JPH08223857A - 電磁回転機械 - Google Patents

電磁回転機械

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JPH08223857A
JPH08223857A JP7046428A JP4642895A JPH08223857A JP H08223857 A JPH08223857 A JP H08223857A JP 7046428 A JP7046428 A JP 7046428A JP 4642895 A JP4642895 A JP 4642895A JP H08223857 A JPH08223857 A JP H08223857A
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明 千葉
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 固定側の位置制御用巻線と回転子巻線との相
互結合を極めて少なく、あるいは０にすることができる
電磁回転機械を提供する。 【構成】 固定子には、トルク発生用の４極の固定子巻
線と２極の位置制御用巻線が設けられ、回転子５０に
は、周方向に分割されたエンドリング５６、５８が回転
子鉄心５２に保持された特定の導体５４同志を短絡させ
ることで、４極の巻線が構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電磁回転機械に係り、
詳細には、固定子に位置制御用巻線を設けて磁気軸受機
能を付加した誘導電動機あるいは誘導発電機等の電磁回
転機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】工作機械、ターボ分子ポンプ、フライホ
イール等では、電動機の高速、高出力化の要求が高まっ
ており、これらの軸受としては、高速回転化や長期間無
保守が可能な磁気軸受が適用されつつある。図１８は、
５軸制御型の磁気軸受を用いた高速電動機を表したもの
である。この高速電動機１０では、ロータ１２が、２つ
のラジアル磁気軸受１４、１６によって半径方向に、ス
ラスト磁気軸受１８によって軸方向に非接触で支持され
る。そして、３相インバータ２０によるモータ２２の駆
動で回転駆動される。各磁気軸受１４、１６、１８は、
ロータ１２に対して半径方向や軸方向の磁力を発生させ
る電磁石を有しており、これらの励磁電流がそれぞれ単
相インバータ２４、２６、２８によって制御されること
で、ロータ１２の位置制御が行われる。
【０００３】ラジアル磁気軸受１４、１６は、ロータ１
２を支持可能な磁力を発生させるために大型化する傾向
があり、このため、ロータ１２の軸長が長くなってしま
う。従って、高速回転時に生じるロータ１２の弾性的な
振動が問題となり、高速回転を実現することは容易では
ない。また、高出力化しようとすると更に軸長を長くす
る必要があるため、モータの吸引力の増加に伴って磁気
軸受も大型化しなければならない。この結果、危険速度
が低下してしまい、高速化がきわめて困難となる。この
ような課題に対して近年では、モータの固定子に磁気軸
受の位置制御用巻線を付加することで、軸短化と高出力
化を実現した位置制御用巻線付き電磁回転機械が開発さ
れている。
【０００４】図１９は、位置制御用巻線付き電磁回転機
械を表したものである。位置制御用巻線付き電磁回転機
械３０では、３相インバータ２０に接続されたトルク発
生用の巻線（図示せず）の他に、ロータ３１に対して半
径方向の磁力を発生させる半径方向位置制御用巻線（図
示せず）が、モータの固定子３２、３４に設けられてい
る。半径方向位置制御用巻線は、それぞれ３相インバー
タ３６、３８によって電流が制御され、この制御でロー
タ３１の半径方向の位置制御が行われる。位置制御用巻
線付き電磁回転機械３０では、１つ固定子でトルクと半
径方向の力とを発生させることができるため軸長を短く
でき、また、軸長が同一であれば図１８の電磁回転機械
１０に比べて高出力化を図ることができる。
【０００５】なお、位置制御用巻線付き電磁回転機械と
しては、以下のようなものが既に提案されている。例え
ば、励磁磁束を変化させて軸方向力を発生させること
で、ディスク形電動機の軸方向位置を調整するようにし
たものがある。これは、ディスク形の回転機には応用可
能であるが、広く用いられているラジアル形の回転機に
は応用が難しい。また、一般の誘導電動機の巻線電流を
不平衡にすることにより、半径方向の力を発生して回転
子の半径方向の位置を制御しようとするものがある。こ
れには、回転子が中心に位置しているときには原理的に
半径方向力が発生できないという問題点がある。
【０００６】一方、特開昭６４−５５０３１号公報に記
載されているように、磁気軸受の磁路とステッピングモ
ータの磁路を単に共有したものがある。この方式は、低
速のアクチュエータに適しているが、構造上、極数がき
わめて大きくする必要があるため超高速回転には適して
いない。また、高出力の誘導機、永久磁石形電動機など
に多く用いられる正弦波状の超磁力分布、磁束分布を持
つ回転機に応用することは難しい。
【０００７】また、特開平４−２３６１８８号公報に記
載されている技術では、極数を減少させるとともに、従
来の誘導機や永久磁石形回転機に近い構造を有するもの
が提案されている。これは、４相のスイッチドリラクタ
ンス機の固定子鉄心のような、８個の歯を構成した固定
子に４極の集中巻線を施し、これを各磁極で分割し、各
磁極の磁束を独立に制御するようにしたものである。回
転磁界を発生するとともに、各磁極の磁束の強弱により
半径方向力を発生させることもできる。また、特開平４
−１０７３１８号公報に記載されたものでも同様の鉄心
構造を有しているが、巻線を分布巻きとして、より正弦
波分布に近い超磁力分布とした点に特徴がある。しか
し、これらの技術では、４分割した巻線を個々に駆動す
るため、直交２軸の半径方向力とトルクを発生する１つ
のユニットで、２相巻線であれば最小で８台の単相イン
バータと１６本の配線が必要となってしまう。更に、半
径方向力制御とトルク制御が同一の巻線電流によって行
われるため、きわめて高速かつ高精度で容量が大きい電
流駆動器が必要となる。
【０００８】そこで、本出願人は、特開平２−１９３５
４７号公報に記載されているように、４極の回転機に２
極の巻線を施すことで半径方向の力を発生することがで
きる電磁回転機械を既に出願している。この電磁回転機
械では、回転磁界形電動機において極数の異なる位置制
御巻線を固定子に追加することにより、積極的に回転磁
界を不平衡にして半径方向力をトルクとともに発生する
ようになっている。
【０００９】図２０は、このタイプの電磁回転機械にお
ける半径方向力の発生原理を表したものである。回転子
４０が固定子４２の中心に位置している場合、固定子４
２に設けられたトルク発生用の４極巻線４４は、正方向
の電流が通電されることで、４極の対称磁束Ｈ４を発生
させる。そして、この４極の巻線４４と、これと直交す
る図示しない他の４極巻線とに二相交流電流を流すこと
により４極の回転磁界を発生させる。あるいは既に報告
しているように３相巻線であってもよい。これにより、
回転子４０にかご形巻線が施してあれば通常のかご形誘
導機として回転子４０にトルクが発生する。
【００１０】また、固定子４２には４極巻線４４に加え
て、回転子４０に対して半径方向に磁力を作用させる２
極の位置制御用巻線４６ａ、４６ｂも施されており、位
置制御用巻線４６ａに正方向の電流を流すと図２０に示
すような２極の磁束Ｈ２が発生する。この場合、回転子
４０の、図２０において下部のギャップでは、４極の巻
線４４による磁束Ｈ４の方向が２極の巻線４６ａの磁束
Ｈ２の方向と逆である。従って、このギャップでは磁束
密度が低下する。一方、回転子４０の上部におけるギャ
ップでは、４極の磁束Ｈ４の方向と２極の磁束Ｈ２の方
向が一致しているため磁束密度は増加する。
【００１１】このように磁束分布が不平衡になると、回
転子４０に図２０において上方向に作用する半径方向の
力Ｆが生じる。この半径方向の力Ｆの大きさは２極巻線
４６ａに流れる電流の大きさを制御することにより調整
できる。また、半径方向の力Ｆの方向を逆にするために
は、２極巻線４６ａの電流の方向を反転すればよい。一
方、図２０において左右方向の力を発生させるために
は、巻線４６ａと直交する２極巻線４６ｂに通電すれば
よい。このように直交した２極巻線４６ａ、４６ｂの電
流の大きさ、方向を調整することにより所望の大きさ、
方向の半径方向力を発生できる。図２０では４極巻線４
４を電動機駆動用、２極巻線４６ａ、４６ｂを半径方向
位置制御用に用いているが、４極巻線４４を半径方向力
発生用に、２極巻線４６ａ、４６ｂを電動機駆動用に用
いることも可能である。
【００１２】以上のような原理で回転子の位置制御を行
う電磁回転機械では、半径方向力とトルクを発生するた
めに、３相巻線であれば６本の配線と２台の３相インバ
ータだけで済み、また、半径方向力を発生する巻線とト
ルクを発生する巻線が分離しているため、半径方向力制
御用インバータあるいはパワーアンプは小電力容量で済
むという特徴を有する。更に、４極と２極の巻線を用い
ているため、回転子が中心に位置していれば相互結合が
０となり、電動機の誘起電圧が半径方向力制御巻線に生
じない。また、誘導機、永久磁石形同期機、シンクロナ
スリラクタンスモータなどの正弦波起磁力分布、正弦波
磁束分布を仮定した高出力回転機に広く応用できる。
【００１３】ところで、広く大容量機で用いられている
巻線形誘導機の回転子では、多数の直列導体と並列導体
が用いられ、また、スロット数も多く、正弦波分布巻き
となるように工夫されている。このため、超高速回転の
応用では、回転子の回転数が高いので、遠心力に対する
回転子の強度が問題となる。そこで、一般に、磁気軸受
による主軸支持を必要とする超高速回転機ではかご形回
転子が用いられることが多い。かご形回転子では、機械
的に丈夫でかつ導電性がよい金属材料を用いることによ
り、２次抵抗が小さく丈夫な回転子を構成することがで
きる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このかご形回
転子を前述の電磁回転機械に用いて、固定子側で２極の
回転磁界を発生させたとすると、回転子側では２極の誘
導電流が流れる。一方、固定子の４極巻線により４極の
回転磁界を発生させると、４極の回転磁界により４極の
誘導電流が回転子導体に流れる。すなわち、かご形回転
子は固定子側から見ると２極巻線とも、４極巻線とも見
ることができる。従って、固定子の４極巻線、２極巻線
は、それぞれかご形巻線と相互インダクタンスを持つこ
ととなる。
【００１５】このため、例えば前述のように２極の巻線
を位置制御用巻線として用いると２極巻線電流のほとん
どがかご形巻線に流れてしまい発熱や損失、あるいは位
相遅れが生じるなどの問題点を惹起することとなる。４
極巻線を位置制御用巻線として用いた場合も同様の現象
が生じてしまう。位相遅れの問題については、位相遅れ
量を電動機定数測定から理論的に明らかにし、位相進み
補償により解決することが考えられるが、一般に、磁気
浮上系では、対象物の変位を検出してフィードバック制
御を行うため、系を安定化するために微分制御が不可欠
である。従って、位相遅れが生じると、微分制御により
確保すべき位相進み角が増加してしまうという問題が生
じる。
【００１６】そこで、本発明は、高速回転が可能な丈夫
な回転子構造を有し、かつ、位置制御用巻線と回転子と
の間に相互インダクタンスを極めて小さく、あるいは０
とすることができる電磁回転機械を提供することを目的
とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、固定子鉄心にトルク発生用の固定子巻線が設けられ
た固定子と回転子鉄心を有する回転子との間の電磁誘導
によって駆動する電磁回転機械に、前記固定子の固定子
鉄心に設けられ、前記固定子巻線と異なる極数を有する
ことで前記回転子に対して半径方向と軸方向の少なくと
も一方に磁力を作用させる位置制御用巻線と、前記回転
子の回転子鉄心に設けられ、エンドリングが分割された
ことで、前記位置制御用巻線との相互インダクタンスが
０となる極数の閉回路を構成したかご形導体とを具備さ
せて前記目的を達成する。
【００１８】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
電磁回転機械において、前記固定子巻線が４極、前記位
置制御巻線が２極である場合に、前記かご形導体が、４
極の閉回路を構成したことで前記目的を達成する。請求
項３記載の発明では、請求項１記載の電磁回転機械にお
いて、前記固定子巻線が２極、前記位置制御巻線が４極
である場合に、前記かご形導体は、２極の閉回路を構成
したことで前記目的を達成する。
【００１９】請求項４記載の発明では、請求項１記載の
電磁回転機械において、前記エンドリングが、周方向に
分割されることで前記閉回路を構成し、分割された各エ
ンドリングは円環状の補強リングによって互いに固定さ
れたことで前記目的を達成する。請求項５記載の発明で
は、請求項１記載の電磁回転機械において、前記固定子
が、軸状の回転シャフトを有し、前記エンドリングは、
軸方向に分割されることで前記閉回路を構成し、前記回
転シャフトに対し直接取り付けられたことで前記目的を
達成する。請求項６記載の発明では、請求項１記載の電
磁回転機械において、前記かご形導体の各磁極が、並列
に接続された複数の導体によって構成されたことで前記
目的を達成する。
【００２０】請求項７記載の発明では、請求項１記載の
電磁回転機械において、前記回転子は、前記回転子鉄心
にスキューが設けられたことで前記目的を達成する。請
求項８記載の発明では、請求項１記載の電磁回転機械に
おいて、前記位置制御用巻線が、互いに対向した前記回
転子鉄心と前記固定子鉄心の周面が軸線方向に対して傾
斜していることで、前記回転子に対して軸方向に磁力を
作用させるにより前記目的を達成する。請求項９記載の
発明では、請求項１記載の電磁回転機械において、前記
位置制御用巻線が、前記回転子鉄心の端部における軸方
向の位置が前記固定子鉄心の端部より内側にずれている
ことで、前記回転子に対して軸方向に磁力を作用させる
ことにより前記目的を達成する。
【００２１】
【作用】請求項１〜３記載の電磁回転機械では、固定子
巻線が設けられた固定子との間の電磁誘導によって回転
子が回転する。位置制御用巻線は、回転子に対して半径
方向と軸方向の少なくとも一方に磁力を作用させ、これ
により回転子の位置制御が行われる。この位置制御にお
いては、回転子のかご形導体で前記位置制御用巻線との
間の相互インダクタンスが０となる極数の閉回路を構成
しているので、両者間に電磁誘導は生じない。請求項４
記載の電磁回転機械では、補強リングが、その剛性によ
って、エンドリングに対し遠心力に抗じる力を働かせる
ので、高速回転時にもエンドリングが分解することなく
一体的に回転する。
【００２２】請求項５記載の電磁回転機械では、導体に
対して働くトルクが、エンドリングを介して回転シャフ
トに伝達される。請求項６記載の電磁回転機械では、エ
ンドリングによって並列に接続された複数の導体毎に短
絡路が形成され、同相の電流が通電されることで、それ
ぞれが１つの磁極を形成する。請求項７記載の電磁回転
機械では、空間高調波が発生しにくくなる。請求項８記
載の電磁回転機械では、前記位置制御用巻線が、回転子
に対して軸方向に磁力を作用させる。請求項９記載の電
磁回転機械では、前記位置制御用巻線が、回転子に対し
て軸方向に磁力を作用させる。
【００２３】
【実施例】以下、本発明の電磁回転機械における各実施
例を図１ないし図１７を参照して詳細に説明する。図１
は、第１の実施例による電磁回転機械の回転子を表した
ものであり、図１（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は正面図で
ある。本実施例の電磁回転機械は、固定子側の回転磁界
による誘導電流で回転子にトルクが発生する誘導電動機
であり、図示しないが回転子５０の周囲に位置する固定
子鉄心には、回転磁界を発生させる４極の巻線と、回転
子５０の半径方向の位置制御をする２極の位置制御用巻
線が巻かれている。
【００２４】回転子５０は、かご形回転子と同様の概略
形状を有し、例えばケイ素鋼等でなる回転子鉄心５２
と、回転磁界によって誘導電流が流れる導体５４と、こ
の導体５４の両側において特定の導体５４同志を短絡さ
せるエンドリング５６、５８とを備えている。回転子鉄
心５２は、図２に示すように、外周面に沿って形成され
た複数（３２個）のスロット５２ａを有し、導体５４は
これら各スロット５２ａに保持されている。また、回転
子鉄心５２の内穴５２ｂには、図示しないが、円柱形状
の回転シャフトが取り付けられる。本実施例では、エン
ドリング５６、５８が、銅等の導電性が良い材料で構成
され、かご形導体における短絡環を周方向に分割した形
状を有している。また、図１に示すように回転子鉄心５
２に対して取り付けられることで、特定の導体５４のみ
を短絡させて、後に詳述するように４極の巻線を構成す
るようになっている。
【００２５】図３は、図１（Ａ）において外側に位置す
るエンドリング５６の単体形状を表したものであり、
（Ａ）は正面から、（Ｂ）は上方から見た図である。図
３（Ａ）に示すように、エンドリング５６は、円周の約
３／８の円弧を有し、両側に導体５４の端部が挿入され
るスロット５６ａがそれぞれ４つずつ形成されている。
また、エンドリング５６の外周面における中央部には、
導体５４の直径よりも深い凹所５６ｂが形成され、側面
には、円弧に沿って溝５６ｃが形成されている。
【００２６】図４は、図１において内側に位置するエン
ドリング５８の形状と回転子鉄心５２への取付け位置を
表したものである。図４に示すように、エンドリング５
８もエンドリング５６と同様にスロット５８ａや凹所５
８ｂを有しているが、円弧に沿って形成された溝５８ｃ
は、エンドリング５６とは反対側の側面に設けられてい
る。また、本実施例では、導体５４が長さの異なる２種
類の導体５４ａ、５４ｂで構成され、図４に示すように
４本ずつ交互に配置されている。
【００２７】エンドリング５６、５８の回転子鉄心５２
への組付けは、以下のようにして行う。まず、短い導体
５４ｂの端部がスロット５８ａにそれぞれ挿入されるよ
うにエンドリング５８を回転子鉄心５２の両側に取り付
け、導体５４ｂとスロット５８ａとをレーザ溶接等の溶
接により固定する。これにより、導体５４ｂは、図４で
示すようにエンドリング５８によって短絡されて、４極
の巻線を構成する。この取り付け状態では、凹所５８ｂ
が設けられた部分の長い導体５４ａや２つのエンドリン
グ５８の間に位置する長い導体５４ａは、エンドリング
５８と接触することなく、すなわちエンドリング５８と
絶縁された状態で、その側面から図４において手前方向
に突出している。
【００２８】次に、円環状の補強リング６０をエンドリ
ング５８の溝５８ｃに嵌め込み、そしてその上から、溝
５６ｃに補強リング６０が嵌合するようにエンドリング
５６を取り付ける。このとき、エンドリング５６は図１
（Ｂ）で示すようにエンドリング５８に対して４５°角
度ずらし、エンドリング５８の側面から突出した長い導
体５４ａの端部がスロット５６ａに挿入されるようにす
る。そして、同様にスロット５６ａと導体５４ａとを溶
接により固定する。これにより、特定の導体５４ａ同志
がエンドリング５６を介して短絡され、２つの短絡路を
有する４極の巻線を構成する。従って、エンドリング５
８によって短絡された導体５４ｂとエンドリング５６に
よって短絡された導体５４ａとで、本実施例では、４極
の巻線が構成されている。
【００２９】また、以上の組付けによって、エンドリン
グ５６の溝５６ｃとエンドリング５８の溝５８ｃには、
図１（Ａ）に断面で示すように、補強リング６０が嵌合
され、この補強リング６０によってエンドリング５６、
５８は互いに保持される。従って、回転時の遠心力によ
ってエンドリング５６、５８が分解されることが防止さ
れる。なお、エンドリング５６、５８は、その接触部分
に例えばテフロンコーティング等が施されていたり、あ
るいは絶縁物が挟み込まれる等して互いに絶縁されてい
る。
【００３０】次に、本実施例の回転子５０における巻線
の構成原理について説明する。図５は、並列導体数が１
本、閉回路数が２つの場合における４極巻線の回転子構
造を簡略化して表したものであり、（Ａ）、（Ｂ）は、
各閉回路の巻線構造をそれぞれ表している。回転子の鉄
心は、積層鋼板、あるいは塊状鉄心からなるが、図５の
符号６６、６８は、その鉄心の両端部を示している。な
お、図の各導体における電流の方向は、紙面から手前方
向が「・」、紙面から奥に向かう方向が「×」で示され
ている。
【００３１】図５（Ａ）で示すように、回転子鉄心に
は、４本の導体７１、７２、７３、７４が保持され、鋼
板６６側においては、導体７１と導体７２が図３で示し
たように周方向に分割されたエンドリング７６によって
短絡され、導体７３と導体７４が同様のエンドリング７
７によって短絡されている。また、鋼板６８側では、導
体７２と導体７３がエンドリング７８によって、導体７
４と導体７１がエンドリング７９によって短絡され、こ
れら導体７１、７２、７３、７４とエンドリング７６、
７７、７８、７９によって１つの４極巻線の閉回路を構
成している。また、図５（Ｂ）で示す導体８１、８２、
８３、８４は、導体７１、７２、７３、７４に対して４
５°機械的角度がずれており、同様に鋼板６６側と鋼板
６８側とで、エンドリング８６、８７、８８、８９によ
りもう１つの４極巻線の閉回路を構成している。この機
械的角度は、４５°以外でもよいが、対称になるように
配置しないとスロットルリプル等の回転時のアンバラン
ス等の問題が生じる。
【００３２】これら２つの閉回路が、絶縁された状態で
１つの回転子鉄心に施され、固定子側に４極巻線を施し
て４極の回転磁界を発生させれば、２つの閉回路からな
る回転子７０は、その誘導電流によって４極の誘導電動
機として動作する。図１に示した回転子５０において
は、例えば、長い導体５４ａと外側のエンドリング５６
とで構成された４極巻線が、図５（Ａ）の閉回路に相当
し、短い導体５４ｂと内側のエンドリング５８とで構成
された４極巻線が、図５（Ｂ）の閉回路に相当する。
【００３３】図５に示した８スロットだけを回転子にも
つ誘導機はあまり多く使用されず、一般には、表皮効果
の影響を避けるために導体を回転子表面付近に配置する
必要がある。また、効率を向上するために導体の断面積
を大きくとる必要がある。しかも、同時に固定子励磁電
流によって励磁磁束を効率よく発生させるために回転子
表面付近での鉄部分を確保する必要がある。このような
要求のため、通常多数のスロットが回転子鉄心に設けら
れる。すなわち、図６に示すように、並列導体数を２本
にして１つのエンドリングで短絡して、１閉回路当たり
の導体数を多くしたり、あるいは、図７（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）で示すように、３つの閉回路を、互いに
絶縁された状態で各導体の間隔が等しくなるように機械
的角度で３０°ずつずらして配置し、これによって１つ
の回転子を構成することで導体数を多くしたりする。な
お、図示しないが、並列導体数を３本以上にしたり、閉
回路数を４つ以上にして回転子を構成してもよい。
【００３４】また、閉回路を構成する巻線は、図５
（Ａ）、（Ｂ）以外に図５（Ｃ）、（Ｄ）に示すような
構造でもよい。但し、４極の場合のスロットの数Ｓと、
閉回路数Ｎ及び並列導体数Ｑとの関係は、Ｓ＝４×Ｎ×
Ｑであり、それぞれ図８の表で示すようになる。図１に
示した本実施例の回転子５０では、エンドリング５６、
５８によってそれぞれ４本ずつ導体５４ａ、５４ｂが短
絡されているので、閉回路数は２、並列導体数は４であ
る。従って、スロット数は、３２個（Ｓ＝４×２×４）
となる。このように、同じスロット数とした場合には、
並列導体数Ｑを多くすると、エンドリングを少なくでき
る長所がある。
【００３５】次に、このように構成された実施例の動作
について説明する。まず、図示しない固定子に設けられ
た固定子巻線に４極の回転磁界が発生することで、回転
子５０の導体５４ａ、５４ｂに誘導電流が流れ、この誘
導電流と回転磁界との相互作用によりトルクが発生し、
回転子５０が回転する。また、同時に回転子５０は、固
定子側に設けられた２極の位置制御用巻線によって半径
方向に位置制御される。この半径方向の位置制御は、図
２０に示したものと同様の原理に基づいて行われる。
【００３６】図示しない２極の位置制御用巻線による位
置制御では、回転子５０が前述したように４極の回転子
巻線を有しているため、以下の理由により、互いの相互
結合が０となる。すなわち、本実施例のように、固定子
側に２極の位置制御用巻線（図示せず）が施され、回転
子５０側のエンドリング５６、５８によって４極の回転
子巻線が設けられた構造では、位置制御用巻線が通電さ
れて２極の対称磁界が発生していても、回転子５０が固
定子の中心に位置していれば、４極の回転子巻線の磁束
鎖交数は０となる。従って、４極の回転子巻線と固定子
に設けられた２極の位置制御用巻線との間に作用する相
互誘導は、打ち消されて誘導電流が流れることがない。
【００３７】回転子５０の駆動時においては、前述した
ように、導体５４ａ、５４ｂによって構成された４極の
回転子巻線と、２極の位置制御用巻線（図示せず）とが
相互結合を持たないため、位置制御電流と半径方向の電
磁力との位相遅れが極めて小さい。また、位置制御用巻
線の電流が回転子巻線に流れ込むことが極めて少ないの
で、回転子５０での熱損失が小さい。更に、本実施例で
は、並列導体数が４本であり、スロット数が３２個設け
られているので、スロットリプルなどを低減させること
ができる。
【００３８】また、回転子５０は、短絡環が周方向に分
割されている以外は、かご形回転子と同様の構造を有
し、各導体５４ａ、５４ｂは巻線形回転子に比べて非常
に太く構成されているため、遠心力に対して強い強度を
有する。更に、本実施例では、エンドリング５６、５８
が補強リング６０によって保持されているので、通常の
かご形回転子と同様な強度を得ることができ、回転子５
０をより高速で回転させることができる。なお、従来の
かご形巻線と同様に回転子鉄心５２、導体５４にスキュ
ーを施してもよい。これにより、空間高調波を減少させ
ることができ、トルクリプル、振動などを減少させるこ
とができる。
【００３９】次に、第２の実施例について説明する。図
９は、図５（Ｃ）、（Ｄ）に示した閉回路構成を有す
る、第２の実施例の電磁回転機械における回転子９０を
表したものである。なお、第１の実施例と同様の構成に
ついては同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略
する。本実施例でも、図示しない固定子には、４極の固
定子巻線と２極の位置制御用巻線が施され、回転子９０
は、４極の固定子巻線による回転磁界によって回転する
と共に、２極の位置制御用巻線によって半径方向に位置
制御をされるようになっている。また、回転子鉄心５２
の両側には、それぞれ４枚ずつ計８枚のエンドリング９
１、９２、９３、９４が取り付けられている。各エンド
リング９１、９２、９３、９４の厚さは、第１の実施例
におけるエンドリング５６、５８よりも薄く、第１の実
施例と異なりそれぞれ同一の形状を有している。
【００４０】図１０は、エンドリング９４の形状を表し
たものである。なお、エンドリング９１、９２、９３、
９４はそれぞれ同一の形状を有するため、以下では、エ
ンドリング９４のみを例に説明する。本実施例のエンド
リング９４は、周方向に分割されておらず、中心から外
周面までの距離が大きい大径部９４ａと径の小さい小径
部９４ｂとが連続的に形成された略円環形状を有してい
る。２つの大径部９４ａには、第１の実施例におけるス
ロット５６ａ等と同様に導体の先端を保持する４つのス
ロットがそれぞれ形成されている。
【００４１】一方、回転子鉄心５２の各スロット５２ａ
には、長さが異なる４種類の導体９６ａ、９６ｂ、９６
ｃ、９６ｄが、図１０に示すように保持されており、こ
れらの端部がそれぞれエンドリング９１、９２、９３、
９４のスロットに挿入されるようになっている。例え
ば、導体９６ａをエンドリング９４に、導体９６ｂをエ
ンドリング９３に、導体９６ｃをエンドリング９２に、
導体９６ｄをエンドリング９１にそれぞれ溶接等によっ
て固定する。これにより、導体９６ａはエンドリング９
４によって、導体９６ｂはエンドリング９３によって、
導体９６ｃはエンドリング９２によって、導体９６ｄは
エンドリング９１によって短絡される。
【００４２】また、エンドリング９４が図１０で示すよ
うに、回転子鉄心５２に取り付けられた状態では、小径
部９４ｂが位置する部分の導体９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ
がエンドリング９４とは接触しておらず、すなわち、絶
縁されている。従って、エンドリング９４は、そのスロ
ット９４ａに端部が挿入された導体９６ａとのみ電気的
な接続関係を有する。他の導体９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ
とエンドリング９１、９２、９３の関係についても同様
である。これによって、図５（Ｃ）、（Ｄ）に示す閉回
路からなる回転子が構成される。なお、図５（Ａ）、
（Ｂ）の閉回路構成の場合でも、導体を短絡する両端の
エンドリングを機械的角度９０°ずつずらすことによ
り、同様に実現することができる。すなわち、本実施例
のエンドリング９１、９２、９３、９４は、エンドリン
グ５６、５８の短絡路として機能をそれぞれ軸方向に分
割して配置した構造を有している。
【００４３】以上のように各エンドリング９１、９２、
９３、９４と導体９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄとが
電気的な接続関係を有することで、本実施例では、導体
９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄが第１の実施例と同様
に４極の巻線を構成している。このため、固定子側に施
された２極の位置制御用巻線との相互結合は極めて小さ
く、あるいは０である。また、本実施例では、回転子鉄
心５２の内穴５２ｂの直径と、エンドリング９１、９
２、９３、９４の内穴の直径とが等しく、図９に点線で
示すように回転子鉄心５２の内側に取り付けられる回転
シャフト９８に対して、各エンドリング９１、９２、９
３、９４が直接焼き嵌め等によって固定される。回転シ
ャフト９８とエンドリング９１、９２、９３、９４と
は、両者の接触面にコーティングが施されることで、互
いに絶縁されている。
【００４４】回転シャフト９８とエンドリング９１、９
２、９３、９４とが以上のような固定関係にあること
で、駆動時においては、回転磁界によって発生したトル
クが効率的に回転シャフト９８に伝達される。すなわ
ち、固定子側の回転磁界と誘導電流との相互作用によっ
て各導体９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄに作用する周
方向への磁気的応力（トルク）は、各導体９６ａ、９６
ｂ、９６ｃ、９６ｄと直接固定関係にあるエンドリング
９１、９２、９３、９４を介して回転シャフト９８に伝
達される。このため、各エンドリング５６、５８が構造
上回転シャフトに直接取り付けられなかった第１の実施
例に比べて、効率良く発生トルクが回転シャフト９８に
伝達される。また、本実施例では、エンドリング９１、
９２、９３、９４が円環形状を有するので、周方向に分
割されていた第１の実施例におけるエンドリング５６、
５８よりも機械的な強度が強い。従って、より強い遠心
力が発生する高速回転に対応することができる。他の構
成、効果等は、第１の実施例と同様である。
【００４５】なお、エンドリング９１、９２、９３、９
４は、他の形状であってもよく、例えば、図１１に示す
ような形状であってもよい。図１１のエンドリング１０
０では、短絡させる導体のスロット１００ａのみが導体
とほぼ同径を有し、その他のスロット１００ｂは導体と
接触しないように大きな径を有している。従って、スロ
ット１００ｂでは導体と絶縁され、スロット１００ａに
挿入される導体のみが短絡される。以上の各実施例で
は、固定子に４極の固定子巻線と２極の位置制御用巻線
とが設けられ、回転子には、２極の位置制御用巻線との
相互結合を０とするため、４極の回転子巻線が構成され
るようになっていたが、トルク発生用の固定子巻線を２
極とし、位置制御用巻線を４極とした場合には、回転子
側で２極の回転子巻線を構成してもよい。
【００４６】以下、この場合の巻線構造について説明す
る。図１２は、並列導体数が１本、閉回路数が２の場合
の２極巻線の回転子構造を簡略化して表したものであ
り、（Ａ）、（Ｂ）は、各閉回路の巻線構造をそれぞれ
表している。図１２（Ａ）で示すように、回転子鉄心に
は、２本の導体１０１、１０２が保持され、その両端
は、エンドリング１０３、１０４で短絡され、１つの閉
回路を構成している。また、図１２（Ｂ）で示す導体１
０５、１０６は、導体１０１、１０２に対して９０°機
械的角度がずれており、エンドリング１０７、１０８に
よりもう１つの閉回路を構成している。この機械的角度
は９０°以外でもよいが、対称になるように配置しない
とスロットリプル等の回転時のアンバランス等の問題が
生じる。
【００４７】これら２つの閉回路を、第２の実施例に示
したように、絶縁するためエンドリングを軸方向に分割
して１つの回転子を構成し、固定子側に２極巻線を施し
２極の回転磁界を発生すれば、その誘導電流によって２
つの閉回路からなる回転子は、２極の誘導電動機として
動作する。また、導体とエンドリングの接続方法は、図
１３（Ａ）、（Ｂ）で示すように、エンドリングを、円
周の１／２円弧として、周方向に分割した形で接続して
もよい。
【００４８】なお、２極の位置制御巻線の場合と同様
に、スロットリプルを低減させる等のため、多スロット
化構造として、例えば、図１４に示すように、１つのエ
ンドリングで短絡される並列導体数を２本にすること
で、１閉回路当たりの導体数を多くする。また、図１５
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で示すように、３つの閉回路
を、互いに絶縁された状態で、各導体の間隔が等しくな
るように機械的角度で６０°ずつずらして配置し、これ
により１つの回転子を構成することで導体数を多くして
多スロット化してもよい。更に、図示しないが、並列導
体数を３本以上にしたり、閉回路数を４つ以上にして回
転子を構成してもよい。
【００４９】以上のような２極の回転子巻線を構成する
回転子の場合、駆動時には２極の磁界が発生する。一
方、固定子側では、４極の位置制御用巻線が設けられて
いるので、回転子がほぼ中心に位置している限りは回転
子巻線に位置制御用巻線による誘導電流はほとんど流れ
ない。すなわち、固定子の４極巻線を位置制御用巻線と
して用い、２極巻線を回転子巻線として用いる場合に
は、位置制御用巻線と回転子巻線の相互インダクタンス
が０あるいはきわめて小さい。
【００５０】また、以上の各実施例では、固定子側に設
けられた図示しない位置制御用巻線が、半径方向に回転
子を位置制御するものであったが、固定子や回転子を図
１６や図１７で示すように、コーン形やスタガ形とする
ことにより、軸方向にも回転子の位置制御を行うように
してもよい。例えば、図１６のコーン形では、回転子１
１０の両側が略円錐形状に形成されており、この周面と
対向するように固定子鉄心１１２の内側周面が形成され
ている。従って、固定子巻線１１２によって矢印Ｓで示
す方向に磁力が作用し、１つの固定子鉄心１１２の磁力
を制御することで、半径方向のみならず、軸方向にも回
転子１１０の位置制御を行うことができる。一方、図１
７のスタガ形では、回転子１１４の端面１１４ａがそれ
ぞれ固定子鉄心１１６の中心からずれており、このずれ
で矢印Ｔで示す方向に磁力が作用する。なお、以上の各
実施例では、電磁回転機械が誘導電動機の場合について
説明したが、本発明は、誘導発電機にも適用可能であ
る。
【００５１】
【発明の効果】請求項１〜３記載の電磁回転機械では、
回転子のかご形導体で前記位置制御用巻線との間の相互
インダクタンスが０となる極数の閉回路を構成している
ので、位置制御用巻線における電流と発生する電磁力と
の位相遅れを極めて小さくすることが可能である。ま
た、位置制御用巻線の電流が回転子巻線に流れ込むこと
がきわめて少ないので、回転子で発熱を効果的に防止で
きる。請求項４記載の電磁回転機械では、補強リング
が、その剛性によって、エンドリングに対し遠心力に抗
じる力を働かせるので、回転時にエンドリングが分解す
ることなく一体的に回転させることができる。従って、
より一層の高速回転化を図ることができる。請求項５記
載の電磁回転機械では、導体に対して働くトルクが、エ
ンドリングを介して回転シャフトに伝達されるので、発
生トルクを効率良く出力することができる。請求項６記
載の電磁回転機械では、エンドリングによって並列に接
続された複数の導体毎に短絡路が形成されるで、少ない
エンドリングで多数のスロットを回転子に設けることが
できる。すなわち、スロットリプルの少ない回転子を簡
単な構造で実現することができる。請求項７記載の電磁
回転機械では、空間高調波を減少させることができ、ト
ルクリプル、振動などを減少させることができる。請求
項８及び９記載の電磁回転機械では、１つの固定子巻線
で半径方向と軸方向に回転子の位置制御を行うことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による電磁回転機械の回
転子を示した図であり、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は正
面図である。
【図２】同回転子の回転子鉄心の形状を示した図であ
る。
【図３】同回転子におけるエンドリングの形状を示した
図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。
【図４】内側のエンドリングのみを取り付けた状態にお
ける同回転子の正面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、４極の回転子巻線の構造を
各閉回路毎に示した概略図、（Ｃ）、（Ｄ）は、同回転
子巻線の他の構造例を示した概略図である。
【図６】並列導体数を２本にした場合の４極の回転子巻
線の構造を示した概略図である。
【図７】３つの閉回路を有する４極の回転子巻線の構造
を各閉回路毎に示した概略図である。
【図８】４極巻線におけるスロット数と閉回路数と極数
との関係を示した表である。
【図９】本発明の第２の実施例による電磁回転機械の回
転子を示した側断面図である。
【図１０】同回転子におけるエンドリングの形状を示し
た正面図である。
【図１１】同回転子におけるエンドリングの他の形状を
示した正面図である。
【図１２】２極の回転子巻線の構造を示した概略図であ
る。
【図１３】２極の回転子巻線の構造を示した概略図であ
る。
【図１４】並列導体数が２本の場合における２極の回転
子巻線の構造を示した概略図である。
【図１５】３つの閉回路を有する２極の回転子巻線の構
造を各閉回路毎に示した概略図である。
【図１６】回転子や固定子の他の形状例を示した説明図
である。
【図１７】回転子や固定子の他の形状例を示した説明図
である。
【図１８】磁気軸受の構成を示した概略図である。
【図１９】位置制御用巻線付き電磁回転機械の構成を示
した概略図である。
【図２０】位置制御用巻線による位置制御の原理を示し
た説明図である。
【符号の説明】
５０ 回転子 ５２ 回転子鉄心 ５２ａ スロット ５２ｂ 内穴 ５４、５４ａ、５４ｂ 導体 ５６、５８ エンドリング ５６ａ、５８ａ スロット ５６ｂ、５８ｂ 凹所 ５６ｃ、５８ｃ 溝 ６０ 補強リング ９１、９２、９３、９４ エンドリング ９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ 導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千葉 明 東京都新宿区下落合１−８−14落合マンシ ョン707 (72)発明者 深尾 正 神奈川県横浜市緑区松風台24−45 (72)発明者 前島 靖 千葉県習志野市屋敷４丁目３番１号 セイ コー精機株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固定子鉄心にトルク発生用の固定子巻線
    が設けられた固定子と回転子鉄心を有する回転子との間
    の電磁誘導によって駆動する電磁回転機械であって、 前記固定子の固定子鉄心に設けられ、前記固定子巻線と
    異なる極数を有することで前記回転子に対して半径方向
    と軸方向の少なくとも一方に磁力を作用させる位置制御
    用巻線と、 前記回転子の回転子鉄心に設けられ、エンドリングが分
    割されたことで、前記位置制御用巻線との相互インダク
    タンスが０となる極数の閉回路を構成したかご形導体と
    を具備することを特徴とする電磁回転機械。
  2. 【請求項２】 前記固定子巻線が４極、前記位置制御巻
    線が２極である場合に、 前記かご形導体は、４極の閉回路を構成したことを特徴
    とする請求項１記載の電磁回転機械。
  3. 【請求項３】 前記固定子巻線が２極、前記位置制御巻
    線が４極である場合に、 前記かご形導体は、２極の閉回路を構成したことを特徴
    とする請求項１記載の電磁回転機械。
  4. 【請求項４】 前記エンドリングは、周方向に分割され
    ることで前記閉回路を構成し、分割された各エンドリン
    グは円環状の補強リングによって互いに固定されたこと
    を特徴とする請求項１記載の電磁回転機械。
  5. 【請求項５】 前記固定子は、軸状の回転シャフトを有
    し、 前記エンドリングは、軸方向に分割されることで前記閉
    回路を構成し、前記回転シャフトに対し直接取り付けら
    れたことを特徴とする請求項１記載の電磁回転機械。
  6. 【請求項６】 前記かご形導体の各磁極は、並列に接続
    された複数の導体によって構成されたことを特徴とする
    請求項１記載の電磁回転機械。
  7. 【請求項７】 前記回転子は、前記回転子鉄心にスキュ
    ーが設けられていることを特徴とする請求項１記載の電
    磁回転機械。
  8. 【請求項８】 前記位置制御用巻線は、互いに対向した
    前記回転子鉄心と前記固定子鉄心の周面が軸線方向に対
    して傾斜していることで、前記回転子に対して軸方向に
    磁力を作用させることを特徴とする請求項１記載の電磁
    回転機械。
  9. 【請求項９】 前記位置制御用巻線は、前記回転子鉄心
    の端部における軸方向の位置が前記固定子鉄心の端部よ
    り内側にずれていることで、前記回転子に対して軸方向
    に磁力を作用させることを特徴とする請求項１記載の電
    磁回転機械。
JP7046428A 1995-02-09 1995-02-09 電磁回転機械 Expired - Lifetime JP2670986B2 (ja)

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