでエンドリング１６を形成した例を示している。比較例１のエンドリング保持板２０は、ロータバー１５やエンドリング１６の外周と接触する面に径方向内側に突出する段差２０ａが環状に形成されている。

また、図４（ｂ）は、比較例２のかご形回転子１１ｂの構成を示す図である。比較例２は、回転子鉄心１４の軸方向端部においてロータバー１５に環状のエンドリング保持部材２１を取り付け、エンドリング保持部材２１の内周側にエンドリング１６を形成した例を示している。比較例２のエンドリング保持部材２１の断面形状はＬ字状であり、エンドリング保持部材２１においてロータバー１５やエンドリング１６の外周と接触する面には、径方向内側に突出する段差２１ａが環状に形成されている。

誘導電動機の回転時にはかご形回転子１１ａ、１１ｂに遠心力が作用し、エンドリング保持板２０またはエンドリング保持部材２１や、エンドリング１６にはそれぞれ径方向外側に向けて大きな荷重がかかる。比較例１、２のエンドリング１６は、エンドリング保持板２０やエンドリング保持部材２１で外側から支持されているので、遠心力によるエンドリング１６の変形や破損は抑制される。

比較例１のエンドリング保持板２０や比較例２のエンドリング保持部材２１は、ロータバー１５やエンドリング１６の外周と接触する面に径方向内側に突出する段差２０ａ、２１ａを有している。そのため、エンドリング保持板２０やエンドリング保持部材２１では、遠心力による軸方向の荷重分布が段差２０ａ、２１ａの部分で大きく変化する。また、誘導電動機の回転時にはかご形導体に二次電流が流れることで、熱膨張したかご形導体によっても軸方向から段差２０ａ、２１ａが押圧される。これらにより、図４（ａ）（ｂ）の破線で囲んで示した段差の部分で応力集中が生じ、エンドリング保持板やエンドリング保持部材が破損しうる。

これに対し、本実施形態では、エンドリング１６が外周側の保持リング１７で外側から支持されている点は比較例１、２と同様であり、本実施形態においても遠心力によるエンドリング１６の変形や破損は抑制される。

また、本実施形態では、エンドリング１６と保持リング１７の接触部の径方向位置Ｄは軸方向に沿って一定であり、かつ、エンドリング１６の軸方向先端側は保持リング１７に覆われずに外側に露出している。つまり、保持リング１７の内周側には径方向内側に突出する段差が形成されていない。これにより、遠心力による保持リング１７の軸方向の荷重分布が均一に近づき応力集中が生じにくくなるので、保持リング１７の破損を抑制することができる。また、本実施形態では、誘導電流で熱膨張したかご形導体が保持リング１７を軸方向に押圧することもないので、回転時に保持リング１７の応力集中はより生じにくくなる。

また、本実施形態では、保持リング１７においてエンドリング１６を支持する部位の厚さｔが軸方向に一定である。上記の構成によっても、遠心力による保持リング１７の軸方向の荷重分布がさらに均一に近づくので、回転時に保持リング１７の応力集中が生じにくくなる。

また、本実施形態の保持リング１７は比較例１のエンドリング保持板２０と異なり、エンドリング１６の内側に空間ができるので、誘導電動機１０の軽量化を図ることもできる。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

例えば、上記実施形態では、かご形回転子１１がモータに取り付けられる例を説明したが、本発明のかご形回転子は発電機に適用することも可能である。

また、上記実施形態では保持リング１７が回転子鉄心１４に嵌合される例を説明したが、本発明は上記構成に限定されない。例えば、図３に示すように、保持リング１７の外径を回転子鉄心１４と同径にし、保持リング１７を回転子鉄心１４に溶接で固定してもよい。図３の構成によっても、上記実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０…誘導電動機、１１…かご形回転子、１２…固定子、１３…シャフト、１４…回転子鉄心、１５…ロータバー、１６…エンドリング、１７…保持リング

Claims (3)

1. 回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の周方向に配置され、それぞれ前記回転鉄心を貫通し軸方向に延びる複数のロータバーと、
   前記回転子鉄心の軸方向両端に配置され、複数の前記ロータバーを電気的に接続する一対のエンドリングと、
   前記エンドリングの外周に同心状に配置され、前記エンドリングの外周面を支持する保持リングと、を備え、
   前記エンドリングと前記保持リングの接触部の径方向位置は軸方向に沿って一定であり、前記エンドリングの軸方向先端側は前記保持リングに覆われずに外側に露出している
   かご形回転子。
2. 前記保持リングにおいて前記エンドリングを支持する部位の厚さが軸方向に一定である
   請求項１に記載のかご形回転子。
3. 請求項１または請求項２に記載のかご形回転子と、
   固定子と、を備える
   誘導電動機。
   
   

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