JPWO2019176107A1 - 誘導電動機の回転子及び誘導電動機 - Google Patents

Abstract

誘導電動機の回転子（６０）は、回転子鉄心（６１）と、回転子鉄心（６１）に形成される複数のスロットのそれぞれに設けられる導体バー（６３）とを備える。誘導電動機の回転子（６０）は、回転子鉄心（６１）の軸方向の端部に設けられ、複数の導体バー（６３）を互いに電気的に接続するエンドリング（６４）と、スロットを形作る壁面（６１ａ）と導体バー（６３）との間に設けられる絶縁部材である絶縁シート（６６）と、壁面（６１ａ）と絶縁シート（６６）との間に設けられる非磁性導体材料であるダイキャスト部材（６５）とを備えることを特徴とする。

Description

本発明は、誘導型の回転電機である誘導電動機の回転子及びこの回転子を備えた誘導電動機に関する。

誘導型の回転電機は、同期型の回転電機に比べて堅牢な構造でかつ製造コストが安く、また電源に直接繋いで始動することができるという利点があるため、多く使用されている。以下では誘導型の回転電機を誘導機と称する場合がある。

誘導機では、固定子の巻線に交流電流が流れることによって回転磁界が発生し、この回転磁界が回転子の二次導体に作用することによって、回転子の二次導体に起電力が発生して電流が流れる。回転子の二次導体は、回転子鉄心に設けられるエンドリングと、回転子鉄心に挿入される回転子バーとで構成される。この電流と回転磁界の間にフレミングの左手の法則に基づく電磁力が発生することによって、二次導体が回転磁界の方向に引っ張られて回転子が回転する。このように構成される誘導機では、二次導体に流れる電流の経路の抵抗を低くすることによって、回転子の回転効率を高めることができる。

回転子バーの材料に抵抗率が比較的小さい銅を用いることによって、二次導体の抵抗を低くして回転効率の向上が図られる場合がある。

また、回転子に不要な電流が流れることで生じる横流損失を低減させることでも、誘導機の回転効率を高めることができる。横流損失とは、二次導体にスキューをかけた場合、二次導体と回転子鉄心との間に電位差が発生することによって、二次導体と回転子鉄心との間に本来流れるべきでない電流が流れることによって生じる損失である。

横流損失の低減方法としては、特許文献１に開示されるように、回転子鉄心に設けられるスロットを形作る壁面に絶縁剤を浸して含ませた後、この絶縁剤を硬化させることによって当該壁面に絶縁剤層を設ける方法が考えられる。絶縁剤層を設けることによって、スロットを形作る壁面と回転子バーとの間の絶縁抵抗が増大し、回転子バーから回転子鉄心に向かって流れる電流が抑制され、横流損失が低減される。

特開２００１−２５２２２号公報

しかしながら、特許文献１に開示される方法によって、回転子鉄心のスロットを形作る壁面に絶縁剤層を形成するためには、回転子鉄心へ絶縁剤を施すための槽と、この絶縁剤を硬化させるための炉とが必要になる。従って、回転子鉄心のサイズが大型化するとこれらの槽及び炉を大きくしなければならないため、回転子鉄心のサイズに対応した槽及び炉の製作が必要になり、回転子の生産効率が低下するという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、横流損失に起因する回転効率の低下を抑制しながら生産効率を向上できる誘導電動機の回転子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の誘導電動機の回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心に形成される複数のスロットのそれぞれに設けられる導体バーとを備える。誘導電動機の回転子は、回転子鉄心の軸方向の端部に設けられ、複数の導体バーを互いに電気的に接続するエンドリングと、スロットを形作る壁面と導体バーとの間に設けられる絶縁部材と、壁面と絶縁部材との間に設けられる非磁性導体材料とを備えることを特徴とする。

本発明に係る誘導電動機の回転子は、横流損失に起因する回転効率の低下を抑制しながら生産効率を向上できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る誘導電動機の構造を示す図 図１に示す誘導電動機の回転子の斜視図 図１に示す誘導電動機の回転子鉄心の斜視図 図１に示す回転子鉄心のスロットに絶縁シートを挿入中の状態を示す図 図４に示す回転子鉄心のスロットに挿入された絶縁シートを拡大して示す図 図４に示す絶縁シートの内側に導体バーを挿入中の状態を示す図 図６に示す回転子鉄心の両端のそれぞれにエンドリングを設けた状態を示す図 本発明の実施の形態２に係る誘導電動機が備える回転子に用いられる導体バーの外観図 図８に示す導体バーが挿入された回転子鉄心の斜視図 図９に示す回転子鉄心及び導体バーを備える回転子の断面図 図１０に示す回転子鉄心の両端のそれぞれにエンドリングを設けた状態を示す図 図１１に示す回転子鉄心、エンドリング及び導体バーの断面図 本発明の実施の形態２の第１の変形例に係る導体バーに設けられる絶縁部材の構成図 本発明の実施の形態２の第２の変形例に係る導体バーに設けられる絶縁部材の構成図 本発明の実施の形態２の第３の変形例に係る導体バーに設けられる絶縁部材の構成図 本発明の実施の形態３に係る誘導電動機が備える回転子に用いられる導体バーの外観図

以下に、本発明の実施の形態に係る誘導電動機の回転子及び誘導電動機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る誘導電動機の構造を示す図である。図２は図１に示す誘導電動機の回転子の斜視図である。図３は図１に示す誘導電動機の回転子鉄心の斜視図である。

図１には実施の形態１に係る誘導電動機１００の片側断面が示される。図１において、回転子鉄心６１の中心軸ＡＸが伸びる方向である軸方向は、図１中に矢印Ｄ１で示される方向である。回転子鉄心６１の中心軸ＡＸの周方向は、図１中に矢印Ｄ２で示される方向である。

誘導電動機１００は、有底円筒状のフレーム１１と、フレーム１１の開口部を閉塞する端板１２と、フレーム１１の内周面に固定される環状の固定子１０と、フレーム１１の底部に設けられるベアリング１と、端板１２に設けられるベアリング２とを備える。フレーム１１及び端板１２によりハウジング３が構成される。

また誘導電動機１００は、固定子１０の内側に設けられる筒状の回転子６０と、ベアリング１及びベアリング２に回転可能に支持され回転子６０の内側に設けられるシャフト７０とを備える。

回転子６０は、複数の鋼板を軸方向に積層して構成される筒状の回転子鉄心６１を備える。回転子鉄心６１には、複数のスロット６２が形成されている。複数のスロット６２は、回転子鉄心６１の外周面寄りに周方向に並べて形成され、複数のスロット６２のそれぞれは、軸方向に伸び、回転子鉄心６１の一端部から他端部に貫通する。複数のスロット６２のそれぞれは、スロット６２は周方向にスキューされている。

また回転子６０は、複数のスロット６２の内側に設けられる導体バー６３と、回転子鉄心６１の軸方向の両端のそれぞれに設けられ複数の導体バー６３を接続する端絡環であるエンドリング６４と、非磁性導体材料であるダイキャスト部材６５とを備える。

導体バー６３の材料には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金といった非磁性導体材料を例示できる。

次に図４から図７を用いて、回転子６０の製造方法を説明する。図４は図１に示す回転子鉄心のスロットに絶縁シートを挿入中の状態を示す図である。図５は図４に示す回転子鉄心のスロットに挿入された絶縁シートを拡大して示す図である。図６は図４に示す絶縁シートの内側に導体バーを挿入中の状態を示す図である。図７は図６に示す回転子鉄心の両端のそれぞれにエンドリングを設けた状態を示す図である。

回転子６０を製造する場合、まず回転子鉄心６１と、軸方向に沿って見てＶ字形状の絶縁シート６６とが製造される。

絶縁シート６６は、メタ系アラミド繊維、マイカなどの耐熱性が高い材料で構成される絶縁性のシートを折り畳むことによって、図４に示すようにＶ字の形になされる。

次に、製造された絶縁シート６６の軸方向の一端部を折り返すことによって、絶縁シート６６に襟形状の折り返し部６６１が形成される。折り返し部６６１が形成された絶縁シート６６は、スロット６２に挿入される。絶縁シート６６のＶ字形状の頂点は中心軸側に向けられている。スロット６２に挿入された絶縁シート６６の他端部にも同様の折り返し部６６１が設けられる。

次に図６に示すように、スロット６２に挿入された絶縁シート６６の内側に棒状の導体バー６３が挿入される。導体バー６３が絶縁シート６６へ挿入されることによって、絶縁シート６６の内側の面が導体バー６３に押されて、絶縁シート６６がスロット６２を形作る壁面に向かって広がる。

折り返し部６６１を設けることによって、スロット６２に挿入された絶縁シート６６の内側に導体バー６３を挿入する際、絶縁シート６６が導体バー６３に接触しても、折り返し部６６１が回転子鉄心６１の端部に引っ掛かり、軸方向への絶縁シート６６の移動が抑制される。従って、折り返し部６６１がない場合に比べて、回転子６０の生産効率が向上する。

その後、図７に示すように、上記の非磁性導体材料をダイキャスト材料として利用して、回転子鉄心６１の軸方向の一端面６１ｂ及び他端面６１ｃのそれぞれにエンドリング６４が設けられると共に、ダイキャスト部材６５が設けられる。２つのエンドリング６４とダイキャスト部材６５とはダイキャストによって一括して成形される。

エンドリング６４は、複数の導体バー６３を互いに電気的に接続する機能と、複数の導体バー６３のそれぞれを回転子鉄心６１へ固定する機能とを有する。

ダイキャスト部材６５は、スロット６２を形作る壁面６１ａと絶縁シート６６との間の隙間と、導体バー６３と絶縁シート６６との間の隙間とに設けられる。

なお、スロット６２内に二次導体を形成する方法には、スロット６２に予め導体バー６３を設けずに、融解したダイキャスト材料をスロット６２に流し込むことによって二次導体をダイキャストで形成する方法がある。このように、絶縁シート６６の内側に導体バー６３が挿入されていない状態でスロット６２内に二次導体を形成する場合、ダイキャスト圧力により、絶縁シート６６の軸方向の端部が座屈して、座屈した絶縁シート６６の軸方向の端部がスロット６２に入り込む可能性がある。

このように絶縁シート６６が座屈した場合、スロット６２を形作る壁面６１ａと、スロット６２内に設けられたダイキャスト部材６５との間に、絶縁シート６６が存在しない部分が生じる。そのため、回転子鉄心６１とダイキャスト部材６５との間の絶縁抵抗は、絶縁シート６６が座屈していないときに比べて、低い値を示す。そのため、回転子６０に生じる横流損失は、絶縁シート６６が座屈していないときに回転子６０へ生じる横流損失に比べて、大きな値を示す。

また、座屈した絶縁シート６６によってスロット６２が閉塞される可能性がある。この場合、スロット６２へのダイキャスト材料の通過が妨げられ、絶縁シート６６の内側の空間にダイキャスト材料が充填されていない部分が生じる可能性がある。この場合、絶縁シート６６が座屈していないときに比べて、回転子６０の回転効率が低下する。

実施の形態１に係る回転子６０によれば、絶縁シート６６の内側に導体バー６３が設けられているため、絶縁シート６６にダイキャスト圧が加わった場合でも、絶縁シート６６が導体バー６３に支えられるため、絶縁シート６６が座屈することを抑制できる。

そのため、ダイキャスト部材６５の形成後も、導体バー６３と回転子鉄心６１との間に絶縁シート６６を介在させることができる。従って、回転子鉄心６１とダイキャスト部材６５との間の絶縁抵抗は、絶縁シート６６が座屈したときに比べて、高い値を示す。その結果、回転子６０に生じる横流損失は、絶縁シート６６が座屈した場合に回転子６０に生じる横流損失に比べて、低い値となる。

またスロット６２へのダイキャスト材料の通過が妨げられないため、絶縁シート６６の内側の空間にダイキャスト材料が充填されていない部分が生じることを抑制できる。従って、絶縁シート６６が座屈した場合に比べて、回転子６０の回転効率が向上すると共に、絶縁シート６６の内側に挿入された導体バー６３をダイキャスト材料で強固に固定することができる。

また実施の形態１によれば、スロット６２を形作る壁面６１ａに絶縁剤層を設ける工程が不要になるため、回転子鉄心６１へ絶縁剤を施すための槽と、この絶縁剤を硬化させて絶縁剤層を形成するための炉とが不要になる。従って、回転子鉄心６１のサイズが大型化した場合でも、大型化した回転子６０のサイズに対応した槽及び炉の製作が不要になり、回転子６０の生産効率が向上する。

また絶縁剤層を形成するためには回転子鉄心６１を加熱する必要があり、この加熱に要する時間は長時間に及ぶ。実施の形態１に係る回転子６０によれば、スロット６２を形作る壁面６１ａに絶縁剤層を形成する工程が不要であるため、回転子６０の生産効率が大きく改善される。

導体バー６３の材料には、非磁性導体材料の内、融解点が低い材料よりも抵抗率が小さい材料を優先して選択することで、回転子６０の回転効率の向上を図ることができる。また、ダイキャストに用いられる材料には、非磁性導体材料の内、抵抗率が小さい材料よりも融解点が低い材料を優先して選択することで、回転子６０の生産効率の向上を図ることができる。従って、例えば、導体バー６３の材料に銅を選択し、エンドリング６４及びダイキャスト部材６５の材料にアルミニウムを選択することで、回転子６０の回転効率及び生産効率の向上を図ることができる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る誘導電動機が備える回転子に用いられる導体バーの外観図である。実施の形態２の誘導電動機１００に用いられる導体バー６３は、導体バー６３の表面の内、軸方向の中心寄り部分が絶縁被膜９０で覆われ、軸方向の端部寄り部分が絶縁被膜９で覆われていない。

絶縁被膜９０の材料には、シリカ、マイカなどの耐熱性が高い材料を例示できる。例えば、導体バー６３の表面の内、軸方向の中心寄り部分に、耐熱性が高い材料がスプレーで塗装され、その後、導体バー６３を加熱して乾燥させることによって、絶縁被膜９０が形成される。絶縁被膜９０の形成方法は、これに限定されず、耐熱性が高い材料を含む水溶液を電解液として、電着作用によって導体バー６３の表面に絶縁被膜９０を形成する電着塗装でもよい。

図９は図８に示す導体バーが挿入された回転子鉄心の斜視図である。図１０は図９に示す回転子鉄心及び導体バーを備える回転子の断面図である。図１１は図１０に示す回転子鉄心の両端のそれぞれにエンドリングを設けた状態を示す図である。図１２は図１１に示す回転子鉄心、エンドリング及び導体バーの断面図である。

図９及び図１０には、軸方向の導体バー６３の中心位置が軸方向の回転子鉄心６１の中心位置と一致するように、複数のスロット６２に導体バー６３が挿入された状態が示される。

図１０において、軸方向の導体バー６３の長さの内、絶縁被膜９０が形成されている部分の幅は、Ｙで示される。軸方向の回転子鉄心６１の一端面から他端面までの幅は、Ｘで示される。実施の形態２の回転子６０Ａでは、絶縁被膜９０の軸方向の幅Ｙは、組立て公差を考慮して、軸方向の回転子鉄心６１の幅Ｘよりも短い値に設定される。

このように構成する理由は、図１１及び図１２に示すように、複数の導体バー６３同士をエンドリング６４によって電気的に接続する必要があるためである。エンドリング６４は、スロット６２に導体バー６３が挿入された後、ダイキャスト材料を用いてダイキャストにより形成される。

回転子６０を構成する部品の組立て公差、絶縁被膜９０を形成する際の製造誤差などによって、回転子鉄心６１に挿入された導体バー６３の内、回転子鉄心６１の端部から突き出る部分に絶縁被膜９０が形成された状態で、エンドリング６４が設けられた場合、複数の導体バー６３同士が離れて二次抵抗が増加する。この二次抵抗の増加によって、回転子６０の回転効率が低下し、誘導電動機１００の出力が低下することになる。

実施の形態２に係る誘導電動機１００では、導体バー６３の端部寄り部分が絶縁被膜９０で覆われていないため、エンドリング６４が設けられたときに複数の導体バー６３同士が電気的に接続され、二次抵抗の増加が抑制される。

また、実施の形態２に係る誘導電動機１００によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができると共に、絶縁シート６６をスロット６２に挿入する必要がないため、回転子鉄心６１のスロット６２の断面積が小さい場合でも回転子６０Ａの製造が容易化される。

また、導体バー６３の熱容量は、回転子鉄心６１の熱容量よりも小さいため、回転子鉄心６１を炉に入れて、スロット６２を形作る壁面６１ａに絶縁剤層を設ける場合に比べて、熱容量が小さい炉を用いて短時間に、絶縁剤層である絶縁被膜９０を、導体バー６３へ設けることができる。従って実施の形態２では、回転子鉄心６１を炉に入れる場合に比べて、回転子６０Ａの生産効率を高めることができる。

図１３は本発明の実施の形態２の第１の変形例に係る導体バーに設けられる絶縁部材の構成図である。図１３に示す導体バー６３には複数の絶縁部材９０Ａが設けられている。複数の絶縁部材９０Ａは軸方向に互いに離れて設けられている。

複数の絶縁部材９０Ａのそれぞれは、導体バー６３の表面に、軸方向に互いに離れるマスキングを複数箇所施した上で、耐熱性が高い材料をスプレー塗装することで導体バー６３へ設けたものでもよいし、耐熱性が高い材料を電着塗装によって導体バー６３へ設けたものでもよい。

また、複数の絶縁部材９０Ａのそれぞれは、耐熱性が高い材料を用いてリング状に形成された絶縁部材を導体バー６３に嵌め合わせたものでもよい。

図１４は本発明の実施の形態２の第２の変形例に係る導体バーに設けられる絶縁部材の構成図である。図１４に示す導体バー６３には、螺旋状の絶縁部材９０Ｂが設けられている。絶縁部材９０Ｂは、導体バー６３の表面に螺旋状のマスキングを施した上で、耐熱性が高い材料をスプレー塗装することで導体バー６３へ設けたものでもよいし、耐熱性が高い材料を電着塗装によって導体バー６３へ設けたものでもよい。

また、絶縁部材９０Ｂは、耐熱性が高い帯状の絶縁シートを導体バー６３へ螺旋状に巻き付けて形成したものでもよい。

図１５は本発明の実施の形態２の第３の変形例に係る導体バーに設けられる絶縁部材の構成図である。図１５に示す導体バー６３には、編み目状の絶縁部材９０Ｃが設けられている。絶縁部材９０Ｃは、耐熱性が高い編み目状の絶縁シートを導体バー６３へ巻き付けて形成したものでもよいし、耐熱性が高い編み目状の筒体を導体バー６３へ取り付けたものでもよい。

複数の絶縁部材９０Ａと、絶縁部材９０Ｂと、絶縁部材９０Ｃとの何れか１つを導体バー６３に設けることによって、絶縁部材の材料の使用量を低減可能なため、回転子６０Ａの製造コストを低減できる。

実施の形態３．
図１６は本発明の実施の形態３に係る誘導電動機が備える回転子に用いられる導体バーの外観図である。実施の形態３の誘導電動機１００には、図６に示す導体バー６３の代わりに導体バー６３Ａが用いられる。

導体バー６３Ａは、複数の細線材６３ｂで構成される。複数の細線材６３ｂは絶縁シート９１で束ねられている。複数の細線材６３ｂを束ねる前の絶縁シート９１は帯状である。複数の細線材６３ｂを束ねた状態で帯状の絶縁シート９１が巻かれることにより、１つの導体バー６３Ａが形成される。

実施の形態３では、実施の形態１と同様の効果を得ることができると共に、複数の細線材６３ｂのそれぞれの線径を変更し、また細線材６３ｂの使用本数を変更することによって、スロット６２の軸方向と直交する断面形状に合わせて、導体バー６３Ａの軸方向と直交する断面形状を容易に変更することができる。そのため、導体バー６３Ａの形状を、スロット６２の断面形状が異なる様々な種類の回転子鉄心６１に対応させることができるため、回転子６０の生産効率が向上する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，２ ベアリング、３ ハウジング、１０ 固定子、１１ フレーム、１２ 端板、６０，６０Ａ 回転子、６１ 回転子鉄心、６１ａ 壁面、６１ｂ 一端面、６１ｃ 他端面、６２ スロット、６３，６３Ａ 導体バー、６３ｂ 細線材、６４ エンドリング、６５ ダイキャスト部材、６６，９１ 絶縁シート、７０ シャフト、９０ 絶縁被膜、９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ 絶縁部材、１００ 誘導電動機、６６１ 折り返し部。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の誘導電動機の回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心に形成される複数のスロットのそれぞれに設けられる導体バーとを備える。誘導電動機の回転子は、回転子鉄心の軸方向の端部に設けられ、複数の導体バーを互いに電気的に接続するエンドリングと、導体バーの表面を覆う絶縁被膜である絶縁部材と、スロットを形作る壁面と絶縁部材との間に設けられる非磁性導体材料とを備え、軸方向の絶縁被膜の幅は、軸方向の回転子鉄心の幅よりも狭いことを特徴とする。

Claims (8)

1. 回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心に形成される複数のスロットのそれぞれに設けられる導体バーと、
   前記回転子鉄心の軸方向の端部に設けられ、複数の前記導体バーを互いに電気的に接続するエンドリングと、
   前記スロットを形作る壁面と前記導体バーとの間に設けられる絶縁部材と、
   前記壁面と前記絶縁部材との間に設けられる非磁性導体材料と、
   を備えることを特徴とする誘導電動機の回転子。
2. 前記導体バーの材料は、銅であり、
   前記非磁性導体材料及び前記エンドリングのそれぞれの材料は、アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動機の回転子。
3. 前記絶縁部材は、絶縁シートであることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導電動機の回転子。
4. 前記絶縁部材の端部には折り返し部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の誘導電動機の回転子。
5. 前記導体バーは、複数の線材を束ねて一体に構成したものであることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の誘導電動機の回転子。
6. 前記絶縁部材は、絶縁被膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導電動機の回転子。
7. 前記軸方向の前記絶縁被膜の幅は、前記軸方向の前記回転子鉄心の幅よりも狭いことを特徴とする請求項６に記載の誘導電動機の回転子。
8. 請求項１から７の何れか一項に記載の誘導電動機の回転子と、
   内側に前記回転子が設けられる固定子と、
   を備えることを特徴とする誘導電動機。

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