JPWO2016080284A1 - 誘導電動機 - Google Patents

Abstract

実施形態の誘導電動機は、固定子と、回転子と、を持つ。固定子は、複数の固定子スロットを有する固定子鉄心に、固定子コイルが配置されている。回転子の回転子鉄心は、複数の回転子ティースと、複数の回転子ティースの間に形成され、回転子導通部が配置される回転子スロットと、を持つ。回転子ティースは、ティース本体部と、鍔部と、を持つ。ティース本体部は、回転子鉄心の径方向に沿って延びる。鍔部は、ティース本体部の先端から回転子鉄心の回転方向に沿って延びる。そして、鍔部における径方向外側の外周面の少なくとも一部に、窪み面が形成されている。窪み面は、回転方向先端に向かうに従い、ティース本体部の径方向外側の端面よりも固定子鉄心から離間している。また、鍔部は、回転方向先端に向かうに従い、先細りになっている。

Description

本発明の実施形態は、誘導電動機に関する。

誘導電動機としては、いわゆるかご形回転子を用いたかご形誘導電機が知られている。このかご形誘導電動機は、複数の固定子スロットを有する略円筒状の固定子鉄心に、固定子コイルが配置された固定子と、固定子よりも径方向内側に設けられ、固定子に対して回転自在に設けられた回転子と、により構成されている。

回転子は、回転軸と、この回転軸に外嵌固定された回転子鉄心と、を有している。回転子鉄心には、径方向に沿って延びる複数の回転子ティースが放射状に配置されており、周方向で隣接する回転子ティース間に、回転子スロットが形成されている。この回転子スロットに、回転子バー（導体バー）が配置されている。回転子バーの軸方向両端には、回転軸の周囲を取り囲むように環状に形成されたエンドリング（端絡環）が設けられている。これら回転子バーやエンドリングは、二次導体として構成される。
そして、回転子は、固定子側に発生する磁界と、この磁界により二次導体に生じる誘導電流との相互作用によって回転する。

ところで、近年、誘導電動機の効率規制（トップランナー規制）が進められている。また、例えば鉄道車両の主電動機用として用いられる誘導電動機においても、省エネルギー化や低騒音化、さらなる小型化などの観点から効率向上が進められている。
ここで、誘導電動機の小型化、高トルク化を図る場合、固定子鉄心と回転子鉄心との間に形成される空隙部の磁束密度を高める必要がある。しかしながら、空間高調波成分も多くなり、それによる高調波二次銅損（回転子側の銅損）も大きくなってしまい、モータ特性が悪化してしまう可能性があった。

日本国特開２０１１−０８７３７５号公報 日本国特開平９−２８９７６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、損失低減などモータ特性を向上させ、小型化、高効率化を図ることができる誘導電動機を提供することである。

実施形態の誘導電動機は、固定子と、回転子と、を持つ。固定子は、複数の固定子スロットを有する固定子鉄心に、固定子コイルが配置されている。回転子は、固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心を持つ。回転子鉄心は、複数の回転子ティースと、複数の回転子ティースの間に形成され、回転子導通部が配置される回転子スロットと、を持つ。回転子ティースは、ティース本体部と、鍔部と、を持つ。ティース本体部は、回転子鉄心の径方向に沿って延びる。鍔部は、ティース本体部の先端から回転子鉄心の回転方向に沿って延びる。そして、鍔部における径方向外側の外周面の少なくとも一部に、窪み面が形成されている。窪み面は、回転方向先端に向かうに従い、ティース本体部の径方向外側の端面よりも固定子鉄心から離間している。また、鍔部は、回転方向先端に向かうに従い、先細りになっている。

第１の実施形態の誘導電動機を示す概略構成図。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。 図２のＢ部拡大図。 第１の実施形態の回転子銅損の相対値の変化を示すグラフ。 第２の実施形態の誘導電動機を示す概略構成図。 図５のＤ−Ｄ線に沿う断面図。 第３の実施形態の誘導電動機を示す概略構成図。 図８のＨ−Ｈ線に沿う断面図。 第４の実施形態の誘導電動機を示す概略構成図。 第５の実施形態の鍔部を示す拡大平面図。

以下、実施形態の誘導電動機を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１〜図４に基づいて、第１の実施形態について説明する。
図１は、誘導電動機１の概略構成図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１、図２に示すように誘導電動機１は、略円筒状の固定子２と、固定子２よりも径方向内側に配置され、固定子２に対して回転自在に設けられた回転子３と、を備えている。
なお、以下の図では、説明を分かり易くするために各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明では、回転子２の軸方向を単に軸方向と称し、回転子２の回転方向を周方向と称し、回転子２の径方向を単に径方向と称して説明する。

固定子２は、略円筒状の固定子鉄心４を有している。固定子鉄心４は、例えば複数の電磁鋼板を軸方向に沿って積層したものである。固定子鉄心４は、その軸方向両端が固定子鉄心押え４ａによって保持されている。なお、電磁鋼板は、鉄にケイ素を添加することによって製造される薄板の鋼板である。

固定子鉄心４の内周面側には、固定子鉄心４の径方向中心に向かって突出する複数の固定子ティース５が形成されている。これら固定子ティース５は、周方向に沿って等間隔に配置されている。また、周方向に隣接する固定子ティース５間に、それぞれ固定子スロット６が形成される。そして、各固定子スロット６に、固定子コイル７が配置されている。

回転子３は、固定子鉄心４の径方向中心に配置され、不図示の軸受によって回転自在に支持された回転軸８を有している。回転軸８の固定子鉄心４に対応する位置には、略円柱状の回転子鉄心９が外嵌固定されている。回転子鉄心９は、例えば複数の電磁鋼板を軸方向に沿って積層したものである。回転子鉄心９の径方向内側には、回転軸８を挿入、または圧入可能な貫通孔９ａが形成されている。この貫通孔９ａに、回転軸８が挿入されている。

また、回転子鉄心９の外周面側には、径方向外側に向かって突出する複数の回転子ティース１０が形成されている。これら回転子ティース１０は、周方向に沿って等間隔に、放射状に配置されている。また、回転子ティース１０は、断面略Ｔ字状に形成されている。回転子ティース１０は、径方向に沿って延びるティース本体部１１と、ティース本体部１１の先端から周方向に沿って延びる鍔部１２と、により構成されている。

図３は、図２のＢ部拡大図である。
同図に詳示するように、鍔部１２には、径方向外側の外周面に窪み部１６が設けられている。窪み部１６は、回転子ティース１０の軸方向全体に渡って設けられている。窪み部１６を設けることにより、鍔部１２は、この鍔部１２の外周面とティース本体部１１の側面の延長線Ｌとが交差する点を基点Ｐとして、周方向の先端に向かうに従って徐々に先細りとなるように形成されている。
ここで、窪み部１６とは、鍔部１２の外周面に形成され、基点Ｐから鍔部１２の周方向先端に向かうに従って徐々に、ティース本体部１１の径方向外側の端面よりも固定子鉄心９から離間するように形成された傾斜面１７のことである。なお、窪み部１６の作用については後述する。

図１に示すように、このように形成された回転子ティース１０間に、回転子スロット１３が形成されている。そして、この回転子スロット１３のティース本体部１１と鍔部１２とにより囲まれた箇所に、断面略矩形状の回転子バー１４が配置されている。回転子バー１４は、銅やアルミ等の導電体で、且つ非磁性体により構成されている。
また、回転子バー１４の軸方向両端には、それぞれ円環状のエンドリング１５が設けられている。このエンドリング１５も、回転子バー１４と同一の材料により構成されている。

次に、回転子ティース１０に形成された窪み部１６の作用について説明する。
まず、誘導電動機１の作動について説明する。
誘導電動機１を作動させるには、固定子コイル７に通電する。固定子コイル７に通電すると、固定子鉄心４に磁束が形成される。この磁束は、固定子ティース５を介して回転子ティースを通る。すると、回転子バー１４およびエンドリング１５に誘導電流が生じ、この誘導電流と固定子鉄心４に形成された磁束との相互作用によって回転子３が回転する。

ここで、回転子ティース１０には磁束が通るが、周方向に隣り合う回転子ティース１０間に形成されている回転子スロット１３には磁束があまり通らない。すなわち、回転子鉄心９の外周面でみると、回転子ティース１０が形成されている箇所と、回転子スロット１３が形成されている箇所とでは、磁束密度の変化が大きい。このような状態で回転子３が回転すると、回転子３の回転角に応じて磁束の変動が生じ、これが空間高調波となって高調波二次銅損（回転子バー１４の銅損）が大きくなってしまう。これは、回転子バー１４は、その漏れインダクタンス低減のため、回転子鉄心９の外周面側に配置されるが、この場合、回転子バー１４の径方向外側において空間高調波による影響が大きくなり、高調波二次銅損が増大するからである。

ここで、回転子ティース１０の鍔部１２には、窪み部１６が形成されている。このため、鍔部１２と固定子２との間隙は、鍔部１２の周方向の先端に向かうに従って徐々に大きくなる。換言すれば、鍔部１２は、先端に向かうに従って先細りとなるように形成されているので、鍔部１２には磁束が通りにくくなる。

このため、回転子ティース１０と回転子スロット１３との磁束密度の変化が急激な変化とならず、滑らかな変化となる。また、鍔部１２の周方向の先端側に磁束が通りにくくなる分、この先端側において径方向で対向している回転子バー１４の径方向外側の空間高調波による影響が小さくなる。
さらに、鍔部１２に窪み部１６を設けることにより、窪み部１６を設けない場合と比較して鍔部１２の先端側における漏れ磁束も減少し、漏れインダクタンスもあまり増減しない。

ここで、図４に基づいて、窪み部１６の形状と、高調波二次銅損（回転子バー１４の銅損（回転子銅損））との関係について詳述する。
図４は、縦軸を回転子銅損の相対値（％）とし、横軸を窪み部１６の深さの相対値（％）としたときの回転子銅損の相対値の変化を示すグラフである。なお、図４において、回転子銅損の相対値は、窪み部１６を設けない場合を１００％としている。また、窪み部１６の深さの相対値とは、窪み部１６を設けない場合を０％としている。すなわち、窪み部１６の深さの相対値が１００％とは、鍔部１２の径方向の肉厚分だけ、窪み部１６を形成したということになる。

図４に示すように、窪み部１６の深さの相対値が大きくなるほど、回転子銅損の相対値が小さくなることが確認できる。

したがって、上述の第１の実施形態によれば、鍔部１２の周方向の先端側に窪み部１６を設けることにより、回転子バー１４を回転子鉄心９の径方向内側寄りに配置することなく、回転子バー１４への空間高調波の影響による高調波二次銅損を低減できる。このため、小型、高効率な誘導電動機１を提供することができる。

（第２の実施形態）
次に、図３、図５、図６に基づいて、第２の実施形態について説明する。
図５は、第２の実施形態における誘導電動機２０１の概略構成図であって、前述の図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図に相当している。図６は、図５のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する（以下の実施形態についても同様）。
図５、図６に示すように、この第２の実施形態では、回転子ティース１０の鍔部１２に形成される窪み部１６（傾斜面１７）が、鍔部１２の軸方向全体に形成されておらず、回転子ティース１０の軸方向両端を避けた位置に形成されている。この点、前述の第１の実施形態と異なる。なお、回転子ティース１０の軸方向両端を避けた位置の断面形状（図５におけるＥ−Ｅ線に沿う断面の形状）は、前述の第１の実施形態における図３と同様である。

ここで、前述の第１の実施形態のように、回転子ティース１０の鍔部１２に窪み部１６を設けると、高調波二次銅損を低減できる一方、窪み部１６を設ける分、回転子鉄心９の剛性が弱まり、この回転子鉄心９における回転子バー１４の保持強度が弱まってしまう。
これに対し、本第２の実施形態のように、回転子ティース１０の鍔部１２のうち、軸方向両端を避けた位置に窪み部１６を形成することにより、鍔部１２の軸方向両端の剛性を高めることができる。

また、回転子鉄心９の軸方向両端では磁束漏れが生じるので、回転子鉄心９の軸方向中央部の高調波二次銅損と比較して、回転子鉄心９の軸方向両端の高調波二次銅損が小さい傾向にある。このため、回転子鉄心９の軸方向両端に窪み部１６が形成されていない場合であっても、回転子３の全体としては、高調波二次銅損を十分低減することが可能である。
したがって、上述の第２の実施形態によれば、回転子鉄心９の剛性を確保しつつ、高調波二次銅損を低減できる。

なお、鍔部１２において、窪み部１６を形成しない箇所の軸方向の幅は、任意に設定することが可能である。例えば、窪み部１６を形成しない箇所の軸方向の幅の設定方法として、以下のような方法が考えられる。
すなわち、窪み部１６の形成範囲が広ければ広いほど、高調波二次銅損を抑えることができる一方、窪み部１６が形成されていない範囲が広ければ広いほど、回転子鉄心９の剛性を高めることができる。このため、抑えたい高調波二次銅損の相対値（％）と確保したい回転子鉄心９の剛性とのバランスから、窪み部１６を形成しない箇所の軸方向の幅を設定する。

（第３の実施形態）
次に、図７、図８に基づいて、第３の実施形態について説明する。
図７は、第３の実施形態における誘導電動機３０１の概略構成図であって、前述の図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図に相当している。図８は、図７のＨ−Ｈ線に沿う断面図である。
図７、図８に示すように、この第３の実施形態では、回転子ティース１０の鍔部１２に形成される窪み部１６（傾斜面１７）の傾斜勾配が、軸方向中央に向かうに従って徐々に急勾配となるように設定されている。この点、前述の第１の実施形態と異なる。

なお、回転子ティース１０の軸方向両端の断面形状（図７におけるＦ−Ｆ線に沿う断面の形状）は、前述の第２実施形態における図６と同様である。また、回転子ティース１０の軸方向両端と軸方向中央との間で、且つこの間の軸方向中央の断面形状（図７におけるＧ−Ｇ線に沿う断面の形状）は、前述の第１の実施形態における図３と同様である。

ここで、前述の第２の実施形態で説明したように、高調波二次銅損は、回転子鉄心９の軸方向中央に向かうに従って大きくなる。このため、高調波二次銅損の大きさに対応するように、窪み部１６（傾斜面１７）の傾斜勾配を変化させることにより、効率よく高調波二次銅損を低減することができる。また、鍔部１２をできる限り切除しないように構成しているので、回転子鉄心９の剛性を確保でき、回転子鉄心９による回転子バー１４の保持力の低下を抑制できる。

（第４の実施形態）
次に、図９に基づいて、第４の実施形態について説明する。
図９は、第４の実施形態における誘導電動機４０１の概略構成図であって、前述の図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図に相当している。
図９に示すように、この第４の実施形態では、回転子ティース１０の鍔部１２に形成される窪み部１６が、軸方向に沿って間隔をあけて配置されている。この点、前述の第１の実施形態と異なる。

なお、回転子ティース１０の鍔部１２に窪み部１６が形成されている箇所の断面形状（図９におけるＩ−Ｉ線に沿う断面の形状）は、前述の第２実施形態における図６と同様である。また、回転子ティース１０の鍔部１２に窪み部１６が形成されていない箇所の断面形状（図９におけるＪ−Ｊ線に沿う断面の形状）は、前述の第１実施形態における図３と同様である。

鍔部１２に形成されている窪み部１６の軸方向の幅は、所定の幅に設定されている。そして、複数個（例えば、この実施形態では、４つ）の窪み部１６が、軸方向に沿って等間隔に配置されている。換言すれば、鍔部１２において、窪み部１６が形成されている箇所と、窪み部１６が形成されていない箇所とが軸方向に沿って交互に配置されている。

ここで、鍔部１２に窪み部１６を形成すると、高調波二次銅損を低減できる一方、等価的な空隙部磁気抵抗が増大するため、誘導電動機４０１の回転トルクが減少してしまう。このため、鍔部１２に、窪み部１６が形成されている箇所と、窪み部１６が形成されていない箇所とを交互に配置することで、高調波二次銅損を減少しつつ、誘導電動機４０１の回転トルクを確保することができる。

なお、上述の第４の実施形態では、軸方向の幅が所定の幅に設定された窪み部１６が、軸方向に沿って等間隔に配置されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、各窪み部１６の軸方向の幅を同一に設定しなくてもよい。また、各窪み部１６を、等間隔に配置しなくてもよい。

（第５の実施形態）
図１０は、第５の実施形態における鍔部１２の拡大平面図である。
同図に示すように、前述の第１の実施形態と第５の実施形態との相違点は、第１の実施形態における窪み部１６の形状と、第５の実施形態における窪み部５１６の形状とが異なる点にある。

より具体的には、第５の実施形態における窪み部５１６は、鍔部１２の外周面に形成され、鍔部１２の周方向先端に向かうに従って徐々に、ティース本体部１１の径方向外側の端面よりも固定子鉄心９から離間するように凹状に湾曲形成された面のことである。このように形成した場合であっても、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、窪み部５１６を、凹状とは逆に凸条に湾曲形成してもよい。換言すれば、窪み部５１６を、鍔部１２の外周面側に向かって膨出するように湾曲形成してもよい。

なお、上述の第１の実施形態から第４の実施形態では、窪み部１６，５１６が、鍔部１２の外周面とティース本体部１１の側面の延長線Ｌとが交差する点を基点Ｐ（図３参照）として、周方向の先端に向かうに従って徐々に先細りとなるように形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではない。つまり、図２、図３に示すように、固定子スロット６の幅方向中心と回転軸８の軸心Ｃ（回転子３の回転軸線；図１参照）とを通る直線ＣＬ１と、回転子スロット１３の幅方向中心と回転軸８の軸心Ｃとを通る直線ＣＬ２と、が同一直線上に位置した状態で、固定子スロット６を形成すると共に周方向で対向する２つの側面６ａ間ＡＲに、窪み部１６，５１６が設けられていればよい。つまり、図２、図３における斜線部に、窪み部１６，５１６が設けられていればよい。
このように構成することで、回転子ティース１０を通る磁束をできる限り確保してモータトルク性能が低下してしまうことを抑制しつつ、空間高調波の影響による高調波二次銅損を低減できる。

また、上述の実施形態では、誘導電動機１，２０１，３０１，４０１は、さまざまな用途に誘導電動機１，２０１，３０１，４０１を用いることが可能である。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、鍔部１２の周方向の先端側に窪み部１６，５１６や貫通孔１８を設けることにより、回転子バー１４を回転子鉄心９の径方向内側寄りに配置することなく、回転子バー１４への空間高調波の影響による高調波二次銅損を低減できる。このため、小型、高効率な誘導電動機を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら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。

１，２０１，３０１，４０１…誘導電動機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、７…固定子コイル、９…回転子鉄心、１０…回転子ティース、１１…ティース本体部、１２…鍔部、１３…回転子スロット、１４…回転子バー、１６，５１６…窪み部、１７…傾斜面（窪み面）

Claims (4)

1. 複数の固定子スロットを有する固定子鉄心に、固定子コイルが配置された固定子と、
   該固定子に対して回転自在に設けられた回転子鉄心を有する回転子と、
   を備え、
   前記回転子鉄心は、
   複数の回転子ティースと、
   該複数の回転子ティースの間に形成され、回転子導通部が配置される回転子スロットと、
   を有し、
   前記回転子ティースは、
   前記回転子鉄心の径方向に沿って延びるティース本体部と、
   前記ティース本体部の先端から前記回転子鉄心の回転方向に沿って延びる鍔部と、
   を有し、
   前記鍔部における前記径方向外側の外周面の少なくとも一部に、窪み面が形成されており、
   前記窪み面は、前記回転方向先端に向かうに従い、前記ティース本体部の前記径方向外側の端面よりも前記固定子鉄心から離間しており、
   前記鍔部は、前記回転方向先端に向かうに従い、先細りになっている誘導電動機。
2. 前記固定子スロットの前記回転方向における幅方向中心と前記回転子の回転軸線とを通る直線と、前記回転子スロットの前記回転方向における幅方向中心と前記回転子の回転軸線とを通る直線とが同一直線上に位置した状態で、前記固定子スロットを形成すると共に前記回転方向で対向する２つの側面間に、前記窪み面が形成されている請求項１に記載の誘導電動機。
3. 前記回転子ティースにおける軸方向両端を避けた位置に、前記窪み面が形成されている請求項１または請求項２に記載の誘導電動機。
4. 前記回転子ティースには、前記窪み面が形成されている箇所と、前記窪み面が形成されていない箇所とが、前記回転子鉄心の軸方向に沿って交互に配置されている請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の誘導電動機。

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