JP5900319B2

JP5900319B2 - 誘導モータ

Info

Publication number: JP5900319B2
Application number: JP2012282179A
Authority: JP
Inventors: 雅和永石
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014128091A

Description

本発明は、かご形回転子を有する誘導モータに関する。

従来、誘導モータのかご形回転子として、図９に模式的に示すように、ロータコア４０に設けられたスロット４１に挿入された複数の導体バー４２の端部同士が、ロータコア４０の軸方向の両端側で一対のエンドリング４３ａ，４３ｂにより短絡されてなるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１に開示された回転電機は、かご形回転子４４を構成する電磁鋼板４５のスロット４１の周囲に形成された面取り部により、導体バー４２の軸方向の変形を抑制し、導体バー４２とエンドリング４３ａ，４３ｂの付け根部分に生じる引張応力を軽減するものである。また、特許文献２に開示されたかご形回転子は、エンドリングの外周と内周を覆うように配置される補強部材を備えたものである。

特開２００９−１１０６７号公報特開２００４−２４２３８８号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示されたような従来のかご形回転子４４は、高速回転時には図１０に示すように、遠心力によってエンドリング４３ａ，４３ｂが外径方向に変形してしまう。このようなエンドリング４３ａ，４３ｂの変形により、導体バー４２も軸方向両端部が外径方向に変形するため、導体バー４２に応力がかかって疲労破壊の原因になる。

さらに、エンドリング４３ａ，４３ｂの変形により、ロータコア４０の複数積層された電磁鋼板４５のうちの最上層及び最下層のそれぞれ１枚が、エンドリング４３ａ，４３ｂから引張応力を受けて外径方向に飛び出すように変形し、外径方向に飛び出した電磁鋼板４３ａ，４３ｂが図示しないステータコアに干渉して、モータがロック状態に陥る虞がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、回転子鉄心を構成する電磁鋼板と二次導体の外径方向への変形を抑制し、かご形回転子を高速回転させることが可能な誘導モータを提供することを目的とする。

本発明に係る誘導モータは、上記目的達成のため、（１）複数の電磁鋼板が積層されてなり、軸方向に複数の貫通孔を有する回転子鉄心と、前記複数の貫通孔に配置される複数の二次導体と、前記回転子鉄心の軸方向両端側で前記複数の二次導体同士を短絡する短絡環と、を含む回転子を備える誘導モータにおいて、前記二次導体は、外径方向の変形を吸収する空隙を前記短絡環よりも外径側に有し、前記空隙は、前記二次導体の軸方向両端部において、前記回転子鉄心の軸方向両端側から前記複数の電磁鋼板の少なくとも１層分の深さまで設けられた凹部であることを特徴とする。

この構成により、回転子鉄心を構成する電磁鋼板と二次導体の外径方向への変形を抑制し、回転子を高速回転させることができる。

上記（１）に記載の誘導モータにおいて、（２）前記二次導体及び前記短絡環は、ダイキャストにより一体成形されることを特徴とする。

この構成により、二次導体及び短絡環をアルミニウム等のダイキャストにより一体成形することにより構成できるため、十分な剛性を有するかご形回転子を安価に製造できる。また、二次導体に空隙を容易に形成することが可能となる。

上記（２）に記載の誘導モータにおいて、（３）前記複数の二次導体は、その軸方向両端側の端面の一部において前記短絡環と一体化されることにより互いに短絡されることを特徴とする。

この構成により、二次導体の軸方向両端側の端面の短絡環と直接接触していない箇所に、回転子鉄心を構成する電磁鋼板と二次導体の外径方向の変形を吸収する空隙を形成することができる。

上記（１）に記載の誘導モータにおいて、（４）前記複数の二次導体は、その軸方向両端側の端面の一部において前記短絡環に当接することにより互いに短絡されることを特徴とする。

上記（１）または（２）に記載の誘導モータにおいて、（５）前記複数の二次導体は、前記短絡環よりも外径側に配置されており、その側面において前記短絡環により互いに短絡されることを特徴とする。

この構成により、回転子鉄心を構成する電磁鋼板と二次導体の外径方向の変形を吸収する空隙を短絡環よりも外径側に形成することができる。

本発明によれば、回転子鉄心を構成する電磁鋼板と二次導体の外径方向への変形を抑制し、かご形回転子を高速回転させることが可能な誘導モータを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る誘導モータの構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る誘導モータが備えるロータの構成の一例を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係る誘導モータが備えるロータにおいて導体バーが変形している状態を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る誘導モータが備えるロータにおいて導体バーが変形している状態を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係る誘導モータが備えるロータの製造工程を示す断面図（その１）である。本発明の第１の実施形態に係る誘導モータが備えるロータの製造工程を示す断面図（その２）である。本発明の第２の実施形態に係る誘導モータが備えるロータの構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る誘導モータが備えるロータにおいて導体バーが変形している状態を示す断面図である。従来の誘導モータが備えるロータの構成を示す断面図である。従来のロータにおいて導体バーが変形している状態を示す断面図である。

以下、本発明に係る誘導モータの実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致しない。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る誘導モータ１の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の誘導モータ１は、ハウジング１０と、ハウジング１０の内周部に取付けられた円筒状のステータ１１と、ステータ１１の内周部に設けられた円筒状のロータ１２と、を主に備える。

ステータ１１は、円筒状のステータコア１３と、ステータコア１３に巻回され、周方向に等間隔で設けられた複数の電機子巻線１４と、を備える。ステータコア１３は、後述のロータ軸１７の軸方向に積層された複数の電磁鋼板１５から構成されている。電磁鋼板１５には、例えば、鉄や鉄合金などの強磁性体が用いられる。

ロータ１２は、軸受１６ａ，１６ｂを介してハウジング１０に回転自在に取付けられたロータ軸１７と、ロータ軸１７に取付けられたロータコア１８と、ダイキャストによって一体成形された二次導体としての複数の導体バー１９及び短絡環としてのエンドリング２０ａ，２０ｂと、を有するかご形回転子である。

ロータコア１８は、例えば、電磁鋼板２１がロータ軸１７の軸方向に複数積層されて円筒状に形成されたものである。ステータコア１３の電磁鋼板１５と同様に、電磁鋼板２１には、例えば、鉄や鉄合金などの強磁性体が用いられる。

ロータコア１８の中心部には、ロータ軸１７が挿入されるロータ軸挿入孔２２が形成されている。さらに、ロータコア１８には、周方向に間隔を空けて複数の導体バー挿入孔（貫通孔）２３が形成されており、各導体バー挿入孔２３内には上記の導体バー１９がロータコア１８と絶縁された状態で挿入されている。ロータ軸挿入孔２２及び導体バー挿入孔２３は、ロータコア１８の最上層の電磁鋼板２１から最下層の電磁鋼板２１に達している。

エンドリング２０ａ，２０ｂは、ロータ１２の軸方向両端側にそれぞれ設けられており、導体バー１９の軸方向両端部と連結されることにより、導体バー１９同士を短絡するようになっている。図１，２に示すように、導体バー１９は、その軸方向両端側の端面の一部においてエンドリング２０ａ，２０ｂに連結される。なお、ロータコア１８の軸方向両端部は、エンドリング２０ａ，２０ｂに当接しており、導体バー１９と電磁鋼板２１とが軸方向に位置ずれすることがないようになっている。

導体バー１９及びエンドリング２０ａ，２０ｂは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、またはマグネシウム合金などによって構成される。なお、導体バー１９とエンドリング２０ａ，２０ｂとは、ダイキャストではなく、銀ろうなどのろう材を用いたろう付けや摩擦攪拌接合によって互いに当接するように接合されてもよい。導体バー１９の形状は、図１，２に示すように円柱形状をなしていても良く、あるいは、多角柱形状などの他の形状をなしていても良い。

さらに、図２に示すように、導体バー１９は、軸方向両端側の端面であって、エンドリング２０ａ，２０ｂと接触しない箇所に開口する空隙２４を有する。即ち、この空隙２４は、エンドリング２０ａ，２０ｂよりも外径側に形成されており、エンドリング２０ａ，２０ｂの変形による導体バー１９の外径方向の変形を吸収するようになっている。

空隙２４は、導体バー１９の軸方向両端部において、ロータコア１８の電磁鋼板２１の軸方向両端側の少なくとも第１層の深さまで設けられる凹部である。なお、図１には、空隙２４が電磁鋼板２１の軸方向両端側の第３層の深さまで設けられた例を示した。あるいは、空隙２４は、導体バー１９を軸方向に貫く孔であっても良い。

次に、本実施形態の誘導モータ１の動作について説明する。

上記の構成を有する誘導モータ１にあっては、ステータ１１の電機子巻線１４に電流が流されることにより、ステータ１１に回転磁界が生じる。そして、この回転磁界により導体バー１９に誘導電流が流れ、この誘導電流と回転磁界との間に働く電磁力により、各導体バー１９には一方向の回転力が作用する。その結果、ロータ１２は、ロータ軸１７を回転中心にして回転する。

エンドリング２０ａ，２０ｂは、ロータ１２が高速回転する際に遠心力により外径方向に変形する。このエンドリング２０ａ，２０ｂの変形により、導体バー１９の軸方向両端部には引張応力が加わる。このとき、図３，４に示すように、導体バー１９の軸方向両端部における空隙２４は、外径方向につぶれるように変形することにより、エンドリング２０ａ，２０ｂの変形による導体バー１９自身の外径方向の変形を吸収する。

この結果、導体バー１９全体にかかる応力を低減し、導体バー１９の疲労破壊を防止することが可能となる。さらに、ロータコア１８の複数積層された電磁鋼板２１のうちの最上層及び最下層のそれぞれ１枚が、外径方向に飛び出すように変形することを妨げることができる。

以下、本実施形態の誘導モータ１が備えるロータ１２の製造方法を説明する。

まず、電磁鋼板２１を用意し、導体バー１９を配置するための導体バー挿入孔２３と、ロータ軸１７を挿入するためのロータ軸挿入孔２２と、を有する円形状に電磁鋼板２１を１枚ずつ打ち抜く。そして、打ち抜き加工後の電磁鋼板２１を所定の枚数分積層し、図５（ａ）に示すロータコアＳＵＢＡＳＳＹを作製する。

次に、ロータコアＳＵＢＡＳＳＹを図示しない上型及び下型の間に入れて、型締めする。そして、上型または下型に設けられている注入口から溶融されたアルミニウム合金を充填することにより、導体バー挿入孔２３に空隙２４を有する複数の導体バー１９を形成するとともに、ロータ１２の軸方向両端部に複数の導体バー１９を連結するエンドリング２０ａ，２０ｂを形成する。

即ち、図５（ｂ）に示すように、アルミダイキャストにより、複数の導体バー１９及びエンドリング２０ａ，２０ｂをロータコアＳＵＢＡＳＳＹに一体成形して、ロータコアＡＳＳＹを作製する。なお、導体バー１９の空隙２４は、上述のようにアルミダイキャスト時に形成されても良く、あるいはアルミダイキャスト後にドリルにより形成されても良い。

次に、上型及び下型を分離して上型及び下型から上記ロータコアＡＳＳＹを取り外す。そして、ロータ軸挿入孔２２にロータ軸１７を挿入し、圧入または焼き締めによって上記ロータコアＡＳＳＹとロータ軸１７を締結し、図６に示すロータ１２を完成する。

以上説明したように、本実施形態に係る誘導モータ１は、導体バー１９が外径方向の変形を吸収する空隙２４をエンドリング２０ａ，２０ｂよりも外径側に有することにより、ロータ１２の高速回転時に、ロータコア１８を構成する電磁鋼板２１と導体バー１９の外径方向への変形を抑制することができる。

これにより、ロータ１２の高速回転時に、ロータコア１８を構成する電磁鋼板２１の最上層及び最下層のそれぞれ１枚が外径方向に飛び出すように変形することを防止できるため、外径方向に飛び出した電磁鋼板がステータコア１３に干渉して誘導モータがロック状態に陥る事態を回避することができる。

さらに、本実施形態に係る誘導モータ１は、ロータ１２の高速回転時に導体バー１９にかかる応力を低減することができ、導体バー１９の疲労破壊を防止することができる。

また、本実施形態に係る誘導モータ１は、導体バー１９及びエンドリング２０ａ，２０ｂをアルミニウム等のダイキャストにより一体成形することにより構成できるため、十分な剛性を有するかご形回転子を安価に製造できる。また、ダイキャストにより、導体バー１９に空隙２４を容易に形成することができる。

特に、空隙２４が導体バー１９を軸方向に貫くように形成された場合には、エンドリング２０ａ，２０ｂの外径方向の変形が大きい場合であっても、ロータコア１８を構成する電磁鋼板２１と導体バー１９の外径方向への変形を抑制することができる。

さらに、ロータコア１８の軸方向両端部がエンドリング２０ａ，２０ｂに当接する構造であるため、ロータコア１８を構成する電磁鋼板２１と導体バー１９とが軸方向に位置ずれすることを防止できる。

このように、本実施形態によれば、高強度で高速回転が可能なかご形回転子を有する誘導モータ１を安価に提供することが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、導体バー同士が、その軸方向両端側の端面においてエンドリングにより短絡される構成を例に挙げたが、導体バー全体が、エンドリングよりも外径側に配置され、導体バーの側面においてエンドリングにより連結されて短絡される構成であっても良い。

図７に示すように、本実施形態では、ロータ３２において、導体バー２９の軸方向両端部がロータコア１８の導体バー挿入孔２３から突出し、導体バー２９の軸方向両端部の側面がエンドリング３０ａ，３０ｂに接触するように配置される。

即ち、導体バー２９は、その全体がエンドリング３０ａ，３０ｂよりも外径側に配置されており、エンドリング３０ａ，３０ｂの変形による導体バー２９自身の外径方向の変形を吸収する空隙３４もエンドリング３０ａ，３０ｂよりも外径側に形成されている。

導体バー２９及びエンドリング３０ａ，３０ｂは、ダイキャストにより一体成形されても良く、あるいは、銀ろうなどのろう材を用いたろう付けや摩擦攪拌接合によって互いに当接するように接合されてもよい。

第１の実施形態と同様に、空隙３４は、導体バー２９の軸方向両端部において、ロータコア１８の電磁鋼板２１の軸方向両端側の少なくとも第１層の深さまで設けられる凹部である。あるいは、空隙３４は、導体バー２９を軸方向に貫く孔であっても良い。

エンドリング３０ａ，３０ｂは、ロータ３２が高速回転する際に遠心力により外径方向に変形する。このエンドリング３０ａ，３０ｂの変形により、導体バー２９の軸方向両端部に引張応力が加わる。このとき、図８に示すように、導体バー２９の軸方向両端部における空隙３４は、外径方向につぶれるように変形することにより、エンドリング３０ａ，３０ｂの変形による導体バー２９自身の外径方向の変形を吸収する。

この結果、第１の実施形態と同様に、導体バー２９全体にかかる応力を低減し、導体バー２９の疲労破壊を防止することが可能となる。さらに、ロータコア１８の複数積層された電磁鋼板２１のうちの最上層及び最下層のそれぞれ１枚が、外径方向に飛び出すように変形することを妨げることができる。

以上のように、本発明に係る誘導モータは、回転子鉄心を構成する電磁鋼板と二次導体の外径方向への変形を抑制して、かご形回転子を高速回転させることができるという効果を有し、かご形回転子を有する誘導モータ等として有用である。

１…誘導モータ、１０…ハウジング、１１…ステータ、１２，３２…ロータ（回転子）、１３…ステータコア、１４…電機子巻線、１５，２１…電磁鋼板、１６ａ，１６ｂ…軸受、１７…ロータ軸、１８…ロータコア（回転子鉄心）、１９，２９…導体バー（二次導体）、２０ａ，２０ｂ，３０ａ，３０ｂ…エンドリング（短絡環）、２２…ロータ軸挿入孔、２３…導体バー挿入孔（貫通孔）、２４，３４…空隙

Claims

複数の電磁鋼板が積層されてなり、軸方向に複数の貫通孔を有する回転子鉄心と、前記複数の貫通孔に配置される複数の二次導体と、前記回転子鉄心の軸方向両端側で前記複数の二次導体同士を短絡する短絡環と、を含む回転子を備える誘導モータにおいて、
前記二次導体は、外径方向の変形を吸収する空隙を前記短絡環よりも外径側に有し、
前記空隙は、前記二次導体の軸方向両端部において、前記回転子鉄心の軸方向両端側から前記複数の電磁鋼板の少なくとも１層分の深さまで設けられた凹部であることを特徴とする誘導モータ。
前記複数の二次導体は、その軸方向両端側の端面の一部において前記短絡環と一体化されることにより互いに短絡されることを特徴とする請求項１に記載の誘導モータ。
前記複数の二次導体は、その軸方向両端側の端面の一部において前記短絡環に当接することにより互いに短絡されることを特徴とする請求項１に記載の誘導モータ。
前記複数の二次導体は、前記短絡環よりも外径側に配置されており、その側面において前記短絡環により互いに短絡されることを特徴とする請求項１に記載の誘導モータ。