JP6601592B1 - かご形回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

かご形回転子（３）は、シャフト（１）と、回転子鉄心（４）と、回転子鉄心（４）の外周側に位置し、一端に第１角部（Ｒ２０）、他端に第２角部（Ｒ２１）が設けられ、回転子鉄心（４）と同心円の、第１角部（Ｒ２０）と第２角部（Ｒ２１）を結ぶ仮想的な円周に対し外周側に凸形状を呈する外周縁部（Ｒ３０）と、内周側に位置し、一端に第１角部（Ｒ２０）より曲率半径の小さい第３角部（Ｒ２２）、他端に第２角部（Ｒ２１）より曲率半径の小さい第４角部（Ｒ２３）が設けられ、回転子鉄心（４）と同心円の、第３角部（Ｒ２２）と第４角部（Ｒ２３）を結ぶ仮想的な円周に対し外周側に凸形状を呈する内周縁部（Ｒ３１）と、第１角部（Ｒ２０）と第３角部（Ｒ２２）とを接続する第１側縁部（Ｌ４０）と、第２角部（Ｒ２１）と第４角部（Ｒ２３）とを接続する第２側縁部（Ｌ４１）とを有するスロット（５ａ）と、を備える。

Description

本発明は、かご形回転子およびかご形回転子を備える回転電機に関する。

近年、工業用途の回転電機においては、機械加工におけるタクトタイムの短縮化が求められていること、または難削材の切削加工への対応が求められていることにより、モータの効率向上や高速回転化のニーズが非常に高まっている。

工業用途の回転電機には、堅牢かつ強固な誘導式回転電機がよく用いられているが、誘導式回転電機の高速回転化には、回転子二次導体を有する回転子鉄心が、回転時に発生する遠心力により変形してしまうことを回避することが必要である。

また、誘導式回転電機では、原理上は回転子にも電流が流れるため、モータの効率向上には電流に起因した回転子の発熱を抑制することが課題であり、電流が流れる回転子二次導体の抵抗低減が必要である。

従来の回転子には、回転子のスロットの周縁部で高速回転に伴う遠心力により発生する最大応力を低減することを目的として、周方向に長尺のスロットが形成された回転子（例えば、特許文献１参照）、半径方向の内側および外側に向かって突出する凸形状のスロットを有する回転子（例えば、特許文献２参照）がある。

特開平０６−２５３５１１ 特開２０１４−２０９８３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転子のように、周方向に長尺のスロットが形成されると、スロットと回転子鉄心の外周との間に形成されるブリッジ部も周方向に長尺化することとなる。回転時は、二次導体である導体バーに遠心力が作用するので、ブリッジ部が長尺化すると、ブリッジに掛かる導体バーに作用した遠心力の範囲も広くなり、伴って当該ブリッジ部に生じる周方向の応力範囲が広くなる。したがって、回転速度に応じてブリッジ部全体の寸法を確保しなければ強度低下を招いてしまうため、ブリッジ部に一定の厚みを確保しておく必要がある。しかし、ブリッジ部が必要以上に厚くなると、固定子から発生した磁束がブリッジ部を通り、導体バーを鎖交せずに固定子に戻る、漏れ磁束が増加し、効率が低下してしまう。

さらに、回転子の内径には、焼きバメ、圧入等によりシャフトが結合されており、回転子からのトルク伝達を行うが、高速回転用の回転子では、剛性を確保するため、より径の大きいシャフトの適用が求められる。しかし、回転子鉄心の内径を大きくするとスロット底部から内径までの径方向距離（バックヨーク）が減少し、高速回転時に発生する遠心力により変形が生じやすくなるため、シャフトとの焼きバメ、圧入等により発生したしめ代が小さくなり、シャフトによるトルク伝達に支障が生じる。

変形の抑制には、バックヨークの寸法を確保し、剛性を向上させることが有効であるが、特許文献２に記載の回転子のように、径方向の内側および外側に向かって突出する凸形状のスロットでは、内径側に凸となっているため、寸法を確保しがたい。一方、スロット面積を小さくして、当該スロット形状でバックヨークの寸法を確保した場合は、スロット面積が小さくなることにより、二次導体の抵抗が増加し、効率が低下してしまう。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、応力による変形を抑制することができ、スロットの剛性を確保し、さらに二次導体の抵抗を削減できるかご形回転子および当該かご形回転子を備えた回転電機を提供す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、本発明に係るかご形回転子は、中心部に円形孔が設けられた円板状部材が、シャフトに円形孔を介して軸線方向に複数個積層された、円筒状の回転子鉄心と、回転子鉄心の外周側に位置し、一端に第１角部および他端に第２角部が設けられ、回転子鉄心と同心円の、第１角部と第２角部とを結ぶ仮想的な円周に対して、外周側に凸形状を呈する外周縁部と、回転子鉄心の内周側に位置し、一端に第１角部より曲率半径の小さい第３角部および他端に第２角部より曲率半径の小さい第４角部が設けられ、回転子鉄心と同心円の、第３角部と第４角部とを結ぶ仮想的な円周に対して、外周側に凸形状を呈する内周縁部と、第１角部と第３角部とを接続する第１側縁部と、第２角部と第４角部とを接続する第２側縁部と、を有し、回転子鉄心の周方向に等間隔に複数個配置され軸線方向に延在するスロットとを備える。
また、本発明に係る回転電機は、上記のかご形回転子を備える。

本発明に係るかご形回転子によれば、積層した回転子鉄心に発生する、応力による変形を抑制し、回転速度を増大することができ、さらには二次導体の抵抗を削減し、回転効率を向上することができる。
また、本発明に係る回転電機によれば、上記のかご形回転子を備えたため、回転効率の向上が図れる。

本発明の実施の形態に係る回転電機の一部の構成を示す概略断面図である。 図１の回転電機にスリーブを付加した形態の一部の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るかご形回転子の構成を示す概略断面図である。 図３の回転子の一部を拡大して示す部分拡大図である。 図４の回転子のスロットの側縁部がなす角を示す部分拡大である。 本発明の実施の形態１に係るかご形回転子の動作原理を説明するための部分拡大図である。 本発明の実施の形態１に係るかご形回転子のスロットと丸型スロットおよびタマゴ型スロットとの比較例である。 本発明の実施の形態２に係るかご形回転子の構成を示す部分拡大図である。 図８の回転子のスロットの外周縁部の直線部がなす角および側縁部がなす角を示す部分拡大図である。 本発明の実施の形態３に係るかご形回転子の構成を示す部分拡大図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るかご形回転子、および当該かご形回転子を備えた回転電機を、図面を用いて詳細に説明する。各実施の形態に共通する構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。なお、この実施の形態によりこの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に係る回転電機２００の一部の構成を示す概略断面図である。回転電機２００は、ハウジング１３と、ハウジング１３に軸受により回転可能に支持されたシャフト１と、シャフト１の外径側に配置された回転子３と、回転子３の外径側にエアギャップを介して対向配置された固定子９が設けられている。回転子３は、積層された回転子鉄心４の軸方向の両端部に短絡環７ａが設けられた誘導型（ＩＭ：Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ）の回転電機の回転子である。

回転中心軸線１００の軸線方向に貫通する、回転子３の貫通穴２には、貫通穴２の形状に合わせたシャフト１が、焼きバメ、圧入、もしくは圧入と焼きバメ、圧入と冷やしバメ、の組み合わせ等により固定される。図１、２に示すシャフト１は中空孔１ａを有しているが、これに限定されず軸の断面が詰まった中実軸で構成してもよい。

回転子鉄心４は、薄鋼板である電磁鋼板からプレス打ち抜き等で形成された、中心部に円形孔を有する円板状部材が、円形孔を介してシャフト１の回転中心軸線１００の軸線方向に複数個積層された、積層体で構成されており、円筒状を呈している。図３に示すように、回転子鉄心４の外周側には、スロット５ａが、周方向に等間隔に複数個配置される。スロット５ａは、回転子鉄心４の外周部に囲まれ、スロット開口を有さないクローズドスロットである。スロット５ａの内部空間には導体バー７ｂが挿入される。導体バー７ｂの両端部には、導体バー７ｂが遠心力で飛び出すのを抑えるため、それぞれ短絡環７ａが配置される。導体バー７ｂおよび短絡環７ａは、アルミニウム、アルミ合金といった導体材料を用いたダイカストにより成形される。なお、板状部材の導体材料として、鉄より電気抵抗の小さい銅または銅合金を用いてもよい。

固定子９は、固定子鉄心１０と、固定子鉄心１０の周方向に等間隔に配置された複数のコイル１１からなる。固定子鉄心１０は、例えば電磁鋼板の薄板を積層して形成される。複数のコイル１１は、回転電機２００の外部に設置された図示しない動力源に接続する動力線１２を介して電力を得て駆動する。

図２は、本実施の形態に係る回転電機２００の構成において、シャフト１と回転子３の間にスリーブ８を付加した構成を示す概略断面図である。シャフト１は、上述の通り、焼きバメ、圧入、もしくは圧入と焼きバメ、圧入と冷やしバメ、の組み合わせ等により回転子３に固定される。しかし、シャフト１の形状が当該固定方法に適さない場合、まず回転子３とスリーブ８とを焼きバメ、圧入、もしくは圧入と焼きバメ、圧入と冷やしバメ、の組み合わせ等により固定し、つぎにスリーブ８とシャフト１を、ネジ止めや油圧によって固定することもできるため、スリーブ８を付加することで、製造が容易になる。さらに、シャフト１と回転子３とを着脱可能な構成にしたい場合にも、スリーブ８を適用することができる。

図３は、本発明の実施の形態にかかるかご形回転子の構成を示す、回転中心軸線１００と直交する断面による断面図である。回転子鉄心４には、周方向に等間隔に複数のスロット５ａが配置されている。隣接するスロット５ａの間には、固定子９からの磁束を通すティース部が設けられている。各スロット５ａは、同一形状を呈する。また、回転子鉄心４の中心を中心点Ｐとする。

図４は、本発明の実施の形態１にかかるかご形回転子の構成の一部を示す断面図の拡大図である。スロット５ａは、回転子鉄心４の外周側に、外周縁部Ｒ３０ａと、外周縁部Ｒ３０ａの両端部から径方向に延在する直線部である側縁部Ｌ４０、Ｌ４１と、内周側に、側縁部Ｌ４０、Ｌ４１を接続する内周縁部Ｒ３１により形成される。
具体的には、外周縁部Ｒ３０ａは、その一端に第１角部Ｒ２０、他端に第２角部Ｒ２１を有し、かつ、回転子鉄心と同心円、つまり、中心が中心点Ｐの、第１角部Ｒ２０と第２角部Ｒ２１を結ぶ仮想的な円周C１よりも外周側に向かって凸形状を呈する。また、内周縁部Ｒ３１は、外周縁部Ｒ３０ａよりも内周側に配置され、一端に第３角部Ｒ２２、他端に第４角部Ｒ２３を有し、かつ、回転子鉄心と同心円、つまり、中心が中心点Ｐの、第３角部Ｒ２２と第４角部Ｒ２３を結ぶ仮想的な円周C２よりも外周側に向かって凸形状を呈する。なお、第３角部Ｒ２２と第４角部Ｒ２３は、第１角部Ｒ２０、第２角部Ｒ２１のいずれの曲率半径よりも小さい。

さらに、径方向に延在する直線部である第１側縁部Ｌ４０は、第１角部Ｒ２０と第３角部Ｒ２２を接続し、同じく、径方向に延在する直線部である第２側縁部Ｌ４１は、第２角部Ｒ２１と第４角部Ｒ２３を接続する。また、スロット５ａは、外周縁部Ｒ３０ａの中心である頂点Ｐ１と、回転子鉄心４の中心を通る中心線１１０を軸に、左右対称の形状を呈している。

図５は、実施の形態１に係るかご形回転子の構成の一部を示す断面図である。ここで、第１側縁部Ｌ４０と第２側縁部Ｌ４１が交わる角度をθ１とすると、θ１は、０°≦θ１≦９０°であることが望ましい。

図６は、本発明の実施の形態１に係るかご形回転子の動作原理を説明するための図であり、図中には、かご形回転子の構成の一部を示す断面図の拡大図で、磁束の流れが矢印で示されている。固定子９から発生する磁束を磁束７０、スロット内において、回転子３の外周付近を流れる磁束を磁束７１ａ、後述の比較例としての扇形スロット６ａ内の一部を流れる磁束を磁束７１ｂ、回転子鉄心４のティース部を流れる磁束を磁束７１ｃ、回転子鉄心４のバックヨーク部を流れる磁束を磁束７１ｄとする。

ここで、比較例として図６の点線部で示す扇形スロット６ａを用いて、磁束の流れとスロット形状との関係を説明する。扇形スロット６ａは、スロット５ａと比較すると、外周縁部Ｒ３０ａに相当する部分が直線形状に近く、スロット５ａの第１角部Ｒ２０に相当する部分が、スロット５ａの第１角部Ｒ２０よりも回転子鉄心４の外周側に位置し、回転子３の外周と当該部分との径方向距離であるブリッジ部の距離が小さくなる。

単純な形状である扇形スロット６ａにおいては、回転子３の外周と扇形スロット６ａの外周縁部の頂点の径方向距離であるブリッジ部の磁気飽和の程度が高い場合、固定子９から発生する磁束７０を受けて、磁束７１ａとともに磁束７１ｂが生じてしまう。これにより、トルク発生に有効な磁束量が低減するとともに、磁束７１ｂによりスロット内に形成された導体バー７ｂに高調波二次銅損が生じ、回転効率が低下する。

これに対し、本発明の実施の形態１に係るかご形回転子のスロット５ａは、磁束７０の流れの最適化を考慮して、外周縁部Ｒ３０ａは、第１角部Ｒ２０と第２角部Ｒ２１を結ぶ仮想的な円周よりも外周側に凸形状を呈するため、第１角部Ｒ２０と第２角部Ｒ２１が、比較例の扇形スロット６ａの場合よりも、径方向の内周側に位置する結果、回転子鉄心４の外周から外周縁部Ｒ３０ｂまでの径方向の距離（ブリッジ部）が幅広に形成されるため、磁束７１ｂを低減することができる。つまり、スロット５ａ内、すなわち導体バー７ｂを流れる磁束を低減し、磁束７１ｃ、磁束７１ｄを形成することができるため、導体バー７ｂに高調波二次銅損を生じることなく、回転効率を向上させることができる。

さらに、スロット５ａの第３角部Ｒ２２、第４角部Ｒ２３は、第１角部Ｒ２０、第２角部Ｒ２１の曲率半径よりも小さい。これにより、スロット５ａの第１側縁部Ｌ４０と第２側縁部Ｌ４１は、回転子３の中心方向に向かって交差するような角度をなす形状を呈するため、磁束７１ｃから磁束７１ｄへの流れの効率が良くなり、回転効率を向上させることができる。

図７は、本発明の実施の形態１に係るかご形回転子のスロット５ａと、従来技術である丸型スロット６ｂおよびタマゴ型スロット６ｃとの比較例である。タマゴ型スロット６ｃは、一般的に、回転中心軸線１００を中心に規定の角度だけスキューをかけ平行に位置する。図７に示す通り、スロット５ａは、タマゴ型スロット６ｃのバックヨーク距離Ｈ５１より大きいバックヨーク距離Ｈ５０を確保することができる。また、スロット５ａ、丸型スロット６ｂよりも大きなスロット面積を確保することができる。

これにより、シャフト１の挿入時、または回転子３の回転時に発生する回転子鉄心４のひずみ６０により生じる、回転子鉄心４に加わる応力６１に対し、剛性を保ちつつ、スロット面積確保による導体バー７ｂの抵抗低減を図ることが可能となり、回転子３の発熱を抑制することができるため、回転効率が向上する。

以上より、本発明の実施の形態１に係るかご形回転子によれば、スロット５ａのようなスロット形状を有することで、バックヨークを確保することにより回転子鉄心４の剛性を保つことができ、回転子鉄心４が破損することを防止することができる。
また、導体バー７ｂに流れる磁束を低減することで、高調波二次銅損の発生を抑制することもできる。さらに、スロット面積の確保により導体バー７ｂの抵抗低減を図ることができ、回転子３の発熱を抑制することができるため、回転効率が向上するという効果を奏する。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係るかご形回転子の構成の一部を示す断面図の拡大図である。本発明の実施の形態２に係るかご形回転子のスロット５ｂは、実施の形態１のスロット５ａと比較して、第１角部Ｒ２０と第２角部Ｒ２１を接続する外周縁部の形状が相違している。

スロット５ｂは、外周縁部Ｒ３０ｂの中心点である頂点Ｐ２と、かご形回転子の円周の中心を通る中心線１１０を軸に、左右対称の形状を呈している。また、スロット５ｂは、外周縁部Ｒ３０ｂの頂点Ｐ２から第１角部Ｒ２０を接続する第１直線部Ｌ３２と、外周縁部Ｒ３０ｂの頂点Ｐ２から第２角部Ｒ２１を接続する第２直線部Ｌ３３を有する。

図９は、実施の形態２に係るかご形回転子の構成の一部を示す断面図の拡大図である。ここで、第１直線部Ｌ３２および第２直線部Ｌ３３が交わる角度をθ２とすると、θ２は、９０°≦θ２≦スロット５ａの外周縁部Ｒ３０ｂの曲率半径、となることが望ましい。

このように、外周縁部Ｒ３０ｂの一部を第１直線部Ｌ３２および第２直線部Ｌ３３で構成することにより、実施の形態１のスロット５ａの外周縁部Ｒ３０ａの曲率半径よりも、スロット５ｂの外周縁部Ｒ３０ｂと、第１および第２直線部でなす角θ２が小さくなる。これにより、回転子鉄心４の外周から外周縁部Ｒ３０ｂまでの径方向距離（ブリッジ部）が実施の形態１のスロット５ａに比べて幅広に形成することができ、ブリッジ部の面積が増加するため、固定子９から発生する磁束７０がより強い場合でも、回転子鉄心４の外周付近のブリッジ部に流れる磁束７１ａの磁気飽和を軽減することができる。

以上より、本実施の形態２に係るかご形回転子によれば、回転子鉄心４の外周付近のブリッジ部の面積を確保できるため、トルクが高く固定子９からの磁束が強い場合にも、磁気飽和を低減し、回転子鉄心４を流れる磁束の流れを最適化することができ、回転効率を向上させることができるという効果を奏する。

上述した実施の形態１および実施の形態２に係るかご形回転子の特性を鑑みると、トルクが比較的小さく、磁気飽和が生じる程度が低い場合は、二次導体である導体バー７ｂの面積を確保し、二次導体の抵抗を低減した実施の形態１のスロット５ａの形態が好ましく、トルクが高く、磁気飽和が生じる程度が高い場合は、磁束が流れる面積を確保した実施の形態２のスロット５ｂの形態が好ましい。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係るかご形回転子の構成の一部を示す断面図の拡大図である。本発明の実施の形態３に係るスロット５ｃは、スロット５ａ、スロット５ｂとは外周縁部の形状が相違している。

スロット５ｃは、外周縁部Ｒ３０ｃの中心点である頂点Ｐ３と、回転子の円周の中心を通る中心線１１０を軸に、左右対称の形状を呈している。スロット５ｃの外周縁部Ｒ３０ｃは、スロット５ｃの外周縁部Ｒ３０ｃの頂点Ｐ３から、直接第１角部Ｒ２０および第２角部Ｒ２１に接続するような曲線形状を呈し、かつ、スロット５ｃの外周縁部Ｒ３０ｃの頂点Ｐ３に接する円の曲率半径は、第１角部Ｒ２０および第２角部Ｒ２１のそれぞれの曲率半径よりも小さい。

これにより、実施の形態３に係るかご形回転子のスロット５ｃは比較的単純なスロット構造であるため、スロット５ｃに導体材料を流し込み、導体バー７ｂを形成する際に、導体材料が均一に充填されやすく、回転子鉄心４に熱が奪われることによって発生する塊などが生じにくい。

以上より、実施の形態３に係るかご形回転子によれば、実施の形態１に係るかご形回転子が奏する効果に加えて、単純なスロット構造を有することにより、製造が容易になるという効果を奏する。

以上のように、実施の形態１ないし３に係るかご形回転子によれば、回転時に回転子鉄心に発生する応力に対し、剛性を保つことができるため、応力による変形を抑制することができ、さらにスロット面積を確保することにより、二次導体の抵抗を削減することができるため、回転効率を向上させることができる。なお、発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ シャフト、１ａ 中空孔、２ 貫通穴、３ 回転子、４ 回転子鉄心、５ａ、５ａｂ、５ｃ スロット、６ａ 扇形スロット、６ｂ 丸型スロット、６ｃ タマゴ型スロット、７ａ 短絡環、７ｂ 導体バー、８ スリーブ、９ 固定子、１０ 固定子鉄心、１１ コイル、１２ 動力線、１３ ハウジング、Ｒ２０ 第１角部、Ｒ２１ 第２角部、Ｒ２２ 第３角部、Ｒ２３ 第４角部、Ｒ３０ａ、Ｒ３０ｂ、Ｒ３０ｃ 外周縁部、Ｒ３１ 内周縁部、Ｌ３２ 第１直線部、Ｌ３３ 第２直線部、Ｌ４０ 第１側縁部、Ｌ４１ 第２側縁部、Ｈ５０、Ｈ５１ バックヨーク距離、６０ ひずみ、６１ 応力、７０ 固定子から発生する磁束、７１ａ 回転子外周付近を流れる磁束、７１ｂ 扇形スロット内の一部を流れる磁束、７１ｃ 回転子鉄心のティース部を流れる磁束、７１ｄ 回転子鉄心のバックヨーク部を流れる磁束、１００ 回転中心軸線、１１０ 中心線、２００ 回転電機。

Claims (5)

1. 軸線方向に延在するシャフトと、
   中心部に円形孔が設けられた円板状部材が、前記シャフトに前記円形孔を介して前記軸線方向に複数個積層された、円筒状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の外周側に位置し、一端に第１角部および他端に第２角部が設けられ、前記回転子鉄心と同心円の、前記第１角部と前記第２角部とを結ぶ仮想的な円周に対して、外周側に凸形状を呈する外周縁部と、前記回転子鉄心の内周側に位置し、一端に前記第１角部より曲率半径の小さい第３角部および他端に前記第２角部より曲率半径の小さい第４角部が設けられ、前記回転子鉄心と同心円の、前記第３角部と前記第４角部とを結ぶ仮想的な円周に対して、外周側に凸形状を呈する内周縁部と、前記第１角部と前記第３角部とを接続する第１側縁部と、前記第２角部と前記第４角部とを接続する第２側縁部と、を有し、前記回転子鉄心の周方向に等間隔に複数個配置され前記軸線方向に延在するスロットと、
   を備えるかご形回転子。
2. 前記外周縁部は、前記外周縁部の頂点から前記第１角部を接続する第１直線部と、前記外周縁部の頂点から前記第２角部を接続する第２直線部を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のかご形回転子。
3. 前記外周縁部の頂点に接する円の曲率半径は、前記第１角部および前記第２角部の曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のかご形回転子。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のかご形回転子を備える、回転電機。
5. 前記かご形回転子の前記回転子鉄心と前記かご形回転子の前記シャフトとの間にスリーブが設けられたことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。

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