JP6647464B1 - 回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

回転子は、導体である回転子導体（２３）が収められる回転子スロット（２２）が形成された回転子鉄心（２１）を有する。回転子スロット（２２）は、第１のスロットである内スロット（２６）と、第１のスロットよりも回転子鉄心（２１）の外周面（２５）の側に位置して第１のスロットと繋がれた第２のスロットである外スロット（２７）と、を有する。回転子導体（２３）を流れる電流のうち回転子の駆動周波数と同じ周波数の成分である基本波成分の表皮深さよりも、第１のスロットのうち外周面（２５）の側の端（２６ａ）と外周面（２５）との間隔が大きく、かつ、表皮深さよりも、第２のスロットのうち外周面（２５）の側とは逆側の端（２７ａ）と外周面（２５）との間隔が小さい。

Description

本発明は、二重かご形回転子である回転子および回転子を有する回転電機に関する。

誘導式の回転電機には、回転電機が始動の際に発生させる始動トルクの増大を図るために、二重かご形回転子が広く用いられている。かご形回転子は、回転子鉄心の回転子スロットに収められた導体である回転子導体と、回転子導体に接続された２つの短絡環とを有する。二重かご形回転子が有する回転子スロットには、回転子鉄心の中心側に位置する内スロットと回転子鉄心の外周面側に位置する外スロットとが設けられている。二重かご形回転子では、始動の際に回転子に流れる電流を外スロットに集中させて、回転子に流れる電流の抵抗を増大させることによって、始動トルクが増大される。

回転電機における電気エネルギーの損失には、固定子に設けられた巻線の抵抗成分によって生じる損失である一次銅損と、回転子導体の抵抗成分によって生じる損失である二次銅損と、固定子鉄心と回転子鉄心とに磁束が鎖交することによって生じる損失である鉄損とがある。この他、固定子スロットに起因する高調波磁束が回転子導体に鎖交することによって生じる損失である、いわゆる高調波二次銅損も、回転電機における電気エネルギーの損失の１つとされる。高調波磁束は、回転子の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の電流が回転子鉄心を流れることによって生じる。高周波成分は、回転子の駆動に寄与しない成分である。

特許文献１には、回転電機の駆動効率を低下させずに所望の始動トルクを得るために、内スロットと外スロットとのうちの一方に回転子導体とは異なる導電率の導体を挿入する技術が開示されている。

特開平１−２５２１４４号公報

上記の特許文献１に開示されている構成では、各回転子スロットの内スロットおよび外スロットの配置に起因して、回転子スロットからの漏れ電流が生じることがある。また、内スロットと外スロットとの配置に起因して、始動トルクが減少することがある。このため、上記の特許文献１の技術では、漏れ電流の発生によって回転電機の駆動効率が低下する場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転電機の駆動効率を向上可能とする回転子を得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、本発明にかかる回転子は、導体が収められる回転子スロットが形成された回転子鉄心を有する。回転子スロットは、第１のスロットと、第１のスロットよりも回転子鉄心の外周面の側に位置して第１のスロットと繋がれた第２のスロットと、を有する。導体を流れる電流のうち回転子の駆動周波数と同じ周波数の成分である基本波成分の表皮深さよりも、第１のスロットのうち外周面の側の端と外周面との間隔が大きく、かつ、表皮深さよりも、第２のスロットのうち外周面の側とは逆側の端と外周面との間隔が小さい。

本発明にかかる回転子は、回転電機の駆動効率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる回転電機の断面図 図１に示す回転電機の側面図 図１に示す回転電機が有する回転子鉄心のうち１つの回転子スロットが設けられている部分を示す図 本発明の実施の形態２にかかる回転電機の要部を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる回転子および回転電機を図面に基づいて詳細に説明する。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にかかる回転電機１００の断面図である。回転電機１００は、二重かご形回転子を有する三相誘導電動機である。回転電機１００は、円筒状の固定子１０と、固定子１０に囲われて回転駆動する回転子２０と、回転子２０の中心に設けられたシャフト３０とを備える。回転子２０は、二重かご形回転子である。図１には、回転子２０の回転中心である中心軸ＡＸに直交する断面を示している。図１では、断面を示すハッチングは省略している。なお、中心軸ＡＸが延びる方向を軸方向、中心軸ＡＸを中心とする円に沿う方向を円周方向と称することがある。

固定子１０は、巻線が収められる複数の固定子スロット１２が形成された固定子鉄心１１を有する。固定子鉄心１１は、磁性体である複数のケイ素鋼板が軸方向へ積層されて構成されている。固定子鉄心１１は、バックヨーク１５と、バックヨーク１５から回転子２０側へ突出された複数の固定子歯１４とを有する。各固定子歯１４は、円周方向において互いに間隔をおいて配置されている。固定子スロット１２は、各固定子歯１４の間に設けられている。固定子スロット１２は、回転子２０側が開放された空間である。固定子スロット１２内には、巻線が巻き付けられることによって構成された固定子コイル１３が配置されている。固定子コイル１３には、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの系統電源が直結される。

回転子２０は、回転子導体２３が収められる複数の回転子スロット２２が形成された回転子鉄心２１を有する。回転子鉄心２１は、磁性体である複数のケイ素鋼板が軸方向へ積層されて構成されている。外周面２５と固定子１０との間には、間隙が設けられている。外周面２５は、回転子鉄心２１のうち中心軸ＡＸから離れる方向の側の面である。回転子鉄心２１のうち外周面２５側の部分には、複数の回転子歯２４が設けられている。各回転子歯２４は、円周方向において互いに間隔をおいて配置されている。回転子スロット２２は、各回転子歯２４の間に設けられている。回転子スロット２２は、図１に示す平面において閉鎖された空間である。回転子導体２３は、各回転子スロット２２内に配置されている。回転子導体２３の材料には、アルミニウムまたはアルミニウム合金といった非磁性の金属材料が用いられる。

図２は、図１に示す回転電機１００の側面図である。回転電機１００は、円周方向に沿って設けられた２つの短絡環４０を備える。１つの短絡環４０は、回転子鉄心２１のうち軸方向における一方の端にて回転子導体２３に接続されている。もう１つの短絡環４０は、回転子鉄心２１のうち軸方向における他方の端にて回転子導体２３に接続されている。

図３は、図１に示す回転電機１００が有する回転子鉄心２１のうち１つの回転子スロット２２が設けられている部分を示す図である。回転子スロット２２は、第１のスロットである内スロット２６と、第１のスロットと繋がれた第２のスロットである外スロット２７と、内スロット２６と外スロット２７とを繋ぐスリット２８とを有する。

内スロット２６は、回転子スロット２２のうち中心軸ＡＸ側に位置する部分である。内スロット２６の外形は、円周方向における内スロット２６の幅が中心軸ＡＸ側へ向かうにしたがい狭められるとともに、中心軸ＡＸ側の部分と外周面２５側の部分とに丸みを持たせた形状をなしている。内スロット２６の外形は、図３に示す形状に限られず任意であるものとする。

外スロット２７は、内スロット２６よりも外周面２５の側に位置している。外スロット２７の外形は、円形をなしている。かかる円形の直径は、円周方向における内スロット２６の最大幅よりも小さい。外スロット２７の外形は、円形に限られず任意であるものとする。

スリット２８は、内スロット２６のうち外周面２５側の端２６ａと、外スロット２７のうち外周面２５側とは逆側、すなわち中心軸ＡＸ側の端２７ａとの間に設けられている。円周方向におけるスリット２８の幅は、円周方向における内スロット２６の最大幅よりも狭く、かつ円周方向における外スロット２７の最大幅よりも狭い。

スリット２８において幅が狭められていることで、スリット２８では、磁気抵抗が小さくなる。スリット２８にて磁気抵抗が小さくなることによって、内スロット２６におけるインダクタンスが大きくなる。回転電機１００の始動の際に、回転子２０に流れる電流は外スロット２７に集中することにより、回転子２０に流れる電気の抵抗が増大する。これにより、回転電機１００は、始動トルクを増大させる。

回転子鉄心２１には、回転子２０の駆動周波数と同じ周波数の成分である基本波成分の電流のほかに、回転子鉄心２１を流れる電流のうち回転子２０の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の電流が流れる。高周波成分は、回転子２０の駆動に寄与しない成分である。高周波成分は、固定子鉄心１１に形成されている固定子スロット１２の数と固定子コイル１３とに起因して発生する。

回転子導体２３の導電率をσ、回転子導体２３の透磁率をμ、回転子２０を駆動させる交流電流の角周波数をωとして、回転子導体２３を流れる電流のうち基本波成分の表皮深さであるＨｆは、次の式（１）によって表される。

外スロット２７の端２７ａと外周面２５との間隔であるＨ１は、表皮深さであるＨｆよりも小さい。内スロット２６の端２６ａと外周面２５との間隔であるＨ２は、表皮深さであるＨｆよりも大きい。すなわち、Ｈ１＜Ｈｆ＜Ｈ２の関係が成り立つ。なお、表皮深さは、導電性物質を電流が流れる場合に、電流密度が、導電性物質の表面における電流密度の１／ｅである位置と表面との間の距離とする。「ｅ」は、自然対数の底である。表皮深さは、周波数が上がるにつれて導電性物質の表面に電流が寄せられる表皮効果の指標とされる。

仮に、Ｈ１＞Ｈｆの関係が成り立つ場合、回転子スロット２２では、表皮効果によって、外スロット２７にのみ電流が流れる。この場合、始動の際には、回転子２０に流れる電流を外スロット２７に集中させて、回転子２０に流れる電流の抵抗を増大させることによって、始動トルクを増大可能である。その一方で、内スロット２６へ電流が流れず、外スロット２７に電流が集中的に流れることによって、回転子スロット２２から回転子スロット２２の外へ漏れ出る漏れ電流が増加する。

また、仮にＨｆ＞Ｈ２の関係が成り立つ場合、外スロット２７と内スロット２６との双方へ電流が流れるために、回転子スロット２２における漏れ電流を低減可能である。その一方で、回転子２０に流れる電流が外スロット２７と内スロット２６とへ拡散されることで、回転子２０に流れる電流の抵抗が低下するため、始動トルクは減少する。

実施の形態１では、Ｈ１＜Ｈｆ＜Ｈ２の関係を満たすことで、回転子スロット２２における漏れ電流を抑制するとともに、始動トルクを増大させることができる。

実施の形態１によると、端２６ａと外周面２５との間隔であるＨ２は基本波成分の表皮深さであるＨｆよりも大きくし、かつ、端２７ａと外周面２５との間隔であるＨ１はＨｆよりも小さくしたことで、回転子スロット２２における漏れ電流を抑制するとともに、始動トルクを増大させることができる。回転電機１００は、漏れ電流の抑制と始動トルクの増大とによって駆動効率を向上できる。これにより、回転子２０は、回転電機１００の駆動効率を向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる回転電機１００の要部を示す図である。実施の形態２では、内スロット２６には、回転子導体２３と回転子導体５０とが収納されている。図４は、回転電機１００が有する回転子鉄心２１のうち１つの回転子スロット２２が設けられている部分を示す。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

第１の導体である回転子導体２３の材料には、アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。第２の導体である回転子導体５０は、回転子導体２３よりも導電率が高い導体である。回転子導体５０の材料には、銅または銅系合金が用いられる。図４において、回転子導体５０は、回転子導体２３によって囲われている。回転子導体５０は、内スロット２６の中で中心軸ＡＸ側の部分に配置されている。図４において、回転子導体５０の外形は長方形をなしている。図４に示す断面における回転子導体５０の外形は、長方形以外であっても良い。

回転子導体２３よりも導電率が高い回転子導体５０が内スロット２６内に設けられたことで、内スロット２６に収納される導体が回転子導体２３のみである場合に比べて、回転子スロット２２内を流れる電流の抵抗が減少する。これにより、回転子導体２３，５０の抵抗成分によって生じる二次銅損が低減される。

実施の形態２によると、回転子２０は、実施の形態１と同様に回転電機１００の駆動効率を向上させることができ、かつ回転子導体５０の配置によって二次銅損を低減できる。回転子２０は、二次銅損の低減によって、回転電機１００の駆動効率をさらに向上できる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１２ 固定子スロット、１３ 固定子コイル、１４ 固定子歯、１５ バックヨーク、２０ 回転子、２１ 回転子鉄心、２２ 回転子スロット、２３，５０ 回転子導体、２４ 回転子歯、２５ 外周面、２６ 内スロット、２６ａ，２７ａ 端、２７ 外スロット、２８ スリット、３０ シャフト、４０ 短絡環、１００ 回転電機。

Claims (4)

1. 導体が収められる回転子スロットが形成された回転子鉄心を有する回転子であって、
   前記回転子スロットは、第１のスロットと、前記第１のスロットよりも前記回転子鉄心の外周面の側に位置して前記第１のスロットと繋がれた第２のスロットと、を有し、
   前記導体を流れる電流のうち前記回転子の駆動周波数と同じ周波数の成分である基本波成分の表皮深さよりも、前記第１のスロットのうち前記外周面の側の端と前記外周面との間隔が大きく、かつ、前記表皮深さよりも、前記第２のスロットのうち前記外周面の側とは逆側の端と前記外周面との間隔が小さいことを特徴とする回転子。
2. 前記導体の導電率をσ、前記導体の透磁率をμ、前記回転子を駆動させる交流電流の角周波数をωとして、前記表皮深さであるＨｆは、以下の式（１）により表されることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
   

   
3. 前記第１のスロットには、前記導体である第１の導体と、前記第１の導体よりも導電率が高い前記導体である第２の導体とが収められていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
4. 巻線が収められる固定子スロットが形成された固定子鉄心を有する固定子と、
   前記固定子に囲われて回転駆動する請求項１から３のいずれか１つに記載の回転子と、
   を備えることを特徴とする回転電機。

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