JP4008314B2 - 高速誘導電動機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は誘導電動機に関し、特に回転子を塊状鉄として磁路と誘導電流の流路とを兼用させた高速誘導電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボコンプレッサのように高速駆動を必要とする装置では、電動機の回転を増速ギアによって増速して駆動する方式と、高速電動機によって直接駆動する方式とがある。
近年、電動機駆動用インバータが普及してきており、省エネルギ、保守の省力化および省スペース化の観点から、高周波出力インバータによって誘導電動機を高速回転させ、負荷機械を直接駆動する方式が合理的であり、誘導電動機を５００００ｒｐｍ程度で回転させるために、極数を２極機とした場合、９００Ｈｚ程度の３相出力のインバータによって駆動することになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の誘導電動機は、全開または半開溝の積層磁性鉄心に弧状巻の巻線を施した固定子と、半開または全閉溝に銅またはアルミニウムの２次導体を配し、２次導体の両端を短絡環で接続した回転子からなるのが普通で、この構成の誘導電動機を高速で運転するためには、回転子にかかる遠心力を低減するために回転子の直径を小さくする必要がある。
【０００４】
ところが、回転子の直径を小さくしようとすると、回転子の長さが長くなり、臨界危険速度を超えることになり、大きな振動を起こして破損に至る虞があるという課題があった。
また、高速回転機では風損などの機械損のほか、高周波駆動によって鉄損、銅損および漂遊負荷損も増大するので、温度上昇の制約を受けてしまうという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような背景の下になされたもので、回転子鉄心を塊状鉄として磁束の通路と誘導電流の流路を兼用させ、高速回転を可能とする誘導電動機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、外周に開放溝、内周に全閉溝を有する同心リング状の積層磁性鉄心の前記開放溝と前記全閉溝とを交互に貫通する環状巻の巻線を施し、正弦波状の磁束を発生させる固定子と、
該固定子の内面に所定の空隙を介して相対し、磁束の通路と誘導電流の流路とを兼用する同心リング状の塊状鉄、該塊状鉄の両端に接合された短絡環、および前記同心リング状の塊状鉄の中心部の穴に固定した回転軸からなる回転子と
によって構成され、高周波電源によって駆動される高速誘導電動機を提供する。
【０００７】
この発明によれば、固定子の外周溝を開放溝、内周を全閉溝として固定子に発生させた正弦波状の磁束の大部分を同心リング状の塊状鉄による回転子に通過させ、この磁束による基本波成分の誘導電流を前記塊状鉄による回転子に回転軸と平行方向に流すことができ、大きな回転トルクを発生させ、高調波駆動による鉄損、銅損および漂遊負荷損を低減させて高速回転が可能な誘導電動機を実現することができる。
さらに、同心リング状の回転子とすることによって高速回転した場合の風損を低減させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の高速誘導電動機において、
前記塊状鉄は、電気抵抗が小さく透磁率の高い低炭素鋼を噴水焼き入れ又は水焼き入れし、強度向上を計ったものを用い、
前記短絡環は、電気抵抗が小さく前記塊状鉄と熱膨張係数の同等なＣｕ−Ｍｏ燒結合金を用い、
前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合したことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、塊状鉄による回転子の材質を電気抵抗が小さく透磁率の高い低炭素鋼を噴水焼き入れ又は水焼き入れし、侵炭処理を行うことによってかご型回転子の導体バーを不要とすることができ、機械的強度を大きくして高速回転に耐える回転子とすることができる。
回転子両端の短絡環の材質をＣｕ−Ｍｏ焼結合金とすることによって熱膨張係数を回転子の材質と同等とすることができ、前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合することによって接触抵抗を低減することができ、良好な電流流路を確保することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の高速誘導電動機において、
前記塊状鉄は、合金鋼を用い、
前記短絡環は、電気抵抗が小さく前記塊状鉄と熱膨張係数の同等なＣｕ−Ｍｏ燒結合金を用い、
前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合したことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、塊状鉄による回転子の材質として合金鋼を用いることによって、さらに高速回転に耐える回転子とすることができる。
回転子両端の短絡環の材質をＣｕ−Ｍｏ焼結合金とすることによって熱膨張係数を回転子の材質と同等とすることができ、前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合することによって接触抵抗を低減することができ、良好な電流流路を確保することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図を参照しながら説明する。図１は、この発明の一実施の形態による高速誘導電動機を回転軸方向から見た構造図である。また、図２は、図１の高速誘導電動機を回転軸と平行な方向から見た断面図である。
【００１３】
まず、図１および図２によって固定子について説明する。符号１は固定子鉄心であり、外周に６つの開放溝２を持ち、内周は３６カ所の円滑な全閉溝３を持っている。固定子巻線４は図に示すように、開放溝２と全閉溝３とを交互に５回半回って１つのコイルを形成し、全体で６つのコイルは図３および図４に示すように鉄心１の一方の側および他方の側で接続されて図５に示した３相スター結線とし、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを流す。
なお、鉄心１の外周側には非磁性体として磁路を形成しない外枠があるが、図示を省略している。
【００１４】
次に図１および図２によって回転子について説明する。回転子には巻線または導体はなく、固定子１と所定の空隙８を介して相対する電流の流路と磁束の通路とを兼用した回転子鉄心６、この回転子鉄心６の両端に電気的に接続された短絡環５、および回転子鉄心６の中心部の穴に固定された回転軸７から構成されている。
なお、回転軸７の両端を支持して回転自在に固定する軸受があるが、図示を省略している。
【００１５】
巻線４に３相電流を流すと固定子鉄心１の中の循環磁束はゼロとなり、固定子鉄心１の内外周と側面に回転磁界が発生するが、実際には固定子鉄心１を覆う外枠は非磁性体としているので、開放溝の外周を通る磁束はきわめて少なく、ほとんどの磁束は内周と小さな空隙８を介して位置する回転子鉄心６を通過することになる。
【００１６】
回転子鉄心６にできた回転磁界は、電流が正弦波であれば全閉溝であるため高調波成分は小さく、ほぼ正弦波状であり、回転子鉄心６に生ずる誘導電流も正弦波となり、この回転子鉄心６に電気的に接続された短絡環５を通して大きな電流を流すことができ、誘導電流と巻線４によって発生した磁界との間に回転トルクが生じて回転子を回転させる。
基本波誘導電流を流すための回転磁界は、固定子鉄心と比較して磁路の断面積の小さい回転子鉄心によって制限される虞があるが、実際には回転子鉄心４には巻線または導体バーがないため、多くの磁束を通すことができる。
【００１７】
次に、回転子を構成する回転子鉄心６、および短絡環５の材質と加工方法について説明する。
回転子鉄心６に要求される条件は、高速回転を可能とするため機械的強度が高いこと、および透磁率が高く、誘導電流が流れることによる損失を低減するために低抵抗であることである。これらの要求条件に対応するため、電気抵抗が小さく透磁率の高い低炭素鋼の表面を噴水焼き入れ又は水焼き入れを行って使用する。
【００１８】
また短絡環５に要求される条件は、高速回転を可能とするため機械的強度が高く、短絡電流が流れることによる損失を低減するため低抵抗であるとともに、熱膨張係数が前記回転子鉄心６と同等で電気的接続が容易であることである。これらの要求条件に対応するため、Ｃｕ−Ｍｏ焼結合金を使用する。
【００１９】
上述の条件を満足したときに、大きな基本波誘導電流を生ずる目的に対する障害は、塊状鉄の回転子鉄心の比抵抗が通常の導体バーに比べて大きいことであるが、塊状鉄のすべての断面積が磁路および電流流路となるため、大きな問題となることはない。
【００２０】
さらに大きな回転子強度を必要とする場合は、回転子鉄心６として低炭素鋼を使用し、短絡環５としてＣｕ−Ｍｏ焼結合金を電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合すれば、さらに高速回転が可能となる。
【００２１】
以上、本発明の一実施の形態の動作を図面を参照して詳述してきたが、本発明はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
たとえば、回転子鉄心、または短絡環の材質は、上述の条件を満たすものであればどんな材質のものでもよく、上述した材質に限定されるものではない。
【００２２】
【発明の効果】
これまでに説明したように、本発明によれば以下に示す効果が得られる。
【００２３】
請求項１の発明によれば、固定子の外周溝を開放溝、内周を全閉溝として固定子に発生させた正弦波状の磁束の大部分を同心リング状の塊状鉄による回転子に通過させ、この磁束による基本波成分の誘導電流を前記塊状鉄による回転子に回転軸と平行方向に流すことができ、大きな回転トルクを発生させ、高調波駆動による鉄損、銅損および漂遊負荷損を低減させて高速回転が可能な誘導電動機を実現することができる。
さらに、同心リング状の回転子とすることによって高速回転した場合の風損を低減させることができる。
【００２４】
請求項２の発明によれば、塊状鉄による回転子の材質を電気抵抗が小さく透磁率の高い低炭素鋼を噴水焼き入れ又は水焼き入れし、侵炭処理を行うことによってかご型回転子の導体バーを不要とすることができ、機械的強度を大きくして高速回転に耐える回転子とすることができる。
回転子両端の短絡環の材質をＣｕ−Ｍｏ焼結合金とすることによって熱膨張係数を回転子の材質と同等とすることができ、前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合することによって接触抵抗を低減することができ、良好な電流流路を確保することができる。
【００２５】
請求項３の発明によれば、塊状鉄による回転子の材質として合金鋼を用いることによって、さらに高速回転に耐える回転子とすることができる。
回転子両端の短絡環の材質をＣｕ−Ｍｏ焼結合金とすることによって熱膨張係数を回転子の材質と同等とすることができ、前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合することによって接触抵抗を低減することができ、良好な電流流路を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態による高速誘導電動機を回転軸方向から見た構造図。
【図２】 図１の高速誘導電動機を回転軸と平行な方向から見た断面図。
【図３】 図１の高速誘導電動機の回転軸の一方の側から見た巻線の構成を示した図。
【図４】 図１の高速誘導電動機の回転軸の他方の側から見た巻線の構成を示した図。
【図５】 固定子の３相巻線の構成を示した図。
【符号の説明】
１…固定子鉄心
２…開放溝
３…全閉溝
４…巻線
５…短絡環
６…回転子鉄心
７…回転軸
８…空隙

Claims (3)

1. 外周に開放溝、内周に全閉溝を有する同心リング状の積層磁性鉄心の前記開放溝と前記全閉溝とを交互に貫通する環状巻の巻線を施し、正弦波状の磁束を発生させる固定子と、
   該固定子の内面に所定の空隙を介して相対し、磁束の通路と誘導電流の流路とを兼用する同心リング状の塊状鉄、該塊状鉄の両端に接合された短絡環、および前記同心リング状の塊状鉄の中心部の穴に固定した回転軸からなる回転子とによって構成され、高周波電源によって駆動される高速誘導電動機。
2. 前記塊状鉄は、電気抵抗が小さく透磁率の高い低炭素鋼を噴水焼き入れ又は水焼き入れし、強度向上を計ったものを用い、
   前記短絡環は、電気抵抗が小さく前記塊状鉄と熱膨張係数の同等なＣｕ−Ｍｏ燒結合金を用い、
   前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合したことを特徴とする請求項１記載の高速誘導電動機。
3. 前記塊状鉄は、合金鋼を用い、
   前記短絡環は、電気抵抗が小さく前記塊状鉄と熱膨張係数の同等なＣｕ−Ｍｏ燒結合金を用い、
   前記塊状鉄と前記短絡環とを電子ビーム接合法（ＥＢＷ）によって接合したことを特徴とする請求項１記載の高速誘導電動機。

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