JP6416165B2 - 誘導電動機および回転子 - Google Patents

Description

この発明は、誘導電動機およびそのための回転子に関する。

従来の典型的なかご型誘導電動機では、回転子鉄心内を複数の導体バー（回転子バー）が軸方向に貫通し、それらの両端部が短絡環によって周方向に電気的に接続されて、かご型導体が形成されている。また、かご型誘導電動機の始動時（低速回転時）において、かご型導体内には定格時に比べ数倍の電流が流れる。電源装置の設計上は、始動時の電流を極力抑制することが好ましい（特許文献１参照）。

特開平６−１１３５１３号公報

誘導電動機において、始動時の電流を抑制して、しかも大きなトルクを発生させ、定格運転時には効率の高い運転が可能となるように、回転速度の変化に応じて短絡環の電気抵抗値を変化させる技術が特許文献１に開示されている。特許文献１には、ナトリウムの相変化を用いて電気抵抗を変化させる技術と、遠心力を用いて導体を半径方向に移動させて複数の短絡環のうちの一部を選択的に接続する技術が開示されている。

しかし、特許文献１のナトリウムの相変化を用いる技術は、ナトリウムを取り扱うことから取り扱いに困難が伴う。また、特許文献１に開示された導体を半径方向に移動させる技術については、導体と短絡環との電気的な接触および切り離しを確実かつ円滑に行うにはどのようにすればよいかなど、具体的な解決すべき課題がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、この発明の目的は、誘導電動機の短絡環の電気抵抗値を回転速度に応じて変化させ、それによって、始動時または低速回転時に必要なトルクを発生させるとともに始動時または低速回転時の電流を抑制し、定格運転時の効率を高く維持することにある。

本発明に係る誘導電動機は、回転子と、前記回転子の径方向外側を取り囲んで配置された固定子と、前記回転子を回転支持する複数の軸受と、前記固定子および前記複数の軸受を支持するフレームと、を有する誘導電動機であって、前記回転子は、ロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側を取り囲んでそのロータシャフトに固定された回転子鉄心と、前記回転子鉄心内を貫通して軸方向に延びて、互いに周方向に間隔をあけて配置された複数の導体バーと、前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第１の短絡環と、前記回転子の回転速度が所定の値未満のときには電気接点が開いていて前記回転子の回転速度が前記所定の値以上のときに遠心力によって前記電気接点が閉じているように構成された自動スイッチと、前記自動スイッチを介して前記導体バーと接続されていて、前記自動スイッチの電気接点が閉じたときに前記第１の短絡環と並列に接続されて前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第２の短絡環と、前記第１の短絡環と前記第２の短絡環との間に介在する環状の絶縁体と、を備え、前記第１の短絡環は、前記回転子の回転軸を中心とする円環状に形成されて、前記導体バーに支持され、前記絶縁体は前記第１の短絡環の外側に配置され、前記第２の短絡環は、前記絶縁体の外側に配置され、前記第２の短絡環が前記絶縁体を介して前記第１の短絡環に支持されていて、前記自動スイッチは、前記導体バーに固定された回転支持部と、前記回転支持部によって回転支持されて、前記導体バーに常時電気的に接続されていて、前記回転子の回転による遠心力によって前記回転支持部の周りに回転することにより前記第２の短絡環と電気的に接続されて前記電気接点が閉じる方向に移動する導電性のレバーと、前記レバーを前記電気接点が開く方向に付勢するばねと、を備えること、を特徴とする。

本発明に係る誘導電動機用回転子は、ロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側を取り囲んでそのロータシャフトに固定された回転子鉄心と、前記回転子鉄心内を貫通して軸方向に延びて、互いに周方向に間隔をあけて配置された複数の導体バーと、前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第１の短絡環と、前記回転子の回転速度が所定の値未満のときには電気接点が開いていて前記回転子の回転速度が前記所定の値以上のときに遠心力によって前記電気接点が閉じているように構成された自動スイッチと、前記自動スイッチを介して前記導体バーと接続されていて、前記自動スイッチの電気接点が閉じたときに前記第１の短絡環と並列に接続されて前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第２の短絡環と、前記第１の短絡環と前記第２の短絡環との間に介在する環状の絶縁体と、を備え、前記第１の短絡環は、前記回転子の回転軸を中心とする円環状に形成されて、前記導体バーに支持され、前記絶縁体は前記第１の短絡環の外側に配置され、前記第２の短絡環は、前記絶縁体の外側に配置され、前記第２の短絡環が前記絶縁体を介して前記第１の短絡環に支持されていて、前記自動スイッチは、前記導体バーに固定された回転支持部と、前記回転支持部によって回転支持されて、前記導体バーに常時電気的に接続されていて、前記回転子の回転による遠心力によって前記回転支持部の周りに回転することにより前記第２の短絡環と電気的に接続されて前記電気接点が閉じる方向に移動する導電性のレバーと、前記レバーを前記電気接点が開く方向に付勢するばねと、を備えること、を特徴とする。

この発明によれば、誘導電動機の短絡環の電気抵抗値を回転速度に応じて変化させ、それによって、始動時または低速回転時に必要なトルクを発生させるとともに始動時または低速回転時の電流を抑制し、定格運転時の効率を高く維持することができる。

本発明の実施形態に係る誘導電動機の模式的縦断面図。 図１の誘導電動機のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図。 図１の誘導電動機のＩＩＩ部拡大縦断面図であって、始動時の状況を示す図。 図１の誘導電動機のＩＩＩ部拡大縦断面図であって、定格運転時の状況を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る誘導電動機について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る誘導電動機の模式的縦断面図である。図２は図１の誘導電動機のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。図３は図１の誘導電動機のＩＩＩ部拡大縦断面図であって、始動時の状況を示す図である。図４は図１の誘導電動機のＩＩＩ部拡大縦断面図であって、定格運転時の状況を示す図である。

この実施形態に係る誘導電動機１０はかご型誘導電動機であって、回転子１１と、回転子１１の径方向外側を取り囲んで配置された固定子１２と、回転子１１を回転支持する２個の軸受２０と、固定子１２および軸受２０を支持して固定子１２を取り囲むフレーム２１とを備えている。

固定子１２は回転軸と同軸のほぼ円筒状であって、穴あき円板状の鋼板を軸方向に積層した固定子鉄心１３と、固定子鉄心１３内を軸方向に貫通する複数の固定子巻線１４とを有する。

回転子１１は、回転軸に沿って延びる円柱状のロータシャフト１５と、ロータシャフト１５に固定されてロータシャフト１５の径方向外側を取り囲んで配置された回転子鉄心１６と、回転子鉄心１６の外周近くを軸方向に貫通する複数の導体バー１７とを有する。導体バー１７は導電率の高い材料からなり、たとえば銅製である。複数の導体バー１７は互いに周方向に間隔をあけて配置されている。回転子鉄心１６の外周面は、径方向間隙１８をはさんで固定子鉄心１３の内周面と対向している。

２個の軸受２０は回転子鉄心１６を軸方向にはさんで配置され、ロータシャフト１５を回転支持する。

各導体バー１７の両端は、回転子鉄心１６の軸方向端部から突出し、各導体バー１７の端部が第１の短絡環３０に固定され、これによって、電気的に周方向に短絡されている。第１の短絡環３０は、回転軸を軸とする円環状であって、導電体であるが、好ましくは導電率が特に高くない材料からなり、たとえば黄銅製または鋼鉄製である。

第１の短絡環３０の径方向外側に円環状の絶縁体３１が配置され、絶縁体３１の径方向外側に第２の短絡環３２が配置されている。第２の短絡環３２は導電体であって、好ましくは第１の短絡環３０よりも導電率が高い材料からなり、たとえば銅製またはアルミニウム製である。第１の短絡環３０と絶縁体３１、第２の短絡環３２と絶縁体３１はそれぞれ互いに接触して、第１の短絡環３０と第２の短絡環３２とが互いに構造的に支持している。

各導体バー１７が回転子鉄心１６の軸方向端部から突出した位置で、各導体バー１７に自動スイッチ３５が取り付けられている。自動スイッチ３５は、回転支持部４０と、導電性のレバー４１と、ばね４２と、を備えている。回転支持部４０は導体バー１７の軸方向端部近くに固定されている。レバー４１は、導電性であって、回転支持部４０によって回転支持されている。レバー４１は、導体バー１７と常時、電気的に導通している。

回転子１１の回転速度が大きくなると、レバー４１にかかる遠心力が大きくなって、レバー４１が回転支持部４０を支点として径方向外側に向かって回転し、レバー４１の先端が第２の短絡環３２に接触するように構成されている。ばね４２は、レバー４１の先端が第２の短絡環３２から離れる方向にレバー４１を付勢している。ばね４２は、図示の例ではねじりばねであるが、引張りばねなどであってもよい。

レバー４１がより大きな遠心力を受けるように、レバー４１の先端部を膨らませてレバー４１の先端部の質量を大きくしたり、レバー４１の先端部に錘（図示せず）を取り付けてもよい。また、レバー４１と第２の短絡環３２との接触部（電気接点部）の材料として、耐放電摩耗性が高く、溶着しにくい材料を用いるのが好ましい。

この誘導電動機の始動時または低速回転時には、レバー４１にかかる遠心力が小さいので、ばね４２の力により、図３に示すように、レバー４１の先端が第２の短絡環３２から離れており、自動スイッチ３５はＯＦＦ状態にある。このとき、導体バー１７の端部は、第１の短絡環３０のみによって短絡しており、第２の短絡環３２とは電気的に接続されていない。このため、導体バー１７を通る電流路の電気抵抗は比較的大きい。

この誘導電動機１０の回転子１２の回転速度が大きくなると、レバー４１にかかる遠心力が大きくなり、図４に示すように、レバー４１の先端が第２の短絡環３２に押し付けられ、自動スイッチ３５はＯＮ状態になる。このとき、導体バー１７の端部が、互いに並列に接続された第１の短絡環３０と第２の短絡環３２の両方によって短絡される。このため、導体バー１７を通る電流路の電気抵抗は比較的小さい。

自動スイッチ３５の動作条件は、たとえば、誘導電動機の定格速度よりも低い所定の切り替わり回転速度を設定し、回転速度がこの切り替わり回転速度よりも低い時は自動スイッチ３５がＯＦＦ状態にあり、回転速度がこの切り替わり回転速度以上である時は自動スイッチ３５がＯＮ状態にあるように調整すればよい。

この実施形態によれば、誘導電動機の始動時または低速回転時には、導体バー１７を通る電流路の電気抵抗が比較的大きく、定格運転時または高速回転時には、導体バー１７を通る電流路の電気抵抗が比較的小さくなるように自動的に切り替えられる。しかも簡素な構造でそのような動作を実現できる。これにより、始動時または低速回転時に必要なトルクを発生させるとともに始動時の電流を抑制し、定格運転時の効率を高く維持することができる。

またこの実施形態によれば、第１の短絡環３０と絶縁体３１、また、第２の短絡環３２と絶縁体３１が、互いに構造的に支持しているので、機械的に堅牢である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…誘導電動機、 １１…回転子、 １２…固定子、 １３…固定子鉄心、 １４…固定子巻線、 １５…ロータシャフト、 １６…回転子鉄心、 １７…導体バー、 １８…径方向間隙、 ２０…軸受、 ２１…フレーム、 ３０…第１の短絡環、 ３１…絶縁体、 ３２…第２の短絡環、 ３５…自動スイッチ、 ４０…回転支持部、 ４１…レバー、 ４２…ばね

Claims (4)

1. 回転子と、
   前記回転子の径方向外側を取り囲んで配置された固定子と、
   前記回転子を回転支持する複数の軸受と、
   前記固定子および前記複数の軸受を支持するフレームと、
   を有する誘導電動機であって、
   前記回転子は、
   ロータシャフトと、
   前記ロータシャフトの径方向外側を取り囲んでそのロータシャフトに固定された回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心内を貫通して軸方向に延びて、互いに周方向に間隔をあけて配置された複数の導体バーと、
   前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第１の短絡環と、
   前記回転子の回転速度が所定の値未満のときには電気接点が開いていて前記回転子の回転速度が前記所定の値以上のときに遠心力によって前記電気接点が閉じているように構成された自動スイッチと、
   前記自動スイッチを介して前記導体バーと接続されていて、前記自動スイッチの電気接点が閉じたときに前記第１の短絡環と並列に接続されて前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第２の短絡環と、
   前記第１の短絡環と前記第２の短絡環との間に介在する環状の絶縁体と、
   を備え、
   前記第１の短絡環は、前記回転子の回転軸を中心とする円環状に形成されて、前記導体バーに支持され、
   前記絶縁体は前記第１の短絡環の外側に配置され、
   前記第２の短絡環は、前記絶縁体の外側に配置され、
   前記第２の短絡環が前記絶縁体を介して前記第１の短絡環に支持されていて、
   前記自動スイッチは、
   前記導体バーに固定された回転支持部と、
   前記回転支持部によって回転支持されて、前記導体バーに常時電気的に接続されていて、前記回転子の回転による遠心力によって前記回転支持部の周りに回転することにより前記第２の短絡環と電気的に接続されて前記電気接点が閉じる方向に移動する導電性のレバーと、
   前記レバーを前記電気接点が開く方向に付勢するばねと、
   を備えること、を特徴とする誘導電動機。
2. 前記誘導電動機が前記誘導電動機の定格回転速度よりも低い所定の切り替わり回転速度よりも低い回転速度で回転しているときに前記自動スイッチの前記電気接点が開いていて、前記誘導電動機が前記切り替わり回転速度以上の回転速度で回転しているときに前記自動スイッチの前記電気接点が閉じているように構成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の誘導電動機。
3. 前記第２の短絡環の電気抵抗は前記第１の短絡環の電気抵抗よりも小さいこと、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導電動機。
4. 誘導電動機用回転子であって、
   ロータシャフトと、
   前記ロータシャフトの径方向外側を取り囲んでそのロータシャフトに固定された回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心内を貫通して軸方向に延びて、互いに周方向に間隔をあけて配置された複数の導体バーと、
   前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第１の短絡環と、
   前記回転子の回転速度が所定の値未満のときには電気接点が開いていて前記回転子の回転速度が前記所定の値以上のときに遠心力によって前記電気接点が閉じているように構成された自動スイッチと、
   前記自動スイッチを介して前記導体バーと接続されていて、前記自動スイッチの電気接点が閉じたときに前記第１の短絡環と並列に接続されて前記複数の導体バーの軸方向端部同士を周方向に短絡する第２の短絡環と、
   前記第１の短絡環と前記第２の短絡環との間に介在する環状の絶縁体と、
   を備え、
   前記第１の短絡環は、前記回転子の回転軸を中心とする円環状に形成されて、前記導体バーに支持され、
   前記絶縁体は前記第１の短絡環の外側に配置され、
   前記第２の短絡環は、前記絶縁体の外側に配置され、
   前記第２の短絡環が前記絶縁体を介して前記第１の短絡環に支持されていて、
   前記自動スイッチは、
   前記導体バーに固定された回転支持部と、
   前記回転支持部によって回転支持されて、前記導体バーに常時電気的に接続されていて、前記回転子の回転による遠心力によって前記回転支持部の周りに回転することにより前記第２の短絡環と電気的に接続されて前記電気接点が閉じる方向に移動する導電性のレバーと、
   前記レバーを前記電気接点が開く方向に付勢するばねと、
   を備えること、を特徴とする誘導電動機用回転子。

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