JPH01206854A - 回転電気機械用回転子の導電性金属挿入体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 本発明は回転電気機械に関するものであり、更に詳しく
は交流回転電気機械の回転子に関するものである。

回転電気機械は電動機であっても、発電機であってもよ
い。具体的に説明するため、本発明は電動機について説
明する。以下の説明は発電機にも同様にあてはまる。

従来の電動機では磁性金属の鍛造品で作られた回転子が
用いられ、回転子に磁極を作るために励磁直流電流を通
すための界磁巻線が回転子の縦方向のスロットにはめ込
まれる。通常、相互に絶縁された磁性金属の多数の積層
板を積み重ねることによって形成される固定子の中で、
回転子は回転する。固定子は交流電流によって励磁され
て磁界を作る巻線を含んでいる。この磁界は所定の角速
度で回転子の軸を中心として回転する。

時間的に変化する磁界は導電性の金属の中に渦電流を誘
起する。殆んどの有用な磁性金属は比較的高い抵抗率を
有する。したがって、このような金属に誘起される渦電
流は抵抗加熱の形で大量のエネルギーを消散する。この
ような渦電流損を避けるための方法は電動機の固定子と
回転子で異なる。

電動機の固定子上のどの点でも、回転電気機械の動作に
とって基本的に必要な回転磁界を発生するために時間的
に変化する磁界が存在しなければならない。固定子を比
較的薄い磁性金属の互いに絶縁された積層板で構成する
ことによって固定子の磁性材料中での過大な渦電流損が
大幅に避けられる。各積層板の厚さが薄く且つ隣り合う
積層板が相互に絶縁されていることによって、各積層板
中に誘起される渦電流を著しく制限する抵抗の極めて大
きい経路が得られる。

この積層板を使って渦電流の影響を軽減する技術は大形
の回転電気機械の回転子では利用できない。というのは
、このような積層構造では、直径の大きい回転子の高速
回転によって生じる応力に耐えられないからである。し
゛たがって、高強度の磁性金属の単一体の鍛造品から回
転子を形成するのが普通である。磁界形成用の導体を受
は入れるために、鍛造品の中に縦方向のスロットが形成
される。回転子の両端では、端部ターンにより導体が相
互接続される。スロットの表面の近くのダブテール形ス
ロットの中に入れられたダブテール形くさびにより導体
は大きな遠心力に抗してスロットの中に保持される。鍛
造品の両端に焼きばめされた高強度の保持リングによっ
て端部ターンは遠心力に抗して保持される。

したがって、回転子は本質的に磁性材料の大きな塊であ
るので、時間的に変化する磁界が存在するとかなり大き
な渦電流が生じることになる。保持リングも同様に渦電
流の生じるおそれがある。

回転子では渦電流は通常、問題とならない。というのは
、回転子が固定子で発生される回転磁界と同期して回転
するからである。すなわち、負荷変動による比較的小さ
な変動を除けば、回転子上の各点には実質的に一定の磁
界が存在する。したがって、渦電流は発生しない。

電動機の種類によっては、合成波形を用いて、直流電源
から、または周波数が電動機の必要とする周波数と異な
る交流電源から交流電動機を制御する。一般的には、交
流誘導電動機は、一定周波数の交流電源から種々の速度
で駆動することが望ましい。電動機速度を変えるための
１つの方法は、一定周波数の電源の出力振幅を小さくす
ることにより、電動機を電源周波数との同期より遅らせ
て滑りを生じさせることである。具合の悪いことに、回
転子は回転磁界との同期からのずれが大きくなると、電
動機は大きなトルクを発生することができない。回転磁
界と回転子の速度差が約６％を超えると、トルクはゼロ
へと低下する。したがって、回転子を回転磁界の周波数
より遅らせることは、多くの用途で有用性が制御される
ことになる。

負荷転流式インバータは、たとえばサイリスタまたはシ
リコン制御整流器（ＳＣＲ）のようなスイッチング素子
を用いて直流電力の逆変換を行なって、固定子に供給す
るための所望の周波数でほぼ所望の振幅の交流電力を発
生する。スイッチング素子を用いて交流電源を合成する
ので、このようにして得られた交流電力には所望の基本
周波数の他にかなり大きな望ましくない高調波も含まれ
る。

したがって、このような電源の基本周波数によって定ま
る速度で駆動される回転子は、基本周波数に関しては実
質的に一定の磁界を受けることになるが、高調波周波数
ではかなり大きな磁界変動にさらされることになる。こ
のような高調波周波数はほぼ数百ヘルツからｌθキロヘ
ルツまたは数十キロヘルツの範囲まで及ぶ。

利用できる一次電源が交流電源である場合には、負荷転
流式インバータで変換するのに必要な直流を作るために
整流器とフィルタが用いられる。

サイクロコンバータは交流電力を制御してスイッチング
することにより所望の出力波形を合成するものであって
、交流の一次電源から直接に交流電力出力を作る。この
出力波形は基本周波数を含んでいるが、高調波もかなり
含んでいる。負荷転流式インバータの場合と同様に、こ
れらの高調波によって回転子に渦電流が生じ、その結果
電力損失と加熱が生じる。

［発明の目的と要約コ したがって、本発明の１つの目的は従来技術の欠点を解
消した回転電気機械用の回転子を提供することである。

本発明のもう１つの目的はダブテール形くさびの外側表
面を高導電率材料のコーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）で
被覆した回転電気機械回転子を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は複数の高導電率材料のス
トリップを配置した回転電気機械用回転子を提供するこ
とである。

本発明の更にもう１つの目的は磁極領域に形成された縦
方向のスロットの中に磁性材料のストリップを配置した
回転電気機械用回転子を提供することである。磁性材料
のストリップはその半径方向外側表面が高導電率のコー
ティングで覆われる。

要約すると、本発明では、回転電気機械の回転子の表面
のかなり大きな部分を高導電率の金属コーティングで覆
う。高導電率の金属は基本周波数の交流電源からの高調
波成分による渦電流によって生じる抵抗加熱を小さくす
る。本発明の一実施例では、励磁用の導体を縦方向スロ
ットの中に保持するダブテール形くさびの表面が銅のコ
ーティングで覆われる。回転子の磁極領域には、高導電
率金属で被覆された磁性材料の面取りしたくさびを保持
するためのスロットがアンダーカットにより形成されて
いる。回転子の両端の保持リングも高導電率の金属で被
覆してよい。

本発明の一態様によれば、回転電気機械用の回転子が少
なくとも第１および第２の磁極領域ならびに第１および
第２の導体領域をそなえたほぼ円筒形の回転子で構成さ
れ、導体領域は回転子内に磁界を作るための導体を含み
、円筒形の回転子の表面領域の少なくとも１０％が高導
電率の金属で被覆される。

本発明の１つの特徴によれば、少なくとも第１および第
２の磁極領域ならびに少なくとも第１および第２の導体
領域をそなえたほぼ円筒形の回転子で構成され、導体領
域が回転子中に磁界を作るための導体を含み、円筒形の
回転子の表面積の少なくとも１０％が高導電率金属で被
覆され、各導体領域が導体を受は入れる複数の縦方向ス
ロットを含み、各縦方向スロットの開口がダブテール形
くさびで覆われ、少なくともいくつかのダブテール形く
さびの少なくとも外側表面に配置された高導電率のコー
ティングで被覆され、少なくとも第１および第２の磁極
領域がその中に複数の縦方向スロットを含み、この各縦
方向のスロットにはそれぞれくさびがはめ込まれ、上記
高導電率のコーティングが少なくともかなりの数のくさ
びの少なくとも外側表面に配置されている回転電気機械
用回転子が提供される。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は添付の
図面を参照した以下の説明により明らかとなろう。図面
において、同じ参照番号は同じ素子を表わす。

［実施例の説明］ まず第１図を参照すると、電動機のような回転電気機械
が全体的に１０で示されている。（個別には示していな
い）積層板を積み重ねることによって作られた固定子１
２は回転子１４の円筒状の周面を取り囲む。回転子１４
は、両端から軸方向に伸びる第１および第２のシャフト
１８および２０をそなえたほぼ円筒形の回転子鍛造体１
６で構成されている。いくつかの実施例では、シャフト
１８および２０は回転子鍛造体１６と一体に形成される
。図示されていないが、シャフト２ｏは回転子１４の励
磁用の導体に直流電力を供給するための直流発電機を駆
動するように接続し、またシャフト１８は負荷に接続し
てもよい。

回転子鍛造体１６の両端にそれぞれ保持リング２２が配
置され（第１図には一方の保持リング２２だけが示され
ている）、これにより回転子１４の高速回転による遠心
力に抗して端部ターン（図示されない）が支持される。

通常、確実に保持するために保持リング２２は焼きばめ
される。このような焼きばめは通常行なわれているので
、焼きばめについてこれ以上説明しない。

次に第２図には本発明による電動機に対して使用し得る
電流源インバータ装置２４が示されている。交流電源２
６は一定周波数のものでもよく、これは交流電力を整流
器２８に供給する。整流器２８はインバータ３０に印加
するための直流電力を発生する。インバータ３０は電動
機３２に印加するための多相（最も一般的には３相）の
交流波形を合成する。合成された交流波形は振幅と周波
数が制御可能であり、これにより電動機３２から得られ
るトルクと速度を制御することができる。

交流波形を合成するためにインバータ３０で使用される
通常のスイッチング技術では、合成された交流波形は所
望の振幅の大きい基本周波数成分の他に、高調波成分を
かなり含む。前に述べたように、高調波の存在により回
転子１４（第１図）が時間的に変化する磁界にさらされ
るので、その中に望ましくない渦電流が生じる。当業者
には、交流電源２６と整流器２８を直流発電機に置き換
えても、装置の動作が害われないことは明らかであろう
。

次に第３図に示すように、サイクロコンバータ３４によ
り交流電源２６の交流出力を直接変換して、電動機３２
を駆動するための制御可能な振幅と基本周波数を持つ合
成波形を作ることもできる。

第４図に示すように、電動機３２に供給される３相電力
の波形は多数の鋭い変化部分を含み、これらは多くの高
調波成分を発生する。

第２図および第３図のシステムで発生される高調波の周
波数は比較的高く、このため渦電流を回転子１４の表面
に局限する傾向があることを本願発明者は発見した。こ
れは通常、高周波に伴なう表皮効果によって生じる。表
皮効果は高周波電力を表面に局限する傾向があり、導体
内部はほぼ無電流状態になる。この場合、回転子１４の
表面をたとえば銀または銅のような高導電率の材料で被
覆すると、回転子１４内に生じる渦電流はこの高導電率
のコーティングを通る。熱発生と電力消費の量は電流が
通過する導体の抵抗につれて変るので、磁性材料内で発
生する渦電流の大部分を高導電率の材料を通すようにす
ることにより、電力消費と熱発生がかなり大幅に低減さ
れる。本願発明者の計算したところによれば、回転子１
４の表面全体を銅のコーティングで被覆すると渦電流に
よる電力消費が２０分の１から約２５分の１まで減るこ
とがわかった。

再び第１図を参照して説明すると、回転子１４の表面に
おける高加速度に充分耐える厚さと強さをそなえた高導
電率の金属のコーティングで回転子１４の表面全体を被
覆することは難しい。満足できると思われる商業的に利
用できる１つの技術は爆発固着法である。

現在、商業的に利用できる爆発固着技術では、大形電動
機１０用の回転子鍛造体１６のような大きな物体を被覆
することはできない。したがって、回転子鍛造体１６に
高導電率のコーティングを設けるための代替技術を見出
さなければならない。

希望により、保持リング２２に爆発固着法によってコー
ティングを設けることは可能である。

本発明は導電性コーティングを施すための特定の技術に
限定されるものと見做すべきではない。

回転子鍛造体１６または保持リング２２のように大きな
物体を満足な導電性コーティングでおおうために他の技
術を利用できるか、または利用できるようになる。本発
明はここに説明している技術だけでなく、このような他
の技術によって被覆された装置にも及ぶものと考えるべ
きである。

次に第５図には回転子１４の端面の概略図が示されてお
り、以下に説明する領域を例示する。回転子１４は導体
領域４０および４２内の導体（図示しない）に直流励磁
電流を流すことによって磁化される磁極領域３６および
３８を有する、実質的に中空でない鍛造体である。通常
の回転子では、磁極領域３６および３８は鍛造体の一部
である。

導体領域４０および４２には縦方向スロット（図示しな
い）が設けられ、その中に配置された導体が、該縦方向
スロットの上部近くの縁に形成されたダブテール形スロ
ットにはめ込まれたダブテール形くさびにより遠心力に
抗して保持される。

次に第６図に示すように、導体領域４０（および第６図
には示されていない導体領域４２）には複数の縦方向ス
ロット４４が含まれ、各縦方向スロットには電流を通す
複数の導体４６が配置されている。導体４６の真上の１
対の対向するダブテール形スロット５０および５２にダ
ブテール形くさび４８がはめ込まれ、導体４６を縦方向
スロット４４の中に保持する。

通常のように、ダブテール形くさび４８はたとえばステ
ンレス鋼またはベリリウム銅合金のような高強度の非磁
性材料で作られる。このような材料の抵抗率は大きい。

各ダブテール形スロット５０の外側表面５４はたとえば
銅のような高導電率のコーティング５６を含む。各ダブ
テール形くさび４８はそのダブテール形スロット５０の
一端から他端まで中断せずに伸びる。外側表面５４は導
体領域４０の回転子１４の表面全体を占めないが、外側
表面５４は互いに充分に近接しているので、このような
表面のかなり大きな部分を占める。一実施例では、導体
領域４０の表面の約６０から７０％が高導電率のコーテ
ィング５６で占められる。

導体領域４０の表面のこのような大きな部分をおおうこ
の高導電率の材料によって渦電流損が約１０分の１に小
さくなる。

次に第７図および第８図に示すように、磁極領域３６（
および第７図に示されていない３８）は通常の回転子で
は滑らかで中断しない。本発明による回転子１４では、
複数の縦方向スロット５８の各々にくさび６０が配置さ
れる。各くさび６０の外側表面には高導電率の表面コー
ティング６２が設けられる。導体領域４０のダブテール
形くさび４８（第６図）とは対照的に、くさび６０はそ
の下に大きな導体を保持する必要はない。したがって、
縦方向スロット５８およびくさび６０は半径方向に比較
的薄く、接線方向に比較的幅広く作ることができる。く
さび６０の横の縁は縦方向スロット５８の横の縁のアン
ダーカット部分とかみ合うように面取りされ、遠心力に
抗してくさび６０を保持するのを助ける。くさび６０の
存在が機械の磁気回路に及ぼす影響が最小限であるとい
うことが重要である。したがって、くさび６０は磁性金
属で作ることが好ましく、回転子１４を作っているのと
同じ金属で作ることが最も好ましい。

各くさび６０は回転子１４の一端から他端まで中断せず
に伸びることが好ましい。

高導電率のコーティング５６（第６図）および高導電率
の表面コーティング６２（第８図）に必要とされる厚さ
は、高調波の周波数、ならびに導電性のコーティングの
脱落を防ぐための機械的要因によってきまる。高調波の
周波数が高くなるにつれて、誘起された渦電流の入り込
む深さが小さくなる。厚さは渦電流の大きさによっても
変る。

本願発明者は約１０００分の５０インチ（１，２７ｍｍ
）から約１０００分の２５０インチ（６，３５關）の銅
の厚さが殆んどの電動機に対する要求条件を満たすもの
と信じる。勿論、これより薄いコーティングやより厚い
コーティングを設けてもよいことを理解されたい。

実施例では、渦電流の抵抗による消費によって生じる発
熱を軽減するため、回転子鍛造体１６の６０から１００
％、および保持リング２２の全体が高導電率の金属のコ
ーティングでおおわれる。

回転子１４の表面積の１０％を高導電率のコーティング
でおおっただけで発熱をかなり軽減できると考えられる
。

図面を参照して本発明の詳細な説明してきたが、本発明
はそれらの詳細な実施例に限定されるものだけではなく
、当業者には請求の範囲に記載された本発明の範囲また
は趣旨を逸脱することなく種々の変更および変形を加え
ることができよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転電気機械の一部破断斜視図である。 第２図は本発明が有効に作用するような電流源、インバ
ータ装置の概略ブロック図である。第３図は本発明が有
効に作用するようなサイクロコンバータ・システムの概
略ブロック図である。第４図は第３図のサイクロコンバ
ータ・システムで発生される出力波形を例示する波形図
である。第５図は２極回転子の磁極領域および導体領域
の位置を示す本発明による回転子の概略端面図である。 第６図は励磁用の導体を収容した縦方向スロットを例示
する第１図の回転子の一部の断面図である。 第７図は磁極領域の縦方向スロットを例示する第１図の
回転子の一部の断面図である。第８図は第７図のくさび
の拡大図である。 ［主な符号の説明］ １４・・・回転子、２２・・・保持リング、３６．３８
・・・磁極領域、４０．４２・・・導体領域、４４・・
・縦方向スロット、４８・・・ダブテール形くさび、５
０゜５２・・・ダブテール形スロット、５４・・・ダブ
テール形スロットの外側表面、５６・・・高導電率のコ
ーティング、５８・・・縦方向スロット、６０・・・く
さび、６２・・・高導電率の表面コーティング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転電気機械用の回転子に於いて、 少なくとも第１および第２の磁極領域ならびに少なくと
   も第１および第２の導体領域をそなえたほぼ円筒形の回
   転子を有し、 上記導体領域には回転子内に磁界を作るための導体が収
   容されており、 上記円筒形回転子の表面積の少なくとも１０％が高導電
   率の金属のコーティングで被覆されていることを特徴と
   する回転電気機械用の回転子。 ２、上記被覆が銅である、請求項１記載の回転子。 ３、上記第１および第２の導体領域の各々には上記導体
   を収容する複数の縦方向スロットが設けられており、上
   記縦方向スロットの各々にはその開口をおおうくさびが
   配置されており、上記高導電率のコーティングが上記く
   さびの内の少なくともいくつかのくさびの少なくとも外
   側表面に設けられている、請求項１記載の回転子。 ４、上記くさびが非磁性材料で作られ、上記高導電率の
   コーティングが銅である、請求項３記載の回転子。 ５、上記銅が爆発固着法によって被着されている、請求
   項４記載の回転子。 ６、上記の少なくとも第１および第２の磁極領域には複
   数の縦方向スロットが設けられていて、該縦方向スロッ
   トの各々にくさびがはめ込まれており、少なくとも大多
   数の上記くさびの少なくとも外側表面に上記コーティン
   グが配置されている、請求項１記載の回転子。 ７、上記コーティングが銅である、請求項６記載の回転
   子。 ８、上記くさびが磁性金属である、請求項６記載の回転
   子。 ９、上記磁性金属が上記第１および第２の磁極領域とほ
   ぼ同じ金属である、請求項８記載の回転子。 １０、上記コーティングの厚さが約１０００分の５０イ
   ンチ（１．２７ｍｍ）から約１０００分の２５０インチ
   （６．３５ｍｍ）である、請求項１記載の回転子。 １１、上記のほぼ円筒形の回転子の両端には第１および
   第２の保持リングが設けられており、上記の第１および
   第２の保持リングの外側表面のかなりの部分が高導電率
   の金属のコーティングで覆われている、請求項１記載の
   回転子。 １２、回転電気機械用の回転子に於いて、 少なくとも第１および第２の磁極領域ならびに少なくと
   も第１および第２の導体領域をそなえたほぼ円筒形の回
   転子、 上記回転子内に磁界を作るために上記導体領域内に配置
   された導体、 上記円筒形の回転子の表面積の少なくとも１０％を覆う
   高導電率の金属コーティング、 上記導体を収容するため上記導体領域に形成された複数
   の縦方向スロット、 上記縦方向スロットの開口をおおうダブテール形くさび
   、 上記ダブテール形くさびの内の少なくともいくつかのダ
   ブテール形くさびの少なくとも外側表面に配置された高
   導電率のコーティング、 上記の少なくとも第１および第２の磁極領域に形成され
   た複数の別の縦方向スロット、ならびに上記別の縦方向
   スロットの各々にはめ込まれた第２のくさびを含み、 上記高導電率のコーティングが少なくとも大多数の第２
   のくさびの少なくとも外側表面に配置されている、回転
   電気機械用の回転子。