WO2011148978A1 - 誘導モータの回転子及びそれを用いた誘導モータ - Google Patents
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Abstract
誘導モータ（１）の固定子（２）の中空内部（３）に回転自在に配置され、固定子（２）により中空内部（３）に形成される磁界からの磁力を受けて回転する回転子（４）。回転子（４）は、一対の環状導体（１０、１０）と、一対の環状導体（１０、１０）間に連結され、前記一対の環状導体（１０、１０）とともにかご形状を形成する複数本の棒状導体（１１）とを備える。環状導体（１０、１０）及び棒状導体（１１）は、それぞれ導電性の芯導体（１２）と、芯導体（１２）の外周に電気的接触状態で付着するカーボンナノチューブ構造体（１５）とからなる複合材で形成されている。
Description
本発明は、誘導モータに関し、特に固定子が発生する磁界の磁力を受けて電磁誘導により回転する誘導モータの回転子及びそれを用いた誘導モータに関する。
特許文献１、２に開示されている誘導モータは、中空内部に回転磁界を発生させる固定子と、この固定子の中空内部に回転自在に配置され、固定子が発生した磁界の磁力を受けて回転する回転子とで主に構成されている。
固定子は、内部に中空部を有する固定子鉄心と、この固定子鉄心の内周部分に巻回された固定子コイルとで構成され、固定子コイルに電流を流すことで中空内部に磁界が形成される。
回転子は、鉄心部分と、かご形の導体部分とが回転軸に一体に組み付けられて形成されている。かご形の導体部分は、一対の環状導体（エンドリング）と、これらの一対の環状導体間に連結された複数本の棒状導体（導体バー）とで形成されている。
そして、固定子の中空内部に回転自在に回転子が配置され、固定子コイルに通電することで固定子コイルが発生した磁界が回転子にかかり、この磁界によって棒状導体に電流（渦電流）が発生し、棒状導体に発生した電流と固定子からの磁界によって回転子に電磁力が発生する。回転子に発生した電磁力によって回転子は回転運動を行う。この場合、誘導モータの起動時には、固定子が形成した磁界によって棒状導体に高周波電流が流れる。
このような誘導モータは、永久磁石を用いた直流モータや同期モータと比較して、構造が簡単で堅牢に形成でき、複雑な制御を必要としないので、使いやすく、比較的安価で、一定速、可変速に対応できるという利点がある。
ところが、上記したように、起動時に棒状導体に高周波電流が流れると、表皮効果により電流密度が棒状導体の表面で高くなり、高周波電流が表面側に集中するので表面側の小さな断面積中を高周波電流が流れることになる。このため、電気抵抗が大きくなり、この電気抵抗値の増大により熱が発生し、熱損失が発生する。この結果、誘導モータでは、入力電力に対して回転子の軸出力が熱損失により低下するので効率が悪いという課題がある。
また、表皮効果により回転子の表面に集中した電流により熱が発生するため、この熱を外部に放出する必要から、誘導モータの外周には放熱フィンが必要となり、誘導モータが大型化するという課題がある。
本発明は、誘導モータの回転子において、回転子の表面の電気抵抗を低下させることにより、誘導モータの熱損失の低減を図り、小型化することができる誘導モータの回転子及びそれを用いた誘導モータを提供することを目的とする。
本発明の第１のアスペクトは、誘導モータの固定子の中空内部に回転自在に配置され、前記固定子により前記中空内部に形成される磁界からの磁力を受けて回転する誘導モータの回転子であって、一対の環状導体と、前記一対の環状導体間に連結されて前記一対の環状導体とともにかご形状を形成する複数本の棒状導体と、を備え、前記環状導体及び前記棒状導体は、それぞれ導電性の芯導体と、前記芯導体の外周に電気的接触状態で付着するカーボンナノチューブ構造体とからなる複合材で形成されている誘導モータの回転子であることを要旨とする。
前記第１のアスペクトによれば、誘導モータの回転子の環状導体及び棒状導体を、芯導体の外周にカーボンナノチューブ構造体を電気的接触状態で付着させた複合材で形成することにより、誘導モータの起動時に棒状導体に高周波電流が流れて、表皮効果により電流密度が棒状導体の表面側に集中しても、カーボンナノチューブの優れた導電性により表面部分の電気抵抗が小さいので熱の発生が抑制され熱損失を小さくすることができる。これによって誘導モータにおいて入力電力に対する軸出力の低下を小さくすることができるので効率が向上する。
また、回転子の発熱が抑制されるので、放熱フィンが不要になり、誘導モータの小型化を図ることができる。
また、前記芯導体は、銅製の棒体又はアルミニウム製の棒体であってもよい。
前記構成によれば、誘導モータにおいて棒状導体として一般的に用いられている銅又はアルミニウムを芯導体として用い、カーボンナノチューブ構造体をその外周に付着させたことにより、芯導体の径が小さくなっても誘導モータの一定回転による使用時には、従来の誘導モータと同等の性能を得ることができる。
また、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブの集合体で形成され、前記各カーボンナノチューブの表面、前記各カーボンナノチューブの内部、及び前記カーボンナノチューブ間にナノ金属粒子からなる導電体が付着されて濡れ性向上処理が施され、前記芯導体の外周に編組状に付着され、アルミニウムが含浸又は圧粉成形されていてもよい。
前記構成によれば、カーボンナノチューブの表面、カーボンナノチューブの内部及びカーボンナノチューブ間に導電体を付着させることにより、カーボンナノチューブ内に電子がより入りやすくなって高速で電子が流れるので導電性を向上させることができる。また、カーボンナノチューブ間に導電体を付着させることにより一つのカーボンナノチューブから他のカーボンナノチューブへも電子が入りやすくなり、さらに高速で電子を流すことができるので、より導電線を向上させることができる。
また、カーボンナノチューブ構造体を編組状に形成し、芯導体の外周に付着した状態でアルミニウムを含浸又は圧粉成形させることにより、カーボンナノチューブ構造体とアルミニウム、アルミニウムと芯導体との良好な電気的接触状態を得ることができる。
また、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブの集合体で形成され、前記各カーボンナノチューブの表面、前記各カーボンナノチューブの内部、及び前記カーボンナノチューブ間にナノ金属粒子からなる導電体が付着されて濡れ性向上処理が施され、アルミニウムが含浸又は圧粉成形された状態で、前記芯導体の外周に横巻きで付着していてもよい。
前記構成によれば、カーボンナノチューブ内に電子がより入りやすくなって高速で電子が流れるので導電性を向上させることができ、一つのカーボンナノチューブから他のカーボンナノチューブへも電子が入りやすくなり、さらに高速で電子を流すことができるのでより導電性を向上させることができる。
また、アルミニウムを含浸させることにより、カーボンナノチューブ構造体とアルミニウム、アルミニウムと芯導体との良好な電気的接触状態を得ることができる。
本発明の第２のアスペクトは、中空内部に磁界を形成する固定子と、前記固定子の前記中空内部に回転自在に配置され、前記固定子により形成される磁界からの磁力を受けて回転する回転子と、を備え、前記回転子は、一対の環状導体と、前記一対の環状導体間に連結された複数本の棒状導体と、を含み、前記一対の環状導体と前記複数本の棒状導体とで、かご形状が形成され、前記環状導体及び前記棒状導体は、それぞれ導電性の芯導体と、前記芯導体の外周に電気的接触状態で付着するカーボンナノチューブ構造体とからなる複合材で形成されている誘導モータであることを要旨とする。
前記第２のアスペクトによれば、前記第１のアスペクトと同様の効果を奏することができる。
以下、本発明の実施形態に係る誘導モータの回転子について図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、誘導モータ１は、回転磁界を発生させる固定子２と、固定子２の中空内部３内に回転自在に配置され、固定子２が発生した回転磁界による電磁力を受けて回転する回転子４とで形成されている。
固定子２は、円柱状の内部に中空部５を有する固定子鉄心６と、固定子鉄心６の内周部分に巻回された固定子コイル（不図示）とで構成され、固定子コイルに電流を流すことにより中空内部３に磁界が形成される。この磁界からの磁力により回転子４に高周波の誘導電流が流れ、誘導電流と固定子２が発生する磁界とで回転力が発生し回転子４が中空内部３内で回転する。
回転子４は、図１（ｂ）に示すように鉄心部分７と、かご形状の導体部分８とが回転軸（出力軸）９に一体に組み付けられて形成されている。かご形状の導体部分８は、図１（ｃ）に示すように一対の環状導体（以下「エンドリング」という）１０、１０と、これらの一対のエンドリング１０、１０間に連結された複数本の棒状導体（以下「導体バー」という）１１とで形成されている。
本実施形態のエンドリング１０、１０及び導体バー１１は、図２及び図３に示すように、導電性の芯導体１２と、芯導体１２の外周に電気的接触状態で付着しカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」と略称する）１５からなるカーボンナノチューブ構造体１３とからなる複合材１４で形成されている。
芯導体１２は、銅製の棒体で形成された銅コア材又はアルミニウム製の棒体で形成されたアルミコア材で形成され、いずれの材質においても導電率が高く、電流密度耐性が高く、高熱伝導性に優れた材料で形成されている。本実施形態の例では、銅製の棒体からなる銅コア材で形成されている。この銅コア材の外周に、編組状に形成されたＣＮＴ１５からなるカーボンナノチューブ構造体１３が付着され、この状態でアルミニウムが含浸されている。
ここで、ＣＮＴ１５は、６個の炭素が結びついた六角形の形態が、さらに他の六角形と結合された状態で円筒状に形成された構造体で、これらの複数のＣＮＴ１５から繊維ＣＮＴが形成され、複数の繊維ＣＮＴの集合体から、絡み合った繊維ＣＮＴを伸ばして揃えて、これに撚りを加えて均一な一定の太さの糸状にすることで紡糸ＣＮＴが形成される。本実施形態では、繊維ＣＮＴ、繊維ＣＮＴの集合体、紡糸ＣＮＴをＣＮＴ構造体１３という。
また、ＣＮＴ１５は、ＣＮＴ１５間の結合力が弱く、ＣＮＴ１５同士の接触抵抗が大きいので、本実施形態の複合材１４では、ＣＮＴ１５の表面、ＣＮＴ１５の内部及び、ＣＮＴ１５間に金属ナノ粒子（導電体）をナノスケールで付着させることにより、いわゆる濡れ性を向上させる濡れ性向上処理が施されている。
この濡れ性向上処理の方法としては、既に出願されている特表２００９－５３５２９４に記載された「炭素と非炭素との組織化されたアセンブリー、及びその製造方法」の技術を用いて図４に示すようにＣＮＴ１５の表面、ＣＮＴ１５の内部、ＣＮＴ１５間に金属ナノ粒子１８からなる非炭素物質（Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｈ、Ｔｉ、Ｕ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ）を付着させる。これにより、ＣＮＴ１５同士が金属ナノ粒子１８によって強い結合（共有結合）になると推定され、金属ナノ粒子１８間の低抵抗化を図ることができるので、ＣＮＴ１５間が低抵抗となる。すなわち、ＣＮＴ１５の内部を通り、金属ナノ粒子１８を通って隣接するＣＮＴ１５に電子が移動する場合、ＣＮＴ１５間が低抵抗なので、ＣＮＴ１５間の導電性が高い。したがって、ＣＮＴ１５間にバインダとしての金属ナノ粒子１８を付着させることで単位ＣＮＴ間の結合力を強化して電気的な接触抵抗を小さくすることによりＣＮＴ１５間の高い導電性が得られる。
また、ＣＮＴ１５の表面に付着した金属ナノ粒子１８は、電子が金属ナノ粒子１８を通って、ＣＮＴ１５の内部を通過し易くなり、さらにＣＮＴ１５の内部に付着した金属ナノ粒子１８によって電子がより流れ易くなることで高い導電性が得られる。
このようなＣＮＴ１５から形成した繊維ＣＮＴの集合体から絡み合った繊維ＣＮＴを伸ばして揃えて、これに撚りを加えて均一な一定の太さの糸状に形成した紡糸ＣＮＴを銅コア材の表面（外周）に編組状に付着させている。
芯導体１２である銅コア材の外周に編組状のＣＮＴ構造体１３が付着した状態で、ＣＮＴ構造体１３にアルミニウム１６が含浸されている。ＣＮＴ構造体１３を形成する紡糸ＣＮＴにアルミニウム１６を含浸させるには、真空加圧含浸法によって紡糸ＣＮＴにアルミニウム１６を含浸させる。この場合、既に出願されている特開２００１－１０７２０３号公報に記載されている「複合材料及びその製造方法」の技術、特開２００２－５９２５７号公報に記載されている「複合材料」の技術、特開２００２－１９４５１５号公報に記載されている「複合材料及びその製造方法」の技術を用いて、紡糸ＣＮＴ（ＣＮＴ構造体１３）にアルミニウム１６を含浸させることができる。
これにより、芯導体１２とＣＮＴ構造体１３からなる複合材１４が形成され、この複合材１４によって、誘導モータ１のエンドリング１０及び導体バー１１が形成されている。
＜変形例１＞
上記実施形態では、銅コア材からなる芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を編組状に付着させて編組を形成したのに対して、本変形例１では、図５に示すように、銅コア材からなる芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を横巻状に付着させている。このように銅コア材からなる芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を横巻状に付着させた状態で、上記実施形態と同様に、真空加圧含浸法によりアルミニウム１６を含浸させる。
上記実施形態では、銅コア材からなる芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を編組状に付着させて編組を形成したのに対して、本変形例１では、図５に示すように、銅コア材からなる芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を横巻状に付着させている。このように銅コア材からなる芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を横巻状に付着させた状態で、上記実施形態と同様に、真空加圧含浸法によりアルミニウム１６を含浸させる。
＜変形例２＞
上記実施形態では、芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を付着させて、次ぎにアルミニウム１６を含浸させているのに対して、本変形例２では、ＣＮＴ１５に上記実施形態と同様の濡れ性向上処理を施した状態で、ＣＮＴ１５の繊維の集合体に上記実施形態と同様の真空加圧含浸法によりアルミニウム１６を含浸させた複合材１７を、図６（ａ）に示すように円筒状（チューブ状）に成形し、このＣＮＴ繊維の集合体にアルミニウム１６が含浸された円筒状の複合材１７の内部に、図６（ｂ）に示す銅コア材からなる芯導体１２を、図６（ｃ）に示すように圧入することで芯導体１２と複合材１７とからなる複合材１４を形成する。
上記実施形態では、芯導体１２の外周にＣＮＴ構造体１３を付着させて、次ぎにアルミニウム１６を含浸させているのに対して、本変形例２では、ＣＮＴ１５に上記実施形態と同様の濡れ性向上処理を施した状態で、ＣＮＴ１５の繊維の集合体に上記実施形態と同様の真空加圧含浸法によりアルミニウム１６を含浸させた複合材１７を、図６（ａ）に示すように円筒状（チューブ状）に成形し、このＣＮＴ繊維の集合体にアルミニウム１６が含浸された円筒状の複合材１７の内部に、図６（ｂ）に示す銅コア材からなる芯導体１２を、図６（ｃ）に示すように圧入することで芯導体１２と複合材１７とからなる複合材１４を形成する。
なお、上記の変形例２では、芯導体１２を、アルミニウム１６が含浸された筒状のＣＮＴ構造体１３の複合材１７の内部に圧入したが、スウェージングにより筒状の複合材１７の内部を絞ることで銅コア材の表面に、アルミニウム１６が含浸された筒状のＣＮＴ構造体１３の複合材１７の内面を密着接触させても良い。
以上説明したように、本実施形態の誘導モータ１によれば、導電性の芯導体１２と、芯導体１２の外周に電気的接触状態で付着するＣＮＴ構造体１３とからなる複合材１４で、エンドリング１０、１０及び導体バー１１を形成することにより、電磁誘導により発生する高周波電流がエンドリング１０、１０及び導体バー１１の表面に流れても、表面側には高い導電率を有するＣＮＴ１５からなるＣＮＴ構造体１３が付着されているので、抵抗を低減することができる。
また、表面の電気抵抗を低減することができるので、表皮効果によって高周波電流が表面側に集中しても発熱量が少ないので、熱損失が低減される。加えて、発熱量を低減することができ放熱性が良好なので、誘導モータにおいて従来必要とされていた放熱用のフィンを小型化あるいは無くすことが可能となるので、誘導モータの小型化が可能となり、例えば車載用に用いた場合には、搭載必要スペースを低減することができる。さらに、小型化にすることで軽量化も図ることができるので、車載用とした場合には車両の重量軽減に寄与することができる。
さらに、ＣＮＴ構造体１３は、他の導電体（アルミニウムや銅）と比較して軽いので、銅コア材を用いた場合、導体バー１１やエンドリング１０の必要径が同じならば、外周に付着するＣＮＴ構造体１３の分だけ銅コア材の径を小さくすることができるので、誘導モータ全体の重さを軽減することができる。また、図７に示すように、従来必要な径Ｌ１の大きさに設定されていた銅コア材１９によるエンドリング１０及び導体バー１１と同等の導電率を有する本実施形態の複合材１４で形成する場合、その径Ｌ２をＬ１よりも小さくすることができる。
また、熱損失が低減されるので、入力電力に対する軸出力の低減を小さくすることができ、効率の良い誘導モータとすることができる。
従って、小型、軽量で効率の良い誘導モータを実現することができる。
また、上記実施形態において、濡れ性向上処理をＣＮＴ構造体１３に施すことにより、導電率を向上することができ、より電気抵抗を低減することができるので、表皮効果により高周波電流が回転子の表面側に集中してもエンドリング１０や導体バー１１からの発熱をより低減することができ、熱による損失を大幅に低減することができるので、誘導モータとしての効率が向上する。
さらに、ＣＮＴ構造体１３にアルミニウム１６を真空加圧含浸法により含浸させることにより、ＣＮＴ構造体１３と銅コア材との電気的接触を飛躍的に向上させることができ、これによっても電気抵抗を低減して導電率の良い複合材とすることができる。
なお、以上の実施形態では、ＣＮＴ構造体１３を円筒状に形成しているが、円筒状以外の筒状に形成しても良い。
また、上記実施形態では、ＣＮＴ構造体１３に銅またはアルミニウム及びその合金等の導電性の金属を加圧により含浸させた例を示したが、圧粉成形によりＣＮＴ１５に銅またはアルミニウム及びその合金等の導電性の金属を混ぜ合わせて圧粉体としてもよい。
また、上記実施形態では、芯導体１２が銅製の棒体からなる銅コア材で形成され、ＣＮＴ１５に導電性の金属としてアルミニウムを含浸又は圧粉成形させた例を示し、導電性の金属コア材の周囲に導電性の金属を含浸又は圧粉成形させた例を示したが、導電性の金属を含浸又は圧粉成形させたＣＮＴ構造体１３の周囲に導電性の金属を配置してよい。
以下に、芯導体１２とＣＮＴ構造体１３との組合せを示す。
（１）中心部の導電性のコア材の周囲に導電性の金属が付着したＣＮＴ構造体を配置する場合の組合せ
芯導体１２ ＣＮＴ構造体
（ａ）銅コア材 アルミニウムが付着（上記実施形態及び変形例）
（ｂ）アルミニウムのコア材 銅が付着
（ｃ）銅コア材 銅が付着
（ｄ）アルミニウムのコア材 アルミニウムが付着
芯導体１２ ＣＮＴ構造体
（ａ）銅コア材 アルミニウムが付着（上記実施形態及び変形例）
（ｂ）アルミニウムのコア材 銅が付着
（ｃ）銅コア材 銅が付着
（ｄ）アルミニウムのコア材 アルミニウムが付着
（２）中心部に金属が付着したＣＮＴ構造体を配置しその周囲に導電性の金属（芯導体）を被せる場合の組合せ
ＣＮＴ構造体 芯導体（外周導体）
（ａ）アルミニウムが付着 銅材
（ｂ）銅が付着 銅材
（ｃ）アルミニウムが付着 アルミニウム
（ｄ）銅が付着 アルミニウム
ＣＮＴ構造体 芯導体（外周導体）
（ａ）アルミニウムが付着 銅材
（ｂ）銅が付着 銅材
（ｃ）アルミニウムが付着 アルミニウム
（ｄ）銅が付着 アルミニウム
上記の組合せのな中で、（２）－（ａ）、（ｂ）は、銅が付着した芯導体（外周導体）が外周にあるので、腐食の軽減を図ることができる。
また、（１）－（ｂ）、（ｃ）の場合でも、銅が付着したＣＮＴ構造体が外周にあるので、腐食の軽減を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。
Claims (5)
- 誘導モータの固定子の中空内部に回転自在に配置され、前記固定子により前記中空内部に形成される磁界からの磁力を受けて回転する誘導モータの回転子であって、
一対の環状導体と、
前記一対の環状導体間に連結されて前記一対の環状導体とともにかご形状を形成する複数本の棒状導体と、を備え、
前記環状導体及び前記棒状導体は、それぞれ導電性の芯導体と、前記芯導体の外周に電気的接触状態で付着するカーボンナノチューブ構造体とからなる複合材で形成されている
誘導モータの回転子。 - 前記芯導体は、銅製の棒体又はアルミニウム製の棒体である
請求項１記載の誘導モータの回転子。 - 前記カーボンナノチューブ構造体は、
複数のカーボンナノチューブの集合体で形成され、
前記各カーボンナノチューブの表面、前記各カーボンナノチューブの内部、及び前記カーボンナノチューブ間にナノ金属粒子からなる導電体が付着されて濡れ性向上処理が施され、
前記芯導体の外周に編組状に付着した状態で、アルミニウムが含浸又は圧粉成形されている
請求項２記載の誘導モータの回転子。 - 前記カーボンナノチューブ構造体は、
複数のカーボンナノチューブの集合体で形成され、
前記各カーボンナノチューブの表面、前記各カーボンナノチューブの内部、及び前記カーボンナノチューブ間にナノ金属粒子からなる導電体が付着されて濡れ性向上処理が施され、
アルミニウムが含浸又は圧粉成形された状態で、前記芯導体の外周に横巻きで付着している
請求項２記載の誘導モータの回転子。 - 中空内部に磁界を形成する固定子と、
前記固定子の前記中空内部に回転自在に配置され、前記固定子により形成される磁界からの磁力を受けて回転する回転子と、を備え、
前記回転子は、一対の環状導体と、前記一対の環状導体間に連結された複数本の棒状導体と、を含み、
前記一対の環状導体と前記複数本の棒状導体とで、かご形状が形成され、
前記環状導体及び前記棒状導体は、それぞれ導電性の芯導体と、前記芯導体の外周に電気的接触状態で付着するカーボンナノチューブ構造体とからなる複合材で形成されている
誘導モータ。
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