JPWO2019244240A1 - 回転子および回転電機 - Google Patents

Abstract

回転子は、回転子導体（２３）が収められる回転子スロット（２２）が形成された回転子鉄心（２１）を有する。回転子スロット（２２）は、第１のスロットである内スロット（２６）と、第１のスロットよりも回転子鉄心（２１）の外周面（２５）の側に位置して第１のスロットと繋がれた第２のスロットである外スロット（２７）と、を有する。回転子の回転中心である中心軸に垂直な断面における第２のスロットの外形には、外形を構成する稜線が曲げられている位置である頂点が複数含まれている。複数の頂点は、複数の頂点の中で最も外周面に近い位置にある第１の頂点である頂点（２７ａ）と、第１の頂点に次いで外周面（２５）に近い位置にある第２の頂点である頂点（２７ｂ）と、を含む。回転子導体（２３）を流れる電流のうち回転子の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の表皮深さよりも、第２の頂点と外周面（２５）との間隔が大きい。

Description

本発明は、二重かご形回転子である回転子および回転子を有する回転電機に関する。

誘導式の回転電機には、回転電機が始動の際に発生させる始動トルクの増大を図るために、二重かご形回転子が広く用いられている。かご形回転子は、回転子鉄心の回転子スロットに収められた導体である回転子導体と、回転子導体に接続された２つの短絡環とを有する。二重かご形回転子が有する回転子スロットには、回転子鉄心の中心側に位置する内スロットと回転子鉄心の外周面側に位置する外スロットとが設けられている。二重かご形回転子では、始動の際に回転子に流れる電流を外スロットに集中させて、回転子に流れる電流の抵抗を増大させることによって、始動トルクが増大される。

回転電機における電気エネルギーの損失には、固定子に設けられた巻線の抵抗成分によって生じる損失である一次銅損と、回転子導体の抵抗成分によって生じる損失である二次銅損と、固定子鉄心と回転子鉄心とに磁束が鎖交することによって生じる損失である鉄損とがある。この他、固定子スロットに起因する高調波磁束が回転子導体に鎖交することによって生じる損失である、いわゆる高調波二次銅損も、回転電機における電気エネルギーの損失の１つとされる。高調波磁束は、回転子の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の電流が回転子鉄心を流れることによって生じる。高周波成分は、回転子の駆動に寄与しない成分である。

特許文献１には、二重かご形回転子における高調波二次銅損を低減させるために、回転子鉄心のうち回転軸に垂直な断面における外スロットの外形に、回転子鉄心の中心の側へ凸とされた円弧状の曲線部を含めることが開示されている。曲線部は、回転子鉄心の外周面側に位置する頂点と、外スロットの幅方向に張り出した部分である肩部との間に設けられる。特許文献１の技術によると、曲線部が設けられたことによって、回転子導体に流れる高調波成分の電流によるインダクタンスを増加させ、高調波二次銅損の原因となる高周波電流を選択的に低減可能とする。

国際公開第２０１５／００１６０１号

しかしながら、上記の特許文献１の技術によると、外スロットの外形に曲線部が設けられたことにより、当該曲線部に替えて直線が設けられる場合よりも外スロットの面積が減少する。外スロットの面積が減少すると、回転子導体の抵抗が増加するため、回転子導体の抵抗成分による二次銅損が増加する。また、曲線部が設けられたことによって、外スロットでは、高調波磁束についての磁気抵抗が減少するのみならず、回転周波数と同じ周波数の成分による基本波磁束についての磁気抵抗も減少する。外スロットにおける磁気抵抗が減少することによって基本波成分の電流が外スロットに集中する一方、内スロットへ流れる基本波成分の電流が減少することによって、トルクの発生に寄与する磁束量が減少する。そのため、上記の特許文献１の技術では、二次銅損の増加と、トルクの発生に寄与する磁束量の減少とによって、回転電機の駆動効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転電機の駆動効率を向上可能とする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、本発明にかかる回転子は、導体が収められる回転子スロットが形成された回転子鉄心を有する。回転子スロットは、第１のスロットと、第１のスロットよりも回転子鉄心の外周面の側に位置して第１のスロットと繋がれた第２のスロットと、を有する。回転子の回転中心である中心軸に垂直な断面における第２のスロットの外形には、外形を構成する稜線が曲げられている位置である頂点が複数含まれている。複数の頂点は、複数の頂点の中で最も外周面に近い位置にある頂点である第１の頂点と、第１の頂点に次いで外周面に近い位置にある頂点である第２の頂点と、を含む。導体を流れる電流のうち回転子の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の表皮深さよりも、第２の頂点と外周面との間隔が大きい。

本発明にかかる回転子は、回転電機の駆動効率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる回転電機の断面図 図１に示す回転電機の側面図 図１に示す回転電機が有する回転子鉄心のうち１つの回転子スロットが設けられている部分を示す図 図１に示す回転子スロットが有する外スロットの第１の変形例を示す図 図１に示す回転子スロットが有する外スロットの第２の変形例を示す図 図１に示す回転電機における固定子鉄心から回転子鉄心への磁束の流れについて説明する図 本発明の実施の形態２にかかる回転電機の要部を示す図 本発明の実施の形態３にかかる回転電機の要部を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる回転子および回転電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にかかる回転電機１００の断面図である。回転電機１００は、二重かご形回転子を有する三相誘導電動機である。回転電機１００は、円筒状の固定子１０と、固定子１０に囲われて回転駆動する回転子２０と、回転子２０の中心に設けられたシャフト３０とを備える。回転子２０は、二重かご形回転子である。図１には、回転子２０の回転中心である中心軸ＡＸに直交する断面を示している。図１では、断面を示すハッチングは省略している。なお、中心軸ＡＸが延びる方向を軸方向、中心軸ＡＸを中心とする円に沿う方向を円周方向と称することがある。

固定子１０は、巻線が収められる複数の固定子スロット１２が形成された固定子鉄心１１を有する。固定子鉄心１１は、磁性体である複数のケイ素鋼板が軸方向へ積層されて構成されている。固定子鉄心１１は、バックヨーク１５と、バックヨーク１５から回転子２０側へ突出された複数の固定子歯１４とを有する。各固定子歯１４は、円周方向において互いに間隔をおいて配置されている。固定子スロット１２は、各固定子歯１４の間に設けられている。固定子スロット１２は、回転子２０側が開放された空間である。固定子スロット１２内には、巻線が巻き付けられることによって構成された固定子コイル１３が配置されている。固定子コイル１３には、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの系統電源が直結される。

回転子２０は、回転子導体２３が収められる複数の回転子スロット２２が形成された回転子鉄心２１を有する。回転子鉄心２１は、磁性体である複数のケイ素鋼板が軸方向へ積層されて構成されている。外周面２５と固定子１０との間には、間隙が設けられている。外周面２５は、回転子鉄心２１のうち中心軸ＡＸから離れる方向の側の面である。回転子鉄心２１のうち外周面２５側の部分には、複数の回転子歯２４が設けられている。各回転子歯２４は、円周方向において互いに間隔をおいて配置されている。回転子スロット２２は、各回転子歯２４の間に設けられている。回転子スロット２２は、図１に示す平面において閉鎖された空間である。回転子導体２３は、各回転子スロット２２内に配置されている導体である。回転子導体２３の材料には、アルミニウムまたはアルミニウム合金といった非磁性の金属材料が用いられる。

図２は、図１に示す回転電機１００の側面図である。回転電機１００は、円周方向に沿って設けられた２つの短絡環４０を備える。１つの短絡環４０は、回転子鉄心２１のうち軸方向における一方の端にて回転子導体２３に接続されている。もう１つの短絡環４０は、回転子鉄心２１のうち軸方向における他方の端にて回転子導体２３に接続されている。

図３は、図１に示す回転電機１００が有する回転子鉄心２１のうち１つの回転子スロット２２が設けられている部分を示す図である。回転子スロット２２は、第１のスロットである内スロット２６と、第１のスロットと繋がれた第２のスロットである外スロット２７と、内スロット２６と外スロット２７とを繋ぐスリット２８とを有する。

内スロット２６は、回転子スロット２２のうち中心軸ＡＸ側に位置する部分である。内スロット２６の外形は、頂角が円弧状になるように変形された二等辺三角形をなしている。円周方向における内スロット２６の幅は、中心軸ＡＸ側へ向かうにしたがい狭められている。内スロット２６の外形は、図３に示す変形された三角形に限られず、多角形、または角に丸みを持たせるように変形された多角形であっても良い。

外スロット２７は、内スロット２６よりも外周面２５の側に位置している。外スロット２７の外形には、当該外形を構成する稜線が曲げられている位置である頂点が複数含まれている。図３に示す外スロット２７の外形は、５つの頂点２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅを有する五角形をなしている。頂点２７ａの位置は、外スロット２７の中で外周面２５から最も近い位置である。第１の頂点である頂点２７ａは、５つの頂点２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅの中で最も外周面２５に近い位置にある頂点である。

第２の頂点である頂点２７ｂは、頂点２７ａに次いで外周面２５に近い位置にある頂点である。３つの頂点２７ｃ，２７ｄ，２７ｅは、頂点２７ｂよりも中心軸ＡＸ側の位置にある頂点である。

スリット２８は、外スロット２７の外形である五角形のうち中心軸ＡＸ側の１辺と、内スロット２６の外形である変形された二等辺三角形の底辺との間に設けられている。円周方向におけるスリット２８の幅は、円周方向における内スロット２６の幅よりも狭く、かつ円周方向における外スロット２７の幅よりも狭い。

スリット２８において幅が狭められていることで、スリット２８では、磁気抵抗が小さくなる。スリット２８にて磁気抵抗が小さくなることによって、内スロット２６におけるインダクタンスが大きくなる。回転電機１００の始動の際に、回転子２０に流れる電流は外スロット２７に集中することにより、回転子２０に流れる電気の抵抗が増大する。これにより、回転電機１００は、始動トルクを増大させる。

回転子鉄心２１には、回転子２０の駆動周波数と同じ周波数の成分である基本波成分の電流のほかに、回転子２０の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の電流が流れる。高周波成分は、回転子２０の駆動に寄与しない成分である。高周波成分は、固定子鉄心１１に形成されている固定子スロット１２の数と固定子コイル１３とに起因して発生する。高調波成分の電流が流れることにより生じる高調波磁束が回転子導体２３に鎖交することによって、高調波二次銅損が生じる。

固定子スロット１２の数をＮ_ｓ、回転子２０を駆動させる交流電流の角周波数をω、回転子導体２３の抵抗率をρ、回転子導体２３の透磁率をμ、回転電機１００の極対数をＰとして、回転子導体２３を流れる電流のうちの高調波成分の表皮深さであるｄｓは、次の式（１）によって表される。

頂点２７ｂと外周面２５との間隔であるＨｓは、高調波成分の表皮深さであるｄｓよりも大きい。すなわち、ｄｓ＜Ｈｓの関係が成り立つ。なお、表皮深さは、導電性物質を電流が流れる場合に、電流密度が、導電性物質の表面における電流密度の１／ｅである位置と表面との間の距離とする。「ｅ」は、自然対数の底である。表皮深さは、周波数が上がるにつれて導電性物質の表面に電流が寄せられる表皮効果の指標とされる。

外スロット２７の外形は、図３に示すものに限られず、適宜変形しても良い。図４は、図１に示す回転子スロット２２が有する外スロット２７の第１の変形例を示す図である。第１の変形例では、外周面２５と頂点２７ｂとの間隔と、外周面２５と頂点２７ｃとの間隔とが同じである。頂点２７ｂと頂点２７ｃは、頂点２７ａに次いで外周面２５に近い位置にある第２の頂点である。

図５は、図１に示す回転子スロット２２が有する外スロット２７の第２の変形例を示す図である。第２の変形例では、外スロット２７の外形は、３つの角がそれぞれ丸く変形された三角形をなしている。第１の頂点である頂点２７ａは、３つの頂点２７ａ，２７ｂ，２７ｃの中で最も外周面２５に近い位置にある頂点である。第２の頂点である頂点２７ｂ，２７ｃは、頂点２７ａに次いで外周面２５に近い位置にある頂点である。このように、頂点２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、丸みを持たせた部分であっても良い。外スロット２７の外形は、多角形、または角に丸みを持たせるように変形された多角形であれば良い。

図６は、図１に示す回転電機１００における固定子鉄心１１から回転子鉄心２１への磁束の流れについて説明する図である。図６に示す磁束２９は、固定子スロット１２に起因する高調波磁束とする。固定子１０から回転子２０へ流れる磁束２９は、固定子歯１４から固定子１０および回転子２０の間の間隙を通って、回転子鉄心２１へ流れる。回転子鉄心２１において、磁束２９は、外周面２５から上記の表皮深さだけ進行した位置の付近からは円周方向へ向かうように流れて、回転子歯２４に到達する。

仮に、第２の頂点と外周面２５との間隔であるＨｓが表皮深さであるｄｓよりも小さい場合、固定子歯１４から回転子歯２４へ流れる磁束２９は、第１の頂点と第２の頂点との間から外スロット２７へ一旦入り込んだ後に、回転子歯２４へ進行する。このように、固定子歯１４から回転子歯２４へ流れる磁束２９が外スロット２７を跨いで流れることによって、磁束２９が回転子導体２３に鎖交する。回転子導体２３には、外スロット２７へ入り込んだ磁束２９を打ち消す渦電流が生じる。回転子導体２３に渦電流が生じることによって、高調波二次銅損が生じる。高調波二次銅損が多いほど、回転電機１００の駆動効率は低下する。

実施の形態１では、第２の頂点と外周面２５との間隔であるＨｓが表皮深さであるｄｓよりも大きいため、固定子歯１４から外スロット２７を跨いで回転子歯２４へ流れる磁束２９の流れが低減される。回転電機１００は、回転子導体２３における渦電流の発生による高調波二次銅損を低減できる。

例を挙げると、回転子導体２３がアルミニウムである場合、上記の式（１）において、ρ＝２．８２×１０^−８Ωｍかつμ＝１．２６×１０^−６Ｈ／ｍである。Ｎ_ｓ＝３６、ω＝５０Ｈｚであるとした場合、上記の式（１）により、ｄｓは１．９９ｍｍと算出される。この場合、Ｈｓが１．９９ｍｍ以上とされることによって、回転電機１００は、高調波二次銅損を低減できる。

図３に示す外スロット２７において、頂点２７ａは、外周面２５から表皮深さまでの範囲に含まれている。この場合、外周面２５と第１の頂点との間隔は表皮深さよりも小さいがこの限りではないものとする。ただし、外周面２５と第１の頂点との間隔が表皮深さよりも大きい場合、回転子２０の駆動のための基本波磁束が回転子鉄心２１のうち外周面２５の近くを流れることによってトルクの減少を招くことがある。このため、外周面２５と第１の頂点との間隔は表皮深さよりも小さいことが望ましい。

実施の形態１によると、外周面２５と頂点２７ｂとの間隔が、固定子スロット１２に基づく高調波成分の表皮深さよりも大きいことで、回転電機１００は、高調波二次銅損を低減できる。回転電機１００は、高調波二次銅損の低減によって駆動効率を向上できる。これにより、回転子２０は、回転電機１００の駆動効率を向上させることができるという効果を奏する。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかる回転電機１００の要部を示す図である。実施の形態２では、内スロット２６には、回転子導体２３と回転子導体５０とが収納されている。図７は、回転電機１００が有する回転子鉄心２１のうち１つの回転子スロット２２が設けられている部分を示す。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

第１の導体である回転子導体２３の材料には、アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。第２の導体である回転子導体５０は、回転子導体２３よりも導電率が高い導体である。回転子導体５０の材料には、銅または銅系合金が用いられる。図７において、回転子導体５０は、回転子導体２３によって囲われている。回転子導体５０は、内スロット２６の中で中心軸ＡＸ側の部分に配置されている。図７において、回転子導体５０の外形は長方形をなしている。図７に示す断面における回転子導体５０の外形は、長方形以外であっても良い。

回転子導体２３よりも導電率が高い回転子導体５０が内スロット２６内に設けられたことで、内スロット２６に収納される導体が回転子導体２３のみである場合に比べて、回転子スロット２２内を流れる電流の抵抗が減少する。これにより、回転子導体２３，５０の抵抗成分によって生じる二次銅損が低減される。

実施の形態２によると、回転子２０は、実施の形態１と同様に回転電機１００の駆動効率を向上させることができ、かつ回転子導体５０の配置によって二次銅損を低減できる。回転子２０は、二次銅損の低減によって、回転電機１００の駆動効率をさらに向上させることができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかる回転電機１００の要部を示す図である。実施の形態３では、第２の導体である回転子導体５０と外周面２５との間隔が、回転子２０を駆動させる交流電流である基本波成分の表皮深さよりも大きい。図８は、回転電機１００が有する回転子鉄心２１のうち１つの回転子スロット２２が設けられている部分を示す。上記の実施の形態１および２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１および２とは異なる構成について主に説明する。

回転子２０を駆動させる交流電流の角周波数をω、回転子導体２３の抵抗率をρ、回転子導体２３の透磁率をμとして、基本波成分の表皮深さであるｄｆは、次の式（２）によって表される。

図８に示す回転子導体５０では、長方形のうち外周面２５側の短辺上の位置が、外周面２５からの距離が最短であるものとする。短辺上の位置５０ａと外周面２５との間隔であるＨｃは、基本波成分の表皮深さであるｄｆよりも大きい。すなわち、ｄｆ＜Ｈｃの関係が成り立つ。

回転電機１００を停止状態から始動する際に、回転子２０の駆動周波数と同じ周波数の電流が回転子鉄心２１を流れる。仮に、位置５０ａと外周面２５との間隔であるＨｃが表皮深さであるｄｆよりも小さい場合、始動時における電流が回転子導体５０に流れる。回転子導体２３よりも導電率が高い回転子導体５０に電流が流れることによって、回転子導体２３のみに電流が流れる場合よりも、回転子スロット２２に流れる電流の抵抗が小さくなる。回転子スロット２２に流れる電流の抵抗が大きいほど始動トルクは大きくなるため、この場合、回転子導体５０に電流が流れることで始動トルクは小さくなる。

実施の形態３では、位置５０ａと外周面２５との間隔であるＨｃが表皮深さであるｄｆよりも大きいことで、回転子スロット２２では、表皮効果によって、ｄｆよりも外周面２５側の部分である回転子導体２３にのみ電流が流れる。始動時における電流が回転子スロット２２のうち回転子導体２３にのみ流れることで、回転子導体５０に電流が流れる場合と比べて、回転子スロット２２に流れる電流の抵抗は大きくなる。これにより、回転電機１００は、始動トルクの減少を抑制することができる。

実施の形態３によると、回転子２０は、実施の形態２と同様に回転電機１００の駆動効率を向上させることができ、かつ始動トルクの減少を抑制させる。回転子２０は、始動トルクの減少を抑制させることによって、回転電機１００の駆動効率をさらに向上させることができる。

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。

１０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１２ 固定子スロット、１３ 固定子コイル、１４ 固定子歯、１５ バックヨーク、２０ 回転子、２１ 回転子鉄心、２２ 回転子スロット、２３，５０ 回転子導体、２４ 回転子歯、２５ 外周面、２６ 内スロット、２７ 外スロット、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ 頂点、２８ スリット、２９ 磁束、３０ シャフト、４０ 短絡環、５０ａ 位置、１００ 回転電機。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる回転子は、導体が収められる回転子スロットが形成された回転子鉄心を有する。回転子スロットは、第１のスロットと、第１のスロットよりも回転子鉄心の外周面の側に位置して第１のスロットと繋がれた第２のスロットと、を有する。回転子の回転中心である中心軸に垂直な断面における第２のスロットの外形には、外形を構成する稜線が曲げられている位置である頂点が複数含まれている。複数の頂点は、複数の頂点の中で最も外周面に近い位置にある頂点である第１の頂点と、第１の頂点に次いで外周面に近い位置にある頂点である第２の頂点と、を含む。導体を流れる電流のうち回転子の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の表皮深さよりも、第２の頂点と外周面との間隔が大きい。外形のうち、第１の頂点と第２の頂点との間の辺と、第１の頂点を挟んで当該辺と隣り合う辺とは、いずれも直線である。

Claims (5)

1. 導体が収められる回転子スロットが形成された回転子鉄心を有する回転子であって、
   前記回転子スロットは、第１のスロットと、前記第１のスロットよりも前記回転子鉄心の外周面の側に位置して前記第１のスロットと繋がれた第２のスロットと、を有し、
   前記回転子の回転中心である中心軸に垂直な断面における前記第２のスロットの外形には、前記外形を構成する稜線が曲げられている位置である頂点が複数含まれており、複数の前記頂点は、複数の前記頂点の中で最も前記外周面に近い位置にある前記頂点である第１の頂点と、前記第１の頂点に次いで前記外周面に近い位置にある前記頂点である第２の頂点と、を含み、
   前記導体を流れる電流のうち前記回転子の駆動周波数よりも高い周波数の成分である高調波成分の表皮深さよりも、前記第２の頂点と前記外周面との間隔が大きいことを特徴とする回転子。
2. 前記第１のスロットには、前記導体である第１の導体と、前記第１の導体よりも導電率が高い前記導体である第２の導体とが収められていることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
3. 前記回転子を駆動させる交流電流の角周波数をω、前記導体の抵抗率をρ、前記導体の透磁率をμとして、前記導体を流れる電流のうち前記駆動周波数と同じ周波数の成分である基本波成分の表皮深さを、以下の式（１）で表されるｄｆとした場合に、
   前記第２の導体と前記外周面との間隔が前記基本波成分の表皮深さよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の回転子。
   

   
4. 巻線が収められる固定子スロットが形成された固定子鉄心を有する固定子と、
   前記固定子に囲われて回転駆動する請求項１から３のいずれか１つに記載の回転子と、
   を備えることを特徴とする回転電機。
5. 前記固定子スロットの数をＮ_ｓ、前記回転子を駆動させる交流電流の角周波数をω、前記導体の抵抗率をρ、前記導体の透磁率をμ、前記回転電機の極対数をＰとして、前記高調波成分の表皮深さであるｄｓは、以下の式（２）により表されることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
   

   

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