JP6509615B2 - 誘導機、並びにそれを用いる誘導機駆動システムおよび鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両などに用いられる誘導機、並びにそれを用いる誘導機駆動システムおよび鉄道車両に関する。

誘導機は堅牢、低コスト、メンテナンスが容易である等の多くの利点を持つことから、広範な分野で最も多く使用されているが、社会的な傾向として省エネルギー、省資源の要請に応えた誘導機が求められている。

効率を向上させる手段として、一般的には、体格を大きくすることで、コイルの電流密度や、鉄心の磁束密度を低減させ、銅損や鉄損を下げる方法が挙げられる。しかし、誘導機を設置するスペースは限られている場合が多く、限られたスペース内を更に有効に活用することで、現行の体格と強度を維持しつつ、誘導機に発生する損失を低減する改良技術が求められている。このために、誘導機の高強度化、高効率化を目的とした多くの改良技術が提案されている。

このような高強度化および高効率化技術として、特許文献１〜４に記載の技術が知られている。

特許文献１に記載の技術では、回転子導体に発生する損失を低減するために断面形状の異なる２種の回転子スロットを交互に配置する。

特許文献２に記載の技術では、磁気飽和の解消効果を高めて高出力化するために、凹み及び角の無い２種の回転子スロットを交互に配置する。

特許文献３に記載の技術では、径方向に対して回転子バー端部にかかる応力を低減するために、回転子バー端部に切り欠きを設ける。

特許文献４に記載の技術では、エンドリングを高抗張力非磁性材料にしており、回転子鉄心を両側から圧力をかけて締めている鉄心抑え板を有する。

実開昭５３−１３０４０６号公報 特開２０１０−２６８５７３号公報 特開平９−８４３１１号公報 特開昭５４−１４２５１１号公報

特許文献１、２の技術は、断面形状の異なる回転子バーを交互に配置することにより磁気飽和を抑制しながら二次銅損が低減されて効率が向上するが、軸方向の力に対しての強度信頼性の向上が難しい。

特許文献３の技術は、回転子バーの端部にかかる径方向の応力は低減できるが、軸方向に対する力に対する強度信頼性の向上が難しい。

特許文献４の技術は、回転子鉄心抑えが回転子バーを軸方向に対して保持しておらず、軸方向に対する強度信頼性の向上が難しい。

そこで、本発明は、効率および強度信頼性を共に向上できる誘導機、並びにそれを用いる誘導機駆動システムおよび鉄道車両を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による誘導機は、固定子巻線を有する固定子と、軸方向に積層される複数の電磁鋼板から成る回転子鉄心と、複数の電磁鋼板を固定する略円環状の回転子鉄心抑えと、回転子鉄心に設けられる複数の回転子スロットに挿入される複数の回転子バーと、複数の回転子バーの軸方向の端部において複数の回転子バーを電気的に接続するエンドリングとを有し、空隙を介して固定子と対向する回転子と、を備えるものであって、複数の回転子バーは、軸方向の端部に切り欠きを有する第１の回転子バーを含み、複数の回転子スロットは、第１の回転子バーが挿入される第１の回転子スロットを含み、回転子鉄心抑えの外径が、第１の回転子バーの回転子鉄心内部における内径よりも大きく、複数の回転子バーは、軸方向に垂直な断面の形状が第１の回転子バーとは異なる第２の回転子バーを含み、複数の回転子スロットは、第２の回転子バーが挿入される第２の回転子スロットを含み、第２の回転子バーの回転子鉄心内部における内径は、第１の回転子バーの回転子鉄心内部における内径よりも大きく、かつ回転子鉄心抑えの外径よりも大きい。

また、本発明による誘導機駆動システムは、電源から入力する電力を三相交流電力に変換して出力する変換器と、変換器が出力する前記三相交流電力によって回転駆動される誘導機と、を備えるものであって、誘導機が上記本発明による誘導機である。

さらに、本発明による鉄道車両は、台車と、台車に回転可能に軸支される複数の車輪と、複数の車輪を駆動する誘導機と、を備えるものであって、誘導機が上記本発明による誘導機である。

本発明によれば、回転子バーに発生する二次銅損を低減しつつ、回転子バーの軸方向のずれを抑制できるので、誘導機の効率を向上しつつ、強度信頼性を向上することができる。また、誘導機駆動システムや誘導機によって駆動される鉄道車両で発生する電力損失を低減しつつ、強度信頼性を向上することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１である誘導機の一部断面図である。 図１ａにおけるＡ−Ａ’断面を示す部分断面図である。 図１ａにおけるＢ−Ｂ’断面を示す部分断面図である。 実施例１の変形例１である誘導機の回転子端部の一部断面図である。 実施例１の変形例２である誘導機の回転子端部の一部断面図である。 実施例１の変形例３である誘導機の回転子端部を示す一部断面図である。 図３ａにおけるＡ−Ａ’断面を示す一部断面図である。 図３ａにおけるＢ−Ｂ’断面を示す一部断面図である。 実施例１の変形例４である誘導機の回転子端部の一部断面図である。 実施例１の変形例５である誘導機の回転子端部を示す一部断面図である。 図５ａにおけるＢ−Ｂ’断面を示す一部断面図である。 実施例１の変形例６である誘導機の回転子端部の一部断面図である。 実施例１の変形例７である誘導機の回転子端部の一部断面図である。 本発明の実施例２である誘導機の回転子の部分断面図を示す。 本発明の実施例３である誘導機の回転子の部分断面図を示す。 本発明の実施例４である誘導機の回転子の一部断面図を示す。 本発明の実施例５である誘導機の回転子端部を示す。 図１１ａにおけるＡ−Ａ’断面を示す。 実施例５の変形例である誘導機の回転子端部を示す。 図１２ａにおけるＡ−Ａ’断面を示す。 本発明の実施例６である誘導機の回転子の部分断面図を示す。 本発明の実施例７である誘導機駆動システムを示す。 本発明の実施例８である鉄道車両を示す。

以下、本発明の実施例を図面に従い詳細に説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。なお、実施例１について説明する誘導機の全体構成は、各実施例についても同様である。

図１ａは、本発明の実施例１である誘導機の回転軸方向の一部断面図である。また、図１ｂおよび図１ｃは、それぞれ、図１ａにおけるＡ−Ａ’断面およびＢ−Ｂ’断面を示す部分断面図である。なお、Ａ−Ａ’断面およびＢ−Ｂ’断面は、いずれも回転軸方向に垂直な断面である。

図１ａにおいて、固定子１０は、軸方向に連続的に形成された固定子スロット１２を内周部に設け、かつ電磁鋼板等の薄鋼板が軸方向に沿って複数枚積層され、固定子鉄心抑え１４によって面圧をかけて固定される固定子鉄心１１と、固定子スロット１２に巻装された固定子巻線１３を備えている。

回転子２０は、空隙を介して固定子１０に対向すると共に、固定子１０に対して、同心軸上の内周側に位置する。回転子２０は、電磁鋼板等の薄鋼板が軸方向に沿って複数枚積層され、略円環状から成る回転子鉄心抑え２６によって面圧をかけて固定される回転子鉄心２４を有している。回転子鉄心２４の外周部すなわち回転子２０の外周部においては、周方向に所定の間隔を持って配設され、軸方向に連続的に形成される複数の回転子スロット２１が設けられる。このように、軸方向に延びる複数の回転子スロット２１には、銅等の導体から成る複数の回転子バー２２が、打ち込み等によって挿入される。回転子鉄心２４の軸方向の両端側には、複数の回転子バー２２を電気的に接続する円環状の導体であるエンドリング２３（端絡環）が設置される。本実施例１では、エンドリング２３は銅などからなり、エンドリング２３の外周端部と回転子バー２２の端部がロウ付けなどによって接合される。さらに、回転子鉄心２４の軸方向の両端側においては、エンドリング２３が遠心力や熱伸び等によって外径側に変位することを防止するリテイニングリング２９（保持環）が、エンドリング２３の外周側においてエンドリング２３と嵌合するように設けられる。軸方向を長手方向とした回転子鉄心２４の内周側すなわち中央部には、シャフト２５が配置され、シャフト２５は軸受３０によって回転可能に支持される。

また、本実施例１は、固定子１０と回転子２０がフレーム２によって覆われ、鉄粉や粉塵等の周囲の塵埃を機内に侵入させない全閉構造になっている。誘導機１の機内の冷却は、回転子２０の回転に伴い、シャフト２５に接続された冷却ファン２８が回転し、軸方向に対して圧力差を生じさせることで、固定子１０と回転子２０間の空隙部や、回転子２０に備えられた通風孔２７や、固定子鉄心１１の背面ダクトに冷却風を機内循環させる。これによって、各部材に発生する発熱が均一化されると共に、フレーム２に設けられる図示されない冷却フィン等によりフレーム外部との熱交換が行なわれて誘導機１が冷却される。

誘導機１は、三相交流電源等によって固定子巻線１３に電圧を印加し、回転磁界を発生させることによって駆動される。このとき、固定子１０で作られた磁束が、固定子１０と回転子２０の間の空隙部を介して、回転子２０に備えられる回転子バー２２に鎖交すると、電磁誘導によって回転子バー２２に誘導電流（二次電流）が流れるので、周方向にトルクが生ずることで、回転子２０は回転する。

図１ｂ示すように、断面形状の異なる複数種、本実施例１では２種の回転子バー２２を使用する。回転子バー２２Ａ，２２Ａ’は、回転子鉄心２４の軸方向に垂直な断面（Ａ−Ａ’断面）において、細長い長方形の断面形状を有する。回転子バー２２Ａ，２２Ａ’において、長方形の一方の短辺は回転子鉄心２４の外周面側に位置し、長辺が回転子鉄心２４内において回転子鉄心２４の回転中心に向かって延びている。回転子バー２２Ａ，２２Ａ’は、回転子鉄心２４の周方向沿って交互に並置される。ここで、回転子バー２２Ａの長辺の長さは、回転子バー２２Ａ’の長辺の長さよりも大きい。このため、回転子バー２２の総断面積を増やすことができる。これにより、二次抵抗が低減され、二次銅損（誘導電流による導通損失）が低減される。なお、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’が挿入される回転子スロット２１の同断面形状は回転子バー２２Ａ，２２Ａ’と略同一であるが、本実施例１の回転子スロット２１は、回転子鉄心２４の外周面において一部開口しており、いわゆる半閉型スロットである。このような半閉型スロットにより、回転子スロットの漏れリアクタンスを低減できる。

上記のような断面形状の異なる２種の回転子バー２２Ａ，２２Ａ’により、図１ｂに示すように、回転子鉄心２４において、隣り合う二つの回転子バー２２Ａ間のティースの付け根部は、隣り合う回転子バー２２Ａ，２２Ａ’間のティースの付け根部よりも広がる。このため、回転子バーの総断面積を増やしながらも、回転子鉄心２４の磁気抵抗の増加が抑制され、回転子鉄心２４の磁気飽和が抑制される。従って、磁気飽和に伴う力率の低下による一次銅損の増加および効率の低下が防止される。

さらに、本実施例１においては、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’の内、上記のような断面が最も内周側まで延びる回転子バー２２Ａが、図１ａが示すように、回転子鉄心２４の軸方向両端部から回転子鉄心２４の軸方向外部に延びる領域の内周側に切り欠きを有する。すなわち、回転子バー２２Ａの長方形断面の長辺の長さは、回転子鉄心２４外では回転子鉄心２４内よりも短くなり、最大で回転子バー２２Ａ’と同じ長さに設定される。なお本実施例１においては、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’の短辺の長さは同じ長さに設定されているため、回転子鉄心２４外では、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’の断面形状は実質的に同じである。

ここで、回転子鉄心２４内の断面すなわち図１ｂに示すＡ−Ａ’断面において、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’断面の内周側短辺までの内径をそれぞれａ，ａ’とし、回転子鉄心２４外の断面すなわち図１ｃに示すＢ−Ｂ’断面において、回転子バー２２Ａ断面の内周側短辺までの内径および回転子鉄心抑え２６の外径をそれぞれｃ，ｂとする。この場合、回転子鉄心抑え２６が回転子バー２２Ａ，２２Ａ’と干渉しないために、ｂ＜ｃ＝ａ’と設定される。また、ａ＜ａ’＝ｃであるから、ａ＜ｄ＜ａ’＝ｃとなるｄを選択して、ｂをｄに設定すれば、ａ＜ｂ＜ｃとなるので、回転子鉄心抑え２６が回転子バー２２Ａ，２２Ａ’と干渉しない。しかも、この場合、回転子鉄心２４の中央部から、内径ａと内径ｃの間の領域の少なくとも一部までを含む広い領域を回転子鉄心抑え２６によって抑えることができる。これにより、上記のような断面形状の異なる２種の回転子バー２２Ａ，２２Ａ’を使用しながらも、薄鋼板を軸方向に複数枚積層された回転子鉄心２４にかける面圧を増加することができるので、回転子の強度が向上する。さらに、回転子鉄心２４内における回転子バー２２Ａの端部の内周側が回転子鉄心抑え２６によって覆われるので、誘導機の長期使用時に回転子バーやエンドリング２３が軸方向でずれるような経年劣化を緩和することができる。ここで、回転子バー２２Ａの内周側が回転子鉄心抑え２６によって支持されるため、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’とエンドリング２３の接合部における応力が緩和できるので、この接合部の信頼性も向上する。特に、鉄道車両のような移動体に搭載される誘導機は、移動体走行中に強い振動を受けて経年劣化が起きやすい環境で使用されるので、本実施例によれば強度信頼性が向上する。また、回転子バーの軸方向へのずれを防止するために、回転子バーを部分的に打撃などにより塑性変形させて回転子鉄心２４のティース部（回転子スロット内壁）に押し当てる、いわゆる、かしめ作業を、省略することができる。このため、誘導機の生産性を向上することが可能である。

さらに、上述したように、回転子鉄心２４外では、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’の断面形状は実質的に同じであるため、回転子バー２２とエンドリング２３をロウ付け等によって電気的に接合する嵌め合い部も同一の構成とできる。これにより、エンドリング２３の取付作業が容易になり、誘導機の生産性が向上する。

さらには、回転子バー２２Ａのように、断面を内周側に長くして断面積を増加することで、回転子バーと回転子鉄心２４の接触面積が増加できるため、両部材間の接触熱抵抗を小さくし、誘導機１の温度分布の均一化ができ、冷却性能の向上が可能である。そして、回転子バーの発熱による温度上昇を低減できるため、二次抵抗が低減され、二次銅損が低減されて効率が向上する。

図２ａは、図１ａ〜ｃに示す実施例１の変形例１である誘導機の回転子端部の一部断面図である。また、図２ｂは、同実施例１の変形例２である誘導機の回転子端部の一部断面図である。図２ａに示す変形例１においては、回転子バー２２Ａの内径ａと回転子鉄心抑え２６の外径ｂの差が小さいが、ａとｂの関係は実施例１と同様にａ＜ｂである。また、図２ｂに示す変形例２においては、回転子バー２２Ａの切り欠きが回転子鉄心２４の外部に位置するが、回転子バー２２Ａの内径ａと回転子鉄心抑え２６の外径ｂの関係は実施例１と同様にａ＜ｂである。従って、これら変形例１および変形例２によれば、実施例１と同様に、回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。これにより、誘導機の強度信頼性が向上する。

図３ａ〜ｃは、図１ａ〜ｃに示す実施例１の変形例３である誘導機の回転子の一部断面図である。図３ａ、図３ｂおよび図３ｃは、それぞれ、回転子端部、図３ａにおけるＡ−Ａ’断面および図３ａにおけるＢ−Ｂ’断面を示す。本変形例３においては、回転子鉄心２４の周方向に沿って隣り合う二つの回転子バー２２Ａの断面形状、すなわち長方形断面の短辺と長辺の長さが同じである。本変形例３は、図１ｂにおいて、回転子バー２２Ａ’を、端部に切り欠けを有する回転子バー２２Ａで置き換え、ａ’をａに設定する場合に相当する。本変形例３において、回転子バー２２Ａの内径ａと回転子鉄心抑え２６の外径ｂの関係は実施例１と同様にａ＜ｂである。従って、変形例３によれば、実施例１と同様に、回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。これにより、誘導機の強度信頼性が向上する。

図４は、図１ａ〜ｃに示す実施例１の変形例４である誘導機の回転子端部の一部断面図である。本変形例４においては、実施例１とは切り欠きの形状が異なり、切り欠き部の外形線が曲線である。本変形例４においても、回転子バー２２Ａの内径ａと回転子鉄心抑え２６の外径ｂの関係は実施例１と同様にａ＜ｂである。従って、変形例４によれば、実施例１と同様に、回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。さらに、本変形例４によれば、回転子エンドリング２３において、遠心力や熱伸びによって径方向の応力が加わる場合、回転子バー２２Ａ端部の切り欠き部への応力集中が緩和される。

図５ａ〜ｂは、図１ａ〜ｃに示す実施例１の変形例５である誘導機の回転子の一部断面図である。図５ａおよび図５ｂは、それぞれ、回転子端部および図５ａにおけるＢ−Ｂ’断面を示す。本変形例５において、回転子鉄心抑え２６は、回転子バー２２Ａの軸方向端部と回転子バー２２Ａ’の軸方向端部の間における回転子鉄心２４の端部の外周部表面上に、回転子鉄心抑え２６の外周部が延在する部分を有する。すなわち、回転子鉄心抑え２６の形状は、その外周部を見れば櫛歯形状であり、回転子鉄心抑え２６の全体で見れば、歯車形状である。本変形例４においても、回転子バー２２Ａの内径ａと回転子鉄心抑え２６の外径ｂの関係は実施例１と同様にａ＜ｂである。但し、本変形例５において、外径ｂは、櫛歯状の延在部を除いた回転子鉄心抑え２６の円形部の外径寸法である。すなわち、外径ｂは、複数種（本変形例５では実施例１と同様に２種）の回転子バー２２Ａおよび２２Ａ’の内、最も内径が小さい回転子バー２２Ａの切り欠き部を覆い、回転子バー２２Ａと回転子抑え２６が干渉しないように設定される。なお、以下に説明する変形例および実施例においても、回転子鉄心抑えの外径は同様に設定される。

上記のように、本変形例５において、回転子バー２２Ａの内径ａと回転子鉄心抑え２６の外径ｂの関係は実施例１と同様にａ＜ｂである。従って、変形例５によれば、実施例１と同様に、回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。これにより、誘導機の強度信頼性が向上する。さらに、本変形例５によれば、回転子鉄心抑え２６における櫛歯状の延在部によって、回転子鉄心２４への面圧を増加することができるので、誘導機の強度信頼性が向上する。

図６は、図１ａ〜ｃに示す実施例１の変形例６である誘導機の回転子端部の一部断面図である（図１のＡ−Ａ’断面に相当）。

本変形例６は、実施例１と異なり、形状が異なる３種の回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’を備える。回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’は、長方形状断面を有し、長方形断面の長辺が回転子鉄心の外周部から回転中心に向って延びているが、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’の長辺の長さが異なっている。また、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’の内、長辺が最も長い回転子バー２２Ａのみに切り欠き部が設けられる。ここで、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’の回転中心側の短辺までの径寸法すなわち内径を、それぞれａ，ａ’，ａ’’とし、図示されない回転子鉄心抑え２６の外径ｂを含めると、ａ＜ｂ＜ａ’’＜ａ’という関係がある。すなわち、外径ｂは、回転子鉄心抑えが、回転子バー２２Ａの切り欠き部を覆い、回転子バー２２Ａと回転子鉄心抑えが干渉しないように設定される。従って、本変形例６によれば、実施例１と同様に、回転子バー２２の総断面積を増やして二次銅損を低減しながらも、回転子鉄心２４の磁気飽和が抑制され、かつ回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。

また、本変形例６では、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’が、回転子鉄心の周方向に沿って、回転子バー２２Ａ’’，２２Ａ’，２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’の順に並ぶ配列を一周期として規則的に配置される。このため、長方形断面の長辺の長さ、すなわち断面の径方向長さが最も短い回転子バー２２Ａ’の個数が最も多く、断面の径方向長さが最も長い回転子バー２２Ａの個数が最も少ない。なお、本変形例６において、回転子バー２２Ａ’’断面の径方向の長さは回転子バー２２Ａ’よりも長くかつ回転子バー２２Ａよりも短く、最大および最小のいずれでもないが、回転子バー２２Ａ’’の個数は回転子バー２２Ａの個数と同数に設定されている。なお、回転子バー２２Ａ’’の本数は、回転子バー２２Ａの個数と回転子バー２２Ａ’の個数の中間値としても良い。この場合、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’が、例えば、回転子鉄心の周方向に沿って、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’，２２Ａ’，２２Ａ’’，２２Ａ’，２２Ａの順に並ぶ配列を一周期として規則的に配置される。前記のような回転子バーの配置によれば、回転子バーの総断面積を増やしながらも、ティース付け根部の磁気飽和を抑えることができる。

なお、変形例６において、断面の径方向長さが回転子バー２２Ａの次に長い回転子バー２２Ａ’’に切り欠きを設けても良い。この場合、回転子鉄心抑えの外径ｂは、回転子鉄心抑えが、回転子バー２２Ａおよび２２Ａ’’の切り欠き部を覆い、回転子バー２２Ａおよび２２Ａ’’と回転子抑えが干渉しないように設定される。

図７は、図１に示す実施例１の変形例７である誘導機の回転子端部の一部断面図である（図１のＡ−Ａ’断面に相当）。本変形例７では、図６に示す変形例６における回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’の断面形状の周方向の幅が、回転子鉄心の外周側から内周側に向かうにつれて徐々に小さくされる。すなわち、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’は、径方向を長手方向とする細長い台形状断面を有する。台形状断面における長さが異なる平行な２辺（上底および下底）は、周方向に沿って延びるが、長い方が外周側に位置し、短い方が内周側に位置する。そして、台形状断面の高さ方向が径方向である。なお、本変形例７における台形状断面は、上底および下底の中心点を通る直線を対称軸として線対称である。

本変形例７のように回転子バーの断面形状を上記のような台形状にすることにより、隣り合う二つの回転子バー間における回転子鉄心２４のティース部の幅が径方向に沿って狭くなる程度を緩和することができる。本変形例７においては、隣り合う二つの回転子バー間における回転子鉄心２４のティース部の幅は実質均等である。これによって、ティース部の磁束密度が均一化されるので、ティース部の磁気飽和を抑えることができる。

なお、本変形例７においても、高さ、すなわち径方向の長さが最も大きな回転子バー２２Ａのみに切り欠き部が設けられる。そして、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’の回転中心側の短辺までの径寸法すなわち内径（それぞれａ，ａ’，ａ’’）と図示されない回転子鉄心抑えの外径ｂには、ａ＜ｂ＜ａ’’＜ａ’という関係がある。すなわち、外径ｂは、回転子抑えが、回転子バー２２Ａの切り欠き部を覆い、回転子バー２２Ａと回転子抑え２６が干渉しないように設定される。従って、本変形例７によれば、実施例１と同様に、回転子バー２２の総断面積を増やしながらも、回転子鉄心２４の磁気飽和が抑制され、かつ回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。

なお、回転子バーの形状は、本変形例７のような台形状に限らず、回転子バーの断面形状の周方向の幅が、外周側から内周側に向かうにつれて徐々に小さくなっていれば良い。

上述した実施例１並びにその変形例によれば、誘導機１のフレーム２内の限られたスペースにおいて、回転子鉄心の磁気飽和を抑えながら回転子バーの総断面積を増大して二次銅損を低減しながらも、回転子鉄心２４へ十分な面圧をかけて回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。従って、誘導機の効率および強度信頼性を共に向上できる。

また、図１に示すように、本実施例１の誘導機は、全閉構造であり、塵埃の多い環境で使用される鉄道車両などに好適である。なお、本実施例１の回転子の構造は、鉄道車両用の誘導機に限らず、回転子スロットに挿入される複数の回転子バーおよびこれら回転子バーの端部を電気的に接続する環状のエンドリングを備えるいわゆるかご型回転子を備える誘導機に適用できる。

さらに、回転子バーおよびエンドリングの導体材料は、無酸素銅、クロム銅、黄銅、アルミなどの各種金属材料を適用できる。また、複数の回転子バーにおいて、あるいは回転子バーとエンドリングにおいて、異なる導体材料が適用されても良い。

図８は、本発明の実施例２である誘導機の回転子の部分断面図を示す（図１のＡ−Ａ’断面に相当）。以下、主に実施例１と異なる点について説明する。

本実施例２においては、回転子バー２２Ａ’が挿入される回転子スロット２１Ａ’の最内周位置と、回転子バー２２Ａ’と隣り合う回転子バー２２Ａが挿入される回転子スロット２１Ａとの周方向の距離Ｔ_１と、回転子スロット２１Ａ’を挟んで隣り合う二つの回転子スロット２１Ａ間の最内周位置における距離Ｔ_２は、Ｔ_２≧２Ｔ_１という関係になるように設定される。なお、距離Ｔ_１は、磁気飽和が抑制される大きさに設定されている。図示されない回転子鉄心抑えなどの他の構成は、実施例１と同様である。

本実施例２では、図８中に矢印で示すように、回転子スロット２１Ａ’の両側を通る磁束が、回転子スロット２１Ａ’を通り過ぎると、隣り合う二つの回転子スロット２１Ａ間に集中する。ここで、本実施例２では、上記のようにＴ_２≧２Ｔ_１としているので、隣り合う二つの回転子スロット２１Ａ間における磁束密度の増大が抑制される。これにより、回転子ティース部における磁気飽和が抑制できる。従って、磁気飽和に伴う励磁リアクタンスの低下による励磁電流の増大が防止されるので、力率の低下が防止できる。

なお、本実施例２は、実施例１と同様に回転子バーが長方形断面を有し、隣り合う二つの回転子バー間における回転子鉄心２４のティース部の幅が径方向に沿って狭くなる場合に好適である。

実施例２によれば、回転子鉄心の磁気飽和を抑えながら回転子バーの総断面積を増大して二次銅損を低減しながらも、回転子鉄心へ十分な面圧をかけて回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。さらに、回転子鉄心の磁気飽和を抑制して、力率の低下を防止することができる。従って、誘導機の効率および強度信頼性を共に向上できる。

図９は、本発明の実施例３である誘導機の回転子の部分断面図を示す（図１のＡ−Ａ’断面に相当）。以下、主に実施例１と異なる点について説明する。

本実施例３において、回転子バー２２Ａが挿入される回転子スロット２１Ａの開口部の周方向幅Ｓ_１は、回転子バー２２Ａ’が挿入される回転子スロット２１Ａ’の開口部の周方向幅Ｓ_２より大きな値に設定される。これにより、回転子スロット２１Ａを径方向に長くしたことによる漏れ磁束の増加が抑制され、回転子バー２２Ａでの漏れリアクタンスの増加が抑制される。従って、力率の低下を抑制でき、一次電流の増加が防止される。

また、本実施例３では、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’の周方向の幅は同じであるため、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’が挿入される回転子スロット２１Ａ，２１Ａ’の周方向幅は同じである。ここで、回転子スロット２１Ａ，２１Ａ’の周方向幅をｗとすれば、回転子バー２２Ａは、開口部においてティース先端部の周方向の片側における幅（ｗ−Ｓ_１）／２の部分によって支持される。また、回転子バー２２Ａ’は、開口部においてティース先端部の周方向の片側における幅（ｗ−Ｓ_２）／２の部分によって支持される。従って、Ｓ_１＞Ｓ_２であるから、長方形断面の長さが長い回転子バー２２Ａを支持するティース先端部の張り出し部分の幅は、回転子バー２２Ａ’を支持するティース先端部の張り出し部分よりも小さい。従って、回転子バー２２Ａを支持するティース先端部の張り出し部分の幅は、回転子バー２２Ａ’を支持するティース先端部の張り出し部分よりも撓みにくい。このため、誘導機の回転時に、回転子バー２２Ａ’よりも質量が大きな回転子バー２２Ａに回転子バー２２Ａ’よりも大きな遠心力が働いても、回転子バー２２Ａを確実に支持できる。従って、回転子の機械的強度が向上するので、誘導機の強度信頼性が向上する。

なお、図示されない回転子鉄心抑えなどの他の構成は、実施例１と同様である。

実施例３によれば、回転子鉄心の磁気飽和を抑えながら回転子バーの総断面積を増大して二次銅損を低減しながらも、回転子鉄心へ十分な面圧をかけて回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。さらに、回転子における漏れ磁束を低減し、力率の低下を抑制できると共に、回転子の強度を向上できる。従って、誘導機の効率および強度信頼性を共に向上できる。

図１０は、本発明の実施例４である誘導機の回転子の部分断面図を示す（図１のＡ−Ａ’断面に相当）。以下、主に実施例１，３と異なる点について説明する。

本実施例４においては、実施例３（図９）における回転子バー２２Ａの周方向の幅Ｗ_１が回転子バー２２Ａ’の周方向幅Ｗ_２よりも大きな値に設定される（Ｗ_１＞Ｗ_２）。これにより回転子バー２２Ａの長方形断面の径方向長さを回転子バー２２Ａ’の長方形断面の径方向長さよりも長くすることに伴う回転子バー２２Ａの漏れインダクタンスの増加が抑制される。これは、回転子バーの漏れインダクタンスが、回転子バー断面の径方向の長さに比例し、かつ回転子バーの周方向幅に反比例することに基づく。

なお、図示されない回転子鉄心抑えなどの他の構成は、実施例１と同様である。また、実施例３と同様の回転子スロット開口部の構成を有するので、回転子スロットにおける漏れ磁束を低減できる。

実施例４によれば、回転子鉄心の磁気飽和を抑えながら回転子バーの総断面積を増大して二次銅損を低減しながらも、回転子鉄心へ十分な面圧をかけて回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。さらに、回転子における漏れインダクタンスの増加を抑制し、力率の低下を抑制できる。従って、誘導機の効率および強度信頼性を共に向上できる。

なお、回転子バー２２Ａ，２２Ａ’の断面形状が長方形（矩形）以外の形状の場合、それぞれの周方向の幅の平均値Ｗ_１ＡＶ，Ｗ_２ＡＶが、上記のＷ_１，Ｗ_２と同様に、Ｗ_２ＡＶ＞Ｗ_２ＡＶとなる様にすればよい。

図１１ａ〜ｂは、本発明の実施例５である誘導機の回転子を示す。図１１ａおよび図１１ｂは、それぞれ、回転子端部、図１１ａにおけるＡ−Ａ’断面を示す。以下、主に実施例１と異なる点について説明する。

本実施例５においては、回転子バー２２Ａが挿入される回転子スロット２１Ａの一部領域の内壁と回転子バー２２Ａとの間に空隙が設けられ、この空隙が通風孔２７’となる。なお、通風孔２７’の外形形状は、通風孔２７と径寸法を同じくする円弧状としている。これにより、通風孔の加工が容易になり生産性が向上する。

本実施例５によれば、ティースの付け根部という狭い領域において、ティースの付け根部の周方向幅の縮小を抑えながら、回転子バー２２Ａを冷却する通風孔を設けることができる。従って、回転子鉄心の磁気飽和を抑制しながら、誘導機の冷却効率を向上することができる。また、通風孔２７’と回転子スロット２１Ａが一体化されるので、回転子バー２２Ａが直接、冷却風に接触する。これにより、回転子バー２２Ａの積極的な冷却が可能となり、回転子バー２２Ａの発熱による温度上昇を低減できる。このため、温度上昇に伴う回転子バー２２Ａの抵抗増が抑制されるので、二次銅損が低減し、誘導機の効率が向上する。

なお、通風孔２７’は、回転子スロット２１Ａの内周側に位置し、かつ最内周位置よりも外周側に位置することが好ましい。これにより、磁気飽和を抑制することができる。

図１２ａ〜ｂは、図１１ａ〜ｂに示す実施例５の変形例である誘導機の回転子を示す。図１２ａおよび図１２ｂは、それぞれ、回転子端部、図１２ａにおけるＡ−Ａ’断面を示す。以下、主に実施例５と異なる点について説明する。

本変形例においては、通風孔２７’の外形形状が矩形である。このように、通風孔２７’の外形形状は、実施例５のような円弧状に限らず、任意で良い。

実施例５並びにその変形例において、通風孔２７’は、回転子鉄心２４に設けられる全ての回転子スロット２１Ａに設けられる。これにより、冷却効率が向上する。なお、通風孔２７’が設けられる回転子スロット２１Ａと通風孔２７’が設けられない回転子スロット２１Ａが、回転子鉄心２４の周方向に沿って交互に配置されても良い。

また、本実施例５およびその変形例における冷却方式は、図１に示すように、冷却ファン２８によって、内気を循環させる空冷方式であるが（実施例１およびその変形例１〜７並びに実施例２〜４も同様）、このような空冷方式に限らず、油冷方式や水冷方式なども適用できる。

なお、図示されない回転子鉄心抑えなどの他の構成は、実施例１と同様である。

実施例５によれば、回転子鉄心の磁気飽和を抑えながら回転子バーの総断面積を増大して二次銅損を低減しながらも、回転子鉄心へ十分な面圧をかけて回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。さらに、誘導機の冷却効率が向上する。従って、誘導機の効率および信頼性を共に向上できる。

図１３は、本発明の実施例６である誘導機の回転子の部分断面図を示す（図１のＡ−Ａ’断面に相当）。以下、主に実施例１と異なる点について説明する。

本実施例６においては、回転子バー２２Ａよりも断面積が小さな回転子バー２２Ａ’に使用する導体の電気抵抗率ρ_２を、回転子バー２２Ａ’よりも断面積が大きな回転子バー２２Ａに使用する導体の電気抵抗率ρ_１よりも小さくする（ρ_２＜ρ_１）。これにより、断面積が異なる回転子バー２２Ａおよび回転子バー２２Ａ’の抵抗値の差が低減される。従って、回転子バー２２Ａおよび回転子バー２２Ａ’の発熱量が均一化されるので、回転子導体の温度分布が均一化される。すなわち、回転子における局所的な温度上昇が防止できる。また、温度上昇に伴う回転子バーの軸方向への伸び量が均一化されるので、回転子バーとエンドリング２３との接合部に加わる熱応力が緩和される。これらにより、誘導機の信頼性が向上する。

また、回転子バー２２Ａおよび回転子バー２２Ａ’を構成する導体として、互いに熱伝導率が異なる導体材料を用いても良い。この場合、回転子バー２２Ａ’を構成する導体の熱伝導率λ_２を回転子バー２２Ａを構成する導体の熱伝導率λ_１よりも大きくする（λ_２＞λ_１）。なお、電気抵抗率ρ_１およびρ_２は同じ値であっても良い。この場合も、ρ_２＜ρ_１の場合と同様に、誘導機の信頼性が向上する。

なお、図示されない回転子鉄心抑えなどの他の構成は、実施例１と同様である。

実施例６によれば、回転子鉄心の磁気飽和を抑えながら回転子バーの総断面積を増大して二次銅損を低減しながらも、回転子鉄心へ十分な面圧をかけて回転子バーやエンドリングの軸方向へのずれを抑制できる。さらに、回転子における温度分布が均一化できる。従って、誘導機の効率および信頼性を共に向上できる。

図１４は、本発明の実施例７である誘導機駆動システムを示す。

本実施例７においては、電源４０から供給される三相交流電力を、変換器４１により、周波数や電圧が異なる三相交流電力に変換して、変換された三相交流電力によって誘導機１が回転駆動される。そして、誘導機１の回転出力によって、負荷４２、例えば後述するような鉄道車両が駆動される。なお、変換器４１としては、電源４０から供給される三相交流電力をまず直流電力に変換した後、インバータ回路によって三相交流電力に変換する電力変換器や、電源４０から供給される三相交流電力を、直流電力に変換することなく、直接、周波数や電圧が異なる三相交流電力に変換する、いわゆるマトリクスコンバータが適用できる。

誘導機１としては、上記実施例１およびその変形例１〜７、実施例２〜４、実施例５およびその変形例、実施例６のいずれかが適用される。このため、誘導機１における二次銅損が低減され、強度信頼性も向上できるため、誘導機駆動システムにおける電力損失が低減され、同システムを高効率化しつつ、強度信頼性も向上できる。

さらに、本実施例７によれば、誘導機１の回転子の二次抵抗を低減できるため、変換器４１が出力する電圧波形に含有される時間高調波成分によって回転子バーに発生する損失（高調波二次銅損）を低減することができる。さらに、誘導機１の強度信頼性が向上されるため、誘導機１を高速回転に対する誘導機駆動システムの信頼性が向上する。

上述したように、本実施例７によれば、誘導機に発生する基本波成分の二次銅損（正弦波電圧入力時に生じる二次銅損）とともに、時間高調波成分の高調波二次銅損を低減できるため、誘導機駆動システムの電力損失を低減して同システムの効率が向上されるとともに、同システムの信頼性が向上する。

なお、変換器４１は、電源電力として、三相交流電力を入力するものに限らず、単相交流電力や直流電力を入力するものでも良い。

図１５は、本発明の実施例８である鉄道車両を示す。

図１５に示すように、鉄道車両５０は、台車５３と、台車５３に増速ギア５１を介して車軸５４によって回転可能に軸支される複数の車輪５２と、増速ギア５１を介して複数の車輪５２に機械的に接続され、複数（４個）の車輪５２を駆動する複数台（２台）の誘導機１を備える。このように、本実施例８の駆動系は、１軸１モータにて構成される。誘導機１は、図示されないが鉄道車両５０に搭載される変換器と共に、前述した実施例７（図１４参照）による誘導機駆動システムを構成する。従って、図１４における誘導機１としては、前述した実施例１およびその変形例１〜７、実施例２〜４、実施例５およびその変形例、実施例６のいずれかが適用される。なお、本実施例８において、図示しない変換器は、架線や鉄道車両５０に搭載される蓄電システムなどから電源電力を入力する。

鉄道車両５０のように、移動体に誘導機１が搭載される製品は、他の製品に比べて、振動が加わることで経年劣化によって各構成部品に疲労や、部品間の緩みが生じやすい傾向にある。前述した実施例１〜６およびこれらの変形例が適用される誘導機１は、二次銅損低減により効率向上されると共に、回転子バーおよびエンドリングを含む回転子導体の経年変化による軸方向のずれが抑制されるので、鉄道車両５０のエネルギー消費量が低減される共に強度信頼性が向上する。

本実施例８において、駆動系は、１軸１モータで２軸を駆動する駆動方式であり、計２台の誘導機を備えているが、これに限らず、他の駆動方式を用いて、１台あるいは３台以上の複数台の誘導機を備えるものでも良い。

なお、本発明は前述した実施例１〜８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、前述した各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、必ずしも説明した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、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、複数種の回転子バー、あるいはこれらが挿入される複数種の回転子スロット２１の断面形状は、径方向の長さが異なる複数の断面形状であれば、矩形や台形に限定されない。また、アルミダイカストロータのように、回転子鉄心における回転子スロットに充填されるアルミによって回転子バーを構成しても良い。さらに、上述した誘導機および誘導機駆動システムは、鉄道車両に限らず、誘導機でコンプレッサ等を駆動するポンプシステム、誘導機で掘削用のドリル等を駆動する掘削システム、誘導機で切粉用のミル等を駆動する切粉システム、誘導機でファンを駆動するファンシステム等にも適用できる。

１…誘導機
１０…固定子
１１…固定子鉄心
１２…固定子スロット
１３…固定子巻線
１４…固定子鉄心抑え
２０…回転子
２１，２１Ａ，２１Ａ’…回転子スロット
２２，２２Ａ，２２Ａ’，２２Ａ’’…回転子バー
２３…エンドリング
２４…回転子鉄心
２５…シャフト
２６…回転子鉄心抑え
２７，２７’…通風孔
２８…冷却ファン
２９…リテイニングリング
３０…軸受
４０…電源
４１…変換器
４２…負荷
５０…鉄道車両
５１…増速ギア
５２…車輪
５３…台車

Claims (14)

1. 固定子巻線を有する固定子と、
   軸方向に積層される複数の電磁鋼板から成る回転子鉄心と、前記複数の電磁鋼板を固定する略円環状の回転子鉄心抑えと、前記回転子鉄心に設けられる複数の回転子スロットに挿入される複数の回転子バーと、前記複数の回転子バーの軸方向の端部において前記複数の回転子バーを電気的に接続するエンドリングと、を有し、空隙を介して前記固定子と対向する回転子と、
   を備える誘導機において、
   前記複数の回転子バーは、軸方向の端部に切り欠きを有する第１の回転子バーを含み、
   前記複数の回転子スロットは、前記第１の回転子バーが挿入される第１の回転子スロットを含み、
   前記回転子鉄心抑えの外径が、前記第１の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも大きく、
   前記複数の回転子バーは、軸方向に垂直な断面の形状が前記第１の回転子バーとは異なる第２の回転子バーを含み、
   前記複数の回転子スロットは、前記第２の回転子バーが挿入される第２の回転子スロットを含み、
   前記第２の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径は、前記第１の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも大きく、かつ前記回転子鉄心抑えの外径よりも大きいことを特徴とする誘導機。
2. 請求項１に記載の誘導機において、
   前記回転子鉄心抑えは、前記複数の回転子バーに干渉しないことを特徴とする誘導機。
3. 請求項１に記載の誘導機おいて、
   前記切り欠きが前記回転子鉄心外に位置することを特徴とする誘導機。
4. 請求項１に記載の誘導機において、
   前記回転子鉄心抑えは、前記複数の回転子バーの軸方向の端部間に延びる櫛歯状部を有することを特徴とする誘導機。
5. 請求項１に記載の誘導機において、
   前記複数の回転子バーは、軸方向に垂直な断面の形状が前記第１の回転子バーおよび前記第２の回転子バーとは異なる第３の回転子バーを含み、
   前記複数の回転子スロットは、前記第３の回転子バーが挿入される第３の回転子スロットを含み、
   前記第３の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径は、前記第１の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも大きく、かつ前記第２の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも小さいことを特徴とする誘導機。
6. 請求項１に記載の誘導機において、
   前記複数の回転子バーの前記回転子内における軸方向に垂直な断面形状における周方向の幅が、外周から内周に向かうにしたがって小さくなることを特徴とする誘導機。
7. 請求項１に記載の誘導機において、
   前記第１の回転子バーおよび前記第２の回転子バーは、周方向に沿って交互に配置され
   前記第２の回転子バーを挟んで隣り合う二つの前記第１の回転子スロット間の最内周位置における距離（Ｔ _２ ）は、前記第２の回転子スロットの最内周位置と、前記第２の回転子バーと隣り合う前記第１の回転子バーが挿入される前記第１の回転子スロットとの周方向の距離（Ｔ _１ ）の２倍以上であること（Ｔ _２ ≧２Ｔ _１ ）を特徴とする誘導機。
8. 請求項１に記載の誘導機において、
   前記第１の回転子スロットの開口部の周方向の幅（Ｓ _１ ）が、前記第２の回転子スロットの開口部の周方向の幅（Ｓ _２ ）よりも大きいこと（Ｓ _１ ＞Ｓ _２ ）を特徴とする誘導機。
9. 請求項１に記載の誘導機において、
   前記第１の回転子バーの周方向の幅（Ｗ _１ ）が、前記第２の回転子バーの周方向の幅（Ｗ _２ ）よりも大きいこと（Ｗ _１ ＞Ｗ _２ ）を特徴とする誘導機。
10. 請求項１に記載の誘導機において、
    前記第１の回転子スロット内に通風孔が設けられていることを特徴とする誘導機。
11. 請求項１に記載の誘導機において、
    前記第２の回転子バーの電気抵抗率（ρ _２ ）が前記第１の回転子バーの電気抵抗率（ρ _１ ）よりも小さいこと（ρ _２ ＜ρ _１ ）を特徴とする誘導機。
12. 請求項１に記載の誘導機において、
    前記第２の回転子バーの熱伝導率（λ _２ ）が前記第１の回転子バーの熱伝導率（λ _１ ）よりも大きいこと（λ _２ ＞λ _１ ）を特徴とする誘導機。
13. 電源から入力する電力を三相交流電力に変換して出力する変換器と、前記変換器が出力する前記三相交流電力によって回転駆動される誘導機と、を備える誘導機駆動システムにおいて、
    前記誘導機は、
    固定子巻線を有する固定子と、
    軸方向に積層される複数の電磁鋼板から成る回転子鉄心と、前記複数の電磁鋼板を固定する略円環状の回転子鉄心抑えと、前記回転子鉄心に設けられる複数の回転子スロットに挿入される複数の回転子バーと、前記複数の回転子バーの軸方向の端部において前記複数の回転子バーを電気的に接続するエンドリングと、を有し、空隙を介して前記固定子と対向する回転子と、
    を備え、
    前記複数の回転子バーは、軸方向の端部に切り欠きを有する第１の回転子バーを含み、 前記複数の回転子スロットは、前記第１の回転子バーが挿入される第１の回転子スロットを含み、
    前記回転子鉄心抑えの外径が、前記第１の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも大きく、
    前記複数の回転子バーは、軸方向に垂直な断面の形状が前記第１の回転子バーとは異なる第２の回転子バーを含み、
    前記複数の回転子スロットは、前記第２の回転子バーが挿入される第２の回転子スロットを含み、
    前記第２の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径は、前記第１の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも大きく、かつ前記回転子鉄心抑えの外径よりも大きいことを特徴とする誘導機駆動システム。
14. 台車と、前記台車に回転可能に軸支される複数の車輪と、前記複数の車輪を駆動する誘導機を備える鉄道車両において、
    前記誘導機は、
    固定子巻線を有する固定子と、
    軸方向に積層される複数の電磁鋼板から成る回転子鉄心と、前記複数の電磁鋼板を固定する略円環状の回転子鉄心抑えと、前記回転子鉄心に設けられる複数の回転子スロットに挿入される複数の回転子バーと、前記複数の回転子バーの軸方向の端部において前記複数の回転子バーを電気的に接続するエンドリングと、を有し、空隙を介して前記固定子と対向する回転子と、
    を備え、
    前記複数の回転子バーは、軸方向の端部に切り欠きを有する第１の回転子バーを含み、
    前記複数の回転子スロットは、前記第１の回転子バーが挿入される第１の回転子スロットを含み、
    前記回転子鉄心抑えの外径が、前記第１の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも大きく、
    前記複数の回転子バーは、軸方向に垂直な断面の形状が前記第１の回転子バーとは異なる第２の回転子バーを含み、
    前記複数の回転子スロットは、前記第２の回転子バーが挿入される第２の回転子スロットを含み、
    前記第２の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径は、前記第１の回転子バーの前記回転子鉄心内部における内径よりも大きく、かつ前記回転子鉄心抑えの外径よりも大きいことを特徴とする鉄道車両。

Images