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

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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。
Figure 0006647464
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。
    Figure 0006647464
  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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