JP3380342B2

JP3380342B2 - 誘導電動機

Info

Publication number: JP3380342B2
Application number: JP26193694A
Authority: JP
Inventors: 縫夫土田; 由之柴田
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JPH08103058A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘導電動機に関し、特
に高いトルクを発生し得る誘導電動機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】誘導電動機は、堅牢で安価であり速度制
御の必要がないため、従来から種々の産業分野で広く利
用されている。また、可変速度で用いられる場合に従来
は直流モータが主流であったのが、パワーエレクトロニ
クス素子の進歩、及び、ベクトル制御等の制御技術の発
展により誘導電動機の可変速度運転が可能となり、現在
直流モータに取って代わりつつある。この誘導電動機の
原理は、固定子に配置された１次コイルに電流を流して
磁束を発生させ、この磁束により回転子側に誘導電流を
発生させ、該磁束と誘導電流との相互作用によりトルク
を発生させるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この誘導電動機におい
て、種々の分野で高トルクが要求されているが、モータ
自体の構成により高トルクを発生し得る技術については
あまり提案されていなかった。なお、誘導電動機が高ト
ルクを発生し得ない主たる原因は、固定子により発生さ
れる磁束がバイパスし（回転子の内側まで入らず）、ト
ルクの発生に寄与する回転子の径方向への磁束密度が小
さいことにある。

【０００４】この磁束のバイパスについて図１０を参照
して説明する。図１０は４極のかご型誘導電動機を表
し、固定子８２には巻線８４が設けられて、回転子８６
には複数の二次導体８８ａを備えるかご８８が設けられ
ている。なお、図中の矢印Ａは固定子８２により発生さ
れる磁界の回転方向を示している。誘導電動機では、固
定子８２に設けられた各極において磁力線９０がループ
状の軌跡を取り、回転子８６における径方向に向かう成
分が小さかった。更に図１１を参照して、磁束のバイパ
スによるトルクの低下について説明する。図１１（Ａ）
は、回転子８６に設けられたかご８８を構成する複数の
二次導体８８ａの内の１つの二次導体Ｇに於ける速度起
電力の発生を表す図である。二次導体Ｇは、回転子８６
の回転に伴い矢印Ｃ方向に磁束Ｂに対して速度ｖで相対
的に移動している。この二次導体Ｇに於ける速度起電力
ｅは、フレミング右手の法則に従い有効な磁束成分と速
度との積となる。ここで有効な磁束成分は、移動方向に
垂直方向（即ち、回転子の径方向）の成分となるが、こ
こでは磁束が径方向から cosθ分偏向しているのでＢco
sθとなる。従って、速度起電力ｅは（ｖ×Ｂ cosθ）
Ｌとなる（ここでＬは、二次導体Ｇの長さを表してい
る）。即ち、速度起電力ｅは cosθ分低下することにな
る。

【０００５】更に、該二次導体Ｇで発生する力Ｆについ
て、図１１（Ｂ）を参照して説明する。該二次導体Ｇを
流れる電流ｉは、二次導体の抵抗分をＲとすると、ｉ＝
ｅ／Ｒで表される。また、二次導体Ｇで発生する力Ｆ
は、フレミング左手の法則に従い、磁束Ｂと上記速度起
電力ｅによる電流ｉとの積になりＦ＝（ｉ×Ｂ）Ｌ＝
〔（ｖ・Ｂ cosθ・Ｌ）／Ｒ〕・Ｂ・Ｌで表される。こ
の発生力Ｆは磁束Ｂに対して垂直方向に発生するため、
回転子８６を回転させる二次導体Ｇにおける力は、この
力Ｆの cosθ成分（回転子に対する接線成分）であるＦ
cosθとなる。従って、発生する力は、〔（ｖ・Ｂ cos
θ・Ｌ）×Ｂ）〕Ｌ・ cosθ＝ｖ・Ｂ²・Ｌ²・ cos²
θとなり、磁束の径方向に対する偏向角度である cosθ
の２乗で低下していることが分かる。

【０００６】磁束のバイパスを防ぎ誘導電動機のトルク
を増大せしめる構造として、図１２に示す回転子が提案
されている。この回転子１８６は、軸１７０に積層鉄心
１７２を取り付け、多数の鉄線１７４を放射状に埋め込
んだ銅製ロータ１７６を該積層鉄心１７２の回りに設け
た構造になっている。磁束は、磁気抵抗の小さな鉄線１
７４を透過するために径方向へ向けられることになり、
上述した cosθの値が“１”に近づきトルクを増大させ
ることができる。しかしながら、銅製ロータ１７６に多
数の鉄線１７４を放射状に配置しなければならないた
め、構造が複雑になりコストが高くなるという問題点が
あった。

【０００７】また、誘導電動機のトルクを増大させる別
の方法として、図１３に示す回転子の内側に固定子を設
ける構造が、ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯ
ＮＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，ＶＯＬ．ＭＡＧ−２０，
ＮＯ．５，ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ１９８４の第１７８６
〜１７８８頁に紹介されている。この誘導電動機では、
外部固定子２８２Ａの内側に、中空シャフト２７０Ａに
支持された回転子２８６を配置し、更に、この回転子２
８６の内側に内部固定子２８２Ｂが配置されている。こ
の内部固定子２８２Ｂはシャフト２７０Ｂに固定され、
回転子２８６は、シャフト２７０Ｂに対してベーアリン
グ２７２により片持ち支持されている。なお、中空シャ
フト２７０Ａには冷却用のファン２７４が周設されてい
る。

【０００８】図１３に示す誘導電動機では、トルクを増
大できる反面、回転子２８６の回転力を中空シャフト２
７０Ａを介して取り出すと共に該回転子２８６を片持ち
支持するため、構造が複雑で製造し難く、また、シャフ
ト２７０Ｂ内に内部固定子２８２Ｂ用の電線を通す必要
があり、配線が困難であった。この誘導電動機の構造を
本発明者が磁場解析したところ、高いトルクを発生させ
るためには、外部固定子２８２Ａと内部固定子２８２Ｂ
とで、等しい強さの磁束を発生させる必要があることが
判明した。しかしながら、このためには外部固定子２８
２Ａを薄く（巻線の量を少なくする）すると共に内部固
定子２８２Ｂの半径を大きく（巻線の量を多く）しなけ
ればならない。即ち、従来の誘導電動機の固定子に相当
する外部固定子２８２Ａの巻線量を減らさなければなら
ないため、従来の誘導電動機に対して大幅なトルク向上
は望みえなかった。また、ファン２７４が設けられてい
るものの、内部固定子２８２Ｂの冷却が問題となった。
更に、この誘導電動機は、内部固定子２８２Ｂの外側に
設けられた回転子２８６から成る１つのモータと、外部
固定子２８２Ａの内側に設けられた回転子２８６から成
る１つのモータとを組み合わせたモータであると考える
ことができ、この構造ではトルクを向上させ得る反面、
効率が従来の誘導電動機に対してかなり低下した。これ
らの問題から、図１３に示す誘導電動機は実用化に向け
ての研究及び提案は続けられていない。

【０００９】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、その目的とするところは、簡易且
つ堅牢な構成で高いトルクを発生し得る誘導電動機を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では回転磁界を発生する固定子２２と、軸３
２に固定され該固定子２２内で回転する回転子２６とか
ら成る誘導電動機２０であって、前記回転子２６内に形
成された中空空間に配置される磁気抵抗の低い材質から
成り、外周に前記固定子２２の回転磁界と対向するよう
に磁石３６が取り付けられ、前記軸３２に回転自在に支
持された筒状部材３４を有することを特徴とする。

【００１１】

【作用】上記のように構成された誘導電動機２０では、
筒状部材３４の表面に固定子２２の回転磁界と対向する
ように磁石３６が取り付けられているため、固定子２２
が励磁され回転磁界が発生するとこれに同期して該筒状
部材３４が回転する。該固定子２２に発生される磁束
は、対向する磁石３６へ向かうため、回転子２６に対し
て径方向に横切ることになる。即ち、回転子２６に対し
て磁束が径方向に横切るため、回転子２６に発生するト
ルクが大きくなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を図を参照
して説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る４０
０Ｗの３相４極かご型誘導電動機２０の構成を示してい
る。ここで図１（Ａ）は縦断面を、図１（Ｂ）は横断面
を表している。固定子２２の内周には複数のスロット２
４が設けられ、それぞれのスロット２４には巻線２３が
配置されている。この固定子２２は従来のかご型誘導電
動機と同じものが用いられ、略中央部には１対のベアリ
ング３０、３０が取り付けられ、軸３２を回転自在に支
持している。この軸３２には、かごを組み込んだ回転子
２６が固定されている。かごは従来のかご型誘導電動機
と同様に１対の短絡環２８ｂ（図１（Ｂ）中には一方の
み示す）と複数の二次導体２８ａとから成る。この回転
子２６の内側には、鋼製の筒状ロータ３４が配置され、
該筒状ロータ３４は１対のベアリング３８、３８により
軸３２に対して回転可能に支持されている。この筒状ロ
ータ３４の外周には、かご型誘導電動機２０の極（界
磁）の数に対応させて４つの永久磁石３６が取り付けら
れている。この永久磁石３６は、ネオジウム−鉄−ほう
素磁石により構成されている。なお、図示しないが、上
記固定子２２の外周には固定子枠が設けられている。

【００１３】次に、上記かご型誘導電動機２０の動作に
ついて図２を参照して説明する。固定子２２の巻線２３
に３相交流が通電されると、図中矢印Ａの向きに回転磁
界が発生する。この回転磁界の磁束が回転子２６の各二
次導体２８ａを横切ることにより、該二次導体２８ａに
速度起電力が発生し、この速度起電力により該二次導体
２８ａ内に電流が流れ、この電流と磁束との相互作用に
よりトルクが発生して回転子２６を磁界と同じ方向へ回
転させる。この回転速度は、発生するトルクに関連して
滑りを有し固定子２２側の回転磁界の速度よりも低い。
他方、筒状ロータ３４は、固定子側に発生する磁力に各
永久磁石３６が吸引されるため、固定子２２に発生する
回転磁界に完全に同期して回転する（正確には、僅かな
角度的な遅れを有している）。このかご型誘導電動機２
０では、磁束が対向する永久磁石３６へ向けられるた
め、回転子２６の二次導体２８ａに対して径方向に横切
ることになる。即ち、二次導体２８ａに対して磁束が径
方向に横切るため、回転子２６に発生するトルクが大き
くなる。

【００１４】このトルクの発生原理について、図３を参
照して更に詳細に説明する。図３（Ａ）に示すように、
巻線２３からの磁力線９０は対向する永久磁石３６側に
向かうと共に、永久磁石３６からの磁力線９０は対向す
る巻線２３側に向かうことになる。即ち、磁束は回転子
２６の径方向に向けれられる。従って、回転磁界の回転
に伴い矢印Ｃ方向に磁束Ｂに対して速度ｖで相対的に移
動している１つの二次導体Ｈに於ける速度起電力ｅは、
フレミング右手の法則に従い有効な磁束成分と速度との
積となる。ここで有効な磁束成分は、相対的な移動方向
Ｃに対して垂直方向（即ち、回転子の径方向）の成分で
あるが、ここでは磁束が径方向に向けられているため全
ての磁束Ｂが有効に働くことになる。従って、速度起電
力ｅはｖＢＬで表される（ここでＬは、二次導体Ｈの長
さを表している）。

【００１５】更に、該二次導体Ｈで発生する力Ｆについ
て、図３（Ｂ）を参照して説明する。該二次導体Ｈを流
れる電流ｉは、二次導体Ｈの抵抗分をＲとするとｉ＝ｅ
／Ｒで表される。また、二次導体Ｈで電流と磁束の相互
作用により発生する力Ｆは、フレミング左手の法則に従
い、磁束Ｂと上記速度起電力ｅによる電流ｉとの積とに
なりＦ＝（ｉ×Ｂ）Ｌ＝で表される。この発生力Ｆは、
径方向に向かう磁束Ｂに対して垂直方向（即ち回転子２
６の接線方向）に発生するため、回転子２６を回転させ
る向きに発生することになる。従って、各二次導体で発
生する力は、全て回転子２６のトルクとして有効に用い
られることとなる。

【００１６】ここで、かご型誘導電動機２０に発生する
径方向の磁束密度（Ｔ）を磁場解析により計算した結果
について図４のグラフを参照して説明する。グラフ中の
点線は従来型のかご型誘導電動機のものを、実線は第１
実施例のものを示し、また、横軸は電気角（ｒａｄ）
を、縦軸は径方向の磁束密度（Ｔ）を表している。ここ
で、比較対象としている従来のかご型誘導電動機は、第
１実施例のかご型誘導電動機２０と同一規格の固定子及
び巻線とかごとを有する。これに対して第１実施例のも
のは、図１を参照して前述したように、該回転子２６内
に永久磁石３６の固定された筒状ロータ３４が配置され
ている点で異なる。図中で、磁束密度の谷（磁束密度
０）は、透磁率の低いかごにより磁束の通過が妨げられ
ている部分である。従来のかご型誘導電動機において、
磁束が電気角に対して正弦波状に変化しているのに対し
て、第１実施例のかご型誘導電動機２０においては、矩
形波状に、即ち、電気角π／４近傍にて急峻に立ち上が
って（立ち下がって）いる点に注意されたい。このグラ
フから分かるように、第１実施例のかご型誘導電動機２
０では、全ての電気角に渡って従来型よりも磁束密度
（Ｔ）が向上している。磁束密度の増加分は大きくなく
ても、トルクは径方向の磁束密度の２乗に比例するため
大きく増加している。

【００１７】またここで、第１実施例のかご型誘導電動
機２０と、従来のかご型誘導電動機とを有限積分方程式
プログラムを用いて二次元磁場解析を行った結果につい
て図５を参照して説明する。ここで、図５（Ａ）は従来
のかご型誘導電動機における磁力線を、また、図５
（Ｂ）は第１実施例のかご型誘導電動機２０における磁
力線を示している。図５（Ａ）から分かるように、従来
のかご型誘導電動機では、磁力線がバイパスして回転子
の径方向に向かわないのに対して、図５（Ｂ）から第１
実施例のかご型誘導電動機２０では、磁力線が回転子の
径方向に向けられていることが分かる。このように磁場
解析の結果からも図３を参照し前述したトルクの向上が
実証される。

【００１８】更に、この第１実施例のかご型誘導電動機
２０による発生トルクについて図６を参照して説明す
る。グラフ中の点線は従来型のかご型誘導電動機のもの
を、実線は第１実施例のかご型誘導電動機２０のものを
示し、また、横軸は回転数（ｒｐｍ）を、縦軸はトルク
（Ｎ・ｍ）を表している。ここでは、ほぼすべり零の回
転数（１８００ｒｐｍ）から誘導電動機に負荷を大きく
して行き、すべりを大きくして回転数を下げていったと
きの発生トルクを測定した。従来のかご型誘導電動機
が、９００〜１１００ｒｐｍの間で最大トルク（停動ト
ルク）が６．４Ｎ・ｍであったのに対して、第１実施例
のかご型誘導電動機２０では、９００ｒｐｍにて７．６
Ｎ・ｍを発生し、トルクが約１９％向上している。

【００１９】次に、この第１実施例のかご型誘導電動機
２０による力率について説明する。図７はかご型誘導電
動機２０にトルク検出器等の負荷を取り付けて実測した
線間電圧−力率特性図である。この図から明らかなよう
に本第１実施例（マグネット付き）の場合は、力率角
（ψ）＝０、即ち、 cosψ＝１で運転できる。これか
ら、このかご型誘導電動機２０は、従来型が力率（ cos
ψ＝０．７５〜０．８５）であるのに対し、 cosψ＝１
として力率を１００％で運転することができる。

【００２０】また、図７より明らかなように従来型は力
率角が遅れ力率内に限定されている。しかし、本実施例
では力率角が遅れ力率から進み力率の広範囲におよんで
いる。これによって本実施例のかご型誘導電動機は任意
の力率で運転することができる。

【００２１】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。第１実施例では、かご型誘導電動機の内部に、永久
磁石３６が取り付けられた筒状ロータ３４を配置した
が、この第２実施例では、ソリッドロータ型誘導電動機
に第１実施例の筒状ロータ３４を配置している。この第
２実施例のソリッドロータ型誘導電動機の機械的構成に
ついては、図１を参照し前述した第１実施例のものと同
様であるため図示及び説明は省略する。このソリッドロ
ータ型誘導電動機では、回転子にかごや巻線のない塊状
鉄芯回転子（但し、筒状ロータ３４を収容するための中
空部分が形成されている）を用いている。このソリッド
ロータ型誘導電動機は、コギングトルクがなく、始動ト
ルクが大きく垂下特性を有している。

【００２２】この第２実施例に係るソリッドロータ型誘
導電動機に発生した径方向の磁束密度（Ｔ）を解析した
結果について図８のグラフを参照して説明する。グラフ
中の点線は従来型のソリッドロータ型誘導電動機のもの
を、実線は第２実施例のものを示し、また、横軸は電気
角（ｒａｄ）を、縦軸は径方向の磁束密度（Ｔ）を表し
ている。ここで、比較対象としている従来のソリッドロ
ータ型誘導電動機は、第２実施例のソリッドロータ型誘
導電動機と同一規格の固定子及び巻線を有するが、回転
子がソリッドな鉄鎮で形成されている。これに対して、
第２実施例のものは、上述したように回転子内に永久磁
石の固定された筒状ロータが配置されている。従来のソ
リッドロータ型誘導電動機において、磁束が電気角に対
して正弦波状に変化しているのに対して、第２実施例の
ソリッドロータ型誘導電動機においては、矩形波状に、
即ち、電気角π／４近傍において急峻に立ち上がってい
る点に注意されたい。このグラフから分かるように、第
１実施例のソリッドロータ型誘導電動機では、全ての電
気角に渡って従来のものよりも磁束密度（Ｔ）が大きく
向上している。

【００２３】またここで、第１実施例のソリッドロータ
型誘導電動機と、従来のソリッドロータ型誘導電動機と
を二次元磁場解析を行った結果について図９を参照して
説明する。ここで、図９（Ａ）は従来のソリッドロータ
型誘導電動機における磁力線を、また、図９（Ｂ）は第
２実施例のソリッドロータ型誘導電動機における磁力線
を示している。図９（Ａ）から分かるように、従来のソ
リッドロータ型誘導電動機では、磁力線がバイパスして
回転子の径方向に向かわないのに対して、図９（Ｂ）か
ら第２実施例のソリッドロータ型誘導電動機では、磁力
線が回転子の径方向に向けられていることが分かる。

【００２４】図５を参照した第１実施例のかご型誘導電
動機２０の磁場解析から理論的に２５％トルクが改善さ
れることが算出され（径方向の磁束密度の２乗を回転子
の周囲について積分することにより算出）、図６を参照
して前述したように測定の結果実際に１９％のトルク向
上を果たすことができた。即ち、永久磁石３６により磁
束の向きを径方向に整えることにより高いトルクが得ら
れることが実証された。また、第２実施例のソリッドロ
ータ型誘導電動機では、図８に示す磁場解析の結果、実
に７５％のトルク改善を成し得ることが算出された。即
ち、第１実施例では、かご型誘導電動機でありかごによ
り磁束が整えられるため、永久磁石３６の効果が相対的
に大きくは現れないが、磁束の流れがバイパスし易いソ
リッドロータ型誘導電動機では、大きな効果が得られる
ものと予想される。このソリッドロータ型誘導電動機の
実機による測定は完了していないが、かなり高い数値が
得られるものと推測される。更に、この第１、第２実施
例では、図１３を参照して前述した従来技術と異なりエ
ネルキーを消費しない永久磁石３６を固定子の回転磁界
と共に回転させるだけの簡易な構造であり、エネルキー
のロスがほとんどないため、トルクの向上のみでなく誘
導電動機の効率をも改善し得る。

【００２５】従来の誘導電動機のベクトル制御等の制御
方法においては、磁束密度及び磁束の方向を一定である
との仮定の基に解析を行い制御システムを構築していた
ため、回転子の磁束等の変化によって精密に誘導電動機
を制御できない事態がしばしば起こった。これに対して
第１及び第２実施例の誘導電動機では、回転子の磁束密
度及び磁束の方向が常に一定であり、ベクトル制御のた
めの解析が容易且つ正確に行い得るので、更に精密に誘
導電動機を制御することが可能となる。

【００２６】なお、図１を参照して前述した第１実施例
のかご型誘導電動機２０の構成において、筒状ロータ３
４に鉄製の部材を用いたが、磁束を良好に透過し得る材
料であればニッケル等を用いることも可能である。ま
た、図１に示す筒状ロータ３４の構成では、軸３２との
間に中空部分が設けられているが、肉圧を更に厚くして
軸３２以外の部分を鉄で構成することも可能である。反
対に肉圧を更に薄くすることも可能であるが、肉圧をあ
まり薄くすると磁束が通り難くなるため、磁束を透過さ
せ得るだけの肉圧は必要である。

【００２７】

【効果】以上記述したように本発明の誘導電動機によれ
ば、固定子に発生される磁束が対向する磁石に向かうた
め、回転子に対して径方向に横切ることになる。即ち、
回転子に対して磁束が径方向に横切るため、回転子に発
生するトルク、即ち、誘導電動機のトルクが大きくな
る。また、本発明の誘導電動機では、外周に固定子の回
転磁界と対向するように磁石が取り付けられた筒状部材
を回転子内に配置するだけの簡単な構成でトルクの向上
が図り得るため、安価かつ堅牢に構成することができ
る。このため、安価且つ堅牢という誘導電動機の特性を
生かしつつトルクアップを果たすことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るかご型誘導電動機の
縦断面及び横断面図である。

【図２】第１実施例のかご型誘導電動機の回転原理を示
す説明図である。

【図３】第１実施例のかご型誘導電動機の速度起電力と
発生トルクとの説明図である。

【図４】第１実施例に係るかご型誘導電動機の径方向の
磁束密度を示すグラフである。

【図５】第１実施例に係るかご型誘導電動機の磁場解析
の解析図である。

【図６】第１実施例のかご型誘導電動機のトルク特性を
示すグラフである。

【図７】第１実施例のかご型誘導電動機の線間電圧−力
率特性を示すグラフである。

【図８】第２実施例のソリッドロータ型誘導電動機の径
方向の磁束密度を示すグラフである。

【図９】第２実施例に係るソリッドロータ型誘導電動機
の磁場解析の解析図である。

【図１０】誘導電動機の回転原理を示す説明図である。

【図１１】従来技術に係るかご型誘導電動機の速度起電
力と発生トルクとの説明図である。

【図１２】トルク改善の為に提案された従来技術の誘導
電動機の回転子の斜視図である。

【図１３】トルク改善の為に提案された従来技術の誘導
電動機の構成図である。

【符号の説明】

２０かご型誘導電動機２２固定子２６回転子２８ａ二次導体３４筒状ロータ３６永久磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献実開昭58−176576（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 17/02 H02K 1/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転磁界を発生する固定子と、軸に固定
され該固定子内で回転する回転子とから成る誘導電動機
であって、前記回転子内に形成された中空空間に配置される磁気抵
抗の低い材質から成り、外周に前記固定子の回転磁界と
対向するように磁石が取り付けられ、前記軸に回転自在
に支持された筒状部材を有することを特徴とする誘導電
動機。
【請求項２】前記筒状部材の外周に取り付けられる磁
石の数が誘導電動機の極数と等しいことを特徴とする請
求項１の誘導電動機。