JP5947703B2 - かご形誘導電動機 - Google Patents

Description

本発明はかご形誘導電動機に係わり、特に固定子鉄心と回転子鉄心とのギャップ長に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００８−１７８１８７号公報（特許文献１）がある。この公報には、固定子と回転子とを備え、固定子が略円筒状に形成され、内側に複数のティースが等間隔に設けられた３相誘導機が記載されている。この３相誘導機では、ティースは３の倍数個設けられ、各ティースには固定子巻線が集中巻きで巻回されている。各ティースの回転子と対向する先端部は回転子とのギャップＧ、すなわち先端部の回転子に対向する面と回転子とのギャップＧを、回転子の回転方向の後側が大きくなるように形成することにより、回転子の回転方向後側の磁気抵抗が大きくなるように形成されている（要約参照）。

特開２００８−１７８１８７号公報

上記特許文献１には、固定子鉄心と回転子鉄心とのギャップ長に関する技術が開示されている。しかし、ギャップ長とギャップ付近の部位の寸法との関係については十分な検討が行われていない。固定子鉄心や回転子鉄心の強度は十分に考慮されているが、それでも不測の事態に備えて、固定子鉄心や回転子鉄心の破損に対して信頼性の高い構造にすることが好ましい。例えば、固定子鉄心のティース先端部で破損が生じると、破損で生じた破片が固定子鉄心と回転子鉄心とのギャップに詰まり、回転子の回転を急停止させる可能性がある。

本発明の目的は、信頼性の高いかご形誘導電動機を提供することである。

上記課題を解決するために，本発明のかご形誘導電動機は、固定子鉄心のティース部の先端部（内周側端部）から周方向両側に突き出た突部の根本の径方向寸法Cと、固定子鉄心と回転子鉄心とのギャップ長Gとが、C<Gの関係を有する。

本発明のかご形誘導電動機によれば、信頼性の高いかご形誘導電動機を提供できる。

上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例によるかご形誘導電動機の部分断面図。 本発明の一実施例による固定子鉄心の一つのティース部分について拡大した図。 図２のＢ部の詳細図。 本発明の一実施例によるかご形誘導電動機の極数とギャップ長と固定子内径との関係を示す図。 本発明の一実施例によるかご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０に対する効率特性図。 本発明の一実施例によるギャップ長と固定子スロット開口幅の関係を示す図。 本発明の一実施例による極数と定格出力と固定子内径と積厚の関係を示す図。 本発明の一実施例における積厚の説明図 本発明の一実施例による極数と固定子スロット数と固定子巻線跨りスロット数の関係を示す図。

以下、図面に基づいて、本発明に係る実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例によるかご形誘導電動機を回転軸方向から見た部分断面図である。

固定子１０は、固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１の内周近くに間隔を置いて設置された多数の固定子スロット１２と、固定子スロット１２に巻装された固定子巻線１３を備える。固定子鉄心１１の外周側部分は円環状に形成されてコアバック１１ａを構成し、コアバック１１ａから内周側に向けてティース１１ｂが突き出ている。回転軸に直交する断面におけるティース先端（内周端）１１ｂ１の形状は、半径Ｄの円弧状に形成されている。ティース１１ｂは周方向に等間隔に設けられ、隣接する２つのティース１１ｂの間に固定子スロット１２が形成されている。固定子鉄心１１はコアバック１１ａとティース１１ｂとを有する薄板状の電磁鋼板を積層して形成するとよい。
また、円筒状の固定子鉄心１１を、周方向に分割された複数個の分割固定鉄心部分（分割コア）を組み合わせることにより、形成してもよい。固定子巻線１３は本実施例では分布巻きで固定子スロット１２に巻回されている。固定子巻線１３は集中巻きで巻回されてもよい。本実施例では、固定子巻線１３として銅線を用いている。

回転子２０は、回転子鉄心２１と、回転子鉄心２１の外周近くに間隔を置いて設置された多数の回転子スロット２２と、回転子スロット２２に埋め込まれた回転子導体２３とを備える。

ティース１１ｂの先端部（内周側端部）には周方向に突き出た凸部（突部）１１ｂ２が周方向両側に形成されている。凸部１１ｂ２は、固定子巻線１３を固定子スロット１２内に保持する。凸部１１ｂ２の周方向先端の径方向寸法（径方向高さ）Bと、凸部１１ｂ２の根本（周方向における基端部）の径方向寸法（径方向高さ）Cと、ギャップ長Gとに、B<GかつC<GかつB< Cの関係を有している。

図２，３を用いて、凸部１１ｂ２の根本の径方向寸法Cと周方向先端の径方向寸法Ｂとについて説明する。図２は固定子鉄心１１の一つのティース１１ｂについて拡大した図である。図３は図２のＢ部詳細図である。

通常、ティース１１ｂの先端（回転子２０との対向面）１１ｂ１は回転子２０の円筒状の外周面と平行になるように、部分円筒面を形成する。凸部１１ｂ２の付け根Ｊから部分円筒面に法線Ｎを下ろしたとき、付け根Ｊから部分円筒面までの法線の長さ（付け根Ｊから法線と部分円筒面との交点に接する接平面までの距離）を、径方向寸法Cと定義する。ティース１１ｂの先端（回転子２０との対向面）１１ｂ１を直線状に形成した場合は、法線Ｎを付け根Ｊからティース１１ｂの先端面１１ｂ１に下ろした垂線と考えればよい。また、図２に示す平面上においては、接平面Ｈを接線と考えればよい。

また、本実施例では、凸部１１ｂ２の周方向における先端面１１ｂ３は、回転中心（回転軸の軸心）Ｏを通る径方向の線分Ｍと平行でかつＭを含む角度に形成されている。すなわち、先端面１１ｂ３の外周側端部Ｋと内周側端部Ｑとを結ぶ線分は、部分円筒面（円弧部分）１１ｂ１上の点Ｑを通る法線Ｍと一致する直線である。この場合、外周側端部Ｋと内周側端部Ｑとを結ぶ線分を凸部１１ｂ２の周方向先端の径方向寸法Ｂと定義する。仮に、先端面１１ｂ３の外周側端部Ｋと内周側端部Ｑとを結ぶ線分が法線Ｍと一致しない場合は、先端面１１ｂ３の外周側端部Ｋから部分円筒面１１ｂ１或いは１１ｂ１の延長線に対して法線Ｍを引き、法線Ｍと部分円筒面１１ｂ１或いは１１ｂ１の延長線との交点をＱとして、法線Ｍ上における点Ｋから点Ｑまでの長さを径方向寸法Ｂとすればよい。

凸部１１ｂ２の付け根には、図３に示すように、Ｒ部１１ｂ４が設けられる場合がある。この場合、凸部１１ｂ２の直線部１１ｂ５の直線（曲線で形成されている場合は曲線部の曲線）の延長線１１ｂ５'と、ティース１１ｂの直線部１１ｂ６の直線（曲線で形成されている場合は曲線部の曲線）の延長線１１ｂ６'との交点を、付け根Ｊとみなすことができる。

このような構成とすることで、仮に凸部１１ｂ２が折れてもギャップ長Gが凸部先端の径方向寸法B及び凸部根本の径方向寸法Cよりも大きいため、ギャップ間でその部材が固渋状態（破損した破片がギャップ間に詰まり回転子をロックする状態）となることがない。すなわち、凸部１１ｂ２が破損してその破片がギャップＧ内に入り込んだ場合、破片は回転子２０と接触することにより回転する。このとき、凸部１１ｂ２の根本の径方向寸法Cと周方向先端の径方向寸法Ｂとがギャップ長Gよりも小さく形成されていることにより、凸部１１ｂ２の破片がギャップ間で固渋しない状態を取ることができ、ギャップ間に固渋しにくくなる。これにより、回転子２０及び固定子１０の破損の拡大を防止できる。回転子２０がロックされ、回転が急停止すると固定子巻線１３に流れる電流が急増する。また、回転子２０の回転が停止すると冷却も行えなくなる。本実施例によれば、回転子２０が回転中にロックされる可能性が低くなり、信頼性の高いかご形誘導電動機を提供できる。

さらに、本実施例では、固定子巻線１３の巻線径Φ（直径）と、ギャップ長Gとに、Φ<Gの関係を有している。

このような構成とすることで、凸部１１ｂ２が折れて固定子巻線１３がギャップ部分に進入しても、ギャップ長Gが固定子巻線１３の巻線径Φよりも大きいため、ギャップ間で固定子巻線１３が固渋状態となることなく、回転子２０及び固定子１０の破損の拡大を防止できる。これにより、信頼性の高いかご形誘導電動機を提供できる。

さらに、本実施例では、固定子巻線１３の極数をP、固定子鉄心１１と回転子鉄心２１とのギャップ長をG(mm)、固定子鉄心１１の内径（直径）をD（以下、固定子内径Dとする）(mm)とすると、次式の関係を有している。
0.028×D-2.55≦P×G≦0.060×D-7.0 （式１）
図４は、本実施例による極数Ｐとギャップ長Ｇと固定子内径Ｄとの関係を示している。この図は、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされる極数Pとギャップ長Gとの積の上限値と下限値とを示している。この上限値と下限値とから、ＩＥ３効率規格が満たされる高効率なかご形誘導電動機を提供するための条件のひとつが、（式１）であることが分かる。

また、図４から、固定子内径Dが140mm未満では、（式１）を満たす解がないことが分かる。したがって、固定子内径Dは140mm以上となる。

図５は、本実施例によるかご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０に対する効率特性図を示すものである。対象機は、極数Pが4、固定子内径Dが240mm、定格出力Poが55kW、周波数が60Hzである。ＩＥ３効率規格は、極数Pが4、定格出力Poが55kW、周波数が60Hzの場合、95.4%である。この効率規格が満たされる極数Pとギャップ長Gの積は、下限値が4.8mm、上限値が6.4mmであることが分かる。図４には、図５と同様に、この下限値と上限値を、他の極数（2，4，6）、定格出力（18.5kW〜300kW）でも分析して記載している。

ギャップ長Gが大きすぎる場合は、無負荷電流（励磁電流）が大きくなりすぎて効率が低下するという課題があった。逆に、ギャップ長Gが小さすぎる場合でも、固定子鉄心１１の内周側や回転子鉄心２１の外周側に発生している鉄損の高調波成分や、回転子導体２３の外周側に発生している銅損の高調波成分が大きくなりすぎて効率が低下することが分かった。その結果、ＩＥ３効率規格が満たされるギャップ長Gは、極数Pと固定子内径Dを用いると（式１）の関係となっていることが分かった。

さらに、本実施例では、図１に示すように、固定子スロット１２の開口幅をA（以下、固定子スロット開口幅Aとする）(mm)とし、ギャップ長をG(mm)とすると、次式の関係を有している。

0.2×A≦G≦1.4×A-2.5 （式２）
なお、本実施例では、スロットの開口幅は、先端面１１ｂ３の最内径側部分が最も狭く、外径側に向かうに従って広がっている。この場合、最も狭くなる最内径側における開口幅を固定子スロット開口幅Aとする。凸部１１ｂ２の形状は種々考えられるが、固定子スロット開口幅Aはスロットの開口幅が最も狭くなる部分の開口幅を用いる。

図６は、本発明の一実施例によるギャップ長と固定子スロット開口幅の関係を示している。図は、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされるギャップ長Gの上限値と下限値を示している。この上限値と下限値から、ＩＥ３効率規格が満たされる高効率なかご形誘導電動機を提供するための条件のひとつが、（式２）であることが分かる。

固定子スロット開口幅Aが大きすぎる場合は、回転子鉄心２１の外周側に発生している鉄損の高調波成分や、回転子導体２３の外周側に発生している銅損の高調波成分が大きくなりすぎて効率が低下することが分かった。逆に固定子スロット開口幅Aが小さすぎる場合は、固定子スロット１２の内周側を円周方向に横切るトルクに無効な磁束が大きくなりすぎて効率が低下することが分かった。その結果、ＩＥ３効率規格が満たされるギャップ長Gは、固定子スロット開口幅Aを用いると（式２）の関係となっていることが分かった。

図７は、本実施例による極数と定格出力と固定子内径と積厚の関係である。図８は、本実施例における積厚の説明図である。回転子２０は、回転子鉄心２１の両端に短絡環２４が設置されている。図８のように、積厚Lは、固定子鉄心１１の軸方向長さである。図７は、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされる積厚Lが分析されている。極数をP、定格出力をPo(kW)、固定子内径をD(mm)、積厚をL(mm)とすると、次式の関係を有している。

8.0×10^-6×D²×L≦P×Po≦2.2×10^-5×D²×L （式３）
積厚Lが大きすぎる場合は、固定子巻線１３が長くなりすぎて銅損が増加し、効率が低下することが分かった。逆に積厚Lが小さくなりすぎる場合は、固定子鉄心１１と回転子鉄心２１の磁束密度が高くなりすぎて鉄損が増加し、効率が低下することが分かった。その結果、ＩＥ３効率規格が満たされる積厚Lは、極数Pと固定子内径Dと定格出力Poとを用いると、（式３）の関係となっていることが分かった。

図９は、本実施例による極数Ｐと固定子スロット数S1と固定子巻線跨りスロット数τの関係を示している。固定子スロット数S1とは、固定子スロット１３が全周に渡って何個あるかである（図１では３個分のみ記載）。固定子巻線跨りスロット数τとは、固定子巻線１３が固定子スロット１２の外側の部分（図８では積厚Lよりも軸方向外側の部分）で、円周方向に何スロット分跨り巻装されているかである。図９は、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされる固定子巻線跨りスロット数τが分析されている。極数をP、固定子スロット数をS1、固定子巻線跨りスロット数をτとすると、次式の関係を有している。

0.55×P×τ≦S1≦0.95×P×τ （式４）
固定子巻線跨りスロット数τが大きすぎる場合は、固定子巻線１３が長くなりすぎて銅損が増加し、効率が低下することが分かった。逆に固定子巻線跨りスロット数τが小さくなりすぎる場合は、無負荷電流（励磁電流）が大きくなりすぎて効率が低下することが分かった。その結果、ＩＥ３効率規格が満たされる固定子巻線跨りスロット数τは、極数Pと固定子スロット数S1を用いると（式４）の関係となっていることが分かった。

本実施例によるかご形誘導電動機の固定子鉄心１１と回転子鉄心２１では、鉄心材料は厚みが０．５ｍｍの電磁鋼板相当の鉄損となる材料を用いている。鉄心材料には、厚みが０．５ｍｍの電磁鋼板よりもさらに鉄損を小さくでき、厚みが０．３５ｍｍの電磁鋼板相当まで小さくできるものもあるが、（式１）〜（式４）の範囲とすることで、厚みが０．３５ｍｍの電磁鋼板相当の鉄心材料よりも安価な厚みが０．５ｍｍの電磁鋼板相当の鉄心材料を用いても、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされることが分かった。

本実施例によるかご形誘導電動機の回転子導体２３と短絡環２４は、アルミダイカスト製法で製作されている。回転子導体２３や短絡環２４の材料は、アルミよりも銅損を小さくできる銅を用いる場合もあるが、（式１）〜（式４）の範囲とすることで、銅よりも安価なアルミを用いても、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされることが分かった。

また、アルミダイカスト製法で製作する場合、固定子内径Dを500mm以下とする。これは、アルミは強度が低く、固定子内径Dを大きくしすぎると、遠心力によって破壊される場合があるためである。

（式１）〜（式４）の範囲で、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格を達成しており、かつ（式１）〜（式４）の範囲が高効率なかご形誘導電動機を提供するための条件であることが分かる。これら数値範囲は、単なる設計事項ではなく、ギャップ長G、固定子スロット開口幅A、積厚L、固定子巻線跨りスロット数τによる損失を考慮し、かつ、ＩＥＣ上の規格をも満たす条件であり、容易に導かれる類のものではない。

したがって、本実施例によると、回転子２０及び固定子１０の破損の拡大を防止できる構造によりかご形誘導電動機の信頼性を高めることができ、かつ（式１）〜（式４）の少なくともいずれか一つの関係を満たすことにより高効率なかご形誘導電動機を提供できる。

図４では、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされる極数Pとギャップ長Gとの積の上限値と下限値とを示し、（式１）により、この規格を満たすための、極数Ｐとギャップ長Ｇと固定子内径Ｄとの関係を示した。しかし、以下に説明する理由により、固定子巻線１３の極数P、固定子鉄心１１と回転子鉄心２１とのギャップ長G(mm)、固定子内径D(mm)が、次式の関係を有していることが望ましい。
0.028×D-2.55≦P×G≦0.044×D-4.775 （式５）
図５において、かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格が満たされる極数Pとギャップ長Gの積の下限値は4.8mmであり、上限値は6.4mmであることが分かる。また、効率が最大となる極数Pとギャップ長Gの積は、この下限値と上限値の中心であることわかる。これに対して、図示はしていないが、ギャップ長Gが大きくなると、無負荷電流（励磁電流）が大きくなり、力率が低下する。したがって、効率と力率の両面を考えると、極数Pとギャップ長Gの積は、図５の下限値から中心値までの範囲であることが望ましい。そこで、（式５）は、（式１）の上限値（0.060×D-7.0）と下限値（0.028×D-2.55）における傾きの平均値（(0.060+0.028)/2）と切片の平均値（(-7.0-2.55)/2）から求まる0.044×D-4.775を、上限値に設定している。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部を他の構成に置き換えることが可能であり、他の構成を加えることも可能である。

１０…固定子、１１…固定子鉄心、１２…固定子スロット、１３…固定子巻線、２０…回転子、２１…回転子鉄心、２２…回転子スロッ、２３…回転子導体、２４…短絡環。

Claims (10)

1. 固定子と回転子とがギャップを隔てて径方向に対向するかご形誘導電動機であって、
   前記固定子は、
   円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースと、を有する固定子鉄心と、
   隣接するティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線と、
   を備え、
   前記ティースは、径方向に突き出した先端部からさらに周方向に突き出した凸部を周方向両側に備え、
   前記ティースの先端部から周方向両側に突き出した前記凸部の根本部における径方向寸法をＣ、前記ギャップの径方向寸法であるギャップ長をＧとするとき、Ｃ＜Ｇの関係を有し、
   前記凸部の周方向における先端部の径方向寸法Bと前記ギャップ長Gとの間に、B＜Gの関係を有し、
   前記固定子巻線の直径Φと前記ギャップ長Gとの間に、Φ＜Gの関係を有するかご形誘導電動機。
2. 請求項１に記載のかご形誘導電動機において、
   前記固定子巻線の極数Pと前記ギャップ長Ｇ（ｍｍ）と前記固定子鉄心の内径Ｄ（ｍｍ）とが、次式の関係を有するかご形誘導電動機。
   0.028×D-2.55≦P×G≦0.060×D-7.0 （式１）
3. 請求項２に記載のかご形誘導電動機において、
   前記固定子スロットは前記ギャップに連通する開口を有し、前記開口の周方向における開口幅A（ｍｍ）と前記ギャップ長G（ｍｍ）とが、次式の関係を有するかご形誘導電動機。
   0.2×A≦G≦1.4×A-2.5 （式２）
4. 請求項３に記載のかご形誘導電動機において、
   前記極数Pと定格出力Ｐｏ（ｋＷ）と前記固定子鉄心の内径Ｄ（ｍｍ）と前記固定子鉄心の回転軸方向長さLとが、次式の関係を有するかご形誘導電動機。
   8.0×10^-6×D²×L≦P×Po≦2.2×10^-5×D²×L （式３）
5. 請求項４に記載のかご形誘導電動機において、
   前記極数Pと前記固定子スロットの数S1と前記固定子巻線の跨りスロット数τとが、次式の関係を有するかご形誘導電動機。
   0.55×P×τ≦S1≦0.95×P×τ （式４）
6. 請求項１に記載のかご形誘導電動機において、
   前記固定子巻線の極数Pと前記ギャップ長Ｇ（ｍｍ）と前記固定子鉄心の内径Ｄ（ｍｍ）とが、次式の関係を有するかご形誘導電動機。
   0.028×D-2.55≦P×G≦0.044×D-4.775 （式５）
7. 請求項５又は６に記載のかご形誘導電動機において、
   前記固定子鉄心の内径を140mm以上としたかご形誘導電動機。
8. 請求項５又は６に記載のかご形誘導電動機において、
   前記固定子鉄心の内径を500mm以下としたかご形誘導電動機。
9. 請求項５又は６に記載のかご形誘導電動機において、
   かご形誘導電動機の標準規格ＩＥＣ６００３４-３０のＩＥ３効率規格を満たすかご形誘導電動機。
10. 請求項５又は６に記載のかご形誘導電動機において、
    前記固定子鉄心及び前記回転子を構成する鉄心に、厚み０．５ｍｍの電磁鋼板相当の鉄損となる材料を用いたかご形誘導電動機。

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