JP6285216B2

JP6285216B2 - 誘導電動機

Info

Publication number: JP6285216B2
Application number: JP2014042369A
Authority: JP
Inventors: 賢明今福; 幸三真武
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: JP2015171173A

Description

本発明は、誘導電動機に関する。

近年、省エネルギー化に対する社会的要請が高まっており、それは、電動機においても例外ではない。誘導電動機を高効率化する一般的な方法として、誘導電動機の体格を従来製品よりも３０〜４０％程度大きくする方法が知られている。誘導電動機を大型化することで、例えば、銅損が低減され、その結果、効率が向上する。

経済産業省、「総合資源エネルギー調査会省エネルギー基準部会第１回三相誘導電動機判断基準小委員会」資料４三相誘導電動機の現状について、平成２３年１２月１３日

しかしながら、誘導電動機の体格を大型化すると、使用される銅線の量が増加し、電動機重量の増加を招くことになる。さらに、銅線の増加に伴い、巻線の断面積が増加し、抵抗値が低下するので、始動電流が大きくなる（通常、７００〜９００％）。始動電流が増加すると、電動機の設備容量の大容量化も必要となる。また、上記の要因によって、従来製品と比べてコストが２０〜３０％程度増加することになる。このようなことから、コスト、電動機重量および始動電流の少なくとも１つの観点から、高効率誘導電動機の改善が求められる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の第１の形態によれば、誘導電動機が提供される。この誘導電動機は、軸線方向に略円筒状に延在して形成されるとともに、中央に貫通孔が形成されたステータコアであって、該ステータコアの内面において貫通孔に向けて開口する複数のスロットが形成されたステータコアと、スロット内に配置される巻線と、を備える。巻線は、内側のアルミ層と、該アルミ層を被覆する銅層と、を有する銅クラッドアルミ線である。

かかる誘導電動機によれば、一般的に使用される銅線よりも安価なアルミを含む銅クラッドアルミ線が巻線に使用されるので、コストを低減できる。また、アルミは、銅と比べて軽量なので、電動機重量を低減できる。さらに、銅クラッドアルミ線は、銅線と比べて単位太さ当たりの抵抗が大きいので、始動電流を低減できる。

本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、銅クラッドアルミ線の規格サイズは、巻線として銅線が使用される場合と略同等の抵抗値が得られるように選定される。かかる形態によれば、銅線よりも単位太さ当たりの抵抗が大きい銅クラッドアルミ線を使用しても、温度上昇を抑制し、効率を向上させることができる。

本発明の第３の形態によれば、第２の形態において、軸線方向に直交する断面において、貫通孔を含むステータコアの断面積から貫通孔の断面積を減算した面積に対して複数の
スロットの総断面積が占める割合として定義されるスロット開口率ＡＲは、誘導電動機の極数が２極である場合には、１９％≦ＡＲ≦２１％を満たし、極数が４極以上である場合には、極数をｐとし、Ｚ１＝（−０．０２６３６７７４１＋１９．２１２６７２×ｐ）／（１＋０．４３８４９２５×ｐ＋０．０００７８６００００３×ｐ^２）としたときに、Ｚ１−２≦ＡＲ≦Ｚ１＋２を満たす。かかる形態によれば、スロット開口率が従来の高効率誘導電動機よりも２０％程度大きい。換言すれば、巻線のサイズを太くした分、スロット開口率を大きくすることによって、巻線のサイズを太くしても、誘導電動機の体格が大型化することがない。また、上記のスロット開口率は、高効率な誘導電動機を提供できる。

本発明の第４の形態によれば、第１ないし第３の形態において、銅クラッドアルミ線に対する銅層の割合は、体積比で１０％以上かつ２０％以下である。銅クラッドアルミ線に対するアルミ層の割合は、体積比で９０％以下かつ８０％以上である。かかる形態によれば、巻線をスロット内に配置する際にクラックが発生しにくい。したがって、絶縁不良率の増加を抑制できる。しかも、抵抗値がある程度大きくなるので、始動電流を低減できる。

本発明の一実施例としての誘導電動機の概略断面を示す説明図である。巻線の断面構成を示す説明図である。巻線の銅量の割合と、絶縁不良率との関係を示す説明図である。巻線の銅量の割合と、抵抗値および始動電流と、の関係を示す説明図である。スロット開口率を説明するための図である。スロット開口率と電動機効率との関係を示す説明図である。巻線として使用される銅クラッドアルミ線の規格サイズを例示する図表である。

Ａ．実施例：

図１は、本発明の一実施例としての誘導電動機１０の回転軸線に直交する断面を示す概略図である。誘導電動機１０は、高効率化のために、通常の誘導電動機に対して体格が３０〜４０％大きく形成された高効率誘導電動機である。図示するように、誘導電動機１０は、ロータ２０とステータ３０と巻線４０とを備えている。ステータ３０は、軸線方向に略円筒状に延在する形状を有している。ステータ３０の中央部には、軸線方向に貫通する貫通孔３１が形成されている。この貫通孔３１には、ロータ２０が収容されている。

ステータ３０の内面には、貫通孔３１に向けて開口する複数のスロット３２が周方向に沿って一定のピッチで形成されている。各スロット３２の間には、ティース３３が形成されている。スロット３２の各々には、巻線４０が、ティース３３に巻き回された状態で配置されている。

図２は、巻線４０の断面構成を示す。従来、巻線４０には、銅線が使用されてきたが、本実施例では、巻線４０は、銅クラッドアルミ線である。図示するように、巻線４０は、内側のアルミ層４１と、アルミ層４１の周囲を被覆する銅層４２と、を備えている。巻線４０に銅クラッドアルミ線が使用されることによって、つまり、巻線４０に銅よりも安価なアルミが含まれることによって、銅線を用いる場合に比べて、巻線４０のコストが低減される。また、巻線４０に銅よりも軽量なアルミが含まれることによって、銅線を用いる場合に比べて、巻線４０の重量、しいては、誘導電動機１０の重量を低減できる。さらに、銅線よりも単位太さ当たりの抵抗が大きい銅クラッドアルミ線が使用されることによって、銅線を用いる場合に比べて、誘導電動機１０の始動電流を低減できる。

本実施例では、巻線４０として使用される銅クラッドアルミ線の規格サイズは、巻線４０として銅線が使用される場合と略同等の抵抗値が得られるように選定される。巻線４０に銅クラッドアルミ線を使用することによって、銅線を使用する場合よりも巻線４０の抵抗値が大きくなるが、その分、巻線４０を太くして、巻線４０の総断面積を増加させることによって、温度上昇が抑制される。すなわち、電動機効率の低下が抑制される。実際には、銅クラッドアルミ線の太さは、例えば日本工業規格（ＪＩＳ）で規定されているので、銅クラッドアルミ線として、巻線４０として銅線が使用される場合と同等の抵抗値が得られる太さに最も近い規格サイズの銅クラッドアルミ線が選定される。この意味で、上記では、「同等」ではなく「略同等」と記載している。一例を挙げれば、電動機出力に応じて、図７に示す銅クラッドアルミ線の規格サイズを選定することができる。図７から明らかなように、巻線４０として使用される銅クラッドアルミ線の規格サイズは、高効率誘導電動機の巻線に従来使用される銅線に比べて、１０％程度太くなっている。なお、図７に示した銅クラッドアルミ線の規格サイズは、１本の巻線を使用する場合であるが、２本以上の巻線が使用されてもよい。例えば、電動機出力が２２ｋＷの場合において、１．０ｍｍの１本の銅クラッドアルミ線に代えて、２本の０．７ｍｍの銅クラッドアルミ線が使用されてもよい。かかる構成によっても、銅クラッドアルミ線の巻線全体としての抵抗値は、巻線４０として銅線が使用される場合の抵抗値と略同等になる。

また、本実施例では、巻線４０に対する銅層４２の割合は１０％（体積比）以上であり、したがって、巻線４０に対するアルミ層４１の割合は９０％（体積比）以下である。さらに、本実施例では、巻線４０に対する銅層４２の割合は２０％（体積比）以下であり、したがって、巻線４０に対するアルミ層４１の割合は８０％（体積比）以上である。かかる巻線４０は、銅線と比べて、約５０％軽量であり、４０〜５０％安価である。

図３は、巻線４０における銅量の割合と、絶縁不良率との関係を示す説明図である。図示するように、銅量が１０％を越えると、巻線４０をスロット３２内に配置する際にクラックが生じやすくなり、その結果、絶縁不良率が急激に高まる。上述したように、巻線４０における銅量を１０％以上とすることにより、巻線４０に銅クラッドアルミ線を採用したことに伴う絶縁不良率の増加を抑制できる。

図４は、巻線４０における銅量の割合と、巻線４０の抵抗値および誘導電動機１０の始動電流と、の関係を示す説明図である。図示するように、銅量の割合が増加するほど、巻線４０の抵抗値は小さくなる。このため、銅量の割合が増加するほど、誘導電動機１０の始動電流は大きくなる。そして、銅量の割合が２０％を越えると、始動電流は急激に増加する。上述したように、巻線４０における銅量を２０％以下とすることにより、誘導電動機１０の始動電流を、従来の高効率誘導電動機の始動電流（通常、７００〜９００％）よりも低い６００％以下に抑制することができる。

図５は、図１に示した誘導電動機１０のステータ３０のみを示す図である。本実施形態では、上述したように巻線４０の規格サイズを大きくする一方で、スロット開口率ＡＲが従来の高効率誘導電動機よりも大きく設定される。スロット開口率ＡＲとは、軸線方向に直交する断面（すなわち、図１に示される断面）において、貫通孔３１を含むステータ３０の断面積（すなわち、図５に示される外径ラインＯＬの内側の面積）から貫通孔３１の断面積（すなわち、図５に示される内径ラインＩＬの内側の面積）を減算した面積に対して複数のスロット３２の総断面積が占める割合として定義される。

ステータ３０の大きさを従来の高効率誘導電動機と同じ大きさに維持することを前提とすれば、スロット開口率ＡＲによって、誘導電動機１０の電動機効率が定まる。図６は、誘導電動機１０の極数が４極である場合のスロット開口率ＡＲと電動機効率との関係を示す。図示するように、４極タイプの誘導電動機１０では、スロット開口率ＡＲが２８％の
ときに電動機効率が最も高くなり、スロット開口率ＡＲが２８％から増加または減少するにしたがって、電動機効率は低下する。同様に、電動機効率が最も高くなるスロット開口率ＡＲは、極数が２極の場合には約２０％、６極の場合には約３２％、８極の場合には約３４％、１０極の場合には約３５％、１２極の場合には約３６％、１４極の場合には約３７％となる。これらの式から近似式を得ると、次式（１）の通りとなる。式（１）において、Ｚ１は、電動機最大効率であり、ｐは極数である。以上から、スロット開口率ＡＲが次式（２）を満たす場合に、好適な電動機効率を得ることができる。
Ｚ１＝（−０．０２６３６７７４１＋１９．２１２６７２×ｐ）／（１＋０．４３８４９２５×ｐ＋０．０００７８６００００３×ｐ^２）・・・（１）
Ｚ１−２≦ＡＲ≦Ｚ１＋２・・・（２）

上記式（２）を満たすスロット開口率ＡＲは、従来の高効率誘導電動機の開口率ＡＲよりも５％〜３０％程度大きくなる。例えば、従来の高効率誘導電動機の開口率ＡＲの最適点は、２極の場合には約１７％、４極の場合には約２３％、６極の場合には約２７％であるのに対して、本実施例の誘導電動機１０の開口率ＡＲの最適点は、２極の場合には約２０％、４極の場合には約２８％、６極の場合には約３２％である。このことは、上述したように巻線４０の規格サイズを１０％程度太くしても、誘導電動機１０のサイズを大きくすることなく高効率が得られることを意味している。なお、２極の場合には、従来よりも１０％程度太くした巻線４０をスロット３２に収容するために、スロット開口率ＡＲは、次式（２）に代えて、次式（３）を満たすように設定される。
１９％≦ＡＲ≦２１％・・・（３）

上述した誘導電動機１０によれば、巻線４０に銅クラッドアルミ線を採用することにより、銅線を巻線４０として使用した従来の高効率誘導電動機と比べて、１０〜１５％のコストダウンを達成できる。また、誘導電動機１０によれば、５〜１０％程度の軽量化が達成される。また、誘導電動機１０によれば、始動電流を、従来の７００〜９００％から５００〜６００％程度に低減することができる。特に、誘導電動機１０では、銅線よりも単位太さ当たりの抵抗が大きい銅クラッドアルミ線を巻線４０に使用する一方で、巻線４０の規格サイズを太くすることによって、誘導電動機１０の上述した利点と、巻線４０の抵抗値が大きくなることに伴う電動機効率の低下と、のトレードオフを解消させている。さらに、誘導電動機１０では、スロット開口率ＡＲを大きくすることによって、誘導電動機１０の大型化を抑制できる。すなわち、巻線４０の規格サイズを太くすることによる利点と、そのことによって誘導電動機１０が大きくなることと、のトレードオフを解消させている。以上説明したとおり、誘導電動機１０によれば、従来の銅線を巻線に用いる高効率誘導電動機と比べて、同等の電動機効率および大きさを維持しつつ、コスト、電動機重量および始動電流を大幅に改善することができる。なお、誘導電動機１０の上述した種々の構成は、それぞれ、単独で採用することもできる。例えば、巻線４０に銅クラッドアルミ線を採用し、巻線４０の規格サイズおよびスロット開口率ＡＲは、従来通りであってもよい。こうしても、誘導電動機１０の上述した種々の効果の一部を奏する。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１０…誘導電動機
２０…ロータ
３０…ステータ
３１…貫通孔
３２…スロット
３３…ティース
４０…巻線
４１…アルミ層
４２…銅層
ＯＬ…外径ライン
ＩＬ…内径ライン
ＡＲ…スロット開口率

Claims

誘導電動機であって、
軸線方向に略円筒状に延在して形成されるとともに、中央に貫通孔が形成されたステータコアであって、該ステータコアの内面において前記貫通孔に向けて開口する複数のスロットが形成されたステータコアと、
前記スロット内に配置される巻線と
を備え、
前記巻線は、内側のアルミ層と、該アルミ層を被覆する銅層と、を有する銅クラッドアルミ線であり、
前記銅クラッドアルミ線の規格サイズは、前記巻線として銅線が使用される場合と略同等の抵抗値が得られるように選定され、
前記軸線方向に直交する断面において、前記貫通孔を含む前記ステータコアの断面積から前記貫通孔の断面積を減算した面積に対して前記複数のスロットの総断面積が占める割合として定義されるスロット開口率ＡＲは、
前記誘導電動機の極数が２極である場合には、１９％≦ＡＲ≦２１％を満たし、
前記極数が４極以上である場合には、前記極数をｐとし、Ｚ１＝（−０．０２６３６７７４１＋１９．２１２６７２×ｐ）／（１＋０．４３８４９２５×ｐ＋０．０００７８６００００３×ｐ ^２）としたときに、Ｚ１−２≦ＡＲ≦Ｚ１＋２を満たす
誘導電動機。
請求項１に記載の誘導電動機であって、
前記銅クラッドアルミ線に対する前記銅層の割合は、体積比で１０％以上かつ２０％以下であり、
前記銅クラッドアルミ線に対する前記アルミ層の割合は、体積比で９０％以下かつ８０％以上である
誘導電動機。