JP7085501B2 - かご形誘導電動機およびかご形回転子 - Google Patents

かご形誘導電動機およびかご形回転子 Download PDF

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Description

本発明は、かご形誘導電動機およびかご形回転子に関する。
かご形誘導電動機においては、通常、始動時に回転子の導体バーを流れる電流が定格電流の数倍となる。このため、導体バーでの発熱による温度上昇が問題となる。
始動時の電流を抑制し、かつ、始動トルクを確保ずるために、径方向の外側と内側とにそれぞれスロットを設ける二重かご形の誘導電動機、あるいは径方向に深くスロットが形成された深溝かご形の誘導電動機を用いる方法が知られている(特許文献1、2参照)。
実開昭57-170650号公報 実開昭58-103561号公報
二重かご形の誘導電動機および深溝かご形の誘導電動機のいずれにおいても、通常、導体バーに、径方向外側の部分と径方向内側の部分とがあり、径方向外側の部分の抵抗を径方向内側の部分の抵抗より大きくしている。
電動機の始動時においては、2次側の周波数が高いため、定格回転時に比べて表皮効果が大きい。このため、導体バーの電流は径方向外側の部分を主に通過する。この結果、導体バーの電流は低く抑えられることになる。
しかしながら、導体バーの電流が、抵抗の大きな径方向外側の部分を流れる状態においても、発熱が問題となる場合がある。場合によっては、この発熱による温度上昇により、導体バーの変形、欠損などが生ずる可能性もあった。
そこで、本発明は、かご形誘導電動機において、導体バーの発熱を抑制することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明に係るかご形誘導電動機は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、を有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する2つの軸受と、を備えるかご形誘導電動機であって、前記複数の導体バーのそれぞれは、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が直線的よりさらに拡がるように単調に増大し、前記径方向外側部分の先端は、曲率の丸みを帯びるように形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係るかご形回転子は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、を具備するかご形回転子であって、前記複数の導体バーのそれぞれは、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が直線的よりさらに拡がるように単調に増大し、前記径方向外側部分の先端は、曲率の丸みを帯びるように形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、かご形誘導電動機において、導体バーの発熱を抑制することができる。
第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の構成を示す縦断面図である。 第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心を構成する電磁鋼板を示す正面図である。 第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。 第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明するための2次側の等価回路図である。 第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明する回転速度-トルク特性曲線を示す図である。 第2の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。 第3の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。 第4の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。 第5の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るかご形誘導電動機およびかご形回転子について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の構成を示す縦断面図である。
かご形誘導電動機200は、回転子10、固定子20、2つの軸受30、フレーム40および2つの軸受ブラケット45を有する。
回転子10は、長手方向に延びるロータシャフト11、ロータシャフト11の径方向外側に取り付けられている円筒状の回転子鉄心100と、回転子鉄心100を貫通するかご形導体59を有する。回転子鉄心100は、ロータシャフト11の径方向外側に取り付けられている。ロータシャフト11は、回転子鉄心100を挟んだ両側で、それぞれ軸受30により回転可能に支持されている。
かご形導体59は、複数の導体バー50と、2つの短絡環55を有する。複数の導体バー50は、周方向に互いに間隔をおいて配されて回転子鉄心100を貫通する。短絡環55は、回転子鉄心100の軸方向の両外側に配されて、複数の導体バー50のそれぞれと、結合し、導体バー50を互いに電気的に結合する。
固定子20は、固定子鉄心21および固定子巻線22を有する。固定子鉄心21は、円筒形状であり、回転子鉄心100の径方向の外側に、空隙18を介して配されている。固定子巻線22は、固定子鉄心21内を貫通する。
フレーム40は、回転子鉄心100および固定子20の径方向外側に配され、これらを収納する。フレーム40の両端部には軸受ブラケット45が取り付けられている。それぞれの軸受ブラケット45は、軸受30を静止支持する。
図2は、第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心を構成する電磁鋼板を示す正面図である。回転子鉄心100は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板110を有する。
それぞれの電磁鋼板110は、中央にロータシャフト11が貫通する開口110aが形成された円板である。電磁鋼板110の径方向の外縁110bの内側に、周方向に互いに間隔をおいて複数のスロット用切り欠き111が形成されている。
それぞれのスロット用切り欠き111は、電磁鋼板110の外縁110bに形成された外側切り欠き112により、径方向外側と連通している。
図3は、第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。
電磁鋼板110が積層されることにより、電磁鋼板110に形成されたスロット用切り欠き111および外側切り欠き112により、回転子鉄心100には、それぞれ回転子スロット100aおよび径方向の長さL1の外側開口100bが形成される。
それぞれの回転子スロット100aには、回転子スロット100aの形状に対応した形状の導体バー50が設けられている。逆に言えば、回転子鉄心100には、導体バー50の形状に対応した導体バー50の貫通用の回転子スロット100aが形成されている。それぞれの導体バー50は、回転子鉄心100の軸方向の一方の端部から挿入された後に、両側が短絡環55に接続される。
導体バー50の断面は、全体が、高さ方向を径方向とする台形の、高さ方向の中間の片側を欠いた形状である。詳細には、径方向外側部分51、径方向内側部分52、および連結部53を有する。
径方向外側部分51は、高さ方向を径方向とする台形であって、径方向外側の上辺より、径方向内側の底辺が長い。径方向内側部分52は、径方向外側部分51の径方向の内側に径方向外側部分51と同様の形状に配されており、上辺および底辺は径方向外側部分51より長い。
連結部53は、径方向外側部分51と径方向内側部分52との間を連結する。連結部53は、その一辺が、径方向外側部分51および径方向内側部分52のそれぞれの斜辺の間を接続するように配されている。図3では、連結部53の一辺と、径方向外側部分51の斜辺、および径方向内側部分52の斜辺が同一の直線上にあるように形成されている場合を示しているが、これに限定されない。それぞれが同一の直線上になく、方角が異なる場合であってもよい。
このように、径方向外側部分51および径方向内側部分52は、それぞれ径方向の外側になるほど、周方向の幅が小さくなるような形状である。また、径方向外側部分51の長手方向すなわち回転軸方向に垂直な横断面の断面積は、径方向内側部分52の横断面の断面積に比して小さい。したがって、径方向外側部分51は、径方向内側部分52に比べて、大きな抵抗を有する。
また、連結部53は、始動時に高温となる径方向外側部分51から径方向内側部分52に熱が移動するに十分な断面積、あるいは周方向の幅を有する。
回転子スロット100aの形状は、導体バー50の形状に対応した形状を有する。寸法的には、導体バー50を挿入し、導体バー50の外面が回転子スロット100aの内面にほぼ密着するように形成されている。
回転子スロット100aと回転子鉄心100の径方向の外側表面である外表面101は、外側開口100bにより連通している。
以上のように構成された本実施形態に係るかご形誘導電動機200の作用について、以下、説明する。
図4は、第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明するための2次側の等価回路図である。2次側は閉回路で、2次側に生ずる電圧Eに対応する電源と、これに直列に配された2次側の抵抗r、2次側のリアクタンスxとで構成される。スリップsにおける2次側の等価抵抗は、r/sである。ここで、定格回転速度をnとすると、回転速度nのときのスリップsは、s=(n-n)/nで定義される。
このとき、2次側の電流IおよびトルクTは、それぞれ次の式(1)、(2)により得られる。
=E/√[(r/s)+(x] ・・・(1)
T=K・s(E/[(r+(sx] ・・・(2)
とくに、始動時は、s=1であるので、始動電流I2sと始動トルクTsは、それぞれ次の式(3)、(4)により得られる。ただし、Kは、機械損を考慮した定数である。
s=E/√[(r+(x] ・・・(3)
Ts=K・(E/[(r+(x] ・・・(4)
図5は、第1の実施形態に係るかご形誘導電動機の作用を説明する回転速度-トルク特性曲線を示す図である。横軸は、回転速度nであり、nが定格回転速度である。縦軸は、トルクTである。
曲線A1は2次側の抵抗rがr21のときの回転速度-トルク特性、曲線A2は2次側の抵抗rがr22のときの回転速度-トルク特性であり、r22>r21の場合を示す。今、r22=k・r21と表す。ただしkは1より大きな数である。
図5に示すように、2次側の抵抗がr22の場合、すなわち2次側抵抗がr21のk倍の場合、比例推移により、2次側の抵抗がr21のときの回転速度-トルク特性曲線A1を、定格速度nすなわちs=0を起点にsの大きな方向にk倍とした回転速度-トルク特性曲線A2となる。
一般的に、誘導電動機の回転速度-トルク特性は、始動時(n=0)からnが増大するとピーク値に向けて単調に増加する。したがって、回転速度-トルク特性曲線A2における始動トルクT2は、回転速度-トルク特性曲線A1における始動トルクT1より大きくなる。
詳細は省略するが、2次側の抵抗がr22(=k・r21)の場合の始動電流は、2次側の抵抗がr21の場合の始動電流よりも小さくなる。
本第1の実施形態においては、始動時には、固定子巻線22による回転磁界と回転子10との相対速度が大きい。すなわち導体バー50が置かれる磁界の周波数が大きい。この結果、導体バー50に流れる誘導電流の周波数が大きい。したがって、表皮効果により、導体バー50を流れる電流は、導体バー50の径方向外側の部分に偏る。
導体バー50の径方向外側の部分である径方向外側部分51は、径方向外側となるほど、周方向の幅が小さい。すなわち、始動時には、導体バー50のうち始動電流が流れる部分の断面積が小さく、したがって、抵抗が大きい。この結果、図4および図5を引用しながら説明したように、始動電流を抑制し、かつ大きな始動トルクを確保することができる。
一方、定格状態になれば、電流は導体バー50の径方向内側部分52にも流れるようになり、十分な断面積を確保し導体バー50の抵抗値を低減し、定格運転時の銅損を抑制することができる。
また、始動時に径方向外側部分51において発生する熱は、連結部53を介して径方向内側部分52に熱伝導により移行する。径方向内側部分52は、径方向外側部分51に比べて十分に大きな熱容量を有することから、温度上昇は抑制される。連結部53を熱が伝導する際の通過断面積は十分に大きく、導体バー50における温度分布も殆ど生じない。
以上のように、本実施形態に係るかご形誘導電動機200においては、導体バー50の発熱を抑制することができる。
[第2の実施形態]
図6は、第2の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。
本第2の実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第2の実施形態における回転子鉄心100は、第1の実施形態と異なる形状の回転子スロット100aおよび導体バー50を有する。その他の点では、第1の実施形態と同様である。
本第2の実施形態においては、連結部53aの周方向の位置が、径方向外側部分51および径方向内側部分52の周方向の中央に配されている。
このように構成されていることにより電磁鋼板の製造上、裏表の区別が無くなり管理上の負担が軽減される。また、組立て時も、導体バー50の方向の区別を管理する必要が無くなり、負担が軽減される。さらに、設計上、導体バー50の形状の選択の幅が拡がる。
[第3の実施形態]
図7は、第3の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。
本第3の実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第3の実施形態においては、第1の実施形態において回転子鉄心100に形成されている外側開口100bが形成されていない。
外側開口からの放熱が必要ない程度に導体バー50における発熱が大きくない場合には、このような構成が可能である。この結果、導体バー50の遠心力に抗するための導体バー50と外表面101との間の間隔L2を、第1の実施形態における長さL1より小さくすることができる。この結果、固定子巻線22と導体バー50との間隔が減少し、磁気的な結合力が増大することから、効率向上にも寄与する。
[第4の実施形態]
図8は、第4の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。
本第4の実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第4の実施形態における回転子鉄心100は、第1の実施形態と異なる形状の回転子スロット100aおよび導体バー50aを有する。その他の点では、第1の実施形態と同様である。
本実施形態における導体バー50aは、径方向外側部分51aと径方向内側部分52aの断面形状が、全体として台形である。あるいは、これを、第1の実施形態において、連結部53の形状が台形となっているものと見てもよい。
このように形成された本第4の実施形態においては、導体バー50aが単純な形状であることから、導体バー50aおよび電磁鋼板110の製作の上での加工あるいは管理上の負担が軽減される。
[第5の実施形態]
図9は、第5の実施形態に係るかご形誘導電動機の回転子鉄心のスロット部および導体バーを示す部分横断面図である。
本第5の実施形態は、第4の実施形態の変形である。本第5の実施形態における回転子鉄心100は、第4の実施形態と異なる形状の回転子スロット100aおよび導体バー50bを有する。その他の点では、第4の実施形態と同様である。
第4の実施形態における導体バー50aは、断面形状において、径方向外側から内側になるにつれて周方向の幅が直線的に増大する。
一方、本第5の実施形態における導体バー50bは、径方向外側部分51bおよび径方向内側部分52bのそれぞれ、および、径方向外側部分51bと径方向内側部分52bとの関係において、径方向外側から内側になるにつれて、周方向の幅が、直線的よりさらに拡がる形状である。逆に言えば、径方向外側になるにつれて、周方向の幅が、直線的に減少する以上に減少する。なお、先端部51cは、鋭角にせずにある曲率の丸みを帯びるように形成されている。
このように形成された本実施形態においては、導体バー50bにおける始動時の電流の通路をさらに狭めることができ、始動電流の低減および始動トルクの確保の効果をより高めることができる。
[その他の実施形態]
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、ロータシャフト11が水平方向に延びた横型の回転電機の場合を例にとって示しているが、これに限定されない。ロータシャフトが鉛直方向に延びた立形のかご形誘導電動機であってもよい。
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10…回転子、11…ロータシャフト、18…空隙、20…固定子、21…固定子鉄心、22…固定子巻線、30…軸受、40…フレーム、45…軸受ブラケット、50、50a、50b…導体バー、51、51a、51b…径方向外側部分、51c…先端部、52、52a、52b…径方向内側部分、53、53a…連結部、55…短絡環、59…かご形導体、100…回転子鉄心,100a…回転子スロット、100b…外側開口、101…外表面、110…電磁鋼板、110a…開口、110b…外縁、111…スロット用切り欠き、112…外側切り欠き、200…かご形誘導電動機

Claims (3)

  1. 軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、を有する回転子と、
    前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
    前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する2つの軸受と、
    を備えるかご形誘導電動機であって、
    前記複数の導体バーのそれぞれは、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が直線的よりさらに拡がるように単調に増大し、
    前記径方向外側部分の先端は、曲率の丸みを帯びるように形成されていることを特徴とするかご形誘導電動機。
  2. 前記導体バーの貫通用に前記回転子鉄心に形成された回転子スロットは、前記回転子鉄心の径方向の外側表面に外側開口を介して連通していることを特徴とする請求項1に記載のかご形誘導電動機。
  3. 軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、
    前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心と、
    周方向に互いに間隔をあけて配されて前記回転子鉄心を貫通する複数の導体バーと、
    を具備するかご形回転子であって、
    前記複数の導体バーのそれぞれは、径方向外側部分から径方向内側になるに従って周方向の幅が直線的よりさらに拡がるように単調に増大し、
    前記径方向外側部分の先端は、曲率の丸みを帯びるように形成されていることを特徴とするかご形回転子。
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