JP2854703B2

JP2854703B2 - かご形回転子

Info

Publication number: JP2854703B2
Application number: JP29049990A
Authority: JP
Inventors: 忠幸佐藤; 定良日々野; 資康望月
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH04165945A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、外周部に導体収納用のスロット形成部が複
数形成された鋼板を積層してなる積層鉄心を有するかご
形回転子に関する。

（従来の技術）一般に、この種のかご形回転子は、予め外周部に複数
のスロット形成部を打抜き加工等により形成した磁性鋼
板を多数枚積層して積層鉄心を形成し、この積層鉄心の
スロットにアルミニウム等の二次導体を鋳込み等の方法
で形成し、二次導体の端部をエンドリングにより連結し
た状態にしてかご形導体が形成されている。

この場合、上記回転子が駆動された状態において、固
定子からギャップ部を介して積層鉄心に入る磁束は、高
調波成分を含んだものとなっており、この磁束の高調波
成分により二次導体に高調波起電力を発生させることに
なる。ところが、このような高調波起電力は回転子にと
って異常トルクとして作用し、結果的には脈動トルクと
なったり振動或は騒音の原因となるものである。

そこで、従来、このような高調波成分による悪影響を
抑制するために、回転子に所為スキューを施した積層鉄
心が用いられている。これは、鋼板を積層する際に、ス
ロットの位置を周方向に僅かずつずらしてゆくもので、
例えば全体として固定子スロットの１ピッチ分だけずら
すものがある。このようにすることにより、磁束の高調
波成分により二次導体に発生する起電力の位相が僅かず
つずれるので、全体としての起電力の高調波成分が打ち
消され、異常トルクに寄与する分が抑制されるものであ
る。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述のような従来構成のものでは、次
のような不具合があった。

即ち、まず第１に、鋼板をスキューさせながら積層す
る際に、そのピッチを調節するのに特殊な治具を必要と
すると共に、その調整に多大な時間を要するため（特に
スロットが全閉形のものでは、積層した状態でスロット
の位置が外周方向から見えないため手間がかかる）、コ
ストアップが避けられなくなる。

第２に、このようなスキューされたスロットを有する
積層鉄心に二次導体を収納する際には、例えばアルミニ
ウム等の金属を鋳込みにより形成する必要がある。この
ときスロット内において、鋼板の積層部分の段差ができ
ているところに単等の欠陥部分が発生する場合が生ず
る。そして、このような欠陥部分は、回転子をアンバラ
ンスにするため、特に高速回転においては回転状態の安
定性を低下させる不具合がある。

第３に、このような回転子に生ずる不具合を解決すべ
く、例えば、特開昭64−81647号公報に示されるよう
に、二次導体を鋳込みにより形成しないで棒状の二次導
体を直接スロットに圧入するようにしたものがある。つ
まり、この場合には、固定子側の鉄心をスキューさせる
ことにより、回転子側はスキューを行わないでスロット
を形成して二次導体を圧入により収納するようにしたも
ので、これにより強度を増加させて回転子を高速回転に
充分耐え得る構造とするものである。しかし、この場合
には、固定子側の鉄心をスキューさせているので、固定
子のスロットに巻線や絶縁物を収納するのに手間がかか
って、組立の作業効率が低下し、特に自動実装ができな
くなる等、多大なコストがかかる不具合がある。

さらに、前述の不具合を解決すべく、鋼板の積層時に
スキューを行なわずにスキュー効果のみを得ようとする
ものが考えられているが、例えば、実公昭52−17045号
公報に示されたものは、スロットの開口部或はブリッジ
部に当たる部分をスロットの中心線からずらして形成し
たものである。しかしながら、この場合には、ずれ量の
論理的な値が示されておらず、寸法がずれている場合に
はスキュー効果が殆どなくなってしまう等、実際に適用
する場合には実験等により最適値を求める必要があり、
設計コストが大きくなってしまう不具合があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目
的は、積層鉄心にスキューを施すことなくスキュー効果
と同等の異常トルク，振動及び騒音抑制効果を得ること
ができ、しかも、積層鉄心の温度上昇を極力抑えること
ができるかご形回転子を提供するにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明のかご形回転子は、外周部に導体を収納するた
めのスロット形成用の打抜部が形成された鋼板を所定枚
数積層して積層鉄心を形成して成るものを対象とし、前
記鋼板の打抜部は、その外周側のブリッジ部或は開口部
が前記導体が収納される主部の中心線に対して一方側に
（Ａ）式が満たす距離ｄだけずれた位置となる非対称形
状に形成され、前記積層鉄心は、前記鋼板を前記打抜部
が合致するようにして複数枚積層された単位ブロックを
軸方向に複数組合せ構成すると共に、隣接する単位ブロ
ックどうしは、一方が他方に対して裏返しの状態で且つ
前記主部が合致するように配置され、更に、各単位ブロ
ック間には前記スロット内における前記導体とスロット
内周との間の隙間に連通するダクト部が介在されている
ところに特徴を有する。

し、D:回転子直径 z:対応する固定子のスロット数 p:極対数（作用）本発明のかご形回転子によれば、第１図に示す如く、
積層鉄心24は、打抜部30を有する鋼板29を同じ位置で複
数枚積層して単位ブロック31,32を形成している。そし
て、この単位ブロック31,32はダクト部34（第４図参
照）を介して組み合わされている。そして、このダクト
部34は、各単位ブロック31,32におけるスロット25内周
と導体26間の隙間35,36と連通している。さらに、前記
スロット25は回転軸の軸線に平行に形成され、その主部
30aに対して、ブリッジ部或は開口部30b（図中ではスロ
ット25を全閉形のものとし、外周側がブリッジ部30bと
なる場合を示す）は、主部30aの中心線ｌから所定距離
ｄだげずれた位置に形成されていると共に、単位ブロッ
ク31,32毎にずれる方向が逆になるように配置されてい
る。

これにより、外形上においては、スロット25の主部30
aが回転軸の軸線に対して傾斜のない形状とされ、二次
導体26を鋳込み形成する際に、鋼板29の積層状態で段差
がなくなることにより、巣等の欠陥の発生を低減でき
る。また、スロット25内周と導体26との間の隙間35,36
はダクト部34を介して連通しているので、スロット25の
隙間35,36内に流入した冷却風は、単位ブロック31,32間
の接合面でせき止められることなく、円滑に対流するよ
うになり、その冷却風の対流によって積層鉄心24の放熱
が促進される。

また、電気的特性としては以下に示す原理により、ス
キューした場合のものと同様の効果が得られ、回転子の
駆動に伴う異常トルク発生や振動，騒音を極力抑制でき
るものとなる。

即ち、第２図に示すように、固定子側からギャップを
介して単位ブロック31,32に入り込む磁束Φ_Ａ及びΦ_Ｂ
は流入経路が異なり、位相差α（電気角）が生ずる。磁
束Φ_Ａ及びΦ_Ｂにより二次導体26に誘起される電圧を夫
々e_A及びe_Bとすると、これも同様に位相差αが生ずる。
この位相差αは磁束Φ_Ａ及びΦ_Ｂの磁路の周方向のずれ
に相当する距離2dにより生ずるもので、具体的には、極
対数ｐと積層鉄心24の外径Ｄにより表わされる極ピッチ
τにより、次式のように与えられる。

但し、一方、誘起電圧e_A及びe_Bは夫々第３図に示すようにベ
クトル量として表わされる量であり、実際に回転子の導
体26に発生する電圧ｅはこれらの和ｅ＝e_A＋e_Bとして表
わされる値である。磁束Φ_Ａ及びΦ_Ｂには高調波成分が
含まれ、これにより誘起電圧e_A及びe_Bにも高調波成分が
生ずる。しかし、両者の間には位相差αがあるため、こ
れらの合成値となる誘起電圧ｅに含まれる高調波成分の
度合いは各次数に応じて異なる値となる。

このような誘起電圧ｅに含まれる高調波成分の度合い
を示すスキュー係数Ksnは次式によって与えられる。

いま、単位ブロック31,32の厚さを同じ寸法とする
と、|e_A|＝|e_B|となり、第３図に概念図にベクトルで示
すように、式（２）の分母の値は線分OAの２倍の長さ2r
に等しくなる。また、同式の分子にあるベクトル和の大
きさは同図線分OBの長さｑに等しくなる。そして、これ
らの値を式（２）に対応して表わすと、次のように算出
される。

また、第ｎ次高調波においては位相角αがｎ倍となる
ので、αをnaに置き換えると、結局式（２）のスキュー
係数Ksnは、次式のように表わせる。

Ksn＝cos（ｎα/2） …（４）さて、一般に、異常トルク，振動或は騒音を発生しや
すい高調波は、固定子スロットによる溝高調波によるも
のであることは良く知られているところであるが、この
高調波の次数μ_ｓは、次のように表わされる。

（但し、ｚは固定子スロット数とする）従って、上記式（５）に示される次数における本発明
の場合のスキュー係数Ksnの値は、式（４）に基づいて
次のように算出される。即ち、まず、設定された距離ｄ
の範囲（Ａ）に対して、位相差αの範囲は、式（１）よ
り、この結果に基づいて式（４）に示されるスキュー係数Ks
nのうち、まず１次（ｎ＝１）の場合について求める
と、（ａ）αの下限値で、（ｂ）αの上限値で、ここで、一般的な場合には、固定子のスロット数ｚが極
対数ｐに比べて大きいので（例えばｚ＝48,p＝２）、第
（7a），（7b）式の値は略１になる。

一方、式（５）で示されるμ_ｓ次の高調波によるスキ
ュー係数Ksnは、距離ｄの上限値及び下限値の夫々に対
応して、ここで、固定子のスロット数ｚが極対数ｐに比べて大
きい一般的な場合を考えると、 Ksn〜cos（π/2）＝０ …（９）となって、式（５）に示す回転子に悪影響を及ぼす第μ
_ｓ次のスキュー係数Ksnを略ゼロとすることができる、
従って、いずれの場合においても導体に誘起される電圧
のうち、回転子の回転力として有効に作用する１次の成
分に対してはスキュー係数を略１にすることができ、異
常トルク，振動或は騒音の原因となる次数μ_ｓの高調波
成分の誘起電圧を極力低減させることができ、スキュー
を行った場合と同様に効果が得られるのである。

尚、このようにして導出されるスキュー係数を種々の
条件に応じて算出した結果を第５図に示す。この場合、
従来のスキューを行った場合の係数値を併記しており、
そのときのスキュー係数Kns′は次式で与えられてい
る。

この結果からもわかるように、従来のスキューを行っ
た場合には、距離ｄの値が式（Ａ）の範囲においても殆
ど0.6以上の大きな値となるのに対し、本発明のものは
0.1以下或はその近傍の値となり、十分大きなスキュー
効果が得られている。

（実施例）以下、本発明をモータに適用した場合の一実施例につ
いて第６図乃至第９図を参照しながら説明する。

まず、全体構成を断面で示す第６図において、固定子
19は、固定子鉄心20と図示しないスロットに収納された
固定子巻線21からなるもので、固定子鉄心20は、スロッ
ト部分が打抜き形成された鋼板をスキューしないで積層
することにより形成されている。

一方、かご形回転子22は、図示しない軸受に支持され
た回転軸23とこの回転軸23に嵌着された積層鉄心24から
なり、その積層鉄心24にはスロット25が外周部に沿って
多数形成されている。そして、積層鉄心24のスロット25
には、二次導体26がダイキャスト（鋳込み成形）される
と共にそれらの端部を連結するように前記二次導体26と
一体でダイキャストされたエンドリング27が設けられて
かご形導体28が構成されている。

次に、かご形回転子22について詳細に述べる。積層鉄
心24を構成する鋼板29は、ケイ素鋼板等の磁性板からな
り、外径寸法をＤとする円盤状のもので、第７図に示す
ように外周部に所定間隔を存してスロット25形成用の打
抜部30が多数形成されている。この打抜部30は、二次導
体26がダイキャストされる主部30aと、スキュー効果を
発生させるためのブリッジ部30bとが次の関係で配置形
成されている。即ち、ブリッジ部30bの位置は、主部30a
の中心線ｌに対して所定の距離ｄだけ一方側にずれるよ
うに配置されている。そして、距離ｄは、前述した
（Ａ）に示す条件を満たす値として、次のように設定さ
れている。

ｄ＝（πＤ）／（4z） …（イ）このような鋼板29を同一位置で（つまりスキューしな
いで）所定枚数積層して全体の厚さＬから連通部33の幅
Ｓを減じた（Ｌ−Ｓ）の1/2の厚みの単位ブロック31,32
を形成している。また、この単位ブロック31と、同様に
して形成され打抜部30が裏返しに配置された単位ブロッ
ク32との間には、連通部33が介在されており、この連通
部33には、スロット25と同数のダクト部34が形成されて
いる。これら各ダクト部34は、第７図に示すように各単
位ブロック31,32におけるスロット25と二次導体26の隙
間35,36に連通し、打抜部30を包含する様な形状を成し
ている。そして、両単位ブロック31,32をダクト部34を
介して打抜部30の主部30aが重なるようにして組合わせ
た状態にして積層鉄心24を構成している。従って、積層
鉄心24のスロット25を回転軸26の軸方向から見た場合、
各スロット25は、両単位ブロック31,32間でブリッジ部3
0bの位置が距離2dだけずれ、それをダクト部34が包含す
る様な位置関係となる。

上記した構成の積層鉄心24を製造するには、下記の様
な方法がある。

単位ブロック31,32と連通部33を接合する際に、予め
スロット25の隙間35,36に、水溶性又は二次導体26より
低融点の合金で作られた中子を挿入し、同様にして連通
部33のダクト部34にも中子を挿入しておく。そして、金
型内に前記中子が装着された積層鉄心24を装着し、その
金型内に溶湯を注入して二次導体26及びエンドリング27
を一体にダイキャストする。そして、中子は、成形後に
水で溶かしたり或いは加熱して取り除く。尚、二次導体
26より低融点の合金で作られた中子は、表面にスロット
絶縁塗料等を塗布して耐熱コーディングしておけば、溶
湯から中子を保護することができる。

一方、固定子鉄心20も回転子22と同じく中間にスペー
サ37を介在させて軸方向寸法を回転子22と揃えている。

ところで、本実施例におけるかご形回転子22は、回転
状態においては以下に示すようなスキュー効果が得られ
る。

即ち、本実施営においては、前述した距離ｄを式
（イ）に示すように設定しているので、式（６）に相当
する位相差αの値は、 α＝ｐπ/z …（ロ）となる。従って、スキュー係数Ksnは、式（7a），（7
b）及び式（８）に対応して次のような値が得られる。

（ａ）１次の場合（ｎ＝１）（ｂ）μ_ｓ次の場合（μ_ｓ＝z/p±１）いま、例えばステータのスロット数ｚを36として計算
すると第８図に示すようになる。この結果、式（ハ）に
おけるスキュー係数Ksnの値は0.996であるから略１と見
なせ、また、式（ニ）におけるスキュー係数Ksnの値は1
7次,19次共に0.087であるから略ゼロと見なせる。そこ
で、従来と本実施例とのスキュー係数Ksn及びKsn′を比
較すると、17次,19次で本実施例の場合が従来の13％か
ら15％に低下している。従って、高調波トルクが減少す
るので、異常トルクの発生は極力抑制されると共に、振
動，騒音の発生も低減されるのである。第９図には、本
実施例のかご形回転子を用いたモータの回転速度とトル
クとの関係を示している。図中、破線で本実施例の特性
を示す、実線で従来のスキューを行った場合の特性、さ
らに一点鎖線でスキューしない場合の特性を示してい
る。この結果によれば、スキューしないものにおいて回
転数が上昇する際にトルクが低下して異常トルク発生状
態となるのに対し、本実施例は高調波トルクの減少によ
りトルクの低下が改善され、そのスキュー効果は従来の
スキューしたものと同等以上の特性を示していることが
わかる。従って、始動がスムーズに行なえると共に、短
時間で加速が行なえるのである。

ところで、上記構成からダクト部34を取り除き、両単
位ブロック31,32を直接に重ね合わせた場合を考える
と、この構成では、スロット25内周と二次導体26との間
に隙間35が形成されたとしても、この隙間35は、両単位
ブロック31,32接合面にて塞がれてしまう。このため、
スロット25内の隙間35に外気が入っても、前記両単位ブ
ロック31,32の接合面にてせき止められてしまい、折角
の隙間35も、冷却風の通風部として有効に機能しなくな
ってしまう。

その点、本実施例では、単位ブロック31,32の間に、
前記隙間35,36と連通するダクト部34を介在させたの
で、単位ブロック31の隙間35より流入した冷却風は、上
述した場合とは異なり、単位ブロック31,32の接合面に
おいてせき止められることもなく、ダクト部34を通し
て、円滑に他方の単位ブロック32に流入する。つまり、
本実施例では、冷却風の対流は極めて円滑であり、従っ
て、積層鉄心24は速やかに放熱される様になる。

尚、上記実施例においては、二次導体26をダイキャス
トにより収納する場合のものについて述べたが、これに
限らず、例えば、二次導体を圧入により形成するもので
も良い。この場合、両単位ブロック31,32間に連通部33
を接合した後に、スロット25の主部30に二次導体を圧入
する構成としても良いし、或いは、予め二次導体が収納
された単位ブロックを接合する構成としても良い。

また、上記実施例においては鋼板をケイ素鋼板とした
が、これに限らず、例えば冷間圧延鋼板或いはアモルフ
ァス磁性材を使用しても良い。

そして、上記実施例においてひ、スロット25を全閉形
のものとしたが、これに限らず、半閉形のものでもよい
し、普通かご形以外の二重かご形，深溝かご形のもので
も良いし、また、距離ｄの値を式（イ）のように設定し
たが、これに限らず、式（Ａ）に示す範囲であれば良
い。

さらに、上記実施例においては、単位ブロック31,32
を２個設けた場合について述べたが、これに限らず、３
個以上であっても良い。

［発明の効果］以上説明したように、本発明のかご形回転子によれ
ば、打抜部を同一位置で積層してスロットを回転軸の軸
方向に平行に形成したので、鋳込みにより二次導体を形
成する場合においては、巣等の欠陥の発生を極力抑制で
き、さらに、二次導体を圧入することもでき、この場合
には、高温状態にさらされないので鋼板としてアモルフ
ァス磁性材等の引張り強度の大きな材料を結晶化させる
ことなく用いることができる。しかも、この場合でも、
スロットのブリッジ部或は開口部を主部の中心線から式
（Ａ）で示される範囲の距離ｄに設定したので、スキュ
ーを施したのと同様の効果が得られ、回転子は高調波成
分による異常トルクの発生を極力抑制できると共に、振
動．騒音の発生も極力抑制できる。更に、各単位ブロッ
ク間にスロット内の隙間に連通するダクト部を介在させ
たので、スロット内周と導体の隙間より流入した冷却風
は、単位ブロック間の接合面でせき止められることなく
円滑に対流する様になり、積層鉄心の放熱が促進されて
冷却性能が向上するという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の作用を説明するための原理
図で、第１図は積層鉄心の外観を一部を破断して示す斜
視図、第２図はスロットに入り込む磁束の状態を示す説
明図、第３図は導体に誘起される起電力を示す説明図、
第４図は積層鉄心の部分横断面図、第５図は種々の計算
例を示す図である。そして、第６図乃至第９図は本発明
の一実施例を示し、第６図は全体構成の縦断側面図、第
７図は積層鉄心の部分横断平面図、第８図はスキュー係
数の計数結果を示す図、第９図は回転数とトルクの相関
を示す特性図である。図面中、19は固定子、20は固定子鉄心、22はかご形回転
子、23は回転軸、24は積層鉄心、25はスロット、26は二
次導体、27はエンドリング、28はかご形導体、29は鋼
板、30は打抜部、30aは主部、30bはブリッジ部（或いは
開口部）、31,32は単位ブロック、33は連通部、34はダ
クト部、35,36は隙間である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特許2695952（ＪＰ，Ｂ２) 実公昭52−17045（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02K 17/16 H02K 1/26 H02K 1/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外周部に導体を収納するためのスロット形
成用の打抜部が形成された鋼板を所定枚数積層して積層
鉄心を形成して成るかご形回転子において、前記鋼板の
打抜部は、その外周側のブリッジ部或は開口部が前記導
体が収納される主部の中心線に対して一方側に（Ａ）式
を満たす距離ｄだげずれた位置となる非対称形状に形成
され、前記積層鉄心は、前記鋼板を前記打抜部が合致す
るようにして複数枚積層された単位ブロックを軸方向に
複数組合せて構成すると共に、隣接する単位ブロックど
うしは、一方が他方に対して裏返しの状態で且つ前記主
部が合致するように配置され、更に、各単位ブロック間
には、前記スロット内における前記導体とスロット内周
との間の隙間に連通するダクト部が介在されていること
を特徴とするかご形回転子。但し、D:回転子直径 z:対応する固定子のスロット数 p:極対数