WO2018179270A1 - 回転子及び回転電機 - Google Patents

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region
outer peripheral
slot
inner peripheral
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亮宏 佐久間
宏紀 立木
州男 羽田
美樹 前田
桂資 大矢
量平 山川
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors

Definitions

  • the present invention relates to a rotor and a rotating electric machine.
  • Induction motors are the most frequently used among electric motors, and in the market, an increase in torque at the steady state of the rotor is demanded for higher efficiency.
  • secondary resistance the resistance of the secondary conductor of the rotor
  • the current at the start is suppressed and the possibility of damaging the power distribution equipment is low, but the torque at the steady state becomes small.
  • the secondary resistance is small, the torque at the steady state becomes large, but the current at the time of starting increases and there is a possibility of damaging the distribution equipment. That is, there is a trade-off relationship between current suppression at start-up and steady-state torque increase, which is high efficiency.
  • the secondary resistance is a resistance received by a current flowing through the rotor due to electromagnetic induction, and is a value that varies depending on the shape and material of the end ring and the slot.
  • the rotor core has slots parallel to the rotation axis and spaced apart from each other in the circumferential direction in a top view of the rotor core.
  • the slot includes a case where a conductor is cast and a case where a conductor is not cast.
  • the end ring is annularly fixed to the upper and lower surfaces so as to conduct the conductor inside the slot into which the conductor of the rotor core is cast.
  • the end ring is an annular shape having a notch for detouring so that a slot into which no conductor is cast is located on the outer peripheral side of the end ring.
  • an object of the present invention is to improve the trade-off between current suppression at start-up and high efficiency at steady state.
  • the rotor according to the present invention includes a plurality of slots stacked in a thin plate, and a plurality of slots penetrating in the direction of the rotation axis that are spaced apart from each other in the circumferential direction.
  • the rotor core rotates around the rotation axis, and the rotor core rotates.
  • a cutout portion is formed on the outer periphery between the slots adjacent to each other in a top view, and the cutout portion has a depth of ( ⁇ / f ⁇ ) (1/2) or less from the outer periphery of the end ring in the radial direction. It is characterized by a shape.
  • f is the power supply frequency of the rotor
  • ⁇ is the circumference.
  • the end ring has a notch portion on the outer periphery between the slots adjacent to each other in a top view of the end ring, and the notch portion is moved in the radial direction from the outer periphery of the end ring. Since the shape has a depth of ( ⁇ / f ⁇ ) (1/2) or less, it is possible to improve the trade-off between current suppression at the time of starting the rotor and torque increase at the steady state.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the rotating electrical machine according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a perspective view of a rotor 100 and a shaft 101 according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of a rotor core according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the adhering method of the end ring and rotor core which concern on Embodiment 1.
  • FIG. It is the top view seen from the rotating shaft direction of the end ring and rotor core which concern on Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of an end ring according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an end ring according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a top view of a rotor core according to a second embodiment. 6 is a cross-sectional view of a rotor core and an end ring according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a top view of a rotor core according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a rotor core and an end ring according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a top view of a thin plate that is one type of two types of thin plates constituting the rotor core according to the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of the rotating electrical machine according to the first embodiment.
  • the rotating electrical machine 1 includes a rotor 100, a stator 2, and a shaft 101 in a frame 3.
  • the stator 2 is fitted and fixed to the frame 3, and the rotor 100 is installed so as to rotate about the rotation axis AX.
  • the rotor 100 includes a cylindrical rotor core 103 fixed to a shaft 101 and annular end rings 102 on both end surfaces in a direction Z1 parallel to the rotation axis of the rotor core 103.
  • FIG. 2 is a perspective view of the rotor 100 and the shaft 101 according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a perspective view of the rotor core 103 according to the first embodiment.
  • the rotor core 103 is formed by laminating a plurality of annular thin magnetic plates in the rotation axis direction. The plurality of thin plates may be fixed to each other by caulking, welding, or adhesion, or may not be fixed.
  • the rotor core 103 is provided with slots 105 penetrating in the rotation axis direction at equal intervals in the circumferential direction, and aluminum is cast into the slots 105.
  • the end ring 102 is made of aluminum like the inside of the slot 105. Further, the bottom surface of the end ring 102 is fixed to the aluminum in the slot 105 at the end surfaces (end portions) 103-1 and 103-2 of the rotor core 103 in the Z1 direction. Further, the end ring 102 has a notch 102-1 on the outer periphery of the end ring 102.
  • the conductor in the end ring and the slot is made of aluminum. However, any material such as an aluminum alloy, copper, or copper alloy may be used as long as it has both the properties of a non-magnetic material that is difficult to pass through a magnetic field and the properties of the conductor.
  • the outer periphery 201 of the end ring 102 refers to the outer periphery (circumference) of the end ring 102 without the notch 102-1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a method for fixing the end ring 102 and the rotor core 103 according to the first embodiment.
  • the core metal 4 is inserted into the center of the rotor core 103, and the outer periphery of the rotor core 103 is fastened and fixed with a cylindrical vice 5 from the outside.
  • the thin plate of the rotor core 103 is not fixed, or when a skew is applied to the slot 105, the thin plate is displaced in the circumferential direction at this point and adjusted.
  • the annular end ring mold 6 is fixed to both end faces 103-1 and 103-2 of the rotor core 103 in the rotation axis direction.
  • the end ring mold 6 includes irregularities for forming the end ring 102 having the notch 102-1, and an injection portion 7 for injecting aluminum.
  • the rotor core 103 is pressurized by the end ring molds 6 at both ends in the rotation axis direction of the rotor core 103 so that aluminum does not enter between the laminated thin plates, and aluminum is injected from the injection section 7. After injecting aluminum until it fills the slot 105 and the groove of the end ring type, the aluminum is cooled until it hardens, and the end ring type 6, the core metal 4 and the vice 5 are removed.
  • FIG. 5 is a top view of the end ring 102 and the rotor core 103 according to the first embodiment when viewed from the direction of the rotation axis.
  • the outer periphery 201 of the end ring 102 has a notch 102-1 between the slot 105 and the slot 105 adjacent thereto. Note that the cutout portions 102-1 are provided in all the slots 105 adjacent to each other. If the depth of the notch 102-1 (that is, the distance from the outer periphery 201 of the end ring 102 to the position closest to the rotation axis in the notch 102-1) is X, the length of X is expressed by the following equation: It is represented by 1 and 2.
  • ⁇ is the electrical resistivity of the conductor constituting the end ring
  • f is the power supply frequency
  • ⁇ is the absolute permeability
  • ⁇ is the circumference.
  • d1 refers to a value that satisfies Equation 2.
  • X is shorter than the length of the slot 105 in the radial direction.
  • the current in the slot 105 is concentrated in a region near the outer periphery of the slot 105, and the current in the end ring 102 is concentrated in a region near the surface other than the surface in contact with the rotor core 103 (generally, Called skin effect).
  • the total current is transferred to a region where the distance from the outer periphery of the rotor core 105 is d1, and a region where the distance from the surface other than the surface in contact with the rotor core 103 of the end ring 102 is d1. Approximately 63% is concentrated.
  • another slot 105 for example, the slot 105-2 in FIG. 5
  • the path through which the current flows from the slot 105-1 to another slot 105-2 in the end ring 102 is as shown by path a in FIG.
  • the path is such that an arc is drawn in a region close to the outer periphery of the end ring 102.
  • the end ring 102 is provided with the notch portion 102-1 having a depth expressed by Equations 1 and 2, the current flowing from the slot 105-1 to another slot 105-2 at the time of starting is It is necessary to pass through a path b that cannot flow along the path a that is easy to flow due to the skin effect, and that wraps around the notch 102-1 to the inside of the end ring (side closer to the rotation axis). Since the resistance of the path b is larger than that of the path a, it is possible to suppress the current at the start.
  • the steady state In the steady state, there is no skin effect as at the start, and the current flowing through the end ring 102 passes uniformly through the rotor core 103 and the end ring 102. Also, to increase efficiency, we want to increase the current flowing through the slot. That is, the shape of the end ring 102 is preferably a shape in which current easily flows from the slot 105 to the end ring 102. If the cutout portion 102-1 is provided at a position overlapping the slot in the top view of the end ring 102, current does not easily flow from the slot 105 to the end ring 102.
  • the notch 102-1 of the end ring 102 is provided between the slot 105-1 and the slot 105-2 adjacent thereto, so that at the time of starting This makes it possible to improve the trade-off between current suppression and torque increase at steady state.
  • the depth X is greater than d1
  • the current suppression effect at the start can be expected, but the steady-state torque cannot be increased.
  • the size of the outer peripheral portion is constituted by the values expressed by Formulas 1 and 2, the trade-off between the start time and the steady time can be improved.
  • notch portions 102-1 are provided between all slots 105 and adjacent slots 105, but notch portions 102-1 are provided between some slots 105 and adjacent slot 105. It is good also as a structure without. As in the present embodiment, when notched portions 102-1 are provided in all the spaces between adjacent slots 105, a configuration in which notched portions 102-1 are not provided between some slots 105 and adjacent slots 105 is provided. Since the secondary resistance at the time of starting can be further increased, the trade-off between current suppression at the time of starting and torque increase at the time of steady state can be further improved.
  • FIG. 6 and 7 show modifications of the end ring 102 according to the present embodiment.
  • the surface of the notch 102-1 is provided perpendicular to the upper surface of the end ring 102, but FIG. 6 shows that the depth X of the notch 102-1 increases as the surface of the notch 102-1 moves toward the upper surface of the end ring 102. It becomes the taper shape which becomes.
  • the depth X satisfies Formula 1.
  • the end ring 102 of FIG. 7 has a notch 102-1 in a region near the upper surface in the height direction that is the rotation axis direction. That is, the notch 102-1 includes a surface in the direction of the rotation axis and a surface in a direction perpendicular to the rotation axis. The notch 102-1 does not penetrate the end ring 102 in the height direction.
  • the end ring 102 has a notch 102-1 in a region from the upper end surface of the end ring 102 to a height shorter than the height of the end ring 102.
  • the upper end surface of the end ring 102 refers to a surface that is not in contact with the rotor core 103 among the end surfaces in the height direction of the end ring 102.
  • the end ring 102 includes an outer peripheral portion 102-2 and an inner peripheral portion 102-3 which are lower portions (regions close to the rotor core 103) of the notch portion 102-1.
  • the outer peripheral portion 102-2 is a region from the outer periphery 201 of the end ring to the depth X
  • the inner peripheral portion 102-3 is the inner peripheral side of the outer peripheral portion 102-2 of the end ring.
  • the height Y of the outer peripheral portion 102-2 is smaller than d1.
  • the current in the end ring 102 is concentrated in a region where the distance from the surface other than the surface in contact with the rotor core 103 of the end ring 102 is d1. For this reason, in the modification shown in FIG. 6 or FIG.
  • Embodiment 2 FIG.
  • the end ring 102 is provided with the notch 102-1 to improve the trade-off between current suppression at the start and torque increase at the steady state.
  • the slot has a shape different from that of the first embodiment, and the others are the same as in the first embodiment. According to the present embodiment, the trade-off is further improved as compared with the case of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a top view of the rotor core 103 according to the second embodiment.
  • the slot 302 in the present embodiment includes an outer peripheral region 302-1, an inner peripheral region 302-3, and a bridge section 302-2 that connects them.
  • the outer peripheral region 302-1 has a substantially triangular shape having one apex on the outer peripheral side and a base on the inner peripheral side.
  • the outer peripheral region 302-1 may be, for example, a triangle with a rounded apex.
  • the inner peripheral region 302-3 is a substantially trapezoid in which the outer peripheral side and the inner peripheral side are parallel, and the length of the outer peripheral side is longer than the length of the inner peripheral side.
  • the inner peripheral region 302-3 may be, for example, a trapezoid with a rounded apex.
  • the length of the bridge portion 302-2 in a direction perpendicular to the direction from the outer periphery toward the inner periphery is shorter than the outer periphery side of the inner periphery side region 302-2 or the bottom side of the outer periphery side region 302-1.
  • the inner periphery of the slot indicates the position inside the radial direction of the rotor core in the slot.
  • the outer periphery of the slot indicates a position outside the radial direction of the rotor core in the slot.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the rotor core 103 and the end ring 102 according to the second embodiment. Since the end ring 102 has the same configuration as that of the first embodiment, description thereof is omitted here.
  • the distance d2 from the outer periphery of the rotor core 103 to the outer periphery of the inner peripheral region 302-3 is the same as the distance from the outer periphery of the rotor core 103 to the inner peripheral side of the bridge section 302-2, and the following formula 3 It is represented by
  • Embodiment 3 FIG.
  • the slot has a shape different from that of the first embodiment, and the others are the same as in the first embodiment. According to the present embodiment, the trade-off is further improved as compared with the case of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a top view of the rotor core according to the third embodiment.
  • the slot 105 of the present embodiment has an inner peripheral region 302-3 similar to that of the second embodiment, and has a narrow portion 302-4 on the outer peripheral side of the inner peripheral region 302-3.
  • the narrow portion 302-4 is a substantially rectangular shape having a long side in the direction from the outer peripheral side to the inner peripheral side, that is, the radial direction, and a short side in the circumferential direction.
  • the length of the short side of the narrow portion is shorter than the length of the outer peripheral side of the inner peripheral region 302-3.
  • the distance d3 from the outer periphery of the rotor core to the inner periphery of the narrow portion 302-4 satisfies the following formula 4.
  • end ring is configured to have the same notch 102-1 as in the first embodiment also in the present embodiment.
  • the operation will be described.
  • the current passing through the slot is concentrated in a region near the outer periphery in the slot, so that the current passing area is reduced by the narrow portion 302-4, and the current at the starting can be suppressed. Therefore, according to the present embodiment, there is an effect that the trade-off between the start time and the steady state can be further improved as compared with the first embodiment.
  • the rotor core 103 is configured by laminating thin plates having a shape in which the slot 105 is connected to the outer peripheral side region 302-1 and the inner peripheral side region 302-3 by the bridge portion 302-2.
  • the present embodiment is different from the second embodiment in that two types of thin plates are stacked in order to constitute the rotor core 103.
  • the trade-off between the start time and the steady state is further improved as compared with the second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the rotor core 103 and the end ring 102 according to the fourth embodiment.
  • the rotor core 103 is configured by laminating thin plates in the rotation axis direction Z1, but in this embodiment, two types of thin plates having different slot shapes are alternately laminated.
  • the two types of thin plates used for the lamination are a first slot-shaped thin plate similar to the third embodiment shown in FIG. 8 and a second slot-shaped thin plate shown in FIG.
  • the slot in FIG. 12 includes an outer peripheral side region 302-1, an inner peripheral side region 302-3, and a bridge portion 302-5.
  • the outer peripheral side region 302-1 and the inner peripheral side region 302-3 have the same size as the outer peripheral side region 302-1 and the inner peripheral side region 302-3 in FIG.
  • the distance from the outer periphery is provided at the same position.
  • the bridge portion 302-5 has the same length in the direction perpendicular to the radial direction as the bridge portion 302-2 in FIG.
  • the distance from the outer periphery of the rotor core 103 to the outer peripheral end of the bridge portion 302-5 is the same as that of the bridge portion 302-2 in the second embodiment, but on the inner peripheral side of the bridge portion 302-5.
  • the end is on the outer peripheral side than the inner peripheral end of the bridge section 302-2. Therefore, the thin plate in FIG. 12 does not connect between the outer periphery side region 302-1 and the inner periphery side region 302-3 with the bridge portion 302-5, but between the bridge portion 302-5 and the inner periphery side region 302-3. Is vacant (the iron core is connected).
  • the distance from the outer periphery of the rotor core 103 to the outer peripheral end of the inner peripheral region 302-3 is d2 as in FIG. Further, as shown in FIG. 11, the outer peripheral side region 302-1 and the inner peripheral side region 302-3 of the slot each penetrate the rotor core 103 in the rotation axis direction.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.

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Abstract

薄板が積層され、回転軸方向に貫通する複数のスロット１０５を周方向に互いに離間して有し、回転軸を中心に回転する回転子鉄心１０３と、回転子鉄心１０３の回転軸方向の端部に底面が固着され、電気抵抗率がρ、絶対透磁率がμの導体からなり、回転軸を中心とした環状のエンドリング１０２と、を備え、エンドリング１０２は、エンドリング１０２の上面視において互いに隣接するスロット１０５の間の外周に切り欠き部１０２－１を有し、切り欠き部１０２－１は、電源周波数をｆ、円周率をπとして、エンドリング１０２の外周から動径方向に（ρ／ｆμπ）（１／２）以下の深さを有する形状であることを特徴とする回転子。

Description

回転子及び回転電機
この発明は回転子及び回転電機に関するものである。
電動機の中でも誘導機は最も多く使用されており、市場においても高効率化として回転子の定常時のトルク増大が求められている。一般的に誘導機は、回転子の二次導体の抵抗（以下二次抵抗）が大きければ、始動時の電流が抑制され配電設備を損傷する可能性は低いが定常時のトルクは小さくなる。逆に二次抵抗が小さければ定常時のトルクは大きくなるが、始動時の電流が増大し配電設備を損傷する可能性がある。つまり、始動時の電流抑制と、高効率化である定常時のトルク増大がトレードオフの関係となっている。ここで、二次抵抗とは、電磁誘導により回転子に流れる電流が受ける抵抗であり、エンドリング及びスロットの形状や材質により変わる値である。
従来技術としては、回転子の標準化及び二次抵抗増大の目的で、例えば特許文献１の以下のような技術がある。特許文献１では、回転子鉄心は回転軸に平行に、回転子鉄心の上面視において周方向に互いに離間したスロットを有している。スロットは、導体が鋳込まれるものと鋳込まれないものとが混在する。エンドリングは回転子鉄心の導体が鋳込まれるスロットの内部の導体を導通させるよう環状で上下面に固着される。また、エンドリングは、導体が鋳込まれないスロットがエンドリングの外周側になるよう迂回するための切り欠き部を有した環状である。
実開平１―７６１７２号公報
しかしながら、特許文献１に開示されるエンドリング構造では、導体が鋳込まれないスロットがエンドリングの外周側になるよう迂回するための切り欠き部を有しているため、切り欠き部の動径方向の長さが長くなる。その結果、二次抵抗が大きくなりすぎ、定常時のトルクが小さくなる問題があった。そこで、本発明は、始動時の電流抑制と定常時の高効率化のトレードオフを改善することを目的とする。
この発明にかかる回転子は、薄板が積層され、回転軸方向に貫通する複数のスロットを周方向に互いに離間して有し、回転軸を中心に回転する回転子鉄心と、回転子鉄心の回転軸方向の端部に底面が固着され、電気抵抗率がρ、絶対透磁率がμの導体からなり、回転軸を中心とした環状のエンドリングと、を備え、前記エンドリングは、エンドリングの上面視において互いに隣接する前記スロットの間の外周に切り欠き部を有し、切り欠き部は、エンドリングの外周から動径方向に（ρ／ｆμπ）（１／２）以下の深さを有する形状であることを特徴とするものである。ただし、ｆは回転子の電源周波数、πは円周率とする。
本発明にかかる回転子によれば、エンドリングは、エンドリングの上面視において互いに隣接する前記スロットの間の外周に切り欠き部を有し、切り欠き部は、エンドリングの外周から動径方向に（ρ／ｆμπ）（１／２）以下の深さを有する形状としたので、回転子の始動時の電流抑制と定常時のトルク増大のトレードオフを改善することができる。
実施の形態１に係る回転電機の断面模式図である。 実施の形態１に係る回転子１００とシャフト１０１の斜視図である。 実施の形態１に係る回転子鉄心の斜視図である。 実施の形態１に係るエンドリングと回転子鉄心の固着方法を示す図である。 実施の形態１に係るエンドリング及び回転子鉄心の回転軸方向から見た上面図である。 実施の形態１の変形例に係るエンドリングの断面図である。 実施の形態１の変形例に係るエンドリングの断面図である。 実施の形態２に係る回転子鉄心の上面図である。 実施の形態２に係る回転子鉄心とエンドリングの断面図である。 実施の形態３に係る回転子鉄心の上面図である。 実施の形態４に係る回転子鉄心とエンドリングの断面図である。 実施の形態４に係る回転子鉄心を構成する２種類の薄板のうちの１種類である薄板の上面図である。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る回転電機の断面模式図である。回転電機１は、フレーム３の中に、回転子１００、固定子２、シャフト１０１を備える。固定子２はフレーム３に嵌合して固着され、回転子１００は回転軸ＡＸを軸に回転するよう設置される。回転子１００は、シャフト１０１に固着される円筒状の回転子鉄心１０３と、回転子鉄心１０３の回転軸と平行な方向Ｚ１における両端面それぞれに環状のエンドリング１０２を備える。
図２は実施の形態１に係る回転子１００とシャフト１０１の斜視図、図３は実施の形態１に係る回転子鉄心１０３の斜視図である。回転子鉄心１０３は回転軸方向に磁性体の環状の薄板を複数積層され構成される。複数の薄板は、かしめ、溶接又は接着で相互に固定してもよいし、固定しなくてもよい。回転子鉄心１０３には、回転軸方向に貫通されたスロット１０５が周方向上に等間隔で設けられ、スロット１０５の内部にはアルミニウムが鋳込まれる。
エンドリング１０２はスロット１０５の内部同様アルミニウムで構成される。また、エンドリング１０２は底面が回転子鉄心１０３のＺ１方向の端面（端部）１０３－１，１０３－２それぞれにおいて、スロット１０５内のアルミニウムに固着されている。また、エンドリング１０２は、エンドリング１０２の外周に切り欠き部１０２－１を有している。なお、ここではエンドリングおよびスロット内の導体をアルミニウムとしたが、磁場を通しにくい非磁性体の性質と導体の性質を併せ持つものであれば、アルミニウム合金、銅又は銅合金といった材料でもよい。
なお、本実施の形態では、エンドリング１０２の外周２０１とは、切り欠き部１０２－１を有さない場合のエンドリング１０２の外周（円周）を言う。
次にエンドリング１０２と回転子鉄心１０３の固着方法を説明する。図４は、実施の形態１に係るエンドリング１０２と回転子鉄心１０３の固着方法を示す図である。回転子鉄心１０３の中心に芯金４を挿入し、回転子鉄心１０３の外周を外側から円筒状のバイス５で締め付け固定する。回転子鉄心１０３の薄板が固定されていない場合、またはスロット１０５にスキューをかける場合はこの時点で薄板を周方向に変位させて調整する。
次に、回転子鉄心１０３の回転軸方向の両端面１０３－１、１０３－２には、環状のエンドリング型６を固定する。エンドリング型６は、切り欠き部１０２－１を備えたエンドリング１０２を形成するための凹凸と、アルミニウムを注入するための注入部７を備える。積層された薄板の間にアルミニウムが入り込まないよう、回転子鉄心１０３の回転軸方向両端部のエンドリング型６で回転子鉄心１０３を加圧し、注入部７からアルミニウムを注入する。スロット１０５とエンドリング型の溝に充填されるまでアルミニウムを注入した後、アルミニウムが固まるまで冷却し、エンドリング型６、芯金４、バイス５を取り除く。最後に、注入部７に残ったアルミニウムを削ることで、スロット１０５内のアルミニウムとエンドリング１０２が一体形成され、エンドリング１０２が回転子鉄心１０３に固着される。なお、回転子を動作させると、電流がスロット内からエンドリング１０２を伝達して別のスロット内に流れる。
図５は、実施の形態１に係るエンドリング１０２及び回転子鉄心１０３の回転軸方向から見た上面図である。図５のようにエンドリング１０２の外周２０１には、スロット１０５とそれに隣接するスロット１０５の間に切り欠き部１０２－１がある。なお、切り欠き部１０２－１は、互いに隣接するスロット１０５間の全てに設けられる。切り欠き部１０２－１の深さ（すなわち、エンドリング１０２の外周２０１から切り欠き部１０２－１のうち最も回転軸に近い位置までの距離）をＸとすると、Ｘの長さは以下の数式１、２で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
ここで、ρはエンドリングを構成する導体の電気抵抗率、ｆは電源周波数、μは絶対透磁率、πは円周率である。以下、ｄ１というときは数式２を満たす値を指す。なお、本実施の形態では、Ｘはスロット１０５の動径方向の長さより短い。
次に、本実施の形態における回転子１００の仕組みについて説明するが、始動時、定常時でそれぞれ分けて説明する。
始動時には電流を抑える必要があるため、二次抵抗を大きくしたい。また、始動時には、スロット１０５内の電流はスロット１０５のうち外周に近い領域に集中し、エンドリング１０２内の電流は回転子鉄心１０３に接する面以外の表面に近い領域に集中するという特性（一般に表皮効果という）がある。定量的には、スロット１０５のうち、回転子鉄心１０５の外周からの距離がｄ１の領域、及びエンドリング１０２の回転子鉄心１０３に接する面以外の表面からの距離がｄ１の領域に全電流のおよそ６３％が集中する。
スロット１０５（例えば図５のスロット１０５－１）からエンドリング１０２に流れた電流は、別のスロット１０５（例えば図５のスロット１０５－２）に流れる。ここで、仮にエンドリング１０２に切り欠き部１０２－１が無ければ、スロット１０５－１から別のスロット１０５－２に電流がエンドリング１０２内を流れる経路は、図５の経路ａのように、エンドリング１０２の外周に近い領域で円弧を描くような経路となる。本実施の形態では、エンドリング１０２に深さが数式１，２で示される切り欠き部１０２－１を設けたことで、始動時にスロット１０５－１から別のスロット１０５－２に流れる電流は、表皮効果で流れやすい経路ａで流れることができず、切り欠き部１０２－１をエンドリング内側（回転軸に近づく側）に回り込むような経路ｂを通る必要がある。経路ｂは、経路ａより抵抗が大きくなるため、始動時の電流抑制が可能となる。
次に定常時について説明する。定常時には、始動時のような表皮効果はなく、エンドリング１０２を流れる電流は回転子鉄心１０３及びエンドリング１０２内を一様に通過する。また、高効率化のためにはスロットを流れる電流を増やしたい。つまり、エンドリング１０２の形状は、スロット１０５からエンドリング１０２に電流が流れ込みやすい形状がよい。仮に切り欠き部１０２－１を、エンドリング１０２の上面視において、スロットに重なる位置に設けた場合、スロット１０５からエンドリング１０２に電流が流れにくくなる。したがって、本実施の形態では、エンドリング１０２の上面視において、エンドリング１０２の切り欠き部１０２－１を、スロット１０５－１とそれに隣接するスロット１０５－２の間に設けたことで、始動時の電流抑制と、定常時のトルク増大のトレードオフの改善が可能となる。
また、もし仮に深さＸがｄ１より大きい場合、始動時の電流抑制の効果は見込めるが、定常時のトルクを増大させることができない。本実施の形態では、外周部の大きさを数式１，２で示される値で構成したので、始動時と定常時とのトレードオフを改善することができる。
なお、本実施の形態では、スロット１０５とそれに隣接するスロット１０５間の全てに切り欠き部１０２－１を設けたが、一部のスロット１０５とそれに隣接するスロット１０５間では切り欠き部１０２－１がない構成としてもよい。本実施の形態のように、隣接するスロット１０５間の全てに切り欠き部１０２－１を設けると、一部のスロット１０５とそれに隣接するスロット１０５間に切り欠き部１０２－１がない構成よりも、始動時の二次抵抗をより増大させることができるため、始動時の電流抑制と定常時のトルク増大のトレードオフをより改善することができる。
図６、図７は本実施の形態に係るエンドリング１０２の変形例である。実施の形態１では切り欠き部１０２－１の面がエンドリング１０２上面に対し垂直に設けられたが、図６は、切り欠き部１０２－１の深さＸがエンドリング１０２上面に向かうにつれ深くなるテーパ状となっている。なお、深さＸは数式１を満たす。
図７のエンドリング１０２は、切り欠き部１０２－１を回転軸方向である高さ方向の上面に近い領域に有している。つまり、切り欠き部１０２－１は、回転軸方向の面と、回転軸に垂直な方向の面で構成される。切り欠き部１０２－１はエンドリング１０２を高さ方向に貫通していない。エンドリング１０２は、エンドリング１０２の上端面から、エンドリング１０２の高さより短い高さまでの領域に切り欠き部１０２－１を有する。エンドリング１０２の上端面とは、エンドリング１０２の高さ方向の端面のうち、回転子鉄心１０３に接していない面をいう。
この場合、エンドリング１０２は、切り欠き部１０２－１の下部（回転子鉄心１０３に近い領域）である外周部１０２－２と内周部１０２－３で構成される。外周部１０２－２は、エンドリングの外周２０１から深さがＸまでの領域であり、内周部１０２－３は、エンドリングの外周部１０２－２の内周側である。ここで、外周部１０２－２の高さＹは、ｄ１より小さい。始動時には、エンドリング１０２内の電流は、エンドリング１０２の回転子鉄心１０３に接する面以外の表面からの距離がｄ１の領域に集中する。このため、図６又は図７で示される変形例では、始動時に電流が通過する領域を小さくできるため、始動時の電流抑制が可能となる。一方、定常時には、エンドリング１０２内の電流はエンドリング１０２内を一様に通過する。このため、図６又は図７で示される変形例における、始動時に電流が通過しない領域ではエンドリング１０２を削らない構成によれば、定常時のトルク増大と、始動時の電流抑制のトレードオフの改善が可能となる。
実施の形態２．
実施の形態１では、エンドリング１０２に切り欠き部１０２－１を備えたことで始動時の電流抑制と定常時のトルク増大のトレードオフを改善した。本実施の形態では、スロットを実施の形態１と異なる形状とし、その他は実施の形態１と同じである。本実施の形態によれば、実施の形態１の場合と比べトレードオフがさらに改善される。
図８は、実施の形態２に係る回転子鉄心１０３の上面図である。本実施の形態におけるスロット３０２は、外周側領域３０２－１と内周側領域３０２－３とそれらを繋ぐブリッジ部３０２－２とを備える。外周側領域３０２－１は、外周側に一つの頂点を持ち、内周側に底辺を持つような略三角形で構成される。ここで、外周側領域３０２－１は、例えば頂点に丸みを帯びた三角形であってもよい。内周側領域３０２－３は、外周側の辺と内周側の辺が平行である略台形で、外周側の辺の長さは内周側の辺の長さより長い。ここで、内周側領域３０２－３は、例えば頂点に丸みを帯びた台形であってもよい。ブリッジ部３０２－２は、外周から内周に向かう方向に対し垂直となる方向の長さが、内周側領域３０２－２の外周側または外周側領域３０２－１の底辺よりも短い。
なお、本実施の形態で、スロットの内周とは、スロットのうち回転子鉄心の動径方向内側の位置を示す。同様に、スロットの外周とは、スロットのうち回転子鉄心の動径方向外側の位置を示す。
図９は、実施の形態２に係る回転子鉄心１０３とエンドリング１０２の断面図である。エンドリング１０２は実施の形態１と同様の構成のためここでの説明は省略する。回転子鉄心１０３の外周から内周側領域３０２－３の外周側までの距離ｄ２は、回転子鉄心１０３の外周からブリッジ部３０２－２の内周側までの距離と同一であり以下の数式３で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
次に動作について説明する。始動時には、スロット３０２のうち外周に近い領域に電流が集中するが、ブリッジ部３０２－２から漏れ磁束が発生するため、二次抵抗が大きくなる。つまり、エンドリング１０２に切り欠き部１０２－１を備えるだけでなく、スロット３０２を外周側領域３０２－１とブリッジ部３０２－２と内周側領域３０２－３とに分け、回転子鉄心１０３の外周から内周側領域３０２－３の外周までの距離ｄ２を数式３を満たすようにしたため、実施の形態１と比べ、始動時と定常時のトレードオフをより改善することができる。
実施の形態３．
本実施の形態では、スロットを実施の形態１と異なる形状とし、その他は実施の形態１と同じである。本実施の形態によれば、実施の形態１の場合と比べトレードオフがさらに改善される。
図１０は、実施の形態３に係る回転子鉄心の上面図である。本実施の形態のスロット１０５は、実施の形態２と同様の内周側領域３０２－３を持ち、内周側領域３０２－３の外周側に狭小部３０２－４を有している。狭小部３０２－４は、外周側から内周側に向かう方向すなわち動径方向が長辺で、周方向の長さが短辺の略長方形である。狭小部の短辺の長さは、内周側領域３０２－３の外周側の辺の長さよりも短い。回転子鉄心の外周から狭小部３０２－４の内周までの距離ｄ３は以下の数式４を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
また、エンドリングについては、本実施の形態においても、実施の形態１と同様の切り欠き部１０２－１をもつ構成となっている。
次に動作について説明する。始動時にはスロット内を通る電流は、スロット内の外周に近い領域に集中するため、狭小部３０２－４により電流通過面積が小さくなり始動時の電流を抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、始動時と定常時のトレードオフを実施の形態１と比べさらに改善できるという効果を奏する。
実施の形態４．
実施の形態２では、スロット１０５を外周側領域３０２－１と内周側領域３０２－３とをブリッジ部３０２－２で連結した形状の薄板を積層することで、回転子鉄心１０３を構成した。本実施の形態は、回転子鉄心１０３を構成するため薄板を２種類積層する点が異なり、その他は実施の形態２と同様である。本実施の形態によれば、実施の形態２の効果に加え、実施の形態２に比べ、始動時と定常時のトレードオフをさらに改善するものである。
図１１は、実施の形態４に係る回転子鉄心１０３とエンドリング１０２の断面図である。回転子鉄心１０３は図１１に示すように、回転軸方向Ｚ１に薄板が積層されることで構成されるが、本実施の形態では、スロット形状の異なる２種類の薄板が交互に積層される。積層に用いられる２種類の薄板は、図８で示される実施の形態３と同様の第一のスロット形状の薄板と、図１２で示される第二のスロット形状の薄板である。
図１２のスロットは、外周側領域３０２－１と、内周側領域３０２－３と、ブリッジ部３０２－５を備える。外周側領域３０２－１と内周側領域３０２－３は、図８の外周側領域３０２－１と、内周側領域３０２－３とそれぞれ、同じ大きさで、周方向に対し同じ間隔で、外周からの距離が同じ位置に設けられる。ブリッジ部３０２－５は、図８のブリッジ部３０２－２と動径方向に対し垂直な方向の長さは同じである。
また、回転子鉄心１０３の外周からブリッジ部３０２－５の外周側の端までの距離は、実施の形態２におけるブリッジ部３０２－２と同じであるが、ブリッジ部３０２－５の内周側の端はブリッジ部３０２－２の内周側の端よりも外周側となっている。したがって、図１２の薄板は、外周側領域３０２－１と内周側領域３０２－３の間をブリッジ部３０２－５で連結せず、ブリッジ部３０２－５と内周側領域３０２－３に間が空く（鉄心がつながっている）形状となっている。回転子鉄心１０３の外周から内周側領域３０２－３の外周側の端までの距離は図１０と同様ｄ２である。また、図１１に示すように、スロットの外周側領域３０２－１及び内周側領域３０２－３はそれぞれ、回転軸方向に回転子鉄心１０３を貫通している。
　動作について以下説明する。図１２の薄板の場合、始動時には電流が外周側領域３０２－１を通る。ブリッジ部３０２－５と内周側領域３０２－３が隔離されているため、ブリッジ部３０２－５と内周側領域３０２－３の間を通る磁束が、図８のブリッジ部３０２－２での漏れ磁束よりも増加する。したがって、始動時に回転子鉄心１０３を流れる電流を抑えることができる。ここで、もし仮に、図１２の薄板のみで回転子鉄心１０３を構成すれば、定常時にも磁束がブリッジ部３０２－５と内周側領域３０２－３の間を通ることで回転子鉄心１０３を通る電流が減少し、定常時のトルク増大が図れない。そこで、図１０の薄板と図１２の薄板を交互に積層することで、実施の形態２と比べ始動時と定常時のトレードオフをさらに改善することができる。
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。
ＡＸ　回転軸、１０２　エンドリング、１０３　回転子鉄心、１０２－１　切り欠き部、１０５　スロット、１０２－２　外周部、１０２－３　内周部、３０２－１　外周側領域、３０２－２、３０２－５　ブリッジ部、３０２－３　内周側領域、３０２－４　狭小部。

Claims (7)

  1. 薄板が積層され、回転軸方向に貫通する複数のスロットを周方向に互いに離間して有し、前記回転軸を中心に回転する回転子鉄心と、
    前記回転子鉄心の回転軸方向の端部に底面が固着され、電気抵抗率がρ、絶対透磁率がμの導体からなり、前記回転軸を中心とした環状のエンドリングと、
    を備え、
    前記エンドリングは、前記エンドリングの上面視において互いに隣接する前記スロットの間の外周に切り欠き部を有し、
    前記切り欠き部は、電源周波数をｆ、円周率をπとして、前記エンドリングの外周から動径方向に（ρ／ｆμπ）（１／２）以下の深さを有する形状であること
    を特徴とする回転子。
  2. 前記切り欠き部は、互いに隣接する前記スロット間全てに設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転子。
  3. 前記エンドリングは、外周側に外周部、内周側に内周部を有し、前記外周部の動径方向の長さは、前記切り欠き部の動径方向の深さに等しく、前記外周部の回転軸方向の高さは、（ρ／ｆμπ）（１／２）以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転子。
  4. 前記薄板は第一の外周側領域と、第一の内周側領域と、前記第一の外周側領域と前記第一の内周側領域を繋ぐブリッジ部を含む第一のスロット形状のスロットを有し、
    前記第一の外周側領域は、外周側に一つの頂点を有し、内周側に底辺を有するような三角形で、
    前記ブリッジ部は動径方向に対し垂直となる方向の長さが、前記底辺よりも短く、
    前記薄板の外周から前記ブリッジ部の内周までの長さは前記切り欠き部の深さ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転子。
  5. 前記スロットは、狭小部と、前記狭小部の内周側に前記狭小部と接する内周側領域を備え、
    前記狭小部の内周における周方向の長さは、前記内周側領域の外周における周方向の長さよりも短く、
    前記回転子鉄心の外周から前記狭小部の内周までの長さが前記切り欠き部の深さ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転子。
  6. 　複数の前記薄板は前記第一のスロット形状を備える第一の薄板と、第二のスロット形状を備える第二の薄板を有し、
    前記第二のスロット形状は、第二の外周側領域と、第二の内周側領域を備え、前記第二の外周側領域と前記第二の内周側領域の間が連結されておらず、
    前記第二の外周側領域は前記第一の外周側領域と同じ形状であり、
    前記第二の内周側領域は前記第一の外周側領域と同じ形状であることを特徴とする請求項４に記載の回転子。
  7. 　請求項１から６のいずれか一項に記載の回転子を備えた回転電機。
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