JP4595250B2

JP4595250B2 - 単相誘導電動機

Info

Publication number: JP4595250B2
Application number: JP2001174348A
Authority: JP
Inventors: 順二岡田; 亮一木村; 晴之米谷; 正嗣中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: JP2002369470A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、換気扇等に用いる単相誘導電動機に関し、詳しくは、高調波トルクを抑制する回転子のスロット数を有する単相誘導電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単相誘導電動機は、主巻線、補助巻線の位相差、起磁力差等があり、固定子と回転子との空隙中に大きな高調波磁場を形成する。これに加えて、スロットパーミアンスの脈動による高調波磁場等があり、上記空隙中の高調波磁場が大きくなって高調波トルクが多く含まれてトルク特性に大きな影響を与えている。かかる高調波を低減するために、固定子または回転子のスロットを軸方向に対してある角度ひねってスキューを形成することが知られている。一般に、スキューは、巻線を装着する固定子に形成することが困難なことが多く、巻線のないかご型回転子のみに形成されている。
【０００３】
また、コイルエンドを短くして銅量を減らし、巻線の成形を簡単にするために、特開平１１−２８５２１２号公報に記載されているように、固定子の各ティースに一つの巻線を巻回する、いわゆる集中巻き固定子が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固定子や回転子にスキューが形成されていても、回転子スロット数が適当な値でなければ、回転子スキューが回転子のスロット高調波を大きくすることがあり、トルク特性は改善されても振動、騒音が大きくなるという問題点があった。
【０００５】
また、集中巻き固定子の場合、分布巻固定子と比較して大きい高調波磁場が固定子と回転子との空隙中に発生することになる。この高調波磁場は、回転子および固定子に電磁加振力として作用し、振動、騒音等の悪影響を及ぼすという問題点があった。
【０００６】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、回転子スキュー及び固定子スキューを有すると共に、高調波による電磁加振力を軽減する回転子スロット数を備えた単相誘導電動機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る単相誘導電動機は、所定角度スキューされて形成されたスロットを有する固定子と、この固定子のスキューと傾斜方向が異なるようにスキューされて形成されたスロットを有する回転子とを備え、前記回転子のスロット数Ｎrが以下の関係式を満たすものである。
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ａ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ａ）＋１
ただし、ｎは１以上の整数、Ａはα−β、αは固定子のスロットピッチ角〔度〕、βは固定子スキュー角〔度〕、Ｉｎｔ(a)はａを越えない最大の整数である。
【０００８】
また、所定角度スキューされて形成されたスロットを有する固定子と、この固定子のスキューと傾斜方向が異なるようにスキューされて形成されたスロットを有する回転子とを備え、前記回転子のスロット数Ｎｒが以下の関係式を満たすものである。
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｃ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｄ）＋１
ただし、nは１以上の整数、Ｃは（120／ｐ）−β、Ｄは（72／ｐ）−β、ｐは極対数、βは固定子のスキュー角〔度〕、Ｉｎｔ(a)はaを越えない最大の整数である。
さらに、前記回転子のスロット数Ｎｒは以下の関係式も満たすものである。
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｘ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｘ）＋１
ただし、nは１以上の整数、Ｘは（96／ｐ）−β、ｐは極対数、Ｉｎｔ(a)はaを越えない最大の整数である。
【０００９】
また、所定角度スキューされて形成されたスロットを有する固定子と、この固定子のスキューと傾斜方向が異なるようにスキューされて形成されたスロットを有する回転子とを備え、前記回転子のスロット数Ｎｒが以下の関係式を満たすものである。
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｅ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｅ）＋１
ただし、nは１以上の整数、Ｅは（102／ｐ）−β、ｐは極対数、βは固定子のスキュー角〔度〕、Ｉｎｔ(a)はaを越えない最大の整数である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態を図１乃至図４によって説明する。図１は、単相誘導電動機の固定子の正面図、図２は単相誘導電動機の固定子及び回転子の正面図、図３は固定子の分解斜視図、図４は回転子の分解斜視図である。
【００１１】
図１、図２に示すように、単相誘導電動機は、固定子１と回転子２０とから成り、固定子１は、複数枚の珪素鋼板を積層して形成された固定子コア３と、この固定子コア３のスロット１１内に納められた主巻線６ａ及び補助巻線６ｂとで構成されている。固定子コア３は、筒状に形成された外径部７と、外径部７の内周側から軸中心に向かって延出した８個のティース９とで形成されている。すなわち、隣り合うティース９とティース９との間に８個の固定子スロット１１が形成され、固定子スロット１１内に、輪状に巻回された４個の主巻線６ａおよび４個の補助巻線６ｂが交互に納められ、いわゆる集中巻き固定子を形成している。
【００１２】
また、固定子スロット１１には、固定子スキュー角β〔度〕から成る固定子スキュー３ａがスロットピッチα〔度〕で形成されている。ここで、固定子スキュー角βは、図３に示すように、固定子１の上面における中心点Ｏと固定子スロット１１の開口部の上端Ｓとを結ぶ線分と、固定子１の上面における中心点Ｏと固定子スロット１１の開口部の下端を固定子１の上面へ投影した点Ｓ’とを結ぶ線分のなす角度である。また、スロットピッチαは固定子１の中心点Ｏから見た角度である。
【００１３】
回転子２０は、かご型で、複数枚の珪素鋼板を積層して形成されて外周部に１４個の回転子スロット２２が配列された回転子コア２４と、回転子スロット２２内を通る導電部２６ａと回転子コア２４の両端面に配設されるエンドリング２６ｂからなる２次導体２６とで構成され、回転子コア２４の中央部にはシャフトが取り付けられる孔３０が設けられている。
【００１４】
回転子２０の表面には、固定子スキュー３ａと傾斜方向が異なってクロス状に交じり合うように回転子スキュー角γ〔度〕から成る回転子スキュー２２ａが設けられている。なお、回転子スキュー角γは、図４に示すように、回転子２０の上面における中心点Ｏ’と回転子スロット２２の開口部の上端Ｒとを結ぶ線分と、回転子２０の上面における中心点Ｏ’と回転子スロット２２の開口部の下端を回転子２０の上面へ投影した点Ｒ’とを結ぶ線分のなす角度である。
【００１５】
次に、固定子１と回転子２０の両方にスキューを形成した理由について説明する。高調波トルクは、固定子スロット１１の高調波や起磁力高調波およびこれにより２次導体２６に発生する渦電流が固定子１と回転子２０との空隙中に作る磁場の相互作用によって発生している。このため、固定子スロット１１の高調波による高調波トルクを抑制するには、固定子スロット１１のピッチα付近で回転子スキュー２２ａを形成するとよい。特に、集中巻き固定子の場合、分布巻固定子と比較して空間高調波次数が小さい高調波磁場が大きくなるため、スキュー角を大きくとる必要がある。また、回転子スロット２２の高調波を軽減するには、回転子２０のスキュー角を回転子スロットピッチの整数倍にするとよい。
【００１６】
しかしながら、回転子スキュー２２ａのみで固定子スロット１１のピッチα付近までスキュー２２ａを形成すると、回転子スキュー２２ａが大きくなりすぎて、２次抵抗の増大などによりモータ特性に悪影響を及ぼすことがあった。また、回転子スキュー角をほぼαに固定すると回転子スキュー角の自由度がなくなり、回転子スキュー角が回転子スロットピッチの製数倍にならない場合が多かった。
【００１７】
そこで、固定子１にも回転子スキュー２２ａと交じり合うように固定子スキュー３ａを形成し、集中巻き固定子のメリットを活かしながら、高調波トルクの発生を軽減できるように構成したのである。このように構成することによって、回転子スキュー角を小さくすることができるため、回転子の２次抵抗が小さくなり、損失を少なくできる。さらに、本発明においては、下式を満たすように回転子スロット数Ｎｒを設定した。
【００１８】
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ａ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ａ）＋１・・・（１）
ここで、Ａはα−β、nは１以上の整数、Ｉｎｔ(a)はaを越えない最大の整数である。
【００１９】
例えば、固定子スロット１１のピッチαが45度、固定子スキュー角βが13.5度の場合、360／Ａ＝11.428・・・であるので、回転子スロット数Ｎｒは、１１、１２（ｎ＝１のとき）、２２、２３、２４（ｎ＝２のとき）・・・をとり得る。回転子スロット数Ｎｒを２２とした場合、回転子スロット２２のピッチは約16.36度となる。このとき、回転子スキュー角γを２スロットピッチ分、すなわち回転子スロットピッチの２倍の約32.72度に設定すれば、固定子スキュー角βと回転子スキュー角γの和は約46.22度となり、固定子スロット１１のピッチαとほぼ等しくなる。また、固定子スキュー角βと回転子スキュー角γの合計が固定子スロット１１のピッチαと等しくなるように、先に回転子スキュー角γを31.5度と決めた場合でも、回転子スロット数Ｎｒを(１)式で得られた何れかの値に設定すれば、回転子スキュー角γは回転子スロットピッチの整数倍に近いものとなる。
【００２０】
すなわち、回転子スロット数Ｎｒを(１)式によって決定すれば、固定子スキュー角βと回転子スキュー角γの合計を固定子スロットピッチα付近にしながら、回転子スロットピッチの製数倍の回転子スキュー角が得られる可能性を高めることができる。これにより、固定子スロット１１の高調波による高調波トルクを抑制することができるとともに、回転子スロット２２の高調波を抑制して、振動、騒音を抑えることができるのである。
【００２１】
次に、単相誘導電動機の電磁加振力の観点から回転子スロット２２と振動騒音ついて説明する。まず、固定子スロット数をＮｓ、極対数をｐとすると、固定子スロット１１の高調波による空隙磁束密度高調波はＮｓＫｓ±ｐ次の空間高調波となる（Ｋｓは任意の整数）。また、固定子起磁力高調波は４ｐＫｐ±ｐ次の空間高調波となる（Ｋｐは任意の整数）。したがって、空隙における電磁力波の空間高調波次数は、回転子スロット数をＮｒとすると、下式となる。
【００２２】
Ａ±２ｐ，Ａ・・・・（２）
ここで、Ａ＝ＮｓＫｓ＋ＮｒＫｒ＋４ｐＫｐ（Ｋｒは任意の整数）
【００２３】
この時の時間高調波次数はすべりｓとすれば、下式となる。
【００２４】
Ｂ±２，Ｂ・・・・（３）
ここで、Ｂ＝ＮｒＫｒ（１−ｓ）／ｐ
【００２５】
高調波トルクは、回転子２０の起磁力高調波を考慮し、この起磁力高調波は、固定子スロット１１の高調波および固定子起磁力高調波と等しい次数であるため、上記（２）式を書き換えると下式となる。
【００２６】
Ａ＋Ｃ±２ｐ，Ａ＋Ｃ・・・・（４）
ここで、Ｃ＝Ｋｓ’Ｎｓ＋４Ｋｐ’ｐ（Ｋｓ’、Ｋｐ’は任意の整数）
【００２７】
上記（３）式及び（４）式をともにゼロとする各Ｋｓ，Ｋｐ，Ｋｓ’，Ｋｐ’の値が存在すれば、高調波トルクが発生していることになる。
【００２８】
上記（４）式において、Ｋｓ’、Ｋｐ’は回転子２０の起磁力高調波に関する任意の整数であり、この起磁力高調波が発生するには、固定子スロット１１の高調波および起磁力高調波による渦電流が回転子２０の２次導体２６に発生する必要がある。固定子スロット１１の高調波は、空間高調波次数がＮｓ±ｐ次（Ｋｓ＝１の最も大きい高調波）で、固定子スロットピッチ付近でスキューを形成すれば、大きく軽減できる。
【００２９】
振動、騒音の原因となる電磁加振力は、上記（４）式で求められる空間高調波次数がモードとなり、上記（３）式で与えられる時間高調波次数に電源周波数を乗算させることで振動、騒音の周波数となる。
【００３０】
一方、単相誘導電動機の共振周波数は、一般に２×ｆ（電源周波数）のような低い周波数で存在せず、回転子スロット２２の高調波に関係する周波数で存在する。したがって、回転子スロット２２の高調波を軽減することで、振動騒音が軽減できる。この回転子スロット２２の高調波を軽減するためには、回転子スロットピッチの整数倍のスキュー角で回転子スキューを形成すれば良いのである。
【００３１】
実施の形態２．
この発明の他の実施の形態を図１乃至図４によって説明する。この実施の形態における単相誘導電動機はコンデンサー始動のものであり、固定子は一つのティースに巻線を集中して巻回する集中巻き固定子であるので、固定子スロット１１の数Ｎｓ＝４ｐとなる。かかる場合、固定子スロット１１の高調波と固定子起磁力高調波の３次、５次成分の空間高調波次数が一致することになる。
【００３２】
ここで、固定子の起磁力高調波の３次成分を抑制しようとすると、必要なスキュー角は360°／3pとなり、５次成分を抑制しようとすると、360°／5pとなる。したがって、回転子スロット２２の数Ｎｒが下式を満足することが必要となる。
【００３３】
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｃ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｄ）＋１・・・（５）
ここで、nは１以上の整数、Ｃは（120／ｐ）−β、Ｄは（72／ｐ）−β、ｐは極対数、Ｉｎｔ(a)はaを越えない最大の整数である。
【００３４】
また、固定子スロット１１の高調波のＮｓ＋ｐ次，Ｎｓ−ｐ次の空間高調波はほぼ大きさが同等であるので、回転子スロット２２の数Ｎｒは下式を満たさなければならない。
【００３５】
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｘ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｘ）＋１・・・（６）
ここで、nは１以上の整数、Ｘは（96／ｐ）−β、ｐは極対数、Ｉｎｔ(a)はaを越えない最大の整数である。なお、96／pは以下のようにして求められる。
【００３６】
（360／5p＋360／3p）／2＝96／p
【００３７】
しかしながら、上記のような回転子スロット数Ｎｒを形成しても、高調波が低減されないことがある。これは、固定子１の起磁力高調波の３次成分が５次成分よりも大きいからである。３次成分が５次成分よりも約５／３倍大きいとしてスキューの重みをつけて中間の値にすると、回転子スロット数Ｎｒは下式を満たすことが好ましい。
【００３８】
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｅ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｅ）＋１・・・（７）
ここで、nは１以上の整数、Ｅは（102／ｐ）−β、Ｉｎｔ(a)はaを越えない最大の整数である。なお、102／p は以下のようにして求められる。
【００３９】
3・｛（5 /3）・（360/3p）＋360 /5p｝/8=102／p
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、高調波トルクなどトルク特性を緩和し、振動、騒音を低減できる回転子スロット数を有する単相誘導電動機を提供できる。
【００４１】
また、固定子の高調波の３次成分、５次成分を低減し、振動、騒音を抑制した単相誘導電動機を提供できる。
【００４２】
また、固定子の高調波の３次成分、５次成分を適切に低減し、振動、騒音を抑制した単相誘導電動機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態における単相誘導電動機の固定子の正面図である。
【図２】この発明の一実施の形態における単相誘導電動機の固定子及び回転子の正面図である。
【図３】この発明の一実施の形態における単相誘導電動機の固定子の分解斜視図である。
【図４】この発明の一実施の形態における単相誘導電動機の回転子の分解斜視図である。
【符号の説明】
１固定子、３ａ固定子スキュー、９ティース、１１固定子スロット、２０回転子、２２回転子スロット、２２ａ回転子スキュー。

Claims

所定角度スキューされて形成されたスロットを有する固定子と、この固定子のスキューと傾斜方向が異なるようにスキューされて形成されたスロットを有する回転子とを備え、
前記回転子のスロット数Ｎrが以下の関係式を満たすことを特徴とする単相誘導電動機。
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ａ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ａ）＋１
ただし、ｎ：１以上の整数、Ａ：α−β、α：固定子のスロットピッチ角〔度〕、β：固定子スキュー角〔度〕、Ｉｎｔ(a)：ａを越えない最大の整数
所定角度スキューされて形成されたスロットを有する固定子と、この固定子のスキューと傾斜方向が異なるようにスキューされて形成されたスロットを有する回転子とを備え、
前記回転子のスロット数Ｎｒが以下の関係式を満たすことを特徴とする単相誘導電動機。
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｃ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｄ）＋１
ただし、n：１以上の整数、Ｃ：（120／ｐ）−β、Ｄ：（72／ｐ）−β、
ｐ：極対数、β：固定子のスキュー角〔度〕、Ｉｎｔ(a)：aを越えない最大の整数
かつ
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｘ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｘ）＋１
ただし、n：１以上の整数、Ｘ：（96／ｐ）−β、ｐ：極対数、Ｉｎｔ(a)：aを越えない最大の整数
所定角度スキューされて形成されたスロットを有する固定子と、この固定子のスキューと傾斜方向が異なるようにスキューされて形成されたスロットを有する回転子とを備え、
前記回転子のスロット数Ｎｒが以下の関係式を満たすことを特徴とする単相誘導電動機。
ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｅ）≦Ｎｒ≦ｎ×Ｉｎｔ（360／Ｅ）＋１
ただし、n：１以上の整数、Ｅ：（102／ｐ）−β、ｐ：極対数、
β：固定子のスキュー角〔度〕、Ｉｎｔ(a)：aを越えない最大の整数