JP4451533B2

JP4451533B2 - 電動機の回転子及びその製造方法

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Publication number: JP4451533B2
Application number: JP2000034996A
Authority: JP
Inventors: 晃裕大穀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2020-02-14
Also published as: JP2001231228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機の回転子に関し、さらに詳しくは、回転子鉄心に形成される複数の二次導体に発生する渦電流を低減するようにした電動機の回転子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の誘導電動機の回転子鉄心を示しており、特に回転子鉄心を構成する複数の回転子コア１,…,１の一つを示している。
【０００３】
図１２に示されるように、軸方向に積層される複数の回転子コア１,…,１の各々には、その円周上に、「なすび型」をした複数の二次導体形成穴２,…,２が所定の間隔で穿設されている。複数の回転子コア１，…，１の積層後、二次導体形成穴２,…,２には液体状のアルミニウムが充填され、充填されたアルミニウムを固化することによりアルミ二次導体が形成される（アルミダイキャスト）。
【０００４】
図１２の例では、２２本の棒状導体が二次導体として回転子鉄心の内部に埋設され、その軸方向の両端は、エンドリング（図示せず）により全て短絡される。回転子鉄心は、軸穴６に回転軸（図示せず）が圧入された後、三相巻線が施された固定子鉄心（図示せず）に遊挿される。
【０００５】
上記構成の誘導電動機において、固定子巻線に三相交流を通電すると、回転磁界が形成され、これにより二次導体に誘導電流が流れる。この電流と元の回転磁界との相互作用により、回転子に回転トルクが発生する。
【０００６】
図１３は、回転軸を含む平面で二次導体３,…,３の一つを切断した断面図であり、図示した磁束φが導体内を貫通することにより、導体内部に循環電流Ｉが発生する。この循環電流Ｉは、トルク発生に寄与しないが（同方向の磁束に対し、大きさが等しく、向きが逆の電流が作用するので、トルクはキャンセルされてしまう）、ジュール損は発生するので、電動機の効率低下を惹起するという問題がある。
【０００７】
一方、特開昭５７−２８５５７号公報には、二次導体の形状を変えることにより高調波二次損失を低減し、電動機の効率を向上させるようにした誘導電動機の回転子が開示されている。
【０００８】
詳述すると、各回転子コアの二次導体形成穴には複数の突起部が形成されており、複数の回転子コアの各々を僅かにずらしながら順次積層することにより、上記突起部をらせん状に配置している。この回転子は、アルミダイキャストにより軸方向にらせん状の二次導体が形成される。
【０００９】
この構成において、二次導体形成穴の上部で誘起される高調波電流（二次電流）はらせん状に流れ、電流の流れる範囲が二次導体形成穴の全周となり、断面積が増大して等価抵抗が小さくなることにより、効率の低下を抑制している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭５７−２８５５７号公報に開示の誘導電動機の回転子においては、突起部が形成されない場合に比べて、高調波電流の流れる径路が変化するだけの構成で、多少の損失低減効果は認められるものの、まだまだ改善の余地があった。
【００１１】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、複数の二次導体に発生する渦電流を低減することにより電動機効率を向上させることのできる安価で信頼性の高い回転子及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の電動機の回転子は、軸方向に積層され二次導体形成用の複数の開口部を有する複数の回転子コアと、上記二次導体形成用開口部にアルミニウムを充填して形成された二次導体とを備えた電動機の回転子であって、各回転子コアの上記複数の開口部は円周方向に所定の間隔で形成され、上記複数の開口部の各々を上記回転子コアに設けた仕切部で分離された複数の穴で構成し、上記二次導体の各々を上記仕切部で分離された複数個のパーツで構成するとともに、各回転子コアの中心と上記仕切部の中心とを結ぶ線に対し、上記仕切部の中心線がなす角度が、軸方向に隣接する回転子コア同士で互いに異なり、上記二次導体の各々の上記複数個のパーツを上記二次導体の軸方向に転位させたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、上記複数個のパーツの軸方向断面積を略一定に設定したことを特徴とする。
【００１４】
さらに、請求項３に記載の発明は、上記各パーツの転位角を１８０°の整数倍に設定したことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、上記二次導体の内側に複数の永久磁石を埋設したことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、上記二次導体の各々の中心線を、各回転子コアの中心に形成された軸穴の中心を軸方向に結んだ線に対し傾斜させたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、隣接する上記開口部の離間距離をτ１、上記仕切部の幅をτ２、上記開口部の軸穴中心からの距離をＲ、上記開口部の数をＮｒ、上記複数の回転子コアの各々の厚みをｔとして、
τ１≧２πＲ／（４Ｎｒ）
ｔ／２≦τ２≦２ｔ
に設定したことを特徴とする。
【００１８】
さらに、請求項７に記載の電動機回転子の製造方法は、複数の回転子コアの各々に仕切部で分離された複数の穴を有する二次導体形成用開口部を円周方向に所定の間隔で複数個形成し、各回転子コアの中心と上記仕切部の中心とを結ぶ線に対し、上記仕切部の中心線がなす角度が、軸方向に隣接する回転子コア同士で互いに異なるように上記複数の回転子コアを順次積層し、上記二次導体形成用開口部に液体状のアルミニウムを充填し固化することにより軸方向に転位した複数のパーツで構成される複数の二次導体を形成するようにしたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、上記複数の回転子コアとして、上記角度が円周方向に徐々に変化する仕切部を有する同一形状の回転子コアを複数枚用意し、軸方向に隣接する回転子コアを二次導体形成用開口部の少なくとも１ピッチずつずらして順次積層するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明は、軸方向に隣接する回転子コアを少なくとも１ピッチずつずらした後、さらに円周方向に所定距離ずらすことにより二次導体の各々の中心線を、各回転子コアの中心に形成された軸穴の中心を軸方向に結んだ線に対し傾斜させたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる誘導電動機の回転子鉄心を示しており、特に回転子鉄心を構成する複数の回転子コア１,…,１の一つを示している。
図１に示されるように、軸方向に積層される複数の回転子コア１,…,１の各々には、その円周上に、複数の二次導体形成用円形開口部２,…,２が所定の間隔で穿設されており、各二次導体形成用開口部２は、コア１の仕切部１ａにより分割された近接する二つの半円状の穴２ａ，２ｂからなる。
【００２２】
ここで、各回転子コア１に形成された二次導体形成用開口部２,…,２において、軸穴６に圧入される回転軸（図示せず）の中心と仕切部１ａの中心とを結ぶ線に対し、仕切部１ａの中心線がなす角度θが、円周方向の位置に応じて徐々に変化するよう設定されている。
【００２３】
アルミダイキャストにより二次導体を形成するに際し、上記形状の回転子コア１を複数枚用意し、隣接する回転子コア１を円周方向に二次導体形成用開口部２，…，２の１ピッチあるいは数ピッチずつ順次ずらして積層する。次に、二次導体形成用開口部２,…,２に液体状のアルミニウムを充填し固化すると、図２に示されるような互いに分離された二つのパーツ３ａ，３ｂからなるアルミ二次導体３が所定間隔で複数個形成される。
【００２４】
図１の回転子コア１を使用した場合、２２本の棒状導体３,…,３が二次導体として回転子鉄心の内部に埋設され、その軸方向の両端は、エンドリング（図示せず）により全て短絡される。回転子鉄心は、軸穴６に回転軸（図示せず）が圧入された後、三相巻線が施された固定子鉄心（図示せず）に遊挿される。
【００２５】
図３は、アルミ二次導体３,…,３の一つを軸に垂直に所定間隔で切断した断面図であり、仕切部１ａの角度が徐々に変化しているのが認められる。
【００２６】
また、図４は、アルミ二次導体３,…,３の一つを軸を含む平面で切断した断面図である。
【００２７】
図４に示されるように、磁束φが二次導体３の各パーツ３ａ，３ｂ内を貫通することにより、各パーツ３ａ，３ｂ内部に循環電流Ｉ₁，Ｉ₂がそれぞれ流れるが、その各々はスリットを超えて流れることがないので、局部的な流路となる。したがって、渦電流が大幅に減少し、電動機の効率が向上する。
【００２８】
本発明は、上記構成において、各二次導体３を二つのパーツ３ａ，３ｂに分離した点に特徴がある。すなわち、各二次導体形成用の開口部２として、近接した位置に二つの半円状の穴２ａ，２ｂが独立して設けられており、この二つの穴２ａ，２ｂを仕切るために、各回転子コア１に仕切部１ａが形成されている。二つの穴２ａ，２ｂの距離が大きいと、単に二次導体の数を増加しただけになるので、仕切部１ａの幅を狭くし、ほぼ同じ磁束密度レベルの位置に各二次導体３の２つのパーツ３ａ，３ｂを配置している。
【００２９】
発明者らがこれまでに行った検討の結果、隣接する開口部２，…，２の離間距離をτ１、仕切部１ａの幅をτ２、開口部２，…，２の軸穴６中心からの距離をＲ、開口部２，…，２の数をＮｒとすると（図５参照）、以下のような結果が得られた。
【００３０】
（１）開口部２，…，２は、アルミダイキャストにより二次導体として機能する単位のものであればよく、
τ１≧２πＲ／（４Ｎｒ）
が好ましい。
（２）仕切部１ａを通過する磁束数を低減するために、
τ２≦２ｔ（ｔ：各回転子コア１の厚み）
が好ましい。
（３）仕切部１ａの幅は、アルミダイキャスト時の強度を確保するために、
τ２≧ｔ／２
とすべきであり、さらに好ましくは、
τ２≧ｔ
とすべきである。
【００３１】
次に、仕切部１ａの回転角度について考察する。
仕切部１ａの回転角度の軸方向積分値（軸方向の最下部から最上部までのひねり度合あるいは転移の度合）をθ_TOTALとすると、θ_TOTALを１８０度の倍数とすることにより渦電流を低減することができ、倍数を大きくすると、それだけ局部的に流れる量も減少する。また、軸方向に積層された回転子コア１，…，１の１枚分進んだときの仕切部１ａの回転角度のずれをδθとすると、
δθ＝（ｋ×１８０／Ｎｒ）°
ｋ：任意の整数、
とすれば、一つの金型で作製した複数の回転子コアを順次回転させながら積層することで実現することができる。この場合、金型が一つで済むので、設備的に非常に有利であるが、各二次導体形成用開口部２を個別に加工すれば、何らの制約を受けることなく任意のピッチで転位させる（ひねりを入れる）ことができる。
【００３２】
なお、図１に示される回転子コア１では、隣り合う仕切部１ａの回転角度のズレを、
δθ＝（１×１８０／２２）°＝８．１８°
に設定している（転位（ツイスト）角：１８０°）。
【００３３】
また、図６に示される回転子コア１では、ｋ＝２に設定しており、隣り合う二次導体の仕切部１ａの回転角度のずれを、
δθ＝（２×１８０／２２）°＝１６．３６°
に設定したものである（転位角：３６０°）。
【００３４】
実施の形態２．
図７は、回転子をスキューした場合の本発明の実施の形態２にかかる誘導電動機の二次導体３Ａを示している。
【００３５】
スキューとは、回転軸と二次導体の中心線とが平行ではなく、ある角度で傾斜するようにしたもので、具体的には、回転子鉄心を構成する各コアを円周方向に順次ずらしながら積層することにより実現される。この種の電動機は、運転時のトルクの脈動を抑制できる等の効果はあるが、逆に漏れ電流増加による効率低下という欠点もあり、専ら小型機に採用されている。
【００３６】
アルミダイキャストにより二次導体を形成するに際し、図１に示される回転子コア１を複数枚用意し、隣接する回転子コア１を円周方向に１ピッチあるいは数ピッチずつ順次ずらすとともに、各回転子コア１を円周方向にさらに所定距離ずらしながら積層する。次に、二次導体形成用開口部に液体状のアルミニウムを充填し固化すると、図７に示されるようなアルミ二次導体３Ａが所定間隔で複数個形成される。
【００３７】
図８は、図７に示される二次導体３Ａにおいて、隣接する２層分のみを示したものであり、二つの独立した二次導体が互いにショート（接触）することがないよう（矢印の部分）、スキュー角と隙間部の寸法を適宜設定している。
【００３８】
なお、上記実施の形態１及び２においては、各二次導体３，３Ａを２分割したが、本発明は２分割に限定されるものではなく、２分割以上の複数分割にすることもできる。ただし、複数に分割された各パーツの抵抗を略一定にするために、軸方向の各断面における断面積を略一定にしている。
【００３９】
図９は、各回転子コア１に十字形の仕切部１ｂを形成し、各二次導体３Ｂを４分割したものである。このように分割数を増加するほど、渦電流低減により効果があるが、仕切部１ｂの体積も増加することから導体断面積が減少する点に注意を払う必要がある。
【００４０】
さらに、上記実施の形態においては、各二次導体３，３Ａ，３Ｂの断面形状を円形としたが、円形以外の形状を採用することもできる。
【００４１】
図１０は、各二次導体３Ｃの断面形状を円形ではなく楕円形にしたものである。この例では、軸に垂直な平面で切断した二次導体３Ｃの断面積を等しく設定するために、仕切部１ｃの長さが短くなるほど、仕切部１ｃの幅を広くしている。このように、各二次導体３Ｃを細長くすることで、鉄心の磁路部分の幅を広くすることができ、電動機の特性が向上する。
【００４２】
当然のことながら、図１２に示される「なすび型」断面形状を採用することもできる。
【００４３】
さらに、上記実施の形態では、全運転領域において誘導機として機能する電動機の例について示したが、本発明は誘導電動機に限定されるものではなく同期電動機にも採用可能である。
【００４４】
図１１は、誘導始動の永久磁石同期電動機に積層される複数の回転子コア１，…，１の一つを示しており、その円周上には、円形の複数の二次導体形成用開口部２,…,２が所定の間隔で穿設されている。各二次導体形成用開口部２は、コア１の仕切部１ａにより分割された近接する二つの半円状の穴２ａ，２ｂからなる。二次導体形成用開口部２，…，２の内側で、軸穴６の周囲には、四つの離間した永久磁石挿入穴７，…，７が穿設されており、各永久磁石挿入穴７には一つの永久磁石４が挿入されている。
【００４５】
なお、アルミダイキャストにより二次導体を形成する過程あるいは二次導体の形状については、上記実施の形態１あるいは２と同じなので、その説明は省略する。
【００４６】
また、上記実施の形態においては、複数の回転子コア１，…，１を積層するに際し、隣接する回転子コア１を円周方向に少なくとも１ピッチずつ順次ずらすようにしたが、複数枚毎にずらしてもよい。すなわち、同じ回転子コア１を数枚（例えば３枚）積層し、次に少なくとも１ピッチ分ずらしたものを同様に数枚積層する。以後、所定数の回転子コアを同様に積層した後、アルミダイキャストにより二次導体が形成される。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明のうちで請求項１に記載の発明によれば、複数の二次導体形成用開口部の各々を回転子コアの仕切部で分離された複数の穴で構成し、二次導体の各々を近接する複数個のパーツで構成するとともに、各パーツを軸方向に転位させるようにしたので、各パーツを磁束が通過しても循環電流は局部的にしか流れることがない。したがって、複数の二次導体に発生する渦電流が低減し、電動機効率を向上させることができる。
【００４８】
また、請求項２に記載の発明によれば、複数のパーツの軸方向断面積を略一定に設定したので、各パーツの抵抗が略一定となり、渦電流をより効果的に低減することができる。
【００４９】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、各パーツの転位角を１８０°の整数倍に設定したので、各パーツに生じる渦電流を効率よくキャンセルすることができる。
【００５０】
また、請求項４に記載の発明によれば、二次導体の内側に複数の永久磁石を埋設するようにしたので、本発明は誘導電動機のみならず、誘導始動の同期電動機にも採用することができる。
【００５１】
また、請求項５に記載の発明によれば、二次導体の各々を軸穴に対し傾斜させるようにしたので、電動機運転時のトルクの脈動を抑制することができ、信頼性を向上させることができる。
【００５２】
また、請求項６に記載の発明によれば、隣接する開口部の離間距離をτ１、仕切部の幅をτ２、開口部の軸穴中心からの距離をＲ、開口部の数をＮｒ、複数の回転子コアの各々の厚みをｔとして、
τ１≧２πＲ／（４Ｎｒ）
ｔ／２≦τ２≦２ｔ
に設定したので、二次導体を不必要に増加することなく所定数の二次導体を形成することができるとともに、仕切部を通過する磁束数を低減し、アルミダイキャスト時の強度も確保することができる。
【００５３】
さらに、請求項７に記載の発明によれば、各回転子コアに仕切部で分離された複数の穴を有する開口部を複数個形成し、隣接する回転子コアの仕切部の傾斜角が異なるように回転子コアを順次積層し、開口部に液体状のアルミニウムを充填し固化することにより軸方向に転位した複数のパーツで構成される二次導体を形成するようにしたので、各パーツを磁束が通過しても循環電流は局部的にしか流れることがなく、二次導体に発生する渦電流が低減し、電動機効率を向上させることができる。
【００５４】
また、請求項８に記載の発明によれば、傾斜角が円周方向に徐々に変化する仕切部を有する同一形状の回転子コアを複数枚用意し、隣接する回転子コアを二次導体形成用開口部の少なくとも１ピッチずつずらして順次積層するようにしたので、金型が一つで済み、回転子を安価に製作することができる。
【００５５】
また、請求項９に記載の発明によれば、隣接する回転子コアを少なくとも１ピッチずつずらした後、さらに所定距離ずらすことにより二次導体の各々を軸穴に対し傾斜させるようにしたので、電動機運転時のトルクの脈動を抑制することができ、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電動機の回転子コアの平面図である。
【図２】図１の回転子コアに形成される二次導体の斜視図である。
【図３】図２の二次導体を軸に垂直に所定間隔で切断した断面図であり、（ａ）〜（ｌ）は仕切部の傾斜角が徐々に変化している様子をそれぞれ示している。
【図４】図２の二次導体を軸を含む平面で切断した部分断面図である。
【図５】図１の回転子コアに穿設された複数の開口部のサイズ、離間距離等を説明するための部分拡大平面図である。
【図６】図１の回転子コアの変形例の平面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる誘導電動機の回転子に形成される二次導体の斜視図である。
【図８】図７の二次導体において、隣接する２層分のみを示す斜視図である。
【図９】二次導体の変形例の軸に垂直な断面図である。
【図１０】二次導体の別の変形例の軸に垂直な断面図であり、（ａ）及び（ｂ）は軸方向に離間した部位をそれぞれ示している。
【図１１】図１の回転子コアの別の変形例の平面図である。
【図１２】従来の電動機の回転子コアの平面図である。
【図１３】図１２の回転子コアに形成される二次導体を軸を含む平面で切断した部分断面図である。
【符号の説明】
１回転子コア、１ａ仕切部、２二次導体形成用開口部、
２ａ，２ｂ二次導体形成穴、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ二次導体、
３ａ，３ｂ二次導体の各パーツ、４永久磁石、６軸穴、
７永久磁石挿入穴

Claims

軸方向に積層され二次導体形成用の複数の開口部を有する複数の回転子コアと、上記二次導体形成用開口部にアルミニウムを充填して形成された二次導体とを備えた電動機の回転子であって、
各回転子コアの上記複数の開口部は円周方向に所定の間隔で形成され、上記複数の開口部の各々を上記回転子コアに設けた仕切部で分離された複数の穴で構成し、上記二次導体の各々を上記仕切部で分離された複数個のパーツで構成するとともに、各回転子コアの中心と上記仕切部の中心とを結ぶ線に対し、上記仕切部の中心線がなす角度が、軸方向に隣接する回転子コア同士で互いに異なり、上記二次導体の各々の上記複数個のパーツを上記二次導体の軸方向に転位させたことを特徴とする電動機の回転子。
上記複数個のパーツの軸方向断面積を略一定に設定した請求項１に記載の電動機の回転子。
上記各パーツの転位角を１８０°の整数倍に設定した請求項１あるいは２に記載の電動機の回転子。
上記二次導体の内側に複数の永久磁石を埋設した請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機の回転子。
上記二次導体の各々の中心線を、各回転子コアの中心に形成された軸穴の中心を軸方向に結んだ線に対し傾斜させた請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機の回転子。
隣接する上記開口部の離間距離をτ１、上記仕切部の幅をτ２、上記開口部の軸穴中心からの距離をＲ、上記開口部の数をＮｒ、上記複数の回転子コアの各々の厚みをｔとして、
τ１≧２πＲ／（４Ｎｒ）
ｔ／２≦τ２≦２ｔ
に設定した請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電動機の回転子。
複数の回転子コアの各々に仕切部で分離された複数の穴を有する二次導体形成用開口部を円周方向に所定の間隔で複数個形成し、各回転子コアの中心と上記仕切部の中心とを結ぶ線に対し、上記仕切部の中心線がなす角度が、軸方向に隣接する回転子コア同士で互いに異なるように上記複数の回転子コアを順次積層し、上記二次導体形成用開口部に液体状のアルミニウムを充填し固化することにより軸方向に転位した複数のパーツで構成される複数の二次導体を形成するようにした電動機回転子の製造方法。
上記複数の回転子コアとして、上記角度が円周方向に徐々に変化する仕切部を有する同一形状の回転子コアを複数枚用意し、軸方向に隣接する回転子コアを二次導体形成用開口部の少なくとも１ピッチずつずらして順次積層するようにした請求項７に記載の電動機回転子の製造方法。
軸方向に隣接する回転子コアを少なくとも１ピッチずつずらした後、さらに円周方向に所定距離ずらすことにより二次導体の各々の中心線を、各回転子コアの中心に形成された軸穴の中心を軸方向に結んだ線に対し傾斜させた請求項８に記載の電動機回転子の製造方法。