JP6132989B1 - 三相誘導電動機およびその二次導体 - Google Patents

三相誘導電動機およびその二次導体 Download PDF

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Abstract

型巻きコイルを挿入するためのオープンスロット構造の固定子スロットを有する固定子と、導体バー9が挿入される回転子スロット7を有し、空隙を介して固定子の内側に配置される回転子と、を備えた三相誘導電動機であって、導体バー9の断面形状は6角以上の多角形であり、且つ、導体バー9の外周側端面における両端部(A部およびB部)はR形状に形成されている。

Description

本発明は、三相誘導電動機および三相誘導電動機の回転子スロット内に挿入される二次導体に関する。
下記特許文献1には、二次導体が挿入される回転子スロットの断面形状が概略8角形に形成された三相誘導電動機が開示されている。
なお、この特許文献1では、二次導体の断面形状については、特に言及されてはおらず、回転子スロットの断面形状と二次導体の断面形状とは同一であることが前提であると考えられる。
特許第5241131号公報
ところで、回転子スロットに二次導体を挿入する際には、スエッジという作業が行われる。ここで、スエッジとは、たがね状の工具によるカシメ作業の一種である。具体的に説明すると、回転子スロットの開口部(以下「スロット開口部」と称する)から、たがね状の工具で二次導体を押し込むことで、二次導体を塑性変形させて回転子スロット内に固定させる作業のことである。
スエッジを実行すると、二次導体は、回転子の外周部から中心方向へ押されるため、二次導体の回転子中心側面が回転子鉄心に押し付けられ固定され、さらに、二次導体の回転子外周側の面が周方向へ押し付けられて固定される。この際、二次導体がどのように変形して固定されるかは、二次導体の形状および回転子スロットの形状に依存する。
三相誘導電動機(以下、特に明示する場合を除き単に「電動機」と略す)の回転時に二次導体が温度上昇すると、二次導体と回転子鉄心との熱膨係数差により、二次導体が回転子軸方向へ延びる。このとき、スエッジにより回転子鉄心を押し込んでいるため、回転子鉄心を引き連れて軸方向へ延びようとする力が働く。そのため、スエッジが強すぎると、回転子鉄心と一体となる部分が増えるため、回転子鉄心ごと延びようとする力が増幅し、スエッジした部位の周辺端部にて回転子鉄心が開いたり、回転子鉄心の一部が折損したりする可能性がある。
そのため、スエッジの圧力は、二次導体が適正に固定される最低限の値で設定されることが望ましい。しかしながら、二次導体が適正に固定されない限り、スエッジの圧力を高める必要がある。二次導体が適正に固定されないと、二次導体とエンドリングとで形成するかご形形状におけるねじり固有振動数が適正値とならず、電動機の回転時に電動機のトルク脈動成分と共振を起こすことで、回転子鉄心または二次導体自身が折損する可能性がある。これらにより、回転子鉄心および二次導体自身の破損の可能性を低下させることができる二次導体の形状が求められている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子鉄心および二次導体自身の破損可能性を低下させることができる二次導体および当該二次導体を備えた三相誘導電動機を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、型巻きコイルを挿入するためのオープンスロット構造の固定子スロットを有する固定子と、二次導体が挿入される回転子スロットを有し、空隙を介して固定子の内側に配置される回転子と、を備えた三相誘導電動機である。回転子スロットに挿入される二次導体の断面形状は6角以上の多角形であり、且つ、二次導体の外周側端面における両端部はR形状に形成されている。
本発明によれば、スエッジ圧を高くしなくても二次導体を強固に保持することができ、回転子鉄心および二次導体自身の破損可能性を低下させることができる、という効果を奏する。
実施の形態1に係る三相誘導電動機の軸方向断面図 図1におけるII−II方向の矢視断面図 実施の形態1に係る三相誘導電動機における回転子スロットの断面形状を示す部分断面図 実施の形態1に係る三相誘導電動機における導体バーの断面形状を示す部分断面図 概略8角形の回転子スロットに挿入された実施の形態1に係る導体バーに対するスエッジ作業の様子を説明するための説明図 概略8角形の回転子スロットに挿入された従来技術に係る導体バーに対するスエッジ作業の様子を説明するための説明図 概略8角形の回転子スロットに挿入された実施の形態1に係る導体バーに働く応力を説明するための説明図 概略8角形の回転子スロットに挿入された従来技術に係る導体バーに働く応力を説明するための説明図 三相誘導電動機のトルク脈動による捻れを説明するための回転子側面図 スエッジ作業時に導体バーに印加したスエッジ圧が高すぎた場合に起こり得る回転子内部の状態を示した説明図
以下に、本発明の実施の形態に係る三相誘導電動機およびその二次導体を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電動機1の軸方向断面図であり、図2は、図1におけるII−II方向の矢視断面図である。回転軸であるシャフト8には、電磁鋼板が積層されて円筒構造を成し、シャフト8に一体化された回転子鉄心6を有する回転子5が構成される。
実施の形態1に係る電動機1は、外気と遮断する部材で覆われた、いわゆる全閉型の電動機であり、鉄道車両用の主電動機として好適である。電動機1が鉄道車両用の場合、シャフト8における駆動側部8aは、継手(図示せず)および減速歯車(図示せず)を介して鉄道車両の車軸(図示せず)に連結され、車軸に取り付けられた車輪(図示せず)を駆動して車両を走行させるように構成される。
回転子鉄心6には、シャフト8の軸方向に貫通した複数個のスロット孔(以下「回転子スロット」と称する)7が形成されている。回転子スロット7のそれぞれには、バー構造の導体である導体バー9が挿入され、挿入された複数の導体バー9の長手方向におけるそれぞれの端部は、エンドリング10によって連結される。なお、導体バー9は、電動機1の二次側回路を構成する導体であり、二次導体と称される。
フレーム12の機内側には、円筒構造の固定子鉄心3が回転子鉄心6と空隙18を介して対向するように配置され、固定子鉄心3には、固定子巻線4が装着される。なお、固定子2は、固定子鉄心3と固定子巻線4とで構成される。
図2には、実施の形態1に係る電動機1の好ましい断面構造を示している。図2において、固定子鉄心3の内周部側には、48個のスロット3aが等角ピッチで、且つ、間欠的に形成されている。48個のスロット3aが形成されることによって48個のティース3bが形成されている。固定子スロットを成すスロット3aには、コイル20が、ティース3bの1つまたは複数を内部に含むように巻装されて収納される。スロット3aに収納された複数のコイル20によって、固定子巻線4が構成される。
回転子鉄心6には、固定子鉄心3のスロット3aもしくはティース3bに対向するように、38個の回転子スロット7が形成されている。前述したように、回転子スロット7には、二次導体を成す導体バー9が挿入される。
なお、図2では、固定子のスロット数が48、回転子のスロット数が38の場合、すなわち(固定子スロット数)>(回転子スロット数)の場合を例示しているが、この構成に限定されるものではなく、(固定子スロット数)<(回転子スロット数)であってもよい。(固定子スロット数)<(回転子スロット数)の例として、固定子スロット数が36、回転子スロット数が46のものが知られている。
次に、実施の形態1に係る電動機における回転子スロットの断面形状について説明する。図3は、実施の形態1に係る電動機における回転子スロットの断面形状を示す部分断面図である。従来の三相誘導電動機における回転子スロットの形状は、回転子スロットに挿入される導体バーの断面積を大きくする観点から、長方形形状が主流であった。導体バーの断面積が大きくなれば導体バーの抵抗が小さくなるので、基本波磁束による二次側の銅損の低減に繋がるという利点がある。
一方、実施の形態1に係る回転子スロット7の断面形状は、図3に示すように、スロット開口部54側の角部をテーパ形状にすることにより形成した第1のテーパ部57(57a,57b)を有すると共に、回転子5の中心方向に向かってスロット幅が略一定の平行部58(58a,58b)を有し、さらに中心方向に向かってスロット幅が徐々に漸減するような第2のテーパ部59(59a,59b)を有する概略8角形の貫通孔が形成されている。このように形成された結果、回転子スロット7は、第1角部60(60a,60b)、第2角部61(61a,61b)、第3角部62(62a,62b)、および第4角部63(63a,63b)を有する断面形状となり、また、第4角部63a,63b間の長さは、第3角部62a,62b間の長さ(最大スロット幅m)よりも短くなるように設定される。なお、導体バー9を回転子スロット7に挿入する場合、導体バー9のスロット内での振動を抑制し、また、三相誘導電動機の回転による遠心力によって導体バーが抜け出ないように、第1角部間の長さαは、スロット開口部54の幅(以下「スロット開口長」という)βよりも長くする必要がある。
次に、実施の形態1に係る電動機における導体バーの断面形状について説明する。図4は、実施の形態1に係る電動機における導体バーの断面形状を示す部分断面図である。図4において、回転子スロット7の断面形状は実線で示し、導体バー9の断面形状は2点鎖線で示している。
実施の形態1に係る導体バーには、主として、以下に示す4つの特徴がある。
(1)導体バー9の断面形状は、回転子スロット7の断面形状とは異なっている。
(2)導体バー9の外周側端面における両端部はR形状に形成されている(図4のA部およびB部を参照)。
(3)導体バー9を挿入した際に、導体バー9の外周側端面とスロット開口部54との間には間隙(ギャップ)32が形成される。
(4)スロット開口部54の径方向長さaと、間隙32の径方向長さb(すなわち、導体バー9の外周側端面とスロット開口部54の内周部側までの長さ)との間には、a>bの関係がある。
導体バー9の外周側端面における両端部をR形状とすることにより、当該両端部が回転子鉄心6に面接触するので、回転子鉄心6側における導体バー9との接触部での応力集中を回避することができる。導体バー9の外周側端面における両端部を回転子鉄心6に面接触できるので、点接触による渦電流の集中を回避することができる。
また、導体バー9の外周側端面とスロット開口部54との間に間隙32を設けることで、スロット開口部54を横切るフリンジング磁束が導体バー9を横切る量を小さくすることができる。なお、間隙32の径方向長さを大きくすると導体バー9の断面積が小さくなり、2次抵抗が大きくなる。このため、上述のように、間隙32の径方向長さをスロット開口部54の径方向長さよりも小さくすることが好ましい。
次に、三相誘導電動機をインバータで駆動する際に発生する高調波損失および当該高調波損失に影響を受ける回転子の構造について説明する。
まず、インバータ駆動される電動機において発生する高調波損失には、電動機に印加される電圧波形に含まれる高調波成分、すなわち高調波電圧によって発生する高調波損失(一般的に「インバータ高調波損失」と称される)と、電動機の内部で発生する空間高調波により発生する高調波損失(一般的に「空間高調波損失」と称される)とがある。
また、空間高調波損失は、一般的に、固定子のスロット部、ティース部のパーミアンス脈動によって発生する固定子スロット高調波と、固定子巻線がスロット内に格納されているため起磁力が階段状になることで発生する固定子起磁力高調波とに区分される。
固定子起磁力高調波は、毎極毎相のスロット数が2以上であれば一般的に小さいと言われている。このため、空間高調波損失の主となる空間高調波は、固定子スロット高調波が支配的となる。実施の形態1に係る電動機も同様の構造であるが、特に、型巻きコイルを使用する場合には、コイルの挿入の工作性を向上する観点から、固定子スロットの開口部がオープンスロット構造となるので、固定子スロット高調波が特に大きくなる。
固定子スロット高調波の影響は回転子スロットにも及ぶ。固定子スロットの開口部がオープンスロット構造の場合、固定子スロット高調波による磁束の脈動成分の多くが隣接する回転子スロット内の導体間で受けることになり、高調波損失が増加するためである。
一方、上記のような高調波損失を低減する目的で、二次導体を軸方向にスキューする技術が知られているが、二次導体の材質が金属の場合、軸方向にスキューを付けることは困難である。このため、二次導体を軸方向にスキューしない構造の電動機において、回転子スロットに挿入される二次導体、すなわち導体バーには、多くの高調波電流が誘起されてしまうことになる。
図3に示す回転子スロットの形状は、二次導体を軸方向にスキューしない構造の電動機において、固定子スロット高調波を低減するのには効果的である。しかしながら、図3に示す回転子スロットの形状に合わせて導体バーを製作し、当該導体バーを挿入すると、「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、スエッジ作業に伴って回転子鉄心または二次導体自身が折損する可能性がある。これに対し、図4に示す導体バーの形状は、回転子鉄心および二次導体自身の破損を起こさせないように工夫された形状となっている。
次に、実施の形態1に係る導体バーが固有に有する効果について、図5から図10までの図面を参照して説明する。図5は、概略8角形の回転子スロットに挿入された実施の形態1に係る導体バーに対するスエッジ作業の様子を説明するための説明図であり、図6は、概略8角形の回転子スロットに挿入された従来技術に係る導体バーに対するスエッジ作業の様子を説明するための説明図である。図7は、概略8角形の回転子スロットに挿入された実施の形態1に係る導体バーに働く応力を説明するための説明図であり、図8は、概略8角形の回転子スロットに挿入された従来技術に係る導体バーに働く応力を説明するための説明図である。図9は、三相誘導電動機のトルク脈動による捻れを説明するための回転子側面図であり、図10は、スエッジ作業時に導体バーに印加した圧力(以下「スエッジ圧」と称する)が高すぎた場合に起こり得る回転子内部の状態を示した説明図である。
実施の形態1に係る導体バーに対してスエッジ作業を行うと、図5(a)の状態から図5(b)の状態に推移する。このとき、たがね状の工具70によるスエッジ圧によって、回転子中心側に導体バー9を押し付ける力が加わる一方で、導体バー9の外周側端面における両端部である第1端部30(30a,30b)にも力が加わる。しかしながら、第1端部30(30a,30b)はR形状に形成されているので、導体バー9の角部が鉄心に接触することを回避することができる。また、導体バー9の塑性変形が回転子スロット7の第1のテーパ部57(57a,57b)に沿って回転子外周側に向かうので、回転子スロット7への応力集中を回避することができる。このように、実施の形態1に係る導体バーによれば、図5(c)に示すように隙間のない状態、もしくは隙間の小さな状態で回転子スロット7内に収容することが可能となる。
これに対して、従来技術に係る導体バー、すなわち回転子スロット7と同一形状の導体バーに対してスエッジ作業を行うと、図6(a)の状態から図6(b)の状態に推移する。このとき、たがね状の工具70によるスエッジ圧によって、回転子中心側に導体バー109を押し付ける力が加わる一方で、導体バー109の外周側端面における両端部である角部110(110a,110b)にも力が加わる。導体バー109の角部110(110a,110b)と、回転子スロット7の第1角部60(60a,60b)、もしくは回転子スロット7の第1テーパ部57(57a,57b)とは、面接触ではなく点接触もしくは線接触で当接することとなる。このため、図6(c)に示すように、回転子スロット7の第1テーパ部57(57a,57b)は、導体バー109の角部110(110a,110b)によって外周方向に押されて変形する場合があり、また、回転子スロット7の第2角部61(61a,61b)の周囲に隙間が生ずることもある。
図7および図8は、電動機の回転時に導体バーに遠心力がかかった状態を示している。導体バー9に遠心力がかかった状態において、電動機にトルク脈動が生ずると、エンドリング10には、電動機1の回転方向80に対して、図9に示すような導体バー9を捻る方向の力(以下「捻力」と称する)82が加わる。
実施の形態1に係る導体バー9の場合、導体バー9における第1端部30(30a,30b)およびその周辺部は、図7のC部およびD部に示されるように、回転子スロット7の第1のテーパ部57(57a,57b)との間で面固定されるので、固定強度は従来よりも向上させることができ、電動機の回転による遠心力に対して固定強度の増強が可能となり、スエッジ圧を高めなくても、適正な固定強度を得ることが可能となる。また、図9に示すような捻力82に対する耐性を高めることも可能になる。さらに、導体バー9の変形量を小さくできるので、回転子を均一に構成することが容易となり、電動機の品質の向上に貢献できる。
これに対し、従来技術に係る導体バー109の場合、図8のE部およびF部に示されるように、導体バー109の角部110(110a,110b)によって点固定される形となるので、図9に示すような捻力82に対する耐性は、スエッジ圧を高めることによって確保する必要がある。なお、スエッジ圧力を高めることによって固定している状態は、導体バー109が適正に固定されていない状態であるとも言える。導体バー109が適正に固定されないと、導体バー109とエンドリング10とで形成するかご形形状におけるねじり固有振動数が適正値とはならず、電動機の回転時に電動機のトルク脈動成分と共振を起こす可能性があり、図10に示すような不具合が生ずるおそれがある。図10は、従来技術に係る導体バー109において、スエッジ圧が高すぎた場合に起こり得る回転子内部の状態として、図9において破線で示したG部の内部の状態を拡大して示している。
スエッジ圧が高い状態で固定された導体バー109が、電動機の回転動によって加熱し熱膨張すると、図10(a)に示すように、回転子鉄心を巻き込んで延びようとする力が働く。なお、特に、スエッジ作業を行った境目で回転子鉄心が開こうとする力が働く。回転子鉄心が開こうとする力が継続した状態において、回転子端部における回転子鉄心押さえ116の許容値を超えた場合には、回転子鉄心が開き、図10(b)に示すように、回転子鉄心の電磁鋼板118が折損するおそれがあり、また、回転子鉄心の先端部における電磁鋼板118の薄い部分のみを巻き込んで変形を引き起こすおそれがある。
これに対し、実施の形態1に係る導体バー9の場合、スエッジ圧を低く抑えることができるので、上述したような回転子鉄心の電磁鋼板の折損および変形を抑止することが可能となる。
なお、図3では、概略8角形の貫通孔が形成された回転子スロット7を例示しているが、回転子スロット7が第2のテーパ部59を有さない形状であり、導体バー9の断面形状もこの形状に合わせて形成されていてもよい。例えば、回転子スロット7において、スロット幅が略一定の平行部58が第1角部60(60a,60b)から第3角部62(62a,62b)まで延び、第2角部61(61a,61b)が形成されない概略6角形の断面形状あってもよい。この場合、導体バー9の断面形状も概略6角形の断面形状を有し、外周側端面における両端部がR形状に形成されていればよい。肝要な点は、導体バー9の外周側端面における両端部が回転子スロット7の外周側に形成されるテーパ部で面接触する構造であれば、本発明の要旨に含まれる。
以上説明したように、実施の形態1に係る三相誘導電動機によれば、二次導体である導体バーの断面形状を6角以上の多角形で形成し、且つ、二次導体の外周側端面における両端部をR形状で形成したので、スエッジ圧を高くしなくても二次導体を強固に保持することができ、回転子鉄心および二次導体自身の破損の可能性を低下させることができる。
実施の形態2.
実施の形態2に係る三相誘導電動機では、導体バーを構成する素材について説明する。実施の形態1でも説明したように、導体バーは、回転子が回転するときの遠心力に耐え得る強度が必要である。このため、従来の導体バーは、銅合金を使用するのが一般的であった。導体バーとして銅合金を適用した場合、導体バーの製作には、冷間引き抜き加工と呼ばれる製造方法が使用される。冷間引き抜き加工は、型に部材を押し込んで引き抜く方法である。冷間引き抜き加工では、型に押し込む部材量の比率である加工率を適正化し、時効処理と呼ばれる引き抜いた後の熱処理における温度および時間を適正にすることで高強度を確保することが可能になる。しかしながら、冷間引き抜き加工は、導体バーの形状が単純な場合には精度がよいが、形状が複雑になると製作時の引き抜き加工の際に歪みが生じるという問題点があった。この歪みは、断面形状の非対称性による圧延率の違いに起因するものである。従来は、長方形形状が主流であったため、高強度の銅合金であっても歪の修正作業は比較的容易であったが、形状が多角形になると歪みの修正作業が難しくなり、加工性がよくないという欠点もあった。
そこで、実施の形態2に係る導体バーでは、歪みの修正作業を容易とし、且つ、時効処理を不要とするため、導体バーの材料を純銅として構成する。純銅は合金ではないので、時効処理による高強度化はできないが、実施の形態1に係る導体バーの形状を適用すれば、回転子スロットに挿入して固定したときの強度を確保することが可能となる。
なお、純銅は低損失の材料であり、高効率化のためには好ましい材質である。また、導体バーの外周側端面をR形状とすることにより、回転子の高調波二次銅損、すなわちスロット部およびティース部のパーミアンス脈動に伴う高調波損失を低減することも可能となり、高効率化に望ましい材質となる。
なお、上記の説明では、本実施の形態に係る三相誘導電動機を鉄道用主電動機として用いる場合について説明したが、鉄道車両用の以外の用途に用いてもよいことは言うまでもない。
また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 電動機(三相誘導電動機)、2 固定子、3 固定子鉄心、3a スロット、3b ティース、4 固定子巻線、5 回転子、6 回転子鉄心、7 回転子スロット、8 シャフト、8a 駆動側部、9 導体バー、10 エンドリング、12 フレーム、18 空隙、20 コイル、30(30a,30b) 第1端部、32 間隙(ギャップ)、54 スロット開口部、57(57a,57b) 第1のテーパ部、58(58a,58b) 平行部、59(59a,59b) 第2のテーパ部、60(60a,60b) 第1角部、61(61a,61b) 第2角部、62(62a,62b) 第3角部、63(63a,63b) 第4角部、70 たがね状の工具、80 回転方向、82 捻力、109 導体バー、110(110a,110b) 角部、116 回転子鉄心押さえ、118 電磁鋼板。

Claims (7)

  1. 型巻きコイルを挿入するためのオープンスロット構造の固定子スロットを有する固定子と、断面形状が6角以上の多角形であり、二次導体が挿入される回転子スロットを有し、空隙を介して前記固定子の内側に配置される回転子と、を備えた三相誘導電動機であって、
    前記二次導体の断面形状は前記回転子スロットの断面形状とは異なる6角以上の多角形であり、且つ、前記二次導体の外周側端面における両端部はR形状であり、
    前記外周側端面の前記両端部以外の面は、前記回転子に接触することなく、前記両端部は、前記回転子スロットの外周側に形成されるテーパ部で面接触することを特徴とする三相誘導電動機。
  2. 前記二次導体を前記回転子スロットに挿入した際、前記回転子スロットの外周面側にはスロット開口部が設けられると共に、前記スロット開口部と前記外周側端面との間には間隙を有するように構成され、
    前記スロット開口部の径方向長さは、前記間隙の径方向長さよりも長い
    ことを特徴とする請求項に記載の三相誘導電動機。
  3. 前記二次導体の材質が純銅であることを特徴とする請求項1または2に記載の三相誘導電動機。
  4. 前記三相誘導電動機は、鉄道車両用の主電動機として用いられることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の三相誘導電動機。
  5. 前記三相誘導電動機は、全閉型の電動機であることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の三相誘導電動機。
  6. 型巻きコイルを挿入するためのオープンスロット構造の固定子スロットを有する固定子と、断面形状が6角以上の多角形である回転子スロットを有し、空隙を介して前記固定子の内側に配置される回転子と、を備えた三相誘導電動機の一部を構成するように、前記回転子スロットに挿入される三相誘導電動機の二次導体であって、
    前記二次導体の断面形状は前記回転子スロットの断面形状とは異なる6角以上の多角形であり、且つ、前記二次導体の外周側端面における両端部はR形状に形成されており、
    前記外周側端面の前記両端部以外の面は、前記回転子に接触することなく、前記両端部は、前記回転子スロットの外周側に形成されるテーパ部で面接触することを特徴とする三相誘導電動機の二次導体。
  7. 前記二次導体の材質が純銅であることを特徴とする請求項6に記載の三相誘導電動機の二次導体。
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