JP6853130B2 - 回転子及び電動機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子及びそれを備える電動機に関する。

従来より、電動機における回転子の一つとして、かご形回転子が知られている。かご形回転子は、回転軸に固定された円筒状のロータコアに対して、複数の導体バーがロータコアの周方向に沿って間隔をあけて配置されることにより形成される。導体バーは、ロータコアを軸方向に貫通するスロットの内部に設けられる。また、回転軸から独立して、複数の導体バーの端部を連結（短絡）する一対の環状のエンドリングが、ロータコアの軸方向の両端面に隣接して形成される。

かご形回転子が動作する際には、電動機に設けられるステータのコイルに、電流が流れる。これにより発生する回転磁束と、導体バーに発生する誘導電流とが鎖交することにより、かご形回転子を軸心周りに回転させる力が発生する。かご形回転子と一体であるエンドリングも、かご形回転子の軸心周りに回転する。

エンドリングには、回転子の回転により、回転子の径外方向に向かう遠心力が作用する。エンドリングは、導体バーに比べて質量が大きいため、エンドリングには、より大きな遠心力が作用する。回転子が高速回転すると、エンドリングに作用する遠心力も増大するため、導体バーの両端部に集中する応力も増大する。増大した応力は、導体バーの両端部に隣接するロータコアの外周部に作用する。回転子をより高速に安定して回転させるためには、ロータコアの外周部に応力が集中することを抑制する構成を採用したり、また、ロータコアの外周部の厚みを厚くして安全率を高めることが考えられる。両者のうち、ロータコアの外周部を厚くすると電動機の性能に影響するため、応力の集中を抑制する構成を採用することが好適である。

ロータコアへの応力集中を抑制するものとして、略Ｌ字状の穴をロータコアの両端面に形成して、穴の内部まで鋳造してエンドリングを形成する回転子が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、軸方向に沿って延びる穴を導体バーの両端部に形成した誘導モータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−２３６４２５号公報 特開２０１４−１２８０９１号公報

特許文献１に記載の回転子によれば、エンドリングが略Ｌ字状の穴の内部まで形成（鋳造）されて保持されることにより、ロータコアの外周部に応力が集中することを防止している。しかしながら、エンドリングを鋳造する際に、穴に対応する部分をＬ字状に合せて鋳造することは容易ではなかった。また、ロータコアの端面にＬ字状の穴を形成するには、多大な手間が掛かる。

特許文献２に記載の誘導モータによれば、導体バーに作用する応力に応じて穴が変形することにより、ロータコアの外周部に作用する遠心力を低減させている。しかしながら、穴を導体バーの両端部に形成するのは容易ではなく、形成された穴が誘導モータの特性に影響を与えることが考えられる。

本発明は、エンドリングからロータコアに作用する応力集中を低減しつつ、より容易に作製可能な回転子及び電動機を提供することを目的とする。

（１）本発明は、軸心周りに回転可能な回転軸（例えば、後述する回転軸１１）の外周面側に固定される筒状のロータコア（例えば、後述するロータコア１２）であって、前記ロータコアの周方向（例えば、後述する周方向Ｄ２）に互いに間隔をあけて配置され前記回転軸の軸方向（例えば、後述する軸方向Ｄ１）に沿って貫通する複数の第１スロット（例えば、後述する第１スロット１２１）と、前記ロータコアにおける前記第１スロットよりも内周側において前記ロータコアの周方向に互いに間隔をあけて配置され前記回転軸の軸方向に沿って貫通する複数の第２スロット（例えば、後述する第２スロット１２２）と、を有するロータコアと、前記第１スロット及び前記第２スロットに配置される複数の導体バー（例えば、後述する第１導体バー１３１、第２導体バー１３２）と、前記ロータコアの両端面側のそれぞれにおいて複数の前記導体バーの端部を連結する環状の一対のエンドリング（例えば、後述するエンドリング１３３）と、を有する二次導体（例えば、後述する二次導体１３）と、を備える回転子（例えば、後述する回転子１０）に関する。

（２） （１）に記載の回転子において、複数の前記第１スロットは、互いに略等間隔に配置され、互いに略同じ断面積を有し、複数の前記第２スロットは、互いに略等間隔に配置され、互いに略同じ断面積を有してもよい。

（３） （１）又は（２）に記載の回転子において、前記第１スロットと前記第２スロットとは、前記ロータコアの周方向に異なる位相となる位置に配置されてもよい。

（４） （１）〜（３）のいずれかに記載の回転子と、前記回転子が内部に配置された円筒状のステータ（例えば、後述するステータ２０）と、を備える電動機（例えば、後述する電動機１）に関する。

本発明によれば、エンドリングからロータコアに作用する応力集中を低減しつつ、より容易に作製可能な回転子及び電動機を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電動機の概略構成を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 一実施形態に係る電動機のロータコアの概略構成を示す斜視図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 一実施形態に係る電動機のエンドリング及びロータコアの概略構成を示す斜視図である。 一実施形態に係る電動機のロータコアの端部を拡大した部分断面図である。 別の実施形態に係る電動機のロータコアの概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明に係る回転子及び電動機の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電動機１の概略構成を示す正面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、一実施形態に係る電動機１のロータコア１２の概略構成を示す斜視図である。図４は、図３のＢ−Ｂ線断面図である。図５は、一実施形態に係る電動機１のエンドリング１３３及びロータコア１２の概略構成を示す斜視図である。図６は、一実施形態に係る電動機１のロータコア１２の端部を拡大した部分断面図である。

本実施形態の電動機１は、図１及び図２に示すように、回転子１０と、ステータ２０と、を備える。本実施形態の電動機１は、かご形誘導電動機である。

回転子１０は、回転軸１１と、ロータコア１２と、二次導体１３と、を備える。
回転軸１１は、棒状体である。回転軸１１は、軸方向両側において、軸受（図示せず）を介して電動機１のケース（図示せず）に回転可能に支持される。即ち、回転軸１１は、軸心ＣＬ周りに回転可能になっている。なお、図２では、回転軸１１の軸心ＣＬを１点鎖線で示す。また、以下の説明で、回転軸１１の軸方向を単に「軸方向Ｄ１」ともいう。

ロータコア１２は、環状（円盤状）の電磁鋼板を軸方向Ｄ１に積層することにより、図１〜図４に示すように、円筒状（筒状）に形成される。ロータコア１２は、その中央部分に配置される回転軸１１の外周面に、固定される。ロータコア１２は、複数の第１スロット１２１と、複数の第２スロット１２２と、を備える。

第１スロット１２１は、軸方向Ｄ１に沿って貫通する貫通孔として形成される。具体的には、第１スロット１２１は、ロータコア１２の一方の端面から他方の端面に向けて軸方向Ｄ１に貫通する貫通孔として形成され、互いに略同じ断面積を有する。第１スロット１２１の断面積は、制限されないが、例えば、１０〜１００ｍｍ^２である。「略同じ断面積」は、厳密に同じ断面積のみならず、機能的に同じ断面積とみなせる断面積も含む（以下同様）。

第１スロット１２１は、ロータコア１２の周方向Ｄ２に沿って互いに間隔をあけて複数配置される。換言すると、第１スロット１２１は、図１に示すように、回転軸１１の軸心ＣＬ（ロータコア１２の回転中心）を中心とする仮想円Ｒ１上に、複数配置される。第１スロット１２１の個数は、制限されないが、例えば、１０〜５０個である。第１スロット１２１は、仮想円Ｒ１上に略等間隔で配置される。「略等間隔」は、厳密な等間隔のみならず、機能的に等間隔とみなせる間隔も含む（以下同様）。

第２スロット１２２は、軸方向Ｄ１に沿って貫通する貫通孔として形成される。具体的には、第２スロット１２２は、ロータコア１２の一方の端面から他方の端面に向けて軸方向Ｄ１に貫通する貫通孔として形成され、第１スロット１２１よりも小さい断面積で、且つ互いに略同じ断面積を有する。第２スロット１２２の断面積は、制限されないが、例えば、１０〜１００ｍｍ^２である。

第２スロット１２２は、ロータコア１２の周方向Ｄ２に沿って互いに間隔をあけて複数配置される。第２スロット１２２は、第１スロット１２１よりも内周側に配置される。換言すると、第２スロット１２２は、図１に示すように、回転軸１１の軸心ＣＬ（ロータコア１２の回転中心）を中心とする仮想円Ｒ２であって、第１スロット１２１が配置される仮想円Ｒ１よりも径の短い仮想円Ｒ２上に、複数配置される。第２スロット１２２の個数は、制限されないが、例えば、１０〜５０個である。第２スロット１２２は、仮想円Ｒ２上に略等間隔で配置される。

本実施形態において、第１スロット１２１と第２スロット１２２とは、ロータコア１２の周方向Ｄ２に異なる位相となる位置に配置される。具体的に、第２スロット１２２（好ましくは、その中心Ｑ２）は、第１スロット１２１の中心Ｑ１と回転軸１１の軸心ＣＬとを結ぶ線分Ｍと、周方向Ｄ２に隣の線分Ｍとが成す角の二等分線Ｎ上に配置される。つまり、第１スロット１２１と第２スロット１２２とは、周方向Ｄ２に半ピッチずれている。

二次導体１３は、鋳造により形成される。二次導体１３は、例えば、アルミニウム合金を用いて形成される。二次導体１３は、図１、図２、図５及び図６に示すように、複数の第１導体バー（導体バー）１３１と、複数の第２導体バー（導体バー）１３２と、一対のエンドリング１３３と、を備える。

第１導体バー１３１は、第１スロット１２１内に、例えばアルミニウム合金を鋳造することにより形成される。第１導体バー１３１は、ロータコア１２の周方向Ｄ２に間隔をあけて配置され、ロータコア１２を回転軸１１の軸方向Ｄ１に沿って貫通する。第１導体バー１３１は、ロータコア１２の周方向Ｄ２において、略等間隔で配置される。第１導体バー１３１の配置や断面積は、第１スロット１２１と同様となる。

第２導体バー１３２は、第２スロット１２２内に、例えばアルミニウム合金を鋳造することにより形成される。第２導体バー１３２は、ロータコア１２の周方向Ｄ２に間隔をあけて配置され、ロータコア１２を回転軸１１の軸方向Ｄ１に沿って貫通する。第２導体バー１３２は、ロータコア１２の周方向Ｄ２において、略等間隔で配置される。第２導体バー１３２の配置や断面積は、第２スロット１２２と同様となる。

一対のエンドリング（短絡環）１３３は、環状であり、鋳造によって第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２と一体形成される。一対のエンドリング１３３は、ロータコア１２の両端面のそれぞれに隣接して配置され、第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２の端部を連結する。即ち、一対のエンドリング１３３のそれぞれは、ロータコア１２の端面を覆うようにして、ロータコア１２の端面に隣接して配置される。

詳細には、ロータコア１２の一方の端面側において、複数の第１導体バー１３１の一方の端部及び複数の第２導体バー１３２の一方の端部は、一方のエンドリング１３３により、機械的及び電気的に連結される。同様に、ロータコア１２の他方の端面側において、複数の第１導体バー１３１の他方の端部及び複数の第２導体バー１３２の他方の端部は、他方のエンドリング１３３により、機械的及び電気的に連結される。

ステータ２０は、電動機１のケース（図示せず）に固定される。ステータ２０は、ステータコア２１と、コイル２２と、を備える。

ステータコア２１は、略円筒形状に形成される。ステータコア２１は、複数枚の電磁鋼板を軸方向Ｄ１に積層して形成される。

コイル２２は、ステータコア２１に巻き回しされる。コイル２２は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、及び、Ｗ相の三相のコイル２２により形成される。それぞれのコイル２２のうち、ステータコア２１の軸方向Ｄ１の両側に突出する部分がコイルエンド２３とされる。

以上の電動機１は、以下のように動作する。
まず、ステータ２０のコイル２２に電流が流れることにより、回転磁束が発生する。また、第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２には、誘導電流が発生する。回転磁束と誘導電流とが鎖交することにより、回転軸１１、ロータコア１２、及び、二次導体１３が回転軸１１の軸心周りに回転する。

ロータコア１２及び二次導体１３が回転することにより、ロータコア１２及び二次導体１３には、遠心力Ｆ及びモーメントＴが作用する。特に、エンドリング１３３に作用する遠心力Ｆ及びモーメントＴにより、エンドリング１３３には、径外方向Ｄ３に変形させる力が作用する。

これに対し、第１導体バー１３１のみならず、第２導体バー１３２がエンドリング１３３と一体に形成されていることにより、第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２がエンドリング１３３を支持する。これにより、エンドリング１３３に作用する遠心力Ｆ及びモーメントＴのうち、第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２を介してロータコア１２の外周部に作用する遠心力Ｆ及びモーメントＴが分散（減少）する。これにより、回転子１０が高速回転するような過酷な環境であっても、回転子１０を安定して用いることができる。

本実施形態の回転子１０及び電動機１によれば、例えば以下の効果が奏される。
本実施形態の回転子１０は、軸心周りに回転可能な回転軸１１の外周面側に固定される筒状のロータコア１２であって、ロータコア１２の周方向Ｄ２に互いに間隔をあけて配置され回転軸１１の軸方向Ｄ１に沿って貫通する複数の第１スロット１２１と、ロータコア１２における第１スロット１２１よりも内周側においてロータコア１２の周方向Ｄ２に互いに間隔をあけて配置され回転軸１１の軸方向Ｄ１に沿って貫通する複数の第２スロット１２２と、を有するロータコア１２と、第１スロット１２１及び第２スロット１２２に配置される複数の第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２と、ロータコア１２の両端面側のそれぞれにおいて複数の第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２の端部を連結する環状の一対のエンドリング１３３と、を有する二次導体１３と、を備える。

従って、回転軸１１の回転により、エンドリング１３３に遠心力及びモーメントが作用したとしても、エンドリング１３３は、第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２に支持される。これにより、第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２には、エンドリング１３３に作用する遠心力及びモーメントの一部が作用するので、ロータコア１２の外周部への応力集中を抑制することができる。また、ロータコア１２に第１スロット１２１及び第２スロット１２２を設けるのみで応力集中を抑制することができるので、より容易に製造することができる。

また、複数の第１スロット１２１は、互いに略等間隔に配置され、互いに略同じ断面積を有し、複数の第２スロット１２２は、互いに略等間隔に配置され、互いに略同じ断面積を有する。従って、それぞれの第１導体バー１３１及び第２導体バー１３２に作用する遠心力Ｆ及びモーメントＴを均等に分散させることができるので、より過酷な条件で回転子１０を用いることができる。

また、第１スロット１２１と第２スロット１２２とは、ロータコア１２の周方向Ｄ２に異なる位相となる位置に配置される。第１スロット１２１と第２スロット１２２との距離が近い場合、互いに磁路を遮ることになるため電動機の性能へ悪影響を与えるが、本実施形態においては隣接する第１スロット１２１と第２スロット１２２との間隔が大きくなるため、電動機の性能への悪影響を最小限にすることができる。

次に、別の実施形態に係る電動機２について、図７を参照して説明する。なお、電動機２の説明において、電動機１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。また、電動機２の説明において、電動機１が奏する効果と同様な効果については、その説明を割愛する。

図７は、変形例となる別の実施形態に係る電動機２のロータコア３２の概略構成を示す斜視図である。本実施形態に係る電動機２は、第２スロット１２２を有するロータコア１２に代えて、第２スロット３２２を有するロータコア３２を備えている点などが電動機１と相違する。

電動機２が備えるロータコア３２は、複数の第１スロット１２１と、複数の第２スロット３２２と、を備える。

第２スロット３２２は、軸方向Ｄ１に沿って貫通する貫通孔として形成される。具体的には、第２スロット３２２は、ロータコア３２の一方の端面から他方の端面に向けて軸方向Ｄ１に貫通する貫通孔として形成され、第１スロット１２１と同じ断面積で、且つ互いに略同じ断面積を有する。第２スロット３２２は、ロータコア３２の周方向Ｄ２に沿って互いに間隔をあけて複数配置される。

第２スロット３２２は、第１スロット１２１より内周側に配置される。換言すると、第２スロット３２２は、回転軸１１の軸心ＣＬ（ロータコア３２の回転中心）を中心とする仮想円Ｒ２であって、第１スロット１２１が配置される仮想円Ｒ１よりも径の短い仮想円Ｒ２上に複数配置される。第２スロット３２２は、仮想円Ｒ２上に略等間隔で配置される。本実施形態において、第１スロット１２１と第２スロット３２２とは、ロータコア３２の周方向に同じ位相となる位置に配置される。具体的に、第２スロット３２２（好ましくは、その中心Ｑ２）は、第１スロット１２１の中心Ｑ１と回転軸１１の軸心ＣＬとを結ぶ線分Ｍ上に配置される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更及び変形が可能である。
例えば、図１に示す実施形態において、複数の第２導体バー１３２は、第１導体バー１３１の中心（第１スロット１２１の中心Ｑ１）と回転軸１１の軸心ＣＬとを結ぶ線分Ｍと、周方向Ｄ２に隣の線分Ｍとが成す角の二等分線Ｎ上に配置されるとしたが、これに制限されない。

また、図１に示す実施形態において、複数の第２スロット１２２は、第１スロット１２１よりも小さい断面積を有するとしたが、これに限定されない。つまり、複数の第２スロット１２２は、第１スロット１２１と同じ断面積、又は第１スロット１２１よりも大きい断面積を有してもよい。

ロータコアが回転軸の外周面側に固定されていれば、ロータコアと回転軸との固定態様は、制限されない。エンドリングは、ロータコアの両端面側に配置されていれば、エンドリングとロータコアの端面との位置関係は、制限されない。

１，２ 電動機
１０ 回転子
１１ 回転軸
１２，３２ ロータコア
１３ 二次導体
２０ ステータ
１２１ 第１スロット
１２２，３２２ 第２スロット
１３１ 第１導体バー（導体バー）
１３２ 第２導体バー（導体バー）
１３３ エンドリング
ＣＬ 軸心
Ｄ１ 軸方向
Ｄ２ 周方向
Ｄ３ 径外方向
Ｍ 線分
Ｎ 角の二等分線
Ｑ１，Ｑ２ 中心
Ｆ 遠心力
Ｔ モーメント

Claims (3)

1. 軸心周りに回転可能な回転軸の外周面側に固定される筒状のロータコアであって、前記ロータコアの周方向に互いに間隔をあけて配置され前記回転軸の軸方向に沿って貫通する複数の第１スロットと、前記ロータコアにおける前記第１スロットよりも内周側において前記ロータコアの周方向に互いに間隔をあけて配置され前記回転軸の軸方向に沿って貫通する複数の第２スロットと、を有するロータコアと、
   前記第１スロット及び前記第２スロットに配置される複数の導体バーと、前記ロータコアの両端面側のそれぞれにおいて複数の前記導体バーの端部を連結する環状の一対のエンドリングと、を有する二次導体と、を備え、
   前記二次導体は、鋳造により一体に形成され、かつ、前記エンドリングが前記ロータコアの端面に隣接して配置され、
   前記第１スロットと前記第２スロットとは、前記ロータコアの周方向に異なる位相となる位置に配置され、
   前記複数の第２スロットの中心は、前記第１スロットの中心と前記回転軸の前記軸心とを結ぶ線分と、周方向に隣の前記線分とが成す角の二等分線上に配置されることを特徴とする回転子。
2. 複数の前記第１スロットは、互いに略等間隔に配置され、互いに略同じ断面積を有し、
   複数の前記第２スロットは、互いに略等間隔に配置され、互いに略同じ断面積を有することを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 請求項１又は２に記載の回転子と、
   前記回転子が内部に配置された円筒状のステータと、を備えることを特徴とする電動機。

Images