JP6609482B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は，かご形二次巻線を有する回転電機に係わり，特に回転子の塊状鉄心のスロット形状に関する。

近年インバータを用いて電動機を高速運転することによって，駆動システム全体の省スペース化する需要が高まっている。高速運転する電動機として，回転子コアのスロットに設けられた複数の回転子導体が回転子コアの端面においてエンドリング（短絡環）で連結された回転子を備える誘導電動機がある。誘導電動機を高速化した場合，回転子コアや回転子導体に働く遠心力が従来の回転子よりも大きくなるため，回転子コアを従来の積層型から高強度な塊状型に変更することや，回転子コアと回転子導体とを溶接または接合により回転子構造を高強度化する必要がある。また，回転子に発生する電気的な損失を低減することで回転子導体に働く熱応力を低減する必要がある。これらの課題に対して，本技術分野の背景技術として，特許文献１や非特許文献１，２などがあげられる。特許文献１には塊状回転子コアを備え，回転子導体の最外周部分を切削して回転子導体に発生する損失の低減を図っている誘導電動機がある。また，非特許文献１および非特許文献２には回転子導体が塊状回転子コアに挿入または接合している誘導電動機がある。

特開２０１２−１５７１３４号

R.Lateb, J.Enon, L.Durantay; High speed, High power electrical induction motor technologies for integrated compressors, Electrical Machines and Systems, 2009. ICEMS 2009 Hartmut Walter, Axel Moehle, Maria Bade; Asynchronous solid rotors as high-speed drives in the megawatt range, Petroleum and Chemical Industry Technical Conference, 2007. PCIC '07. IEEE

上記特許文献３には回転子の塊状回転子コアと回転子バーの形成方法に関する技術が記載されているが，回転子バーの最外周部分が回転子コアの最外周部分と同一面に配置されているため，回転子バー表面に大きな損失が発生し，回転子バーの発熱による熱応力が過大となり，回転子バーが破損する可能性がある。非特許文献１には塊状回転子コアに回転子バーを埋め込む構造の回転子，回転子バーが遠心力によって回転時に飛び出さないように回転子ティースによって回転子バーを支えている構造の回転子，積層形の回転子コアに回転子バーを埋め込む構造の回転子が記載されている。回転子コアは塊状，積層形いずれの場合も回転子コアに適用する材質の透磁率が空気よりも高いため，回転子バー最外周部分に高調波磁束が入りやすい構造となる。したがって非特許文献１に記載の回転子形状はいずれも回転子バーの最外周部分に高調波磁束に起因した損失が発生しやすく，回転子バーに大きな損失および熱応力が発生する。非特許文献２に記載される回転子形状は特許文献１と同様に，回転子バーの最外周部分が回転子コアの最外周部分と同一面に配置されているため，回転子バー表面に発生する損失および熱を低減することができず，回転子バーが熱応力によって破損する可能性がある。

上記課題を解決するため，本発明の一実施例に係る回転電機は，巻線を巻装した固定子と回転子とを備えた回転電機であって，前記回転子は，回転子鉄心と，前記回転子鉄心に複数設けられた回転子スロットに収容された回転子バー及び前記回転子バーの端部に接合されたエンドリングを含んで構成されるかご形導体とを備え，前記回転子スロットは，オープンスロットの形状を有すると共に，その径方向の高さが前記回転子バーの径方向の高さよりも大きく，前記回転子鉄心は，塊状に構成されると共に，前記回転子スロットの径方向最外周部分の幅が前記回転子バーの径方向最外周部分の幅よりも大きい構成を有する。

本発明によるかご形誘導電動機によれば，信頼性の高い，損失の小さい回転電機を提供できる。

本発明の一実施例によるかご形誘導電動機を回転軸方向から見た部分断面図。 本発明の一実施例によるかご形誘導電動機を回転軸方向から見た部分断面図。 実施例１における回転子の回転子バーに発生する損失の計算結果。 実施例１における回転子の回転子ティースに発生する損失の計算結果。 実施例１における回転子の総損失の計算結果。 実施例１におけるギャップの風の流れ。 本発明の一実施例によるかご形誘導電動機を回転軸方向から見た部分断面図。 本発明の一実施例によるかご形誘導電動機を回転軸方向から見た部分断面図。 本発明の一実施例によるかご形誘導電動機を回転軸方向から見た部分断面図。 本発明の一実施例によるかご形誘導電動機を回転軸方向から見た部分断面図。

以下，図面に基づいて，本発明に係わる実施例を詳細に説明する。

図１，２に実施例１による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。誘導電動機１は固定子１０と回転子２０，シャフト２５によって構成され，固定子１０は固定子コア１１，固定子スロット１２，電機子巻線１３によって構成される。回転子２０には塊状回転子コア２１がシャフト２５に連結されており，塊状回転子コア２１には回転子スロット２２および回転子ティース２４が設けられ，回転子スロット２２内には回転子バー２３が収納され，回転子２０の軸方向端面でエンドリングによって回転子バー２３が短絡されているかご形導体が配置される。回転子スロット２２はオープンスロットであり，回転子スロット２２の径方向高さｈ１が回転子バー２３の径方向高さｈ２よりも大きく，回転子スロット２２の最外周部分の幅ｂ１が回転子バー２３の最外周部分の幅ｂ２よりも大きくなるように構成される。回転子スロット２２の高さｈ１と回転子バー２３の高さｈ２の差ｈ１−ｈ２となる領域は空気となる。回転子バー２３の材料は無酸素銅(OF-Cu)またはCr-Cu，Sn-Cu，Mo-Cuなどの銅合金が適用される。回転子スロット２２と回転子バー２３は摩擦攪拌接合や熱間等方圧加圧加工，アーク溶接，レーザ溶接，コールドスプレー，ロウ付けなどで高い強度で接合される。誘導電動機１を運転したとき，回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面には回転子２０の回転数に応じて，遠心力が発生する。これに対して前述の接合により，回転子２０を高速回転させたときに発生する遠心力に対する強度を確保できる。
誘導電動機１を運転するとき，電機子巻線１３からは基本波電流による磁束に加え，巻線配置やスロット数に起因して高調波磁束が発生する。この高調波磁束が固定子１０と回転子２０との間のギャップを通じて回転子バー２３に入り込むことによって回転子バー２３の最外周部分には高調波損失が発生する。また，この高調波磁束は回転子ティース２４の最外周部分にも渦電流損を発生させる。さらに，インバータによって誘導電動機を駆動する場合，固定子巻線１３からはインバータのキャリア高調波による高調波磁束も発生するため，回転子バー２３および回転子ティース２４にはインバータの高調波磁束に起因した損失も発生する。回転子バー２３および回転子ティース２４の最外周部分に発生するこれらの損失は回転子２０の発熱の原因となり，回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面に熱応力を発生させるとともに，誘導電動機１の効率を悪化させる原因となる。回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面に発生する熱応力は回転子コア２１と回転子バー２３との熱膨張率の差によって決定されるが，回転子バー２３に適用される銅または前述の銅合金は回転子コア２１に適用されるＳ４５Ｃなどの鉄材よりも熱膨張率が大きいため，回転子バー２３に発生する熱，つまり損失を低減させることが重要となる。
ここで，本発明では，回転子スロットの高さｈ１を回転子バー２３の径方向高さｈ２よりも高くすることで回転子バー２３の最外周部分の径方向外側には空気層が形成される。空気層が設けられることにより，回転子バー２３の最外周部分外側の磁気抵抗が高くなり，高調波磁束が回転子バー２３の最外周部分に入りにくくなる。また，回転子スロットの径方向最外周部分の幅ｂ１を回転子バーの最外周部分の幅ｂ２よりも大きくすることにより，回転子バー２３の最外周部分の径方向外側の磁気抵抗がさらに高くなり，高調波磁束が回転子バー２３の最外周部分にさらに入りにくくなる。これにより回転子バー２３の最外周部分に発生する高調波損失を低減できるため，回転子バー２３に発生する熱が低減される。回転子バー２３に発生する熱が小さくなることにより，回転子バー２３に発生する熱延びが小さくなり，回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面に発生する熱応力が低減され，接合面の強度信頼性が向上する。図３〜５に回転子バー２３の断面積を一定にしたまま（ｈ１−ｈ２）／ｈ１を変更したときの損失の変化を示す。図３は回転子バー２３に発生する損失，図４は回転子ティース２４に発生する損失，図５は本発明を適用したときの回転子の総損失である。図３より，回転子スロット２２の径方向高さｈ１に対する（ｈ１−ｈ２）の比率，つまり回転子バー２３の最外周部分の外側にある空気層の高さが大きくなるにつれて，回転子バー２３に発生する損失が低減されることがわかる。図４より，回転子ティース２４に発生する損失は（ｈ１−ｈ２）／ｈ１の比率が小さい時は上昇するものの，（ｈ１―ｈ２）／ｈ１の比率が大きくなるにつれて低下していることがわかる。これにより，図５より（ｈ１―ｈ２）／ｈ１の比率に反比例して誘導電動機に発生する総損失も小さくなることがわかる。したがって，本発明によって回転子バー２３の表面に発生する損失が低下する効果が得られ，回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面に発生する熱応力を低減できる効果が得られる。また，総損失の低減，つまり誘導電動機の効率を向上させる効果も得ることができる。さらに，本実施例における回転子構造とした場合，回転子バー２３の径方向最外周部分の外側に高さ（ｈ１−ｈ２）の空気層が形成されることにより，回転子１０の表面は凹凸がある形状となる。これにより，回転子２０はファン効果を持つことなるため，誘導電動機１の冷却性能が向上する。さらに，回転子表面に凹凸があるため，固定子１０と回転子２０の間のギャップに流れる風が急激に曲げられることとなり，回転子バー２３の最外周部分に風があたることとなる（図６）。これにより，回転子バー２３の表面を冷やす効果も得られるため，回転子バー２３の最外周部分は効率よく冷やされるようになり，回転子バー２３の温度上昇低減，つまり回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面の熱応力を低減させることができる。

図７に実施例２による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。図７に示すように実施例１の回転子形状において，回転子ティース２４の周方向幅は回転子バー２３が入る位置において，回転子バー２３の底部以外を除いて常に一定となっている。誘導電動機１の力率は回転子ティース２４の周方向の幅が最も狭くなる部分の磁束密度によって決定されるため，回転子ティース２４の周方向の幅は最も狭くなる部分に合わせて一定値とすることができる。これにより，回転子ティース２４の周方向幅を狭くすることにより，回転子バー２３の断面積を大きくすることができるため，回転子バー２３における基本波電流による損失が低減される。一方，高調波磁束による影響は回転子バー２３の最外周部分の磁気抵抗によって決定されるが，実施例２による形状において，回転子バー２３の最外周部分の空気層の高さは実施例１と同等とすることができるため，回転子バー２３の最外周部分における高調波損失は実施例１と同等となる。したがって，実施例２による形状とすることで誘導電動機１の効率向上や，回転子バー２３に発生する熱の軽減，つまり熱応力低減の効果を得ることができる。

図８に実施例３による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。図８に示すように実施例１の回転子形状において，回転子ティース２４の最外周部分を段落とし形状としている。段落とし部分は回転子バー２３の最外周部分から始まるものとする。このような形状とすることで，回転子スロットの径方向最外周部分の幅ｂ１と回転子バーの最外周部分の幅ｂ２の差が実施例１および実施例２よりもさらに大きくなり，回転子ティース２４の最外周部分の磁気抵抗が大きくなることとなり，回転子バー２３の最外周部分で発生する高調波損失をさらに低減することができる（図３）。これにより，回転子バー２３に発生する熱も低減でき，回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面に生じる熱応力も低減することができる。また，図５より，実施例１と同様に，回転子バー２３の最外周部分の外側にある空気層の高さ（ｈ１−ｈ２）に反比例して誘導電動機１における総損失が小さくなることがわかる。回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面積は実施例１と同様であるため，回転子スロット２２と回転子バー２３の接合面の強度を維持しつつ，高効率化も可能となる。さらに，回転子ティース２４の最外周部分を段落とし形状とすることで，固定子１０と回転子２０の間のギャップ部分での空気がスムーズに流れるようになり，ギャップ部分での通風抵抗が小さくなるため，風損の増加も抑制できる。加えて，固定子１０と回転子２０の間のギャップ部分の面積が大きくなることから，誘導電動機１の全体の通風量が増加し，誘導電動機１全体の冷却性能も向上させることができる。

図９に実施例４による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。図９に示すように実施例１の回転子形状において、回転子ティース２４の最外周部分を面取り形状としている。面取り部分は回転子バー２３の最外周部分から始まるものとする。固定子１０と回転子２０の間にあるギャップ部分が大きいほど、つまり回転子バー２３や回転子ティース２４の径方向外周部分の磁気抵抗が大きいほど回転子バー２３が受ける電機子巻線１３から入り込む高調波磁束の影響が小さくなる。実施例４による回転子形状は回転子ティース２４の最外周部分が面取りされているため、回転子スロット２２の径方向最外周部分の幅ｂ１と回転子バー２３の最外周部分の幅ｂ２の差が実施例１および実施例２よりもさらに大きくなる。したがって、回転子バー２３の最外周部分での磁気抵抗が大きくなるため、実施例３と同等の効果が得られることとなる。また、固定子１０と回転子２０の間のギャップ部分での空気が実施例４よりもスムーズに流れるようになり、ギャップ部分での空気抵抗が低減され、風損をさらに低減できる。これにより、誘導電動機１の冷却性能がさらに向上し、回転子２０のみならず、固定子１０や固定子巻線１３の温度上昇も抑制できる。

図１０に実施例５による誘導電動機の回転子を回転軸方向から見た部分断面を示す。本実施例による誘導電動機は、実施例１乃至４の回転子形状において、回転子２０の回転中心から径方向に引いた軸A−aよりも回転子スロット底部２２１を遅れ側に設置し、軸A−aと回転子２０の外周部の基準点aから回転子スロット底部２２１の中心点Bまで引いた軸B−aとが基準点aにおいて所定の角度θを持つように回転子スロット２２を構成した上で、回転子スロット２２が回転子２０の回転中心から径方向に対する軸A−aに対し周方向に非対称な形状となっている。図１０の形状において、回転子ティース２４の最外周部分の形状は実施例１乃至２のように段落としや面取りがされていない形状となっているが、実施例３または実施例４のように、段落としや面取りがされている形状でもよい。実施例５の回転子形状とすることで、回転子バー２３が回転方向に対して角度を持つこととなり、固定子巻線１３から発生する基本波電流による磁束が回転子２０にも入りこみやすくなり、回転子ティース２４を介して回転子バー２３に鎖交しやすくなるため、誘導電動機１の力率が向上する。力率を向上させることにより電機子巻線１３に流れる電流を少なくすることができるため、基本波一次銅損を低減することが可能となり、誘導電動機１の効率を向上させることができる。

１ 誘導電動機
１０ 固定子
１１ 固定子コア
１２ 固定子スロット
１３ 固定子巻線
２０ 回転子
２１ 塊状回転子コア
２２ 回転子スロット
２２１ 回転子スロット底部
２３ 回転子バー
２４ 回転子ティース
２５ シャフト

Claims (5)

1. 巻線を巻装した固定子と回転子とを備えた回転電機であって、
   前記回転子は、径方向外周部分に回転子ティースがある回転子鉄心と、前記回転子鉄心に複数設けられた回転子スロットに接合された回転子バーと、前記回転子バーの端部に接合されたエンドリングとを含んで構成されるかご形導体とを備え、
   前記回転子スロットは、オープンスロットの形状を有すると共に、その径方向の高さが前記回転子バーの径方向の高さよりも大きく、回転子バーの最外周部分の外側に空気層が構成され、
   前記回転子鉄心は、前記回転子スロットの径方向最外周部分の幅が前記回転子バーの径方向最外周部分の幅よりも大きく、
   前記径方向最外周部分における前記回転子ティースの幅が前記回転子スロットに収容された前記回転子バーの径方向最外周の位置に対応する径方向位置における前記回転子ティース部分の幅よりも小さい回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、
   前記回転子バーの収納される位置での前記回転子ティースの幅が、前記回転子スロットの底部部分を除いて一定であることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１乃至２記載の回転電機において、
   前記回転子ティースの径方向最外周部分が段落とし形状であることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至２記載の回転電機において、
   前記回転子ティースの径方向最外周部分が面取りした形状であることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至４記載の回転電機において、
   前記回転子ティースの回転子スロットが前記回転子の回転中心軸から径方向に対する軸に対し周方向に非対称な形状となっていることを特徴とする回転電機。

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