JPH1098843A

JPH1098843A - 回転電機

Info

Publication number: JPH1098843A
Application number: JP24981396A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Ohara; 光一郎大原; Takashi Yasuhara; 隆安原; Hiromitsu Fuku; 裕光富久; Yukiro Endo; 幸郎遠藤; Izumi Shimizu; 泉清水; Yoshiharu Saito; 嘉治斉藤; Kaoru Ogawa; 薫小川; Yoichiro Asano; 洋一郎浅野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】導体バーに良導電率材を用いても回転子表面
損を低減し、すべりが小さく、効率のよい回転電機を提
供する。【解決手段】かご形巻線用のスロット７ｄを形成した
薄板の電磁鋼板５ａを所定枚数積層して成形される積層
鉄心と、該積層鉄心のかご形巻線用スロット７ｄに、軸
方向に沿って挿通される導体バー７ａと、当該導体バー
の両端に接続されるエンドリングとからなるかご形巻線
部を有する回転子を具備する回転電機において、前記導
体バー７ａは、その径方向に同一材料または異なる材料
からなる導体で包み重ねて半径方向に多層になるように
構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、比較的小容量の誘
導電動機などで、かご形巻線部を備えた回転子を有し、
特に、高効率化を図るのに好適な回転電機の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図８および図９を用いて従来の誘導電動
機の回転子の構造を説明する。図８は、従来の誘導電動
機を説明する上半分を破断した全体図であり、図９は、
この誘導電動機に用いる回転子鉄心の構造を説明する断
面図である。誘導電動機は、後述の回転子および固定子
等を収容するハウジング１と、該ハウジング１の両側を
閉塞するエンドブラケット２Ａ，２Ｂと、固定子３と、
前記エンドブラケット２Ａ，２Ｂに取り付けられた軸受
４Ａ，４Ｂと、回転子５と、回転子５が取り付けられて
いる回転軸６と、エンドリング７と、内部ファン８と、
外部ファン９と、エンドカバー１０とから構成されてい
る。

【０００３】ハウジング１は、鋳鉄など鉄系材料を鋳造
することによって、ほぼ筒状に成形されて誘導電動機の
外被を構成している。ハウジング１の外周には、放熱フ
ィン１ａがその軸方向に沿って、放射状に一体的に成形
されている。ハウジング１の両側の開口部には、エンド
ブラケット２Ａ、２Ｂが、たとえば、それぞれ嵌合され
るように取り付けられている。固定子３は、電磁鋼板を
複数枚積層して形成された固定子鉄心３ａと、この固定
子鉄心３ａの内周部に複数成形されたスロット部に巻回
された固定子コイル３ｂとで構成され、ハウジング１の
内周部に嵌合しかつ固定されている。

【０００４】回転子５は、回転軸６の外周部に取り付け
られるとともに、固定子３と対向した位置に取り付けら
れ、その両端面に、図示されていない導体バーに接続さ
れたエンドリング７を有する。さらに、回転子５は、前
記エンドリング７と一体的に形成された内部ファン８を
有している。回転子５を構成する回転子鉄心５ａは、た
とえば、図９に示す導体バー７ａを挿入するスロット７
ｄが成形された電磁鋼板を積層して構成される。回転軸
６は、エンドブラケット２Ａ、２Ｂに対し軸受４Ａ、４
Ｂを介し回転自在に保持されている。また、回転軸６の
一端部（図８において右側）は、エンドブラケット２Ｂ
を挿通して外部に突出し、出力軸をなしており、その他
端部（図８において左側）は、エンドブラケット２Ａを
挿通して外部ファン９が装着されている。

【０００５】エンドカバー１０は、外部ファン９を覆う
もので、その一側面に外気を取り込むための開孔１０ａ
が形成され、該開孔１０ａと反対側は、開放された円筒
形に形成され、エンドブラケット２Ａに組み付けたと
き、エンドブラケット２Ａおよびハウジング１の外径部
との間に径方向の隙間部１０ｂが形成される。上記外部
ファン９によって発生した風は、上記隙間部１０ｂから
放熱フィン１ａの間を通過しながら、ハウジング１を冷
却する。

【０００６】このような構成の回転電機は、予め固定子
３をハウジング１の内周壁に嵌合して固定しておき、そ
の後、この固定子３内に回転軸６を有する回転子５が挿
入される。そして、軸受４Ａ、４Ｂが固定されたエンド
ブラケット２Ａ、２Ｂには、ハウジング１の両端がそれ
ぞれ嵌合され、図示されていない複数本のボルトによっ
て、ハウジング１に取り付けられる。そして、回転軸６
の駆動により外部ファン９が回転すると、その回転力に
よりエンドカバー１０の開孔１０ａから、図８における
矢印（イ）の如く、外気が吸い込まれ、吸い込まれた空
気は、隙間部１０ｂからエンドカバー１０の他端側の外
部に吹き出され、エンドブラケット２Ａ、ハウジング１
の放熱フィン１ａ、エンドブラケット２Ｂの表面を通風
することにより、冷却作用が得られるようにしている。

【０００７】一方、回転電機の内部で回転子５が回転す
ると、回転子に取り付けられた内部ファン８が回転して
内部空気を循環流通させ、回転子５、エンドリング７、
固定子コイル３ｂおよび固定子鉄心３ａを冷却しながら
通過した後、ハウジング１に比べ、比較的温度上昇の低
いエンドブラケット２Ａ、２Ｂの内側を通過することに
より冷却される。なお、この種に関連する公知技術の例
として、特開昭６１−２５１４４０号公報、特開平３−
９８４４２号公報等が挙げられる。

【０００８】たとえば、上記特開平３−９８４４２号公
報におけるかご形回転子の製造方法は、積層された鉄心
にスロットを打ち抜く。その後、前記スロットには、同
一形状のパイプが挿入される。次に、ローターを金型に
セットした後、溶解した導体材料をプランジャーにより
鋳込んでいる。上記発明は、導体バーとエンドリングと
を溶解した導体材料で鋳込んでいるため、作製が簡単容
易になったというものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の回転子は、一般
に、薄い電磁鋼板を積層して回転子鉄心を形成し、この
回転子鉄心の外周付近に設けたスロットに、たとえばア
ルミニウム製の導体バーをダイカスト鋳造により鋳造し
ていた。したがって、上記回転子のかご形巻線は、導体
バーとエンドリングとが鋳造により一体に成形されてい
た。ところで、誘導電動機の固定子に通電することによ
り発生した回転磁界の変化する磁束が回転子鉄心に入る
時、回転子スロット内を縦の方向に通る磁束と回転子導
体とが鎖交して渦電流が生じる。前記縦の方向に通る磁
束のうち、波形の歪に起因する高調波成分は、回転子表
面近傍で顕著であることから、渦電流損は、回転子導体
バーの外周表面で多く発生する。

【００１０】つまり、この渦電流は、導体バーの回転子
表面付近に多く流れる。また、渦電流は、導体バーの導
電率が小さいとき程大きくなり、ジュール熱となって、
電力を消費するいわゆる回転子の表面損が発生して、回
転子表面の温度を上昇させる。すなわち、二次側の銅損
が発生する。このため、従来の誘導電動機は、すべりが
大きくなり、効率の低下を来すという問題があった。

【００１１】本発明は、上記した課題を解決しようとす
るもので、導体バーに良導電率材を用いても渦電流の発
生を抑制することができ回転子表面損が低減し、すべり
が小さく、効率のよい回転電機を提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

（第１発明）前記目的を達成するために、本発明の回転
電機は、かご形巻線用のスロットが成形された薄板の電
磁鋼板を所定枚数積層した積層鉄心５ａと、該積層鉄心
５ａのかご形巻線用のスロット７ｄに回転軸方向に沿っ
て挿通される導体バー７ａと、該導体バー７ａの両端に
接続されたエンドリングとからなるかご形巻線部を有し
て回転子５を構成するもので、前記導体バー７ａは、複
数の導体を導体バー７ａの半径方向に包み重ねて多層に
構成したことを特徴とする。

【００１３】（第２発明）本発明の回転電機における導
体バーは、絶縁層７４を介して多層に構成したことを特
徴とする。

【００１４】（第３発明）本発明の回転電機における導
体バーは、回転子の外径方向に向かうに従って抵抗値が
大きくなるように構成したことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の回転電機における回転子
は、かご形巻線用のスロットが形成された薄板の電磁鋼
板を所定枚数積層して成形される積層鉄心と、該積層鉄
心のかご形巻線用のスロットに軸方向に沿って挿通され
る導体バーと、当該導体バーの両端に接続されるエンド
リングとからなるかご形巻線部を有している。上記回転
子における導体バーは、その径方向に導体で包み重ねて
半径方向に多層になるように構成されている。また、前
記導体バーは、絶縁層を介して多層になるように構成さ
れている。さらに、前記導体バーは、回転子の外径方向
に向かうに従って抵抗値が大きくなるように構成されて
いる。

【００１６】上記回転電機は、固定子コイルに通電して
発生した回転磁界の磁束が、回転子鉄心に入る時、回転
子スロット内を縦の方向に通る磁束と回転子導体とが鎖
交して渦電流を発生させる。前記渦電流は、縦の方向に
通る磁束のうち波形の歪に起因する高調波成分が回転子
表面近傍で顕著であることから、回転子導体バーの外周
表面で多く発生する。つまり、この渦電流は、導体バー
の回転子表面付近に多く流れ、また、導体バーの導電率
が小さい部分程大きくなり、ジュール熱となって電力消
費する銅損いわゆる回転子の表面損が発生して、回転子
表面の温度を上昇させる。

【００１７】本発明は、導体バーを軸方向に直角な断面
において多層に構成したので、各層の導体バーに生じた
渦電流が、相互に影響し合う結果、低減する。また、同
一スロット内における導体バーは、電気的絶縁層を介し
て多層に形成されると、層ごとに渦電流の回路が独立す
ることで、層間で渦電流を打ち消し合う作用がより拡大
する。一般に、すべりが最大の誘導電動機の始動時に
は、二次周波数は一次周波数に等しいから、いわゆる表
皮効果が最も著しく、導体バーの径方向表面に電流が多
く流れる。本発明によれば、導体バーは、半径方向に向
かって抵抗値が大きくなるように形成されているので、
始動時における電流が制限されて小さくなる。しかも、
始動トルクは大きくなる。一方、運転状態ではすべりが
小さくなるので、二次電流の分布は均一となり、二次低
抵抗の電動機となる。以上のように、本発明によれば、
回転子表面損失が小さい、すなわちすべりが小さく高効
率の誘導電動機を得ることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図６を用
いて説明する。図１は、本発明にかかる回転電機におけ
る上半分を破断した全体図である。図２は、本発明にか
かる回転電機の回転子および多層導体バーの構造を説明
する断面図である。図３は、本発明にかかる多層導体バ
ーの第一の実施例を説明する断面図であり、図４は、本
発明にかかる多層導体バーの第二の実施例を説明する断
面図である。図５は、本発明にかかる多層導体バーの第
三の実施例を説明する断面図であり、図６は、本発明に
かかる多層導体バーの第四の実施例を説明する断面図で
ある。

【００１９】図１において、誘導電動機は、後述する回
転子および固定子等を収容するハウジング１と、当該ハ
ウジング１の両側を閉塞するエンドブラケット２Ａ，２
Ｂと、固定子３と、前記エンドブラケット２に取り付け
られた軸受４Ａ，４Ｂと、回転子５と、回転子５が取り
付けられている回転軸６と、エンドリング７と、外部フ
ァン９と、エンドカバー１０とから構成されている。

【００２０】ハウジング１は、例えば、鋳鉄など鉄系材
料、あるいはアルミニウム系材料を鋳造することによっ
て、ほぼ筒状に成形されて誘導電動機の外被を構成して
いる。ハウジング１の外周には、放熱フィン１ａがその
軸方向に沿って、放射状に一体的に成形されている。ハ
ウジング１の両側の開口部には、エンドブラケット２
Ａ，２Ｂが、たとえば、それぞれ嵌合されるように取り
付けられている。固定子３は、電磁鋼板を複数枚積層し
て形成された固定子鉄心３ａと、この固定子鉄心３ａの
内周部に複数成形されたスロット部に巻回された固定子
コイル３ｂとで構成され、ハウジング１の内周部に嵌
合、たとえば、焼き嵌めし、かつ固定されている。

【００２１】回転子５は、回転軸６の外周部に取り付け
られるとともに、固定子３と対向した位置に取り付けら
れ、その両端面に、導体バー７ａと、該導体バー７ａに
接続されたエンドリング７ｂ，７ｃとを有する。回転子
５を構成する回転子鉄心５ａは、例えば、図２に示す導
体バー７ａを挿入するスロット７ｄが成形された電磁鋼
板を積層して構成される。回転軸６は、エンドブラケッ
ト２Ａ，２Ｂに対し軸受４Ａ，４Ｂを介し回転自在に保
持されている。また、回転軸６の一端部（図１において
右側）は、エンドブラケット２Ｂを挿通して外部に突出
し、出力軸をなしており、その他端部（図１において左
側）は、エンドブラケット２Ａを挿通して外部ファン９
が装着されている。

【００２２】エンドカバー１０は、外部ファン９を覆う
もので、その一側面に外気を取り込むための開孔１０ａ
が形成され、該開孔１０ａと反対側は、開放された円筒
形に形成され、エンドブラケット２Ａに組み付けたと
き、エンドブラケット２Ａおよびハウジング１の外径部
との間に径方向の隙間部１０ｂが形成される。上記外部
ファン９によって発生した風は、上記隙間部１０ｂから
放熱フィン１ａの間を通過しながら、ハウジング１を冷
却する。

【００２３】図２を用いて、本発明にかかる回転電機で
用いられる導体バー７ａの構造を詳述する。図２に示さ
れている導体バー７ａは、軸方向に直角な断面で同一材
料を用いて多層に包み重ねた形に形成され、回転子鉄心
５ａのスロット７ｄに挿入されて回転子５を構成してい
る。

【００２４】図３に上記第一の実施例の導体バーの断面
形状を拡大して示す。図３に示されるように、第一の実
施例の導体バー７ａは、中心となる導体７３を同一材料
からなる中殻となる導体７２で包み重ね、さらに、その
上に外殻となる導体７１を包み重ねて、径方向に多層に
なるように形成されている。第一実施例は、導体７１，
７２，７３の３層で形成された例が示されているが、こ
の層数の数に限定されるものではない。このような多層
構造の導体バー７ａを形成する各導体７１，７２，７３
は、それぞれ線材を図示を省略したダイを用いて引き出
すことなどの周知の方法を用いることによって簡単に製
作することができる。導体バー７ａの材料としては、銅
やアルミニウム、あるいはこれらの合金がよいが、電気
導電率のよい非磁性体なら特に制限はない。導体７１，
７２，７３の表面には、引き出し成形によって表面に自
然に酸化膜ができるので、上記構造の導体バー７ａは、
渦電流の発生が制限された、効率のよい回転電機ができ
る。

【００２５】図４に第二の実施例の導体バー７ａの構造
を示す。この導体バー７ａは、第一の実施例と同様に、
多層構造になっている。第二の実施例が第一の実施例と
異なるところは、導体７１と導体７２の間、および導体
７２と導体７３の間に絶縁層７４を設けた構造になって
いる点である。例えば、絶縁層７４は、導体７１または
導体７２の材質が銅の場合、その表面に形成した酸化被
膜であり、アルミニウムの場合、その表面に形成した四
三酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄)系の酸化被膜が良好である。ま
た、第二実施例の変形例としては、導体７１，７２，７
３の材質を変えることもできる。

【００２６】図５に第三の実施例の導体バー７ａの構造
を示す。この実施例は、第一の実施例に示した導体バー
７ａにおいて、回転子の外周に近い位置にある導体バー
部分の導体７６と回転子の中心に近い位置にある導体バ
ー部分の導体７７とを、抵抗値が異なる材質で構成し、
接合面７５で接合して構成している。ここで導体７６の
固有抵抗は導体７７の固有抵抗より大きくされている。
すなわち、第三の実施例における導体バー７ａは、その
抵抗値が回転子の外径に向かうに従って大きくなるよう
に構成されている。第三の実施例における材質は、例え
ば、導体７６にアルミニウムあるいはアルミニウム合金
を用い、導体７７に銅を用いている。つまり、導体７６
には導体７７より高い固有抵抗の材料が用いられる。

【００２７】図６に第四の実施例の導体バー７ａの構造
を示す。この導体バー７ａは、回転子の中心側に位置す
る導体を第三の実施例における多層化した導体７７に代
えて、単層の導体７８を使用している。そして、単層の
導体７８は、第三実施例と同様に、導体７６より小さい
固有抵抗を有する材料を用いて構成している。

【００２８】次に、本発明の作用を説明する。図７を用
いて本発明にかかる回転電機の導体バー近傍における漏
れ磁束と渦電流について説明する。図７は、固定子鉄心
と回転子鉄心および回転子導体部分の磁束の状態を説明
する図である。誘導電動機の固定子３のコイルに通電す
ることにより発生した磁束は、回転子鉄心５ａに入り、
回転子スロット内を縦の方向に通る磁束と導体バー７ａ
とが鎖交して導体バー７ａ内に渦電流が発生する。正弦
波電圧が与えられて固定子に発生した変化する磁束は、
固定子鉄心および回転子鉄心ならびに間隙の形状などの
磁路の形状などに起因して歪んだ正弦波、すなわち、高
調波成分を含んだ磁束となる。前記縦の方向に通る磁束
のうち波形の歪に起因する高調波成分は基本波に比較し
て渦電流の発生が顕著となることから、高調波成分に起
因する渦電流は、回転子の外周近傍の導体バー７ａの外
周表面で多く発生する。つまり、高調波成分によって生
じる渦電流は、導体バー７ａの回転子表面付近に多く流
れ、また導体バー７ａの導電率が小さいとき程大きくな
り、ジュール熱となって電力を消費するいわゆる回転子
の表面損（銅損）が発生して、回転子表面の温度が上昇
する。本発明は、導体バー７ａを軸方向に直角な断面で
多層となるように構成しているので、各層の導体バー７
ａに生じる渦電流は、隣接する層に生じる渦電流と相互
に影響し合い（打ち消し合い）低減する。この作用は、
同一スロット内における導体バー７ａを、電気的絶縁層
を介して多層に形成することによって、各層ごとに渦電
流の回路が独立し、層間で渦電流を打ち消し合う作用が
より拡大する。

【００２９】一般に、誘導電動機の始動時には、二次周
波数は一次周波数に等しいから、いわゆる表皮効果が最
も著しく、導体バー７ａの回転子の外径方向表面に電流
が多く流れる。本発明は、導体バー７ａを回転子の外径
方向に向かって抵抗値が大きくなるように形成している
ので、始動時に導体バーの回転子の外径方向表面に流れ
る電流が制限されて小さくなり、始動トルクが大きくな
る。一方、運転状態ではすべりが小さいので、二次電流
の分布は均一となり、磁束は回転子の表面のみならず回
転子の中心に近い部分にまで達し、導体バーの低い抵抗
値の部分にまで達するので二次低抵抗の電動機となる。
以上のように、本発明によれば、回転子表面損失が小さ
い、すなわち、すべりが小さく高効率の誘導電動機を提
供することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回
転子の導体バーをその半径方向に同一材料または異なる
材料からなる導体で包み重ねて多層構造にしたので、渦
電流の発生を減少させることができ、効率のよい回転電
機を得ることができた。本発明によれば、回転子の導体
バーを半径方向に包み重ねて多層構造とする際に、各導
体バー間に絶縁層を介在させたので、各導体間で渦電流
の発生を抑え、効率のよい回転電機を得ることができ
た。本発明によれば、回転子の導体バーを半径方向に包
み重ねるとともに、回転子の外径方向に向かうに従って
抵抗値が大きくなるようにしたので、高調波成分に基づ
く渦電流の発生を抑え、回転子表面損を低減することが
できる。その結果すべりが小さい効率のよい回転電機を
得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる導体バーを用いた回転電機の構
造を説明する上半分を破断した全体図。

【図２】図１に示した回転電機の回転子の構造を説明す
る断面図。

【図３】本発明にかかる多層導体バーの構造を説明する
断面図。

【図４】本発明の第二の実施例にかかる多層導体バーの
構造を説明する断面図。

【図５】本発明の第三の実施例にかかる多層導体バーの
構造を説明する断面図。

【図６】本発明の第四の実施例にかかる多層導体バーの
構造を説明する断面図。

【図７】本発明にかかる回転電機の漏れ磁束と渦電流を
説明する断面図。

【図８】従来の誘導電動機の構造を説明する上半分を破
断した全体図。

【図９】従来の誘導電動機の回転子の構造を説明する断
面図。

【符号の説明】

１ハウジング２エンドブラケット３固定子４軸受５回転子５ａ回転子鉄心６回転軸７ａ導体バー７ｂ，７ｃエンドリング７ｄスロット７１，７２，７３導体７４絶縁層７５接合面７６，７７抵抗値の異なる導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠藤幸郎千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者清水泉東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者斉藤嘉治東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内 (72)発明者小川薫千葉県習志野市東習志野７丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者浅野洋一郎東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】かご形巻線用のスロットが成形された薄
板の電磁鋼板を所定枚数積層した積層鉄心と、該積層鉄
心のかご形巻線用のスロットに回転軸方向に沿って挿通
される導体バーと、該導体バーの両端に接続されたエン
ドリングとからなるかご形巻線部を有して回転子を構成
する回転電機において、前記導体バーを、複数の導体を
導体バーの半径方向に包み重ねて導体バーの径方向に多
層に構成したことを特徴とする回転電機。
【請求項２】導体バーを、絶縁層を介して多層に構成
したことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】導体バーを、回転子の外径方向に向かう
に従って抵抗値が大きくなるように構成したことを特徴
とする請求項１または請求項２記載の回転電機。